《材料科学基础》作业.doc

材料科学基础作业（一）1. 写出立方晶系的112晶面族所包含的所有晶面。2. 在立方晶系的四面体中，画图并表示出四面体所包含的 111 晶面族的四组晶面。3. (10) 和 (112) 晶面是否属于同一晶带？为什么？画图表示出晶带轴和晶带面。4. 分别在三个晶胞中画图表示 11 与（110）、11 与（01）、（211）与 211 晶向和晶面。5. 在六方晶系中，画图表示（110）、（010）晶面及 113 晶向。并用三坐标系写出其晶向指数及晶面指数。 金属的晶体结构 习题课习题(一)图11 画出立方晶系111晶面族构 成的八面体的各晶面指数。2标出下列各晶面和晶向指数：3试从面心立方晶格中绘出体心正方晶 4. 试绘图说明hcp结构不是一种胞（a = b c ,90o ） 空间点阵的原因。5求fcc结构中面间距d(111) 、d(110)、d(100)的大小，并指出面间距最大的晶面。材料科学基础作业（三）一填空题 1位错线与柏氏矢量垂直，该位错为_ ; 位错线与柏氏矢量平行时为_位错 。 2无限固溶体永远是_ ；间隙固溶体永远是_ 。 3位错线在晶体内部可以_，可以形成_ ，但不可以中止于_。 4NaCL和CaF2晶体各属于_空间点阵。 5影响置换固溶体溶解度的因素主要有_。 6在面心立方结构的单胞中，碳原子可以存在位置的坐标是_，单位晶胞内最多能有_个碳原子可以溶入单胞内。 7间隙相和间隙化合物都是由原子半径较小的非金属元素和过渡族元素组成，它们的主要区别是_。 8刃型位错在切应力的作用下可以进行_运动；在垂直于半原子面的正应力的作用下可以进行_，即半原子面的_和_运动；正攀移机制是_，负攀移机制为_。 9在切应力的作用下，当位错在晶体中滑移运动时，刃位错运动方向与b方向_,与方向_，与位错线_；螺型位错线的运动方向与b_,与方向_，与位错线方向_。 10可滑移面是_，刃型位错的可滑移面有_个，这是因为_；螺型位错的可滑移面有_个，因为_。二写出b00，位错线运动方向为 110位错的可滑移面，并指出是何种类型的位错？三FeAL是电子化合物，具有体心立方结构，试计算其电子浓度值，并画出其晶体结构的单胞。BP四AB线为一混合型位错，其位错线方向和柏氏矢量方向如图所示。 1）试画出P点处的刃型位错和螺型位错分量。b 2）并说明是正刃还是负刃型位错及半原子面的位置？A 3）说明是左螺型还是右螺型位错。YY材料科学基础作业（四）1图a）和图b）分别表示一对同号刃型位错和30o 一对异号刃型位错。假定位于原点的刃型位错30o 固定不动，在位错滑移力（Fx）的作用下,另一XX 位错运动到何位置才处于稳定平衡状态？试在 图中标出，并说明原因。 图a） 图 b)2. 画图说明在fcc结构晶体的（11）晶面上，可以运动的单位位错的柏氏矢量有哪些？ 它们相应能在哪些晶面上运动？3在面心立方结构的晶体中，沿01晶向上有一单位位错与沿12晶向的一个肖克莱 部分位错反应合成一个弗兰克部分位错：（1） 求合成后的弗兰克部分位错的柏氏矢量。（2） 试根据能量条件分析上述位错反应能否进行。（3） 为什么把此种位错称为固定位错？B4在具有fcc结构的单晶体中有一ABC晶面，其 晶面指数为（11）：A（1） 写出位于该晶面上柏氏矢量平行于的C单位位错的柏氏矢量。（2） 若该位错是螺位错，位错在运动中受阻，将交滑移到哪一个晶面上？（3） 若该单位位错可在（11）晶面上分解，写出位错分解的反应式，并指出分解后的位错类型。5在体心立方结构晶体内的（011）晶面上有一个b111刃型位错，在（01）晶 面上有一个b2111刃型位错，它们分别沿所在晶面进行滑移，当彼此相遇时， 能否发生位错反应？