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综合模拟测试 参考答案

一、简答题（每题5分，共30分）
1. 已知fcc晶体的致密度比bcc晶体的大，请解释为什么fcc的固溶度仍比bcc的大？
答：间隙分为四面体间隙和八面体间隙。在fcc中八面体间隙较大，而bcc中因八面体间隙为扁八面体间隙，故其四面体间隙较大。因此fcc晶体能够容纳更多的溶质原子。

2. 请简述影响固溶体固溶度的因素有哪些。
答：1）原子尺寸因素：置换固溶体的溶质与溶剂原子尺寸越相近固溶度越大。
间隙固溶体的溶质原子与溶剂间隙尺寸越相近固溶度越大。
2）晶体结构因素：置换固溶体溶质溶剂的晶体结构相似固溶度越大。
3）电负性因素：溶质与溶剂的电负性越相近固溶度越大。
4）电子浓度因素：电子浓度越低固溶度越大。

3. 均匀形核与非均匀形核具有相同的临界晶核半径，非均匀形核的临界形核功也等于三分之一表面能，为什么非均匀形核比均匀形核容易？
答：非均匀形核与均匀形核的临界晶核半径相等，但非均匀形核的临界晶核体积小。非均匀形核的临界形核功也等于三分之一表面能，但非均匀形核的表面能小于均形核的表面能，即非均匀形核的临界形核功小。因此非均匀形核比较容易。

4. 原子的热运动如何影响扩散？
答：原子热运动越强烈，原子的跃迁距离增大，跃迁频率增大，跃迁几率增大，将使得扩散系数增大，即促进扩散。

5. 如何区分金属的热变形和冷变形？
答：冷、热变形温度的分界是再结晶温度。

6. 基体、增强体和界面在复合材料中各起什么作用？
答：基体：1）固定和粘附增强体2）保护增强体免受物理化学损伤3）隔离和阻断损伤。
增强体：1）承担载荷；2）阻碍基体变形。
界面：协调变形

二、作图计算题（每题10分，共40分）
1. 请分别计算简单立方晶体与面心立方晶体（100）、（110）和（111）晶面的间距。
晶面
（100）
（110）
（111）
简单立方
（1分）
（2分）
（2分）
面心立方
（1分）
（2分）
（2分）

2. 已知某晶体在500℃时，每1010个原子中可以形成有1个空位，请问该晶体的空位形成能是多少？（已知该晶体的常数A＝0.0539，波耳滋曼常数K＝1.381×10-23 J / K）
答：

3. 请判定在fcc中下列位错反应能否进行：
答：几何条件：

能量条件：

满足几何条件和能量条件，反应可以进行。

4. 已知三元简单共晶的投影图，见附图，
1) 请画出DF代表的垂直截面图及各区的相组成；
2) 请画出X合金平衡冷却时的冷区曲线，及各阶段相变反应。
答：
e

A

B

C

X

F

D

L

L→C

L→B+C

L→A+B+C

A+B+C

L

L+C

L+A+C

L+B+C

A+B+C

D

F

三、综合分析题
1. 如附图二所示，请分析：（22分）
1) 两水平线的反应类型，并写出反应式；
2) 分析Ab、bg′、g′d、d′、 d′h′、 h′e、eB七个区域室温下的组织组成物（ j点成分小于g点成分）；
3) 分析I、II合金的平衡冷却过程，并注明主要的相变反应；
4) 写出合金I平衡冷却到室温后相组成物相对含量的表达式及合金II平衡冷却到室温后组织组成物相对含量的表达式。
t/℃

k n j

g i d h

A b c1 g’ c2 d’ h’ e B

δ

α

β

I

II

答：
1） 水平线kj为包晶反应：

水平线gh为共晶反应：

2） Ab： α
bg′： α+βII
g′d： α+(α+β)共+βII
d’： (α+β)共
d′h′： β+(α+β)共+αII
h′e： β+αII
eB： β
3） 合金I 合金II
L

L→δ

L→α

α

L+δ→α

L

L→α

α→βII

L→α+β

α→βII

4） 合金I相组成：
合金II组织组成：

2. 请对比分析回复、再结晶、正常长大、异常长大的驱动力及力学性能变化。（8分）
答：

回复
再结晶
正常长大
异常长大
驱动力
存储能
（主要是点阵畸变能）
存储能
（主要是点阵畸变能）
总界面能
总界面能和表面能
力学性能变化
基本保持变形后性能
恢复到冷变形前的水平
基本保持再结晶后的水平
性能恶化
强度、塑性下降

