金屬學(xué)原理題庫

金屬學(xué)原理試題題庫第一章晶體結(jié)構(gòu)晶帶軸在晶胞圖上畫出下列晶面：密排六方點陣（-12-10），體心立方點陣（112），并計算這些晶面的面密度。在立方晶胞圖上畫出具有下列指數(shù)的晶面和晶向：（001）和［210］，（1-10）和［111］；（321）和［-236］一個密排六方（體心立方，面心立方）晶胞中有（）個原子，致密度為（），配位數(shù)為（），原子的最近距離為（）。（2分）畫出NaCl的晶胞（3章），指出它所屬的晶系、晶體點陣、空間點陣。（2+3=5分）04年答：立方晶系，體心立方晶體點陣，簡單立方空間點陣。在六方晶系的晶胞上畫出下列晶面和晶向：（10-1-2）、［112--0］、［-1-101］，并列出｛10-1-2｝晶面族中所有晶面的指數(shù)。（5分）4、既不涉及電子轉(zhuǎn)移，也不涉及電子共用的結(jié)合鍵包括（范德華鍵、氫鍵）；兩種元素間電負(fù)性差大，有利于形成（離子）鍵。第2章純金屬結(jié)晶—1、液態(tài)金屬中的結(jié)構(gòu)起伏（2），非均質(zhì)形核（2）簡述題：2、純金屬結(jié)晶粒大小的控制方法及機(jī)理3、簡述影響純金屬結(jié)晶后晶粒大小的因素和細(xì)化晶粒的方法。（10分）4、在晶體生長過程中，平滑界面在宏觀上呈（臺階狀小平面）特征，微觀上呈（晶體學(xué)界面或小平面界面）特征。簡述純金屬結(jié)晶時液固界面前沿液體中溫度分布對生長形態(tài)的影響。5．金屬凝固時，形核的驅(qū)動力是（液－固兩相的自有能差小于零），形核的阻力是（表面能增高）。6．綜述金屬結(jié)晶過程的熱力學(xué)條件、動力學(xué)條件、能量條件和結(jié)構(gòu)條件。答：必須同時滿足以下四個條件，結(jié)晶才能進(jìn)行。（1）熱力學(xué)條件為AGvO。只有過冷（熱過冷）才能使XGvO。因為AG=—LAT/T（AT為過冷度），即金屬結(jié)晶vmm時，實際開始結(jié)晶的溫度必須低于理論結(jié)晶已度（即AT>0）。（2）動力學(xué)條件為存在動態(tài)過冷。即液態(tài)金屬結(jié)晶時，液—固界面要不斷地向液相中移動，就必須在界面處有一定的過冷，這是在界面處實現(xiàn)從液體到固體的凈原子輸送所必須的條件。（3）能量條件為具有能量起伏。一個臨界晶核形成時，五分之一的表面能要靠能量起伏來提供。（4）結(jié)構(gòu)條件為具有結(jié)構(gòu)起伏。液態(tài)金屬中規(guī)則排列的原子集團(tuán)時聚時散的現(xiàn)象。它是結(jié)晶核心形成的基礎(chǔ)。第3章相結(jié)構(gòu)正常價化合物（3）反相疇界無限固溶體可以是（置換固溶體、間隙固溶體、有序固溶體、無序固溶體）；間隙固溶體可以是（有限固溶體、無限固溶體、有序固溶體、無序固溶體）；無序固溶體可以是（置換固溶體、間隙固溶體、有限固溶體、無限固溶體）；（03年）指出下列金屬元素可能形成那些合金相？并說明所列每種合金相的形成條件和相的成分、結(jié)構(gòu)、性能特點。（每種合金相4分，至少列出5種，20分，多列不限，多列加分）FeCCuAlNAuLiCrMgSi（03年）Cr為體心立方結(jié)構(gòu)，其點陣常數(shù)與a-Fe相近，試問兩者能形成何種固溶體？影響該固溶體溶解度的因素有哪些？并說明其影響規(guī)律。（6分）答：置換固溶體；影響溶解度的因素：1、原子尺寸 原子半徑尺寸差大，溶解度?。?、電化學(xué)因素 組元間負(fù)電性差大，溶解度??；3、電子濃度 極限電子濃度約為1。