材料科学基础试题库(内附部分自己整理答案)

1、材料科学基础试题库一、 选择1、在柯肯达尔效应中，标记漂移主要原因是扩散偶中 _C_。 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 _B_。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_。A、莱氏体 B、珠光体 C、铁素体4、原子扩散的驱动力是 _B_。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 _C_。 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 _B_。 A、

2、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_。 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_。 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<Ke<K0 B、Ko<Ke<1 C、Ke<K0<110、面心立方晶体的孪晶面是 _。 A、112 B、110 C、11111、形成临界晶核时体积自由能的减少只能补偿表面能的 _B_。 A、1/3 B、2/3 C、3/

3、412、金属结晶过程中（ C ）：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。14、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。 ( x)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。 ( 0 )3.只有置换固溶体的两个组元

4、之间才能无限互溶，间隙固溶体则不能。 ( 0 )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。 ( x )5.固溶体凝固形核的必要条件同样是GB 0、结构起伏和能量起伏。 (x )6.三元相图垂直截面的两相区内不适用杠杆定律。 ( 0 )7.物质的扩散方向总是与浓度梯度的方向相反。 ( x )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。 ( 0 )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。 ( x)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。 ( x )四

5、、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）强化机制是AL与CU行成置换固熔体增大其位错运动阻力，达到提高其强度和硬度的作用所以其强化机制叫：固溶强化3、为什么奥氏体不锈钢（18-8型不锈钢）在450850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？室温下碳元素在奥氏体的溶解度很小，约002-003 (质量分数)，而一般奥氏体钢中含碳量均超过002-003 ，因此只能在淬火状态下使碳固溶在奥氏体中，以保证钢材具有较高的化学稳定性。但是这种淬火状态的奥氏体钢当加热到450850(2或在该温度下长期使用时，碳在奥氏体中的扩散速度

6、大于铬在奥氏体中的扩散速度。当奥氏体中含碳量超过它在窀温的溶解度(002-003)后。碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散，并和铬化合， 析出碳化铬Gr23C6。但是铬的原子半径较大，扩散速度较小，来不及向边界扩散，品界附近大量的铬和碳化合形成碳化铬，所以在晶间所形成的碳化铬所需的铬主要不是来自奥氏体晶粒内部， 而是来自品界附近。结果就使晶界附近的铬含量大为减少， 当品界含铬量小于l2 (质量分式)时，就形成“贫铬区”。造成奥氏体边界贫铬， 当晶界附近的金属含量铬量低于l2时就失去了抗腐蚀的能力，在腐蚀介质作用下，就在晶粒之自】产生腐蚀即产生晶问腐蚀。从上可知，晶间腐蚀产卡的根本原因是由于晶粒边界形

7、成贫铬层造成的。 (1)控制含碳量 (2)添加稳定剂(3)进行固溶处理(4)采用双相组织 (5)加快冷却速度4、为什么大多数铸造合金的成分都选择在共晶合金附近？因为选在共晶合金附近结晶温度区间小，所以液体流动性好啊，流动性好，充型能力好，充型能力好，铸件获得完整的结构，精度也较高.液固相线距离大枝晶偏析倾向愈大，合金流动性也愈差，形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化。所以铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择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？交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。 螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交

8、的另一滑移面的过程；螺位错的柏氏矢量与位错线平行，因此包含位错线的所有晶面都可以是螺位错的滑移面，因此当螺位错滑移受阻时，他可以在另外一个晶面上进行滑移。但是刃位错的柏氏矢量与位错线垂直，他的滑移面就只有由位错线和柏氏矢量构成的平面，所以他只能在这个面上滑移，故不能发生交滑移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？1、置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体。当溶剂和溶质原子直径相差不大，一般在15以内时，易于形成置换固溶体。铜镍二元合金即形成置换固溶体，镍原子可在铜晶格的任意位置替代铜原子。2、间隙固溶体 溶质原子分布

9、于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称间隙固溶体。间隙固溶体的溶剂是直径较大的过渡族金属，而溶质是直径很小的碳、氢等非金属元素。其形成条件是溶质原子与溶剂原子直径之比必须小于0.59。如铁碳合金中，铁和碳所形成的固溶体铁素体和奥氏体，皆为间隙固溶体。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？结晶温度间隔宽的固溶体合金，当冷却速度快时，发生不平衡结晶，先结晶的成分来不及充分扩散，使

