材料科學(xué)基礎(chǔ)精析試卷

名詞解釋金屬玻璃金屬間化合物離異共晶晶界偏聚參考答案：1.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；2.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，一一般具有熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大的特點(diǎn)。3.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；4.晶界偏聚：由于晶內(nèi)與晶界上的畸變能差別或由于空位的存在使得溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子在晶界上的富集現(xiàn)象；二、1.晶帶和晶帶軸2.柱狀晶和等軸晶3.包析反應(yīng)和共析反應(yīng)1.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；2.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；3.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)固相分解得到其它兩個(gè)固相的反應(yīng)為共析反應(yīng)三、1.變溫截面2.過(guò)冷度3.偏析反應(yīng)4.固溶體5.成分過(guò)冷6.形核功。1.名詞解釋（3分/個(gè)＝18分）變溫截面：三元相圖中垂直成分三角形的截面；過(guò)冷度：ΔT指Tm與Tn的差值二維平面長(zhǎng)大；偏析反應(yīng)：a+b?g稱為包析反應(yīng)；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)；成分過(guò)冷：合金凝固中由于溶質(zhì)原子再分配形成的過(guò)冷；形核功：金屬凝固過(guò)程中形成晶核需要的額外能量。一、填空（0.5X30=15分）1、fcc結(jié)構(gòu)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(shù)是____，晶胞中原子數(shù)為___，把原子視為半徑為r的剛性球時(shí)，原子的半徑是點(diǎn)陣常數(shù)a的關(guān)系為_________。2、形成有序固溶體的必要條件是：（1）________，（2）_________，（3）________。3、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__________，塑性_______________，導(dǎo)電性_________________。4、Fe-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(gè)基本相組成；奧氏體其晶體結(jié)構(gòu)是____，合金平衡結(jié)晶時(shí)，奧氏體的最大含碳量是______；珠光體的含碳量是_____；萊氏體的含碳量為____；在常溫下，亞共析鋼的平衡組織是_____，過(guò)共析鋼的平衡組織是_____；Fe3CI是從_____中析出的，F(xiàn)e3CII是從____中析出的，F(xiàn)e3CIII是從____中析出的，它們的含碳量為_____5、圖1為簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣晶胞，其中ABC面的面指數(shù)是______，AD的晶向指數(shù)是_______。6、圖2是A-B-C三元系成分三角形的一部分，其中X合金的成分是_______________。BBAABCD圖1 圖圖2一、填空1、[110]；(111)；ABCABC……..；0.74；12；4；2、異類原子之間相互吸引力大于同類原子之間吸引力；一定的化學(xué)成分；較慢的冷卻速度3、升高；降低；降低4、2.11％C；2.11％C；鐵素體和滲碳體（α和Fe3C）；fcc；2.11％；0.77％；4.3％；鐵素體珠光體；珠光體和Fe3CII；液相；先共晶奧氏體；鐵素體；6.69％5、（101）；6、20%A-40%B-40%C問(wèn)答題1寫出非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程的表達(dá)式，說(shuō)明影響方程中擴(kuò)散系數(shù)的主要因素。