一、名词：
相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。
匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。
平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。
成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。
异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。
枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象。
共晶转变：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。
脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。
包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。
成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。
二、简答：
1. 固溶体合金结晶特点？
答：异分结晶；需要一定的温度范围。
2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？
答：溶质平衡分配系数k0；溶质原子扩散能力；冷却速度。
3. 影响成分过冷的因素？
答：合金成分；液相内温度梯度；凝固速度。
三、书后习题
1、何谓相图？有何用途？
答：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。
相图的作用：由相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。
2、什么是异分结晶？什么是分配系数？
答：异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。
分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。
3、何谓晶内偏析？是如何形成的？影响因素有哪些？对金属性能有何影响，如何消除？
答：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象
形成过程：固溶体合金平衡结晶使前后从液相中结晶出的固相成分不同，实际生产中，液态合金冷却速度较大，在一定温度下扩散过程尚未进行完全时温度就继续下降，使每个晶粒内部的化学成分布均匀，先结晶的含高熔点组元较多，后结晶的含低熔点组元较多，在晶粒内部存在着浓度差。
影响因素：1）分配系数k0：当k0<1时，k0值越小，则偏析越大；当k0>1时，k0越大，偏析也越大。2）溶质原子扩散能力，溶质原子扩散能力大，则偏析程度较小；反之，则偏析程度较大。3）冷却速度，冷却速度越大，晶内偏析程度越严重。
对金属性能的影响：使合金的机械性能下降，特别是使塑性和韧性显著降低，
甚至使合金不容易压力加工。也使合金的抗蚀性能降低。 消除办法：扩散退火或均勺化退火 4、何谓共晶反应和包晶反应？写出反应式。
答：共晶反应：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成分一定的
固相的转变过程。N M t E E
L βα+?→←
包晶反应：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。
D t P C D
L βα?→←+
5、什么是成分过冷？
答：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。
6、试述纯金属与固溶体合金结晶过程中形核、长大的条件及方式有何异同？ 答：纯金属结晶过程中的形核、长大的条件：要满足结构起伏、能量起伏。
固溶体合金结晶过程中的形核、长大的条件：要满足结构起伏、能量起伏和成分起伏。
固溶体合金结晶是在一定的温度范围的异分结晶，纯金属结晶是在一定温度下的同分结晶。
7、何谓共析转变？与共晶转变比较有何异同？
答：共析转变：一定成分的固相在一定温度下分解为另外两个一定成分的固相的转变过程。
相同点：都是由一个相分解为两个相的三相恒温转变，三相成分点在相图上的分布是一样的。
不同点：共析反应的反应相是固相，而共晶反应的反应相是液相。共析组织比共晶组织致密。
第一章 原子排列与晶体结构
1. fcc 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 ，把原子视为刚性球时，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；bcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；hcp 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 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 。
2. Al 的点阵常数为0.4049nm ，其结构原子体积是 ，每个晶胞中八面体间隙数为 ，四面体
间隙数为 。
3. 纯铁冷却时在912ε 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构，配位数 ，致密度降
低 ，晶体体积 ，原子半径发生 。
4. 在面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平面上的方向。在hcp
晶胞的（0001）面上标出）（0121晶面和]0121[晶向。
5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。
6 在铅的（100）平面上，1mm 2有多少原子？已知铅为fcc 面心立方结构，其原子半径R=0.175×10-6mm 。
第二章 合金相结构
一、 填空
1） 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 ，塑性 ，导电性 ，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数 。
2） 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1） ；（2） ；（3） ；（4） 和环境因素。
3） 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。
4） 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为 和 。
5） 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 。
6）间隙固溶体是 ，间隙化合物是 。 7）简述形成有序固溶体的必要条件。
第三章 纯金属的凝固
1. 填空
1. 在液态纯金属中进行均质形核时，需要 起伏和 起伏。 2 液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括两部分，其中 自由能是形核的阻力， 是形核的动力；临界晶核半径r K 与过冷度?T 关系为 ，临界形核功?G K 等于 。 3 动态过冷度是指 。 4 在工厂生产条件下，过冷度增大，则临界晶核半径 ，金属结晶冷却速度越快，N/G 比值 ，晶粒越 。
5. 获得非晶合金的基本方法是 。
二、问答
1 根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。
2 试根据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点。
3 简述液态金属结晶时，过冷度与临界晶核半径，形核功及形核率的关系。
4 铜的熔点Tm=1356K，熔化热?Hm=1628J/cm2，σ=177×10－7J/cm，点阵常数a=0.3615nm。求铜?T=100ε时均匀形核的临界核心半径。
5何谓过冷，过冷度，动态过冷度，它们对结晶过程有何影响？
6根据冷却速度对金属凝固后组织的影响，现要获得微晶，非晶，亚稳相，请指出其凝固时如何控制。
7、简述纯金属凝固时润湿角θ、杂质颗粒的晶体结构和表面形态对异质形核的影响
。
第四章二元合金相图与合金凝固
一、填空
1. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有起伏。
2. 按液固界面微观结构，界面可分为和。
3. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是，光滑界面晶体的长大机制是和。
4 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生偏析，用热处理方法可以消除。
5 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为状。
6. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为。
7 固溶体合金凝固时，溶质分布的有效分配系数k e= ，当凝固速率很大时k e趋于。
8. 在二元相图中，L1→α+L2叫反应，β→L+α称为转变，而反应α１—α２＋β称为反应，α+β→γ称为反应。
9 Fe-Fe3C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；根据溶质原子的位置，奥氏体其晶体结构是，是固溶体，铁素体是，其晶体结构是，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含量是；珠光体的含碳量是，它是由和组成的两相混合物；莱氏体的含碳量
是；在常温下，亚共析钢的平衡组织是，过共析钢的平衡组织是，亚共晶白口铸铁的平衡组织是，莱氏体的相组成物是，变态莱氏体的相组成物是，Fe3C I是从中析出的，Fe3C II是从中析出的，Fe3C III是从中析出的，它们的含碳量为，Fe3C主要性能特点是，A共析反应后的生成物称为。
10 如图4-3为Mg-Y相图
1）填相区组成，写出相图上等温反应及Y=5%wt时的合金K在室温时的平衡组织。
2）已知Mg为hcp结构，试计算Mg晶胞的致密度；
3）指出提高合金K强度的可能方法
4）简述图中Y=10%wt之合金可能的强化方法。
11 试说明纯Al和铝－铜单相固溶体结晶的异同。
12 根据4-4的铁碳亚稳平衡相图回答下列问题：
1）写出下列Fe3C II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。
2）指出此二元系中比较适合做变形合金和铸造合金的成分范围。
3）如何提高压力加工合金的强度。
4）标注平衡反应的成分及温度，写出平衡反应式。
5）分析Fe-1%C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，
6）分析Fe-1%C合金在亚稳冷却转变和淬火冷却转变后组织的差异。
7）根据Fe-Fe3C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温度显微组织
0.4 770℃停留一段时间P+F 900℃A+F
0.77 680℃P 刚达到770℃ A
1.0 700℃P+Fe3CⅡ刚达到770℃A+Fe3C
第六章空位与位错
一、名词解释
空位平衡浓度，位错，柏氏回路，P-N力，扩展位错，堆垛层错，弗兰克-瑞德位错源，
奥罗万机制，科垂耳气团，面角位错，铃木气团，多边形化
二、问答
1 fcc晶体中，层错能的高低对层错的形成、扩展位错的宽度和扩展位错运动有何影响？层错能对金属材料冷、热加工行为的影响如何？
4 平衡空位浓度与温度有何关系？高温淬火对低温扩散速度有何影响？
5 已知Al的空位形成能为0.76eV，问从27ε升温到627ε时空位浓度增加多少倍（取系数A=1）
7、位错对金属材料有何影响？
第七章金属塑性变形
一名词解释
固溶强化，应变时效，孪生，临界分切应力，变形织构
二问答
1 单相合金的冷塑性变形与纯金属的室温塑性变形相比，有何特点。
2 金属晶体塑性变形时，滑移和孪生有何主要区别？
4 简述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构的成因及对金属材料性能的影响。
5 为什么金属材料经热加工后机械性能较铸造态好。
6 何为加工硬化？列出产生加工硬化的各种可能机制。（不必说明），加工硬化现象在工业上有哪些作用？
7 简要说明第二相在冷塑性变形过程中的作用。
8 讨论织构的利弊及控制方法。
9 叙述金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化。
10 图7－1所示低碳钢的三条拉伸曲线，1－塑性变形；2－去载后立即再行加载；3－去载后时效再加载。
试回答下列问题：
1）解释图示曲线2无屈服现象和曲线3的屈服现象。
2）屈服现象对金属变形制件表面质量有何影响，如何改善表面质量。
11 退火纯Fe，其晶粒尺寸d=1/4mm时，其屈服点σs=100MNm-2；d=1/64mm时σs=250MNm-2。d=1/16mm
时，根据霍尔—配奇公式求其σs为多少？
第八章回复与再结晶
1 名词
变形织构与再结晶织构，再结晶全图，冷加工与热加工，带状组织，加工流线，动态再结晶，临界变形度，二次再结晶，退火孪晶
2 问答
1 再结晶与固态相变有何区别？
2 简述金属冷变形度的大小对再结晶形核机制和再结晶晶粒尺寸的影响。
3 灯泡中W丝在高温下工作，发生显著晶粒长大性能变脆，在热应力作用下破断，试找出两种延长钨丝寿命的方法？
4 纯铝经90%冷变形后，取三块试样分别加热到70ε，150ε，300ε，各保温一小时后空冷，纯铝的熔点为660ε。
1）分析所得组织，画出示意图；2）说明它们强度、硬度的高低和塑性方面的区别并简要说明原因。
5 试说明晶粒大小对金属材料室温及高温力学性能的影响，在生产中如何控制材料的晶粒度。
6 如何提高固溶体合金的强度
7试用位错理论解释固溶强化，弥散强化，以及加工硬化的原因。
第九章 表面与界面
1 名词
正吸附，晶界能，小角度晶界，晶界偏析 2 问答
1 试说明界面对复合材料结合强度的影响。
2 试述晶界的特性。
3 分析晶界能的变化。
4 分析影响晶界迁移的因素
第十章 原子扩散
1、 简要说明影响溶质原子在晶体中扩散的因素。
2、Ni 板与Ta 板中有0.05mm 厚MgO 板作为阻挡层，1400℃时Ni ＋通过MgO 向Ta 中扩散，此时Ni ＋
在
MgO 中的扩散系数为D=9×10－12cm 2/s ，Ni 的点阵常数为3.6×10－
8cm 。问每秒钟通过MgO 阻挡层在2×
2cm 2的面积上扩散的Ni ＋
数目，并求出要扩散走1mm 厚的Ni 层需要的时间。
3、对含碳0.1％齿轮气体渗碳强化，渗碳气氛含碳1.2％，在齿轮表层下0.2cm 处碳含量为0.45%时齿轮达到最佳性能。已知铁为FCC 结构，C 在Fe 中的D 0＝0.23，激活能Q ＝32900cal/mol ，误差函数如表10－1。 1）试设计最佳渗碳工艺；
2）在渗碳温度不变，在1000℃时渗碳，要将渗碳厚度增加1倍，即要求在其表面下0.4cm 处渗碳后碳含量为0.45%所需渗碳时间。
Dt x
2Dt x 2
4 一块厚度10毫米，含碳量0.77%的钢在强脱碳气氛中加热到800℃，然后缓慢冷却，试指出试样从表面到心部的组织分布。
5 铜-锌基单相固溶体进行均匀化处理，试讨论如下问题：
1) 在有限时间内能否使枝晶偏析完全消失？
2) 将此合金均匀化退火前进行冷加工，对均匀化过程是加速还是无影响？说明理由。 6 原子扩散在材料中的应用
7 何谓上坡扩散，举两个实例说明金属中上坡扩散现象。 9简述固溶体合金的扩散机制
第一章 原子排列与晶体结构
6. [110]， (111)， ABCABC…， 0.74 ， 12 , 4 ，
a r 42
=
； [111]， (110) , 0.68 , 8 , 2 ，
a r 43=
； ]0211[， (0001) ， ABAB ， 0.74 ， 12 ， 6 ， 2a r =。
7.
