材料科學基礎A2-試卷B答案.doc

昆明理工大學 試 卷（B） 答 案考試科目：材料科學基礎A2 考試日期： 命題教師：代建清、李智東、孟彬 、李紹宏 學院：材料科學與工程 專業(yè)班級：材料2011級 學生姓名： 學號：任課教師：代建清、李智東、孟彬、李紹宏 上課班級：材料2011級 考試座位號： 一、填空：(每空0.5分，共18分)1、就小角度晶界的結構而言，對稱傾側晶界通常由一列平行的刃型位錯構成，而非對稱傾側晶界由兩組柏氏矢量相互垂直的刃型位錯交錯排列而成。扭轉晶界則由互相交叉的螺型位錯所組成。2、按界面上原子排列情況和吻合程度分類，界面可分為共格相界面、半共格相界面、非共格相界面和復雜半共格相界面。3、界面遷移與原子運動方向 相反 （相同、相反），速度 相同 （相同、相反）。4、晶界能的來源主要包括長程應變場的彈性能、晶界狹小區(qū)域內原子相互作用的核心能、化學鍵能三項。5、熱力學穩(wěn)定的液固界面微觀結構主要有粗糙界面 、和光滑界面（或平整型界面）。6、在不平衡凝固過程中，晶體中成分偏析的三種類型是 宏觀偏析 、胞狀偏析 和 樹枝狀偏析 。7、晶體的宏觀長大方式主要有 平面生長方式 和 樹枝狀生長方式 。8. 金屬固態(tài)相變的三種基本變化是 結構 ， 成分 和 有序度 。9. 由鐵碳相圖可知， CA-F_<_CA-C(<，>，=)碳原子向F一側擴散， 有利于A的長大。10. 固態(tài)相變的驅動力為新相和母相的自由能差，阻力為界面能及彈性應變能。11. 奧氏體核的長大是依靠 碳原子 的擴散， 奧氏體(A)兩側界面向鐵素體(F)及滲碳體(C)推移來進行的。12.貝氏體轉變時， 由于溫度較高， 存在 碳 的擴散。13.在成分相同的情況下, 粒狀珠光體的強度和硬度比片狀的_較低, 塑性_ 較好_.14馬氏體的強度主要取決于 含碳量 ，塑性主要取決于 亞結構 。15.和單晶體的塑性變形相比，多晶體的塑性形變的微觀特點表現(xiàn)為多方式、多滑移、不均勻性，由于上述微觀特點，使多晶體的塑性變形產生了如下現(xiàn)象：產生殘余應力、產生加工硬化和形成纖維組織和形變織構。二、名詞解釋：(每題2分，共22分)1.共格應變：共格界面處，兩相原子有輕微不吻合，則需要通過一定的彈性變形以使界面原子協(xié)調，這種變形稱為共格應變2.晶界偏析：在平衡條件下，溶質原子（離子）在晶界處濃度偏離平均濃度。3.非均勻成核：依靠外界雜質所提供的異相界面非自發(fā)的形核4.熱壓燒結：燒結的同時在坯體上施加一定的壓力，以補償燒結體內氣孔中逐漸增大的氣壓抵消了作為燒結推動力的界面能，使燒結繼續(xù)進行而達到高致密度。5.穩(wěn)態(tài)擴散：組元濃度不隨時間變化的擴散過程，用菲克第一定律描述。6.二次再結晶：燒結過程中，少數(shù)大晶粒在消耗小晶粒的同時出現(xiàn)的異常長大過程。7.重構型相變：相變過程中物相的結構單元間發(fā)生化學鍵的斷裂和重組，形成嶄新結構，與母相在晶體學上沒有明確的位向關系。8.馬氏體相變：以晶格畸變?yōu)橹?、無成分變化、無擴散的第二類位移型相變，其特征是發(fā)生于晶體中某一部分的極其迅速的剪切畸變。9.熱加工：在金屬再結晶溫度以上進行的加工和變形。10.形變織構：多晶體由于塑性變形而產生的擇優(yōu)取向現(xiàn)象。11.動態(tài)再結晶：在熱變形過程中，與形變硬化同時發(fā)生的再結晶過程即稱為動態(tài)再結晶。三、問答題：(每題5分，共35分)1、簡要分析討論關于大角晶界的主要晶界結構模型。