4，溶質(zhì)原子價越高，溶解度越低。4、晶體點陣 類型相同，溶解度高。4—6章相圖一、填空題：（6）Fe-Fe3C相圖中包括（）個單相區(qū)，（）個雙相區(qū)和（）個三相平衡水平線。其中:1、含碳量在（ ）范圍內(nèi)的鐵碳合金在（）溫度發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，形成單TOC\o"1-5"\h\z相（ ）；2、含碳量在（ ）范圍內(nèi)的鐵碳合金在（ ）溫度發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成（ ）和（ ）兩相混合的共晶體，稱為（ ）；3、含碳量在（ ）范圍內(nèi)的鐵碳合金在（ ）溫度發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成（ ）和（ ）兩相混合的共析體，稱為（ ）。二、判斷題1、 對于任何相圖，三相區(qū)均為一條等溫線，且與三個單相區(qū)均為點接觸（5）。2、 在共晶線上利用杠桿定律可以計算出共晶體的相對含量。而共晶線屬于三相區(qū)，所以杠桿定律不僅適用于兩相區(qū)，也適用于三相區(qū)。（X）3、 過共析鋼平衡結(jié)晶條件下的室溫組織組成物為（二次滲碳體和珠光體），相組成為（鐵素體和滲碳體）。三、計算題：1、 已知兩組元A（熔點1000r）和B（熔點800°C）在液態(tài)無限互溶，固態(tài)時A不溶于B,而B在A中固態(tài)最大溶解度為40%，室溫溶解度為10%。500C時，含70%B的液態(tài)合金發(fā)生共晶反應(yīng)。試?yán)L出該A-B合金相圖，并分析20%B，50%B和80%B合金的結(jié)晶過程，計算它們在室溫下組織組成物和相組成物的相對含量（04研）。2、 繪出Fe-Fe3C相圖，并計算含碳量分別為0。5%和1。5%碳鋼室溫平衡組織組成物的相對含量和相組成無的相對含量。（6）3、 今有一2.0%C的鐵碳合金，在室溫下組織觀察到少量的室溫萊氏體，試分析其原因；又有一2.2%C的鐵碳合金，室溫下組織為珠光體與厚網(wǎng)狀的游離滲碳體，沒有萊氏體，分析其原因。（6）計算4、試畫出Fe-C相圖，并計算3.2%亞共晶白口鐵在室溫時的組織珠光體、二次滲碳體和室溫萊氏體的相對含量，按相組成計算F和Fe3C室溫時的相對含量。（6）5、 AB二元合金系含有如下轉(zhuǎn)變：（20分）（上交大97年題，03年作業(yè)）共晶轉(zhuǎn)變：L50%B——丫55%+卩40%（1340°C）共析轉(zhuǎn)變：卩35%——?28%B+y58%B（1180C）組元A：熔點1900C，同素異形轉(zhuǎn)變點1800C,組元B：熔點1500Ca相在700C時溶解度為8%B,丫相在700C時溶解度為65%B（1）示意繪出AB二元合金相圖（大于700C）,并注明各相區(qū)；（2） 繪出47%B合金的平衡冷卻曲線；（3）計算47%B合金在700C下相組成物的相對量和組織組成物的相對含量；（4） 試提出一種測定相固溶度曲線的方法。組元A和B的熔點分別為700C和500C，在液態(tài)完全互溶，在固態(tài)部分互溶形成a和卩固溶體，其最大溶解度分別為為5%B和25%A（重量），在零度時溶解度則為2%B和5%A（重量）。兩金屬形成熔點為750C的A2B化合物，A和B的原子量分別為30和50。在450C和320C分別發(fā)生液體成分為22%B和60%B（重量）的共晶轉(zhuǎn)變。（1）試根據(jù)相律繪成平衡相圖并標(biāo)注各相區(qū)符號及特征點的溫度和成分。