材料科学基础2复习题及参考答案.doc

材料科学基础2复习题及部分参考答案一、名词解释1、再结晶：指经冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程。 2、交滑移：在晶体中，出现两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移。3、冷拉：在常温条件下，以超过原来屈服点强度的拉应力，强行拉伸聚合物，使其产生塑性变形以达到提高其屈服点强度和节约材料为目的。 （笔记聚合物拉伸时出现的细颈伸展过程。）4、位错：指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。（书晶体中某处一列或者若干列原子发生了有规律的错排现象）5、柯氏气团 ：金属内部存在的大量位错线，在刃型位错线附近经常会吸附大量的异类溶质原子（大小不同吸附的位置有差别）,形成所谓的“柯氏气团”。（书溶质原子与位错弹性交互作用的结果，使溶质原子趋于聚集在位错周围，以减小畸变，降低体系的能量，使体系更加稳定。）6、位错密度 ：单位体积晶体中所含的位错线的总长度或晶体中穿过单位截面面积的位错线数目。7、二次再结晶 ：晶粒的不均匀长大就好像在再结晶后均匀、细小的等轴晶粒中又重新发生了再结晶。8、滑移的临界分切应力：滑移系开动所需要的最小分切应力。（书晶体开始滑移时，滑移方向上的分切应力。） 9、加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象，又称冷作硬化。（书随塑性变形的增大，塑性变形抗力不断增加的现象。）10、热加工：金属铸造、热扎、锻造、焊接和金属热处理等工艺的总称。（书使金属在再结晶温度以上发生加工变形的工艺。）11、柏氏矢量：是描述位错实质的重要物理量。反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。（书揭示位错本质并描述位错行为的矢量。）反映由位错引起的点阵畸变大小的物理量。12、多滑移 ：晶体的滑移在两组或者更多的滑移面（系）上同时进行或者交替进行。13、堆垛层错 ：晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某二层间出现了错误，从而导致的沿该层间平面（称为层错面）两侧附近原子的错排的一种面缺陷。14、位错的应变能 ：位错的存在引起点阵畸变，导致能量增高，此增量称为位错的应变能。15、回复：发生形变的金属或合金在室温或不太高的温度下退火时，金属或合金的显微组织几乎没有变化，然而性能却有程度不同的改变，使之趋近于范性形变之前的数值的现象。（书指冷变形金属加热时，尚未发生光学显微组织变化前（即再结晶前）的微观结构及性能的变化过程。）16、全位错：指伯氏矢量为晶体点阵的单位平移矢量的位错。 17、弗兰克尔空位：当晶体中的原子由于热涨落而从格点跳到间隙位置时，即产生一个空位和与其邻近的一个间隙原子，这样的一对缺陷空位和间隙原子，就称为弗兰克尔缺陷。（书存在能量起伏的原子摆脱周围原子的约束而跳离平衡位置进入点阵的间隙中所形成的空位（原子尺度的空洞）。） 18、层错能：单位面积层错所增加的能量。（书产生单位面积层错所需要的能量。） 19、表面热蚀沟：金属长时间加热时，与表面相交处因张力平衡而形成的热蚀沟。（书金属在高温下长时间加热时，晶界与金属表面相交处为了达到表面张力间的平衡，通过表面扩散产生的热蚀沟。） 20、动态再结晶：金属在热变形过程中发生的再结晶。二、填空题1、两个平行的同号螺位错之间的作用力为排斥力，而两个平行的异号螺位错之间的作用力为吸引力。2、小角度晶界能随位向差的增大而增大；大角度晶界能与位向差无关。3、柏氏矢量是一个反映由位错引起的点阵畸变大小的物理量；该矢量的模称为位错强度。4、金属的层错能越低，产生的扩展位错的宽度越宽，交滑移越难进行。5、螺型位错的应力场有两个特点，一是没有正应力分量，二是径向对称分布。6、冷拉铜导线在用作架空导线时，应采用去应力退火，而用作电灯花导线时，则应采用再结晶退火。7、为了保证零件具有较高的力学性能，热加工时应控制工艺使流线与零件工作时受到的最大拉应力 的方向一致，而与外加的切应力方向垂直。