材料科學(xué)基礎(chǔ)A2-試卷B答案Word版

整理為word格式整理為word格式整理為word格式一、填空：(每空0.5分，共18分)1、就小角度晶界的結(jié)構(gòu)而言，對稱傾側(cè)晶界通常由一列平行的刃型位錯(cuò)構(gòu)成，而非對稱傾側(cè)晶界由兩組柏氏矢量相互垂直的刃型位錯(cuò)交錯(cuò)排列而成。扭轉(zhuǎn)晶界則由互相交叉的螺型位錯(cuò)所組成。2、按界面上原子排列情況和吻合程度分類，界面可分為共格相界面、半共格相界面、非共格相界面和復(fù)雜半共格相界面。3、界面遷移與原子運(yùn)動(dòng)方向相反（相同、相反），速度相同（相同、相反）。4、晶界能的來源主要包括長程應(yīng)變場的彈性能、晶界狹小區(qū)域內(nèi)原子相互作用的核心能、化學(xué)鍵能三項(xiàng)。5、熱力學(xué)穩(wěn)定的液－固界面微觀結(jié)構(gòu)主要有

粗糙界面、和

光滑界面（或平整型界面）。6、在不平衡凝固過程中，晶體中成分偏析的三種類型是

宏觀偏析、

胞狀偏析和

樹枝狀偏析。7、晶體的宏觀長大方式主要有

平面生長方式和樹枝狀生長方式。8.金屬固態(tài)相變的三種基本變化是結(jié)構(gòu)，成分和有序度。9.由鐵碳相圖可知，CA-F_<__CA-C(<，>，≤，=)碳原子向F一側(cè)擴(kuò)散，有利于A的長大。10.固態(tài)相變的驅(qū)動(dòng)力為新相和母相的自由能差，阻力為界面能及彈性應(yīng)變能。11.奧氏體核的長大是依靠碳原子的擴(kuò)散，奧氏體(A)兩側(cè)界面向鐵素體(F)及滲碳體(C)推移來進(jìn)行的。12.貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，由于溫度較高，存在碳的擴(kuò)散。13.在成分相同的情況下,粒狀珠光體的強(qiáng)度和硬度比片狀的_較低,塑性_較好__.14．馬氏體的強(qiáng)度主要取決于含碳量，塑性主要取決于亞結(jié)構(gòu)。15.和單晶體的塑性變形相比，多晶體的塑性形變的微觀特點(diǎn)表現(xiàn)為多方式、多滑移、不均勻性，由于上述微觀特點(diǎn)，使多晶體的塑性變形產(chǎn)生了如下現(xiàn)象：產(chǎn)生殘余應(yīng)力、產(chǎn)生加工硬化和形成纖維組織和形變織構(gòu)。二、名詞解釋：(每題2分，共22分)1.共格應(yīng)變：共格界面處，兩相原子有輕微不吻合，則需要通過一定的彈性變形以使界面原子協(xié)調(diào)，這種變形稱為共格應(yīng)變2.晶界偏析：在平衡條件下，溶質(zhì)原子（離子）在晶界處濃度偏離平均濃度。3.非均勻成核：依靠外界雜質(zhì)所提供的異相界面非自發(fā)的形核4.熱壓燒結(jié)：燒結(jié)的同時(shí)在坯體上施加一定的壓力，以補(bǔ)償燒結(jié)體內(nèi)氣孔中逐漸增大的氣壓抵消了作為燒結(jié)推動(dòng)力的界面能，使燒結(jié)繼續(xù)進(jìn)行而達(dá)到高致密度。5.穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散：組元濃度不隨時(shí)間變化的擴(kuò)散過程，用菲克第一定律描述。6.二次再結(jié)晶：燒結(jié)過程中，少數(shù)大晶粒在消耗小晶粒的同時(shí)出現(xiàn)的異常長大過程。7.重構(gòu)型相變：相變過程中物相的結(jié)構(gòu)單元間發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂和重組，形成嶄新結(jié)構(gòu)，與母相在晶體學(xué)上沒有明確的位向關(guān)系。8.馬氏體相變：以晶格畸變?yōu)橹鳌o成分變化、無擴(kuò)散的第二類位移型相變，其特征是發(fā)生于晶體中某一部分的極其迅速的剪切畸變。整理為word格式整理為word格式整理為word格式9.熱加工：在金屬再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的加工和變形。10.形變織構(gòu)：多晶體由于塑性變形而產(chǎn)生的擇優(yōu)取向現(xiàn)象。11.動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：在熱變形過程中，與形變硬化同時(shí)發(fā)生的再結(jié)晶過程即稱為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。三、問答題：(每題5分，共35分)1、簡要分析討論關(guān)于大角晶界的主要晶界結(jié)構(gòu)模型。