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材料科学基础习题

第二章固体结构

1.氯化铯为有序体心立方结构,它属于: 简单立方点阵。

2.六方晶系中(1120)晶面间距(小于)(1010)晶面间距。

3.立方晶体中的[001]方向是?四次对称轴

4.理想密排六方晶体结构金属的c/a为?1.633

5.简单立方晶体中原子的配位数为?6

6.由A和B两种元素组成的固溶体,同类原子间的结合能分别为E AA,E BB,而异类原子

间的结合能为E AB。当A和B原子在该固溶体中呈现无序分布(随机分布)时?

E AA≈E BB≈E AB

7.已知fcc结构中原子在(111)面上的堆垛方式为ABCABC…,则在(001)面上的堆垛

方式为?ABAB….

8.面心立方(fcc)结构的铝晶体中,每个铝原子在本层(111)面上的原子配位数为?6

9.某单质金属从高温冷却到室温的过程中发生同素异构转变时体积膨胀,则低温相的原子

配位数比高温相?低

10.简单立方晶体的致密度为?52%

11.立方晶体中(110)和(211)面同属于( )晶带?[111]

12.金属典型的晶体结构有:[体心立方]、[面心立方]、[密排六方]

13.溶质原子半径与溶剂原子半径相近的可形成[置换]固溶体,两者半径相差较大时是[间隙]

固溶体。

14.晶体按对称性可分为[7]晶系,总共有[32]种点群和[230]种空间群。

15.面心立方堆积中,晶胞的原子数为[4],[8]个四面体间隙,[4]个八面体间隙。

16.在离子晶体结构中,正负离子构成[配位多面体],正负离子间的距离取决于[ 正负离子半

径和],配位数取决于正负离子的[半径比]。

17.形成置换固溶体的影响因素有[晶体结构类型],[电负性],和电子浓度因素

18."最紧密堆积的晶体结构有两种:一种是[ABCABC…]每个晶胞中有[4]个原子;另一种

是[ABAB…],每个晶胞中有6个原子"

19.fcc晶体若以(100)面为外表面,则表面上每个原子的最邻近原子数为[8]个

20."MgO具有NaCl 结构。根据O2-半径为0.140nm和Mg2+半径为0.072nm,则球状离子所

占据的体积分数为[68.52%],MgO 的密度为[3.5112]

21.讨论晶体结构和空间点阵之间的关系:两者之间的关系可用“空间点阵+基元=晶体结构”

来描述。空间点阵只有14种,基元可以是无穷多种,因而构成的晶体的晶体结构也是无穷多种。

22.什么是固溶体?讨论影响固溶体溶解度的主要因素。溶质原子以原子态溶入溶剂点阵中

而组成的单一均匀固体,溶剂的点阵类型被保存。影响固溶度的因素:原子尺寸因素,

负电性因素,电子浓度因素。

23.纯金属中溶入另一组元后(假设不会产生新相)会带来哪些微观结构上的变化?这些变

化如何引起性能上的变化?引起点阵畸变,点阵常数会改变;会产生局部偏聚或有序,甚至会出现超结构。因固溶强化使强度升高,塑性降低;电阻一般增大。

24.氧化镁(MgO)具有NaCl型结构,即具有O2-离子的面心立方结构。问:(1)若其离

子半径Mg2+=0.066nm,O2-=0.140nm,则其原子堆积密度为多少?(2)如果Mg2+/O2-=0.41,则原子堆积密度是否改变?0.73

25.标出具有下列密勒指数的晶面和晶向:(1)立方晶系(421),(123),[211],[311];

(2)六方晶系(2111),(1101),[2111],[1213]

第三章晶体缺陷

1. 面心立方晶体的孪晶面是:(A)

A. {112}

B. {110}

C. {111}

2. 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:(B)

A. 肖特基缺陷

B. 弗仑克尔缺陷

C.线缺陷

3. 在体心立方结构中,伯氏矢量为a[100]的位错(A)分解为a/2[111]+a/2[1-1-1]

A. 不能

B. 能

C. 可能

4. 在离子晶体中,如在局部区域形成肖克利缺陷,则这个区域中阳离子空位的浓度与()相等 A. 阴离子空位浓度 B. 间隙阴离子浓度 C. 间隙阳离子浓度

5. 两平行螺型位错,当伯氏矢量同向时,其相互作用力:

A. 为零

B. 相斥

C.相吸

6. 能进行交滑移的位错必然是:(B)

A刃型位错 B 螺型位错C混合位错

7. 不能发生攀移运动的位错是:(A)

