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材料科学基础试题一二及参考答案

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材料科学基础试卷(一)与参考答案 一、概念辨析题(说明下列各组概念的异同。

每小题 3 分,共 18 分) (评分标准:给出每个概念的定义各得 1 分,说明异同得 1 分) 1 晶体结构与空间点阵 异:点的属性、数目、有无缺陷;同:描述晶体中的规律性。

2 热加工与冷加工 异:热加工时发生回复、再结晶与加工硬化;冷加工只发生加工硬化;同:发生塑性变形。

3 上坡扩散与下坡扩散 异:扩散方向; 同:驱动力-化学位梯度。

4 间隙固溶体与间隙化合物 异:结构与组成物的关系; 同:小原子位于间隙位置。

5 相与组织 异:组织具有特定的形态;同:都是材料的组成部分。

6 交滑移与多滑移 异:多个滑移系的滑移; 同:交滑移中滑移系具有相同的滑移方向。

7 金属键与共价键 异:电子共用范围不同, 金属键中电子属所有原子共用, 共价键中属若干原子共用. 同:成键方式为电子共用. 8 全位错与不全位错 异:柏氏矢量与点阵常数的关系不同. 同:都是线缺陷,即位错. 9 共晶转变与共析转变 异:共晶转变为从液相转变,共析转变为从固相转变. 同:在恒温下转变产物为两个固相. 二、画图题(任选两题。

每题 6 分,共 12 分) 1 在一个简单立方晶胞内画出[010] 、 [120] 、 [210]晶向和(110) 、 (112)晶面。

图略;每个指数各计 1 分,指数规范性 1 分。

(参考聂金凤图) 2 画出成分过冷形成原理示意图(至少画出三个图) 。

(参考”聂金凤”图)图略:每个图各计 2 分。

3 综合画出冷变形金属在加热时的组织变化示意图和晶粒大小、内应力、强度和塑性变化趋势图。

(参考”张耕”图) 图略:组织示意图计 2 分,每个指标各计 1 分。

三、简答题(任选 6 题,回答要点。

每题 5 分,共 30 分) 1 在点阵中选取晶胞的原则有哪些? 反映对称性;相等的棱和角最多;直角最多;体积最小。

(每条计 1 分;叙述计 1 分) 2 简述柏氏矢量的物理意义与应用。

代表位错;判断位错类型;表示晶体滑移的方向与大小;守+恒性及其推论。

(每条计 1 分) 3 二元相图中有哪些几何规律? 相区接触法则;三相区是一条水平线…;三相区中间是由它们中相同的相组成的两相区; 单相区边界线的延长线进入相邻的两相区。

(每条计 1 分;叙述计 1 分) 4 如何根据三元相图中的垂直截面图和液相单变量线判断四相反应类型? 图略。

(垂直截面图部分 2.5 分,单变量线部分 2.5 分。

) 5 材料结晶的必要条件有哪些? 过冷;结构起伏;能量起伏;成分起伏(合金) 。

(每项计各 1 分,叙述 1 分) 6 细化材料铸态晶粒的措施有哪些? 提高过冷度;变质处理;振动与搅拌。

(每项 1.5 分,叙述 0.5 分) 7 简述共晶系合金的不平衡冷却组织及其形成条件。

(1) 伪共晶-非共晶合金得到的完全共晶组织; 条件: 冷却速度快, 合金成分位于共晶点附件. (2) 不平衡共晶-共晶线以外的合金得到的共晶组织; 条件: 冷却速度快, 合金成分位于共晶线以外端点附近.. (3) 离异共晶-两相分离的共晶组织; 条件: 不平衡条件下, 合金成分位于共晶线以外端点附近; 平衡条件下, 合金成分位于共晶线以内端点附近. 1/4

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8 晶体中的滑移系与其塑性有何关系? (1) 一般滑移系越多,塑性越好; (2) 与滑移面密排程度和滑移方向个数有关; (3) 与同时开动的滑移系数目有关. 9 马氏体高强度高硬度的主要原因是什么? 固溶强化; 细晶强化; 相变强化. (要求简要论述) 10 哪一种晶体缺陷是热力学平衡的缺陷,为什么? 是点缺陷. 因为在一定浓度点缺陷存在的情况下晶体的能力可达到最低状态. 四、分析题(任选 1 题。

10 分) 1 计算含碳量 w=0.04 的铁碳合金按亚稳态冷却到室温后, 组织中的珠光体、 二次渗碳体和莱氏体的相对含量。

答:分别为 10.6%, 3.10%和 86.30%。

(计算过程 1 分,每个结果各计 3 分。

) 2 由扩散第二定律推导出第一定律,并说明它们各自的适用条件。

略。

(参考聂金凤推导) 五、某面心立方晶体的可动滑移系为(111) [110].(15 分)-每小题 3 分。

(1) 指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量. a[110]/2. (2) 如果滑移由纯刃型位错引起,试指出位错线的方向. [112] (3) 如果滑移由纯螺型位错引起,试指出位错线的方向. [110] (4) 在(2),(3)两种情况下,位错线的滑移方向如何? 分别平行和垂直于柏士矢量-具体指数。

