材料科学与基础习题集

材料科学与基础习题集

1 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。

2 分别计算面心立方、体心立方、简单立方结构中（100）、（110）、（111）面上的原子密度和面间距，并归纳原子密度与面间距间的定性关系，获得不同结构的密排面。

3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。

4已知元素的原子半径如下：碳--0.077nm，α-Fe--0.124nm，γ-Fe--

0.126nm。回答以下问题：

⑴定性分析碳在α-Fe 和γ-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。

⑵渗碳的目的是进一步提高钢制品表面的性能，请根据已有知识分析渗碳的理想温度范围。

5 Zn原子的摩尔分数为3%的Cu-Zn合金是固溶体，铜的原子半径为0.128nm，Zn的原子半径为0.133nm。假设点阵常数随Zn原子加入呈

线性变化，求此合金的密度。

6 CsI晶体具有体心立方结构，且Cs在（000）位置，I在(1/2 1/2 1/2)位置，若Cs和I的原子（离子）半径分别为0.172nm和0.227nm，求它的致密度。

7 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?（注意：CuZn属固溶体？化合物？）8 根据表1中的原子半径数据，定性分析以表中各元素为合金元素与铜形成的合金在屈服强度上有什么差异。

1．三元系发生扩散时，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？

2. 一块厚钢板，w(C)=0.1％，在930℃渗碳，表面碳浓度保持

w(C)=1％，设扩散系数与浓度无关，且D=0.738exp[-

158.98(kJ/mol)/RT]（cm2⋅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?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。

3. 上题中，问要在什么温度下渗碳才能在上题求出距表面0.05cm

处获得碳浓度w(C)为0.45%所需要的相同时间内使距表面0.1cm 处获得0.45%的碳浓度?

4.根据图1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。

图1

图2

5. 一块厚度为d 的薄板，在T1 温度下两侧的浓度分别为w1，w0（w1＞w0），当扩散达到稳态后，给出①扩散系数为常数，②扩散系数随浓度增加而增加，③扩散系数随浓度增加而减小等三种情况下浓度分布示意图。

6. 上题中，若d=2mm，w1=1.4%，w0=0.15％。在T1 温度下w1 和w0 浓度的扩散系数分别为Dw1=

7.7×10-11m2⋅s-1，Dw0=2.5×10-11m2⋅s-1。问板的两侧表面的浓度梯度的比值为多大?设w=0.8％≡ρ=60kg/m3，问扩散流量为多少?（设扩散系数随浓度线性变化）7. 工业纯铁在927℃下渗碳，设工件表面很快达到渗碳饱和（1.3％的碳），然后保持不变，同时碳原子不断向工件内部扩散。求渗碳10h后渗碳层中碳浓度分布的表达式。

8.图2为一内外径分别为r1和r2的纯铁球壳，其外壁维持某扩散组元浓度C2，内壁维持某扩散组元浓度C1，试给出稳态扩散条件下球壳中扩散组元浓度随半径的分布表达式。

9. 试分析下列哪些材料学过程（现象）与原子扩散有关：

A 柯肯达尔效应

B 成分过冷

C 成分均匀化

D 固态相变形核

E 蠕变

F 表面渗碳

10.

1.将细铜棒两端固定，从100℃冷却到0℃，问发生的内应力有多

大?已知铜的线膨胀系数=1.5×10-6/℃，弹性模量E=1.103×1011 Pa)。

2.体心立方晶体可能的滑移面是{110}、{112}及{123}，若滑移方

向为[111]，具体的滑移系是哪些?

3.铝的临界分切应力为2.40×105 Pa，当拉伸轴为[001]时，引起屈

服所需要的拉伸应力是多大?

4.一个简单立方晶系的双晶，它们滑移系为{100}<100>，双晶体的

取向及力轴取向如图1所示，问哪一个晶体首先滑移?在哪一个滑移系滑移?（说明：对于I晶体，拉伸应力垂直于[100]与[ 0 -1 1 ]确定的平面，对于II晶体，拉伸应力垂直于[001]与[100]确定的平面）

图1 表1 5.若面心立方晶体沿[131]轴拉伸，拉伸应力为6.9×105 Pa。试确

定(111)上各可能滑移系的分切应力。

6.示意画出单晶的应力-应变（τ-γ）曲线，并表出各阶段。铝

（层错能约为200mJ/m2）和不锈钢（层错能约为10 mJ/m2）哪一种材料形变第Ⅲ阶段开始得更早?这两种材料滑移特征有什么区别?

7.厚度为40mm厚的铝板，轧制成一侧为20mm另一侧仍保持为40mm的

楔形板，经再结晶退火后，画出从20mm的一侧到40mm一侧的截面的组织示意图。并说明原因。

8.说明金属冷变形程度的大小对再结晶形核机制和再结晶晶粒尺寸

的影响。

9.试分析晶界在材料塑性变形中的作用。

10.分析加工硬化现象产生的原因、影响因素以及对材料后续加工和

使用有什么影响。

11.用一冷拉钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到

1000℃，加热完毕，再次吊装该工件时，钢丝绳发生断裂。12.表1是在不同温度下保温晶粒长大实验所测得的数据，如果忽略

了晶粒开始长大时的尺寸，问晶粒界移动速度是否和驱动力成正比。求出晶界迁移的激活能。

13.将经过大冷变形量的纯铜长棒一端浸入冰水中，另外一端加热至

900℃，试分析2小时后该纯铜棒沿长度方向的组织和硬度分布。

14.1.一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?

15.2.拉伸试验的应变速度一般是1～10-6s-1，设能动的位错密度108cm-

2，计算位错的平均速度。b=0.3nm。

16.3.为什么刃位错不能交滑移，螺位错不能攀移。

17.4.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。

18.5.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）

19.6.对工业纯铝、Al-5％Cu合金、Al-5％Al2O3复合材料可能的强化

机制分别有哪些。

20.7.简单立方晶体(100)面有1 个b=[ 0 -1 0 ]的刃位错

21.(a)在(001)面有1 个b=[010]的刃位错和它相截，相截后2个位错产

生扭折还是割阶？

22.(b)在(001)面有1 个b=[100]的螺位错和它相截，相截后2个位错产