10、先结晶的主干与后结晶的支干及支干间的成分产生差异，形成枝晶偏析。偏析程度取决于合金液凝固时的冷却速度、偏析元素扩散速度及受液固相线温度间隔支配的溶质平衡分配系数。液固相线温度间隔大的固溶体类合金，当凝固冷却速度较快时，易发生不平衡结晶，使先结晶成分来不及充分扩散而形成枝晶偏析.1.适当提高熔炼温度，加强对合金液的脱气、除渣、精炼、变质和孕育处理，加强搅拌，使合金液均匀、净化2.易产生枝晶偏析的合金，可加入适量晶粒细化剂或微冷铁3.易产生枝晶偏析的合金，可通过调整浇注温度和浇注速度、控制型温来控制铸件的凝固冷却速度，使之与溶质的分配和扩散相匹配4.均匀化退火可消除枝晶偏析12、请简述影响扩散的主

11、要因素有哪些.(1)温度；（2）晶体结构与类型；（3）晶体缺陷；（4）化学成分。13、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点？相同点：小原子溶入。不同点：间隙固溶体保持溶剂（大原子）点阵；间隙相、间隙化合物改变了大原子点阵，形成新点阵。间隙相结构简单；间隙化合物结构复杂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？临界晶核的物理意义：可以自发长大的最小晶胚（或，半径等于rk的晶核）形成临界晶核的充分条件：（1）形成rrk的晶胚；（2）获得AA*（临界形核功）的形核功。15、请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。热力学条件 G < 0 ；结构条件： r > r*

12、；能量条件： A > G max ；成分条件。   16、为什么钢的渗碳温度一般要选择在-Fe相区中进行？若不在-Fe相区进行会有什么结果？相是原始生长相，固溶度高，渗碳可以均匀分布在组织结构中。温度过低的其他相，比如马氏体，或珠光体的，不能均匀扩散到组织结构中，偏析严重，导致强度降低。温度过高，组织会重新生核成长，会破坏原来的组织结构19、位错密度有哪几种表征方式？体密度：即单位体积内的位错线长度；面密度：即垂直穿过单位面积的位错线根数。20、淬透性与淬硬性的差别。淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力；淬硬性是指在一定条件下淬火后获得马氏体组织所能达到的最高硬度。22、马

13、氏体相变的基本特征？（12分）1.无扩散性2.切变性，即由母相变为新相的晶格改组过程是以切变方式进行的3.具有一定的晶体学位相关系的惯习面，即共格切变4.转变在一定的温度范围内进行5.快速转变，一般不需要孕育期6.转变不完全，会留有相当数量的残余奥氏体23、加工硬化的原因？（6分）产生加工硬化的主要原因是金属在塑性变形时晶粒产生滑移，滑移面和其附近的晶格扭曲，使晶粒伸长和破碎，金属内部产生残余应力等，因而继续塑性变形就变得困难，从而引起加工硬化。24、柏氏矢量的意义？（6分）它描述了位错线上原子畸变特征、方向、大小；位错的畸变能和柏氏矢量的平方成正比.26、已知916时，-Fe的点阵常数0.3

14、65nm，（011）晶面间距是多少？（5分）面心立方的g-Fe，abc0.365nm，对立方晶系， 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） 温度梯度（平缓有利）；凝固速度（越快越有利）；凝固范围（越大越有利）。29、单滑移、多滑移和交滑移的意义是什么？（9分）只有一个滑移系统上的分切应力最大并达到临界分切应力，形成单滑移，这种情况下，加工硬化最弱；当拉力轴在晶体的特定取向上可能使几个滑移系的分切应力相等，在同时达到了临界分切应力时发生多滑移，这种情况下会发生加工硬化现象；交滑移是螺旋位错在两个相交的滑移面上运动，当螺型位错在一

15、个滑移面上运动遇到障碍会转到另一个滑移面上继续滑移，滑移方向不变。交滑移影响材料的塑性。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）Hall-Petch霍尔-佩奇公式，细度减小，屈服强度增加，用晶界位错塞积模型解释。对粗晶粒，晶界塞积的位错多，产生应力集中大，在变形传递中容易使位错源开动，因此屈服强度低。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。(a,厂3/3a)33、立方晶系的(111)，(110)

16、，(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？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.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。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.36、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;

17、 晶界多阻碍裂纹扩展,改善韧性.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？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。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？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.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

18、论，试述细化晶粒的基本途径。由 凝固理论可知，结晶时单位体积中的晶粒数目 z 取决于形核率 N 和晶体长大速率 Vg 两个因素，即 z N/Vg 。基本途径：    (1)  增大过冷度 T。T增加，N和Vg 都随之增加，即 z增多。    (2)  加入形核剂。加入形核剂后，可以促使过冷液体发生非均匀形核。即不但使非均匀形核所需要的基底增多，而且使临界晶核半径减小，这都将使晶核数目增加，从而细化晶粒。    (3)  振动结晶。振动结晶，一方面提供了形核所需要的能量，另一方

