材料科学基础试题及答案考研专用Word格式文档下载.docx

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在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。

3、何谓晶偏析？

是如何形成的？

影响因素有哪些？

对金属性能有何影响，如何消除？

晶偏析：

一个晶粒部化学成分不均匀的现象

形成过程：

固溶体合金平衡结晶使前后从液相中结晶出的固相成分不同，实际生产中，液态合金冷却速度较大，在一定温度下扩散过程尚未进行完全时温度就继续下降，使每个晶粒部的化学成分布均匀，先结晶的含高熔点组元较多，后结晶的含低熔点组元较多，在晶粒部存在着浓度差。

影响因素：

1）分配系数k0：

当k01时，k0值越小，则偏析越大；

当k01时，k0越大，偏析也越大。

2）溶质原子扩散能力，溶质原子扩散能力大，则偏析程度较小；

反之，则偏析程度较大。

3）冷却速度，冷却速度越大，晶偏析程度越严重。

对金属性能的影响：

使合金的机械性能下降，特别是使塑性和韧性显著降低，甚至使合金不容易压力加工。

也使合金的抗蚀性能降低。

消除办法：

扩散退火或均勺化退火

4、何谓共晶反应和包晶反应？

写出反应式。

共晶反应：

包晶反应：

5、什么是成分过冷？

6、试述纯金属与固溶体合金结晶过程中形核、长大的条件及方式有何异同？

纯金属结晶过程中的形核、长大的条件：

要满足结构起伏、能量起伏。

固溶体合金结晶过程中的形核、长大的条件：

要满足结构起伏、能量起伏和成分起伏。

固溶体合金结晶是在一定的温度围的异分结晶，纯金属结晶是在一定温度下的同分结晶。

7、何谓共析转变？

与共晶转变比较有何异同？

共析转变：

一定成分的固相在一定温度下分解为另外两个一定成分的固相的转变过程。

相同点：

都是由一个相分解为两个相的三相恒温转变，三相成分点在相图上的分布是一样的。

不同点：

共析反应的反应相是固相，而共晶反应的反应相是液相。

共析组织比共晶组织致密。

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

晶面和

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

晶向。

5.求

和

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。

7）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。

10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。

11试说明纯Al和铝－铜单相固溶体结晶的异同。

12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

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

A+Fe3C

8）画出1200℃时各相的自由能---成分曲线示意图。

第六章空位与位错

一、名词解释

空位平衡浓度，位错，柏氏回路，P-N力，扩展位错，堆垛层错，弗兰克-瑞德位错源，

奥罗万机制，科垂耳气团，面角位错，铃木气团，多边形化

1fcc晶体中，层错能的高低对层错的形成、扩展位错的宽度和扩展位错运动有何影响？

层错能对金属材料冷、热加工行为的影响如何？

4平衡空位浓度与温度有何关系？

高温淬火对低温扩散速度有何影响？

5已知Al的空位形成能为0.76eV，问从27升温到627时空位浓度增加多少倍（取系数A=1）

7、位错对金属材料有何影响？

第七章金属塑性变形

一名词解释

固溶强化，应变时效，孪生，临界分切应力，变形织构

二问答

1单相合金的冷塑性变形与纯金属的室温塑性变形相比，有何特点。

2金属晶体塑性变形时，滑移和孪生有何主要区别？

4简述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构的成因及对金属材料性能的影响。

5为什么金属材料经热加工后机械性能较铸造态好。

6何为加工硬化？

列出产生加工硬化的各种可能机制。

（不必说明），加工硬化现象在工业上有哪些作用？

图7－1

7简要说明第二相在冷塑性变形过程中的作用。

8讨论织构的利弊及控制方法。

9叙述金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化。

10图7－1所示低碳钢的三条拉伸曲线，1－塑性变形；

2－去载后立即再行加载；

3－去载后时效再加载。

试回答下列问题：

1）解释图示曲线2无屈服现象和曲线3的屈服现象。

2）屈服现象对金属变形制件表面质量有何影响，如何改善表面质量。

11退火纯Fe，其晶粒尺寸d=1/4mm时，其屈服点s=100MNm-2；

d=1/64mm时s=250MNm-2。

d=1/16mm时，根据霍尔—配奇公式求其s为多少？

第八章回复与再结晶

1名词

变形织构与再结晶织构，再结晶全图，冷加工与热加工，带状组织，加工流线，动态再结晶，临界变形度，二次再结晶，退火孪晶

2问答

1再结晶与固态相变有何区别？

2简述金属冷变形度的大小对再结晶形核机制和再结晶晶粒尺寸的影响。

3灯泡中W丝在高温下工作，发生显著晶粒长大性能变脆，在热应力作用下破断，试找出两种延长钨丝寿命的方法？

4纯铝经90%冷变形后，取三块试样分别加热到70，150，300，各保温一小时后空冷，纯铝的熔点为660。

1）分析所得组织，画出示意图；

2）说明它们强度、硬度的高低和塑性方面的区别并简要说明原因。

5试说明晶粒大小对金属材料室温及高温力学性能的影响，在生产中如何控制材料的晶粒度。

6如何提高固溶体合金的强度

7试用位错理论解释固溶强化，弥散强化，以及加工硬化的原因。

第九章表面与界面

正吸附，晶界能，小角度晶界，晶界偏析

