材料科學基礎試題及標準答案考研專用

一、名詞:

相圖：表示合金系中的合金狀態(tài)與溫度、成分之間關系的圖解。

勻晶轉變：從液相結晶出單相固溶體的結晶過程。

平衡結晶：合金在極緩慢冷卻條件下進行結晶的過程。

成分起伏：液相中成分、大小和位置不斷變化著的微小體積。

異分結晶：結晶出的晶體與母相化學成分不同的結晶。

枝晶偏析：固溶體樹枝狀晶體枝干和枝間化學成分不同的現象。

共晶轉變：在一定溫度下，由一定成分的液相同時結晶出兩個成分一定的固相

的轉變過程。

脫溶：由固溶體中析出另一個固相的過程，也稱之為二次結晶。

包晶轉變：在一定溫度下，由一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另

一個一定成分的固相的轉變過程。

成分過冷：成分過冷：由液相成分變化而引起的過冷度。

二、簡答：

1.固溶體合金結晶特點？

答：異分結晶；需要一定的溫度范圍。

2.晶內偏析程度與哪些因素有關？

答：溶質平衡分配系數3；溶質原子擴散能力；冷卻速度。

3.影響成分過冷的因素？

答：合金成分；液相內溫度梯度；凝固速度。

二、書后習題

1、何謂相圖？有何用途？

答：相圖：表示合金系中的合金狀態(tài)與溫度、成分之間關系的圖解。

相圖的作用：由相圖可以知道各種成分的合金在不同溫度下存在哪些相、

各個相的成分及其相對含量。

2、什么是異分結晶？什么是分配系數？

答：異分結晶：結晶出的晶體與母相化學成分不同的結晶。

分配系數：在一定溫度下，固液兩平衡相中溶質濃度之比值。

3、何謂晶內偏析？是如何形成的？影響因素有哪些？對金屬性能有何影響，

如何消除？

答：晶內偏析：一個晶粒內部化學成分不均勻的現象

形成過程：固溶體合金平衡結晶使前后從液相中結晶出的固相成分不同，

實際生產中，液態(tài)合金冷卻速度較大，在一定溫度下擴散過程尚未進行完

全時溫度就繼續(xù)下降，使每個晶粒內部的化學成分布均勻，先結晶的含高

熔點組元較多，后結晶的含低熔點組元較多，在晶粒內部存在著濃度差。

影響因素：1）分配系數ko：當kO<l時，kO值越小，則偏析越大；當kO>l

時，kO越大，偏析也越大。2）溶質原子擴散能力，溶質原子擴散能力大,

則偏析程度較小；反之，則偏析程度較大。3）冷卻速度，冷卻速度越大，

晶內偏析程度越嚴重。

對金屬性能的影響：使合金的機械性能下降，特別是使塑性和韌性顯著降

低，甚至使合金不容易壓力加工。也使合金的抗蝕性能降低。

消除方法：擴散退火或均勺化退火

4、何謂共晶反響和包晶反響？寫出反響式。

答：共晶反響：在一定溫度下，由一定成分的液相同時結晶出兩個成分一定的

固相的轉變過程。LE^^aM+/3N

包晶反響：在一定溫度下，由一定成分的固相與一定成分的液相作用，形

成另一個一定成分的固相的轉變過程。

5、什么是成分過冷？

答：成分過冷：由液相成分變化而引起的過冷度。

6、試述純金屬與固溶體合金結晶過程中形核、長大的條件及方式有何異同？

答：純金屬結晶過程中的形核、長大的條件：要滿足結構起伏、能量起伏。

固溶體合金結晶過程中的形核、長大的條件：要滿足結構起伏、能量起伏

和成分起伏。

固溶體合金結晶是在一定的溫度范圍的異分結晶，純金屬結晶是在一定溫

度下的同分結晶。

7、何謂共析轉變？與共晶轉變比擬有何異同？

答：共析轉變：一定成分的固相在一定溫度下分解為另外兩個一定成分的固相

的轉變過程。

相同點：都是由一個相分解為兩個相的三相恒溫轉變，三相成分點在相圖

上的分布是一樣的。

不同點：共析反響的反響相是固相，而共晶反響的反響相是液相。共析組

織比共晶組織致密。

第一章原子排列與晶體結構

1.fee結構的密排方向是—，密排面是—，密排面的堆垛順序是,致密度為,配位

數是—，晶胞中原子數為—，把原子視為剛性球時，原子的半徑r與點陣常數a的關系

是；bee結構的密排方向是,密排面是1致密度為1配位數是—1晶胞中原

子數為,原子的半徑r與點陣常數a的關系是一；hep結構的密排方向是—，密排面

是，密排面的堆垛順序是,致密度為，配位數是,,晶胞中原子數為—，

原子的半徑r與點陣常數a的關系是o

2.A1的點陣常數為0.4049nm,其結構原子體積是,每個晶胞中八面體間隙數為,四面

體間隙數為。

3.純鐵冷卻時在912e發(fā)生同素異晶轉變是從結構轉變?yōu)榻Y構，配位數—，致密度隆

低—，晶體體積,原子半徑發(fā)生_____O

4.在面心立方晶胞中畫出(11力晶面和［112］晶向，指出＜110＞中位于(111)平面上的方向。在hep

