材料科学基础习题与答案Word下载.docx
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6.已知Cu的原子直径为2.56,求Cu的晶格常数,并计算1mm3Cu的原子数。
7.已知Al相对原子质量Ar(Al)=26.97,原子半径γ=0.143nm,求Al晶体的密度。
8bcc铁的单位晶胞体积,在912℃时是0.02464nm3;
fcc铁在相同温度时其单位晶胞体积是0.0486nm3。
当铁由bcc转变为fcc时,其密度改变的百分比为多少?
9.何谓金属化合物?
常见金属化合物有几类?
影响它们形成和结构的主要因素是什么?
其性能如何?
10.在面心立方晶胞中画出[012]和[13]晶向。
在面心立方晶胞中画出(012)和(13)晶面。
11.设晶面(152)和(034)属六方晶系的正交坐标表述,试给出其四轴坐标的表示。
反之,求()及(22)的正交坐标的表示。
(练习),上题中均改为相应晶向指数,求相互转换后结果。
12.在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标,6个面心构成一个正八面体,指出这个八面体各个表面的晶面指数,各个棱边和对角线的晶向指数。
13.写出立方晶系的{110}、{100}、{111}、{112}晶面族包括的等价晶面,请分别画出。
14.在立方晶系中的一个晶胞画出(111)和(112)晶面,并写出两晶面交线的晶向指数。
15在六方晶系晶胞中画出[110],[101]晶向和(102)晶面,并确定(102)晶面与六方晶胞交线的晶向指数。
16.在立方晶系的一个晶胞同时画出位于(101),(011)和(112)晶面上的[11]晶向。
17.在1000℃,有WC为1.7%的碳溶于fcc铁的固溶体,求100个单位晶胞中有多少个碳原子?
(已知:
Ar(Fe)=55.85,Ar(C)=12.01)
18.r-Fe在略高于912℃时点阵常数a=0.3633nm,α-Fe在略低于912℃时a=0.2892nm,求:
(1)上述温度时γ-Fe和α-Fe的原子半径R;
(2)γ-Fe→α-Fe转变时的体积变化率;
(3)设γ-Fe→α-Fe转变时原子半径不发生变化,求此转变时的体积变化率,与
(2)的结果相比较并加以说明。
19.
(1)计算fcc结构的(111)面的面间距(用点阵常数表示);
(2)以几何关系上验证所得结果;
(3)欲确定一成分为18%Cr,18%Ni的不锈钢晶体在室温下的可能结构是fcc还是bcc,由x射线测得此晶体的(111)面间距为0.21nm,已知bcc铁的a=0.286nm,fcc铁的a=0.363nm,试问此晶体属何结构?
20.试证明密排六方的晶格常数之间关系:
c/a=1.633。
21.比较概念:
晶体与非晶体,空间点阵和晶体结构,相和组织,固溶体和中间相,间隙固溶体和置换固溶体,电子化合物和正常价化合物,间隙固溶体和间隙化合物、间隙相和间隙化合物。
第三章思考题与例题
1.空位数随温度升高而增加,在20℃和1020℃之间,由于热膨胀bcc铁的晶格常数增加0.51%,而密度减少2.0%,假设在20℃时,此金属中每1000个单位晶胞中有1个空位,试估计在1020℃时每1000个单位晶胞中有多少个部位?
2.Cu晶体空位形成能Ev=1.44×
10-19J/atcm,材料常数A=1,k=1.38×
10-23J/k,计算:
(1)在500℃下,每立方米Cu中的空位数目;
(2)500℃下的平衡空位浓度。
Ar(Cu)=63.54g/mol,500℃=8.96×
106g/cm3。
3.在800℃时1010个原子中有1个原子具有足够能量可在固体移动;
而在900℃时,109个原子中就有1个原子实现上述情况,试求其激活能(J/原子)?
4.在图1中的阴影面为晶体的滑移面,该晶体的ABCD表面有一圆形标记,它与滑移面相交,标记左侧有一根位错线,试问当刃、螺位错线从晶体的左侧滑移至右侧时,表面的标记发生什么变化?
