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材料科学基础
第一章原子排列与晶体结构
1.fcc结构的密排方向是,密排面是,密排面的堆垛顺序是,致密度为,配位数是,晶胞中原子数为,把原子视为刚性球时,原子的半径r与点阵常数a的关系是;bcc结构的密排方向是,密排面是,致密度为,配位数是,晶胞中原子数为,原子的半径r与点阵常数a的关系是;hcp结构的密排方向是,密排面是,密排面的堆垛顺序是,致密度为,配位数是,,晶胞中原子数为,原子的半径r与点阵常数a的关系是。
2.Al的点阵常数为0.4049nm,其结构原子体积是,每个晶胞中八面体间隙数为,四面体间隙数为。
3.纯铁冷却时在912发生同素异晶转变是从结构转变为结构,配位数,致密度降低,晶体体积,原子半径发生。
4.在面心立方晶胞中画出(112-)晶面和[112-]晶向,指出﹤110﹥中位于(111)平面上的方向。
在hcp晶胞的(0001)面上标出(1-21-0)晶面和[1-21-0]晶向。
5.求[111-]和[201-]两晶向所决定的晶面。
6在铅的(100)平面上,1mm2有多少原子?
已知铅为fcc面心立方结构,其原子半径R=0.175×10-6mm。
第二章合金相结构
一、填空
1)随着溶质浓度的增大,单相固溶体合金的强度,塑性,导电性,形成间隙固溶体时,固溶体的点阵常数。
2)影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是
(1);
(2);(3);(4)和环境因素。
3)置换式固溶体的不均匀性主要表现为和。
4)按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分,固溶体可分为和。
5)无序固溶体转变为有序固溶体时,合金性能变化的一般规律是强度和硬度,塑性,导电性。
6)间隙固溶体是,间隙化合物是。
二、问答
1、分析氢,氮,碳,硼在-Fe和-Fe中形成固溶体的类型,进入点阵中的位置和固溶度大小。
已知元素的原子半径如下:
氢:
0.046nm,氮:
0.071nm,碳:
0.077nm,硼:
0.091nm,-Fe:
0.124nm,-Fe:
0.126nm。
2、简述形成有序固溶体的必要条件。
第三章纯金属的凝固
1.填空
1.在液态纯金属中进行均质形核时,需要起伏和起伏。
2液态金属均质形核时,体系自由能的变化包括两部分,其中自由能是形核的阻力,是形核的动力;临界晶核半径rK与过冷度T关系为,临界形核功GK等于。
3动态过冷度是指。
4在工厂生产条件下,过冷度增大,则临界晶核半径,金属结晶冷却速度越快,N/G比值,晶粒越。
5.获得非晶合金的基本方法是。
二、问答
1根据凝固理论,试述细化晶粒的基本途径。
2试根据凝固理论,分析通常铸锭组织的特点。
3简述液态金属结晶时,过冷度与临界晶核半径,形核功及形核率的关系。
4铜的熔点Tm=1356K,熔化热Hm=1628J/cm2,=177×10-7J/cm,点阵常数a=0.3615nm。
求铜T=100时均匀形核的临界核心半径。
5:
何谓过冷,过冷度,动态过冷度,它们对结晶过程有何影响?
