材料结构与性能思考题

《材料结构与性能》思考题

第一章 金属及合金的晶体结构

1．重要名词 晶体 非晶体 单晶体 多晶体 晶粒 晶界 各向异性 假等向性（伪各向同性） 空间点阵 阵点（结点） 晶胞 简单晶胞（初级晶胞） 布拉菲点阵 晶系 晶面 晶面指数 晶向 晶向指数 密勒指数 晶面族 晶向族 晶带 晶带轴 面间距 配位数 致密度 点阵常数 面心立方（A1） 体心立方(A2) 密排六方(A3) 同素异构现象 四面体间隙 八面体间隙 多晶型性(同素异构转变) 原子半径 合金 相 固溶体 间隙固溶体 置换固溶体 有限固溶体 无限固溶体 电子浓度 无序分布 偏聚 短程有序 短程有序参数 维伽定律 中间相 金属间化合物 正常价化合物 电子化合物(Hume-Rothery相) 间隙相 间隙化合物 拓扑密堆相(TCP相) PHACOMP方法 超结构（有序固溶体，超点阵） 长程有序度参数 反相畴（有序畴） 2．试述晶体的主要特征。

3．画出立方晶系中的下列晶面和晶向：(100), (111), (110), (123), (130)), (121), (225), [112], [312], [211]。画出六方晶系中的下列晶面：(0001), (1120), (1011)。

4．画出立方晶系(110)面上的[111]方向，(112)上的[111]方向。在其(111)面上有几个<110>方向？ 5．计算面心立方、体心立方、密排六方点阵晶胞的晶胞内原子数、致密度。其中原子的配位数是多少？ 6．面心立方和密排六方点阵的原子都是最密排的，为什么它们形成了两种点阵？

7．画图计算面心立方和体心立方点阵的四面体、八面体间隙的半径rB与原子半径rA之比。 8．铜的面心立方点阵常数为3.608?，计算其（122）晶面间距。 9．立方晶系中晶面指数和晶向指数有什么关系？

10．写出立方晶系{112}晶面组的全部晶面和<123>晶向族的全部晶向。

11．已知点阵常数a=2 ?，b=6 ?, c=3 ?, 并已知晶面与三坐标轴的截距都是6 ?，求该晶面的指数。 12．若?-Fe晶胞中的八面体间隙都被C原子填满，试计算C原子的原子百分数和重量百分数。另外，这样的事情能否发生，为什么？

13．试画出面心立方点阵中(001), (011) 和（111）晶面的原子排列，并标出原子间距。

14．判断下列晶向是否属于相应的晶面或平行于该晶面：[112]与(111)；[110]与(121)；[210]与(101)。 15．下列晶向是否是两个晶面的交线？(1)[112]与(111)及(110)；(2)[101]与(111)及(111)；(3)[101]与(111)及(111)。

16．银属面心立方点阵，若其原子半径为1.44 ?，求其晶格常数，并根据其原子量求其密度。

17．?-Fe? ?-Fe转变发生在910℃，该温度下其点阵常数分别为2.892 ?和3.633 ?，试求转变前后的体积变化。若转变前后原子半径未变化，体积变化又有多大？

18. Al和Ag均属面心立方点阵，已知rAg= 1.441?, rAl=1.428?, 它们在固态下是否可能无限互溶，为什么？ 19．固溶体的溶解度主要取决于哪些因素？

20．碳原子在?-Fe晶胞中存在于什么位置？碳原子溶入后其点阵常数如何变化？为什么？碳原子溶入?-Fe中又如何？

21．计算含1-wt%C的?-Fe中多少个晶胞中溶入一个碳原子？ 22．中间相一般具有什么特点？

23．以黄铜为例说明什么是电子化合物及电子化合物的类型。

24．电子化合物为什么可以具有一定的成分范围？ 25．试述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同。 26．试述短程有序和长程有序的关系。 27．影响有序化的因素有哪些？ 28．有序化对合金的性能有何影响？