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一、简答题（每题5分，共30分）
1． 何为空间点阵？它与晶体结构有何异、同？
答：空间点阵是对晶体结构按照一定法则进行的高度数学抽象；晶体结构是对晶体的直观表示。点阵只有七大类，14种，晶体结构有无限多种。

2． 请简述晶界有哪些特征？
答：晶界有自发变直的趋势；晶界引起晶体强度升高；晶界扩散比晶体内扩散速度快；晶界容易收到腐蚀；晶界容易吸附溶质原子和杂质；晶界是相变首先发生的地方。

3． 何为固溶强化？置换固溶体与间隙固溶体相比,哪个的固溶强化效果强？请简述影响固溶度的因素。
答：溶质原子溶入晶格中，阻碍位错运动，引起强度升高，塑性下降的现象。晶体结构类型、原子尺寸差、电负性差异、电子浓度都会影响固溶度。

4． 请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。
答：热力学条件；结构条件；能量条件；成分条件。

5． 什么是反应扩散？请简述其特点。
答：扩散时，元素超过最大固溶度因而形成新相的扩散。。反应快速分为有扩散无反应层和有反应层；两层之间有明确的界面；反应扩散速度取决于扩散速度和反应速度。

6． 简述在什么情况下会发生单滑移、多滑移和交滑移，它们的滑移线形貌特征是什么。
答：变形量小或滑移系少的时候发生单滑移；变形量大或滑移系多时多个滑移系同时或交替开动称为多滑移；当螺位错为了避开障碍物改变滑移面时称为交滑移。单滑移滑移线为平行直线；多滑移为交叉的两组平行直线；交滑移为波纹线

二、作图计算题（每题10分，共40分）
1． 请计算简单立方和体心立方晶体的（100）、（110）和（111）晶面的面间距（假设两种点阵的点阵常数都是a）。
答：

（100）
（110）
（111）
简单立方
（1分）
（1分）
（2分）
体心立方
a（2分）
（2分）
（2分）

2． 在面心立方晶体中，分别画出、和、，指出哪些是滑移面、滑移方向，并就图中情况分析它们能否构成滑移系？若外力方向为<001>，请问哪些滑移系可以开动？
不能构成滑移系

能构成滑移系
不能开动

能构成滑移系
能开动

3． 请判定下列反应能否进行，若能够进行，则在简单立方晶胞内绘出参加反应位错的柏氏矢量。
（1）
几何条件： ，满足几何条件
能量条件：

不满足能量条件，反应不能进行。

（2）
几何条件：，满足几何条件
能量条件：

满足能量条件，反应可以进行。

4． 已知三元简单共晶的投影图，见附图，
3) 请画出AD代表的垂直截面图及各区的相组成；
4) 请画出X合金平衡冷却时的冷区曲线，及各阶段相变反应。

e

A

B

C

X

D

L

L+A

L+C

L+A+C

L+B+C

A+B+C

L Û A

L

A + B + C

L Û A+C

L Û A+B+C

三、综合分析题（每题15分，共30分）
1． 已知Mg-Ni合金系中一个共晶反应：
L23.5%NiÛa纯Mg+Mg2Ni54.6%Ni
设有C1和C2两种合金，C1为亚共晶，C2为过共晶。这两种合金的初生相质量分数相等，但室温时C1中a(即Mg)的总量是C2中a总量的2.5倍，请确定C1和C2的成分。
答：1）见习题集，图略
2）

x1=12.7%, x2=37.8%

2. 某工厂对一大型零件进行淬火处理，经过1100℃加热后，用冷拉钢丝绳吊挂，由起重吊车送往淬火水槽，行至途中钢丝突然发生断裂。该钢丝是新的，且没有瑕疵，是分析该钢丝绳断裂的原因。
答：冷拉钢丝处于加工硬化状态，强度高。在1100℃加热后，发生再结晶，强度下降。出炉时，钢丝承担不了工件的重量发生断裂，并非因钢丝瑕疵导致断裂。

综合模拟测试 参考答案

一、简答题（每题5分，共30分）
1. 固溶体晶粒内存在偏析，主轴与枝间成分不同，整个晶粒还是不是一个相？
答：仍然是一个相，因为固溶体可以有相应的成分变化范围。

2. 固体中常见的有哪些相结构？
答：固溶体中常见的相结构有固溶体，化合物，非晶相，分子相。

3. 何谓平衡结晶？何谓非平衡结晶？
答：平衡结晶是指结晶速度非常缓慢，液相和固相中扩散均很充分的情况下的结晶。非平衡结晶是指结晶速度比较快，扩散不充分的情况下的结晶。

