材料科学基础考题4
《材料科学基础》试卷Ⅳ
一、名词解释（20分，每题4分）
伪共晶；离异共晶；枝晶偏析；成分过冷；包申格效应
二、选择题（每题1.5分，共30分）
1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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；
7. 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
8. 既能提高金属的强度，又能降低其脆性的手段是。
A. 加工硬化
B. 固溶强化
C. 晶粒细化
D. 第二相强化9．在三元系浓度三角形中，凡成分位于上的合金，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
10．有效分配系数k
e
表示液相的混合程度，其值范围是
A.1 e B.k e <1 C.k e < k <1 11．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 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 12．凝固时不能有效降低晶粒尺寸的是以下那种方法？ A.加入形核剂 B.减小液相的过冷度 C.对液相进行搅拌 13.A,B两晶体，如果： A. 所属的空间点阵相同，则此两晶体的结构相同 B．晶体结构相同，它们所属的空间点阵可能不同 C. 晶体结构相同，它们所属的空间点阵必然相同 D．所属的空间点阵不同，两晶体的结构可能相同。 14．在体心立方结构中，柏氏矢量为a[110]的位错分解为a/2[111]+a/2]111[. A．不能 B. 能 C. 可能 15．组成固溶体的两组元完全互溶的条件是： A. 两组元的电子浓度相同 B. 两组元的晶体结构相同 C. 两组元的原子半径相同 D. 两组元电负性相同 16. 在金相试样表面上几组交滑移线的产生是由于。 A. 交滑移 B.多系滑移 C. 单滑移 D. 没有滑移 17. 引入空间点阵概念是为了： A. 描述原子在晶胞中的位置 B. 描述晶体的对称性 C. 描述晶体结构的周期性 D. 同时描述晶体结构的周期性和对称性。 18. 从金属与合金的角度看，冷加工和热加工一般是以温度为界限区分的。 A.结晶 B.再结晶 C.相变 D.25℃ 19. 运用区域熔炼方法可以 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 20. 铸铁与碳钢的区别在于有无 A．莱氏体 B. 珠光体 C. 铁素体 D. 渗碳体 三、简答题（26分） 1. 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。（10分） 2. 列出二元系中各种恒温转变的类型，反应式及图形特征。（7分） 3. 简述宏观偏析的类型，产生的原因及防止措施。（9分） 四、计算题（24分） （4分）1. 请判定下列位错反应能否进行。 （1 ） （2 ） （10分）2. 画出Fe-Fe 3C，并根据Fe-Fe 3 C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。 （10分）3. 已知A、B、C三组元固态完全不互溶，成分为80％A、10％B、10％C的O合金在冷却过程中将进行二元共晶反应和三元共晶反应，在二元共晶反应开始时，该合金液相成分(a点)为60％A、20％B、20％C，而三元共晶反应开始时的液相成分(E点)为50%A、10%B、40%C。 (1) 试计算A初%、(A+B)%和(A+B+C)%的相对量。 (2) 写出图中I和P合金的室温平衡组织。 《材料科学基础》试卷Ⅳ答案 一、名词解释（20分，每题4分） 伪共晶；离异共晶；枝晶偏析；成分过冷；包申格效应 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。 枝晶偏析：是由非平衡凝固造成的，从而使先凝固的枝干和后凝固的枝干间的成分不均匀。偏析在一个晶粒范围内，故也称晶内偏析。 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。 包申格效应：材料经预先加载产生少量塑性变形（小于4％），而后同向加载则σe升高，反向加载则σe下降。此现象称之为包申格效应。 二、选择题（每题1.5分，共30分） 1. 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 2. 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 3. 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 4. 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 5. 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 6. 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； 7. 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 8. 既能提高金属的强度，又能降低其脆性的手段是 C 。 A. 加工硬化 B. 固溶强化 C. 晶粒细化 D. 第二相强化9．