晶胞的(0001)面上標出(i2io)晶面和［i2i0］晶向。

5.求［11i］和［2。i］兩晶向所決定的晶面。

6在鉛的(100)平面上，Imn?有多少原子？鉛為fee面心立方結構，其原子半徑R=0.175xl(y6mm。

第二章合金相結構

一、填空

1)隨著溶質濃度的增大，單相固溶體合金的強度,塑性,導電性，形成間隙固溶體時,

固溶體的點陣常數—=

2)影響置換固溶體溶解度大小的主要因素是⑴；⑵；⑶；

(4)和環(huán)境因素。

3)置換式固溶體的不均勻性主要表現為和=

4)按照溶質原子進入溶劑點陣的位置區(qū)分，固溶體可分為和。

5)無序固溶體轉變?yōu)橛行蚬倘荏w時，合金性能變化的一般規(guī)律是強度和硬度,塑性，導

電性=

6)間隙固溶體是,間隙化合物

是。

7)簡述形成有序固溶體的必要條件。

第三章純金屬的凝固

1.填空

1.在液態(tài)純金屬中進行均質形核時，需要起伏和起伏。

2液態(tài)金屬均質形核時，體系自由能的變化包括兩局部，其中自由能是形核的阻力，

是形核的動力；臨界晶核半徑收與過冷度BT關系為,臨界形核功RGK等于。

3動態(tài)過冷度是指0

4在工廠生產條件下，過冷度增大，則臨界晶核半徑,金屬結晶冷卻速度越快，N/G比

值________1晶粒越o

5.獲得非晶合金的根本方法是。

二、問答

1根據凝固理論，試述細化晶粒的根本途徑。

2試根據凝固理論，分析通常鑄錠組織的特點。

3簡述液態(tài)金屬結晶時，過冷度與臨界晶核半徑，形核功及形核率的關系。

4銅的熔點Tm=1356K,熔化熱BHm=1628J/cm2,cr=177X］。土比皿，點陣常數a=0.3615nm。求銅BT=100￡

時均勻形核的臨界核心半徑。

5何謂過冷，過冷度，動態(tài)過冷度，它們對結晶過程有何影響？

6根據冷卻速度對金屬凝固后組織的影響，現要獲得微晶，非晶，亞穩(wěn)相，請指出其凝固時如何控制。

7、簡述純金屬凝固時潤濕角9、雜質顆粒的晶體結構和外表形態(tài)對異質形核的影響

第四章二元合金相圖與合金凝固

一、填空

1.固溶體合金凝固時，除了需要結構起伏和能量起伏外，還要有起伏。

2.按液固界面微觀結構，界面可分為和0

3.液態(tài)金屬凝固時，粗糙界面晶體的長大機制是，光滑界面晶體的長大機制是

和O

4在一般鑄造條件下固溶體合金容易產生_________偏析，用熱處理方法可以消除。

5液態(tài)金屬凝固時，假設溫度梯度dT/dX>0(正溫度梯度下)，其固、液界面呈_________狀，dT/dX<0

時(負溫度梯度下)，則固、液界面為狀。

6.靠近共晶點的亞共晶或過共晶合金，快冷時可能得到全部共晶組織，這稱為_______o

7固溶結合金凝固時，溶質分布的有效分配系數ke=，當凝固速率很大時上趨于。

8.在二元相圖中，Lifa+L?叫反響，p-L+a稱為轉變，而反響ai—az+0稱為

反響，a+Bfy稱為反響。

9Fe-Fe3c相圖中含碳量小于為鋼，大于為鑄鐵；鐵碳合金室溫平衡組織均由—

和兩個根本相組成；根據溶質原子的位置，奧氏體其晶體結構是，是固

溶體，鐵素體是，其晶體結構是,合金平衡結晶時，奧氏體的最大含量是;

珠光體的含碳量是，它是由和組成的兩相混合物；萊氏體的含碳量

是；在常溫下，亞共析鋼的平衡組織是，過共析鋼的平衡組織是，亞共

晶白口鑄鐵的平衡組織是，萊氏體的相組成物是,變態(tài)萊氏體的相組成物

是,Fe3cl是從中析出的，Fe3cli是從中析出的，FesCni是從中

析出的，它們的含碳量為，Fe3c主要性能特點是，A共析反響后的生成物稱

為。

10如圖4-3為Mg-Y相圖

1)填相區(qū)組成，寫出相圖上等溫反響及Y=5%wt時的合金K在室溫時的平衡組織。

2)Mg為hep結構，試計算Mg晶胞的致密度；

3)指出提高合金K強度的可能方法

4)簡述圖中Y=10%wt之合金可能的強化方法。

11試說明純A1和鋁一銅單相固溶體結晶的異同。

12根據4-4的鐵碳亞穩(wěn)平衡相圖答復以下問題：

1)寫出以下Fe3cli含量最多的合金；珠光體含量最多的合金；萊氏體含量最多的合金。

2)指出此二元系中比擬適合做變形合金和鑄造合金的成分范圍。

3)如何提高壓力加工合金的強度。

4)標注平衡反響的成分及溫度，寫出平衡反響式。

5)分析Fe-l%C合金的平衡凝固過程，并計算室溫下其中相組成物和組織組成物的百分含量，

6)分析Fe-l%C合金在亞穩(wěn)冷卻轉變和淬火冷卻轉變后組織的差異。

7)根據Fe-Fe3c狀態(tài)圖確定以下三種鋼在給定溫度下的顯微組織［填入表中)

