材料科學與工程基礎期末試題.doc

材料科學基礎 試卷一、填空題(20分，每空格1分) 1. 相律是在完全平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)的相數(shù)、組元數(shù)和溫度壓力之間的關系，是系統(tǒng)的平衡條件的數(shù)學表達式： f=C-P+2 2.二元系相圖是表示合金系中合金的相 與 溫度、成分間關系的圖解。3.晶體的空間點陣分屬于 7 大晶系，其中正方晶系點陣常數(shù)的特點為a=bc,=90，請列舉除立方和正方晶系外其他任意三種晶系的名稱三斜、單斜、六方、菱方、正交（任選三種）。4.合金鑄錠的宏觀組織包括表層細晶區(qū)、柱狀晶區(qū) 和 中心等軸晶區(qū)三部分。5在常溫和低溫下，金屬的塑性變形主要是通過 滑移 的方式進行的。此外還有 孿生 和 扭折等方式。6.成分過冷區(qū)從小到大，其固溶體的生長形態(tài)分別為 平面狀，胞狀 和 樹枝狀。1原子擴散的驅(qū)動力是：組元的化學勢梯度2凝固的熱力學條件為：過冷度3. 某金屬凝固時的形核功為G*，其臨界晶核界面能為G，則G*和G的關系為G* =1/3 G5金屬液體在凝固時產(chǎn)生臨界晶核半徑的大小主要取決于過冷度。6菲克第一定律表述了穩(wěn)態(tài)擴散的特征，即濃度不隨變化。7. 冷變形金屬加熱過程中發(fā)生回復的驅(qū)動力是：冷變形過程中的存儲能9.合金鑄錠的缺陷可分為縮孔和偏析兩種。二、判斷題（正確的打“”錯誤的打“”，每題1分，共12分）1. 體心立方結(jié)構(gòu)是原子的次密排結(jié)構(gòu)，其致密度為0.74。 （ ）2. 同一種空間點陣可以有無限種晶體結(jié)構(gòu)，而不同的晶體結(jié)構(gòu)可以歸屬于同一種空間點陣。 （ ）3. 結(jié)晶時凡能提高形核率、降低生長率的因素，都能使晶粒細化。 （ ）4. 合金液體在凝固形核時需要能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏和成分起伏。 （ ）5. 小角度晶界的晶界能比大角度晶界的晶界能高。 （ ）6. 非均勻形核時晶核與基底之間的接觸角越大，其促進非均勻形核的作用越大。 （ ）7. 固溶體合金液體在完全混合條件下凝固后產(chǎn)生的宏觀偏析較小。 （ ）8. 冷形變金屬在再結(jié)晶時可以亞晶合并、亞晶長大和原晶界弓出三種方式形核。（ ）9. 動態(tài)再結(jié)晶是金屬材料在較高溫度進行形變加工同時發(fā)生的再結(jié)晶、其形變硬化與再結(jié)晶軟化交替進行。 （ ）10. 金屬-非金屬型共晶具有粗糙-光滑型界面，所以它們多為樹枝狀、針狀或螺旋狀形態(tài)。 （ ）11. 孿生變形的速度很快是因為金屬以孿生方式變形時需要的臨界分切應力小。（ ）12. 相圖的相區(qū)接觸法則是相鄰相區(qū)相數(shù)差1。 （ ）三、簡答題（28分）1. 試述孿生和滑移的異同，比較它們在塑性過程中的作用。（10分）答：相同點：a.宏觀上，都是切應力作用下發(fā)生的剪切變形； （1分）b. 微觀上，都是晶體塑性變形的基本形式，是晶體一部分沿一定晶面和晶向相對另一部分的移動過程； （1分）c. 不改變晶體結(jié)構(gòu)。 （1分）不同點：a. 晶體中的取向滑移：晶體中已滑移部分與未滑移部分的位向相同。孿生：已孿生部分和為孿生部分的位向不同，且兩者之間具有特定的位向關系。（1分）b. 位移的量滑移：沿滑移方向上原子間距的整倍數(shù)，且在一個滑移面上的總位移較大。孿生：原子的位移小于孿生方向的原子間距，一般為孿生方向原子間距的1/n。（1分）c. 變形方式滑移：不均勻切變 孿生：均勻切變 （1分）d. 對塑性變形的貢獻滑移：對塑性變形的貢獻很大，即總變形量大。