材料科学基础复习题及答案

一、 填空题

1. 每个面心立方晶胞中的原子数为 4 ，其配位数为 12 。 2.晶格常数为a的体心立方晶胞, 其原子数为 2 , 原子半径为位数为 8 ，致密度为 0.68 。

3. 刃型位错的柏氏矢量与位错线互相 垂直 , 螺型位错的柏氏矢量与位错线互相 平行 。

4. 螺型位错的位错线 平行 于滑移方向，位错线的运动方向 垂直 于位错线。

5. 在过冷液体中，晶胚尺寸 小于 临界尺寸时不能自发长大。 6. 均匀形核既需要 结构 起伏，又需要 能量 起伏。

7. 纯金属结晶时，固液界面按微观结构分为 光滑界面 和 粗糙界面 。 8.纯金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为 过冷 ，理论结晶温度与实际开始结晶温度之差称为 过冷度 。

9．合金中的基本相结构，有 固溶体 和 金属化合物 两类，其中前者具有较高的 综合机械 性能，适宜做 基体 相；后者具有较高的 熔点和硬度 ，适宜做 强化 相。

10. 间隙相和间隙化合物主要受组元的 原子尺寸 因素控制。

11. 相律是分析相图的重要工具，当系统的压力为常数时，相律的表达式为

f＝c－p＋1。

12. 根据相律，二元合金结晶时，最多可有 3 个相平衡共存，这时自由度

为 0 。

13. 根据相区接触法则可以推定，两个单相区之间必定有一个 两相区 ，两个

两相区之间必须以 单相区 或 三相共存水平线 隔开。二元相图的三相区是一条水平线，该区必定与 两相区 以点接触，与 单相区 以线接触。 14. 铸锭的宏观组织是由 表层细晶区 、 柱状晶区 、中心等轴晶区 三个区组成。

15. 莱氏体是共晶转变所形成的 奥氏体 和 渗碳体 组成的混合物。 16. 相变反应式L（液）→?（固）+?（固）表示 共晶 反应；γ（固）→?

（固）+?（固）表示 共析 反应。

3a/4, 配

17. 固溶体合金结晶时，其平衡分配系数Ko表示固液两平衡相中的 溶质浓度

之比。

18. 铁碳合金中，一次渗碳体由 液相 产生，二次渗碳体由 奥氏体 产生，三次渗碳体由 铁素体 产生。

19. 一个滑移系是由 滑移面 和 滑移方向 组成。

20. 面心立方晶格的滑移系有 12 个，体心立方晶格的滑移系有 12 个。 21.滑移常沿晶体中 最密排 的晶面及晶向发生。 22.扩散的驱动力是 化学位梯度 。

23.所谓上坡扩散是指 沿着浓度降低的方向进行的扩散，使浓度趋于均匀化 ，反应扩散是指 通过扩散使固溶体的溶质组元浓度超过固溶体极限而形成新相的过程 。 24.在Fick第一定律的表达式J??D方向进行 。

