材料科学基础复习题及答案

一、选择题： 第6章

1. 形成临界晶核时体积自由能的减少只能补偿表面能的 。 （A）1/3 （B）2/3 （C）3/4 第7章

2. 在二元系合金相图中，计算两相相对量的杠杆法则用于 。 （A）单相区中 （B）两相区中 （C）三相平衡水平线上

3. 已知Cu的Tm=1083?C，则Cu的最低再结晶温度约为 。 （A）100?C （B）200?C （C）300?C 4. 能进行攀移的位错必然是 。 （A）刃型位错 （B）螺型位错 （C）混合位错

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）A、B两组元的扩散速率相同

6. ，位错滑移的派-纳力越小。 （A）位错宽度越大 （B）滑移方向上的原子间距越大 （C）相邻位错的距离越大

7. 形变后的材料再升温时发生回复与再结晶现象，则点缺陷浓度下降明显发生

在 。 （A）回复阶段 （B）再结晶阶段 （C）晶粒长大阶段 第6章

8. 凝固时在形核阶段，只有核胚半径等于或大于临界尺寸时才能成为结晶的核心，当形成的核胚

半径等于临界半径时，体系的自由能变化 。 （A）大于零 （B）等于零 （C）小于零

9. 铸锭凝固时如大部分结晶潜热可通过液相散失时，则固态显微组织主要为 。 （A）树枝晶 （B）柱状晶 （C）胞状晶

10. 下述有关自扩散的描述中正确的为 。 （A）自扩散系数由浓度梯度引起 （B）自扩散又称为化学扩散 （C）自扩散系数随温度升高而增加

11. fcc、bcc、hcp三种单晶材料中，形变时各向异性行为最显著的是 。 （A）fcc （B）bcc （C）hcp

12. 对于变形程度较小的金属，其再结晶形核机制为 。 （A）晶界合并 （B）晶界迁移 （C）晶界弓出

13. 形变后的材料在低温回复阶段时其内部组织发生显著变化的是 。 （A）点缺陷的明显下降 （B）形成亚晶界 （C）位错重新运动和分布 第6章

14. 凝固时不能有效降低晶粒尺寸的是以下哪种方法？

（A）加入形核剂 （B）减小液相过冷度 （C）对液相实施搅拌 15. 对离异共晶和伪共晶的形成原因，下述说法正确的是 。 （A）离异共晶只能经非平衡凝固获得 （B）伪共晶只能经非平衡凝固获得 （C）形成离异共晶的原始液相成分接近共晶成分

16. 高分子材料中的C-H化学键属于 。 （A）氢键 （B）离子键 （C）共价键 17. 属于物理键的是 。 （A）共价键 （B）范德华力 （C）氢键 18. 体心立方晶体的致密度为 。 （A）100% （B）68% （C）74% 19. 以下不具有多晶型性的金属是 。 （A）铜 （B）锰 （C）铁 20. 面心立方晶体的孪晶面是 。 （A）{112} （B）{110} （C）{111}

21. 任一合金的有序结构形成温度 无序结构形成温度。 （A）低于 （B）高于 （C）可能低于或高于

22. 在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为 。 （A）肖特基缺陷 （B）弗仑克尔缺陷 （C）线缺陷

23. 菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随 变化。 （A）距离 （B）时间 （C）温度 24. 在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为 。 （A）原子互换机制 （B）间隙机制 （C）空位机制 25. 原子扩散的驱动力是 。 （A）组元的浓度梯度 （B）组元的化学势梯度 （C）温度梯度

26. 在弹性极限?e范围内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象称为 （A）包申格效应 （B）弹性后效 （C）弹性滞后 27. 塑性变形产生的滑移面和滑移方向是

