中南大学考试试卷答案
2001 —— 2002 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 1999 级总分 100 分，占总评成绩 70%
一、名词解释（5分×8）
1、金属玻璃
2、金属间化合物
3、离异共晶
4、晶界偏聚
5、科垂尔气团（Cottrell Atmosphere）
6、孪生
7、反应扩散
8、变形织构
参考答案：
1.金属玻璃：指金属从液态凝固后其结构与液态金属相同的固体；
2.金属间化合物：金属与金属、金属与某些非金属之间形成的化合物，结构与组成金属间化合物的纯金属不同，一一般具有熔点高、硬度高、脆性大的特点。
3.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的现象；
4.晶界偏聚：由于晶内与晶界上的畸变能差别或由于空位的存在使得溶质原子或杂质原子在晶界上的富集现象；
5.科垂尔气团：溶质原子在刃型位错周围的聚集的现象，这种气团可以阻碍位错运动，产生固溶强化效应等结果；
6.孪生：是晶体塑性变形的一种重要方式，晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分晶体作均匀切变，使得相邻部分晶体取向不同，并以切变晶面（挛晶面）成镜面对称；
7.反应扩散：伴随有化学反应而形成新相的扩散称为反应扩散，如从金属表面向内部渗入金属时，渗入元素浓度超过溶解度出现新相；
8.变形织构：经过塑性变形后原来多晶体中位向不同的晶粒变成取向基本一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构为织构，若织构是在塑性变形中产生的，称为变形织构。
二、问答题
1、（10分）标出hcp晶胞中晶面ABCDEF面、ABO面的晶面指数，OC方向、OC方向的晶向指数。这些晶面与晶向中，那些可构成滑移系？指出最容易产生滑移的滑移系。
参考答案： ABCDEF 面的晶面指数为（0001）或（001）；面的晶面指数为； OC 方向的晶向指数为或[010]；方向的晶向指数为或[011]；（0001）与、与可构成滑移系；其中滑移系（0001）容易产生滑移。
2、（10分）判断位错反应在面心立方晶体中能否进行？若两个扩展位错的领先位错发生上述反应，会对面心立方金属性能有何影响。
参考答案：
参照几何条件和能量条件要求，位错反应可以进行；反应后位错不可动，影响晶体的加工硬化机制和断裂性能。
3、（10分）写出非稳态扩散方程的表达式，说明影响方程中扩散系数的主要因素。 参考答案：
非稳态扩散方程的表达式为，若扩散系数D 不随浓度变化，则可以简化为
；影响方程中扩散系数的主要因素有温度、晶体结构、晶体缺陷、固溶体类型、扩散元素性质、扩散组元浓度等。
4、（10分）指出影响冷变形后金属再结晶温度的主要因素。要获得尺寸细小的再结晶晶粒，有那些主要措施，为什么?
参考答案：
影响冷变形后金属再结晶温度的主要因素有：变形程度、微量杂质和合金元素、金属晶粒度、加热时间、加热速度；要获得尺寸细小的再结晶晶粒主要措施有：加大冷变形程度，加入微量合金元素，提高加热速度、采用细晶粒金属。
5、（15分）试述针对工业纯铝、Al －5％Cu 合金、Al －5％Al2O3复合材料分别可能采用那些主要的强化机制来进行强化。
参考答案：
对工业纯铝主要的强化机制为加工硬化、细晶强化；Al －5％Cu 合金的强化机制为固溶强化、沉淀强化、加工硬化、细晶强化；Al －5％Al2O3复合材料的强化机制为加工硬化、细晶强化、弥散强化。
6、（15分）请在如下Pb －Bi －Sn 相图中
（1） 写出三相平衡和四相平衡反应式；
（2） 标出成分为5％Pb ，65％Bi 与
30％Sn 合金所在位置，写出该合金凝固结晶过程，画
O AB ')1110(]0121[C O ']3121[]0121[)1110(]0121[]0121[]1101[6]121[6]112[6a a a →+x x c D t C ????=??)(22x c D t C ??=??
出并说明其在室温下的组织示意图。
参考答案：
（1）三相平衡反应式：E2E线：L→Bi＋Sn；E1E线：L→Bi＋Pb；E点为四相平衡，其反应式为L→Bi＋Sn＋Pb。
（2）合金所在位置（略）；该合金凝固过程为：析出初晶L→Bi，剩余液相析出二元共晶，L→Bi＋Sn，再从多余液相中析出三元共晶L→Bi＋Sn＋Pb；室温下的组织为Bi初晶＋（Bi＋Sn）二元共晶＋（Bi＋Sn＋Pb）三元共晶，室温下的组织示意图（略）。
7、（20分）Cu－Sn合金相图如图所示。
（1）写出相图中三条水平线的反应式，并画出T1温度下的成分－自由能曲线示意图；（2）说明Cu－10wt％Sn合金平衡和非平衡凝固过程，分别画出室温下组织示意图；（3）非平衡凝固对Cu－5wt％Sn合金的组织性能有何影响，如何消除？
参考答案：
（1）相图中三条水平线的反应式（温度由高到低）：包晶反应： L＋α→β，共析反应β→α＋γ，共析反应γ→α＋δ；T1温度下的成分－自由能曲线示意图（略）；
（2）Cu－10wt％Sn合金平衡凝固过程：析出初晶α，凝固后得到单相固溶体α，
Cu－10wt％Sn合金非平衡凝固过程：析出初晶α，发生包晶反应L＋α→β形成β，β分布在α枝晶间隙，随后还发生共析反应β→α＋γ和γ→α＋δ，最后形成α枝晶之间分布有块状δ或（α＋δ）共析体；室温下组织示意图（略）。
（3）Cu－10wt％Sn合金非平衡凝固时由于溶质原子在分配而产生枝晶偏析；造成合金铸锭强度低、加工塑性差，枝晶偏析还使合金耐腐蚀性能降低；消除枝晶偏析可以采用将铸锭在略低于固相线温度长时间均匀化退火。
8、（20分）低层错能的工业纯铜铸锭采用T＝0.5T熔点温度热加工开坯轧制。
（1）画出该材料分别在高、低应变速率下热加工时的真应力－真应变曲线示意图，并说明影响曲线变化的各种作用机制；
（2）开坯后该金属在室温下继续进行轧制，画出此时的真应力－真应变曲线示意图，并说明影响曲线变化的机制；
（3）开坯后该金属要获得硬态、半硬态和软态制品，最后工序中可采用那些方法，为什么？
参考答案：
（1）该材料热加工时的真应力－真应变曲线示意图（略），[注意曲线中均应有应力峰值，在高应变速率下出现应力峰值后曲线基本水平，在低应变速率下出现应力峰值后曲线呈波
浪]。
高应变速率下曲线分三个阶段：未发生动态再结晶的加工硬化阶段，动态再结晶加剧阶段，完全动态再结晶阶段（此时加工硬化与再结晶软化达到平衡，曲线接近水平，达到稳态流变阶段）
低应变速率下完全动态再结晶阶段呈波浪形，是反复动态再结晶软化－加工硬化－动态再结晶软化交替进行的结果；
（2）开坯后金属在室温下继续进行轧制的真应力－真应变曲线示意图（略）；真应力－真应变曲线一直上升，直至断裂，主要机制为加工硬化；
（3）开坯后要获得硬态金属，可以进行冷加工，机制为加工硬化；获得软态制品，可采用冷加工后再结晶退火；获得半硬态制品，可采用冷加工后回复退火，或者完全再结晶退火后适当冷变形。
中南大学考试试卷答案
2002 —— 2003 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；
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Fe 3C II ；液相；先共晶奥氏体；铁素体；6.69％
5、（101）；
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α相为何种晶体结构？ a r 42=]
111[
（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T E （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α初晶+(α+θ)共晶，其中α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）k 0＝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3
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1083ε ，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200ε ，第二个试样加热到500ε ，第三个试样加热到800ε ，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）；200ε 加热试样强度高，塑性低，500ε 加热试样强度低，塑性好，800ε 加热试样强度更低。
e 1