0.01659nm 3 ， 4 ， 8 。
8. FCC ， BCC ，减少 ，降低 ，膨胀 ，收缩 。 9. 解答：见图1－1
10.
解答：设所决定的晶面为（hkl ），晶面指数与面上的直线[uvw]之间有hu+kv+lw=0，故有： h+k-l=0,2h-l=0。可以求得（hkl ）＝（112）。
6 解答：Pb 为fcc 结构，原子半径R 与点阵常数a 的关系为a
r 42
=
，故可求得a ＝0.4949×10-6mm 。则
（100）平面的面积S ＝a 2＝0.244926011×0-12mm 2，每个（100）面上的原子个数为2。 所以1 mm 2上的原子个数
s n 1
=
＝4.08×1012。
第三章 合金相结构
一、 填空
1） 提高，降低，变差，变大。 2） （1）晶体结构；（2）元素之间电负性差；（3）电子浓度 ；（4）元素之间尺寸差别 3） 存在溶质原子偏聚 和短程有序 。 4） 置换固溶体 和间隙固溶体 。 5） 提高 ，降低 ，降低 。
6） 溶质原子溶入点阵原子溶入溶剂点阵间隙中形成的固溶体，非金属原子与金属原子半径的比值大于
0.59时形成的复杂结构的化合物。
二、 问答
1、 解答： α-Fe 为bcc 结构，致密度虽然较小，但是它的间隙数目多且分散，间隙半径很小，四面体间隙半径为0.291Ra ，即R ＝0.0361nm ，八面体间隙半径为0.154Ra ，即R ＝0.0191nm 。氢，氮，碳，硼由于与α-Fe 的尺寸差别较大，在α-Fe 中形成间隙固溶体，固溶度很小。α-Fe 的八面体间隙的[110]方向R=0.633 Ra ，间隙元素溶入时只引起一个方向上的点阵畸变，故多数处于α-Fe 的八面体间隙中心。B 原子较大，有时以置换方式溶入α-Fe 。
由于γ-Fe 为fcc 结构，间隙数目少，间隙半径大，四面体间隙半径为0.225 Ra ，即R ＝0.028nm ，八面体间隙半径为0.414 Ra ，即R ＝0.0522nm 。氢，氮，碳，硼在γ-Fe 中也是形成间隙固溶体，其固溶度大于在α-Fe 中的固溶度，氢，氮，碳，硼处于γ-Fe 的八面体间隙中心。
2、简答：异类原子之间的结合力大于同类原子之间结合力；合金成分符合一定化学式；低于临界温度（有序化温度）。
第三章 纯金属的凝固
2. 填空
1. 结构和能量。
2 表面，体积自由能 ,T L T r m m
?-=σ2，()2
2
3316T L T G m m k ??=?σπ。
3 晶核长大时固液界面的过冷度。
4 减少，越大，细小。 5. 快速冷却。
二、 问答
1 解答： 凝固的基本过程为形核和长大，形核需要能量和结构条件，形核和长大需要过冷度。细化晶
粒的基本途径可以通过加大过冷度，加入形核剂，振动或搅拌。
2 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。
3 解答： 液态金属结晶时，均匀形核时临界晶核半径r K 与过冷度?T 关系为
T L T r m m
?-=
σ2，临界形核
功?G K 等于()2
2
3316T L T G m m k ??=?σπ
。异质形核时固相质点可作为晶核长大，其临界形核功较小，
()k
m m k
G T L T G ?+-=??+-=?4cos cos 323164cos cos 3232
2
33*
θ
θσπθθ，θ为液相与非均匀形核核心的
润湿角。
形核率与过冷度的关系为：
]exp[）（
kT G kT G C N k
A ?+?-=，其中N 为形核率，C 为常数，ΔG A 、Δ
G k 分别表示形核时原子扩散激活能和临界形核功。在通常工业凝固条件下形核率随过冷度增大而增大。
4 解答： 在金属凝固时，可以近似认为L M =?Hm,根据均匀形核时临界晶核半径r K 与过冷度?T 关系
为T L T r m m
?-=
σ2，可以计算得到r ＝0.79×10－7cm ＝0.79nm 。
5： 解答： 过冷是指金属结晶时实际结晶温度Tn 比理论结晶温度Tm 低的现象。过冷度ΔT 指Tm 与Tn 的差值。动态过冷度指晶核长大时的过冷度。金属形核和长大都需要过冷，过冷度增大通常使形核半径、形核功减少，形核过程容易，形核率增加，晶粒细化。
8 解答： 冷却速度极大影响金属凝固后的组织。冷却快一般过冷度大，使形核半径、形核功减少，形
核过程容易，形核率增加，晶粒细化，冷却非常快时可以得到非晶，在一般工业条件下快速冷却可以得到亚稳相。
7、 解答： 纯金属凝固时
润湿角θ＝0°，形核功为0，固相粒子促进形核效果最好；
润湿角θ＝180°，异质形核功等于均匀形核功，固相粒子对形核无促进作用；
润湿角0°<θ<180°，形核功比均匀形核的形核功小，θ越小，固相粒子促进形核效果越好。
杂质颗粒的晶体结构与晶核相同或相近时，促进形核效果好，当两者结构不相同时，一般对促进形核效果差或不促进形核。
杂质粒子的表面成凹形时，促进形核效果好，成平面状时次之，凸形时最差。
第四章 二元合金相图与合金凝固
一、填空 1. 成分
2. 光滑界面 ,粗糙界面
3. 垂直长大机制，二维平面长大 , 依靠晶体缺陷长大 4 枝晶 ，均匀化退火 5 平直状 ， 树枝 。 6. _伪共晶_。
7 D
R e k k k δ
--+）（000
1， 1 。
8. 共晶 ， 熔晶 ， 偏析 ，包析
9 0.0218% ， 4.3% ； P 和 Fe 3C ； FCC ， 间隙 ， 间隙固溶体 ， BCC ， 2.11% ； 0.77 ， 珠光体 和 渗碳体 ； 4.3% ； P+F ， P+Fe 3C ， Ld ， A+ Fe 3C ， P+Fe 3C +Fe 3C II ， 液相 ， A ，
F ， 6.69 ， 硬、脆 ， P 。
2 问答
1 解答： 1）见图中标注。两相区由相邻的两个单相区所构成。水平线代表三相区，见3）中的恒温反应式。
2）稳定化合物为δ、ε，不稳定化合物为β、γ。 3）1455℃，L ＋δ－ε，包晶反应； 1387℃，L －ε＋Ni ，共晶反应； 1135℃，L ＋δ－γ，包晶反应； 855℃，L ＋γ－β，包晶反应； 640℃，L －Al ＋β，共晶反应；
4）Ni 30%(重量)的合金在平衡冷却时的相变过程：L －γ；855℃，L ＋γ－β，包晶反应；L －β；640℃，L －Al ＋β，共晶反应；
室温下相组成为Al ＋β，%6.28%1004230
42%=?-=
Al ,β=1-Al%=71.4%。
室温下组织组成为β+(Al ＋β)共晶，，%
4.71%1000
5.04205.030%=?--=β，(Al ＋β)共晶=1-β%=28.6%。
5）含Ni89%（重量）的Ni-Al 合金其平衡凝固时室温组织为Ni 和Ni 中析出的ε，非平衡凝固后会出现
非平衡共晶组织，即为Ni 和少量的1387℃反应生成的L －（ε＋Ni ）共晶。
6）X 合金平衡凝固完毕时的组织α初晶占80%，则(α+β)共晶＝20％，设此合金中Ni 组元的含量是X ，
%1000.05
X 05.0%80?-=
,可以求得X ＝0.01%。
7）1500ε 时Al-Ni 合金系的自由能—成分曲线示意图如图。
2 解答： 1）α相晶体结构与Cu 的结构保持一致，为fcc 结构；
2）共晶反应前的平衡分配系数
61.03.999
.600===
L S C C k ；
3) Cu-13.47%Sn 合金在正常条件下凝固后，由于固相平均成分线相对于固相线下移，在合金凝固过程中剩余少量液相出现非平衡结晶，发生包晶反应而出现少量β相。这些少量β相可以通过均匀化退火消除。 4）Cu-70%Sn 合金平衡凝固过程为L －ε，L 92.4+ε38.2—η59.0，L —η，L 99.3—η60.9+（Sn ）
，η－η'
共晶反应刚完毕时相组成物为η+（Sn ），组织组成物为η+（η+Sn ）共晶。
相组成物的相对含量为：%
3.23%1)Sn (%,7.76%1009.6010070
100%=-==?--=
ηη
和组织组成物的相对含量：%,
3.76%1009.603.9970
3.99%=?--=η（η+Sn ）共晶％＝1－η％＝23.7％。
5）合金在450℃时各相自由能---成分曲线示意图如图所示。
3 解答： 1）相区填写如图所示。相图中各等温反应如下：
935℃：L+β（Y ）—ε；780℃：L+ε—δ；776℃：β（Y ）—ε＋α（Y ）； 635℃：L+ε—γ； 557℃：L —（Mg ）＋γ。
Y=5%wt 时的合金K 在室温时的平衡组织为（Mg ）固溶体。
2）Mg 为hcp 结构，因为r ＝a/2，一个hcp 晶胞中有6个原子，设38
=a
c ，则致密度为74.023
2163463
=???==c
a a r V V cell atom ）（πρ
3）提高合金K 强度的可能方法有细化晶粒，加工硬化。
4）Y=10%wt 之合金可能的强化方法有细化晶粒，加工硬化和固溶时效。
4 解答： 相同点：均需要形核与长大，形核要满足一定热力学条件，形成一定临界晶核半径，即需要能量起伏和结构起伏。
不同点：固溶体合金形核除需要能量起伏和结构起伏外，还需要成分起伏，非平衡结晶时产生偏析，一般会产生成分过冷，凝固过程是在一个温度区间进行，而纯金属凝固在等温进行。
5 解答： 1）Fe 3C II 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2.11%，0.77%，4.3%。
2）二元系中比较适合做变形合金和合金为单相固溶体，适合作为铸造合金的成分范围为含有较多共晶体的合金。故在含碳量小于2.11%的合金可以经过加热得到单相合金适合作为变形合金，含碳量大于4.3％的合金有共晶反应适合作为铸造合金。
3）提高压力加工合金的强度的方法主要有加工硬化，合金元素固溶产生的固溶强化，细化晶粒强化，热处理强化，第二相强化，弥散质点的弥散强化。 4）平衡反应的成分及温度，反应式为 1495℃，L 0.53＋δ0.09－A 0.17，包晶反应； 1148℃，L 4.3－A2.11＋Fe 3C ，共晶反应； 727℃，A 0.77－F 0.0218+Fe 3C ，共析反应；
5）凝固过程：935℃：L —γ，γ—Fe3C Ⅱ，γ—F ＋Fe3C Ⅱ（P ）
室温下相组成为F ＋Fe3C Ⅱ，其中15.1%
% F - 1% C Fe %,9.84%1000008.063.61
63.6%3===?--=
F ；
室温下组织组成为P ＋Fe3C Ⅱ，其中%
1.9877.069.61
69.6%=--=P ，Fe3C Ⅱ％＝1－P ％＝1.9%。
6）亚稳转变后组织为P ＋Fe3C Ⅱ，淬火冷却后C 在Fe 中形成过饱和固溶体（马氏体相变）。
7) 三种钢在给定温度下的显微组织如表。
8）1200℃时各相的自由能---成分曲线示意图如图。
6： 解答： 1）Ⅱ合金的平衡冷却曲线和组织如图；室温下相组成物为α＋β，其中
％8.11%10059080
90%=?--=
α，β＝1－α％＝88.2%，组织组成为β＋（α＋β）共晶， %
75%10050905080%=?--=β，（α＋β）共晶％＝1－β％＝25％；
2） Ⅰ合金在平衡凝固时室温组织为α＋βⅡ，工业条件冷却时出现少量非平衡共晶组织，室温组织为α＋βⅡ＋少量（α＋β）共晶。
3） 可以根据相图估计，在共晶温度下尽可能高的温度进行退火。
7： 解答： 1）金属固液界面的微观结构为粗糙界面，长大机制为垂直长大方式，在正温度梯度下固液界面保持平直，在负温度梯度下成长时固/液界面不稳定，结晶后容易长成树枝状晶。
8： 解答： 1）相区填充如图；
2）设X 合金中Bi 组元的含量是x ，依题意有%
1008.41100100%80?--=
x
，可以解得x ＝53.44，即Bi 组元
的含量是53.44％。
3）设Y 合金中Bi 组元的含量是y ，依题意有共晶含量%
1001.56100100%50?--=
y
，可以解得y ＝78.15，
即Pb 组元的含量是21.85％。
4）Pb-30%Bi 合金平衡凝固过程为L —α，L ＋α—β，L —β，β—Bi ，室温下平衡组织为β＋Bi ，非平衡凝固下由于L ＋α—β包晶反应很难进行完全，故在β晶粒内部会保留部分α，室温下组织为β＋残留α＋Bi 。
第五章 三元合金相图
