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《材料科學(xué)基礎(chǔ)》 試卷 一、選擇題（每題2分，共20分） 1．能進(jìn)行攀移的位錯可能是 A．弗蘭克位錯 B. 肖克萊位錯 C. 螺型全位錯 2. 對Fe-Cr-C三元合金進(jìn)行滲碳的反應(yīng)擴(kuò)散，則該合金中不能出現(xiàn) A. 單相區(qū) B. 兩相區(qū) C. 三相區(qū) 3. 如下說法哪個是正確的， A. 形成點(diǎn)缺陷所引起的熵的變化使晶體能量增加 B. 晶體總是傾向于降低點(diǎn)缺陷的濃度 C. 當(dāng)點(diǎn)缺陷濃度達(dá)到平衡值時，晶體自由能最低 4. 位錯線上的割階一般通過 形成。 A．位錯的交割 B.交滑移 C. 孿生 5. 金屬鎂的單晶體處于軟取向時塑變量可達(dá)100%-200%，但其多晶體的塑性很差，其主要原因是： A. 鎂多晶體的晶粒通常較粗大 B. 鎂多晶體通常存在裂紋 C. 鎂滑移系通常較少 D. 因?yàn)殒V是BCC結(jié)構(gòu)，所以脆性大 6. 層錯和不完全位錯之間的關(guān)系是： A. 層錯和不完全位錯交替出現(xiàn) B. 層錯和不完全位錯能量相同 C. 層錯能越高，不完全位錯伯氏矢量的模越小 D. 不完全位錯總是出現(xiàn)在層錯和完整晶體的交界處 7. 原子擴(kuò)散過程的驅(qū)動力是： A. 組員的濃度梯度 B. 組元的化學(xué)勢梯度 C. 擴(kuò)散的溫度 D. 擴(kuò)散的時間 8. 純金屬均勻形核時， A. 當(dāng)過冷度很小時，原子可動性低，相變驅(qū)動力低，因此，形核率低； B. 當(dāng)過冷度很小時，原子可動性高，相變驅(qū)動力高，因此，形核率低； C. 當(dāng)過冷度很小時，原子可動性低，相變驅(qū)動力高，因此，形核率低； D. 當(dāng)過冷度很小時，原子可動性高，相變驅(qū)動力低，因此，形核率低； 9．位錯塞積的一個重要效應(yīng)是在它的前端引起 。 A. 應(yīng)力偏轉(zhuǎn) B. 應(yīng)力松弛 C. 應(yīng)力集中 10. 欲通過形變和再結(jié)晶方法獲得細(xì)晶粒組織，應(yīng)避免 。 A．在臨界形變量進(jìn)行塑性變形加工 B. 大變形量 C. 較長的退火時間 D. 較高的退火溫度 二、判斷題（正確的打“√”錯誤的打“”，每題1分，共12分） 1. 體心立方結(jié)構(gòu)是原子的次密排結(jié)構(gòu)，其致密度為0.74。 （ ） 2. 同一種空間點(diǎn)陣可以有無限種晶體結(jié)構(gòu)，而不同的晶體結(jié)構(gòu)可以歸屬于同一種空間點(diǎn)陣。 （ ） 3. 結(jié)晶時凡能提高形核率、降低生長率的因素，都能使晶粒細(xì)化。 （ ） 4. 合金液體在凝固形核時需要能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏和成分起伏。 （ ） 5. 小角度晶界的晶界能比大角度晶界的晶界能高。 （ ） 6. 非均勻形核時晶核與基底之間的接觸角越大，其促進(jìn)非均勻形核的作用越大。 （ ） 7. 固溶體合金液體在完全混合條件下凝固后產(chǎn)生的宏觀偏析較小。 （ ） 8. 冷形變金屬在再結(jié)晶時可以亞晶合并、亞晶長大和原晶界弓出三種方式形核。 （ ） 9. 動態(tài)再結(jié)晶是金屬材料在較高溫度進(jìn)行形變加工同時發(fā)生的再結(jié)晶、其形變硬化與再結(jié)晶軟化交替進(jìn)行。 （ ） 10. 金屬-非金屬型共晶具有粗糙-光滑型界面，所以它們多為樹枝狀、針狀或螺旋狀形態(tài)。 （ ） 11. 孿生變形的速度很快是因?yàn)榻饘僖詫\生方式變形時需要的臨界分切應(yīng)力小。（ ） 12. 相圖的相區(qū)接觸法則是相鄰相區(qū)相數(shù)差1。 （ ） 三、簡答題（28分） 1. 試述孿生和滑移的異同，比較它們在塑性過程中的作用。