含碳量溫度顯微組織溫度顯微組織

0.4770℃停留一段時間P+F900℃A+F

0.77680℃P剛到達770℃A

1.0700℃P+FeaCII剛到達770℃A+Fe3c

8)畫出1200℃時各相的自由能一成分曲線示意圖。

第六章空位與位錯

一、名詞解釋

空位平衡濃度，位錯，柏氏回路，P-N力，擴展位錯，堆垛層錯，弗蘭克-瑞德位錯源，

奧羅萬機制，科垂耳氣團，面角位錯，鈴木氣團，多邊形化

二、問答

1fee晶體中，層錯能的上下對層錯的形成、擴展位錯的寬度和擴展位錯運動有何影響？層錯能對金屬

材料冷、熱加工行為的影響如何？

4平衡空位濃度與溫度有何關系？高溫淬火對低溫擴散速度有何影響？

5A1的空位形成能為0.76eV,問從27s升溫到627e時空位濃度增加多少倍(取系數A=l)

7、位錯對金屬材料有何影響？

第七章金屬塑性變形

一名詞解釋

固溶強化，應變時效，享生，臨界分切應力，變形織構

二問答

1單相合金的冷塑性變形與純金屬的室溫塑性變形相比，有何特點。

2金屬晶體塑性變形時，滑移和攣生有何主要區(qū)別？

4簡述冷加工纖維組織、帶狀組織和變形織構的成因及對金屬材料性能的影響。

5為什么金屬材料經熱加工后機械性能較鑄造態(tài)好。

6何為加工硬化？列出產生加工硬化的各種可能機制。（不必說明），加工硬化現象在工業(yè)上有哪些作

用？

7簡要說明第二相在冷塑性變形過程中的作用。

8討論織構的利弊及控制方法。

9表達金屬和合金在冷塑性變形過程中發(fā)生的組織性能的變化。

10圖7—1所示低碳鋼的三條拉伸曲線，1—塑性變形；2—去載后立即1

載。試答復以下問題：

1）解釋圖示曲線2無屈服現象和曲線3的屈服現象。

2）屈服現象對金屬變形制件外表質量有何影響，如何改善外表質口

11退火純Fe,其晶粒尺寸d=l/4mm時,其屈服點bs=100MNm-2；d=l/64m

時，根據霍爾一配奇公式求其os為多少？

第八章回復與再結晶

1名詞

變形織構與再結晶織構，再結晶全圖，冷加工與熱加工，帶狀組織，

變形度，二次再結晶，退火攣晶

2問答

1再結晶與固態(tài)相變有何區(qū)別？

2簡述金屬冷變形度的大小對再結晶形核機制和再結晶晶粒尺寸的影響。

3燈泡中W絲在高溫下工作，發(fā)生顯著晶粒長大性能變脆，在熱應力作用下破斷，試找出兩種延長鴇

絲壽命的方法？

4純鋁經90%冷變形后，取三塊試樣分別加熱到70e,150e,300s,各保溫一小時后空冷，純鋁的熔

點為660s?

1）分析所得組織，畫出示意圖；2）說明它們強度、硬度的上下和塑性方面的區(qū)別并簡要說明原

因。

5試說明晶粒大小對金屬材料室溫及高溫力學性能的影響，在生產中如何控制材料的晶粒度。

6如何提高固溶體合金的強度

7試用位錯理論解釋固溶強化，彌散強化，以及加工硬化的原因。

第九章外表與界面

1名詞

正吸附，晶界能，小角度晶界，晶界偏析

2問答

1試說明界面對復合材料結合強度的影響。

2試述晶界的特性。

3分析晶界能的變化。

4分析影響晶界遷移的因素

第十章原子擴散

1、簡要說明影響溶質原子在晶體中擴散的因素。

2、Ni板與Ta板中有0.05mm厚MgO板作為阻擋層，1400℃時Ni+通過MgO向Ta中擴散，此時Ni+

在MgO中的擴散系數為口=9*10-12加2/5,Ni的點陣常數為3.6X4七而。問每秒鐘通過MgO阻擋層

在2X2cm2的面積上擴散的Ni+數目，并求出要擴散走1mm厚的Ni層需要的時間。

3、對含碳0.1%齒輪氣體滲碳強化，滲碳氣氛含碳1.2%,在齒輪表層下0.2cm處碳含量為0.45%時齒

輪到達最正確性能。鐵為FCC結構，C在Fe中的Do=O.23,激活能Q=32900cal/mol,誤差函數如表

10—1O

1)試設計最正確滲碳工藝；

2)在滲碳溫度不變，在1000C時滲碳，要將滲碳厚度增加1倍，即要求在其外表下0.4cm處滲碳后

碳含量為0.45%所需滲碳時間。

xx

表10-12疝與erf(2/萬)的對應值

XXXXXX

ijDterf(21Dt)l4Dterf(21Dt)ijDterf(21Dt)