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 10．有效分配系数k e 表示液相的混合程度，其值范围是 B A.1 e B.k e <1 C.k e < k <1 11．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 12．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 13.A,B两晶体，如果： C A. 所属的空间点阵相同，则此两晶体的结构相同 B．晶体结构相同，它们所属的空间点阵可能不同 C. 晶体结构相同，它们所属的空间点阵必然相同 D．所属的空间点阵不同，两晶体的结构可能相同。 14．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 15．组成固溶体的两组元完全互溶的条件是： B A. 两组元的电子浓度相同 B. 两组元的晶体结构相同 C. 两组元的原子半径相同 D. 两组元电负性相同 16. 在金相试样表面上几组交滑移线的产生是由于 B 。 A. 交滑移 B.多系滑移 C. 单滑移 D. 没有滑移 17. 引入空间点阵概念是为了： C A. 描述原子在晶胞中的位置 B. 描述晶体的对称性 C. 描述晶体结构的周期性 D. 同时描述晶体结构的周期性和对称性。 18. 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℃ 19. 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 20. 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 三、简答题（26分） 1. 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。（10分） 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（柯氏气团）、电交互作用（玲木气团）和化学交互作用。（2分） 2. 列出二元系中各种恒温转变的类型，反应式及图形特征。（7分，每一种类型1分） 3. 简述宏观偏析的类型，产生的原因及防止措施。（9分） 答案：（1）正常偏析：（1分） <1时，先凝固的外层中溶质含量较后凝固的内产生原因：当合金的分配系数k 层低，因此合金铸件中心所含溶质质量浓度较高的偏析称为正常偏析。（1分）防止措施：一般难以完全避免。（1分）（2）反偏析：（1分）形成原因：原来铸件中心部位应该富集溶质元素，由于铸件凝固时发生收缩而在树枝晶之间产生空隙，加上温度的降低，液体内气体析出而形成压强，使铸件中心溶质质量浓度较高的液体沿着柱状晶之间的“渠道”被压向铸件表层，形成反偏析。（1分）防止措施：扩大铸件中心等轴晶带，阻止柱状晶的发展，使富集溶质的液体不易从中心排向表层；减少液体中的气体含量等。（1分）（3）比重偏析：（1分）形成原因：由于初生相与溶液之间密度相差悬殊，轻者上浮，重者下沉，从而导致上下成分不均匀的偏析称为比重偏析。（1分）防止措施：增大铸件的冷却速度，使初生相来不及上浮或下沉；加入第三种合金元素，形成熔点较高的，密度与液相接近的树枝晶化合物，在结晶初期形成树枝骨架。（1分）四、作图与计算题（24分） （4分）1. 请判定下列位错反应能否进行。 （ 1 ） 几何条件： ，满足几何条件 能量条件： 满足能量条件，反应可以进行。（2分）（ 2 ） 几何条件： ，满足几何条件 能量条件： 满足能量条件，反应可以进行。（2分） （10分）3. 画出Fe-Fe 3C相图，并根据Fe-Fe 3 C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，Fe 3C Ⅱ=77 .069.677.011.2--×100%=22.6% （1分） ω（C)=4.30%时，共晶中奥氏体的量为：11 .269.630.469.6--=γ×100%=52.18% （1分） 则共晶中奥氏体可析出Fe 3C Ⅱ的量为：Fe 3C Ⅱ=52.18×77 .069.677.011.2--=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 （Fe 3C ）t = 77 .069.677.03.4--×100%=60% （1分） 然后从（Fe 3C ）t 中减去共晶中Fe 3C 的量，即得Fe 3C Ⅱ的量 Fe 3C Ⅱ=（11.269.611.23.477.069.677.03.4-----）×100% =11.8% （1分）] (2) ω（C)=4.30%的冷却曲线（2分） （10分）5. 已知A 、B 、C 三组元固态完全不互溶，成分为80％A 、10％B 、10％C 的O 合金在冷却过程中将进行二元共晶反应和三元共晶反应，在二元共晶反应开始时，该合金液相成分(a 点)为60％A 、20％B 、20％C ，而三元共晶反应开始时的液相成分(E 点)为50%A 、10%B 、40%C 。 (1) 试计算A 初%、(A+B)%和(A+B+C)%的相对量。 (2) 写出图中I 和P 合金的室温平衡组织。 L γ Fe 3C Ⅱ L γ+Fe 3C γ α +Fe 3C d Fe 3C Ⅲ α 答案：(1) A 初%= Aa oa ×100% =20 1020-×100%=50% （2分） 当液相成分到达a 点时 L%=Aa Ao ×100% =50% （1分） (A+B)%=Aa Ao Ed Ea ?