材料科学基础期末考试卷及答案(10级)

材料科学基础
一.填空题（22分）
1.对于小角度晶界结构而言，对称侧晶界由__一列平行的刃形位错__构成，非对称侧晶界
由_两组柏氏矢量相互垂直的刃形位错_构成，扭转晶界由_螺型位错_构成。

2.按原子排列情况和吻合程度分类，界面可分为_共个界面_、_非共格界面_、_半共格界
面_和复杂半共格界面。

3.界面迁移与原子运动方向_相反_（相同/相反），速度方向_相同_（相同/相反）。

4.晶界能的来源有_弹性能_、_核心能_、_化学键能_。

5.热力学稳定的液—固界面微观结构主要有_粗糙界面_和_光滑界面_。

6.纯金属及金属凝固后得到的典型铸锭组织由_表面细晶区_、_柱晶取_、__中心等轴晶区
__三个区域构成。

7.晶体材料中质点扩散的微观机制主要有__空位机制__、_间隙机制__及其他（亚间隙机
制、环易位机制等），扩散系数D阿累尼乌斯公式可写成__D=D0*e-Q/RT_，对于空位扩散机制，扩散活化能有_空位形成能__、_空位迁移能__对于间隙扩散机制，扩散活化能只包括_间隙原子的迁移能__。

8.从热力学角度看，烧结的基本驱动力是___系统表面能、界面能的减少____，动力学上
的表现为___各种复杂的船只过程___，烧结后宏观上的表现为__坯体收缩、致密化与强度增大___，微观上的表现为__发生晶粒尺寸与形状、气孔的尺寸形状变化__。

9.固态相变的驱动力___新相与母相的自由焓之差__，阻力__界面能__和__应变能___。

10.金属固态相变的三种基本变化__结构____、__成分___、___有序程度变化__。

11.奥氏体是碳在__a-固溶体__中的间隙固溶体。

12.奥氏体形成的热力学条件是奥氏体自由能__小于__（大于/小于）珠光体自由能。

13.贝氏体转变时，温度较高存在__碳__的扩散。

14.球化处理由片状向粒状转变可降低__表面能__，为自发过程。

15.和单晶体的塑性形变相比，多晶体塑性形变的微观特点表现为__多方式__、__多滑移__
和__不均匀性__，由于上述特点，多晶体的塑性变型产生__内应力__、__加工硬化__现象和形成纤维组织、形变组织。

16.金属的再结晶过程特征有：①组织方面_由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒_②力学
性能方面__强度硬度急剧降低，塑性提高，恢复至变形前状态__③变形储能方面_变形储能再结晶过程中全部释放_。

二.名词解释（18分）
均匀形核：液体结构中不稳定的进程排列的原子集团在一定条件下转变为稳定的固相晶核的过程
胞状偏析：晶体以胞状方式生长，胞晶內部溶质浓度低，胞界部位富集溶质的现象
克根达尔效应：若将扩散偶一端固定，则扩散的进行、焊接面标记物将出现反扩散方向移动二次再结晶：烧结过程中，少数大晶粒在消耗小晶粒的同时出现的异常长达过程
液相烧结：颗粒之间的液相产生的毛细管力，使颗粒容易滑动，导至颗粒重排而改善堆积结构，毛细管压力可引起固体颗粒的溶解和再沉淀，使颗粒在接触部位变得扁平，胚体发生收缩
形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织
加工硬化：随变形量的增加，材料强度硬度增加，塑性韧性下降的现象
应变时效：塑性变形时或变形后刚中溶质组元与位错弹性相互作用而引起的性能变化
晶界：取向不同，但晶体结构和成分相同的界面
三.简答题（45分）
1.分析简述关于大角晶界的主要晶界结构模型。

即重合点阵模型：设想两个晶粒（存在θ的位向差角）的点阵，彼此通过晶界向对方延伸，则其中一些原子将出现有规律性的重合。

这些原子重合位置所组成的比原来晶体点阵大的新点阵，称为重合位置点阵。

2.什么是成分过冷？画出其形成示意图并写出形成条件，说明成分过冷对金属凝固时生长
形态的影响。

答：成分过冷是在（不平衡）凝固时，由于成分不均匀引起的过冷。

在有小的成分过冷时，将导致组织发生胞状偏析，当成分过冷很大时，组织将发生树枝状偏析。

图P504-9-30
3.分析并简述纯金属生长形态与温度梯度的关系。

正温度梯度金属平面方式长大；负温度梯度晶体树枝状方式长大。

在正温度梯度下，宏观以平面方式推进，界面宏观形态有两种，对金属型粗糙微观界面具有光滑或平直宏观界面对于平整型光滑微观界面则具有曲折的小平面状宏观界面；在负温度梯度下，微观粗糙界面以树枝状方式生长。

4.从热力学角度说明菲克定律的局限性，说明何谓扩散热力学因子。

A）由菲克第一定律扩散体系中出现宏观物质流的驱动力是浓度梯度，扩散总是朝负梯度方向进行；不能解释在温度或其它外场下存在的质点定向迁移运动、以及失稳分解过程中物质从低浓度区向高浓度区的爬坡扩散；
B）扩散发生的根本驱动力是化学势梯度，扩散沿化学势降低的方向进行；恒温恒压下，固溶体自由能变化∆G<0是扩散的真正原因；浓度梯度为0并非扩散消失的普遍有效条件，化学势恒定是扩散达到平衡的必要条件。

热力学因子：
5.列举固态烧结初期各种可能的传质途径（包括物质来源、抵达部位、扩散途径），并分
表面扩散和蒸发凝聚机制不会导致素坯的宏观收缩和气孔率降低，只有从体内或晶界上传质是，才会引起收缩和气孔的消除
6.简述固态相变的基本特点。

相变的阻力增大、新相晶核与母相之间存在一定晶体学定位关系、惯习现象、母相晶体缺陷促进相变、易出现过渡相、弹性应变能
7.简述奥氏体的形成过程。

奥氏体的形成为形核长大的扩散性相变，其形成过程可分为四个阶段：奥氏体形核、奥氏体长大、渗碳体的溶解、奥氏体均匀化
8.说明体心立的方多晶体拉伸应力—应变曲线具有明显屈服点现象的原因。

明显屈服的现象与材料的纯度及试验温度有关
9.简述回复过程的基本特征。

1、仍保持变形组织，为伸长的晶粒。

2、宏观残余内应力完全消除，有部分微观残留内应力
3、强度硬度略减小，塑性略提高
4、因点缺陷密度降低。

电阻率减小、密度增大
5、高纯金属仅3%，某些合金则可高达25%-70
四．计算题（10分）
铁已知H70黄铜（30%Zn）在400℃的恒温下完成再结晶需要1小时，而在390℃完成再结晶需要2小时，试计算在420℃恒温下完成再结晶需要多少时间？（注：R=8.314J/mol·K）
五．证明题（5分）
设液体在凝固时形成的临界核心是边长为a的立方体形状，试证明在同样过冷度下均匀形核时，球形晶核较立方晶核更易形成。