材料科学基础练习题

材料科学基础练习题

综合题一：材料的结构

1谈谈你对材料学科和材料科学的认识。

2金属键与其它结合键有何不同，如何解释金属的某些特性？

3说明空间点阵、晶体结构、晶胞三者之间的关系。

4晶向指数和晶面指数的标定有何不同？其中有何须注意的问题？

5画出三种典型晶胞结构示意图，其表示符号、原子数、配位数、致密度各是什

么？

6碳原子易进入a-铁，还是b-铁，如何解释？

7研究晶体缺陷有何意义？

8点缺陷主要有几种？为何说点缺陷是热力学平衡的缺陷？

9位错概念是在什么背景下提出的？其易动性是如何实现的？

10试述位错的性质。

11试述柏氏矢量的意义。

12与位错有关的三个力的表达式各是什么？简述其求解原理。

13柯氏气团是如何形成的？它对材料行为有何影响？

14晶体中的界面有何共性？它对材料行为有何影响？

综合题二：凝固、相结构与相图

1简述合金相的分类，固溶体与纯金属相比，有何结构、性能特点？

2固溶体与纯金属的结晶有何异同？

3试述匀晶系不平衡结晶的过程（平均成分线的形成、两种偏析）

4分析共晶系合金典型的不平衡结晶组织及其形成原因。

5试述含碳量对平衡组织和性能的影响（相含量、形态的变化）。

6说明三元相图的水平截面、垂直截面及投影图的应用。

7分析两种合金平衡冷却过程，指出其室温组织。

8指出Fe-Fe3C相图中适合锻造、铸造、冷塑变、热处理加工的成分范围，说

明原因。

9什么是过冷？为何说过冷是凝固的必要条件？

10分析界面结构和温度梯度对晶体生长形态的影响。

11根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。

12判断不同温度下晶核半径与自由能变化关系曲线。

13画图说明成分过冷的形成，成分过冷对晶体生长形状有何影响？

14常见的铸锭缺陷有哪些？

15液态金属凝固时需要过冷，那么固态金属熔化时是否需要过热？为什么？

16谈谈你所了解的凝固新技术及其应用。

综合题三：扩散、塑变与再结晶

1可不可以说扩散定律实际上只有一个，为什么？

2渗碳为什么在奥氏体中而不在铁素体中进行？

3在研究纯铁渗碳时，通常假定渗碳气氛的渗碳能力足以使奥氏体的溶碳量达到

饱和，且渗碳开始工件表面可迅速获得•个恒定的表面浓度CS,此浓度在整个

过程中维持不变。

•结合Fe-Fe3C相图，分别画出纯铁在930℃和800c渗碳时，渗碳铁棒

的成分一距离曲线示意图。

・选择温度低于727°C,能否达到渗碳的目的，为什么？

4试分析材料强化常用的方法、机制及适用条件。

5为何晶粒越细、材料的强度越高，其塑韧性也越好？

6何谓单滑移、多滑移和交滑移？画出三者滑移线的形貌。

7试分析单晶体滑移和挛生变形的异同点。

8某面心立方晶体的可动滑移系为（111）[110]o

•指出引起滑移的单位位错的博士矢量。

•若滑移是由纯刃型位错引起的，试指出位错线的方向。

•若滑移是由纯螺型位错引起的，试指出位错线的方向。

•指出在上述（2）、（3）两种情况下滑移时位错线的滑移方向。

9若单晶体铜的表面恰为（100）,假设晶体可以在各个滑移系上进行滑移，

试分析表面上滑移线形貌。若晶体表面为（111）呢？

10鸨板在1100°C加工变形，锡板在室温下变形，它们的组织结构有何变化？

11根据形变金属退火后晶粒尺寸与变形量关系示意图，

•将一锲形铜片置于间距恒定的两轧辑间轧制，画出此铜片经完全再结晶后晶粒

大小沿片长方向变化示意图。

•一块纯锡板被子弹击穿，试画出弹孔周围组织变化示意图。

12热加工和冷加工是如何划分的，分析热加工和冷加工过程中的组织与性能变

化。

13绘出第六章内容结构框图。

14绘出第七章内容结构框图。

15绘出第八章内容结构框图。

综合题四：固态相变与新型材料

1固态相变与凝固两过程有何异同？

2说明固态相变比液态材料结晶阻力大的原因。

3说明晶体缺陷促进固态相变形核的原因。

4描述脱溶转变的相变过程，并建立它与马氏体回火转变过程的联系。

5再结晶和调幅分解是相变过程吗，为什么？

6分析调幅分解的热力学条件。

7试述马氏体高强度、高硬度的原因。

8列表说明下列内容。

形成条件相变类型组成相亚结构性

能特点形貌特征

P

PT

S

M

B

9画图说明A-M转变。

10谈谈你对组织结构、加工工艺、化学成分和性能四者之间的关系。

11简述复合材料增强原理。

12简述复合材料界面结合类型，如何改善界面结合状态。

试题一

一、图1是NaQ的理想晶胞结构示意图，试回答：

1.晶胞分子数是多少；

2.结构中何种离子做何种密堆积；何种离子填充何种空

隙，所占比例是多少；

3.结构中各离子的配位数为多少，写出其配位多面体；

4.叱算说明O?的电价是否饱和；

5.画出Na,。结构在（001）面上的投影图。

图2是高岭石（AI2O3•2SiO2-2H2O）结构示意图，试回答:图

1

1.请以结构式写法写出高岭石的化学式；2.高岭石属于哪种硅酸盐结构类型;