（2）如果希望得到A2B化合物與卩共晶組織加上5%的卩初勺合金，求該合金的成分。05碩士答案：（1）相圖，x為A原子重量百分比。422首先求出中間化合物中各組元的重量百分?jǐn)?shù),設(shè)化合物中含4組元為吟則含遲組元為丄-嗎由42：!.題，可得*a4原子50由上式解得即化合物中含4組元55wt附含丑組元45阮場。由此作成相圖如圖4-（11）所示。設(shè)合金的成分為X,由題意：W蹄=(x-0.6)/(0.75-0.6)=5%x=5%*15%+60%=0.75%+60%=60.75%8．根據(jù)如圖所示的二元共晶相圖(1)分析合金I,II的結(jié)晶過程,并畫出冷卻曲線；(2)說明室溫下合金I,II的相和組織是什么，并計算出相和組織組成物的相對含量?如果希望得到共晶組織加上5%的卩初的合金，求該合金的成分。合金I,II在快冷不平衡狀態(tài)下結(jié)晶，組織有何不同？答案：□?50BO50BO90BwB/%解 T合金的冷卻曲線如圖4-13所示，其圖-1-12圖-1-12二元共晶相圏1以上，合金處于液相；1?2時丄-a丄和a的成分分別沿液相線和固相線變化，到達(dá)2時，全部凝固完畢。2時，為單相52?3時衛(wèi)—價。室溫下，1合金由兩個相組成，即a和0相，其相對量為0：90-0：05%1皿-噸mp—1— =12%I合金的組織為a十比，其相對量與相組成物相同。I合金的冷卻曲線如圖4-14所示，其結(jié)晶過程：1以上，處于均勻的液相L；1?？時，進(jìn)行勻晶轉(zhuǎn)變L-觴；2時*兩相平衡共存丄。50一饑曲2?2’時，剩余液相發(fā)生共晶反應(yīng)：La現(xiàn)* 1*2o+Pogo2?3時，發(fā)生脫溶轉(zhuǎn)變卩…圖4-13 1合金的冷卻曲線 閨4-14［合金的冷卻曲線室溫下合金由兩個相組成，即a與|3相，其相對量為決p=1一耕口=88%I合金的組織為：％+3+冊扶和組織組成物的相對量為加《卄塊》=1—杭徧-25%(3)設(shè)合金的成分為wB=心由題意知叫=0,90-^50X100%='%聽以工=0.5Z即該合金成分為現(xiàn)日=0-52.(4)在快冷不平衡狀態(tài)下結(jié)晶，i合金的組織中將不出現(xiàn)血，而會岀現(xiàn)少'量非平衡共晶(即離異共晶｝;I合金的組織中鶴將減少，且呈樹枝狀，而9+0)共晶組織變細(xì)，相對量將增加。

9．Mg—Ni系的一個共晶反應(yīng)為：L口 +MgNi (570°C)0.235 純Mg 20.546設(shè)wN.i=C］為亞共晶合金，w2=C?為過共晶合金，這兩種合金中的先共晶Ni1 Ni2相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相等，但C］合金中的a總量為C2臺金中a總量的2.5倍，試計算C和C2的成分。解根據(jù)已知條件，由杠桿定律得先共晶相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0,235—

加詵=0/235——0*2350.546-0.235由題意知，叫先=加駐，由上述兩式得wg?=0*546—L由題意知，叫先=加駐，由上述兩式得wg?=0*546—L323^1】0,546—仞卸%=—~0.546—￡ 0.546—媚= 0,546%=2*5曉0.546—wbi_0.546—畑紡

0?546=一~0.546令G中“總量為喈?則令G中口總量為臨，則由題意X2.5<1）將式（1）代人式（2幾可求得G合金成分為0,873Mg—0.127Ni；C2合金成分為0.66Mg—0.378Niq10?根據(jù)A-B二元相圖寫出圖中的液相線、固相線、a和卩相的溶解度曲線、所有的兩相區(qū)及三相恒溫轉(zhuǎn)變線；平衡凝固時，計算A-25B(weight%)合金(y'y線)凝固后粗晶卩相在鑄錠中的相對含量；(3)畫出上述合金的冷卻曲線及室溫組織示意圖。

