烟台大学《材料科学基础》试题.docx

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烟台大学《材料科学基础》试题

《材料科学基础》试卷

一、选择题（每题2分，共20分）

1．能进行攀移的位错可能是

A．弗兰克位错B.肖克莱位错C.螺型全位错

2.对Fe-Cr-C三元合金进行渗碳的反应扩散，则该合金中不能出现

A.单相区B.两相区C.三相区

3.如下说法哪个是正确的，

A.形成点缺陷所引起的熵的变化使晶体能量增加

B.晶体总是倾向于降低点缺陷的浓度

C.当点缺陷浓度达到平衡值时，晶体自由能最低

4.位错线上的割阶一般通过形成。

A．位错的交割B.交滑移C.孪生

5.金属镁的单晶体处于软取向时塑变量可达100%-200%，但其多晶体的塑性很差，其主要原因是：

A.镁多晶体的晶粒通常较粗大B.镁多晶体通常存在裂纹

C.镁滑移系通常较少D.因为镁是BCC结构，所以脆性大

6.层错和不完全位错之间的关系是：

A.层错和不完全位错交替出现B.层错和不完全位错能量相同

C.层错能越高，不完全位错伯氏矢量的模越小

D.不完全位错总是出现在层错和完整晶体的交界处

7.原子扩散过程的驱动力是：

A.组员的浓度梯度B.组元的化学势梯度

C.扩散的温度D.扩散的时间

8.纯金属均匀形核时，

A.当过冷度很小时，原子可动性低，相变驱动力低，因此，形核率低；

B.当过冷度很小时，原子可动性高，相变驱动力高，因此，形核率低；

C.当过冷度很小时，原子可动性低，相变驱动力高，因此，形核率低；

D.当过冷度很小时，原子可动性高，相变驱动力低，因此，形核率低；

9．位错塞积的一个重要效应是在它的前端引起。

A.应力偏转B.应力松弛C.应力集中

10.欲通过形变和再结晶方法获得细晶粒组织，应避免。

A．在临界形变量进行塑性变形加工B.大变形量

C.较长的退火时间D.较高的退火温度

二、判断题（正确的打“√”错误的打“×”，每题1分，共12分）

1.体心立方结构是原子的次密排结构，其致密度为0.74。

（）

2.同一种空间点阵可以有无限种晶体结构，而不同的晶体结构可以归属于同一种空间点阵。

（）

3.结晶时凡能提高形核率、降低生长率的因素，都能使晶粒细化。

（）

4.合金液体在凝固形核时需要能量起伏、结构起伏和成分起伏。

（）

5.小角度晶界的晶界能比大角度晶界的晶界能高。

（）

6.非均匀形核时晶核与基底之间的接触角越大，其促进非均匀形核的作用越大。

（）

7.固溶体合金液体在完全混合条件下凝固后产生的宏观偏析较小。

（）

8.冷形变金属在再结晶时可以亚晶合并、亚晶长大和原晶界弓出三种方式形核。

（）

9.动态再结晶是金属材料在较高温度进行形变加工同时发生的再结晶、其形变硬化与再结晶软化交替进行。

（）

10.金属-非金属型共晶具有粗糙-光滑型界面，所以它们多为树枝状、针状或螺旋状形态。

（）

11.孪生变形的速度很快是因为金属以孪生方式变形时需要的临界分切应力小。

（）

12.相图的相区接触法则是相邻相区相数差1。

（）

三、简答题（28分）

1.试述孪生和滑移的异同，比较它们在塑性过程中的作用。

（10分）

2.请简述扩散的微观机制有哪些？

影响扩散的因素又有哪些？

（8分）

3.简述材料强化的主要方法、原理及工艺实现途径。

（10分）

四、作图与计算题（40分，每题10分）

1、氧化镁（MgO）具有NaCl型结构，即具有O2-离子的面心立方结构。

问：

（1）若其离子半径

=0.066nm，

＝0.140nm，则其原子堆积密度为多少？

（2）如果

/

＝0.41，则原子堆积密度是否改变？

2、某面心立方晶体的可动滑移系为

。

（1）请指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量；

（2）若滑移由刃位错引起，试指出位错线的方向；

（3）请指出在

（2）的情况下，位错线的运动方向；

（4） 假设在该滑移系上作用一大小为0.7MPa的切应力，试计算单位刃位错线受力的大小和方向（取点阵常数为a＝0.2nm）。

3.画出Fe-Fe3C相图，并根据Fe-Fe3C相图，

（1）分别求ω（C）=2.11%，ω（C）=4.30%的二次渗碳体的析出量。

（2）画出ω（C）=4.30%的冷却曲线。

4.图（a）为固态互不溶解的三元共晶相图的浓度三角形，其中三元共晶点E的成分为ω（A）=20%，ω（B）=30%，ω（C）=50%。

图（b）为某一温度（高于TE）的水平截面图。

问：

（1）A，B和C三组元的熔点谁最低？

（2）若有一液态成分为ω（A）=60%，ω（B）=15%，ω（C）=25%的合金（其B/C成分比三元共晶合金相同）平衡凝固到室温，试分析室温平衡组织并画出平衡冷却曲线。

