材料科學(xué)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)題及答案

1、一、選擇題：第6章1. 形成臨界晶核時體積自由能的減少只能補償表面能的 。（A）1/3（B）2/3（C）3/4第7章2. 在二元系合金相圖中，計算兩相相對量的杠桿法則用于 。（A）單相區(qū)中（B）兩相區(qū)中（C）三相平衡水平線上3. 已知Cu的Tm=1083°C，則Cu的最低再結(jié)晶溫度約為 。（A）100°C（B）200°C（C）300°C4. 能進行攀移的位錯必然是 。（A）刃型位錯（B）螺型位錯（C）混合位錯5. A和A-B合金焊合后發(fā)生柯肯達(dá)爾效應(yīng)，測得界面向A試樣方向移動，則 。（A）A組元的擴散速率大于B組元（B）B組元的擴散速率大于A組元（C）A

2、、B兩組元的擴散速率相同6. ，位錯滑移的派-納力越小。（A）位錯寬度越大（B）滑移方向上的原子間距越大（C）相鄰位錯的距離越大7. 形變后的材料再升溫時發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶現(xiàn)象，則點缺陷濃度下降明顯發(fā)生在 。（A）回復(fù)階段（B）再結(jié)晶階段（C）晶粒長大階段第6章8. 凝固時在形核階段，只有核胚半徑等于或大于臨界尺寸時才能成為結(jié)晶的核心，當(dāng)形成的核胚半徑等于臨界半徑時，體系的自由能變化 。（A）大于零（B）等于零（C）小于零9. 鑄錠凝固時如大部分結(jié)晶潛熱可通過液相散失時，則固態(tài)顯微組織主要為 。（A）樹枝晶（B）柱狀晶（C）胞狀晶10. 下述有關(guān)自擴散的描述中正確的為 。（A）自擴散系數(shù)由濃度梯

3、度引起（B）自擴散又稱為化學(xué)擴散（C）自擴散系數(shù)隨溫度升高而增加11. fcc、bcc、hcp三種單晶材料中，形變時各向異性行為最顯著的是 。（A）fcc（B）bcc（C）hcp12. 對于變形程度較小的金屬，其再結(jié)晶形核機制為 。（A）晶界合并（B）晶界遷移（C）晶界弓出13. 形變后的材料在低溫回復(fù)階段時其內(nèi)部組織發(fā)生顯著變化的是 。（A）點缺陷的明顯下降（B）形成亞晶界（C）位錯重新運動和分布第6章14. 凝固時不能有效降低晶粒尺寸的是以下哪種方法？（A）加入形核劑（B）減小液相過冷度（C）對液相實施攪拌15. 對離異共晶和偽共晶的形成原因，下述說法正確的是 。（A）離異共晶只能經(jīng)非平衡

4、凝固獲得（B）偽共晶只能經(jīng)非平衡凝固獲得（C）形成離異共晶的原始液相成分接近共晶成分16. 高分子材料中的C-H化學(xué)鍵屬于 。（A）氫鍵（B）離子鍵（C）共價鍵17. 屬于物理鍵的是 。（A）共價鍵（B）范德華力（C）氫鍵18. 體心立方晶體的致密度為 。（A）100%（B）68%（C）74%19. 以下不具有多晶型性的金屬是 。（A）銅（B）錳（C）鐵20. 面心立方晶體的孿晶面是 。（A）112（B）110（C）11121. 任一合金的有序結(jié)構(gòu)形成溫度 無序結(jié)構(gòu)形成溫度。（A）低于（B）高于（C）可能低于或高于22. 在晶體中形成空位的同時又產(chǎn)生間隙原子，這樣的缺陷稱為 。（A）肖特基缺陷

5、（B）弗侖克爾缺陷（C）線缺陷23. 菲克第一定律描述了穩(wěn)態(tài)擴散的特征，即濃度不隨 變化。（A）距離（B）時間（C）溫度24. 在置換型固溶體中，原子擴散的方式一般為 。（A）原子互換機制（B）間隙機制（C）空位機制25. 原子擴散的驅(qū)動力是 。（A）組元的濃度梯度（B）組元的化學(xué)勢梯度（C）溫度梯度26. 在彈性極限se范圍內(nèi)，應(yīng)變滯后于外加應(yīng)力，并和時間有關(guān)的現(xiàn)象稱為（A）包申格效應(yīng)（B）彈性后效（C）彈性滯后27. 塑性變形產(chǎn)生的滑移面和滑移方向是（A）晶體中原子密度最大的面和原子間距最短方向（B）晶體中原子密度最大的面和原子間距最長方向（C）晶體中原子密度最小的面和原子間距最短方向28