3.分析层的构成和层的堆积方向；4.分析结构中的作用力；

5.根据其结构特点推测高岭石具有什么性质。

三、简答题：

1.晶体中的结构缺陷按几何尺寸可分为哪几类？

2.什么是负扩散？3.烧结初期的特征是什么？

4.硅酸盐晶体的分类原则是什么？

5.烧结推动力是什么？它可凭哪些方式推动物质的迁移？

6.相变的含义是什么？从热力学角度来划分，相变可以分为哪几类？

四、出下列缺陷反应式：

1.NaCl形成肖特基缺陷；2.Agl形成弗仑克尔缺陷（Ag+

进入间隙）；

3.TiO?掺入至ijNb?。：,中，请写出二个合理的方程，并判断可能成立的方程是哪

一种？再写出每个方程的固溶体的化学式。

4.NaCl溶入CaCk中形成空位型固溶体

五、表面力的存在使固体表面处于高能量状态，然而，能量愈高系统愈不稳定,

那么固体是通过何种方式降低其过剩的表面能以达到热力学稳定状态的。

六、粒径为1口的球状AI2O3由过量的MgO微粒包围，观察尖晶石的形成，在恒定

温度下，第一个小时有20%的Al。,起了反应，计算完全反应的时间：⑴用杨德方

程计算；⑵用金斯特林格方程计算。

七、请分析熔体结构中负离子团的堆积方式、聚合度及对称性等与玻璃形成之关

系。

八、试从结构和能量的观点解释为什么D品QD晶内？

九、试分析二次再结晶过程对材料性能有何影响？工艺上如何防止或延缓二次再

结晶的发生？

十、图3是A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题：

1.写出点P,R,S的成分；

2.设有2kgP,问需要多少何种成分的合金Z才可混熔成6kg成分为R的合金。

十一、图4是A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题：

1.在图上划分副三角形、用箭头表示各条线上温度下降方向及界线的性质；

2.判断化合物D、F的性质；

3.写出各三元无变量点的性质及其对应的平衡关系式；

4.写出组成点G在完全平衡条件下的冷却结晶过程；

5.写出组成点H在完全平衡条件下的冷却结晶过程，写出当液相组成点刚刚到达

Ei点和结晶结束时各物质的百分含量（用线段比表示）。

B

图4

试题二

1）（12分）根据CaTiQ,晶胞图（见图1）回答下列问题：

1、晶面BCGF、DEG的晶面指数；晶向DF、HA的晶向指数。

2、结构中各离子的配位数为多少，写出其配位多面体；

3、晶胞分子数是多少？何种离子添何种空隙，空隙利用率是多少？

4、结构中是否存在Ti（V离子，为什么？

2）（11分）图2是镁橄榄石（MgzlSiO/）结构示意图，试回答：

1.镁橄榄石属于哪种硅酸盐结构类型；2.计算说明O'的电价是否饱和；

3.结构中有几种配位多而体，各配位多面体间的连接方式怎样？

4.镁橄榄石是否容易形成玻璃，为什么？

二、（10分）写出下列缺陷反应式：

1、NaCl形成肖脱基缺陷。2、Agl形成弗伦克尔缺陷（Ag‘进入间隙）

3、TiO?掺入到NbzQ,中，请写出二个合理的方程，写出固溶体的化学式，并判断可

能成立的方程是哪一种？

三、（10分）判断下列叙述是否正确？若不正确，请改正。

1.NazO-SiO?系统中随SiOz含量的增加，熔体的粘度将降低。

2.扩散的推动力是浓度梯度，所有扩散系统中，物质都是由高浓度处向低浓度处

扩散。

3.晶粒正常长大是小晶粒吞食大晶粒，反常长大是大晶粒吞食小晶粒。

4.固溶体是在固态条件下，一种物质以原子尺寸溶解在另一种物质中形成的单相

均匀的固体。

5.在热力学平衡条件下，二元凝聚系统最多可以3相平衡共存，它们是一个固相、

一个液相和一个气相。

四、（6分）什么叫弛豫表面？NaCl单晶表面具有什么样的结构特点？

五、（6分）巳知Zn"和er?+在尖晶石ZnCrO,中的自扩散系数与温度的关系分别为

356732x4.18///no/2

DZMZHCR~6.0x10exp(—)m/s

RT

DcUZnCQ=8.5x10-3exp(-空处署皿)*/

1）试求1403K时Zn2+和Cr*在ZnCrO”中的扩散系数。

2）如将细伯丝涂在两种氧化物ZnO和Cr。的分界线上，然后将这些压制成型的

样品进行扩散退火。（标记物伯丝非常细，不影响离子在不同氧化物之间的扩散）。

根据所得数据判断钳丝将向哪一方向移动？

六、（6分）为什么在成核一生成机理相变中，要有一点过冷或过热才能发生相变?