（5分）目前對大角晶界提出的晶界結(jié)構(gòu)模型有：非晶模型：晶界是由非晶體粘合物構(gòu)成；島狀模型：小島內(nèi)原子排列整齊；晶界點(diǎn)缺陷模型：晶界有大量空位間隙原子；晶界結(jié)構(gòu)位錯(cuò)模型：晶界可以看作是由一系列刃型位錯(cuò)、螺位錯(cuò)或者混合位錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成等。其中：較為成熟的是重合位置點(diǎn)陣模型和重復(fù)部分模型（結(jié)構(gòu)單元模型）。重合位置點(diǎn)陣晶界（Coincident-siteLattice，CSL）模型：設(shè)想兩個(gè)晶粒（存在θ的位向差角）的點(diǎn)陣，彼此通過晶界向?qū)Ψ窖由?，則其中一些原子將出現(xiàn)有規(guī)律性的重合。這些原子重合位置所組成的比原來晶體點(diǎn)陣大的新點(diǎn)陣，稱為重合位置點(diǎn)陣，大角度晶界是由重合點(diǎn)陣的密排面所組成晶界，晶界原子排列力求與重合點(diǎn)陣密排面重合，即使有偏離，晶界會(huì)臺(tái)階化，使大部分面積分段與密排面重合，中間以小臺(tái)階相連。重復(fù)部分模型（結(jié)構(gòu)單元模型）：任何長周期結(jié)構(gòu)的晶界都傾向于分解成經(jīng)一定應(yīng)變的短周期結(jié)構(gòu)；短周期結(jié)構(gòu)可用結(jié)構(gòu)單元或重復(fù)部分描述，即規(guī)則排列的原子群周期性重復(fù)排列而成。2、簡述鑄錠三個(gè)晶區(qū)的形成機(jī)理。（5分）表面細(xì)晶區(qū)：當(dāng)高溫液體倒入鑄模后，結(jié)晶先從模壁開始，靠近模壁一層的液體產(chǎn)生極大的過冷，加上模壁可以作為非均質(zhì)形核的基底，因此在此薄層中立即形成大量的晶核，并同時(shí)向各個(gè)方向生長，形成表面細(xì)晶區(qū)。柱狀晶區(qū)：在表面細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，鑄模溫度迅速升高，液態(tài)金屬冷卻速度減慢，結(jié)晶前沿過冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散熱最快，因而晶體沿相反方向生長成柱狀晶。中心等軸晶區(qū)：隨著柱狀晶的生長，中心部位的液體實(shí)際溫度分布區(qū)域平緩，由于溶質(zhì)原子的重新分配，在固液界面前沿出現(xiàn)成分過冷，成分過冷區(qū)的擴(kuò)大，促使新的晶核形成長大形成等軸晶。由于液體的流動(dòng)使表面層細(xì)晶一部分卷入液體之中或柱狀晶的枝晶被沖刷脫落而進(jìn)入前沿的液體中作為非自發(fā)生核的籽晶。3、什么是成分過冷？用示意圖說明成分過冷的形成，并寫出成分過冷的條件，簡要說明成分過冷對金屬凝固時(shí)的生長形態(tài)的影響。（5分）答：不平衡凝固條件下，正溫度梯度時(shí)，因溶質(zhì)分布不均勻引起的過冷即成分過冷，即：因液相成分不均勻?qū)е聦?shí)際液相溫度低于理論結(jié)晶溫度而出現(xiàn)的過冷。合金系中，液相溫度梯度G低、凝固速度R大、合金成分（溶質(zhì)）濃度C0高、液相線斜率m大、平衡分配系數(shù)K0小易出現(xiàn)成分過冷。成分過冷的條件為：整理為word格式整理為word格式整理為word格式Ⅰ：液相中溫度梯度較大，TD>TL，無成分過冷，離開界面，液體內(nèi)部處于過熱狀態(tài)，固溶體晶體以平界面方式生長。Ⅱ：液相中溫度梯度減小，產(chǎn)生小的成分過冷區(qū)，平界面不穩(wěn)定，界面偶然小凸起，進(jìn)入過冷液體，可生長；但因過冷區(qū)窄，發(fā)展不成枝晶，形成胞狀界面，出現(xiàn)胞狀界面結(jié)構(gòu)，縱截面為長條形，橫截面為六角形。Ⅲ：液相中溫度梯度較平緩，成分過冷程度較大，液相在較大范圍內(nèi)處于過冷狀態(tài)，類似負(fù)溫度梯度條件，固溶體晶體以樹枝狀方式生長，界面上偶然小凸起，進(jìn)入過冷液體，得到大的生長速度，形成樹枝狀骨架，最后以平界面方式生長填充枝晶間隙形成晶粒。4、列舉固態(tài)燒結(jié)初期各種可能的傳質(zhì)途徑（包括物質(zhì)來源、抵達(dá)部位、擴(kuò)散途徑），并分析哪幾種不會(huì)引起坯體的收縮和氣孔的消除。（5分）1）可能的傳質(zhì)途徑：擴(kuò)散途徑物質(zhì)來源抵達(dá)部位1表面擴(kuò)散表面頸部2晶格擴(kuò)散表面頸部3蒸發(fā)凝聚表面頸部4晶界擴(kuò)散晶界頸部5晶格擴(kuò)散晶界頸部6晶格擴(kuò)散位錯(cuò)頸部2）表面擴(kuò)散和蒸發(fā)凝聚機(jī)制不會(huì)導(dǎo)致素坯的宏觀收縮和氣孔率降低(因?yàn)轭w粒之間的中心距不變)；只有從體內(nèi)或晶界上傳質(zhì)時(shí)，才會(huì)引起收縮和氣孔的消除；5.