dC中，负号表示 扩散由高浓度向低浓度dx二、 选择题

1．Fe―Fe3C 合金中，合金具有最好流动性的是（B）。

A. C%=4.00% B. C%=4.30% C. C%=4.60% 2．凝固的热力学条件为（C）。

A. 形核率 B.系统自由能增加 C. 过冷度 3．二元相图中，当有二次相析出时，固溶线表现为（A）。

A. 垂线 B. 水平线 C. 斜线 4. 符号表示（C）。

A. 晶面族 B. 晶向族 C. 晶向

5. A和A-B合金焊合后发生柯肯达尔效应，测得界面向A试样方向移动，则

（A）。

A. A组元的扩散速率大于B组元 B. B组元的扩散速率大于A组元 C. 和扩散速率大小无关

6. 在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为（C）。

A. 原子互换机制 B. 间隙机制 C. 空位机制

7. 形成临界晶核时体积自由能的减少只能补偿表面能的（B）。

A. 1/3 B. 2/3 C. 3/4

8. 面心立方（fcc）结构的铝晶体中，每个铝原子在本层（111）面上的原子配

位数为（A）。

A. 6 B. 8 C. 4 9. 简单立方晶体的致密度为（B）。

A. 65% B. 52% C. 58% 10. 机械零件在正常工作条件下多数处于（A）。

A.弹性变形状态 B. 塑性变形状态 C. 弹塑性变形状态 11. 实际晶体的线缺陷表现为（B）。

A. 空位和间隙原子 B. 位错 C. 晶界 12. 铸件裂纹一般产生在（A）。

A. 铸件较厚的地方 B. 较薄的地方 C. 有孔的地方 13. 缩孔最可能出现的部位是（A）。

A. 铸件最上部 B. 铸件中部 C. 在铸件最上部及热节处 14. 冷铁配合冒口形成定向凝固能防止铸件（A）。 A. 缩孔、缩松 B. 应力 C. 变形 15. 铅在常温下的变形属(B)。

A. 冷变形 B. 热变形 C. 弹性变形

16. 某金属凝固时的形核功为△G*，其临界晶核界面能为△G，则△G*和△G 的关系为（A）。

A. △G=3△G* B. △G=1/3△G* C. △G=△G* 17. 氮、氧在金属中一般占据间隙位置，这是因为（C）。

A. 金属中间隙半径大于氮、氧原子半径 B. 氮、氧都是气体 C. 氮、氧原子半径较小，能挤入金属中的间隙位置 18. 根据二元相图相区接触规则，（B）。 A. 两个单相之间必定有一个单相区隔开

B. 两个两相区必须以单相区或三相共存水平线隔开 C. 三相水平线必须和四个两相区相邻

19. 二次再结晶是（C）。

A. 相变过程 B. 形核长大过程 C. 某些晶粒特别长大的过程

20. 在单相组织中存在大小不等的晶粒，由界面曲度驱动界面移动的规律可知(C)。 A. 小晶粒将移向大晶粒一方，直到晶粒大小相等 B. 大小晶粒依靠吞并相邻晶粒同时长大 C. 界面将移向小晶粒一方，最后小晶粒将消失

21. 强化金属材料的各种手段，考虑的出发点都在于（A）。

A. 尽量减少位错或设置位错运动的障碍 B. 去除位错运动的障碍 C. 使位错适当地减少

22. 金属中通常存在着溶质原子或杂质原子，它们的存在（C）。 A. 总是使晶格常数增大 B. 总是使晶格常数减小 C. 可能使晶格常数增大，也可能使其减小 23. 拉伸单晶时，滑移面转向（A）时最易滑移。

A.与外力轴成45o B. 与外力轴平行 C. 与外力轴垂直

24.若A、B两组元形成电子化合物，但是该化合物中A组元所占的质量分数超过了60%，则该相晶体结构（C）。

A. 与A相同 B. 与B相同 C. 与A、B都不相同

25.在非均匀形核中，外来杂质形状对形核效果有重要影响，其中（A）对形核最为有利。

A. 凹曲面状 B. 平面状 C. 凸曲面状

26.因晶体转动而使原来有利于滑移的晶面滑移到一定程度后变成不利于滑移的晶面的现象称为（B）。

A. 物理硬化 B. 几何硬化 C. 加工硬化 27.一根弯曲的位错线，（B）。

A. 具有唯一的位错类型 B. 具有唯一的柏氏矢量 C. 位错类型和柏氏矢量处处相同

28.某一种金属的熔点是1083℃，该金属最低再结晶温度约为（A）。 A. 269.4℃ B. 342.9℃ C. 433.2℃ 29.在二元合金中，铸造性能最好的合金是具有（C）。

