材料科学基础期末试题3.docx

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材料科学基础期末试题3

《材料科学基础》试卷Ⅲ

一、填空题（20分，每空格1分）

1.相律是在完全平衡状态下，系统的相数、组元数和温度压力之间的关系，是系统的平衡条件的数学表达式：

f=C-P+2。

2.二元系相图是表示合金系中合金的相与温度、成分间关系的图解。

3.晶体的空间点阵分属于7大晶系，其中正方晶系点阵常数的特点为a=b≠c,α=β=γ=900，请列举除立方和正方晶系外其他任意三种晶系的名称三斜、单斜、六方、菱方、正交（任选三种）。

4.合金铸锭的宏观组织包括表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区三部分。

5.．在常温和低温下，金属的塑性变形主要是通过滑移的方式进行的。

此外还有孪生和扭折等方式。

6.成分过冷区从小到大，其固溶体的生长形态分别为平面状，胞状和树枝状。

二、单项选择题（30分，每题1.5分）

1.A.B二组元形成共晶系，则（A）

A.具有共晶成分的合金铸造工艺性能最好

B.具有亚共晶成分的合金铸造工艺性能最好

C.具有过共晶成分的合金铸造工艺性能最好

D.不发生共晶转变的合金铸造工艺性能最好

2.简单立方晶体的致密度为（C）

A.100%B.65%C.52%D.58%

3.运用区域熔炼方法可以（D）

A.使材料的成分更均匀B.可以消除晶体中的微观缺陷

C.可以消除晶体中的宏观缺陷D.可以提高金属的纯度

4.能进行攀移的位错可能是（B）。

A.肖克利位错B.弗兰克位错C.螺型全位错D.前三者都不是

5.欲通过形变和再结晶方法获得细晶粒组织，应避免：

（A）

A.在临界形变量进行塑性变形加工B.大变形量

C.较长的退火时间D.较高的退火温度

6.实际生产中金属冷却时（C）。

A.理论结晶温度总是低于实际结晶温度;B.理论结晶温度总是等于实际结晶温度;

C.理论结晶温度总是高于实际结晶温度;D.实际结晶温度和理论结晶温度没关系.

7.相互作用参数Ω的物理意义是：

（A）

A.Ω>0表示固溶体内原子偏聚B.Ω>0表示固溶体内原子短程有序

C.Ω>0表示固溶体内原子完全无序D.Ω<0表示固溶体内原子偏聚

8.单晶体的临界分切应力值与（C）有关。

A.外力相对于滑移系的取向B.拉伸时的屈服应力

C.晶体的类型和纯度D.拉伸时的应力大小

9.fcc晶体中存在一刃型全位错，其伯氏矢量为

，滑移面为（111），则位错线方向平行于（B）。

A.[111]B.

C.[100]D.[110]

