材基本学期作业题

第二章固体结构一.解释下列名词：拓扑密排相,多晶型性/同素异构体/同素异构转变,固溶强化，有序固溶体,有序畴，反相畴界。

二、简述题1、写出3种典型金属晶体的密排方向、密排面及堆垛方式，画出FCC 和BCC结构中的一个四面体间隙和一个八面体间隙位置。

2、原子间结合能相对大小与固溶体微观不均匀性的关系。

3、影响固溶体有序化的主要因素。

三、分析计算题1、影响两类固溶体溶解度的主要因素。

2、各类型中间相的概念、结构特点与影响因素。

3. 含12.3wt% Mn、1.34wt%C的奥氏体钢，其点阵常数为0.3624nm，密度为7.83g/cm3，已知C、Fe、Mn的原子量分别为12，55.84，54.92，试计算此奥氏体钢晶胞内的实际原子数，并分析C、Mn在此奥氏体钢的固溶方式。

4.当Fe从fcc结构转变为bcc结构时，a)按晶体的钢球模型，若球的直径不变，计算其体积膨胀多少？b)经x射线衍射测定在912℃时，α-Fe的a=0.2892nm，γ-Fe的a=0.3633nm, 计算从γ-Fe转变为α-Fe 时，其体积膨胀为多少？与a)相比，说明导致差别的原因。

5. β-黄铜（CuZn）具有体心立方结构，其Zn与Cu原子之比为46∶54，在450℃时若有90%的(1/2 1/2 1/2)位置被铜原子占据，问有多少百分数的(0 0 0)位置被铜原子占据?第三章晶体缺陷1、解释以下基本概念：肖脱基空位、弗兰克尔空位、刃型位错、螺型位错、混合位错、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移、位错的攀移、弗兰克-瑞德源、派-纳力、单位位错、不全位错、堆垛层错、位错反应、扩展位错。

2、纯铁的空位形成能为105 kJ/mol 。

将纯铁加热到850℃后激冷至室温（20℃），假设高温下的空位能全部保留，试求过饱和空位浓度与室温平衡空位浓度的比值。

(e 31.8=6.8X1013）3、计算银晶体接近熔点时多少个结点上会出现一个空位（已知：银的熔点为960C ，银的空位形成能为1.10 eV ）。

4、割阶或扭折对原位错线运动有何影响？5、 一个位错环能否各部分都是螺位错?能否各部分都是刃位错?为什么?6、如图2-56，某晶体的滑移面上有一柏氏矢量为b 的位错环，并受到一均匀切应力τ。

（1）分析该位错环各段位错的结构类型。

（2）求各段位错线所受的力的大小及方向。

（3）在τ的作用下，该位错环将如何运动？（4）在τ的作用下，若使此位错环在晶体中稳定不动，其最小半径应为多大？7、在面心立方晶体中，把两个平行且同号的单位螺型位错从相距100nm 推进到3nm 时需要用多少功（已知晶体点阵常数a=0.3nm,G=7﹡1010Pa ）？ (3100210032ln 22ππGb dr w r Gb ==⎰； 1.8X10-9J ）8、在简单立方晶体的（100）面上有一个b=a[001]的螺位错。

如果它(a)被（001）面上b=a[010]的刃位错交割。

(b)被（001）面上b=a[100]的螺位错交割，试问在这两种情形下每个位错上会形成割阶还是弯折？（（a ）：见P98图3.21， NN ′在（100）面内，为扭折，刃型位错；(b)图3.22，NN ′垂直（100）面，为割阶，刃型位错）9、一个]101[2-=a b 的螺位错在（111）面上运动。

若在运动过程中遇到障碍物而发生交滑移，请指出交滑移系统。

对FCC 结构：（1 1 -1）或写为（-1 -1 1）10、面心立方晶体中，在（111）面上的单位位错]101[2-=a b ，在（111）面上分解为两个肖克莱不全位错，请写出该位错反应，并证明所形成的扩展位错的宽度由下式给出：γπ242b G d s ≈ 应为 γπ242a G d s ≈（G 为切变模量，γ为层错能）（P116式3.33，两个矢量相乘的积=|b1|˙|b2|˙cos(两矢量夹角)11、在面心立方晶体中，（111）晶面和）（-111晶面上分别形成一个扩展位错：（111）晶面：]211[6]112[6]110[2----+→a a a =A+B)111(-晶面：]211[6]211[6]011[2a a a +→-=C+D 两个扩展位错在各自晶面上滑动时，其领先位错相遇发生位错反应，求出新位错的柏氏矢量；用图解说明上述位错反应过程；分析新位错的组态性质。

(交线/位错线[-1 1 0]；4种可能反应：领先A-领先C：a/6[1 1 0], A-D： a/6[3 0 1],B-C：a/6[0 3 -1],B-D：a/3[1 1 0]；中间两种位错不够稳定，继续分解出 a/6[1 1 0]、另一分解的位错之后再与C或A反应，形成D或B；前三种反应最终结果为：B-（111）层错- a/6[110]- (11-1)层错-D。

几乎所有教科书将该组态称为面角位错，是最低能态的稳定结构。

注意：固定位错（不能滑移，如滑移面不在FCC的{111}面的纯刃型不全位错）（例如：位错线方向为[-1 1 0]，柏矢为a/6[110]），加上两个相交{111}面（例如交于[-1 1 0]）上两片的层错及相应的不全位错a/6<112>的复杂位错组态称为面角位错。

)后一种为A-（111）层错- a/3[110]- (11-1)层错-C。

但从能量角度考虑，层错宽度较窄，在外力作用下易被压缩（即分解组态- -扩展位错的束集），面角位错组态在交线处合并成a/2[110]固定位错- -压杆位错，滑移面为（0 0 1）。

