材料科学基础复习题及答案-2012(3)

来源：网络收集时间：2026-08-26

导读：　3).晶体内部的某些界面（如第二相质点、孪晶、晶界等）和微裂纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中现象，当此应力高至足以使该局部区域发生滑移时，就在该区域产生位错。（1分） 5. 简述晶界

　3).晶体内部的某些界面（如第二相质点、孪晶、晶界等）和微裂纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中现象，当此应力高至足以使该局部区域发生滑移时，就在该区域产生位错。（1分）

5. 简述晶界具有哪些特性？

答：

1）晶界处点阵畸变变大，存在晶界能，故晶粒长大和晶界平直化是一个自发过程。

2）晶界处原子排列不规则，从而阻碍塑性变形，强度更高。这就是细晶强化的本质。

3）晶界处存在较多缺陷（位错、空位等），有利原子扩散。

4）晶界处能量高，固态相变先发生，因此晶界处的形核率高。

5）晶界处成分偏析和内吸附，又富集杂质原子，因此晶界熔点低而产生“过热”现象。

6）晶界能高，导致晶界腐蚀速度比晶粒内部更高。

6. 对于同一种晶体，它的表面能与晶界能（相同的面积）哪一个较高？为什么？（分）答：对于同一种晶体，晶界能比表面能高（1分）。推导如下：

假设晶体的理想光滑的两个等面积平面合拢，会形成一个晶体内界面，该界面的能量相当于两个外表面之和，且理想状态下破坏该界面结合所需要的能量相当于键合能。即相同面积下，E晶界>E完整晶体键合能>2倍E表面（2分）

第4章

7. 简述影响固体中原子和分子扩散的因素有哪几方面。（分）

答：

1、温度；2、固溶体类型；3、晶体结构；4、晶体缺陷；5、化学成分；6、应力的作用（各0.5分）

第5章

8. 简述金属材料经过塑性变形后，可能会发生哪些方面性能的变化。（分）

答：

(1) 加工硬化: 塑性变形后，性能上最为突出的变化是强度（硬度）显著提高，塑性迅

速下降。（1分）

(2) 腐蚀速度：塑变使扩散过程加速，腐蚀速度加快（1分）

(3) 密度：对含有铸造缺陷（如气孔、疏松等）的金属经塑性变形后可能使密度上升（1

分）

(4) 弹性模量：塑变使弹性模量升高（1分）

(5) 电阻率：塑性变形使金属的电阻率升高。变化程度因材质而异。（1分）

(6) 另外，塑性变形还会引起电阻温度系数下降、导磁率下降、导热系数下降。（1分）

9. 金属的退火处理包括哪三个阶段？简述这三个阶段中晶粒大小、结构的变化。（分）答：

退火过程分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段；再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大。（3分）

在回复阶段，由于不发生大角度晶界的迁移，所以晶粒的形状和大小与变形态的相同，仍保持着纤维状或扁平状，从光学显微组织上几乎看不出变化。在再结晶阶段，首先是在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到形变组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。最后，在晶界表面能的驱动下，新晶粒互相吞食而长大，从而得到一个在该条件下较为稳定的尺寸，称为晶粒长大阶段。（3分）

第6章

10. 图示并分析金属材料凝固组织中树枝晶的生长过程。（分）

（画出液固界面附近的负温度梯度）

在负温度梯度情况下，金属凝固过程中液固界面上产生的结晶潜热可通过液相散失，如果部

分的相界面生长凸出到前面的液相中，则处于过冷度更大的液相中，使凸出部分的生长速度增大而进一步伸向液相中。此时，液固界面就不可能保持平面状而是形成许多伸向液相的分枝，同时有可能在这些晶枝上长出二次枝晶臂。这种方式即为树枝晶生长方式。

