中南大學(xué) 材料科學(xué)基礎(chǔ) 課后習(xí)題.doc

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第一章 原子排列與晶體結(jié)構(gòu) 1. fcc結(jié)構(gòu)的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛順序是 ，致密度為 ，配位數(shù)是 ,晶胞中原子數(shù)為 ，把原子視為剛性球時，原子的半徑r與點陣常數(shù)a的關(guān)系是 ；bcc結(jié)構(gòu)的密排方向是 ，密排面是 ,致密度為 ,配位數(shù)是 ,晶胞中原子數(shù)為 ，原子的半徑r與點陣常數(shù)a的關(guān)系是 ；hcp結(jié)構(gòu)的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛順序是 ，致密度為 ，配位數(shù)是 ,，晶胞中原子數(shù)為 ，原子的半徑r與點陣常數(shù)a的關(guān)系是 。 2. Al的點陣常數(shù)為0.4049nm，其結(jié)構(gòu)原子體積是 ，每個晶胞中八面體間隙數(shù)為 ，四面體間隙數(shù)為 。 3. 純鐵冷卻時在912e 發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變是從 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)? 結(jié)構(gòu)，配位數(shù) ，致密度降低 ，晶體體積 ，原子半徑發(fā)生 。 4. 在面心立方晶胞中畫出晶面和晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平面上的方向。在hcp晶胞的（0001）面上標(biāo)出晶面和晶向。 5. 求和兩晶向所決定的晶面。 6 在鉛的（100）平面上，1mm2有多少原子？已知鉛為fcc面心立方結(jié)構(gòu)，其原子半徑R=0.17510-6mm。 第二章 合金相結(jié)構(gòu) 一、 填空 1） 隨著溶質(zhì)濃度的增大，單相固溶體合金的強度 ，塑性 ，導(dǎo)電性 ，形成間隙固溶體時，固溶體的點陣常數(shù) 。 2） 影響置換固溶體溶解度大小的主要因素是（1） ；（2） ；（3） ；（4） 和環(huán)境因素。 3） 置換式固溶體的不均勻性主要表現(xiàn)為 和 。 4） 按照溶質(zhì)原子進入溶劑點陣的位置區(qū)分，固溶體可分為 和 。 5） 無序固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w時，合金性能變化的一般規(guī)律是強度和硬度 ，塑性 ，導(dǎo)電性 。 6）間隙固溶體是 ，間隙化合物是 。 二、 問答 1、 分析氫，氮，碳，硼在a-Fe 和g-Fe 中形成固溶體的類型，進入點陣中的位置和固溶度大小。已知元素的原子半徑如下：氫：0.046nm，氮：0.071nm，碳：0.077nm，硼：0.091nm，a-Fe：0.124nm，g-Fe ：0.126nm。 2、簡述形成有序固溶體的必要條件。 第三章 純金屬的凝固 1. 填空 1. 在液態(tài)純金屬中進行均質(zhì)形核時，需要 起伏和 起伏。 2 液態(tài)金屬均質(zhì)形核時，體系自由能的變化包括兩部分，其中 自由能是形核的阻力， 是形核的動力；臨界晶核半徑rK與過冷度vT關(guān)系為 ，臨界形核功vGK等于 。 