材料科学基础期末试题

加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。

强化机制：金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力。

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。

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：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。 。包括弹性交互作用、电交互作用和化学交互作用。 几种概念

1、滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。

2、交滑移：螺型位错在两个相交的滑移面上运动，螺位错在一个滑移面上运动遇有障碍，会转动到另一滑移面上继续滑移，滑移方向不变。

3、屈服现象：低碳钢在上屈服点开始塑性变形，当应力达到上屈服点之后开始应力降落，在下屈服点发生连续变形而应力并不升高，即出现水平台（吕德斯带） 原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成，位错的增殖。

4、应变时效：低碳钢经过少量的预变形可以不出现明显的屈服点，但是在变形后在室温下放置一段较长时间或在低温经过短时间加热，在进行拉伸试验，则屈服点又重复出现，且屈服应力提高。

5、形变织构：随塑性变形量增加，变形多晶体某一晶体学取向趋于一致的现象。 滑移和孪晶的区别

滑移 是指在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向，相对于另一部分发生相对移动的一种运动状态。 孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分 沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。

伪共晶：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的合金全部变成共晶组织，这种非共晶成分的共晶组织，称为伪共晶组合。

扩散驱动力：化学位梯度是扩散的根本驱动力。 一、填空题(20 分，每空格1 分)

1. 相律是在完全平衡状态下，系统的相数、组元数和温度压力之间的关系，是系统的平衡条件的数学表达式： f=C-P+2

2.二元系相图是表示合金系中合金的相与 温度、成分间关系的图解。

3.晶体的空间点阵分属于7 大晶系，其中正方晶系点阵常数的特点为a=b≠c,α=β=γ=90°，请列举除立方和正方晶系外其他任意三种晶系的名称三斜、单斜、六方、菱方、正交（任选三种）。

4.合金铸锭的宏观组织包括表层细晶区、柱状晶区和 中心等轴晶区三部分。

5．在常温和低温下，金属的塑性变形主要是通过滑移 的方式进行的。此外还有孪生 和 扭折等方式。

6.成分过冷区从小到大，其固溶体的生长形态分别为平面状，胞状 和 树枝状。 1．原子扩散的驱动力是：组元的化学势梯度 2．凝固的热力学条件为：过冷度

3. 某金属凝固时的形核功为△G*，其临界晶核界面能为△G，则△G*和△G 的关系为△G*=1/3 △G

5．金属液体在凝固时产生临界晶核半径的大小主要取决于过冷度。 6．菲克第一定律表述了稳态扩散的特征，即浓度不随变化。

7. 冷变形金属加热过程中发生回复的驱动力是：冷变形过程中的存储能 9.合金铸锭的缺陷可分为缩孔和偏析两种。

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。 （ √ ）

1. 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）。 2.请对比分析加工硬化、细晶强化、弥散强化、复相强化和固溶强化的特点和机理 答案：加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。

强化机制：金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力。

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。

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：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。 。包括弹性交互作用、电交互作用和化学交互作用。 3.请简述回复的机制及其驱动力。

答：低温机制：空位的消失 ； 中温机制：位错的重排和消失 高温机制：位错的滑移＋攀移；

驱动力：冷变形过程中的存储能（主要是点阵畸变能）。 一、名词解释（任选5题，每题4分，共20分）

单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错称为单位位错。 交滑移：两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移，称为交滑移。 滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系。

伪共晶：在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。 离异共晶：由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中的α相依附于初生α相生长，将共晶体中另一相β推到最后凝固的晶界处，从而使共晶体两组成相相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体称为离异共晶。 奥氏体：碳原子溶于γ-Fe形成的固溶体。

成分过冷：在合金的凝固过程中，将界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷称为成分过冷。 二、选择题（每题2分，共20分）

1． 在体心立方结构中，柏氏矢量为a[110]的位错( A )分解为a/2[111]+a/2[111]. (A) 不能 (B) 能 (C) 可能 2．原子扩散的驱动力是： ( B )

(A) 组元的浓度梯度 (B) 组元的化学势梯度 (C) 温度梯度 3．凝固的热力学条件为：（ D ）

（A）形核率 (B)系统自由能增加 （C）能量守衡 （D）过冷度

4．在TiO2中，当一部分Ti4+还原成Ti3+，为了平衡电荷就出现（ A） (A) 氧离子空位 (B) 钛离子空位 (C)阳离子空位

5．在三元系浓度三角形中，凡成分位于（ A ）上的合金，它们含有另两个顶角所代表的两组元含量相等。

（A）通过三角形顶角的中垂线 （B）通过三角形顶角的任一直线

（C）通过三角形顶角与对边成45°的直线

6．有效分配系数ke表示液相的混合程度，其值范围是（ B ）

（A）17．A和A-B合金焊合后发生柯肯达尔效应，测得界面向A试样方向移动，则（ A ） （A）A 组元的扩散速率大于B 组元 （B）与（A）相反 （C）A、B两组元的扩散速率相同

