材料科学基础试题库内附部分自己整理答案

时间：2021-03-06 18:10:25 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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材料科学基础试题库内附部分自己整理答案 本文简介：《材料科学基础》试题库一、选择1、在柯肯达尔效应中，标记漂移主要原因是扩散偶中__C___。A、两组元的原子尺寸不同B、仅一组元的扩散C、两组元的扩散速率不同2、在二元系合金相图中，计算两相相对量的杠杆法则只能用于__B___。A、单相区中B、两相区中C、三相平衡水平线上3、铸铁与碳钢的区别在于有无

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《材料科学基础》试题库

一、

选择

1、在柯肯达尔效应中，标记漂移主要原因是扩散偶中

__C___。

A、两组元的原子尺寸不同

B、仅一组元的扩散

C、两组元的扩散速率不同

2、在二元系合金相图中，计算两相相对量的杠杆法则只能用于

__B___。

A、单相区中

B、两相区中

C、三相平衡水平线上

3、铸铁与碳钢的区别在于有无

_A____。

A、莱氏体

B、珠光体

C、铁素体

4、原子扩散的驱动力是

_B____。

A、组元的浓度梯度

B、组元的化学势梯度

C、温度梯度

5、在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为

__C___。

A、原子互换机制

B、间隙机制

C、空位机制

6、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

_B____。

A、肖脱基缺陷

B、弗兰克尔缺陷

C、线缺陷

7、理想密排六方结构金属的c/a为

__A___。

A、1.6

B、2×√(2/3)

C、√(2/3)

8、在三元系相图中，三相区的等温截面都是一个连接的三角形，其顶点触及

__A___。

A、单相区

B、两相区

C、三相区

9、有效分配系数Ke表示液相的混合程度，其值范围是

_____。（其中Ko是平衡分配系数）

A、1

r*

；能量条件：

A

>

ΔG

max

；成分条件。

16、为什么钢的渗碳温度一般要选择在γ-Fe相区中进行？若不在γ-Fe相区进行会有什么结果？γ相是原始生长相，固溶度高，渗碳可以均匀分布在组织结构中。

温度过低的其他相，比如马氏体，或珠光体的，不能均匀扩散到组织结构中，偏析严重，导致强度降低。

温度过高，组织会重新生核成长，会破坏原来的组织结构

19、位错密度有哪几种表征方式？

体密度：即单位体积内的位错线长度；面密度：即垂直穿过单位面积的位错线根数。

20、淬透性与淬硬性的差别。

淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力；淬硬性是指在一定条件下淬火后获得马氏体组织所能达到的最高硬度。

22、马氏体相变的基本特征？（12分）

1.无扩散性

2.切变性，即由母相变为新相的晶格改组过程是以切变方式进行的

3.具有一定的晶体学位相关系的惯习面，即共格切变

4.转变在一定的温度范围内进行

5.快速转变，一般不需要孕育期

6.转变不完全，会留有相当数量的残余奥氏体

23、加工硬化的原因？（6分）

产生加工硬化的主要原因是金属在塑性变形时晶粒产生滑移，滑移面和其附近的晶格扭曲，使晶粒伸长和破碎，金属内部产生残余应力等，因而继续塑性变形就变得困难，从而引起加工硬化。

24、柏氏矢量的意义？（6分）

它描述了位错线上原子畸变特征、方向、大小；位错的畸变能和柏氏矢量的平方成正比.

26、已知916℃时，γ-Fe的点阵常数0.365nm，（011）晶面间距是多少？（5分）

面心立方的g-Fe，a＝b＝c＝0.365nm，对立方晶系，

27、画示意图说明包晶反应种类，写出转变反应式？（4分）

28、影响成分过冷的因素是什么？（9分）

温度梯度（平缓有利）；凝固速度（越快越有利）；凝固范围（越大越有利）。

29、单滑移、多滑移和交滑移的意义是什么？（9分）

只有一个滑移系统上的分切应力最大并达到临界分切应力，形成单滑移，这种情况下，加工硬化最弱；当拉力轴在晶体的特定取向上可能使几个滑移系的分切应力相等，在同时达到了临界分切应力时发生多滑移，这种情况下会发生加工硬化现象；交滑移是螺旋位错在两个相交的滑移面上运动，当螺型位错在一个滑移面上运动遇到障碍会转到另一个滑移面上继续滑移，滑移方向不变。交滑移影响材料的塑性。