（A）晶体中原子密度最大的面和原子间距最短方向 （B）晶体中原子密度最大的面和原子间距最长方向 （C）晶体中原子密度最小的面和原子间距最短方向

28. 三种典型晶体结构中，____________具有最多的滑移系，因此具有这种晶体结构的材料塑性最

好。 （A）bcc （B）fcc （C）hcp

29. 在纯铜基体中添加微细氧化铝颗粒不属于一下哪种强化方式？ （A）复合强化 （B）弥散强化 （C）细晶强化 30. 固体中原子和分子迁移运动的各种机制中，得到实验充分验证的是 （A）间隙机制 （B）空位机制 （C）交换机制 31. 原子迁移到间隙中形成空位-间隙对的点缺陷称为 （A）肖脱基缺陷 （B）Frank缺陷 （C）堆垛层错 32. 以下材料中既存在晶界、又存在相界的是 （A）孪晶铜 （B）中碳钢 （C）亚共晶铝硅合金

二、判断题：(在题后括号内填入“对”或“错”，每题 1分，共 15 分) A---

1. 离子键的正负离子相间排列，具有方向性，无饱和性。

（错）

2. 复杂晶胞与简单晶胞的区别是，除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点。 （对） 3. 晶体结构的原子呈周期性重复排列，即存在短程有序。 （错）

4. 溶质与溶剂晶体结构相同是置换固溶体形成无限固溶体的必要条件。 （对） 5. 非金属和金属的原子半径比值rx/rm>0.59时，形成间隙化合物，如氢化物、氮化物。

（错）

6. 弗兰克缺陷是原子迁移到间隙中形成的空位-间隙对。

（对）

7. 由于晶体缺陷处点阵畸变较大，原子处于较高的能量状态，易于跃迁，故扩散激活能较小。 （对） 8. 由于均匀形核需要的过冷度很大，所以液态金属多为非均匀形核。

（对）

（错）

9. 再结晶过程中显微组织重新改组，形成新的晶体结构，因此属于相变过程。 10. 滑移面和滑移方向总是晶体中原子密度最大的面和方向。 （对） B----

1. 共价键通过共用电子对而成，具有方向性和饱和性。

（对）

2. 晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列；而非晶体中的原子则是无规则排列的。

（对）

3. 选取晶胞时，所选取的正方体应与宏观晶体具有同样的对称性。 （错）

4. 空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，只有14种类型，而实际存在的晶体结构是无限的。

（对）

5. 形成置换固溶体的元素之间能无限互溶，形成间隙固溶体的元素之间只能有限互溶。 （错） 6. 晶向所指方向相反，则晶向指数的数字相同，但符号相反。 （对） 7. 滑移时，刃型位错的运动方向始终平行于位错线，而垂直于柏氏矢量。 （错） 8. 置换固溶体中溶质原子要高于间隙固溶体中的溶质原子的扩散速度。 （错）

9. 晶界本身的强度对多晶体的加工硬化贡献不大，而多晶体加工硬化的主要原因来自晶界两侧晶

粒的位向差。 （对）

10. 聚合型合金的抗变形能力取决于两相的体积分数。 C---

1. 同位素的原子具有相同的质子数和中子数。

（错）

（错）

2. 立方晶系中，晶面族{111}表示正八面体的面。 （对）

3. 晶向指数和晶面指数 ( h k l )中的数字相同时，对应的晶向和晶面相互垂直。 （对） 4. bcc的间隙不是正多面体，四面体间隙包含于八面体间隙之中。 （对）

5. 位错线只能终止在晶体表面或界面上， 而不能中止于晶体内部。 6. 温度越高，原子热激活能越大，扩散系数越大。 （对） 7. 塑性变形会使金属的导电性升高，抗腐蚀性下降。

（对）

（错） （错）

8. 原子密度最小的晶面上面间距最大、点阵阻力最小。

9. 孪生临界切应力比滑移的大得多，只有在滑移很难进行的条件下才会发生。 （对） 10. 再结晶晶粒长大的驱动力是来自晶界移动后体系总的自由能的降低。

（对）

三、名词解释：

1. 金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成键合。

2. 空间点阵：将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点 lattice point），即可得到一个由无

