胡赓祥《材料科学基础》(第3版)配套模拟试题及详解(二)【圣才出品】

胡赓祥《材料科学基础》（第3版）配套模拟试题及详解（二）
一、填空题（每题3分，共9分）
1．体心立方金属的滑移系是由_________滑移面和_________滑移方向组成的。

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{110}111
【答案】；
2．根据晶体缺陷的几何特征，可将它们分为_________、_________、_________三类。

【答案】点缺陷；线缺陷；面缺陷
3．莱氏体是_________与_________的机械混合物。

【答案】奥氏体；渗碳体
二、名词解释（每题4分，共12分）
1．再结晶
答：冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状况，这个过程称之为再结晶。

2．割阶
答：在位错的滑移运动过程中，若曲折线段垂至于位错的滑移面时，称之为割阶。

3．柯肯达尔效应
答：由于两种原子的扩散速率不同，导致了一种原子扩散出去的通量不等于另一种原子扩散进入的通量，进而导致标志面（Mo丝）移动的现象称之为柯肯达尔效应。

三、简答题（每题6分，共48分）
1．原子的结合键有哪几种？各有什么特点？
答：原子的结合键有：
（1）离子键。

其特点是：正负离子相互吸引；键合很强，无饱和性，无方向性；熔
点、硬度高，固态不导电，导热性差。

（2）共价键。

其特点是：相邻原子通过共用电子对结合；键合强，有饱和性，有方向性；熔点、硬度高，不导电，导热性有好有差。

（3）金属键。

其特点是：金属正离子与自由电子相互吸引；键合较强，无饱和性，无方向性；熔点、硬度有高有低，导热导电性好。

（4）分子键。

其特点是：分子或分子团显弱电性，相互吸引；键合很弱，无方向性；熔点、硬度低，不导电，导热性差。

（5）氢键。

其特点是：类似分子键，但氢原子起关键作用；键合弱，有方向性；熔点、硬度低，不导电，导热性好。

2．简述柏氏矢量的物理意义与应用。

答：（1）柏氏矢量的物理意义：①表征位错线的性质。

据与位错线的取向关系可b v b v 确定位错线性质；②表征了总畸变的积累。

围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动，b v 回路中包含的点阵畸变量的总累和不变，因而由这种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变；③表征了位错强度。