30、简要说明纯金属中晶粒细度和材料强度的关系，并解释原因。（6分）

Hall-Petch霍尔-佩奇公式，细度减小，屈服强度增加，用晶界位错塞积模型解释。对粗晶粒，晶界塞积的位错多，产生应力集中大，在变形传递中容易使位错源开动，因此屈服强度低。

31、某晶体的原子位于四方点阵的节点上，点阵的a=b，c=a/2，有一晶面在x，y，z轴的截距分别为6个原子间距、2个原子间距和4个原子间距，求该晶面的密勒指数。

32、证明理想密排六方结构的轴比c/a=1.633。(a,厂3/3a)

33、立方晶系的(111)，(110)，(123)晶面族各包含多少晶面，写出它们的密勒指数。

34、说明柏氏矢量的确定方法，如何利用柏氏矢量和位错线来判断位错的类型？

答：首先在位错线周围作一逆时针回路,然后在无位错的晶格内作同样的回路,该回路必不闭合,连接终点与起点即为柏氏矢量.

位错线与柏氏矢量垂直的是刃型位错,平行的是螺型位错.

35、简要说明成分过冷的形成及其对固溶体组织形态的影响。

答:

固溶体凝固时,由于溶质原子在界面前沿液相中的分布发生变化而形成的过冷.

36、为什么晶粒细化既能提高强度，也能改善塑性和韧性？

答:

晶粒细化减小晶粒尺寸,增加界面面积,而晶界阻碍位错运动,提高强度;

晶粒数量增加,塑性变形分布更为均匀,塑性提高;

晶界多阻碍裂纹扩展,改善韧性.

37、共析钢的奥氏体化有几个主要过程？合金元素对奥氏体化过程有什么影响？

答:

共析钢奥氏体化有4个主要过程:

奥氏体形成、渗碳体溶解、奥氏体均匀化、晶粒长大。合金元素的主要影响通过碳的扩散体现，碳化物形成元素阻碍碳的扩散，降低奥氏体形成、渗碳体溶解、奥氏体均匀化速度。

38、提高钢材耐蚀性的主要方法有哪些？为什么说Cr是不锈钢中最重要的合金元素？

答：提高钢材耐蚀性的主要方法有：在表面形成致密氧化膜、提高基体电极电位、形成单相组织。Cr可形成表面致密氧化膜Cr2O3,可提高电极电位，可形成单相铁素体.

39、何为位错反应？如何判断一个位错反应能否进行？

40、根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。

由

凝固理论可知，结晶时单位体积中的晶粒数目

z

取决于形核率

N

和晶体长大速率

Vg

两个因素，即

z

∝

N/Vg

。基本途径：

(1)

增大过冷度

△

T。△T增加，N和Vg

都随之增加，即

z增多。

(2)

加入形核剂。加入形核剂后，可以促使过冷液体发生非均匀形核。即不但使非均匀形核所需要的基底增多，而且使临界晶核半径减小，这都将使晶核数目增加，从而细化晶粒。

(3)

振动结晶。振动结晶，一方面提供了形核所需要的能量，另一方面可以使正在生长的晶体破断，以提高更多的洁净核心，从而使晶粒细化。

41、分析金属冷变形度的大小对再结晶晶粒尺寸的影响，说明原因。

42、简述成分过冷的形成以及成分过冷对固溶体生长形态的影响。

43、位错增值机理

五、计算、作图

1、已知碳在r—Fe中的扩散常数D0＝2.0×10-5m2/s，扩散激活能Q＝1.4X105J/mol（R＝8.31J/(molK))。碳势均为CP＝1.1％C的条件下对20#钢在880℃进行渗碳，为达到927℃渗碳5h同样的效果，渗碳时间应为多少？(12分)

2、对fcc结构的晶体(点阵常数为a)