19、面可以使正在生长的晶体破断，以提高更多的洁净核心，从而使晶粒细化。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1、已知碳在rFe中的扩散常数D02.0×10-5m2/s，扩散激活能Q1.4X105J/mol（R8.31J/(molK)。碳势均为CP1.1C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

20、)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-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/molK）5、

21、作图表示立方晶体的、晶面和、晶向。（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A0.30，室温时为A0.10；但B在固态和室温时均不溶于A。在300时，含B=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A=0.20、A=0.80的合金在室温下的组织组成物和相组成物的相对量。 在A-B二元相图中，分析wB=0.6的合金平衡凝固后，在室温下的相组成物及组织组成物，并计算各相组成物的相对含量。          相组成：

22、A          组织组成：AAII     解：按已知条件，A-B合金相图如图4-13所示(各相区均用组织成物标注)。合金(A-0.80B):室温下由A与B两相组成，其相对量为W=(0.8-0)/(0.9-0)=89%. WA=1-=11%.室温下的组织为+ A ，其组织组成物的相对量与组成物相同，即W =89%, WA =11%.合金(A-0.55B):室温下由与两相组成，其相对量为室温下的组织为初+(A+)共晶+A。在共晶反应刚完成时。则有初+(A+)共晶

23、.冷至室温时，将由初 与共晶中析出A，但由于共晶中析出的A与共晶A连接在一起。不可分辨，故略去不计。 由初中析出的相对量为所以，室温下初的相对量为W初 = W初 - WA= 50% - 11% = 39%该合金室温下组织成物的相对量为 W初 = 39% .W(A+)共晶 =50% .WA = 11%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。A 1538 0 纯铁的熔点 C 1148 4.3 共晶点，LCld D 1227 6.69 渗碳体的熔点（计算值） E 1148 2.11 碳

24、在-Fe中的最大溶解度 G 912 0 纯铁的同素异晶转变点，-Fe-Fe   P 727 0.0218 碳在-Fe中的最大溶解度 S 727 0.77 共析点，AsP   Q 600 0.0057 600时碳在-Fe中的溶解度 ECF 共晶线 发生共晶转变，生成莱氏体（Ld）。共晶反应式为：LcLd ACD 液相线 此线以上为液相（L），缓冷至液相线时，开始结晶 AECF 固相线 此线以下为固相 PSK 共析线   A1发生共析转变，生成珠光体（P）. 共析反应式为：ASP ES Acm 碳在-Fe中的溶解度曲线 PQ   碳在-Fe中的溶解

25、度曲线 GS A3 奥氏体铁素体转变线 8、已知某低碳钢 0 =64KPa ， K=393.7 ，若晶粒直径为 50m ，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BCC 密排面为 110 面，其面积为： . 110 面上被原子占据的面积为（两个原子）： .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。FCC和HCP均按ABCABC方式堆垛；致密度也都是0.74。11、计算wc3.3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

26、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）、（111）、(221)、102、110、111（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

27、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/21012x10-10m，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。 正六边形面积 ，总边长为6a，单位面积中亚晶数目 求得a=1´10-5（m）。P/6=5*102/6=87.因为，D=2.3nm，所以六边形边长为：2.3*87=198nm,则晶梨外接圆直径d=2*198=396nm.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，碳在铁中的D0=2.0×10-5m2/s,Q=140

28、15;103J/mol,请计算：(10分)(a) 870时碳在铁中的扩散系数；(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)(a) D870=7.98×10-12 m2/s(b) 4倍时间(c) 1.44倍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。组织结构：（ 1 ）形成纤维组织：晶粒沿变形方向被拉长；（ 2 ）形

29、成位错胞；（ 3 ）晶粒转动形成变形织构. 力学性能：位错密度增大，位错相互缠绕，运动阻力增大，造成加工硬化。 物理化学性能：其变化复杂，主要对导电，导热，化学活性，化学电位等有影响。 体系能量：包括两部分：（ 1 ）因冷变形产生大量缺陷引起点阵畸变，使畸变能增大；（ 2 ）因晶粒间变形不均匀和工件各部分变形不均匀引起的微观内应力和宏观内应力。这两部分统称为存储能，其中前者为主要的。冷变形后引起的组织性能变化为合金随后的回复、再结晶作了组织和能量上的准备。 2、对铁碳合金(wc0.0015)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）&#

30、160; 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。：（ 1 ）   （

31、 2 ） I ： 初 II ，相组成与组织组成比例相同   II ： 初 （ ） 共 II （忽略）   （ 3 ）设所求合金成分为 x   （ 4 ） I 合金在快冷条件下可能得到少量的共晶组织，且呈现离异共晶的形态，合金中的 II 量会减少，甚至不出现； II 合金在快冷条件下 初呈树枝状，且数量减少。共晶体组织变细小，相对量增加。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