6根据冷却速度对金属凝固后组织的影响,现要获得微晶,非晶,亚稳相,请指出其凝固时如何控制。
7、简述纯金属凝固时润湿角θ、杂质颗粒的晶体结构和表面形态对异质形核的影响。
第四章二元合金相图与合金凝固
一、填空
1.固溶体合金凝固时,除了需要结构起伏和能量起伏外,还要有起伏。
2.按液固界面微观结构,界面可分为和。
3.液态金属凝固时,粗糙界面晶体的长大机制是,光滑界面晶体的长大机制是和。
4在一般铸造条件下固溶体合金容易产生偏析,用热处理方法可以消除。
5液态金属凝固时,若温度梯度dT/dX>0(正温度梯度下),其固、液界面呈状,dT/dX<0时(负温度梯度下),则固、液界面为状。
6.靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金,快冷时可能得到全部共晶组织,这称为。
7固溶体合金凝固时,溶质分布的有效分配系数ke=,当凝固速率很大时ke趋于。
8.在二元相图中,L1→+L2叫反应,→L+称为转变,而反应1—2+称为反应,+称为反应。
9Fe-Fe3C相图中含碳量小于为钢,大于为铸铁;铁碳合金室温平衡组织均由和两个基本相组成;根据溶质原子的位置,奥氏体其晶体结构是,是固溶体,铁素体是,其晶体结构是,合金平衡结晶时,奥氏体的最大含量是;珠光体的含碳量是,它是由和组成的两相混合物;莱氏体的含碳量是;在常温下,亚共析钢的平衡组织是,过共析钢的平衡组织是,亚共晶白口铸铁的平衡组织是,莱氏体的相组成物是,变态莱氏体的相组成物是,Fe3CI是从中析出的,Fe3CII是从中析出的,Fe3CIII是从中析出的,它们的含碳量为,Fe3C主要性能特点是,A共析反应后的生成物称为。
2问答
1如图4-1所示为Ni-Al相图
1)填出相图中各相区的平衡相;
2)指出图中的稳定化合物和不稳定化合物;
3)写出图中存在的恒温反应,指明反应类型;
4)指出含Ni30%(重量)的合金在平衡冷却时的相变过程,计算室温下的相组成与组织组成,并计算出其中组织组成物的百分数。
5)试说明含Ni89%(重量)的Ni-Al合金其平衡凝固与非平衡凝固后的显微组织的不同。
6)设X合金平衡凝固完毕时的组织为(Al)初晶+(+)共晶,其中初晶占80%,则此合金中Ni组元的含量是多少?
7)绘出1500时Al-Ni合金系的自由能—成分曲线示意图。
图4-1图4-2
2根据Cu-Sn相图(图4-2),Cu为fcc结构。
回答下列问题:
1)相为何种晶体结构?
2)计算212℃时Cu-90%Sn合金在TE温度时(共晶反应前)的平衡分配系数。
3)Cu-13.47%Sn合金在正常条件下凝固后,相的晶界上出现少量相,其原因何在?
如何消除相?
4)分析Cu-70%Sn合金平衡凝固过程,并计算共晶反应刚完毕时相组成物和组织组成物的相对含量。
5)画出Cu-Sn系合金在450℃时各相自由能---成分曲线示意图。
图4-3图4-4
3如图4-3为Mg-Y相图
1)填相区组成,写出相图上等温反应及Y=5%wt时的合金K在室温时的平衡组织。
2)已知Mg为hcp结构,试计算Mg晶胞的致密度;
3)指出提高合金K强度的可能方法
4)简述图中Y=10%wt之合金可能的强化方法。
4试说明纯Al和铝-铜单相固溶体结晶的异同。
5根据4-4的铁碳亚稳平衡相图回答下列问题:
1)写出下列Fe3CII含量最多的合金;珠光体含量最多的合金;莱氏体含量最多的合金。
2)指出此二元系中比较适合做变形合金和铸造合金的成分范围。
3)如何提高压力加工合金的强度。
4)标注平衡反应的成分及温度,写出平衡反应式。
5)分析Fe-1%C合金的平衡凝固过程,并计算室温下其中相组成物和组织组成物的百分含量,
6)分析Fe-1%C合金在亚稳冷却转变和淬火冷却转变后组织的差异。
7)根据Fe-Fe3C状态图确定下列三种钢在给定温度下的显微组织(填入表中)
含碳量
温度
显微组织
温度
显微组织
0.4
770℃停留一段时间
P+F
900℃
A+F
0.77
680℃
P
刚达到770℃
A
1.0
700℃
P+Fe3CⅡ
刚达到770℃
A+Fe3C
8)画出1200℃时各相的自由能---成分曲线示意图。
图4-5图4-6
6:
A为金属元素,B为非金属元素,形成二元相图如图4-5:
1)画出Ⅱ合金平衡冷却曲线以及平衡结晶后组织示意图,计算其室温下相组成物及组织组成物相对含量。
2)试分析不同冷却速度对下图中Ⅰ合金凝固后显微组织的影响。
3)Ⅰ合金在工业条件冷凝后如对合金进行扩散退火,应如何确定退火温度。
7:
简述典型金属凝固时,固/液界面的微观结构,长大机制,晶体在正温度梯度下、负温度梯度下成长时固/液界面的形态。
8:
根据Pb-Bi相图(图4-6)回答下列问题:
1)把空相区填上相的名称。
2)设X合金平衡凝固完毕时的相组成物为和(Bi),其中相占80%,则X合金中Bi组元的含量是多少?
