材料科學基礎(chǔ)期末試題

1、幾種強化 加工硬化：金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時強度和硬度升高，而塑性和韌性 降低的現(xiàn)象。強化機制：金屬在塑性變形時，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，使晶粒拉長、破 碎和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應力。細晶強化：是由于晶粒減小，晶粒數(shù)量增多，尺寸減小，增大了位錯連續(xù)滑移的阻 力導致的強化；同時由于滑移分散，也使塑性增大。彌散強化：又稱時效強化。是由于細小彌散的第二相阻礙位錯運動產(chǎn)生的強化。包 括切過機制和繞過機制。 （2 分）復相強化：由于第二相的相對含量與基體處于同數(shù)量級是產(chǎn)生的強化機制。其強化 程度取決于第二相的數(shù)量、尺寸、分布、形態(tài)等，且如果第二相強度低于基體則不 一定能夠起到強化作

2、用。 （2 分）固溶強化： 固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強度、 硬度提高而塑性、 韌性下降的現(xiàn)象。 。包括彈性交互作用、電交互作用和化學交互作用。幾種概念1、滑移系：一個滑移面和該面上一個滑移方向的組合。2、交滑移： 螺型位錯在兩個相交的滑移面上運動， 螺位錯在一個滑移面上運動遇有 障礙，會轉(zhuǎn)動到另一滑移面上繼續(xù)滑移，滑移方向不變。3、屈服現(xiàn)象： 低碳鋼在上屈服點開始塑性變形， 當應力達到上屈服點之后開始應力 降落，在下屈服點發(fā)生連續(xù)變形而應力并不升高，即出現(xiàn)水平臺（呂德斯帶） 原因：柯氏氣團的存在、破壞和重新形成，位錯的增殖。4、應變時效： 低碳鋼經(jīng)過少量的預變形可以不出現(xiàn)明顯的屈服點， 但是

3、在變形后在 室溫下放置一段較長時間或在低溫經(jīng)過短時間加熱，在進行拉伸試驗，則屈服點又 重復出現(xiàn)，且屈服應力提高。5、形變織構(gòu)：隨塑性變形量增加，變形多晶體某一晶體學取向趨于一致的現(xiàn)象。 滑移和孿晶的區(qū)別滑移 是指在切應力的作用下， 晶體的一部分沿一定晶面和晶向， 相對于另一部分發(fā) 生相對移動的一種運動狀態(tài)。孿生：在切應力作用下， 晶體的一部分相對于另一部分 沿一定的晶面和晶向發(fā)生均 勻切變并形成晶體取向的鏡面對稱關(guān)系。偽共晶：在不平衡結(jié)晶條件下，成分在共晶點附近的合金全部變成共晶組織，這種 非共晶成分的共晶組織，稱為偽共晶組合。擴散驅(qū)動力：化學位梯度是擴散的根本驅(qū)動力。一、填空題 （20 分，

4、每空格 1 分 ）1. 相律是在完全平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)的相數(shù)、組元數(shù)和溫度壓力之間的關(guān)系，是系統(tǒng) 的平衡條件的數(shù)學表達式： f=C-P+22. 二元系相圖是表示合金系中合金的 相與 溫度、成分 間關(guān)系的圖解。3. 晶體的空間點陣分屬于7大晶系，其中正方晶系點陣常數(shù)的特點為 a=bM c,a = p =Y =90° ,請列舉除立方和正方晶系外其他任意三種晶系的名稱 三斜、單斜、六方、 菱方、正交 （任選三種）。4. 合金鑄錠的宏觀組織包括 表層細晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和 中心等軸晶區(qū) 三部分。5在常溫和低溫下，金屬的塑性變形主要是通過 滑移 的方式進行的。此外還有 孿 生 和 扭折 等方式。6.