什么情况下需过冷，什么情况下需过热，各举一个例子。

七、（6分）粒径为球状AU）3由过量的MgO微粒包围，观察尖晶石的形成，在

恒定温度下，第一个小时有20%的A1。起了反应，分别用扬德方程、金斯特林格

方程计算完全反应的时间，对计算结果进行比较并说明为什么？

八、（6分）陶瓷材料中晶粒的大小与什么有关？工艺上如何控制晶粒尺寸

（请列出三种途径）？

九、（26分）图3是A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题：

1.在图上划分副三角形、用箭头表示各条界线上温度下降方向及界线的性质；

2.判断化合物D、M的性质；

3.写出各三元无变量点的性质及其对应的平衡关系式；

4.写出组成点G在完全平衡条件下的冷却结晶过程；

5.写出组成点H在完全平衡条件下进行加热时，开始出现液相的温度和完全熔融

的温度；写出完全平衡条件下进行冷却，结晶结束时各物质的百分含量（用线段

比表示）。

图1Tf

0

(a)

图2

c

图3

-、选择题：

第6章

1.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

第7章

2.在二元系合金相图中，计算两相相对量的杠杆法则用于o

(A)单相区中(B)两相区中(C)三相平衡水平线上

3.已知Cu的T”=1083%：,则Cu的最低再结晶温度约为<,

(A)100℃(B)200℃(C)300℃

4.能进行攀移的位错必然是o

(A)刃型位错(B)螺型位错(C)混合位错

5.A和A-B合金焊合后发生柯肯达尔效应，测得界面向A试样方向移动，

则o

(A)A组元的扩散速率大于B组元

(B)B组元的扩散速率大于A组元

(C)A、B两组元的扩散速率相同

6.，位错滑移的派-纳力越小。

(A)位错宽度越大(B)滑移方向上的原子间距越大(C)相

邻位错的距离越大

7.形变后的材料再升温时发生回复与再结晶现象，则点缺陷浓度下降明显发生

在0

（A）回复阶段（B）再结晶阶段（C）晶粒长大阶段

第6章

8.凝固时在形核阶段，只有核胚半径等于或大于临界尺寸时才能成为结晶的核

心，当形成的核胚半径等于临界半径时，体系的自由能变化0

（A）大于零（B）等于零（C）小于零

9.铸锭凝固时如大部分结晶潜热可通过液相散失时，则固态显微组织主要

为。

（A）树枝晶（B）柱状晶（C）胞状晶

10.下述有关自扩散的描述中正确的为o

（A）自扩散系数由浓度梯度引起

（B）自扩散又称为化学扩散

（C）自扩散系数随温度升高而增加

11.fee>bee>hep三种单晶材料中，形变时各向异性行为最显著的

是。

（A）fee（B）bee（C）hep

12.对于变形程度较小的金属，其再结晶形核机制为o

（A）晶界合并（B）晶界迁移（C）晶界弓出

13.形变后的材料在低温回复阶段时其内部组织发生显著变化的

是。

（A）点缺陷的明显下降

（B）形成亚晶界

（C）位错重新运动和分布

第6章

14.凝固时不能有效降低晶粒尺寸的是以下哪种方法？

（A）加入形核剂（B）减小液相过冷度（C）对液相实施搅拌

15.对离异共晶和伪共晶的形成原因，下述说法正确的是。

（A）离异共晶只能经非平衡凝固获得

（B）伪共晶只能经非平衡凝固获得

（C）形成离异共晶的原始液相成分接近共晶成分

16.高分子材料中的C-H化学键属于。

（A）氢键（B）离子键（C）共价键

17.属于物理键的是。

（A）共价键（B）范德华力（C）氢键

18.体心立方晶体的致密度为o

（A）100%（B）68%（C）74%

19.以下不具有多晶型性的金属是o

（A）铜（B）镒（C）铁

20.面心立方晶体的李晶面是o

（A）[112}（B）{110}（C）{111}

21.任一合金的有序结构形成温度无序结构形成温度。

（A）低于（B）高于（C）可能低于或高于

22.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）肖特基缺陷（B）弗仑克尔缺陷（C）线缺陷

23.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随变化。

（A）距离（B）时间（C）温度

24.在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为o

（A）原子互换机制（B）间隙机制（C）空位机制

25.原子扩散的驱动力是o

（A）组元的浓度梯度（B）组元的化学势梯度（C）温度梯度

26.在弹性极限oe范围内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象称为

（A）包申格效应（B）弹性后效（C）弹性滞后

27.塑性变形产生的滑移面和滑移方向是

（A）晶体中原子密度最大的面和原子间距最短方向

（B）晶体中原子密度最大的面和原子间距最长方向

（C）晶体中原子密度最小的面和原子间距最短方向

28.三种典型晶体结构中，具有最多的滑移系，因此具有这种晶体结

构的材料塑性最好。

（A）bcc（B）fee（C）hep

29.在纯铜基体中添加微细氧化铝颗粒不属于一下哪种强化方式？

（A）复合强化（B）弥散强化（C）细晶强化

30.固体中原子和分子迁移运动的各种机制中，得到实验充分验证的是

（A）间隙机制（B）空位机制（C）交换机制

31.原子迁移到间隙中形成空位-间隙对的点缺陷称为

（A）肖脱基缺陷（B）Frank缺陷（C）堆垛层错

32.以下材料中既存在晶界、又存在相界的是

（A）李晶铜（B）中碳钢（C）亚共晶铝硅合金

二、判断题：（在题后括号内填入“对”或“错”，每题1分，共15分）

A--

1.离子键的正负离子相间排列，具有方向性，无饱和性。（错）

2.复杂晶胞与简单晶胞的区别是，除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点。

（对）

3.晶体结构的原子呈周期性重复排列，即存在短程有序。（错）

4.溶质与溶剂晶体结构相同是置换固溶体形成无限固溶体的必要条件。（对）