3)设Y合金平衡凝固完毕时的组织为(Bi)初晶+[+(Bi)]共晶,且初晶与共晶的百分含量相等,则此合金中Pb组元的含量是多少?
4)Pb-30%Bi合金非平衡凝固后室温下组织与平衡凝固组织有何不同。
第五章三元合金相图
图8
1根据Fe-C-Si的3.5%Si变温截面图(5-1),写出含0.8%C的Fe-C-Si三元合金在平衡冷却时的相变过程和1100℃时的平衡组织。
图5-1
2图5-2为Cu-Zn-Al合金室温下的等温截面和2%Al的垂直截面图,回答下列问题:
1)在图中标出X合金(Cu-30%Zn-10%Al)的成分点。
Y
2)计算Cu-20%Zn-8%Al和Cu-25%Zn-6%Al合金中室温下各相的百分含量,其中α相成分点为Cu-22.5%Zn-3.45%Al,γ相成分点为Cu-18%Zn-11.5%Al。
3)分析图中Y合金的凝固过程。
%
图5-2
3如图5-3是A-B-C三元系合金凝固时各相区,界面的投影图,A、B、C分别形成固溶体α、β、γ。
1)写出p’P’,E1P’和E2P’单变量线的三相平衡反应式。
2)写出图中的四相平衡反应式。
3)说明O合金凝固平衡凝固所发生的相变。
图5-3图5-4
4图5-4为Fe-W-C三元系的液相面投影图。
写出e1→1085℃,P1→1335℃,P2→1380℃单变量线的三相平衡反应和1700℃,1200℃,1085℃的四相平衡反应式。
I,II,III三个合金结晶过程及室温组织,选择一个合金成分其组织只有三元共晶。
5如图5-5为Fe-Cr-C系含13%Cr的变温截面
1)大致估计2Cr13不锈钢的淬火加热温度(不锈钢含碳量0.2%,含Cr量13%)
2)指出Cr13模具钢平衡凝固时的凝固过程和室温下的平衡组织(Cr13钢含碳量2%)
3)写出(1)区的三相反应及795时的四相平衡反应式。
图5-5图5-6
6如图5-6所示,固态有限溶解的三元共晶相图的浓度三角形上的投影图,试分析IV区及VI区中合金之凝固过程。
写出这个三元相图中四相反应式。
图5-7
7分析如图5-7所示的三元相图,该合金中E点成分为27Pb18Sn55Bi,γ相成分取100%Bi。
1)指出这个三元系的初晶面,写出四相平衡反应式;
2)分析该三元合金系中1,2,3,4合金平衡结晶过程;
3)要配制一个初晶为γ,具有三元共晶而无二元共晶且γ/三元共晶=0.5的合金,计算该合金的成分。
第一章原子排列与晶体结构
1.[110],(111),ABCABC…,0.74,12,4,r=(根号2/4)a;[111],(110),0.68,8,2,r=(根号3/4)a;【112-0】,(0001),ABAB,0.74,12,6,r=a/2。
2.0.01659nm3,4,8。
3.FCC,BCC,减少,降低,膨胀,收缩。
4.解答:
见图1-1
5.解答:
设所决定的晶面为(hkl),晶面指数与面上的直线[uvw]之间有hu+kv+lw=0,故有:
h+k-l=0,2h-l=0。
可以求得(hkl)=(112)。
6解答:
Pb为fcc结构,原子半径R与点阵常数a的关系为r=(根号2/4)a,故可求得a=0.4949×10-6mm。
则(100)平面的面积S=a2=0.244926011×0-12mm2,每个(100)面上的原子个数为2。
所以1mm2上的原子个数n=1/s=4.08×1012。
第二章合金相结构
一、填空
1)提高,降低,变差,变大。
2)
(1)晶体结构;
(2)元素之间电负性差;(3)电子浓度;(4)元素之间尺寸差别
