中南大学材基期末试题与答案Word文档格式.docx

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及

可构成滑移系；

其中滑移系（）

容易产生滑移。

、（分）判断

位错反应在面心立方晶体中能否进行？

若两个扩展位错的领先位错发生上述反应，会对面心立方金属性能有何影响。

参照几何条件和能量条件要求，位错反应可以进行；

反应后位错不可动，影响晶体的加工硬化机制和断裂性能。

、（分）写出非稳态扩散方程的表达式，说明影响方程中扩散系数的主要因素。

非稳态扩散方程的表达式为，若扩散系数不随浓度变化，则可以简化为；

影响方程中扩散系数的主要因素有温度、晶体结构、晶体缺陷、固溶体类型、扩散元素性质、扩散组元浓度等。

、（分）指出影响冷变形后金属再结晶温度的主要因素。

要获得尺寸细小的再结晶晶粒，有那些主要措施，为什么?

影响冷变形后金属再结晶温度的主要因素有：

变形程度、微量杂质和合金元素、金属晶粒度、加热时间、加热速度；

要获得尺寸细小的再结晶晶粒主要措施有：

加大冷变形程度，加入微量合金元素，提高加热速度、采用细晶粒金属。

、（分）试述针对工业纯铝、－％合金、－％复合材料分别可能采用那些主要的强化机制来进行强化。

对工业纯铝主要的强化机制为加工硬化、细晶强化；

－％合金的强化机制为固溶强化、沉淀强化、加工硬化、细晶强化；

－％复合材料的强化机制为加工硬化、细晶强化、弥散强化。

、（分）请在如下－－相图中

（1）写出三相平衡和四相平衡反应式；

（2）标出成分为％，％及％合金所在位置，写出该合金凝固结晶过程，画出并说明其在室温下的组织示意图。

（）三相平衡反应式：

线：

→＋；

点为四相平衡，其反应式为→＋＋。

（）合金所在位置（略）；

该合金凝固过程为：

析出初晶→，剩余液相析出二元共晶，→＋，再从多余液相中析出三元共晶→＋＋；

室温下的组织为初晶＋（＋）二元共晶＋（＋＋）三元共晶，室温下的组织示意图（略）。

、（分）－合金相图如图所示。

（1）写出相图中三条水平线的反应式，并画出温度下的成分－自由能曲线示意图；

（2）说明－％合金平衡和非平衡凝固过程，分别画出室温下组织示意图；

（3）非平衡凝固对－％合金的组织性能有何影响，如何消除？

（）相图中三条水平线的反应式（温度由高到低）：

包晶反应：

＋α→β，共析反应β→α＋γ，共析反应γ→α＋δ；

温度下的成分－自由能曲线示意图（略）；

（）－％合金平衡凝固过程：

析出初晶α，凝固后得到单相固溶体α，

－％合金非平衡凝固过程：

析出初晶α，发生包晶反应＋α→β形成β，β分布在α枝晶间隙，随后还发生共析反应β→α＋γ和γ→α＋δ，最后形成α枝晶之间分布有块状δ或（α＋δ）共析体；

室温下组织示意图（略）。

（）－％合金非平衡凝固时由于溶质原子在分配而产生枝晶偏析；

造成合金铸锭强度低、加工塑性差，枝晶偏析还使合金耐腐蚀性能降低；

消除枝晶偏析可以采用将铸锭在略低于固相线温度长时间均匀化退火。

8、（分）低层错能的工业纯铜铸锭采用＝熔点温度热加工开坯轧制。

（1）画出该材料分别在高、低应变速率下热加工时的真应力－真应变曲线示意图，并说明影响曲线变化的各种作用机制；

（2）开坯后该金属在室温下继续进行轧制，画出此时的真应力－真应变曲线示意图，并说明影响曲线变化的机制；

（3）开坯后该金属要获得硬态、半硬态和软态制品，最后工序中可采用那些方法，为什么？

（）该材料热加工时的真应力－真应变曲线示意图（略），[注意曲线中均应有应力峰值，在高应变速率下出现应力峰值后曲线基本水平，在低应变速率下出现应力峰值后曲线呈波浪]。