6、. 三種典型晶體結(jié)構(gòu)中，_具有最多的滑移系，因此具有這種晶體結(jié)構(gòu)的材料塑性最好。（A）bcc（B）fcc（C）hcp29. 在純銅基體中添加微細(xì)氧化鋁顆粒不屬于一下哪種強化方式？（A）復(fù)合強化（B）彌散強化（C）細(xì)晶強化30. 固體中原子和分子遷移運動的各種機制中，得到實驗充分驗證的是（A）間隙機制（B）空位機制（C）交換機制31. 原子遷移到間隙中形成空位-間隙對的點缺陷稱為（A）肖脫基缺陷（B）Frank缺陷（C）堆垛層錯32. 以下材料中既存在晶界、又存在相界的是（A）孿晶銅（B）中碳鋼（C）亞共晶鋁硅合金二、判斷題：(在題后括號內(nèi)填入“對”或“錯”，每題 1分，共 15 分)A-1.

7、離子鍵的正負(fù)離子相間排列，具有方向性，無飽和性。 （錯）2. 復(fù)雜晶胞與簡單晶胞的區(qū)別是，除在頂角外，在體心、面心或底心上有陣點。 （對）3. 晶體結(jié)構(gòu)的原子呈周期性重復(fù)排列，即存在短程有序。 （錯）4. 溶質(zhì)與溶劑晶體結(jié)構(gòu)相同是置換固溶體形成無限固溶體的必要條件。 （對）5. 非金屬和金屬的原子半徑比值rx/rm>0.59時，形成間隙化合物，如氫化物、氮化物。 （錯）6. 弗蘭克缺陷是原子遷移到間隙中形成的空位-間隙對。 （對）7. 由于晶體缺陷處點陣畸變較大，原子處于較高的能量狀態(tài)，易于躍遷，故擴散激活能較小。 （對）8. 由于均勻形核需要的過冷度很大，所以液態(tài)金屬多為非均勻形核。（

8、對）9. 再結(jié)晶過程中顯微組織重新改組，形成新的晶體結(jié)構(gòu)，因此屬于相變過程。 （錯）10. 滑移面和滑移方向總是晶體中原子密度最大的面和方向。 （對）B-1. 共價鍵通過共用電子對而成，具有方向性和飽和性。（對）2. 晶體中的原子在空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列；而非晶體中的原子則是無規(guī)則排列的。 （對）3. 選取晶胞時，所選取的正方體應(yīng)與宏觀晶體具有同樣的對稱性。 （錯）4. 空間點陣是晶體中質(zhì)點排列的幾何學(xué)抽象，只有14種類型，而實際存在的晶體結(jié)構(gòu)是無限的。（對）5. 形成置換固溶體的元素之間能無限互溶，形成間隙固溶體的元素之間只能有限互溶。 （錯）6. 晶向所指方向相反，則晶向指數(shù)的數(shù)字相

9、同，但符號相反。 （對）7. 滑移時，刃型位錯的運動方向始終平行于位錯線，而垂直于柏氏矢量。 （錯）8. 置換固溶體中溶質(zhì)原子要高于間隙固溶體中的溶質(zhì)原子的擴散速度。 （錯）9. 晶界本身的強度對多晶體的加工硬化貢獻不大，而多晶體加工硬化的主要原因來自晶界兩側(cè)晶粒的位向差。 （對）10. 聚合型合金的抗變形能力取決于兩相的體積分?jǐn)?shù)。 （錯）C-1. 同位素的原子具有相同的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)。 （錯）2. 立方晶系中，晶面族111表示正八面體的面。 （對）3. 晶向指數(shù)<u v w>和晶面指數(shù) ( h k l )中的數(shù)字相同時，對應(yīng)的晶向和晶面相互垂直。 （對）4. bcc的間隙不是正多

10、面體，四面體間隙包含于八面體間隙之中。 （對）5. 位錯線只能終止在晶體表面或界面上， 而不能中止于晶體內(nèi)部。 （對）6. 溫度越高，原子熱激活能越大，擴散系數(shù)越大。 （對）7. 塑性變形會使金屬的導(dǎo)電性升高，抗腐蝕性下降。 （錯）8. 原子密度最小的晶面上面間距最大、點陣阻力最小。 （錯）9. 孿生臨界切應(yīng)力比滑移的大得多，只有在滑移很難進行的條件下才會發(fā)生。 （對）10. 再結(jié)晶晶粒長大的驅(qū)動力是來自晶界移動后體系總的自由能的降低。（對）三、名詞解釋：1. 金屬鍵：金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合。2. 空間點陣：將晶體中原子或原子團抽象為純幾何點（陣點 lattice point）