(1)分别计算原子在[100]，[110]和[111]晶向上的原子密度，并说明哪个晶向是密排方向：

(2)计算原子在(100)，(110)和(111)晶面上的原子密度和三个面的面间距，并指出面间距最大的晶面。

3、写出附图1.1所示立方晶格中晶面ABCD和晶向CE的指数；在右图单胞中画出晶面(111)和该面上属于三个晶向，并标出具体指数。(12分)

4、已知碳在γ-Fe中扩散时，D0

=2.0×10-5m2/s，Q=1.4×105J/mol。当温度在927℃时，求其扩散系数为多少？（已知摩尔气体常数R=8.314J/mol?K）

5、作图表示立方晶体的、、晶面和、、晶向。（每题2分，共10分）

6、已知A（熔点600℃）与B（熔点500℃）在液态无限互溶，固态时A在B中的最大固溶度（质量分数）为ωA＝0.30，室温时为ωA＝0.10；但B在固态和室温时均不溶于A。在300℃时，含ωB=0.40的液态合金发生共晶反应。试绘出A-B合金相图；并分析ωA=0.20、ωA=0.80的合金在室温下的组织组成物和相组成物的相对量。

在A-B二元相图中，分析wB=0.6的合金平衡凝固后，在室温下的相组成物及组织组成物，并计算各相组成物的相对含量。

相组成：A＋β

组织组成：A＋β＋AII

解：

按已知条件，A-B合金相图如图4-13所示(各相区均用组织成物标注)。

Ⅰ合金(A-0.80B):室温下由A与B两相组成，其相对量为Wβ=(0.8-0)/(0.9-0)=89%.

WA=1-β=11%.室温下的组织为β+

A

Ⅱ，其组织组成物的相对量与组成物相同，即

W

β=89%,WA

Ⅱ=11%.

Ⅱ合金(A-0.55B):室温下由Ａ与Ｂ两相组成，其相对量为

室温下的组织为β初+(A+β)共晶+AⅡ。在共晶反应刚完成时。则有β初+(A+β)共晶.冷至室温时，将由β初‘

与共晶β中析出AⅡ，但由于共晶β中析出的AⅡ与共晶A连接在一起。不可分辨，故略去不计。

由β初‘中析出ＡⅡ的相对量为

所以，室温下β初的相对量为Wβ初

=

Wβ初‘

-

WAⅡ=

50%

-

11%

=

39%

该合金室温下组织成物的相对量为

Wβ初

=

39%

.W(A+β)共晶

=50%

.WAⅡ

=

11%

7、绘出Fe-Fe3C相图，标出铁碳相图上的C、E、F、G、K、P、S点，说明ECF、PSK水平线和ES、GS曲线的意义，其上发生的转变及生成的组织组成物。

A

1538

0

纯铁的熔点

C

1148

4.3

共晶点，LC→ld

D

1227

6.69

渗碳体的熔点（计算值）

E

1148

2.11

碳在γ-Fe中的最大溶解度

G

912

0

纯铁的同素异晶转变点，α-Fe→γ-Fe

P

727

0.0218

碳在α-Fe中的最大溶解度

S

727

0.77

共析点，As→P

Q

600

0.0057

600℃时碳在α-Fe中的溶解度

ECF

共晶线

发生共晶转变，生成莱氏体（Ld）。共晶反应式为：Lc—→Ld

ACD

液相线

此线以上为液相（L），缓冷至液相线时，开始结晶

AECF

固相线

此线以下为固相

PSK

共析线

A1

发生共析转变，生成珠光体（P）.

