《材料科學基礎》作業(yè)題.doc

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第一章 原子結構與鍵合 1、說明量子力學中有關原子結構的玻爾模型和幾率波模型。 2、給出下列離子的電子組態(tài)：Fe2+, Fe3+, Cu+, Ba2+, Br-, S2-。 3、對于K+—Cl-離子對，吸引能EA和排斥能ER分別表示為： 計算平衡距離r0和結合能E0。（提示：凈能對原子間距r的微分為0時，r= r0。r的單位為nm） 4、凈能有時可表示為 其中，r為離子間距，C，D和r為常數(shù)。試推出結合能E0對于平衡距離r0的表達式。 5、計算下列化合物中，離子鍵的百分含量： TiO，ZnTe，CsCl，InSb，MgCl。 6、下列物質(zhì)含有何種鍵：黃銅（brass）、橡膠（rubber）、金剛石（diamond）、SiO2、單晶Si、NaCl。 7、 HF （hydrogen fluoride）的分子量小于 HCl （hydrogen chloride），為什么HF具有比HCl更高的沸點。 8、畫出下列物質(zhì)單體單元的結構圖： （1）聚乙烯（polyethylene PV）； （2）聚四氟乙烯（polytetrafluorethylene PTFE）； （3）聚苯乙烯（polystyrene PS）； （4）聚甲基丙烯酸甲酯 [俗]有機玻璃 （polymethyl methacrylate PMMA）。 9、（1）計算聚乙烯結構單元的分子量； （2）聚乙烯的數(shù)均分子重量為1,000,000 g/mol，計算其數(shù)均聚合度。 10、兩種聚四氟乙烯樣品的密度及其晶化率如下： i) 2.144 g/cm3, 51.3%; ii) 2.215 g/cm3, 74.2%. 計算晶態(tài)聚四氟乙烯和非晶態(tài)聚四氟乙烯的密度。 11、簡述高分子鏈結構的形態(tài)特征以及與性能的定性關系。 第二章 固體結構 1、鋯（Zr，Zirconium）具有HCP結構，密度為6.51 g/cm3， （a）計算晶胞體積； （b）如果c/a為1.593，計算c和a。 2、銠（Rh，Rhodium）的原子半徑為0.1345 nm，密度為12.41 g/cm3。判定其晶體結構屬于FCC，還是BCC？ 3、在立方晶胞中畫出下列晶向： 4、在立方晶胞中畫出下列晶面： 5、確定下圖中晶向和晶面的指數(shù)。 6、計算比較FCC中[100]、[110]、[111]晶向的線密度。 7、計算比較BCC中（100）、（110）晶面的面密度。 8、確定FCC鉑（Platinum，Pt）的（113）晶面的一級衍射角（即n=1），X射線波長為0.1542 nm。 9、說明原子結構和晶體結構的差別。 10、解釋為什么多晶材料的性質(zhì)通常是各項同性。 11、解釋以下基本概念 合金、相、固溶體、極限電子濃度、電子化合物、超結構。 12、試比較間隙固溶體、間隙相和間隙化合物的結構和性能特點。 7、FeAl為電子化合物，計算其電子濃度，畫出晶胞及（112）面的原子排列圖。 13、下列合金相為何種類型 FeCo、 Cr7C3 、Mg2Pb、 WC 、FeAl、Cu3Al、Fe4N、Fe3C。 第三章 缺陷 第三章 缺陷 1、解釋以下基本概念 肖脫基空位、弗侖克爾空位、刃型位錯、螺型位錯、柏氏矢量、位錯密度、位錯的滑移及攀移、弗蘭克-瑞德源、湯普森四面體、位錯反應、擴展位錯、表面能、界面能、重整位置點陣、失配度、對稱傾側晶界、非共格晶界。 