煙臺大學《材料科學基礎》試題.doc

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《材料科學基礎》 試卷 一、選擇題（每題2分，共20分） 1．能進行攀移的位錯可能是 A．弗蘭克位錯 B. 肖克萊位錯 C. 螺型全位錯 2. 對Fe-Cr-C三元合金進行滲碳的反應擴散，則該合金中不能出現 A. 單相區(qū) B. 兩相區(qū) C. 三相區(qū) 3. 如下說法哪個是正確的， A. 形成點缺陷所引起的熵的變化使晶體能量增加 B. 晶體總是傾向于降低點缺陷的濃度 C. 當點缺陷濃度達到平衡值時，晶體自由能最低 4. 位錯線上的割階一般通過 形成。 A．位錯的交割 B.交滑移 C. 孿生 5. 金屬鎂的單晶體處于軟取向時塑變量可達100%-200%，但其多晶體的塑性很差，其主要原因是： A. 鎂多晶體的晶粒通常較粗大 B. 鎂多晶體通常存在裂紋 C. 鎂滑移系通常較少 D. 因為鎂是BCC結構，所以脆性大 6. 層錯和不完全位錯之間的關系是： A. 層錯和不完全位錯交替出現 B. 層錯和不完全位錯能量相同 C. 層錯能越高，不完全位錯伯氏矢量的模越小 D. 不完全位錯總是出現在層錯和完整晶體的交界處 7. 原子擴散過程的驅動力是： A. 組員的濃度梯度 B. 組元的化學勢梯度 C. 擴散的溫度 D. 擴散的時間 8. 純金屬均勻形核時， A. 當過冷度很小時，原子可動性低，相變驅動力低，因此，形核率低； B. 當過冷度很小時，原子可動性高，相變驅動力高，因此，形核率低； C. 當過冷度很小時，原子可動性低，相變驅動力高，因此，形核率低； D. 當過冷度很小時，原子可動性高，相變驅動力低，因此，形核率低； 9．位錯塞積的一個重要效應是在它的前端引起 。 A. 應力偏轉 B. 應力松弛 C. 應力集中 10. 欲通過形變和再結晶方法獲得細晶粒組織，應避免 。 A．在臨界形變量進行塑性變形加工 B. 大變形量 C. 較長的退火時間 D. 較高的退火溫度 二、判斷題（正確的打“√”錯誤的打“”，每題1分，共12分） 1. 體心立方結構是原子的次密排結構，其致密度為0.74。 （ ） 2. 同一種空間點陣可以有無限種晶體結構，而不同的晶體結構可以歸屬于同一種空間點陣。 （ ） 3. 結晶時凡能提高形核率、降低生長率的因素，都能使晶粒細化。 （ ） 4. 合金液體在凝固形核時需要能量起伏、結構起伏和成分起伏。 （ ） 5. 小角度晶界的晶界能比大角度晶界的晶界能高。 （ ） 6. 非均勻形核時晶核與基底之間的接觸角越大，其促進非均勻形核的作用越大。 （ ） 7. 固溶體合金液體在完全混合條件下凝固后產生的宏觀偏析較小。 （ ） 8. 冷形變金屬在再結晶時可以亞晶合并、亞晶長大和原晶界弓出三種方式形核。 （ ） 9. 動態(tài)再結晶是金屬材料在較高溫度進行形變加工同時發(fā)生的再結晶、其形變硬化與再結晶軟化交替進行。 （ ） 10. 金屬-非金屬型共晶具有粗糙-光滑型界面，所以它們多為樹枝狀、針狀或螺旋狀形態(tài)。 （ ） 11. 孿生變形的速度很快是因為金屬以孿生方式變形時需要的臨界分切應力小。（ ） 12. 相圖的相區(qū)接觸法則是相鄰相區(qū)相數差1。 （ ） 三、簡答題（28分） 1. 試述孿生和滑移的異同，比較它們在塑性過程中的作用。