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材料科学基础试题及答案

第一章 原子排列与晶体结构

1. fcc 结构的密排方向是 ,密排面是 ,密排面的堆垛顺序是 ,致密度

为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ,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 ;bcc 结构的密排方向是 ,密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ,原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ;hcp 结构的密排方向是 ,密排面是 ,密排面的堆垛顺序是 ,致密度为 ,配位数是 ,,晶胞中原子数为 ,原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 。

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

为 ,四面体间隙数为 。

3. 纯铁冷却时在912ε 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构,配位数 ,

致密度降低 ,晶体体积 ,原子半径发生 。

4. 在面心立方晶胞中画出)(211晶面和]211[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)(0121晶面和]0121[晶向。

5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。

6 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 。

第二章 合金相结构

一、 填空

1) 随着溶质浓度的增大,单相固溶体合金的强度 ,塑性 ,导电性 ,形成间隙固溶体时,固溶体的点阵常数 。

2) 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是(1) ;(2) ;(3) ;(4) 和环境因素。

3) 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。

4) 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分,固溶体可分为 和 。 5) 无序固溶体转变为有序固溶体时,合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ,塑性 ,导电性 。

6)间隙固溶体是 ,间隙化合物是 。

二、 问答

1、 分析氢,氮,碳,硼在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。已知元素的原子半径如下:氢:0.046nm ,氮:0.071nm ,碳:0.077nm ,硼:0.091nm ,α-Fe :0.124nm ,γ-Fe :0.126nm 。

2、简述形成有序固溶体的必要条件。

第三章 纯金属的凝固

1. 填空

1. 在液态纯金属中进行均质形核时,需要 起伏和 起伏。 2 液态金属均质形核时,体系自由能的变化包括两部分,其中 自由能是形核的阻力, 是形核的动力;临界晶核半径r K 与过冷度?T 关系为 ,临界形核功?G K 等于 。

3 动态过冷度是指 。

4 在工厂生产条件下,过冷度增大,则临界晶核半径 ,金属结晶冷却速度越快,N/G 比值 ,晶粒越 。 5. 获得非晶合金的基本方法是 。

二、 问答

1 根据凝固理论,试述细化晶粒的基本途径。

2 试根据凝固理论,分析通常铸锭组织的特点。

3 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。

4 铜的熔点Tm=1356K,熔化热?Hm=1628J/cm2,σ=177×10-7J/cm,点阵常数a=0.3615nm。求铜?T=100ε时均匀形核的临界核心半径。

5:何谓过冷,过冷度,动态过冷度,它们对结晶过程有何影响?

6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。

7、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。

第四章二元合金相图与合金凝固

一、填空

1. 固溶体合金凝固时,除了需要结构起伏和能量起伏外,还要有起伏。

2. 按液固界面微观结构,界面可分为和。

3. 液态金属凝固时,粗糙界面晶体的长大机制是,光滑界面晶体的长大机制是和。

4 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生偏析,用热处理方法可以消除。

5 液态金属凝固时,若温度梯度dT/dX>0(正温度梯度下),其固、液界面呈状,dT/dX<0时(负温度梯度下),则固、液界面为状。

6. 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。

7 固溶体合金凝固时,溶质分布的有效分配系数k e= ,当凝固速率很大时k e趋于。

8. 在二元相图中,L1→α+L2叫反应,β→L+α称为转变,而反应α1—α2+β称为反应,α+β→γ称为反应。

9 Fe-Fe3C相图中含碳量小于为钢,大于为铸铁;铁碳合金室温平衡组织均由和两个基本相组成;根据溶质原子的位置,奥氏体其晶体结构是,是固溶体,铁素体是,其晶体结构是,合金平衡结晶时,奥氏体的最大含量是;珠光体的含碳量是,它是由

和组成的两相混合物;莱氏体的含碳量是;在常温下,亚共析钢的平衡组织是,过共析钢的平衡组织是,亚共晶白口铸铁的平衡组织

是,莱氏体的相组成物是,变态莱氏体的相组成物是,Fe3C I 是从中析出的,Fe3C II是从中析出的,Fe3C III是从中析出的,它们的含碳量为,Fe3C主要性能特点是,A共析反应后的生成物称为。

2 问答

1 如图4-1所示为Ni-Al相图

1)填出相图中各相区的平衡相;

2)指出图中的稳定化合物和不稳定化合物;

3)写出图中存在的恒温反应,指明反应类型;

4)指出含Ni 30%(重量)的合金在平衡冷却时的相变过程,计算室温下的相组成与组织组成,并计算出其中组织组成物的百分数。

5)试说明含Ni89%(重量)的Ni-Al合金其平衡凝固与非平衡凝固后的显微组织的不同。6)设X合金平衡凝固完毕时的组织为α(Al)初晶+(α+β)共晶,其中α初晶占80%,则此合金中Ni组元的含量是多少?

7)绘出1500ε时Al-Ni合金系的自由能—成分曲线示意图。

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图4-1 图4-2

2 根据Cu-Sn相图(图4-2),Cu为fcc结构。回答下列问题:

1)α相为何种晶体结构?

