中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材基大二下學(xué)期試題集錦

晶帶和晶帶軸:許多平行于同一晶向的不同的晶面組的總稱為晶帶,而與這些晶面組平行的晶向稱為晶帶軸.圖1為簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣晶胞,其中ABC面的面指數(shù)是(101),AD的晶向指數(shù)是[].標(biāo)出hcp晶胞中晶面ABCDEF面、ABO面的晶面指數(shù),OC方向、OC方向的晶向指數(shù)ABCDEF面的晶面指數(shù)為(0001)或(001);或[011].面的晶面指數(shù)為;OC方向的晶向指數(shù)為或[010];方向的晶向指數(shù)為畫(huà)出fcc晶胞中(111)晶面上的所有[110]晶向;在hcp晶胞中畫(huà)出晶向和晶面.布拉菲點(diǎn)陣:應(yīng)該是考慮點(diǎn)陣上的陣點(diǎn)的具體排列而得到的點(diǎn)陣具體排列形式，而不是強(qiáng)調(diào)是布拉菲數(shù)學(xué)計(jì)算得到的十四種排列.非晶體:應(yīng)該是強(qiáng)調(diào)組成質(zhì)點(diǎn)的排列是否規(guī)則，而不是強(qiáng)調(diào)是一種新的相.試說(shuō)明晶界對(duì)材料性能及變形的影響.晶界影響到材料的各個(gè)方面,具有晶界能,影響到多晶材料中的第二相的形狀,晶界可以運(yùn)動(dòng),有晶界偏聚,晶界電荷變化,承擔(dān)載荷傳遞作用,晶界熔點(diǎn)低,易過(guò)燒,晶界是易擴(kuò)散通道,晶界處易形核,晶界易受腐蝕;晶界對(duì)金屬材料在常溫下強(qiáng)化,高溫下弱化.根據(jù)等徑剛球模型,計(jì)算fcc、bcc、hcp晶胞的原子個(gè)數(shù),致密度,配位數(shù),原子半徑與點(diǎn)陣常數(shù)a的關(guān)系,指出晶胞中的密排方向和密排面考慮hcp晶胞的配位數(shù),原子半徑與點(diǎn)陣常數(shù)a的關(guān)系,應(yīng)該考慮到c/a的關(guān)系c/a＝1.633,配位數(shù)＝12;原子半徑r＝a/2;c/a≠1.633,配位數(shù)＝6＋6;同一個(gè)面,原子半徑r＝a/2,不同原子層面上r＝(c2/3＋a2/4)1/2畫(huà)出一個(gè)fcc晶胞中的{111}面，并畫(huà)出在（111）面上的<110>方向，指出其晶向指數(shù)，在一個(gè)晶胞中共有多少這樣的{111}<110>組合。（注意晶向要位于晶面上）面上）每個(gè)晶面上只有三個(gè)方向，如（111）上三個(gè)方向，故，四個(gè)面，每個(gè)面上三個(gè)方向，共有組合12個(gè).故，四個(gè)面，每個(gè)面上三個(gè)方向，共有組合12個(gè)fcc結(jié)構(gòu)的密排方向是110,密排面是{111},密排面的堆垛順序是ABCABC…,致密度為0.74,配位數(shù)是12,晶胞中原子數(shù)為4,把原子視為剛性球時(shí),原子的半徑r與點(diǎn)陣常數(shù)a的關(guān)系是r=;bcc結(jié)構(gòu)的密排方向是111,密排面是{110},致密度為0.68,配位數(shù)是8,晶胞中原子數(shù)為2,原子的半徑r與點(diǎn)陣常數(shù)a的關(guān)系是r=;hcp結(jié)構(gòu)的密排方向是,密排面是{0001},密排面的堆垛順序是ABAB…,致密度為0.74,配位1120數(shù)是12,晶胞中原子數(shù)為6,原子的半徑r與點(diǎn)陣常數(shù)a的關(guān)系是r=.Al的點(diǎn)陣常數(shù)為0.4049nm,其結(jié)構(gòu)原子體積是0.01659nm3,每個(gè)晶胞中八面體間隙數(shù)為4,四面體間隙數(shù)為8.純鐵冷卻時(shí)在912℃發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變是從FCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC結(jié)構(gòu),配位數(shù)減少,致密度降低,晶體體積膨脹,原子半徑發(fā)生收縮.