p 2
图4
图5
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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：α+β→γ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）Fe3C II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
；室温下组织组成为P
＋Fe3C Ⅱ，其中，Fe3C Ⅱ％＝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 0.4
770℃停留一段时间 P+F
900℃ A+F 0.77 680℃ P 刚达到770℃ A 1.0 700℃ P+Fe 3C Ⅱ 刚达到770℃ A+Fe 3C 5 Cu -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％＝×100％＝43.50%，γ％＝1－α％＝56.5%
Cu －25Zn －6Al 合金中＝×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
15.1%% F - 1% C Fe %,9.84%1000008.063.6163.6%3===?--=
F %1.9877.069.6169.6%=--=P ‘β‘
β45.35.118
-.511-‘β203020
-25-‘β‘β
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 晶胞中画出晶向和晶面。 图1 fcc 晶胞 图2 hcp 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，晶向为Oa 3反方向， 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 -Fe 3C 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 -Fe 3C 亚稳平衡相图如图3所示。
]0211[)0011(]0211[)0011(O
A
C B
D
图3 Fe-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，L d＋P＋Fe3CⅡ，L d，L d＋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的现象；
反应扩散：伴随有化学反应而形成新相的扩散称为反应扩散，如从金属表面向内部渗入金属时，渗入元素浓度超过溶解度出现新相；
面角位错：在位错反应中，fcc晶体中不同滑移面上的全位错分解为不全位错后，领先不全位错反应生成新的不可动位错，导致出现的三个不全位错之间夹杂两个层错的不可动位错组态；
晶界偏聚：由于晶内与晶界上的畸变能差别或由于空位的存在使得溶质原子或杂质原子在晶界上的富集现象；
10.（10分）如图Pb-Sn-Bi三元合金相图，试写出图中五条单变量线及P点、E点反应的
反应式；分析图中合金2的平衡结晶过程，指出它的开始凝固温度。
参考答案
图中五条单变量线的反应式分别为，
e1P：L→α＋δ；
e2P：L→γ＋δ；
e3P：L→γ＋β；
pP：L＋β→α；
PE：L→δ＋β
P点反应：L＋α→δ＋β；
E点分反应：L→δ＋β＋γ。
图中合金2的平衡结晶过程：L→δ，L→δ＋β，L→δ＋β＋γ，合金2的开始凝固温度从图中可以得到为150℃。
中南大学考试试卷 2001 —— 2002 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 1999 级总分 100 分，占总评成绩 70% 一、名词解释（5分×8） 1、金属玻璃 2、金属间化合物 3、离异共晶 4、晶界偏聚 5、科垂尔气团（Cottrell Atmosphere） 6、孪生 7、反应扩散 8、变形织构 二、问答题 1、（10分）标出hcp晶胞中晶面ABCDEF面、ABO面的晶面指数，OC方向、OC方向的晶向指数。这些晶面与晶向中，那些可构成滑移系？指出最容易产生滑移的滑移系。 2、（10分）判断 ] 1101 [ 6 ]1 2 1[ 6 ]1 1 2[ 6 a a a → + 位错反应在面心立方晶体中能否进行？若两个扩 展位错的领先位错发生上述反应，会对面心立方金属性能有何影响。 3、（10分）写出非稳态扩散方程的表达式，说明影响方程中扩散系数的主要因素。 4、（10分）指出影响冷变形后金属再结晶温度的主要因素。要获得尺寸细小的再结晶晶粒，有那些主要措施，为什么? 5、（15分）试述针对工业纯铝、Al－5％Cu合金、Al－5％Al2O3复合材料分别可能采用那些主要的强化机制来进行强化。 6、（15分）请在如下Pb－Bi－Sn相图中 （1）写出三相平衡和四相平衡反应式； （2）标出成分为5％Pb，65％Bi与30％Sn合金所在位置，写出该合金凝固结晶过程，画出并说明其在室温下的组织示意图。
7、（20分）Cu－Sn合金相图如图所示。 （1）写出相图中三条水平线的反应式，并画出T1温度下的成分－自由能曲线示意图； （2）说明Cu－10wt％Sn合金平衡和非平衡凝固过程，分别画出室温下组织示意图； （3）非平衡凝固对Cu－5wt％Sn合金的组织性能有何影响，如何消除？ 8、（20分）低层错能的工业纯铜铸锭采用T＝0.5T熔点温度热加工开坯轧制。 （1）画出该材料分别在高、低应变速率下热加工时的真应力－真应变曲线示意图，并说明影响曲线变化的各种作用机制； （2）开坯后该金属在室温下继续进行轧制，画出此时的真应力－真应变曲线示意图，并说明影响曲线变化的机制； （3）开坯后该金属要获得硬态、半硬态和软态制品，最后工序中可采用那些方法，为什么？ 中南大学考试试卷 2002 —— 2003 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（0.5X30=15分） 1、fcc结构的密排方向是_____，密排面是____，密排面的堆垛顺序是_____，致密度为________，配位数是____，晶胞中原子数为___，把原子视为半径为r的刚性球时，原子的半径是点阵常数a 的关系为_________。 2、形成有序固溶体的必要条件是：（1）________，（2）_________，（3）________。 3、无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是：强度和硬度__________，塑性_______________，导电性_________________。 4、Fe-Fe3C相图中含碳量小于___为钢，大于____为铸铁；铁碳合金室温平衡组织均由______和___两个基本相组成；奥氏体其晶体结构是____，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含碳量是 ______；珠光体的含碳量是_____；莱氏体的含碳量为____；在常温下，亚共析钢的平衡组织是_____，过共析钢的平衡组织是_____；Fe3C I是从_____中析出的，Fe3C II是从____中析出的，Fe3C III
Fundamentals of Materials Science 1. Determine the Miller indices for the planes shown in the following unit cell: A:(2 1 -1) B:(0 2 -1) 2. Show that the atomic packing factor for HCP is 0.74. Solution: This problem calls for a demonstration that the APF for HCP is 0.74. Again, the APF is just the total sphere-unit cell volume ratio. For HCP, there are the equivalent of six spheres per unit cell, and thus Now, the unit cell volume is just the product of the base area times the cell height, c. This base area is just three times the area of the parallelepiped ACDE shown below.