×100%=402040-×50%=25% （2分） (A+B+C)%=100%-50%-25%=25% （2分） （2） I 合金的室温平衡组织：B+(A+B+C)共晶 （1.5分） P 合金的室温平衡组织：(B+C)共晶+(A+B+C)共晶 （1.5分） 习题：第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章答案：第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章 3-2 略。 3-2试述位错的基本类型及其特点。 解：位错主要有两种：刃型位错和螺型位错。刃型位错特点：滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。螺型位错特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺施状，称螺型位错。 3-3非化学计量化合物有何特点？为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料？ 解：非化学计量化合物的特点：非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；非化学计量化合物都是半导体。由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩（n型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩（p型）半导体。 3-4影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些？ 解：影响形成置换型固溶体影响因素：（1）离子尺寸：15%规律：1.（R1-R2）/R1>15%不连续。 2.<15%连续。 3.>40%不能形成固熔体。（2）离子价：电价相同，形成连续固熔体。（ 3）晶体结构因素：基质，杂质结构相同，形成连续固熔体。（4）场强因素。（5）电负性：差值小，形成固熔体。差值大形成化合物。 影响形成间隙型固溶体影响因素：（1）杂质质点大小：即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。（2）晶体（基质）结构：离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。（3）电价因素：外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。 3-5试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。 解：影响有：（1）稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生；（2）活化晶格，形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应；（3）固溶强化，溶质原子的溶入，使固溶体的强度、硬度升高；（4）形成固溶体后对材料物理性质的影响：固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低， 3-6说明下列符号的含义：V Na，V Na'，V Cl˙，（V Na'V Cl˙），Ca K˙，Ca Ca，Ca i˙˙解：钠原子空位；钠离子空位，带一个单位负电荷；氯离子空位，带一个单位正电荷；最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心；Ca2+占据K.位置，带一个单位正电荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Ca2+处于晶格间隙位置。 3-7写出下列缺陷反应式：（l）NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体；（2）CaCl2溶入NaCl中形成空位型固溶体；（3）NaCl形成肖特基缺陷；（4）Agl形成弗伦克尔缺陷（Ag+进入间隙）。 第三章 1. 试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。 2. 如果纯镍凝固时的最大过冷度与其熔点（tm＝1453℃）的比值为0.18，试求其凝固驱动力。（ΔH＝-18075J/mol） 3. 已知Cu的熔点tm＝1083℃，熔化潜热Lm＝1.88×103J/cm3，比表面能σ＝1.44×105 J/cm3。（1）试计算Cu在853℃均匀形核时的临界晶核半径。（2）已知Cu的相对原子质量为63.5，密度为8.9g/cm3,求临界晶核中的原子数。 4. 试推导杰克逊（K.A.Jackson）方程 5. 铸件组织有何特点？ 6. 液体金属凝固时都需要过冷，那么固态金属熔化时是否会出现过热，为什么？ 7. 已知完全结晶的聚乙烯（PE）其密度为1.01g/cm3,低密度乙烯（LDPE）为0.92 g/cm3，而高密度乙烯（HDPE）为0.96 g/cm3，试计算在LDPE及HDPE中“资自由空间”的大小。8欲获得金属玻璃，为什么一般选用液相线很陡从而有较低共晶温度的二元系？9. 比较说明过冷度、临界过冷度、动态过冷度等概念的区别。 10. 分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。 11. 