2、計算Fe在 850o 時，每立方米體積中的空位數(shù)。 已知Fe在850o 時的空位形成能、密度及原子重量分別為1.08 eV/atom、7.65 g/cm3、55.85 g/mol。 3、如圖，在晶體的滑移面上有一柏氏矢量為b的位錯環(huán)，并受到一均勻切應力t。 （1）分析該位錯環(huán)各段位錯的結構類型； （2）分析各段位錯線的受力情況； （3）在 t 的作用下，該位錯環(huán)將如何運動？ 4、面心立方晶體中，在（111）面上的單位位錯 在（111）面上分解為兩個肖克萊不全位錯，請寫出該位錯反應，并證明所形成的擴展位錯的寬度由下式給出： （G切變模量，g 層錯能） 5、判斷下列位錯反應能否進行？若能進行，試在晶胞上作出矢量圖。 6、試分析在（111）面上運動的柏氏矢量為 的螺型位錯受阻時，能否通過交滑移轉移到 面中的某個面上繼續(xù)運動？為什么？ 7、根據(jù)晶粒的位相差及結構特點，晶界有哪些類型？有何特點屬性？ 8、直接觀察鋁試樣，在晶粒內(nèi)部位錯密度為 5 x 1013/m2，如果亞晶間的角度為5o，試估算界面上的位錯間距（鋁的晶格常數(shù)為 a = 2.8 x 10-10 m）。 第五章 二元相圖 1. 合金系統(tǒng)的自由度F的含義是：（單選） A、可以使合金狀態(tài)改變的因素數(shù)； B 、保持合金平衡狀態(tài)不變的前提下，可以獨立改變的因素數(shù)； C 、夠使系統(tǒng)發(fā)生變化的最大因素數(shù)。 2. 自由度F= 0的含義是：（單選） A、任何因素的變化都會造成系統(tǒng)平衡狀態(tài)的變化； B、沒有任何因素可以引起系統(tǒng)狀態(tài)變化； C、這樣的系統(tǒng)狀態(tài)不存在。 3. 純金屬凝固時，(多選) A、冷卻曲線(溫度-時間)是水平的； B、系統(tǒng)自由度F = 0； C、純金屬凝固是在恒溫下進行的。 4. 在平衡條件下，100?C的純水處于（單選） A、液態(tài)； B、氣態(tài)； C、氣、液二相共存狀態(tài)。 5、下列說法哪些是正確的？(多選) A、溫度高于液相線的合金為液態(tài)； B、溫度低于液相線的合金為固態(tài)； C、溫度低于固相線的合金為固態(tài); D、溫度高于固相線的合金為液態(tài)。 6、非平衡凝固的勻晶合金一般會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？。（單選） A 、組織、成分均勻化； B 、成分不均勻，出現(xiàn)樹枝狀偏析； C 、與平衡凝固的合金組織、成分一樣，沒有區(qū)別。 7、在共晶合金系中，只有共晶成分的合金才能發(fā)生共晶轉變。（單選） A 是 B 否 8、發(fā)生共晶轉變的液相，其成分一定是共晶成分。（單選） A 是 B 否 9、根據(jù)Pb-Sn相圖，應用杠桿定律計算40%Sn合金的共晶組織中的a相占全部合金的相對量。（單選） A、22.16%；B、45.5%；C、40% 提示：40%Sn合金由初生的a相（先共晶a）和共晶體組成， 共晶體又由a相和b相組成（見示意圖）。 10、勻晶、共晶和包晶轉變有何共同特點？（單選） A、這三個轉變都是在恒溫下進行的； B、這三個轉變的反應相中都有液相，而生成相都是固相； C、這三個轉變都不是恒溫轉變。 11、共晶和共析轉變有何共同特點？（多選） A、都是由一個相同時轉變成二個相； B、都是恒溫轉變； C、生成相都是固相。 12、共析與包析轉變有何不同？