0.00.00000.70.67781.40.9523

0.10.11250.80.74211.50.9661

0.20.22270.90.79691.60.9763

0.30.32861.00.82471.70.9838

0.40.42841.10.88021.80.9891

0.50.52051.20.91031.90.9928

0.60.60391.30.93402.00.9953

4一塊厚度10毫米，含碳量0.77%的鋼在強脫碳氣氛中加熱到800℃,然后緩慢冷卻，試指出試樣從

外表到心部的組織分布。

5銅-鋅基單相固溶體進行均勻化處理，試討論如下問題：

1)在有限時間內能否使枝晶偏析完全消失？

2)將此合金均勻化退火前進行冷加工，對均勻化過程是加速還是無影響？說明理由。

6原子擴散在材料中的應用

7何謂上坡擴散，舉兩個實例說明金屬中上坡擴散現象。

9簡述固溶體合金的擴散機制

第一章原子排列與晶體結構

叵

V------CI

6.[110],(111),ABCABC...,0.74,12,4,4；[111],(110),0.68,8,

V3a

丫=--a「115m丫=—

2,4.[11(0001),ABAB,0.74,12,6,2。

7.0.01659nm3,4,8。

8.FCC,BCC,減少,降低，膨脹，收縮。

9.解答：見圖1_1

10.解答：設所決定的晶面為(hkl),晶面指數與面上的直線[uvw]之間有hu+kv+lw=0,故有：

h+k-l=0,2h-l=0o可以求得Ihkl)=(112)。

丫=--a

6解答：Pb為fee結構,原子半徑R與點陣常數a的關系為4,故可求得a=0.4949xl(y6mm。

則(100)平面的面積S=a2=0.2449260Ux0-i2mm2,每個門。。)面上的原子個數為2。

1

n=—

所以1mn?上的原子個數s=4.08x1012。

第三章合金相結構

一、填空

1)變差，變大。

2)(1)晶體結構;(2)元素之間電負性差;(3)電子濃度；(4)元素之間尺寸差異

3)存在溶質原子偏聚和短程有序。

4)置換固溶體和間隙固溶體。

5)提高，降低，降低。

6)溶質原子溶入點陣原子溶入溶劑點陣間隙中形成的固溶體,非金屬原子與金屬原子半徑的比值大

于0.59時形成的復雜結構的化合物。

二、問答

1、解答：a-Fe為bcc結構，致密度雖然較小，但是它的間隙數目多且分散，間隙半徑很小，四面

體間隙半徑為O291Ra,BPR=0.0361nm,八面體間隙半徑為0.154Ra,即R=0.0191nm。氫，氮,碳,

硼由于與a-Fe的尺寸差異較大，在a-Fe中形成間隙固溶體，固溶度很小。a-Fe的八面體間隙的［110］方

向R=0.633Ra,間隙元素溶入時只引起一個方向上的點陣畸變，故多數處于a-Fe的八面體間隙中心。B

原子較大，有時以置換方式溶入a-Fe。

由于y-Fe為fee結構，間隙數目少，間隙半徑大，四面體間隙半徑為0.225Ra,即R=0.028nm,八

面體間隙半徑為0.414Ra,即R=0.0522nm。氫，氮，碳，硼在y-Fe中也是形成間隙固溶體，其固溶度

大于在a-Fe中的固溶度，氫，氮，碳，硼處于y-Fe的八面體間隙中心。

2、簡答：異類原子之間的結合力大于同類原子之間結合力；合金成分符合一定化學式；低于臨界溫度

（有序化溫度）。

第三章純金屬的凝固

2.填空

1.結構和能量。

「「2叫,AG「6%也2

2外表，體積自由能，L4,13d

3晶核長大時固液界面的過冷度。

4減少，越大，細小。

5.快速冷卻。

二、問答

1解答：凝固的根本過程為形核和長大,形核需要能量和結構條件，形核和長大需要過冷度。細化

晶粒的根本途徑可以通過加大過冷度，參加形核劑，振動或攪拌。

2解答：根據金屬結晶過程的形核和長大理論以及鑄錠的散熱過程,可以得出通常鑄錠組織的特

點為最外層為細小等軸晶，靠內為柱狀晶，最內層為粗大等軸晶。

r=.一...2....%..—

3解答：液態(tài)金屬結晶時,均勻形核時臨界晶核半徑雙與過冷度BT關系為LZ，臨界形

