材料科学与工程.docx
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材料科学与工程
第一章
一、单项选择，请在题中空格处填写正确答案。
1.______是尺寸范围在～10到1000nm的材料结构，一般包含材料的平均晶粒尺寸、晶粒尺寸分布、晶粒取向和与缺陷有关的特征。
A微观结构
B纳米结构
C宏观结构
D原子结构
2．______是尺寸范围在～1到100nm的材料结构。
A微观结构
B纳米结构
C宏观结构
D原子结构
3．γ-Fe的晶格常数为a，其原子半径为______a。
A.0.5
B.0.433
C.0.354
D.1
4．α-Fe的晶格常数为a，其原子半径为______a。
A.0.5
B.0.433
C.0.354
D.1
5．Zn的晶格常数为a，其原子半径为______a。
A.0.5
B.0.433
C.0.354
D.1
6．面心立方晶胞原子数为______个。
A.2
B.4
C.8
D.6
7．密排六方晶胞原子数为______个。
A.2
B.4
C.6
D.8
8．体心立方晶胞原子数为______个。
A.2
B.4
C.8
D.6
9．立方晶系的一个晶胞中（1
0）和（11
）两晶面交线的晶向指数为______。
A.[
10]
B.[110]
C.[
1]
D.[111]
10．面心立方的晶格常数为a，（110）的晶面间距为______a。
A.0.707
B.0.577
C.0.354
D.0.433
11．体心立方的晶格常数为a，（111）的晶面间距为______a。
A.0.289
B.0.577
C.0.354
D.0.433
12．体心立方的晶格常数为a，（110）的晶面间距为______a。
A.0.707
B.0.577
C.0.354
D.0.433
13．立方晶系｛111｝晶面族有______个位向不同但原子排列情况相同的晶面。
A.2
B.4
C.8
D.3
14．立方晶系<111>晶向族有______个位向不同但原子排列情况相同的晶向。
A.2
B.4
C.8
D.3
15．体心立方晶格的配位数为______个。
A12
B8
C4
D2
16．面心立方晶格的配位数为______个。
A12
B8
C4
D2
17．体心立方晶格的八面体间隙半径R=______r。
（r为原子半径）
A0.414
B0.291
C0.155
D0.225
18．______具有体心立方的晶格。
Aα-Fe
BAl
CCu
Dγ-Fe
19．______具有密排六方的晶格。
Aα-Fe
BAl
CCu
DZn
20．______具有面心立方的晶格。
Aα-Fe
BW
CMg
DCu
判断正误，正确在括号内打√，错误在括号内打×。
1.面心立方晶格原子堆垛方式为ABAB……。
2.密排六方晶格原子堆垛方式为ABCABC……。
3.各向异性是晶体区别于非晶体的一个重要标志。
4.弹性模量和强度都对材料的显微组织很敏感。
5.结合能很高的离子键和共价键材料，具有很高的熔点、弹性模量和低的热膨胀系数。
6.晶体分为七个晶系和七种布拉菲点阵。
7.原子空间堆垛方式不同的面心立方和密排六方结构都可以获得空间最紧密的排列，配位数为12和致密度为0.74。
8.常利用X射线衍射技术（XRD）和电子衍射来研究晶体材料的晶体结构。
9.透射电子显微镜（TEM）用于材料微小尺度范围内显微组织图像特征的观察和分析。
10.实际工程材料一般为多晶体，它和单晶体一样都表现出晶体的各向异性。
11.材料的结合能越大，熔点越高，原子间距变化的力越小，材料的弹性模量越低。
12.原子结合力高的材料原子的内能越大，原子偏离的距离较小，其线热膨胀系数较低。
13.液晶高分子材料就像一种液体状的非晶态材料。
当外界的电场或者温度变化时，这些高分子材料中的分子就会在小范围内排列成晶体。
14.布拉菲点阵的结点反映的是晶体中原子或原子集团的分布规律，结点本身并不一定代表原子，点阵和晶体结构并不一定相同。
15.采用特定工艺制备的单晶材料或者是定向生长的晶体材料具有各向异性的力学性能、光学性能、磁性能和介电性能。
16.二氧化硅玻璃具有短程有序的结构，石英和其它二氧化硅晶体具有长程有序的结构。