A. 共析成分合金 B. 固溶成分合金 C. 共晶成分合金 30.固态金属扩散最可能按（A）进行。

A. 间隙扩散机理 B. 换位扩散机理 C. 空位扩散机理

31. 要获得结晶过程所需的驱动力，实际结晶温度必须（C）理论结晶温度。

A. 高于 B. 等于 C. 低于

32. 相变反应式L（液）+?（固）→?（固）表示（B）反应。 A. 共晶 B. 包晶 C. 包析 33. 对称倾侧晶界的晶界结构由（B）组成。 A. 螺型位错 B. 刃型位错 C. 割阶 34. 立方晶系中，与晶面(011)垂直的晶向是（A）。 A. [011] B. [100] C. [101] 35. 高温回复阶段，金属中亚结构发生变化时,（C）。

A. 位错发生塞积 B. 形成位错缠结 C. 刃型位错通过攀移和滑移构成亚晶界

36. 在二元合金相图中，稳定化合物为（A）。

A. 一条垂直线 B. 一条曲线 C. 一个区域 37. 铸件在凝固时若不出现成分过冷，则铸件组织将是（B）。

A. 全部等轴晶 B. 全部柱状晶 C. 柱状晶+中心等轴晶 38.在工业生产条件下金属结晶时，过冷度越大，则（B）。 A. N越大 B. N/G提高 C. N/G降低

39.金属在冷变形过程后进行机加工，一般都需要在其中增加退火，其目的是（B）。 A. 消除网状组织 B. 消除冷变形强化 C. 消除偏析组织

三、 判断及改错

1、Fick第一定律表示通过某一截面的扩散流量与垂直这个截面方向上浓度梯度

成正比，其方向与浓度降落方向一致。（×） 2、共晶合金在铸造中流动性一般较差。（×） 3、间隙固溶体和置换固溶体均可形成无限固溶体。 （×）

段所释放的储存能略占总变形能的10％，再结晶阶段所释放的储存能略占总变形能的90％。

12. 请叙述冷塑性变形后的金属材料在发生回复和再结晶过程中的缺陷和组织的变化。

答：在回复阶段，不发生大角度晶界的迁移，晶粒的形状和大小与变形态的相同，仍保持纤维状或扁平状，从光学显微组织上几乎看不出变化。

在再结晶阶段，首先在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到形变组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。

13. 为什么钢铁零件渗碳温度一般要选择在γ-Fe相区中进行？若不在γ相区中进行会有什么结果?

答：因α-Fe中的最大碳溶解度（质量分数）只有0.0218%，大于碳质量分数大于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相区渗碳时铁中的浓度梯度很小，在表面也不能获得高含碳层；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中的碳溶解度高，渗碳时在表层可获得较高的碳浓度梯度时渗碳顺利进行。此外，γ-Fe区温度高，加速了扩散过程。

14. 简述 Fe-Fe3C 相图中三个基本反应：包晶反应,共晶反应及共析反应，写出反应式，标出含碳量及温度。

答：共析反应：冷却到727℃时具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分

????F0.02+Fe3C6.69 的铁素体和渗碳体的两相混合物。γ0.8?727包晶反应：冷却到1495℃时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相δ

????γ0.16 反应生成具有J点成分的固相A。 L0.5+δ0.1?1495共晶反应：1148℃时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏

????γ2.14+ Fe3C6.69 体和渗碳体的两相混合物。 L4.3?1147

七、铁碳合金相关分析题

3．绘制Fe-Fe3C相图，描述wc =3.5%的铁碳合金从液态冷却至室温的平衡结晶过程，并计算其室温组织中的初晶奥氏体、莱氏体以及从初晶奥氏体中析出的二次渗碳体的重量百分数。（18分）

答：Fe-Fe3C相图见下图。

图1 Fe-Fe3C相图

图2 wc =3.5%的铁碳合金的冷却曲线及转变过程

wc =3.5%的铁碳合金为亚共晶白口铁。wc =3.5%的铁碳合金的冷却曲线及转变过程见图2。

在结晶过程中，在1-2点之间按匀晶转变结晶出初晶奥氏体，奥氏体的成分沿JE线变化，而液相的成分沿BC线变化，当温度降至2点时，液相成分达到共晶点C，于恒温（1148℃）下发生共晶转变，即Lc→γE+Fe3C，形成莱氏体。当温度冷却至2-3点温度区间时，从初晶奥氏体和共晶奥氏体中都析出二次渗碳体。随着二次渗碳体的析出，奥氏体的成分沿着ES线不断降低，当温度达到3点（727）时，奥氏体的成分也到达了S点，与恒温下发生共析转变，所有的奥氏体均转变为珠光体。