5.非金属和金属的原子半径比值rx/rm>0.59时，形成间隙化合物，如氢化物、

氮化物。（错）

6.弗兰克缺陷是原子迁移到间隙中形成的空位-间隙对。（对）

7.由于晶体缺陷处点阵畸变较大，原子处于较高的能量状态，易于跃迁，故扩散

激活能较小。（对）

8.由于均匀形核需要的过冷度很大，所以液态金属多为非均匀形核。

（对）

9.再结晶过程中显微组织重新改组，形成新的晶体结构，因此属于相变过程。

（错）

10.滑移面和滑移方向总是晶体中原子密度最大的面和方向。（对）

B——

1.共价键通过共用电子对而成，具有方向性和饱和性。（对）

2.晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列;而非晶体中的原子则是无规

则排列的。（对）

3.选取晶胞时，所选取的正方体应与宏观晶体具有同样的对称性。（错）

4.空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，只有14种类型，而实际存在的晶

体结构是无限的。（对）

5.形成置换固溶体的元素之间能无限互溶，形成间隙固溶体的元素之间只能有限

互溶。（错）

6.晶向所指方向相反，则晶向指数的数字相同，但符号相反。（对）

7.滑移时，刃型位错的运动方向始终平行于位错线，而垂直于柏氏矢量。（错）

8.置换固溶体中溶质原子要高于间隙固溶体中的溶质原子的扩散速度。（错）

9.晶界本身的强度对多晶体的加工硬化贡献不大，而多晶体加工硬化的主要原因

来自晶界两侧晶粒的位向差。（对）

10.聚合型合金的抗变形能力取决于两相的体积分数。（错）

1.同位素的原子具有相同的质子数和中子数。（错）

2.立方晶系中，晶面族｛111｝表示正八面体的面。（对）

3.晶向指数＜uvw〉和晶面指数（hk1）中的数字相同时，对应的晶向和晶面

相互垂直。（对）

4.bcc的间隙不是正多面体，四面体间隙包含于八面体间隙之中。（对）

5.位错线只能终止在晶体表面或界面上，而不能中止于晶体内部。

（对）

6.温度越高，原子热激活能越大，扩散系数越大。（对）

7.塑性变形会使金属的导电性升高，抗腐蚀性下降。（错）

8.原子密度最小的晶面上面间距最大、点阵阻力最小。（错）

9.李生临界切应力比滑移的大得多，只有在滑移很难进行的条件下才会发生。

（对）

10.再结晶晶粒长大的驱动力是来自晶界移动后体系总的自由能的降低。

（对）

三、名词解释：

1.金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成键合。

2.空间点阵：将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点latticepoint）,

即可得到一个由无数儿何点在三维空间排列成规则的阵列。

3.晶面族：晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同

的晶面，归并为同一晶面族，用｛hk1｝表示。

4.晶带轴：所有平行或相交于同一直线的这些晶面构成一个晶轴，此直线称为晶

带轴。

5.固溶体：以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其它组元原子（溶质原子）

所形成的均匀混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。

6.中间相：两组元A和B组成合金时，除了可以形成以A为基或以B为基的固溶

体外，所形成的晶体结构与A、B两组元均不相同的新相，称为中间相。

7.均匀形核：新相晶核在目相中均匀地生成，即晶核由一些原子团直接形核，不

受杂质粒子或外表面的影响。

8.非均匀形核：新相优先在目相中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或

外来表面形核。

9.匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。

10.共晶转变：由液相同时结晶出两和固型的过程称为共晶转变。该转变为恒温转

变。

11.包晶转变：已结晶的固相与剩余液相反应形成另一种固相的过程称为包晶转

变。该转变为恒温转变。

12.平衡凝固：是指极慢速条件下，凝固过程中的每个阶段都能达到平衡，即在相

变过程中有充分时间进行组元间的扩散，以达到平衡相的成分。

13.伪共晶：在非平衡凝固条件下，由某些亚共晶或过共晶成分的合金在过冷条件

下也能得全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共

晶。

14.非平衡共晶：在平衡凝固条件下应为单相固溶体的合金，在快速冷却条件下出

现的少量共晶组织称为非平衡共晶。

四、简答题：

第1章

11.原子间的结合键共有儿种？各自特点如何？（5分）a

答：

1、化学键包括：

•金属键：电子共有化，既无饱和性又无方向性

•离子键：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向

性，无饱和性

•共价键：共用电子对；饱和性；配位数较小，方向性

2、物理键如范德华力，系次价键，不如化学键强大

3、氢键：分子间作用力，介于化学键与物理键之间，具有饱和性

第2章

12.试从晶体结构的角度，说明间隙固溶体、间隙相及间隙化合物之间的区别（6

分）c

答：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体成为间隙固溶体。形成间隙固

溶体的溶质原子通常是原子半径小于O.lnm的非金属元素，如H、B、C、N、。等。

间隙固溶体保持溶剂的晶体结构，其成分可在一定固溶度极限值内波动，不能用

分子式表示。（2分）

间隙相和间隙化合物属于原子尺寸因素占主导地位的中间相。也是原子半径较小

的非金属元素占据晶格的间隙，然而间隙相、间隙化合物的晶格与组成他们的任

一组元晶格都不相同，其成分可在一定范围内波动。组成它们的组元大致都具有

一定的原子组成比，可用化学分子式来表示。（2分）