高应变速率下曲线分三个阶段：

未发生动态再结晶的加工硬化阶段，动态再结晶加剧阶段，完全动态再结晶阶段（此时加工硬化及再结晶软化达到平衡，曲线接近水平，达到稳态流变阶段）

低应变速率下完全动态再结晶阶段呈波浪形，是反复动态再结晶软化－加工硬化－动态再结晶软化交替进行的结果；

（）开坯后金属在室温下继续进行轧制的真应力－真应变曲线示意图（略）；

真应力－真应变曲线一直上升，直至断裂，主要机制为加工硬化；

（）开坯后要获得硬态金属，可以进行冷加工，机制为加工硬化；

获得软态制品，可采用冷加工后再结晶退火；

获得半硬态制品，可采用冷加工后回复退火，或者完全再结晶退火后适当冷变形。

中南大学考试试卷

一、填空（分）

、结构的密排方向是，密排面是，密排面的堆垛顺序是，致密度为，配位数是，晶胞中原子数为，把原子视为半径为的刚性球时，原子的半径是点阵常数的关系为。

、形成有序固溶体的必要条件是：

（），（），（）。

、无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是：

强度和硬度，塑性，导电性。

、3C相图中含碳量小于为钢，大于为铸铁；

铁碳合金室温平衡组织均由和两个基本相组成；

奥氏体其晶体结构是，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含碳量是；

珠光体的含碳量是；

莱氏体的含碳量为；

在常温下，亚共析钢的平衡组织是，过共析钢的平衡组织是；

是从中析出的，是从中析出的，是从中析出的，它们的含碳量为。

、图为简单立方点阵晶胞，其中面的面指数是，的晶向指数是。

、图是三元系成分三角形的一部分，其中合金的成分是。

、[]；

（）；

……..；

、异类原子之间相互吸引力大于同类原子之间吸引力；

一定的化学成分；

较慢的冷却速度

、升高；

降低；

降低

、％；

％；

铁素体和渗碳体（α和3C）；

铁素体珠光体；

珠光体和；

液相；

先共晶奥氏体；

铁素体；

％

、（）；

二、名词解释（分）

.晶带和晶带轴

.柱状晶和等轴晶

.包析反应和共析反应

.割阶和扭折

.冷加工及热加工

.晶带和晶带轴：

许多平行于同一晶向的不同的晶面组的总称为晶带，而及这些晶面组平行的晶向称为晶带轴；

.柱状晶和等轴晶：

金属晶体结晶过程中沿着散热方向优先生长形成的长条形晶粒称为柱状晶，而如果晶粒长大时没有择优方向，向各个方向长大速度基本相等所得到的晶粒称为等轴晶；

.包析反应和共析反应：

由两个固相反应得到一个固相的过程为包析反应，而由一个固相分解得到其它两个固相的反应为共析反应

.割阶和扭折：

位错运动过程中及其它位错交截后形成一定的位错交截折线，若交截后的位错折线在原来位错的滑移面上，此位错折线称为扭折，若交截后的位错折线垂直于原来位错的滑移面，此位错折线称为割阶；

