材料科学基础试题及答案 - 图文

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912? 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 。

（112）4. 在面心立方晶胞中画出晶面和[112]晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平面上的

（1210）方向。在hcp晶胞的（0001）面上标出晶面和[1210]晶向。

5. 求[111]和[201]两晶向所决定的晶面。

6 在铅的（100）平面上，1mm2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?-Fe 和?-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，?-Fe：0.124nm，?-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rK与过冷度?T关系为 ，临界形核功?GK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，?=177×107J/cm，点阵常数a=0.3615nm。求铜?T=100? 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ke= ，当凝固速率很大时ke趋于 。

8. 在二元相图中，L1→?+L2叫 反应，?→L+?称为 转变，而反应?１—?２＋?称为 反应，?+???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 ，Fe3CI是从 中析出的，Fe3CII是从 中析出的，Fe3CIII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?（Al）初晶+(?+?)共晶，其中?初晶占80%，

则此合金中Ni组元的含量是多少？

7） 绘出1500? 时Al-Ni合金系的自由能—成分曲线示意图。

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）?相为何种晶体结构？

2）计算212℃时Cu-90%Sn合金在TE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，?相的晶界上出现少量?相，其原因何在？如何消除?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。

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Fe3CII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） 3） 4） 5）

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。 如何提高压力加工合金的强度。

标注平衡反应的成分及温度，写出平衡反应式。

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 0.4 0.77 1.0 温度 680℃ 700℃ 显微组织 P P+Fe3CⅡ 温度 900℃ 刚达到770℃ 刚达到770℃ 显微组织 A+F A A+Fe3C 770℃停留一段时间 P+F 8) 画出1200℃时各相的自由能---成分曲线示意图。

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?和(Bi)，其中?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+[?+（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。

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Cu-18%Zn-11.5%Al。 3） 分析图中Y合金的凝固过程。 Y

％

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

体α、β、γ。

1） 写出p?P?，E1P?和E2P?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。

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e1→1085℃，P1→1335℃，P2→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７９５? 时的四相平衡反应式。

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），

aaa[110][211][121]1） 位错反应2?6]+6能否进行？写出反应后扩展位错宽度的表

a[110]达式和式中各符号的含义；若反应前的2是刃位错，则反应后的扩展位错能进行何种

a[110]2运动？能在哪个晶面上进行运动？若反应前的是螺位错，则反应后的扩展位错能进

行何种运动？

aab?[101]b?[011]（111）222） 若（1，1，1）面上有一位错，与面上的位错发生

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

aa211[121]6和6，两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

Gb2RES?ln4?r0。3 螺旋位错的能量公式为若金属材料亚晶尺寸为R=10-3~10-4cm，r0约为

－

10-8cm，铜的G＝4×106N/cm2，b＝2.5×108cm。

（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27? 升温到627? 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？

3 2

1

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

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?相，其晶体结构是hcp：

1） 指出?，?，?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COS?COS?=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?s=100MNm-2；d=1/64mm时?s=250MNm-2。d=1/16mm时，根据霍尔—配奇公式求其?s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70? ，150? ，300? ，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=9×1012cm2/s，Ni的点阵常数为3.6×108cm。问每秒

＋

钟通过MgO阻挡层在2×2cm2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D0＝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。

xxerf(2Dt) 0.0000 xxerf(2Dt) 0.6778 表10－1 2Dt与erf(2Dt)的对应值 x2Dt 0.0 x2Dt 0.7 x2Dt 1.4 xerf(2Dt) 0.9523

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.1125 0.2227 0.3286 0.4284 0.5205 0.6039 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 0.7421 0.7969 0.8247 0.8802 0.9103 0.9340 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 0.9661 0.9763 0.9838 0.9891 0.9928 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?-Fe中进行而不在?-Fe中进行，即渗碳温度选择要高于727? ，为什么？ 2) 渗碳温度高于1100? 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 ，

8 , 2 ，

r?2a4； [111]， (110) , 0.68 ,

r?3a4 ； [1120]， (0001) ， ABAB ， 0.74 ， 12 ， 6 ，

r?7.