当。/“（0.59时，通常形成间隙相，其结构为简单晶体结构，具有极高的熔点和

硬度；当3/门〉0.59时，形成间隙化合物，其结构为复杂的晶体结构。（2分）

13.试以表格形式归纳总结3种典型的晶体结构的晶体学特征。（5分）c

答：书上表

第3章

14.简述晶体中产生位错的主要来源。（5分）a、b

答：晶体中的位错来源主要可有以下儿种。

1）.晶体生长过程中产生位错。其主要来源有：

①由于熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先后凝固部分成分不

同，从而点阵常数也有差异，可能形成位错作为过渡；（1分）

②由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，致使生长着的晶体偏转或弯

曲引起相邻晶块之间有位相差，它们之间就会形成位错；（1分）

③晶体生长过程中由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以及冷却时体积变化

的热应力等原因会使晶体表面产生台阶或受力变形而形成位错。（分）

2）.由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位，空位的聚集能形

成位错。（1分）

3）.晶体内部的某些界面（如第二相质点、挛晶、晶界等）和微裂纹的附近，由

于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中现象，当此应力高至足以使该局

部区域发生滑移时，就在该区域产生位错。（1分）

15.简述晶界具有哪些特性？

答：

1）晶界处点阵畸变变大，存在晶界能，故晶粒长大和晶界平直化是一个自发过程。

2）晶界处原子排列不规则，从而阻碍塑性变形，强度更高。这就是细晶强化的本

质。

3）晶界处存在较多缺陷（位错、空位等），有利原子扩散。

4）晶界处能量高，固态相变先发生，因此晶界处的形核率高。

5）晶界处成分偏析和内吸附，又富集杂质原子，因此晶界熔点低而产生“过热”

现象。

6）晶界能高，导致晶界腐蚀速度比晶粒内部更高。

16.对于同一种晶体，它的表面能与晶界能（相同的面积）哪一个较高？为什么？

（3分）c

答：对于同一种晶体，晶界能比表面能高（1分）。推导如下：

假设晶体的理想光滑的两个等面积平面合拢，会形成一个晶体内界面，该界面的

能量相当于两个外表面之和，且理想状态下破坏该界面结合所需要的能量相当于

键合能。即相同面积下，E晶界》E完整晶体键合能＞2倍E表面（2分）

第4章

17.简述影响固体中原子和分子扩散的因素有哪几方面。（3分）b

答：

1、温度；2、固溶体类型；3、晶体结构；4、晶体缺陷；5、化学成分；6、应力

的作用

（各0.5分）

第5章

18.简述金属材料经过塑性变形后，可能会发生哪些方面性能的变化。（6分）

19.金属的退火处理包括哪三个阶段？简述这三个阶段中晶粒大小、结构的变化。

（6分）

退火过程分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。回复是指新的无畸变晶粒出现

之前所产生的亚结构和性能变化的阶段；再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐

步取代变形晶粒的过程；晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大。（3分）

在回复阶段，由于不发生大角度晶界的迁移，所以晶粒的形状和大小与变形态的

相同，仍保持着纤维状或扁平状，从光学显微组织上几乎看不出变化。在再结晶

阶段，首先是在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围

的变形基体而长大，直到形变组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。

最后，在晶界表面能的驱动下，新晶粒互相吞食而长大，从而得到一个在该条件

下较为稳定的尺寸，称为晶粒长大阶段。（3分）

第7章

20.金属型浇铸的铸锭的宏观组织一般分为哪几个区，分析其形成原因？（6分）

答：

a.表层细晶区（0.5分）当液态金属注人锭模中后，型壁温度低，与型壁接触

的很薄一层熔液产生强烈过冷，而且型壁可作为非均匀形核的基底，因此，立刻

形成大量的晶核，这些晶核迅速长大至互相接触，形成由细小的、方向杂乱的等

轴晶粒组成的细晶区。（1.5分）

b.柱状晶区（0.5分）随着'‘细晶区''壳形成，型壁被熔液加热而不断升温，使

剩余液体的冷却变慢，并且由于结晶时释放潜热，故细晶区前沿液体的过冷度减

小，形核变得困难，只有细晶区中现有的晶体向液体中生长。在这种情况下，只

有一次轴（即生长速度最快的晶向）垂直于型壁（散热最快方向）的晶体才能得

到优先生长，而其他取向的晶粒，由于受邻近晶粒的限制而不能发展，因此，这

些与散热相反方向的晶体择优生长而形成柱状晶区。各柱状晶的生长方向是相同

的.（1.5分）

C.中心等轴晶区（0.5分）柱状晶生长到一定程度，由于前沿液体远离型壁,

散热困难，冷速变慢，而且熔液中的温差随之减小，这将阻止柱状晶的快速生长,

当整个熔液温度降至熔点以下时，熔液中出现许多品核并沿各个方向长大，就形

成中心等轴晶区。（L5分）

21.与平衡凝固相比较，共晶合金的非平衡凝固有何特点？（4分）

五、计算题：（每题10分，共20分）

第3章

1.在Fe中形成Imol空位需要的能量为104.675kJ,试计算从20℃升温至850

℃时空位数目增加多少倍？

空位在温度T时的平衡浓度为囿

系数A一般在1~10之间，取A=l,则

-1OW751.3449«10-$

831x1123

—信磊卜…”

13449X10-5

&23x1产

故空位增加了21349X10-1,(倍)

第4章

2.一块含0.1祝的碳钢在930℃渗碳，渗到0.05cm的地方碳的浓度达到0.45%0

在t>0的全部时间,渗碳气氛保持表面成分为1%,假设D=2.0X103exp(-140000/RT)