在面心立方晶胞中畫(huà)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)面上標(biāo)出晶面和晶向.求和兩晶向所決定的晶面.設(shè)所決定的晶面為(hkl),晶面指數(shù)與面上的直線[uvw]之間有hu+kv+lw=0,故有:h+k-l=0,2h-l=0.可以求得(hkl)＝(112)在鉛的(100)平面上,1mm2有多少原子？已知鉛為fcc面心立方結(jié)構(gòu),其原子半徑R=0.175×10-6mm.Pb為fcc結(jié)構(gòu),原子半徑R與點(diǎn)陣常數(shù)a的關(guān)系為,故可求得a＝0.4949×10-6mm.則(100)平面的面積S＝a2＝0.244926011×0-12mm2,每個(gè)(100)面上的原子個(gè)數(shù)為2.所以1mm2上的原子個(gè)數(shù)n=1/S＝4.08×1012.在液態(tài)純金屬中進(jìn)行均質(zhì)形核時(shí),需要結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏.液態(tài)金屬均質(zhì)形核時(shí),體系自由能的變化包括兩部分,其中表面自由能是形核的阻力,體積自由能是形核的動(dòng)力;臨界晶核半徑rK與過(guò)冷度T關(guān)系為,臨界形核功GK等于.動(dòng)態(tài)過(guò)冷度是指晶核長(zhǎng)大時(shí)固液界面的過(guò)冷度.在工廠生產(chǎn)條件下,過(guò)冷度增大,則臨界晶核半徑減小,金屬結(jié)晶冷卻速度越快,N/G比值越大,晶粒越細(xì)小.獲得非晶合金的基本方法是快速冷卻.柱狀晶和等軸晶:金屬晶體結(jié)晶過(guò)程中沿著散熱方向優(yōu)先生長(zhǎng)形成的長(zhǎng)條形晶粒稱為柱狀晶,而如果晶粒長(zhǎng)大時(shí)沒(méi)有擇優(yōu)方向,向各個(gè)方向長(zhǎng)大速度基本相等所得到的晶粒稱為等軸晶.形核功:金屬凝固過(guò)程中形成晶核需要的額外能量.金屬玻璃:指金屬?gòu)囊簯B(tài)凝固后其結(jié)構(gòu)與液態(tài)金屬相同的固體.試根據(jù)凝固理論,分析通常鑄錠組織的特點(diǎn)及成因.根據(jù)金屬結(jié)晶過(guò)程的形核和長(zhǎng)大理論以及鑄錠的散熱過(guò)程,可以得出通常鑄錠組織的特點(diǎn)為外層的細(xì)等軸晶,鑄錠表面向里有柱狀晶,心部為粗大等軸晶.舉出凝固理論在金屬材料結(jié)晶中的幾個(gè)應(yīng)用,加以簡(jiǎn)單說(shuō)明.鑄錠組織控制、單晶體制備、非晶體制備等.根據(jù)凝固理論,試述細(xì)化晶粒的基本途徑.凝固的基本過(guò)程為形核和長(zhǎng)大,形核需要能量和結(jié)構(gòu)條件,形核和長(zhǎng)大需要過(guò)冷度.細(xì)化晶粒的基本途徑可以通過(guò)加大過(guò)冷度,加入形核劑,振動(dòng)或攪拌.根據(jù)冷卻速度對(duì)金屬組織的影響,現(xiàn)要獲得非晶,亞穩(wěn)相,請(qǐng)指出其凝固時(shí)如何控制.要獲得非晶可以以極快速度將金屬液體冷卻,要獲得亞穩(wěn)相也必須使冷卻速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)平衡冷卻速度.根據(jù)冷卻速度對(duì)金屬凝固后組織的影響,現(xiàn)要獲得微晶,非晶,亞穩(wěn)相,請(qǐng)指出其凝固時(shí)如何控制.冷卻速度極大影響金屬凝固后的組織.冷卻快一般過(guò)冷度大,使形核半徑、形核功減少,形核過(guò)程容易,形核率增加,晶粒細(xì)化,冷卻非常快時(shí)可以得到非晶,在一般工業(yè)條件下快速冷卻可以得到亞穩(wěn)相.簡(jiǎn)述液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí),過(guò)冷度與臨界晶核半徑,形核功及形核率的關(guān)系。液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí),均勻形核時(shí)臨界晶核半徑rK與過(guò)冷度T關(guān)系為時(shí)固相質(zhì)點(diǎn)可作為晶核長(zhǎng)大,其臨界形核功較小,,臨界形核功GK等于。