06材料科学基础试卷A(答案)

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学 号

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东 北 大 学

秦 皇 岛 分 校

课程名称： 材料科学基础 试卷： A 考试形式： 闭卷

授课专业： 材料科学与工程 考试日期： 2008年12月31日 试卷：共 4 页

一、填空题：（每空1分，共20分）

1、三元凝聚系统中最大相数是 4 。

2、某一氮气和氧气的混合物系统，其独立组元数是 2 ，相数是 1 。

3、下图为晶核的半径r 与△G 间的关系，现有不同温度的三条曲线，请指出哪条温度最高? T 1 。哪条温度最低? T 3 。

4、在单元系的p （压强）-T （温度）相图内，当高温相向低温相转变时体积

收缩，则根据克拉珀龙方程，相界线的斜率为 正 （填正、负或大

于零、小于零）。

5、测定某种晶体凝固时生长速度（υg ）与液固相界面前端动态过冷度（△T K ）的关系为υg 正比于△T K 2，则该晶体的长大属于 借螺型位错长大

方式。

6、一般金属在非均匀形核时，所需的过冷度是其结晶温度Tm 的0.02

倍。

7、高分子从熔体冷却结晶时，通常形成 球晶 。高分子的熔点随其晶

片厚度的增加而 增加 。

8、二元包晶合金中，有α相和β相两相，α相是初生相，其包晶转变式为βα→+L 9、调幅分解是经过 组元的上坡扩散 方式形成。

10、有效分配系数K e 表示液相的混合程度，其值范围是 K 0

11、在金属-金属型共晶中有两组成相，其中一组成相的体积百分数为23.6%，则共晶组织可能呈 棒状共晶 形状。

12、高分子合金中难以形成单相组织的主要原因是合金化时 混合熵小 。 13、“树脂”通常是两种单体经 缩聚 反应得到的聚合物的称谓。

14、工程高分子聚合物按性能可分为五大类型 塑料 、 橡胶 、 纤维 、胶粘剂和涂料。

15、纳米材料是指三维中至少有一维的尺度小于 100nm 的固体材料。（写出具体数字和单位）

二、单项选择题（每题1分，共25分）

三：简答题（4小题，共25分） 1、（本题5分）铸锭组织通常包含哪三个晶区，简述其形成原因。 答案：铸锭的典型宏观组织由表层细晶区，柱状晶区和中心等轴晶区3个部分组成。 其形成的机理如下： 由于模壁的散热作用，使靠模壁处的液体金属先形成过冷状态，也可能由于模壁帮助液体金属的非均匀形核，因此在接触模壁处的液体金属首先形核结晶。此处的形

核率很大，而且各方向都能散热，结果形成细小、等轴的晶粒。 由于在垂直模壁方向的散热速度最快，且晶体向散热的反方向长大，因此晶体也就在垂直模壁方向以很大的线速度向液体伸展。这时，长大的主轴差不多垂直于模壁；结晶潜热只依靠已结晶的固体和模壁来释散。这样，在细小等轴晶体的内层就会长成粗大的、向单方向迅速长大的柱状晶体。 柱状晶体继续长大，当铸锭中心的液体温度逐渐均匀并过冷到熔点以下，产生形

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核并长大，形成等轴晶区。

2、（本题5分）对陶瓷与耐火材料是十分重要的Al 2O 3-SiO 2二元相图，在生产中具有重要的指导意义。

① 看相图指出粘土砖的成分范围。

② 定性说明粘土砖使用温度不能超过1700℃的原因？

答案：粘土砖中含Al 2O 3的质量分数为35%～50%。

在低共熔E 的右侧，液相线开始较陡随后比较平坦。平坦一段表明液相量随温度的变化是敏感的。例如组成35wt%Al 2O 3的粘土砖，当升温到1595℃（低共熔点）时最多可产生50%左右的液相，到1700℃液相量才增到60%，但温度大于1700℃时，只要温度稍有提高，液相量就大幅度增加，使粘土砖软化，不能安全使用。 3、（本题6分）Al-Cu 合金经脱溶转变后呈现时效硬化现象。以含4%Cu 的铝合金为例，