1试说明界面对复合材料结合强度的影响。

2试述晶界的特性。

3分析晶界能的变化。

4分析影响晶界迁移的因素

第十章原子扩散

1、简要说明影响溶质原子在晶体中扩散的因素。

2、Ni板与Ta板中有0.05mm厚MgO板作为阻挡层，1400℃时Ni＋通过MgO向Ta中扩散，此时Ni＋在MgO中的扩散系数为D=9×

10－12cm2/s，Ni的点阵常数为3.6×

10－8cm。

问每秒钟通过MgO阻挡层在2×

2cm2的面积上扩散的Ni＋数目，并求出要扩散走1mm厚的Ni层需要的时间。

3、对含碳0.1％齿轮气体渗碳强化，渗碳气氛含碳1.2％，在齿轮表层下0.2cm处碳含量为0.45%时齿轮达到最佳性能。

已知铁为FCC结构，C在Fe中的D0＝0.23，激活能Q＝32900cal/mol，误差函数如表10－1。

1）试设计最佳渗碳工艺；

2）在渗碳温度不变，在1000℃时渗碳，要将渗碳厚度增加1倍，即要求在其表面下0.4cm处渗碳后碳含量为0.45%所需渗碳时间。

表10－1

与erf（

）的对应值

erf（

）

0.0

0.0000

0.7

0.6778

1.4

0.9523

0.1

0.1125

0.8

0.7421

1.5

0.9661

0.2

0.2227

0.9

0.7969

1.6

0.9763

0.3

0.3286

0.8247

1.7

0.9838

0.4284

1.1

0.8802

1.8

0.9891

0.5

0.5205

1.2

0.9103

1.9

0.9928

0.6

0.6039

1.3

0.9340

2.0

0.9953

4一块厚度10毫米，含碳量0.77%的钢在强脱碳气氛中加热到800℃，然后缓慢冷却，试指出试样从表面到心部的组织分布。

5铜-锌基单相固溶体进行均匀化处理，试讨论如下问题：

1）在有限时间能否使枝晶偏析完全消失？

2）将此合金均匀化退火前进行冷加工，对均匀化过程是加速还是无影响？

说明理由。

6原子扩散在材料中的应用

7何谓上坡扩散，举两个实例说明金属中上坡扩散现象。

9简述固溶体合金的扩散机制

6.[110]，（111），ABCABC…，0.74，12,4，

[111]，（110）,0.68,8,2，

；

，（0001），ABAB，0.74，12，6，

7.0.01659nm3，4，8。

8.FCC，BCC，减少，降低，膨胀，收缩。

9.解答：

见图1－1

10.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

，故可求得a＝0.4949×

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

＝4.08×

1012。

第三章合金相结构

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）。

2.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。

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，靠为柱状晶，最层为粗大等轴晶。

3解答：

液态金属结晶时，均匀形核时临界晶核半径rK与过冷度T关系为

，临界形核功GK等于

异质形核时固相质点可作为晶核长大，其临界形核功较小，

，θ为液相与非均匀形核核心的润湿角。

形核率与过冷度的关系为：

，其中N为形核率，C为常数，ΔGA、ΔGk分别表示形核时原子扩散激活能和临界形核功。

在通常工业凝固条件下形核率随过冷度增大而增大。

4解答：

在金属凝固时，可以近似认为LM=Hm,根据均匀形核时临界晶核半径rK与过冷度T关系为

，可以计算得到r＝0.79×

10－7cm＝0.79nm。

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。

8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＝°

，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<

°

，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。

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_。

7

，1。

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。

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；

L－β；

室温下相组成为Al＋β，

β=1-Al%=71.4%。

室温下组织组成为β+（Al＋β）共晶，，

，（Al＋β）共晶=1-β%=28.6%。

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。

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－

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。

相组成物的相对含量为：

和组织组成物的相对含量：

（η+Sn）共晶％＝1－η％＝23.7％。

5）合金在450℃时各相自由能---成分曲线示意图如图所示。

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。

2）Mg为hcp结构，因为r＝a/2，一个hcp晶胞中有6个原子，设

，则致密度为

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。

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