材料科学基础试题

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一填空：
1 固体中的结合键分为离子键，共价键和金属键3种化学键以及分子键、氢键等物理键。

2
3 复合材料通常由基体、增强体以及它们之间形成的界面组成。

4 么宏观上完全相同，要么呈连续变化而没有突变现象。

5 扩散是固体中质量传输的唯一途径。

6
一、判断题：
1. 匀晶合金在不平衡凝固时成分会发生偏析.。

（T）
2. 刃型位错有正负之分，他们之间有本质区别。

（F）
3. 珠光体是奥氏体和渗碳体的片层状混合物。

（F）
4. 因为晶体的排列是长程有序的，所以其物理性质是各向同性。

（F）
5. 陶瓷材料的金属元素和非金属元素主要通过共价键连接。

（F）
6. 单相组织一般具有良好的延展性，而共晶合金则具有良好的铸造性能。

（T）
7. 扩散是固体中质量传输的唯一途径。

（T）
8. 在实际系统中，纯金属的凝固是非均匀形核。

（T）
9. 在空位机制中，原子的扩散可以看作是空位的移动。

（T）
10. 晶体长大微观界面为粗糙时，宏观表现为光滑界面。

（T）
11. 热膨胀的本质是原子半径的胀大。

（F）
12. 二元合金中不可能有四相共存。

(F )
13. 根据菲克定律，扩散驱动力是浓度梯度，因此扩散总是向浓度低的方向进行（F）
14. 复合材料通常由基体、增强体以及它们之间形成的界面组成。

(T )
15. 匀晶系是指二组元在液态、固态能完全互溶的系统。

（T）
16. 枝晶偏析不可以通过退火的方法消除。

（F）
17. 莱氏体和珠光体都是混合物。

（T）
18. 把一根导线反复的缠绕后其电阻将会增加。

（T）
19. 陶瓷的抗拉强度通常是抗压强度的5-10倍。

（F）
20. 先共析渗碳体是间隙固溶体，其性质硬而脆。

（F）
21. 在实际系统中，纯金属的凝固是均匀形核。

（F）
22. Fick第一定律表示通过某一截面的扩散流量与垂直这个截面方向上浓度梯度成正比，其方向与浓度降落方向一致。

（T）
23. 临界形核尺寸与其形状有密切关系。

（F）
24. 高分子化合物的大分子由链节构成，链节的重复次数称为聚合度。

（T）
25. 缩聚反应就是大分子变成小分子的反应，不一定有副产物。

( F)
26. 将薄板在冲压之前进行一道微量冷轧工序，可以消除吕德斯带。

（T）
27. 热塑性聚合物应力与应变呈线性关系主要是由链段运动引起。

（F）
28. 晶体滑移的滑移是通过位错的运动来实现的。

（T）
29．热膨胀的本质是原子间距离的增大。

（T）
30．陶瓷的抗压强度通常比抗拉强度高。

（T）
31．两相之间的自由能差值是发生相变的驱动力。

（T）
选择题：
1．属于<100>晶向族的晶向是（ABC）
（A）[010] （B）[010] （C）[001] （D）[110]
2．体心立方结构每个晶胞有（B）个原子。

（A）3 （B）2 （C）6 （D）1
3．不属于正常价化合物的有（BD）
（A）NaCl （B）CuZn3 （C）BaO （D）Fe3C
4．下列说法正确的是（BC）
（A）过冷是凝固的动力学条件。

（B）固相与液相的G-T曲线：液相总是更陡。

（C）ΔG非*=σS/3 S表示晶胚表面积σ表示单位界面自由能（D）刃型位错可看成是插入一个半原子面，所以称为面缺陷。

5．下列说法错误的是（CD）
（A）Fick第一律是假定dc/dt=0，即各截面上浓度不随时间变化。

（B）气体A在B中扩散，则Fick第二定律解为
（Cs- Cx）/（Cx - Co）=erf（x/2√dt）
（C）空位扩散激活能小于间隙扩散激活能。

（D）气体滲碳根据（B）中公式可以计算距表面任意深度的碳浓度。

6．固溶体的不平衡凝固可能造成（A）
（A）晶内偏析（B）晶间偏析
（C）集中缩孔（D）缩松
7．属于包晶反应的是（A）
（A）L+A→B （B）L+B→C+B
（C）L→A+B （D）A+B→L
8．热膨胀的本质是（C）
（A）原子间平均距离随温度升高而减少。

（B）原子直径增大。

（C）原子间平均距离温度升高而增大。

（D）晶体结构发生变化，点阵常数增大。

9．蠕变的正确说法是（B）
（A）物体在恒定应力作用下形变随温度升高逐渐增大的现象。

（B）物体在恒定应力作用下形变随时间逐渐增大的现象。

（C）物体在恒定应力作用下变形很小。

（D）物体在恒定应力下变形不规则。

10．Hall―Pectch公式是（A）
（A）σs=σ0+kd-1/2 （B）σs=σ0+kd-1/3
-1/5 （C）σs=σ0+kd （D）σs=σ0+kd
11．以下说法错误的是（B）
（A）在一个系统中，具有同一聚集状态的均匀部分称为相。

