材料科学基础习题与参考答案.docx

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材料科学基础习题与参考答案

第一章材料的结构

一、解释以下基本概念

空间点阵、晶格、晶胞、配位数、致密度、共价键、离子键、金属键、组元、合金、相、固溶体、中间相、间隙固溶体、置换固溶体、固溶强化、第二相强化。

二、填空题

1、材料的键合方式有四类，分别是（    ），（    ），（    ），（    ）。

2、金属原子的特点是最外层电子数（   ），且与原子核引力（    ），因此这些电子极容易脱离原子核的束缚而变成（     ）。

3、我们把原子在物质内部呈（     ）排列的固体物质称为晶体，晶体物质具有以下三个特点，分别是（     ），（     ），（     ）。

4、三种常见的金属晶格分别为（      ），（   ）和（   ）。

5、体心立方晶格中，晶胞原子数为（     ），原子半径与晶格常数的关系为（     ），配位数是（     ），致密度是（     ），密排晶向为（    ），密排晶面为（     ），晶胞中八面体间隙个数为（    ），四面体间隙个数为（    ），具有体心立方晶格的常见金属有（     ）。

6、面心立方晶格中，晶胞原子数为（     ），原子半径与晶格常数的关系为（     ），配位数是（     ），致密度是（     ），密排晶向为（    ），密排晶面为（     ），晶胞中八面体间隙个数为（    ），四面体间隙个数为（    ），具有面心立方晶格的常见金属有（     ）。

7、密排六方晶格中，晶胞原子数为（     ），原子半径与晶格常数的关系为（     ），配位数是（     ），致密度是（     ），密排晶向为（    ），密排晶面为（     ），具有密排六方晶格的常见金属有（     ）。

8、合金的相结构分为两大类，分别是（      ）和（     ）。

9、固溶体按照溶质原子在晶格中所占的位置分为（    ）和（     ），按照固溶度分为（     ）和（     ），按照溶质原子与溶剂原子相对分布分为（     ）和（     ）。

10、影响固溶体结构形式和溶解度的因素主要有（  ）、（  ）、（   ）、（    ）。

11、金属化合物（中间相）分为以下四类，分别是（     ），（     ），（    ），（    ）。

12、金属化合物（中间相）的性能特点是：

熔点（     ）、硬度（      ）、脆性（     ），因此在合金中不作为（     ）相，而是少量存在起到第二相（     ）作用。

13、CuZn、Cu5Zn8、Cu3Sn的电子浓度分别为（     ），（     ），（     ）。

14、如果用M表示金属，用X表示非金属，间隙相的分子式可以写成如下四种形式，分别是（     ），（     ），（     ），（     ）。

15、Fe3C的铁、碳原子比为（     ），碳的重量百分数为（     ），它是（     ）的主要强化相。

三、作图表示出立方晶系（123）、（0

 ）、（421）等晶面和[

 02]、[

 11]、[346]等晶向。

四、立方晶系的{111}晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并注明各晶面的晶面指数。

五、某晶体的原子位于正方晶格的结点上，其晶格常数a=b

，

 。

今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的截距分别为5个原子间距、2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面指数。

六、体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（100）、（110）、（111）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。

七、已知面心立方晶格的晶格常数为a，试求出（100）、（110）、（111）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。

八、试从面心立方晶格中绘出体心正方晶胞，并求出它的晶格常数。

九、证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633.。

十、试证明面心立方晶格的八面体间隙半径r=0.414R,四面体间隙半径r=0.225R;体心立方晶格的八面体间隙半径;<100>晶向的r=0.154R,<110>晶向的r=0.633R;四面体间隙半径r=0.291R,（R为原子半径）。

十一、 a）设有一钢球模型，球的直径不变，当由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计算其体积膨胀。

              b）经x射线测定，在912℃时，γ-Fe的晶格常数为0.3633nm,α-Fe的晶格常数为0.2892nm,当由γ-Fe转变为α-Fe时,试求其体积膨胀,并与a）相比较,说明其差别的原因.。

十二、已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为0.286nm和0.3607nm,分别求1cm3中铁和铜的原子数.