第一章 纯金属的晶体结构单元练习题一 判断是非题，对的在括号中划“”，错的划“”： 1布拉非点阵与晶体结构是同一概念，因此不管离子晶体，分子晶体，还是原子晶体， 晶体结构类型共有14种。（ ） 2如果某晶面（hkl）平行于某晶向uvw ,晶向与晶面之间存在hu+kv+lw=1的关系（ ） 3fcc结构中，四面体间隙数是单胞原子数的1倍。（ ） 4温度相同时，碳原子在-Fe中的溶解度小于在-Fe中的溶解度，这是因为-Fe的致密度小于-Fe的致密度。（ ） 5fcc结构的晶体中（11）晶面上含有110、101、01三个最密排方向。（ ）二 填空题 1晶向族包括组晶向。 2110晶面族包括组晶面。 3晶面（12）和（10）为共带面，其晶带轴的晶向指数为。 4fcc结构晶体的滑移面（密排晶面）是，滑移方向（密排晶向）是；bcc结构晶体的滑移面是，滑移方向为；hcp结构的滑移面是， 滑移方向为。 5某晶体的致密度为74,该晶体的晶体结构为。三 问答题 1画图并计算fcc和bcc结构晶体的八面体间隙半径大小。 2画图并说明hcp结构不是一种空间点阵的原因，并计算1.633 。 3作图表示（11）、（11）、（112）晶面及11、112晶向。 4求bcc结构（111）、（100）及（110）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。第三章 晶体结构习题课习题（二）1判断下列位错是否能够进行： （1）a 100 a 010 111 + 11 （2）a 100 111 + 1 （3） 10 21 11 （4） 110 12 2112在面心立方晶体的（11）晶面上有b 10的单位位错，试问该位错的刃型分量及螺型分量应处于什么方向上？在晶胞中画出它们的方向，并写出它们的晶向指数。3柏氏矢量b 110的单位位错可以在fcc结构晶体的哪些111晶面上存在？试写出该单位位错在这些晶面上分解为两个肖克莱部分位错的反应式。4在面心立方晶体的（111）晶面上有b1= 10和b2= 01的单位位错向相运动相遇后会发生位错反应形成新的位错，试写出反应式。若两单位位错在各自的滑移面内又可分解为扩展位错，试写出位错分解的反应式。5在外力作用下，fcc结构的晶体在（11）晶面上沿10方向滑移，试回答下列问题： 若晶体的滑移是由单位位错的运动引起的，写出该单位位错的柏氏矢量。 若此单位位错是纯刃型位错，写出位错线方向及在外力作用下滑移运动的方向。 若此单位位错是纯螺型位错在（11）晶面上运动受阻后将交滑移到哪一个晶面上？ 若此单位位错在（11）晶面内可以分解为扩展位错，写出位错分解的反应式并判断能否进行。 若扩展位错在（11）晶面内滑移受阻还能否运动？如何运动？6在面心立方结构的（11）晶面上有b 01的单位位错以及b 12的肖克莱部分位错，两位错运动相遇发生位错反应，试问： 写出反应式并判断是否能够进行？ 说明合成位错的性质。7写出fcc结构晶体的（111）晶面上所有单位位错可以分解为扩展位错的反应式。材料科学基础作业（五）1 填空 1）扩散系数D的物理意义是 。2）菲克第一定律的数学表达式为 。 3）菲克第二定律的数学表达式为 。4）扩散系数与温度之间关系的表达式是 。 5）上坡扩散是指_。下坡扩散是指_。 反应扩散是_ 原子扩散是_ 6）扩散通量为_2 试说明公式Dd2P的物理意义；并比较间隙扩散和空位扩散两者D表达式的区别。3 含碳量为0.8的碳钢，在900的脱碳气氛中保温，此时与气氛相平衡的表面碳浓度为0.2, 已知在保温3小时后，脱碳层厚度为0.3mm，若保温时间改为7小时，试问脱碳层厚度应是多少？