2)计算212℃时Cu-90%Sn合金在T E温度时(共晶反应前)的平衡分配系数。

3)Cu-13.47%Sn合金在正常条件下凝固后,α相的晶界上出现少量β相,其原因何在?如何消除β相?

4)分析Cu-70%Sn合金平衡凝固过程,并计算共晶反应刚完毕时相组成物和组织组成物的相对含量。

5)画出Cu-Sn系合金在450℃时各相自由能---成分曲线示意图。

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图4-3 图4-4

3 如图4-3为Mg-Y相图

1)填相区组成,写出相图上等温反应及Y=5%wt时的合金K在室温时的平衡组织。

2)已知Mg为hcp结构,试计算Mg晶胞的致密度;

3)指出提高合金K强度的可能方法

4)简述图中Y=10%wt之合金可能的强化方法。

4 试说明纯Al和铝-铜单相固溶体结晶的异同。

5 根据4-4的铁碳亚稳平衡相图回答下列问题:

1)写出下列Fe3C II含量最多的合金;珠光体含量最多的合金;莱氏体含量最多的合金。

2)指出此二元系中比较适合做变形合金和铸造合金的成分范围。

3)如何提高压力加工合金的强度。

4)标注平衡反应的成分及温度,写出平衡反应式。

5)分析Fe-1%C合金的平衡凝固过程,并计算室温下其中相组成物和组织组成物的百分含量,

6)分析Fe-1%C合金在亚稳冷却转变和淬火冷却转变后组织的差异。

7)根据Fe-Fe3C状态图确定下列三种钢在给定温度下的显微组织(填入表中)

含碳量温度显微组织温度显微组织

0.4 770℃停留一段时间P+F 900℃A+F

0.77 680℃P 刚达到770℃ A

1.0 700℃P+Fe3CⅡ刚达到770℃A+Fe3C

8)画出1200℃时各相的自由能---成分曲线示意图。

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图4-5 图4-6

6:A为金属元素,B为非金属元素,形成二元相图如图4-5:

1)画出Ⅱ合金平衡冷却曲线以及平衡结晶后组织示意图,计算其室温下相组成物及组织组成物相对含量。

2)试分析不同冷却速度对下图中Ⅰ合金凝固后显微组织的影响。

3)Ⅰ合金在工业条件冷凝后如对合金进行扩散退火,应如何确定退火温度。

7:简述典型金属凝固时,固/液界面的微观结构,长大机制,晶体在正温度梯度下、负温度梯度下成长时固/液界面的形态。

8:根据Pb-Bi相图(图4-6)回答下列问题:

1)把空相区填上相的名称。

2)设X合金平衡凝固完毕时的相组成物为β和(Bi),其中β相占80%,则X合金中Bi组元的含量是多少?

3)设Y合金平衡凝固完毕时的组织为(Bi)初晶+[β+(Bi)]共晶,且初晶与共晶的百分含量相等,则此合金中Pb组元的含量是多少?

4)Pb-30%Bi合金非平衡凝固后室温下组织与平衡凝固组织有何不同。

第五章三元合金相图

1 根据Fe-C-Si的3.5%Si变温截面图(5-1),写出含0.8%C的Fe-C-Si三元合金在平衡冷却时的相变过程和1100℃时的平衡组织。

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图5-1

2 图5-2为Cu-Zn-Al 合金室温下的等温截面和2%Al 的垂直截面图,回答下列问题: 1) 在图中标出X 合金(Cu-30%Zn-10%Al )的成分点。 2) 计算Cu-20%Zn-8%Al 和 Cu-25%Zn-6%Al 合金中室温下各相的百分含量,其中α相成分点为Cu-22.5%Zn-3.45%Al ,γ相成分点为

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Cu-18%Zn-11.5%Al 。 3) 分析图中Y 合金的凝固过程。

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图5-2

3 如图5-3是A-B-C 三元系合金凝固时各相区,界面的投影图,A 、B 、C 分别形成固溶

Y

体α、β、γ。

1) 写出P p '',P E '1和P E '2单变量线的三相平衡反应式。 2) 写出图中的四相平衡反应式。

3) 说明O 合金凝固平衡凝固所发生的相变。

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图5-3 图5-4

4 图5-4为Fe-W-C 三元系的液相面投影图。写出e 1→1085℃,P 1→1335℃,P 2→1380℃单变量线的三相平衡反应和1700℃,1200℃,1085℃的四相平衡反应式。I ,II ,III 三个合金结晶过程及室温组织,选择一个合金成分其组织只有三元共晶。

5 如图5-5为Fe-Cr-C 系含13%Cr 的变温截面

1)大致估计2Cr13不锈钢的淬火加热温度(不锈钢含碳量0.2%, 含Cr 量13%) 2)指出Cr13模具钢平衡凝固时的凝固过程和室温下的平衡组织(Cr13钢含碳量2%) 3)写出(1)区的三相反应及795ε 时的四相平衡反应式。

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图5-5 图5-6

6 如图5-6所示,固态有限溶解的三元共晶相图的浓度三角形上的投影图,试分析IV区及VI区中合金之凝固过程。写出这个三元相图中四相反应式。

图5-7

7 分析如图5-7所示的三元相图,该合金中E点成分为27Pb18Sn55Bi,γ相成分取100%Bi。

1)指出这个三元系的初晶面,写出四相平衡反应式;