数几何点在三维空间排列成规则的阵列。

3. 晶面族：晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面，归并为

同一晶面族，用{h k l}表示。

4. 晶带轴：所有平行或相交于同一直线的这些晶面构成一个晶轴，此直线称为晶带轴。

5. 固溶体：以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其它组元原子（溶质原子）所形成的均匀混

合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。

6. 中间相：两组元A和B组成合金时，除了可以形成以A为基或以B为基的固溶体外，所形成的

晶体结构与A、B两组元均不相同的新相，称为中间相。

7. 均匀形核：新相晶核在目相中均匀地生成，即晶核由一些原子团直接形核，不受杂质粒子或外

表面的影响。

8. 非均匀形核：新相优先在目相中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或外来表面形核。 9. 匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。

10. 共晶转变：由液相同时结晶出两种固相的过程称为共晶转变。该转变为恒温转变。

11. 包晶转变：已结晶的固相与剩余液相反应形成另一种固相的过程称为包晶转变。该转变为恒温

转变。

12. 平衡凝固：是指极慢速条件下，凝固过程中的每个阶段都能达到平衡，即在相变过程中有充分

时间进行组元间的扩散，以达到平衡相的成分。

13. 伪共晶：在非平衡凝固条件下，由某些亚共晶或过共晶成分的合金在过冷条件下也能得全部的

共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。

14. 非平衡共晶：在平衡凝固条件下应为单相固溶体的合金，在快速冷却条件下出现的少量共晶组

织称为非平衡共晶。

四、简答题： 第1章

11. 原子间的结合键共有几种？各自特点如何？（5分）a

答：

1、化学键包括：

? 金属键：电子共有化，既无饱和性又无方向性

? 离子键：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性 ? 共价键：共用电子对；饱和性；配位数较小，方向性 2、物理键如范德华力，系次价键，不如化学键强大

3、氢键：分子间作用力，介于化学键与物理键之间，具有饱和性

第2章

12. 试从晶体结构的角度，说明间隙固溶体、间隙相及间隙化合物之间的区别（6分）c

答：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体成为间隙固溶体。形成间隙固溶体的溶质原子通常是原子半径小于0.1nm的非金属元素，如H、B、C、N、O等。间隙固溶体保持溶剂的晶体结构，其成分可在一定固溶度极限值内波动，不能用分子式表示。（2分）

间隙相和间隙化合物属于原子尺寸因素占主导地位的中间相。也是原子半径较小的非金属元素占据晶格的间隙，然而间隙相、间隙化合物的晶格与组成他们的任一组元晶格都不相同，其成分可在一定范围内波动。组成它们的组元大致都具有一定的原子组成比，可用化学分子式来表示。（2分） 当rB/rA<0.59时，通常形成间隙相，其结构为简单晶体结构，具有极高的熔点和硬度；当rB/rA>0.59时，形成间隙化合物，其结构为复杂的晶体结构。（2分）

13. 试以表格形式归纳总结3种典型的晶体结构的晶体学特征。（5分）c 答：书上表 第3章 14. 简述晶体中产生位错的主要来源。（5分）a、b 答：晶体中的位错来源主要可有以下几种。 晶体生长过程中产生位错。其主要来源有：

①由于熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先后凝固部分成分不同，从而点阵常数也有差异，可能形成位错作为过渡；（1分）

②由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，致使生长着的晶体偏转或弯曲引起相邻晶块之间有位相差，它们之间就会形成位错；（1分）

③晶体生长过程中由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以及冷却时体积变化的热应力等原因会使晶体表面产生台阶或受力变形而形成位错。（分）

由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位，空位的聚集能形成位错。（1分） 晶体内部的某些界面（如第二相质点、孪晶、晶界等）和微裂纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中现象，当此应力高至足以使该局部区域发生滑移时，就在该区域产生位错。（1分）

15. 简述晶界具有哪些特性？ 答：

1）晶界处点阵畸变变大，存在晶界能，故晶粒长大和晶界平直化是一个自发过程。 2）晶界处原子排列不规则，从而阻碍塑性变形，强度更高。这就是细晶强化的本质。 3）晶界处存在较多缺陷（位错、空位等），有利原子扩散。 4）晶界处能量高，固态相变先发生，因此晶界处的形核率高。