1 解答： 0.8%C 的Fe-C-Si 三元合金在平衡冷却时的相变过程为L —α，L ＋α—γ，L —γ，1100℃
时的平衡组织为γ。
2 解答： 1）Cu-30%Zn-10%Al 合金的成分点见图中X 点。
2）Cu-20%Zn-8%Al 合金，位于α+γ两相区边界线上，由α＋γ两相组成。Cu-25Zn-6Al 合金位于α＋‘
β＋γ的三相区中，由α＋‘
β＋γ的三相区组成，可以从图中读出各相成分点： α：Cu-22.6Zn-3.45Al, γ：Cu-18Zn-11.5Al, β：Cu-30Zn-4Al
故Cu-20Zn-8Al 合金中α％＝45.35.118
-.511-×100％＝43.50%
γ％＝1－α％＝56.5%
Cu －25Zn －6Al 合金中‘
β＝203020
-25-×100％=50%
α%=(1-‘β)×43.5%=21.75%,γ％=(1-‘β)×56.5%=28.25%
3) Y 合金凝固过程：L －α，L －α＋β，β－α
3 解答： 1) P p ''：L+α－β
P E '1：L －β+γ P E '2：L －α+γ
2) L+α－β+γ
3）O 合金凝固过程：L －α,L+α－β,L+α－β+γ,α,β,γ同析。
4 解答：e 1－1085℃：L →Fe 2C+γ；P 1－1335℃：L+α－γ；γ2－1380℃：L+Fe 3W 2－α 1700℃ L ＋WC ＋W －η 1200℃ L ＋η－γ+WC 1085℃ L －γ＋Fe3C ＋WC
5 解答： 1) 2Cr13.不锈钢的淬火加热在γ相区，从图上估计为1050℃－1300℃； 2）2％C ，13％Cr 刚的平衡凝固过程为：L －γ,L －γ+C 1； γ→α＋C 3（P ）；α→C 3； 室温下组织为C 1+P 。 3) 1区的三相反应是：L+δ－γ
795℃的四相平衡的反应式：γ＋C 1－α+ C 3
6 解答：Ⅳ区合金凝固过程为：L －α,L －α＋β，α－β互析；
Ⅵ区合金凝固过程为：L －α,L －α＋β，L －α＋β+γ,随后α，β，γ同析； 四相反应式为：L －α＋β＋γ
7 解答：四相反应式为137.4℃时P 点：Lp+α1－β1＋δ1
99.5℃时E 点 L E －β2＋δ2＋γ
三元系初晶面有δ、α、β、γ的四个初晶面；
2）三元合金中合金1的结晶过程为：L －γ，L －γ+δ+β； 合金2的结晶过程为：L －δ，L －δ+β，L －γ+δ+β； 合金3的结晶过程为：L －α，L －δ+α,L ＋α－β+δ； 合金4的结晶过程为:：L －α, L ＋α－β+δ。
3）由题意分析可知改合金成分位于γ(Bi)与E 点的连线上，设其Bi 含量为x,
故有50%=55-100x
100-×100%，故Bi 含量为77.5%，
即Pb%+Sn%=22.5%。由于成分线过Bi 的顶点，故所求合金中
2718
%Pb%=Sn 可求得Pb%=9%，Sn=13.5%。
第六章 空位与位错
一、 名词解释
空位平衡浓度：金属晶体中，空位是热力学稳定的晶体缺陷，在一定的空位下对应一定的空位浓度，通常用金属晶体中空位总数与结点总数的比值来表示。
位错：晶体中的一种原子排列不规则的缺陷，它在某一个方向上的尺寸很大，另两个方向上尺寸很小。
柏氏回路：确定柏氏族矢量的过程中围绕位错线作的一个闭合回路，回路的每一步均移动一个原子间距，使起点与终点重合。
P-N 力：周期点阵中移动单个位错时，克服位错移动阻力所需的临界切应力
扩展位错：两个不全位错之间夹有层错的位错组态
堆垛层错：密排晶体结构中整层密排面上原子发生滑移错排而形成的一种晶体缺陷。
弗兰克-瑞德位错源：两个结点被钉扎的位错线段在外力的作用下不断弯曲弓出后，互相邻近的位错线抵消后产生新位错，原被钉扎错位线段恢复到原状，不断重复产生新位错的，这个不断产生新位错、被钉扎的位错线即为弗兰克-瑞德位错源。
Orowan 机制：合金相中与基体非共格的较硬第二相粒子与位错线作用时不变形，位错绕过粒子，在粒子周围留下一个位错环使材料得到强化的机制。
科垂尔气团：围绕刃型位错形成的溶质原子聚集物，通常阻碍位错运动，产生固溶强化效果。
铃木气团：溶质原子在层错区偏聚，由于形成化学交互作用使金属强度升高。
面角位错：在fcc 晶体中形成于两个{111}面的夹角上，由三个不全位错和两个层错构成的不能运动的位错组态。
多边形化：连续弯曲的单晶体中由于在加热中通过位错的滑移和攀移运动，形成规律的位错壁，成为
小角度倾斜晶界，单晶体因而变成多边形的过程。
二、 问答
1 解答：层错能高，难于形成层错和扩展位错，形成的扩展位错宽度窄，易于发生束集，容易发生交滑移，冷变形中线性硬化阶段短，甚至被掩盖，而抛物线硬化阶段开始早，热变形中主要发生动态恢复软化；层错能低则反之，易于形成层错和扩展位错，形成的扩展位错宽度较宽，难于发生束集和交滑移，冷变形中线性硬化阶段明显，热变形中主要发生动态再结晶软化。
2. 解答： 1）对于位错反应，需要同时满足能量条件和几何条件，反应才能进行。
在]101[2a →]112[6a ]+]
121[6a 中，
2
22222
20112a a b =++=∑）（）（前， 2
22222
321126a
a b =?++=∑）（）（后，22后前b b ∑>∑，满足能量条件；同时
]
101[2]112112[6]101[2a a b a b =-+-+-=∑==∑））（）（（后前，满足几何条件，故反应能进行。
扩展位错宽度
πγ221）（b b G d =
，G 为切弹性模量，b1、b2为不全位错柏氏矢量，γ为层错能。若反应前的]101[2a 是刃位错，则反应后的扩展位错只能在原滑移面上进行滑移；若反应前的]101[2a
是螺型位错，反应后形成的扩展位错可以进行束集，与其相交面如）（111面相交处束集，而后过渡到）（111面上进行运动，并有可能再次分解为扩展位错。
2）若（1，1，1）面上位错]110[2a b =
与）（111面上的位错]
011[2a b =相遇，它们之间能满足能量条件
和几何条件，可以发生位错反应，反应式为：]
110[2]011[2]110[2a
a a =+。新位错位于（001）面上，是
纯刃型位错，由于不在其滑移面{111}面上，为不可动位错。
3）（111）与（111）两个滑移面上全位错分解为肖克莱不全位错的两个反应式为：
（111）晶面上：]211[6]112[6]110[2a a a +-，）（111面上的位错]
112[6]211[6]011[2a
a a +- 4）如果两扩展位错运动分解后的两个领先不全位错为[]
1126a 和]
121[6a ，两领先位错之间依据能量条
件和几何条件要求，可以判断位错反应可以进行。新位错柏氏矢量为]110[6a
；新形成位错为在（001）面
上刃型位错，牵制到其它两个不全位错和两个层错均不能运动，会引起冷加工中的加工硬化。
3 解答：1）将各参数带入公式中可以计算得到Es ＝0.73~0.92Gb 2；
2）Cu 中长度为1个柏氏矢量的螺型位错割阶的能量约为（1.725~2.3）×10－
11J/cm 2。
4 解答：平衡空位浓度
）
（kT E A C V
-
=exp ，A 为材料常数，k ＝1.38×10－23 J/K ，Ev 为空位形成能。，即温度越高，空位浓度越大。高温淬火后由于高浓度空位被保留至低温，对低温加热扩散有促进作用。
5 解答：平衡空位浓度
）
（kT E A C V
-
=exp ，Al 的空位形成能为0.76eV ＝0.76×（1.602×10－19 J ），k ＝
1.38×10－23 J/K ，系数A=1。计算可得27ε （300K ）时空位浓度C1＝1.7×10－
13，627ε 时空位浓度为C2
＝5.54×10－
5，故从27ε 升温到627ε 时空位浓度增加8
12
10258.3?=C C 倍。
6 解答：两平行同号刃型位错之间滑移面上的受力：
2
222212）（）
（）（y x y x x b Gb F x +--'=νπ，G 为切弹性模量，b ，b '为两刃型位错的柏氏矢量，ν为泊松比。
故位置1位错受斥力，位置2位错处于亚稳平衡，偏离该位置则远离或运动到与原点处位错垂直的地方。位置3处第二个位错处于与原点处位错垂直的上方，处于稳定态。
7、解答：位错是晶体中的缺陷，对材料有许多重要影响。 1） 对变形影响。通过位错运动完成塑性变形；
2） 对性能影响，与第二相粒子，通过切过或绕过机制强化材料，冷加工中位错密度增加也能强化材料，
或通过形成科垂尔气团强化材料，以及位错运动中相互交截，或形成割阶、面角位错等使材料强化； 3） 对再结晶中的晶核形成机制有影响； 是优先扩散通道。
第七章 金属塑性变形
一 名词
固溶强化：固溶体中的溶质原子溶入基体金属后使合金变形抗力提高，应力－应变曲线升高，塑性下降的现象；
应变时效：具有屈服现象的金属材料在受到拉伸等变形发生屈服后，在室温停留或低温加热后重新拉伸又出现屈服效应的情况；
孪生：金属塑性变形的重要方式。晶体在切应力作用下一部分晶体沿着一定的晶面（孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另外一部分晶体作均匀的切变，使相邻两部分的晶体取向不同，以孪晶面为对称面形成镜像对称，孪晶面的两边的晶体部分称为孪晶。形成孪晶的过程称为孪生；
临界分切应力：金属晶体在变形中受到外力使某个滑移系启动发生滑移的最小分切应力；
变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构。
二 问答
1 简答：纯金属变形主要借助位错运动，通过滑移和孪生完成塑性变形，开动滑移系需要临界切应力，晶体中还会发生扭转；单相合金的基本变形过程与纯金属的基本过程是一样的，但会出现固溶强化，开动滑移系需要临界切应力较大，还有屈服和应变时效现象。
2 简答：滑移时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍，孪生时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍；滑移时滑移面两边晶体的位向不变，而孪生时孪生面两边的晶体位向不同，以孪晶面形成镜像对称；滑移时需要的临界分切应力小，孪生开始需要的临界分切应力很大，孪生开始后继续切变时需要的切应力小，故孪生一般在滑移难于进行时发生。
3 简答：1）α的滑移系为{110}<111>，β相的常见滑移系为{111}<110>，η相的常见滑移系为（0001）<1120>。
2）它们单晶变形时应力-应变曲线示意图如图。
典型的面心立方单晶体的加工硬化曲线可以分为三个阶段。当切应力达到晶体的临界分切应力时，其应力-应变曲线近似为直线，称为易滑移阶段，此时加工硬化率很小，滑移线细长，分布均匀；随后加工硬化率显著增加，称为线性硬化阶段，滑移系在几组相交的滑移系上发生，位错彼此交截，滑移线较短；第三阶段称为抛物线硬化阶段，加工硬化随应变增加而减少，出现许多碎断滑移带，滑移带端部出现交滑移痕迹。 多晶体加工硬化曲线一般不出现易滑移的第一阶段，而加工硬化率明显高于单晶体。
4 简答：冷加工纤维组织是纯金属和单相合金在冷塑性变形时和变形度很大的条件下，各晶粒伸长成纤维状；带状组织是复相合金在冷塑性变形和变形度大的条件下第二相被破碎或伸长，沿变形方向成带状分布而形成的；变形织构是金属和合金在在冷塑性变形时晶粒发生择优取向而形成的。
上述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构都使材料的性能具有方向性，即在各个方向上的性能不均，对使用性能有不良影响，但少数金属材料，如用作变压器的硅钢片，各向异性能更好满足使用要求。
5 简答：金属材料经热加工后机械性能较铸造态好的主要原因是热加工时的高温、大变形量使气泡、疏松和微裂纹得到机械焊合，提高了材料的致密性，消除了铸造缺陷，同时改善夹杂物和脆性相的形态、大小和分布，使枝晶偏析 程度减弱，合金成分均匀性提高，热加工中形成合理的加工流线，热加工还可使金属显微组织细化，这些都可以提高金属材料的性能。
6 简答：金属材料经冷加工后，强度增加，硬度增加，塑性降低的现象称为加工硬化。产生加工硬化的各种可能机制有滑移面上平行位错间的交互作用的平行位错硬化理论，以及滑移面上位错与别的滑移面上位错林切割产生割阶的林位错强化理论。