答案酒相穌7\丁“幾廠和固和線；F.ThG；三相何溫線1 其余兩?條為濬解度閒線FHmm科丁腫線間溝［.卜R區(qū)；蘇八和7；iGE為L4?區(qū)*兩固溶度曲縛間為3+ftKi運用杠桿定律：^3=(45-25)/(45-20)-80%11．下圖為一勻晶相圖，試根據(jù)相圖確定：WB=0.40的合金開始凝固出來的固相成分為多少？若開始凝固出來的固體成分為wB=0.60,合金的成分約為多少？成分為wB=0.70的合金最后凝固時的液體成分約為多少？若合金成分為wB=0.50,凝固到某溫度時液相成分wB=0.40,固相成分為wB=0.80，此時液相和固相的相對量各為多少？B解(1)在合金成分線與液相線相交點作水平線，此水平線與固相線的交點處合金的成分即為剛開始凝固出來的固體成分=0.85.作60處的垂直線與?固相線交點的水平線，此水平線與匚液相線的交點處的成分即為合金成分洌e?0,15o原理同上，液體成分弋0.20o<4)利用杠桿定律，液相的相對量為處h80-40X1°°%=石%固相的相對量為 ma=1-75% -25%

12．指出下列相圖中的錯誤：:二元系中不可能有四相平衡，即違反了“相律”。:純組元A在1個溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，這是違反相律的。:二元系中三相平衡時，3個相都必須有確定的成分。圖中液相上的成分是范圍，這是錯誤的。13.試述二組元固溶體相的吉布斯(Gibbs)自由能-成分曲線的特點?第13題答案：圖4-21無序固溶休的吉布斯自由罷-成分曲線圖4-21無序固溶休的吉布斯自由罷-成分曲線解可以證明二組元固溶體相的吉布斯自由能由三項組成。=Gi+—T=aC^A+ 十R7X了Aln』A十軸IeLHe)+顯然*固溶體相的吉布斯自由能與溫度和成分有關(guān)，在一定溫度下，可以作出G-成分曲線。對三種類型不同的固溶體，其吉布斯自由能-成分曲線也不同"無序固溶體4"皿一0,故其吉布斯自由能與成分關(guān)系為(長=工G\+jteGb+ 如+J?Blnj?B)式中，第二項為負(fù)值。當(dāng)溫度升高?將降低，式中第二項將增大"吉布斯自由能與成分的關(guān)系如圖4-21所示。圖中顯示曲線具有下凹形狀，隨溫度升高，曲線下降。<2)有序固溶體o^<0? 其吉布斯自由能與成分關(guān)系為Gs=工心A十HeGji+RT(mnln^A+Hu1口工日)+式中，第二三項均為負(fù)值，在低溫(見圖4-22(a))和高溫〈見圖4-22(b))兩種溫度下的吉布斯自由能-成分曲線如圖4-22所示。曲線具有下凹形狀，隨溫度升高，曲線下降，形狀不變”圖4-22心)有序固溶體在低溫；(b)溫F的吉布斯自由能-曲分曲踐(3)偏聚固溶體山> >0,其自由能變化與(？)相同，只是式中第一項為負(fù)值，第三項為正值。偏聚固溶體吉布斯自由能與成分關(guān)系曲線如圖4-23所示。曲線形狀取決于溫度，溫度變化，曲線由下凹(見圖4-23(b))向上凸(見圖4-23(a))變化。圖4-23不均勻固溶休的吉布斯自由能-咸分曲線第7章合金的凝固1、有效分配系數(shù)（7）2、何謂成分過冷？試述影響成分過冷的因素。3、已知A-B二元共晶合金的共晶溫度為600°C，共晶點成分為60%B，固態(tài)下B在A中的最大溶解度為30%B，純金屬A的熔點為900C，將20%B的合金在固相無擴(kuò)散、液相完全不混合的條件下凝固，若要形成胞狀液-固界面，合金在凝固過程中液-固界面處液相的溫度梯度的最大值是多少？