The area of ACDE is just the length of CD times the height BC. But CD is just a or 2R, and 3. For both FCC and BCC crystal structures, the Burgers vector b may be expressed as
材料科学基础试卷(一) 一、概念辨析题（说明下列各组概念的异同。任选六题，每小题3分，共18分） 1 晶体结构与空间点阵 2 热加工与冷加工 3 上坡扩散与下坡扩散 4 间隙固溶体与间隙化合物 5 相与组织 6 交滑移与多滑移 7 金属键与共价键 8 全位错与不全位错 9 共晶转变与共析转变 二、画图题（任选两题。每题6分，共12分） 1 在一个简单立方晶胞内画出［010］、［120］、［210］晶向和（110）、（112）晶面。 2 画出成分过冷形成原理示意图（至少画出三个图）。 3 综合画出冷变形金属在加热时的组织变化示意图和晶粒大小、内应力、强度和塑性变化趋势图。 4 以“固溶体中溶质原子的作用”为主线，用框图法建立与其相关的各章内容之间的联系。 三、简答题（任选6题，回答要点。每题5分，共30 分） 1 在点阵中选取晶胞的原则有哪些？ 2 简述柏氏矢量的物理意义与应用。 3 二元相图中有哪些几何规律？ 4 如何根据三元相图中的垂直截面图和液相单变量线判断四相反应类型？ 5 材料结晶的必要条件有哪些？ 6 细化材料铸态晶粒的措施有哪些？ 7 简述共晶系合金的不平衡冷却组织及其形成条件。 8 晶体中的滑移系与其塑性有何关系？ 9 马氏体高强度高硬度的主要原因是什么？ 10 哪一种晶体缺陷是热力学平衡的缺陷，为什么？ 四、分析题（任选1题。10分） 1 计算含碳量w=0.04的铁碳合金按亚稳态冷却到室温后，组织中的珠光体、二次渗碳体和莱氏体的相对含量。 2 由扩散第二定律推导出第一定律，并说明它们各自的适用条件。 3 试分析液固转变、固态相变、扩散、回复、再结晶、晶粒长大的驱动力及可能对应的工艺条件。 五、某面心立方晶体的可动滑移系为(111) [110].（15分） (1) 指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量. (2) 如果滑移由纯刃型位错引起,试指出位错线的方向. (3) 如果滑移由纯螺型位错引起,试指出位错线的方向. (4) 在(2),(3)两种情况下,位错线的滑移方向如何? (5) 如果在该滑移系上作用一大小为0.7MPa的切应力，试确定单位刃型位错和螺型位错 线受力的大小和方向。（点阵常数a=0.2nm)。 六、论述题（任选1题，15分） 1 试论材料强化的主要方法、原理及工艺实现途径。 2 试论固态相变的主要特点。 3 试论塑性变形对材料组织和性能的影响。
2018年硕士研究生招生考试大纲 考试科目名称：材料科学基础考试科目代码：875 一、考试要求 材料科学基础考试大纲适用于北京工业大学材料科学与工程学院（0805）材料科学与工程和（085204）材料工程（专业学位）；激光工程研究院（0803）光学工程与（085202）光学工程（专业学位）；以及固体微结构与性能研究所（0805）材料科学与工程学科的硕士研究生入学考试。此课程是材料科学与工程学科的重要基础理论课，是理解并学习各种材料其结构、加工工艺与性能之间联系的基础。材料科学基础的考试内容主要包括各类材料共性基础知识部分（原子结构与结合键、晶体结构、晶体缺陷、相图与相平衡、材料的凝固）、金属材料基础知识部分（金属晶体中位错、表面与界面、塑性变形与再结晶、金属晶体中扩散、固态相变、金属材料强韧化）和无机材料基础知识部分（无机材料化学键结构与晶体结构、无机材料的缺陷、无机材料的相图与相变过程、无机材料的基本制造加工原理、无机材料的机械性能、无机材料的光学和电学性能），要求考生对其中的基本概念和基础理论有深入的理解，系统掌握各类基本概念、理论及其计算和分析的方法，具有综合运用所学知识分析和解决材料科学与工程实际问题的能力。 二、考试内容 考试内容分为材料共性知识、金属材料基础知识和无机材料基础知识三大部分，总分150分。其中，材料共性知识部分所有学生均需作答，共105分；金属材料基础知识部分和无机材料基础知识部分考生需根据自己的专业背景二选一作答，不能混做，共45分。题型一般包括名词解释、填空、判断正误、问答、计算、分析题等。 （一）材料共性知识部分 1.原子结构与结合键 (1)熟练掌握电离能、电子亲和能、电负性、金属间化合物、电子化合物等概念，熟练掌握原子核外电子排布，理解光的波粒二象性、测不准原理、泡利不相容原理、洪特规则、能量最低原理、电子能带结构理论；
第一章原子排列 本章需掌握的内容： 材料的结合方式：共价键，离子键，金属键，范德瓦尔键，氢键；各种结合键的比较及工程材料结合键的特性； 晶体学基础：晶体的概念，晶体特性（晶体的棱角，均匀性，各向异性，对称性），晶体的应用 空间点阵：等同点，空间点阵，点阵平移矢量，初基胞，复杂晶胞，点阵参数。 晶系与布拉菲点阵：种晶系，14种布拉菲点阵的特点； 晶面、晶向指数：晶面指数的确定及晶面族，晶向指数的确定及晶向族，晶带及晶带定律六方晶系的四轴座标系的晶面、晶向指数确定。 典型纯金属的晶体结构：三种典型的金属晶体结构：fcc、bcc、hcp； 晶胞中原子数、原子半径，配位数与致密度，晶面间距、晶向夹角 晶体中原子堆垛方式，晶体结构中间隙。 了解其它金属的晶体结构：亚金属的晶体结构，镧系金属的晶体结构，同素异构性 了解其它类型的晶体结构：离子键晶体结构：MgO陶瓷及NaCl，共价键晶体结构：SiC陶瓷，As、Sb 非晶态结构：非晶体与晶体的区别，非晶态结构 分子相结构 1. 填空 1. fcc结构的密排方向是_______，密排面是______，密排面的堆垛顺序是_______致密度为___________配位数是________________晶胞中原子数为___________，把原子视为刚性球时，原子的半径是____________；bcc结构的密排方向是_______，密排面是_____________致密度为___________配位数是________________ 晶胞中原子数为___________，原子的半径是____________；hcp结构的密排方向是_______，密排面是______，密排面的堆垛顺序是_______，致密度为___________配位数是________________，晶胞中原子数为 ___________，原子的半径是____________。 2. bcc点阵晶面指数h+k+l=奇数时，其晶面间距公式是________________。 3. Al的点阵常数为0.4049nm，其结构原子体积是________________。 4. 在体心立方晶胞中，体心原子的坐标是_________________。 5. 在fcc晶胞中，八面体间隙中心的坐标是____________。 6. 空间点阵只可能有___________种，铝晶体属于_____________点阵。Al的晶体结构是__________________， -Fe的晶体结构是____________。Cu的晶体结构是_______________， 7点阵常数是指__________________________________________。 8图1是fcc结构的(-1,1,0 )面，其中AB和AC的晶向指数是__________，CD的晶向指数分别 是___________，AC所在晶面指数是--------------------。