8、位错的应变能与其柏氏矢量的模的平方成正比，故柏氏矢量越小的位错，其能量越低，在晶体中越稳定。9、金属的层错能越高，产生的扩展位错的宽度越窄，交滑移越容易进行。10、当晶粒长大的驱动力为畸变能差时，晶界的移动方向为背向曲率中心，当晶粒长大的驱动力为界面能差时，晶界的移动方向为向着曲率中心。11、由于两者的滑移方向数不同，导致体心立方晶格金属与面心立方晶格金属在塑性上的差别。12、聚合型两相合金，第二相为硬脆相，它呈细片状分布在基体上，合金的综合力学性能最好，它呈较粗颗粒状分布于基体上，合金的塑性最好。13、位错的柏氏矢量越小，其能量低，在晶体中越稳定。14随冷变形量的增加，金属的强度提高，塑性降低。15、对于冷变形度较小的金属，再结晶核心一般采用晶界突出形核方式形成。16、晶体经过塑性变形后，出现了交叉的滑移带，则晶体中一定发生了多滑移，出现了波纹状的滑移带，则晶体中一定发生了交滑移。17、某位错的柏氏矢量与位错线平行，方向与位错线的正方向一致，该位错为右位错，方向与位错线的正方向相反，该位错为左位错。18、如果两个平行螺位错之间的作用力为吸引力，则它们是异号螺位错，如果两个平行螺位错之间的作用力为排斥力，则它们是同号螺位错。19、柏氏矢量是一个反映由位错引起的点阵畸变大小的物理量；该矢量的模称为位错强度。20、晶界能随位向差的增大而增大的晶界一般是小角晶界；而晶界能与位向差无关的晶界一般是大角晶界。21、在三种典型的金属晶体结构中，金属晶体的晶格类型为面心时，其塑性最好，晶格类型为密排 时，其塑性最差。22、螺型位错的运动方式是只可滑移，不可攀移。23、多晶体的晶粒越细，则其强度高，塑性好。24、对于冷变形度较大的金属，相邻亚晶的取向差较小时，再结晶核心一般采用亚晶界合并方式形成，相邻亚晶的取向差较大时，再结晶核心一般采用亚晶界迁移方式形成。25、动态再结晶的组织与静态再结晶的组织比较晶粒更细，晶粒内部还有位错残积。26、某位错的柏氏矢量与位错线垂直，将其顺时针旋转90后，方向与位错线的正方向一致，该位错为正，方向与位错线的正方向相反，该位错为负。27、在金属中，当分散相粒子的体积分数越大，粒子尺寸越小，金属晶粒的极限平均晶粒尺寸越小。28、冷变形金属在要求保持其较高硬度时，应采用去应力退火，而在要求恢复塑性以便于进一步变形时，则应采用再结晶退火。29、为了保证零件具有较高的力学性能，热加工时应控制工艺使流线与零件工作时受到的最大拉应力的方向一致，而与外加的剪应力方向垂直。30、当晶粒长大的驱动力为畸变能之差时，晶界的移动方向为背向率中心，当晶粒长大的驱动力为界面能之差时，晶界的移动方向为向着曲率中心。三、问答题1、加工硬化、细晶强化、固溶强化及弥散强化在本质上有何异同？答：加工硬化是由于位错塞积、缠结及相互作用，阻止了位错的进一步运动。细晶强化是由于晶界上的原子排列不规则，且杂质和缺陷多，能量较高，阻碍位错的通过；且晶粒细小时，变形均匀，应力集中小，裂纹不易萌生和传播。固熔强化是由于位错与熔质原子交互作用，即柯氏气团阻碍位错运动。弥散强化是由于位错绕过、切过第二相粒子，需要增加额外的能量(如表面能或错排能)；同时，粒子周围的弹性应力场与位错产生交互作用，阻碍位错运动。2、什么是加工硬化、细晶强化、固溶强化及弥散强化，它们在本质上有何异同？ 答：加工硬化是指金属冷变形时，随着型变量的增加，其强度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象。细晶强化是指随着晶粒细化，金属材料力学性能（强度）提高的现象。固熔强化是指熔质原子融入基体后，使其强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。弥散强化是指细小弥散分布的第二项质点显著提高材料强度的现象。本质见上题3、试分析金属的四种基本强化机制在本质的异同点。答案见第1题4、若面心立方晶体中有（、）的单位位错及（、）的不全位错，此二位错相遇后，产生位错反应，写出合成位错的柏氏矢量，此反应能否进行？为什么？说明合成位错的性质。5、金属发生冷变形以后，其组织和性能会发生怎样的变化？