異質(zhì)形核,θ為液相與非均勻形核核心的潤(rùn)濕角。形核率與過(guò)冷度的關(guān)系為:,其中N為形核率,C為常數(shù),ΔGA、ΔGk分別表示形核時(shí)原子擴(kuò)散激活能和臨界形核功。在通常工業(yè)凝固條件下形核率隨過(guò)冷度增大而增大。銅的熔點(diǎn)Tm=1356K,熔化熱Hm=1628J/cm2,=177×10－7J/cm,點(diǎn)陣常數(shù)a=0.3615nm。求銅T=100時(shí)均勻形核的臨界核心半徑。在金屬凝固時(shí),可以近似認(rèn)為L(zhǎng)M=Hm,根據(jù)均勻形核時(shí)臨界晶核半徑rK與過(guò)冷度T關(guān)系為到r＝0.79×10－7cm＝0.79nm。,可以計(jì)算得何謂過(guò)冷,過(guò)冷度,動(dòng)態(tài)過(guò)冷度,它們對(duì)結(jié)晶過(guò)程有何影響？過(guò)冷是指金屬結(jié)晶時(shí)實(shí)際結(jié)晶溫度Tn比理論結(jié)晶溫度Tm低的現(xiàn)象。過(guò)冷度ΔT指Tm與Tn的差值。動(dòng)態(tài)過(guò)冷度指晶核長(zhǎng)大時(shí)的過(guò)冷度。金屬形核和長(zhǎng)大都需要過(guò)冷,過(guò)冷度增大通常使形核半徑、形核功減少,形核過(guò)程容易,形核率增加,晶粒細(xì)化。簡(jiǎn)述純金屬凝固時(shí)潤(rùn)濕角θ、雜質(zhì)顆粒的晶體結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)對(duì)異質(zhì)形核的影響.潤(rùn)濕角θ＝0°,形核功為0,固相粒子促進(jìn)形核效果最好;潤(rùn)濕角θ＝180°,異質(zhì)形核功等于均勻形核功,固相粒子對(duì)形核無(wú)促進(jìn)作用;潤(rùn)濕角0°<θ<180°,形核功比均勻形核的形核功小,θ越小,固相粒子促進(jìn)形核效果越好.雜質(zhì)顆粒的晶體結(jié)構(gòu)與晶核相同或相近時(shí),促進(jìn)形核效果好,當(dāng)兩者結(jié)構(gòu)不相同時(shí),一般對(duì)促進(jìn)形核效果差或不促進(jìn)形核.雜質(zhì)粒子的表面成凹形時(shí),促進(jìn)形核效果好,成平面狀時(shí)次之,凸形時(shí)最差.包析反應(yīng)和共析反應(yīng):由兩個(gè)固相反應(yīng)得到一個(gè)固相的過(guò)程為包析反應(yīng),而由一個(gè)固相分解得到其他兩個(gè)固相的反應(yīng)為共析反應(yīng).離異共晶:有共晶反應(yīng)的合金中,如果成分離共晶點(diǎn)較遠(yuǎn),由于初晶數(shù)量多,共晶數(shù)量很少,共晶中與初晶相同的相依附初晶長(zhǎng)大,共晶中另外一個(gè)相呈現(xiàn)單獨(dú)分布,使得共晶組織失去其特有組織特征的現(xiàn)象.固溶體:一個(gè)固體組元(溶質(zhì))溶解在另外一個(gè)組元(溶劑)晶格中,保持溶劑晶格特點(diǎn)的物質(zhì).固溶體合金凝固時(shí),除了需要結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏外,還要有成分起伏.按液固界面微觀結(jié)構(gòu),界面可分為光滑界面和粗糙界面.液態(tài)金屬凝固時(shí),粗糙界面晶體的長(zhǎng)大機(jī)制是垂直長(zhǎng)大機(jī)制,光滑界面晶體的長(zhǎng)大機(jī)制是二維平面長(zhǎng)大和依靠晶體缺陷長(zhǎng)大.在一般鑄造條件下固溶體合金容易產(chǎn)生枝晶偏析,用均勻化退火熱處理方法可以消除.液態(tài)金屬凝固時(shí),若溫度梯度dT/dX>0(正溫度梯度下),其固、液界面呈平直狀,dT/dX<0時(shí)(負(fù)溫度梯度下),則固、液界面為樹(shù)枝狀.靠近共晶點(diǎn)的亞共晶或過(guò)共晶合金,快冷時(shí)可能得到全部共晶組織,這稱為偽共晶.固溶體合金凝固時(shí),溶質(zhì)分布的有效分配系數(shù)ke=,當(dāng)凝固速率很大時(shí)ke趨于1.