十三、试计算体心立方晶格{100}、{110}、{111}等晶面的原子密度和〈100〉、〈110〉、〈111〉等晶向的原子密度，并指出其最密排晶面和最密排晶向。

（提示：

晶面的原子密度为单位面积上的原子数，晶向的原子密度为单位长度上的原子数。

） 

十四、试计算面心立方晶格{100}、{110}、{111}等晶面的原子密度和〈100〉、〈110〉、〈111〉等晶向的原子密度，并指出其最密晶面和最密晶向。

十五、求金刚石结构中通过（0，0，0）和（3/4，3/4，1/3）两碳原子的晶向，及与该晶向垂直的晶面。

十六、求（121）与（100）决定的晶带轴与（001）和（111）所决定的晶带轴所构成的晶面的晶面指数。

十七、计算立方系[321]与[120]及（111）与

之间的夹角。

十八、为什么γ-Fe的溶碳能力远大于α-Fe的溶碳能力？

第二章晶体缺陷

一、解释以下基本概念

肖脱基空位、弗仑克尔空位、位错、刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移、位错的攀移、弗兰克-瑞德源、派-纳力、单位位错、不全位错、堆垛层错、位错反应、扩展位错、表面能、界面能、对称倾侧晶界、共格晶面、非共格晶面、内吸附.

二、填空题

1、按照几何尺寸分类，晶体中存在三种缺陷，分别是（     ），（     ），（    ）。

2、晶体中点缺陷主要表现形式有（     ），（     ）和（     ）。

3、位错有两种基本类型，分别是（      ），（       ）。

4、刃型位错的柏氏矢量与位错线（    ），螺型位错的柏氏矢量与位错线（     ）。

5、柏氏矢量代表晶体滑移的（     ）和（     ），也表示位错线周围（     ）总量的大小。

6、位错的运动有两种，分别是（   ）和（   ），刃型位错的柏氏矢量与其垂直的位错线所构成的平面称为（    ），对于一条刃型位错而言，该面是唯一的，故不可能产生（     ）运动。

7、体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格的单位位错的柏氏矢量分别可表示成（     ）、（     ）和（     ）。

8、面心立方晶体中有两种重要的不全位错，柏氏矢量分别为（     ），（     ）。

9、晶体的面缺陷主要包括（     ），（     ），（     ），（     ）。

10、具有不同结构的两相之间的界面称为（     ），该界面有三种，分别是（     ），（     ）和（     ）。

三.指出下图各段位错的性质,并说明刃型位错部分的多半原子面.

四、如右图,某晶体的滑移面上有一柏氏矢量为b的位错环,并受到一均匀切应力τ.

（1）分析该位错环各段位错的结构类型.

（2）求各段位错线所受的力的大小及方向.

（3）在τ的作用下,该位错环将如何运动?

（4）在τ的作用下,若使此位错环在晶体中稳定不动,其半径应为多少?

五、面心立方晶体中，在（111）面上的单位位错b=a/2[

10]，在（111）面上分解为两个肖克莱不完全位错，请写出该位错反应，并证明所形成的扩展位错的宽度由下式给出：

六、已知单位位错a/2[

01]能与肖克莱不完全位错a/6[12

]相结合形成弗兰克不全位错，试说明：

（1）新生成的弗兰克不全位错的柏氏矢量。

（2）判断此位错反应能否进行？

（3）这个位错为什么称固定位错？

七、判定下列位错反应能否进行？

若能进行，试在晶胞上作出矢量图。

第三章纯金属的凝固

一、解释以下基本概念

结晶、过冷、过冷度、结构起伏、能量起伏、均匀形核、非均匀形核、临界晶核半径、临界晶核形核功、形核率、变质处理、光滑界面、粗糙界面、树枝晶、柱状晶、等轴晶、单晶、非晶、微晶、准晶、多晶体。

二、填空题

1、金属结晶一般发生在理论结晶温度以下，这种现象称为（     ），理论结晶温度与实际结晶温度的差值叫做（     ），冷却速度越大，则（     ）越大。

2、金属结晶过程是一个不断（     ）和（     ）的过程，直至液体耗尽为止。

若由一个晶核长成的晶体叫做（      ），多个晶核长成的晶体叫做（     ）。

3、要获得结晶过程所必须的驱动力，一定要有（     ），过冷度（      ），液固两相自由能差值（     ），驱动力（     ），临界晶核半径（     ），临界晶核形核功（     ），形核率（    ），结晶后（    ）越细小。

