中南大学材料科学基础试卷

中南大学考试试卷答案2012——2013学年第二学期时间110分钟材料科学与工程课程64学时4学分考试形式：闭卷专业年级材料2000级总分100分，占总评成绩70%一、填空1、[110]；(111)；ABCABC……..；0.74；12；4；ar422、异类原子之间相互吸引力大于同类原子之间吸引力；一定的化学成分；较慢的冷却速度3、升高；降低；降低4、2.11％C；2.11％C；铁素体和渗碳体（α和Fe3C）；fcc；2.11％；0.77％；4.3％；铁素体珠光体；珠光体和Fe3CII；液相；先共晶奥氏体；铁素体；6.69％5、（101）；]111[6、20%A-40%B-40%C二、名词解释（6X5=30分）1.晶带和晶带轴2.柱状晶和等轴晶3.包析反应和共析反应4.割阶和扭折5.冷加工与热加工1.晶带和晶带轴：许多平行于同一晶向的不同的晶面组的总称为晶带，而与这些晶面组平行的晶向称为晶带轴；2.柱状晶和等轴晶：金属晶体结晶过程中沿着散热方向优先生长形成的长条形晶粒称为柱状晶，而如果晶粒长大时没有择优方向，向各个方向长大速度基本相等所得到的晶粒称为等轴晶；3.包析反应和共析反应：由两个固相反应得到一个固相的过程为包析反应，而由一个固相分解得到其它两个固相的反应为共析反应4.割阶和扭折：位错运动过程中与其它位错交截后形成一定的位错交截折线，若交截后的位错折线在原来位错的滑移面上，此位错折线称为扭折，若交截后的位错折线垂直于原来位错的滑移面，此位错折线称为割阶；5.冷加工与热加工：通常根据金属材料的再结晶温度来加以区分，在再结晶温度以上的加工称为热加工，低于再结晶温度又是室温下的加工称为冷加工。三、（10分）试根据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点。根据冷却速度对金属组织的影响，现要获得非晶，亚稳相，请指出其凝固时如何控制。试说明在正温度梯度下为什么固溶体合金凝固时可以呈树枝状方式成长，而纯金属则得不到树枝状晶。通常铸锭组织的特点为外层的细等轴晶，铸锭表面向里有柱状晶，心部为粗大等轴晶；要获得非晶可以以极快速度将金属液体冷却，要获得亚稳相也必须使冷却速度远远超过平衡冷却速度；由于溶质原子再分配造成成分过冷使固溶体合金正温度梯度下凝固时也可以呈树枝状方式成长，而纯金属则需要在负温度梯度下才能得到树枝状晶。四、（20分）如图3的二元合金相图，（1）分析5.6%Cu合金和5.7%Cu合金在平衡结晶和快速冷却不平衡结晶时室温组织特点；（2）Al为fcc结构，图中的相为何种晶体结构？（3）指出此二元系中比较适合做变形合金何铸造合金的成分范围。（4）计算出亚共晶合金在温度为TE（共晶反应前）时的平衡分配系数。（5）设X合金平衡凝固完毕时的组织为初晶+(+θ)共晶，其中初晶占80%，则此合金中刚凝固完毕时θ组元的含量是多少？（6）绘出T=560℃温度时各相的自由能-成分曲线示意图。（1）5.6%Cu合金在平衡结晶时室温组织为，快速冷却不平衡结晶时室温组织还出现少量非平衡共晶组织（α＋θ）共晶；5.7%Cu合金在平衡结晶时室温组织为α＋θⅡ＋（α＋θ）共晶，快速冷却不平衡结晶时室温组织出现离异共晶；（2）fcc结构；（3）Cu含量少于5.65％的合金；（4）k0＝0.17（5）9.7％（6）T=560℃温度时各相的自由能-成分曲线示意图如图。五、（10分）图4为Fe-W-C三元系的液相面投影图。写出1700℃，1200℃，1085℃的四相平衡反应式。选择一个合金成分其组织在刚凝固完毕时只有三元共晶。图3e1p2e1p2各四相平衡反应式分别为，1700℃：L＋WC＋W→η，1200℃：L＋η→WC＋γ，1085℃：L→γ＋WC＋γ；Ⅰ合金成分其组织在刚凝固完毕时只有三元共晶。六、（10分）图5所示低碳钢的三条拉伸曲线，A、塑性变形；B、去载后立即再行加载；C、去载后时效后再加载。