材料科学基础习题集Word文件下载.docx

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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、Ni的晶体结构为面心立方结构，其原子半径为r=0.1243nm，试求1cm3中Ni的原子数。

十四、.Mo的晶体结构为体心立方结构，其晶格常数a=0.31468nm，试求Mo的原子半径r。

十五、Cu具有面心立方结构，其原子半径为r=0.1278nm，试求Cu的密度（Cu的相对原子量为63.5）

十六、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）。

十七、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，并指出其最密排晶面和最密排晶向。

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

十九、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。

二十、计算立方系[321]与[120]及（111）与

之间的夹角。

二十一、.a）算出fcc和bcc晶体中四面体间隙及八面体间隙的大小，用原子半径R表示，并注明间隙中心坐标；

b）写出溶解在γ-Fe中C原子所处位置，若此类位置全部被C原子占据，那么问在此情况下，γ-Fe能溶解多少重量百分比的C？

而实际上碳在铁中的最大溶解度是多少？

两者在数值上有差异的原因是什么？

二十二、为什么-Fe的溶碳能力远大于-Fe的溶碳能力？

二十三、Na+和Cl-的离子半径分别为0.097nm，0.181nm，NaCl具有面心立方点阵，试求其配位数、晶格常数及致密度。

二十四、渗碳体（Fe3C）是一种间隙化合物，它具有正交点阵结构，其点阵常数a=0.4514nm，b=0.508nm，c=0.6734nm，其密度ρ=7.66g/cm3，试求每单位晶胞中Fe原子与C原子的数目？

二十五、试计算金刚石结构的致密度。

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、共格界面、非共格界面、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.在Fe中形成1mol空位的能量为104.675kJ，试计算从20℃升温至850℃时空位数目增加多少倍？

四、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.

五、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?

六、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：

七、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？

八、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。

九、试分析在（111）面上运动的柏氏矢量为b=a/2[

10]的螺型位错受阻时，能否通过交滑移转移到（1

1），（11

），（

11）面中的某个面上继续运动？

为什么？

十、已知柏氏矢量的大小为b=0.25nm，如果对称倾侧晶界的取向差

θ=1°

和10°

，求晶界上位错之间的距离。

从计算结果可得到什么结论？

十一、根据晶粒的位向差及其特点，晶界有那些类型？

有何特点属性？

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。

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有关，当=00时，ΔG非=（），当=900时，ΔG非=（），当=1800时，ΔG非=（）。

说明润湿角越小，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？

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、考虑在一个大气压下液态铝的凝固，对于不同程度的过冷度，即：

ΔT=1，10，100和200℃，计算：

（a）临界晶核尺寸；

（b）从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化ΔGv；

（c）从液态转变到固态时，临界尺寸r*处的自由能的变化ΔGv。

（铝的熔点Tm=993K，单位体积熔化热ΔHf=1.836×

109J/m3，固液界面自由能γsc=93J/m2，原子体积V0=1.66×

10-29m3。

）

十二、已知液态纯镍在1.1013×

105Pa（1个大气压），过冷度为319℃时发生均匀形核。

设临界晶核半径为1nm，纯镍的熔点为1726K，熔化热ΔHm=18075J/mol，摩尔体积Vx=6.6cm3/mol，计算纯镍的液-固界面能和临界形核功。

十三、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。

十四、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

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。

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？

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℃是的平衡相成分及其含量。

九、根据下列实验数据绘出概略二元共晶相图，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%）;

在400℃时发生共析反应：

β（ωB=50%）

α（ωB=2%）+γ（ωB=97%）。

根据这些数据画出A—B二元相图。

十一、在C-D二元系中，D组元比C组元有较高的熔点，C在D中没有固溶度。

该合金系存在下述恒温反应：

（1）

（2）

（3）

（4）

根据上述数据，绘出概略的C—D二元相图。

十二、已知A组元（熔点600℃）与B组元（熔点500℃）在液态无限互溶，固态时A在B中的最大固溶度（质量分数）为ωA=30%，室温时为ωA=10%。

但B在固态和室温时均不溶于A。

在300℃时，含ωB=40%的液态合金发生共晶反应。

试绘出A—B合金相图；

试计算ωA=20%、ωA=45%、ωA=80%的合金在室温下组织组成物和相组成物的相对重量。

十三、假定需要用ωZn=30%的Cu-Zn合金和ωSn=10%的Cu-Sn合金制造尺寸、形状形同的铸件，参照Cu-Zn和Cu-Sn二元相图，回答下述问题：

（1）哪种合金的流动性好？

（2）哪种合金形成缩松的倾向大？

（3）哪种合金的热裂倾向大？

（4）哪种合金的偏析倾向大？

十四、默画出Fe—Fe3C相图，标注各点、线的名称、温度和成分，并标注各个区域的组织。

十五、分析含碳量为0.2%、0.6%、1.2%的碳钢从液态冷却到室温的结晶过程，用冷却曲线和组织示意图说明各阶段的组织，并分别计算室温下的相组成物及组织组成物的含量。

十六、分析含碳量为3.0%和4.7%的白口铸铁的平衡结晶过程，计算室温下的相组成物及组织组成物的含量。

十七、计算铁碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大可能含量。

十八、说明含碳量对碳钢的组织和性能的影响。

十九、为了区分两种弄混的碳钢，工作人员分别截取了A、B两块试样，加热至800℃保温后以极其缓慢的速度冷却到室温，观察金相组织，结果如下：

A试样的先共析铁素体面积为41.6%，珠光体的面积为58.4%；

B试样的二次渗碳体的面积为7.3%，珠光体的面积为92.7%；

设铁素体和渗碳体的密度相同，铁素体的含碳量为零，试求A、B两种碳钢的含碳量。

二十、指出下列相图中的错误，并加以改正。

二十一、Mg-Ni系的一个共晶反应为

507℃L（23.5Wt.%Ni）

α（纯镁）+Mg2Ni（54.6Wt.%Ni）

设C1为亚共晶合金，C2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的重量分数相等，但C1合金中的α总量为C2合金中的α总量的2.5倍，试计算C1和C2的成分。

二十二、铁碳相图有哪些应用，又有哪些局限性。

第六章：

固体材料的变形与断裂

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

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