（10分） 2. 請簡述擴(kuò)散的微觀機(jī)制有哪些？影響擴(kuò)散的因素又有哪些？ （8分） 3. 簡述材料強(qiáng)化的主要方法、原理及工藝實(shí)現(xiàn)途徑。(10分) 四、作圖與計算題（40分，每題10分） 1、氧化鎂（MgO）具有NaCl型結(jié)構(gòu)，即具有O2-離子的面心立方結(jié)構(gòu)。問： （1）若其離子半徑=0.066nm，＝0.140nm，則其原子堆積密度為多少？ （2）如果/＝0.41，則原子堆積密度是否改變？ 2、某面心立方晶體的可動滑移系為。 （1）請指出引起滑移的單位位錯的柏氏矢量； （2）若滑移由刃位錯引起，試指出位錯線的方向； （3）請指出在（2）的情況下，位錯線的運(yùn)動方向； （4）假設(shè)在該滑移系上作用一大小為0.7MPa的切應(yīng)力，試計算單位刃位錯線受力的大小和方向（取點(diǎn)陣常數(shù)為a＝0.2nm）。 3. 畫出Fe-Fe3C相圖，并根據(jù)Fe-Fe3C相圖，(1)分別求ω（C)=2.11%，ω（C)=4.30%的二次滲碳體的析出量。(2)畫出ω（C)=4.30%的冷卻曲線。 4. 圖(a)為固態(tài)互不溶解的三元共晶相圖的濃度三角形，其中三元共晶點(diǎn)E的成分為ω(A)=20%，ω(B)=30%，ω(C)=50%。圖(b)為某一溫度(高于TE)的水平截面圖。問： (1)A，B和C三組元的熔點(diǎn)誰最低？ (2)若有一液態(tài)成分為ω(A)=60%，ω(B)=15%，ω(C)=25%的合金(其B/C成分比三元共晶合金相同)平衡凝固到室溫，試分析室溫平衡組織并畫出平衡冷卻曲線。 (3)計算該合金中共晶組織在鑄錠中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 《材料科學(xué)基礎(chǔ)》 試卷答案 一、選擇題（每題2分，共20分） 1．能進(jìn)行攀移的位錯可能是 A A．弗蘭克位錯 B. 肖克萊位錯 C. 螺型全位錯 2. 對Fe-Cr-C三元合金進(jìn)行滲碳的反應(yīng)擴(kuò)散，則該合金中不能出現(xiàn) C A. 單相區(qū) B. 兩相區(qū) C. 三相區(qū) 3. 如下說法哪個是正確的， C A. 形成點(diǎn)缺陷所引起的熵的變化使晶體能量增加 B. 晶體總是傾向于降低點(diǎn)缺陷的濃度 C. 當(dāng)點(diǎn)缺陷濃度達(dá)到平衡值時，晶體自由能最低 4. 位錯線上的割階一般通過 A 形成。 A．位錯的交割 B.交滑移 C. 孿生 5. 金屬鎂的單晶體處于軟取向時塑變量可達(dá)100%-200%，但其多晶體的塑性很差，其主要原因是： C A. 鎂多晶體的晶粒通常較粗大 B. 鎂多晶體通常存在裂紋 C. 鎂滑移系通常較少 D. 因?yàn)殒V是BCC結(jié)構(gòu)，所以脆性大 6. 層錯和不完全位錯之間的關(guān)系是： D A. 層錯和不完全位錯交替出現(xiàn) B. 層錯和不完全位錯能量相同 C. 層錯能越高，不完全位錯伯氏矢量的模越小 D. 不完全位錯總是出現(xiàn)在層錯和完整晶體的交界處 7. 原子擴(kuò)散過程的驅(qū)動力是： B A. 組員的濃度梯度 B. 組元的化學(xué)勢梯度 C. 擴(kuò)散的溫度 D. 擴(kuò)散的時間 8. 純金屬均勻形核時， D A. 當(dāng)過冷度很小時，原子可動性低，相變驅(qū)動力低，因此，形核率低； B. 當(dāng)過冷度很小時，原子可動性高，相變驅(qū)動力高，因此，形核率低； C. 當(dāng)過冷度很小時，原子可動性低，相變驅(qū)動力高，因此，形核率低； D. 當(dāng)過冷度很小時，原子可動性高，相變驅(qū)動力低，因此，形核率低； 9．位錯塞積的一個重要效應(yīng)是在它的前端引起 C 。 A. 應(yīng)力偏轉(zhuǎn) B. 應(yīng)力松弛 C. 應(yīng)力集中 10. 欲通過形變和再結(jié)晶方法獲得細(xì)晶粒組織，應(yīng)避免 A 。 