加工硬化在实际生产中用来控制和改变金属材料的性能，特别是对不能热处理强化的合金和纯金属尤为重要，可以进行热处理强化的合金，加工硬化可以进一步提高材料的强度；加工硬化是实现某些工件和半成品加工成型的主要因素；加工硬化也会带来塑性降低，使变形困难的影响，还会使材料在使用过程中尺寸不稳定，易变形，降低材料耐蚀性。
7 简答：可有8个滑移系同时产生滑移（可以通过计算fcc 的滑移系与[001]方向的夹角得到此结果）。开
动其中一个滑移系至少要施加的拉应力为)
MN/m (93.141.079
.0cos cos 2===
?λτσk
9 简答：第二相在冷塑性变形过程中的作用一般是提高合金强度，但还取决于第二相的种类数量颗粒大小形状分布特点及与基体结合界面结构等，对塑性变形影响复杂。第二相强度高于基体但有一定塑性，其尺寸、含量与基体基本接近，则合金塑性是两相的变形能力平均值。第二相硬、脆，合金变形只在基体中进行，第二相基本不变形；第二相均匀、弥散分布在固溶体基体上，可以对合金产生显著强化作用。
10 简答：织构由晶粒择优取向形成，变形织构对再结晶织构形成有主要影响，织构造成材料性能各向异性。各向异性在不同情况需要避免或利用。织构控制可以通过控制合金元素的种类和含量、杂质含量、变形工艺（如变向轧制）和退火工艺等多种因素的配合。
11 简答：金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化主要有晶粒被拉长，形成纤维组织，冷变形程度很高时，位错密度增高，形成位错缠结和胞状组织，发生加工硬化，，变形金属中出现残余应力，金属在单向塑性变形时出现变形织构。
12 简答： 1）屈服现象是由溶质原子与位错交互作用产生气团产生的，在外力作用下使位错挣脱溶质原子的钉扎，材料出现屈服现象，曲线2在位错脱离钉扎后溶质原子来不及重新聚集形成气团，故无屈服现象；曲线3在出现屈服后时效再加载，溶质原子可以重新聚集形成气团，故又出现屈服现象；
2）屈服现象使金属材料在拉伸和深冲过程中变形不均匀，造成工件表面不平整。可以通过加入与溶质原子形成稳定化合物的其它元素，减少间隙溶质原子含量，减少气团，消除或减轻屈服现象，或在深冲之前进行比屈服伸长范围稍大的预变形，使位错挣脱气团的钉扎，然后尽快深冲。
13 简答：根据霍尔—配奇公式：2
1
0-
+=kd
s σσ，则按照题意有：
21
041100-+=）（k σ和2
1
0641250-+=）
（k σ，可以解得σ0＝50，k ＝25，故可求得当d=1/16mm 时，根据霍尔—配奇公式求得σs ＝50＋25×2
1
161-
）（＝150 MNm -2
第八章 回复与再结晶
1 名词
变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构；
再结晶织构是具有变形织构的金属经过再结晶退火后出现的织构，位向于原变形织构可能相同或不同，但常与原织构有一定位向关系。
再结晶全图：表示冷变形程度、退火温度与再结晶后晶粒大小的关系（保温时间一定）的图。
冷加工与热加工：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。
带状组织：多相合金中的各个相在热加工中可能沿着变形方向形成的交替排列称为带状组织；
加工流线：金属内部的少量夹杂物在热加工中顺着金属流动的方向伸长和分布，形成一道一道的细线；
动态再结晶：低层错能金属由于开展位错宽，位错难于运动而通过动态回复软化，金属在热加工中由温度和外力联合作用发生的再结晶称为动态再结晶。
临界变形度：再结晶后的晶粒大小与冷变形时的变形程度有一定关系，在某个变形程度时再结晶后得到的晶粒特别粗大，对应的冷变形程度称为临界变形度。
二次再结晶：某些金属材料经过严重变形后在较高温度下退火时少数几个晶粒优先长大成为特别粗大的晶粒，周围较细的晶粒逐渐被吞掉的反常长大情况。
退火孪晶：某些面心立方金属和合金经过加工和再结晶退火后出现的孪晶组织。
2 问答
1 简答：再结晶是一种组织转变，从变形组织转变为无畸变新晶粒的过程，再结晶前后组织形态改变，晶体结构不变；固态相变时，组织形态和晶体结构都改变；晶体结构是否改变是二者的主要区别。
2 简答：变形度较小时以晶界弓出机制形核，变形度大的高层错能金属以亚晶合并机制形核，变形度大的低层错能金属以亚晶长大机制形核。
冷变形度很小时不发生再结晶，晶粒尺寸基本保持不变，在临界变形度附近方式再结晶晶粒特别粗大，超过临界变形度后随变形度增大，晶粒尺寸减少，在很大变形度下，加热温度偏高，少数晶粒发二次再结晶，使部分晶粒粗化。
3 简答：灯泡中W丝在高温下工作，晶粒长大后在热应力作用下破断，延长钨丝寿命的方法可以加入第二相质点阻止晶粒在加热时长大，如加入ThO2颗粒；或在烧结中使制品中形成微细的空隙也可以抑制晶粒长大，如加入少量K、Al、Si等杂质，在烧结时汽化形成极小的气泡。
4 简答：户外用的架空铜导线要求一定的强度可以进行回复退火，只去应力，保留强度；户内电灯用花线可以进行再结晶退火，软化金属，降低电阻率。
5 简答：1）纯铝经90%冷变形后在70ε，150ε，300ε保温后空冷的组织示意图如图。
2）纯铝试样强度、硬度以70ε退火后最高，150ε退火试样的强度、硬度次之，300ε保温后强度、硬度最低，而塑性则以70ε退火后最低，150ε退火试样的居中，300ε保温后塑性最好；
工业纯金属的再结晶温度一般可用T再＝（0.3~0.4）T熔估计，故纯铝的再结晶温度为100ε左右，在70℃保温合金只是发生回复，显微组织仍保持加工状态，强度。硬度最高，塑性差，组织为纤维组织；150ε加热发生再结晶，强度、硬度下降，塑性好，300ε保温后发生晶粒长大，强度、硬度进一步下降，塑性很好。
7 简答：可计算得到三种纯金属的再结晶温度大约为纯钛：550℃，纯铝：100℃，纯铅低于0℃。金属的轧制开坯温度要在再结晶温度以上进行，故工业纯钛、纯铝和纯铅铸锭的轧制开坯温度可分别取200℃，800℃，室温即可。
开坯后在室温轧制，铅的塑性最好，铝的塑性也较好，钛的塑性最差。在室温下纯铝和纯铅可以连续轧制，并获得很薄的带材，但纯钛不能继续轧制，要获得很薄的带材需要在再结晶温度以上反复进行轧制。
8 简答：晶粒大小对金属材料的室温力学性能可用Hall －Petch 公式2
10-
+=kd s σσ描述，晶粒越细小，材料强度越高；高温下由于晶界产生粘滞性流动，发生晶粒沿晶界的相对滑动，并产生扩散蠕变，晶粒太细小金属材料的高温强度反而降低。
生产中可以通过选择合适的合金成分获得细小晶粒，利用变质处理，振动、搅拌，加大过冷度等措施细化铸锭晶粒，利用加工变形细化晶粒，合理制订再结晶工艺参数控制晶粒长大。
9 简答： 固溶强化，细晶强化，加工硬化，第二相强化，相变（热处理）强化等。
10 简答： 固溶强化的可能位错机制主要是溶质原子气团对位错的钉扎，增加了位错滑移阻力。如溶质原子与位错的弹性交互作用的科垂尔气团和斯诺克气团，溶质原子与扩展位错交互作用的铃木气团使层错宽度增加，位错难于束集，交滑移困难；溶质原子形成的偏聚和短程有序，位错运动通过时破坏了偏聚和短程有序使得能量升高，增加位错的阻力，以及溶质原子与位错的静电交互作用对位错滑移产生的阻力使材料强度升高。
弥散强化也是通过阻碍位错运动强化材料，如位错绕过较硬、与基体非共格第二相的Orowan 机制和切割较软、与基体共格的第二相粒子的切割机制。
产生加工硬化的各种可能机制有滑移面上平行位错间的交互作用的平行位错硬化理论，以及滑移面上位错与别的滑移面上位错林切割产生割阶的林位错强化理论。
第九章 表面与界面
1 名词
正吸附：材料表面原子处于结合键不饱和状态，以吸附介质中原子或晶体内部溶质原子达到平衡状态，当溶质原子或杂质原子在表面浓度大于在其在晶体内部的浓度时称为正吸附；
晶界能：晶界上原子从晶格中正常结点位置脱离出来，引起晶界附近区域内晶格发生畸变，与晶内相比，界面的单位面积自由能升高，升高部分的能量为晶界能；
小角度晶界：多晶体材料中，每个晶粒之间的位向不同，晶粒与晶粒之间存在界面，若相邻晶粒之间的位向差在10°～2°之间，称为小角度晶界；
晶界偏聚：溶质原子或杂质原子在晶界或相界上的富集，也称内吸附，有因为尺寸因素造成的平衡偏聚和空位造成的非平衡偏聚。
2 问答
1 简答： 复合材料由颗粒或纤维与基体构成，存在大量界面。按照显微结构，其界面层可以区分为基体与复合物的机械固体啮合结合、形成化学反应的化合层结合、形成完全或部分固溶体的结合几种情况。结合层的结合面体积分数越大，结合层强度越高，基体与复合物之间的结合键力越大，结合强度越高。
2 简答： 晶界具有晶界能，容易发生溶质原子和杂质原子的晶界偏聚，是原子易扩散通道，晶界在加热时会发生迁移，晶界是相变等优先形核的地方，晶界易受腐蚀，晶界增多在室温下强化材料，在高温下弱化材料强度，晶界处易于析出第二相，晶界容易使位错塞积，造成应力集中，晶界上原子排列混乱。
3 简答：一般金属的晶界能与晶粒位向差有关，并随位向差增大而增大，小角度晶界的晶界能小于大角
度晶界的晶界能，但大角度晶界能一般可以看成常数，约为（5～6）×10－
5J/cm 2。
5 简答： 影响晶界迁移的因素主要有界面能、溶质原子、第二相质点数量、尺寸和温度。界面能降低是
晶界迁移的驱动力，与晶界曲率半径成反比，与界面的表面能成正比，因此大角度晶界迁移率总是大于小角度晶界的迁移率；溶质原子阻碍晶界迁移；第二相质点数量越多、尺寸越小对晶界的迁移阻碍作用越大，温度越高晶界迁移越快。
第十章 原子扩散
1 简答： 影响扩散的因素主要有温度，温度越高，扩散越快；晶体缺陷如界面、晶界位错容易扩散；不同致密度的晶体结构溶质原子扩散速度不一样，低致密度的晶体中溶质原子扩散快，各向异性也影响溶质原子扩散；在间隙固溶体中溶质原子扩散容易；扩散原子性质与基体金属性质差别越大，扩散越容易；一
般溶质原子浓度越高，扩散越快；加入其它组元与溶质原子形成化合物阻碍其扩散。
2 解答：Ni 为fcc 结构，一个晶胞中的原子个数为4，依题意有：
在Ni/MgO 界面镍板一侧的Ni 的浓度C Ni 为100%，每cm 3中Ni 原子个数为：
N Ni/MgO =(4原子/晶胞)/(3.6×10－
8cm 3)=8.57×1022原子/cm 3，
在Ta/MgO 界面Ta 板一侧的Ni 的浓度0%，这种扩散属于稳态扩散，可以利用菲克第一定律求解。 故浓度梯度为dc/dx ＝（0－8.57×1022原子/cm 3）/（0.05cm ）＝－1.71×1024原子/（cm 3.cm ）， 则Ni 原子通过MgO 层的扩散通量：
J ＝－D （dc/dx ）=－9×10－
12cm 2/s ×(－1.71×1024原子/（cm 3.cm ）) =1.54×1013Ni 原子/（cm 2.s)
每秒钟在2×2cm 2的面积上通过MgO 层扩散的Ni 原子总数N 为 N ＝J ×面积＝[1.54×1013Ni 原子/（cm 2.s)]×4cm 2=6.16×1013Ni 原子/s 。
每秒钟从界面扩散走的Ni 原子体积
总原子数扩散走的原子
N N V =
，故 V ＝（6.16×1013Ni 原子/s ）/（8.57×1022原子/cm 3）＝0.72×10－
9cm 3/s ， 用厚度d 表示在该面积中每秒扩散的Ni 原子为
d ＝V/面积＝（0.72×10－9cm 3/s ）/（2×2cm 2）＝1.8×10－
10cm/s ， 也就是说要将1mm 厚的Ni 层扩散掉，所需时间t 为：
t ＝（1mm ）/（1.8×10－
10cm/s ）＝556000秒＝154小时。
3 解答：1）渗碳情况符合菲克第二定律的特殊解的应用条件，可以利用菲克第二定律进行解决。
菲克第二定律特殊解公式：）
（Dt X
erf C C C C S
X S 40=-- 其中依题意有C s ＝1.2，C 0=0.1，C x =0.45，x=0.2。
带入上式，则有）
（Dt erf 42.01.02.145.02.1=--，即：68.0)Dt 1
.0( erf =
从表10－1可以得出误差函数值，有71
.0Dt 1
.0=，Dt ＝(0.1/0.71)2=0.0198cm 2。