4、在过冷液体中，会出现许多尺寸不同的原子小集团称为（    ），只有当原子小集团的半径大于（      ）时，才可作为晶核而长大。

5、在形核时，系统总自由能变化是（     ）降低和（    ）增加的代数和，前者是形核的（     ），后者是形核的（     ）。

6、均匀形核时，临界晶核形核功与过冷度的关系可表达成（     ），它表明当形成临界尺寸晶核时，体积自由能补偿表面能的（     ），尚有（     ）表面能没有得到补偿，需依靠（     ）。

7、非均匀形核时，其形核功大小与润湿角q有关，当q=00时，ΔG非=（    ），当q=900时，ΔG非=（    ），当q=1800时，ΔG非=（    ）。

说明润湿角q越小，对形核越（    ）。

8、晶核长大与液固界面结构有关，一般粗糙界面以（    ）方式长大，而光滑界面以（   ）方式长大。

9、为获得细晶粒，在金属结晶时通常采用（    ），（     ）和（     ）等方法。

10、金属铸锭一般由三个晶区组成，表面为（    ），中间为（    ），心部为（    ）。

11、非均匀形核时临界球冠半径与均匀形核临界晶核半径（    ），但非均匀形核的晶核体积比均匀形核时（     ），当过冷度相同时，形核率（    ），结晶后晶粒（     ）。

12、金属结晶时形核方式有（     ）和（    ），在实际铸造生产中常已（     ）方式形核。

三、a）设为球形晶核，试证明均匀形核时，形成临界晶粒的ΔGK与其体积VK之间的关系式为

 。

    b）当非均匀形核形成球冠形晶核时，其ΔGK与V之间的关系如何？

四、如果临界晶核是边长为aK的正方体，试求出其ΔGK与aK的关系。

为什么形成立方体晶核的ΔGK比球形晶核要大？

五、为什么金属结晶时一定要有过冷度？

影响过冷度的因素是什么？

固态金属熔化时是否会出现过热？

为什么？

六、试比较均匀形核与非均匀形核的异同点，说明为什么非均匀形核往往比均匀形核更容易进行。

七、在其它条件相同时，试比较下列铸造条件下金属晶粒尺寸大小，并说明为什么？

  1、砂型铸造与金属型铸造

  2、铸薄壁件与铸厚壁件

  3、高温浇注与低温浇注

八、说明晶体成长形状与温度梯度的关系，分析在负温度梯度下，金属结晶出树枝晶的过程。

九、简述三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点。

十、为了得到发达的柱状晶区应该采取什么措施？

为了得到发达的等轴晶区应该采取什么措施？

其基本原理如何？

十一、指出下列各题错误之处，并改正之。

（1）所谓临界晶核，就是体系自由能的减少完全补偿表面能增加时的晶胚大小。

（2）在液态金属中，凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核，但是只要有足够的能量起伏提供形核功，还是可以形核。

 （3）无论温度分布如何，常用纯金属都是以树枝状方式生长。

 十二、何谓非晶态金属？

简述几种制备非晶态金属的方法。

非晶态金属与晶态金属的结构和性能有什么不同？

第四章二元相图

一、解释以下基本概念

组元、相、化学位、成分过冷、平衡分配系数、自由度、相律、同素异晶转变、匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、熔晶转变、偏晶转变、合晶转变、组织、伪共晶、离异共晶、枝晶偏析、比重偏析、正偏析、反偏析、区域偏析、区域提纯、铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体、变态莱氏体、一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体。

二、填空题

1、相律是表示平衡条件下，系统的自由度数、（    ）数和（     ）之间的关系，根据相律可知二元系最大的平衡相数是（     ）。

2、在二元合金相图中，根据相律，两个单相区必然交于（     ）点，两个单相区之间必然存在一个（     ）相区，三相平衡时，系统的自由度等于（    ），说明转变（    ）和三个相的（     ）都是恒定的。

3、二元合金相图杠杆定律只适用于（     ）区，当二元系处于两相平衡时，可根据杠杆定律确定两平衡相的（    ）和计算两平衡相的（     ）。

4、固溶体合金在结晶时也遵循形核长大规律，形核时也需要（     ）起伏、（     ）起伏，还需（     ）起伏。

5、同纯金属相比，固溶体合金结晶的特点是（   ）结晶，其结晶常发生在一定的（     ）区间内，始终进行着溶质原子和溶剂原子的（     ）过程。

6、枝晶偏析的大小与液相线与固相线间的（    ）有关，与溶质原子的（     ）有关，与结晶时的（    ）有关。

7、固溶体合金在凝固时会产生成分过冷，成分过冷区的大小与结晶速度R有关，与界面前沿实际温度分布G有关，与溶质浓度C0大小有关，一般G（     ）,R（     ）,C0（    ）越容易产生成分过冷。