.冷加工及热加工：

通常根据金属材料的再结晶温度来加以区分，在再结晶温度以上的加工称为热加工，低于再结晶温度又是室温下的加工称为冷加工。

三、（分）试根据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点。

根据冷却速度对金属组织的影响，现要获得非晶，亚稳相，请指出其凝固时如何控制。

试说明在正温度梯度下为什么固溶体合金凝固时可以呈树枝状方式成长，而纯金属则得不到树枝状晶。

通常铸锭组织的特点为外层的细等轴晶，铸锭表面向里有柱状晶，心部为粗大等轴晶；

要获得非晶可以以极快速度将金属液体冷却，要获得亚稳相也必须使冷却速度远远超过平衡冷却速度；

由于溶质原子再分配造成成分过冷使固溶体合金正温度梯度下凝固时也可以呈树枝状方式成长，而纯金属则需要在负温度梯度下才能得到树枝状晶。

四、（分）如图的二元合金相图，

（1）分析合金和合金在平衡结晶和快速冷却不平衡结晶时室温组织特点；

（2）为结构，图中的相为何种晶体结构？

（3）指出此二元系中比较适合做变形合金何铸造合金的成分范围。

（4）计算出亚共晶合金在温度为（共晶反应前）时的平衡分配系数。

（5）设合金平衡凝固完毕时的组织为初晶（θ）共晶，其中初晶占，则此合金中刚凝固完毕时θ组元的含量是多少？

（6）

绘出560℃温度时各相的自由能成分曲线示意图。

（）合金在平衡结晶时室温组织为，快速冷却不平衡结晶时室温组织还出现少量非平衡共晶组织（α＋θ）共晶；

合金在平衡结晶时室温组织为α＋θⅡ＋（α＋θ）共晶，快速冷却不平衡结晶时室温组织出现离异共晶；

（）结构；

（）含量少于％的合金；

（）＝

（）％

（）560℃温度时各相的自由能成分曲线示意图如图。

五、（分）图为三元系的液相面投影图。

写出1700℃，1200℃，1085℃的四相平衡反应式。

选择一个合金成分其组织在刚凝固完毕时只有三元共晶。

各四相平衡反应式分别为，1700℃：

＋＋→η，1200℃：

＋η→＋γ，1085℃：

→γ＋＋γ；

Ⅰ合金成分其组织在刚凝固完毕时只有三元共晶。

六、（分）图所示低碳钢的三条拉伸曲线，、塑性变形；

、去载后立即再行加载；

、去载后时效后再加载。

试回答下列问题：

解释图示三曲线的屈服现象及，中屈服点上升的原因。

屈服现象对冲压制件表面质量有何不利影响。

.由于柯垂耳气团的影响

.屈服现象使得冲压制件表面不平整。

七、（分）户外用的架空铜导线（要求一定的强度）和户内电灯用花线，在加工之后可否采用相同的最终热处理工艺？

为什么？

不能采用相同的最终热处理工艺，户外用的架空铜导线一般用回复退火，户内电灯用花线采用再结晶退火。

八、（分）如何提高固溶体合金的强度

固溶强化，加工硬化，细晶强化，沉淀强化

九、（分）试说明晶界对材料性能及变形的影响。

晶界影响到材料的各个方面，具有晶界能，影响到多晶材料中的第二相的形状，晶界可以运动，有晶界偏聚，晶界电荷变化，承担载荷传递作用，晶界熔点低，易过烧，晶界是易扩散通道，晶界处易形核，晶界易受腐蚀；