A.J6%也2

核功BGK等于3（447）2。異質形核時固相質點可作為晶核長大，其臨界形核功較小，

,*2-3cos^+cos3016^ST；2-3cos^+cos30

AG*=----------------------------*7——△3

（）24

43￡mAT9為液相與非均勻形核核心

的潤濕角。

N=Cexp［-（A。71+）］

形核率與過冷度的關系為：kTkT,其中N為形核率，C為常數，AGA、

AGk分別表示形核時原子擴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冷度增大而增

大。

4解答：在金屬凝固時,可以近似認為LM=BHm,根據均勻形核時臨界晶核半徑灰與過冷度BT關系

為LN,可以計算得到r=0.79X10-7cm=0.79nm。

5：解餐一過冷是指金屬結晶時實際結晶溫度Tn比理論結晶溫度Tm低的現象。過冷度AT指Tm

與Tn的差值。動態(tài)過冷度指晶核長大時的過冷度。金屬形核和長大都需要過冷，過冷度增大通常使形

核半徑、形核功減少，形核過程容易，形核率增加，晶粒細化。

8解答：冷卻速度極大影響金屬凝固后的組織。冷卻快一般過冷度大，使形核半徑、形核功減少,

形核過程容易，形核率增加，晶粒細化，冷卻非常快時可以得到非晶，在一般工業(yè)條件下快速冷卻

可以得到亞穩(wěn)相。

7、解答：純金屬凝固時

潤濕角。=0。，形核功為0,固相粒子促進形核效果最好；

潤濕角。=180°,異質形核功等于均勻形核功，固相粒子對形核無促進作用；

潤濕角0°<9<180°,形核功比均勻形核的形核功小，0越小，固相粒子促進形核效果越好。

雜質顆粒的晶體結構與晶核相同或相近時，促進形核效果好，當兩者結構不相同時，一般對促進形

核效果差或不促進形核。

雜質粒子的外表成凹形時，促進形核效果好，成平面狀時次之，凸形時最差。

第四章二元合金相圖與合金凝固

一、填空

1.成分

2.光滑界面，粗糙界面

3.垂直長大機制，二維平面長大，依靠晶體缺陷長大

4枝晶，均勻化退火

5平直狀，樹枝。

6._偽共晶

________________

R6

7左o+(1—40)e口，］。

8.共晶，熔晶，偏析，包析

90.0218%,4.3%；P和Fe3c；FCC,間隙，間隙固溶體,BCC,2.11%；0.77,

珠光體和滲碳體；4.3%；P+F,P+Fe3c,Ld,A+Fe3c,P+Fe3C+Fe3Cn,液相，

A,F,6.69,硬、脆，P=

2問答

1解答：1)見圖中標注。兩相區(qū)由相鄰的兩個單相區(qū)所構成。水平線代表三相區(qū)，見3)中的恒溫

反響式。

2)穩(wěn)定化合物為6、e,不穩(wěn)定化合物為B、Y-

3)1455℃,L+8-e,包晶反響；

1387℃,L—e+Ni,共晶反響；

1135℃,L+8-Y，包晶反響；

855℃,L+y-3,包晶反響；

640℃,L—A1+B,共晶反響；

4)Ni30%(重量)的合金在平衡冷卻時的相變過程：L—y；855℃,L+丫-B,包晶反響；L—B；640℃,

L-A1+0,共晶反響；

42-30

4%=———xlOO%=28.6%

室溫下相組成為A1+B,42,8=1-A1%=71.4%O

〃％=30-0.05xW0%=714%

室溫下組織組成為B+(A1+B)共晶，，42-0.05,(A1+6)共晶=1-B%=28.6%。

5)含Ni89%〔重量)的Ni-Al合金其平衡凝固時室溫組織為Ni和Ni中析出的e,非平衡凝固后會出

現非平衡共晶組織，即為Ni和少量的1387°。反響生成的L—(e+Ni)共晶。

6)X合金平衡凝固完畢時的組織a初晶占80%,則(a+p)共晶=20%,設此合金中Ni組元的含量是X,

05X

80%=0---X100%

0.05，可以求得X=0.01%。

7)1500s時ALNi合金系的自由能一成分曲線示意圖如圖。

2解答：1)a相晶體結構與Cu的結構保持一致，為fee結構；

_CS60.9_

KQ———U.o1

2)共晶反響前的平衡分配系數孰99.3.

