《材料科学基础》试题库
一、 名词解释
1、铁素体、奥氏体、珠光体、马氏体、贝氏体、莱氏体2、共晶转变、共析转变、包晶转变、包析转变3、晶面族、晶向族4、有限固溶体、无限固溶体5、晶胞6、二次渗碳体7、回复、再结晶、二次再结晶8、晶体结构、空间点阵9、相、组织10、伪共晶、离异共晶11、临界变形度12、淬透性、淬硬性13、固溶体14、均匀形核、非均匀形核15、成分过冷16、间隙固溶体17、临界晶核18、枝晶偏析19、钢的退火，正火，淬火，回火20、反应扩散21、临界分切应力22、调幅分解23、二次硬化24、上坡扩散25、负温度梯度26、正常价化合物27、加聚反应28、缩聚反应 二、 选择
1、在柯肯达尔效应中，标记漂移主要原因是扩散偶中 _____。
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 _____。
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、莱氏体 B、珠光体 C、铁素体 4、原子扩散的驱动力是 _____。
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 _____。 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 _____。 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、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、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 A、{112} B、{110} C、{111} 11、形成临界晶核时体积自由能的减少只能补偿表面能的 _____。 A、1/3 B、2/3 C、3/4 12、金属结晶过程中（ ）： a、临界晶核半径越大，形核越易；b、临界晶核形成功越大，形核越易； c、过冷度越大，形核越易； d、均质形核比非均质形核容易。 13、三元相图中（ ）： a、垂直截面图上可应用杠杆定律；b、垂直截面图上三相区域为直边三角形； c、四相共晶反应平面在成份投影图上为曲边四边形；d、四相反应为等温反应。 三、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，使体系熵值减小，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。 ( ) 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。 ( ) 四、简答 1、简述工程结构钢的强韧化方法。（20分） 2、简述Al-Cu二元合金的沉淀强化机制（20分） 3、为什么奥氏体不锈钢（18-8型不锈钢）在450℃～850℃保温时会产生晶间腐蚀？如何防止或减轻奥氏体不锈钢的晶间腐蚀？ 4、为什么大多数铸造合金的成分都选择在共晶合金附近？ 5、什么是交滑移?为什么只有螺位错可以发生交滑移而刃位错却不能？ 6、根据溶质原子在点阵中的位置，举例说明固溶体相可分为几类？固溶体在材料中有何意义？ 7、固溶体合金非平衡凝固时，有时会形成微观偏析，有时会形成宏观偏析，原因何在？ 8、应变硬化在生产中有何意义？作为一种强化方法，它有什么局限性？ 9、一种合金能够产生析出硬化的必要条件是什么？ 10、比较说明不平衡共晶和离异共晶的特点。 11、枝晶偏析是怎么产生的？如何消除？ 12、请简述影响扩散的主要因素有哪些。 13、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点？ 14、临界晶核的物理意义是什么？形成临界晶核的充分条件是什么？ 15、请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。 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？ 17、一个楔形板坯经冷轧后得到相同厚度的板材，再结晶退火后发现板材两端的抗拉强度不同，请解释这个现象。 18、冷轧纯铜板，如果要求保持较高强度，应进行何种热处理？若需要继续冷轧变薄时，又应进行何种热处理？ 19、位错密度有哪几种表征方式？ 20、淬透性与淬硬性的差别。 21、铁碳相图为例说明什么是包晶反应、共晶反应、共析反应。 22、马氏体相变的基本特征？（12分） 23、加工硬化的原因？（6分） 24、柏氏矢量的意义？（6分） 25、如何解释低碳钢中有上下屈服点和屈服平台这种不连续的现象？（8分） 26、已知916℃时，γ-Fe的点阵常数0.365nm，（011）晶面间距是多少？（5分） 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） 29、单滑移、多滑移和交滑移的意义是什么？（9分） 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） 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。 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？ 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。 36、为什么晶粒细化既能提高强度，也能改善塑性和韧性？ 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？ 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？ 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。 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 25 1、已知碳在r—Fe中的扩散常数D0＝2.0×10-5m/s，扩散激活能Q＝1.4X10J/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<112>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） 011、231、321晶面和、112、102晶向。 5、作图表示立方晶体的（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。 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。 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。 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。 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）、221)?(、[102]、110]?[、]??[11 （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。 16、在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向： 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???Dt) 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。 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。 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？ 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。 3. 计算相图中二次渗碳体和三次渗碳体可能的最大含量。 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。 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。 金属学与热处理总结 一、金属的晶体结构 重点内容： 面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四面体间隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。 基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，密排面上原子的堆垛顺序、晶胞、晶格、金属键的概念。晶体的特征、晶体中的空间点阵。 晶格类型 间隙类型 间隙个数 原子半径rA 间隙半径rB ?3?2?a4fcc(A1) 正四面体 8 2a4bcc(A2) 四面体 12 3a4hcp(A3) 四面体 12 a2正八面体 4 扁八面体 6 ?2?3?a4正八面体 6 ?2?2?a4 ?5?3?a4? 6?2a4?? 2?1a2?晶胞：在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，用来分析原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。 金属键：失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。 位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。 位错的柏氏矢量具有的一些特性： ①用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路途径无关；③位错的柏氏矢量个部分均相同。 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混合型呈任意角度。 晶界具有的一些特性： ①晶界的能量较高，具有自发长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋势；②原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；③相变时新相优先在晶界出形核；④晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐蚀和氧化；⑥常温下晶界可以阻止位错的运动，提高材料的强度。 二、纯金属的结晶 重点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法，铸锭三晶区的形成机制。 基本内容：结晶过程、阻力、动力，过冷度、变质处理的概念。铸锭的缺陷；结晶的热力学条件和结构条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。 相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不断变化着的近程规则排列的原子集团。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。 变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶粒的方法。 过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。从热力学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。根据 临界形核功（?G?Rk?1?T可知当过冷度?T为零时临界晶核半径Rk为无穷大， 1?T2）也为无穷大。临界晶核半径Rk与临界形核功为无穷大时，无法形核，所以 液态金属不能结晶。晶体的长大也需要过冷度，所以液态金属结晶需要过冷度。 细化晶粒的方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌。 铸锭三个晶区的形成机理：表面细晶区：当高温液体倒入铸模后，结晶先从模壁开始，靠近模壁一层的液体产生极大的过冷，加上模壁可以作为非均质形核的基底，因此在此薄层中立即形成大量的晶核，并同时向各个方向生长，形成表面细晶区。柱状晶区：在表面细晶区形成的同时，铸模温度迅速升高，液态金属冷却速度减慢，结晶前沿过冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散热最快，因而晶体沿相反方向生长成柱状晶。中心等轴晶区：随着柱状晶的生长，中心部位的液体实际温度分布区域平缓，由于溶质原子的重新分配，在固液界面前沿出现成分过冷，成分过冷区的扩大，促使新的晶核形成长大形成等轴晶。由于液体的流动使表面层细晶一部分卷入液体之中或柱状晶的枝晶被冲刷脱落而进入前沿的液体中作为非自发生核的籽晶。 三、二元合金的相结构与结晶 重点内容：杠杆定律、相律及应用。