并指出刃、螺位错滑移的切应力方向。
4题·
图1
5题·
图2
6题·
图3
7题·
图4
5.已知位错环ABCD的柏氏矢量为b,外应力τ和σ,如下图2所示,求:
(1)位错环各边是什么位错?
(2)设想在晶体中怎样才能得到这个位错?
(3)在足够大的切应力τ作用下,位错环将如何运动?
(4)在足够大的正应力σ作用下,位错环将如何运动?
6.在图3晶体二维图形,晶格间距a,含正刃位错和负刃位错,则:
(1)围绕两个位错作柏氏回路,b=?
;
(2)围绕单个作柏氏回路,b=?
(表明方向和强度)
7.方形晶体中有两根刃型位错,如下图4:
(1)当周围晶体中:
(a)空位多于平衡值;
(b)空位少于平衡值;
(c)间隙原子多于平衡值;
(d)间隙原子少于平衡值时,位错易于向何种方向攀移?
(2)加上怎样的外力,才能使这两根位错线通过纯攀移而相互靠拢?
8.简单立方晶体中(100)面上有一位错,=[00],§
//[001],问:
(1)若在(001)面上有一个=[010],§
//[100]的位错与之相割,结果如何?
(2)若在(001)面上有一个=[100],§
//[001]的位移与之相割,结果如何?
(3)交割反应的结果对位错进一步运动有何影响?
9.画一方形位错环,并在这个平面上画出柏氏矢量(沿对角线方向)及位错线方向(顺时针),据此指出位错环各段的性质,并示意画出晶体滑移后的结果。
10.在实际晶体中存在有哪几类缺陷?
各有什么特征?
11.何谓刃型位错和螺型位错?
全面比较两者有何异同?
何谓柏氏矢量?
如何用柏氏矢量来判断位错类型?
12.两个相同符合的的刃型位错,在同一滑移面相遇;
它们会排斥还是会吸引?
13.试说明晶体中位错运动的方式——滑移,攀移及交滑移的条件,过程和结果,并阐述如何确定位错滑移运动的方向?
在刃型位错与螺型位错的滑移运动中,滑移方向与柏氏矢量、切应力及位错线的位向关系是什么?
14.晶界在金属材料中所起的作用有哪些?
当金属熔化时,是先在晶界还是先在晶粒中心熔化,为什么?
15.试分别描述位错增殖的F-R源机制和双交滑移机制。
如果进行双交滑移的那段螺形位错的长度为50nm,而位错的柏氏矢量为0.8nm,试现位错增殖所必需的切应力(G=40Gpa)
16.何谓小角度晶界?
有哪些类型?
原子排列上有什么特征?
17.一个位错环能否各部分都是螺位错?
能否各部分都是刃位错?
为什么?
18.在刃型位错与螺型位错的滑移运动中,滑移方向与柏氏矢量、切应力及位错线的位向关系是什么?
19.何谓割阶、扭折?
割阶或扭折的长短和位向如何?
割阶或扭折的柏氏矢量如何?
产生割阶或扭折后位错应变能的增加量如何?
割阶或扭折对原位错线运动有何影响?
20.举例或画图说明什么是小角度晶界的位错模型?
描述大角度晶界有何模型?
其含义是什么?
21.点缺陷分几种?
它们对周围原子排列有何影响?
何谓空位平衡浓度?
其影响因素是什么?
这些缺陷对金属性能有何影响?
22.绘图说明用柏氏回路方法求出位错的柏氏矢量,并说明柏氏矢量的物理意义及用柏氏矢量如何确定位错性质?
23.名词区别:
刃型位错和螺型位错,割价和扭折,交滑移和多滑移,滑移和攀移,晶界、相界和孪晶界,共格相界、非共格相界和半共格相界,小角度晶界和大角度晶界
第四章思考题与例题
1.设有一条径为30mm的厚壁管道,被厚度为0.1mm的铁膜隔开,通过向管子一端向管输入氮气,以保持膜片一侧氮气浓度为1200mol/m3,而另一侧的氮气浓度为100mol/m3。
如在700℃下测得通过管道的氮气流量为2.8×
10-4mol/s,求此时氮气在铁中的扩散系数。
2.简要说明在金属或合金中的晶粒部,原子扩散的机理是什么?