什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？ 12. 简述纯金属晶体长大的机制。13. 试分析单晶体形成的基本条件。 14. 指出下列概念的错误之处，并改正。(1) 所谓过冷度，是指结晶时，在冷却曲线上出现平台的温度与熔点之差；而动态过冷度是指结晶过程中，实际液相的温度与熔点之差。(2) 金属结晶时，原子从液相无序排列到固相有序排列，使体系熵值减少，因此是一个自发过程。(3) 在任何温度下，液体金属中出现的最大结构起伏都是晶胚。 练习题 第三章 晶体结构，习题与解答 3-1 名词解释 （a ）萤石型和反萤石型 （b ）类质同晶和同质多晶 （c ）二八面体型与三八面体型 （d ）同晶取代与阳离子交换 （e ）尖晶石与反尖晶石 答：（a ）萤石型：CaF2型结构中，Ca2+按面心立方紧密排列，F-占据晶胞中全部四面体空隙。 反萤石型：阳离子和阴离子的位置与CaF2型结构完全相反，即碱金属离子占据F-的位置，O2-占据Ca2+的位置。 （b ）类质同象：物质结晶时，其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其它离子或原子所占有，共同组成均匀的、呈单一相的晶体，不引起键性和晶体结构变化的现象。 同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。 （c ）二八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体型结构 三八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体型结构。 （d ）同晶取代：杂质离子取代晶体结构中某一结点上的离子而不改变晶体结构类型的现象。 阳离子交换：在粘土矿物中，当结构中的同晶取代主要发生在铝氧层时，一些电价低、半径大的阳离子（如K+、Na+等）将进入晶体结构来平衡多余的负电荷，它们与晶体的结合不很牢固，在一定条件下可以被其它阳离子交换。 （e ）正尖晶石：在AB2O4尖晶石型晶体结构中，若A2+分布在四面体空隙、而B3+分布于八面体空隙，称为正尖晶石； 反尖晶石：若A2+分布在八面体空隙、而B3+一半分布于四面体空隙另一半分布于八面体空隙，通式为B(AB)O4，称为反尖晶石。 3-2 （a ）在氧离子面心立方密堆积的晶胞中，画出适合氧离子位置的间隙类型及位置，八面体间隙位置数与氧离子数之比为若干？四面体间隙位置数与氧离子数之比又为若干？ （b ）在氧离子面心立方密堆积结构中，对于获得稳定结构各需何种价离子，其中： （1）所有八面体间隙位置均填满； （2）所有四面体间隙位置均填满； （3）填满一半八面体间隙位置； （4）填满一半四面体间隙位置。 并对每一种堆积方式举一晶体实例说明之。 解：（a ）参见2-5题解答。1:1和2:1 （b ）对于氧离子紧密堆积的晶体，获得稳定的结构所需电价离子及实例如下： （1）填满所有的八面体空隙，2价阳离子，MgO ； （2）填满所有的四面体空隙，1价阳离子，Li2O ； （3）填满一半的八面体空隙，4价阳离子，TiO2； （4）填满一半的四面体空隙，2价阳离子，ZnO 。 3-3 MgO 晶体结构，Mg2+半径为0.072nm ，O2-半径为0.140nm ，计算MgO 晶体中离子堆积系数（球状离子所占据晶胞的体积分数）；计算MgO 的密度。并说明为什么其体积分数小于74.05%？ 材料科学基础考题 Ⅰ卷 一、名词解释（任选5题，每题4分，共20分） 单位位错；交滑移；滑移系；伪共晶；离异共晶；奥氏体；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( )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：( ) (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：（） （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) 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（）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k e 表示液相的混合程度，其值范围是（） （A）1 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， 第一章原子排列 本章需掌握的内容： 材料的结合方式：共价键，离子键，金属键，范德瓦尔键，氢键；各种结合键的比较及工程材料结合键的特性； 晶体学基础：晶体的概念，晶体特性（晶体的棱角，均匀性，各向异性，对称性），晶体的应用 空间点阵：等同点，空间点阵，点阵平移矢量，初基胞，复杂晶胞，点阵参数。 晶系与布拉菲点阵：种晶系，14种布拉菲点阵的特点； 晶面、晶向指数：晶面指数的确定及晶面族，晶向指数的确定及晶向族，晶带及晶带定律六方晶系的四轴座标系的晶面、晶向指数确定。 典型纯金属的晶体结构：三种典型的金属晶体结构：fcc、bcc、hcp； 晶胞中原子数、原子半径，配位数与致密度，晶面间距、晶向夹角 晶体中原子堆垛方式，晶体结构中间隙。 了解其它金属的晶体结构：亚金属的晶体结构，镧系金属的晶体结构，同素异构性 了解其它类型的晶体结构：离子键晶体结构：MgO陶瓷及NaCl，共价键晶体结构：SiC陶瓷，As、Sb 非晶态结构：非晶体与晶体的区别，非晶态结构 分子相结构 1. 