1、材料科学基础习题集新汇总第一部分:习题集材料科学基础复习思考题第一章: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
2、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( ),
3、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( ),( ),( )。1
4、4、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)
5、、(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;晶向的r=0.154R,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
6、胀。 b)经x射线测定,在912时,-Fe的晶格常数为0.3633nm, -Fe的晶格常数为0.2892nm,当由 -Fe转变为-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、
7、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(1
8、11)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-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,-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=0.50
9、8nm,c=0.6734nm,其密度=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
10、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( ),( )
11、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.(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)在的作用下,该位错环将如何运动?(4)在的作用下,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/210,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
12、知单位位错a/201能与肖克莱不完全位错a/612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/210的螺型位错受阻时,能否通过交滑移转移到(11),(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=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:
13、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
14、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,G非=( ),当=900时,G非=( ),当=1800时,G非=( )。说明润湿角越小,对
15、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GK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
16、,其GK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GK与aK的关系。为什么形成立方体晶核的GK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
17、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:T=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Gv;(c)从液态转变到固态时,临界尺寸r*处的自由能的变化 Gv。(铝的熔点Tm=993K,单位体积熔化热Hf=1.836109J/m3,固液界面自由能sc=93J/m2,原子体积V0=1.6610-29m3。)十二、已知液态纯镍在1.1013105Pa(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,
18、纯镍的熔点为1726K,熔化热Hm=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
19、、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
20、,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
21、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
22、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( ),(
23、)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
24、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Ni=90%,另一铸件Ni=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,Bi=50%的合金在520时开始凝固出成分为Sb=87%的固相。Bi=80%的合金在400时开始凝固处成分为Sb=64%的固相。根据上述条件,要求:(1)绘出Bi-Sb相图,并标出各
25、线和各相区的名称。(2)从相图上确定含锑量为Sb=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;B=25%的合金在500结晶完毕,并由%的先共晶相与%的(+)共晶体组成;B=50%的合金在500结晶完毕后则由40%的先共晶相与60%的(+)共晶体组成,而此合金中的相总量为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;(B=5%)+L(B=50%)(B=30%);在600时存在共晶反应:L(B=80%)(B=60%)+(B=95%);在400时发
26、生共析反应:(B=50%)(B=2%)+(B=97%)。根据这些数据画出AB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CD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A=30%,室温时为A=10%。但B在固态和室温时均不溶于A。在300时,含B=40%的液态合金发生共晶反应。试绘出AB合金相图;试计算A=20%、A=45%、A=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Zn=30
27、%的Cu-Zn合金和Sn=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FeFe3C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
28、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) (纯镁)+Mg2Ni(54.6Wt.%Ni)设C1为亚共晶合
29、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合金中的总量为C2合金中的总量的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
30、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=900或者=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
31、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
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