8、固溶体合金在正的温度梯度下，因成分过冷区的大小不同，晶体形态可能出现（     ），（     ）和（     ）。

9、发生共晶反应时，因三相平衡，f=（     ），此时这一转变是在（      ）温度下进行，三个平衡相的成分均（     ）。

10、固溶体合金因选择结晶会产生（     ）偏析，亚共晶合金或过共晶合金因先析出相与液相间密度不同，会产生（     ）偏析，前者可通过（     ）退火消除，后者可通过依靠凝固过程中（     ）防止或减轻。

11、合金的铸造性能取决于液相线与固相线之间（     ），其值越小，铸造性能（    ），二元系具有（    ）成分的合金铸造性能最好。

12、在二元系中，由一相分解为二相的三相平衡转变有（     ），（     ），（    ）和（     ）。

13、在二元系中，由二相转变为一相的三相平衡转变有（     ），（    ）和（     ）。

14、原合金成分不是共晶成分，经快速冷却形成的全部共晶组织，称为（     ）。

15、铁素体是碳溶入（    ）中的（    ）固溶体，奥氏体是碳溶入（    ）中的（    ）固溶体，渗碳体是（     ）。

16、奥氏体在1148℃时最大溶碳量可达（     ），在727℃时奥氏体的溶碳量为（    ）。

17、珠光体是（     ）反应的产物，它是由（     ）和（     ）组成的机械混合物。

18、工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢的含碳量分别为（   ），（   ），（     ），（   ）。

19、亚共析钢、共析钢、过共析钢在室温下的平衡组织分别是（     ），（     ），（     ）。

20、在Fe-Fe3C相图中HJB线、ECF线、PSK线分别称为（     ），（     ）和（     ）。

22、根据含碳量和组织特点，可将铁碳合金分为三大类，分别是（     ），（     ）和（     ）。

23、根据Fe-Fe3C相图计算的一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体最大可能含量分别为（     ），（     ）和（     ）。

24、变态莱氏体是（     ）和（    ）的机械混合物，由于含有大量的渗碳体，所以塑性（   ），脆性（    ），但是（     ）好。

25、钢中的硫是有害元素，易造成钢的（     ）性，这是因为FeS能与（     ）形成低熔点的（     ）之故。

26、在平衡冷却后，随含碳量的增加，钢的硬度（    ），塑性和韧性（     ）。

三、在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状成长，而固溶体合金却能呈树枝状成长？

四、何为合金平衡相图，相图能给出任一条件下合金的显微组织吗？

五、有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的含镍量ωNi=90%，另一铸件ωNi=50%，铸后自然冷却。

问凝固后哪一个铸件的偏析严重？

为什么？

找出消除偏析的措施。

六、何为成分过冷？

成分过冷对固溶体结晶时晶体长大方式和铸锭组织有何影响？

七、共晶点和共晶线有什么关系？

共晶组织一般是什么形态？

如何形成？

八、铋（熔点为271.5℃）和锑（熔点为630.7℃）在液态和固态时均能彼此无限互溶，ωBi=50%的合金在520℃时开始凝固出成分为ωSb=87%的固相。

ωBi=80%的合金在400℃时开始凝固处成分为ωSb=64%的固相。

根据上述条件，要求：

（1）绘出Bi-Sb相图，并标出各线和各相区的名称。

（2）从相图上确定含锑量为ωSb=40%合金开始结晶和结晶终了温度，并求出它在400℃是的平衡向成分及其含量。

九、根据下列实验数据绘出概略而元共晶相图，组元A的熔点为1000℃，组元B的熔点为700℃；ωB=25%的合金在500℃结晶完毕，并由

%的先共晶相α与

%的（α+β）共晶体组成；ωB=50%的合金在500℃结晶完毕后则由40%的先共晶α相与60%的（α+β）共晶体组成，而此合金中的α相总量为50%。

十、组元A的熔点为1000℃，组元B的熔点为700℃,

在800℃时存在包晶反应；α（ωB=5%）+L（ωB=50%）

β（ωB=30%）；

在600℃时存在共晶反应：

L（ωB=80%）

 β（ωB=60%）+γ（ωB=95%）;

