材料科学基础习题与答案 - 图文(3)

x2Dt 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 xerf(2Dt) 0.0000 0.1125 0.2227 0.3286 0.4284 0.5205 0.6039 x2Dt 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 xerf(2Dt) 0.6778 0.7421 0.7969 0.8247 0.8802 0.9103 0.9340 x2Dt 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 xerf(2Dt) 0.9523 0.9661 0.9763 0.9838 0.9891 0.9928 0.9953 4 一块厚度10毫米，含碳量0.77%的钢在强脱碳气氛中加热到800℃，然后缓慢冷却，试指出试样从表面到心部的组织分布。

5 一块用作承载重物的低碳钢板，为提高其表面硬度采用表面渗碳，试分析： 1) 渗碳为什么在?-Fe中进行而不在?-Fe中进行，即渗碳温度选择要高于727? ，为什么？ 2) 渗碳温度高于1100? 会出现什么问题？

6 铜-锌基单相固溶体进行均匀化处理，试讨论如下问题：

1) 在有限时间内能否使枝晶偏析完全消失？

2) 将此合金均匀化退火前进行冷加工，对均匀化过程是加速还是无影响？说明理由。

7 原子扩散在材料中的应用

8 何谓上坡扩散，举两个实例说明金属中上坡扩散现象。 9、简述固溶体合金的扩散机制

第一章 原子排列与晶体结构

6. [110]， (111)， ABCABC…， 0.74 ， 12 , 4 ，

8 , 2 ，

r?2a4； [111]， (110) , 0.68 ,

r?3a4 ； [1120]， (0001) ， ABAB ， 0.74 ， 12 ， 6 ，

r?7.

8. 9. 10.

a2。

0.01659nm3 ， 4 ， 8 。

FCC ， BCC ，减少 ，降低 ，膨胀 ，收缩 。 解答：见图1－1

解答：设所决定的晶面为（hkl），晶面指数与面上的直线[uvw]之间有hu+kv+lw=0，故有：

h+k-l=0,2h-l=0。可以求得（hkl）＝（112）。

6 解答：Pb为fcc结构，原子半径R与点阵常数a的关系为0.4949×10-6mm。则（100）平面的面积S＝a2＝0.244926011×0-12mm2，每个（100）面上的原子个数为2。 所以1 mm2上的原子个数

r?2a4，故可求得a＝

n?1s＝4.08×1012。

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第二章合金相结构

一、 填空

1） 提高，降低，变差，变大。 2） （1）晶体结构；（2）元素之间电负性差；（3）电子浓度 ；（4）元素之间尺寸差别 3） 存在溶质原子偏聚 和短程有序 。 4） 置换固溶体 和间隙固溶体 。 5） 提高 ，降低 ，降低 。

6） 溶质原子溶入点阵原子溶入溶剂点阵间隙中形成的固溶体，非金属原子与金属原子半径的比值大于0.59时形成的复杂结构的化合物。

三、 问答

1、 解答： ?-Fe 为bcc结构，致密度虽然较小，但是它的间隙数目多且分散，间隙半径很小，四面体间隙半径为0.291Ra，即R＝0.0361nm，八面体间隙半径为0.154Ra，即R＝0.0191nm。氢，氮，碳，硼由于与?-Fe的尺寸差别较大，在?-Fe中形成间隙固溶体，固溶度很小。?-Fe的八面体间隙的[110]方向R=0.633 Ra，间隙元素溶入时只引起一个方向上的点阵畸变，故多数处于?-Fe的八面体间隙中心。B原子较大，有时以置换方式溶入?-Fe。 由于?-Fe为fcc结构，间隙数目少，间隙半径大，四面体间隙半径为0.225 Ra，即R＝0.028nm，八面体间隙半径为0.414 Ra，即R＝0.0522nm。氢，氮，碳，硼在?-Fe 中也是形成间隙固溶体，其固溶度大于在?-Fe中的固溶度，氢，氮，碳，硼处于?-Fe的八面体间隙中心。