第7章

11. 金属型浇铸的铸锭的宏观组织一般分为哪几个区，分析其形成原因？（分）答：

a．表层细晶区（0.5分）当液态金属注人锭模中后，型壁温度低，与型壁接触的很薄一层熔液产生强烈过冷，而且型壁可作为非均匀形核的基底，因此，立刻形成大量的晶核，这些晶核迅速长大至互相接触，形成由细小的、方向杂乱的等轴晶粒组成的细晶区。（1.5分） b．柱状晶区（0.5分）随着"细晶区"壳形成，型壁被熔液加热而不断升温，使剩余液体的冷却变慢,并且由于结晶时释放潜热,故细晶区前沿液体的过冷度减小，形核变得困难，只有细晶区中现有的晶体向液体中生长。在这种情况下，只有一次轴（即生长速度最快的晶向）垂直于型壁（散热最快方向）的晶体才能得到优先生长，而其他取向的晶粒，由于受邻近晶粒的限制而不能发展，因此，这些与散热相反方向的晶体择优生长而形成柱状晶区。各柱状晶的生长方向是相同的. （1.5分）

C．中心等轴晶区（0.5分）柱状晶生长到一定程度，由于前沿液体远离型壁，散热困难，冷速变慢，而且熔液中的温差随之减小，这将阻止柱状晶的快速生长，当整个熔液温度降至熔点以下时，熔液中出现许多品核并沿各个方向长大，就形成中心等轴晶区。（1.5分）

12. 与平衡凝固相比较，固溶体的非平衡凝固有何特点？

（1）非平衡凝固的固相平均成分线和液相平均成分线与平衡凝固的固相线、液相线不同，冷却速度越快，偏离固、液相线越严重；反之，冷却速度越慢，越接近，表明凝固速度越接近平衡凝固条件。

（2）先结晶部分总是富高熔点组元，后结晶的部分是富低熔点组元。

（3）非平衡凝固总是导致凝固终结温度低于平衡凝固时的终结温度。

13. 试分析包晶反应不平衡组织的形成过程。

实际生产中的冷速较快，包晶反应所依赖的固体中原子扩散往往不能充分进行，导致包晶反应的不完全性，即在低于包晶温度下，将同时存在参与转变的液相和相，其中液相在继续冷却过程中可能直接结晶出相或参与其他反应，而相仍保留在相芯部，形成包晶反应的非平衡组织。

计算题：（每一道题10分）

第2章

1. 金刚石为碳的一种晶体，为复杂面心立方结构，晶胞中含有8个原子，其晶格常数a=0.357nm，当它转换成石墨 ( 2 =2.25g/cm3)结构时，求其体积改变百分数？解：金刚石为复杂面心立方结构，每个晶胞含有8个碳原子

金刚石的密度为： 8 12

0.357 10 6.023 10 7323 3.503(g/cm3)

对于单位质量1g碳为金刚石结构时，体积为：v1=1/ 1=0.285(cm3)

转变为石墨结构时，体积为：v2=1/ 2=0.444(cm3) 故金刚石转变为石墨结构时体积膨胀：v2 v1 100% 55.8% v1

第3章

2. 在Fe中形成1mol空位需要的能量为104.675kJ，试计算从20℃升温至 850℃时空位数目增加多少倍？

解：

空位在温度T时的平衡浓度为

系数A一般在1~10之间，取A=1，则

故空位增加了（倍）

第4章

3. 一块含0.1%C的碳钢在930℃渗碳，渗到0.05cm的地方碳的浓度达到0.45%。在t>0的全部时间，渗碳气氛保持表面成分为1%，假设 D=2.0×10-5exp(-140000/RT) (m2/s)。 (a) 计算渗碳时间；

(b) 若将渗层加深一倍，则需多长时间？

解：

(a) 由Fick第二定律得：

t 1.0×104(s) （ 5分）

(b) 由关系式x ADt，得：x1 AD1t1，x2 D2t2 两式相比，得：

当温度相同时，D1=D2,于是得：

（ 5分）

（c）

因为： t930=t870, D930=1.67×10-7(cm2/s)…… 此处隐藏：2553字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……

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