8. 9. 10.

a2。

0.01659nm3 ， 4 ， 8 。

FCC ， BCC ，减少 ，降低 ，膨胀 ，收缩 。 解答：见图1－1

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0.4949×10-6mm。则（100）平面的面积S＝a2＝0.244926011×0-12mm2，每个（100）面上的原子个数为2。

r?2a4，故可求得a＝

所以1 mm2上的原子个数

n?1s＝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： ?-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?-Fe的尺寸差别较大，在?-Fe中形成间隙固溶体，固溶度很小。?-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?-Fe的八面体间隙中心。B原子较大，有时以置换方式溶入?-Fe。 由于?-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?-Fe 中也是形成间隙固溶体，其固溶度大于在?-Fe中的固溶度，氢，氮，碳，硼处于?-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。

16??3Tm?2?Tm?Gk??r?23L?T??L?Tmm2 表面，体积自由能 ,，。

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rK与过冷度?T关系为

216??3Tm?2?Tm?Gk??r?3?Lm?T?2。异质形核时固相质点可作为Lm?T，临界形核功?G等于

K

晶

核

*2长大，其临

2界形核功较小，

?Gk2?3cos??cos3?16??3Tm2?3cos??cos3?????Gk243?Lm?T?4，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：

数，ΔGA、ΔGk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LM=?Hm,根据均匀形核时临界晶核半径rK与过

N?Cexp[?（?GA?Gk?）]kTkT，其中N为形核率，C为常

r?冷度?T关系为

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。

?2?TmLm?T，可以计算得到r＝0.79×10－7cm＝0.79nm。

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_。

k0（1?k0）e7 k0?， 1 。

8. 共晶 ， 熔晶 ， 偏析 ，包析 9 0.0218% ， 4.3% ； P 和 Fe3C ； 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+Fe3C ， Ld ， A+ Fe3C ， P+Fe3C +Fe3CII ， 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；

?R?D640℃，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；

42?30?100%?28.6B室温下相组成为Al＋β，,β=1-Al%=71.4%。

30?0.05?%??100%?71.4B?0.05室温下组织组成为β+(Al＋β)共晶，，，(Al＋β)共晶=1-Al%?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?初晶占80%，则(?+?)共晶＝20％，设此合金中Ni组元的含量是X，

7）1500? 时Al-Ni合金系的自由能—成分曲线示意图如图。

2 解答： 1）?相晶体结构与Cu的结构保持一致，为fcc结构；

80%?0.05?X ?100%0.05,可以求得X＝0.01%。

2）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，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?相。这些少量?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，L92.4+ε38.2—η59.0，L—η，L99.3—η60.9+（Sn），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。

k0?CS60.9??0.61CL99.3；

100?70?100%?76.7%,(Sn )?1??%?23.30?60.9相组成物的相对含量为：

99.3?70?%??100%?76.3%,99.3?60.9和组织组成物的相对含量：（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。

c?2）Mg为hcp结构，因为r＝a/2，一个hcp晶胞中有6个原子，设a83，则致密度为

??VatomVcell3）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。

46??r33??0.7413（6?a?a）c22

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）Fe3CII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℃，L0.53＋δ0.09－A0.17，包晶反应； 1148℃，L4.3－A2.11＋Fe3C，共晶反应； 727℃，A0.77－F0.0218+Fe3C，共析反应；

5）凝固过程：935℃：L—γ，γ—Fe3CⅡ，γ—F＋Fe3CⅡ（P） 室温下相组成为F＋Fe3CⅡ，其中

6.63?1?100%?84.9%,Fe 3C %?1 -F %?15.1%6.63?0.0008；室温下组织组成为P

6.69?1P%??98.1%6.69?0.77＋Fe3CⅡ，其中，Fe3CⅡ％＝1－P％＝1.9%。 F%?6）亚稳转变后组织为P＋Fe3CⅡ，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

?%?90?80?100%?11.8％90?5，β＝1－α％＝88.2%，组织组成为β＋（α＋β）共晶， 80?50?%??100%?75??50，（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；

到此结果）。开动其中一个滑移系至少要施加的拉应力为

??