3.Cu-Al组成的互扩散偶发生扩散时,标志面会向哪个方向移动?
4.设纯Cr和纯Fe组成的扩散偶,扩散1小时后Matano平面移动了1.52×
10-3cm。
已知CCr=0.478时,əC/əx=126/cm,互扩散系数D=1.43×
10-9cm2/s,试求Matano平面移动速度和Cr、Fe的本征扩散系数DCr、DFe。
(实验测得Matano平面移动距离的平方与扩散时间之比为常数。
)
5.工业生产中经常采用渗碳的方法来提高钢铁零件的表面硬度。
表面含碳量越高,钢的硬度越高。
例如将含碳量0.2%的钢置于Ws=1.3%的气氛中渗碳,渗碳温度为927℃,保温10h,已知碳在γ-Fe中的Dc=2.21×
10-7cm²
·
s-1,求:
(1)
距表面x=0.04㎝处的碳浓度(1.0265%);
(2)若已知渗层某处的碳浓度为0.65%时,求x值(0.104㎝)。
6.对于同一扩散系统、扩散系数D与扩散时间t的乘积为常数。
例如:
已知Cu在Al中扩散系数D,在500℃和600º
C分别为4.8×
10-14m²
s-1和5.3×
10-13m²
s-1,假如一个工件在600º
C需要处理10h,若在500º
C处理时,要达到同样的效果,需要多少小时?
7.对于钢铁材料进行渗碳处理时,x与t的关系是t∝x²
。
假设对-Wc=0.25%的钢件进行渗碳处理,要求渗层0.5㎜处的碳浓度为0.8%,渗碳气体浓度为Wc=1.2%,在950º
C进行渗碳,需要7小时,如果将层深厚度提高到1.0㎜,需要多长时间?
8钢在进行渗碳处理时,表面很快达到较高浓度,然后逐步向中间扩散,设在1000℃时,测得工件离表面1mm和2mm之间的碳浓度(原子浓度)从5at.%降到4at.%,试计算碳原子在该区域的流量(γ-Fe在1000℃时密度为7.63g/cm3,扩散系数=(2.0×
10-5m2/s)×
exp[(-142000J/mol)/RT]),以原子/m2·
s为单位。
9.一块0.1%C钢在930℃渗碳,渗到0.05cm的地方碳的浓度达到0.45%。
在t>
0的全部时间,渗碳气氛保持表面成分为1%,假设=2.0×
10-5exp(-140000/RT)(m2/s),
(1)计算渗碳时间;
(2)若将渗层加深一倍,则需多长时间?
(3)若规定0.3%C作为渗碳层厚工的量度,则在930℃渗碳10小时的渗层厚度为870℃渗碳10小时的多少倍?
10.含0.85%C的普碳钢加热到900℃在空气中保温1小时后外层碳浓度降到零。
假如要求零件外层的碳浓度为0.8%,表面应车削去多少深度?
[=1.1×
10-7cm2/s]
11.钢在较低温度渗碳有一定优越性,淬火变形小又可得到较细的晶粒,并能延长炉子的寿命。
某人设想将渗碳温度从1000℃降低到900℃,而将渗碳时间延长10%,即获得同样结果。
试分析这种设想是否正确。
(已知=140kJ/mol)。
12.扩散的驱动力是什么?
固态金属扩散的条件及影响扩散的因素有哪些?
(固态金属中发生扩散需具备哪些条件?
影响固态金属扩散的条件有那些?
13.C在α-Fe中的扩散系数大于C在γ-Fe中的扩散系数,为什么钢铁零件渗碳温度一般选择在γ-Fe相区中进行?
若不在γ-Fe相区中进行会有什么结果?
奥氏体中碳原子扩散与铁原子扩散系数有何区别?
14.何谓扩散系数?
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