1

第二章 金属的晶体缺陷

1．重要名词 晶体缺陷 点缺陷 线缺陷 面缺陷 空位 间隙原子 弗兰克尔缺陷 肖脱基空位 点缺陷平衡浓度 点缺陷的形成能 热力学稳定缺陷和热力学不稳定缺陷 过饱和点缺陷 位错 柏氏矢量 位错结点 刃型位错 螺型位错 混合型位错 位错密度 滑移 攀移 守恒运动和非守恒运动 位错应变能 作用在位错上的力 位错线张力 位错间的力 位错增殖 全位错 不全位错 单位位错 堆垛层错 抽出型层错 插入型层错 堆垛层错能 肖克莱不全位错 弗兰克不全位错 位错反应 扩展位错 扩展位错宽度 弗兰克-瑞德源 交滑移 位错的双交滑移增殖机制 晶界 相界 小角度晶界大角度晶界 对称倾侧晶界 不对称倾侧晶界 扭转晶界 晶界能 重合位置点阵 孪晶 孪晶界 孪晶面 共格孪晶界 非共格孪晶界 表面 表面能

2. 若铝的空位形成能为0.75eV，间隙原子的形成能为3.0eV，假定二者的振动熵相等，试分别求出500℃和20℃时二者的平衡浓度之比，并解释其比值的变化。

3. 在铁中形成1mol空位的能量为25000卡，试计算将其从20℃加热到850℃时空位浓度增加了多少倍？若将其淬火至室温，这些空位会出现什么情况？

4. 刃型位错、螺型位错 、混合型位错的特点是什么？试比较刃型位错和螺型位错的几何形态和运动特点。 5. 如何求位错的柏氏矢量？柏氏矢量有哪些特征？

6. 受力时刃型位错、螺型位错如何运动？试说明他们的滑移方向、位错运动方向、柏氏矢量、变形方向的关系。什么是守恒运动和非守恒运动？

7. 位错间为何有作用力？试分析刃型位错之间和螺型位错之间的作用力。 8. 面心立方、体心立方点阵中单位位错的点阵矢量是什么？ 9. 扩展位错宽度与那些因素有关？ 10. 位错反应的条件是什么？试举例说明。 11. 试说明面心立方点阵中不全位错的特点。

12. 试说明弗兰克-瑞德源使位错增殖的机理并求出该位错源启动的临界切应力。 13. 什么是双交滑移？为何刃型位错不能发生交滑移？

14. 说明亚晶界的结构，阐述“重合位置点阵模型”，说明晶界的特点。

15. 如图所示，晶体受一均匀切应力?的作用，某滑移面上有一柏氏矢量为b的圆形位错环，(1)分析位错环各段位错线的结构类型，并说明有无可能各部分都是刃型位错或螺型位错？(2)求各段位错所受的力的大小

? b ? 并确定其方向。(3)在?的作用下该位错环将如何运动？运动结果如何？(4)若在?的作用下该位错环不动，其半径最小应多大？

16. 假设在镁晶体中由一个位错源放出的位错滑移到晶体表面，使晶体表面产生高度为10-4cm的滑移台阶，问有多少个位错运动到了表面？（已知b=0.32nm）

17. 一个正刃型位错和一个负刃型位错在水平和垂直方向都离开了两个原子间距，画出其二维图形，(1)围绕此二位错作出柏氏回路，找出其柏氏矢量。(2)围绕两个位错分别作柏氏回路，分别找出其柏氏矢量，二 者的柏氏矢量有何关系？

2

G H 18. 如图，EFGH为半原子面，则HI, IJ, JK, KE各段位错是什么类型的位错？

19. 从结构条件和能量条件判断下列位错反应能否进行：

(1)[111]?a[111]?a[110]

I J F 2 K aa E (2) a[100] ?[101]?[101]

22 b aa(3) a[100] ?[111]?[111]

22 aaa(4) [112]?[111]?[111]

326aaaaa(5) [101]?[211]?[112] (6) [111]?[111]?a[110]

26622a220. 试讨论面心立方点阵和简单立方点阵中位错的异同点。 21. 晶体的滑移量与位错运动的位移量是否成正比？为什么？ 22. 为什么刃型位错不能交滑移，螺型位错不能攀移？

23. 图中的平面为晶体的滑移面，虚线为位错线，箭头为位错线的运动方向，阴影部分为已滑移区，(1)试分析各图中的位错类型；(2)在外加切应力作用下，当位错线扫过该滑移面时，晶体在什么方向上产生多大的变形？

b b b b b 24. 如图，刃型位错AB, CD长度和方向相同，柏氏矢量也相同，两端都

被钉住，(1)画出位错线的逐步扩展过程；(2)在两位错环相遇处，位错不 b b A B C D 能扩展，可以形成一个大位错源，图示此过程。

25. 如图，两同号平行的刃型位错处于平行的滑移面上，(1)当b2位于①，

? b2 ③ ① ② b1 ②，③不同位置时，两个位错的相互作用力如何？(2)在外加切应力?作用下，b1位于哪种位置时其运动速度快些？

26. 面心立方晶体中有一位错，它的滑移造成晶体沿(111)面和[110]方向切变

?