5、 成分過冷區(qū)從小到大，其固溶體的生長形態(tài)分別為 平面狀，胞狀 和 樹枝狀 。 1原子擴散的驅(qū)動力是： 組元的化學勢梯度2凝固的熱力學條件為： 過冷度3. 某金屬凝固時的形核功為 G*，其臨界晶核界面能為 G,則 G*和G的關(guān) 系為 G*=1/3 G5金屬液體在凝固時產(chǎn)生臨界晶核半徑的大小主要取決于過冷度。6菲克第一定律表述了穩(wěn)態(tài)擴散的特征，即 濃度不隨變化。7. 冷變形金屬加熱過程中發(fā)生回復的驅(qū)動力是： 冷變形過程中的存儲能9. 合金鑄錠的缺陷可分為 縮孔和偏析 兩種。二、判斷題(正確的打“V”錯誤的打“X”，每題 1分，共12分)0.74。1. 體心立方結(jié)構(gòu)是原子的次密排結(jié)構(gòu)，其致密度為0.

6、74。( X )2. 同一種空間點陣可以有無限種晶體結(jié)構(gòu)， 而不同的晶體結(jié)構(gòu)可以歸屬于同一種空 間點陣。( V )3. 結(jié)晶時凡能提高形核率、降低生長率的因素，都能使晶粒細化。4. 合金液體在凝固形核時需要能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏和成分起伏。5. 小角度晶界的晶界能比大角度晶界的晶界能高。 ( X )6. 非均勻形核時晶核與基底之間的接觸角越大，其促進非均勻形核的作用越大。( X )7. 固溶體合金液體在完全混合條件下凝固后產(chǎn)生的宏觀偏析較小。( X )8. 冷形變金屬在再結(jié)晶時可以亞晶合并、亞晶長大和原晶界弓出三種方式形核。( V )9. 動態(tài)再結(jié)晶是金屬材料在較高溫度進行形變加工同時發(fā)生的再結(jié)晶

7、、 其形變硬化 與再結(jié)晶軟化交替進行。 ( V )10. 金屬 -非金屬型共晶具有粗糙 -光滑型界面， 所以它們多為樹枝狀、 針狀或螺旋狀 形態(tài)。( V )11. 孿生變形的速度很快是因為金屬以孿生方式變形時需要的臨界分切應力小。( X )12. 相圖的相區(qū)接觸法則是相鄰相區(qū)相數(shù)差 1。( V )1. 請簡述擴散的微觀機制有哪些？影響擴散的因素又有哪些？(8 分)答：置換機制：包括空位機制和直接換位與環(huán)形換位機制，其中空位機制是主要機 制，直接換位與環(huán)形換位機制需要的激活能很高，只有在高溫時才能出現(xiàn)。(2 分)間隙機制：包括間隙機制和填隙機制，其中間隙機制是主要機制。( 2 分)影響擴散的主要

8、因素有：溫度(溫度約高，擴散速度約快)；晶體結(jié)構(gòu)與類型(包 括致密度、 固溶度、各向異性等) ；晶體缺陷； 化學成分(包括濃度、 第三組元等) 。2. 請對比分析加工硬化、細晶強化、彌散強化、復相強化和固溶強化的特點和機理 答案：加工硬化：金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時強度和硬度升高，而塑性 和韌性降低的現(xiàn)象。強化機制：金屬在塑性變形時，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，使晶粒拉長、破 碎和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應力。細晶強化：是由于晶粒減小，晶粒數(shù)量增多，尺寸減小，增大了位錯連續(xù)滑移的阻 力導致的強化；同時由于滑移分散，也使塑性增大。彌散強化：又稱時效強化。是由于細小彌散的第二相阻礙位錯

9、運動產(chǎn)生的強化。包 括切過機制和繞過機制。（2分）復相強化：由于第二相的相對含量與基體處于同數(shù)量級是產(chǎn)生的強化機制。其強化 程度取決于第二相的數(shù)量、尺寸、分布、形態(tài)等，且如果第二相強度低于基體則不 一定能夠起到強化作用。（2分）固溶強化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。 。包括彈性交互作用、電交互作用和化學交互作用。3. 請簡述回復的機制及其驅(qū)動力。答：低溫機制：空位的消失；中溫機制：位錯的重排和消失 高溫機制：位錯的滑移+攀移；驅(qū)動力：冷變形過程中的存儲能（主要是點陣畸變能）。一、名詞解釋（任選5題，每題4分，共20分）單位位錯：柏氏矢量等于單位點陣矢量的位錯

