材料科学基础期末模拟试题集

模拟试题1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a（1分）22a（2分）33a（2分）面心立方2a（1分）42a（2分）33a（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＝1.381×10-23J/K）答：JAckTEkTEAcVV19201023109.18.1710068.10539.010ln)]273500(10381.1[ln)exp(3.请判定在fcc中下列位错反应能否进行：]111[3]211[6]110[2aaa答：几何条件：1113313131612162612121acbacbabb能量条件：332626622222222aaaaaa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：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。eABCXFDLL→CL→B+CL→A+B+CA+B+CLL+CL+A+CL+B+CA+B+CDF答：1）水平线kj为包晶反应：nkjL水平线gh为共晶反应：hgdL2）Ab：αbg′：α+βIIg′d：α+(α+β)共+βIId’：(α+β)共d′h′：β+(α+β)共+αIIh′e：β+αIIeB：β3）合金I合金II4）合金I相组成：%100%10011bebcwbeecw；LL→δL→ααL+δ→αLL→αα→βIIL→α+βα→βIIt/℃knjgidhAbc1g’c2d’h’eBδαβIII合金II组织组成：IIIIwgdidwbegbgdidwgdigw%100%100%100IIII)(析出量＝共晶前析出量；析出比例＝共晶前析出量；初初初共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、塑性下降模拟试题2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a（1分）a22（1分）a23（2分）体心立方2aa（2分）a22（2分）a63（2分）2．在面心立方晶体中，分别画出]110[)101(、、]101[)111(、和、]110[)111(、，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）]001[]111[2]111[2aaa几何条件：]001[]002[2]111[2]111[2aaaa，满足几何条件能量条件：222222322222222222211004311121)1()1(2aabaaabb不满足能量条件，反应不能进行。（2）]211[6]112[6]110[2aaa几何条件：]110[2]330[6]211[6]112[6aaaa，满足几何条件能量条件：366661126)1(216222011222222222222232222222221aaaaabbaaab]110[)101(、不能构成滑移系]101[)111(、能构成滑移系不能开动]110[)111(、能构成滑移系能开动满足能量条件，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。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%Ni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(即Mg)的总量是C2中总量的2.5倍，请确定C1和C2的成分。答：1）见习题集，图略LL+AL+CL+A+CL+B+CA+B+CLALA+B+CLA+CLA+B+CeABCXD2）6.546.545.26.546.545.236.545.235.235.232121xxxxx1=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。模拟试题3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414.0Rr，四面体间隙225.0Rr。根据题意知284.0143.00406.0AlHRr，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：10211-727exp/scm103.67RTQDD＝℃；20218-327exp/scm1032.8RTQDD＝℃molJTTDDRQTTRQDD/190800600/11000/111032.81067.3ln314.8/1/11ln11ln18112127372721273727℃℃℃℃解得：3.一个fcc晶体在]231[方向在2MPa正应力下屈服，已测得开动的滑移系是]011)[111(，请确定使该滑移系开动的分切应力τ。答：617.0314321]111[]231[]111[]231[cos756.0214301]011][231[]011][231[cosMPa933.0756.0617.02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。