5）晶界处成分偏析和内吸附，又富集杂质原子，因此晶界熔点低而产生“过热”现象。 6）晶界能高，导致晶界腐蚀速度比晶粒内部更高。

16. 对于同一种晶体，它的表面能与晶界能（相同的面积）哪一个较高？为什么？（3分）c 答：对于同一种晶体，晶界能比表面能高（1分）。推导如下：

假设晶体的理想光滑的两个等面积平面合拢，会形成一个晶体内界面，该界面的能量相当于两

个外表面之和，且理想状态下破坏该界面结合所需要的能量相当于键合能。即相同面积下，E晶界>E完整晶体键合能>2倍E表面（2分）

第4章

17. 简述影响固体中原子和分子扩散的因素有哪几方面。（3分）b 答：

1、温度；2、固溶体类型；3、晶体结构；4、晶体缺陷；5、化学成分；6、应力的作用 （各0.5分） 第5章

18. 简述金属材料经过塑性变形后，可能会发生哪些方面性能的变化。（6分） 19. 金属的退火处理包括哪三个阶段？简述这三个阶段中晶粒大小、结构的变化。（6分）

退火过程分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段；再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大。（3分）

在回复阶段，由于不发生大角度晶界的迁移，所以晶粒的形状和大小与变形态的相同，仍保持着纤维状或扁平状，从光学显微组织上几乎看不出变化。在再结晶阶段，首先是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。最后，在晶界表面能的驱动下，新晶粒互相吞食而长大，从而得到一个在该条件下较为稳定的尺寸，称为晶粒长大阶段。（3分） 第7章

20. 金属型浇铸的铸锭的宏观组织一般分为哪几个区，分析其形成原因？（6分）

答：

a．表层细晶区（0.5分） 当液态金属注人锭模中后，型壁温度低，与型壁接触的很薄一层熔液产生强烈过冷，而且型壁可作为非均匀形核的基底，因此，立刻形成大量的晶核，这些晶核迅速长大至互相接触，形成由细小的、方向杂乱的等轴晶粒组成的细晶区。（1.5分）

b．柱状晶区（0.5分） 随着\细晶区\壳形成，型壁被熔液加热而不断升温，使剩余液体的冷却变慢,并且由于结晶时释放潜热,故细晶区前沿液体的过冷度减小，形核变得困难，只有细晶区中现有的晶体向液体中生长。在这种情况下，只有一次轴（即生长速度最快的晶向）垂直于型壁（散热最快方向）的晶体才能得到优先生长，而其他取向的晶粒，由于受邻近晶粒的限制而不能发展，因此，这些与散热相反方向的晶体择优生长而形成柱状晶区。各柱状晶的生长方向是相同的. （1.5分） C．中心等轴晶区（0.5分） 柱状晶生长到一定程度，由于前沿液体远离型壁，散热困难，冷速变慢，而且熔液中的温差随之减小，这将阻止柱状晶的快速生长，当整个熔液温度降至熔点以下时，熔液中出现许多品核并沿各个方向长大，就形成中心等轴晶区。（1.5分） 21. 与平衡凝固相比较，共晶合金的非平衡凝固有何特点？（4分）

五、计算题：(每题 10 分，共 20 分)

第3章

1. 在Fe中形成1mol空位需要的能量为104.675kJ，试计算从20℃升温至 850℃时空位数目增加多

少倍？

空位在温度T时的平衡浓度为

系数A一般在1~10之间，取A=1，则

故 空位增加了 （倍）

第4章

2. 一块含0.1%C的碳钢在930℃渗碳，渗到0.05cm的地方碳的浓度达到0.45%。在t>0的全部时

间，渗碳气氛保持表面成分为1%，假设 D=2.0×10-5exp(-140000/RT) (m2/s)。 (a) 计算渗碳时间；

(b) 若将渗层加深一倍，则需多长时间？

(c) 若规定0.3%C作为渗碳层厚度的量度，则在930℃渗碳10小时的渗层厚度为870℃渗碳10小时的多少倍？

解：(a) 由Fick第二定律得：

t

1.0×104(s) （ 5分）

，得：

(b) 由关系式x=

两式相比，得：

当温度相同时，D1=D2,于是得：

（ 5分）

（c）

因为： t930=t870, D930=1.67×10-7(cm2/s) D870=0.2×exp(-140000/8.314×1143) =8.0×10-8(cm2/s)