4 有一块含碳量0.1的碳钢，在930渗碳，渗到0.05cm处时，碳浓度为0.45，且t 0的全部 时间内，渗碳气氛始终保持表面成分含碳量为1，今设D1.4107cm2s 试计算渗碳所需的时间。 计算渗碳层增加一倍所需的时间。5 工业渗碳温度常选择在奥氏体相区（920930），而不在铁素体相区（700900），这说明 Dc Dc。这一结论是否正确？为什么? 试分析工业渗碳常选择在奥氏体相区不在铁素体相区的 原因。（工业渗碳是使含碳量0.10.2的碳钢表面达到 0.81.0C） 6 现对纯铁在540进行普通渗氮，炉内氮势足以形成相（Fe23N），试根据FeN相图，画出渗 层的氮浓度分布曲线。并说明钢的渗N与钢的渗C在扩散类型上有何不同。N%54043210XN %Fe材料科学基础作业（六）一 是非题： 对的答（） ，错的答（）并改正错误 1） 在任何温度下，液态金属中出现的相起伏都是晶胚。（ ）2） 在过冷的液态金属中，凡是出现大于或等于临界晶核的晶胚都是晶核。（ ）3） 不论晶胚大小，凡是体积自由能的减少不能补偿表面自由能的增高，就是有足够高的形核功提供，也不能形核。（ ）4） 所谓临界晶核，就是形成晶胚时体积自由能的减少正好补偿三分之二表面自由能增加时的晶胚大小。（ ）5） 纯金属均匀形核时，形核率随过冷度的增加而增加。（ ）6） 实际金属凝固时，过冷度很小，这主要是由于非均匀形核的原因。（ ）7） 临界晶核半径主要取决于过冷度，过冷度越大，临界晶核半径越小。（ ）8） 非均匀形核功大小主要取决于过冷度，过冷度越大，临界形核功越小。（ ） 9） 纯金属凝固时，要得到枝晶组织，界面前沿液体中的温度梯度必须是正的温度梯度.( ) 10） 在实际生产中，纯金属凝固后形成具有三个晶区的铸锭组织。（ ）T3 11） 实际金属凝固时过冷度越大，形核率越大。（ ）GT3T2T2G二分析下面两图，哪个图正确？T1T1并说明原因。（G形核功rrr晶核半径 ， T3 T2 T1 ) ( a ) 图 （b）图三综述金属结晶的热力学条件、能量条件、结构条件和动力学条件。四根据凝固理论，试述工业中细化晶粒的基本措施及其机理。五简述纯金属枝晶的形成条件和长大过程。材料科学基础作业（七）1 铜和镍固态完全互溶，它们的熔点分别是TCu1083，TNi=1452,问： Ni10%Cu及Ni50%Cu两种合金在浇铸和凝固条件相同的条件下，哪种合金形成 柱狀晶的倾向大？哪种合金的枝晶偏析严重？为什么？2画图并说明共晶成分的AL-Si合金在快冷条件下得到亚共晶组织（Si）的 原因。3画出PbSb相图，求：1）分析过共晶合金的平衡结晶过程（写出反应式）、画出冷却曲线及组织示意图、 写出结晶后的室温组织。 2）求室温组织中组织组成物的相对重量、共晶组织中的共晶及共晶的相对重量。 （二次相忽略不计） 3）求室温组织中组成相的相对重量。材料科学基础作业（八）1 填空1） 固溶体合金，在铸造条件下，容易产生_ 偏析，用_ 方法处理可以消除 。2） ALCuAL2共晶属于_ 型共晶，AL-Si共晶属于_型共晶， PbSn共晶属于_型共晶 。3） 固溶体合金凝固时有效分配系数ke的定义是_。当凝固速率无限缓慢时，ke趋于_；当凝固速 率很大时，则ke趋于_ 。4） K01的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越大，成分偏析越_ , 提纯效果越_。5） 固溶体合金_ 凝固时成分最均匀，液相完全混合时固溶体成分偏析（宏观偏析）最_ ， 液相完全无混合时固溶体成分偏析最_ ，液相部分混合时固溶体成分偏析_。2. 