2)分析该三元合金系中1,2,3,4合金平衡结晶过程;

3)要配制一个初晶为γ,具有三元共晶而无二元共晶且γ/三元共晶=0.5的合金,计算该合金的成分。

第六章空位与位错

一、名词解释

空位平衡浓度,位错,柏氏回路,P-N力,扩展位错,堆垛层错,弗兰克-瑞德位错源,

奥罗万机制,科垂耳气团,面角位错,铃木气团,多边形化

二、问答

1 fcc晶体中,层错能的高低对层错的形成、扩展位错的宽度和扩展位错运动有何影响?层错能对金属材料冷、热加工行为的影响如何?

2. 在铝单晶体中(fcc结构),

1)位错反应

]

10

1[

2

a

]

11

2[

6

a

]+

]1

2

1[

6

a

能否进行?写出反应后扩展位错宽度的表

达式和式中各符号的含义;若反应前的

]

10

1[

2

a

是刃位错,则反应后的扩展位错能进行何种

运动?能在哪个晶面上进行运动?若反应前的

]

10

1[

2

a

是螺位错,则反应后的扩展位错能进

行何种运动?

2)若(1,1,1)面上有一位错

]1

10

[

2

a

b=

,与)

(1

11面上的位错

]

011

[

2

a

b=

发生

反应,如图6-1。写出位错反应方程式,说明新位错的性质,是否可动。

3) 写出(111)与(111)两个滑移面上两全位错所分解为肖克莱不全位错的两个反应式。

4) 如果两扩展位错运动,当它们在两个滑移面交线AB 相遇时,两领先不全位错为

[]

1126a 和]121[6a ,两领先位错能否发生反应,若能,求新位错柏氏矢量;分析新形成位

错为何种类型位错,能否自由滑移,对加工硬化有何作用。

图6-1

3 螺旋位错的能量公式为02ln

4r R Gb E S π=。若金属材料亚晶尺寸为R=10-3~10-4cm ,r 0约为

10-8cm ,铜的G =4×106N/cm 2,b =2.5×10-

8cm 。

(1)试估算Es

(2)估算Cu 中长度为1个柏氏矢量的螺型位错割阶的能量。

4 平衡空位浓度与温度有何关系?高温淬火对低温扩散速度有何影响?

5 已知Al 的空位形成能为0.76eV ,问从27ε 升温到627ε 时空位浓度增加多少倍(取系数A=1)

6 在一个刃型位错附近放置另一个与之平行同号的另一个刃型位错,其位置如图6-2所示1,2,3,问它们在滑移面上受力方向如何?

图6-2

7、位错对金属材料有何影响?

第七章 金属塑性变形

一 名词解释

固溶强化,应变时效,孪生,临界分切应力,变形织构

1 2 3

二问答

1 单相合金的冷塑性变形与纯金属的室温塑性变形相比,有何特点。

2 金属晶体塑性变形时,滑移和孪生有何主要区别?

3 A-B二元系中,A晶体结构是bcc,形成α固溶体,B晶体结构是fcc,形成β固溶体,A与B形成η相,其晶体结构是hcp:

1)指出α,β,η三个相的常见滑移系;

2)绘出它们单晶变形时应力-应变曲线示意图,试解释典型低层错能面心立方单晶体的加工硬化曲线,并比较与多晶体加工硬化曲线的差别。

4 简述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构的成因及对金属材料性能的影响。

5 为什么金属材料经热加工后机械性能较铸造态好。

6 何为加工硬化?列出产生加工硬化的各种可能机制。(不必说明),加工硬化现象在工业上有哪些作用?

7 铝单晶体拉伸时,其力轴为[001],一个滑移系的临界分切应力为0.79MN/m2,取向因子COSφCOSλ=0.41,试问有几个滑移系可同时产生滑移?开动其中一个滑移系至少要施加多大的拉应力?

9 简要说明第二相在冷塑性变形过程中的作用。

10 讨论织构的利弊及控制方法。

11 叙述金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化。

12 图7-1所示低碳钢的三条拉伸曲线,1-塑性变形;2-去载后立即再行加载;3-去载后时效再加载。试回答下列问题:

1)解释图示曲线2无屈服现象和曲线3的屈服现象。

2)屈服现象对金属变形制件表面质量有何影响,如何改善表面质量。

13 退火纯Fe,其晶粒尺寸d=1/4mm时,其屈服点σs=100MNm-2;d=1/64mm时σs=250MNm-2。d=1/16mm时,根据霍尔—配奇公式求其σs为多少?

第八章回复与再结晶

1 名词

变形织构与再结晶织构,再结晶全图,冷加工与热加工,带状组织,加工流线,动态再结晶,临界变形度,二次再结晶,退火孪晶

2 问答

1 再结晶与固态相变有何区别?

2 简述金属冷变形度的大小对再结晶形核机制和再结晶晶粒尺寸的影响。

3 灯泡中W丝在高温下工作,发生显著晶粒长大性能变脆,在热应力作用下破断,试找出两种延长钨丝寿命的方法?

