西北工业大学材料科学基础模拟题及真题Word文件下载.docx

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相邻原子通过共用电子对结合；

键合强，有方向性；

熔点、硬度高，不导电，导热性有好有差。

金属键：

金属正离子于自由电子相互吸引；

键合较强，无方向性；

熔点、硬度有高有低，导热导电性好。

分子键：

分子或分子团显弱电性，相互吸引；

键合很弱，无方向性；

熔点、硬度低，不导电，导热性差。

氢 

键：

类似分子键，但氢原子起关键作用XH-Y；

键合弱，有方向性；

熔点、硬度低，不导电，导热性好。

晶胞原子数

配位数

致密度

面心立方

4

12

74%

体心立方

2

8

68%

因位错线方向垂直于柏氏矢量，所以是刃位错。

相同点：

小原子溶入

不同点：

若小原子溶入后，大小原子数量成比例，在选取点阵时，大小原子点阵可以合并，这实际上改变了大原子的点阵结构，因此认为形成新相，称为间隙相（间隙化合物）。

若小原子溶入后，分布随机，大小原子点阵不能合并，仍然保留大原子点阵，称为间隙固溶体。

从公式表达形式可以看出扩散系数与扩散激活能Q和温度T有关。

扩散激活能越低扩散系数越大，因此激活能低的扩散方式的扩散系数较大，如晶界和位错处的扩散系数较大。

温度越高，原子活性越大，扩散系数越大。

过冷度：

实际结晶温度与理论结晶温度的差值。

随过冷度增大，形核率先增后减。

1.在面心立方晶体中，分别画出（101）、[110]和

对面心立方晶体，（101）非密排面，因此它不是滑移面；

[110]是密排方向，因此是滑移方向。

但这二者不能构成滑移系。

和[

是密排面和密排方向，因此可以构成滑移系。

2.已知Al为面心立方晶体，原子半径为rA。

3.A-B二元合金中具有共晶反应如下：

设合金成分为c％，由题知：

得：

c%＝0.55%

4.已知铜的临界切分应力为1Mpa，问要使

对立方晶系，两晶向[h1k1l1]和[h2k2l2]夹角公式为：

故滑移面的法线

与拉力轴方向[001]的夹角为：

同理，滑移方向[101]与拉力轴方向[001]的夹角为：

由分切应力公式得：

1）A组元（熔点600℃）与B组元（熔点500℃）在液态时无限互溶；

2）固态时，A在B中的最大固溶度为wA=0.30，室温时为wA=0.10；

3）300℃时发生共晶反应

相组成：

A＋β

组织组成：

A＋β＋AII

工业纯铁：

F

20钢：

F+P

45钢：

T8钢：

P

T12钢：

P+Fe3C网状

亚共晶白口铸铁：

P+Ld’

