材料科学基础习题含答案

材料科学基础考前重点复习题

1.Mn 的同素异构体有一为立方结构，其晶格常数为0.632nm，密度为7.26 g/cm 3，原子半

径r等于0.122nm，问Mn 晶胞中有几个原子，其致密度为多少？答案解析：习题册P9 2-22.

2.如图1 所示，设有两个相晶粒与一个相晶粒相交于一公共晶棱，并形成三叉晶界，已知相所

张的两面角为80℃，界面能为0.60Jm-2, 试求相与相的界面能。

图1

答案解析：习题册P17 3-42.

3.有两种激活能分别为Q1＝53.7kJ/mol和Q2＝201kJ/mol 的扩散反应，观察在温度从25℃升高到800℃时对这两种扩散的影响，并对结果进行评述。

答案解析：习题册P21 4-8.

4.论述强化金属材料的方法、特点和机理。

答：(1)结晶强化。通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，提高金

属材料的性能。包括细化晶粒，提高金属材料纯度。

(2)形变强化。金属材料在塑性变形后位错运动的阻力增加，冷加工塑性变形提高其强度。

(3)固溶强化。通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使金属材料强化。

(4)相变强化。合金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料强化。

(5)晶界强化。晶界部位自由能较高，存在着大量缺陷和空穴。低温时，晶界阻碍位错运动，晶界强度高于晶粒本身；高温时，沿晶界扩散速度比晶内扩散速度快，晶界强度显著降低。强化晶界可强化金属材料。

5.什么是回复，请简述金属材料冷变形后回复的机制。试举例说明回复的作用。答：(1)回复是冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但物理性能、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。

(2)回复机制：低温回复主要与点缺陷迁移有关，冷变形时产生大量的点缺陷，空穴与间隙原子。温度较高时，中温回复会发生位错运动和重新分布。位错滑移，异号位错相遇而抵消，位错缠结重新排列，位错密度降低。高温回复，刀刃位错可获得足够的能量产生攀移，垂直排列形成亚晶界，多边化亚晶粒，位错弹性畸变能降低。

6.请简述扩散的微观机制有哪些？什么是短路扩散？试举例说明短路扩散在材料制备中的应用一例。

答：（1）主要有间隙扩散、空位扩散。

（2）晶体中原子沿表面、晶界、亚晶界、位错等结构缺陷的扩散速度比原子在晶内扩散的速度快，因此称这种扩散为短路扩散。

7.简述一次再结晶与二次再结晶的驱动力，并说明如何区分冷、热加工？动态再结晶与静态再结晶后的组织结构的主要区别是什么？试举例说明动态再结晶在实际生产中的一个实例。答案解析：习题册P31 5-44.

8.请简述扩散的微观机制有哪些？影响扩散的因素又有哪些？答：（1）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）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。

（3）影响扩散的主要因素有：温度（温度越高，扩散速度越快）；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）。

9.试分析冷塑性变形对合金组织结构、力学性能、物理化学性能、体系能量的影响。答：（1）组织结构：形成纤维组织；晶粒沿变形方向被拉长；形成位错胞；晶粒转动形成变形织构。（2）力学性能：位错密度增大，位错相互缠绕，运动阻力增大，造成加工硬化。

（3）物理化学性能：其变化复杂，主要对导电，导热，化学活性，化学电位等有影响。

（4）体系能量：因冷变形产生大量缺陷引起点阵畸变，使畸变能增大；因晶粒间变形不均匀和工件各部分变形不均匀引起的微观内应力和宏观内应力。这两部分统称为存储能，其中前者为主要。冷变形后引起的组织性能变化为合金随后的回复、再结晶作了组织和能量上的准备。

10.请根据所附二元共晶相图分析解答下列问题：

1）说明室温下I、II 的相和组织是什么？并计算出相和组织的相对含量；

2）如果希望得到室温组织为共晶组织和5%的β 初的合金，求该合金的成分；

答：（1）I ：α 初＋β II

相组成与组织组成比例相同。

2）设所求合金成分为x

II ：β 初＋（α ＋β ）共＋β II （忽略）

（3）I 合金在快冷条件下可能得到少量的共晶组织，且呈现离异共晶的形态，合金中的β II 量会减少，甚至不出现；

II 合金在快冷条件下β 初呈树枝状，且数量减少。共晶体组织变细小，相对量增加。

11.什么是固溶体，什么是中间相，说明间隙固溶体与间隙化合物有什么异同。对上述4 类物质请给出一个具体的物质。

答：（1）固溶体：以合金中某一组元作为溶剂，其他组元最为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构，晶格常数稍有变化的固相，称为固溶体。

（2）中间相：两组元的相对尺寸差，电子浓度及电负性差都有一容限，当溶质原子的加入量超过此容限时，将会形成一种新相，这种新相称为中间相。

（3）间隙固溶体与间隙化合物的比较：

12. 陶瓷材料中主要结合键是什么？从结合键的角度解释陶瓷材料所具有的特殊性能。答：陶瓷材料中主要的结合键是离子键及共价键。由于离子键及共价键很强，故陶瓷的抗压强度很高，硬度极高。因为原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定的结构状态，不能自由运动，故陶瓷材料的熔点很高，抗氧化性好，耐高温，化学稳定性高。

13. 试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。答：（1）分析结晶相变时系统自由能的变化可知，结晶的热力学条件为?G<0；由单位体积自由能的变化?G B = - L m?T/ T m 可知，只有?T>0，才有?G B<0。即只有过冷，才能使?G<0。

（2）动力学条件为液—固界面前沿液体的温度T

（4）液体中存在的结构起伏，是结晶时产生晶核的基础。因此，结构起伏是结晶过程必须具备的结构条件。

14. 为什么钢铁零件渗碳温度一般要选择γ相区中进行？若不在γ相区进行会有什么结果？答：因α-Fe 中的最大碳熔解度（质量分数）只有0.0218 ％，对于含碳质量分数大于0.0218 ％