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α为0.632nm ，密度ρ为26.7g/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α相晶粒与一个β相晶粒相交于一公共晶棱，并形成三叉晶界，已知β相所张的两面角为80℃，界面能ααγ为0.60Jm -2, 试求α相与β相的界面能αβγ。

图1
答案解析：习题册 P17 3-42.
3. 有两种激活能分别为1Q ＝53.7kJ/mol 和2Q ＝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，晶界强度显着降低。

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。

α α 80o β
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；
3）分析在快速冷却条件下，I、II两合金获得的组织有何不同。

答：（1） I ：α 初＋β II
相组成与组织组成比例相同。

II ：β 初＋（α ＋β ）共＋β II （忽略）
（2）设所求合金成分为 x
（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。

类别间隙固溶剂体间隙化合物
相同点一般都是由过渡族金属与原子半径较小的C，N，H，O，B等非金属元素所组成
不同点晶体结构属于固溶体相，保持溶剂的晶格类型属于金属化合物相，形成不同于其组元的新点阵表达式用α、β、γ等表示用化学分子式MX，M2X等表示
机械性能强度、硬度较低，塑性、韧性好高硬度、高熔点，甥性、韧性差
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<Tm(熔点)，即存在动态过冷。

（3）由临界晶核形成功A＝1/3σS可知，当形成一个临界晶核时，还有1／3的表面能必须由液体中的能量起伏来提供。

（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％的钢铁在渗碳时零件中的碳浓度梯度为零，渗碳无法进行，即使是纯铁，在α相区渗碳时铁中浓度梯度很小，在表也不能获得高含碳层；另外，由于温度低，扩散系数也很小，渗碳过程极慢，没有实际意义。

γ-Fe 中的碳固溶度高，渗碳时在表层可获得较高的碳浓度梯度使渗碳顺利进行。

17. 为细化某纯铝件晶粒，将其冷变形5％后于550℃退火2 h，组织反而粗化；增大冷变形量至95％，再于550℃退火2 h，仍然得到粗大晶粒。

试分析其原因，指出上述工艺不合理处，并制定一种合理的晶粒细化工艺。

(纯铝熔点约为660℃，按T再＝0.4T熔估算)
答：前种工艺，由于铝件变形处于临界变形度下，故退火时可形成个别再结晶核心，最终
晶粒极为粗大，而后种工艺，是由于进行再结晶退火时的温度选择不合理（温度过高），若
按T再＝0.4T熔估算，【0.4*（660+273）-273=100℃】则T再＝100℃，故再结晶温度不超过200℃为宜。

由于采用550℃退火2 h，晶粒仍然粗大。

所以综上分析，在95％变形量条件下，采用150℃
退火2 h，则可使其晶粒细化。

18. 请根据Fe-Fe
3
C相图分析回答下列问题：
1) 请分析1.6wt.%C合金平衡状态下的结晶过程，并说明室温下的相组成和组织组成。

2) 请分析1.6wt.%C合金在较快冷却，即不平衡状态下可能发生的结晶过程，并说明室温下组织会发生什么变化。

3) 假设将一无限长纯铁棒置于960℃渗碳气氛下长期保温，碳原子仅由棒顶端渗入（如图所示），试分析并标出960℃时的组织分布情况。

1) L —— L→γ——γ——γ→Fe3C II——γ→α+Fe3C ——α→Fe3C III
相组成：α+ Fe3C 组织组成：P+ Fe3C II（忽略Fe3C III）
2)根据冷速不同，可能出现共晶反应，得到Ld；得到的P层片细小；Fe3C II的析出将收到抑制，甚至不析出。