（10分） 2. 請簡述擴散的微觀機制有哪些？影響擴散的因素又有哪些？ （8分） 3. 簡述材料強化的主要方法、原理及工藝實現途徑。(10分) 四、作圖與計算題（40分，每題10分） 1、氧化鎂（MgO）具有NaCl型結構，即具有O2-離子的面心立方結構。問： （1）若其離子半徑=0.066nm，＝0.140nm，則其原子堆積密度為多少？ （2）如果/＝0.41，則原子堆積密度是否改變？ 2、某面心立方晶體的可動滑移系為。 （1）請指出引起滑移的單位位錯的柏氏矢量； （2）若滑移由刃位錯引起，試指出位錯線的方向； （3）請指出在（2）的情況下，位錯線的運動方向； （4）假設在該滑移系上作用一大小為0.7MPa的切應力，試計算單位刃位錯線受力的大小和方向（取點陣常數為a＝0.2nm）。 3. 畫出Fe-Fe3C相圖，并根據Fe-Fe3C相圖，(1)分別求ω（C)=2.11%，ω（C)=4.30%的二次滲碳體的析出量。(2)畫出ω（C)=4.30%的冷卻曲線。 4. 圖(a)為固態(tài)互不溶解的三元共晶相圖的濃度三角形，其中三元共晶點E的成分為ω(A)=20%，ω(B)=30%，ω(C)=50%。圖(b)為某一溫度(高于TE)的水平截面圖。問： (1)A，B和C三組元的熔點誰最低？ (2)若有一液態(tài)成分為ω(A)=60%，ω(B)=15%，ω(C)=25%的合金(其B/C成分比三元共晶合金相同)平衡凝固到室溫，試分析室溫平衡組織并畫出平衡冷卻曲線。 (3)計算該合金中共晶組織在鑄錠中的質量分數。 《材料科學基礎》 試卷答案 一、選擇題（每題2分，共20分） 1．能進行攀移的位錯可能是 A A．弗蘭克位錯 B. 肖克萊位錯 C. 螺型全位錯 2. 對Fe-Cr-C三元合金進行滲碳的反應擴散，則該合金中不能出現 C A. 單相區(qū) B. 兩相區(qū) C. 三相區(qū) 3. 如下說法哪個是正確的， C A. 形成點缺陷所引起的熵的變化使晶體能量增加 B. 晶體總是傾向于降低點缺陷的濃度 C. 當點缺陷濃度達到平衡值時，晶體自由能最低 4. 位錯線上的割階一般通過 A 形成。 A．位錯的交割 B.交滑移 C. 孿生 5. 金屬鎂的單晶體處于軟取向時塑變量可達100%-200%，但其多晶體的塑性很差，其主要原因是： C A. 鎂多晶體的晶粒通常較粗大 B. 鎂多晶體通常存在裂紋 C. 鎂滑移系通常較少 D. 因為鎂是BCC結構，所以脆性大 6. 層錯和不完全位錯之間的關系是： D A. 層錯和不完全位錯交替出現 B. 層錯和不完全位錯能量相同 C. 層錯能越高，不完全位錯伯氏矢量的模越小 D. 不完全位錯總是出現在層錯和完整晶體的交界處 7. 原子擴散過程的驅動力是： B A. 組員的濃度梯度 B. 組元的化學勢梯度 C. 擴散的溫度 D. 擴散的時間 8. 純金屬均勻形核時， D A. 當過冷度很小時，原子可動性低，相變驅動力低，因此，形核率低； B. 當過冷度很小時，原子可動性高，相變驅動力高，因此，形核率低； C. 當過冷度很小時，原子可動性低，相變驅動力高，因此，形核率低； D. 當過冷度很小時，原子可動性高，相變驅動力低，因此，形核率低； 9．位錯塞積的一個重要效應是在它的前端引起 C 。 A. 應力偏轉 B. 應力松弛 C. 應力集中 10. 