10、稱為單位位錯。交滑移：兩個或多個滑移面沿著某個共同的滑移方向同時或交替滑移，稱為交滑移。滑移系：一個滑移面和此面上的一個滑移方向合起來叫做一個滑移系。偽共晶：在非平衡凝固條件下，某些亞共晶或過共晶成分的合金也能得全部的共晶 組織，這種由非共晶成分的合金所得到的共晶組織稱為偽共晶。離異共晶：由于非平衡共晶體數(shù)量較少，通常共晶體中的a相依附于初生a相生長， 將共晶體中另一相P推到最后凝固的晶界處，從而使共晶體兩組成相相間的組織特 征消失，這種兩相分離的共晶體稱為離異共晶。奧氏體：碳原子溶于丫 -Fe形成的固溶體。成分過冷：在合金的凝固過程中，將界面前沿液體中的實際溫度低于由溶質(zhì)分布所 決定的凝固溫

11、度時產(chǎn)生的過冷稱為成分過冷。二、選擇題（每題2分，共20分）_1. 在體心立方結(jié)構(gòu)中，柏氏矢量為 a110的位錯（A ）分解為a/2111+a/2l11.（A）不能 （B）能 （C）可能2. 原子擴散的驅(qū)動力是：（B ）（A）組元的濃度梯度（B）組元的化學勢梯度（C）溫度梯度3凝固的熱力學條件為：（D ）（A）形核率（B）系統(tǒng)自由能增加（C）能量守衡（D）過冷度4在TiO2中，當一部分Ti4+還原成Ti3+，為了平衡電荷就出現(xiàn)（A）（A）氧離子空位 （B）鈦離子空位 （C）陽離子空位5. 在三元系濃度三角形中，凡成分位于（ A ）上的合金，它們含有另兩個頂角所 代表的兩組元含量相等。（A）通過

12、三角形頂角的中垂線（B）通過三角形頂角的任一直線（C）通過三角形頂角與對邊成45°的直線6 有效分配系數(shù)ke表示液相的混合程度，其值范圍是（ B ）（A） 1<ke<ko（B） ko<ke<1（ C） ke< ko <17. A和A-B合金焊合后發(fā)生柯肯達爾效應，測得界面向A試樣方向移動，則（A ）（A） A組元的擴散速率大于B組元（B）與（ A）相反（C） A B兩組元的擴散速率相同& A和B組成的二元系中出現(xiàn)a和P兩相平衡時，兩相的成分（x）-自由能（G） 的關(guān)系為（B ）（A） G = Gp（B） dG= dGp（C） G= Gb9.

13、 凝固時不能有效降低晶粒尺寸的是以下那種方法？ （ B ）（A）加入形核劑（B）減小液相的過冷度（C）對液相進行攪拌10. 菲克第一定律表述了穩(wěn)態(tài)擴散的特征，即濃度不隨（B ）變化。（A）距離（B）時間（C）溫度1. 簡述塑性變形對材料組織和性能的影響。答：組織結(jié)構(gòu)：（1）形成纖維組織：晶粒沿變形方向被拉長；（2）形成位錯胞；（3）晶粒轉(zhuǎn)動形成變形織構(gòu)。力學性能：位錯密度增大，位錯相互纏繞，運動阻力增大，造成加工硬化。 物理化學性能：其變化復雜，主要對導電，導熱，化學活性，化學電位等有影響。（2分）體系能量：包括兩部分：（1）因冷變形產(chǎn)生大量缺陷引起點陣畸變，使畸變 能增大；（2）因晶粒間變形