（單選） A、都是固態(tài)轉變； B、都是恒溫轉變； C、共析轉變是由一個固相轉變成二個固相，包析轉變則相反。 13、熔晶與偏晶轉變都是恒溫轉變嗎？（單選） A 是 B 否 14、在分析相圖時可以將穩(wěn)定化合物看作一個組元，從而將復雜相圖分成若干個簡單相圖。你認為分析復雜相圖時這是必須的嗎？（單選） A 是 B 否 1、說明下列基本概念 工業(yè)純鐵、碳鋼、鑄鐵、包晶轉變、共晶轉變、共析轉變、a-Fe、鐵素體、g-Fe、奧氏體、一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體、珠光體、萊氏體。 2、下列說法正確的是：（多選） A、鐵素體是碳溶解于α-Fe中形成的固溶體，具有體心立方晶體結構； B、 滲碳體是碳溶解于γ-Fe中形成的固溶體，具有體心立方晶體結構； C 、奧氏體是碳溶解于γ-Fe中形成的固溶體，具有面心立方晶體結構。 3、亞共析鋼的含碳量范圍是：（單選） A、0.0218% ~ 0.77%C；B、0.77% ~ 2.11%C；C、2.11% ~ 4.3%C。 4、共析鋼的室溫組織是：（單選） A、珠光體P +二次滲碳體Fe3CII；B、珠光體P（100%）； C 萊氏體Ld’ (100%)。 5、計算1148℃共晶轉變剛結束時萊氏體中滲碳體Fe3C的相對量。（單選） A、52%；B、60%；C、48%。 6、計算室溫時萊氏體中滲碳體Fe3C的相對量(室溫鐵素體的含碳量看作0)。 （單選） A、48.23%C；B、52.77%C；C、64.47%。 7、隨著含碳量的增高，亞共析鋼的。 （單選） A 強度、硬度升高，塑性下降； B 塑性升高，強度、硬度下降； C 強度、硬度和塑性都升高。 8、對于過共析鋼，含碳量越高。（單選） A 鋼的強度、硬度越高，塑性越低； B 鋼的強度、硬度越低，塑性越高； C 鋼的硬度越高，強度和塑性越低。 第六章 擴散與凝固 一、 概念 結構起伏、能量起伏、過冷度、晶胚、臨界晶核、臨界形核功、均勻形核、非均勻形核、光滑界面、粗糙界面；質(zhì)量濃度、自擴散、互擴散、下坡擴散、上坡擴散、穩(wěn)態(tài)擴散、非穩(wěn)態(tài)擴散、擴散系數(shù)、擴散通量、柯肯達爾效應。 二、選擇題 第六章 凝固與擴散 1、金屬液體在熔點溫度保溫，則(c) a 需要很長時間才能結晶； b 到熔點溫度就會結晶； c 永不結晶。 2、下述哪些現(xiàn)象結晶時出現(xiàn)？（多選） a 在低于熔點的溫度下結晶才能進行； b 結晶時有熱量放出； c 液態(tài)金屬冷卻到熔點時就開始結晶。 3、形成臨界晶核時需要的形核功由什么提供？（單選） a由外界加熱提供； b由能量起伏提供； c由體積自由能提供。 4、臨界晶核有可能繼續(xù)長大，也有可能消失（熔化）。 a 是 b 否 5、在相同過冷度的條件下，（下述說法哪些正確？）（多選） a 非均勻形核比均勻形核的形核率高； b 均勻形核與非均勻形核具有相同的臨界晶核半徑； c 非均勻形核比均勻形核的形核功小； d 非均勻形核比均勻形核的臨界晶核體積小。 6 非均勻形核時，θ角越小，形核越容易。這是因為（下述說法哪些正確？）（多選） a 臨界晶核的體積和表面積越?。? b 形核需要的過冷度越??； c 需要的形核功越小。 7、在負的溫度梯度下，晶體生長以平面狀前推進。(單選) a 是 b 否 c 不能確定 8、形核率越高、晶體生長速率越小，最后得到的晶粒越細小。(單選) a 是 b 否 c 不能確定 9、快速凝固技術能獲得的新材料有：非晶態(tài)合金，超細晶態(tài)金屬或合金。 