孿生：對晶體塑性變形有限，即總變形量小。 （1分）e. 變形應力滑移：有確定的臨界分應力。孿生：所需臨界分切應力一般高于滑移所需的臨界分切應力。 （1分）f. 變形條件滑移：一般情況先發(fā)生滑移變形孿生：當滑移變形難以進行時，或晶體對稱性很低、變形溫度較低、加載速率較高時。 g. 變形機制滑移：全位錯運動的結(jié)果。 孿生：不全位錯運動的結(jié)果。 （1分）2. 請簡述擴散的微觀機制有哪些？影響擴散的因素又有哪些？ （8分）答：置換機制：包括空位機制和直接換位與環(huán)形換位機制，其中空位機制是主要機制，直接換位與環(huán)形換位機制需要的激活能很高，只有在高溫時才能出現(xiàn)。（2分）間隙機制：包括間隙機制和填隙機制，其中間隙機制是主要機制。 （2分）影響擴散的主要因素有：溫度（溫度約高，擴散速度約快）；晶體結(jié)構(gòu)與類型（包括致密度、固溶度、各向異性等）；晶體缺陷；化學成分（包括濃度、第三組元等）。（4分） 3. 簡述材料強化的主要方法、原理及工藝實現(xiàn)途徑。(10分)1.答案：加工硬化：是隨變形使位錯增殖而導致的硬化； (2分)細晶強化：是由于晶粒減小，晶粒數(shù)量增多，尺寸減小，增大了位錯連續(xù)滑移的阻力導致的強化；同時由于滑移分散，也使塑性增大。該強化機制是唯一的同時增大強度和塑性的機制。 彌散強化：又稱時效強化。是由于細小彌散的第二相阻礙位錯運動產(chǎn)生的強化。包括切過機制和繞過機制。 (2分)復相強化：由于第二相的相對含量與基體處于同數(shù)量級是產(chǎn)生的強化機制。其強化程度取決于第二相的數(shù)量、尺寸、分布、形態(tài)等，且如果第二相強度低于基體則不一定能夠起到強化作用。 (2分)固溶強化：由于溶質(zhì)原子對位錯運動產(chǎn)生阻礙。包括彈性交互作用、電交互作用和化學交互作用。 (2分)分析位錯的增值機制。（5分）2.答：若某滑移面上有一段刃位錯AB，它的兩端被位錯網(wǎng)節(jié)點釘住不能運動。（1分）現(xiàn)沿位錯b方向加切應力，使位錯沿滑移面向前滑移運動，形成一閉合的位錯環(huán)和位錯環(huán)內(nèi)的一小段彎曲位錯線。（2分）只要外加應力繼續(xù)作用，位錯環(huán)便繼續(xù)向外擴張，同時環(huán)內(nèi)的彎曲位錯在線張力作用下又被拉直，恢復到原始狀態(tài)，并重復以前的運動，絡繹不絕地產(chǎn)生新的位錯環(huán)，從而造成位錯的增殖，并使晶體產(chǎn)生可觀的滑移量。（2分）請簡述回復的機制及其驅(qū)動力。答：低溫機制：空位的消失 ； 中溫機制：對應位錯的滑移（重排、消失）高溫機制：對應多邊化（位錯的滑移攀移）； 驅(qū)動力：冷變形過程中的存儲能（主要是點陣畸變能）。1. 為什么滑移面和滑移方向往往是金屬晶體中原子排列最密的晶面和晶向。2. 什么是成分過冷？它對液固界面的形貌有何影響？3. 對于金屬金屬型共晶，決定其形貌是片狀或棒狀的因素是什么？1. 答案：因為原子密度最大的晶面其面間距最大，點陣阻力最小，因而容易沿著這些面發(fā)生滑移；滑移方向為原子密度最大的方向是由于最密排方向上的原子間距最短，即位錯b最小。 2. 答案：成分過冷：在合金的凝固過程中，由界面前沿液體中的實際溫度低于由溶質(zhì)分布所決定的凝固溫度時產(chǎn)生的過冷稱為成分過冷。它對液固界面的形貌影響為：成分過冷由小到大，液固界面的形貌由平面狀過渡到胞狀再到樹枝狀。3答案：主要取決于兩個因素：（1）兩相的體積分數(shù)，如果有一相的體積分數(shù)小于27%時，則形成棒狀共晶，否則形成片狀共晶； （3分）（2）兩相之間的界面能，界面能小，則形成片狀共晶。一般情況下，當兩相有固定的位向關系時則可能形成片狀共晶。