中南大学材料科学与工程学院材基大二下学期试题集锦

晶带和晶带轴:许多平行于同一晶向的不同的晶面组的总称为晶带,而与这些晶面组平行的晶向称为晶带轴.

图1为简单立方点阵晶胞,其中ABC 面的面指数是(101),AD 的晶向指数是[111]. 标出hcp 晶胞中晶面ABCDEF 面、ABO 面的晶面指数, OC 方向、OC 方向的晶向指数 ABCDEF 面的晶面指数为(0001)或(001);O AB '面的晶面指数为)1110(; OC 方向的晶向指数 为]0121[或[010];C O '方向的晶向指数为]3121[或[011].

画出fcc 晶胞中(111)晶面上的所有[110]晶向;在hcp 晶胞中画出]0211[晶向和)0011(晶面.

布拉菲点阵:应该是考虑点阵上的阵点的具体排列而得到的点阵具体排列形式，而不是强调是布拉菲数学计算得到的十四种排列.

非晶体:应该是强调组成质点的排列是否规则，而不是强调是一种新的相.

试说明晶界对材料性能及变形的影响.

晶界影响到材料的各个方面,具有晶界能,影响到多晶材料中的第二相的形状,晶界可以运动,有晶界偏聚,晶界电荷变化,承担载荷传递作用,晶界熔点低,易过烧,晶界是易扩散通道,晶界处易形核,晶界易受腐蚀;晶界对金属材料在常温下强化,高温下弱化.

根据等径刚球模型,计算fcc 、bcc 、hcp 晶胞的原子个数,致密度,配位数,原子半径与点阵常数a 的关系,指出晶胞中的密排方向和密排面 考虑hcp 晶胞的配位数,原子半径与点阵常数a 的关系,应该考虑到c/a 的关系

c/a ＝1.633,配位数＝12;原子半径r ＝a/2;

c/a ≠1.633,配位数＝6＋6;同一个面,原子半径r ＝a/2,不同原子层面

上r ＝(c 2/3＋a 2/4)1/2

画出一个fcc 晶胞中的{111}面，并画出在（111）面上的<110>方向，指出其晶向指数，在一个晶胞中共有多少这样的{111}<110>组合。（注意晶向要位于晶面上）

面上）

每个晶面上只有三个方向，如（111）上三个方向，故，四个面，每个面上三个方向，共有组合12个.

fcc 结构的密排方向是﹤110﹥,密排面是{111},密排面的堆垛顺序是ABCABC…,致密度为0.74,配位数是12 ,晶胞中原子数为4,把原子视为刚性球时,原子的半径r 与点阵常数a 的关系是r=2a 4

;bcc 结构的密排方向是﹤111﹥,密排面是{110},致密度为0.68,配位数是8,晶胞中原子数为

2,原子的半径r 与点阵常数a 的关系是r=3a 4

;hcp 结构的密排方向是﹤1120﹥,密排面是{0001},密排面的堆垛顺序是ABAB…,致密度为0.74,

配位数是12,晶胞中原子数为6,原子的半径r 与点阵常数a 的关系是r=a 2

.

Al 的点阵常数为0.4049nm,其结构原子体积是0.01659nm 3 ,每个晶胞中八面体间隙数为4,四面体间隙数为8.

纯铁冷却时在912℃发生同素异晶转变是从FCC 结构转变为BCC 结构,配位数减少 ,致密度降低,晶体体积膨胀,原子半径发生收缩. 在面心立方晶胞中画出

晶面和晶向,指出﹤110﹥中位于(111)平面上的方向.在hcp 晶胞的(0001)面上标出晶面和晶

向.

求

和两晶向所决定的晶面.

设所决定的晶面为(hkl),晶面指数与面上的直线[uvw]之间有hu+kv+lw=0,故有:h+k-l=0,2h-l=0.可以求得(hkl)＝(112)

在铅的(100)平面上,1mm 2有多少原子？已知铅为fcc 面心立方结构,其原子半径R=0.175×10-6mm.

Pb 为fcc 结构,原子半径R 与点阵常数a 的关系为,故可求得a ＝0.4949×10-6mm.则(100)平面的面积S ＝a 2＝0.244926011×0-12mm 2,每个(100)面上的原子个数为2.所以1 mm 2上的原子个数n=1/S ＝4.08×1012.

在液态纯金属中进行均质形核时,需要结构起伏和能量起伏.

液态金属均质形核时,体系自由能的变化包括两部分,其中表面自由能是形核的阻力,体积自由能是形核的动力;临界晶核半径rK 与过冷度vT 关系为T L T

r ∆-=σ2,临界形核功vGK 等于()316T L T G ∆•=∆σπ .

动态过冷度是指晶核长大时固液界面的过冷度.

在工厂生产条件下,过冷度增大,则临界晶核半径减小,金属结晶冷却速度越快,N/G 比值越大,晶粒越细小.

获得非晶合金的基本方法是快速冷却.

柱状晶和等轴晶:金属晶体结晶过程中沿着散热方向优先生长形成的长条形晶粒称为柱状晶,而如果晶粒长大时没有择优方向,向各个方向长大速度基本相等所得到的晶粒称为等轴晶.

形核功:金属凝固过程中形成晶核需要的额外能量.