簡述馬氏體相變的主要特征。（5分）①切變共格和表面浮突現(xiàn)像②無擴(kuò)散性③具有特定的位相關(guān)系和慣習(xí)面④在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完成相變⑤整理為word格式整理為word格式整理為word格式可逆性。6.簡述金屬中殘余應(yīng)力的分類和特點(diǎn)，以及對金屬加工和使用的影響。（5分）答：殘余應(yīng)力分為宏觀殘余應(yīng)力，微觀第一類殘余應(yīng)力和微觀第二類殘余應(yīng)力。其中宏觀殘余應(yīng)力作用在整個(gè)零件或工件范圍內(nèi)，微觀第一類殘余應(yīng)力是由于晶粒的變形不均勻引起的，微觀第二類殘余應(yīng)力由于晶格畸變造成的。殘余應(yīng)力可以造成工件的變形、開裂和應(yīng)力腐蝕等，但有時(shí)可以通過在工件表面預(yù)先產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，防止裂紋的萌生，防止材料的斷裂。7.試述不同溫度下的回復(fù)機(jī)制。（5分）按照回復(fù)溫度的不同可將恢復(fù)分為三階段：低溫回復(fù)它主要和空位變化有關(guān)。在冷變形過程中，由于螺位錯(cuò)交割產(chǎn)生刃型割階的非保守運(yùn)動(dòng)，會(huì)形成過飽和空位；低溫回復(fù)中冷變形形成的過飽和空位消失，以保持平衡濃度，使能量降低?？瘴坏南怯捎诳瘴慌c位錯(cuò)、晶界、間隙原子以及空位本身結(jié)合、交互作用的結(jié)果?？瘴慌c位錯(cuò)結(jié)合，引起位錯(cuò)的正攀移，使空位消失；空位之間凝聚成空位片、崩塌轉(zhuǎn)化為位錯(cuò)環(huán)，空位消失；間隙原子與空位結(jié)合使空位消失，在晶界處空位消失引起疏松。中溫回復(fù)中溫回復(fù)主要涉及異號(hào)位錯(cuò)的對消和位錯(cuò)密度的變化：同一滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)在熱激活作用下，相互吸引、會(huì)聚而消失，不在同一滑移面上的異號(hào)刃型位錯(cuò)則通過空位凝聚消除半原子面或空位逃逸制造半原子面而消失；高溫回復(fù)高溫回復(fù)的主要機(jī)制是多邊形化。因原始變形狀態(tài)位錯(cuò)組態(tài)不同，有兩類多邊形化：第一類叫穩(wěn)定多邊形化，第二類為再結(jié)晶前多邊形化。穩(wěn)定多邊形化發(fā)生在同號(hào)刃位錯(cuò)沿滑移面上塞積而導(dǎo)致點(diǎn)陣彎曲的晶體中，回復(fù)過程中發(fā)生位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和重排，位錯(cuò)由沿滑移面的水平排列轉(zhuǎn)變?yōu)檠卮怪被泼娴呐帕校纬晌诲e(cuò)壁，組成亞晶界。再結(jié)晶前多邊形化在變形后具有位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)的晶體中發(fā)生，變形后位錯(cuò)的分布不是均勻的，而是塞積在位錯(cuò)胞壁，當(dāng)加熱發(fā)生多邊形化過程時(shí)，通過螺位錯(cuò)的交叉滑移和刃位錯(cuò)的攀移，引起位錯(cuò)的重新分布和部分消失以及位錯(cuò)胞壁的平直化，形成具有相當(dāng)高曲率較平直的亞晶界。四、判斷題:分析下兩圖，若圖中T3>T2>T1，哪個(gè)圖能正確反映吉布斯自由能變化與晶胚尺寸r關(guān)系，并依據(jù)結(jié)晶理論說明原因。（5分）(b)圖正確。整理為word格式整理為word格式整理為word格式對于凝固形核時(shí)系統(tǒng)的吉布斯自由能變化為：其中：為體積，為界面面積，為液－固相界面能，為熔化潛熱。設(shè)核心為球形，半徑為r，則：當(dāng)r值一定且較小時(shí)，由T3>T2>T1，可知：故，(b)圖正確。五、計(jì)算題（共20分）已知500C時(shí)，Al在Cu中的擴(kuò)散系數(shù)為2.610-17m2/s，而1000C時(shí)則為1.610-12m2/s；1）試根據(jù)阿累尼烏斯公式求出D0和Q值（玻爾茲曼常數(shù)）；2）求在750C時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)D。(10分)解：2.鐵的回復(fù)激活能為80.9kJ/mol，如果經(jīng)冷變形的鐵在400℃進(jìn)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(shí)間？(9