3)存在溶质原子偏聚和短程有序。
4)置换固溶体和间隙固溶体。
5)提高,降低,降低。
6)溶质原子溶入点阵原子溶入溶剂点阵间隙中形成的固溶体,非金属原子与金属原子半径的比值大于0.59时形成的复杂结构的化合物。
二、问答
1、解答:
-Fe为bcc结构,致密度虽然较小,但是它的间隙数目多且分散,间隙半径很小,四面体间隙半径为0.291Ra,即R=0.0361nm,八面体间隙半径为0.154Ra,即R=0.0191nm。
氢,氮,碳,硼由于与-Fe的尺寸差别较大,在-Fe中形成间隙固溶体,固溶度很小。
-Fe的八面体间隙的[110]方向R=0.633Ra,间隙元素溶入时只引起一个方向上的点阵畸变,故多数处于-Fe的八面体间隙中心。
B原子较大,有时以置换方式溶入-Fe。
由于-Fe为fcc结构,间隙数目少,间隙半径大,四面体间隙半径为0.225Ra,即R=0.028nm,八面体间隙半径为0.414Ra,即R=0.0522nm。
氢,氮,碳,硼在-Fe中也是形成间隙固溶体,其固溶度大于在-Fe中的固溶度,氢,氮,碳,硼处于-Fe的八面体间隙中心。
2、简答:
异类原子之间的结合力大于同类原子之间结合力;合金成分符合一定化学式;低于临界温度(有序化温度)。
第三章纯金属的凝固
1.填空
1.结构和能量。
2表面,体积自由能,
。
3晶核长大时固液界面的过冷度。
4减少,越大,细小。
5.快速冷却。
二、问答
1解答:
凝固的基本过程为形核和长大,形核需要能量和结构条件,形核和长大需要过冷度。
细化晶粒的基本途径可以通过加大过冷度,加入形核剂,振动或搅拌。
2解答:
根据金属结晶过程的形核和长大理论以及铸锭的散热过程,可以得出通常铸锭组织的特点为最外层为细小等轴晶,靠内为柱状晶,最内层为粗大等轴晶。
5:
解答:
过冷是指金属结晶时实际结晶温度Tn比理论结晶温度Tm低的现象。
过冷度ΔT指Tm与Tn的差值。
动态过冷度指晶核长大时的过冷度。
金属形核和长大都需要过冷,过冷度增大通常使形核半径、形核功减少,形核过程容易,形核率增加,晶粒细化。
6解答:
冷却速度极大影响金属凝固后的组织。
冷却快一般过冷度大,使形核半径、形核功减少,形核过程容易,形核率增加,晶粒细化,冷却非常快时可以得到非晶,在一般工业条件下快速冷却可以得到亚稳相。
7、解答:
纯金属凝固时
润湿角θ=0°,形核功为0,固相粒子促进形核效果最好;
润湿角θ=180°,异质形核功等于均匀形核功,固相粒子对形核无促进作用;
润湿角0°<θ<180°,形核功比均匀形核的形核功小,θ越小,固相粒子促进形核效果越好。
杂质颗粒的晶体结构与晶核相同或相近时,促进形核效果好,当两者结构不相同时,一般对促进形核效果差或不促进形核。
杂质粒子的表面成凹形时,促进形核效果好,成平面状时次之,凸形时最差。
第四章二元合金相图与合金凝固
一、填空
1.成分
2.光滑界面,粗糙界面
3.垂直长大机制,二维平面长大,依靠晶体缺陷长大
4枝晶,均匀化退火
5平直状,树枝。
6._伪共晶_。
8.共晶,熔晶,偏析,包析
90.0218%,4.3%;P和Fe3C;FCC,间隙,间隙固溶体,BCC,2.11%;0.77,珠光体和渗碳体;4.3%;P+F,P+Fe3C,Ld,A+Fe3C,P+Fe3C+Fe3CII,液相,A,F,6.69,硬、脆,P。
2问答
1解答:
1)见图中标注。
两相区由相邻的两个单相区所构成。
水平线代表三相区,见3)中的恒温反应式。
2)稳定化合物为δ、ε,不稳定化合物为β、γ。