在什么情況下液-固界面在整個凝固過程中處于平直狀態(tài)？（12分）（4，7）03年作業(yè)，04期中4．固溶體合金凝固時，治質(zhì)分布的有效分配系數(shù)Ke的定義是（凝固過程中，固體在界面處的濃度與此時邊界層外液體的平均濃度的比值）。當(dāng)凝固速率無限緩慢時，Ke趨于（平衡分配系數(shù)K0）；當(dāng)凝固速度很大時，則Ke趨于（1）。Al-Cu合金相圖如下圖所示，假設(shè)分配系數(shù)k和液相線斜率均為常數(shù)。試求：（1）Cu含量為1％的固溶體進(jìn)行緩慢地正常凝固，當(dāng)凝固體積分?jǐn)?shù)為50％時所凝固出的固體成分。（2）假設(shè)液體無對流，Cu含量為0.5％的合金開始凝固時的界面溫度。（3）假設(shè)液體無對流，測得鑄件的凝固速率為R=3x10-4cm/s，溫度梯度G=30C/cm,擴(kuò)散系數(shù)D=3x10-5cm/s時，合金凝固時能保持平面界面的最大含銅量。T/°CT/°C答案：根據(jù)已知條件，有相圖得：k0=wS/wL=5.56/35.2=0.16；m=(660.37-548)/0.352=3200SL由正常凝固方程得： CS=C0k0(1-X/L)k0-1=0.01x0.16x(1-0.5)o」6-1=0.286%S0 0T=T0-mC0/k0=660.37-320x0.005/0.16=650.37C3）臨界條件為GmCo1—koRDkoC二gdko°Rm1-ko=0.18%6、固溶體合金在非平衡凝固過程中，液/固界面上液相與固相的成分將分別沿著液相平均成分線和固相平均成分線變化。（X）7、合金鑄錠組織一般是由（表層細(xì)晶區(qū)）、（柱狀晶區(qū)）和（中心等軸區(qū)）幾部分組成，其中（中心等軸晶區(qū)）的形成機(jī)制主要有成分過冷理論和（籽晶成核）理論，在實際凝固條件下，各區(qū)晶粒均以（樹枝狀方式）長大。第8章擴(kuò)散1、擴(kuò)散通量2、伴隨新相出現(xiàn)的擴(kuò)散過程稱為（反應(yīng)擴(kuò)散或相變擴(kuò)散）；碳原子在鐵晶格中的擴(kuò)散機(jī)制是（間隙擴(kuò)散）；鐵原子的自擴(kuò)散機(jī)制是（空位擴(kuò)散）。3、 在一種柯肯達(dá)爾擴(kuò)散中，假定：晶體為簡單立方結(jié)構(gòu)，單位體積（cm3）中原子數(shù)為常數(shù)并等于1023,A、B原子的跳動頻率分別為10i0s-i和109s-i,A、B原子任意跳動落到其它晶面上的幾率為1/6,點陣常數(shù)為0.25nm,濃度梯度為103%（原子）cm-1,界面面積為0.25cm2。求A、B原子通過標(biāo)志界面的擴(kuò)散通量。（D=a2P「）4、 將原子尺寸相近的A金屬和B金屬制成的棒對焊起來構(gòu)成一擴(kuò)散偶，并在焊接面上鑲嵌一列惰性金屬絲作為界面的標(biāo)記,然后加熱至高溫使之充分?jǐn)U散（忽略焊接時引起的擴(kuò)散）。（2分——8章）（1） 如果擴(kuò)散系數(shù)D〉D，畫圖并說明擴(kuò)散前后金屬絲的位置；（0。5）AB（2） 用擴(kuò)散機(jī)制解釋這種現(xiàn)象；（0。6）（3） 指出構(gòu)成這種擴(kuò)散偶的兩種金屬應(yīng)具備什么樣的條件？（0。5）舉出幾對可能和不可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象的擴(kuò)散偶的例子。（每例0。