3)Cu-13.47%Sn合金在正常條件下凝固后，由于固相平均成分線相對于固相線下移，在合金凝固過程

中剩余少量液相出現非平衡結晶，發(fā)生包晶反響而出現少量0相。這些少量0相可以通過均勻化退火消除。

4)Cu-70%Sn合金平衡凝固過程為L—e,L92.4+e38.2—n59.0,L—n,L99.3—n60,9+〔Sn),n—

共晶反響剛完畢時相組成物為n+(Sn),組織組成物為n+U+Sn)共晶。

=100-70x1Q0%=76.7%,(Sn)=1—〃％=23.3%

相組成物的相對含量為：100-60.9

993-70

7%=x100%=76.3%,

和組織組成物的相對含量：99.3-60.9(n+Sn)共晶%=1—n%=23.7%。

5)合金在450℃時各相自由能一成分曲線示意圖如下圖。

3解答：1)相區(qū)填寫如下圖。相圖中各等溫反響如下：

935℃：L+B[Y)—e；780℃：L+e—8；776℃：6(Y]—e+a[Y)；

635℃：L+e—Y；557℃：L一[Mg)+y0

Y=5%wt時的合金K在室溫時的平衡組織為[Mg)固溶體。

2)Mg為hep結構，因為r=a/2,一個hep晶胞中有6個原子，設/1，則致密度為

公4

6x-^r3

p==----------\------=0.74

Vee"(A1J3、

\Ox—(IXci)c

22

3)提高合金K強度的可能方法有細化晶粒,加工硬化。

4)Y=10%wt之合金可能的強化方法有細化晶粒，加工硬化和固溶時效。

4解答：相同點：均需要形核與長大，形核要滿足一定熱力學條件，形成一定臨界晶核半徑，即需

要能量起伏和結構起伏。

不同點：固溶體合金形核除需要能量起伏和結構起伏外，還需要成分起伏，非平衡結晶時產生偏析,

一般會產生成分過冷，凝固過程是在一個溫度區(qū)間進行，而純金屬凝固在等溫進行。

5解答：1)FesCn含量最多的合金、珠光體含量最多的合金、萊氏體含量最多的合金的合金成分分

別為含碳量2.11%,0.77%,4.3%o

2)二元系中比擬適合做變形合金和合金為單相固溶體，適合作為鑄造合金的成分范圍為含有較多共晶

體的合金。故在含碳量小于2.11%的合金可以經過加熱得到單相合金適合作為變形合金，含碳量大于

4.3%的合金有共晶反響適合作為鑄造合金。

3)提高壓力加工合金的強度的方法主要有加工硬化，合金元素固溶產生的固溶強化，細化晶粒強化，

熱處理強化，第二相強化，彌散質點的彌散強化。

4)平衡反響的成分及溫度，反響式為

1495℃,L0.53+5o,o9-Ao.i7，包晶反響；

1148℃,L4.3-A2.11+Fe3C,共晶反響；

727℃,Ao.77-Fo.o2i8+Fe3C,共析反響；

5)凝固過程：935℃：L—丫，丫一Fe3ClI,y—F+Fe3ClI〔P)