查看文本 习题 一、名词解释 金属键; 结构起伏; 固溶体; 枝晶偏析; 奥氏体; 加工硬化; 离异共晶; 成分过冷; 热加工; 反应扩散 二、画图 1在简单立方晶胞中绘出（）、（210）晶面及[、[210]晶向。 2结合Fe-Fe3C相图，分别画出纯铁经930℃和800℃渗碳后，试棒的成分－距离曲线示意图。 3如下图所示，将一锲形铜片置于间距恒定的两轧辊间轧制。试画出轧制后铜片经再结晶后晶粒大小沿片长方向变化的示意图。 4画出简单立方晶体中（100）面上柏氏矢量为［010］的刃型位错与（001）面上柏氏矢量为［010］的刃型位错交割前后的示意图。 5画图说明成分过冷的形成。 三、Fe-Fe3C相图分析 1用组织组成物填写相图。 2指出在ECF和PSK水平线上发生何种反应并写出反应式。 3计算相图中二次渗碳体和三次渗碳体可能的最大含量。 四、简答题 1已知某铁碳合金，其组成相为铁素体和渗碳体，铁素体占82%，试求该合金的含碳量和组织组成物的相对量。 2什么是单滑移、多滑移、交滑移？三者的滑移线各有什么特征，如何解释？。 3设原子为刚球，在原子直径不变的情况下，试计算g-Fe转变为a-Fe时的体积膨胀率;如果测得910℃时g-Fe和a-Fe的点阵常数分别为0.3633nm和0.2892nm,试计算g-Fe转变为a-Fe的真实膨胀率。 4间隙固溶体与间隙化合物有何异同？ 5可否说扩散定律实际上只有一个？为什么？ 五、论述题 τC 结合右图所示的τC（晶体强度）—ρ位错密度 关系曲线，分析强化金属材料的方法及其机制。 晶须 冷塑变 六、拓展题 1 画出一个刃型位错环及其与柏士矢量的关系。 2用金相方法如何鉴别滑移和孪生变形？ 3 固态相变为何易于在晶体缺陷处形核？ 4 画出面心立方晶体中(225)晶面上的原子排列图。 综合题一：材料的结构 1 谈谈你对材料学科和材料科学的认识。 2 金属键与其它结合键有何不同，如何解释金属的某些特性？ 3 说明空间点阵、晶体结构、晶胞三者之间的关系。 4 晶向指数和晶面指数的标定有何不同？其中有何须注意的问题？ 5 画出三种典型晶胞结构示意图，其表示符号、原子数、配位数、致密度各是什么？ 6 碳原子易进入a-铁，还是b-铁，如何解释？ 7 研究晶体缺陷有何意义？ 8 点缺陷主要有几种？为何说点缺陷是热力学平衡的缺陷？
第1页（共11页） ########2018-2019学年第二学期 ########专业####级《材料科学基础》期末考试试卷 （后附参考答案及评分标准） 考试时间：120分钟 考试日期：2019年6月 题 号 一 二 三 四 五 六 总 分 得 分 评卷人 复查人 一、单项选择题（请将正确答案填入表中相应题号处，本题13小题，每小题2分，共26分） 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 题号 11 12 13 答案 1. 在形核-生长机制的液-固相变过程中，其形核过程有非均匀形核和均匀形核之分，其形核势垒有如下关系（ ）。 A. 非均匀形核势垒 ≤ 均匀形核势垒 B. 非均匀形核势垒 ≥ 均匀形核势垒 C. 非均匀形核势垒 = 均匀形核势垒 D. 视具体情况而定，以上都有可能 2. 按热力学方法分类，相变可以分为一级相变和二级相变，一级相变是在相变时两相自由焓相等，其一阶偏导数不相等，因此一级相变（ ）。 A. 有相变潜热改变，无体积改变 B. 有相变潜热改变，并伴随有体积改变 C. 无相变潜热改变，但伴随有体积改变 D. 无相变潜热改变，无体积改变 得分 专业 年级 姓名 学号 装订线
3. 以下不是材料变形的是（）。 A. 弹性变形 B. 塑性变形 C. 粘性变形 D. 刚性变形 4. 在固溶度限度以内，固溶体是几相？（） A. 2 B. 3 C. 1 D. 4 5. 下列不属于点缺陷的主要类型是（）。 A. 肖特基缺陷 B. 弗伦克尔缺陷 C. 螺位错 D. 色心 6. 由熔融态向玻璃态转变的过程是（）的过程。 A. 可逆与突变 B. 不可逆与渐变 C. 可逆与渐变 D. 不可逆与突变 7. 下列说法错误的是（）。 A. 晶界上原子与晶体内部的原子是不同的 B. 晶界上原子的堆积较晶体内部疏松 C. 晶界是原子、空位快速扩散的主要通道 D. 晶界易受腐蚀 8. 表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生，微裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度这种影响尤为重要，微裂纹长度，断裂强度。（） A. 越长；越低 B. 越长；越高 C. 越短；越低 D. 越长；不变 9. 下列说法正确的是（）。 A. 再结晶期间，位错密度下降导致硬度上升 B. 再结晶期间，位错密度下降导致硬度下降 C. 再结晶期间，位错密度上升导致硬度上升 D. 再结晶期间，位错密度上升导致硬度下降 10. 下列材料中最难形成非晶态结构的是（）。 A. 陶瓷 B. 金属 C. 玻璃 D. 聚合物 第2页（共11页）
第二章思考题与例题 1. 离子键、共价键、分子键和金属键的特点，并解释金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高的原因 2. 从结构、性能等方面描述晶体与非晶体的区别。 3. 何谓理想晶体何谓单晶、多晶、晶粒及亚晶为什么单晶体成各向异性而多晶体一般情况下不显示各向异性何谓空间点阵、晶体结构及晶胞晶胞有哪些重要的特征参数 4. 比较三种典型晶体结构的特征。（Al、α-Fe、Mg三种材料属何种晶体结构描述它们的晶体结构特征并比较它们塑性的好坏并解释。）何谓配位数何谓致密度金属中常见的三种晶体结构从原子排列紧密程度等方面比较有何异同 5. 固溶体和中间相的类型、特点和性能。何谓间隙固溶体它与间隙相、间隙化合物之间有何区别（以金属为基的）固溶体与中间相的主要差异（如结构、键性、性能）是什么 6. 已知Cu的原子直径为A，求Cu的晶格常数，并计算1mm3Cu的原子数。 7. 已知Al相对原子质量Ar（Al）=，原子半径γ=，求Al晶体的密度。 8 bcc铁的单位晶胞体积，在912℃时是；fcc铁在相同温度时其单位晶胞体积是。当铁由bcc转变为fcc时，其密度改变的百分比为多少 9. 何谓金属化合物常见金属化合物有几类影响它们形成和结构的主要因素是什么其性能如何