2分—0。4）5、 寫出擴(kuò)散第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式,并說明式中各符號的含義及該定律的適用范圍（8章,6分）答：J=—D（dC/dx）J：擴(kuò)散通量，一：擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反；D：擴(kuò)散系數(shù)；dC/dx:濃度梯度。適用于穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。第9章晶體缺陷1、肖脫基空位弗倫克爾空位弗蘭克不全位錯肖克萊不全位錯重合位置點陣2、畫出面心立方晶體（111）面及該面上可能的滑移方向。若該面上某一位錯運動引起晶體沿[110]方向切變21^/2，圖示并寫出該單位位錯的柏氏矢量。若該位錯為刃型或螺型位錯時，圖示并寫出位錯線的方向，指出哪根位錯可能交滑移、哪根位錯可能攀移。（1、9章）3、 -畫圖說明（1）面心立方晶體（111）面及該面上可能的滑移方向。（2）若該面上某一位錯運動引起晶體沿[110]方向切變2-i/2a，圖示并寫出該單位位錯的柏氏矢量。（3）若該位錯為刃型或螺型位錯時，分別圖示并寫出位錯線的方向，指出哪根位錯可能滑移、交滑移和攀移。（1、9、10章）（4）若發(fā)生攀移,指出攀移面的指數(shù)，攀移的方向。（5）若發(fā)生交滑移，指出交滑移的晶面指數(shù)。答：（1）[110][011][-101];（2）b=a/2[110];（3）為刃型位錯時,[1-1-2],可滑移和攀移;為螺型位錯時,[110],可滑移、交滑移;（4）（110）,[111];（5）（110），[1-11]3、 離位原子遷移至表面所形成的空位稱為（肖脫基）空位；離位原子遷移至晶界所形

成的空位稱為（肖脫基）空位；離位原子遷移至間隙處所形成的空位稱為（弗蘭克爾）空位；4、 在點陣常數(shù)約為0.404nm的鋁試樣中測得晶粒內(nèi)部位錯密度為5X109cm%假定位錯全部集中在亞晶界上，每個亞晶粒的截面均為正六邊形，亞晶間的傾斜角為5度，若全部是刃型位錯b=a/2[101],試求亞晶界上的位錯間距和亞晶的平均尺寸。5、在面心立方晶體中存在三個單位位錯L2和L3，若L1和L3的柏氏矢量〃[-110]晶向，L位錯線方向〃[11-2],L2〃[-110],'位錯線方向〃[111]，其柏氏矢量〃[110]晶向。（1）判斷三個位錯的性質(zhì)，寫出他們的柏氏矢量，求出它們可能滑移的晶面指數(shù)和多余原子面指數(shù)（若存在多余原子面），并圖示之（1分）；（2）若L2位錯發(fā)生分解形成擴(kuò)展位錯，寫出可能的位錯反應(yīng)并圖示（1分）；（3）在L3位錯的滑移面上作用一與其柏氏矢量平行的切應(yīng)力，該位錯能否運動？為什么？（1，9）03年作業(yè)6、 畫圖說明下列位錯的運動方向。7、 （共15分）假定在立方晶系中有一柏氏矢量在[011]晶向的刃型位錯L1沿（0-11）晶面滑移，另有一位錯L2的滑移面為（011），柏氏矢量方向和位錯線方向均為[0-11]晶向，請指出：1、 L1位錯線的方向；2、 L2位錯的性質(zhì)；3、 L1與L2交截后L2產(chǎn)生的折線是扭折還是割階？4、 該折線的滑移面指數(shù)。答：1、[00-1]或[001]（3分）2、螺型位錯（4分）3、L1L2產(chǎn)生的折線是刃型割階（4分）。4、（001）（4分）第10章1、單晶體的塑性變形可劃分為（易滑移、線性硬化、拋物線型硬化）幾個階段。2、可變形質(zhì)點的強(qiáng)化作用來自哪幾方面？（可變形粒子