4. 扩散第一定律的应用条件是什么？对于浓度梯度随时间变化的情况，能否应用扩散第一定律？
答：扩散第一定律的应用条件是稳态扩散，即与时间无关的扩散。对于非稳态扩散的情况也可以应用扩散第一定律，但必须对其进行修正。

5. 按热力学分，固态相变有哪几类？分类依据是什么？铁碳合金中，Fe3CII的形成属于其中的哪一类？
答：按热力学分固态相变分为一级相变、二级相变和高级相变。Fe3CII的形成属于一级相变。

6. 复合材料按增强体形态可以分为哪几类？
答：可以分为连续纤维增强复合材料、短纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料。

二、作图计算题（每题8分，共40分）
1. 已知H原子半径r为0.0406nm，纯铝是fcc晶体，其原子半径R为0.143nm，请问H原子溶入Al时处于何种间隙位置？
答：fcc晶体的八面体间隙，四面体间隙。
根据题意知，因此H原子应处于八面体间隙。

2. 现有Zn在Cu中的稀固溶体，已知Zn的扩散系数在727℃时的扩散系数为3.67×10-11cm2/s，在327℃时为8.32×10-18cm2/s，请确定Zn在Cu中的扩散激活能。（R=8.314J/mol·K）
答：；

3. 一个fcc晶体在方向在2MPa正应力下屈服，已测得开动的滑移系是，请确定使该滑移系开动的分切应力τ。
答：

4. 对于Cu含量0.04的Al-Cu合金，经过80%冷变形后，分别在700K，350K保温1小时，请画出缓慢冷却到室温后的金相组织，并分析两组织出现差异的原因。
答：700K退火1小时后发生形成单一α相，冷却是脱溶出θ相。250K则仅发生回复，金相组织保持冷变形的组织形态。绘图略

5. 请根据附图作出简单三元共晶相图的垂直截面，并标明各个相区的相组成；绘出合金X的冷却曲线，并标明各阶段的相变反应或相组成
e

A

B

C

X

F

D

L

L→B

L→A+B

L→A+B+C

A+B+C

L

L+C

L+A+C

L+B+C

A+B+C

D

F

L+A

三、综合分析题（每题15分，共30分）
1. 若需要对纯铝试样进行强化，可以采用什么强化手段？通过何种手段实现？
答：细晶强化，可以通过快速结晶或变形再结晶实现；
加工硬化，经适当的冷塑性变形后可以提高强度。

2. 图示Cu-Cd二元相图全图及其400℃～600℃范围的局部放大：
1） 请根据相图写出549℃、547℃、544℃、397℃和314℃五条水平线的三相平衡反应类型及其反应式；
2） 已知β相成分为wcd =46.5％，400℃时γ相的成分为wcd =57％，请计算400℃时wCd＝50％合金的相组成。
℃

℃

℃

℃

℃

℃

答：
1）549℃：包晶反应，（Cu）+ L→β
547℃：包晶反应，β + L→γ
544℃：共晶反应，L→ γ + δ
397℃：包晶反应，δ + L→ ε
314℃：共晶反应，L→ ε +（Cd）

2）

或

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一、简答题（每题5分，共30分）
7. 什么是柏氏矢量？它有哪些特征？
答：柏氏矢量是描述晶体中位错性质及其引起畸变方向、程度的一种数学方法。 它具有唯一性、同一性和可加性。

8. 固溶体的固溶度受哪些因素的影响？
答：原子尺寸、晶体结构、电负性、电子浓度。

9. 请总结并简要回答二元合金平衡结晶过程中，单相区、双相区和三相区各相成分的变化规律。
答：单相区：相成分为合金平均成分，不随温度变化；
双相区：两相成分分别位于该相区的边界，并随温度沿相区边界变化；
三相区：三相具有确定成分，且不随结晶过程变化。

10. 什么是上坡扩散？哪些情况下会发生上坡扩散？
答：由低浓度处向高浓度处扩散的现象称为上坡扩散。 应力场作用、电场磁场作用、晶界内吸附作用和调幅分解反应等情况下可能发生上坡扩散。