10. 在面心立方晶胞中画出[012]和[123]晶向。在面心立方晶胞中画出（012）和（123）晶面。 11. 设晶面（152）和（034）属六方晶系的正交坐标表述，试给出其四轴坐标的表示。反之，求（3121）及（2112）的正交坐标的表示。（练习），上题中均改为相应晶向指数，求相互转换后结果。 12.在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标，6个面心构成一个正八面体，指出这个八面体各个表面的晶面指数，各个棱边和对角线的晶向指数。 13. 写出立方晶系的{110}、{100}、{111}、{112}晶面族包括的等价晶面，请分别画出。 14. 在立方晶系中的一个晶胞内画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 15 在六方晶系晶胞中画出[1120]，[1101]晶向和（1012）晶面，并确定（1012）晶面与六方晶胞交线的晶向指数。 16.在立方晶系的一个晶胞内同时画出位于（101），（011）和（112）晶面上的[111]晶向。 17. 在1000℃，有W C为%的碳溶于fcc铁的固溶体，求100个单位晶胞中有多少个碳原子（已知：Ar(Fe)=，Ar(C)=） 18. r-Fe在略高于912℃时点阵常数a=，α-Fe在略低于912℃时a=，求：（1）上述温度时γ-Fe和α-Fe的原子半径R；（2）γ-Fe→α-Fe转变时的体积变化率；（3）设γ-Fe→α-Fe转变时原子半径不发生变化，求此转变时的体积变
一、名词： 相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。 平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。 成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。 异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象。 共晶转变：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。 脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。 包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。 成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。 二、简答： 1. 固溶体合金结晶特点？ 答：异分结晶；需要一定的温度范围。 2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？ 答：溶质平衡分配系数k0；溶质原子扩散能力；冷却速度。 3. 影响成分过冷的因素？ 答：合金成分；液相内温度梯度；凝固速度。
三、书后习题 1、何谓相图？有何用途？ 答：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 相图的作用：由相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。 2、什么是异分结晶？什么是分配系数？ 答：异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。 3、何谓晶内偏析？是如何形成的？影响因素有哪些？对金属性能有何影响，如何消除？ 答：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象 形成过程：固溶体合金平衡结晶使前后从液相中结晶出的固相成分不同，实际生产中，液态合金冷却速度较大，在一定温度下扩散过程尚未进行完全时温度就继续下降，使每个晶粒内部的化学成分布均匀，先结晶的含高熔点组元较多，后结晶的含低熔点组元较多，在晶粒内部存在着浓度差。 影响因素：1）分配系数k0：当k0<1时，k0值越小，则偏析越大；当k0>1时，k0越大，偏析也越大。2）溶质原子扩散能力，溶质原子扩散能力大，则偏析程度较小；反之，则偏析程度较大。3）冷却速度，冷却速度越大，晶内偏析程度越严重。 对金属性能的影响：使合金的机械性能下降，特别是使塑性和韧性显著降低，
上海大学2018年硕士《材料科学基础》考试大纲复习要求： 要求考生掌握金属材料的结构、组织、性能方面的基本概念、基本原理；理解金属材料的结构、组织、性能之间的相互关系和基本变化规律。 二、主要复习内容： （一）晶体学基础 理解晶体与非晶体、晶体结构与空间点阵的差异；掌握晶面指数和晶向指数的标注方法和画法；掌握立方晶系晶面与晶向平行或垂直的判断；掌握立方晶系晶面族和晶向族的展开；掌握面心立方、体心立方、密排六方晶胞中原子数、配位数、紧密系数的计算方法；掌握面心立方和密排六方的堆垛方式的描述及其它们之间的差异。 重点：晶体中原子结构的空间概念及其解析描述(晶面和晶向指数)。 （二）固体材料的结构 掌握波尔理论和波动力学理论对原子核外电子的运动轨道的描述。掌握波粒两相性的基本方程。掌握离子键、共价键、金属键、分子键和氢键的结构差异。了解结合键与电子分布的关系和键合作用力的来源。掌握影响相结构的因素。了解不同固溶体的结构差异。 重点：一些重要类型固体材料的结构特点及其与性能的关系。 （三）晶体中的缺陷 掌握缺陷的类型；掌握点缺陷存在的必然性；掌握点缺陷对晶体性能的影响及其应用。理解位错的几何结构特点；掌握柏矢量的求法；掌握用位错的应变能进行位错运动趋势分析的方法。掌握位错与溶质原子的交互作用，掌握位错与位错的交互作用。掌握位错的运动形式。掌握位错反应的判断；了解弗兰克不全位错和肖克莱不全位错的形成。 重点：位错的基本概念和基本性质。 （四）固态中的扩散 理解固体中的扩散现象及其与原子运动的关系，掌握扩散第一定律和第二定律适用的场合及其对相应的扩散过程进行分析的方法。掌握几种重要的扩散机制适用的对象，了解柯肯达尔效应的意义。掌握温度和晶体结构对扩散的影响。 重点：扩散的基本知识及其在材料科学中的应用 （五）相图 掌握相律的描述和计算，及其对相平衡的解释；掌握二元合金中匀晶、共晶、包晶、共析、二次相析出等转变的图形、反应式；掌握二元典型合金的平衡结晶过程分析、冷却曲线；掌握二元合金中匀晶、共晶、共析、二次相析出的平衡相和平衡组织名称、相对量的计算；掌握铁－渗碳体相图及其典型合金的平衡冷却曲线分析、反应式、平衡相计算、平衡组织计算、组织示意图绘制；掌握简单三元合金的相平衡分析、冷却曲线分析、截面图分析；定性的掌握单相固溶体自由能的求解方法，掌握单相固溶体自由能表达式，掌握固溶体的自由能－成分曲线形式，掌握混合相自由能表达式，了解相平衡条件表达式，掌握相平衡的公切线法则。