（5分）目前對大角晶界提出的晶界結構模型有： 非晶模型：晶界是由非晶體粘合物構成；島狀模型：小島內原子排列整齊；晶界點缺陷模型：晶界有大量空位間隙原子； 晶界結構位錯模型：晶界可以看作是由一系列刃型位錯、螺位錯或者混合位錯的網絡所構成等。 其中：較為成熟的是重合位置點陣模型和重復部分模型（結構單元模型）。重合位置點陣晶界 （Coincident-site Lattice，CSL）模型：設想兩個晶粒（存在的位向差角）的點陣，彼此通過晶界向對方延伸，則其中一些原子將出現(xiàn)有規(guī)律性的重合。這些原子重合位置所組成的比原來晶體點陣大的新點陣，稱為重合位置點陣，大角度晶界是由重合點陣的密排面所組成晶界，晶界原子排列力求與重合點陣密排面重合，即使有偏離，晶界會臺階化，使大部分面積分段與密排面重合，中間以小臺階相連。重復部分模型（結構單元模型）：任何長周期結構的晶界都傾向于分解成經一定應變的短周期結構； 短周期結構可用結構單元或重復部分描述，即規(guī)則排列的原子群周期性重復排列而成。2、簡述鑄錠三個晶區(qū)的形成機理。（5分）表面細晶區(qū)：當高溫液體倒入鑄模后，結晶先從模壁開始，靠近模壁一層的液體產生極大的過冷，加上模壁可以作為非均質形核的基底，因此在此薄層中立即形成大量的晶核，并同時向各個方向生長，形成表面細晶區(qū)。柱狀晶區(qū)：在表面細晶區(qū)形成的同時，鑄模溫度迅速升高，液態(tài)金屬冷卻速度減慢，結晶前沿過冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散熱最快，因而晶體沿相反方向生長成柱狀晶。中心等軸晶區(qū)：隨著柱狀晶的生長，中心部位的液體實際溫度分布區(qū)域平緩，由于溶質原子的重新分配，在固液界面前沿出現(xiàn)成分過冷，成分過冷區(qū)的擴大，促使新的晶核形成長大形成等軸晶。由于液體的流動使表面層細晶一部分卷入液體之中或柱狀晶的枝晶被沖刷脫落而進入前沿的液體中作為非自發(fā)生核的籽晶。3、什么是成分過冷？用示意圖說明成分過冷的形成，并寫出成分過冷的條件，簡要說明成分過冷對金屬凝固時的生長形態(tài)的影響。（5分）答：不平衡凝固條件下，正溫度梯度時，因溶質分布不均勻引起的過冷即成分過冷，即：因液相成分不均勻導致實際液相溫度低于理論結晶溫度而出現(xiàn)的過冷。合金系中，液相溫度梯度G低、凝固速度R大、合金成分（溶質）濃度C0高、液相線斜率m大、平衡分配系數(shù)K0小易出現(xiàn)成分過冷。成分過冷的條件為：液相中溫度梯度較大，TD>TL，無成分過冷，離開界面，液體內部處于過熱狀態(tài)，固溶體晶體以平界面方式生長。：液相中溫度梯度減小，產生小的成分過冷區(qū)，平界面不穩(wěn)定，界面偶然小凸起，進入過冷液體，可生長；但因過冷區(qū)窄，發(fā)展不成枝晶，形成胞狀界面，出現(xiàn)胞狀界面結構，縱截面為長條形，橫截面為六角形。：液相中溫度梯度較平緩，成分過冷程度較大，液相在較大范圍內處于過冷狀態(tài)，類似負溫度梯度條件，固溶體晶體以樹枝狀方式生長，界面上偶然小凸起，進入過冷液體，得到大的生長速度，形成樹枝狀骨架，最后以平界面方式生長填充枝晶間隙形成晶粒。4、列舉固態(tài)燒結初期各種可能的傳質途徑（包括物質來源、抵達部位、擴散途徑），并分析哪幾種不會引起坯體的收縮和氣孔的消除。（5分）1）可能的傳質途徑：擴散途徑物質來源抵達部位1表面擴散表面頸部2晶格擴散表面頸部3蒸發(fā)凝聚表面頸部4晶界擴散晶界頸部5晶格擴散晶界頸部6晶格擴散位錯頸部2）表面擴散和蒸發(fā)凝聚機制不會導致素坯的宏觀收縮和氣孔率降低(因為顆粒之間的中心距不變)；只有從體內或晶界上傳質時，才會引起收縮和氣孔的消除；5. 