17.晶胞的形状和大小可由三个棱边的长度及其夹角完全表达出来，这六个参数称为晶格常数。
18.立方晶系中，晶面和晶向垂直，则晶面和晶向的指数相同。
反之亦然。
19.晶面间距越小，晶面上原子的排列就越密集。
20.面心立方和体心立方均存在正八面体间隙。
21.如果间隙原子尺寸很大，它会进入配位数更大的间隙。
22.半径比为0.225-0.414的原子会进入四面体间隙，半径比大于0.414的原子进入八面体间隙。
23.许多离子晶体可以看成是由大尺寸的阴离子紧密堆垛而成的，小尺寸的阳离子位于间隙位置。
第2章
一、单项选择，请在题中空格处填写正确答案。
1．图中______段位错线为刃型位错，且额外半排原子面处于垂直于纸面朝上的位置。
ADC
BCB
CBA
DAD
2.实际晶体强度远远低于理论强度的原因，是由于实际晶体中存在大量的
A.晶界
B.亚晶界
C.空位
D.位错
3．方法不能获得过饱和点缺陷。
A高温淬火
B冷变形
C辐照
D退火
4．不属于面缺陷。
A相界面
B位错
C堆垛层错
D亚晶界
5．不属于点缺陷。
A空位
B孪晶界
C置换原子
D间隙原子
6.属于线缺陷。
A堆垛层错
B孪晶界
C位错
D间隙原子
7.利用观察位错有一定的局限性，它只能观察在表面露头的位错，而在晶体内部的位错则无法显示。
A缀饰法
B透射电镜
C蚀坑
D场离子显微镜观测方法
8.图中晶面上有—位错环，其柏氏矢量b垂直于滑移面，该位错环在切应力作用下的运动特征为_____。
A在位错环平面上攀移
B在位错环平面上滑移
C沿通过位错环的圆柱面滑移
D不能确定
9.如图所示垂直于纸面的位错，位错正向朝纸面外，在图示切应力作用下向左运动。
其柏氏矢量方向朝。
A上
B下
C左
D右
10.由派-纳力的公式可知，_____。
A滑移阻力随柏氏矢量的大小呈直线上升
B滑移阻力随滑移面的面间距呈指数下降
C滑移阻力随柏氏矢量的大小呈指数下降
D滑移阻力随滑移面的面间距呈指数上升
二、判断正误，正确在括号内打√，错误在括号内打×。
（每题1分，共10分）
1.任何一条位错线，不论其形状如何，位错线各点的柏氏矢量都相同。
2.晶体中非密排面的表面能最低，故晶体力求以非密排面作为晶体的外表面。
3.共格界面的界面能最低。
4.共格界面的应变能最低。
5.肖脱基空位是晶体中的原子迁移到晶体点阵的间隙位置，在原位置形成的空位。
6.弗兰克空位是晶体中的原子离开平衡位置，迁移到表面或其它界面而在原位置形成的空位。
7.点缺陷的平衡浓度与化学反应速率一样，随温度升高呈指数关系增加。
8.点缺陷可以造成金属物理性能与力学性能的变化，最明显的是引起电阻的增加。
9.滑移是上、下两部分晶体作整体性的刚性移动实现的。
10.空位的数量取决于材料的温度，其平衡浓度随温度升高呈直线关系上升。
11.位错线的方向t与柏氏矢量b平行，为刃型位错。
12.位错线的方向t与柏氏矢量b垂直，为螺型位错。
13.不论是刃型位错或螺型位错，位错线的运动方向总是与位错线垂直的。
14.在位错应力场作用下，溶质原于与螺型位错能发生强烈的交互作用，形成柯氏气团。
15.一根不分岔的位错线，无论其形状如何变化，它只有一个恒定的柏氏矢量。
16.位错线不能终止在晶体内部，只能终止在表面或界面，或与其它位错线连成结点。
17.使刃型位错运动的切应力方向与位错线垂直；
18.使螺型位错运动的切应力方向与螺型位错垂直；
19.不论是刃或螺型位错，使位错滑移的切应力方向和柏氏矢量b都是一致的；
20.滑移阻力随柏氏矢量的大小呈指数上升。
金属和合金的密排方向就是滑移方向。
21.滑移阻力随滑移面的面间距呈指数下降。
滑移面应为原子的面密度大，面间距大的密排面。
所以说，滑移最容易沿着晶体中最密晶面上的最密晶向进行。
22.刃型位错和螺型位错均能发生攀移运动。
23.蚀坑观察位错只适合于位错密度很高的晶体。
24.表面的曲率越小，则表面能越大。
25.大角度晶界的迁移速率较小角度晶界小。
26.奥氏体不锈钢的层错能小，层错出现的几率大，可以看到大量的层错。
27.铝的层错能小，层错出现的几率大，可以看到大量的层错。
28.和堆垛层错和孪晶界相比，界面能高的晶界阻碍滑移的能力最强。
29.和金属和合金相比，陶瓷的柏氏矢量比较小，派-纳力大。