已知A-B二元相图，液、固相线近似为直线且Ko1合金成分为Co，固相无扩散，液相完全无混合凝固。试画出：1）A-B二元合金相图及液相实际温度分布线。 2）边界层液相溶质分布曲线3）由液相溶质分布而引起的液相温度分布曲线并对照相图加以说明（理论温度分布曲线） 。 4）画出由液相实际温度与理论温度分布曲线组成的成分过冷区并定义何谓成分过冷。3固溶体合金液相完全无混合凝固时，产生成分过冷的临界条件为： = . ( m为液相线斜率，G为液相实际温度梯度， R为液固界面移动速度且KO1 )1） 说明能否产生成分过冷的条件。2） 如果外界条件不变，C0和C1（C1C0）两合金相比哪个合金产生成分过冷的倾向大？为什么？3） 成分过冷对固溶体生成形态有何影响？对于一定成分的合金CO，如何控制外界条件来避免出现粗大的树枝状组织？4试说明晶体生长形态与固相界面形貌、前沿液相温度梯度的关系。5试说明在正温度梯度下为什么固溶体合金凝固时一定呈树枝状方式 长大，而纯金属却得不到树枝状晶体？ （3题）铁碳合金状态图一章课堂讨论思考题1 背画Fe-Fe3C相组成物相图和组织组成物相图，在相图中标出A1、A3、Acm线并说明该线的意义。2 说明相图中三条水平线的意义。3 写出纯铁的同素异晶转变线（常压），并指出该线在相图中是如何表示的。4 说明铁碳合金在固态下的基本相F、A 、Fe3C 的 ：1） 合金类型及晶体结构 2） 比较F与A的含碳量大小，并说明理由。3） 比较D与D的大小，试从晶体结构因素分析其原因。5 试分析亚共晶及过共晶合金白口铁完全无混合凝固时，初晶A呈树枝状、初晶Fe3C呈规则的白色条状的原因。6 钢可以锻造而白口铁不可以锻造，为什么？（钢的始锻温度在固相线以下200300）7 钢和白口铁平衡结晶室温组织的本质区别是什么？8 试比较45钢和20钢 ；T10钢和T12钢力学性能好坏，并说明原因。9 分析45钢、T8钢、T12钢、3.0%C、4.3%C、5.0%C铁碳合金平衡结晶过程及组织，画出冷却曲线及室温组织示意图。10 求铁碳合金中Fe3C和Fe3C的最大百分含量，并指出各属于何种类型的铁碳合金。11 求共晶白口铁Ld组织中P、Fe3C、Fe3C共晶和Fe3C共析的百分含量。12 求45钢、T10钢、3.0C、5.0C的铁碳合金平衡结晶室温组织中各相及组织组成物相对重量。13 有一含碳量2.0%的铁碳合金试样，室温组织中观察到少量莱氏体，试分析其原因。14 有一含碳量2.2的铁碳合金室温组织为珠光体和厚网状渗碳体，没有发现莱氏体，试分析其原因 。15 有一过共析钢，其平衡组织中Fe3C的重量百分数为7，试判断其钢的含碳量 。16 试分析铁碳合金，随含碳量的增加对其组织及性能的影响 。 2003.11.1铁碳相图一章教案处理 Fe-Fe3C相图一章是二元合金相图和固溶体合金的凝固两章内容的综合与提高，它又是金属材料固态相变及材料学的基础。碳钢和铸铁是使用最广泛的金属材料，了解Fe-C合金相图对于钢铁材料的研究和使用，各种热加工工艺的制定及产品质量分析等都有十分重要的意义。因此，本章教案处理如下：一. 精讲本章重点内容1 Fe-C合金基本相及其特性。2 Fe-Fe3C相图重要点、线及其相变反应式。3 Fe-Fe3C相图典型合金平衡结晶过程及其组织。4 含碳量对Fe-C合金组织及性能的影响。二加强课堂讨论教学和习题课教学1 在讲解本章课程内容以前给同学留一定数量的思考题，由同学课下讨论或独立完成。2 在精讲本章重点内容基础上，计算题由学生自己到黑板上计算出结果并进行讲解；问答题由学生组成小组课堂讨论后派代表进行回答，最后由教师作总结。