9 简答：第二相在冷塑性变形过程中的作用一般是提高合金强度，但还取决于第二相的种类数量颗粒大小形状分布特点及与基体结合界面结构等，对塑性变形影响复杂。第二相强度高于基体但有一定塑性，其尺寸、含量与基体基本接近，则合金塑性是两相的变形能力平均值。第二相硬、脆，合金变形只在基体中进行，第二相基本不变形；第二相均匀、弥散分布在固溶体基体上，可以对合金产生显著强化作用。

10 简答：织构由晶粒择优取向形成，变形织构对再结晶织构形成有主要影响，织构造成材料性能各向异性。各向异性在不同情况需要避免或利用。织构控制可以通过控制合金元素的种类和含量、杂质含量、变形工艺（如变向轧制）和退火工艺等多种因素的配合。

11 简答：金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化主要有晶粒被拉长，形成纤维组织，冷变形程度很高时，位错密度增高，形成位错缠结和胞状组织，发生加工硬化，，变形金属中出现残余应力，金属在单向塑性变形时出现变形织构。

12 简答： 1）屈服现象是由溶质原子与位错交互作用产生气团产生的，在外力作用下使位错挣脱溶质原子的钉扎，材料出现屈服现象，曲线2在位错脱离钉扎后溶质原子来不及重新聚集形成气团，故无屈服现象；曲线3在出现屈服后时效再加载，溶质原子可以重新聚集形成气团，故又出现屈服现象；

2）屈服现象使金属材料在拉伸和深冲过程中变形不均匀，造成工件表面不平整。可以通过加入与溶质原子形成稳定化合物的其它元素，减少间隙溶质原子含量，减少气团，消除或减轻屈服现象，或在深冲之前进行比屈服伸长范围稍大的预变形，使位错挣脱气团的钉扎，然后尽快深冲。

13 简答：根据霍尔—配奇公式：?s??0?kd11?k0.79??1.93(MN/m 2)cos?cos?0.41

?12，则按照题意有：

1?1?100??0?k（）2250??0?k（）2464和，可以解得?0＝50，k＝25，故可求得当1?（）2d=1/16mm时，根据霍尔—配奇公式求得?s＝50＋25×16＝150 MNm-2

1第八章 回复与再结晶

1 名词 变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构；

再结晶织构是具有变形织构的金属经过再结晶退火后出现的织构，位向于原变形织构可能相同或不同，但常与原织构有一定位向关系。

再结晶全图：表示冷变形程度、退火温度与再结晶后晶粒大小的关系（保温时间一定）的图。

冷加工与热加工：再结晶温度以上的加工称为热加工，低于再结晶温度又是室温下的加工称为冷加工。

带状组织：多相合金中的各个相在热加工中可能沿着变形方向形成的交替排列称为带状组织；

加工流线：金属内部的少量夹杂物在热加工中顺着金属流动的方向伸长和分布，形成一道一道的细线；

动态再结晶：低层错能金属由于开展位错宽，位错难于运动而通过动态回复软化，金属在热加工中由温度和外力联合作用发生的再结晶称为动态再结晶。

临界变形度：再结晶后的晶粒大小与冷变形时的变形程度有一定关系，在某个变形程度时再结晶后得到的晶粒特别粗大，对应的冷变形程度称为临界变形度。

二次再结晶：某些金属材料经过严重变形后在较高温度下退火时少数几个晶粒优先长大成为特别粗大的晶粒，周围较细的晶粒逐渐被吞掉的反常长大情况。

退火孪晶：某些面心立方金属和合金经过加工和再结晶退火后出现的孪晶组织。 2 问答

1 简答：再结晶是一种组织转变，从变形组织转变为无畸变新晶粒的过程，再结晶前后组织形态改变，晶体结构不变；固态相变时，组织形态和晶体结构都改变；晶体结构是否改变是二者的主要区别。