8．A和B组成的二元系中出现α和β两相平衡时，两相的成分（x）-自由能（G）的关系为（ B ）

（A）Gα= Gβ （B）dGα= dGβ （C）GA= GB

9．凝固时不能有效降低晶粒尺寸的是以下那种方法？（ B ）

（A）加入形核剂 （B）减小液相的过冷度 （C）对液相进行搅拌 10．菲克第一定律表述了稳态扩散的特征，即浓度不随（ B ）变化。 （A）距离 （B）时间 （C）温度 1.简述塑性变形对材料组织和性能的影响。

答： 组织结构：(1)形成纤维组织：晶粒沿变形方向被拉长； (2)形成位错胞；(3)晶粒转动形成变形织构。

力学性能：位错密度增大，位错相互缠绕，运动阻力增大，造成加工硬化。

物理化学性能：其变化复杂，主要对导电，导热，化学活性，化学电位等有影响。（2分）体系能量：包括两部分：(1)因冷变形产生大量缺陷引起点阵畸变，使畸变能增大；(2)因晶粒间变形不均匀和工件各部分变形不均匀引起的微观内应力和宏观内应力。这两部分统称为存储能，其中前者为主要的。 2. 试用位错理论解释低碳钢冷拉伸变形时的屈服现象。

答：低碳钢中的少量碳、氮原子与晶体中的位错发生交互作用，形成柯氏气团，对位错起钉扎作用，使其运动阻力增大，导致应力-应变曲线上出现上屈服点，当位错摆脱柯氏气团的钉扎作用后，应力下降出现下屈服点。即柯氏气团的存在、破坏和重新形成，位错的增殖。

一、名词解释（20分，每题4分）

全位错：伯什矢量等于点阵矢量的位错。

再结晶：经受形变的材料在加热时发生的以无畸变晶粒取代变形晶粒的过程

珠光体：铁碳合金共析转变的产物，是共析铁素体和共析渗碳体的层片状混合物。 形变织构：随塑性变形量增加，变形多晶体某一晶体学取向趋于一致的现象。 离异共晶：由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中的α相依附于初生α相生长，将共晶体中另一相β推到最后凝固的晶界处，从而使共晶体两组成相相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体称为离异共晶。 二、填空题（17分，每空1分）

1．原子扩散的驱动力是：组元的化学势梯度 2．凝固的热力学条件为：过冷度

3. 某金属凝固时的形核功为△G*，其临界晶核界面能为△G，则△G*和△G的关系为：△G* =1/3 △G

4．在常温和低温下，金属的塑性变形主要是通过 滑移 的方式进行的。此外还有 孪生 和 扭折 等方式。

5．金属液体在凝固时产生临界晶核半径的大小主要取决于 过冷度 。 6．菲克第一定律表述了稳态扩散的特征，即浓度不随 时间 变化。

7. 冷变形金属加热过程中发生回复的驱动力是： 冷变形过程中的存储能

8. 合金铸锭的宏观组织包括 表层细晶区、柱状晶区和 中心等轴晶区 三部分。 9. 合金铸锭的缺陷可分为 缩孔 和 偏析 两种。

10. 相图是表示合金系中合金的 相 与 温度 、 成分 间关系的图解。 三、选择题（20分，每题2分）

1． 在体心立方结构中，柏氏矢量为a[110]的位错( A )分解为a/2[111]+a/2[111]. (A) 不能 (B) 能 (C) 可能

2．在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为（ C ） A．原子互换机制 B. 间隙机制 C. 空位机制

3．A和B组成的二元系中出现α和β两相平衡时，两相的成分（x）-自由能（G）的关系为（ B ）

（A）Gα= Gβ （B）dGα= dGβ （C）GA= GB

4．A和A-B合金焊合后发生柯肯达尔效应，测得界面向A试样方向移动，则（ A ） （A）A组元的扩散速率大于B 组元 （B）与（A）相反 （C）A、B两组元的扩散速率相同

5．凝固时不能有效降低晶粒尺寸的是以下那种方法？（ B ）

（A）加入形核剂 （B）减小液相的过冷度 （C）对液相进行搅拌

6. 从金属与合金的角度看，冷加工和热加工一般是以( B )温度为界限区分的。 A.结晶 B.再结晶 C.相变 D.25℃ 7. 运用区域熔炼方法可以( D )

A. 使材料的成分更均匀 B. 可以消除晶体中的微观缺陷 C. 可以消除晶体中的宏观缺陷 D. 可以提高金属的纯度 8. 单晶体的临界分切应力值与（ A ）有关。

A. 外力相对于滑移系的取向 B. 拉伸时的屈服应力 C. 晶体的类型和纯度 D. 拉伸时的应力大小 9. 能进行攀移的位错可能是（ B ）。

A. 肖克利位错 B. 弗兰克位错 C. 螺型全位错 D. 前三者都不是 10. 铸铁与碳钢的区别在于有无（ A ）

A．莱氏体 B. 珠光体 C. 铁素体 D. 渗碳体

1. Mn的同素异构体有一为立方结构，其晶格常数为0.632nm，密度为原子半径r等于0.122nm，问Mn晶胞中有几个原子，其致密度为多少？ 7.26g/cm3，

答案解析：习题册 P9 2-22.