14、不均勻和工件各部分變形不均勻引起的微觀內(nèi)應力和宏觀 內(nèi)應力。這兩部分統(tǒng)稱為存儲能，其中前者為主要的。2. 試用位錯理論解釋低碳鋼冷拉伸變形時的屈服現(xiàn)象。答：低碳鋼中的少量碳、氮原子與晶體中的位錯發(fā)生交互作用，形成柯氏氣團，對 位錯起釘扎作用，使其運動阻力增大，導致應力-應變曲線上出現(xiàn)上屈服點，當位錯 擺脫柯氏氣團的釘扎作用后，應力下降出現(xiàn)下屈服點。即柯氏氣團的存在、破壞和 重新形成，位錯的增殖。、名詞解釋（20分，每題4分） 全位錯：伯什矢量等于點陣矢量的位錯。再結(jié)晶：經(jīng)受形變的材料在加熱時發(fā)生的以無畸變晶粒取代變形晶粒的過程 珠光體：鐵碳合金共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，是共析鐵素體和共析滲碳體的層片狀混

15、合物。 形變織構(gòu)：隨塑性變形量增加，變形多晶體某一晶體學取向趨于一致的現(xiàn)象。離異共晶：由于非平衡共晶體數(shù)量較少，通常共晶體中的a相依附于初生a相生長， 將共晶體中另一相P推到最后凝固的晶界處，從而使共晶體兩組成相相間的組織特 征消失，這種兩相分離的共晶體稱為離異共晶。二、填空題（17分，每空1分）1 原子擴散的驅(qū)動力是：組元的化學勢梯度2. 凝固的熱力學條件為：過冷度3. 某金屬凝固時的形核功為 G*，其臨界晶核界面能為 0,則 G*和 G的關(guān)系 為： G* =1/3 G4. 在常溫和低溫下，金屬的塑性變形主要是通過滑移 的方式進行的。此外還 有孿生 和 扭折 等方式。5. 金屬液體在凝固時產(chǎn)

16、生臨界晶核半徑的大小主要取決于過冷度 。6. 菲克第一定律表述了穩(wěn)態(tài)擴散的特征，即濃度不隨時間變化。7. 冷變形金屬加熱過程中發(fā)生回復的驅(qū)動力是：冷變形過程中的存儲能8. 合金鑄錠的宏觀組織包括 表層細晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和 中心等軸晶區(qū) 三部分。9. 合金鑄錠的缺陷可分為 縮孔 和 偏析 兩種。10. 相圖是表示合金系中合金的相與 溫度匚 成分 間關(guān)系的圖解。三、選擇題（20分，每題2分）1. 在體心立方結(jié)構(gòu)中，柏氏矢量為 a110的位錯（A ）分解為a/2111+a/2l1ii. （A）不能 （B）能 （C）可能2. 在置換型固溶體中，原子擴散的方式一般為（ C ）A .原子互換機制B.間隙機制

17、 C.空位機制3. A和B組成的二元系中出現(xiàn)a和P兩相平衡時，兩相的成分（x）-自由能（G） 的關(guān)系為（B ）GA= Gb測得界面向A試樣方向移動，則（A ）（B）與（ A）（A） G = Gb（B） dG= cIGb（C）4. A和A-B合金焊合后發(fā)生柯肯達爾效應，相反（A） A組元的擴散速率大于B組元（C） A B兩組元的擴散速率相同B ） 對液相進行攪拌（B溫度為界限區(qū)分的。5凝固時不能有效降低晶粒尺寸的是以下那種方法？（A）加入形核劑（B）減小液相的過冷度（C）6. 從金屬與合金的角度看，冷加工和熱加工一般是以D.25CA.結(jié)晶B.再結(jié)晶C相變7. 運用區(qū)域熔煉方法可以（D ）B.可以

18、消除晶體中的微觀缺陷D.可以提高金屬的純度）有關(guān)。B.拉伸時的屈服應力D.拉伸時的應力大小A.使材料的成分更均勻C.可以消除晶體中的宏觀缺陷8. 單晶體的臨界分切應力值與（.A.外力相對于滑移系的取向C.晶體的類型和純度）。B.弗蘭克位錯 C.螺型全位錯D.前三者都不是A ）C.鐵素體9. 能進行攀移的位錯可能是（BA.肖克利位錯10. 鑄鐵與碳鋼的區(qū)別在于有無（A.萊氏體 B.珠光體 C.鐵素體D.滲碳體1. Mn的同素異構(gòu)體有一為立方結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)為0.632nm，密度 為7.26 g/cm3,原子半徑r等于0.122nm,問Mn晶胞中有幾個原子，其致密度為多少？ 答案解析：習題冊 P9