同一晶体中大的位错具有严重的点阵畸变，能量高且不稳定。

位b v b v 错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与有关。

b v （2）柏氏矢量的应用：柏氏矢量可表示位错性质和取向，即晶体滑移方向。

柏氏矢量越大，位错周围晶体畸变越严重。

3．一根多晶Zn （）棒和一根多晶镁（）棒受压缩变形，分析二/ 1.86c a =/ 1.62c a =者的变形特征，比较二者的塑性。

（提示：从分析滑移和孪生入手）
答：多晶体压缩滑移转动，（0001）转向压缩面，产生织构。

继续压缩，滑移越来越难。

对于Zn ：由于c /a ＝1.86，位于锐角区，宏观压力方向与微观孪生变形相适应，故可发生孪生。

孪生之后改变位向可继续滑移，反复进行，故表现出较好的塑性。

对于Mg ：由于c /a ＝1.62，压力轴位于钝角区，宏观压力方向与微观孪生变形相反，故不可发生孪生。

因此表现出较差的塑性。

4．根据凝固理论，简述细化晶粒的基本途径。

答：由凝固理论可知，结晶时单位体积中的晶粒数目Z 取决于形核率N 和晶体长大速率V g 两个因素，即ZN /V 。

基本途径：
（1）增加过冷度T 。

T 增加，ZV g 都随之增加，但是N 的增长率大于V 的增长率。

因而N /V 的值增加，即Z 增多。

（2）加入形核剂。

加入形核剂后，可以促使过冷液体发生非均匀形核。

即不但使非均匀形核所需的基底增多，而且使临界晶核半径减小，这都使晶核数目增加，从而细化晶粒。

（3）振动结晶。

振动结晶，一方面提供了形核所需的能量，另一方面可以使正在生长的晶体破断，以提高更多的结晶核心，从而使晶粒细化。

5．简述共晶系合金的不平衡冷却组织及其形成条件。

答：（1）伪共晶-非共晶合金得到的完全共晶组织；条件：冷却速度快，合金成分位于共晶点附件。

（2）不平衡共晶-共晶线以外的合金得到的共晶组织；条件：冷却速度快，合金成分位于共晶线以外端点附近。

（3）离异共晶-两相分离的共晶组织；条件：不平衡条件下，合金成分位于共晶线以外端点附近；平衡条件下，合金成分位于共晶线以内端点附近。

6．从内部微观结构角度简述纳米材料的特点。

答：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的性能有突变的材料。

按维数分，纳米材料的基本单元可分为3类：（1）零维，指在空间三维尺寸均处在纳米尺度，如纳米粉体材料；
（2）一维，指在空间有二维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；
（3）二维，指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。

由于纳米微粒的超细尺寸，它与光波波长、中子波长、平均自由程等为同一数量级，因此量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧穿效应，以及体积分数超过50％晶界结构的影响使纳米材料呈现出特殊的力学、物理和化学性能。

7．何谓玻璃？从内部原子排列和性能上看，非晶态和晶态物质的主要区别何在？
答：所谓玻璃，是指具有玻璃化转变温度的非晶态固体。

玻璃与其他非晶态的区别就在于有无玻璃化转变温度，玻璃态也指非晶态金属和合金（amorphous metal），它实际上是一种过冷状态液体金属。

从内部原子排列的特征来看，晶体结构的基本特征是原子在三维空间呈周期性排列，即存在长程有序，而非晶体中的原子排列却无长程有序的特点；从性能上看，晶体具有固定熔点和各向异性，而非晶体则无固定熔点，且各向同性。

8．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。

再结晶温度是区分冷、热加工的分界线。

动态再结晶后的组织结构虽然也是等轴晶粒，但晶界呈锯齿状，晶粒内还包含着被位错缠结所分割的亚晶粒，这与静态再结晶后所产生的位错密度很低的晶粒不同，故同样晶粒大小的动态再结晶组织的强度和硬度要比静态再结晶的高。

动态再结晶后的晶粒大小与流变应力成正比。

此外，应变速率越低，形变温度越高，则动态再结晶后的晶粒越大，而且越完整。

四、计算题（每题9分，共81分）
1．根据图1所示的Pb-Sn相图：（1）画出成分为w（Sn）＝50％合金的冷却曲线及其相应的平衡凝固组织。

（2）计算该合金共晶反应后组织组成体的相对量和组成相的相对量。

（3）计算共晶组织中的两相体积相对量，由此判断两相组织为棒状还是为层片状形态。

在计算中忽略Sn在α相和Pb在β相中的溶解度效应，假定α相的点阵常数为Pb的点阵常数：αpb＝0.390nm，晶体结构为面心立方，每个晶胞4个原子；β相的点阵常数为β-Sn的点阵常数：αSn＝0.583nm，c sn＝0.318nm，晶体点阵为体心立方，每个晶胞4个原子。

Pb的相对原子质量为207，Sn的相对原子质量为ll9。

图1
解：（1）合金的冷却曲线及凝固组织如图2所示：
图2
室温平衡组织：ααββααβ
+++++Ⅱ初共初共（），或（）（2）合金发生共晶反应后的组织组成体为
α初和（α＋β
）共，各自的含量为：合金发生共晶反应后的相组成为
α相和β相，各自的含量为：
（3）α相的晶胞体积为：
每个晶胞中有4
个原子，每个原子占据的体积为：
β相的晶胞体积：
每个晶胞4个原子，每个原子占据的体积为：
在共晶组织中，两相各自所占的质量分数分别为：
设共晶组织共有100g ，则其中
α＝45.35g
，
β＝54.65g
α的体积为：
β的体积为：
即α相占共晶体总体积的20.75％。

由于α相的含量小于27.6％，在不考虑层片的界面能时，该共晶组织应为棒状。

2．根据Bain 机制，奥氏体（A ）转变成马氏体（M ）时，面心立方晶胞转变为体心正方晶胞，并沿（x 3）M 方向收缩l8％，而沿（x 1）M 和（x 2）M 方向分别膨胀12％，如图3所示。

已知fcc 的a ＝0.3548nm 。

（1）求钢中A→M 的相对体积变化。