① 试述人工时效处理的工艺过程。

② 试述在此时效过程中，脱溶演变和时效强化的变化关系。

答案：

将含4%Cu 的铝合金加热至520～540℃，使成为均匀的α固溶体相，这一过程称为固溶处理。经固溶处理后的α相淬火，成为亚稳定的固溶体。合金经固溶处理和淬火后，在高温停留一段时间使硬度增高，这一过程称为人工时效处理。

过饱和α相在时效处理过程中，将发生脱溶分解，随着保温时间增长而形成不同类型的过渡相。时效初期形成G . P.区，硬度开始增加；时效时间延长，合金中形成过渡相θ//，θ//与α相基体保持共格，但产生一定的弹性畸变，形成弹性应变场，θ//是合金强化相，继续延长时效时间，θ//的密度达到很高，此时合金达到最高的硬度值；当温度更高或者时效时间更长，合金中析出θ/相，而θ//逐渐减小直至消失，θ//与α相基体不能保持共格，θ/周围的应变场减弱，合金的硬度开始下降，过时效。

4、（本题9分）下左图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%和ω(C)=50%。右图为某一温度（高于三元共晶转变温度T E ）的水平截面图。

① A 、B 和C 三组元的熔点哪个最低？

② 在左图中大致标出液态成分为ω(A)=60%，ω(B)=15%和ω(C)=25%的合金的成分点（标为P 点）。

③ 该成分合金平衡凝固到室温，试画出平衡冷却曲线和室温平衡组织。

④ 计算该合金中共晶组织在铸锭中的质量分数。

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答案：

C 组元熔点最低；

()％＝＝－－＝

共晶组织7580

60

2010060100ω

四、计算题（4小题，共25分）

1、（本题5分）超细晶粒的制备已成为提高材料强韧性的主要手段之一。通过凝固的快冷（即增加过冷度）是获得细晶铸件的重要方法。已知铜的凝固温度T m ＝1356K ，熔化热L m ＝1628×106J/m 2，比表面能σ＝177×10-3J/m 2。试求欲在均匀形核条件下获得半径为2nm 晶粒所需的过冷度？（2007）

答案：由公式T L T r m m ∆=σ2*

得 K r L T T m m 4.14710

21016281356

10177229

63*=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==∆--σ 2、（本题5分）试求出8%B （溶质）二元合金在定向凝固中保持平面型液-固界面推移的凝固速度R 。已知温度梯度G=225℃/cm ，B 组元扩散系数D ＝2×10-4cm 2/s ，平衡分配系数k 0=0.3，二元合金液相斜率m ＝0.142℃/%B （即每增加1%B 溶质浓度所降低的温度为0.142℃）。（2000） 答案：由

01k k D m R G -⋅≥ω 得 ()

s cm k k m GD R /017.03.018142.03

.010*********≤-⨯⨯⨯⨯⨯≤-⋅≤-ω

即当凝固速度小于或等于s cm /017.0时，才能保持液/固界面为平直界面。

3、（本题5分）为了研究高分子材料结晶程度，通常测量它在结晶过程中的体积变化和热效应。已知一高分子材料结晶时间为7.6min 时，结晶度为3.41%；38.1min 时，结晶度为99.3%。请计算阿弗拉密指数n ，结晶速率常数k 和半结晶期t 1/2。 答案：设高分子材料未结晶体积分数为u ϕ，则由公式n

kt u e -=ϕ得到如下关系：

()t n k u lg lg ln lg +=-ϕ

根据题意，()6.7lg lg 9659.0ln lg n k +=- ()1.38lg lg 007.0ln lg n k +=- 得到：阿弗拉密指数n ＝3.08

结晶速率常数k=6.7×10-5 再由公式n t k 2

/12

ln =

，可以得到半结晶期min 1012

ln 2/1==k

t

4、（本题10分）碳钢和铸铁是最为广泛使用的金属材料，铁碳相图是研究钢铁材料的组织、性能及热加工和热处理的重要工具。

① 准确画出铁碳合金相图（包括重要的三相转变线、转变温度和分界点的成分）。 ② 按含碳量从小到大的顺序，对铁碳合金分类，并指出对应的室温组织各是什么？ ③ 计算ω

c =4%的铁碳合金按亚稳态冷却到室温后，组织中珠光体、二次渗碳体和莱氏体的相对含量；并计算组织组成物珠光体中渗碳体和铁素体的相对量。