11. 何为固溶强化？请简述其强化机制。
答：固溶强化就是溶质原子通过某种方式阻碍位错运动，从而使合金强度提高的现象。其主要机制包括：（1）柯氏气团，即溶质原子与基体原子尺寸不同，产生的弹性应力场对位错运动产生阻碍；（2）玲木气团，即溶质原子降低了基体的层错能，使位错分解称为扩展位错，阻碍位错运动；（3）电交互作用，即溶质原子为带电粒子，与位错形成静电作用力，阻碍位错运动。

12. 室温下对某种金属材料进行塑性变形，能发生动态再结晶吗？为什么？
答：可能。若再结晶温度低于室温，则室温下的变形属于热变形，就可能发生动态再结晶。

二、作图计算题（每题8分，共40分）
6. 请比较FCC晶体中和两位错的畸变能哪个较大。
答：

故：b1能量较低。

7. 面心立方晶体沿[001]方向拉伸，可能有几个滑移系开动？请写出各滑移系指数，并分别绘图示之。
答：可能开动的有8个。分别是：

、 、

、 、

8. 假设某合金平衡结晶时形成的临界晶核为边长为a的立方体。已知该合金体系液固界面能为σ，单位体积自由能差为ΔGB。请推导均匀形核时临界晶核边长a*和临界形核功ΔG*的表达式。

答：ΔG = a3ΔGB + 6a2σ

9. 500℃时，Al在Cu中的扩散系数为2.6×10-17 m2/s；1000℃时则为1.6×10-12 m2/s。计算该扩散偶的D0和扩散激活能Q。（R=8.314J/mol·K）
答：

Q=180435.396 J/mol =3×10-19 J/atom
D0=4.056×10-5 m2/s

10. 请根据附图作出简单三元共晶相图中AF所代表的垂直截面，并标明各个相区的相组成；绘出合金X的冷却曲线，并标明各阶段的相变反应或相组成
e

A

B

C

X

F

L

L→B

L→A+B

L→A+B+C

A+B+C

L

L+C

L+A+C

L+B+C

A+B+C

A

F

L+A

三、综合分析题（每题15分，共30分）
3. 请分析回复、再结晶、正常长大、二次再结晶的热力学驱动力和动力学特征。
答：

热力学驱动力
动力学特征
回复
存储能（点阵畸变能）
驰豫过程
再结晶
存储能（点阵畸变能）
形核长大
正常长大
总界面能
长大
二次再结晶
总界面能＋总表面能
长大

4. Al-Cu相图的局部如附图所示，请分析并回答：
3） 分析5.6%Cu合金和5.8%Cu合金在平衡结晶和快速冷却不平衡结晶时，室温下的组织特征。
4） 已知Al为FCC结构，请问图中的a相是什么晶体结构？为什么？
5） 请计算亚共晶合金在共晶反应前一刻的平衡分配系数。
6） 设X合金平衡结晶完成时的组织为a初+(a+θ)共，其中a初占80%。请问，该合金刚刚凝固完毕时θ相的含量有多少。

答：
1） 5.6%Cu合金平衡结晶至室温组织为a初+θII ，快速冷却至室温将还出现少量非平衡共晶组织 ；
5.8%Cu合金平衡结晶组织为a初+(a+θ)共+θII ，快冷组织会出现离异共晶 。
2） a相仍然是FCC结构 。a相为固溶体，保持Al的晶体结构。
3）
4）
X=11.2%Cu

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一、简答题（每题6分，共30分）
13. 请简述工程材料的分类。
答：金属材料，陶瓷材料，高分子材料，复合材料。

14. 请简述滑移和孪生变形的特点？
答：
滑移变形特点：
1）平移滑动：相对滑动的两部分位向关系不变
2）滑移线与应力轴呈一定角度
3）滑移不均匀性：滑移集中在某些晶面上
4）滑移线先于滑移带出现：由滑移线构成滑移带
5）特定晶面，特定晶向
孪生变形特点：
1) 部分晶体发生均匀切变
2) 变形与未变形部分呈镜面对称关系，晶体位向发生变化
3) 临界切分应力大
4) 孪生对塑变贡献小于滑移
5) 产生表面浮凸

15. 若将一位错线的正方向定义为原来的反向，此位错的柏氏矢量是否改变？位错的类型是否改变？
答：柏氏矢量反向。位错类型不变，符号改变。

16. 动态再结晶与静态再结晶后的组织有何差别？力学性能有何差别？
答：动态再结晶后获得中心有畸变的等轴晶，晶粒内部有被缠结位错分割的亚晶。静态再结晶后获得低位错密度的等轴晶。一般，动态再结晶后的强度、硬度比静态再结晶的高。