12. 拉伸试验的应变速度一般是 1～10-6s-1，设能动的位错密度为108cm-2，计算位错的平均速度。

b=0.3nm。

13. 以爆破成形加工工件，应力波持续的时间约 10-6s，若工件变形量为 10%，可动位错密度为 1010cm-2，位错的平均速度多大？b=0.3nm。

14.为什么空位是热力学稳定缺陷，而位错是非热力学稳定缺陷。

15. 请判定下列位错反应能否进行，若能够进行，在晶胞图上做出矢量图。

（1）（2）（均能）16. 试述针对工业纯铝、Al－5％Cu合金、Al－5％Al2O3复合材料分别可能采用那些主要的强化机制来进行强化。

17、如何理解“不能简单地将表面视为体相的中止”？18、固体（晶体）表面自由能的本质是什么？19、已知简单立方晶体的表面自由能为202222d E l k h lk h b hkl ⋅++++=γ，式中，b E 是键能，0d 为键长，证明对于所有满足关系0]100[=⋅n 的表面（n 为表面的法线矢量），有)sin cos (20θθγθ+=d E b ，式中θ为表面与（001）的夹角（参见图3-8）。

20、什么是晶体的平衡形状？证明平衡形状就是表面自由能级图中的内接多边形。

第四章 固体中原子及分子的运动1、利用表4-2中铜在铝中的扩散数据，计算在447℃和497℃加热时，铜在铝中的扩散系数。

设有一个Al-Cu 合金铸锭，内部存在枝晶偏折，其二次晶轴之间的距离为0.01cm ，试计算该铸锭在上述两温度均匀化退火时使成分偏折的振幅降低到1%所需要的保温时间。

(D1=1.147﹡10-15m 2/s; D2=5.011﹡10-15m 2/s;t1=1.02﹡106s; t2=2.33﹡105s)2、碳在奥氏体中的扩散系数可近似用下式计算：123)10138(exp 2.0-⋅⨯-=s cm T R D（1） 试计算在927C 时碳在奥氏体中的扩散系数；（2） 在该温度要使试样的1mm 和2mm 深处的碳浓度达到0.5%，需要多久时间？（3） 在一给定时间内要使碳的渗入深度增加一倍，需要多高的扩散退火温度？3、设有一盛氢的钢容器，容器里面的压力为10大气压而容器外面为真空。

在10大气压下氢在钢内壁的溶解度为3210--⋅cm g 。

氢在钢中的扩散系数为12510--⋅s cm ，试计算通过1mm 厚容器壁的氢扩散通量。

(先求通解，再求积分常数（-J/D ），可得J=10-5kg/m 2s)4、870℃渗碳与927℃渗碳比较，其优点是热处理后产品晶粒细小。

（1）试计算上述两种温度下碳在e F -γ中的扩散系数。

已知131********,100.2---⋅⨯=⋅⨯=mol J Q s m D 。

（2）870℃渗碳需要多长时间才能获得927℃渗碳10 h 的渗碳厚度（不同温度下碳在e F -γ中溶解度的差别可忽略不计）？（3）若渗层厚度测至碳含量为0.3%处，试问870℃渗碳10 h 所达到的渗层厚度为927℃渗碳相同时间所得厚度的百分之几？(D1=8.01﹡10-12m 2/s; D2=1.613﹡10-11m 2/s;t1=20.1h; 70.5%)5、作为一种经济措施，可以设想用纯铅代替铅锡合金制作对铁进行钎焊的焊料。

这种办法是否适用？原因何在？6、试从以下几方面讨论锌在以铜为基的固溶体中的均匀化问题。

（1）在有限时间内能否使不均匀性完全消失？为什么？（2）已知锌在铜中的扩散时1250101.2--⋅⨯=s m D ，1310171-⋅⨯=mol J Q ，求815℃锌在铜中的扩散系数。

（3）若锌的最大成分偏差为5% ，含锌量最低区与最高区的距离为0.1 mm ，试计算815℃均匀化退火使最大成分偏差降至0.1% Zn 所需要的时间。

（4）铸造合金均匀化退火前冷加工对均匀化过程有无影响？是加速还是减缓？为什么？（不能；D=1.3﹡10-13m 2/s ；t=8.5h;加速）7．三元系发生扩散时，扩散层内能否出现两相共存区？能否出现三相共存区？为什么？8. 一块厚钢板，w (C)=0.1％，在930℃渗碳，表面碳浓度保持w (C)=1％，设扩散系数为常D =0.738exp[-158.98(kJ/mol)/RT ]（cm 2⋅s -1）。

问距表面0.05cm 处碳浓度w (C)升至0.45％所需要的时间。

若在距表面0.1cm 处获得同样的浓度（0.45%）所需时间又是多少?推导出在扩散系数为常数时，在同一温度下渗入距离和时间关系的一般表达式。

t=5.05h; t=20.18h;9.根据下图所示Fe-O 相图：分析纯铁在1000℃空气环境下长时间放置后，其氧化层不同深度中的物相特征。

（未达到平衡）第5章材料的形变和再结晶1、室温下枪弹击穿一铜板和铅板，试分析长期保持后二板弹孔周围组织的变化及原因。

2、试讨论金属的堆垛层错能对冷变形组织、静态回复、动态回复、静态再结晶和动态再结晶的影响。

3、固溶体中溶入合金元素之后常会减小再结晶形核率，但固溶体型合金的再结晶晶粒并不粗大，为什么？4、试比较去应力退火过程与动态回复过程位错运动有何不同。

从显微组织上如何区分动、静态回复和动、静态再结晶？5、讨论在回复和再结晶阶段空位和位错的变化对金属的组织和性能所带来的影响。