A. 肖克利不全位错

B. 弗兰克不全位错

C. 刃型全位错

8. 在NaCl晶体中加入微量的CdCl2时,在晶体中最可能形成的缺陷是:(A)

A. Na+离子空位

B. 间隙Cd2+离子

C. 间隙Cl-离子

D. Cl-离子空位

9. 能进行攀移的位错可能是:(A)

A. 弗兰克位错

B. 肖克利位错

C.螺型全位错

10. fcc晶体中存在一刃型全位错,其伯氏矢量为1/2[1-10] ,滑移面为(111),则位错线方向平行于(B) A. [111] B. [11-2] C. [100] D. [110]

11. 层错和不完全位错之间的关系是:(D)

A. 层错和不完全位错交替出现

B. 层错和不完全位错能量相同

C. 层错能越高,不完全位错伯氏矢量的模越小

D. 不完全位错总是出现在层错和完整晶体的交界处

12. 位错线上的割阶一般通过( A )形成

A. 位错的交割

B.交滑移

C.孪生

13. 对于刃型位错线,其伯氏矢量[垂直]于位错线,其滑移方向[平行]于伯氏矢量,其攀移方向[垂直]于伯氏矢量。

14. 晶体在外力作用下内部运动着的位错会产生交截现象,即产生割接和扭着,其长度与相交截位错的[伯氏矢量的模]相同,而如果割接的滑移与主位错线的滑移不一致,主位错线会拖曳割阶产生攀移运动,从而产生[割阶硬化]。

15. 多晶体中的晶界有大角与小角晶界之分,通常大角与小角晶界的鉴定角度是[10]度,其角度的含义是[相邻晶粒的位向差]。对于小角度晶界按特征又划分为[对称倾斜]、[不对称倾斜]和[扭转]等多种类型。

16. 刃型位错既可作[滑移]运动,又可以作[攀移]运动;而螺型位错只能作[滑移]运动,因为它没有固定的[半原子面]。

17. 实际晶体中主要存在三类缺陷,其中点缺陷有[空位]、[间隙原子]和[杂质];线缺陷有[位错];面缺陷有[晶界]、[相界]等。

18. 位错密度有[体密度]和[面密度]两种表达形式

19. 小角度晶界由位错构成,其中对称倾斜晶界由[刃型]位错构成,扭转晶界由[螺型]位错构成

20. 根据相界面上原子排列结构不同,可把固体中的相界面分为[共格]、[半共格]和[非共格]界面。

21. 过饱和点缺陷是热力学平衡缺陷。F

22. 在同一滑移面上,符号相同的刃位错相互作用的结果是使位错彼此远离。T

23. 两侧晶粒位向差小于2°的称为大角度晶界。F

24. 层错是由于晶体点阵中局部存在多余的半原子面的结果。F

25. 位错密度越高,相应位错的伯氏矢量愈大。F

26. 刃型位错和螺型位错的伯氏矢量随着位错线方向矢量的改变而改变。F

27. 交滑移是交替滑移的简称。F

28. 小角度晶界的晶界能比大角度晶界的晶界能高。F

29. 晶体内若有较多的线缺陷或面缺陷,其强度会明显提高,这些现象称为什么?强度提高

的原因是什么?称为形变强化和晶界强化。原因是两类缺陷的增多都明显阻碍位错的运动,从而提高强度。

30. 分析位错的增值机制? 若某滑移面上有一段刃位错AB,它的两端被位错网节点钉住不

能运动。现沿位错b方向加切应力,使位错沿滑移面向前滑移运动,形成一闭合的位错环和位错环内的一小段弯曲位错线。只要外加应力继续作用,位错环便继续向外扩张,同时环内的弯曲位错在线张力作用下又被拉直,恢复到原始状态,并重复以前的运动,络绎不绝地产生新的位错环,从而造成位错的增殖,并使晶体产生可观的滑移量。

31. 解释位错的基本概念,总结位错在材料中的作用?位错是晶体结构中一种排列缺陷,可

以分为刃型位错,螺型位错和混合位错。位错可以极大影响材料性能表现,位错在材料中的作用有多种:(1)金属材料的塑性变形是通过位错运动完成的。(2)位错周围具有畸变应力场,与第二相粒子,通过切过或绕过机制强化材料,冷加工位错密度增加也能强化材料,或通过位错运动中相互交截形成割阶、面角位错等使材料强化,可以影响材料的强度。(3)影响第二相的析出,对再结晶中的晶核形成机制等固态相变有影响。