4 户外用的架空铜导线(要求一定的强度)和户内电灯用花线,在加工之后可否采用相同的最终热处理工艺?为什么?

5 纯铝经90%冷变形后,取三块试样分别加热到70ε,150ε,300ε,各保温一小时后空

冷,纯铝的熔点为660 。

1) 分析所得组织,画出示意图;

2) 说明它们强度、硬度的高低和塑性方面的区别并简要说明原因。

7 今有工业纯钛、纯铝和纯铅铸锭,试问如何选择它们的轧制开坯温度?开坯后,将它们在室温(20℃)进行轧制,它们的塑性谁好谁坏?为什么?它们在室温下可否连续轧制下去?钛、铅、铝分别怎样才能轧成很薄的带材?

已知:工业纯金属的再结晶温度T 再=(0.3-0.4)T 熔,钛熔点1672℃,883℃以下为hcp ,883℃以上为bcc ;铝熔点为660℃,fcc 结构(面心立方);铅熔点为327℃,fcc 结构(面心立方)。

8 试说明晶粒大小对金属材料室温及高温力学性能的影响,在生产中如何控制材料的晶粒度。

9 如何提高固溶体合金的强度

10 试用位错理论解释固溶强化,弥散强化,以及加工硬化的原因。

第九章 表面与界面

1 名词

正吸附,晶界能,小角度晶界,晶界偏析

2 问答

1 试说明界面对复合材料结合强度的影响。

2 试述晶界的特性。

3 分析晶界能的变化。

4 分析影响晶界迁移的因素

第十章 原子扩散

1、 简要说明影响溶质原子在晶体中扩散的因素。

2、Ni 板与Ta 板中有0.05mm 厚MgO 板作为阻挡层,1400℃时Ni +

通过MgO 向Ta 中扩散,

此时Ni +在MgO 中的扩散系数为D=9×10-12cm 2/s ,Ni 的点阵常数为3.6×10-

8cm 。问每秒

钟通过MgO 阻挡层在2×2cm 2的面积上扩散的Ni +

数目,并求出要扩散走1mm 厚的Ni 层需要的时间。

3、对含碳0.1%齿轮气体渗碳强化,渗碳气氛含碳1.2%,在齿轮表层下0.2cm 处碳含量为0.45%时齿轮达到最佳性能。已知铁为FCC 结构,C 在Fe 中的D 0=0.23,激活能Q =32900cal/mol ,误差函数如表10-1。 1)试设计最佳渗碳工艺;

2)在渗碳温度不变,在1000℃时渗碳,要将渗碳厚度增加1倍,即要求在其表面下0.4cm 处渗碳后碳含量为0.45%所需渗碳时间。

表10-1 Dt x

2与erf(Dt x 2)的对应值

Dt x 2

erf(Dt x

2) Dt x 2

erf(Dt x

2) Dt x 2

erf(Dt x

2) 0.0

0.0000

0.7

0.6778

1.4

0.9523

0.1 0.1125 0.8 0.7421 1.5 0.9661 0.2 0.2227 0.9 0.7969 1.6 0.9763 0.3 0.3286 1.0 0.8247 1.7 0.9838 0.4 0.4284 1.1 0.8802 1.8 0.9891 0.5 0.5205 1.2 0.9103 1.9 0.9928 0.6

0.6039

1.3

0.9340

2.0

0.9953

4 一块厚度10毫米,含碳量0.77%的钢在强脱碳气氛中加热到800℃,然后缓慢冷却,试指出试样从表面到心部的组织分布。

5 一块用作承载重物的低碳钢板,为提高其表面硬度采用表面渗碳,试分析: 1) 渗碳为什么在γ-Fe 中进行而不在α-Fe 中进行,即渗碳温度选择要高于727ε ,为什么? 2) 渗碳温度高于1100ε 会出现什么问题?

6 铜-锌基单相固溶体进行均匀化处理,试讨论如下问题:

1) 在有限时间内能否使枝晶偏析完全消失?

2) 将此合金均匀化退火前进行冷加工,对均匀化过程是加速还是无影响?说明理由。

7 原子扩散在材料中的应用

8 何谓上坡扩散,举两个实例说明金属中上坡扩散现象。 9、简述固溶体合金的扩散机制

第一章 原子排列与晶体结构

6. [110], (111), ABCABC…, 0.74 , 12 , 4 ,

a r 42

=

; [111], (110) , 0.68 ,

8 , 2 ,

a

r 43

=

; ]0211[, (0001) , ABAB , 0.74 , 12 , 6 ,

2a r =

7.

0.01659nm 3 , 4 , 8 。

8. FCC , BCC ,减少 ,降低 ,膨胀 ,收缩 。 9. 解答:见图1-1

10.

