材料科学基础习题库

第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章综合题一综合题二综合题三综合题四综合题五综合题六综合题七综合题八《材料科学基础》习题及参考答案第一章工程材料中的原子排列返回一、名词解释1.空间点阵2.原子配位数3.晶体缺陷4.晶界5.螺位错返回答案答案答案答案答案二、简答题1.空间点阵与晶体点阵有何区别？2.金属的3种常见晶体结构中，不能作为一种空间点阵的是哪种结构？3.原子半径与晶体结构有关。当晶体结构的配位数降低时原子半径如何变化？4.在晶体中插入柱状半原子面时能否形成位错环？5.计算位错运动受力的表达式为，其中是指什么？返回答案答案答案答案答案6.位错受力后运动方向处处垂直于位错线，在运动过程中是可变的，晶体作相对滑动的方向应是什么方向？7.位错线上的割阶一般如何形成？8.界面能最低的界面是什么界面？9.“小角度晶界都是由刃型位错排成墙而构成的”这种说法对吗？返回答案答案答案答案三、综合题1.作图表示立方晶体的（123）（0-1-2）（421）晶面及[-102][-211][346]晶向。2.写出立方晶体中晶向族100，110，111等所包括的等价晶向。3.写出立方晶体中晶面族{100}，{110}，{111}，{112}等所包括的等价晶面。4.总结3种典型的晶体结构的晶体学特征。5.在立方晶系中画出以[001]为晶带轴的所有晶面。返回答案答案答案答案答案6.面心立方晶体的(100),(110),(111)等晶面的面间距和面密度，并指出面间距最大的面。7.Ni的晶体结构为面心立方结构，其原子半径为r=0.1243求Ni的晶格常数和密度。8.Mo的晶体结构为体心立方结构，其晶格常数a=0.3147nm，试求Mo的原子半径r。9.在Fe中形成1mol空位的能量为104.67kJ，试计算从20℃升温至850℃时空位数目增加多少倍?返回答案答案答案答案10.判断下列位错反应能否进行。1)a/2[10-1]+a/6[-121]→a/3[11-1]2)a[100]→a/2[101]+a/2[10-1]3)a/3[112]+a/2[111]→a/6[11-1]4)a[100]→a/2[111]+a/2[1-1-1]返回答案11.若面心立方晶体中有b=a/2[-101]的单位位错及b=a/6[12-1]的不全位错，此二位错相遇产生位错反应。1)问此反应能否进行？为什么？2)写出合成位错的柏氏矢量，并说明合成位错的类型。12.已知柏氏矢量b=0.25nm，如果对称倾侧晶界的取向差=1°及10°，求晶界上位错之间的距离。从计算结果可得到什么结论？返回答案答案第二章固体中的相结构返回一、名词解释1.金属间化合物2.固溶体3.同素异构体4.间隙固溶体5.重合位置点阵答案答案答案答案答案返回二、简答题1.为什么外界温度的急剧变化可以使许多陶瓷器件开裂或破碎？2.为什么只有置换固熔体的两个组元之间才能无限互溶，而间隙固熔体则不能？3.陶瓷材料中主要结合键是什么？从结合键的角度解释陶瓷材料所具有的特殊性能。返回答案答案答案三、综合题1.①计算fcc和bcc晶体中四面体间隙及八面体间隙的大小(用原子半径尺表示)，并注明间隙中心坐标。②指出溶解在γ-Fe中C原子所处的位置，若此位置全部被C原子占据，那么，间在此情况下，γ-Fe能溶解C的质量分数为多少?实际上碳在铁中的最大溶解质量分数是多少?二者在数值上有差异的原因是什么?2.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。返回答案答案3.何谓玻璃？从内部原子排列和性能上看，非晶态和晶态物质主要区别何在?4.有序合金的原子排列有何特点？这种排列和结合键有什么关系？为什么许多有序合金在高温下变成无序？5.试分析H、N、C、B在Fe和Fe中形成固熔体的类型、存在位置和固溶度（摩尔分数）。各元素的原子半径如下：H为0.046nm，N为0.071nm，C为0.077nm，B为0.091nm，Fe为0.124nm，Fe为0.126nm。