3)1455℃,L+δ-ε,包晶反应;
1387℃,L-ε+Ni,共晶反应;
1135℃,L+δ-γ,包晶反应;
855℃,L+γ-β,包晶反应;
640℃,L-Al+β,共晶反应;
4)Ni30%(重量)的合金在平衡冷却时的相变过程:
L-γ;855℃,L+γ-β,包晶反应;L-β;640℃,L-Al+β,共晶反应;
5)含Ni89%(重量)的Ni-Al合金其平衡凝固时室温组织为Ni和Ni中析出的ε,非平衡凝固后会出现非平衡共晶组织,即为Ni和少量的1387℃反应生成的L-(ε+Ni)共晶。
6)X合金平衡凝固完毕时的组织初晶占80%,则(+)共晶=20%,设此合金中Ni组元的含量是X,
可以求得X=0.01%。
7)1500时Al-Ni合金系的自由能—成分曲线示意图如图。
2解答:
1)相晶体结构与Cu的结构保持一致,为fcc结构;
2)共晶反应前的平衡分配系数
;
3)Cu-13.47%Sn合金在正常条件下凝固后,由于固相平均成分线相对于固相线下移,在合金凝固过程中剩余少量液相出现非平衡结晶,发生包晶反应而出现少量相。
这些少量相可以通过均匀化退火消除。
4)Cu-70%Sn合金平衡凝固过程为L-ε,L92.4+ε38.2—η59.0,L—η,L99.3—η60.9+(Sn),η-η’
共晶反应刚完毕时相组成物为η+(Sn),组织组成物为η+(η+Sn)共晶。
5)合金在450℃时各相自由能---成分曲线示意图如图所示。
3解答:
1)相区填写如图所示。
相图中各等温反应如下:
935℃:
L+β(Y)—ε;780℃:
L+ε—δ;776℃:
β(Y)—ε+α(Y);
635℃:
L+ε—γ;557℃:
L—(Mg)+γ。
Y=5%wt时的合金K在室温时的平衡组织为(Mg)固溶体。
3)提高合金K强度的可能方法有细化晶粒,加工硬化。
4)Y=10%wt之合金可能的强化方法有细化晶粒,加工硬化和固溶时效。
4解答:
相同点:
均需要形核与长大,形核要满足一定热力学条件,形成一定临界晶核半径,即需要能量起伏和结构起伏。
不同点:
固溶体合金形核除需要能量起伏和结构起伏外,还需要成分起伏,非平衡结晶时产生偏析,一般会产生成分过冷,凝固过程是在一个温度区间进行,而纯金属凝固在等温进行。
5解答:
1)Fe3CII含量最多的合金、珠光体含量最多的合金、莱氏体含量最多的合金的合金成分分别为含碳量2.11%,0.77%,4.3%。
2)二元系中比较适合做变形合金和合金为单相固溶体,适合作为铸造合金的成分范围为含有较多共晶体的合金。
故在含碳量小于2.11%的合金可以经过加热得到单相合金适合作为变形合金,含碳量大于4.3%的合金有共晶反应适合作为铸造合金。
3)提高压力加工合金的强度的方法主要有加工硬化,合金元素固溶产生的固溶强化,细化晶粒强化,热处理强化,第二相强化,弥散质点的弥散强化。
4)平衡反应的成分及温度,反应式为
1495℃,L0.53+δ0.09-A0.17,包晶反应;
1148℃,L4.3-A2.11+Fe3C,共晶反应;
727℃,A0.77-F0.0218+Fe3C,共析反应;
5)凝固过程:
935℃:
L—γ,γ—Fe3CⅡ,γ—F+Fe3CⅡ(P)
6)亚稳转变后组织为P+Fe3CⅡ,淬火冷却后C在Fe中形成过饱和固溶体(马氏体相变)。
7)三种钢在给定温度下的显微组织如表。
8)1200℃时各相的自由能---成分曲线示意图如图。
2)
Ⅰ合金在平衡凝固时室温组织为α+βⅡ,工业条件冷却时出现少量非平衡共晶组织,室温组织为α+βⅡ+少量(α+β)共晶。