解答: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)。

6 解答:Pb 为fcc 结构,原子半径R 与点阵常数a 的关系为a

r 42=

,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

s n 1

=

=4.08×1012。

第三章 合金相结构

一、 填空

1) 提高,降低,变差,变大。 2) (1)晶体结构;(2)元素之间电负性差;(3)电子浓度 ;(4)元素之间尺寸差别 3) 存在溶质原子偏聚 和短程有序 。 4) 置换固溶体 和间隙固溶体 。 5) 提高 ,降低 ,降低 。

6) 溶质原子溶入点阵原子溶入溶剂点阵间隙中形成的固溶体,非金属原子与金属原子半

径的比值大于0.59时形成的复杂结构的化合物。

三、 问答

1、 解答: α-Fe 为bcc 结构,致密度虽然较小,但是它的间隙数目多且分散,间隙半径很小,四面体间隙半径为0.291Ra ,即R =0.0361nm ,八面体间隙半径为0.154Ra ,即R =0.0191nm 。氢,氮,碳,硼由于与α-Fe 的尺寸差别较大,在α-Fe 中形成间隙固溶体,固溶度很小。α-Fe 的八面体间隙的[110]方向R=0.633 Ra ,间隙元素溶入时只引起一个方向上的点阵畸变,故多数处于α-Fe 的八面体间隙中心。B 原子较大,有时以置换方式溶入α-Fe 。 由于γ-Fe 为fcc 结构,间隙数目少,间隙半径大,四面体间隙半径为0.225 Ra ,即R =0.028nm ,八面体间隙半径为0.414 Ra ,即R =0.0522nm 。氢,氮,碳,硼在γ-Fe 中也是形成间隙固溶体,其固溶度大于在α-Fe 中的固溶度,氢,氮,碳,硼处于γ-Fe 的八面体间隙中心。

2、简答:异类原子之间的结合力大于同类原子之间结合力;合金成分符合一定化学式;低于临界温度(有序化温度)。

第三章 纯金属的凝固

2. 填空

1. 结构和能量。

2 表面,体积自由能 ,T L T r m m

?-=σ2,()2

2

3316T L T G m m k ??=?σπ。

3 晶核长大时固液界面的过冷度。

4 减少,越大,细小。 5. 快速冷却。

二、 问答

1 解答: 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。

2 解答: 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最外层为细小等轴晶,靠内为柱状晶,最内层为粗大等轴晶。

3 解答: 液态金属结晶时,均匀形核时临界晶核半径r K 与过冷度?T 关系为

T L T r m m

?-=

σ2,临界形核功?G K

等于

()22

3316T L T G m m k ??=?σπ。异质形核时固相质点可作为晶

长大,其临

界形核功较小,

()k

m m k

G T L T G ?+-=??+-=?4cos cos 323164cos cos 3232

2

33*

θθσπθθ,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 k

A ?+?-=,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。

4 解答: 在金属凝固时,可以近似认为L M =?Hm,根据均匀形核时临界晶核半径r K 与过

冷度?T 关系为

T L T r m m

?-=

σ2,可以计算得到r =0.79×10-7cm =0.79nm 。

5: 解答: 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。

7 解答: 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。

7、 解答: 纯金属凝固时

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。

第四章 二元合金相图与合金凝固

一、填空 1. 成分

2. 光滑界面 ,粗糙界面

3. 垂直长大机制,二维平面长大 , 依靠晶体缺陷长大 4 枝晶 ,均匀化退火 5 平直状 , 树枝 。 6. _伪共晶_。

7 D

R e k k k δ--+)(000

1, 1 。

8. 共晶 , 熔晶 , 偏析 ,包析 9 0.0218% , 4.3% ; P 和 Fe 3C ; FCC , 间隙 , 间隙固溶体 , BCC , 2.11% ; 0.77 , 珠光体 和 渗碳体 ; 4.3% ; P+F , P+Fe 3C , Ld , A+ Fe 3C , P+Fe 3C +Fe 3C II , 液相 , A , F , 6.69 , 硬、脆 , P 。

2 问答

1 解答: 1)见图中标注。两相区由相邻的两个单相区所构成。水平线代表三相区,见3)中的恒温反应式。

2)稳定化合物为δ、ε,不稳定化合物为β、γ。 3)1455℃,L +δ-ε,包晶反应; 1387℃,L -ε+Ni ,共晶反应; 1135℃,L +δ-γ,包晶反应; 855℃,L +γ-β,包晶反应;

640℃,L -Al +β,共晶反应;

4)Ni 30%(重量)的合金在平衡冷却时的相变过程:L -γ;855℃,L +γ-β,包晶反应;L -β;640℃,L -Al +β,共晶反应;

室温下相组成为Al +β,%6.28%1004230

42%=?-=

Al ,β=1-Al%=71.4%。

室温下组织组成为β+(Al +β)共晶,,%

4.71%1000

5.04205.030%=?--=β,(Al +β)共晶=1-β%=28.6%。

5)含Ni89%(重量)的Ni-Al 合金其平衡凝固时室温组织为Ni 和Ni 中析出的ε,非平衡凝固后会出现非平衡共晶组织,即为Ni 和少量的1387℃反应生成的L -(ε+Ni )共晶。 6)X 合金平衡凝固完毕时的组织α初晶占80%,则(α+β)共晶=20%,设此合金中Ni 组元的含量是X ,

%1000.05

X 05.0%80?-=

,可以求得X =0.01%。

7)1500ε 时Al-Ni 合金系的自由能—成分曲线示意图如图。

2 解答: 1)α相晶体结构与Cu 的结构保持一致,为fcc 结构;

