材料科学与工程基础期末试题

《材料科学基础》试卷Ⅴ
一、填空题(20分，每空格1分)
1. 相律是在完全平衡状态下，系统的相数、组元数和温度压力之间的关系，是系统的平衡条件的数学表达式：f=C-P+2
2.二元系相图是表示合金系中合金的相与温度、成分间关系的图解。

3.晶体的空间点阵分属于7 大晶系，其中正方晶系点阵常数的特点为a=b≠c,α=β=γ
=90°，请列举除立方和正方晶系外其他任意三种晶系的名称三斜、单斜、六方、菱方、正交（任选三种）。

4.合金铸锭的宏观组织包括表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区三部分。

5．在常温和低温下，金属的塑性变形主要是通过滑移的方式进行的。

此外还有孪生和扭折等方式。

6.成分过冷区从小到大，其固溶体的生长形态分别为平面状，胞状和树枝状。

1．原子扩散的驱动力是：组元的化学势梯度
2．凝固的热力学条件为：过冷度
3. 某金属凝固时的形核功为△G*，其临界晶核界面能为△G，则△G*和△G的关系为△G* =1/3 △G
5．金属液体在凝固时产生临界晶核半径的大小主要取决于过冷度。

6．菲克第一定律表述了稳态扩散的特征，即浓度不随变化。

7. 冷变形金属加热过程中发生回复的驱动力是：冷变形过程中的存储能
9.合金铸锭的缺陷可分为缩孔和偏析两种。

二、判断题（正确的打“√”错误的打“×”，每题1分，共12分）
1. 体心立方结构是原子的次密排结构，其致密度为0.74。

（×）
2. 同一种空间点阵可以有无限种晶体结构，而不同的晶体结构可以归属于同一种空间点阵。

（√）
3. 结晶时凡能提高形核率、降低生长率的因素，都能使晶粒细化。

（√）
4. 合金液体在凝固形核时需要能量起伏、结构起伏和成分起伏。

（√）
5. 小角度晶界的晶界能比大角度晶界的晶界能高。

（×）
6. 非均匀形核时晶核与基底之间的接触角越大，其促进非均匀形核的作用越大。

（×）
7. 固溶体合金液体在完全混合条件下凝固后产生的宏观偏析较小。

（×）
8. 冷形变金属在再结晶时可以亚晶合并、亚晶长大和原晶界弓出三种方式形核。

（√）
9. 动态再结晶是金属材料在较高温度进行形变加工同时发生的再结晶、其形变硬化与再结晶软化交替进行。

（√）
10. 金属-非金属型共晶具有粗糙-光滑型界面，所以它们多为树枝状、针状或螺旋状形态。

（√）
11. 孪生变形的速度很快是因为金属以孪生方式变形时需要的临界分切应力小。

（×）
12. 相图的相区接触法则是相邻相区相数差1。

（√）
三、简答题（28分）
1. 试述孪生和滑移的异同，比较它们在塑性过程中的作用。

（10分）
答：相同点：
a.宏观上，都是切应力作用下发生的剪切变形；（1分）
b. 微观上，都是晶体塑性变形的基本形式，是晶体一部分沿一定晶面和晶向相对另一部分的移动过程；（1分）
c. 不改变晶体结构。

（1分）
不同点：
a. 晶体中的取向
滑移：晶体中已滑移部分与未滑移部分的位向相同。

孪生：已孪生部分和为孪生部分的位向不同，且两者之间具有特定的位向关系。

（1分）b. 位移的量
滑移：沿滑移方向上原子间距的整倍数，且在一个滑移面上的总位移较大。

孪生：原子的位移小于孪生方向的原子间距，一般为孪生方向原子间距的1/n。

（1分）c. 变形方式
滑移：不均匀切变孪生：均匀切变（1分）
d. 对塑性变形的贡献
滑移：对塑性变形的贡献很大，即总变形量大。

孪生：对晶体塑性变形有限，即总变形量小。

（1分）
e. 变形应力
滑移：有确定的临界分应力。

孪生：所需临界分切应力一般高于滑移所需的临界分切应力。

（1分）
f. 变形条件
滑移：一般情况先发生滑移变形
孪生：当滑移变形难以进行时，或晶体对称性很低、变形温度较低、加载速率较高时。

g. 变形机制
滑移：全位错运动的结果。

孪生：不全位错运动的结果。

（1分）
2. 请简述扩散的微观机制有哪些？影响扩散的因素又有哪些？（8分）
答：置换机制：包括空位机制和直接换位与环形换位机制，其中空位机制是主要机制，直接换位与环形换位机制需要的激活能很高，只有在高温时才能出现。