3 在课堂讨论和习题课基础上，留一定量作业，以便了解同学的学习及掌握情况，发现问题并有针对性进行个别辅导。三 加强实验教学，提高学生综合能力与素质 1为了使同学更好的了解铁碳合金含碳量对合金组织及性能的影响，在重点讲解基础上安排作一次 “Fe-C合金平衡组织观察”试验。 2为了提高学生综合能力与素质，在进行“Fe-C合金平衡组织观察”试验的基础上 ，在教师的指 导下由学生自己动手作一次综合性“Fe-C、Cu-Zn固态扩散”试验，该实验改革是四个实验的综 合。（放在最后作）该试验内容可以使同学进一步了解铁碳合金含碳量对合金组织及性能的影响， 以及加深理解C向-Fe中扩散的扩散机制是原子扩散而不是反应扩散。四课堂教学学时与实验教学学时分配课堂教学学时 ： 6学时 ； 实验教学学时 ： 8学时（包括综合试验改革教学学时）。是非概念思考题1) fcc结构中的（111）晶面上有一个b110 的全位错它可以分解为211和12 （ ）2) 一般金属的平均直径在0.0150.25mm范围，亚晶粒的平均直径在0.001mm范围。（ ）3) 加工硬化指数是指T=Kn式中的n值，它在数值上和最大均匀应变相等，因此，n值越大金属的加工性能越好。（ ）4) fcc结构的金属加工硬化的原因是因为形成了L-C位错导致位错塞积，因此使位错滑移遇到了较大的阻力造成的。（ ）5) fcc 结构的金属其滑移面、孪晶面和层错面都是111晶面族。（ ）6） 纯金属凝固时均匀形核所需过冷度较非均匀形核所需过冷度大得多。（）7） 碳在Fe中比在Fe中的扩散系数大，所以钢的渗碳往往在低于A3 温度范围进行。（ ）8） 金属提纯所使用的区域熔炼在操作时要使液相尽量混合均匀。（ ）9） 布拉非点阵与晶体结构是同一概念，因此不管离子晶体，分子晶体还是原子晶体，晶体结构类 型共有14种。（ ）10） 在某一过冷度下，大于临界晶核半径的晶胚能够长大，因为这样的晶胚形成时，引起系统自由 能的变化为G0 。（ ）11） 单位面积小角度晶界的界面能总是比大角度晶界的界面能低。（ ）12） 在实际生产中，固溶体合金凝固后形成具有三个晶区的铸锭组织。（ ）13） 固溶体中溶剂原子的扩散是自扩散，溶质原子的扩散是互扩散。（ ）14） Fe和奥氏体虽然成分不同，但显微组织是相同的。（ ）15） 面心立方晶体中有一刃型位错，其柏氏矢量为011,滑移面为（11），则其位错线方向 为11;若为螺位错，其位错线方向为011 。( )16） 利用Fe Fe3C相图可以判断铁碳合金热处理的可能性，锻造的可能性，锻造时始锻温度 和终鍛温度。（ ）17） 三元相图垂直截面图中的三相区常呈三角形，其三个顶点分别表示三个平衡相的成分。（ ）18） 合金区域提纯可采用区域熔炼方法，但重熔凝固时最好使其液相完全混合。（ ）19） 在二元相图和三元相图的两相区中，都可以使用杠杆定律。（ ）20） 纯金属凝固时必须是在负的温度梯度下才能以树枝方式长大；而固溶体合金实际凝固时常以树 枝方式长大，长成树枝晶，这是由于成分过冷所致。（ ）21） 在影响扩散的诸因素中，最主要的并且可以控制的因素是温度。( )22） 钢和白口铁显微组织的主要区别是有无珠光体，热加工性能上的主要区别是能否锻造。23） 三元系中包共晶转变L+=是四项平衡转变，在TE 温度以下的三相平衡转变为 L和。（ ）24） 间隙相多数是由过渡族元素M与非金属元素X组成，其原子数之比为一定值0.59，故为 简单结构。（ ）25） 如果某晶面（hkl）平行于某晶向uvw，则其晶向与晶面之间有hu+kv+lw=1的关系。（ ）26） 在Fe的单晶体中首先开动的滑移系是11(110),引起滑移的单位为错是b110.