17. 请简述金属间化合物的一般特性。
答：金属间化合物种类繁多，机构复杂，一般具有极高的硬度，较高的熔点，塑形差。往往具有特殊的物理化学性质。

二、作图计算题（每题10分，共40分）
11. 设有一条内径为30mm的厚壁管道，被壁厚0.1mm的铁膜隔开。由管子一端通入氮气，保持铁膜一侧活性氮原子浓度为1200 mol/m3，另一侧为100 mol/m3。如果在700℃下测得通过管道的氮气流量为2.8×10-4 mol/s，求此时氮原子在铁中的扩散系数。
答：满足扩散第一定律应用条件，得：
活性氮原子通量为：
铁膜中活性氮原子浓度梯度为：
由扩散第一定律：

12. 请在立方晶胞中绘出和两晶面，并计算其夹角。
答：

α=19.1°

13. 请分别绘出室温下，共析钢、过共晶白口铸铁平衡组织；Al-5.0wt%Cu合金平衡组织；Al-13%Si合金平衡组织。
答：略

14. 已知简单三元共晶的投影图，且A-B共晶温度最高，B-C共晶温度稍低，A-C共晶温度最低。请绘出介于B-C和A-C共晶温度之间的等温截面，以及AE垂直截面图，并标注各区域的相组成。
e

A

B

C

E

答：
A

B

C

L

L+A+B

L+A

L+B

L+B+C

L+C

E

A

L

L+A

L+C

L+B+C

A+B+C

L+A+C

三、综合分析题（每题15分，共30分）
1. 请以层片状共晶组织为例，论述二元共晶时如何满足成分条件。
答：首先通过成分起伏获得某一组元的富集并形成共晶中的某一相（领先相），此时会在其周围形成另一组元的富集，比较容易满足另一相的形成条件，从而形成共晶中的另一相。如此反复，满足成分条件，交替形核，而形成共晶。
形核后，两相与液相的界面处均会形成溶质原子的富集，溶质原子通过横向扩散，满足两相生长所需的成分条件，实现液固界面的推进。

2. 根据Al-Zr二元相图回答：
1) 写出1490℃、1250℃、975℃、940℃的相变反应，并判断反应类型。
2) 画出x＝50.0％合金平衡结晶的冷却曲线，并标明各阶段的相变反应。
3) 计算x＝30.0％合金平衡结晶到室温下的相组成。
答：
1) 1490℃：L → Al3Zr + Al2Zr 共晶反应
1250℃：Al3Zr4 + Al3Zr2 → AlZr 包析反应
975℃：β-Zr + AlZr2 → AlZr3 包析反应
940℃：β-Zr + AlZr3 → α-Zr 包析反应
2)
L

L→Al3Zr2

Al3Zr2 + Al3Zr4

Al3Zr4 + Al3Zr2 → AlZr

AlZr

L → Al3Zr2 + Al3Zr4

3) x＝30.0％合金室温下相组成为：
AlZr3 ＋ AlZr2
AlZr3中含Al＝25％，AlZr2中含Al＝33.3％

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一 简答题（每题6分，共30分）
1. 请简述刃型位错、螺型位错的主要特征
答：刃型位错：
² 晶体中有一个额外原子面，形如刀刃插入晶体
² 刃型位错周围的点阵发生了弹性畸变
² 位错线可以是折线或曲线, 但位错线必与滑移（矢量）方向垂直
² 只有一个确定的滑移面
² 位错线的移动方向与晶体滑移方向平行（一致）
² 位错线与柏氏矢量垂直
螺型位错：
Ø 上下两层原子发生错排，错排区原子依次连接呈螺旋状
Ø 位错线周围点阵产生了弹性畸变；
Ø 螺型位错与晶体滑移方向平行，故位错线一定是直 线
Ø 螺型位错的滑移面是不确定的，凡是包含螺型位错的平面均可作为它的滑移面；
Ø 位错线的移动方向与晶体滑移方向相互垂直。
Ø 位错线与柏氏矢量平行

2. 相互垂直的位错运动后发生交割，原位错可能会发生什么变化？在后续的位错运动中可能会有什么影响？
答：交割后在原位错线上留下对方柏氏矢量大小、方向的扭转或割接，但是该位错线仍是原柏氏矢量。所有的割阶都是刃型位错，而扭折可以是刃位错也可以是螺位错在后续位错运动中，由于：扭折与原位错同一滑移面，可随主位错线一起运动，几乎不产生阻力，并在线张力的作用下易消失割阶与原位错线不在同一滑移面，故除非割阶产生攀移，否则割阶就不能跟随主滑移线一起运动，成为位错运动的障碍，称为割阶硬化