（2分）
间隙机制：包括间隙机制和填隙机制，其中间隙机制是主要机制。

（2分）
影响扩散的主要因素有：温度（温度约高，扩散速度约快）；晶体结构与类型（包括致密度、固溶度、各向异性等）；晶体缺陷；化学成分（包括浓度、第三组元等）。

（4分）
3. 简述材料强化的主要方法、原理及工艺实现途径。

(10分)
1.答案：加工硬化：是随变形使位错增殖而导致的硬化；(2分)
细晶强化：是由于晶粒减小，晶粒数量增多，尺寸减小，增大了位错连续滑移的阻力导致的强化；同时由于滑移分散，也使塑性增大。

该强化机制是唯一的同时增大强度和塑性的机制。

弥散强化：又称时效强化。

是由于细小弥散的第二相阻碍位错运动产生的强化。

包括切过机制和绕过机制。

(2分)
复相强化：由于第二相的相对含量与基体处于同数量级是产生的强化机制。

其强化程度取决于第二相的数量、尺寸、分布、形态等，且如果第二相强度低于基体则不一定能够起到强化作用。

(2分)
固溶强化：由于溶质原子对位错运动产生阻碍。

包括弹性交互作用、电交互作用和化学交互作用。

(2分)
分析位错的增值机制。

（5分）
2.答：若某滑移面上有一段刃位错AB，它的两端被位错网节点钉住不能运动。

（1分）现沿位错b方向加切应力，使位错沿滑移面向前滑移运动，形成一闭合的位错环和位错环内的一小段弯曲位错线。

（2分）只要外加应力继续作用，位错环便继续向外扩张，同时环内的弯曲位错在线张力作用下又被拉直，恢复到原始状态，并重复以前的运动，络绎不绝地产生新的位错环，从而造成位错的增殖，并使晶体产生可观的滑移量。

（2分）
请简述回复的机制及其驱动力。

答：低温机制：空位的消失；中温机制：对应位错的滑移（重排、消失）
高温机制：对应多边化（位错的滑移＋攀移）；驱动力：冷变形过程中的存储能（主要是点阵畸变能）。

1. 为什么滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。

2. 什么是成分过冷？它对液固界面的形貌有何影响？
3. 对于金属金属型共晶，决定其形貌是片状或棒状的因素是什么？
1. 答案：因为原子密度最大的晶面其面间距最大，点阵阻力最小，因而容易沿着这些面发生滑移；滑移方向为原子密度最大的方向是由于最密排方向上的原子间距最短，即位错b 最小。

2. 答案：成分过冷：在合金的凝固过程中，由界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷称为成分过冷。

它对液固界面的形貌影响为：成分过冷由小到大，液固界面的形貌由平面状过渡到胞状再到树枝状。

3答案：主要取决于两个因素：（1）两相的体积分数，如果有一相的体积分数小于27%时，则形成棒状共晶，否则形成片状共晶； （3分）（2）两相之间的界面能，界面能小，则形成片状共晶。

一般情况下，当两相有固定的位向关系时则可能形成片状共晶。

四、作图与计算题（40分，每题10分）
1、氧化镁（MgO ）具有NaCl 型结构，即具有O 2-离子的面心立方结构。

问：
（1）若其离子半径
+2Mg r =0.066nm ，-2O r ＝0.140nm ，则其原子堆积密度为多少？ （2）如果+2Mg r /-2O r ＝0.41，则原子堆积密度是否改变？
2、某面心立方晶体的可动滑移系为]101[ )111(、。

（1）请指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量；
（2）若滑移由刃位错引起，试指出位错线的方向；
（3）请指出在（2）的情况下，位错线的运动方向；
（4）假设在该滑移系上作用一大小为0.7MPa 的切应力，试计算单位刃位错线受力的大小和方向（取点阵常数为a ＝0.2nm ）。