19、 2-22.2. 如圖1所示，設有兩個相晶粒與一個相晶粒相交于一公共晶棱，并形成二叉晶界，已知 相所張的兩面角為80°C,界面能 為0.60Jm2，試求 相與 相的 界面能 。3-42.答案解析：習題冊 P173. 有兩種激活能分別為Qi = 53.7kJ/mol和Q? = 201kJ/mol的擴散反應，觀察在溫度 從25C升高到800r時對這兩種擴散的影響，并對結(jié)果進行評述。有兩種激活能分別為 Q1 = 60.7kJ/mol和Q2 = 151kJ/mol的擴散反應，觀察在溫度從30C升高到600C時對這 兩種擴散的影響，并對結(jié)果進行評述。答案解析：習題冊 P21 4-8.4請對比分

20、析加工硬化、細晶強化、彌散強化、復相強化和固溶強化的特點和機理 答：加工硬化：金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時強度和硬度升高，而塑性和 韌性降低的現(xiàn)象。強化機制：金屬在塑性變形時，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，使晶粒拉長、破 碎和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應力。細晶強化：是由于晶粒減小，晶粒數(shù)量增多，尺寸減小，增大了位錯連續(xù)滑移的阻 力導致的強化；同時由于滑移分散，也使塑性增大。彌散強化：又稱時效強化。是由于細小彌散的第二相阻礙位錯運動產(chǎn)生的強化。包 括切過機制和繞過機制。（2分）復相強化：由于第二相的相對含量與基體處于同數(shù)量級是產(chǎn)生的強化機制。其強化 程度取決于第二相的數(shù)量、尺寸、分布、形

21、態(tài)等，且如果第二相強度低于基體則不 一定能夠起到強化作用。（2分）固溶強化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。 。包括彈性交互作用、電交互作用和化學交互作用。5. 請簡述回復的機制及其驅(qū)動力。答：（1）回復是冷變形金屬在低溫加熱時，其顯微組織無可見變化，但物理性能、 力學性能卻部分恢復到冷變形以前的過程。（2）低溫機制：空位的消失；中溫機制：位錯的重排和消失高溫機制：位錯的 滑移+攀移；驅(qū)動力：冷變形過程中的存儲能（主要是點陣畸變能）。7.簡述一次再結(jié)晶與二次再結(jié)晶的驅(qū)動力，并說明如何區(qū)分冷、熱加工？動態(tài)再 結(jié)晶與靜態(tài)再結(jié)晶后的組織結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是什么？試舉例說明

22、動態(tài)再結(jié)晶在實際 生產(chǎn)中的一個實例。答案解析：習題冊 P31 5-44.8. 請簡述擴散的微觀機制有哪些？影響擴散的因素又有哪些？ 答：（1）置換機制：包括空位機制和直接換位與環(huán)形換位機制，其中空位機制是主 要機制，直接換位與環(huán)形換位機制需要的激活能很高，只有在高溫時才能出現(xiàn)。（2）間隙機制：包括間隙機制和填隙機制，其中間隙機制是主要機制。（3）影響擴散的主要因素有：溫度（溫度越高，擴散速度越快）；晶體結(jié)構(gòu)與類型 （包括致密度、固溶度、各向異性等）；晶體缺陷；化學成分（包括濃度、第三組 元等）。擴散驅(qū)動力：化學位梯度是擴散的根本驅(qū)動力。9. 試分析冷塑性變形對合金組織結(jié)構(gòu)、力學性能、物理化學性能、體系能量的影 響。答：（1）組織結(jié)構(gòu)：形成纖維組織；晶粒沿變形方向被拉長；形成位錯胞；晶粒轉(zhuǎn) 動形成變形織構(gòu)。力學性能：位錯密度增大，位錯相互纏繞，運動阻力增大，造成加工硬化。 物理化學性能：其變化復雜，主要對導電，導熱，化學活性，化學電位等有影（2）（3） 響。體系能量：因冷變形產(chǎn)生大量