晶界对金属材料在常温下强化，高温下弱化

十、（分）简单说明原子扩散对材料的影响；

举两个实例说明金属中的上坡扩散现象。

原子扩散对材料的影响如铸中晶粒形核和长大、晶界运动、氧化…….等许多过程均牵涉到原子扩散；

金属中的上坡扩散实例如柯垂耳气团的形成，调幅分解过程等。

十一、（分）工业纯铜的熔点为，在剧烈冷变形后的工业纯铜板上取三个试样，第一个试样加热到，第二个试样加热到，第三个试样加热到，各保温一小时，然后空冷。

试画出各试样热处理后的显微组织示意图，说明它们在强度和塑性方面的区别及原因。

试样热处理后的显微组织示意图（略，分别为纤维组织，再结晶组织和晶粒长大组织）；

加热试样强度高，塑性低，加热试样强度低，塑性好，加热试样强度更低。

一.名词解释（分个＝分）

.变温截面

.过冷度

.偏析反应

.固溶体

.成分过冷

.形核功。

变温截面：

三元相图中垂直成分三角形的截面；

过冷度：

Δ指及的差值二维平面长大；

偏析反应：

→称为包析反应；

固溶体：

一个固体组元（溶质）溶解在另外一个组元（溶剂）晶格中，保持溶剂晶格特点的物质；

成分过冷：

合金凝固中由于溶质原子再分配形成的过冷；

形核功：

金属凝固过程中形成晶核需要的额外能量。

二.写出固溶体的分类（分）：

置换、间隙固溶体；

有限、无限固溶体；

有序、无序固溶体；

一次、二次固溶体；

三.试根据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点及成因。

（分）

解答：

根据金属结晶过程的形核和长大理论以及铸锭的散热过程，可以得出通常铸锭组织的特点为最外层为细小等轴晶，靠内为柱状晶，最内层为粗大等轴晶。

四.根据3C亚稳平衡相图回答下列问题：

1）画出3C亚稳平衡相图；

2）写出下列含量最多的合金；

珠光体含量最多的合金；

莱氏体含量最多的合金。

3）标注平衡反应的成分及温度，写出平衡反应式。

4）分析合金的平衡凝固过程，并计算室温下其中相组成物和组织组成物的百分含量，

5）根据3C状态图确定下列三种钢在给定温度下的显微组织（填入表中）

含碳量

温度

显微组织

770℃停留一段时间

900℃

680℃

刚达到770℃

700℃

6）画出1200℃时各相的自由能成分曲线示意图。

3C亚稳平衡相图如图。

图3C亚稳平衡相图

）含量最多的合金、珠光体含量最多的合金、莱氏体含量最多的合金的合金成分分别为含碳量，，。

）平衡反应的成分及温度，反应式为：

1495℃，＋δ－，包晶反应；

1148℃，－＋3C，共晶反应；

727℃，－3C，共析反应；

）凝固过程：

935℃：

—γ，γ—3CⅡ，γ—＋3CⅡ（）

室温下相组成为＋3CⅡ，其中

室温下组织组成为＋3CⅡ，其中

，3CⅡ％＝－％＝。

）三种钢在给定温度下的显微组织如表。

1200℃时各相的自由能成分曲线示意图如图

3CⅡ

3C

五.图为合金室温下的等温截面和的垂直截面图，回答下列问题：

）在图中标出合金（）的成分点。

）计算和合金中室温下各相的百分含量，其中α相成分点为，γ相成分点为。

）分析图中合金的凝固过程。

）合金的成分点见图中点。

）合金，位于αγ两相区边界线上，由α＋γ两相组成。

合金位于α＋

＋γ的三相区中，由α＋

＋γ的三相区组成，可以从图中读出各相成分点：

α：

γ：

β：

故合金中α％＝×

％＝，γ％＝－α％＝

－－合金中

＝×

α（

）×

γ％（

）合金凝固过程：

－α，－α＋β，β－α

1.（分）画出晶胞中（）晶面上的所有[]晶向；

在晶胞中画出

晶向和

晶面。

图晶胞图晶胞

晶胞如图，所在晶面为（）晶面，[]晶向为方向。

晶胞如图，

晶向为反方向，

晶面为面。

2.（分）举出凝固理论在金属材料结晶中的几个应用，加以简单说明。

铸锭组织控制、单晶体制备、非晶体制备等……。

3.（分）画出3C亚稳平衡相图，根据相图回答下列问题：

a.标出合金在室温下的组织组成；

b.写出相图中三个等温反应式；

c.分析含碳量为％的合金的平衡冷却过程；

计算其在室温下的组织组成物的相对百分含量；

d.画出％的合金在1148℃时的成分－自由能曲线示意图；

e.试分析元素及在中的可能存在形式及其作用。

参考答案

．画3C亚稳平衡相图如图所示。

．合金在室温下的组织组成：

相图中从左到右依次为：

，＋3CⅢ，＋，，＋3CⅡ，＋＋3CⅡ，，＋3CⅠ；

．含碳量为％的合金的平衡冷却过程为：

，→，，→3CⅡ，→，室温下得到＋3CⅡ组织；

．略

．元素在中可以固溶在中，起到强化作用，及形成化合物如3C，分布形态不好会降低合金强度及塑性；

可以固溶在中，起到强化作用，也可及、形成合金碳化物。

4.（分）试总结位错在金属材料中的作用。

参考答案要点

位错在金属材料中可以起到强化作用，通过位错运动完成塑性变形，合金中位错及溶质原子发生作用形成气团造成屈服现象和应变时效，位错是第二相形核的择优场所，位错影响扩散速度。

5.（分）分析原子扩散在金属材料中的作用。

液态金属的凝固、成分的均匀化、扩散型固态相变、表面化学热处理、氧化及脱碳、粉末烧结、高温蠕变等。

6.（分）分析多晶体金属的变形过程及影响多晶体金属变形的因素。

多晶体金属的变形过程中每个晶粒的变形主要是滑移，还可能出现孪生和扭折，需要开动多个滑移系，出现交滑移，由于晶界的影响还有位向差效应和晶界的阻滞效应；

影响因素主要有晶粒大小，变形温度，变形速度。

7.（分）分析层错能对金属热塑性变形的影响。

高层错能金属热塑性变形主要通过回复软化，低层错能金属热塑性变形主要通过再结晶软化，其应力－应变曲线有不同特点。

8.（分）提高金属材料强度的途径有哪些?