(5) 如果在该滑移系上作用一大小为 0.7MPa 的切应力, 试确定单位刃型位错和螺型位错线受力的大小和方向。

(点阵常数 a=0.2nm)。

方向:垂直于位错线-具体指数。

结果:9.9*10-11MN/m 六、论述题(任选 1 题,15 分) 1 试论材料强化的主要方法及其原理。

固溶强化. 原理:晶格畸变、柯氏气团,阻碍位错运动;方法:固溶处理、淬火等。

细晶强化:原理:晶界对位错滑移的阻碍作用。

方法:变质处理、退火等。

弥散强化:原理:第二相离子对位错的阻碍作用;方法:形成第二硬质相如球化退火、变质处理等。

相变强化:原理:新相为高强相或新相对位错的阻碍。

方法:淬火等。

加工硬化;原理:形成高密度位错等。

方法:冷变形等。

答案略。

每个要点 3 分。

2 试论固态相变的主要特点。

(参考聂金凤试卷)答案略。

每个要点 3 分。

3 试论塑性变形对材料组织和性能的影响。

(参考姜程程试卷) 组织:纤维组织、形变织构、位错胞; 性能:加工硬化、物性变化 每个要点 3 分。

材料科学基础试卷(二)与参考答案 一、名词解释(每小题 1 分,共 10 分) 1. 晶胞: 能完全反映晶格特征的最小几何单元. 2. 间隙固溶体: 溶质原子占据溶剂晶格间隙形成的固溶体. 3. 临界晶核: 半径为 rK 的晶胚(rrK,晶胚可长成晶核. 4. 枝晶偏析: 固溶体非平衡凝固时不同时刻结晶的固相成分不同导致树枝晶内成分不均匀的现象 (或树枝晶晶轴含高熔点组元较多,晶枝间低熔点组元较多的现象). 5. 离异共晶: 两相分离的共晶组织. 6. 反应扩散: 通过扩散使溶质组元超过固溶极限而不断生成新相的扩散过程称为反应扩散. 7. 临界分切应力: 作用于滑移系上并使其沿滑移方面开始滑移的最小分切应力. 8. 回复: 组织(晶粒外形)改变前在晶粒内发生的某些结构和性能的变化过程. 9. 调幅分解: 通过扩散偏聚由一种固溶体分解成与母相结构相同而成分不同的两种固溶体. 10. 二次硬化: 高温回火时回火硬度高于淬火硬度的现象. 二、判断正误(每小题 1 分,共 10 分)正确的在括号内画“√”, 错误的画“×” 1. 金属中典型的空间点阵有体心立方、 面心立方和密排六方三种。

(× ) 2. 作用在位错线上的力 F 的方向永远垂直于位错线并指向滑移面上的未滑移区。

(√) 3. 只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶,间隙固溶体则不能。

(√) 4. 金属结晶时,原子从液相无序排列到固相有序排列,使熵值减小,因此是一个自发过程。

(× ) 5. 固溶体凝固形核的必要条件同样是 ΔGB <0、结构起伏和能量起伏。

(× ) 6. 三元相图垂直截面的两相区内不适用杠杆定律。

(√) 2/4

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7. 物质的扩散方向总是与浓度梯度的方向相反。

8. 塑性变形时,滑移面总是晶体的密排面,滑移方向也总是密排方向。

9. 和液固转变一样,固态相变也有驱动力并要克服阻力,因此两种转变的难易程度相似。

10.除 Co 以外,几乎所有溶入奥氏体中的合金元素都能使 C 曲线左移,从而增加钢的淬透性。

三、作图题(每小题 5 分,共 15 分) 1. 在简单立方晶胞中标出具有下列密勒指数的晶面和晶向: a)立方晶系 ( 421 ),( 123 ),[ 211 ];b)六方晶系( 2111 ),[ 2113 ]。

(略) 2. 设面心立方晶体中的( 11 1 )为滑移面,位错滑移后的滑移矢量为 (1)在晶胞中画出柏氏矢量 b 的方向并计算出其大小。

|b|=√2 a/2 (× ) (√) (× ) (× ) a [ 1 10]。

2 (2)在晶胞中画出引起该滑移的刃型位错和螺型位错的位错线方向,并写出此二位错线的晶向指数。

刃型位错: (112),螺型位错(110) 3. 如下图所示,将一锲形铜片置于间距恒定的两轧辊间轧制。

试画出轧制后铜片经再结晶后晶粒大 小沿片长方向变化的示意图。

(略) 四、相图分析(共 20 分) (1)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;(略) 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。

LL+γγγ+Fe3CⅡP+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% (2) 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。

答: 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:LLγLβ+γ Lα+β+γ 五、计算题: 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    Dt ) 答:(a) D870℃=7.98× 10-12 m2/s(b)4 倍时间(c)1.44 倍 六、简答题(每题 4 分,共 20 分) 1. 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. 2. 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. 3. 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. 4. 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? 3/4

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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。

5. 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。

七、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? 答: 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 4/4

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