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材料科学基础习题
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习题
一、名词解释
金属键;结构起伏;固溶体;枝晶偏析;奥氏体;加工硬化;离异共晶;成分过冷;热加工;反应扩散
二、画图
1在简单立方晶胞中绘出（）、（210）晶面及[、[210]晶向。
2结合Fe-Fe3C相图，分别画出纯铁经930℃和800℃渗碳后，试棒的成分－距离曲线示意图。
3如下图所示，将一锲形铜片置于间距恒定的两轧辊间轧制。
试画出轧制后铜片经再结晶后晶粒大小沿片长方向变化的示意图。
4画出简单立方晶体中（100）面上柏氏矢量为［010］的刃型位错与（001）面上柏氏矢量为［010］的刃型位错交割前后的示意图。
5画图说明成分过冷的形成。
三、Fe-Fe3C相图分析
1用组织组成物填写相图。
2指出在ECF和PSK水平线上发生何种反应并写出反应式。
3计算相图中二次渗碳体和三次渗碳体可能的最大含量。
四、简答题
1已知某铁碳合金，其组成相为铁素体和渗碳体，铁素体占82%，试求该合金的含碳量和组织组成物的相对量。
2什么是单滑移、多滑移、交滑移？
三者的滑移线各有什么特征，如何解释？
。
3设原子为刚球，在原子直径不变的情况下，试计算g-Fe转变为a-Fe时的体积膨胀率;如果测得910℃时g-Fe和a-Fe的点阵常数分别为0.3633nm和0.2892nm,试计算g-Fe转变为a-Fe的真实膨胀率。
4间隙固溶体与间隙化合物有何异同？
5可否说扩散定律实际上只有一个？
为什么？
五、论述题
τC
结合右图所示的τC（晶体强度）—ρ位错密度
关系曲线，分析强化金属材料的方法及其机制。
晶须
冷塑变
六、拓展题
1画出一个刃型位错环及其与柏士矢量的关系。
2用金相方法如何鉴别滑移和孪生变形？
3固态相变为何易于在晶体缺陷处形核？
4画出面心立方晶体中（225）晶面上的原子排列图。
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试述博士矢量的意义。
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一个恒定的表面浓度CS,此浓度在整个过程中维持不变。
（1）结合Fe-Fe3C相图，分别画出纯铁在930℃和800℃渗碳时，渗碳铁棒的成分－距离曲线示意图。
（2）选择温度低于727℃，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孪生变形的异同点。
8某面心立方晶体的可动滑移系为（111）[110]。
（1）指出引起滑移的单位位错的柏士矢量。
（2）若滑移是由纯刃型位错引起的，试指出位错线的方向。
（3）若滑移是由纯螺型位错引起的，试指出位错线的方向。
（4）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钨板在1100℃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，
（1）将一锲形铜片置于间距恒定的两轧辊间轧制，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。
（2）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
P
T
S
M
板条M
片状M
B
B上
B下
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。
13采用一定的方法（框图法、分枝法等）说明本书各章内容之间的联系。
《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）
1．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结构不是一种晶胞（a=b≠c,α＝β＝γ＝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________。
4．NaCL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b＝[00]，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。
B
P
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。
Y
Y
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
X
X
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？
B
4．在具有fcc结构的单晶体中有一ABC晶面，其
晶面指数为（11）：
（1）
A
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b1＝[11]刃型位错，在（01）晶面上有一个b2＝[111]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（）
3．fcc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。
（）
5．fcc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．<111>晶向族包括——————————————————————————————组晶向。
2．{110}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————————————————。
4．fcc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]＋[211]
2．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：
①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。
②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。
③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？
④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。
⑤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：
①写出反应式并判断是否能够进行？
②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D＝d2P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D＝1.4×10－7cm2／s
①试计算渗碳所需的时间。
②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（920～930℃），而不在铁素体相区（700～900℃），这说明Dcγ>Dcα。
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0.1~0.2％的碳钢表面达到0.8~1.0％C）
6现对纯铁在540℃进行普通渗氮，炉内氮势足以形成相（Fe2~3N），试根据Fe－N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。
Fe
N%
℃
1
2
3
4
540℃
N%
X
0
《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。
（）
△G
T3
T2
T2
△G
二．分析下面两图，哪个图正确？
T1
T1
并说明原因。
（△G－形核功
r
r
r－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（五）
1．铜和镍固态完全互溶，它们的熔点分别是TCu＝1083℃，TNi=1452℃,问：
Ni－10%Cu及Ni－50%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Pb－Sb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（六）
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）AL－CuAL2共晶属于__型共晶，AL-Si共晶属于__型共晶，Pb－Sn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）K0<1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越小，成分偏析越____,提纯效果越_____；
而K0>1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Ko>1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KO<1）
1）说明能否产生成分过冷的条件。
2）如果外界条件不变，图中C0和C1两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Dα与Dγ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Fe3CⅠ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200～300℃）
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Fe3CⅡ和Fe3CⅢ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L’d组织中P、Fe3CⅡ、Fe3C共晶和Fe3C共析的百分含量。
12求45钢、T10钢、3.0％C、5.0％C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Fe3CⅡ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
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