(4) 位错周围是优先扩散通道。

第四章扩散

1. 菲克第一定律描述了稳态扩散的特征,即浓度不随(B)变化。

A.距离

B.时间

C.温度

2. 在置换固溶体中,原子扩散的方式一般为(C)。

A.原子互换机制

B. 间隙机制

C.空位机制

3. 原子扩散的驱动力是(B )A组元的浓度梯度B组元的化学势梯度C温度梯度

4. 在柯肯达尔效应中,标记漂移主要原因是扩散偶中(C)。

A两组元的原子尺寸不同B仅一组元的扩散C两组元的扩散速率不同

5. A和A-B合金焊合后发生柯肯达尔效应,测得界面向A试样方向移动,则(A )。

A. A组元的扩散速率大于B组元

B. 与(A)相反

C. A、B两组元的扩散速率相同

6. fcc、bcc、hcp三种晶体结构的材料中,塑性形变时最容易形成孪晶的是(hcp)。

7. ( A ),位错滑移的派-纳力越小

A. 位错的宽度越大

B. 滑移方向上的原子间距越大

C. 相邻位错的距离越大

8. 形变后的材料再升温时发生回复和再结晶现象,则点缺陷浓度下降明显发生在(A)

A. 回复阶段

B. 再结晶阶段

C. 晶粒长大阶段

9. 退火孪晶出现的几率与晶体层错能的关系是(B)

A. 无关,只与退火温度和时间有关

B. 层错能低的晶体出现退火孪晶的几率高

C. 层错能高的晶体出现退火孪晶的几率高

10. 下述有关自扩散的描述中正确的为(C)

A. 自扩散系数由浓度梯度引起

B. 自扩散又称为化学扩散

C. 自扩散系数随温度升高而增加

11. 对Fe-Cr-C三元系合金进行渗碳的反应扩散,则该合金中不能出现(C)。

A. 单相区

B. 两相区

C. 三相区

12. Cu-Al合金和Cu焊接成的扩散偶发生柯肯达尔效应,发现原始标记面向Cu-Al合金一侧

漂移,则两元素的扩散通量关系为(B )

A. J(Cu)>J(Al)

B. J(Cu)

C. J(Cu)=J(Al)

13. 在fcc、bcc、hcp三种晶体结构的材料中,形变时各向异性行为最显著的是hcp

14. 面心立方金属发生形变孪生时,则孪晶面为(A)

A. {111}

B. {110}

C. {112}

15. 再结晶结束后发生晶粒长大时的驱动力主要来自(C)。

A. 高的外加温度

B. 高的材料内部应变能

C. 高的总界面能

16. 形变后的材料在低温回复阶段时其内部组织发生显著变化的是(A)

A. 点缺陷的明显下降

B. 形成亚晶界

C. 位错重新运动的分布

17. 在TiO2中,当一部分Ti4+还原成Ti3+,为了平衡电荷就出现(B)。

A. 氧离子空位

B. 钛离子空位

C. 阳离子空位

18. 从金属与合金的角度看,冷加工和热加工一般是以( B )温度为界限区分的

A. 结晶

B. 再结晶

C. 相变

19. 单晶体的临界分切应力值与(A )有关

A. 外力相对于滑移系的取向

B. 拉伸时的屈服应力

C. 晶体的类型和纯度

20. 欲通过形变和再结晶方法获得细晶粒组织,应避免:(A)

A. 在临界形变量进行塑性变形加工

B. 大变形量

C. 较长的退火时间

21. 冷变形使金属中产生大量的空位、位错等晶体缺陷,对置换固溶体中的扩散过程而言,

这些缺陷的存在将导致:(C)

A. 阻碍原子的移动,减慢扩散过程

B. 有时会加速扩散,有时会减弱扩散

C. 加速原子的扩散过程

22. 下列有关固体扩散的说法中,正确的是:(C)

A.原子扩散的驱动力是存在浓度梯度

B. 空位扩散是指间隙固溶体中溶质原子从一个间隙跳到另一个间隙

C. 成分均匀的材料中也存在着扩散

23. 金属镁的单晶体处于软取向时塑变量可达100%-200%,但其多晶体的塑性很差,其主要

原因是(C)

A. 镁多晶体的晶粒通常较粗大

B. 镁多晶体通常存在裂纹

C. 镁滑移系通常较少

24. 既能提高金属的强度,又能降低其脆性的手段是(B)

A. 固溶强化

B. 晶粒细化

25. 在金相试样表面上几组交滑移线的产生是由于(B)

A. 交滑移

B. 多系滑移

C. 单滑移

26. 位错塞积的一个重要效应是在它的前端引起(A)