试回答下列问题：1解释图示三曲线的屈服现象及B，C中屈服点上升的原因。2屈服现象对冲压制件表面质量有何不利影响。1.由于柯垂耳气团的影响2.屈服现象使得冲压制件表面不平整。七、（10分）户外用的架空铜导线（要求一定的强度）和户内电灯用花线，在加工之后可否采用相同的最终热处理工艺？为什么？不能采用相同的最终热处理工艺，户外用的架空铜导线一般用回复退火，户内电灯用花线采用再结晶退火。八、（10分）如何提高固溶体合金的强度固溶强化，加工硬化，细晶强化，沉淀强化九、（10分）试说明晶界对材料性能及变形的影响。晶界影响到材料的各个方面，具有晶界能，影响到多晶材料中的第二相的形状，晶界可以运动，有晶界偏聚，晶界电荷变化，承担载荷传递作用，晶界熔点低，易过烧，晶界是易扩散通道，晶界处易形核，晶界易受腐蚀；晶界对金属材料在常温下强化，高温下弱化十、（10分）简单说明原子扩散对材料的影响；举两个实例说明金属中的上坡扩散现象。原子扩散对材料的影响如铸中晶粒形核和长大、晶界运动、氧化…….等许多过程均牵涉到原子扩散；金属中的上坡扩散实例如柯垂耳气团的形成，调幅分解过程等。十一、（15分）工业纯铜的熔点为1083，在剧烈冷变形后的工业纯铜板上取三个试样，第一个试样加热到200，第二个试样加热到500，第三个试样加热到800，各保温一小时，然后空冷。试画出各试样热处理后的显微组织示意图，说明它们在强度和塑性方面的区别及原因。试样热处理后的显微组织示意图（略，分别为纤维组织，再结晶组织和晶粒长大组织）；200加热试样强度高，塑性低，500加热试样强度低，塑性好，800加热试样强度更低。图4图5中南大学考试试卷答案2003——2004学年第二学期时间110分钟材料科学与工程课程64学时4学分考试形式：闭卷专业年级材料2001级总分100分，占总评成绩70%1.名词解释（3分/个＝18分）变温截面：三元相图中垂直成分三角形的截面；过冷度：ΔT指Tm与Tn的差值二维平面长大；偏析反应：+称为包析反应；固溶体：一个固体组元（溶质）溶解在另外一个组元（溶剂）晶格中，保持溶剂晶格特点的物质；成分过冷：合金凝固中由于溶质原子再分配形成的过冷；形核功：金属凝固过程中形成晶核需要的额外能量。2.写出固溶体的分类（10分）：置换、间隙固溶体；有限、无限固溶体；有序、无序固溶体；一次、二次固溶体；3.试根据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点及成因。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。4.根据铁碳亚稳平衡相图回答下列问题：解答：Fe-Fe3C亚稳平衡相图如图。图Fe-Fe3C亚稳平衡相图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）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；3）凝固过程：935℃：L—γ，γ—Fe3CⅡ，γ—F＋Fe3CⅡ（P）室温下相组成为F＋Fe3CⅡ，其中15.1%%F-1%CFe%,9.84%1000008.063.6163.6%3F；室温下组织组成为P＋Fe3CⅡ，其中%1.9877.069.6169.6%P，Fe3CⅡ％＝1－P％＝1.9%。4）三种钢在给定温度下的显微组织如表。1200℃时各相的自由能---成分曲线示意图如图含碳量温度显微组织温度显微组织0.4770℃停留一段时间P+F900℃A+F0.77680℃P刚达到770℃A1.0700℃P+Fe3CⅡ刚达到770℃A+Fe3C5Cu-Zn-Al合金室温下的等温截面和2%Al的垂直截面图，回答问题：解答：1）Cu-30%Zn-10%Al合金的成分点见图中X点。2）Cu-20%Zn-8%Al合金，位于α+γ两相区边界线上，由α＋γ两相组成。