中南大学考试试卷答案 2001 —— 2002 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 1999 级总分 100 分，占总评成绩 70% 一、名词解释（5分×8） 1、金属玻璃 2、金属间化合物 3、离异共晶 4、晶界偏聚 5、科垂尔气团（Cottrell Atmosphere） 6、孪生 7、反应扩散 8、变形织构 参考答案： 1.金属玻璃：指金属从液态凝固后其结构与液态金属相同的固体； 2.金属间化合物：金属与金属、金属与某些非金属之间形成的化合物，结构与组成金属间化合物的纯金属不同，一一般具有熔点高、硬度高、脆性大的特点。 3.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的现象； 4.晶界偏聚：由于晶内与晶界上的畸变能差别或由于空位的存在使得溶质原子或杂质原子在晶界上的富集现象； 5.科垂尔气团：溶质原子在刃型位错周围的聚集的现象，这种气团可以阻碍位错运动，产生固溶强化效应等结果； 6.孪生：是晶体塑性变形的一种重要方式，晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分晶体作均匀切变，使得相邻部分晶体取向不同，并以切变晶面（挛晶面）成镜面对称； 7.反应扩散：伴随有化学反应而形成新相的扩散称为反应扩散，如从金属表面向内部渗入金属时，渗入元素浓度超过溶解度出现新相； 8.变形织构：经过塑性变形后原来多晶体中位向不同的晶粒变成取向基本一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构为织构，若织构是在塑性变形中产生的，称为变形织构。 二、问答题 1、（10分）标出hcp晶胞中晶面ABCDEF面、ABO面的晶面指数，OC方向、OC方向的晶向指数。这些晶面与晶向中，那些可构成滑移系？指出最容易产生滑移的滑移系。
一、单项选择题(请在每小题的4个备选答案中，选出一个最佳答案， 共10小题；每小题2分，共20分) 1、材料按照使用性能，可分为结构材料和 。 A. 高分子材料； B. 功能材料； C. 金属材料； D. 复合材料。 2、在下列结合键中，不属于一次键的是： A. 离子键； B. 金属键； C. 氢键； D. 共价键。 3、材料的许多性能均与结合键有关，如大多数金属均具有较高的密度是由于： A. 金属元素具有较高的相对原子质量； B. 金属键具有方向性； C. 金属键没有方向性； D.A 和C 。 3、下述晶面指数中，不属于同一晶面族的是： A. (110)； B. (101)； C. (011- ）；D. (100)。 4、 面心立方晶体中，一个晶胞中的原子数目为： A. 2； B. 4； C. 6； D. 14。 5、 体心立方结构晶体的配位数是： A. 8； B.12； C. 4； D. 16。 6、面心立方结构晶体的原子密排面是： A. {111}； B. {110}； C. (100)； D. [111]。 7、立方晶体中（110）和（211）面同属于 晶带 A. [110]； B. [100]； C. [211]； D. [--111]。 6、体心立方结构中原子的最密排晶向族是： A. <100>； B. [111]； C. <111>； D. (111)。 6、如果某一晶体中若干晶面属于某一晶带，则： A. 这些晶面必定是同族晶面； B. 这些晶面必定相互平行； C. 这些晶面上原子排列相同； D. 这些晶面之间的交线相互平行。 7、金属的典型晶体结构有面心立方、体心立方和密排六方三种，它们的晶胞中原子数分别为：A. 4, 2, 6; B. 6, 2, 4; C. 4, 4, 6; D. 2, 4, 6 7、在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为： A. 肖脱基缺陷； B. 弗兰克缺陷； C. 线缺陷； D. 面缺陷 7、两平行螺旋位错，当柏氏矢量同向时，其相互作用力：
练习题 第三章晶体结构，习题与解答 3-1 名词解释 （a）萤石型和反萤石型 （b）类质同晶和同质多晶 （c）二八面体型与三八面体型 （d）同晶取代与阳离子交换 （e）尖晶石与反尖晶石 答：（a）萤石型：CaF2型结构中，Ca2+按面心立方紧密排列，F-占据晶胞中全部四面体空隙。 反萤石型：阳离子和阴离子的位置与CaF2型结构完全相反，即碱金属离子占据F-的位置，O2-占据Ca2+的位置。 （b）类质同象：物质结晶时，其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其它离子或原子所占有，共同组成均匀的、呈单一相的晶体，不引起键性和晶体结构变化的现象。 同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。 （c）二八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体型结构三八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体型结构。 （d）同晶取代：杂质离子取代晶体结构中某一结点上的离子而不改变晶体结构类型的现象。 阳离子交换：在粘土矿物中，当结构中的同晶取代主要发生在铝氧层时，一些电价低、半径大的阳离子（如K+、Na+等）将进入晶体结构来平衡多余的负电荷，它们与晶体的结合不很牢固，在一定条件下可以被其它阳离子交换。 （e）正尖晶石：在AB2O4尖晶石型晶体结构中，若A2+分布在四 面体空隙、而B3+分布于八面体空隙，称为正尖晶石； 反尖晶石：若A2+分布在八面体空隙、而B3+一半分布于四面体空 隙另一半分布于八面体空隙，通式为B(AB)O4，称为反尖晶石。 3-2 （a）在氧离子面心立方密堆积的晶胞中，画出适合氧离子位置 的间隙类型及位置，八面体间隙位置数与氧离子数之比为若干？四 面体间隙位置数与氧离子数之比又为若干？ （b）在氧离子面心立方密堆积结构中，对于获得稳定结构各需何 种价离子，其中： （1）所有八面体间隙位置均填满； （2）所有四面体间隙位置均填满； （3）填满一半八面体间隙位置； （4）填满一半四面体间隙位置。 并对每一种堆积方式举一晶体实例说明之。 解：（a）参见2-5题解答。1:1和2:1 （b）对于氧离子紧密堆积的晶体，获得稳定的结构所需电价离子 及实例如下： （1）填满所有的八面体空隙，2价阳离子，MgO； （2）填满所有的四面体空隙，1价阳离子，Li2O； （3）填满一半的八面体空隙，4价阳离子，TiO2； （4）填满一半的四面体空隙，2价阳离子，ZnO。 3-3 MgO晶体结构，Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体中离子堆积系数（球状离子所占据晶胞的体积分数）；计算MgO的密度。并说明为什么其体积分数小于74.05%？
