材料科学基础例题(整理)

1.有序合金原子的排列有何特点？这种排列和结合键有什么关系？为什么许多有序合金高温下变成无序？①有序固溶体中各组元分别占据各自的点阵，每个晶胞中溶质与溶剂原子之比一定②排列与原子间的结合键能有关，键能越大，越不容易结合，EAB(EAA+EBB)/2,溶质原子部分有序或完全有序③升温后，组态熵增加，原子排列混乱程度增加，有序变无序2.银和铝都具有面心立方点阵，且原子半径很接近，但它们在固态下却不能无限互溶，试解释其原因①晶体结构类型相同，原子半径接近是无限固溶的必要条件②当原子半径满足15%规则，要考虑其他因素③考虑原子价因素，Al为3价，Ag为1价，两者固溶度差别较大3.为什么外界温度急剧变化可以使许多陶瓷器件开裂或破碎①大多数陶瓷由晶相和玻璃组成，两种相热膨胀系数相差很大②温度急剧变化，两相收缩和膨胀不同，造成的内应力使陶瓷开裂4.陶瓷材料中主要结合键是什么，从结合键的角度解释其性能①主要结合键是离子键和共价键②两种键的键能很强，所以陶瓷强度和硬度很高③原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定状态，不能自由运动，所以陶瓷熔点高、导电性差、化学稳定性好5.试述结晶相变的热力学、动力学、能量和结构条件①热力学条件：由相变时系统的自由能变化可知，结晶的热力学条件为∆G0,由∆G=−∆可知，只有∆T0即过冷，才有∆G0②动力学条件：固液界面前沿液体的温度TTm，即存在动态过冷③能量条件：由临界形核功A=可知，当形成一个临界晶核时，还有1/3的表面能由液相中的能量起伏提供④结构条件：液相中存在的结构起伏是结晶产生晶核的基础6.液态金属凝固时需要过冷，固态金属熔化时是否出现过热？熔化时不一定出现过热，当金属表面形成少量液体金属时，会很快覆盖整个表面，因而不存在表面障碍，也就不必过热7.过冷度、临界过冷度、动态过冷度①实际结晶温度与理论结晶温度之差，是相变热力学条件要求的②能够形成临界晶核半径的晶胚时的过冷度，是形核时所要求的③固液相界面前沿液体中要有一定过冷度，是晶体长大的必要条件8.什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系①根据自由能与晶胚半径的关系，可知只有当晶胚半径r大于临界晶核半径rk时,才能形成稳定的晶胚，半径为rk的晶核称为临界晶核②物理意义，过冷液体中涌现出来的短程有序原子团，当其尺寸大于rk时，这样的原子团就可以形成晶核而长大③=∆9.纯金属晶体长大机制（与微观固液界面结构有关）①粗糙界面，界面上约有50%原子位置空着，液相原子可以直接补充，使界面沿法线方向垂直推移，呈连续长大方式长大②光滑界面，在晶体表面形成一个二维晶核的小台阶，液相原子填充台阶，使二维晶核侧向长大，如此反复③光滑界面存在螺型位错的露头时，形成螺旋式台阶，原子附在台阶上呈螺旋式上升长大10.同样形状和大小的两块铁碳合金，一块是低碳钢，一块是白口铸铁，用什么简便方法可以迅速将它们分开？①前者α相较多，Fe3C较少，其塑性较后者好，后者硬度较高②可以用铁锤敲，易脆断的是白口铸铁③可以用钢挫挫，挫出光面的是白口铸铁11.比较45、T8、T12钢的硬度、强度和塑性有何不同①含碳量越多，渗碳体越多，铁素体越少，所以硬度随含碳量的增加而升高，塑性随含碳量的增加而降低，②当含碳量低于0.77%时，随着珠光体组织增多，强度升高，含碳量高于0.77%时，随含碳量增加，开始出现二次渗碳体和莱氏体，强度下降②45钢塑性最好，硬度最低，T12钢硬度最高，塑性最差，T8居中，但是其强度最好12.杠杆定律和重心法则有什么关系？三元相图中怎样使用①两者的基础都是质量守恒定律，分别是在三元系发生两相或三相平衡转变时，质量守恒定律的具体体现，两者具有等价关系②三元相图的等温截面反应了特定温度下的相平衡关系，确实各相成分点后，可以在等温截面上使用杠杆定律和重心法则，垂直截面不反映平衡转变各成分点的关系，不能使用13.