簡述馬氏體相變的主要特征。（5分）切變共格和表面浮突現(xiàn)像無擴散性具有特定的位相關系和慣習面在一個溫度范圍內完成相變可逆性。6.簡述金屬中殘余應力的分類和特點，以及對金屬加工和使用的影響。（5分）答：殘余應力分為宏觀殘余應力，微觀第一類殘余應力和微觀第二類殘余應力。其中宏觀殘余應力作用在整個零件或工件范圍內，微觀第一類殘余應力是由于晶粒的變形不均勻引起的，微觀第二類殘余應力由于晶格畸變造成的。殘余應力可以造成工件的變形、開裂和應力腐蝕等，但有時可以通過在工件表面預先產生殘余壓應力，防止裂紋的萌生，防止材料的斷裂。7. 試述不同溫度下的回復機制。（5分）按照回復溫度的不同可將恢復分為三階段： 低溫回復它主要和空位變化有關。在冷變形過程中，由于螺位錯交割產生刃型割階的非保守運動，會形成過飽和空位；低溫回復中冷變形形成的過飽和空位消失，以保持平衡濃度，使能量降低?？瘴坏南怯捎诳瘴慌c位錯、晶界、間隙原子以及空位本身結合、交互作用的結果。 空位與位錯結合，引起位錯的正攀移，使空位消失；空位之間凝聚成空位片、崩塌轉化為位錯環(huán)，空位消失；間隙原子與空位結合使空位消失，在晶界處空位消失引起疏松。 中溫回復中溫回復主要涉及異號位錯的對消和位錯密度的變化：同一滑移面上的異號位錯在熱激活作用下，相互吸引、會聚而消失，不在同一滑移面上的異號刃型位錯則通過空位凝聚消除半原子面或空位逃逸制造半原子面而消失； 高溫回復高溫回復的主要機制是多邊形化。因原始變形狀態(tài)位錯組態(tài)不同，有兩類多邊形化：第一類叫穩(wěn)定多邊形化，第二類為再結晶前多邊形化。穩(wěn)定多邊形化發(fā)生在同號刃位錯沿滑移面上塞積而導致點陣彎曲的晶體中，回復過程中發(fā)生位錯的運動和重排，位錯由沿滑移面的水平排列轉變?yōu)檠卮怪被泼娴呐帕?，形成位錯壁，組成亞晶界。再結晶前多邊形化在變形后具有位錯胞結構的晶體中發(fā)生，變形后位錯的分布不是均勻的，而是塞積在位錯胞壁，當加熱發(fā)生多邊形化過程時，通過螺位錯的交叉滑移和刃位錯的攀移，引起位錯的重新分布和部分消失以及位錯胞壁的平直化，形成具有相當高曲率較平直的亞晶界。 四、判斷題: 分析下兩圖，若圖中T3>T2>T1，哪個圖能正確反映吉布斯自由能變化與晶胚尺寸r關系，并依據結晶理論說明原因。（5分）(b)圖正確。對于凝固形核時系統(tǒng)的吉布斯自由能變化為：其中：為體積，為界面面積，為液固相界面能，為熔化潛熱。設核心為球形，半徑為r，則：當r值一定且較小時，由T3>T2>T1，可知：故，(b)圖正確。五、計算題（共20分）已知500C時，Al在Cu中的擴散系數(shù)為2.610-17 m2/s，而1000C時則為1.610-12 m2/s；1）試根據阿累尼烏斯公式求出D0和Q值（玻爾茲曼常數(shù)）；2）求在750C時的擴散系數(shù)D。(10分)解：2. 鐵的回復激活能為80.9 kJ/mol，如果經冷變形的鐵在400進行回復處理，使其殘留加工硬化為60%需160分鐘，問在450回復處理至同樣效果需要多少時間？(9分)注：R=8.314 J. mol-1. K-1鐵的回復激活能為80.9 kJ/mol，如果經冷變形的鐵在400進行回復處理，使其殘留加工硬化為60%需160分鐘，問在450回復處理至同樣效果需要多少時間？ (10分)注：R=8.314 J. mol-1. K-1解：根據回復動力學方程有：