返回答案答案答案6.已知Cd,Zn,Sn,Sb等元素在Ag中的固熔度（摩尔分数）极限分别为它们的原子直径分别为0.3042nm，0.314nm，0.316nm，0.3228nm，Ag为0.2883nm。试分析其固熔度（摩尔分数）极限差别的原因，并计算它们在固熔度（摩尔分数）极限时的电子浓度。返回答案第三章凝固返回一、名词解释1.过冷度2.成分过冷3.微观偏析4.偏析5.能量起伏6.动态过冷7.均匀形核返回答案答案答案答案答案答案答案二、简答题1.试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。2.什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？3.试分析单晶体形成的基本条件。返回答案答案答案三、综合题1.铸件组织有何特点？2.液体金属凝固时都需要过冷，那么固态金属熔化时是否会出现过热，为什么？3.欲获得金属玻璃，为什么一般选用液相线很陡，从而有较低共晶温度的二元系？4.比较说明过冷度、临界过冷度、动态过冷度等概念的区别。5.分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。返回答案答案答案答案答案6.简述纯金属晶体长大的机制。7.指出下列概念的错误之处，并改正。(1)所谓过冷度，是指结晶时，在冷却曲线上出现平台的温度与熔点之差；而动态过冷度是指结晶过程中，实际液相的温度与熔点之差。(2)金属结晶时，原子从液相无序排列到固相有序排列，使体系熵值减少，因此是一个自发过程。(3)在任何温度下，液体金属中出现的最大结构起伏都是晶胚。(4)在任何温度下，液相中出现的最大结构起伏都是核。返回答案答案答案答案答案(5)所谓临界晶核，就是体系自由能的减少完全补偿表面自由能的增加时的晶胚的大小。(6)在液态金属中，凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核，但是只要有足够的能量起伏提供形核功，还是可以成核的。(7)测定某纯金属铸件结晶时的最大过冷度，其实测值与用公式ΔT=0.2Tm计算值基本一致。(8)某些铸件结晶时，由于冷却较快，均匀形核率N1提高，非均匀形核率N2也提高，故总的形核率为N=N1+N2。返回答案答案答案答案(9)若在过冷液体中，外加10000颗形核剂，则结晶后就可以形成10000颗晶粒。(10)从非均匀形核功的计算公式A非＝A均中可以看出，当润湿角θ＝00时，非均匀形核的形核功最大。(11)为了生产一批厚薄悬殊的砂型铸件，且要求均匀的晶粒度，则只要在工艺上采取加形核剂就可以满足。(12)非均匀形核总是比均匀形核容易，因为前者是以外加质点为结晶核心，不象后者那样形成界面，而引起自由能的增加。返回答案答案答案答案(13)在研究某金属细化晶粒工艺时，主要寻找那些熔点低、且与该金属晶格常数相近的形核剂，其形核的催化效能最高。(14)纯金属生长时，无论液－固界面呈粗糙型或者是光滑型，其液相原子都是一个一个地沿着固相面的垂直方向连接上去。(15)无论温度如何分布，常用纯金属生长都是呈树枝状界面。(16)氮化铵和水溶液与纯金属结晶终了时的组织形态一样，前者呈树枝晶，后者也呈树枝晶。返回答案答案答案答案(17)人们是无法观察到极纯金属的树枝状生长过程，所以关于树枝状的生长形态仅仅是一种推理。(18)液体纯金属中加入形核剂，其生长形态总是呈树枝状。(19)纯金属结晶时若呈垂直方式长大，其界面时而光滑，时而粗糙，交替生长。(20)从宏观上观察，若液－固界面是平直的称为光滑界面结构，若是金属锯齿形的称为粗糙界面结构。(21)纯金属结晶时以树枝状形态生长，或以平面状形态生长，与该金属的熔化熵无关。返回答案答案答案答案(22)金属结晶时，晶体长大所需要的动态过冷度有时还比形核所需要的临界过冷度大。返回答案第四章相图返回一、名词解释1.相变2.相3.组织4.组织组成物5.