（3）计算该合金中共晶组织在铸锭中的质量分数。

《材料科学基础》试卷答案

一、选择题（每题2分，共20分）

1．能进行攀移的位错可能是A

A．弗兰克位错B.肖克莱位错C.螺型全位错

2.对Fe-Cr-C三元合金进行渗碳的反应扩散，则该合金中不能出现C

A.单相区B.两相区C.三相区

3.如下说法哪个是正确的，C

A.形成点缺陷所引起的熵的变化使晶体能量增加

B.晶体总是倾向于降低点缺陷的浓度

C.当点缺陷浓度达到平衡值时，晶体自由能最低

4.位错线上的割阶一般通过A形成。

A．位错的交割B.交滑移C.孪生

5.金属镁的单晶体处于软取向时塑变量可达100%-200%，但其多晶体的塑性很差，其主要原因是：

C

A.镁多晶体的晶粒通常较粗大B.镁多晶体通常存在裂纹

C.镁滑移系通常较少D.因为镁是BCC结构，所以脆性大

6.层错和不完全位错之间的关系是：

D

A.层错和不完全位错交替出现B.层错和不完全位错能量相同

C.层错能越高，不完全位错伯氏矢量的模越小

D.不完全位错总是出现在层错和完整晶体的交界处

7.原子扩散过程的驱动力是：

B

A.组员的浓度梯度B.组元的化学势梯度

C.扩散的温度D.扩散的时间

8.纯金属均匀形核时，D

A.当过冷度很小时，原子可动性低，相变驱动力低，因此，形核率低；

B.当过冷度很小时，原子可动性高，相变驱动力高，因此，形核率低；

C.当过冷度很小时，原子可动性低，相变驱动力高，因此，形核率低；

D.当过冷度很小时，原子可动性高，相变驱动力低，因此，形核率低；

9．位错塞积的一个重要效应是在它的前端引起C。

A.应力偏转B.应力松弛C.应力集中

10.欲通过形变和再结晶方法获得细晶粒组织，应避免A。

A．在临界形变量进行塑性变形加工B.大变形量

C.较长的退火时间D.较高的退火温度

二、判断题（正确的打“√”错误的打“×”，每题1分，共12分）

1.体心立方结构是原子的次密排结构，其致密度为0.74。

（×）

2.同一种空间点阵可以有无限种晶体结构，而不同的晶体结构可以归属于同一种空间点阵。

（√）

3.结晶时凡能提高形核率、降低生长率的因素，都能使晶粒细化。

（√）

4.合金液体在凝固形核时需要能量起伏、结构起伏和成分起伏。

（√）

5.小角度晶界的晶界能比大角度晶界的晶界能高。

（×）

6.非均匀形核时晶核与基底之间的接触角越大，其促进非均匀形核的作用越大。

（×）

7.固溶体合金液体在完全混合条件下凝固后产生的宏观偏析较小。

（×）

8.冷形变金属在再结晶时可以亚晶合并、亚晶长大和原晶界弓出三种方式形核。

（√）

9.动态再结晶是金属材料在较高温度进行形变加工同时发生的再结晶、其形变硬化与再结晶软化交替进行。

（√）

10.金属-非金属型共晶具有粗糙-光滑型界面，所以它们多为树枝状、针状或螺旋状形态。

（√）

11.孪生变形的速度很快是因为金属以孪生方式变形时需要的临界分切应力小。

（×）

12.相图的相区接触法则是相邻相区相数差1。

（√）

三、简答题（28分）

1.试述孪生和滑移的异同，比较它们在塑性过程中的作用。

（10分）

答：

相同点：

a.宏观上，都是切应力作用下发生的剪切变形；（1分）

b.微观上，都是晶体塑性变形的基本形式，是晶体一部分沿一定晶面和晶向相对另一部分的移动过程；（1分）

c.不改变晶体结构。

（1分）

不同点：

a.晶体中的取向

滑移：

晶体中已滑移部分与未滑移部分的位向相同。

孪生：

已孪生部分和为孪生部分的位向不同，且两者之间具有特定的位向关系。

（1分）

b.位移的量

滑移：

沿滑移方向上原子间距的整倍数，且在一个滑移面上的总位移较大。

孪生：

原子的位移小于孪生方向的原子间距，一般为孪生方向原子间距的1/n。

（1分）

c.变形方式

滑移：

不均匀切变孪生：

均匀切变（1分）

d.对塑性变形的贡献

滑移：

对塑性变形的贡献很大，即总变形量大。

孪生：

对晶体塑性变形有限，即总变形量小。

（1分）

e.变形应力

滑移：

有确定的临界分应力。

孪生：

所需临界分切应力一般高于滑移所需的临界分切应力。

（1分）

f.变形条件

滑移：

一般情况先发生滑移变形

孪生：