久AQ1

F%=―——x100%=84.9%,Fe3C%=1-F%=15.1%

室溫下相組成為F+Fe3CH,其中6.63-0.0008

P%=669-1=981%

室溫下組織組成為P+Fe3CH,其中6.69-0.77',Fe3ClI%=1—P%=1.9%。

6)亞穩(wěn)轉變后組織為P+Fe3CII,淬火冷卻后C在Fe中形成過飽和固溶體(馬氏體相變)。

7)三種鋼在給定溫度下的顯微組織如表。

8)1200℃時各相的自由能一成分曲線示意圖如圖。

6：解答：1)II合金的平衡冷卻曲線和組織如圖；室溫下相組成物為a+B,其中

90-80

?%=x100%=11.8%

90-5,B=1—a%=88.2%,組織組成為B+(a+B)共晶，

/7%=80~50x100%=75%

90-50,(a+0)共晶%=1—0%=25%；

2)I合金在平衡凝固時室溫組織為a+BII,工業(yè)條件冷卻時出現少量非平衡共晶組織，室溫組織

為a+BII+少量1a+B)共晶。

3)可以根據相圖估計，在共晶溫度下盡可能高的溫度進行退火。

7：解答：1)金屬固液界面的微觀結構為粗糙界面，長大機制為垂直長大方式，在正溫度梯度下固

液界面保持平直，在負溫度梯度下成長時固/液界面不穩(wěn)定，結晶后容易長成樹枝狀晶。

8：解答：1)相區(qū)填充如圖；

80%=100xlOO%

2)設X合金中Bi組元的含量是x,依題意有W0-41.8,可以解得x=53.44,即Bi

組元的含量是53.44%。

100-V

50%=」xlOO%

3)設Y合金中Bi組元的含量是y,依題意有共晶含量W0-56.1,可以解得y=78.15,

即Pb組元的含量是21.85%。

4)Pb-30%Bi合金平衡凝固過程為L—a,L+a—B,L—B,B—Bi,室溫下平衡組織為B+Bi,非

平衡凝固下由于L+a—B包晶反響很難進行完全，故在6晶粒內部會保存局部a,室溫下組織為B+

殘留a+Bi。

第五章三元合金相圖

1解答：0.8%C的Fe-C-Si三元合金在平衡冷卻時的相變過程為L—a,L+a—丫，L—丫，

1100℃時的平衡組織為丫。

2解答：1)Cu-30%Zn-10%Al合金的成分點見圖中X點。

2)Cu-20%Zn-8%Al合金，位于a+丫兩相區(qū)邊界線上，由a+丫兩相組成。Cu-25Zn-6Al合金位于a+

B+丫的三相區(qū)中，由a+4+丫的三相區(qū)組成，可以從圖中讀出各相成分點：

a：Cu-22.6Zn-3.45Al,Y：Cu-18Zn-11.5Al,B：Cu-30Zn-4Al

n.5-8

故Cu-20Zn-8Al合金中a%=11.5-3.45X100%=43.50%

Y%=1—a%=56.5%

25-20

Cu—25Zn—6Al合金中夕=30-20XI00%=50%

a%=(l/)X43.5%=2L75%,y%=(1-夕)X56.5%=28.25%

3)Y合金凝固過程：L—a,L—a+B,3-a

3解答：1)P，P，：L+a—B

E/'：L-B+Y

E?P'：L—a+y

2)L+a—B+￥

3)O合金凝固過程：L—a,L+a—B,L+a—B+丫，a,B,丫同析。

4解答：ei—1085℃：L-Fe2C+Y；Pi-1335℃：L+a-y；y2-1380℃：L+Fe3W2-a

1700℃L+WC+W-n

1200℃L+n-Y+WC

1085℃L-y+Fe3C+WC

5解答：l)2Crl3.不銹鋼的淬火加熱在Y相區(qū),從圖上估計為1050℃—1300℃；

2)2%C,13%Cr剛的平衡凝固過程為：L—y,L—Y+C1；

Y-a+C[P)；a一。；室溫下組織為Ci+P。

3)1區(qū)的三相反響是：L+6—Y

795℃的四相平衡的反響式：Y+Ci-a+C

6解答：IV區(qū)合金凝固過程為:L—a,L—a+B,a—B互析；

VI區(qū)合金凝固過程為：L—a,L—a+B,L—a+B+丫,隨后a,B,丫同析；

四相反響式為：L—a+B+丫

7解答：四相反響式為137.4C時P點：Lp+a1—B1+61

99.5℃時E點LE—82+62+7

三元系初晶面有6、a、8、丫的四個初晶面；

2)三元合金中合金1的結晶過程為：L—Y,L—Y+S+6；

合金2的結晶過程為：L—6,L—6+3,L—丫+6+B；

合金3的結晶過程為：L—a,L—6+a,L+a—0+6；

合金4的結晶過程為:：L—a,L+a—B+6。

3)由題意分析可知改合金成分位于丫(Bi)與E點的連線上，設其Bi含量為x,

100-x

故有50%=100-55X100%,故Bi含量為77.5%,

Pb%18

即Pb%+Sn%=22.5%。由于成分線過Bi的頂點，故所求合金中S”％27

可求得Pb%=9%,Sn=13.5%o

第六章空位與位錯

一、名詞解釋

空位平衡濃度：金屬晶體中，空位是熱力學穩(wěn)定的晶體缺陷，在一定的空位下對應一定的空位濃度,

通常用金屬晶體中空位總數與結點總數的比值來表示。

位錯：晶體中的一種原子排列不規(guī)則的缺陷，它在某一個方向上的尺寸很大，另兩個方向上尺寸很

小。

柏氏回路：確定柏氏族矢量的過程中圍繞位錯線作的一個閉合回路，回路的每一步均移動一個原子

間距，使起點與終點重合。

P-N力：周期點陣中移動單個位錯時，克服位錯移動阻力所需的臨界切應力

擴展位錯：兩個不全位錯之間夾有層錯的位錯組態(tài)

堆垛層錯：密排晶體結構中整層密排面上原子發(fā)生滑移錯排而形成的一種晶體缺陷。

弗蘭克-瑞德位錯源：兩個結點被釘扎的位錯線段在外力的作用下不斷彎曲弓出后，互相鄰近的位

錯線抵消后產生新位錯，原被釘扎錯位線段恢復到原狀，不斷重復產生新位錯的，這個不斷產生新位

錯、被釘扎的位錯線即為弗蘭克-瑞德位錯源。

Orowan機制：合金相中與基體非共格的較硬第二相粒子與位錯線作用時不變形，位錯繞過粒子，

在粒子周圍留下一個位錯環(huán)使材料得到強化的機制。

科垂爾氣團：圍繞刃型位錯形成的溶質原子聚集物，通常阻礙位錯運動，產生固溶強化效果。

鈴木氣團：溶質原子在層錯區(qū)偏聚，由于形成化學交互作用使金屬強度升高。

面角位錯：在fee晶體中形成于兩個｛111｝面的夾角上，由三個不全位錯和兩個層錯構成的不能運動

的位錯組態(tài)。

多邊形化：連續(xù)彎曲的單晶體中由于在加熱中通過位錯的滑移和攀移運動，形成規(guī)律的位錯壁，成

為小角度傾斜晶界，單晶體因而變成多邊形的過程。

二、問答

1解答：層錯能高,難于形成層錯和擴展位錯，形成的擴展位錯寬度窄，易于發(fā)生束集，容易發(fā)生交

滑移，冷變形中線性硬化階段短，甚至被掩蓋，而拋物線硬化階段開始早，熱變形中主要發(fā)生動態(tài)恢復

軟化；層錯能低則反之，易于形成層錯和擴展位錯，形成的擴展位錯寬度較寬，難于發(fā)生束集和交滑移,

冷變形中線性硬化階段明顯，熱變形中主要發(fā)生動態(tài)再結晶軟化。

2.解答：1)對于位錯反響，需要同時滿足能量條件和幾何條件，反響才能進行。

2

-[110]-[211]-[121]弱前2=心)2(仔+F+。2)=@

在2—>6]+6中，22,

2

與2=心)2Q2+仔+]2)X2=9

后63￡如2>^^后2,滿足能量條件；同時

Yb=-[110]=Ybp=-[(-2+-1)(1+2)(1-1)]=-[110]