填空 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 ___________，原子的半径是____________。 2. bcc点阵晶面指数h+k+l=奇数时，其晶面间距公式是________________。 3. Al的点阵常数为0.4049nm，其结构原子体积是________________。 4. 在体心立方晶胞中，体心原子的坐标是_________________。 5. 在fcc晶胞中，八面体间隙中心的坐标是____________。 6. 空间点阵只可能有___________种，铝晶体属于_____________点阵。Al的晶体结构是__________________， -Fe的晶体结构是____________。Cu的晶体结构是_______________， 7点阵常数是指__________________________________________。 8图1是fcc结构的(-1,1,0 )面，其中AB和AC的晶向指数是__________，CD的晶向指数分别 是___________，AC所在晶面指数是--------------------。 一、单项选择题(请在每小题的4个备选答案中，选出一个最佳答案， 共10小题；每小题2分，共20分) 1、材料按照使用性能，可分为结构材料和 。 A. 高分子材料； B. 功能材料； C. 金属材料； D. 复合材料。 2、在下列结合键中，不属于一次键的是： A. 离子键； B. 金属键； C. 氢键； D. 共价键。 3、材料的许多性能均与结合键有关，如大多数金属均具有较高的密度是由于： A. 金属元素具有较高的相对原子质量； B. 金属键具有方向性； C. 金属键没有方向性； D.A 和C 。 3、下述晶面指数中，不属于同一晶面族的是： A. (110)； B. (101)； C. (011- ）；D. (100)。 4、 面心立方晶体中，一个晶胞中的原子数目为： A. 2； B. 4； C. 6； D. 14。 5、 体心立方结构晶体的配位数是： A. 8； B.12； C. 4； D. 16。 6、面心立方结构晶体的原子密排面是： A. {111}； B. {110}； C. (100)； D. [111]。 7、立方晶体中（110）和（211）面同属于 晶带 A. [110]； B. [100]； C. [211]； D. [--111]。 6、体心立方结构中原子的最密排晶向族是： A. <100>； B. [111]； C. <111>； D. (111)。 6、如果某一晶体中若干晶面属于某一晶带，则： A. 这些晶面必定是同族晶面； B. 这些晶面必定相互平行； C. 这些晶面上原子排列相同； D. 这些晶面之间的交线相互平行。 7、金属的典型晶体结构有面心立方、体心立方和密排六方三种，它们的晶胞中原子数分别为：A. 4, 2, 6; B. 6, 2, 4; C. 4, 4, 6; D. 2, 4, 6 7、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. 弗兰克缺陷； C. 线缺陷； D. 面缺陷 7、两平行螺旋位错，当柏氏矢量同向时，其相互作用力： 第一章 1.简述一次键与二次键各包括哪些结合键这些结合键各自特点如何 答：一次键——结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。 二次键——结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。 ①离子键：由于正、负离子间的库仑（静电）引力而形成。特点：1）正负离子相间排列，正负电荷数相等；2）键能最高，结合力很大； ②共价键：是由于相邻原子共用其外部价电子，形成稳定的电子满壳层结构而形成。特点：结合力很大，硬度高、强度大、熔点高，延展性和导电性都很差，具有很好的绝缘性能。 ③金属键：贡献出价电子的原子成为正离子，与公有化的自由电子间产生静电作用而结合的方式。特点：它没有饱和性和方向性；具有良好的塑性；良好的导电性、导热性、正的电阻温度系数。 ④范德瓦耳斯键：一个分子的正电荷部位和另一个分子的负电荷部位间的微弱静电吸引力将两个分子结合在一起的方式。也称为分子键。特点：键合较弱，易断裂，可在很大程度上改变材料的性能；低熔点、高塑性。 2.比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料在结合键上的差别。 答：①金属材料：简单金属（指元素周期表上主族元素）的结合键完全为金属键，过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合，但以金属键为主。 ②陶瓷材料：陶瓷材料是一种或多种金属同一种非金属（通常为氧）相结合的化合物，其主要结合方式为离子键，也有一定成分的共价键。 ③高分子材料：高分子材料中，大分子内的原子之间结合方式为共价键，而大分子与大分子之间的结合方式为分子键和氢键。④复合材料：复合材料是由二种或者二种以上的材料组合而成的物质，因而其结合键非常复杂，不能一概而论。 3. 晶体与非晶体的区别稳态与亚稳态结构的区别 晶体与非晶体区别： 答：性质上，(1)晶体有整齐规则的几何外形；(2)晶体有固定的熔点,在熔化过程中,温度始终保持不变；(3)晶体有各向异性的特点。 3-3.有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的w Ni=90%，另一个铸件的w Ni=50%，铸后自然冷却。