非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程的表達(dá)式為，若擴(kuò)散系數(shù)D不隨濃度變化，則可以簡(jiǎn)化為；影響方程中擴(kuò)散系數(shù)的主要因素有溫度、晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、固溶體類型、擴(kuò)散元素性質(zhì)、擴(kuò)散組元濃度等。2試根據(jù)凝固理論，分析通常鑄錠組織的特點(diǎn)。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；3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4試說(shuō)明在正溫度梯度下為什么固溶體合金凝固時(shí)可以呈樹枝狀方式成長(zhǎng)，而純金屬則得不到樹枝狀晶。由于溶質(zhì)原子再分配造成成分過(guò)冷使固溶體合金正溫度梯度下凝固時(shí)也可以呈樹枝狀方式成長(zhǎng)，而純金屬則需要在負(fù)溫度梯度下才能得到樹枝狀晶。寫出固溶體的分類置換、間隙固溶體；有限、無(wú)限固溶體；有序、無(wú)序固溶體；一次、二次固溶體；6試根據(jù)凝固理論，分析通常鑄錠組織的特點(diǎn)及成因。解答：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)為最外層為細(xì)小等軸晶，靠?jī)?nèi)為柱狀晶，最內(nèi)層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……。如何提高固溶體合金的強(qiáng)度固溶強(qiáng)化，加工硬化，細(xì)晶強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化看圖題6、（15分）請(qǐng)?jiān)谌缦翽b－Bi－Sn相圖中寫出三相平衡和四相平衡反應(yīng)式；標(biāo)出成分為5％Pb，65％Bi與30％Sn合金所在位置，寫出該合金凝固結(jié)晶過(guò)程，畫出并說(shuō)明其在室溫下的組織示意圖。（1）三相平衡反應(yīng)式：E2E線：L→Bi＋Sn；E1E線：L→Bi＋Pb；E點(diǎn)為四相平衡，其反應(yīng)式為L(zhǎng)→Bi＋Sn＋Pb。（2）合金所在位置（略）；該合金凝固過(guò)程為：析出初晶L→Bi，剩余液相析出二元共晶，L→Bi＋Sn，再?gòu)亩嘤嘁合嘀形龀鋈簿→Bi＋Sn＋Pb；室溫下的組織為Bi初晶＋（Bi＋Sn）二元共晶＋（Bi＋Sn＋Pb）三元共晶，室溫下的組織示意圖（略）。7、（20分）Cu－Sn合金相圖如圖所示。寫出相圖中三條水平線的反應(yīng)式，并畫出T1溫度下的成分－自由能曲線示意圖；說(shuō)明Cu－10wt％Sn合金平衡和非平衡凝固過(guò)程，分別畫出室溫下組織示意圖；非平衡凝固對(duì)Cu－5wt％Sn合金的組織性能有何影響，如何消除？（1）相圖中三條水平線的反應(yīng)式（溫度由高到低）：包晶反應(yīng)：L＋α→β，共析反應(yīng)β→α＋γ，共析反應(yīng)γ→α＋δ；T1溫度下的成分－自由能曲線示意圖（略）；（2）Cu－10wt％Sn合金平衡凝固過(guò)程：析出初晶α，凝固后得到單相固溶體α，Cu－10wt％Sn合金非平衡凝固過(guò)程：析出初晶α，發(fā)生包晶反應(yīng)L＋α→β形成β，β分布在α枝晶間隙，隨后還發(fā)生共析反應(yīng)β→α＋γ和γ→α＋δ，最后形成α枝晶之間分布有塊狀δ或（α＋δ）共析體；室溫下組織示意圖（略）。（3）Cu－10wt％Sn合金非平衡凝固時(shí)由于溶質(zhì)原子在分配而產(chǎn)生枝晶偏析；造成合金鑄錠強(qiáng)度低、加工塑性差，枝晶偏析還使合金耐腐蝕性能降低；消除枝晶偏析可以采用將鑄錠在略低于固相線溫度長(zhǎng)時(shí)間均勻化退火。四、（20分）如圖3的二元合金相圖，分析5.6%Cu合金和5.7%Cu合金在平衡結(jié)晶和快速冷卻不平衡結(jié)晶時(shí)室溫組織特點(diǎn)；Al為fcc結(jié)構(gòu)，圖中的a相為何種晶體結(jié)構(gòu)？指出此二元系中比較適合做變形合金何鑄造合金的成分范圍。計(jì)算出亞共晶合金在溫度為TE（共晶反應(yīng)前）時(shí)的平衡分配系數(shù)。設(shè)X合金平衡凝固完畢時(shí)的組織為a初晶+(a+θ)共晶，其中a初晶占80%，則此合金中剛凝固完畢時(shí)θ組元的含量是多少？繪出T=560℃溫度時(shí)各相的自由能-