答：金属经冷塑性变形后，除了外形和尺寸发生改变外，其显微组织与各种性能也发生了变化。光学显微组织的变化： 塑性变形后，每个晶粒内部出现大量滑移带、孪生带； 随变形量的增加，原来的等轴晶粒逐渐沿变形方向伸长为扁平晶粒。 当变形量很大时，成为纤维组织(晶粒变得模糊不清，晶粒已难以分辨，而成为的一片纤维状条纹)。 亚结构的变化随变形量的增加，晶体中的位错密度迅速增加，经严重冷变形后，位错密度可从原先退火态的10101012m-2增至10151016m-2。 经一定量的塑性变形后，晶体中的位错通过运动和交互作用，开始呈现纷乱的不均匀分布，并形成位错缠结。进一步增加变形度，大量位错聚集，并由缠结的位错组成胞状亚结构（位错胞）.随变形量增大，位错胞也沿变形方向伸长，且数量增多，尺寸减小。 性能变化: 金属冷变形时，随变形量增加，其强度、硬度上升，而塑性、韧性下降6、说明金属在冷变形、回复、再结晶各阶段的显微组织、亚结构及力学性能特点。答：冷变形见上题显微组织:I.回复阶段: 显微组织几乎看不出任何变化，晶粒仍保持冷变形后的纤维状组织。II.再结晶阶段:变形晶粒通过形核和长大过程，完全转变成新的无畸变的等轴晶粒。亚结构：I.回复阶段:II.再结晶阶段:力学性能的变化：I.回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有上升；II.再结晶阶段：强度、硬度显著下降，塑性急剧上升；7、金属在冷变形、回复、再结晶各阶段，其力学性能、物理性能、化学性能及内应力会发生哪些变化？ 答：冷变形见第5题物理性能的变化：密度：回复阶段略有增大，再结晶阶段急剧升高电阻：回复阶段已明显下降，再结晶阶段仍有显著下降化学性能：内应力的变化：在回复阶段明显下降，在再结晶阶段完全消除。8、10mm的铜棒，经充分退火后分别压缩20%、50%、70%以后，说明其组织发生的变化。9、铜单晶体拉伸时，若力轴为001方向，临界分切应力为0.64MPa，问需要多大的拉伸应力才能使晶体开始塑性变形？10、铝单晶体拉伸时，若力轴为100方向，临界分切应力为0.79MPa，问需要多大的拉伸应力才能使晶体开始塑性变形？ 11、今有纯Ti，Al，Pb三种铸锭，试判断它们在室温（20）轧制的难易顺序，是否都可以连续轧制下去。如果不能，应采取什么措施才能使之轧制成薄板。已知Ti的熔点为1672，在883以下为密排六方，在883以上为面心立方；Al的熔点为660，面心立方；Pb的熔点为328，面心立方。12、今有纯Ti，Cu，Pb三种铸锭，试判断它们在室温（20）轧制的难易顺序，是否都可以连续轧制下去。如果不能，应采取什么措施才能使之轧制成薄板。已知Ti的熔点为1672，在883以下为密排六方，在883以上为面心立方；Cu的熔点为1083，面心立方；Pb的熔点为328，面心立方。13、今有纯Zr，Ag，Pb三种铸锭，试判断它们在室温（20）轧制的难易顺序，是否都可以连续轧制下去。如果不能，应采取什么措施才能使之轧制成薄板。已知Zr的熔点为1865，在865以下为密排六方，在865以上为体心立方；Ag的熔点为961，面心立方；Pb的熔点为328，面心立方。（12分）14、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，仍然得到粗大晶粒。试分析其原因，指出上述工艺不合理处，并根据工业纯铝的再结晶图（见下图）制定一种合理的晶粒细化工艺。工业纯铝的再结晶图15、已知柏氏矢量的大小为b=0.25nm，如果对称倾侧晶界的取向差=1和10，求晶界上位错之间的距离。从计算结果可得到什么结论？ 16、位错反应必须满足的两个基本条件是什么？判断如下的位错反应能否进行。17、简述金属分别在冷变形、动态回复、连续动态再结晶、间断动态再结晶、超塑性时的真应力应变曲线主要特点。答：真应力-应变曲线主要特征：冷变形时，随应变增大，曲线显著上升，达到最大载荷后， (T, T)曲线继续上升，直至断裂。动态回复时，当温度一定，变形速率增大时，曲线整体向上移动，即稳定流变的应力增大；当变形速率一定，温度升高时，曲线整体向下移动，即稳定流变应力下降；连续动态再结晶时，0c：加工硬化阶段； cs：稳定流变阶段，(形变硬化与再结晶软化达到动态平衡)。