所以：

（倍）（ 5分）

3. 一块含0.1%C的碳钢在930℃、1%碳浓度的气氛中进行渗碳处理，经过11个小时后在0.05cm

的地方碳的浓度达到0.45%，若要在0.08cm的深度达到同样的渗碳浓度，则需多长时间？ 解：由Fick第二定律得：

由题意可知，两种情况下渗碳前后浓度相同且渗碳温度相同，即

x12Dt1?x22Dt22 （5分）

2?x2故 t2?t1???x?1??0.08???11????28.16(小时) （10分，不准确扣1分） ?0.05???要在0.08cm深度达到同样的渗碳深度，需28.16小时。

4. 有两种激活能分别为E1=83.7KJ/mol和E2=251KJ/mol的扩散反应。则温度从25℃升高到600℃

时对，这两种扩散的扩散系数有何变化，并对结果作出评述。

由

得：

对于温度从298K提高到873K，扩散速率D分别提高4.6×109和9.5×1028倍，显示出温度对扩散速率的重要影响。当激活能越大，扩散速率对温度的敏感性越大。

第5章

5. 铁的回复激活能为88.9 kJ/mol，如果经冷变形的铁在400℃进行回复处理，使其残留加工硬化为

60%需160分钟，问在450℃回复处理至同样效果需要多少时间？

6. 已知H70黄铜（30%Zn）在400℃的恒温下完成再结晶需要1小时，而在390℃完成再结晶需要

2小时，试计算在420℃恒温下完成再结晶需要多少时间？

7. 已知单相黄铜400℃恒温下完成再结晶需要1小时，而350℃恒温时，则需要3小时，试求该合

金的再结晶激活能。

8. 已知平均晶粒直径为1mm和0.0625mm的?-Fe的屈服强度分别为112.7MPa和196MPa，问平

均晶粒直径为0.0196mm的纯铁的屈服强度为多少？

9. 指出Cu与a-Fe两晶体易滑移的晶面和晶向，并分别求出它们的滑移面间距、滑移方向上的原子

间距以及点阵阻力。

已知v=0.3,GCu=48300MPa，Ga-Fe=81600MPa?P?N?第6章

10. 已知条件：铝的熔点Tm=993K，单位体积熔化热Lm=1.836×109J/m3，固液界面比表面能δ=93

×10-3J/m2，原子体积V0=1.66×10-29m3。

考虑在一个大气压下液态铝的凝固，对于不同程度的过冷度，即：ΔT=1，10，100和200℃，计算：

(a) 临界晶核尺寸； (b) 半径为r*的晶核个数；

(c) 从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化ΔG*（形核功）； (d) 从液态转变到固态时，临界尺寸r*处的自由能的变化 ΔGv(形核功)。 将不同ΔT情况下得到的计算结果列表。

11. 已知液态纯镍在1.013×105 Pa(1个大气压)，过冷度为319 ℃时发生均匀形核。设临界晶核半径

为1 nm，纯镍的熔点为1726 K，熔化热Lm=18075 J/mol，摩尔体积V=6.6 cm3/mol，计算纯镍的液-固界面能和临界形核功。

2G2?w2G2?aexp(?)?exp[?] 1?vb1?v(1?v)b 第7章

12. Mg-Ni系的一个共晶反应为： 507℃

L(23.5Wt.%Ni) α(纯镁)+Mg2Ni(54.6Wt.%Ni)

设C1为亚共晶合金，C2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的重量分数相等，但C1合金中的α 总量为C2合金中的α 总量的2.5倍，试计算C1和C2的成分。