任何满足Dt ＝0.0198cm 2关系的工艺均可，由于扩散与温度、时间有关，
D=D 0exp(-Q/RT)，带入C 在Fe 中的D 0＝0.23，激活能Q ＝32900cal/mol ， D=0.23exp(-32900cal/mol/1.987（cal/mol.K ）T)=0.23exp(-16558/T)，
因此由Dt ＝(0.1/0.71)2=0.0198cm 2，渗碳时间与渗碳温度的关系为：
)
T 16588-exp(0861.0)
.s (cm D )cm (0198.0t 2
2==
故可以列出一些典型的渗碳温度与时间如下： T ＝900℃=1173K ，则t=116174s=32.3h ； T ＝1000℃=1273K ，则t=36360s=10.7h ； T ＝1100℃=1373K ，则t=14880s=4.13h ； T ＝1200℃=1473K ，则t=6560s=1.82h 。
可以根据上述温度与时间的关系，考虑合金相变和加热炉、生产效率进行合理选择，一般以1000℃左右较为合适。
2）在渗碳温度和其它条件不变的情况下，要求渗碳深度增加一倍，由1）可知有关系
）
（Dt erf 44
.01.02.145.02.1=--存在，可以解得t ＝42.7h ；
4 简答：由于反应扩散的原因，试样中不能出现两相区，故试样从表面到心部的组织最外层为α相，靠里层为γ相，心部不受脱碳影响为α相和γ相。
5 简答：1）渗碳在γ-Fe 中进行而不在α-Fe 中进行，渗碳温度要高于727ε ，是因为α-Fe 中最大碳溶解
度（质量分数）为0.0218％，对于碳含量大于0.0218％的钢铁，渗碳时零件中碳浓度梯度为0，渗碳无法进行；而且由于温度低，扩散系数小，渗碳缓慢。在γ-Fe中进行则可获得较高的表层碳浓度梯度，温度也高，可使渗碳顺利进行。
2）渗碳温度高于1100ε会使钢板的晶粒长大，降低其机械性能。
6 简答：1）在有限的时间内不可能使枝晶偏析完全消失，
2）冷加工可以促进均匀化过程；经过冷加工后枝晶被破碎，缩短了枝晶间距。
7 简答：原子扩散在材料中的影响包括晶体凝固时形核、长大；合金的成分过冷；成分均匀化，包晶反应非平衡凝固时保留高温组织的特点，固态相变时的形核，晶界形核、晶界运动、晶界偏聚、高温蠕变，氧化，焊接，化学热处理（渗C、N等），粉末冶金，涂层等各方面。
8 解答：上坡扩散是扩散过程中扩散元素从低浓度向高浓度出扩散；如各种溶质原子气团的形成和共析反应产物的形成均为上坡扩散。
9 简答：间隙固溶体中溶质原子在间隙中发生间隙扩散，在置换式固溶体中发生原子与空位交换实现扩散的空位机制。
第五章铁碳相图习题参考答案
一、解释下列名词
答：1、铁素体：碳溶入α－Fe中形成的间隙固溶体。
奥氏体：碳溶入γ－Fe中形成的间隙固溶体。
渗碳体：铁与碳形成的具有复杂晶体结构的金属化合物。
珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
莱氏体：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
2、Fe3CⅠ：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。
Fe3CⅡ：从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。
Fe3CⅢ：从铁素体中析出的Fe3C称为三次渗碳体。
共析Fe3C：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称
为共析渗碳体。
共晶Fe3C：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为
共晶渗碳体。
3、钢：含碳量大于0.00218%，小于2.11%的铁碳合金。
白口铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。
课程 材料科学基础 （共3页，共十题，答题时不必抄题，标明题目序号，相图不必重画,直接做在试卷上） 一、填空题（1.5×20=30分） 1. 结晶学晶胞是（ ）。 2. 扩散的基本推动力是（ ），一般情况下以（ ）形式表现出来，扩散常伴随着物质的（ ）。 3. 晶面族是指（ ）的一组晶面，同一晶面族中，不同晶面的（）。 4. 向MgO、沸石、TiO2、萤石中，加入同样的外来杂质原子，可以预料形成间隙型固溶体的固溶度大小的顺序将是（ ）。 5. 根据烧结时有无液相出现，烧结可分为（ ），在烧结的中后期，与烧结同时进行的过程是（ ）。 6. 依据硅酸盐晶体化学式中（ ）不同，硅酸盐晶体结构类型主要有（ ）。 7. 液体表面能和表面张力数值相等、量纲相同，而固体则不同，这种说法是（ ）的，因为（ ）。 8. 二级相变是指（ ），发生二级相变时，体系的（ ）发生突变。 9. 驰豫表面是指（ ），NaCl单晶的表面属于是（ ）。 10. 固态反应包括（ ），化学动力学范围是指（ ）。 11．从熔体结构角度，估计a长石、b辉石(MgO·SiO2)、c镁橄榄石三种矿物的高温熔体表面张力大小顺序（ ）。 二、CaTiO3结构中，已知钛离子、钙离子和氧离子半径分别为 0.068nm， 0.099nm，
0.132nm。（15分） 1. 晶胞中心的钛离子是否会在八面体空隙中“晃动”； 2. 计算TiCaO3的晶格常数； 3. 钛酸钙晶体是否存在自发极化现象，为什么？ 三、在还原气氛中烧结含有TiO2的陶瓷时，会得到灰黑色的TiO2-x：（15分） 1．写出产生TiO2-x的反应式； 2．随还原气氛分压的变化，该陶瓷材料的电导率和密度如何变化？ 3．从化学的观点解释该陶瓷材料为什么是一种n型半导体。 四、选择题：下列2题任选1题（12分） 1. 简述金属材料、无机非金属材料以及高分析材料腐蚀的特点。 2. 试述材料疲劳失效的含义及特点。 五、现有三种陶瓷材料，它们的主要使用性能如下：（15分） 材料最佳性能用途 Y2O3透明，光线传递光学激光杆 Si3N4高温强度，抗蠕变燃气轮机部件 含Co铁氧体较顽力高能量永久磁铁 在烧结过程中希望材料获得预期的显微结构以使材料最佳性能充分发挥，在控制显微结构因素和工艺条件上应主要考虑哪些相关因素？ 六、熔体结晶时：（1）图示核化速率-温度、晶化速率-温度关系及其对总结晶速率的的影响； （2）核化速率与晶化速率的不同对新相的显微结构有何影响，为什么？ （3）指出在哪一温度范围内对形成玻璃有利，为什么？（12分） 七、X射线给出立方MgO的晶胞参数是0.4211nm，它的密度是3.6g/cm3。（Mg2+和O2-、Al3+摩尔质量分别是24.3和16、27）（12分）
《材料科学基础》试题库 一、名词解释 1、铁素体、奥氏体、珠光体、马氏体、贝氏体、莱氏体 2、共晶转变、共析转变、包晶转变、包析转变 3、晶面族、晶向族 4、有限固溶体、无限固溶体 5、晶胞 6、二次渗碳体 7、回复、再结晶、二次再结晶 8、晶体结构、空间点阵 9、相、组织 10、伪共晶、离异共晶 11、临界变形度 12、淬透性、淬硬性 13、固溶体 14、均匀形核、非均匀形核 15、成分过冷 16、间隙固溶体 17、临界晶核 18、枝晶偏析 19、钢的退火，正火，淬火，回火 20、反应扩散 21、临界分切应力 22、调幅分解 23、二次硬化 24、上坡扩散 25、负温度梯度 26、正常价化合物 27、加聚反应 28、缩聚反应 29、 30、 二、选择
1、在柯肯达尔效应中，标记漂移主要原因是扩散偶中_____。 A、两组元的原子尺寸不同 B、仅一组元的扩散 C、两组元的扩散速率不同 2、在二元系合金相图中，计算两相相对量的杠杆法则只能用于_____。 A、单相区中 B、两相区中 C、三相平衡水平线上 3、铸铁与碳钢的区别在于有无_____。 A、莱氏体 B、珠光体 C、铁素体 4、原子扩散的驱动力是_____。 A、组元的浓度梯度 B、组元的化学势梯度 C、温度梯度 5、在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为_____。 A、原子互换机制 B、间隙机制 C、空位机制 6、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、肖脱基缺陷 B、弗兰克尔缺陷 C、线缺陷 7、理想密排六方结构金属的c/a为_____。 A、1.6 B、2×√(2/3) C、√(2/3) 8、在三元系相图中，三相区的等温截面都是一个连接的三角形，其顶点触及_____。 A、单相区 B、两相区 C、三相区 9、有效分配系数Ke表示液相的混合程度，其值范围是_____。（其中Ko是平衡分配系数） A、1 材料科学基础习题 叶荷 11 及材料班2013-1-10 第三章二元合金相图和合金的凝固 一、名词：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。 平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。 成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。 异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象。共晶转变：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。 脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。 包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。 成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。 二、简答： 1. 固溶体合金结晶特点？答：异分结晶；需要一定的温度范围。 2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？ 答：溶质平衡分配系数ko；溶质原子扩散能力；冷却速度。 3. 影响成分过冷的因素？ 答：合金成分；液相内温度梯度；凝固速度。 4. 相图分折有哪几步？答：以稳定化合物为独立组元分割相图并分析；熟悉相区及相；确定三相平衡转变性质。 三、绘图题 绘图表示铸锭宏观组织三晶区。 四、书后习题 1、何谓相图？有何用途？ 答：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 相图的作用：由相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。 2、什么是异分结晶？什么是分配系数？答：异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。 一、名词： 相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。 平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。 成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。 异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象。 共晶转变：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。 脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。 包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。 成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。 二、简答： 1. 固溶体合金结晶特点？ 答：异分结晶；需要一定的温度范围。 2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？ 