A．在臨界形變量進(jìn)行塑性變形加工 B. 大變形量 C. 較長的退火時間 D. 較高的退火溫度 二、判斷題（正確的打“√”錯誤的打“”，每題1分，共12分） 1. 體心立方結(jié)構(gòu)是原子的次密排結(jié)構(gòu)，其致密度為0.74。 （ ） 2. 同一種空間點(diǎn)陣可以有無限種晶體結(jié)構(gòu)，而不同的晶體結(jié)構(gòu)可以歸屬于同一種空間點(diǎn)陣。 （ √ ） 3. 結(jié)晶時凡能提高形核率、降低生長率的因素，都能使晶粒細(xì)化。 （ √ ） 4. 合金液體在凝固形核時需要能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏和成分起伏。 （ √ ） 5. 小角度晶界的晶界能比大角度晶界的晶界能高。 （ ） 6. 非均勻形核時晶核與基底之間的接觸角越大，其促進(jìn)非均勻形核的作用越大。 （ ） 7. 固溶體合金液體在完全混合條件下凝固后產(chǎn)生的宏觀偏析較小。 （ ） 8. 冷形變金屬在再結(jié)晶時可以亞晶合并、亞晶長大和原晶界弓出三種方式形核。 （ √ ） 9. 動態(tài)再結(jié)晶是金屬材料在較高溫度進(jìn)行形變加工同時發(fā)生的再結(jié)晶、其形變硬化與再結(jié)晶軟化交替進(jìn)行。 （ √ ） 10. 金屬-非金屬型共晶具有粗糙-光滑型界面，所以它們多為樹枝狀、針狀或螺旋狀形態(tài)。 （ √ ） 11. 孿生變形的速度很快是因?yàn)榻饘僖詫\生方式變形時需要的臨界分切應(yīng)力小。（ ） 12. 相圖的相區(qū)接觸法則是相鄰相區(qū)相數(shù)差1。 （ √ ） 三、簡答題（28分） 1. 試述孿生和滑移的異同，比較它們在塑性過程中的作用。（10分） 答：相同點(diǎn)： a.宏觀上，都是切應(yīng)力作用下發(fā)生的剪切變形； （1分） b. 微觀上，都是晶體塑性變形的基本形式，是晶體一部分沿一定晶面和晶向相對另一部分的移動過程； （1分） c. 不改變晶體結(jié)構(gòu)。 （1分） 不同點(diǎn)： a. 晶體中的取向 滑移：晶體中已滑移部分與未滑移部分的位向相同。 孿生：已孿生部分和為孿生部分的位向不同，且兩者之間具有特定的位向關(guān)系。（1分） b. 位移的量 滑移：沿滑移方向上原子間距的整倍數(shù)，且在一個滑移面上的總位移較大。 孿生：原子的位移小于孿生方向的原子間距，一般為孿生方向原子間距的1/n。（1分） c. 變形方式 滑移：不均勻切變 孿生：均勻切變 （1分） d. 對塑性變形的貢獻(xiàn) 滑移：對塑性變形的貢獻(xiàn)很大，即總變形量大。 孿生：對晶體塑性變形有限，即總變形量小。 （1分） e. 變形應(yīng)力 滑移：有確定的臨界分應(yīng)力。 孿生：所需臨界分切應(yīng)力一般高于滑移所需的臨界分切應(yīng)力。 （1分） f. 變形條件 滑移：一般情況先發(fā)生滑移變形 孿生：當(dāng)滑移變形難以進(jìn)行時，或晶體對稱性很低、變形溫度較低、加載速率較高時。 （1分） g. 變形機(jī)制 滑移：全位錯運(yùn)動的結(jié)果。 孿生：不全位錯運(yùn)動的結(jié)果。 （1分） 2. 請簡述擴(kuò)散的微觀機(jī)制有哪些？影響擴(kuò)散的因素又有哪些？ （8分） 答：置換機(jī)制：包括空位機(jī)制和直接換位與環(huán)形換位機(jī)制，其中空位機(jī)制是主要機(jī)制，直接換位與環(huán)形換位機(jī)制需要的激活能很高，只有在高溫時才能出現(xiàn)。（2分） 間隙機(jī)制：包括間隙機(jī)制和填隙機(jī)制，其中間隙機(jī)制是主要機(jī)制。 （2分） 影響擴(kuò)散的主要因素有：溫度（溫度約高，擴(kuò)散速度約快）；晶體結(jié)構(gòu)與類型（包括致密度、固溶度、各向異性等）；晶體缺陷；化學(xué)成分（包括濃度、第三組元等）。 （4分） 3. 