11、，即可得到一個由無數(shù)幾何點在三維空間排列成規(guī)則的陣列。3. 晶面族：晶體內(nèi)凡晶面間距和晶面上原子的分布完全相同，只是空間位向不同的晶面，歸并為同一晶面族，用h k l表示。4. 晶帶軸：所有平行或相交于同一直線的這些晶面構(gòu)成一個晶軸，此直線稱為晶帶軸。5. 固溶體：以某一組元為溶劑，在其晶體點陣中溶入其它組元原子（溶質(zhì)原子）所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，它保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型。6. 中間相：兩組元A和B組成合金時，除了可以形成以A為基或以B為基的固溶體外，所形成的晶體結(jié)構(gòu)與A、B兩組元均不相同的新相，稱為中間相。7. 均勻形核：新相晶核在目相中均勻地生成，即晶核由一些原子團直接形核，不受雜質(zhì)

12、粒子或外表面的影響。8. 非均勻形核：新相優(yōu)先在目相中存在的異質(zhì)處形核，即依附于液相中的雜質(zhì)或外來表面形核。9. 勻晶轉(zhuǎn)變：由液相結(jié)晶出單相固溶體的過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。10. 共晶轉(zhuǎn)變：由液相同時結(jié)晶出兩種固相的過程稱為共晶轉(zhuǎn)變。該轉(zhuǎn)變?yōu)楹銣剞D(zhuǎn)變。 11. 包晶轉(zhuǎn)變：已結(jié)晶的固相與剩余液相反應(yīng)形成另一種固相的過程稱為包晶轉(zhuǎn)變。該轉(zhuǎn)變?yōu)楹銣剞D(zhuǎn)變。 12. 平衡凝固：是指極慢速條件下，凝固過程中的每個階段都能達(dá)到平衡，即在相變過程中有充分時間進行組元間的擴散，以達(dá)到平衡相的成分。13. 偽共晶：在非平衡凝固條件下，由某些亞共晶或過共晶成分的合金在過冷條件下也能得全部的共晶組織，這種由非共晶成分的合金

13、所得到的共晶組織稱為偽共晶。 14. 非平衡共晶：在平衡凝固條件下應(yīng)為單相固溶體的合金，在快速冷卻條件下出現(xiàn)的少量共晶組織稱為非平衡共晶。四、簡答題：第1章11. 原子間的結(jié)合鍵共有幾種？各自特點如何？（5分）a答：1、化學(xué)鍵包括：l 金屬鍵：電子共有化，既無飽和性又無方向性l 離子鍵：以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負(fù)離子相間排列，且無方向性，無飽和性l 共價鍵：共用電子對；飽和性；配位數(shù)較小，方向性2、物理鍵如范德華力，系次價鍵，不如化學(xué)鍵強大3、氫鍵：分子間作用力，介于化學(xué)鍵與物理鍵之間，具有飽和性第2章12. 試從晶體結(jié)構(gòu)的角度，說明間隙固溶體、間隙相及間隙化合物之間的區(qū)別（6分）

14、c答：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體成為間隙固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)原子通常是原子半徑小于0.1nm的非金屬元素，如H、B、C、N、O等。間隙固溶體保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)，其成分可在一定固溶度極限值內(nèi)波動，不能用分子式表示。（2分）間隙相和間隙化合物屬于原子尺寸因素占主導(dǎo)地位的中間相。也是原子半徑較小的非金屬元素占據(jù)晶格的間隙，然而間隙相、間隙化合物的晶格與組成他們的任一組元晶格都不相同，其成分可在一定范圍內(nèi)波動。組成它們的組元大致都具有一定的原子組成比，可用化學(xué)分子式來表示。（2分）當(dāng)rB/rA<0.59時，通常形成間隙相，其結(jié)構(gòu)為簡單晶體結(jié)構(gòu)，具有極高的熔點和硬度；當(dāng)rB/