3 動態(tài)過冷度是指 。 4 在工廠生產(chǎn)條件下，過冷度增大，則臨界晶核半徑 ，金屬結(jié)晶冷卻速度越快，N/G比值 ，晶粒越 。 5. 獲得非晶合金的基本方法是 。 二、 問答 1 根據(jù)凝固理論，試述細化晶粒的基本途徑。 2 試根據(jù)凝固理論，分析通常鑄錠組織的特點。 3 簡述液態(tài)金屬結(jié)晶時，過冷度與臨界晶核半徑，形核功及形核率的關(guān)系。 4 銅的熔點Tm=1356K，熔化熱vHm=1628J/cm2，s=17710－7J/cm，點陣常數(shù)a=0.3615nm。求銅vT=100e 時均勻形核的臨界核心半徑。 5：何謂過冷，過冷度，動態(tài)過冷度，它們對結(jié)晶過程有何影響？ 6 根據(jù)冷卻速度對金屬凝固后組織的影響，現(xiàn)要獲得微晶，非晶，亞穩(wěn)相，請指出其凝固時如何控制。 7、簡述純金屬凝固時潤濕角θ、雜質(zhì)顆粒的晶體結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)對異質(zhì)形核的影響。 第四章 二元合金相圖與合金凝固 一、填空 1. 固溶體合金凝固時，除了需要結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏外，還要有 起伏。 2. 按液固界面微觀結(jié)構(gòu)，界面可分為 和 。 3. 液態(tài)金屬凝固時，粗糙界面晶體的長大機制是 ，光滑界面晶體的長大機制是 和 。 4 在一般鑄造條件下固溶體合金容易產(chǎn)生 偏析，用 熱處理方法可以消除。 5 液態(tài)金屬凝固時，若溫度梯度dT/dX>0（正溫度梯度下），其固、液界面呈 狀，dT/dX<0時（負溫度梯度下），則固、液界面為 狀。 6. 靠近共晶點的亞共晶或過共晶合金，快冷時可能得到全部共晶組織，這稱為 。 7 固溶體合金凝固時，溶質(zhì)分布的有效分配系數(shù)ke= ，當(dāng)凝固速率很大時ke趨于 。 8. 在二元相圖中，L1→a+L2叫 反應(yīng)，b→L+a稱為 轉(zhuǎn)變，而反應(yīng)a１—a２＋b稱為 反應(yīng)，a+bg稱為 反應(yīng)。 9 Fe-Fe3C相圖中含碳量小于 為鋼，大于 為鑄鐵；鐵碳合金室溫平衡組織均由 和 兩個基本相組成；根據(jù)溶質(zhì)原子的位置，奧氏體其晶體結(jié)構(gòu)是 ，是 固溶體，鐵素體是 ，其晶體結(jié)構(gòu)是 ，合金平衡結(jié)晶時，奧氏體的最大含量是 ；珠光體的含碳量是 ，它是由 和 組成的兩相混合物；萊氏體的含碳量是 ；在常溫下，亞共析鋼的平衡組織是 ，過共析鋼的平衡組織是 ，亞共晶白口鑄鐵的平衡組織是 ，萊氏體的相組成物是 ，變態(tài)萊氏體的相組成物是 ，F(xiàn)e3CI是從 中析出的，F(xiàn)e3CII是從 中析出的，F(xiàn)e3CIII是從 中析出的，它們的含碳量為 ，F(xiàn)e3C主要性能特點是 ，A共析反應(yīng)后的生成物稱為 。 2 問答 1 如圖4-1所示為Ni-Al相圖 1） 填出相圖中各相區(qū)的平衡相； 2） 指出圖中的穩(wěn)定化合物和不穩(wěn)定化合物； 3） 寫出圖中存在的恒溫反應(yīng)，指明反應(yīng)類型； 4） 指出含Ni 30%(重量)的合金在平衡冷卻時的相變過程，計算室溫下的相組成與組織組成，并計算出其中組織組成物的百分數(shù)。 