第六章固体材料的变形与断裂

一、解释以下基本概念

   弹性变形、塑性变形、滑移、孪生、滑移带、滑移系、多滑移、交滑移、取向因子、软位向、硬位向、临界分切应力、加工硬化、形变织构、纤维组织、丝织构、板织构、细晶强化、弥散强化、断裂、脆性断裂、韧性断裂、解理断裂、穿晶断裂、沿晶断裂

二、填空题

1、金属塑性变形的方式有两种，分别是（    ）和（     ）。

2、体心立方晶体的滑移面是（     ），滑移方向是（     ），共有（    ）个滑移系。

3、面心立方晶体的滑移面是（     ），滑移方向是（     ），共有（    ）个滑移系。

4、密排六方晶体的滑移面是（     ），滑移方向是（     ），共有（    ）个滑移系。

5、临界分切应力的表达式是（     ），该式表明滑移系的分切应力大小与（     ）有关，分切应力越大，越容易（     ）。

6、单晶体塑性变形时，把Φ=900或者λ=900的取向称为（     ），把取向因子为0。

5时对应的取向称为（     ），若取向因子大，则屈服强度（     ）。

7、晶体发生滑移时会引起晶面的转动，拉伸时滑移面力求转向与力轴（    ）方向，使原来有利取向滑移系变得愈来愈不利，称之为（    ）。

8、对滑移系少的（    ）金属，在受到切应力作用下易产生孪生变形，体心立方金属在（   ）时才发生孪生变形。

9、金属经过塑性变形之后，其晶粒外形会沿受力方向（     ），当变形量很大时各晶粒（    ），呈现（     ）称为纤维组织。

10、多晶体塑性变形时，由于形变受到（    ）阻碍和相邻的取向不同的（    ）约束，形变抗力比单晶体大，其屈服强度与晶粒直径关系为（    ），称为霍尔配奇公式。

11、金属经过塑性变形之后，不但晶粒外形有所变化，晶粒内部的位错密度（    ），形成胞状结构，随变形量增大，胞块数量（    ），尺寸（    ）。

12、在常温下，金属的晶粒尺寸愈小，其强度（    ），塑性和韧性（    ）。

13、塑性变形量越大，金属的强度（   ），塑性和韧性（    ），这种现象称为（    ）。

14、金属冷塑性变形时，由于晶体转动，使金属晶体中原为任意取向的各晶粒逐渐调整为取向彼此趋于一致，称之为（    ）。

有两种形式的形变织构，分别是（    ）和（    ）。

15、金属经过塑性变形之后，会产生残余内应力，有三种内应力，分别是（    ）、（    ）和（    ）。

三、密排六方金属镁能否产生交滑移？

滑移方向如何？

四、试用多晶体塑性变形理论解释室温下金属的晶粒越细强度越高塑性越好的现象。

五、铜单晶其外表面平行于（001），若施加拉应力、力轴方向为[001]，测得τc=0.7MN/m²,求多大应力下材料屈服？

六、Fe单晶拉力轴沿[110]方向，试问哪组滑移系首先开动？

若τc=33.8Mpa，需多大应力材料屈服？

第七章回复与再结晶

一、解释以下基本概念

回复、再结晶、多边形化、二次再结晶、冷加工、热加工、动态回复、动态再结晶

二、填空题

1、冷变形金属经重新加热时，根据其组织和性能的变化，大体可分为（   ）、（    ）和（    ）三个阶段。

2、低温回复主要涉及（    ），中温回复主要涉及（    ），高温回复主要涉及（    ）。

3、再结晶过程也是一个（    ）与（    ）的过程，但是与重结晶（同素异晶转变）相比，再结晶只发生组织变化而无（     ）变化。

4、再结晶晶核形核方式有（    ）、（    ）和（    ）。

5、再结晶温度与熔点之间存在下列关系（    ），一般塑性变形量越大，再结晶温度（   ），金属纯度越高，再结晶温度（    ）。

6、再结晶后晶粒大小与变形度有密切关系，一般随变形度增大，再结晶后晶粒越（    ），但是变形度为（     ）时，再结晶后晶粒（    ），人们称此变形度为临界变形度。

7、再结晶的晶粒长大是通过晶界迁移实现的，影响晶粒长大的因素主要有（    ）、（    ）、（    ）和相邻晶粒的位相差。

8、热加工是指在（    ）温度以上的加工过程，在该加工过程中形变引起的（    ）与再结晶的（    ）过程同时存在。

9、热加工可以明显改善钢的质