欲通過形變和再結晶方法獲得細晶粒組織，應避免 A 。 A．在臨界形變量進行塑性變形加工 B. 大變形量 C. 較長的退火時間 D. 較高的退火溫度 二、判斷題（正確的打“√”錯誤的打“”，每題1分，共12分） 1. 體心立方結構是原子的次密排結構，其致密度為0.74。 （ ） 2. 同一種空間點陣可以有無限種晶體結構，而不同的晶體結構可以歸屬于同一種空間點陣。 （ √ ） 3. 結晶時凡能提高形核率、降低生長率的因素，都能使晶粒細化。 （ √ ） 4. 合金液體在凝固形核時需要能量起伏、結構起伏和成分起伏。 （ √ ） 5. 小角度晶界的晶界能比大角度晶界的晶界能高。 （ ） 6. 非均勻形核時晶核與基底之間的接觸角越大，其促進非均勻形核的作用越大。 （ ） 7. 固溶體合金液體在完全混合條件下凝固后產生的宏觀偏析較小。 （ ） 8. 冷形變金屬在再結晶時可以亞晶合并、亞晶長大和原晶界弓出三種方式形核。 （ √ ） 9. 動態(tài)再結晶是金屬材料在較高溫度進行形變加工同時發(fā)生的再結晶、其形變硬化與再結晶軟化交替進行。 （ √ ） 10. 金屬-非金屬型共晶具有粗糙-光滑型界面，所以它們多為樹枝狀、針狀或螺旋狀形態(tài)。 （ √ ） 11. 孿生變形的速度很快是因為金屬以孿生方式變形時需要的臨界分切應力小。（ ） 12. 相圖的相區(qū)接觸法則是相鄰相區(qū)相數差1。 （ √ ） 三、簡答題（28分） 1. 試述孿生和滑移的異同，比較它們在塑性過程中的作用。（10分） 答：相同點： a.宏觀上，都是切應力作用下發(fā)生的剪切變形； （1分） b. 微觀上，都是晶體塑性變形的基本形式，是晶體一部分沿一定晶面和晶向相對另一部分的移動過程； （1分） c. 不改變晶體結構。 （1分） 不同點： a. 晶體中的取向 滑移：晶體中已滑移部分與未滑移部分的位向相同。 孿生：已孿生部分和為孿生部分的位向不同，且兩者之間具有特定的位向關系。（1分） b. 位移的量 滑移：沿滑移方向上原子間距的整倍數，且在一個滑移面上的總位移較大。 孿生：原子的位移小于孿生方向的原子間距，一般為孿生方向原子間距的1/n。（1分） c. 變形方式 滑移：不均勻切變 孿生：均勻切變 （1分） d. 對塑性變形的貢獻 滑移：對塑性變形的貢獻很大，即總變形量大。 孿生：對晶體塑性變形有限，即總變形量小。 （1分） e. 變形應力 滑移：有確定的臨界分應力。 孿生：所需臨界分切應力一般高于滑移所需的臨界分切應力。 （1分） f. 變形條件 滑移：一般情況先發(fā)生滑移變形 孿生：當滑移變形難以進行時，或晶體對稱性很低、變形溫度較低、加載速率較高時。 （1分） g. 變形機制 滑移：全位錯運動的結果。 孿生：不全位錯運動的結果。 （1分） 2. 請簡述擴散的微觀機制有哪些？影響擴散的因素又有哪些？ （8分） 答：置換機制：包括空位機制和直接換位與環(huán)形換位機制，其中空位機制是主要機制，直接換位與環(huán)形換位機制需要的激活能很高，只有在高溫時才能出現。（2分） 間隙機制：包括間隙機制和填隙機制，其中間隙機制是主要機制。 （2分） 影響擴散的主要因素有：溫度（溫度約高，擴散速度約快）；晶體結構與類型（包括致密度、固溶度、各向異性等）；晶體缺陷；化學成分（包括濃度、第三組元等）。 （4分） 3. 簡述材料強化的主要方法、原理及工藝實現途徑。