2)共晶反应前的平衡分配系数

61.03.999

.600===

L S C C k ;

3) Cu-13.47%Sn 合金在正常条件下凝固后,由于固相平均成分线相对于固相线下移,在合金凝固过程中剩余少量液相出现非平衡结晶,发生包晶反应而出现少量β相。这些少量β相可以通过均匀化退火消除。

4)Cu-70%Sn 合金平衡凝固过程为L -ε,L 92.4+ε38.2—η59.0,L —η,L 99.3—η60.9+(Sn ),η-η'

共晶反应刚完毕时相组成物为η+(Sn ),组织组成物为η+(η+Sn )共晶。

相组成物的相对含量为:%

3.23%1)Sn (%,7.76%1009.6010070

100%=-==?--=

ηη

和组织组成物的相对含量:%,

3.76%1009.603.9970

3.99%=?--=η(η+Sn )共晶%=1-η%

=23.7%。

5)合金在450℃时各相自由能---成分曲线示意图如图所示。

3 解答: 1)相区填写如图所示。相图中各等温反应如下:

935℃:L+β(Y )—ε;780℃:L+ε—δ;776℃:β(Y )—ε+α(Y ); 635℃:L+ε—γ; 557℃:L —(Mg )+γ。

Y=5%wt 时的合金K 在室温时的平衡组织为(Mg )固溶体。

2)Mg 为hcp 结构,因为r =a/2,一个hcp 晶胞中有6个原子,设38

=

a

c ,则致密度为

74.023*******

=???==

c

a a r V V cell

atom )(πρ

3)提高合金K 强度的可能方法有细化晶粒,加工硬化。

4)Y=10%wt 之合金可能的强化方法有细化晶粒,加工硬化和固溶时效。

4 解答: 相同点:均需要形核与长大,形核要满足一定热力学条件,形成一定临界晶核半径,即需要能量起伏和结构起伏。

不同点:固溶体合金形核除需要能量起伏和结构起伏外,还需要成分起伏,非平衡结晶时产生偏析,一般会产生成分过冷,凝固过程是在一个温度区间进行,而纯金属凝固在等温进行。

5 解答: 1)Fe 3C II 含量最多的合金、珠光体含量最多的合金、莱氏体含量最多的合金的合金成分分别为含碳量2.11%,0.77%,4.3%。

2)二元系中比较适合做变形合金和合金为单相固溶体,适合作为铸造合金的成分范围为含有较多共晶体的合金。故在含碳量小于2.11%的合金可以经过加热得到单相合金适合作为变形合金,含碳量大于4.3%的合金有共晶反应适合作为铸造合金。

3)提高压力加工合金的强度的方法主要有加工硬化,合金元素固溶产生的固溶强化,细化晶粒强化,热处理强化,第二相强化,弥散质点的弥散强化。 4)平衡反应的成分及温度,反应式为 1495℃,L 0.53+δ0.09-A 0.17,包晶反应; 1148℃,L 4.3-A2.11+Fe 3C ,共晶反应; 727℃,A 0.77-F 0.0218+Fe 3C ,共析反应;

5)凝固过程:935℃:L —γ,γ—Fe3C Ⅱ,γ—F +Fe3C Ⅱ(P ) 室温下相组成为F +Fe3C Ⅱ,其中

15.1%

% F - 1% C Fe %,9.84%1000008.063.61

63.6%3===?--=

F ;室温下组织组成为P

+Fe3C Ⅱ,其中%

1.9877.069.61

69.6%=--=P ,Fe3C Ⅱ%=1-P %=1.9%。 6)亚稳转变后组织为P +Fe3C Ⅱ,淬火冷却后C 在Fe 中形成过饱和固溶体(马氏体相

变)。

7) 三种钢在给定温度下的显微组织如表。

8)1200℃时各相的自由能---成分曲线示意图如图。

6: 解答: 1)Ⅱ合金的平衡冷却曲线和组织如图;室温下相组成物为α+β,其中

%8.11%10059080

90%=?--=

α,β=1-α%=88.2%,组织组成为β+(α+β)共晶, %

75%10050905080%=?--=β,(α+β)共晶%=1-β%=25%;

2) Ⅰ合金在平衡凝固时室温组织为α+βⅡ,工业条件冷却时出现少量非平衡共晶组织,室温组织为α+βⅡ+少量(α+β)共晶。

3) 可以根据相图估计,在共晶温度下尽可能高的温度进行退火。

7: 解答: 1)金属固液界面的微观结构为粗糙界面,长大机制为垂直长大方式,在正温度梯度下固液界面保持平直,在负温度梯度下成长时固/液界面不稳定,结晶后容易长成树枝状晶。

8: 解答: 1)相区填充如图;

2)设X 合金中Bi 组元的含量是x ,依题意有%

1008.41100100%80?--=

x

,可以解得x =53.44,

即Bi 组元的含量是53.44%。

3)设Y 合金中Bi 组元的含量是y ,依题意有共晶含量

%

1001.56100100%50?--=

y

,可以解

得y =78.15,即Pb 组元的含量是21.85%。

4)Pb-30%Bi 合金平衡凝固过程为L —α,L +α—β,L —β,β—Bi ,室温下平衡组织为β+Bi ,非平衡凝固下由于L +α—β包晶反应很难进行完全,故在β晶粒内部会保留部分α,室温下组织为β+残留α+Bi 。