答：溶质平衡分配系数k0；溶质原子扩散能力；冷却速度。 3. 影响成分过冷的因素？ 答：合金成分；液相内温度梯度；凝固速度。 三、书后习题 1、何谓相图？有何用途？ 答：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 相图的作用：由相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。 2、什么是异分结晶？什么是分配系数？ 答：异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。 3、何谓晶内偏析？是如何形成的？影响因素有哪些？对金属性能有何影响，如何消除？ 答：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象 形成过程：固溶体合金平衡结晶使前后从液相中结晶出的固相成分不同，实际生产中，液态合金冷却速度较大，在一定温度下扩散过程尚未进行完全时温度就继续下降，使每个晶粒内部的化学成分布均匀，先结晶的含高熔点组元较多，后结晶的含低熔点组元较多，在晶粒内部存在着浓度差。 影响因素：1）分配系数k0：当k0<1时，k0值越小，则偏析越大；当k0>1时，k0越大，偏析也越大。2）溶质原子扩散能力，溶质原子扩散能力大，则偏析程度较小；反之，则偏析程度较大。3）冷却速度，冷却速度越大，晶内偏析程度越严重。 对金属性能的影响：使合金的机械性能下降，特别是使塑性和韧性显著降低， 材料科学基础考研经 典题目 16.简述金属固态扩散的条件。 答：⑴扩散要有驱动力——热力学条件，化学势梯度、温度、应力、电场等。 ⑵扩散原子与基体有固溶性——前提条件；⑶足够高温度——动力学条件；⑷足够长的时间——宏观迁移的动力学条件 17. 何为成分过冷？它对固溶体合金凝固时的生长形貌有何影响？ 答：成分过冷：在合金的凝固过程中，虽然实际温度分布一定，但由于液相中溶质分布发生了变化，改变了液相的凝固点，此时过冷由成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定，这种过冷称为成分过冷。成分过冷区的形成在液固界面前沿产生了类似负温度梯度的区域，使液固界面变得不稳定。当成分过冷区较窄时，液固界面的不稳定程度较小，界面上偶然突出部分只能稍微超前生长，使固溶体的生长形态为不规则胞状、伸长胞状或规则胞状；当成分过冷区较宽时，液固界面的不稳定程度较大，界面上偶然突出部分较快超前生长，使固溶体的生长形态为胞状树枝或树枝状。所以成分过冷是造成固溶体合金在非平衡凝固时按胞状或树枝状生长的主要原因。 18.为什么间隙固溶体只能是有限固溶体，而置换固溶体可能是无限固溶体？ 答：这是因为当溶质原子溶入溶剂后，会使溶剂产生点阵畸变，引起点阵畸变能增加，体系能量升高。间隙固溶体中，溶质原子位于点阵的间隙中，产生的点阵畸变大，体系能量升高得多；随着溶质溶入量的增加，体系能量升高到一定程度后，溶剂点阵就会变得不稳定，于是溶质原子便不能再继续溶解，所以间隙固溶体只能是有限固溶体。而置换固溶体中，溶质原子位于溶剂点阵的阵点上，产生的点阵畸变较小；溶质和溶剂原子尺寸差别越小，点阵畸变越小，固溶度就越大；如果溶质与溶剂原子尺寸接近，同时晶体结构相同，电子浓度和电负性都有利的情况下，就有可能形成无限固溶体。 19.在液固相界面前沿液体处于正温度梯度条件下，纯金属凝固时界面形貌如何？同样 条件下，单相固溶体合金凝固的形貌又如何？分析原因 金属学与热处理总结 一、金属的晶体结构 重点内容：面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四面体间隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。 基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，密排面上原子的堆垛顺序、晶胞、晶格、金属键的概念。晶体的特征、晶体中的空间点阵。 晶胞：在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，用来分析原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。 金属键：失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。 位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。 位错的柏氏矢量具有的一些特性： ①用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路途径无关；③位错的柏氏矢量个部分均相同。 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混合型呈任意角度。 晶界具有的一些特性： ①晶界的能量较高，具有自发长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋势；②原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；③相变时新相优先在晶界出形核；④晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐蚀和氧化；⑥常温下晶界可以阻止位错的运动，提高材料的强度。 二、纯金属的结晶 重点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法，铸锭三晶区的形成机制。 基本内容：结晶过程、阻力、动力，过冷度、变质处理的概念。铸锭的缺陷； 结晶的热力学条件和结构条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。 相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不断变化着的近程规则排列的 原子集团。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。 变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核， 以细化晶粒的方法。 过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过 程。从热力学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。根据 T R k ?∝1可知当过冷度T ?为零时临界晶核半径R k 为无穷大，临界形核功（2 1T G ?∝?）也为无穷大。临界晶核半径R k 与临界形核功为无穷大时，无法形核，所以液态金属不能结晶。晶体的长大也需要过冷度，所以液态金属结晶需要过冷度。 细化晶粒的方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌。 铸锭三个晶区的形成机理：表面细晶区：当高温液体倒入铸模后，结晶先从 模壁开始，靠近模壁一层的液体产生极大的过冷，加上模壁可以作为非均质形核的基底，因此在此薄层中立即形成大量的晶核，并同时向各个方向生长，形成表面细晶区。柱状晶区：在表面细晶区形成的同时，铸模温度迅速升高，液态金属冷却速度减慢，结晶前沿过冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散热最快，因而晶体沿相反方向生长成柱状晶。中心等轴晶区：随着柱状晶的生长，中心部位的液体实际温度分布区域平缓，由于溶质原子的重新分配，在固液界面前沿出现成分过冷，成分过冷区的扩大，促使新的晶核形成长大形成等轴晶。由于液体的流动使表面层细晶一部分卷入液体之中或柱状晶的枝晶被冲刷脱落而进入前沿的液体中作为非自发生核的籽晶。 三、二元合金的相结构与结晶 重点内容：杠杆定律、相律及应用。 基本内容：相、匀晶、共晶、包晶相图的结晶过程及不同成分合金在室温下 的显微组织。合金、成分过冷；非平衡结晶及枝晶偏析的基本概念。 相律：f = c – p + 1其中，f 为 自由度数，c 为 组元数，p 为 相数。 伪共晶：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也 可能得到全部共晶组织，这种共晶组织称为伪共晶。 合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结、或用其它 方法组合而成的具有金属特性的物质。 合金相：在合金中，通过组成元素（组元）原子间的相互作用，形成具有相 同晶体结构与性质，并以明确界面分开的成分均一组成部分称为合金相。 2009年硕士研究生入学考试材料科学基础试题... 西北工业大学 2009年硕士研究生入学考试试题 试题名称：材料科学基础（B 卷） 试题编号：832 说 明：所有答题一律写在答题纸上 第 1 页 共 3 页 1. 简答题（每题10分，共60分） 1. 在位错发生滑移时，请分析刃位错、螺位错和混合位错的位错线l 与柏氏矢量b 、外加切应力τ与柏氏矢量b 、外加切应力τ与位错线l 之间的夹角关系，及位错线运动方向。（请绘表格作答，答案务必写在答题册上） 2. 什么是置换固溶体？影响置换固溶体溶解度的因素有哪些？形成无限固溶体的条件是什么？ 3. 置换扩散与间隙扩散的扩散系数有何不同？在扩散偶中，如果是间隙扩散，是否会发生柯肯达尔效应？为什么？ 4. 在室温下对铁板（其熔点为 1538℃ ）和锡板（其熔点为 232℃ ），分别进行来回弯折，随着弯折的进行，各会发生什么现象？为什么？ 5. 何为固溶强化？请简述其强化机制。 6. 请比较二元共晶转变与包晶转变的异同。 二、作图计算题（每题10分，共40分） 混合位错 螺位错 刃位错 位错线运动 方向 τ与 l τ 与 b b 与 l 类型 1.请比较FCC晶体中和两位错的畸变能哪个较大。 2.面心立方晶体沿[001]方向拉伸，可能有几个滑移系开动？请写出各滑移系指 数，并分别绘图示之。 3.在Al单晶中，（111）面上有一位错，面上另一位错 。若两位错发生反应，请绘出新位错，并判断其性质。 4. 请分别写出立方晶系中{110}和{100}晶面族包括的晶面。 1)综合分析题（每题25分，共50分） 1. 请分析影响回复和再结晶的因素各有哪些，以及影响因素的异同，并请分析其原因。 23 35 ℃ ℃ ℃ ℃℃℃ 16.简述金属固态扩散的条件。 答：⑴扩散要有驱动力——热力学条件，化学势梯度、温度、应力、电场等。 ⑵扩散原子与基体有固溶性——前提条件；⑶足够高温度——动力学条件；⑷足够长的时间——宏观迁移的动力学条件 17. 何为成分过冷？它对固溶体合金凝固时的生长形貌有何影响？ 答：成分过冷：在合金的凝固过程中，虽然实际温度分布一定，但由于液相中溶质分布发生了变化，改变了液相的凝固点，此时过冷由成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定，这种过冷称为成分过冷。成分过冷区的形成在液固界面前沿产生了类似负温度梯度的区域，使液固界面变得不稳定。当成分过冷区较窄时，液固界面的不稳定程度较小，界面上偶然突出部分只能稍微超前生长，使固溶体的生长形态为不规则胞状、伸长胞状或规则胞状；当成分过冷区较宽时，液固界面的不稳定程度较大，界面上偶然突出部分较快超前生长，使固溶体的生长形态为胞状树枝或树枝状。所以成分过冷是造成固溶体合金在非平衡凝固时按胞状或树枝状生长的主要原因。 18. 为什么间隙固溶体只能是有限固溶体，而置换固溶体可能是无限固溶体？ 答：这是因为当溶质原子溶入溶剂后，会使溶剂产生点阵畸变，引起点阵畸变能增加，体系能量升高。间隙固溶体中，溶质原子位于点阵的间隙中，产生的点阵畸变大，体系能量升高得多；随着溶质溶入量的增加，体系能量升高到一定程度后，溶剂点阵就会变得不稳定，于是溶质原子便不能再继续溶解，所以间隙固溶体只能是有限固溶体。而置换固溶体中，溶质原子位于溶剂点阵的阵点上，产生的点阵畸变较小；溶质和溶剂原子尺寸差别越小，点阵畸变越小，固溶度就越大；如果溶质与溶剂原子尺寸接近，同时晶体结构相同，电子浓度和电负性都有利的情况下，就有可能形成无限固溶体。 