材料科学基础习题(含答案)
材料科学基础考前重点复习题
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7.26g/cm3,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？
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80C,界面能为0.60JM2，试求相与相的界面能。
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Q? = 201kJ/mol的扩散反应，观察在温度从25C升高到800 r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. 论述强化金属材料的方法、特点和机理。
答：(1)结晶强化。通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，提高
金属材料的性能。包括细化晶粒，提高金属材料纯度。
(2) 形变强化。金属材料在塑性变形后位错运动的阻力增加，冷加工塑性变形提高其强度。
(3) 固溶强化。通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使金属材料强化。
(4) 相变强化。合金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料强化。
⑸晶界强化。晶界部位自由能较高，存在着大量缺陷和空穴。低温时，晶界阻碍位错运动，晶界强度高于晶粒本身；高温时，沿晶界扩散速度比晶内扩散速度快，晶界强度显著降低。强化晶界可强化金属材料。
5. 什么是回复，请简述金属材料冷变形后回复的机制。试举例说明回复的作用。
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)回复机制：低温回复主要与点缺陷迁移有关，冷变形时产生大量的点缺陷，空穴与间隙原子。温度较高时，中温回复会发生位错运动和重新分布。位错滑移，异号位错相遇而抵消，位错缠结重新排列，位错密度降低。高温回复，刀刃位错可获得足够的能量产生攀移，垂直排列形成亚晶界，多边化亚晶粒，位错弹性畸变能降低。
6. 请简述扩散的微观机制有哪些？什么是短路扩散？试举例说明短路扩散在材料制备中的应用一例。
答：（1）主要有间隙扩散、空位扩散。
（2）晶体中原子沿表面、晶界、亚晶界、位错等结构缺陷的扩散速度比原子在晶内扩散的速度快，因此称这种扩散为短路扩散。
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）。
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B初的合金，求该合金的成分；
答:
a 初+ B II
(1) I
0.90-0.20
xlOOH82.35%
0 90-0 05
0 20-005
0.90-0 05
相组成与组织组成比例相同。
B 初 + (a +B )共 + B II (忽略)
wo-a8O xloo% = 25% 胛 0.90-0.50
二齊二 ° 30~° 50xWO% 二 75% 0 90-050 册=0 90-Q-30 x 100% = 1} ?5% “ 0.90-0.05
080^01 xl00%^sg24%
声 0.90^0.05
(2)设所求合金成分为x
x = 0.05x(0.90- 0.50) + 0,50 = 52%
(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B II 量会减少，甚至不出
现；
II 合金在快冷条件下 B 初呈树枝状，且数量减少。共晶体组织变细小，相对量增加。
11. 什么是固溶体，什么是中间相，说明间隙固溶体与间隙化合物有什么异同。对上述 4类物 质请给出一个具体的物质。
答：(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。
(3) 间隙固溶体与间隙化合物的比较：
类另y
间隙固溶剂体 间隙化合物 相同点
一般都是由过渡族金属与原子半径较小的 C ，N ，H ，0，B 等非金属元素所组成 不 同 占 八、、 晶体结构 属于固溶体相，保持溶剂的晶格类型
属于金属化合物相，形成不同于其组元的新点阵 表达式 用a 、B 、丫 等表示
用化学分子式MX ，M 2X 等表示 机械性能
强度、硬度较低，塑性、韧性好 高硬度、高熔点，甥性、韧性差 12. 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性能。
答：陶瓷材料中主要的结合键是离子键及共价键。 由于离子键及共价键很强，故陶瓷的抗压强度
很高，硬度极高。因为原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定的结构状态，不能自由 运动，故陶瓷材料的熔点很高，抗氧化性好，耐高温，化学稳定性高。
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13. 试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。
答：（1）分析结晶相变时系统自由能的变化可知，结晶的热力学条件为 ？G x!00% = 的变化？G = - L m?T/T m可知，只有？T>0,才有？G<0。即只有过冷，才能使？G （2）动力学条件为液一固界面前沿液体的温度T （3）由临界晶核形成功A= 1/3 c S可知，当形成一个临界晶核时，还有1/3的表面能必须由液体中的能量起伏来提供。 （4）液体中存在的结构起伏，是结晶时产生晶核的基础。因此，结构起伏是结晶过程必须具备的结构条件。 14. 为什么钢铁零件渗碳温度一般要选择丫相区中进行？若不在丫相区进行会有什么结果？ 答：因a -Fe中的最大碳熔解度（质量分数）只有0.0218 %，对于含碳质量分数大于0.0218 %的钢铁在渗碳时零件中的碳浓度梯度为零，渗碳无法进行，即使是纯铁，在a相区渗碳时铁中浓度 梯度很小，在表也不能获得高含碳层；另外，由于温度低，扩散系数也很小，渗碳过程极慢，没有实际意义。丫-Fe中的碳固溶度高，渗碳时在表层可获得较高的碳浓度梯度使渗碳顺利进行。 17. 为细化某纯铝件晶粒，将其冷变形5%后于550C退火2 h，组织反而粗化；增大冷变形量至95%,再于550E退火2 h,仍然得到粗大晶粒。试分析其原因，指出上述工艺不合理处，并制定一种合理的晶粒细化工艺。（纯铝熔点约为660C，按T再二0.4 T熔估算）答：前种工艺，由于铝件变形处于临界变形度下，故退火时可形成个别再结晶核心，最终晶粒极为粗大，而后种工艺，是由于进行再结晶退火时的温度选择不合理（温度过高），若 按T再=0.4T熔估算，【0.4* （660+273）-273=100 C】则T再=100C,故再结晶温度不超过200C 为宜。由于采用550C退火2 h,晶粒仍然粗大。所以综上分析，在95%变形量条件下，采用150C 退火2 h，则可使其晶粒细化。 18. 请根据Fe-Fe3C 相图分析回答下列问题： 1）请分析1.6wt.%C 合金平衡状态下的结晶过程，并说明室温下的相组成和组织组成。 2）请分析1.6wt.%C 合金在较快冷却，即不平衡状态下可能发生的结晶过程，并说明室温下组织会发生什么变化。 3）假设将一无限长纯铁棒置于960C渗碳气氛下长期保温，碳原子仅由棒顶端渗入（如图所示），试分析并标出960r时的组织分布情况。 1） ------L -------------- L ^丫-- 丫------------ 丫^ FmC ii ------------------- Y^a +Fe3C af Fe3C iii 相组成：a + Fe3C组织组成：P+ FesC ii （忽略Fe s C iii） 2）根据冷速不同，可能出现共晶反应，得到Ld ;得到的P层片细小；Fe3C ii的析出将收到抑制，甚至不析出。