1．工程材料分为哪几类？

它们的结合键如何？

2．根据凝固理论，请分析细化铸锭晶粒的途径及原理

3．固溶体非平衡凝固时，形成微观偏析和宏观偏析的原因有何区别？

4．请为置换固溶体、间隙固溶体、间隙化合物、正常价化合物、电子化合物和间隙化合物各举一具体例子。

5．为什么细晶强化可以同时提高合金强度、硬度、塑性和韧性？

1．钛的晶胞（密排六方）体积在20℃时为0.106nm3，其c/a＝1.59，求：

（1）c、a的值；

（2）钛原子半径。

2．已知钼为体心立方结构，请回答：

（1）画出其晶胞示意图；

（2）在图中画出一个可能的滑移系，并标明滑移面和滑移方向的指数。

3． 

一碳钢在平衡冷却条件下，室温组织为珠光体＋二次渗碳体，其中珠光体含量为90%。

请确定该碳钢的含碳量，并画出组织示意图。

4．假设某面心立方晶体可以开动的滑移系为

，请回答：

（1）给出滑移位错的单位位错柏氏矢量；

（2）若滑移位错为纯刃位错，请指出其位错线方向；

若滑移位错为纯螺位错，其位错线方向又如何？

1．根据下列已知条件绘出A-B二元共晶相图：

i.tA>

tB（tA、tB为A、B的熔点）；

ii.共晶反应为

；

iii.B在A中的固溶度随温度的下降而减小，室温时为wB＝0.03；

A在B中的固溶度不随温度变化，

并请回答：

（1）分析wB=0.85的合金平衡结晶过程；

（2）计算该合金室温下的相组成物及组织组成物。

（忽略二次相）

8.一楔型纯铜铸锭，经间距恒定的轧辊轧制（如图）；

（1）请画出轧制后，锭子的晶粒示意图。

（2）画出将该锭子进行再结晶退火后，晶粒示意图。

并分析原因。

一、简答题（每题5分，共30分）

1．何为空间点阵？

它与晶体结构有何异、同？

2．请简述晶界有哪些特征？

3．何为固溶强化？

置换固溶体与间隙固溶体相比,哪个的固溶强化效果强？

请简述影响固溶度的因素。

4．请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。

5．什么是反应扩散？

请简述其特点。

6．简述在什么情况下会发生单滑移、多滑移和交滑移，它们的滑移线形貌特征是什么 

1．请计算简单立方和体心立方晶体的（100）、（110）和（111）晶面的面间距（假设两种点阵的点阵常数都是a）。

2．在面心立方晶体中，分别画出

、

和、

若外力方向为<

001>

，请问哪些滑移系可以开动？

3．请判定下列反应能否进行，若能够进行，则在简单立方晶胞内绘出参加反应位错的柏氏矢量。

1）

2）

4．已知三元简单共晶的投影图，见附图，

1）请画出AD代表的垂直截面图及各区的相组成；

2）请画出X合金平衡冷却时的冷区曲线，及各阶段相变反应。

1．已知Mg-Ni合金系中一个共晶反应：

L23.5%Ni⇔α纯Mg+Mg2Ni54.6%Ni

设有C1和C2两种合金，C1为亚共晶，C2为过共晶。

这两种合金的初生相质量分数相等，但室温时C1中α（即Mg）的总量是C2中α总量的2.5倍，请确定C1和C2的成分。

2.某工厂对一大型零件进行淬火处理，经过1100℃加热后，用冷拉钢丝绳吊挂，由起重吊车送往淬火水槽，行至途中钢丝突然发生断裂。

该钢丝是新的，且没有瑕疵，是分析该钢丝绳断裂的原因。

　综合模拟测试

1.请简述刃型位错、螺型位错的主要特征。

2.相互垂直的位错运动后发生交割，原位错可能会发生什么变化？

在后续的位错运动中可能会有什么影响？

3.什么是离异共晶？

如何发生的？

4.简述平衡结晶与非平衡结晶的不同之处。

5.形成无限固溶体的条件是什么？

简述原因。

6.在固态下晶体的线缺陷对溶质原子的扩散有何影响

二、作图计算题（共40分）

1.在A滑移面上有一环形位错，所受切应力如图所示，试分析在平面位错环上各段属于哪种类型的位错？

作图表示位错运动的方向？

（俯视观看）（8分）

2.根据Fe-Fe3C相图画出含碳0.65％的铁碳合金的冷却曲线。

指出平衡冷却室温下相组成物、组织组成物是什么？

并计算其相对含量。

（12分）

3、下图为Cu-Zn相图，图中有多少三相平衡，写出它们的反应式。

（8分）

4、已知单晶铜的｛111｝

滑移系的临界分切应力τk为1MPa，请问：

①要使

面上产生

方向的滑移，则在

方向上应施加多大的应力？

②假设在单晶铜中只开动

滑移系，那么随着滑移的进行，拉伸试样中

面会产生什么现象？

它对随后的进一步变形有何影响？

1.为了细化纯铝板晶粒，采用冷变性的方法将其变形3％～5％，之后采用620℃退火1ｈ，组织反而粗化，增大冷变形至80％以上，再于620℃退火1ｈ，组织仍然粗大。

分析其原因，指出上述工艺不合理之处并拟定一种合理的晶粒细化工艺。

（Ｔ再＝0.4Ｔ溶纯铝熔点为660℃）

2.简述60#钢（含碳0.6%）平衡结晶（假设为均匀形核）需要满足的条件。

综合模拟测试参考答案

一简答题（每题6分，共30分）

1.请简述刃型位错、螺型位错的主要特征

答：

刃型位错：

✧晶体中有一个额外原子面，形如刀刃插入晶体

✧刃型位错周围的点阵发生了弹性畸变

✧位错线可以是折线或曲线,但位错线必与滑移（矢量）方向垂直

✧只有一个确定的滑移面

✧位错线的移动方向与晶体滑移方向平行（一致）

✧位错线与柏氏矢量垂直

螺型位错：

Ø

上下两层原子发生错排，错排区原子依次连接呈螺旋状

位错线周围点阵产生了弹性畸变；

螺型位错与晶体滑移方向平行，故位错线一定是直 

线

螺型位错的滑移面是不确定的，凡是包含螺型位错的平面均可作为它的滑移面；

位错线的移动方向与晶体滑移方向相互垂直。

位错线与柏氏矢量平行

交割后在原位错线上留下对方柏氏矢量大小、方向的扭转或割接，但是该位错线仍是原柏氏矢量。

所有的割阶都是刃型位错，而扭折可以是刃位错也可以是螺位错在后续位错运动中，由于：

扭折与原位错同一滑移面，可随主位错线一起运动，几乎不产生阻力，并在线张力的作用下易消失割阶与原位错线不在同一滑移面，故除非割阶产生攀移，否则割阶就不能跟随主滑移线一起运动，成为位错运动的障碍，称为割阶硬化