19. 在液固相界面前沿液体处于正温度梯度条件下，纯金属凝固时界面形貌如何？同样条件下，单相 固溶体合金凝固的形貌又如何？分析原因 答：正的温度梯度指的是随着离开液—固界面的距离Z 的增大，液相温度T 随之升高的情况，即0>dZ dT 。在这种条件下，纯金属晶体的生长以接近平面状向前推移，这是由于温度梯度是正的，当界面上偶尔有凸起部分而伸入温度较高的液体中时，它的生长速度就会减慢甚至停止，周围部分的过冷度较凸起部分大，从而赶上来，使凸起部分消失，这种过程使液—固界面保持稳定的平面形状。固溶体合金凝固时会产生成分过冷，在液体处于正的温度梯度下，相界面前沿的成分过冷区呈现月牙形，其大小与很多因素有关。此时，成分过冷区的特性与纯金属在负的温度梯度下的热过冷非常相似。可以按液固相界面前沿过冷区的大小分三种情况讨论：⑴当无成分过冷区或成分过冷区较小时，界面不可能出现较大的凸起，此时平界面是稳定的，合金以平面状生长，形成平面晶。⑵当成分过冷区稍大时，这时界面上凸起的尖部将获得一定的过冷度，从而促进了凸起进一步向液体深处生长，考虑到界面的力学平衡关系，平界面变得不稳定，合金以胞状生长，形成胞状晶或胞状组织。⑶当成分过冷区较大时，平界面变得更加不稳定，界面上的凸起将以较快速度向液体深处生长，形成一次轴，同时在一次轴的侧向形成二次轴，以此类推，因此合金以树枝状生长，最终形成树枝晶。 20. 纯金属晶体中主要的点缺陷类型是什么？试述它们可能产生的途径？ 答：纯金属晶体中，点缺陷的主要类型是空位、间隙原子、空位对及空位与间隙原子对等。产生的途径：⑴依靠热振动使原子脱离正常点阵位置而产生。空位、间隙原子或空位与间隙原子对都可由热激活而形成。这种缺陷受热的控制，它的浓度依赖于温度，随温度升高，其平衡态的浓度亦增高。⑵冷加工时由于位错间有交互作用。在适当条件下，位错交互作用的结果能产生点缺陷，如带割阶的位错运动会放出空位。⑶辐照。高能粒子（中子、α粒子、高速电子）轰击金属晶体时，点阵中的原子由于粒子轰击而离开原来位置，产生空位或间隙原子。 21. 简述一次再结晶与二次再结晶的驱动力，并如何区分冷热加工？动态再结晶与静态再结晶后的组 织结构的主要区别是什么？ 答：一次再结晶的驱动力是基体的弹性畸变能，而二次再结晶的驱动力是来自界面能的降低。再结晶温 2004年西北工业大学硕士研究生入学试 题 一、简答题：（共40分，每小题8分） 1、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点？ 2、请简述影响扩散的主要因素有哪些。 3、临界晶核的物理意义是什么？形成临界晶核的充分条件是什么？ 4、有哪些因素影响形成非晶态金属？为什么？ 5、合金强化途径有哪些？各有什么特点？ 二、计算、作图题：（共60分，每小题12分） 1、求]111[和]120[两晶向所决定的晶面，并绘图表示出来。 2、氧化镁（MgO ）具有NaCl 型结构，即具有O 2-离子的面心立方结构。问： （1） 若其离子半径+2Mg r =0.066nm ，-2O r ＝0.140nm ，则其原子堆积密度 为多少？ （2） 如果+2Mg r /-2O r ＝0.41，则原子堆积密度是否改变？ 3、已知液态纯镍在1.013×105 Pa （1大气压），过冷度为319 K 时发生均匀形核，设临界晶核半径为1nm ，纯镍熔点为1726 K ，熔化热ΔH m ＝ 18075J/mol ，摩尔体积V s ＝6.6cm 3/mol ，试计算纯镍的液－固界面能和临 界形核功。 4、图示为Pb-Sn-Bi 相图投影图。问： （1）写出合金Q （w Bi ＝0.7，w Sn ＝0.2）凝固过程及室温组织； （2）计算合金室温下组织组成物的相对含量。 5、有一钢丝（直径为1mm ）包复一层铜（总直径为2mm ）。若已知钢的屈服强度σst ＝280MPa ，弹性模量E st ＝205GPa ，铜的σCu ＝140MPa ，弹性模量 E Cu ＝110GPa 。问： （1）如果该复合材料受到拉力，何种材料先屈服？ （2）在不发生塑性变形的情况下，该材料能承受的最大拉伸载荷是多 少？ （3）该复合材料的弹性模量为多少？ 三、综合分析题：（共50分，每小题25分） 1、某面心立方晶体的可动滑移系为]101[ )111(、 。 （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 ）。 2、若有，某一Cu-Ag 合金（w Cu ＝0.075，w Ag ＝0.925）1Kg ，请提出一种方案 从该合金中提炼出100g 的Ag ，且要求提炼得到的Ag 中的Cu 含量w Cu 低于0.02。（假设液相线和固相线固相线均为直线）。 2005年西北工业大学硕士研究生入学 试题 一、简答题（每题8分，共40分） 1. 请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。 2. 同素异晶转变和再结晶转变都是以形核长大方式进行的，请问两者之间有何差别？ 3. 两位错发生交割时产生的扭折和割阶有何区别？ 4. 请简述扩散的微观机制有哪些？影响扩散的因素又有哪些？ 5. 请简述回复的机制及其驱动力。 二O 一二年招收硕士研究生入学考试试题 考试科目及代码： 材料科学基础810 可使用的常用工具：（计算器、尺和量角器） 答题内容写在答题纸上，写在试卷或草稿纸上一律无效考完后试题随答题纸交回。 考试时间3小时，总分值150分。 姓 名： 报考学科、专业： 准考证号码： 密封线内不要写题 计算简单立方晶体中（110）和（121）的面间距。（材控专业10已知纯铝（fcc）τc=0.79Mpa，使()111面产生[101]方向的滑移，需在上施加多大的力？（8分） 1 、2和3题，共26分；其他专业只有2题不做，共 什么是单滑移、多滑移和交滑移？滑移在抛光金属表面留下线， 晶体错动留下台阶是怎样形成？（10分） 如右图一楔型纯铜铸锭，经连轧机组轧制成板材后，其 0，右边为60%。然后将板带进行再结晶退火 后，画出最终晶粒示意图，并分析退火对板带的加工性能和 力学性能带来的变化？（6分） 二O一二年招收硕士研究生入学考试试题参考答案 考试科目及代码： 材料科学基础810 适用专业：材料学、材料加工学、等离子物理和材料物理与化学 一、名词解释，24分 （材料加工学任选6题，每题4分，其他专业任选8题，每题3分） 1、晶格：晶体中原子（或离子、分子、原子集团）在三维空间有规律的周期性的重复排列，若假想用三组平行直线将它们几何中心连接，这些直线所形成的空间格子。 2、配位数：晶体结构中，与任一原子最近邻并且等距离的原子数。 3、成分过冷：由于溶液中溶质分布的变化，改变了熔点，从而产生的过冷称为成分过冷。 4、离异共晶：当合金成分偏离共晶成分很远时，在不平衡凝固时会形成两相分离的共晶组织，称为离异共晶。 5、位错密度：单位体积晶体中位错线的总长度。 6、枝晶偏析：金属与合金凝固时固相以枝晶方式生长，使晶内高次枝晶与低次枝晶部成分不均匀的现象。 7、柏氏矢量：代表位错畸变总量和方向的矢量 8、取向因子：当晶体受到外力时，如果外力轴与滑移面法线夹角为ψ，与滑移方向夹角为λ，则cosλcosψ称为取向因子。 9、再结晶温度：通常把再结晶温度定义为经过严重冷变形的金属（ε>70%），加热1小时，再结晶体积占到总体积的95%的温度。 10、加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时，由于晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，使金属的强度和硬度升高，塑性和韧性降低的现象。 11、动态回复：热加工时由于温度很高，金属在变形的同时发生回复，同时发生加工硬化和软化两个相反的过程。这种在热变形时由于温度和外力联合作用下发生的回复过程称为“动态回复”。 12、间隙扩散：扩散原子在点阵的间隙位置之间跳迁而导致的扩散。间隙固溶体中溶质原子半径较小，间隙位置数目较多，易发生间隙扩散。 二、填空题（1×20＝20分） 1、14，7， 2、空位，间隙原子，温度 3、粗糙，光滑 4、温度，成分，0 5、{110}，<111>，12 6、切过，绕过 7、化学位梯度，冷变形产生的储存能的释放，晶粒长大前后的界面能差 8、平行，直线 9、激冷细小等轴晶区，柱状晶区，粗大等轴晶区 10、f=C-P+1 三、画图题（材料加工44分，其他专业40分） Test of Fundamentals of Materials Science 材料科学基础试题库 郑举功编 东华理工大学材料科学与工程系 一、填空题 0001.烧结过程的主要传质机制有_____、_____、_____ 、_____，当烧结分别进行四种传质时，颈部增长x/r与时间t的关系分别是_____、_____、_____ 、_____。 0002.晶体的对称要素中点对称要素种类有_____、_____、_____ 、_____ ，含有平移操作的对称要素种类有_____ 、_____ 。 0003.晶族、晶系、对称型、结晶学单形、几何单形、布拉菲格子、空间群的数目分别是_____、_____ 、_____ 、_____ 、_____ 、_____ 。 0004.晶体有两种理想形态，分别是_____和_____。 0005.晶体是指内部质点排列的固体。 0006.以NaCl晶胞中（001）面心的一个球（Cl-离子）为例，属于这个球的八面体空隙数为，所以属于这个球的四面体空隙数为。 0007.与非晶体比较晶体具有自限性、、、、和稳定性。 0008.一个立方晶系晶胞中，一晶面在晶轴X、Y、Z上的截距分别为2a、1/2a 、2/3a，其晶面的晶面指数是。 0009.固体表面粗糙度直接影响液固湿润性，当真实接触角θ时，粗糙度越大，表面接触角，就越容易湿润；当θ，则粗糙度，越不利于湿润。 0010.硼酸盐玻璃中，随着Na2O（R2O）含量的增加，桥氧数，热膨胀系数逐渐下降。当Na2O含量达到15%—16%时，桥氧又开始，热膨胀系数重新上升，这种反常现象就是硼反常现象。 0011.晶体结构中的点缺陷类型共分、和三种，CaCl2中Ca2+进入到KCl间隙中而形成点缺陷的反应式为。 0012.固体质点扩散的推动力是________。 0013.本征扩散是指__________，其扩散系数D＝_________,其扩散活化能由________和_________ 组成。0014.析晶过程分两个阶段，先______后______。 0015.晶体产生Frankel缺陷时，晶体体积_________，晶体密度_________；而有Schtty缺陷时，晶体体积_________,晶体密度_________。一般说离子晶体中正、负离子半径相差不大时，_________是主要的；两种离子半径相差大时，_________是主要的。 0016.少量CaCl2在KCl中形成固溶体后，实测密度值随Ca2+离子数/K＋离子数比值增加而减少，由此可判断其缺陷反应式为_________。 0017.Tg是_________,它与玻璃形成过程的冷却速率有关，同组分熔体快冷时Tg比慢冷时_________ ,淬冷玻璃比慢冷玻璃的密度_________,热膨胀系数_________。 0018.同温度下，组成分别为：(1) 0.2Na2O－0.8SiO2 ；(2) 0.1Na2O－0.1CaO－0.8SiO2 ;(3) 0.2CaO－0.8SiO2 的三种熔体，其粘度大小的顺序为_________。 0019.三T图中三个T代表_________, _________,和_________。 0020.粘滞活化能越_________ ,粘度越_________ 。硅酸盐熔体或玻璃的电导主要决定于_________ 。 0021.0.2Na2O-0.8SiO2组成的熔体，若保持Na2O含量不变，用CaO置换部分SiO2后，电导_________。0022.在Na2O－SiO2熔体中加入Al2O3(Na2O/Al2O3<1),熔体粘度_________。 0023.组成Na2O . 1/2Al2O3 . 2SiO2的玻璃中氧多面体平均非桥氧数为_________。 0024.