（B）同一相的结构完全相同，不能有缺陷。

（C）相成分可以有变化，但不能有突变。

12. 以下哪些工艺应用的原子扩散的理论(ABC)
（A）渗氮（B）渗碳（C）硅晶片掺杂（D）提拉单晶硅
13．金属的疲劳强度的影响因素主要有：(ABCD)
（A）化学成分（B）应力集中（C）表面状态（D）环境
14．影响铸锭性能主要晶粒区是（C）
（A）表面细晶粒区（B）中心等轴晶（C）柱状晶粒区（D）三个区影响相同15．面心立方结构晶体的滑移系数目为：（A）
（A）12 （B）8 （C）24 （D）16
16．晶态高聚物特性是：（AB）
（A）不能完全结晶（B）所有聚合物都可以结晶（C）冷却越快结晶越多17．银纹产生于：（AC）
（A）玻璃态拉伸（B）纤维束断裂（C）局部屈服（D）裂纹扩展18．复合效应指：（AC）
（A）集合了原有组分性能（B）改变了原有组分性能（C）增添了新的性能2．致密度为0.74的常见晶体结构是（BC）
（A）BCC （B）FCC （C）密排六方（D）以上全是
3．FCC结构晶体中（100）面的面密度ρ为（A）
（A）2/a2 (B)1.41/a2 (C)4/（a3√3）(D)5/a2
4．属于正常价化合物的是（D）
（A）σ相（B）Fe3C （C）CuZn （D）NaCl
5．硅酸盐的基本结构单元是（C）
（A）Si4O2- (B)Si2O76- (C)SiO44- (D)SiO42-
7．位错密度的单位是（D）
（A）cm2 （B）cm-3 （C）cm （D）cm-2
8．稳态扩散的条件是：c表示浓度，t表示时间，x表示路径，假设（C）（A）dx/dt=0 (B) dt/dx=0 (C) dc/dt=0 (D) dc/dx=0
9．下列说法中，错误的是（BC）
（A）热固性塑料是刚硬的三维网络结构，分子不易运动，在拉伸时表现为脆性。

（B）复合材料的复合效应是指它综合了原有组分的性能。

（C）颗粒增强复合材料的增强颗粒尺度为0.01～1μm。

（D）界面效应导致复合材料各组分之间呈现出协同作用。

10．根据Hall―Pectch公式可知（A）
（A）在常温下,晶粒越细,强度越大。

（B）在常温下,晶粒越细,强度越小。

（C）在常温下,晶粒大小与强度无关。

（D）在常温下,晶粒越细,冲击韧性越高。

11．以下说法错误的是（AB）
（A）脆性断裂通常沿特定晶面进行，作用的应力垂直于该晶面。

（B）陶瓷材料受外力失效主要是由组织缺陷引起的。

12．热应力的来源（ABC）
（A）热胀冷缩受到限制。

（B）温度梯度。

（C）复合材料各相膨胀系数不一样。

（D）-1/4
物质原子的热运动。

8．对于冷变形小的金属，再结晶核心形成的形核方式一般是（A）
（E）凸出形核
（F）亚晶直接形核长大形核
（G）亚晶合并形核
（H）其他方式
9．一次世界大战中，有很多黄铜弹壳因为宏观残余应力的存在而在使用过程中开裂失效，最好采用下列哪种工艺加以解决（C）
（E）再结晶处理
（F）冷变形处理
（G）回复处理
（H）热变形处理
二改错：
1 刃型位错有正负之分，他们之间有本质区别。