（1）5.6%Cu合金在平衡結(jié)晶時(shí)室溫組織為，快速冷卻不平衡結(jié)晶時(shí)室溫組織還出現(xiàn)少量非平衡共晶組織（α＋θ）共晶；5.7%Cu合金在平衡結(jié)晶時(shí)室溫組織為α＋θⅡ＋（α＋θ）共晶，快速冷卻不平衡結(jié)晶時(shí)室溫組織出現(xiàn)離異共晶；（2）fcc結(jié)構(gòu)；（3）Cu含量少于5.65％的合金；（4）k0＝0.17（5）9.7％（6）T=560℃溫度時(shí)各相的自由能-五、（10分）圖4為Fe-W-C三元系的液相面投影圖。寫出1700℃，1200℃，各四相平衡反應(yīng)式分別為，1700℃：L＋WC＋W→η，1200℃：L＋η→WC＋γ，1085℃：L→γ＋WC＋γ四.根據(jù)Fe-Fe3C亞穩(wěn)平衡相圖回答下列問(wèn)題：（40畫出Fe-Fe3C寫出下列Fe3CII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。標(biāo)注平衡反應(yīng)的成分及溫度，寫出平衡反應(yīng)式。分析Fe-1%C合金的平衡凝固過(guò)程，并計(jì)算室溫下其中相組成物和組織組成物的百分含量，根據(jù)Fe-Fe3C含碳量溫度顯微組織溫度顯微組織0.4770℃9000.77680剛達(dá)到7701.0700剛達(dá)到770畫出1200℃時(shí)各相的自由能---解答：Fe-Fe3C圖Fe-Fe3C1）Fe3CII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%。2）平衡反應(yīng)的成分及溫度，反應(yīng)式為：1495℃，L0.53＋δ0.09－A0.17，包晶反應(yīng)；1148℃，L4.3－A2.11＋Fe3C，共晶反應(yīng)；727℃，A0.77－F3）凝固過(guò)程：935℃：L—γ，γ—Fe3CⅡ，γ—F＋Fe3CⅡ（P室溫下相組成為F＋Fe3CⅡ，其中；室溫下組織組成為P＋Fe3CⅡ，其中，F(xiàn)e3CⅡ％＝1－P％＝1.9%。4）三種鋼在給定溫度下的顯微組織如表。1200℃時(shí)各相的自由能---含碳量溫度顯微組織溫度顯微組織0.4770℃P+F900A+F0.77680P剛達(dá)到770A1.0700P+Fe3CⅡ剛達(dá)到770A+Fe3C五.圖為Cu-Zn-Al合金室溫下的等溫截面和2%Al的垂直截面圖，回答下列問(wèn)題：（20分）1）在圖中標(biāo)出X合金（Cu-30%Zn-10%Al）的成分點(diǎn)。2）計(jì)算Cu-20%Zn-8%Al和Cu-25%Zn-6%Al合金中室溫下各相的百分含量，其中α相成分點(diǎn)為Cu-22.5%Zn-3.45%Al，γ相成分點(diǎn)為Cu-18%Zn-11.5%Al。3）分析圖中Y合金的凝固過(guò)程。YY解答：1）Cu-30%Zn-10%Al合金的成分點(diǎn)見圖中X點(diǎn)。2）Cu-20%Zn-8%Al合金，位于α+γ兩相區(qū)邊界線上，由α＋γ兩相組成。Cu-25Zn-6Al合金位于α＋＋γ的三相區(qū)中，由α＋＋γ的三相區(qū)組成，可以從圖中讀出各相成分點(diǎn)：α：Cu-22.6Zn-3.45Al,γ：Cu-18Zn-11.5Al,β：Cu-30Zn-4Al故Cu-20Zn-8Al合金中α％＝×100％＝43.50%，γ％＝1－α％＝56.5%Cu－25Zn－6Al合金中＝×100％=50%α%=(1-)×43.5%=21.75%,γ％=(1-)×56.5%=28.25%3)Y合金凝固過(guò)程：L－α，L－α＋β，β－α（10分）畫出Fe-Fe3C標(biāo)出合金在室溫下的組織組成；寫出相圖中三個(gè)等溫反應(yīng)式；分析含碳量為0.45％的合金的平衡冷卻過(guò)程；計(jì)算其在室溫下的組織組成物的相對(duì)百分含量；畫出0.45％C的合金在1148℃試分析元素C及Cr在Fe中的可能存在形式及其作用。圖3Fe-Fe3Cb．合金在室溫下的組織組成：相圖中從左到右依次為：F，F(xiàn)＋Fe3CⅢ，F(xiàn)＋P，P，P＋Fe3CⅡ，Ld＋P＋Fe3CⅡ，Ld，Ld＋Fec．含碳量為0.45％的合金的平衡冷卻過(guò)程為：L，L→A，A，A→Fe3CⅡ，A→P，室溫下得到P＋Fe3Cd．略e．元素C在Fe中可以固溶在Fe中，起到強(qiáng)化作用，與Fe形成化合物如Fe3C，分布形態(tài)不好會(huì)降