10．冷变形使金属中产生大量的空位、位错等晶体缺陷，对置换固溶体中的扩散过程而言，这些缺陷的存在将导致：

（D）

A.阻碍原子的移动，减慢扩散过程

B.对扩散过程无影响

C.有时会加速扩散，有时会减弱扩散

D.加速原子的扩散过程

11．凝固的热力学条件为：

（D）

A.形核率B.系统自由能增加C.能量守衡D.过冷度

12．下列有关固体扩散的说法中，正确的是：

（D）

A.原子扩散的驱动力是存在浓度梯度

B.空位扩散是指间隙固溶体中溶质原子从一个间隙跳到另一个间隙

C.晶界上点着畸变交大，因而原子迁移阻力较大，所以比晶内的扩散系数要小

D．成分均匀的材料中也存在着扩散

13．纯金属均匀形核时，D

A.当过冷度很小时，原子可动性低，相变驱动力低，因此，形核率低；

B.当过冷度很小时，原子可动性高，相变驱动力高，因此，形核率低；

C.当过冷度很小时，原子可动性低，相变驱动力高，因此，形核率低；

D.当过冷度很小时，原子可动性高，相变驱动力低，因此，形核率低；

14.在三元系中出现两相平衡时，若要计算两相的百分数，则：

（B）

A.在垂直截面上运用杠杆定理计算B.在水平截面上运用杠杆定理计算

C.在投影面上运用杠杆定理计算D.在水平截面上运用重心法则计算

5.金属镁的单晶体处于软取向时塑变量可达100%-200%，但其多晶体的塑性很差，其主要原因是：

（C）

A.镁多晶体的晶粒通常较粗大B.镁多晶体通常存在裂纹

C.镁滑移系通常较少D.因为镁是BCC结构，所以脆性大

16.层错和不完全位错之间的关系是：

（D）

A.层错和不完全位错交替出现

B.层错和不完全位错能量相同

C.层错能越高，不完全位错伯氏矢量的模越小

D.不完全位错总是出现在层错和完整晶体的交界处

17．凝固时不能有效降低晶粒尺寸的是以下那种方法？

（B）

A.加入形核剂B.减小液相的过冷度C.对液相进行搅拌

18．菲克第一定律表述了稳态扩散的特征，即浓度不随（B）变化。

A.距离B.时间C.温度D.压力

19.立方晶体中（110）和（211）面同属于（D）晶带。

A.[110]B.[100]C.[211]D.

20.在A-B二元固溶体中，当A-B对的能量小于A-A和B-B对的平均能量，该固溶体最易形成为（B）固溶体

A.无序B.有序C.偏聚态D.间隙

三、简答题（20分）

1.试述孪生和滑移的异同，比较它们在塑性过程中的作用。

（10分）

答：

相同点：

a.宏观上，都是切应力作用下发生的剪切变形；（1分）

b.微观上，都是晶体塑性变形的基本形式，是晶体一部分沿一定晶面和晶向相对另一部分的移动过程；（1分）

c.不改变晶体结构。

（1分）

不同点：

a.晶体中的取向

滑移：

晶体中已滑移部分与未滑移部分的位向相同。

孪生：

已孪生部分和为孪生部分的位向不同，且两者之间具有特定的位向关系。

（1分）

b.位移的量

滑移：

沿滑移方向上原子间距的整倍数，且在一个滑移面上的总位移较大。

孪生：

原子的位移小于孪生方向的原子间距，一般为孪生方向原子间距的1/n。

（1分）

c.变形方式

滑移：

不均匀切变孪生：

均匀切变（1分）

d.对塑性变形的贡献

滑移：

对塑性变形的贡献很大，即总变形量大。

孪生：

对晶体塑性变形有限，即总变形量小。

（1分）

e.变形应力

滑移：

有确定的临界分应力。

孪生：

所需临界分切应力一般高于滑移所需的临界分切应力。

（1分）

f.变形条件

滑移：

一般情况先发生滑移变形

孪生：

当滑移变形难以进行时，或晶体对称性很低、变形温度较低、加载速率较高时。

（1分）

g.变形机制

滑移：

全位错运动的结果。

孪生：

不全位错运动的结果。

（1分）

2.分析位错的增值机制。

（5分）

2.答：

若某滑移面上有一段刃位错AB，它的两端被位错网节点钉住不能运动。

（1分）现沿位错b方向加切应力，使位错沿滑移面向前滑移运动，形成一闭合的位错环和位错环内的一小段弯曲位错线。

（2分）只要外加应力继续作用，位错环便继续向外扩张，同时环内的弯曲位错在线张力作用下又被拉直，恢复到原始状态，并重复以前的运动，络绎不绝地产生新的位错环，从而造成位错的增殖，并使晶体产生可观的滑移量。