a 是 b 否 10、單向凝固要求不僅具有正溫度梯度，而且溫度梯度要很大。 a 是 b 否 11、制取單晶體的技術關鍵是保證液體結晶時只有一個晶核。 a 是 b 否 12、對于濃度不均勻的固溶體中的擴散，溶質(zhì)原子的擴散屬于互擴散，溶劑（基體）原子的擴散則屬于自擴散。 a 是 b 否 13、在穩(wěn)態(tài)擴散過程中，擴散組元的濃度C只隨距離x變化，而不隨時間t變化。 a 是 b 否 14、在非穩(wěn)態(tài)擴散過程中，擴散組元的濃度C也是只隨距離x變化，而不隨時間t變化。 a 是 b 否 15、擴散系數(shù)D是描述擴散速度的重要物理量，D值越大則擴散越慢。 a 是 b 否 16、已知Mg(鎂)在Al(鋁)中的擴散常數(shù)D0 = 1.210-4 m2/s，擴散激活能Q =131000 J/mol, 500℃時擴散系數(shù)D = 1.810-13 m2/s，問400℃時Mg在Al中的擴散系數(shù)D是多少？ a 8.110-15 m2/s b 1.810-13 m2/s c 2.810-11 m2/s 17、怎樣理解擴散原子對基體造成的晶格畸變越大，擴散則越容易。（單選） a 擴散原子具有更低的能量，需要的擴散激活能變大，擴散系數(shù)變小，所以擴散容易； b 擴散原子具有更高的能量，需要的擴散激活能變小，擴散系數(shù)變大，所以擴散容易； c 基體原子具有更高的能量，造成的勢壘變小，擴散系數(shù)變小，所以擴散容易。 18、 在相同的溫度下，碳在α-Fe中的擴散比在γ-Fe中的擴散更容易，速度更快。這主要是因為, （單選） a 碳原子在α-Fe中固溶造成的晶格畸變更大; b 其它合金元素的影響所致； c 溫度對擴散系數(shù)的影響所致。 第七章 相變與熱處理 1. 擴散形的固態(tài)相變中如果新相是在加熱過程中產(chǎn)生的，試分析轉變的速度與轉變溫度間是否還有極值關系？ 答案：不存在極值關系。因為隨加熱溫度的提高新相與母相的自由能差加大，同時擴散的速度也加快。所以不存在極值關系。 2. 根據(jù)馬氏體的轉變規(guī)律并聯(lián)系固態(tài)相變的TTT圖分析，馬氏體的轉變TTT圖是否也是C形？ 答案：馬氏體轉變動力學曲線不會是C型。因為馬氏體轉變不是擴散形相變。 3. 根據(jù)貝氏體的轉變規(guī)律為了得到下貝氏體應從哪幾方面進行控制？ 答案：控制母相（奧氏體）中化學成分，要保證含碳量達到中碳或高碳水平，同時要控制轉變溫度較低。 4. 請根據(jù)珠光體的轉變規(guī)律分析在Fe3C兩側形成鐵素體后有無可能鐵素體迅速的長大將Fe3C包圍起來？ 答案：因為鐵素體是低碳相，在它向縱向長大時必向Fe3C片前端的奧氏體中排碳，這就給Fe3C片的縱向長大創(chuàng)造了條件，所以Fe3C片馬上也向縱向長大，因此不可能發(fā)生包圍現(xiàn)象。在轉變規(guī)律的說明中我們已經(jīng)強調(diào)Fe3C片與鐵素體片同時向縱向長大。 5. 分析比較共析鋼的CCT圖與TTT圖有何差別？說明了什么？ 答案：對比可以知道： 兩種曲線均為C形，說明等溫冷卻轉變與連續(xù)冷卻轉變的轉變機理與動力學規(guī)律均類似。 CCT曲線比TTT曲線向右下移動且沒有貝氏體轉變區(qū)域。 在CCT曲線上有許多的冷卻曲線，表明了冷卻的速度，末端表明了以此冷速冷卻后的硬度值。 碳與合金元素對CCT曲線的影響規(guī)律與對TTT曲線的影響規(guī)律基本一致，也是曲線向右下方移動，表明連續(xù)冷卻轉變比等溫轉變的孕育期更長。 