2 简答：变形度较小时以晶界弓出机制形核，变形度大的高层错能金属以亚晶合并机制形核，变形度大的低层错能金属以亚晶长大机制形核。

冷变形度很小时不发生再结晶，晶粒尺寸基本保持不变，在临界变形度附近方式再结晶晶粒特别粗大，超过临界变形度后随变形度增大，晶粒尺寸减少，在很大变形度下，加热温度偏高，少数晶粒发二次再结晶，使部分晶粒粗化。

3 简答：灯泡中W丝在高温下工作，晶粒长大后在热应力作用下破断，延长钨丝寿命的方法可以加入第二相质点阻止晶粒在加热时长大，如加入ThO2颗粒；或在烧结中使制品中形成微细的空隙也可以抑制晶粒长大，如加入少量K、Al、Si等杂质，在烧结时汽化形成极小的气泡。

4 简答： 户外用的架空铜导线要求一定的强度可以进行回复退火，只去应力，保留强度；户内电灯用花线可以进行再结晶退火，软化金属，降低电阻率。

5 简答：1）纯铝经90%冷变形后在70? ，150? ，300? 保温后空冷的组织示意图如图。

2）纯铝试样强度、硬度以70? 退火后最高，150? 退火试样的强度、硬度次之，300? 保温后强度、硬度最低，而塑性则以70? 退火后最低，150? 退火试样的居中，300? 保温后塑性最好；

工业纯金属的再结晶温度一般可用T再＝（0.3~0.4）T熔估计，故纯铝的再结晶温度为100?左右，在70℃保温合金只是发生回复，显微组织仍保持加工状态，强度。硬度最高，塑性差，组织为纤维组织；150? 加热发生再结晶，强度、硬度下降，塑性好，300? 保温后发生晶粒长大，强度、硬度进一步下降，塑性很好。

7 简答：可计算得到三种纯金属的再结晶温度大约为纯钛：550℃，纯铝：100℃，纯铅低于0℃。金属的轧制开坯温度要在再结晶温度以上进行，故工业纯钛、纯铝和纯铅铸锭的轧制开坯温度可分别取200℃，800℃，室温即可。

开坯后在室温轧制，铅的塑性最好，铝的塑性也较好，钛的塑性最差。在室温下纯铝和纯铅可以连续轧制，并获得很薄的带材，但纯钛不能继续轧制，要获得很薄的带材需要在再结晶温度以上反复进行轧制。

8 简答：晶粒大小对金属材料的室温力学性能可用Hall－Petch公式?s??0?kd描述，晶粒越细小，材料强度越高；高温下由于晶界产生粘滞性流动，发生晶粒沿晶界的相对滑动，并产生扩散蠕变，晶粒太细小金属材料的高温强度反而降低。

生产中可以通过选择合适的合金成分获得细小晶粒，利用变质处理，振动、搅拌，加大过冷

?12度等措施细化铸锭晶粒，利用加工变形细化晶粒，合理制订再结晶工艺参数控制晶粒长大。

9 简答： 固溶强化，细晶强化，加工硬化，第二相强化，相变（热处理）强化等。

10 简答： 固溶强化的可能位错机制主要是溶质原子气团对位错的钉扎，增加了位错滑移阻力。如溶质原子与位错的弹性交互作用的科垂尔气团和斯诺克气团，溶质原子与扩展位错交互作用的铃木气团使层错宽度增加，位错难于束集，交滑移困难；溶质原子形成的偏聚和短程有序，位错运动通过时破坏了偏聚和短程有序使得能量升高，增加位错的阻力，以及溶质原子与位错的静电交互作用对位错滑移产生的阻力使材料强度升高。