第五章 三元合金相图

1 解答: 0.8%C 的Fe-C-Si 三元合金在平衡冷却时的相变过程为L —α,L +α—γ,L —γ,1100℃时的平衡组织为γ。

2 解答: 1)Cu-30%Zn-10%Al 合金的成分点见图中X 点。

2)Cu-20%Zn-8%Al 合金,位于α+γ两相区边界线上,由α+γ两相组成。Cu-25Zn-6Al 合金位于α+‘

β+γ的三相区中,由α+‘

β+γ的三相区组成,可以从图中读出各相成分点:

α:Cu-22.6Zn-3.45Al, γ:Cu-18Zn-11.5Al, β:Cu-30Zn-4Al

故Cu-20Zn-8Al 合金中α%=45.35.118

-.511-×100%=43.50%

γ%=1-α%=56.5%

Cu -25Zn -6Al 合金中‘

β=203020

-25-×100%=50%

α%=(1-‘β)×43.5%=21.75%,γ%=(1-‘

β)×56.5%=28.25%

3) Y 合金凝固过程:L -α,L -α+β,β-α

3 解答: 1) P p '':L+α-β

P E '1:L -β+γ P E '2:L -α+γ

2) L+α-β+γ

3)O 合金凝固过程:L -α,L+α-β,L+α-β+γ,α,β,γ同析。

4 解答:e 1-1085℃:L →Fe 2C+γ;P 1-1335℃:L+α-γ;γ2-1380℃:L+Fe 3W 2-α

1700℃ L +WC +W -η 1200℃ L +η-γ+WC 1085℃ L -γ+Fe3C +WC

5 解答: 1) 2Cr13.不锈钢的淬火加热在γ相区,从图上估计为1050℃-1300℃;

2)2%C ,13%Cr 刚的平衡凝固过程为:L -γ,L -γ+C 1; γ→α+C 3(P );α→C 3; 室温下组织为C 1+P 。 3) 1区的三相反应是:L+δ-γ

795℃的四相平衡的反应式:γ+C 1-α+ C 3

6 解答:Ⅳ区合金凝固过程为:L -α,L -α+β,α-β互析;

Ⅵ区合金凝固过程为:L -α,L -α+β,L -α+β+γ,随后α,β,γ同析; 四相反应式为:L -α+β+γ

7 解答:四相反应式为137.4℃时P 点:Lp+α1-β1+δ1

99.5℃时E 点 L E -β2+δ2+γ

三元系初晶面有δ、α、β、γ的四个初晶面;

2)三元合金中合金1的结晶过程为:L -γ,L -γ+δ+β; 合金2的结晶过程为:L -δ,L -δ+β,L -γ+δ+β; 合金3的结晶过程为:L -α,L -δ+α,L +α-β+δ; 合金4的结晶过程为::L -α, L +α-β+δ。

3)由题意分析可知改合金成分位于γ(Bi)与E 点的连线上,设其Bi 含量为x,

故有50%=55-100x

100-×100%,故Bi 含量为77.5%,

即Pb%+Sn%=22.5%。由于成分线过Bi 的顶点,故所求合金中

2718

%Pb%=Sn 可求得Pb%=9%,Sn=13.5%。

第六章 空位与位错

一、 名词解释

空位平衡浓度:金属晶体中,空位是热力学稳定的晶体缺陷,在一定的空位下对应一定的空位浓度,通常用金属晶体中空位总数与结点总数的比值来表示。

位错:晶体中的一种原子排列不规则的缺陷,它在某一个方向上的尺寸很大,另两个方向上尺寸很小。

柏氏回路:确定柏氏族矢量的过程中围绕位错线作的一个闭合回路,回路的每一步均移动一个原子间距,使起点与终点重合。

P-N 力:周期点阵中移动单个位错时,克服位错移动阻力所需的临界切应力

扩展位错:两个不全位错之间夹有层错的位错组态

堆垛层错:密排晶体结构中整层密排面上原子发生滑移错排而形成的一种晶体缺陷。

弗兰克-瑞德位错源:两个结点被钉扎的位错线段在外力的作用下不断弯曲弓出后,互相邻近的位错线抵消后产生新位错,原被钉扎错位线段恢复到原状,不断重复产生新位错的,这个不断产生新位错、被钉扎的位错线即为弗兰克-瑞德位错源。