15、rA>0.59時，形成間隙化合物，其結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。（2分）13. 試以表格形式歸納總結(jié)3種典型的晶體結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特征。（5分）c答：書上表第3章14. 簡述晶體中產(chǎn)生位錯的主要來源。（5分）a、b答：晶體中的位錯來源主要可有以下幾種。1).晶體生長過程中產(chǎn)生位錯。其主要來源有：由于熔體中雜質(zhì)原子在凝固過程中不均勻分布使晶體的先后凝固部分成分不同，從而點陣常數(shù)也有差異，可能形成位錯作為過渡；（1分）由于溫度梯度、濃度梯度、機械振動等的影響，致使生長著的晶體偏轉(zhuǎn)或彎曲引起相鄰晶塊之間有位相差，它們之間就會形成位錯；（1分）晶體生長過程中由于相鄰晶粒發(fā)生碰撞或因液流沖擊，以及冷卻時體積

16、變化的熱應(yīng)力等原因會使晶體表面產(chǎn)生臺階或受力變形而形成位錯。（分）2).由于自高溫較快凝固及冷卻時晶體內(nèi)存在大量過飽和空位，空位的聚集能形成位錯。（1分）3).晶體內(nèi)部的某些界面（如第二相質(zhì)點、孿晶、晶界等）和微裂紋的附近，由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的作用，往往出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)此應(yīng)力高至足以使該局部區(qū)域發(fā)生滑移時，就在該區(qū)域產(chǎn)生位錯。（1分）15. 簡述晶界具有哪些特性？答：1）晶界處點陣畸變變大，存在晶界能，故晶粒長大和晶界平直化是一個自發(fā)過程。2）晶界處原子排列不規(guī)則，從而阻礙塑性變形，強度更高。這就是細(xì)晶強化的本質(zhì)。3）晶界處存在較多缺陷（位錯、空位等），有利原子擴散。4）晶界處能量高，固

17、態(tài)相變先發(fā)生，因此晶界處的形核率高。5）晶界處成分偏析和內(nèi)吸附，又富集雜質(zhì)原子，因此晶界熔點低而產(chǎn)生“過熱”現(xiàn)象。6）晶界能高，導(dǎo)致晶界腐蝕速度比晶粒內(nèi)部更高。16. 對于同一種晶體，它的表面能與晶界能（相同的面積）哪一個較高？為什么？（3分）c答：對于同一種晶體，晶界能比表面能高（1分）。推導(dǎo)如下：假設(shè)晶體的理想光滑的兩個等面積平面合攏，會形成一個晶體內(nèi)界面，該界面的能量相當(dāng)于兩個外表面之和，且理想狀態(tài)下破壞該界面結(jié)合所需要的能量相當(dāng)于鍵合能。即相同面積下，E晶界>E完整晶體鍵合能>2倍E表面（2分）第4章17. 簡述影響固體中原子和分子擴散的因素有哪幾方面。（3分）b答：1、溫

18、度；2、固溶體類型；3、晶體結(jié)構(gòu)；4、晶體缺陷；5、化學(xué)成分；6、應(yīng)力的作用（各0.5分）第5章18. 簡述金屬材料經(jīng)過塑性變形后，可能會發(fā)生哪些方面性能的變化。（6分）19. 金屬的退火處理包括哪三個階段？簡述這三個階段中晶粒大小、結(jié)構(gòu)的變化。（6分）退火過程分為回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三個階段。回復(fù)是指新的無畸變晶粒出現(xiàn)之前所產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)和性能變化的階段；再結(jié)晶是指出現(xiàn)無畸變的等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的過程；晶粒長大是指再結(jié)晶結(jié)束之后晶粒的繼續(xù)長大。（3分）在回復(fù)階段，由于不發(fā)生大角度晶界的遷移，所以晶粒的形狀和大小與變形態(tài)的相同，仍保持著纖維狀或扁平狀，從光學(xué)顯微組織上幾乎看不出變化。在

19、再結(jié)晶階段，首先是在畸變度大的區(qū)域產(chǎn)生新的無畸變晶粒的核心，然后逐漸消耗周圍的變形基體而長大，直到形變組織完全改組為新的、無畸變的細(xì)等軸晶粒為止。最后，在晶界表面能的驅(qū)動下，新晶粒互相吞食而長大，從而得到一個在該條件下較為穩(wěn)定的尺寸，稱為晶粒長大階段。（3分）第7章20. 金屬型澆鑄的鑄錠的宏觀組織一般分為哪幾個區(qū)，分析其形成原因？（6分）答：a表層細(xì)晶區(qū)（0.5分） 當(dāng)液態(tài)金屬注人錠模中后，型壁溫度低，與型壁接觸的很薄一層熔液產(chǎn)生強烈過冷，而且型壁可作為非均勻形核的基底，因此，立刻形成大量的晶核，這些晶核迅速長大至互相接觸，形成由細(xì)小的、方向雜亂的等軸晶粒組成的細(xì)晶區(qū)。（1.5分）b柱狀晶區(qū)