问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。 答： 合金在凝固过程中的偏析与溶质原子的再分配系数有关，再分配系数为k0=Cα/C L。对一给定的合金系，溶质原子再分配系数与合金的成分和原子扩散能力有关。根据Cu-Ni合金相图，在一定成分下凝固，合金溶质原子再分配系数与相图固、液相线之间的水平距成正比。当w Ni=50% 时，液相线与固相线之间的水平距离更大，固相与液相成分差异越大；同时其凝固结晶温度比w Ni=90%的结晶温度低，原子扩散能力降低，所以比偏析越严重。 一般采用在低于固相线100~200℃的温度下，长时间保温的均匀化退火来消除偏析。 3-6.铋（熔点为271.5℃）和锑（熔点为630.7℃）在液态和固态时均能彼此无限互溶，w Bi=50%的合金在520℃时开始凝固出成分为w Sb=87%的固相。w Bi=80%的合金在400℃时开始凝固出成分为w Sb=64%的固相。根据上述条件，要求： 1)绘出Bi-Sb相图，并标出各线和各相区的名称； 2）从相图上确定w Sb=40%合金的开始结晶终了温度，并求出它在400℃时的平衡相成分及其含量。 解：1 ）相图如图所示； 2）从相图读出结晶开始温度和结晶终了温度分别为495℃（左右），350℃（左右） 固、液相成分w Sb(L) =20%, w Sb(S)=64% 固、液相含量： %5.54%10020-6440-64=?=L ω %5.45%100)1(=?-=L S ωω 3-7.根据下列实验数据绘出概略的二元共晶相图：組元A 的熔点为1000℃，組元B 的熔点为700℃；w B =25%的合金在500℃结晶完毕，并由73-1/3%的先共晶α相与26-2/3%的(α+β)共晶体所组成；w B =50%的合金在500℃结晶完毕后，则由40%的先共晶α相与60%的(α+β)共晶体组成，而此合金中的α相总量为50%。 解：由题意由（α+β）共晶含量得 01.03226--25.0?=+）（）（）（αβααωωωB B B 6.0--5.0=+）（）（）（αβααωωωB B B 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》试卷Ⅳ 一、名词解释（20分，每题4分） 伪共晶；离异共晶；枝晶偏析；成分过冷；包申格效应 二、选择题（每题1.5分，共30分） 1. 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 2. 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 3. 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 4. 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 5. 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 6. 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； 7. 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 8. 既能提高金属的强度，又能降低其脆性的手段是。 A. 加工硬化 B. 固溶强化 C. 晶粒细化 D. 第二相强化9．在三元系浓度三角形中，凡成分位于上的合金，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 10．有效分配系数k e 表示液相的混合程度，其值范围是 A.1 材料科学基础试卷(一) 一、概念辨析题（说明下列各组概念的异同。任选六题，每小题3分，共18分） 1 晶体结构与空间点阵 2 热加工与冷加工 3 上坡扩散与下坡扩散 4 间隙固溶体与间隙化合物 5 相与组织 6 交滑移与多滑移 7 金属键与共价键8 全位错与不全位错9 共晶转变与共析转变 二、画图题（任选两题。每题6分，共12分） 1 在一个简单立方晶胞内画出［010］、［120］、［210］晶向和（110）、（112）晶面。 2 画出成分过冷形成原理示意图（至少画出三个图）。 3 综合画出冷变形金属在加热时的组织变化示意图和晶粒大小、内应力、强度和塑性变化趋势图。 4 以“固溶体中溶质原子的作用”为主线，用框图法建立与其相关的各章内容之间的联系。 三、简答题（任选6题，回答要点。每题5分，共30 分） 1 在点阵中选取晶胞的原则有哪些？ 2 简述柏氏矢量的物理意义与应用。 3 二元相图中有哪些几何规律？ 4 如何根据三元相图中的垂直截面图和液相单变量线判断四相反应类型？ 5 材料结晶的必要条件有哪些？ 6 细化材料铸态晶粒的措施有哪些？ 7 简述共晶系合金的不平衡冷却组织及其形成条件。 8 晶体中的滑移系与其塑性有何关系？ 9 马氏体高强度高硬度的主要原因是什么？ 10 哪一种晶体缺陷是热力学平衡的缺陷，为什么？ 四、分析题（任选1题。10分） 1 计算含碳量w=0.04的铁碳合金按亚稳态冷却到室温后，组织中的珠光体、二次渗碳体和莱氏体的相对含量。 2 由扩散第二定律推导出第一定律，并说明它们各自的适用条件。 3 试分析液固转变、固态相变、扩散、回复、再结晶、晶粒长大的驱动力及可能对应的工艺条件。 五、某面心立方晶体的可动滑移系为(111) [110].