(m7s)o

(a)计算渗碳时间；

(b)若将渗层加深一倍，则需多长时间？

(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

870C渗碳10小时的多少倍？

解：(a)由Fick第二定律得：

P-A-(%

喇合金密度,得

005^

0.61-«rf

2y[Dt

上，HT*0.05_ccji140000、l

青囊序砺''°2"^8z314x120?1.67xl0^(ow/s)

t-1.0X10''(s)(5分)

(b)由关系式x=d®,得:

Xi=，晒^[=A^[D^

两式相比，得：

，■幺

M%

当温度相同时，D尸Dz,于是得：

4=邑=IPLD1XI.OXIO<=40X10%

4（P05）a（5分）

（c）J

因为：t930=ts70,Dg30=l.67X10（cm-/s）

82

D870=0.2Xexp（-140000/8.314X1143）^=8.0X10（cm/s）

生率叵145

所以：~4^*79xW（倍）（5分）

3.一块含0.1%C的碳钢在930℃、1%碳浓度的气氛中进行渗碳处理，经过11个

小时后在0.05cm的地方碳的浓度达到0.45队若要在0.08cm的深度达到同样的渗

碳浓度，则需多长时间？

解：由Fick第二定律得：

P7*-（A-

西边同除合金定度，#

»=»>-3,-小加（5^）

町一改2jDt

由题意可知，两种情况下渗碳前后浓度相同且渗碳温度相同，即

xx

}2（5分）

2河一2卮

故GT—I=11x（理］=28.16（小时）（10分，不准确扣1分）

（x"<0.05；

要在0.08cm深度达到同样的渗碳深度,需28.16小时。

4.有两种激活能分别为El=83.7KJ/mol和E2=251KJ/mol的扩散反应。则温度从

25℃升高到600c时对，这两种扩散的扩散系数有何变化，并对结果作出评述。

由KT得：

一一e700,次-叭

三E8.314,871X298”

-4.6x10,

251000,298-873、，

—-eip(------------(-------------)1

%&314873x298

-9.5x10*

对于温度从298K提高到873K,扩散速率D分别提高4.6X10"和9.5X10.倍，显

示出温度对扩散速率的重要影响。当激活能越大，扩散速率对温度的敏感性越大。

第5章

5.铁的回复激活能为88.9kj/mol,如果经冷变形的铁在400℃进行回复处理，

使其残留加工硬化为60%需160分钟，问在450℃回复处理至同样效果需要多少时

间？

6.已知H70黄铜(30%Zn)在400C的恒温下完成再结晶需要1小时;而在390

℃完成再结晶需要2小时，试计算在420℃恒温下完成再结晶需要多少时间？

7.已知单相黄铜400C恒温下完成再结晶需要1小时，而350c恒温时，则需要

3小时，试求该合金的再结晶激活能。

8.已知平均晶粒直径为1mm和0.0625mm的a-Fe的屈服强度分别为112.7MPa和

196MPa,问平均晶粒直径为0.0196mm的纯铁的屈服强度为多少？

9.指出Cu与a-Fe两晶体易滑移的晶面和晶向，并分别求出它们的滑移面间距、

滑移方向上的原子间距以及点阵阻力。

已知v=0.3,GCu=48300MPa,

八cinczm2G.2加入2G「2m

Ga-Fe=81600MPa盯_N=exp(-)=exp[-]

'1-vb1-v(1-v)Z?