5） 試說明含Ni89%（重量）的Ni-Al合金其平衡凝固與非平衡凝固后的顯微組織的不同。 6） 設(shè)X合金平衡凝固完畢時的組織為a（Al）初晶+(a+b)共晶，其中a初晶占80%，則此合金中Ni組元的含量是多少？ 7） 繪出1500e 時Al-Ni合金系的自由能—成分曲線示意圖。 2 根據(jù)Cu-Sn相圖（圖4-2），Cu為fcc結(jié)構(gòu)。回答下列問題： 1）a相為何種晶體結(jié)構(gòu)？ 2）計算212℃時Cu-90%Sn合金在TE溫度時（共晶反應(yīng)前）的平衡分配系數(shù)。 3）Cu-13.47%Sn合金在正常條件下凝固后，a相的晶界上出現(xiàn)少量b相，其原因何在？如何消除b相？ 4）分析Cu-70%Sn合金平衡凝固過程，并計算共晶反應(yīng)剛完畢時相組成物和組織組成物的相對含量。 5）畫出Cu-Sn系合金在450℃時各相自由能---成分曲線示意圖。 3 如圖4-3為Mg-Y相圖 1） 填相區(qū)組成，寫出相圖上等溫反應(yīng)及Y=5%wt時的合金K在室溫時的平衡組織。 2） 已知Mg為hcp結(jié)構(gòu)，試計算Mg晶胞的致密度； 3） 指出提高合金K強度的可能方法 4） 簡述圖中Y=10%wt之合金可能的強化方法。 4 試說明純Al和鋁－銅單相固溶體結(jié)晶的異同。 5 根據(jù)4-4的鐵碳亞穩(wěn)平衡相圖回答下列問題： 1） 寫出下列Fe3CII含量最多的合金；珠光體含量最多的合金；萊氏體含量最多的合金。 2） 指出此二元系中比較適合做變形合金和鑄造合金的成分范圍。 3） 如何提高壓力加工合金的強度。 4） 標(biāo)注平衡反應(yīng)的成分及溫度，寫出平衡反應(yīng)式。 5） 分析Fe-1%C合金的平衡凝固過程，并計算室溫下其中相組成物和組織組成物的百分含量， 6） 分析Fe-1%C合金在亞穩(wěn)冷卻轉(zhuǎn)變和淬火冷卻轉(zhuǎn)變后組織的差異。 7） 根據(jù)Fe-Fe3C狀態(tài)圖確定下列三種鋼在給定溫度下的顯微組織（填入表中） 含碳量 溫度 顯微組織 溫度 顯微組織 0.4 770℃停留一段時間 P+F 900℃ A+F 0.77 680℃ P 剛達到770℃ A 1.0 700℃ P+Fe3CⅡ 剛達到770℃ A+Fe3C 8) 畫出1200℃時各相的自由能---成分曲線示意圖。 圖4-5 圖4-6 6：A為金屬元素，B為非金屬元素，形成二元相圖如圖4-5： 1）畫出Ⅱ合金平衡冷卻曲線以及平衡結(jié)晶后組織示意圖，計算其室溫下相組成物及組織組成物相對含量。 2）試分析不同冷卻速度對下圖中Ⅰ合金凝固后顯微組織的影響。 3）Ⅰ合金在工業(yè)條件冷凝后如對合金進行擴散退火，應(yīng)如何確定退火溫度。 7：簡述典型金屬凝固時，固/液界面的微觀結(jié)構(gòu)，長大機制，晶體在正溫度梯度下、負溫度梯度下成長時固/液界面的形態(tài)。 8：根據(jù)Pb-Bi相圖（圖4－6）回答下列問題： 1） 把空相區(qū)填上相的名稱。 2） 設(shè)X合金平衡凝固完畢時的相組成物為b和(Bi)，其中b相占80%，則X合金中Bi組元的含量是多少？ 3） 設(shè)Y合金平衡凝固完畢時的組織為(Bi)初晶+[b+（Bi）]共晶，且初晶與共晶的百分含量相等，則此合金中Pb組元的含量是多少？ 4） Pb-30%Bi合金非平衡凝固后室溫下組織與平衡凝固組織有何不同。 第五章 三元合金相圖 圖8 1 根據(jù)Fe－C－Si的3.5%Si變溫截面圖（5－1），寫出含0.8%C的Fe-C-Si三元合金在平衡冷卻時的相變過程和1100℃時的平衡組織。 