Orowan 机制:合金相中与基体非共格的较硬第二相粒子与位错线作用时不变形,位错

绕过粒子,在粒子周围留下一个位错环使材料得到强化的机制。

科垂尔气团:围绕刃型位错形成的溶质原子聚集物,通常阻碍位错运动,产生固溶强化效果。

铃木气团:溶质原子在层错区偏聚,由于形成化学交互作用使金属强度升高。

面角位错:在fcc 晶体中形成于两个{111}面的夹角上,由三个不全位错和两个层错构成的不能运动的位错组态。

多边形化:连续弯曲的单晶体中由于在加热中通过位错的滑移和攀移运动,形成规律的位错壁,成为小角度倾斜晶界,单晶体因而变成多边形的过程。

二、 问答

1 解答:层错能高,难于形成层错和扩展位错,形成的扩展位错宽度窄,易于发生束集,容易发生交滑移,冷变形中线性硬化阶段短,甚至被掩盖,而抛物线硬化阶段开始早,热变形中主要发生动态恢复软化;层错能低则反之,易于形成层错和扩展位错,形成的扩展位错宽度较宽,难于发生束集和交滑移,冷变形中线性硬化阶段明显,热变形中主要发生动态再结晶软化。

2. 解答: 1)对于位错反应,需要同时满足能量条件和几何条件,反应才能进行。

在]101[2a →]112[6a ]+]

121[6a 中,

2

22222

20112a a b =++=∑)()(前, 2

22222

321126a

a b =

?++=∑)()(后,22后前b b ∑>∑,满足能量条件;同时]

101[2]112112[6]101[2a a b a b =-+-+-=∑==∑))()((后前,满足几何条件,

故反应能进行。

扩展位错宽度πγ221)

(b b G d =

,G 为切弹性模量,b1、b2为不全位错柏氏矢量,γ为层错能。若反应前的]

101[2a

是刃位错,则反应后的扩展位错只能在原滑移面上进行滑移;

若反应前的]101[2a

是螺型位错,反应后形成的扩展位错可以进行束集,与其相交面如

)(111面相交处束集,而后过渡到)(111面上进行运动,并有可能再次分解为扩展位错。

2)若(1,1,1)面上位错]110[2a b =与)(111面上的位错]

011[2a b =相遇,它们之间能

满足能量条件和几何条件,可以发生位错反应,反应式为:]

110[2]011[2]110[2a

a a =+。

新位错位于(001)面上,是纯刃型位错,由于不在其滑移面{111}面上,为不可动位错。

3)(111)与(111)两个滑移面上全位错分解为肖克莱不全位错的两个反应式为:

(111)晶面上:]

211[6]112[6]110[2a

a a +-,)(

111面上的位错]112[6]211[6]011[2a

a a +-

4)如果两扩展位错运动分解后的两个领先不全位错为[]

1126a 和]

121[6a ,两领先位错之

间依据能量条件和几何条件要求,可以判断位错反应可以进行。新位错柏氏矢量为]110[6a

新形成位错为在(001)面上刃型位错,牵制到其它两个不全位错和两个层错均不能运动,

会引起冷加工中的加工硬化。

3 解答:1)将各参数带入公式中可以计算得到Es =0.73~0.92Gb 2;

2)Cu 中长度为1个柏氏矢量的螺型位错割阶的能量约为(1.725~2.3)×10-

11J/cm 2。

4 解答:平衡空位浓度)

(kT E A C V

-

=exp ,A 为材料常数,k =1.38×10-23 J/K ,Ev 为空

位形成能。,即温度越高,空位浓度越大。高温淬火后由于高浓度空位被保留至低温,对低温加热扩散有促进作用。

5 解答:平衡空位浓度)

(kT E A C V

-

=exp ,Al 的空位形成能为0.76eV =0.76×(1.602×

10-19 J ),k =1.38×10-23 J/K ,系数A=1。计算可得27ε (300K )时空位浓度C1=1.7×10-13,627ε 时空位浓度为C2=5.54×10-

5,故从27ε 升温到627ε 时空位浓度增加

81

2

10258.3?=C C 倍。

6 解答:两平行同号刃型位错之间滑移面上的受力:

2

222212)()

()(y x y x x b Gb F x +--'=νπ,G 为切弹性模量,b ,b '为两刃型位错的柏氏矢量,ν为泊

松比。

故位置1位错受斥力,位置2位错处于亚稳平衡,偏离该位置则远离或运动到与原点处位错垂直的地方。位置3处第二个位错处于与原点处位错垂直的上方,处于稳定态。

7、解答:位错是晶体中的缺陷,对材料有许多重要影响。 1) 对变形影响。通过位错运动完成塑性变形;

2) 对性能影响,与第二相粒子,通过切过或绕过机制强化材料,冷加工中位错密度增加也

能强化材料,或通过形成科垂尔气团强化材料,以及位错运动中相互交截,或形成割阶、面角位错等使材料强化;

3) 对再结晶中的晶核形成机制有影响; 是优先扩散通道。

第七章 金属塑性变形

一 名词 固溶强化:固溶体中的溶质原子溶入基体金属后使合金变形抗力提高,应力-应变曲线升高,塑性下降的现象;

应变时效:具有屈服现象的金属材料在受到拉伸等变形发生屈服后,在室温停留或低温加热后重新拉伸又出现屈服效应的情况;

孪生:金属塑性变形的重要方式。晶体在切应力作用下一部分晶体沿着一定的晶面(孪晶面)和一定的晶向(孪生方向)相对于另外一部分晶体作均匀的切变,使相邻两部分的晶体取向不同,以孪晶面为对称面形成镜像对称,孪晶面的两边的晶体部分称为孪晶。形成孪晶的过