30.在共价键晶体（如硅）和聚合物中，位错不容易运动。
31.位错攀移是一个热激活过程，通常只有在高温下攀移才对位错的运动产生重要影响，而常温下它的贡献并不大。
第三章凝固原理
一、单项选择，请在题中空格处填写正确答案。
1.具有粗糙界面的金属，其长大机理为______长大。
A二维晶核
B垂直
C螺位错
D刃位错
2．在负的温度梯度下，常用纯金属都是以______方式生长。
A台阶
B胞状
C平面
D树枝状
3．不利于提高非均匀形核时形核率的因素是______。
A很大的过冷度
B凹曲面的固体杂质
C很大的过热度
D变质处理
4．不利于细化晶粒的工艺是______。
A提高过冷度
B变质处理
C振动搅拌
D减小过冷度
5．金属凝固时，______。
A一定为晶体
B一定为非晶体
C任何冷速下都可以得到晶体和非晶体
D只有在快速凝固时才能得到非晶体
6．金属凝固时，临界晶核半径大小______。
A与晶核表面能、过冷度成反比
B与晶核表面能成正比，与过冷度成反比
C与晶核表面能、过冷度成正比
D与晶核表面能成反比，与过冷度成正比
7．有形状、尺寸相同的4个Cu-Ni合金铸件，铸造以后自然冷却，偏析较严重的是含_____%Ni的铸件。
A10
B50
C90
D95
8．假设过冷液体中出现一个立方体晶胚，形核功______。
A等于表面能
B等于表面能的1/2
C等于表面能的1/3
D等于表面能的2/3
9．假设过冷液体中出现一个球形晶胚，形核功______。
A等于体积自由能
B等于体积自由能的1/2
C等于体积自由能的1/3
D等于体积自由能的2/3
10．假设过冷液体中出现一个球形体晶胚，体积自由能______。
A等于表面能
B等于表面能的1/2
C等于表面能的1/3
D等于表面能的2/3
二、判断正误，正确在括号内打√，错误在括号内打×。
1.过冷度越大，则形核率越大，长大速率越小，所以晶粒细化。
2.所谓临界晶核，就是体系自由能的减少完全补偿表面自由能增加时的晶胚大小。
3.无论温度分布如何，常用纯金属都是以树枝状方式生长。
4.纯铝铸锭铸造时采用铁模比采用砂模可以得到更多的柱状晶区。
5.金属在熔化温度以上剧烈的过热并使液体的浇铸温度增高有利于柱状晶区生长。
6.不管是纯金属还是固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相的成分都完全一样。
7.当过热度很大时，将使固态杂质质点全部熔化，使非均匀形核转变为均匀形核，形核率大大降低。
8.典型的金属结晶时，固相表面多是光滑界面。
9.晶体缺陷在粗糙界面的生长过程中不起明显作用。
它的长大速度很快。
10.在型壁的微小裂缝或小孔、凹坑处，最不易结晶。
11.变质处理有利于铸锭中心等轴晶区得发展。
12.变质处理中的活性质点降低与晶核的接触角θ，降低表面能，使形核功降低，形核率增大，因此使晶粒细化。
13.理论结晶温度的物理意义，就是液态和固态自由能相等时所对应的温度。
14.液态金属的冷却速度越快，过冷度就越小。
15.对于纯金属，熔点是固定的。
正的温度梯度意味着由晶体表面向液体内的过冷度逐渐降低。
16.对于纯金属，熔点是固定的。
负的温度梯度意味着由晶体表面向液体内的过冷度逐渐降低。
17.很纯的金属凝固后，不易看到枝晶，只能看到各个晶粒的边界。
18.对于光滑度大的晶体来说，即使在负的温度梯度下，仍有可能长成规则形状的晶体。
19.在相同条件下，体积小、表面积较大的的铸件冷却速度更慢。
20.凝固速度越快，二次枝晶臂间距越大。
21.对于某些金属材料，采用106℃/s以上的冷却速度的快速凝固工艺可以抑制晶核形成，得到金属玻璃。
22.实际金属的结晶主要按均匀形核方式进行。
23.纯金属形核既需要结构起伏，也需要能量起伏。
24.在正的温度梯度下长大时，光滑界面的一些小晶面互成一定角度，呈锯齿状；
25.在正的温度梯度下长大时，粗糙界面的形态为平行于等温面的平直界面呈平面长大方式。
26.在负的温度梯度下长大时，一般金属和亚金属的界面都呈树枝状。
27.金属铸锭的宏观组织，任何条件下都存在急冷区、柱状晶区和等轴晶区三个晶区。
28.布里奇曼（Bridgman）法和切克劳斯基（Czochralski）法是制造Si，GaAs，LiNbO3等单晶材料最为常用的方法。