c开始发生动态再结晶的临界变形量。间断动态再结晶时，应变速率低，位错增殖速度小，在发生动态再结晶引起软化后，位错密度来不及增长到足以使再结晶达到与加工硬化相抗衡的程度，故重新发生加工硬化，曲线上升，直到位错密度积累到又能使再结晶占据主导地位时，曲线才又下降。这一过程不断重复，并呈周期性的变化，曲线呈波浪状，其周期大体相同，但振幅逐渐衰减。超塑性时，真实应力-应变曲线上，真应力几乎不随变形程度的增加而变化。18、分别画出金属在冷变形、动态回复、连续动态再结晶、间断动态再结晶、超塑性时的真应力真应变曲线。18-1 冷变形真应力真应变曲线 18-2动态回复真应力真应变曲线18-3连续动态再结晶 18-4 间断动态再结晶 真应力真应变曲线 真应力真应变曲线18-5超塑性时的真应力真应变曲线。19、什么是单滑移、多滑移和交滑移？三者滑移线的形貌有何特征？ 答：单滑移：在具有多组滑移系的晶体中，当只有一组滑移系处于最有利的取向时，分切应力最大，便进行但系滑移。（只有一个滑移系进行滑移。）滑移线是一系列彼此平行的直线。多滑移 ：晶体的滑移在两组或者更多的滑移面（系）上同时进行或者交替进行。其滑移线或者平行，或者交叉。交滑移：在晶体中，出现两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移。其滑移线通常呈折线或波纹状。20、试区别单滑移、多滑移和交滑移，三者滑移线的形貌有何不同？（答案见上题 ）21、银纹与裂纹有什么区别？答：银纹不同于裂纹，裂纹的两个张开面间完全是空的，而银纹面间是由高度取向的纤维束和空位组成，仍具有一定的强度。银纹的形成是材料在张应力作用下局部屈服和冷拉造成的。22、什么是冷拉？已冷拉的玻璃态高聚物和部分结晶高聚物分别加热到什么温度之上，冷拉中产生的变形才能恢复？ 答：冷拉：在常温条件下，以超过原来屈服点强度的拉应力，强行拉伸聚合物，使其产生塑性变形以达到提高其屈服点强度和节约材料为目的。 （笔记聚合拉伸时出现的细颈伸展过程）退火温度 再结晶温度23、比较陶瓷晶体的弹性模量与金属的弹性模量之间的差异。答：陶瓷晶体的弹性模量比金属大得多，常高出几倍。陶瓷晶体的弹性模量是组织敏感参量，与结合键有关，还与相的种类、分布及气孔率有关。24、试述陶瓷晶体塑性变形的特点。答：共价键晶体：共价键具有方向性，而且结合力很强，位错运动时必须破坏原子的键合，位错运动有很高的点阵阻力。不论是单晶体还是多晶体，都是比较脆的。离子键晶体：单晶体：在室温受压应力作用时可有较大的塑性变形，因为位错沿45方向运动，则在滑移过程中相邻晶面始终由库仑力保持相吸。多晶体：相邻晶粒必须协调地改变形状，由于滑移系较少难以实现，结果在晶界产生开裂，最终导致脆性断裂。25、与金属材料相比，陶瓷晶体具有哪些特点？ 答：陶瓷晶体的弹性模量比金属大得多，常高出几倍。陶瓷晶体的弹性模量是组织敏感参量，与结合键有关，还与相的种类、分布及气孔率有关。陶瓷的压缩强度高于抗拉强度一个数量级。 陶瓷的理论强度和实际断裂强度相差13个数量级。陶瓷晶体在高温下具有良好的抗蠕变性能，而且在高温下也具有一定的塑性。26、确定下列情况下的工程应变和真应变，说明何者更能反映真实的变形特性。（1）由1L伸长到1.1L；（2）由1h压缩到0.9h；（3）由1L伸长到2L；（4）由1h压缩到1/2h；27、金属经热变性后，其组织和性能有哪些变化？答：I、提高材料致密性和力学性能热加工可消除铸造材料中的某些缺陷，如焊合气孔、疏松；部分消除偏析；打碎粗大的柱状晶和树枝晶；改善夹杂物或脆性相的形态与分布。提高材料的致密性，细化晶粒，提高材料的力学性能，特别是塑、韧性比铸态有显著提高。II、形成流线，使材料出现各向异性顺流线方向性能高(特别是塑、韧性)，垂直于流线方向性能较差。III、形成带状组织加工时存在两相，两个相都沿变形方向伸长，在纵切面上形成两相相间的条带状组织。由偏析造成的，压延时偏析区沿变形方向伸长成条带状，冷却时偏析区成分不同，转变成的组织不同。非金属夹杂物也会在加工中被拉长(或碎成 小粒成串链状)，先共析F通常会依附于它们而析出，形成带状组织。带状组织也使材料的力学性能产生