二元合金的匀晶转变和共晶转变与三元合金的有何区别？①压力恒定情况下，二元匀晶转变自由度数为1，一定温度下平衡转变过程，液相线和固相线唯一确定；三元匀晶转变自由度数为2，平衡状态下的平衡成分点构成液相面和固相面，匀晶转变过程中所有共轭线在浓度三角形上的投影呈蝴蝶形②二元共晶转变自由度数为0，共晶转变在确定温度下进行，反应相的成分确定；三元合金的二元共晶转变自由度数为1，可以在一定温度范围内进行，三元共晶转变自由度数为0，反应只能在共晶转变温度下进行，反应相成分确定14.三元相图的垂直截面与二元相图有何不同？为什么二元相图中可以应用杠杆定律而三元相图的垂直截面中不能①二元相图是二元系相平衡的图解，直接反应二元系的相平衡关系②三元相图的垂直截面只是特定截面与三元相图的交截图，不反应三元系相平衡关系，所以前者能用杠杆定律，后者不能15.Cu-Al组成的互扩散偶发生扩散时，标志会向哪个方向移动Al的熔点低于Cu，说明其键能较Cu低，Cu原子在Al中的扩散系数要高于Al原子在Cu中的扩散系数，因此标志向Cu一侧移动16.为什么钢铁零件渗碳温度一般选择γ-Fe相区？①在α相区碳最大溶解度为0.0218%，渗碳时提供的浓度梯度很小，不能获得高含碳量的渗碳层，能达到的温度不高，渗碳很慢②在γ相区碳最大溶解度为2.11%，能提供较高浓度梯度，能达到的温度可以很高，渗碳较快17.若单晶体铜表面恰好为{110}晶面，假设晶体可以在各个滑移系上进行滑移，讨论表面上可能见到的滑移线形貌（滑移线的方位与它们之间的夹角）？若单晶体表面为｛111｝晶面呢？①铜晶体为面心立方晶体结构，滑移系｛111｝110②若表面为｛110｝晶面，塑性变形时出现的滑移线为｛111｝与｛100｝的交线110，滑移线相互平行或成90°夹角③外表面为｛111｝晶面，滑移线为110,相互平行或成60°夹角18.单滑移、多滑移、交滑移①单滑移指一个滑移系进行滑移，滑移线呈一系列平行的直线②多滑移指两组以上不同滑移系同时交替进行滑移，滑移线或平行或呈一定角度③交滑移指两个以上不同滑移面同时交替向相同滑移方向进行滑移，滑移线呈波纹状19.沿密排六方单晶体的[0001]方向分别加拉伸力和压缩力，说明在这两种情况下，形变的可能性及形变所采取的主要方式①密排六方晶体的滑移面为（0001），在[0001]方向上不能滑移②拉伸时单晶体可能产生变形是弹性形变或随后脆断③压缩时弹性变形后，可能有孪生20.比较滑移和孪生的异同点相同点：①两者都是切应力作用下的均匀变形；②都是塑性变形的基本方式；③都不改变晶体结构类型不同点：滑移孪生位向已滑移部分与未滑移部分位向相同两部分呈镜面对称关系位移量原子间距的整数倍原子间距的1/n变形应力临界分切应力应力高于临界分切应力变形条件先发生滑移变形滑移难以进行，才进行孪生变形机制全位错运动不全位错运动21.设计一种实验方法，确定一定温度下再结晶形核率和长大线速度用金相法求再结晶形核率和长大线速度①测定形核率：把一大批经大变形量变形后的试样加热到一定温度后保温，每隔一段时间t取出一个试样淬火后，在金相显微镜下观察其再结晶核心数N，作出N-t曲线图，曲线上各点斜率为不同保温时间的再结晶形核率②测定长大线速度：将（1）中淬火的一组试样进行金相观察，量每个试样中最大晶核的线尺寸D，作出D-t曲线图，曲线上每点斜率为保温不同时间的长大线速度22.将一楔形铜片置于间距恒定的两轧辊间轧制（1）阐明此铜片经完全再结晶后晶粒大小的变化（2）经低温退火，何处先发生再结晶①铜片两端宽度不同，轧制过程变形量不同，最窄一端基本无变形，退火后晶粒大小基本不变，随宽度增大，变形度先达到临界变形度，此时再结晶得到粗大晶粒，随变形度继续增大，再结晶晶粒先变小后保持不变，在最宽处，变形量很大，会形成形变织构，退火后形成异常粗大晶粒②变形越大，冷变形储存能越高，越容易再结晶，因此低温退火时，先在最宽处发生再结晶23.灯泡中的钨丝在非常高的温度下工作，会发生显著的晶粒长大。