3. 什么是离异共晶？如何发生的？
答：在共晶水平线的两个端部附近，由于共晶量少，领先相相依附在初生相上，另一相独立存在于晶界，在组织学上失去共晶体特点，称为离异共晶。有时，也将端部以外附近的合金，在非平衡凝固时得到的少量共晶，称为离异共晶。

4. 简述平衡结晶与非平衡结晶的不同之处。
答：平衡结晶是指结晶速度非常缓慢，液相和固相中扩散均很充分的情况下的结晶。非平衡结晶是指结晶速度比较快，扩散不充分的情况下的结晶。

5. 形成无限固溶体的条件是什么？简述原因。
答：形成固溶体时，溶质原子的溶入会使溶剂结构产生点阵畸变，使体系自由能升高。间隙固溶体中溶质原子溶入溶剂间隙中引起的点阵畸变较大，故不能形成无限互溶；置换固溶体中溶质原子取代了溶剂原子的位置，晶格畸变较小。当溶质、溶剂尺寸相差越小，晶格畸变越小，能量越低，溶解度越大；两组元具有相同的晶体结构可形成无限互溶。

6. 在固态下晶体的线缺陷对溶质原子的扩散有何影响？
答：①Ｑ↓——Ｄ↑——管道机制　　　　　②Ｑ↑——Ｄ↓——陷阱机制

二 作图计算题（共30分）
1、根据Fe-Fe3C相图画出含碳0.65％的铁碳合金的冷却曲线。指出平衡冷却，室温下相组成物、组织组成物是什么？并计算其相对含量。（12分）
参考答案：

L → g

g

g → a

a → Fe3CIII

g →(a＋Fe3C）共析

相组成： a + Fe3C
组织组成：F + P + Fe3CIII（少量、忽略）
室温下，相的相对含量：

室温下，组织相对含量：

忽略

2、在A滑移面上有一环形位错，所受切应力如图所示，试分析在平面位错环上各段属于哪种类型的位错？作图表示位错运动的方向？（俯视观看）（8分）
答：
Ａ

b

b

正刃

负刃

右螺

左螺

位错运动方向

3、下图为Cu-Zn相图，图中有多少三相平衡，写出它们的反应式。（8分）
答：
⑴包晶反应　α+ L→β;　　
⑵包晶反应　β+ L→γ;　　
⑶包晶反应　γ+ L→δ;　　
⑷包晶反应　δ+ L→ε;　　
⑸包晶反应　ε+ L→η;　　
⑹共析反应　δ→r +ε;　　

4、已知单晶铜的｛111｝滑移系的临界分切应力τk为1MPa，请问：
①要使面上产生方向的滑移，则在方向上应施加多大的应力？
②假设在单晶铜中只开动滑移系，那么随着滑移的进行，拉伸试样中面会产生什么现象？它对随后的进一步变形有何影响？（10分）
答：
（1）
滑移面的法线方向和拉力轴 的夹角

与拉力轴的夹角

需要施加的力
（2）（111）面会发生转动。晶面转动使晶体位相发生改变，使滑移面和滑移方向逐渐趋于平行拉伸轴线方向，从而使后续塑性变形所需外力进一步增大。

三 综合题（每题15分，共30分）
1、为了细化纯铝板晶粒，采用冷变性的方法将其变形3％～5％，之后采用620℃退火1ｈ，组织反而粗化，增大冷变形至80％以上，再于620℃退火1ｈ，组织仍然粗大。分析其原因，指出上述工艺不合理之处并拟定一种合理的晶粒细化工艺。（Ｔ再＝0.4Ｔ溶 纯铝熔点为660℃ ）
答：前一种为临界变形度下变形，高温退火再结晶驱动力小，形核少，晶粒粗大；后种工艺，在大变形下，根据Ｔ再＝0.4Ｔ溶 计算，T再≈100℃，故再结晶温度不得大于200℃为宜，由于采用了620℃高温退火，晶粒异常长大（二次再结晶），造成晶粒粗大。正确工艺：＞70%以上冷变形，之后150℃退火1h