四、作圖與計算題（40分，每題10分）1、氧化鎂（MgO）具有NaCl型結(jié)構(gòu)，即具有O2-離子的面心立方結(jié)構(gòu)。問：（1）若其離子半徑=0.066nm，0.140nm，則其原子堆積密度為多少？（2）如果/0.41，則原子堆積密度是否改變？2、某面心立方晶體的可動滑移系為。（1）請指出引起滑移的單位位錯的柏氏矢量；（2）若滑移由刃位錯引起，試指出位錯線的方向；（3）請指出在（2）的情況下，位錯線的運動方向；（4）假設在該滑移系上作用一大小為0.7MPa的切應力，試計算單位刃位錯線受力的大小和方向（取點陣常數(shù)為a0.2nm）。3. 畫出Fe-Fe3C相圖，并根據(jù)Fe-Fe3C相圖，(1)分別求（C)=2.11%，（C)=4.30%的二次滲碳體的析出量。(2)畫出（C)=4.30%的冷卻曲線。4. 圖(a)為固態(tài)互不溶解的三元共晶相圖的濃度三角形，其中三元共晶點E的成分為(A)=20%，(B)=30%，(C)=50%。圖(b)為某一溫度(高于TE)的水平截面圖。問：(1)A，B和C三組元的熔點誰最低？(2)若有一液態(tài)成分為(A)=60%，(B)=15%，(C)=25%的合金(其B/C成分比三元共晶合金相同)平衡凝固到室溫，試分析室溫平衡組織并畫出平衡冷卻曲線。(3)計算該合金中共晶組織在鑄錠中的質(zhì)量分數(shù)。材料科學基礎 試卷答案四、作圖與計算題（40分，每題10分）1、氧化鎂（MgO）具有NaCl型結(jié)構(gòu)，即具有O2-離子的面心立方結(jié)構(gòu)。問：（1）若其離子半徑=0.066nm，0.140nm，則其原子堆積密度為多少？（2）如果/0.41，則原子堆積密度是否改變？答：（1） 點陣常數(shù) （3分）堆積密度 （3分）（2）堆積密度會改變，因為Pf與兩異號離子半徑的比值有關。 （4分）2、某面心立方晶體的可動滑移系為。（1）請指出引起滑移的單位位錯的柏氏矢量；（2）若滑移由刃位錯引起，試指出位錯線的方向；（3）請指出在（2）的情況下，位錯線的運動方向；（4）假設在該滑移系上作用一大小為0.7MPa的切應力，試計算單位刃位錯線受力的大?。ㄈ↑c陣常數(shù)為a0.2nm）。答：（1）柏氏矢量：； (2分)（2）位錯線方向：112； (2分)（3）位錯線運動方向平行于柏氏矢量； (2分)（4） (4分)3. 畫出Fe-Fe3C相圖，并根據(jù)Fe-Fe3C相圖，(1)分別求（C)=2.11%，（C)=4.30%的二次滲碳體的析出量。(2)畫出（C)=4.30%的冷卻曲線。答案：（1）（C)=2.11%時，F(xiàn)e3C=100%=22.6% （1分）（C)=4.30%時，共晶中奧氏體的量為：100%=52.18% （1分）則共晶中奧氏體可析出Fe3C的量為：Fe3C=52.18=11.8% （1分）或者先求（C)=4.30%時鐵碳合金在共析反應前的滲碳體的總量為（Fe3C）t=100%=60% （1分）然后從（Fe3C）t中減去共晶中Fe3C的量，即得Fe3C的量Fe3C=（）100% =11.8% （1分）(2) （C)=4.30%的冷卻曲線（2分）Fe3CLFe3CL+Fe3C +Fe3C4. 圖(a)為固態(tài)互不溶解的三元共晶相圖的濃度三角形，其中三元共晶點E的成分為(A)=20%，(B)=30%，(C)=50%。圖(b)為某一溫度(高于TE)的水平截面圖。問：(1)A，B和C三組元的熔點誰最低？(2)若有一液態(tài)成分為(A)=60%，(B)=15%，(C)=25%的合金(其B/C成分比三元共晶合金相同)平衡凝固到室溫，試分析室溫平衡組織并畫出平衡冷卻曲線。(3)計算該合金中共晶組織在鑄錠中的質(zhì)量分數(shù)。答：（1）C最低 (2分)（2）A+(A+B+C) (2分) (3分)(3) (共晶組織)=20/60=33.3% (3分)