组织物的含量如下：

4.3?3.5?100%?36.5% Wr%?4.3?2.11

3.5?2.11

W%??100%?63.5%Ld 4.3?2.11 W

2.11?0.77?36.5%?8.26t3CII%?6.69?0.775.画出 Fe-Fe3C 相图，指出图中 S 、C 、E 、P、N 、G 及 GS 、SE 、PQ 、PSK 各点、线的意义，并标出各相区的相组成物和组织组成物。 答:

C：共晶点1148℃ 4.30%C，在这一点上发生共晶转变，反应式：

Lc?AE?Fe3C，当冷到1148℃时具有C点成分的液体中同时结晶出

具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物——莱氏体

?Le???AE?Fe3C?

E：碳在??Fe中的最大溶解度点1148℃ 2.11%C G：??Fe???Fe同素异构转变点（A3）912℃ 0%C H：碳在??Fe中的最大溶解度为1495℃ 0.09%C

J：包晶转变点1495℃ 0.17%C 在这一点上发生包晶转变，反应式：

LB??H?AJ当冷却到1495℃时具有B点成分的液相与具有H点成分的

固相δ反应生成具有J点成分的固相A。

N：??Fe???Fe同素异构转变点（A4）1394℃ 0%C P：碳在??Fe中的最大溶解度点 0.0218%C 727℃

S：共析点727℃ 0.77%C 在这一点上发生共析转变，反应式：

As?Fp?Fe3c，当冷却到727℃时从具有S点成分的奥氏体中同时析出

具有P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物——珠光体P（Fp?Fe3c）

ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm温度线，随温度的降低，碳

在奥化体中的溶解度减少，多余的碳以Fe3C形式析出，所以具有0.77%～2.11%C的钢冷却到Acm线与PSK线之间时的组织A?Fe3CⅡ，从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。

GS线：不同含碳量的奥氏体冷却时析出铁素体的开始线称A3线，GP线则

是铁素体析出的终了线，所以GSP区的显微组织是F?A。

PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线，随温度的降低，碳在铁素体中的溶解

度减少，多余的碳以Fe3C形式析出，从F中析出的Fe3C称为三次渗碳体Fe3CⅢ，由于铁素体含碳很少，析出的Fe3CⅢ很少，一般忽略，认为从727℃冷却到室温的显微组织不变。

PSK线：共析转变线，在这条线上发生共析转变AS?FP?Fe3C，产物（P）

珠光体，含碳量在0.02～6.69%的铁碳合金冷却到727℃时都有共析转变发生。

6.分析含碳量分别为 0.20% 、 0.60% 、 0.80% 、 1.0% 的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织.

答：0.80%C:在1~2点间合金按匀晶转变结晶出A，在2点结晶结束，全部转变

为奥氏体。冷到3点时（727℃），在恒温下发生共析转变，转变结束时全部为珠光体P，珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体，当温度继续下降时，珠光体中铁素体溶碳量减少，其成分沿固溶度线PQ变化，析出三次渗碳体Fe3CⅢ，它常与共析渗碳体长在一起，彼此分不出，且数量少，可忽略。

室温时组织P。

0.60% C：合金在1~2点间按匀晶转变结晶出A，在2点结晶结束，全部转变

为奥氏体。冷到3点时开始析出F，3-4点A成分沿GS线变化，铁素体成分沿GP线变化，当温度到4点时，奥氏体的成分达到S点成分（含碳0.8%），便发生共析转变，形成珠光体，此时，原先析出的铁素体保持不变，称为先共析铁素体，其成分为0.02%C，所以