20、（0.5分） 隨著"細(xì)晶區(qū)"殼形成，型壁被熔液加熱而不斷升溫，使剩余液體的冷卻變慢,并且由于結(jié)晶時釋放潛熱,故細(xì)晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核變得困難，只有細(xì)晶區(qū)中現(xiàn)有的晶體向液體中生長。在這種情況下，只有一次軸（即生長速度最快的晶向）垂直于型壁（散熱最快方向）的晶體才能得到優(yōu)先生長，而其他取向的晶粒，由于受鄰近晶粒的限制而不能發(fā)展，因此，這些與散熱相反方向的晶體擇優(yōu)生長而形成柱狀晶區(qū)。各柱狀晶的生長方向是相同的. （1.5分）C中心等軸晶區(qū)（0.5分） 柱狀晶生長到一定程度，由于前沿液體遠(yuǎn)離型壁，散熱困難，冷速變慢，而且熔液中的溫差隨之減小，這將阻止柱狀晶的快速生長，當(dāng)整

21、個熔液溫度降至熔點以下時，熔液中出現(xiàn)許多品核并沿各個方向長大，就形成中心等軸晶區(qū)。（1.5分）21. 與平衡凝固相比較，共晶合金的非平衡凝固有何特點？（4分）五、計算題：(每題 10 分，共 20 分)第3章1. 在Fe中形成1mol空位需要的能量為104.675kJ，試計算從20升溫至 850時空位數(shù)目增加多少倍？ 空位在溫度T時的平衡濃度為 系數(shù)A一般在110之間，取A=1，則 故 空位增加了 （倍）第4章2. 一塊含0.1%C的碳鋼在930滲碳，滲到0.05cm的地方碳的濃度達(dá)到0.45%。在t>0的全部時間，滲碳?xì)夥毡３直砻娉煞譃?%，假設(shè) D=2.0×10-5exp(

22、-140000/RT) (m2/s)。(a) 計算滲碳時間；(b) 若將滲層加深一倍，則需多長時間？(c) 若規(guī)定0.3%C作為滲碳層厚度的量度，則在930滲碳10小時的滲層厚度為870滲碳10小時的多少倍？解：(a) 由Fick第二定律得： t 1.0×104(s) （ 5分） (b) 由關(guān)系式x= ，得：兩式相比，得：當(dāng)溫度相同時，D1=D2,于是得：（ 5分） （c） 因為： t930=t870, D930=1.67×10-7(cm2/s)D870=0.2×exp(-140000/8.314×1143) =8.0×10-8(cm2/s)所

23、以： （倍）（ 5分）3. 一塊含0.1%C的碳鋼在930、1%碳濃度的氣氛中進行滲碳處理，經(jīng)過11個小時后在0.05cm的地方碳的濃度達(dá)到0.45%，若要在0.08cm的深度達(dá)到同樣的滲碳濃度，則需多長時間？ 解：由Fick第二定律得：由題意可知，兩種情況下滲碳前后濃度相同且滲碳溫度相同，即 （5分）故 （10分，不準(zhǔn)確扣1分）要在0.08cm深度達(dá)到同樣的滲碳深度，需28.16小時。4. 有兩種激活能分別為E1=83.7KJ/mol和E2=251KJ/mol的擴散反應(yīng)。則溫度從25升高到600時對，這兩種擴散的擴散系數(shù)有何變化，并對結(jié)果作出評述。由 得：對于溫度從298K提高到873K，擴散速率D分別提高4.6×109和9.5×1028倍，顯示出溫度對擴散速率的重要影響。當(dāng)激活能越大，擴散速率對溫度的敏感性越大。第5章5. 鐵的回復(fù)激活能為88.9 kJ/mol，如果經(jīng)冷變形的鐵在400進行回復(fù)處理，使其殘留加工硬化為60%需160分鐘，問在450回復(fù)處理至同樣效果需要多少時間？6. 已知H70黃銅（30%Zn）在400的恒溫下完成再結(jié)晶需要1小時，而在390完成再結(jié)晶需要2小時，試計算在420恒溫下完成再結(jié)晶需要多少時間？7. 已知單相黃銅400恒溫下完成再結(jié)晶需要1小時，而350恒溫時，則需