2、简答：异类原子之间的结合力大于同类原子之间结合力；合金成分符合一定化学式；低于临界温度（有序化温度）。

第三章 纯金属的凝固

2. 填空

1. 结构和能量。

16??3Tm?2?Tm?Gk??r?3Lm?T，?Lm?T?2。 2 表面，体积自由能 ,

3 晶核长大时固液界面的过冷度。

4 减少，越大，细小。 5. 快速冷却。

二、 问答

1 解答： 凝固的基本过程为形核和长大，形核需要能量和结构条件，形核和长大需要过冷度。细化晶粒的基本途径可以通过加大过冷度，加入形核剂，振动或搅拌。

2 解答： 根据金属结晶过程的形核和长大理论以及铸锭的散热过程，可以得出通常铸锭组织的特点为最外层为细小等轴晶，靠内为柱状晶，最内层为粗大等轴晶。

3 解答： 液态金属结晶时，均匀形核时临界晶核半径rK与过冷度?T关系为

216??3Tm?2?Tm?Gk??r?3?Lm?T?2。异质形核时固相质点可作为Lm?T，临界形核功?G等于

K

晶

核

*2长大，其临

2界形核功较小，

?Gk2?3cos??cos3?16??3Tm2?3cos??cos3?????Gk243?Lm?T?4，θ为液相与非均

匀形核核心的润湿角。

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形核率与过冷度的关系为：

数，ΔGA、ΔGk分别表示形核时原子扩散激活能和临界形核功。在通常工业凝固条件下形核率随过冷度增大而增大。

4 解答： 在金属凝固时，可以近似认为LM=?Hm,根据均匀形核时临界晶核半径rK与过

N?Cexp[?（?GA?Gk?）]kTkT，其中N为形核率，C为常

r?冷度?T关系为

5： 解答： 过冷是指金属结晶时实际结晶温度Tn比理论结晶温度Tm低的现象。过冷度ΔT指Tm与Tn的差值。动态过冷度指晶核长大时的过冷度。金属形核和长大都需要过冷，过冷度增大通常使形核半径、形核功减少，形核过程容易，形核率增加，晶粒细化。

7 解答： 冷却速度极大影响金属凝固后的组织。冷却快一般过冷度大，使形核半径、

形核功减少，形核过程容易，形核率增加，晶粒细化，冷却非常快时可以得到非晶，在一般工业条件下快速冷却可以得到亚稳相。

7、 解答： 纯金属凝固时

润湿角θ＝0°，形核功为0，固相粒子促进形核效果最好；

润湿角θ＝180°，异质形核功等于均匀形核功，固相粒子对形核无促进作用；

润湿角0°<θ<180°，形核功比均匀形核的形核功小，θ越小，固相粒子促进形核效果越好。

杂质颗粒的晶体结构与晶核相同或相近时，促进形核效果好，当两者结构不相同时，一般对促进形核效果差或不促进形核。

杂质粒子的表面成凹形时，促进形核效果好，成平面状时次之，凸形时最差。

?2?TmLm?T，可以计算得到r＝0.79×10－7cm＝0.79nm。

第四章 二元合金相图与合金凝固

一、填空 1. 成分

2. 光滑界面 ,粗糙界面

3. 垂直长大机制，二维平面长大 , 依靠晶体缺陷长大 4 枝晶 ，均匀化退火 5 平直状 ， 树枝 。 6. _伪共晶_。

k0（1?k0）e7 k0?， 1 。

8. 共晶 ， 熔晶 ， 偏析 ，包析 9 0.0218% ， 4.3% ； P 和 Fe3C ； FCC， 间隙 ， 间隙固溶体 ， BCC ， 2.11% ； 0.77 ， 珠光体 和 渗碳体 ； 4.3% ； P+F， P+Fe3C ， Ld ， A+ Fe3C ， P+Fe3C +Fe3CII ， 液相 ， A ， F ， 6.69 ， 硬、脆 ， P 。

2 问答

1 解答： 1）见图中标注。两相区由相邻的两个单相区所构成。水平线代表三相区，见3）中的恒温反应式。

2）稳定化合物为δ、ε，不稳定化合物为β、γ。 3）1455℃，L＋δ－ε，包晶反应； 1387℃，L－ε＋Ni，共晶反应；

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?R?D1135℃，L＋δ－γ，包晶反应； 855℃，L＋γ－β，包晶反应； 640℃，L－Al＋β，共晶反应；

4）Ni 30%(重量)的合金在平衡冷却时的相变过程：L－γ；855℃，L＋γ－β，包晶反应；L－β；640℃，L－Al＋β，共晶反应；

42?30?100%?28.6B室温下相组成为Al＋β，,β=1-Al%=71.4%。

30?0.05?%??100%?71.4B?0.05室温下组织组成为β+(Al＋β)共晶，，，(Al＋β)共晶=1-Al%?β%=28.6%。

5）含Ni89%（重量）的Ni-Al合金其平衡凝固时室温组织为Ni和Ni中析出的ε，非平衡凝固后会出现非平衡共晶组织，即为Ni和少量的1387℃反应生成的L－（ε＋Ni）共晶。 6）X合金平衡凝固完毕时的组织?初晶占80%，则(?+?)共晶＝20％，设此合金中Ni组元的含量是X，

7）1500? 时Al-Ni合金系的自由能—成分曲线示意图如图。

2 解答： 1）?相晶体结构与Cu的结构保持一致，为fcc结构；

80%?0.05?X ?100%0.05,可以求得X＝0.01%。

k0?2）共晶反应前的平衡分配系数

3) Cu-13.47%Sn合金在正常条件下凝固后，由于固相平均成分线相对于固相线下移，在合金凝固过程中剩余少量液相出现非平衡结晶，发生包晶反应而出现少量?相。这些少量?相可以通过均匀化退火消除。

4）Cu-70%Sn合金平衡凝固过程为L－ε，L92.4+ε38.2—η59.0，L—η，L99.3—η60.9+（Sn），η－??