3. 画出Fe-Fe 3C 相图，并根据Fe-Fe 3C 相图，(1)分别求ω（C)=2.11%，ω（C)=
4.30%的
二次渗碳体的析出量。

(2)画出ω（C)=4.30%的冷却曲线。

4. 图(a)为固态互不溶解的三元共晶相图的浓度三角形，其中三元共晶点E 的成分为ω(A)=20%，ω(B)=30%，ω(C)=50%。

图(b)为某一温度(高于TE)的水平截面图。

问：
(1)A ，B 和C 三组元的熔点谁最低？
(2)若有一液态成分为ω(A)=60%，ω(B)=15%，ω(C)=25%的合金(其B/C 成分比三元共晶合金相同)平衡凝固到室温，试分析室温平衡组织并画出平衡冷却曲线。

(3)计算该合金中共晶组织在铸锭中的质量分数。

《材料科学基础》 试卷Ⅴ答案
四、作图与计算题（40分，每题10分）
1、氧化镁（MgO ）具有NaCl 型结构，即具有O 2-离子的面心立方结构。

问：
（1）若其离子半径
+2Mg r =0.066nm ，-2O r ＝0.140nm ，则其原子堆积密度为多少？ （2）如果+2Mg r /-2O r ＝0.41，则原子堆积密度是否改变？
答：（1） 点阵常数
nm r r a O Mg 412.0)(222=+=-+ （3分） 堆积密度73.04
)(43322=⨯+=-+a r r P O Mg f π （3分）
（2）堆积密度会改变，因为P f 与两异号离子半径的比值有关。

（4分）
2、某面心立方晶体的可动滑移系为]101[ )111(、。

（1）请指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量；
（2）若滑移由刃位错引起，试指出位错线的方向；
（3）请指出在（2）的情况下，位错线的运动方向；
（4）假设在该滑移系上作用一大小为0.7MPa 的切应力，试计算单位刃位错线受力的大小（取点阵常数为a ＝0.2nm ）。

答：（1）柏氏矢量：]101[2a b = ； (2分)
（2）位错线方向：[112]； (2分)
（3）位错线运动方向平行于柏氏矢量； (2分)
（4）m MN b F /10899.911-⨯==τ (4分)
3. 画出Fe-Fe 3C 相图，并根据Fe-Fe 3C 相图，(1)分别求ω（C)=2.11%，ω（C)=
4.30%的
二次渗碳体的析出量。

(2)画出ω（C)=4.30%的冷却曲线。

答案：（1）ω（C)=2.11%时，Fe 3C Ⅱ=77
.069.677.011.2--×100%=22.6% （1分） ω（C)=4.30%时，共晶中奥氏体的量为：11
.269.630.469.6--=γ×100%=52.18% （1分） 则共晶中奥氏体可析出Fe 3C Ⅱ的量为：Fe 3C Ⅱ=52.18×77
.069.677.011.2--=11.8% （1分） [或者先求ω（C)=4.30%时铁碳合金在共析反应前的渗碳体的总量为
（Fe 3C ）t =77
.069.677.03.4--×100%=60% （1分）
然后从（Fe3C）t中减去共晶中Fe3C的量，即得Fe3CⅡ的量
Fe
3C
Ⅱ
=（
11
.2
69
.6
11
.2
3.4
77
.0
69
.6
77
.0
3.4
-
-
-
-
-
）×100% =11.8% （1分）]
(2) ω（C)=4.30%的冷却曲线（2分）
4. 图(a)为固态互不溶解的三元共晶相图的浓度三角形，其中三元共晶点E的成分为
ω(A)=20%，ω(B)=30%，ω(C)=50%。

图(b)为某一温度(高于TE)的水平截面图。

问：
(1)A，B和C三组元的熔点谁最低？
(2)若有一液态成分为ω(A)=60%，ω(B)=15%，ω(C)=25%的合金(其B/C成分比三元共晶合金相同)平衡凝固到室温，试分析室温平衡组织并画出平衡冷却曲线。

(3)计算该合金中共晶组织在铸锭中的质量分数。

答：（1）C最低(2分)
（2）A+(A+B+C) (2分
)
(3
分)
(3) ω(共晶组织)=20/60=33.3% (3分)。