6. 回火溫度與性能有什么關系？為什么有這種關系？ 答案：性能變化的規(guī)律是：隨回火溫度的上升，強度與硬度下降，塑性與韌性上升。因為在回火過程中發(fā)生的轉變主要是碳以碳化物的形式從馬氏體中析出，基體向鐵素體轉變的過程。顯然隨回火溫度的提高，碳的擴散能力增加，碳從馬氏體中析出的就多，基體就越接近鐵素體，組織也就越接近平衡組織，馬氏體的強化效果就越弱，因此硬度也就越低。 7. 請說明在時效過程中為什么一般均是先出現(xiàn)亞穩(wěn)過渡相而不直接形成穩(wěn)定相？ 答案：因為穩(wěn)定相與基體的濃度差較大，溶質(zhì)原子必須充分的擴散才能達到成分要求。為了保證高硬度時效的溫度一般較低，所以在短時間內(nèi)難于充分擴散。而亞穩(wěn)相與基體的濃度差較少，因此較易通過擴散來形核與長大。另一方面形成亞穩(wěn)相時所需要的界面能也較小，所以一般均是先出現(xiàn)亞穩(wěn)過渡相。 第八章 形變、回復、再結晶 一、概念 彈性變形、彈性后效、彈性滯后、泊松比、屈服強度、塑性變形、滑移、滑移系、滑移帶、滑移線、臨界分切應力、施密特因子、派-納力、孿生、固溶強化、加工硬化、彌散強化、細晶強化、Hall-Petch公式、應變時效、形變織構、殘余應力、回復、再結晶、多邊化、晶粒長大、二次再結晶、弓出形核、再結晶溫度。 二、計算題 1、 設一長度為10mm的鋁合金試樣承受6000 N的拉伸載荷，且其屈服極限＝145MPa，波桑比υ＝0.33，試計算試樣承載后的直徑。 答案：拉伸后的直徑d1=9.9964 mm。 2、 設采用細化晶粒的方法來強化低碳鋼。它的σi=130 MPa。在晶粒大小d(1)=1 mm時的屈服強度為276 MPa，試計算晶粒細化到d(2)=0.32 mm 后的屈服強度σs 。 答案：383 MPa。 3、設有同一種鋼的兩個試樣，園棒試樣由直徑為15 mm經(jīng)冷加工至直徑11 mm；125 x175mm的長方截面試樣則加工至截面為75 x 200 mm，試問冷加工后哪一個硬度更高？如果都在450 C再結晶退火，硬度還有區(qū)別嗎？ 提示：先求出各自的CW％，再比較。 答案：園棒的變形量大于長方截面的試樣，所以冷加工后硬度高些。再結晶退火后硬度基本相同。 4、試說明回復與再結晶的主要區(qū)別。 答案：回復使殘余內(nèi)應力減少或消除，晶粒保持原來的形狀和大小。再結晶階段則有新的尺寸更小的等軸晶粒形成。  第九章 三元相圖 1、概念 等邊成分三角形、水平截面、垂直截面、投影圖、三元勻晶反應、三元包共晶反應、三元包晶反應、三元共晶反應 。 2、某三元合金K在溫度為t1時分解為B組元和液相，兩個相的相對量WB/WL=2。已知合金K中A組元和C組元的重量比為3，液相含B量為40%，試求合金K的成分。 第2題圖 第3題圖 3、已知A、B、C三組元固態(tài)完全不互溶，成分為80％A、10％B、10％C的O合金在冷卻過程中將進行二元共晶反應和三元共晶反應，在二元共晶反應開始時，該合金液相成分(a點)為60%A、20%B、20%C，而三元共晶反應開始時的液相成分(E點)為50％A、10％B、40％C。 (a) 試計算A初％、(A+B)%和(A+B+C)%的相對量。 (b) 寫出圖中I和P合金的室溫平衡組織。 4、根據(jù)圖中的合金X，在四相反應前為Q+R+U三相平衡，四相反應后為U+Q+V三相平衡。試證明該反應為R→Q+U+V類型反應。 5、根據(jù)所示Fe-W-C三元系的低碳部分的液相面的投影圖，試標出所有四相反應。 第5題圖 第4題圖