细晶强化、固溶强化、加工硬化、沉淀强化、弥散强化等。

9.（分）解释下列名词：

成分过冷；

离异共晶；

反应扩散；

面角位错；

晶界偏聚

由于在结晶过程中固溶体合金的溶质原子再分配造成固溶体合金在正温度梯度下，其凝固界面前沿的液相中在合适的温度梯度下也有过冷现象出现，称为成分过冷；

离异共晶：

反应扩散：

面角位错：

在位错反应中，晶体中不同滑移面上的全位错分解为不全位错后，领先不全位错反应生成新的不可动位错，导致出现的三个不全位错之间夹杂两个层错的不可动位错组态；

晶界偏聚：

10.（分）如图三元合金相图，试写出图中五条单变量线及点、点反应的反应式；

分析图中合金的平衡结晶过程，指出它的开始凝固温度。

图中五条单变量线的反应式分别为，

：

→α＋δ；

→γ＋δ；

→γ＋β；

＋β→α；

→δ＋β

点反应：

＋α→δ＋β；

点分反应：

→δ＋β＋γ。

图中合金的平衡结晶过程：

→δ，→δ＋β，→δ＋β＋γ，合金的开始凝固温度从图中可以得到为150℃。

一、名词解释：

（本题分，每小题分）

.螺型位错

.非平衡偏聚

.小角晶界

.滑移系

.变形织构

.再结晶起始温度

.动态再结晶

螺型位错：

及位错线平行的位错

非平衡偏聚：

由于空位引起的位错

小角晶界：

相邻晶粒之间同一个晶面间夹角低于度的晶界

滑移系：

滑移面及其上的一个滑移方向的总称

变形织构：

变形中形成的大部分晶粒位向取向相同的现象

再结晶温度：

％变形量下保温后开始再结晶的温度

动态再结晶：

高层错能金属在再结晶温度以上进行变形时，发生的软化过程

二、简答题

.（分）铜的熔点为，在冷变形后的工业纯铜板上取三个试样，第一个试样加热到，第二个试样加热到，第三个试样加热到，各保温一小时，然后空冷。

试画出各试样热处理后的显微组织示意图（×

分个＝分），说明它们在强度和塑性方面的区别及原因（分）。

.（分）户外用的架空铜导线（要求一定的强度）和户内电灯用花线，在加工之后可否采用相同的最终热处理工艺？

.（分）说明塑性变形后的组织、性能的变化。

.（分）什么是屈服，解释其产生原因。

.（分）制定一种测定再结晶温度的方案。

.（分）试分析在中，下列位错反应能否进行?

并指出其中三个位错的性质类型？

反应后生成的新位错能否在滑移面上运动？

简答题答案

.（图略）

分别为：

200℃变形组织，强度高，塑性低；

500℃：

再结晶起始形核组织，仍为纤维组织，强度较高，塑性较好；

800℃：

再结晶组织，强度低，塑性高；

.户外用的架空铜导线采用回复退火软化，只去应力，保留强度；

户内电灯用花线采用再结晶退火软化

.纤维组织，流线，亚结构为胞状组织；

加工硬化，内应力，织构

.屈服是试样拉伸中在不变应力下继续延展的现象，由于气团引起

.根据硬度变化，高变形量金属保温后测量硬度变化

.位错反应几何条件：

能量条件：

因此

位错反应能进行。

对照汤姆森四面体，此位错反应相当于

＋ 

→ 

（全位错）（肖克莱）（弗兰克）

新位错的位错线为

和

的交线位于（）面上，且系纯刃型位错。

由于（）面系非密排面，故不能运动，系固定位错。