几种强化 加工硬化:金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度与硬度升高,而塑性与韧性降低的现象。 强化机制:金属在塑性变形时,晶粒发生滑移,出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎与纤维化,金属内部产生了残余应力。 细晶强化:就是由于晶粒减小,晶粒数量增多,尺寸减小,增大了位错连续滑移的阻力导致的强化;同时由于滑移分散,也使塑性增大。 弥散强化:又称时效强化。就是由于细小弥散的第二相阻碍位错运动产生的强化。包括切过机制与绕过机制。(2 分) 复相强化:由于第二相的相对含量与基体处于同数量级就是产生的强化机制。其强化程度取决于第二相的数量、尺寸、分布、形态等,且如果第二相强度低于基体则不一定能够起到强化作用。(2 分) 固溶强化:固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。。包括弹性交互作用、电交互作用与化学交互作用。 几种概念 1、滑移系:一个滑移面与该面上一个滑移方向的组合。 2、交滑移:螺型位错在两个相交的滑移面上运动,螺位错在一个滑移面上运动遇有障碍,会转动到另一滑移面上继续滑移,滑移方向不变。 3、屈服现象:低碳钢在上屈服点开始塑性变形,当应力达到上屈服点之后开始应力降落,在下屈服点发生连续变形而应力并不升高,即出现水平台(吕德斯带) 原因:柯氏气团的存在、破坏与重新形成,位错的增殖。 4、应变时效:低碳钢经过少量的预变形可以不出现明显的屈服点,但就是在变形后在室温下放置一段较长时间或在低温经过短时间加热,在进行拉伸试验,则屈服点又重复出现,且屈服应力提高。 5、形变织构:随塑性变形量增加,变形多晶体某一晶体学取向趋于一致的现象。 滑移与孪晶的区别 滑移就是指在切应力的作用下,晶体的一部分沿一定晶面与晶向,相对于另一部分发生相对移动的一种运动状态。 孪生:在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面与晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。 伪共晶:在不平衡结晶条件下,成分在共晶点附近的合金全部变成共晶组织,这种非共晶成分的共晶组织,称为伪共晶组合。 扩散驱动力:化学位梯度就是扩散的根本驱动力。 一、填空题(20 分,每空格1 分) 1、相律就是在完全平衡状态下,系统的相数、组元数与温度压力之间的关系,就是系统的平衡条件的数学表达式: f=C-P+2 2、二元系相图就是表示合金系中合金的相与温度、成分间关系的图解。 3、晶体的空间点阵分属于7 大晶系,其中正方晶系点阵常数的特点为a=b≠c,α= β=γ=90°,请列举除立方与正方晶系外其她任意三种晶系的名称三斜、单斜、六方、菱方、正交(任选三种)。 4、合金铸锭的宏观组织包括表层细晶区、柱状晶区与中心等轴晶区三部分。
803《材料科学基础》复习大纲 一、考试的基本要求 要求学生比较系统地理解和掌握材料科学基础的基本概念和基本理论， 掌握晶体结构、结晶化学、晶体结构缺陷的基本概念和基础理论；掌握玻璃体、表面与界面的基本理论与基本概念；熟悉相平衡图的基本概念，掌握相图的应用，能进行相图的分析，能进行材料配料区的选择；掌握扩散、固相反应、相变和烧结等高温过程动力学的基本理论与基本概念；具备一定的分析和解决实际问题的能力。 二、考试方式和考试时间 闭卷考试，总分150，考试时间为3小时。 三、参考书目（仅供参考） 《无机材料科学基础》，张其土主编，华东理工大学出版社，2007年 《材料科学基础》，张联盟等编，武汉理工大学出版社，2008年 四、试题类型： 主要包括填空题、选择题、是非题、计算题、论述题、相图分析等类型，并根据每年的考试要求做相应调整。 五、考试内容及要求 第一部分晶体结构基础 掌握：晶体的基本概念与性质，单位平行六面体的划分原则，晶体的对称要素、点群、结晶符号，晶体化学的基本原理，晶体的宏观对称，晶体的微观对称，晶胞的概念，空间群的概念，球体紧密堆积原理；以及NaCl结构、萤石结构、金红石结构，刚玉结构、钙钛矿结构、尖晶石结构，硅酸盐结构与分类，层状硅酸盐结构等典型的晶体结构类型。 熟悉：晶体的宏观对称，晶体的微观对称，晶胞的概念，空间群的概念，球体紧密堆积原理，NaCl结构、萤石结构、钙钛矿结构、尖晶石结构和层状硅酸盐结构，离子晶体结构中负离子的堆积方式、正离子的配位数、正离子占据的空隙位置。
第二部分晶体结构缺陷 掌握：点缺陷的概念与类型，热缺陷的分类，热缺陷浓度的计算，固溶体的概念与分类，能熟练书写缺陷化学反应方程式和相应的固溶式，形成连续置换型固溶体的条件，组份缺陷的形成原因，非化学计量化合物的概念与分类，间隙型固溶体的形成规律，固溶体的研究方法，位错的基本概念，刃位错与螺位错。 熟悉：点缺陷的概念与类型，固溶体的概念与分类，能熟练书写缺陷化学反应方程式和相应的固溶式，形成连续置换型固溶体的条件，组份缺陷的形成原因，刃位错与螺位错。 第三部分非晶态固体 掌握：熔体的概念，粘度的概念，玻璃的通性，玻璃态物质的形成方法，玻璃形成的热力学观点和动力学手段，形成玻璃的结晶化学条件，玻璃的结构，硅酸盐玻璃的结构特征和玻璃结构参数的计算，硼酸盐玻璃。 熟悉：玻璃的结构，粘度的概念，形成玻璃的结晶化学条件，玻璃结构参数的计算。 第四部分材料的表面与界面 掌握：固体的表面力场、晶体的表面结构，固体表面的双电层对表面能的影响，弯曲表面效应，润湿与粘附的概念与特点，表面粗糙度对润湿的影响，界面行为，晶界结构与分类，多晶体的组织；粘土的荷电性，粘土的离子吸附与交换，粘土胶体的电动性质，粘土泥浆的流动性和稳定性，粘土泥浆发生触变性的条件，粘土具有可塑性的原因。 熟悉：固体表面的双电层对表面能的影响，润湿与粘附的概念与特点，表面粗糙度对润湿的影响，粘土的荷电性，粘土泥浆的流动性和稳定性。 第五部分相图 掌握：相图的基本知识，水型物质与硫型物质，单元系统相图，可逆与不可逆多晶转变的单元相图，二元系统相图的特点，二元相图的分析，三元系统相图的特点、杠杆规则、连线规则、切线规则、重心规则、三角形规则等，三元相图的分析与析晶路程。 熟悉：可逆与不可逆多晶转变的单元相图，三元系统相图的特点，三元相图的分析与析晶路程。