2 圖5－2為Cu-Zn-Al合金室溫下的等溫截面和2%Al的垂直截面圖，回答下列問題： 1） 在圖中標(biāo)出X合金（Cu-30%Zn-10%Al）的成分點。 2） 計算Cu-20%Zn-8%Al和 Cu-25%Zn-6%Al合金中室溫下各相的百分含量，其中α相成分點為Cu-22.5%Zn-3.45%Al，γ相成分點為Cu-18%Zn-11.5%Al。 3） 分析圖中Y合金的凝固過程。 3 如圖5－3是A-B-C三元系合金凝固時各相區(qū)，界面的投影圖，A、B、C分別形成固溶體α、β、γ。 1） 寫出，和單變量線的三相平衡反應(yīng)式。 2） 寫出圖中的四相平衡反應(yīng)式。 3） 說明O合金凝固平衡凝固所發(fā)生的相變。 4 圖5－4為Fe-W-C三元系的液相面投影圖。寫出e1→1085℃，P1→1335℃，P2→1380℃單變量線的三相平衡反應(yīng)和1700℃，1200℃，1085℃的四相平衡反應(yīng)式。I，II，III三個合金結(jié)晶過程及室溫組織，選擇一個合金成分其組織只有三元共晶。 5 如圖5－5為Fe-Cr-C系含13%Cr的變溫截面 １）大致估計2Cr13不銹鋼的淬火加熱溫度（不銹鋼含碳量０.２％, 含Cr量13％） ２）指出Cr13模具鋼平衡凝固時的凝固過程和室溫下的平衡組織（Cr13鋼含碳量2%） ３）寫出（１）區(qū)的三相反應(yīng)及７９５e 時的四相平衡反應(yīng)式。 6 如圖5－6所示，固態(tài)有限溶解的三元共晶相圖的濃度三角形上的投影圖，試分析IV區(qū)及VI區(qū)中合金之凝固過程。寫出這個三元相圖中四相反應(yīng)式。 。 圖5－7 7 分析如圖5－7所示的三元相圖，該合金中E點成分為27Pb18Sn55Bi，γ相成分取100％Bi。 1）指出這個三元系的初晶面，寫出四相平衡反應(yīng)式； 2）分析該三元合金系中1，2，3，4合金平衡結(jié)晶過程； 3）要配制一個初晶為γ，具有三元共晶而無二元共晶且γ/三元共晶=0.5的合金，計算該合金的成分。 第六章 空位與位錯 一、 名詞解釋 空位平衡濃度，位錯，柏氏回路，P-N力，擴展位錯，堆垛層錯，弗蘭克-瑞德位錯源， 奧羅萬機制，科垂耳氣團，面角位錯，鈴木氣團，多邊形化 二、 問答 1 fcc晶體中，層錯能的高低對層錯的形成、擴展位錯的寬度和擴展位錯運動有何影響？層錯能對金屬材料冷、熱加工行為的影響如何？ 2. 在鋁單晶體中（fcc結(jié)構(gòu)）， 1） 位錯反應(yīng)]+能否進行？寫出反應(yīng)后擴展位錯寬度的表達式和式中各符號的含義；若反應(yīng)前的是刃位錯，則反應(yīng)后的擴展位錯能進行何種運動？能在哪個晶面上進行運動？若反應(yīng)前的是螺位錯，則反應(yīng)后的擴展位錯能進行何種運動？ 2） 若（1，1，1）面上有一位錯，與面上的位錯發(fā)生反應(yīng)，如圖6－1。寫出位錯反應(yīng)方程式，說明新位錯的性質(zhì)，是否可動。 3） 寫出（111）與（111）兩個滑移面上兩全位錯所分解為肖克萊不全位錯的兩個反應(yīng)式。 4） 如果兩擴展位錯運動，當(dāng)它們在兩個滑移面交線AB相遇時，兩領(lǐng)先不全位錯為和，兩領(lǐng)先位錯能否發(fā)生反應(yīng)，若能，求新位錯柏氏矢量；分析新形成位錯為何種類型位錯，能否自由滑移，對加工硬化有何作用。 3 螺旋位錯的能量公式為。