2后62滿足幾何條件，故反響能進

行。

0：G"也)

擴展位錯寬度2號，G為切彈性模量，bl、b2為不全位錯柏氏矢量，丫為層錯能。假設

-[110]

反響前的2是刃位錯，則反響后的擴展位錯只能在原滑移面上進行滑移；假設反響前的

-[TiO],-、

2是螺型位錯，反響后形成的擴展位錯可以進行束集，與其相交面如(11D面相交處束集,

而后過渡到(lil)面上進行運動，并有可能再次分解為擴展位錯。

a—C1

Z?=-[101]-&=-[011]

2)假設(1,1,1)面上位錯2與(111)面上的位錯2相遇，它們之間能滿足能量

-[101]+-[011]=-[110]

條件和幾何條件，可以發(fā)生位錯反響，反響式為：222。新位錯位于[001)面

上，是純刃型位錯，由于不在其滑移面｛111｝面上，為不可動位錯。

3)(111)與[111)兩個滑移面上全位錯分解為肖克萊不全位錯的兩個反響式為：

a—a---a—aa—a

-[101]--[211]+-[112]_-[011]--[121]+-[112]

(111)晶面上：266(11D面上的位錯266

-[2111-[121]

4)如果兩擴展位錯運動分解后的兩個領先不全位錯為6L」和6,兩領先位錯之間依據能量

-[110]

條件和幾何條件要求，可以判斷位錯反響可以進行。新位錯柏氏矢量為6；新形成位錯為在(001)

面上刃型位錯，牽制到其它兩個不全位錯和兩個層錯均不能運動，會引起冷加工中的加工硬化。

3解答：1)將各參數帶入公式中可以計算得到Es=0.73~0.92Gb2；

2)Cu中長度為1個柏氏矢量的螺型位錯割階的能量約為〔1.725~2.3)X10-11J/cm2o

E

C-Aexp(--—)

4解答：平衡空位濃度kT,A為材料常數，k=1.38X10-23J/K,Ev為空位形成能。，

即溫度越高，空位濃度越大。高溫淬火后由于高濃度空位被保存至低溫，對低溫加熱擴散有促進作用。

E

C=Aexp(---)

5解答：平衡空位濃度kT,Al的空位形成能為0.76eV=0.76X(1.602X10-19J),k

=1.38X10—23J%,系數A=l。計算可得27?(300K)時空位濃度Cl=1.7XICT以627￡時空位濃度

6=3.258x108

為C2=5.54X1CT5,故從27e升溫到627e時空位濃度增加G倍。

6解答一兩平行同號刃型位錯之間滑移面上的受力：

「Gbbfx(%2-/)

r-----------------------

222

'In(1-y)(x+y)；G為切彈性模量，b,〃為兩刃型位錯的柏氏矢量，v為泊松比。

故位置1位錯受斥力，位置2位錯處于亞穩(wěn)平衡，偏離該位置則遠離或運動到與原點處位錯垂直的地方。

位置3處第二個位錯處于與原點處位錯垂直的上方，處于穩(wěn)定態(tài)。

7、解答二位錯是晶體中的缺陷，對材料有許多重要影響。

1)對變形影響。通過位錯運動完成塑性變形；

2)對性能影響，與第二相粒子，通過切過或繞過機制強化材料，冷加工中位錯密度增加也能強化材料，

或通過形成科垂爾氣團強化材料，以及位錯運動中相互交截，或形成割階、面角位錯等使材料強化；

3)對再結晶中的晶核形成機制有影響；

是優(yōu)先擴散通道。

第七章金屬塑性變形

一名詞

固溶強化：固溶體中的溶質原子溶入基體金屬后使合金變形抗力提高，應力一應變曲線升高，塑性下降

的現象；

應變時效：具有屈服現象的金屬材料在受到拉伸等變形發(fā)生屈服后，在室溫停留或低溫加熱后重新拉伸

又出現屈服效應的情況；

享生：金屬塑性變形的重要方式。晶體在切應力作用下一局部晶體沿著一定的晶面〔攣晶面〕和一定的

晶向〔攣生方向)相對于另外一局部晶體作均勻的切變，使相鄰兩局部的晶體取向不同，以李晶面為對

稱面形成鏡像對稱，攣晶面的兩邊的晶體局部稱為攣晶。形成攣晶的過程稱為學生；

臨界分切應力：金屬晶體在變形中受到外力使某個滑移系啟動發(fā)生滑移的最小分切應力；

變形織構：多晶體中位向不同的晶粒經過塑性變形后晶粒取向變成大體一致，形成晶粒的擇優(yōu)取向，擇

優(yōu)取向后的晶體結構稱為變形織構，織構在變形中產生，稱為變形織構。

二問答

1他崔_純金屬變形主要借助位錯運動，通過滑移和攣生完成塑性變形，開動滑移系需要臨界切應力，

晶體中還會發(fā)生扭轉；單相合金的根本變形過程與純金屬的根本過程