第一章 原子排列与晶体结构 1. fcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,晶胞中原子数为 ，把原子视为刚性球时，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；bcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；hcp 结构的密排方向是 ，密排面 是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,， 晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 。 2. Al 的点阵常数为0.4049nm ，其结构原子体积是 ，每个晶胞中八面体间隙数为 ，四面体间隙数为 。 3. 纯铁冷却时在912ε 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构，配位数 ，致密度降低 ，晶体体积 ，原子半径发生 。 4. 在面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平 面上的方向。在hcp 晶胞的（0001）面上标出）（0121晶面和]0121[晶向。 5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。 6 在铅的（100）平面上，1mm 2有多少原子？已知铅为fcc 面心立方结构，其原子半径R=0.175×10-6mm 。 第二章 合金相结构 一、 填空 1） 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 ，塑性 ，导电性 ，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数 。 2） 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1） ； （2） ；（3） ；（4） 和环境因素。 3） 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。 4） 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为 和 。 5） 无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ，塑性 ，导电性 。 6）间隙固溶体是 ，间隙化合物是 。 二、 问答 1、 分析氢，氮，碳，硼在?-Fe 和?-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。已知元素的原子半径如下：氢：0.046nm ，氮：0.071nm ，碳：0.077nm ，硼：0.091nm ，?-Fe ：0.124nm ，?-Fe ：0.126nm 。 2、简述形成有序固溶体的必要条件。 第三章 纯金属的凝固 1. 填空 1. 在液态纯金属中进行均质形核时，需要 起伏和 起伏。 2 液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括两部分，其中 自由能
《材料科学基础》习题及答案 第一章 结晶学基础 第二章 晶体结构与晶体中的缺陷 1 名词解释：配位数与配位体，同质多晶、类质同晶与多晶转变，位移性转变与重建性转变，晶体场理论与配位场理论。 晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、离子极化、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应. 答：配位数：晶体结构中与一个离子直接相邻的异号离子数。 配位体：晶体结构中与某一个阳离子直接相邻、形成配位关系的各个阴离子中心连线所构成的多面体。 同质多晶：同一化学组成在不同外界条件下（温度、压力、pH 值等），结晶成为两种以上不同结构晶体的现象。 多晶转变：当外界条件改变到一定程度时，各种变体之间发生结构转变，从一种变体转变成为另一种变体的现象。 位移性转变：不打开任何键，也不改变原子最邻近的配位数，仅仅使结构发生畸变，原子从原来位置发生少许位移，使次级配位有所改变的一种多晶转变形式。 重建性转变：破坏原有原子间化学键，改变原子最邻近配位数，使晶体结构完全改变原样的一种多晶转变形式。 晶体场理论：认为在晶体结构中，中心阳离子与配位体之间是离子键，不存在电子轨道的重迭，并将配位体作为点电荷来处理的理论。 配位场理论：除了考虑到由配位体所引起的纯静电效应以外，还考虑了共价成键的效应的理论 图2-1 MgO 晶体中不同晶面的氧离子排布示意图 2 面排列密度的定义为：在平面上球体所占的面积分数。 （a ）画出MgO （NaCl 型）晶体（111）、（110）和（100）晶面上的原子排布图； （b ）计算这三个晶面的面排列密度。 解：MgO 晶体中O2-做紧密堆积，Mg2+填充在八面体空隙中。 （a ）（111）、（110）和（100）晶面上的氧离子排布情况如图2-1所示。 （b ）在面心立方紧密堆积的单位晶胞中，r a 220= （111）面：面排列密度= ()[] 907.032/2/2/34/222==?ππr r
材料科学基础试卷一 一. 图1是Na 2 O的理想晶胞结构示意图，试回答： 1．晶胞分子数是多少； 2．结构中何种离子做何种密堆积；何种离子填充何种空隙，所占比例是多少； 3．结构中各离子的配位数为多少，写出其配位多面体； 4．计算说明O2-的电价是否饱和； 5．画出Na 2 O结构在（001）面上的投影图。 二. 图2是高岭石(Al 2O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O)结构示意图，试回答： 1．请以结构式写法写出高岭石的化学式； 2．高岭石属于哪种硅酸盐结构类型； 3．分析层的构成和层的堆积方向； 4．分析结构中的作用力； 5．根据其结构特点推测高岭石具有什么性质。 三. 简答题： 1.晶体中的结构缺陷按几何尺寸可分为
哪几类？ 2.什么是负扩散？ 3．烧结初期的特征是什么？ 4.硅酸盐晶体的分类原则是什么？ 5.烧结推动力是什么？它可凭哪些方式推动物质的迁移？ 6.相变的含义是什么？从热力学角度来划分，相变可以分为哪几类？ 四. 出下列缺陷反应式： 1.NaCl形成肖特基缺陷； 2.AgI形成弗仑克尔缺陷（Ag+进入间隙）； 3.TiO 2掺入到Nb 2 O 3 中，请写出二个合理的方程，并判断可能成立的方程是 哪一种？再写出每个方程的固溶体的化学式。 4.NaCl溶入CaCl 2 中形成空位型固溶体 五. 表面力的存在使固体表面处于高能量状态，然而，能量愈高系统愈不稳定，那么固体是通过何种方式降低其过剩的表面能以达到热力学稳定状态的。 六.粒径为1μ的球状Al 2O 3 由过量的MgO微粒包围，观察尖晶石的形成，在恒定 温度下，第一个小时有20%的Al 2O 3 起了反应，计算完全反应的时间：⑴用杨德 方程计算；⑵用金斯特林格方程计算。 七.请分析熔体结构中负离子团的堆积方式、聚合度及对称性等与玻璃形成之关系。 八.试从结构和能量的观点解释为什么D晶界>D晶内？ 九.试分析二次再结晶过程对材料性能有何影响？工艺上如何防止或延缓二次再结晶的发生？ 十.图3是A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题： 1．写出点P，R，S的成分； 2．设有2kgP，问需要多少何种成分的合金Z才可混熔成6kg成分为R的合金。