共析反应式为：AS—→P

ES

Acm

碳在γ-Fe中的溶解度曲线

PQ

碳在α-Fe中的溶解度曲线

GS

A3

奥氏体—→铁素体转变线

8、已知某低碳钢

σ

0

=64KPa

，

K=393.7

，若晶粒直径为

50μm

，该低碳钢的屈服强度是多少？

9、试计算

BCC

晶体最密排面的堆积密度

BCC

密排面为｛

110

｝面，其面积为：

.｛

110

｝面上被原子占据的面积为（两个原子）：

.堆积密度：

。

10、面心立方结构和密排六方结构金属中的原子堆垛方式和致密度是否有差异?请加以说明。

FCC和HCP均按ABCABC方式堆垛；致密度也都是0.74。

11、计算wc＝3.3％的铁碳合金常温下莱氏体的相对含量，组织中珠光体的相对含量和共析渗碳体的含量。（9分）

12、已知Cu的原子量为63.5，原子半径是0.1278

nm。(

20分)

（1）计算铜的密度、点阵常数和最大面间距。

（2）在立方晶胞（图1.）中标出下列晶面和晶向（要求用字母标出，如oa:[001]，等等）：

（011）、（11`1）、(`221)、[102]、[`110]、[11`1]

（3）以上哪些晶面和晶向互相垂直？

13、柏氏矢量的物理意义是什么？根据柏氏矢量如何区分螺型位错和刃型位错？什么是全位错和不全位错？简述位错反应条件。无外力作用时，位错反应

能否进行？（18分）

14、假设在镁晶体中，由一个位错源放出的位错移到晶体表面，使晶体表面产生高度约为10-4cm的滑移台阶，问有多少个位错运动至表面？（已知b=3.2

A）

15、在铝试样中测得晶粒内部的位错密度为5x1013m-2，假定位错全部集中在亚晶界上，且每个亚晶粒的截面均为正六边形，而位错全为刃位错，其柏氏矢量b=a/2[101]≈2x10-10m，如亚晶粒之间的倾角为5°，试求亚晶界上的位错间距和亚晶粒的平均大小。

正六边形面积

，总边长为6a，单位面积中亚晶数目

求得a=1′10-5（m）。

P/6=5*10^2/6=87.因为，D=2.3nm，所以六边形边长为：2.3*87=198nm,则晶梨外接圆直径d=2*198=396nm.

17、在870℃比在930℃渗碳有一定优越性，淬火变形小又可得到较细的晶粒，碳在γ铁中的D0=2.0×10-5m2/s,Q=140×103J/mol,请计算：(10分)

(a)

870℃时碳在γ铁中的扩散系数；

(b)

将渗层加深一倍需多长时间？

(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？

(气体常数R=8.314J/mol·K,渗层厚度)

(a)

D870℃=7.98×10-12

m2/s

(b)

4倍时间

(c)

1.44倍

18、位错线与柏氏矢量，切应力方向，位错线运动方向以及晶体滑移方向的关系？

六、综合

1、试分析冷塑性变形对合金组织结构、力学性能、物理化学性能、体系能量的影响。

组织结构：（

1

）形成纤维组织：晶粒沿变形方向被拉长；（

2

）形成位错胞；（

3

）晶粒转动形成变形织构.

力学性能：位错密度增大，位错相互缠绕，运动阻力增大，造成加工硬化。

物理化学性能：其变化复杂，主要对导电，导热，化学活性，化学电位等有影响。

体系能量：包括两部分：（

1

）因冷变形产生大量缺陷引起点阵畸变，使畸变能增大；（

2

）因晶粒间变形不均匀和工件各部分变形不均匀引起的微观内应力和宏观内应力。这两部分统称为存储能，其中前者为主要的。冷变形后引起的组织性能变化为合金随后的回复、再结晶作了组织和能量上的准备。

2、对铁碳合金(wc＝0.0015)经过完全退火后：(20分)

（1）

在室温下包含哪些组成相，计算其相对量。

（2）

在室温下由哪些组织组成物构成，画出组织示意图，并计算各自的相对量。

(3)

在室温下该合金经过较大的塑性变形(例如压缩50％)，其组织会发生哪些变化？

(4)