当形成横跨灯丝的大晶粒时，灯丝在某些情况下会变得很脆，并会在因加热与冷却时的热膨胀所造成的应力下发生破裂。试找出一种延长钨丝寿命的方法可以在钨丝中形成弥散、颗粒状的第二相以限制晶粒长大，晶粒细化从而使灯丝脆性大大下降而不易破断，从而延长寿命24.①由厚钢板切出圆饼②由粗钢棒切出圆饼③由钢棒热墩成圆饼再加工成此轮，哪种方法较为理想？为什么？第三种方法较为理想①金属材料经热加工，由于夹杂物、偏析等沿流变方向分布，形成纤维组织或流线；钢板的流线平行于板面，钢棒的流线平行棒轴线，热墩成饼后流线呈放射状，加工成齿轮后如上图所示②由于流线的存在使机械性能呈各向异性，垂直流线方向能承受较高冲击性能，平行流线方向承受较大拉应力，根据齿轮的受力情况分析，在第三种情况下，流线分布最有利25.为何金属材料经热加工后机械性能较铸造状态好？金属材料经热加工后，发生动态变形、动态回复及再结晶过程，形成细小的等轴晶粒，原铸锭中的缩孔、微裂纹等焊合消失，偏析减弱，因此材料的致密度和力学性能提高26.比较去应力退火过程与动态回复过程位错运动有何不同？从显微组织上如何区别动、静态回复和动、静态再结晶①去应力退火过程，位错通过攀移和滑移重新排列，由高能态变为低能态；动态回复过程中，通过螺型位错的交滑移和刃位错的攀移，使异号位错相互抵销，保持位错增长率和消失率平衡②从显微组织上观察，静态回复可见清晰亚晶界，静态再结晶形成等轴晶粒；动态回复形成胞状亚结构，动态再结晶形成位错缠结胞27.说明金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段晶体缺陷的行为表现，说明各阶段促进缺陷运动的驱动力晶体缺陷的运动驱动力冷变形位错缠结、位错密度增加切应力回复点缺陷扩散、聚集或消失；位错滑移；位错攀移而多边化形变储存能再结晶位错密度减少，形成晶界形变储存能晶粒长大晶界向曲率中心方向移动界面能差28.为细化某纯铝件晶粒，将其冷变形5%后于650℃退火1h，组织反而粗化，增大冷变形量至80%，再于650°退火1h，仍能得到粗大晶粒，分析其原因，指出不合理处，并指出一种合理的工艺①第一种工艺，处于临界变形度下，退火得到粗大的晶粒②第二种工艺，退火温度选择不合理，温度过高，得到粗大晶粒③选用工艺80%变形量条件下，再结晶温度+(100～200℃)退火1h29.冷拉铜导线用作架空导线和电灯花导线，分别用什么热处理工艺①用作架空导线，需要高强度、耐腐蚀性能，需要去除应力；用作电灯花导线，需要一定韧性，可以弯折，需要软化②前者进行去应力退火，后者进行再结晶退火30.扩散型相变的种类①脱溶沉淀；②共析转变；③有序化；④同素异构转变31.脱溶分解和调幅分解形成析出相时的主要区别①主要区别在于形核驱动力和新相成分变化②脱溶转变形成新相要有较大浓度起伏，新相与母相成分有突变，产生界面能，需要较大形核驱动力克服界面能，即需要较大过冷度③调幅分解，没有形核过程，没有成分突变，小的浓度起伏就能促进新相面的长大32.分析位错促进形核的原因位错提高了材料的自由能，形成新核使缺陷消失，释放一定自由能，减少了激活能垒①新相在位错线上形核，位错消失，释放弹性畸变能促进形核②位错不消失，依附于新相界面上弥补失配，降低能垒，促进形核③新相与母相成分不同时，溶质原子在位错线上偏聚，有利于新相沉淀析出，促进形核33.与液态结晶相比，固态相变在形核方面的特点①固态相变主要依靠非均匀形核②新相与母相之间存在一定位向关系③相界面易成共格或半共格界面34.连续脱溶和不连续脱溶有何区别？试述不连续脱溶的主要特征①脱溶在母相中各处同时发生，随新相形成母相成分发生连续变化，且晶粒外形与位向均不改变，称为连续脱溶；与母相成分形成明显界面，通过界面成分和取向均发生了改变，称为不连续脱溶②两着主要区别在于扩散途径的长度，前者延伸到相当长一个距离，后者距离只有片层间距的数量级③不连续脱溶的特征：在析出物与基体界面上成分不连续；胞状析出物在晶界处形核并推向相邻晶粒长大；胞状析出物长大时，溶质原子分配是通过析出相与母相之间的界面扩散来实现的