当滑移变形难以进行时，或晶体对称性很低、变形温度较低、加载速率较高时。

（1分）

g.变形机制

滑移：

全位错运动的结果。

孪生：

不全位错运动的结果。

（1分）

2.请简述扩散的微观机制有哪些？

影响扩散的因素又有哪些？

（8分）

答：

置换机制：

包括空位机制和直接换位与环形换位机制，其中空位机制是主要机制，直接换位与环形换位机制需要的激活能很高，只有在高温时才能出现。

（2分）

间隙机制：

包括间隙机制和填隙机制，其中间隙机制是主要机制。

（2分）

影响扩散的主要因素有：

温度（温度约高，扩散速度约快）；晶体结构与类型（包括致密度、固溶度、各向异性等）；晶体缺陷；化学成分（包括浓度、第三组元等）。

（4分）

3.简述材料强化的主要方法、原理及工艺实现途径。

（10分）

1.答案：

加工硬化：

是随变形使位错增殖而导致的硬化；（2分）

细晶强化：

是由于晶粒减小，晶粒数量增多，尺寸减小，增大了位错连续滑移的阻力导致的强化；同时由于滑移分散，也使塑性增大。

该强化机制是唯一的同时增大强度和塑性的机制。

（2分）

弥散强化：

又称时效强化。

是由于细小弥散的第二相阻碍位错运动产生的强化。

包括切过机制和绕过机制。

（2分）

复相强化：

由于第二相的相对含量与基体处于同数量级是产生的强化机制。

其强化程度取决于第二相的数量、尺寸、分布、形态等，且如果第二相强度低于基体则不一定能够起到强化作用。

（2分）

固溶强化：

由于溶质原子对位错运动产生阻碍。

包括弹性交互作用、电交互作用和化学交互作用。

（2分）

四、作图与计算题（40分，每题10分）

1、氧化镁（MgO）具有NaCl型结构，即具有O2-离子的面心立方结构。

问：

（1）若其离子半径

=0.066nm，

＝0.140nm，则其原子堆积密度为多少？

（2）如果

/

＝0.41，则原子堆积密度是否改变？

答：

（1）点阵常数

（3分）

堆积密度

（3分）

（2）堆积密度会改变，因为Pf与两异号离子半径的比值有关。

（4分）

2、某面心立方晶体的可动滑移系为

。

（1）请指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量；

（2）若滑移由刃位错引起，试指出位错线的方向；

（3）请指出在

（2）的情况下，位错线的运动方向；

（4） 假设在该滑移系上作用一大小为0.7MPa的切应力，试计算单位刃位错线受力的大小（取点阵常数为a＝0.2nm）。

答：

（1）柏氏矢量：

；（2分）

（2）位错线方向：

[112]；（2分）

（3）位错线运动方向平行于柏氏矢量；（2分）

（4）

（4分）

3.画出Fe-Fe3C相图，并根据Fe-Fe3C相图，

（1）分别求ω（C）=2.11%，ω（C）=4.30%的二次渗碳体的析出量。

（2）画出ω（C）=4.30%的冷却曲线。

图（5分）

答案：

（1）ω（C）=2.11%时，Fe3CⅡ=

×100%=22.6%（1分）

ω（C）=4.30%时，共晶中奥氏体的量为：

×100%=52.18%（1分）

则共晶中奥氏体可析出Fe3CⅡ的量为：

Fe3CⅡ=52.18×

=11.8%（1分）

[或者先求ω（C）=4.30%时铁碳合金在共析反应前的渗碳体的总量为

（Fe3C）t=

×100%=60%（1分）

然后从（Fe3C）t中减去共晶中Fe3C的量，即得Fe3CⅡ的量

Fe3CⅡ=（

）×100%=11.8%（1分）]

（2）ω（C）=4.30%的冷却曲线（2分）

4.图（a）为固态互不溶解的三元共晶相图的浓度三角形，其中三元共晶点E的成分为ω（A）=20%，ω（B）=30%，ω（C）=50%。

图（b）为某一温度（高于TE）的水平截面图。

问：

（1）A，B和C三组元的熔点谁最低？

（2）若有一液态成分为ω（A）=60%，ω（B）=15%，ω（C）=25%的合金（其B/C成分比三元共晶合金相同）平衡凝固到室温，试分析室温平衡组织并画出平衡冷却曲线。

（3）计算该合金中共晶组织在铸锭中的质量分数。

答：

（1）C最低（2分）

（2）A+（A+B+C）（2分）

（3分）

（3）ω（共晶组织）=20/60=33.3%（3分）