A. 应力集中

B. 应力松弛

C. 应力偏转

27. 金属经冷塑性变形后,其强度和硬度[升高],塑性和韧性[下降],这种现象称为[加工硬

化]。

28. 在常温和低温下,金属的塑性变形主要是通过[滑移]的方式进行的。此外还有[孪生]和[扭

折]等方式

29. 冷变形金属加热过程中发生回复的驱动力是:[冷变形过程中的存储能]

30. 金属塑性变形过程中发生孪生后,孪晶面两边的晶体位向呈现[对称关系],并且晶体是

[均匀]切变的。

31. 冷塑性变形金属低温回复时,主要是[点缺陷的消失],高温回复时,主要是发生[多边形

化]。

32. 动态回复与动态再结晶是指在变形过程中[软化与形变硬化]同时进行。

33. 多晶体塑性变形的特点是[不等时]性、[协调]性和[不均匀]性。

34. 面心立方晶体的滑移面是[{111}],滑移方向是[〈110〉]、可组成[12]个滑移系。

35. 上坡扩散是指扩散原子从[低浓度]向[高浓度]的扩散,产生上坡扩散的原因是合金中存

在着[化学势梯度]。

36. 再结晶完成后,晶粒长大可分为[正常]晶粒长大和[异常]晶粒长大。

37. 强化金属材料的方法有[细晶]强化、[固溶]强化、[弥散]强化和[位错]强化

38. 发生在固态晶体中的扩散,根据伴随原子扩散是否产生新的相结构,可分为[原子]扩散

和[反应]扩散。

39. 多晶体材料塑性变形至少需要[5]个独力滑移系开动

40. 在拉伸单晶时,滑移面转向与外力轴成[45]角度时最易滑移。

41. 简述塑性变形对材料组织和性能的影响?

组织结构:(1)形成纤维组织:晶粒沿变形方向被拉长;(2)形成位错胞;(3)晶粒转动形成变形织构。

力学性能:位错密度增大,位错相互缠绕,运动阻力增大,造成加工硬化。物理化学性能:其变化复杂,主要对导电,导热,化学活性,化学电位等有影响。

体系能量:包括两部分:(1)因冷变形产生大量缺陷引起点阵畸变,使畸变能增大;(2)因晶粒间变形不均匀和工件各部分变形不均匀引起的微观内应力和宏观内应力。这两部分统称为存储能,其中前者为主要的。

42. 试用位错理论解释低碳钢冷拉伸变形时的屈服现象。

低碳钢中的少量碳、氮原子与晶体中的位错发生交互作用,主要是弹性交互作用,形成柯氏气团,对位错起钉扎作用,使其运动阻力增大,导致应力-应变曲线上出现上屈服点,当位错摆脱柯氏气团的钉扎作用后,应力下降出现下屈服点,发生屈服伸长;

继续变形,由于位错密度增加产生应变硬化作用,应力又复提高。这时卸载后立即加载,由于位错已摆脱柯氏气团的钉扎作用,故不出现屈服现象;若放置一段时间或加热一定时间,由于碳、氮原子又与位错发生交互作用形成柯氏气团,故又出现屈服现象,因位错密度的增加,故此时的屈服应力升高。

43. 为什么滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。

因为原子密度最大的晶面其面间距最大,点阵阻力最小,因而容易沿着这些面发生滑移;滑移方向为原子密度最大的方向是由于最密排方向上的原子间距最短,即位错b 最小。

44. 请简述回复的机制及其驱动力。

答:低温机制:空位的消失

中温机制:对应位错的滑移(重排、消失)

高温机制:对应多边化(位错的滑移+攀移)

驱动力:冷变形过程中的存储能(主要是点阵畸变能)。

45. 请简述扩散的微观机制有哪些?影响扩散的因素又有哪些?

答:置换机制:包括空位机制和直接换位与环形换位机制,其中空位机制是主要机制,直接换位与环形换位机制需要的激活能很高,只有在高温时才能出现。

间隙机制:包括间隙机制和填隙机制,其中间隙机制是主要机制。

影响扩散的主要因素有:温度(温度约高,扩散速度约快);晶体结构与类型(包括致密度、固溶度、各向异性等);晶体缺陷;化学成分(包括浓度、第三组元等)。

46. 分析和讨论冷加工金属或合金塑性变形后回复再结晶过程中组织和性能的变化特征。

随退火温度的升高或时间延长,出现亚晶合并长大,再结晶形核及长大,无位错的等轴再结晶晶粒取代长条状高位错密度的形变晶粒,然后是晶粒正常长大。储存能逐渐被释放,特别是再结晶阶段释放的最显著;硬度及强度下降,伸长率上升;电阻降低,密度提高。再结晶时各种性能变化都比回复时强烈得多。

47. 以位错理论说明纯金属冷变形强化的原因,如何消除加工硬化?