29.一般高熔点的钢铁材料希望得到更多的柱状晶。
30.一些低熔点、塑性好的有色金属，一般希望有较多的等轴晶。
31.在Si基体上外延生长掺杂P的Si薄膜材料属于异质外延生长。
第4章
一、单项选择，请在题中空格处填写正确答案。
1.______扩散属于体扩散。
A表面
B晶界
C位错
D晶格
2．下列四种扩散途径，______扩散系数最低。
A表面
B晶界
C位错
D晶格
3．在置换固溶体中，原子最不可能通过______扩散方式进行。
A空位
B间隙
C环形换位
D直接换位
4．通过扩散使固溶体的溶质组元浓度超过固溶度极限而形成新相的过程称为______。
A反应扩散
B自扩散
C相变扩散
D互扩散
5．不伴随有浓度变化，与浓度梯度无关的扩散称为______。
A反应扩散
B自扩散
C原子扩散
D上坡扩散
6．伴随有浓度变化，与浓度梯度有关的扩散称为______。
A反应扩散
B自扩散
C体扩散
D互扩散
7．如果添加元素溶入到溶剂金属中而使熔点下降，那么，在任一温度下，互扩散系数均_____。
A降低
B增大
C不受影响
D先增大后降低
8．晶体的致密度越高，则______。
A扩散激活能越小，扩散系数减小，
B扩散激活能越大，扩散系数减小，
C扩散激活能越小，扩散系数增大，
D扩散激活能越大，扩散系数增大，
9．菲克第一定律表达式为______。
AJ=-D（dc/dx）
BJ=D（dc/dx）
CJ=-D（dx/dc）
DJ=D（dx/dc）
10．菲克第二定律表达式为______。
A∂J/∂x=∂c/∂t
B-∂J/∂x=∂t/∂c
C-∂J/∂x=∂c/∂t
D-∂J/∂t=∂c/∂x
11．对于典型的原子扩散过程，扩散系数D符合Arrhenius公式：
AD=D0exp（-QT/R）
BD=D0exp（-Q/RT）
CD=D0exp（Q/RT）
DD=D0exp（-T/RQ）
12．菲克第二定律表达式为______。
AdJ/dx=dc/dt
B-dJ/dx=dt/dc
C-dJ/dx=dc/dt
D-dJ/dt=dc/dx
二、判断正误，正确在括号内打√，错误在括号内打×。
1.原子沿晶界扩散比晶内扩散要慢的多。
2.间隙原子的扩散激活能比置换原子的大，所以扩散速度比较大。
3.过饱和固溶体的分解过程属于下坡扩散，结果使合金趋向于分解为复相组织。
4.铸锭的均匀化退火属于下坡扩散。
5.指定区域浓度不随时间而变化的扩散，称为稳定扩散。
扩散第二定律适用于稳定扩散。
6.浓度随时间而变化的扩散称为不稳定扩散。
扩散第二定律适用于不稳定扩散。
7.由菲克第一定律可知，浓度梯度一定时，扩散仅取决于扩散系数。
8.温度低时，晶界扩散起重要作用；随温度升高，晶粒内空位的密度逐渐增大，扩散速度加快，晶界扩散所占比例减小。
9.原子沿位错线扩散的激活能高于晶内扩散的扩散激活能。
10.钢的氧化、渗氮、渗硼均与反应扩散有关。
11.扩散系数D强烈地依赖于温度，它与温度T的关系遵循直线关系。
12.溶剂和溶质的原子半径越接近,则溶质的扩散系数越大。
13.金属的熔点越高，原子间的结合力越强，则原子越不容易离开其平衡位置，因而自扩散激活能越大。
14.原子扩散的驱动力总是与化学位下降的方向一致，扩散朝着浓度减小的方向进行。
15.温度较低时，短路扩散起主导作用。
16.温度较高时，晶格扩散起主要作用。
17.温度升高则位错密度增大，有利于扩散。
18.空位扩散机制适合于纯金属的自扩散和置换固溶体中原子的扩散。
19.间隙扩散机制适合于间隙固溶体中间隙原子的扩散。
在溶剂金属中固溶度较小的元素，其扩散系数常常较大。
形成连续固溶体的合金元素的扩散系数则较小。
材料的力学性能
第五章
一、选择题：
1.晶体材料变形的三个阶段分别是（）。
（a）弹性变形、粘流变形和断裂（b）弹性变形、弹塑性变形和断裂
（c）弹性变形、高弹变形和断裂（d）高弹变形、弹塑性变形和断裂
2.通过拉伸实验可以得到的强度指标是（）。
（a）σs、σb、σk和δk（b）σs、σb和σk
（c）σs、σb、σk和Ψk（d）σs、σb、σk和Ak
3.通过拉伸实验可以得到的塑性指标是（）。
（a）σk和δk（b）σs、σb和σk
（c）δk和Ψk（d）σs、σb、σk和Ak
