《材料科学基础》习题及参考答案

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。返回答案答案3.一块ω(C)=0.1%的碳钢在930℃渗碳，渗到0.05cm的地方，碳的浓度达到0.45%。在t0的全部时间，渗碳气氛保持表面成分为1%，假设DγC=2.0×10-5