共晶反应刚完毕时相组成物为η+（Sn），组织组成物为η+（η+Sn）共晶。

CS60.9??0.61CL99.3；

100?70?100%?76.7%,(Sn )?1??%?23.30?60.9相组成物的相对含量为：

99.3?70?%??100%?76.3%,99.3?60.9和组织组成物的相对含量：（η+Sn）共晶％＝1－η％

?%?＝23.7％。

5）合金在450℃时各相自由能---成分曲线示意图如图所示。

3 解答： 1）相区填写如图所示。相图中各等温反应如下：

935℃：L+β（Y）—ε；780℃：L+ε—δ；776℃：β（Y）—ε＋α（Y）； 635℃：L+ε—γ； 557℃：L—（Mg）＋γ。

Y=5%wt时的合金K在室温时的平衡组织为（Mg）固溶体。

c?2）Mg为hcp结构，因为r＝a/2，一个hcp晶胞中有6个原子，设a83，则致密度为

??VatomVcell3）提高合金K强度的可能方法有细化晶粒，加工硬化。

4）Y=10%wt之合金可能的强化方法有细化晶粒，加工硬化和固溶时效。

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46??r33??0.7413（6?a?a）c22

4 解答： 相同点：均需要形核与长大，形核要满足一定热力学条件，形成一定临界晶核半径，即需要能量起伏和结构起伏。

不同点：固溶体合金形核除需要能量起伏和结构起伏外，还需要成分起伏，非平衡结晶时产生偏析，一般会产生成分过冷，凝固过程是在一个温度区间进行，而纯金属凝固在等温进行。

5 解答： 1）Fe3CII含量最多的合金、珠光体含量最多的合金、莱氏体含量最多的合金的合金成分分别为含碳量2.11%，0.77%，4.3%。

2）二元系中比较适合做变形合金和合金为单相固溶体，适合作为铸造合金的成分范围为含有较多共晶体的合金。故在含碳量小于2.11%的合金可以经过加热得到单相合金适合作为变形合金，含碳量大于4.3％的合金有共晶反应适合作为铸造合金。

3）提高压力加工合金的强度的方法主要有加工硬化，合金元素固溶产生的固溶强化，细化晶粒强化，热处理强化，第二相强化，弥散质点的弥散强化。 4）平衡反应的成分及温度，反应式为 1495℃，L0.53＋δ0.09－A0.17，包晶反应； 1148℃，L4.3－A2.11＋Fe3C，共晶反应； 727℃，A0.77－F0.0218+Fe3C，共析反应；

5）凝固过程：935℃：L—γ，γ—Fe3CⅡ，γ—F＋Fe3CⅡ（P） 室温下相组成为F＋Fe3CⅡ，其中

6.63?1?100%?84.9%,Fe 3C %?1 -F %?15.1%6.63?0.0008；室温下组织组成为P

6.69?1P%??98.1%6.69?0.77＋Fe3CⅡ，其中，Fe3CⅡ％＝1－P％＝1.9%。 F%?6）亚稳转变后组织为P＋Fe3CⅡ，淬火冷却后C在Fe中形成过饱和固溶体（马氏体相

变）。

7) 三种钢在给定温度下的显微组织如表。

8）1200℃时各相的自由能---成分曲线示意图如图。

6： 解答： 1）Ⅱ合金的平衡冷却曲线和组织如图；室温下相组成物为α＋β，其中

?%?90?80?100%?11.8％90?5，β＝1－α％＝88.2%，组织组成为β＋（α＋β）共晶， 80?50?%??100%?75??50，（α＋β）共晶％＝1－β％＝25％；

2） Ⅰ合金在平衡凝固时室温组织为α＋βⅡ，工业条件冷却时出现少量非平衡共晶组织，室温组织为α＋βⅡ＋少量（α＋β）共晶。

3） 可以根据相图估计，在共晶温度下尽可能高的温度进行退火。

7： 解答： 1）金属固液界面的微观结构为粗糙界面，长大机制为垂直长大方式，在正温度梯度下固液界面保持平直，在负温度梯度下成长时固/液界面不稳定，结晶后容易长成树枝状晶。

8： 解答： 1）相区填充如图；

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