第6章

10.已知条件：铝的熔点Tm=993K,单位体积熔化热Lm=L836X109J/m3,固液界

293

面比表面能5=93X10-3J/m2,原子体积V0=l.66X10mo

考虑在一个大气压下液态铝的凝固，对于不同程度的过冷度，即：AT=1,10,100

和200℃,计算：

(a)临界晶核尺寸；

(b)半径为r*的晶核个数；

(c)从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化4G*(形核功)；

(d)从液态转变到固态时，临界尺寸r*处的自由能的变化AGv(形核功)。

将不同△T情况下得到的计算结果列表。

11.已知液态纯裸在1.013X105Pa(l个大气压)，过冷度为319℃时发生均匀形

核。设临界晶核半径为1nm,纯锲的熔点为1726K,熔化热Lm=18075J/mol,摩

尔体积V=6.6cm3/mol,计算纯银的液-固界面能和临界形核功。

第7章

12.Mg-Ni系的一个共晶反应为：

507℃

L（23.5Wt.%Ni）=a（纯镁）+MgzNi（54.6Wt.%Ni）

设G为亚共晶合金，C?为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的重量分数相等,

但G合金中的a总量为C2合金中的a总量的2.5倍，试计算G和C的成分。

第一章材料的结构

-、解释以下基本概念

空间点阵、晶格、晶胞、配位数、致密度、共价键、离子键、金属键、组元、合

金、相、固溶体、中间相、间隙固溶体、置换固溶体、固溶强化、第二相强化。

二、填空题

1、材料的键合方式有四类，分别是（），（），（），（）o

2、金属原子的特点是最外层电子数（），且与原子核引力（），因此

这些电子极容易脱离原子核的束缚而变成（）。

3、我们把原子在物质内部呈（）排列的固体物质称为晶体，晶体物质具有

以下三个特点，分别是（），（），（）。

4、三种常见的金属晶格分别为（），（）和（）。

5、体心立方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为

（）,配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），

密排晶面为（），晶胞中八面体间隙个数为（），四面体间隙个数为

（），具有体心立方晶格的常见金属有（）。

6、面心立方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为

（）,配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），

密排晶面为（），晶胞中八面体间隙个数为（），四面体间隙个数为

（）,具有面心立方晶格的常见金属有（）。

7、密排六方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为

（）,配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），

密排晶面为（），具有密排六方晶格的常见金属有（）。

8、合金的相结构分为两大类，分别是（）和（）。

9、固溶体按照溶质原子在晶格中所占的位置分为（）和（），按照

固溶度分为（）和（），按照溶质原子与溶剂原子相对分布分为

（）和（）O

10、影响固溶体结构形式和溶解度的因素主要有（）、（）、（）、

（）O

11、金属化合物（中间相）分为以下四类，分别是（），（），（），

（）O

12、金属化合物（中间相）的性能特点是：熔点（）、硬度（）、

脆性（），因此在合金中不作为（）相，而是少量存在起到第二相

（）作用。

13、CuZn、CusZnB、CihSn的电子浓度分别为（），（），（）。

14、如果用M表示金属，用X表示非金属，间隙相的分子式可以写成如下四种形

式，分别是（），（），（），（）。

15、Fe3c的铁、碳原子比为（），碳的重量百分数为（），它是（）

的主要强化相。

三、作图表示出立方晶系（123）、（012）、（421）等晶面和［T02］、［三11］、

［346］等晶向。

四、立方晶系的｛111｝晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并注明各晶

面的晶面指数。

=2

五、某晶体的原子位于正方晶格的结点上，其晶格常数a=b*~c=。今有

一晶面在X、Y、Z坐标轴上的截距分别为5个原子间距、2个原子间距和3个原

子间距，求该晶面的晶面指数。

六、体心立方晶格的晶格常数为a,试求出（100）、（110）、（111）晶面的面

间距大小，并指出面间距最大的晶面。

七、已知面心立方晶格的晶格常数为a,试求出（100）、（110）、（111）晶面

的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。

八、试从面心立方晶格中绘出体心正方晶胞，并求出它的晶格常数。

九、证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=l.633.。

十、试证明面心立方晶格的八面体间隙半径r=0.414R,四面体间隙半径r=0.225R;

体心立方晶格的八面体间隙半径;<100>晶向的r=0.154R,〈110>晶向的r=0.633R;

四面体间隙半径r=0.291R,（R为原子半径）。

十一、a）设有一钢球模型，球的直径不变，当由面心立方晶格转变为体心立方

晶格时，试计算其体积膨胀。

b）经x射线测定，在912℃时,丫-Fe的晶格常数为0.3633nm,a

-Fe的晶格常数为0.2892nm,当由Y-Fe转变为a-Fe时，试求其体积膨胀,并与a）

相比较，说明其差别的原因

十二、已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为0.286nm和0.3607nm,分别求1cm3

中铁和铜的原子数.

十三、试计算体心立方晶格｛100｝、｛110｝、｛111｝等晶面的原子密度和〈100）、

〈110〉、<110等晶向的原子密度，并指出其最密排晶面和最密排晶向。（提

示：晶面的原子密度为单位面积上的原子数，晶向的原子密度为单位长度上的原

子数。）

十四、试计算面心立方晶格｛100｝、｛110｝、｛111｝等晶面的原子密度和〈100〉、

〈110〉、<110等晶向的原子密度，并指出其最密晶面和最密晶向。

十五、求金刚石结构中通过（0,0,0）和（3/4,3/4,1/3）两碳原子的晶向,

及与该晶向垂直的晶面。

十六、求（121）与（100）决定的晶带轴与（001）和（111）所决定的晶带轴所

构成的晶面的晶面指数。

十七、计算立方系［321］与［120］及（111）与IJ之间的夹角。

十八、为什么-Fe的溶碳能力远大于-Fe的溶碳能力？

第二章晶体缺陷

一、解释以下基本概念

肖脱基空位、弗仑克尔空位、位错、刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、位错密度、

位错的滑移、位错的攀移、弗兰克-瑞德源、派-纳力、单位位错、不全位错、堆

垛层错、位错反应、扩展位错、表面能、界面能、对称倾侧晶界、共格晶面、非

共格晶面、内吸附.

二、填空题

1、按照几何尺寸分类，晶体中存在三种缺陷，分别是（），（），

（）O

2、晶体中点缺陷主要表现形式有（）,（）和（）O

3、位错有两种基本类型，分别是（）,（）O

4、刃型位错的柏氏矢量与位错线（）,螺型位错的柏氏矢量与位错线

（）O

5、柏氏矢量代表晶体滑移的（）和（），也表示位错线周围（）

总量的大小。

6、位错的运动有两种，分别是（）和（），刃型位错的柏氏矢量与其垂

直的位错线所构成的平面称为（）,对于一条刃型位错而言，该面是唯一的，

故不可能产生（）运动。

7、体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格的单位位错的柏氏矢量分别可表

示成（）、（）和（）。

8、面心立方晶体中有两种重要的不全位错，柏氏矢量分别为（），（）。

9、晶体的面缺陷主要包括（），（），（），（）。

10、具有不同结构的两相之间的界面称为（），该界面有三种，分别是

（）,（）和（）O

三.指出下图各段位错的性质,并说明刃型位错部分的多半原子面.

b

四、如右图,某晶体的滑移面上有一柏氏矢量为b的位错环，并3

T.

（1）分析该位错环各段位错的结构类型.

（2）求各段位错线所受的力的大小及方向.

（3）在T的作用下,该位错环将如何运动？

（4）在T的作用下,若使此位错环在晶体中稳定不动,其半径应为:

五、面心立方晶体中，在（111）面上的单位位错6=2/2口10],

解为两个肖克莱不完全位错，请写出该位错反应，并证明所形成的犷展位方的览

度由下式给出：

Gt?