在共晶水平线的两个端部附近，由于共晶量少，领先相相依附在初生相上，另一相独立存在于晶界，在组织学上失去共晶体特点，称为离异共晶。

有时，也将端部以外附近的合金，在非平衡凝固时得到的少量共晶，称为离异共晶。

平衡结晶是指结晶速度非常缓慢，液相和固相中扩散均很充分的情况下的结晶。

非平衡结晶是指结晶速度比较快，扩散不充分的情况下的结晶。

形成固溶体时，溶质原子的溶入会使溶剂结构产生点阵畸变，使体系自由能升高。

间隙固溶体中溶质原子溶入溶剂间隙中引起的点阵畸变较大，故不能形成无限互溶；

置换固溶体中溶质原子取代了溶剂原子的位置，晶格畸变较小。

当溶质、溶剂尺寸相差越小，晶格畸变越小，能量越低，溶解度越大；

两组元具有相同的晶体结构可形成无限互溶。

6.在固态下晶体的线缺陷对溶质原子的扩散有何影响？

①Ｑ↓——Ｄ↑——管道机制　　　　　②Ｑ↑——Ｄ↓——陷阱机制

二作图计算题（共30分）

1、根据Fe-Fe3C相图画出含碳0.65％的铁碳合金的冷却曲线。

指出平衡冷却，室温下相组成物、组织组成物是什么？

参考答案：

相组成：

α+Fe3C

组织组成：

F+P+Fe3CIII（少量、忽略）

室温下，相的相对含量：

室温下，组织相对含量：

忽略

2、在A滑移面上有一环形位错，所受切应力如图所示，试分析在平面位错环上各段属于哪种类型的位错？

⑴包晶反应　α+L→β;

⑵包晶反应　β+L→γ;

⑶包晶反应　γ+L→δ;

⑷包晶反应　δ+L→ε;

⑸包晶反应　ε+L→η;

⑹共析反应　δ→r+ε;

（10分）

（1）

滑移面

的法线方向

和拉力轴

的夹角

与拉力轴

的夹角

需要施加的力

（2）（111）面会发生转动。

晶面转动使晶体位相发生改变，使滑移面和滑移方向逐渐趋于平行拉伸轴线方向，从而使后续塑性变形所需外力进一步增大。

三综合题（每题15分，共30分）

1、为了细化纯铝板晶粒，采用冷变性的方法将其变形3％～5％，之后采用620℃退火1ｈ，组织反而粗化，增大冷变形至80％以上，再于620℃退火1ｈ，组织仍然粗大。

（Ｔ再＝0.4Ｔ溶纯铝熔点为660℃）

前一种为临界变形度下变形，高温退火再结晶驱动力小，形核少，晶粒粗大；

后种工艺，在大变形下，根据Ｔ再＝0.4Ｔ溶计算，T再≈100℃，故再结晶温度不得大于200℃为宜，由于采用了620℃高温退火，晶粒异常长大（二次再结晶），造成晶粒粗大。