（2分）

3.请简述回复的机制及其驱动力。

（5分）

答：

低温机制：

空位的消失（1分）

中温机制：

对应位错的滑移（重排、消失）（1分）

高温机制：

对应多边化（位错的滑移＋攀移）（1分）

驱动力：

冷变形过程中的存储能（主要是点阵畸变能）。

（2分）

四、计算题（30分，每题10分）

1、氧化镁（MgO）具有NaCl型结构，即具有O2-离子的面心立方结构。

问：

（1）若其离子半径

=0.066nm，

＝0.140nm，则其原子堆积密度为多少？

（2）如果

/

＝0.41，则原子堆积密度是否改变？

2.Al-Cu合金相图如图所示，设分配系数K和液相线斜率均为常数，试求：

（1）ω（Cu）=1%固溶体进行缓慢的正常凝固，当凝固分数为50%时所凝固出的固体成分；

（2）经过一次区域熔化后在x=5处的固体成分，取熔区宽度l=0.5；

（3）测得铸件的凝固速率R=3×10-4cm/s，温度梯度G=30℃/cm，扩散系数3×10-5cm/s时，合金凝固时能保持平面界面的最大含铜量。

3.有一合金试样其晶界能为0.5J/m2，在退火前原始晶粒直径为2.16×10-3cm，屈服强度为108MPa。

对该合金在700℃退火2小时后其屈服强度降低为82MPa。

在退火过程中保温1小时时测得该合金放出热量为0.021J/cm3，继续保温1小时测得该合金又放出热量0.014J/cm3。

求如果该合金只在700℃保温1小时后的屈服强度。

（已知合金单位体积内界面面积Sv与晶粒直径d之间的关系为Sv=2/d，且放出的热量完全由于晶粒长大、晶界总面积减少所致。

）

《材料科学基础》试卷Ⅲ答案

五、计算题（30分，每题10分）

1、氧化镁（MgO）具有NaCl型结构，即具有O2-离子的面心立方结构。

问：

（1）若其离子半径

=0.066nm，

＝0.140nm，则其原子堆积密度为多少？

（2）如果

/

＝0.41，则原子堆积密度是否改变？

答：

（1）点阵常数

（3分）

堆积密度

（3分）

（2）堆积密度会改变，因为Pf与两异号离子半径的比值有关。

（4分）

2.Al-Cu合金相图如图所示，设分配系数K和液相线斜率均为常数，试求：

（1）ω（Cu）=1%固溶体进行缓慢的正常凝固，当凝固分数为50%时所凝固出的固体成分；

（2）经过一次区域熔化后在x=5处的固体成分，取熔区宽度l=0.5；

（3）测得铸件的凝固速率R=3×10-4cm/s，温度梯度G=30℃/cm，扩散系数3×10-5cm/s时，合金凝固时能保持平面界面的最大含铜量。

答案：

根据已知条件，由相图解得：

k0=

（1分）

（1）由正常凝固方程：

，等式两边同除合金密度ρ，得

（3分）

（2）由区域熔炼方程得

（3分）

（3）保持平直界面的临界条件为

（3分）

3.有一合金试样其晶界能为0.5J/m2，在退火前原始晶粒直径为2.16×10-3cm，屈服强度为108MPa。

对该合金在700℃退火2小时后其屈服强度降低为82MPa。

在退火过程中保温1小时时测得该合金放出热量为0.021J/cm3，继续保温1小时测得该合金又放出热量0.014J/cm3。

求如果该合金只在700℃保温1小时后的屈服强度。

（已知合金单位体积内界面面积Sv与晶粒直径d之间的关系为Sv=2/d，且放出的热量完全由于晶粒长大、晶界总面积减少所致。

）

答案：

设原始晶粒直径为d0，退火1小时的晶粒直径d1，退火两小时的晶粒半径为d2。

退火两小时：

①（2分）

d0=2.16×10-3cm，Q=0.021+0.014=0.035J/cm3，γ=0.5J/m2

求得d2=8.9×10-3cm（1分）

由σ=σ0+kd-1/2（2分）

可得108=σ0+2.16×10-3·k②82=σ0+8.9×10-3·k③（1分）

由②③联立方程组求解得σ0=55.62MPa，k=2.39（1分）

退火1小时，由①得d2=3.95×10-3cm（1分）

代入σ=σ0+kd-1/2，得到σ=96.65MPa（2分）