弥散强化也是通过阻碍位错运动强化材料，如位错绕过较硬、与基体非共格第二相的Orowan机制和切割较软、与基体共格的第二相粒子的切割机制。

产生加工硬化的各种可能机制有滑移面上平行位错间的交互作用的平行位错硬化理论，以及滑移面上位错与别的滑移面上位错林切割产生割阶的林位错强化理论。

第九章 表面与界面

1 名词 正吸附：材料表面原子处于结合键不饱和状态，以吸附介质中原子或晶体内部溶质原子达到平衡状态，当溶质原子或杂质原子在表面浓度大于在其在晶体内部的浓度时称为正吸附；

晶界能：晶界上原子从晶格中正常结点位置脱离出来，引起晶界附近区域内晶格发生畸变，与晶内相比，界面的单位面积自由能升高，升高部分的能量为晶界能；

小角度晶界：多晶体材料中，每个晶粒之间的位向不同，晶粒与晶粒之间存在界面，若相邻晶粒之间的位向差在10°～2°之间，称为小角度晶界；

晶界偏聚：溶质原子或杂质原子在晶界或相界上的富集，也称内吸附，有因为尺寸因素造成的平衡偏聚和空位造成的非平衡偏聚。

2 问答

1 简答： 复合材料由颗粒或纤维与基体构成，存在大量界面。按照显微结构，其界面层可以区分为基体与复合物的机械固体啮合结合、形成化学反应的化合层结合、形成完全或部分固溶体的结合几种情况。结合层的结合面体积分数越大，结合层强度越高，基体与复合物之间的结合键力越大，结合强度越高。

2 简答： 晶界具有晶界能，容易发生溶质原子和杂质原子的晶界偏聚，是原子易扩散通道，晶界在加热时会发生迁移，晶界是相变等优先形核的地方，晶界易受腐蚀，晶界增多在室温下强化材料，在高温下弱化材料强度，晶界处易于析出第二相，晶界容易使位错塞积，造成应力集中，晶界上原子排列混乱。

3 简答：一般金属的晶界能与晶粒位向差有关，并随位向差增大而增大，小角度晶界的晶

－

界能小于大角度晶界的晶界能，但大角度晶界能一般可以看成常数，约为（5～6）×105

J/cm2。

5 简答： 影响晶界迁移的因素主要有界面能、溶质原子、第二相质点数量、尺寸和温度。

界面能降低是晶界迁移的驱动力，与晶界曲率半径成反比，与界面的表面能成正比，因此大角度晶界迁移率总是大于小角度晶界的迁移率；溶质原子阻碍晶界迁移；第二相质点数量越多、尺寸越小对晶界的迁移阻碍作用越大，温度越高晶界迁移越快。

第十章 原子扩散

1 简答： 影响扩散的因素主要有温度，温度越高，扩散越快；晶体缺陷如界面、晶界位错容易扩散；不同致密度的晶体结构溶质原子扩散速度不一样，低致密度的晶体中溶质原子扩散快，各向异性也影响溶质原子扩散；在间隙固溶体中溶质原子扩散容易；扩散原子性质与基体金属性质差别越大，扩散越容易；一般溶质原子浓度越高，扩散越快；加入其它组元与

溶质原子形成化合物阻碍其扩散。

2 解答：Ni为fcc结构，一个晶胞中的原子个数为4，依题意有：

在Ni/MgO界面镍板一侧的Ni的浓度CNi为100%，每cm3中Ni原子个数为：

－

NNi/MgO=(4原子/晶胞)/(3.6×108cm3)=8.57×1022原子/cm3，

在Ta/MgO界面Ta板一侧的Ni的浓度0%，这种扩散属于稳态扩散，可以利用菲克第一定律求解。

故浓度梯度为dc/dx＝（0－8.57×1022原子/cm3）/（0.05cm）＝－1.71×1024原子/（cm3.cm）， 则Ni原子通过MgO层的扩散通量：

－

J＝－D（dc/dx）=－9×1012cm2/s×(－1.71×1024原子/（cm3.cm）) =1.54×1013Ni原子/（cm2.s)

每秒钟在2×2cm2的面积上通过MgO层扩散的Ni原子总数N为 N＝J×面积＝[1.54×1013Ni原子/（cm2.s)]×4cm2=6.16×1013Ni原子/s。