3)可以根据相图估计,在共晶温度下尽可能高的温度进行退火。
7:
解答:
1)金属固液界面的微观结构为粗糙界面,长大机制为垂直长大方式,在正温度梯度下固液界面保持平直,在负温度梯度下成长时固/液界面不稳定,结晶后容易长成树枝状晶。
8:
解答:
1)相区填充如图;
21.85%。
4)Pb-30%Bi合金平衡凝固过程为L—α,L+α—β,L—β,β—Bi,室温下平衡组织为β+Bi,非平衡凝固下由于L+α—β包晶反应很难进行完全,故在β晶粒内部会保留部分α,室温下组织为β+残留α+Bi。
第五章三元合金相图
图8
1解答:
0.8%C的Fe-C-Si三元合金在平衡冷却时的相变过程为L—α,L+α—γ,L—γ,1100℃时的平衡组织为γ。
2解答:
1)Cu-30%Zn-10%Al合金的成分点见图中X点。
3)Y合金凝固过程:
L-α,L-α+β,β-α
2)L+α-β+γ
3)O合金凝固过程:
L-α,L+α-β,L+α-β+γ,α,β,γ同析。
6解答:
Ⅳ区合金凝固过程为:
L-α,L-α+β,α-β互析;
Ⅵ区合金凝固过程为:
L-α,L-α+β,L-α+β+γ,随后α,β,γ同析;
四相反应式为:
L-α+β+γ
中南大学考试试卷
2001——2002学年第二学期时间110分钟
材料科学与工程课程64学时4学分考试形式:
闭卷
专业年级材料1999级总分100分,占总评成绩70%
一、名词解释(5分×8)
1、金属玻璃
2、金属间化合物
3、离异共晶
4、晶界偏聚
5、科垂尔气团(CottrellAtmosphere)
6、孪生
7、反应扩散
8、变形织构
二、问答题
1、(10分)标出hcp晶胞中晶面ABCDEF面、ABO面的晶面指数,OC方向、OC方向的晶向指数。
这些晶面与晶向中,那些可构成滑移系?
指出最容易产生滑移的滑移系。
2、(10分)判断
位错反应在面心立方晶体中能否进行?
若两个扩展位错的领先位错发生上述反应,会对面心立方金属性能有何影响。
3、(10分)写出非稳态扩散方程的表达式,说明影响方程中扩散系数的主要因素。
4、(10分)指出影响冷变形后金属再结晶温度的主要因素。
要获得尺寸细小的再结晶晶粒,有那些主要措施,为什么?
5、(15分)试述针对工业纯铝、Al-5%Cu合金、Al-5%Al2O3复合材料分别可能采用那些主要的强化机制来进行强化。
6、(15分)请在如下Pb-Bi-Sn相图中
(1)写出三相平衡和四相平衡反应式;
(2)标出成分为5%Pb,65%Bi与30%Sn合金所在位置,写出该合金凝固结晶过程,画出并说明其在室温下的组织示意图。
7、(20分)Cu-Sn合金相图如图所示。
(1)写出相图中三条水平线的反应式,并画出T1温度下的成分-自由能曲线示意图;
(2)说明Cu-10wt%Sn合金平衡和非平衡凝固过程,分别画出室温下组织示意图;
(3)非平衡凝固对Cu-5wt%Sn合金的组织性能有何影响,如何消除?
8、(20分)低层错能的工业纯铜铸锭采用T=0.5T熔点温度热加工开坯轧制。
(1)画出该材料分别在高、低应变速率下热加工时的真应力-真应变曲线示意图,并说明影响曲线变化的各种作用机制;
(2)开坯后该金属在室温下继续进行轧制,画出此时的真应力-真应变曲线示意图,并说明影响曲线变化的机制;
(3)开坯后该金属要获得硬态、半硬态和软态制品,最后工序中可采用那些方法,
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