改：刃型位错的正负之分是相对的，只在讨论位错性质时有用。

2 过冷使固态金属自由能低于液态金属自由能，因此便发生结晶。

改：过冷只是结晶的必要条件，结构起伏(或相起伏)才是产生晶核的基础。

2 固熔体结晶的三要素是：能量起伏，结构起伏和熔体过冷。

改：固熔体结晶的三要素是：能量起伏，结构起伏和成分起伏。

3 根据菲克定律，扩散驱动力是浓度梯度，因此扩散总是向浓度低的方向进行。

改：扩散的真正驱动力是化学位梯度，因此扩散总是朝化学位减小的方向进行。

三简答：
1 晶胞：能够完全反映晶格特征的最小几何单元。

2 晶体缺陷：晶体中原子偏离其平衡位置而出现不完整性的区域称为晶体缺陷。

3 固熔体：固态下一种组元(熔质)熔解于另一种组元(熔剂)中而形成的新相。

4 凝固与结晶：物质从液态冷却转变为固态的过程称为凝固，若凝固后的物质为晶体，则这种凝固称为结晶。

四画图：（10分）
在简单立方晶胞中画出（0 1 2），（1 1 1）晶面和<1 3 0>，<1 1 0>晶向。

四、简答题：（共20分，每小题5分）
1．晶体缺陷：晶体中原子偏离其平衡位置而出现不完整性的区域称为晶体缺陷。

2．为什么三种典型晶体结构的金属塑性不同？滑移系的多少，滑移面原子密排程度及滑
移方向数目决定了金属塑性的好坏，密排六方滑移系少，塑性最差，体心立方的滑移系等于或多于面心立方，但滑移方向（2个）比面心立方（3个）少，滑移面的密排程度也较低，所以体心立方金属的塑性又比面心立方金属差。

3．用等应变理论解释两相都有较好塑性的两相合金的强化作用。

合金塑性变形过程中，两相应变相等，平均流变应力为：
σ=φ1σ1+φ2σ2
式中φ为体积分数；σ为流变应力。

当第二相强于基相时，σ2>σ1，或σ2=σ1+δ，
σ=φ1σ1+φ2（σ1+δ）=σ1+φ2δ>σ1。

合金得以强化。

4. 包晶反应速度非常缓慢的原因是：包晶反应时，β相依附于α相表面形成，并很快将α相包围起来，从而使α相与液相隔开。

欲继续进行包晶转变，必须通过β相层进行原子扩散，液相才能和α相继续相互作用生成β相。

固相中原子扩散比液相中困难得多，所以包晶反应
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速度非常缓慢。

5. 简述冷变形金属在加热过程的三个主要阶段及性能的变化。

答案要点：①三个过程：回复、再结晶、晶粒长大。

6. 举例说明材料的化学成分、组织、性能之间的关系。

例举碳钢的化学成分、组织、性
能之间的关系。

7. 简述固溶强化的本质。

固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用、电交互作用
和化学交互作用。

其中最主要的是溶质原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。

也就是说，溶质原子与位错弹性交互作用的结果，使得溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小畸变，降低体系能量，此即称为柯氏气团。

柯氏气团对位错有“钉扎”作用，为使位错挣脱气团的钉扎而运动或拖动气团运动，必须施加更大的外力。

因此，固溶体合金的强度要高于纯金属。

五计算：（25分）
根据图1所列二元相图，
（1）说明室温下合金的相和组织是什么？并计算相和组织组成物的相对含量。

（2）如果希望得到共晶组织加上相对量为5%的β初合金，求该合金的成分。

解：(1)：相为α和β；组织为α和βⅡ。

wα=(90-20)/(90-5)=82.4%
wβ=1-82.4=17.6%
(2):由(X-50)/(90-50)=5%
解得：X=70%
答：该合金成分为wB=70%。

A 5 20 50 90 B
四分析：(10分)
根据Fe-Fe3C相图，比较wc=0.004的亚共析钢在铸态和平衡态下结晶过程和室温组织有何不同。

解：(1) 平衡态：首先析出δ；包晶反应形成A；剩余液相结晶出A；从A相晶界析出先共析铁素体F；剩余A共析反应生成P；从F中析出Fe3C，但量少可忽略。

室温组织F+P。

(2) 铸态：首先析出δ；包晶反应被抑制，剩余液相结晶出A；δ转变为A；先共析反应被抑制或部分抑制；A共析转变为P；从F中析出Fe3C，但量少可忽略。

室温组织P(或含少量F)。

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Fe
Fe3C
三、分析题：
1．已知A（熔点700℃）与B（熔点620℃）在液态时无限互溶，固态时B在A中的最大固溶度（质量分数）为WB=26%，室温时为WB=5%；但A在固态和室温时均不溶于B。

在280℃时，含WB=52%的液态合金发生共晶反应。

(15分)
（1）试绘出A-B合金相图。

（2）写出共晶反应式，并计算室温下共晶体相组成物的相对含量。

2．根据Fe-Fe3C相图(12分)
（1）写出反应式a．共晶转变b.共析转变c.包晶转变（2）计算珠光体中铁素体与渗碳体的相对含量。

（3）计算含碳量0.45%的钢中组织组成物的相对含量。

（4）画出含碳0.20%的碳钢结晶过程示意图。

解：1．（1）A-B合金相图如下：
620OC 280C O
A 5 26 52 B
（2）L52% α+B
Wα=（100%-52%）/（100%-5%）×100% =50.5% WB=1-Wα=49.5%
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2．（1）（a）包晶转变L r-Fe +Fe3C
（b）共析转变：r-Fe α-Fe +Fe3C （c）包晶转变：L+δ-Fe r-Fe （2）αp=（6.69-0.77）/6.69×100%=88%
Fe3Cp=100%-88%=12%
（3）wα=（0.77-0.45）/0.77-0.0218×100%=42% wp=1-Wα=58% Fe Fe3C。