若金屬材料亞晶尺寸為R=10-3~10-4cm，r0約為10-8cm，銅的G＝4106N/cm2，b＝2.510－8cm。 （1）試估算Es （2）估算Cu中長度為1個柏氏矢量的螺型位錯割階的能量。 4 平衡空位濃度與溫度有何關(guān)系？高溫淬火對低溫擴散速度有何影響？ 5 已知Al的空位形成能為0.76eV，問從27e 升溫到627e 時空位濃度增加多少倍（取系數(shù)A=1） 6 在一個刃型位錯附近放置另一個與之平行同號的另一個刃型位錯，其位置如圖6－2所示1，2，3，問它們在滑移面上受力方向如何？ ？ 1 2 3 圖6－2 7、位錯對金屬材料有何影響？ 第七章 金屬塑性變形 一 名詞解釋 固溶強化，應(yīng)變時效，孿生，臨界分切應(yīng)力，變形織構(gòu) 二 問答 1 單相合金的冷塑性變形與純金屬的室溫塑性變形相比，有何特點。 2 金屬晶體塑性變形時，滑移和孿生有何主要區(qū)別？ 3 A-B二元系中，A晶體結(jié)構(gòu)是bcc，形成α固溶體，B晶體結(jié)構(gòu)是fcc，形成β固溶體，A與B形成h相，其晶體結(jié)構(gòu)是hcp： 1） 指出a，b，h三個相的常見滑移系； 2） 繪出它們單晶變形時應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖，試解釋典型低層錯能面心立方單晶體的加工硬化曲線，并比較與多晶體加工硬化曲線的差別。 4 簡述冷加工纖維組織、帶狀組織和變形織構(gòu)的成因及對金屬材料性能的影響。 5 為什么金屬材料經(jīng)熱加工后機械性能較鑄造態(tài)好。 6 何為加工硬化？列出產(chǎn)生加工硬化的各種可能機制。（不必說明），加工硬化現(xiàn)象在工業(yè)上有哪些作用？ 7 鋁單晶體拉伸時，其力軸為[001]，一個滑移系的臨界分切應(yīng)力為0.79MN/m2，取向因子COSfCOSl=0.41,試問有幾個滑移系可同時產(chǎn)生滑移？開動其中一個滑移系至少要施加多大的拉應(yīng)力？ 9 簡要說明第二相在冷塑性變形過程中的作用。 10 討論織構(gòu)的利弊及控制方法。 11 敘述金屬和合金在冷塑性變形過程中發(fā)生的組織性能的變化。 12 圖7－1所示低碳鋼的三條拉伸曲線，1－塑性變形；2－去載后立即再行加載；3－去載后時效再加載。試回答下列問題： 1） 解釋圖示曲線2無屈服現(xiàn)象和曲線3的屈服現(xiàn)象。 2） 屈服現(xiàn)象對金屬變形制件表面質(zhì)量有何影響，如何改善表面質(zhì)量。 圖7－1 13 退火純Fe，其晶粒尺寸d=1/4mm時，其屈服點ss=100MNm-2；d=1/64mm時ss=250MNm-2。d=1/16mm時，根據(jù)霍爾—配奇公式求其ss為多少？ 第八章 回復(fù)與再結(jié)晶 1 名詞 變形織構(gòu)與再結(jié)晶織構(gòu)，再結(jié)晶全圖，冷加工與熱加工，帶狀組織，加工流線，動態(tài)再結(jié)晶，臨界變形度，二次再結(jié)晶，退火孿晶 2 問答 1 再結(jié)晶與固態(tài)相變有何區(qū)別？ 2 簡述金屬冷變形度的大小對再結(jié)晶形核機制和再結(jié)晶晶粒尺寸的影響。 3 燈泡中W絲在高溫下工作，發(fā)生顯著晶粒長大性能變脆，在熱應(yīng)力作用下破斷，試找出兩種延長鎢絲壽命的方法？ 4 戶外用的架空銅導(dǎo)線（要求一定的強度）和戶內(nèi)電燈用花線，在加工之后可否采用相同的最終熱處理工藝？為什么？ 5 純鋁經(jīng)90%冷變形后，取三塊試樣分別加熱到70e ，150e ，300e ，各保溫一小時后空冷，純鋁的熔點為660e。 