2、简述60#钢（含碳0.6%）平衡结晶（假设为均匀形核）需要满足的条件
答：
体积自由能变化DGv < 0

结构条件：

能量条件：

驱动力

晶核

形核功

能量起伏

来自

要求

要求

结构起伏

热力学条件：

过冷度△T＞0

需要

形成晶胚

晶胚能否形成稳定晶核

成分条件：

选分结晶

液固相成分不同

存在

溶质原子再分配

一、简答题（每题5分，共30分）
1．何为空间点阵？它与晶体结构有何异、同？
2．请简述晶界有哪些特征？
3．何为固溶强化？置换固溶体与间隙固溶体相比,哪个的固溶强化效果强？请简述影响固溶度的因素。
4．请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。
5．什么是反应扩散？请简述其特点。
6．简述在什么情况下会发生单滑移、多滑移和交滑移，它们的滑移线形貌特征是什么。
二、作图计算题（每题10分，共40分）
1． 请计算简单立方和体心立方晶体的（100）、（110）和（111）晶面的面间距（假设两种点阵的点阵常数都是a）。
2． 在面心立方晶体中，分别画出 、和、，指出哪些是滑移面、滑移方向，并就图中情况分析它们能否构成滑移系？若外力方向为<001>，请问哪些滑移系可以开动？
3． 请判定下列反应能否进行，若能够进行，则在简单立方晶胞内绘出参加反应位错的柏氏矢量。
1)
2)
4． 已知三元简单共晶的投影图，见附图，
1) 请画出AD代表的垂直截面图及各区的相组成；
2) 请画出X合金平衡冷却时的冷区曲线，及各阶段相变反应。
e

A

B

C

X

D

三、综合分析题（每题15分，共30分）
1．已知Mg-Ni合金系中一个共晶反应：
L23.5%NiÛa纯Mg+Mg2Ni54.6%Ni
设有C1和C2两种合金，C1为亚共晶，C2为过共晶。这两种合金的初生相质量分数相等，但室温时C1中a(即Mg)的总量是C2中a总量的2.5倍，请确定C1和C2的成分。
2. 某工厂对一大型零件进行淬火处理，经过1100℃加热后，用冷拉钢丝绳吊挂，由起重吊车送往淬火水槽，行至途中钢丝突然发生断裂。该钢丝是新的，且没有瑕疵，是分析该钢丝绳断裂的原因。

一、简答题（每题6分，共30分）
1．工程材料分为哪几类？它们的结合键如何？
2．根据凝固理论，请分析细化铸锭晶粒的途径及原理
3．固溶体非平衡凝固时，形成微观偏析和宏观偏析的原因有何区别？
4．请为置换固溶体、间隙固溶体、间隙化合物、正常价化合物、电子化合物和间隙化合物各举一具体例子。
5．为什么细晶强化可以同时提高合金强度、硬度、塑性和韧性？
二、作图计算题（每题10分，共40分）
1． 钛的晶胞（密排六方）体积在20℃时为0.106nm3，其c/a＝1.59，求：
（1）c、a的值；
（2）钛原子半径。
2． 已知钼为体心立方结构，请回答：
（1） 画出其晶胞示意图；
（2） 在图中画出一个可能的滑移系，并标明滑移面和滑移方向的指数。
3． 一碳钢在平衡冷却条件下，室温组织为珠光体＋二次渗碳体，其中珠光体含量为90%。请确定该碳钢的含碳量，并画出组织示意图。
4． 假设某面心立方晶体可以开动的滑移系为，请回答：
（1） 给出滑移位错的单位位错柏氏矢量；
（2） 若滑移位错为纯刃位错，请指出其位错线方向；若滑移位错为纯螺位错，其位错线方向又如何？
三、综合分析题（每题15分，共30分）
1．根据下列已知条件绘出A-B二元共晶相图：
i. tA > tB（tA 、tB为A、B的熔点）；
ii. 共晶反应为；
iii. B在A中的固溶度随温度的下降而减小，室温时为wB＝0.03；A在B中的固溶度不随温度变化，
并请回答：
（1）分析wB=0.85的合金平衡结晶过程；
（2）计算该合金室温下的相组成物及组织组成物。（忽略二次相）
8. 一楔型纯铜铸锭，经间距恒定的轧辊轧制（如图）；
（1） 请画出轧制后，锭子的晶粒示意图。
（2） 画出将该锭子进行再结晶退火后，晶粒示意图。并分析原因。