2. 如图1所示，设有两个相晶粒与一个相晶粒相交于一公共晶棱，并形成三叉晶界，已知相所张的两面角为80℃，界面能为0.60Jm-2, 试求相与相的界面能。

α α 80º β 图1 答案解析：习题册 P17 3-42.

3. 有两种激活能分别为Q1＝53.7kJ/mol和Q2＝201kJ/mol的扩散反应，观察在温度从25℃升高到800℃时对这两种扩散的影响，并对结果进行评述。 有两种激活能分别为Q1＝60.7kJ/mol和Q2＝151kJ/mol的扩散反应，观察在温度从30℃升高到600℃时对这

两种扩散的影响，并对结果进行评述。

答案解析：习题册 P21 4-8.

4请对比分析加工硬化、细晶强化、弥散强化、复相强化和固溶强化的特点和机理 答：加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。

强化机制：金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力。

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。

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：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。 。包括弹性交互作用、电交互作用和化学交互作用。 5. 请简述回复的机制及其驱动力。

答：（1）回复是冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但物理性能、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。

（2）低温机制：空位的消失 ； 中温机制：位错的重排和消失高温机制：位错的滑移＋攀移；

驱动力：冷变形过程中的存储能（主要是点阵畸变能）。

7. 简述一次再结晶与二次再结晶的驱动力，并说明如何区分冷、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？试举例说明动态再结晶在实际生产中的一个实例。

答案解析：习题册 P31 5-44.

8. 请简述扩散的微观机制有哪些？影响扩散的因素又有哪些？

答：（1）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）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。 （3）影响扩散的主要因素有：温度（温度越高，扩散速度越快）；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）。

扩散驱动力：化学位梯度是扩散的根本驱动力。

9. 试分析冷塑性变形对合金组织结构、力学性能、物理化学性能、体系能量的影响。

答：（1）组织结构：形成纤维组织；晶粒沿变形方向被拉长；形成位错胞；晶粒转动形成变形织构。

（2）力学性能：位错密度增大，位错相互缠绕，运动阻力增大，造成加工硬化。 （3）物理化学性能：其变化复杂，主要对导电，导热，化学活性，化学电位等有影响。

（4）体系能量：因冷变形产生大量缺陷引起点阵畸变，使畸变能增大；因晶粒间变形不均匀和工件各部分变形不均匀引起的微观内应力和宏观内应力。这两部分统称为存储能，其中前者为主要。冷变形后引起的组织性能变化为合金随后的回复、再结晶作了组织和能量上的准备。

10. 请根据所附二元共晶相图分析解答下列问题：

1） 说明室温下I、II的相和组织是什么？并计算出相和组织的相对含量； 2）如果希望得到室温组织为共晶组织和5%的β初的合金，求该合金的成分； 3）分析在快速冷却条件下，I、II两合金获得的组织有何不同。

（3）I 合金在快冷条件下可能得到少量的共晶组织，且呈现离异共晶的形态，合金中的 β II 量会减少，甚至不出现；

II 合金在快冷条件下 β 初呈树枝状，且数量减少。共晶体组织变细小，相对量增加。

1）固溶体：以合金中某一组元作为溶剂，其他组元最为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构，晶格常数稍有变化的固相，称为固溶体。

（2）中间相：两组元的相对尺寸差，电子浓度及电负性差都有一容限，当溶质原子的加入量

超过此容限时，将会形成一种新相，这种新相称为中间相。 扩散驱动力：化学位梯度是扩散的根本驱动力。

1.下坡扩散：沿浓度降低方向进行的扩散,扩散使浓度趋势与均匀化。如:均匀化退火 、化学热处理

2.上坡扩散:沿浓度升高方向进行的扩散,扩散使浓度发生两极分化。 请比较FCC晶体中b1=[001] 和b2=a/2[011] 两位错的畸变能哪个较大。

已知碳在 γ － Fe 中扩散时， D 0 ＝ 3.2 × 10 － 5 m 2 /s ， Q ＝ 3.4 × 10 5 J/mol, 当温度由 500 ℃上升到 1000 ℃ 时，扩散系数变化了多少倍？（ R ＝ 8.314 J/(mol.K) ），并由此说明温度对扩散快慢的影响。