金属玻璃:指金属从液态凝固后其结构与液态金属相同的固体.

试根据凝固理论,分析通常铸锭组织的特点及成因.

根据金属结晶过程的形核和长大理论以及铸锭的散热过程,可以得出通常铸锭组织的特点为外层的细等轴晶,铸锭表面向里有柱状晶,心部为粗大等轴晶.

举出凝固理论在金属材料结晶中的几个应用,加以简单说明.

铸锭组织控制、单晶体制备、非晶体制备等.

根据凝固理论,试述细化晶粒的基本途径.

凝固的基本过程为形核和长大,形核需要能量和结构条件,形核和长大需要过冷度.细化晶粒的基本途径可以通过加大过冷度,加入形核剂,振动或搅拌.

根据冷却速度对金属组织的影响,现要获得非晶,亚稳相,请指出其凝固时如何控制.

要获得非晶可以以极快速度将金属液体冷却,要获得亚稳相也必须使冷却速度远远超过平衡冷却速度.

根据冷却速度对金属凝固后组织的影响,现要获得微晶,非晶,亚稳相,请指出其凝固时如何控制.

冷却速度极大影响金属凝固后的组织.冷却快一般过冷度大,使形核半径、形核功减少,形核过程容易,形核率增加,晶粒细化,冷却非常快时可以得到非晶,在一般工业条件下快速冷却可以得到亚稳相.

简述液态金属结晶时,过冷度与临界晶核半径,形核功及形核率的关系。

液态金属结晶时,均匀形核时临界晶核半径r K 与过冷度vT 关系为

T L T r ∆-=σ2,临界形核功vG K 等于()316T L T G ∆•=∆σπ。异质形核时固相质点可作为晶核长大,其临界形核功较小,()G T L T G ∆+-=∆•+-=∆4cos cos 323164cos cos 32θθσπθθ,θ为液相与非均匀形核核心的润湿角。形核率与过冷度的关系为:

]exp[）（kT G kT G C N ∆+∆-=,其中N 为形核率,C 为常数,ΔG A 、ΔG k 分别表示形核时原子扩散激活能和临界形核功。在通常工业凝固条件下形核率随过冷度增大而增大。 铜的熔点Tm=1356K,熔化热vHm=1628J/cm 2,σ=177×10－7J/cm,点阵常数a=0.3615nm 。求铜vT=100e 时均匀形核的临界核心半径。

在金属凝固时,可以近似认为L M =vHm,根据均匀形核时临界晶核半径r K 与过冷度vT 关系为

T L T r ∆-=σ2,可以计算得到r ＝0.79×10－

7cm ＝0.79nm 。 何谓过冷,过冷度,动态过冷度,它们对结晶过程有何影响？

过冷是指金属结晶时实际结晶温度Tn 比理论结晶温度Tm 低的现象。过冷度ΔT 指Tm 与Tn 的差值。动态过冷度指晶核长大时的过冷度。金属形核和长大都需要过冷,过冷度增大通常使形核半径、形核功减少,形核过程容易,形核率增加,晶粒细化。

简述纯金属凝固时润湿角θ、杂质颗粒的晶体结构和表面形态对异质形核的影响.

润湿角θ＝0°,形核功为0,固相粒子促进形核效果最好;

润湿角θ＝180°,异质形核功等于均匀形核功,固相粒子对形核无促进作用;

润湿角0°<θ<180°,形核功比均匀形核的形核功小,θ越小,固相粒子促进形核效果越好.

杂质颗粒的晶体结构与晶核相同或相近时,促进形核效果好,当两者结构不相同时,一般对促进形核效果差或不促进形核.

杂质粒子的表面成凹形时,促进形核效果好,成平面状时次之,凸形时最差.

包析反应和共析反应:由两个固相反应得到一个固相的过程为包析反应,而由一个固相分解得到其他两个固相的反应为共析反应.

离异共晶:有共晶反应的合金中,如果成分离共晶点较远,由于初晶数量多,共晶数量很少,共晶中与初晶相同的相依附初晶长大,共晶中另外一个相呈现单独分布,使得共晶组织失去其特有组织特征的现象.

固溶体:一个固体组元(溶质)溶解在另外一个组元(溶剂)晶格中,保持溶剂晶格特点的物质.

固溶体合金凝固时,除了需要结构起伏和能量起伏外,还要有成分起伏.

按液固界面微观结构,界面可分为光滑界面和粗糙界面.

液态金属凝固时,粗糙界面晶体的长大机制是垂直长大机制,光滑界面晶体的长大机制是二维平面长大和依靠晶体缺陷长大.

在一般铸造条件下固溶体合金容易产生枝晶偏析,用均匀化退火热处理方法可以消除.

液态金属凝固时,若温度梯度dT/dX>0(正温度梯度下),其固、液界面呈平直状,dT/dX<0时(负温度梯度下),则固、液界面为树枝状.

靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金,快冷时可能得到全部共晶组织,这称为伪共晶.

固溶体合金凝固时,溶质分布的有效分配系数k e =e k k k -+）（0001,当凝固速率很大时k e 趋于1.

在二元相图中,L 1→α+L 2叫共晶反应,β→L+α称为熔晶转变,而反应α１—α２＋β称为偏析反应,α+β→γ称为包析反应.