(10分) 1.答案：加工硬化：是隨變形使位錯增殖而導致的硬化； (2分) 細晶強化：是由于晶粒減小，晶粒數量增多，尺寸減小，增大了位錯連續(xù)滑移的阻力導致的強化；同時由于滑移分散，也使塑性增大。該強化機制是唯一的同時增大強度和塑性的機制。 (2分) 彌散強化：又稱時效強化。是由于細小彌散的第二相阻礙位錯運動產生的強化。包括切過機制和繞過機制。 (2分) 復相強化：由于第二相的相對含量與基體處于同數量級是產生的強化機制。其強化程度取決于第二相的數量、尺寸、分布、形態(tài)等，且如果第二相強度低于基體則不一定能夠起到強化作用。 (2分) 固溶強化：由于溶質原子對位錯運動產生阻礙。包括彈性交互作用、電交互作用和化學交互作用。 (2分) 四、作圖與計算題（40分，每題10分） 1、氧化鎂（MgO）具有NaCl型結構，即具有O2-離子的面心立方結構。問： （1）若其離子半徑=0.066nm，＝0.140nm，則其原子堆積密度為多少？ （2）如果/＝0.41，則原子堆積密度是否改變？ 答：（1） 點陣常數 （3分） 堆積密度 （3分） （2）堆積密度會改變，因為Pf與兩異號離子半徑的比值有關。 （4分） 2、某面心立方晶體的可動滑移系為。 （1）請指出引起滑移的單位位錯的柏氏矢量； （2）若滑移由刃位錯引起，試指出位錯線的方向； （3）請指出在（2）的情況下，位錯線的運動方向； （4）假設在該滑移系上作用一大小為0.7MPa的切應力，試計算單位刃位錯線受力的大?。ㄈ↑c陣常數為a＝0.2nm）。 答：（1）柏氏矢量：； (2分) （2）位錯線方向：[112]； (2分) （3）位錯線運動方向平行于柏氏矢量； (2分) （4） (4分) 3. 畫出Fe-Fe3C相圖，并根據Fe-Fe3C相圖，(1)分別求ω（C)=2.11%，ω（C)=4.30%的二次滲碳體的析出量。(2)畫出ω（C)=4.30%的冷卻曲線。 圖 （5分） 答案：（1）ω（C)=2.11%時，Fe3CⅡ=100%=22.6% （1分） ω（C)=4.30%時，共晶中奧氏體的量為：100%=52.18% （1分） 則共晶中奧氏體可析出Fe3CⅡ的量為：Fe3CⅡ=52.18=11.8% （1分） [或者先求ω（C)=4.30%時鐵碳合金在共析反應前的滲碳體的總量為 （Fe3C）t=100%=60% （1分） 然后從（Fe3C）t中減去共晶中Fe3C的量，即得Fe3CⅡ的量 Fe3CⅡ=（）100% =11.8% （1分）] (2) ω（C)=4.30%的冷卻曲線（2分） Fe3CⅢ α L γ Fe3CⅡ L γ+Fe3C γ α +Fe3C 4. 圖(a)為固態(tài)互不溶解的三元共晶相圖的濃度三角形，其中三元共晶點E的成分為ω(A)=20%，ω(B)=30%，ω(C)=50%。圖(b)為某一溫度(高于TE)的水平截面圖。問： (1)A，B和C三組元的熔點誰最低？ (2)若有一液態(tài)成分為ω(A)=60%，ω(B)=15%，ω(C)=25%的合金(其B/C成分比三元共晶合金相同)平衡凝固到室溫，試分析室溫平衡組織并畫出平衡冷卻曲線。 (3)計算該合金中共晶組織在鑄錠中的質量分數。 答：（1）C最低 (2分) （2）A+(A+B+C) (2分) (3分) (3) ω(共晶組織)=20/60=33.3% (3分)