Cu-25Zn-6Al合金位于α＋‘＋γ的三相区中，由α＋‘＋γ的三相区组成，可以从图中读出各相成分点：α：Cu-22.6Zn-3.45Al,γ：Cu-18Zn-11.5Al,β：Cu-30Zn-4Al故Cu-20Zn-8Al合金中α％＝45.35.118-.511×100％＝43.50%，γ％＝1－α％＝56.5%Cu－25Zn－6Al合金中‘＝203020-25×100％=50%α%=(1-‘)×43.5%=21.75%,γ％=(1-‘)×56.5%=28.25%3)Y合金凝固过程：L－α，L－α＋β，β－α中南大学考试试卷答案2004——2005学年第二学期时间110分钟材料科学与工程课程64学时4学分考试形式：闭卷专业年级材料2002级总分100分，占总评成绩70%1.（10分）画出fcc晶胞中（111）晶面上的所有[110]晶向；在hcp晶胞中画出]0211[晶向和)0011(晶面。图1fcc晶胞图2hcp晶胞参考答案：fcc晶胞如图1，ACE所在晶面为（111）晶面，[110]晶向为OD方向。hcp晶胞如图2，]0211[晶向为Oa3反方向，)0011(晶面为ABCD面。2.（10分）举出凝固理论在金属材料结晶中的几个应用，加以简单说明。参考答案：铸锭组织控制、单晶体制备、非晶体制备等……。3.（10分）画出Fe-Fe3C亚稳平衡相图，根据相图回答下列问题：a.标出合金在室温下的组织组成；b.写出相图中三个等温反应式；c.分析含碳量为0.45％的合金的平衡冷却过程；计算其在室温下的组织组成物的相对百分含量；d.画出0.45％C的合金在1148℃时的成分－自由能曲线示意图；e.试分析元素C及Cr在Fe中的可能存在形式及其作用。参考答案a．画Fe-Fe3C亚稳平衡相图如图3所示。OACBD图3Fe-Fe3C亚稳平衡相图b．合金在室温下的组织组成：相图中从左到右依次为：F，F＋Fe3CⅢ，F＋P，P，P＋Fe3CⅡ，Ld＋P＋Fe3CⅡ，Ld，Ld＋Fe3CⅠ；c．含碳量为0.45％的合金的平衡冷却过程为：L，L→A，A，A→Fe3CⅡ，A→P，室温下得到P＋Fe3CⅡ组织；d．略e．元素C在Fe中可以固溶在Fe中，起到强化作用，与Fe形成化合物如Fe3C，分布形态不好会降低合金强度与塑性；Cr可以固溶在Fe中，起到强化作用，Cr也可与Fe、C形成合金碳化物。4.（10分）试总结位错在金属材料中的作用。参考答案要点位错在金属材料中可以起到强化作用，通过位错运动完成塑性变形，合金中位错与溶质原子发生作用形成气团造成屈服现象和应变时效，位错是第二相形核的择优场所，位错影响扩散速度。5.（10分）分析原子扩散在金属材料中的作用。参考答案要点液态金属的凝固、成分的均匀化、扩散型固态相变、表面化学热处理、氧化与脱碳、粉末烧结、高温蠕变等。6.（10分）分析多晶体金属的变形过程及影响多晶体金属变形的因素。参考答案要点多晶体金属的变形过程中每个晶粒的变形主要是滑移，还可能出现孪生和扭折，需要开动多个滑移系，出现交滑移，由于晶界的影响还有位向差效应和晶界的阻滞效应；影响因素主要有晶粒大小，变形温度，变形速度。7.（10分）分析层错能对金属热塑性变形的影响。参考答案要点高层错能金属热塑性变形主要通过回复软化，低层错能金属热塑性变形主要通过再结晶软化，其应力－应变曲线有不同特点。8.（10分）提高金属材料强度的途径有哪些?参考答案要点细晶强化、固溶强化、加工硬化、沉淀强化、弥散强化等。9.（10分）解释下列名词：成分过冷；离异共晶；反应扩散；面角位错；晶界偏聚参考答案成分过冷：由于在结晶过程中固溶体合金的溶质原子再分配造成固溶体合金在正温度梯度下，其凝固界面前沿的液相中在合适的温度梯度下也有过冷现象出现，称为成分过冷；离异共晶：有共晶反应的合金中，如果成分离共晶点较远，由于初晶数量多，共晶数量很少，共晶中与初晶相同的相依附初晶长大，共晶中另外一个相呈现单独分布，使得共晶组织失去其特有组织特征