N总原子数，故 每秒钟从界面扩散走的Ni原子体积

－

V＝（6.16×1013Ni原子/s）/（8.57×1022原子/cm3）＝0.72×109cm3/s， 用厚度d表示在该面积中每秒扩散的Ni原子为

－－

d＝V/面积＝（0.72×109cm3/s）/（2×2cm2）＝1.8×1010cm/s， 也就是说要将1mm厚的Ni层扩散掉，所需时间t为：

－

t＝（1mm）/（1.8×1010cm/s）＝556000秒＝154小时。

3 解答：1）渗碳情况符合菲克第二定律的特殊解的应用条件，可以利用菲克第二定律进行解决。

CS?CXX?erf（）C?C4Dt 0菲克第二定律特殊解公式：S其中依题意有Cs＝1.2，C0=0.1，Cx=0.45，x=0.2。

V?N扩散走的原子1.2?0.450.20.1?erf（）erf ()?0.681.2?0.14Dt，即：Dt 带入上式，则有

0.1?0.71从表10－1可以得出误差函数值，有Dt ，Dt＝(0.1/0.71)2=0.0198cm2。

任何满足Dt＝0.0198cm2关系的工艺均可，由于扩散与温度、时间有关，

D=D0exp(-Q/RT)，带入C在Fe中的D0＝0.23，激活能Q＝32900cal/mol， D=0.23exp(-32900cal/mol/1.987（cal/mol.K）T)=0.23exp(-16558/T)，

因此由Dt＝(0.1/0.71)2=0.0198cm2，渗碳时间与渗碳温度的关系为：

故可以列出一些典型的渗碳温度与时间如下： T＝900℃=1173K，则t=116174s=32.3h； T＝1000℃=1273K，则t=36360s=10.7h； T＝1100℃=1373K，则t=14880s=4.13h； T＝1200℃=1473K，则t=6560s=1.82h。

可以根据上述温度与时间的关系，考虑合金相变和加热炉、生产效率进行合理选择，一般以1000℃左右较为合适。

2）在渗碳温度和其它条件不变的情况下，要求渗碳深度增加一倍，由1）可知有关系

0.0198(cm2) 0.0861t??-16588D (cm2 .s )exp()T

1.2?0.450.4?erf（）1.2?0.14Dt存在，可以解得t＝42.7h；

4 简答：由于反应扩散的原因，试样中不能出现两相区，故试样从表面到心部的组织最外层为α相，靠里层为γ相，心部不受脱碳影响为α相和γ相。

5 简答：1）渗碳在?-Fe中进行而不在?-Fe中进行，渗碳温度要高于727? ，是因为?-Fe中最大碳溶解度（质量分数）为0.0218％，对于碳含量大于0.0218％的钢铁，渗碳时零件中碳浓度梯度为0，渗碳无法进行；而且由于温度低，扩散系数小，渗碳缓慢。在?-Fe中进行则可获得较高的表层碳浓度梯度，温度也高，可使渗碳顺利进行。 2）渗碳温度高于1100? 会使钢板的晶粒长大，降低其机械性能。

6 简答：1）在有限的时间内不可能使枝晶偏析完全消失，

2）冷加工可以促进均匀化过程；经过冷加工后枝晶被破碎，缩短了枝晶间距。

7 简答： 原子扩散在材料中的影响包括晶体凝固时形核、长大；合金的成分过冷；成分均匀化，包晶反应非平衡凝固时保留高温组织的特点，固态相变时的形核，晶界形核、晶界运动、晶界偏聚、高温蠕变，氧化，焊接，化学热处理（渗C、N等），粉末冶金，涂层等各方面。

8 解答：上坡扩散是扩散过程中扩散元素从低浓度向高浓度出扩散；如各种溶质原子气团的形成和共析反应产物的形成均为上坡扩散。

9 简答：间隙固溶体中溶质原子在间隙中发生间隙扩散，在置换式固溶体中发生原子与空位交换实现扩散的空位机制。

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