( )27） 若上题滑移是由韧性位错引起的，位错线的方向是1。（ ）28） 若上题滑移是由螺型位错引起的，位错线的方向是110。（ ）29） 单晶体塑变时除了滑移之外还有晶体的转动，晶体转动的方向是： 滑移面向力轴方向转动使减小增大。（ ） 滑移面向滑移方向转动。（ ）30） 三元相图的水平截面图中的三相区都是直边三角形，三个顶点表示三个平衡相的成分点。31） 固溶体的扩散总是受浓度梯度的控制，溶质原子总是自浓度高处向低处扩散。（ ）32） 金属凝固时过冷度越大，形核率越大。（ ）33） 金属及合金凝固时，液相混合越均匀，铸锭的内外成分也越均匀。（ ）34） 纯金属凝固时均匀形核的临界半径rK与过冷度的关系是rK T。（ ）35） 退火优质碳钢铁素体量占40，该钢的钢号为50钢。（ ）36） 对扩散系数影响最强烈的因素是晶体结构因素。（ ）37） 工业生产上确定再结晶温度的方法是形变70的金属试样保温1小时出现完全再结晶的最低温 度。（ ）38） 面心立方结构中四面体的间隙数是晶胞原子数的1倍。（ ）39） 冷变形金属再结晶后即改变了晶粒的形状又改变了金属的晶体结构。（ ）40） 用冷拉紫铜管制造输油管，在冷弯以前应进行去应力退火，以防止在弯曲时产生开裂。（）41） 冷加工与热加工是按照在变形中是否产生组织转变来区分的。（ ）42） 共晶成分的ALSi合金快速冷却条件下获得（Si）共晶组织。（ ）43） 尺寸、形状相同的50Ni的CuNi合金铸态组织，其铸造性能好于90 Ni 合金 。（ ）44） 退火态的T8钢其强度、硬度高于45钢；T12钢的强度、硬度高于T8钢。（ ）45） K01的固溶体合金凝固的过程中，K0越大成分偏析越大。（ ）46） 碳在Fe中扩散系数大于碳在Fe中的扩散系数，所以，钢的渗碳常在铁素体中进行。（ ）47） 碳在Fe中的溶解度小于碳在Fe中的溶解度，这是因为Fe的致密度小于Fe的致密度。（ ）48） fcc结构的晶体中（11）晶面上含有110、101、01三个滑移方向。（ ）49） 鍛钢的力学性能优于铸钢，钢可以锻造而白口铁不可以锻造。（ ）50） bcc结构的晶体中（10）晶面上含有111、11、1四个滑移方向。（ ）51） C原子在细晶粒中的扩散速度小于在粗晶粒中的扩散速度。（ ）材料科学基础作业八 ABCE1E2E3 E1MN 2H31 . 图 为A-B-C三元固态完全不溶共晶相图投影图：1） 分析合金1 . 2. 3三元合金的平衡 结晶过程，写出反应式及室温组织。2） 求合金3室温组织中各组织组成物及相组 成相对重量。3） 画出M-N及B-H变温截面图，填写出各相 图 区，并指出各种三元合金成分特点。AB C E1 E2 E3E2图为A-B-C三元固态有限溶解的共晶相图投影图，分析1、2、3、4、5、6合金的平衡结晶过程，写出反应式及室温组织。3图 、 为A-B-C三元合金相图在TE温度时的四相平衡转变水平截面图形：（1）说明在TE温度时各发生何种类型的四相平衡转变？并写出反应式。（2）在稍大于或略低于TE温度时各发生何种类型 图 的二元反应？写出反应式。LL L 图 图 图 金属与合金的塑性变形、回复与再结晶及思考题 1 填空题1) 一个滑移系是由_ 组成的。2) 拉伸变形时，晶体转动的方向是_ 。3) 单晶体滑移时，临界分切应力为_。4) Fe在_ 条件下和Fe在_ 条件下，容易发生孪生变形。5) 冷变形金属的储存能，主要是以_ 的形式存在。6) 金属板材深冲时，形成“制耳”是由于_ 。7) 面心立方结构晶体中有一刃型位错，其b011，滑移面为（11），其位错线的方向为_ ；若为螺位错，其位错线的方向是_ 。8) fcc结构的晶