2a，(1)写出此位错的单位位错b，并图示之；(2)若此位错为刃型和螺型时，2绘出位错方向；(3)若此位错为螺型，它可在哪些晶面交滑移？

27. 将一位错弯成半径为r的圆环，已知b=0.3nm，G=4×104MPa，r=0.6?m，试计算沿b方向需加多大的切应力?？

第三章 金属的凝固

1．重要名词 结晶 熔化潜热 熔化熵 结构起伏（相起伏） 准晶体模型 随机密堆模型热分析 过冷现象 过冷度 形核 长大 均匀形核 非均匀形核 晶胚 晶核 临界晶核 临界晶核半径 临界形核功 能量起伏 形核率 有效形核温度 动态过冷度 正温度梯度 负温度梯度 光滑界面（小平面界面） 粗糙界面（非小平面界面） 树枝晶 非晶态金属 玻璃化转变温度

3

2. 解释液态金属与固态金属有相似的结构。

3. 解释G-T（自由能-温度）曲线的变化趋势和曲线形状。 4. 说明纯金属凝固的热力学条件

5. 当球状晶核在液态形成时，总自由能变化?G=4?r2?+

43

?r?Gv, 其中r为球状晶核的半径，?为单位晶3核面积的表面能，?Gv为单位体积晶核形成时放出的体积自由能。求?G达到最大时的r*和?Gv*，分析他们的物理意义。

6. 分析纯金属均匀形核和非均匀形核的条件，并比较他们的过冷度，说明他们形核的难易。 7. 在生产条件下，金属结晶形核以那种方式为主？为什么？ 8. 试说明形核率与过冷度的关系。 9. 金属熔化为什么不需要过热度？ 10. 说明动态过冷与晶体生长的关系。 11. 分析界面形貌与温度梯度的关系。

12. 试说明树枝晶的形成原理，形成条件和形成过程。

13. 晶粒度对金属的性质有什么影响？为什么用金属型比砂型铸铝件的组织细密？从中分析控制铸件结晶后晶粒大小的因素。

第四章 二元相图和合金的凝固

1．重要名词 相 自由度 化学位 液相线 固相线 杠杆法则 公切线法则 相区接触法则 匀晶转变 成分起伏 枝晶偏析 平衡分配系数 宏观偏析 有效分配系数 初始过渡区 区域熔炼 成分过冷 共晶转变 共晶体 固溶线（溶解度曲线） 初生相 次生相（二次相） 亚共晶合金 过共晶合金 相组成物 组织组成物 伪共晶 非平衡共晶组织 离异共晶 包晶转变 包晶转变的不完全性 非平衡包晶组织 铁素体 高温铁素体 奥氏体渗碳体 莱氏体 珠光体 共析转变 工业纯铁 碳钢 白口铸铁 共析钢 亚共析钢 过共析钢 共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 一次渗碳体 二次渗碳体 三次渗碳体 先共析铁素体 变态莱氏体 共晶渗碳体 共析渗碳体 缩孔 疏松 气孔（气泡） 织构（择优取向） 2. 什么是相率？其表达式是什么？