正确工艺：

＞70%以上冷变形，之后150℃退火1h

2、简述60#钢（含碳0.6%）平衡结晶（假设为均匀形核）需要满足的条件

综合模拟测试

1.请简述工程材料的分类。

2.请简述滑移和孪生变形的特点？

3.若将一位错线的正方向定义为原来的反向，此位错的柏氏矢量是否改变？

位错的类型是否改变？

4.动态再结晶与静态再结晶后的组织有何差别？

力学性能有何差别？

5.请简述金属间化合物的一般特性。

1.设有一条内径为30mm的厚壁管道，被壁厚0.1mm的铁膜隔开。

由管子一端通入氮气，保持铁膜一侧活性氮原子浓度为1200mol/m3，另一侧为100mol/m3。

如果在700℃下测得通过管道的氮气流量为2.8×

10-4mol/s，求此时氮原子在铁中的扩散系数。

2.请在立方晶胞中绘出

和

两晶面，并计算其夹角。

3.请分别绘出室温下，共析钢、过共晶白口铸铁平衡组织；

Al-5.0wt%Cu合金平衡组织；

Al-13%Si合金平衡组织。

4.已知简单三元共晶的投影图，且A-B共晶温度最高，B-C共晶温度稍低，A-C共晶温度最低。

请绘出介于B-C和A-C共晶温度之间的等温截面，以及AE垂直截面图，并标注各区域的相组成。

1.请以层片状共晶组织为例，论述二元共晶时如何满足成分条件。

2.根据Al-Zr二元相图回答：

1）写出1490℃、1250℃、975℃、940℃的相变反应，并判断反应类型。

2）画出x＝50.0％合金平衡结晶的冷却曲线，并标明各阶段的相变反应。

3）计算x＝30.0％合金平衡结晶到室温下的相组成。

金属材料，陶瓷材料，高分子材料，复合材料。

滑移变形特点：

1）平移滑动：

相对滑动的两部分位向关系不变

2）滑移线与应力轴呈一定角度

3）滑移不均匀性：

滑移集中在某些晶面上

4）滑移线先于滑移带出现：

由滑移线构成滑移带

5）特定晶面，特定晶向

孪生变形特点：

1）部分晶体发生均匀切变

2）变形与未变形部分呈镜面对称关系，晶体位向发生变化

3）临界切分应力大

4）孪生对塑变贡献小于滑移

5）产生表面浮凸

柏氏矢量反向。

位错类型不变，符号改变。

动态再结晶后获得中心有畸变的等轴晶，晶粒内部有被缠结位错分割的亚晶。

静态再结晶后获得低位错密度的等轴晶。

一般，动态再结晶后的强度、硬度比静态再结晶的高。

金属间化合物种类繁多，机构复杂，一般具有极高的硬度，较高的熔点，塑形差。

往往具有特殊的物理化学性质。

满足扩散第一定律应用条件，得：

活性氮原子通量为：

铁膜中活性氮原子浓度梯度为：

由扩散第一定律：

α=19.1°

首先通过成分起伏获得某一组元的富集并形成共晶中的某一相（领先相），此时会在其周围形成另一组元的富集，比较容易满足另一相的形成条件，从而形成共晶中的另一相。

如此反复，满足成分条件，交替形核，而形成共晶。

形核后，两相与液相的界面处均会形成溶质原子的富集，溶质原子通过横向扩散，满足两相生长所需的成分条件，实现液固界面的推进。

1）1490℃：

L→Al3Zr+Al2Zr共晶反应

1250℃：

Al3Zr4+Al3Zr2→AlZr包析反应

975℃：

β-Zr+AlZr2→AlZr3包析反应

940℃：

β-Zr+AlZr3→α-Zr包析反应

3）x＝30.0％合金室温下相组成为：

AlZr3＋AlZr2

AlZr3中含Al＝25％，AlZr2中含Al＝33.3％

1.什么是柏氏矢量？

它有哪些特征？

2.固溶体的固溶度受哪些因素的影响？

3.请总结并简要回答二元合金平衡结晶过程中，单相区、双相区和三相区各相成分的变化规律。

4.什么是上坡扩散？

哪些情况下会发生上坡扩散？

5.何谓固溶强化？

请简述其机制。

6.室温下对某种金属材料进行塑性变形，可能发生动态再结晶吗？

为什么？

二、作图计算题（每题8分，共40分）

1.请比较FCC晶体中

两位错的畸变能哪个大。

2.面心立方晶体沿[001]方向拉伸，可能有几个滑移系开动？

请写出各滑移系指数，并分别绘图示之。

3.假设某合金平衡结晶时形成的临界晶核为边长为a的立方体。

已知该合金体系的液固界面能为σ，单位体积自由能差为ΔGB。

请推导均匀形核时临界晶核边长a*和临界形核功ΔG*的表达式。

4.500℃时，Al在Cu中的扩散系数为2.6×

10-17m2/s；

1000℃时则为1.6×

10-12m2/s。

请计算该扩散偶的D0和扩散激活能Q。

（R=8.314J/mol·

K）

5.请根据附图绘出简单三元共晶相图中AF所代表的垂直截面，并标明各个相区的相组成；

绘出合金X的冷却曲线，并标明各阶段的相变反应或相组成

1.请分析回复、再结晶、正常长大、二次再结晶的热力学驱动力和动力学特征。

2.Al-Cu相图的局部如附图所示，请分析并回答：

1）5.6%Cu合金和5.8%Cu合金在平衡结晶和快速冷却不平衡结晶时，室温下的组织特征。

2）已知Al为FCC结构，请问图中的α相是什么晶体结构？

3）请计算亚共晶合金在共晶反应前一刻的平衡分配系数。

4）设X合金平衡结晶完成时的组织为α初+（α+θ）共，其中α初占80%。

请问，该合金刚刚凝固完毕时θ相的含量有多少。

柏氏矢量是描述晶体中位错性质及其引起畸变方向、程度的一种数学方法。

它具有唯一性、同一性和可加性。

原子尺寸、晶体结构、电负性、电子浓度。

单相区：

相成分为合金平均成分，不随温度变化；

双相区：

两相成分分别位于该相区的边界，并随温度沿