在二元相圖中,L1→+L2叫共晶反應(yīng),→L+稱為熔晶轉(zhuǎn)變,而反應(yīng)１—２＋稱為偏析反應(yīng),+稱為包析反應(yīng).Fe-Fe3C相圖中含碳量小于2.11%為鋼,大于2.11%為鑄鐵;鐵碳合金室溫平衡組織均由P和Fe3C兩個(gè)基本相組成;根據(jù)溶質(zhì)原子的位置,奧氏體其晶體結(jié)構(gòu)是FCC,是間隙固溶體,鐵素體是間隙固溶體,其晶體結(jié)構(gòu)是BCC,合金平衡結(jié)晶時(shí),奧氏體的最大含量是2.11%;珠光體的含碳量是0.77%,它是由珠光體和滲碳體組成的兩相混合物;萊氏體的含碳量是4.3%;在常溫下,亞共析鋼的平衡組織是鐵素體和珠光體,過(guò)共析鋼的平衡組織是珠光體+Fe3C,亞共晶白口鑄鐵的平衡組織是Ld,萊氏體的相組成物是A+Fe3C,變態(tài)萊氏體的相組成物是P+Fe3C+Fe3CII,Fe3CI是從液相中析出的,Fe3CII是從奧氏體中析出的,Fe3CIII是從鐵素體中析出的,它們的含碳量為6.69%,Fe3C主要性能特點(diǎn)是硬、脆,共析反應(yīng)后的生成物稱為P.變溫截面:三元相圖中垂直成分三角形的截面.簡(jiǎn)述典型金屬凝固時(shí),固/液界面的微觀結(jié)構(gòu),長(zhǎng)大機(jī)制,晶體在正溫度梯度下、負(fù)溫度梯度下成長(zhǎng)時(shí)固/液界面的形態(tài).金屬固液界面的微觀結(jié)構(gòu)為粗糙界面,長(zhǎng)大機(jī)制為垂直長(zhǎng)大方式,在正溫度梯度下固液界面保持平直,在負(fù)溫度梯度下成長(zhǎng)時(shí)固/液界面不穩(wěn)定,結(jié)晶后容易長(zhǎng)成樹(shù)枝狀晶.成分過(guò)冷:由于在結(jié)晶過(guò)程中固溶體合金的溶質(zhì)原子再分配造成固溶體合金在正溫度梯度下,其凝固界面前沿的液相中在合適的溫度梯度下也有過(guò)冷現(xiàn)象出現(xiàn),稱為成分過(guò)冷.金屬間化合物:金屬與金屬、金屬與某些非金屬之間形成的化合物,結(jié)構(gòu)與組成金屬間化合物的純金屬不同,一般具有熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大的特點(diǎn).形成有序固溶體的必要條件是:(1)異類原子之間相互吸引力大于同類原子之間吸引力,(2)一定的化學(xué)成分,(3)較慢的冷卻速度.無(wú)序固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w時(shí),合金性能變化的一般規(guī)律是:強(qiáng)度和硬度升高,塑性降低,導(dǎo)電性降低.隨著溶質(zhì)濃度的增大,單相固溶體合金的強(qiáng)度提高,塑性降低,導(dǎo)電性變差,形成間隙固溶體時(shí),固溶體的點(diǎn)陣常數(shù)變大.影響置換固溶體溶解度大小的主要因素是(1)晶體結(jié)構(gòu);(2)元素之間電負(fù)性差;(3)電子濃度;(4)元素之間尺寸差別和環(huán)境因素.置換式固溶體的不均勻性主要表現(xiàn)為存在溶質(zhì)原子偏聚和短程有序.按照溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑點(diǎn)陣的位置區(qū)分,固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體.間隙固溶體是溶質(zhì)原子溶入點(diǎn)陣原子溶入溶劑點(diǎn)陣間隙中形成的固溶體,間隙化合物是非金屬原子與金屬原子半徑的比值大于0.59時(shí)形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的化合物.分析氫,氮,碳,硼在-Fe和-Fe中形成固溶體的類型,進(jìn)入點(diǎn)陣中的位置和固溶度大小.已知元素的原子半徑如下:氫:0.046nm,氮:0.071nm,碳:0.077nm,硼:0.091nm,-Fe:0.124nm,-Fe:0.126nm.-Fe為bcc結(jié)構(gòu),致密度雖然較小,但是它的間隙數(shù)目多且分散,間隙半徑很小,四面體間隙半徑為0.291Ra,即R＝0.0361nm,八面體間隙半徑為0.154Ra,即R＝0.0191nm.氫,氮,碳,硼由于與-Fe的尺寸差別較大,在-Fe中形成間隙固溶體,固溶度很小.-Fe的八面體間隙的[110]方向R=0.633Ra,/