（15分） (1) 指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量. (2) 如果滑移由纯刃型位错引起,试指出位错线的方向. (3) 如果滑移由纯螺型位错引起,试指出位错线的方向. (4) 在(2),(3)两种情况下,位错线的滑移方向如何? (5) 如果在该滑移系上作用一大小为0.7MPa的切应力，试确定单位刃型位错和螺型位错线受力的大小和方向。（点阵常数a=0.2nm)。 六、论述题（任选1题，15分） 1 试论材料强化的主要方法、原理及工艺实现途径。 2 试论固态相变的主要特点。 3 试论塑性变形对材料组织和性能的影响。 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 。 二、 问答 1、 分析氢，氮，碳，硼在?-Fe 和?-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。已知元素的原子半径如下：氢：0.046nm ，氮：0.071nm ，碳：0.077nm ，硼：0.091nm ，?-Fe ：0.124nm ，?-Fe ：0.126nm 。 2、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 《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 第七章答案 7-1略 7-2浓度差会引起扩散，扩散是否总是从高浓度处向低浓度处进行?为什么? 解：扩散是由于梯度差所引起的，而浓度差只是梯度差的一种。当另外一种梯度差，比如应力差的影响大于浓度差，扩散则会从低浓度向高浓度进行。 7-3欲使Ca2＋在CaO中的扩散直至CaO的熔点（2600℃）时都是非本质扩散，要求三价离子有什么样的浓度？试对你在计算中所做的各种特性值的估计作充分说明。已知CaO肖特基缺陷形成能为6eV。 解：掺杂M3+引起V’’Ca的缺陷反应如下： 当CaO在熔点时，肖特基缺陷的浓度为： 所以欲使Ca2＋在CaO中的扩散直至CaO的熔点（2600℃）时都是非本质扩散，M3+的浓度为 ，即 7-4试根据图7-32查取：（1）CaO在1145℃和1650℃的扩散系数值；（2）Al2O3在1393℃和1716℃的扩散系数值；并计算CaO和Al2O3中Ca2＋和Al3＋的扩散活化能和D0值。 解：由图可知CaO在1145℃和1650℃的扩散系数值分别为，Al2O3在1393℃和1716℃的扩散系数值分别为 根据可得到CaO在1145℃和1650℃的扩散系数的比值为： ，将值代入后可得，Al2O3的计算类推。 7-5已知氢和镍在面心立方铁中的扩散数据为cm2/s和 cm2/s，试计算1000℃的扩散系数，并对其差别进行解释。 解：将T=1000℃代入上述方程中可得，同理可知 。 原因：与镍原子相比氢原子小得多，更容易在面心立方的铁中通过空隙扩散。 7-6在制造硅半导体器体中，常使硼扩散到硅单晶中，若在1600K温度下，保持硼在硅单晶表面的浓度恒定（恒定源半无限扩散），要求距表面10－3cm深度处硼的浓度是表面浓度的 一半，问需要多长时间（已知D1600℃＝8×10－12cm2/s；当时，）？解：此模型可以看作是半无限棒的一维扩散问题，可用高斯误差函数求解。 其中=0，，所以有0.5=，即=0.5，把=10－3cm，D1600℃＝8×10－12cm2/s代入得t=s。 7-7 Zn2＋在ZnS中扩散时，563℃时的扩散系数为3×10－4cm2/s；450℃时的扩散系数为1.0×10－4cm2/s，求：（1）扩散活化能和D0；（2）750℃时的扩散系数；（3）根据你对结构的了解，请从运动的观点和缺陷的产生来推断活化能的含义；（4）根据ZnS和ZnO相互类似，预测D随硫的分压而变化的关系。 解：（1）参考7-4得=48856J/mol，D0=3×10－15cm2/s； （2）把T=1023K代入中可得=cm2/s； 7-8实验测得不同温度下碳在钛中的扩散系数分别为2×10－9cm2/s（736℃）、5×10－9cm2/s （782℃）、1.3×10－8cm2/s（838℃）。（1）请判断该实验结果是否符合；（2）请计算扩散活化能，并求出在500℃时碳的扩散系数。 材料科学基础大作业——第3章凝固 2015年 月 日 班级： 姓名： 学号： 分数： 一、解释下列概念及术语： 1、结晶 2、过冷度 3、相起伏 4、均匀形核 5、晶粒度 6、形核率 7、形核功 8、枝晶偏析 9、成分过冷 10、临界形核半径 二、填空题 1. 过冷度的大小与金属的本性、纯度和冷却速度有关。金属不同，过冷度大小 同；金属的纯度越高，过冷度越 ；金属及其纯度确定后，过冷度大小主要取决于冷却速度，冷却速度越大，过冷度越 。 2. 金属和非金属，在结晶时均遵循相同的规律，即结晶过程是 和 的过程。 3. 根据热力学条件，金属发生结晶的驱动力为液态金属和固相金属的 之差。此差值与过冷度呈 比。 4.液态金属的晶胚能否形成晶核，主要取决于晶胚半径是否达到了临界形核半径的要求。此半径与过冷度呈 比。 5. 均匀形核时，过冷度△T 和理论结晶温度T m 之间的关系为 。形核功△G k 与过冷度△T 的平方呈 比，即过冷度越大，形核功越 。 6. 形核率可用12N N N ? =表示，其中N 1为受 影响的形核率因子，N 2为受 影响的形核率因子。 7. 工业生产中，液态金属的结晶总是以 形核方式进行，其所需过冷度一般不超过 ℃。 8. 决定晶体长大方式和长大速度的主要因素是晶核的 和其前沿液体中的 。 9. 