在等大球体的最紧密堆积中，六方最紧密堆积与六方格子相对应，立方最紧密堆积与_______ 相对应。0025.在硅酸盐晶体中，硅氧四面体之间如果相连，只能是_________方式相连。 材料科学基础简答题考研常考题型汇总 1.原子间的结合键共有几种？各自的特点如何？【11年真题】 答：（1）金属键：基本特点是电子的共有化，无饱和性、无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不至于破坏金属键，这就使得金属具有良好的延展性，又由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电性和导热性能。 （2）离子键：正负离子相互吸引，结合牢固，无方向性、无饱和性。因此，七熔点和硬度均较高。离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此他们都是良好的电绝缘体。 （3）共价键：有方向性和饱和性。共价键的结合极为牢固，故共价键晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价结合的材料一般是绝缘体，其导电能力较差。 （4）范德瓦尔斯力：范德瓦尔斯力是借助微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用，将原来稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。它没有方向性和饱和性，其结合不如化学键牢固。 （5）氢键：氢键是一种极性分子键，氢键具有方向性和饱和性，其键能介于化学键和范德瓦耳斯力之间。 2.说明间隙固溶体与间隙化合物有什么异同。 答：相同点：二者一般都是由过渡族金属与原子半径较小的C、N、H、O、B等非金属元素所组成。 不同点：（1）晶体结构不同。间隙固溶体属于固溶体相，保持溶剂的晶格类 型；间隙化合物属于金属化合物相，形成不同于其组元的新点阵。 （2）间隙固溶体用α、β、γ表示；间隙化合物用化学分子式MX、M2X 等表示。 间隙固溶体的强度、硬度较低，塑性、韧性好；间隙化合物的强度、熔点较高，塑性、韧性差。 3.为什么只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶，而间隙固溶体则不能？ 答：因为形成固溶体时，溶质原子的溶入会使溶剂结构产生点阵畸变，从而使体系能量升高。溶质与溶剂原子尺寸相差较大，点阵畸变的程度也越大，则畸变能越高，结构的稳定性越低，溶解度越小。一般来说，间隙固溶体中溶质原子引起的点阵畸变较大，故不能无限互溶，只能有限熔解。 4.试述硅酸盐的结构和特点？ 答：（1）硅酸盐结构的基本单元是[SiO4]四面体。Si原子位于O原子的四面体间隙内，Si、O之间的结合不仅有离子键还有共价键 （2）每一个氧最多被两个[SiO]四面体共有 （3）[Si]四面体可以孤立存在，也可以共顶点互相连接。 （4）Si-O-Si形成一折线。 分类：含有有限硅氧团的硅酸盐、岛状、链状、层状、骨架状硅酸盐。 5.为什么外界温度的急剧变化可以使许多陶瓷件开裂破碎？ 答：由于大多数陶瓷由晶相和玻璃相构成，这两种相的热膨胀系数相差很大，高温很快冷却时，每种相的收缩程度不同，多造成的内应力足以使陶瓷器件开裂或破碎。 6.陶瓷材料中主要结合键是什么？从结合键的角度解释陶瓷材料所具有的特殊 1 材料引言 玻璃——玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。 水泥——水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂，石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。 耐火材料——耐火材料是指耐火度不低于1580 摄氏度的无机非金属材料。 硅质耐火材料，镁质耐火材料，熔铸耐火材料，轻质耐火材料，不定形耐火材料。 高聚物——高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。 胶粘剂——胶粘剂是指在常温下处于粘流态，当受到外力作用时，会产生永久变形，外力撤去后又不能恢复原状的高聚物。 合金——合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素形成的具有金属特性的新物质 固溶体——当合金的晶体结构保持溶质组元的晶体结构时，这种合金成为一次固溶体或端际固溶体，简称固溶体。 电子化合物——电子化合物是指具有一定（或近似一定）的电子浓度值，且结构相同或密切相关的相。 间隙化合物——由原子半径较大的过渡金属元素（Fe,Cr,Mn,Mo,W,V 等）和原子半径较小的非（准）金属元素（H,B,C,N,Si,等）形成的金属间化合物。 传统无机非金属材料——主要是指由SiO2 及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷，玻璃，水泥和耐火材料等。 新型无机非金属材料——是用氧化物，氮化物，碳化物，硼化物，硫化物，硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。 2 晶体结构 晶体——晶体是离子，原子或分子按一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性，因而，晶体具有规则的外形。 晶胞——晶胞是从晶体结构中取出来的反应晶体周期性和对称性的重复单元。 晶体结构——晶体结构是指晶体中原子或分子的排列情况，由空间点阵+结构基元而构成，晶体结构的形式是无限多的。 空间点阵——空间点阵是把晶体结构中原子或分子等结构基元抽象为周围环境相同的阵点之后，描述晶体结构的周期性和对称性的图像。 晶面——可将晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的节点平面，这样的结点平面成为晶面。 晶面指数——结晶学中经常用（h k l）来表示一组平行晶面，成为晶面指数。 晶面族——在对称性高的晶体（如立方晶系）中，往往有并不平行的两组以上的晶面，它们的原子排列状况是相同的，这些晶面构成一个晶面族。 晶向族——晶体中原子排列周期相同的所有晶向为一个晶向族，用{u v w}表示。 晶带或晶带面——在结晶学中，把同时平行某一晶向[u v w]的所有晶面成为一个晶带 南京航空航天大学 2011年硕士研究生入学考试初试试题 A卷 科目代码: 818 满分: 150 分 科目名称: 材料科学基础 注意: ①认真阅读答题纸上的注意事项；②所有答案必须写在答题纸上，写在本试题纸或草稿纸上均无效；③本试题纸须随答题纸一起装入试题袋中交回！ 一、名词解释：(25分，每小题5分) 1、成分起伏 2、共缩聚反应 3、负离子配位多面体 4、晶面族 5、电子化合物 二、作图（10分） 1、在立方晶系的晶胞图中画出以下晶面和晶向：(102)、(11)、(1)、[110]、[11]、[10]和[21]。 （5分） 2、根据吉布斯能曲线做出相图（T1>T2>T3>T4>T5）（5分）。 三、简答（50分，每小题5分）： 1、影响高分子链柔韧性的因素有哪些？ 2、画出合金铸锭(件)的宏观组织并简述组织形成原因。 3、合金中相平衡的条件是什么？写出Gibbs相律并解释各参数含义。 4、为什么说绿宝石结构（其结构式为 Be3Al2[Si6O18]）可以成为离子导电的载体 5、立方晶体间隙包含哪些类型，体心立方和面心立方各有几个此类型间隙？ 6、简述柯肯达尔效应及物理本质。 7、比较滑移和孪生的异同点。 8、简述柯垂尔气团形成原理及其对位错可动性的影响。 9、晶粒内部析出第二相的形状与表面能和应变能的关系? 10、简述单晶体加工硬化机制。 四、计算分析题（65分）： 1、关于Fe-C 相图，回答问题。（12分） （1）、默写Fe-C 相图。 （2）、画出含C 0.4wt%室温平衡组织示意图，并标出组织组成物。 （3）指出含C 0.77wt%合金从高温液态平衡冷却到室温要经过哪些转变？ （4）根据杠杆定律分别计算含C 0.4wt%合金在室温下的组织组成物与相组成物的相对百分含量。 2、论述材料中原子间健合的几种方式及其对性能的影响。（8分） 3、在铜单晶体中的（111）和（111）滑移面上各存在一个柏氏矢量为 2a [110]和2a [0 1 1]的全位错。当它们分解为扩展位错时，其领先位错分别为6a [211]和6 a [121]。(15分) （1）当两领先位错在各自的滑移面上运动相遇时，发生了新的位错反应。试写出其位错反应式，判断该反应能否自发进行？并分析该新生成的位错其位错特性和运动性质。 （2）已知铜单晶a=0.36nm,切变模量G=4×104Mpa,层错能γ=0.04J/m 2,试求上述柏氏矢量为 2 a [110] 的位错形成扩展位错的宽度。 （3）分析一般的扩展位错其运动特性。 4、为改善钛合金的切削性能，研制一种新的热氢处理工艺，包括渗氢处理+机械加工+真空脱氢处理等工艺步骤。已知某钛合金构件在800℃真空脱氢1小时其距表面0．05mm 处的性能符合规定要求。为进一步降低该构件的热处理变形，拟将该合金构件在700℃处理，问处理多少时间在距表面0．1mm 处将达到上述相同规定要求？试计算700℃处理时，氢原子在钛合金中的扩散系数，并分析氢在钛 合金中的扩散能力。（设氢在该钛合金的扩散激活能为16.62KJ/mol,D 0=8×10-4cm 2/s） 。（15分） 5、铝合金由于其密度低、比强度高、耐腐蚀等优异性能，因而是航空、航天等领域使用的重要结构材料。试分析铝合金时效处理过程中的强化机制。（8分） 6、分析细晶强化能否用于提高金属材料的高温强度？并提供一种能有效提高FCC 金属和合金高温强度的方法，分析其材料科学原理。（7分） 一、名词解释（每小题3分。共30分） 晶界内吸附交滑移：上坡扩散：纤维组织：枝晶偏析：伪共晶组织：重心法则：配位数：致密度：晶带 二、答题（每小题10分、共50分） 1．在一个面心立方晶系的晶胞中画出晶面（111）和（112），并写出两晶面交线的晶向指数。 2．位错反应的条件是什么？判断下列反应能否进行 （1） a【100】—>a /2【111】+ a /2【111】(2) a /2【101】+ a /6【121】—> a 【111】 3．试推导菲克第二定律 4．试述柯氏气团理解释低碳钢存在屈服平台现象 5．简答液—固界面的类型及晶体生长的方式 三、默画Fe—FeC 相图，并分析0..5%C合金的平衡凝固过程，计算在室温其平 3 衡组织组成的重量分数和想组成的重量分数（20） 答案： 一、名次解释 晶界内吸附：少量杂质或合金元素在晶体内部的分布是不均匀的，常偏聚于晶界交滑移：螺位错，在一滑移面运动受阻，转到另一滑移面上继续滑移。 上坡扩散：扩散物质由浓度低处向浓度高处进行的扩散。 纤维组织：晶粒及加杂物沿受力方向呈条带状态分布。 枝晶偏析：在非平衡凝固条件下，若固溶体以树枝状结晶并长大，则枝干与枝间会出现成分差别，称为~。 伪共晶组织：非平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的合金也可能全部转变为共晶组织，这种非共晶成分的共晶组织，称为~。 重心法则：处于三者相平衡的合金，其成分必位于共扼三角形重心位置。 配位数：晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数 致密度：晶体结构中原子体积占总体积的百分数 晶带：相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合 二、1． 2． 反应条件： 1）．几何条件：∑b 前=∑b 后 2）．能量条件：∑b 2 前〉∑b 2后 (1)几何条件满足； 能量条件：∑b 2 前=（a ）2 [(1) 2+02+02]=a 2 ,（5分） ∑b 2后=（a 2）2 [12+12+12]+ (a 2)2 [12 +(－1) 2+(-1)2]= 232 a 2a
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