簡述材料強(qiáng)化的主要方法、原理及工藝實(shí)現(xiàn)途徑。(10分) 1.答案：加工硬化：是隨變形使位錯增殖而導(dǎo)致的硬化； (2分) 細(xì)晶強(qiáng)化：是由于晶粒減小，晶粒數(shù)量增多，尺寸減小，增大了位錯連續(xù)滑移的阻力導(dǎo)致的強(qiáng)化；同時由于滑移分散，也使塑性增大。該強(qiáng)化機(jī)制是唯一的同時增大強(qiáng)度和塑性的機(jī)制。 (2分) 彌散強(qiáng)化：又稱時效強(qiáng)化。是由于細(xì)小彌散的第二相阻礙位錯運(yùn)動產(chǎn)生的強(qiáng)化。包括切過機(jī)制和繞過機(jī)制。 (2分) 復(fù)相強(qiáng)化：由于第二相的相對含量與基體處于同數(shù)量級是產(chǎn)生的強(qiáng)化機(jī)制。其強(qiáng)化程度取決于第二相的數(shù)量、尺寸、分布、形態(tài)等，且如果第二相強(qiáng)度低于基體則不一定能夠起到強(qiáng)化作用。 (2分) 固溶強(qiáng)化：由于溶質(zhì)原子對位錯運(yùn)動產(chǎn)生阻礙。包括彈性交互作用、電交互作用和化學(xué)交互作用。 (2分) 四、作圖與計算題（40分，每題10分） 1、氧化鎂（MgO）具有NaCl型結(jié)構(gòu)，即具有O2-離子的面心立方結(jié)構(gòu)。問： （1）若其離子半徑=0.066nm，＝0.140nm，則其原子堆積密度為多少？ （2）如果/＝0.41，則原子堆積密度是否改變？ 答：（1） 點(diǎn)陣常數(shù) （3分） 堆積密度 （3分） （2）堆積密度會改變，因?yàn)镻f與兩異號離子半徑的比值有關(guān)。 （4分） 2、某面心立方晶體的可動滑移系為。 （1）請指出引起滑移的單位位錯的柏氏矢量； （2）若滑移由刃位錯引起，試指出位錯線的方向； （3）請指出在（2）的情況下，位錯線的運(yùn)動方向； （4）假設(shè)在該滑移系上作用一大小為0.7MPa的切應(yīng)力，試計算單位刃位錯線受力的大?。ㄈ↑c(diǎn)陣常數(shù)為a＝0.2nm）。 答：（1）柏氏矢量：； (2分) （2）位錯線方向：[112]； (2分) （3）位錯線運(yùn)動方向平行于柏氏矢量； (2分) （4） (4分) 3. 畫出Fe-Fe3C相圖，并根據(jù)Fe-Fe3C相圖，(1)分別求ω（C)=2.11%，ω（C)=4.30%的二次滲碳體的析出量。(2)畫出ω（C)=4.30%的冷卻曲線。 圖 （5分） 答案：（1）ω（C)=2.11%時，F(xiàn)e3CⅡ=100%=22.6% （1分） ω（C)=4.30%時，共晶中奧氏體的量為：100%=52.18% （1分） 則共晶中奧氏體可析出Fe3CⅡ的量為：Fe3CⅡ=52.18=11.8% （1分） [或者先求ω（C)=4.30%時鐵碳合金在共析反應(yīng)前的滲碳體的總量為 （Fe3C）t=100%=60% （1分） 然后從（Fe3C）t中減去共晶中Fe3C的量，即得Fe3CⅡ的量 Fe3CⅡ=（）100% =11.8% （1分）] (2) ω（C)=4.30%的冷卻曲線（2分） Fe3CⅢ α L γ Fe3CⅡ L γ+Fe3C γ α +Fe3C 4. 圖(a)為固態(tài)互不溶解的三元共晶相圖的濃度三角形，其中三元共晶點(diǎn)E的成分為ω(A)=20%，ω(B)=30%，ω(C)=50%。圖(b)為某一溫度(高于TE)的水平截面圖。問： (1)A，B和C三組元的熔點(diǎn)誰最低？ (2)若有一液態(tài)成分為ω(A)=60%，ω(B)=15%，ω(C)=25%的合金(其B/C成分比三元共晶合金相同)平衡凝固到室溫，試分析室溫平衡組織并畫出平衡冷卻曲線。 (3)計算該合金中共晶組織在鑄錠中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 答：（1）C最低 (2分) （2）A+(A+B+C) (2分) (3分) (3) ω(共晶組織)=20/60=33.3% (3分)