3. 试说明区域熔炼提纯金属的原因，是不是所有的金属都可以用这种方法提纯？为什么？ 4. 用示意图说明什么叫成分过冷。影响成分过冷的因素有哪些？

自 由 T=T1 能 L ? ? A B B%

T (℃) L L+? L+? ? 5. 已知某合金在温度T1的自由能-温度曲线如图，试推测该温度下不同成分合金的相组成。

6. 指出下列相图中的错误，并说明原因。

7. Pb-Sb相图已给出，（1）试画图表示含2%, 8%, 11.2%, 50%Sb的合金的冷却过程中的组织变化，给出其冷却曲线；（2）共晶组织中?和?各占多少？若在显微组织中初生的?和?各占一半，合金的成分如何？

T (℃) L L+? T (℃) L L+? T (℃) L L+? ? L+? ? L+? ?+? ? ? ?+? ?+? ?+? ? ? ? A B A B A B A B B% B% B% B% 4

8. A-B二元共晶系，A的熔点为900℃，B的熔点为700℃，共晶成分为60%B，共晶温度为500℃，以A为溶剂的?固溶体最大溶解度为30%B，以B为溶剂的?固溶体最大溶解度为15%A，（1）若?和?的溶解度在温度下降时保持不变，试画出二元相图；（2）含40%B的合金在液相完全混合的情况下凝固时其k0、ke各为若干？

9. 不在共晶线和包晶线上的合金什么时候能够发生共晶和包晶反应？

10. 根据Fe-Fe3C相图，画图表示含碳0.01%，0.2%，0.77%，1.2%，3.0%，4.3%，5.0%的铁碳合金的凝

固过程，并计算室温下这些合金的组织组成物和相组成物的含量。

T 681 (℃) L 327 L+? ? L+? ? 11.2 90 11. 计算室温下含碳5.0%的铁碳合金中共晶渗碳体、共析渗碳体和Fe3CI、Fe3CII、Fe3CIII的含量（室温下碳在?-Fe中的最大溶解度为0.008%）。

12. 一含碳2.0%的铁碳合金的室温组织中发现了少量变态莱氏体，试分析其原因。

13. 一含碳2.2%的铁碳合金的室温组织为珠光体和厚网状渗碳体，未发现变态莱氏体，试分析其原因。

0.44 3.5 ?+? 98 14. Fe-Fe3C相图的三条水平线上发生了何种反应？试分析其异同。

Pb Sb 15. 试比较：(1)ES与PQ；(2)GS与BC；(3)GP与JE三组线在含 Sb%

义上的异同。

16. 在727℃上下的莱氏体有何区别？ 17．碳钢和白口铸铁的根本区别是什么？

18. 随含碳量的增加，碳钢和白口铸铁的组织有何规律性变化？ 19. 碳钢中的含碳量对其机械性能有何影响？这种影响与组织有何关系？ 20. 在Fe-Fe3C相图上标明各区域的组织组成。

第五章 固体金属中的扩散

1．重要名词 扩散第一定律 扩散第二定律 扩散通量 扩散系数 浓度梯度 化学位梯度跳动几率 跳动频率 间隙扩散 置换扩散 稳态扩散 短路扩散 上坡扩散 空位扩散 位错扩散 晶界扩散 柯肯达尔效应

2. 扩散系数主要受哪些因素影响？如何影响？

3. 什么是扩散激活能？间隙扩散和置换扩散的激活能有何不同？为什么？ 4. 钢中的合金元素如何影响碳的扩散速度？为什么合金元素的扩散速度比碳小？

5. 相同温度下，碳在?-Fe中的扩散系数比在?-Fe中小，但渗碳却在?-Fe中进行，为什么？

6. 一零件用10号钢（含碳0.1%）制成，工作表面需较高硬度，决定采用表面渗碳。已知碳在?-Fe中的D0=2.0×10-5m2s-1, 扩散激活能Q=140×103J·mol-1, (1) 在1050℃渗碳2.4小时，若渗碳气氛可保证表面层碳浓度为1.0%，求渗层中碳浓度与位置的函数关系；(2)绘制从表面到1mm深度处的碳浓度变化曲线，若定义含碳量0.4%以上的区域为渗碳层，求该渗碳条件下的渗碳层深度(误差函数值可查阅胡赓祥等或刘国勋主编的《金属学》)；（3）若渗碳温度在900～727℃之间，则渗碳时间难于确定，为什么？在727℃以下渗碳能否达到渗碳目的？为什么？

7. 钢加热时，若表面含碳量下降到0，则脱碳后表层碳含量分布符合下式：C=C1erf(x/2Dt),其中C为距表层Z处的含碳量，C1为钢的原始含碳量，求T12钢（含碳1.2%）在1000℃保温10小时后的含碳量与距离曲线。

5

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/025g.html