-----（G切变摸量，r层错能）

24nr

六、已知单位位错a/2[101]能与肖克莱不完全位错a/6[121]相结合形成弗兰克

不全位错，试说明：

（1）新生成的弗兰克不全位错的柏氏矢量。

（2）判断此位错反应能否进行？

（3）这个位错为什么称固定位错？

七、判定下列位错反应能否进行？若能进行，试在晶胞上作出矢量图。

第三章纯金属的凝固

结晶、过冷、过冷度、变构起伏、能量起伏、均匀形核、非均匀形核、临界晶核

半径、临界晶核形核功、形核率、变质处理、光滑界面、粗糙界面、树枝晶、柱

状晶、等轴晶、单晶、非晶、微晶、准晶、多晶体。

二、填空题

1、金属结晶一般发生在理论结晶温度以下，这种现象称为（），理论结晶

温度与实际结晶温度的差值叫做（），冷却速度越大，则（）越大。

2、金属结晶过程是一个不断（）和（）的过程，直至液体耗尽为止。

若由一个晶核长成的晶体叫做（），多个晶核长成的晶体叫做（）。

3、要获得结晶过程所必须的驱动力，一定要有（），过冷度（），

液固两相自由能差值（），驱动力（），临界晶核半径（），

临界晶核形核功（），形核率（），结晶后（）越细小。

4、在过冷液体中，会出现许多尺寸不同的原子小集团称为（），只有当原

子小集团的半径大于（）时，才可作为晶核而长大。

5、在形核时，系统总自由能变化是（）降低和（）增加的代数和，

前者是形核的（），后者是形核的（）。

6、均匀形核时，临界晶核形核功与过冷度的关系可表达成（），它表明当

形成临界尺寸晶核时，体积自由能补偿表面能的（），尚有（）表

面能没有得到补偿，需依靠（）。

7、非均匀形核时，其形核功大小与润湿角q有关，当q=00时，四非=（）,

当q=900时，AG非=（），当q=1800时，AG非=（）。说明润湿角q

越小，对形核越（）。

8、晶核长大与液固界面结构有关，一般粗糙界面以（）方式长大，而光滑

界面以（）方式长大。

9、为获得细晶粒，在金属结晶时通常采用（），（）和（）

等方法。

10、金属铸锭一般由三个晶区组成，表面为（），中间为（），心部

为（）。

11、非均匀形核时临界球冠半径与均匀形核临界晶核半径（），但非均匀形

核的晶核体积比均匀形核时（），当过冷度相同时，形核率（），结

晶后晶粒（）。

12、金属结晶时形核方式有（）和（），在实际铸造生产中常已（）

方式形核。

三、a）设为球形晶核，试证明均匀形核时，形成临界晶粒的AGK与其体积VK

b）当非均匀形核形成球冠形晶核时，其4GK与V之间的关系如何?

四、如果临界晶核是边长为aK的正方体，试求出其AGK与aK的关系。为什么形

成立方体晶核的4GK比球形晶核要大？

五、为什么金属结晶时一定要有过冷度？影响过冷度的因素是什么？固态金属熔

化时是否会出现过热？为什么？

六、试比较均匀形核与非均匀形核的异同点，说明为什么非均匀形核往往比均匀

形核更容易进行。

七、在其它条件相同时，试比较下列铸造条件下金属晶粒尺寸大小，并说明为什

么？

1、砂型铸造与金属型铸造

2、铸薄壁件与铸厚壁件

3、高温浇注与低温浇注

八、说明晶体成长形状与温度梯度的关系，分析在负温度梯度下，金属结晶出树

枝晶的过程。

九、简述三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点。

十、为了得到发达的柱状晶区应该采取什么措施？为了得到发达的等轴晶区应该

采取什么措施？其基本原理如何？

十一、指出下列各题错误之处，并改正之。

（1）所谓临界晶核，就是体系自由能的减少完全补偿表面能增加时的晶胚大小。

（2）在液态金属中，凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核，但是只

要有足够的能量起伏提供形核功，还是可以形核。

（3）无论温度分布如何，常用纯金属都是以树枝状方式生长。

十二、何谓非晶态金属？简述儿种制备非晶态金属的方法。非晶态金属与晶态金

属的结构和性能有什么不同？

第四章二元相图

一、解释以下基本概念

组元、相、化学位、成分过冷、平衡分配系数、自由度、相律、同素异晶转变、

匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、熔晶转变、偏晶转变、

合晶转变、组织、伪共晶、离异共晶、枝晶偏析、比重偏析、正偏析、反偏析、

区域偏析、区域提纯、铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体、变态莱氏体、一次渗

碳体、二次渗碳体、三次渗碳体。

二、填空题

1、相律是表示平衡条件下，系统的自由度数、（）数和（）之间的

关系，根据相律可知二元系最大的平衡相数是（）。

2、在二元合金相图中，根据相律，两个单相区必然交于（）点，两个单相

区之间必然存在一个（）相区，三相平衡时，系统的自由度等于（），

说明转变（）和三个相的（）都是恒定的。

3、二元合金相图杠杆定律只适用于（）区，当二元系处于两相平衡时，可

根据杠杆定律确定两平衡相的（）和计算两平衡相的（）。

4、固溶体合金在结晶时也遵循形核长大规律，形核时也需要（）起伏、

（）起伏，还需（）起伏。

5、同纯金属相比，固