相图6.离异共晶7.伪共晶8.杠杆定理返回答案答案答案答案答案答案答案答案二、综合题1.在图4—30所示相图中，请指出：(1)水平线上反应的性质；(2)各区域的组织组成物；(3)分析合金I，II的冷却过程；(4)合金工，II室温时组织组成物的相对量表达式。返回答案2.固溶体合金的相图如下图所示，试根据相图确定：①成分为ω(B)=40%的合金首先凝固出来的固体成分;②若首先凝固出来的固体成分含ω(B)=60%，合金的成分为多少?③成分为ω(B)=70%写的合金最后凝固的液体成分;④合金成分为ω(B)=50%，凝固到某温度时液相含有ω(B)=40%，固体含有ω(B)=80%，此时液体和固体各占多少?返回答案3.证明固溶体合金凝固时，因成分过冷而产生的最大过冷度为：最大过冷度离液—固界面的距离为：式中m——液相线斜率；ωCoCu——合金成分；K——平衡分配系数；G——温度梯度；D——扩散系数；R——凝固速率。说明：液体中熔质分布曲线可表示为：返回答案4.指出下列相图中的错误，并加以改正。返回答案5.①根据图7-8所示的Fe-Fe3C相图，分别求ω(C)=2.11%，ω(C)=30%的二次渗碳体的析出量。②画出ω(C)=4.3%的冷却曲线。返回答案6.A1-Cu合金相图如图7-13所示，设分配系数K和液相线斜率均为常数，试求:①ω(Cu)=1%固溶体进行缓慢的正常凝固，当凝固分数为50%时所凝固出的固体成分;②经过一次区域熔化后在x-5处的固体成分，取熔区宽度L=0.5;③测得铸件的凝固速率R=3×10-4cm/s，温度梯度G=30℃/cm，扩散系数D=3×10-5cm/s时，合金凝固时能保持平面界面的最大含铜量。返回答案7.根据图7-9所示的A1-Si共晶相图，试分析图中(a)，(b)，(c)3个金相组织属什么成分并说明理由。指出细化此合金铸态组织的途径。返回答案8.青铜(Cu-Sn)和黄铜CCu--fin)相图如图7-15(a)，(b)所示:①叙述Cu-10%Sn合金的不平衡冷却过程，并指出室温时的金相组织。②比较Cu-10%Sn合金铸件和Cu-30%合金铸件的铸造性能及铸造组织，说明Cu-10%Sn合金铸件中有许多分散砂眼的原因。③ω(Sn}分别为2%，11%和15%的青铜合金，哪一种可进行压力加工?哪种可利用铸造法来制造机件?答案返回9.如下图所示，已知A，B，C三组元固态完全不互溶，质量分数分别84%A,，10%B，10%C的O合金在冷却过程中将进行二元共晶反应和三元共晶反应，在二元共晶反应开始时，该合金液相成分(a点)为60%A，20%B，20%C，而三元共晶反应开始时的液相成分(E点)为50%A，10%B，40%C。①试计算A%，(A-+-B)%和(A+B+C)%的相对量。②写出图中I和P合金的室温平衡组织。返回答案10.根据下图所示，Al-Mg-Mn系富Al一角的投影图，①写出图中两个四相反应。②写出图中合金Ⅰ和Ⅱ的凝固过程。答案返回第五章材料中的扩散返回一、名词解释1.上坡扩散2.柯肯达尔效应3.菲克第一定律4.自扩散5.反应扩散返回答案答案答案答案答案二、简答题1.为什么钢铁零件渗碳温度一般要选择γ相区中进行？若不在γ相区进行会有什么结果？2.三元系发生扩散时，扩散层内能否出现两相共存区域，三相共存区？为什么？返回答案答案三、综合题1.以空位机制进行扩散时，原子每次跳动一次相当于空位反向跳动一次，并未形成新的空位，而扩散激活能中却包含着空位形成能，此说法是否正确？请给出正确解释。2.指出以下概念中的错误。（1）如果固溶体中不存在扩散流，则说明原子没有扩散（2）因固体原子每次跳动方向是随机的，所以在没有任何扩散情况下扩散通量为零。（3）晶界上原子排列混乱，不存在空位，所以空位机制扩散的原子在晶界处无法扩散。（4）间隙固溶体中溶质浓度越高，则溶质所占的间隙越多，供扩散的空余间隙越少，即z值越小，导致扩散系数下降。（5）体心立方比面心立方的配位数要小，故由关系式可见，α－Fe中原子扩散系数要小于γ－Fe中的扩散系数。返回答案