变形后再经过750℃充分保温后缓慢冷却到室温，所得到的组织与原完全退火的组织有哪些差别？

3、请根据所附二元共晶相图分析解答下列问题：

（1）

分析合金I、II的平衡结晶过程，并绘出冷却曲线；

（2）

说明室温下I、II的相和组织是什么？并计算出相和组织的相对含量；

（3）

如果希望得到共晶组织和5%的β初的合金，求该合金的成分；

（4）分析在快速冷却条件下，I、II两合金获得的组织有何不同。

：（

1

）

（

2

）

I

：

α

初

＋

β

II

，相组成与组织组成比例相同

II

：

β

初

＋（

α

＋

β

）

共

＋

β

II

（忽略）

（

3

）设所求合金成分为

x

（

4

）

I

合金在快冷条件下可能得到少量的共晶组织，且呈现离异共晶的形态，合金中的

β

II

量会减少，甚至不出现；

II

合金在快冷条件下

β

初呈树枝状，且数量减少。共晶体组织变细小，相对量增加。

4、叙述板条马氏体和下贝氏体的组织形态，并说明板条马氏体和下贝氏体具有良好强韧性的原因。

5、试述冷变形金属在加热时，其组织和性能发生的变化。

6、试论述含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响。

7、论述影响扩散的主要因素。

8、求体心立方结构中的四面体和八面体间隙的半径及其中心位置的坐标。

9、45钢的过冷奥氏体连续转变曲线如图所示，请回答下列问题：（共15分）

（1）说明图中A1线、Ms、1线、2线、3线表示的意义。

（2）过冷奥氏体转变产物有哪些？写出各种转变产物的名称、相变类型、组织形态和性能特点；

（3）在V1、V2、V3、V4

冷却速度下，各得到何种组织？

（4）指出与V1、V2、V3、V4相对应的热处理工艺名称是什么？

1.

A1线—共析线；Ms—马氏体转变开始线；1线—过冷奥氏体向铁素体转变开始线；2线—珠光体转变终了线；3线—贝氏体转变开始线。

2.

过冷奥氏体转变产物：

珠光体，扩散型相变，片状组织，强度较高，塑性较好；

铁素体，扩散型相变，块状组织，强度低，塑性好；

马氏体，非扩散型相变，板条或片状，强度高，脆性大；

贝氏体，兼有扩散与非扩散相变特点，上贝氏体，羽毛状，脆性大，下贝氏体，片状，强度高，韧性好。

3．V1—铁素体、珠光体；V2—铁素体、珠光体；V3—铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体；V4—马氏体。

4．V1、V2—退火，V3—正火，V4—淬火

10、就Fe-Fe3C相图，回答下列问题：

1.

默画出Fe-Fe3C相图，用相组成物填写相图；

2.

分析含碳量为1.0wt%的过共析钢的平衡结晶过程，并绘出室温组织

示意图。

LàL+γàγàγ+Fe3CⅡàP+Fe3CⅡ

3.

计算相图中二次渗碳体和三次渗碳体可能的最大含量。

Fe3CⅡ=(2.11-0.77)/(6.69-0.77)=22.6%

Fe3CⅢ=(0.0218-0.00001)/(6.69-0.00001)=0.325%

4．已知某铁碳合金室温时的相组成物为铁素体和渗碳体，铁素体占82%，试求该合金的含碳量和组织组成物的相对量。wc=1.2%,P=92.7%,Fe3C=7.3%

11、右图为固态有限互溶三元共晶相图的投影图，请回答下列问题：

（1）指出三个液相面的投影区；

（2）指出e3E线和E点表示的意义；

（3）分析合金N的平衡结晶过程。

1.

Ae1Ee3A、

Be2Ee1B、

Ce3Ee2C

2．e3E线：α与γ的共晶线，

E点：三元（四相）共晶点。

3．N点合金：LèLàγèLàβ+γè

Làα+β+γ

12.

在面心立方晶体中，分别画出

、

和、，指出哪些是滑移面、滑移方向，并就图中情况分析它们能否构成滑移系？若外力方向为

[001]

，请问哪些滑移系可以开动？

13．假设某面心立方晶体可以开动的滑移系为

，请回答：

1)

给出滑移位错的单位位错柏氏矢量；

2）若滑移位错为纯刃位错，请指出其位错线方向；若滑移位错为纯螺位错，其位错线方向又如何？

答：（

1

）单位位错的柏氏矢量

；

（

2

）纯刃位错的位错线方向与

b

垂直，且位于滑移面上，

为

；纯螺位错的位错线与

b

平行，为

[011]。