4.常用的韧性指标有（）。
（a）Ak、σb（b）σb、σk（c）Ak、KⅠC（d）KⅠC、σk
5.金属机件或构件在变动载荷长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为（）。
（a）断裂（b）脆性断裂（c）疲劳（d）腐蚀断裂
6.典型的疲劳断口分（）个区域。
（a）1（b）2（c）3（d）4
7.疲劳曲线水平部分所对应的应力，它表示材料经受无限多次应力循环而不断裂的最大应力，该应力值称为（）。
（a）疲劳极限（b）最大应力（c）断裂应力（d）抗拉强度
8.机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而使物质损伤的现象称为（）。
（a）磨损（b）摩擦（c）疲劳（d）接触疲劳
9.机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑（松散的尺寸与形状均不相同的碎屑），使表面材料逐渐损失（导致机件尺寸变化和质量损失），造成表面损伤的现象即为（）。
（a）磨损（b）接触疲劳（c）断裂（d）失效
10.在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小时发生的，它是因缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损称为（）。
（a）磨粒磨损（b）粘着磨损（c）腐蚀磨损（d）氧化磨损
11.规定产生0.2%残余变形的应力为条件屈服强度，用符号（）表示。
（a）σb（b）σs（c）σ0.2（d）σk
12.强度极限用符号（）表示。
（a）σb（b）σs（c）σ0.2（d）σk
13.发生明显塑性变形后而发生的断裂称为（）。
（a）韧性断裂（b）脆性断裂（c）疲劳断裂（d）延时断裂
14.断裂前无明显塑性变形的断裂称为（）。
（a）韧性断裂（b）脆性断裂（c）疲劳断裂（d）延时断裂
15.布氏硬度值的表示符号是（）。
（a）HRC（b）HV（c）HRA（d）HBS
16.金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象称为（）。
（a）高温断裂（b）塑性变形（c）高温蠕变（d）弹塑性变形
17.在规定温度（T）下，使试样在规定时间内产生规定蠕变应变的最大应力，以符号
表示，该值称为（）。
（a）强度极限（b）变形极限（c）蠕变极限（d）持久强度极限
18.在规定温度（T）下，达到规定的持续时间（
）而不发生断裂的最大应力，以
表示，该指标称为（）。
（a）强度极限（b）变形极限（c）蠕变极限（d）持久强度极限
19.冲击功用符号（）表示。
（a）ψ或ψk（b）δ或δ10、δ5（c）Ak（d）σk
20.洛氏硬度值的表示符号是（）。
（a）HRC（b）HV（c）HBW（d）HBS
二、判断题：
1.静载荷是指大小不变的载荷。
（）
2.屈服极限是表征材料抵抗断裂能力的力学指标。
（）
3.所有的材料均有明显的屈服现象。
（）
4.沿晶断裂多为脆性断裂。
（）
5.强度极限用符号σb表示。
（）
6.生产中HRC常用于测量退火钢、铸铁及有色金属。
（）
7.σb一定大于σk。
（）
8.疲劳断裂属于韧性断裂。
（）
9.承受弯曲的旋转轴，只要最大应力小于该材料的屈服极限就不会发生塑性变形，如果小于该材料的抗拉强度就不会断裂。
（）
10.典型的疲劳断口分为疲劳裂纹产生区、疲劳裂纹扩展区2个区域。
（）
11.疲劳裂纹多萌生于机件表面。
（）
12.拖拉机履带与地面之间的磨损属于磨粒磨损。
（）
13.穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。
（）
14.冲击韧性用符号Ak表示。
（）
15.通过热处理可以改变材料的弹性模量。
（）
16.磨损分为粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、微动磨损。
17.检测淬火后的硬度值可以选用洛氏硬度。
18.零件表面的粗糙度愈大，其疲
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