1） 分析所得組織，畫出示意圖； 2） 說明它們強度、硬度的高低和塑性方面的區(qū)別并簡要說明原因。 7 今有工業(yè)純鈦、純鋁和純鉛鑄錠，試問如何選擇它們的軋制開坯溫度？開坯后，將它們在室溫（20℃）進行軋制，它們的塑性誰好誰壞？為什么？它們在室溫下可否連續(xù)軋制下去？鈦、鉛、鋁分別怎樣才能軋成很薄的帶材？ 已知：工業(yè)純金屬的再結(jié)晶溫度T再=（0.3-0.4）T熔，鈦熔點1672℃，883℃以下為hcp，883℃以上為bcc；鋁熔點為660℃，fcc結(jié)構(gòu)（面心立方）；鉛熔點為327℃，fcc結(jié)構(gòu)（面心立方）。 8 試說明晶粒大小對金屬材料室溫及高溫力學(xué)性能的影響，在生產(chǎn)中如何控制材料的晶粒度。 9 如何提高固溶體合金的強度 10 試用位錯理論解釋固溶強化，彌散強化，以及加工硬化的原因。 第九章 表面與界面 1 名詞 正吸附，晶界能，小角度晶界，晶界偏析 2 問答 1 試說明界面對復(fù)合材料結(jié)合強度的影響。 2 試述晶界的特性。 3 分析晶界能的變化。 4 分析影響晶界遷移的因素。 第十章 原子擴散 1、 簡要說明影響溶質(zhì)原子在晶體中擴散的因素。 2、Ni板與Ta板中有0.05mm厚MgO板作為阻擋層，1400℃時Ni＋通過MgO向Ta中擴散，此時Ni＋在MgO中的擴散系數(shù)為D=910－12cm2/s，Ni的點陣常數(shù)為3.610－8cm。問每秒鐘通過MgO阻擋層在22cm2的面積上擴散的Ni＋數(shù)目，并求出要擴散走1mm厚的Ni層需要的時間。 3、對含碳0.1％齒輪氣體滲碳強化，滲碳氣氛含碳1.2％，在齒輪表層下0.2cm處碳含量為0.45%時齒輪達到最佳性能。已知鐵為FCC結(jié)構(gòu)，C在Fe中的D0＝0.23，激活能Q＝32900cal/mol，誤差函數(shù)如表10－1。 1）試設(shè)計最佳滲碳工藝； 2）在滲碳溫度不變，在1000℃時滲碳，要將滲碳厚度增加1倍，即要求在其表面下0.4cm處滲碳后碳含量為0.45%所需滲碳時間。 表10－1 與erf()的對應(yīng)值 erf() erf() erf() 0.0 0.0000 0.7 0.6778 1.4 0.9523 0.1 0.1125 0.8 0.7421 1.5 0.9661 0.2 0.2227 0.9 0.7969 1.6 0.9763 0.3 0.3286 1.0 0.8247 1.7 0.9838 0.4 0.4284 1.1 0.8802 1.8 0.9891 0.5 0.5205 1.2 0.9103 1.9 0.9928 0.6 0.6039 1.3 0.9340 2.0 0.9953 4 一塊厚度10毫米，含碳量0.77%的鋼在強脫碳氣氛中加熱到800℃，然后緩慢冷卻，試指出試樣從表面到心部的組織分布。 5 一塊用作承載重物的低碳鋼板，為提高其表面硬度采用表面滲碳，試分析： 1) 滲碳為什么在g-Fe中進行而不在a-Fe中進行，即滲碳溫度選擇要高于727e ，為什么？ 2) 滲碳溫度高于1100e 會出現(xiàn)什么問題？ 6 銅-鋅基單相固溶體進行均勻化處理，試討論如下問題： 1) 在有限時間內(nèi)能否使枝晶偏析完全消失？ 2) 將此合金均勻化退火前進行冷加工，對均勻化過程是加速還是無影響？說明理由。 7 原子擴散在材料中的應(yīng)用 8 何謂上坡擴散，舉兩個實例說明金屬中上坡擴散現(xiàn)象。 9、簡述固溶體合金的擴散機制