一、简答题（每题6分，共30分）
1．原子的结合键有哪几种？各有什么特点？
离子键：正负离子相互吸引；键合很强，无方向性；熔点、硬度高，固态不导电，导热性差。
共价键：相邻原子通过共用电子对结合；键合强，有方向性；熔点、硬度高，不导电，导热性有好有差。
金属键：金属正离子于自由电子相互吸引；键合较强，无方向性；熔点、硬度有高有低，导热导电性好。
分子键：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。
氢 键：类似分子键，但氢原子起关键作用XH-Y；键合弱，有方向性；熔点、硬度低，不导电，导热性好。
2．面心立方晶体和体心立方晶体的晶胞原子数、配位数和致密度各是多少？

晶胞原子数
配位数
致密度
面心立方
4
12
74%
体心立方
2
8
68%
3．立方晶系中，若位错线方向为[001]，，试说明该位错属于什么类型。
因位错线方向垂直于柏氏矢量，所以是刃位错。
4．请说明间隙化合物与间隙固溶体的异同。
相同点：小原子溶入
不同点：若小原子溶入后，大小原子数量成比例，在选取点阵时，大小原子点阵可以合并，这实际上改变了大原子的点阵结构，因此认为形成新相，称为间隙相（间隙化合物）。
若小原子溶入后，分布随机，大小原子点阵不能合并，仍然保留大原子点阵，称为间隙固溶体。
5．试从扩散系数公式说明影响扩散的因素。
从公式表达形式可以看出扩散系数与扩散激活能Q和温度T有关。扩散激活能越低扩散系数越大，因此激活能低的扩散方式的扩散系数较大，如晶界和位错处的扩散系数较大。温度越高，原子活性越大，扩散系数越大。
6．何为过冷度？它对形核率有什么影响？
过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度的差值。
随过冷度增大，形核率先增后减。
二、作图计算题（每题10分，共40分）
1. 在面心立方晶体中，分别画出(101)、[110]和、[，指出哪些是滑移面、滑移方向，并就图中情况分析它们能否构成滑移系？
(101)

[110]

对面心立方晶体，(101)非密排面，因此它不是滑移面；[110]是密排方向，因此是滑移方向。但这二者不能构成滑移系。
和[是密排面和密排方向，因此可以构成滑移系。
2. 已知Al为面心立方晶体，原子半径为rA。若在Al晶体的八面体间隙中能溶入最大的小原子半径为rB，请计算rB与rA的比值是多少。

3. A-B二元合金中具有共晶反应如下：若共晶反应刚结束时，α和β相的相对含量各占50%，试求该合金的成分。
设合金成分为c％，由题知：

得：c %＝0.55%
4. 已知铜的临界切分应力为1Mpa，问要使面上产生[101]方向的滑移，应在[001]方向上施加多大的力？
对立方晶系，两晶向[h1k1l1]和[h2k2l2]夹角公式为：

故滑移面的法线与拉力轴方向[001]的夹角为：

同理，滑移方向[101]与拉力轴方向[001]的夹角为：
由分切应力公式得：

三、综合分析题（每题15分，共30分）
1．按下列条件绘出A-B二元相图：
1) A组元（熔点600℃）与B组元（熔点500℃）在液态时无限互溶；
2) 固态时，A在B中的最大固溶度为wA=0.30，室温时为wA=0.10；而B在固态下不溶于A；
3) 300℃时发生共晶反应。
在A-B二元相图中，分析wB=0.6的合金平衡凝固后，在室温下的相组成物及组织组成物，并计算各相组成物的相对含量。
A

B

相组成：A＋β
组织组成：A＋β＋AII

2．请绘出下列Fe-C合金极缓慢冷却到室温后的金相组织示意图，并标注各组织。（腐蚀剂均为3%硝酸酒精）
工业纯铁： F
20钢： F+P
45钢： F+P
T8钢： P
T12钢： P+Fe3C网状
亚共晶白口铸铁：P+Ld’

《材料科学基础》考试大纲

一、考试内容
工程材料中的原子排列
原子键合，工程材料种类；
原子的规则排列：晶体结构与空间点阵，晶向及晶面的特点及表示，金属的晶体结构，陶瓷的晶体结构。
原子的不规则排列：点、线、面缺陷的类型及特征，位错的弹性性质，实际晶体中的位错。

固体中的相结构
固溶体：分类、性能及影响固溶度的因素；
金属间化合物：分类、性能及特征；
陶瓷晶体相：分类、结构、性能及特征；
玻璃相：性能、特征及形成条件。

凝固与结晶
结晶的基本规律；
结晶的基本条件；
晶核的形成：形核能量变化，临界晶核，形核功，形核率；
晶体的长大：长大条件，液固界面结构，长大机制，温度梯度，晶体形态；
凝固理论的应用。

二