光滑界面又称为 界面，粗糙界面又称为 界面，其杰克逊因子α值范围分别为 和 。 10.晶体长大方式主要为 长大机制、 长大机制和 长大机制。其中，大部分金属均以 长大机制进行。 11.在正的温度梯度下，光滑界面的界面形态呈 状；粗糙界面的界面形态为 界面。在负的温度梯度下，一般金属和半金属的界面都呈 状。杰克逊因子α值较高的物质保持 界面形态。 12、金属结晶后晶粒内部的成分不均匀现象叫 ；因初晶相与剩余液相比重不同而造成的偏析叫 。 三、判断题 单项选择题：（每一道题1分） 第1章原子结构与键合 1.高分子材料中的C-H化学键属于。 （A）氢键（B）离子键（C）共价键 2.属于物理键的是。 （A）共价键（B）范德华力（C）氢键 3.化学键中通过共用电子对形成的是。 （A）共价键（B）离子键（C）金属键 第2章固体结构 4.面心立方晶体的致密度为 C 。 （A）100% （B）68% （C）74% 5.体心立方晶体的致密度为 B 。 （A）100% （B）68% （C）74% 6.密排六方晶体的致密度为 C 。 （A）100% （B）68% （C）74% 7.以下不具有多晶型性的金属是。 （A）铜（B）锰（C）铁 8.面心立方晶体的孪晶面是。 （A）{112} （B）{110} （C）{111} 9.fcc、bcc、hcp三种单晶材料中，形变时各向异性行为最显著的 是。 （A）fcc （B）bcc （C）hcp 10.在纯铜基体中添加微细氧化铝颗粒不属于一下哪种强化方式？ （A）复合强化（B）弥散强化（C）固溶强化 11.与过渡金属最容易形成间隙化合物的元素是。（A）氮（B）碳（C）硼 12.以下属于正常价化合物的是。 （A）Mg2Pb （B）Cu5Sn （C）Fe3C 第3章晶体缺陷 13.刃型位错的滑移方向与位错线之间的几何关系？ （A）垂直（B）平行（C）交叉 14.能进行攀移的位错必然是。 （A）刃型位错（B）螺型位错（C）混合位错 15.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）肖特基缺陷（B）弗仑克尔缺陷（C）线缺陷 16.原子迁移到间隙中形成空位-间隙对的点缺陷称为 （A）肖脱基缺陷（B）Frank缺陷（C）堆垛层错 17.以下材料中既存在晶界、又存在相界的是 （A）孪晶铜（B）中碳钢（C）亚共晶铝硅合金18.大角度晶界具有____________个自由度。 （A）3 （B）4 （C）5 第4章固体中原子及分子的运动 19.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随变 化。 《材料科学基础》课后习题答案 第一章材料结构的基本知识 4. 简述一次键和二次键区别 答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。 6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？ 答：材料的密度与结合键类型有关。一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（1）金属元素有较高的相对原子质量；（2）金属键的结合方式没有方向性，因此金属原子总是趋于密集排列。相反，对于离子键或共价键结合的材料，原子排列不可能很致密。共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。 9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。 答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。两相组织是指具有两相的组织。单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。 10. 说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义，说明稳态结构和亚稳态结构之间的关系。 答：同一种材料在不同条件下可以得到不同的结构，其中能量最低的结构称为稳态结构或平衡太结构，而能量相对较高的结构则称为亚稳态结构。所谓的热力学条件是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动力，过程才能自发进行。热力学条件只预言了过程的可能性，至于过程是否真正实现，还需要考虑动力学条件，即反应速度。动力学条件的实质是考虑阻力。材料最终得到什么结构取决于何者起支配作用。如果热力学推动力起支配作用，则阻力并不大，材料最终得到稳态结构。从原则上讲，亚稳态结构有可能向稳态结构转变，以达到能量的最低状态，但这一转变必须在原子有足够活动能力的前提下才能够实现，而常温下的这种转变很难进行，因此亚稳态结构仍可以保持相对稳定。 第二章材料中的晶体结构 1. 回答下列问题： （1）在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向： 32）与[236] （001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（132）与[123]，（2 （2）在立方晶系的一个晶胞中画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 解：（1）材料科学基础第三章答案
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