强化原因:位错交割产生扭折和割阶,位错反应产生不可动位错,位错增殖使位错密度增加。

消除加工硬化的方法:再结晶退火。

第678章相图

1. 有效分配系数K e表示液相的混合程度,其值范围是(B)。

A.1<K e<K0 B. K0<K e<1 C. K e<K0<1

2. 碳钢与铸铁的区别在于有无(A)。

A. 莱氏体

B. 珠光体

C. 铁素体

3. 在二元系相图中,计算两相相对量的杠杆法则只能用于(B)。

A. 单相区中

B. 两相区中

C. 三相平衡水平线上

4. 在三元系浓度三角形中,凡成分位于(A)上的合金,它们含有另两个顶角所代表的两组元含量相等。

A. 通过三角形顶角的中垂线

B. 通过三角形顶角的任意直线

C. 通过三角形顶角与对边成45°的直线

5. 在三元系相图中,三相区的等温截面都是一个连接的三角形,其顶点触及(A)。

A. 单相区

B. 两相区

C. 三相区

6. 根据三元相图的垂直截面图,可以(B)。

A. 分析相成分的变化规律

B. 分析合金的凝固过程

C. 用杠杆法则计算各相的相对量

7. 凝固时在形核阶段,只有核胚半径等于或大于临界尺寸时才能成为结晶的核心。当形成的核胚其半径等于临界尺寸时,体系自由能变化。(C)

A. 大于零

B. 等于零

C. 小于零

8. 铸锭凝固时如大部分结晶潜热可通过液相散失时,则固态显微组织主要为(A)。

A. 树枝晶

B. 柱状晶

C. 球晶

9. 在单元系的P-T相图内,当高温相向低温度相转变时体积收缩,则根据克劳休斯-克拉珀龙方程,(A)。

A. dp/dT>0

B. dp/dT=0

C. dp/dT<0

10. 凝固时不能有效降低晶粒尺寸的是以下哪种方法?(B)

A. 加入形核剂

B. 减小液相的过冷度

C. 对液相实施搅拌

11. 特定成分的Pb-Sn合金在室温能形成共晶组织α+β原因的描述正确的为(B)。

A. α相和β相的自由能相等

B. α内Pb原子的化学势与β内Pb原子的化学势相等

C. α内Pb原子的化学势与β内Sn原子的化学势相等

12. 对离异共晶和伪共晶的形成原因,下述说法正确的是(B):

A. 离异共晶只能晶平衡凝固获得

B. 伪共晶只能经非平衡凝固过程获得

C. 形成离异共晶的原始液相成分接近共晶成分

13. Fe―Fe3C合金中,合金具有最好流动性(C)

A. C% = 4.00%

B. C% = 4.30%

C. C% = 4.80%

14. 均匀形核时系统自由能的变化包括:(C)

A. 体自由能的变化

B. 界面能的变化

C. A和B

15. 在A-B-C三元系的成分三角形中,成分点位于平行于AB边的直线上的所有合金其[C]组元的含量为定值。

16. 在二元系中,在一定的温度下所发生的转变L1=L2+α叫做[偏晶]转变。

17. 区域提纯依据的原理是[固溶体定向凝固时溶质再分布]。

18. 典型铸锭组织通常有[表层细晶区]、[柱状晶区]、[中心等轴晶区]。

19. 铁碳合金室温平衡组织均由[铁素体]和[渗碳体]两个基本相组成

20. Fe3CⅠ是从[液相]中析出的,Fe3CⅡ是从[奥氏体]中析出的,Fe3CⅢ是从[铁素体]中析出的,它们的含碳量为

21. 晶体固液界面分为光滑界面和粗糙界面,按照长大速度由慢到快其长大方式依次为[二维晶核长大]、[晶体缺陷长大]、[垂直长大]。

22. 铁碳合金中可能存在的渗碳体有五种,按照形成温度由高到低,依次是:[一次渗碳体]、[共晶渗碳体]、[二次渗碳体]、[共析渗碳体]、[三次渗碳体]。

23. 铁素体是碳在[α-Fe]中的[间隙]固溶体,和纯铁相比,其强度和硬度[升高],塑性和韧性[降低],这是由于[固溶]强化的结果。

24. 为什么在正温度梯度下凝固时,纯金属以平面状方式生长,而固溶体合金却通常以树枝晶方式长大?两者在凝固过程中的异同点有哪些?

纯金属在结晶时其界面是粗糙的,在正温度梯度下进行长大。由于晶体长大时通过固

相模壁散热,固液界面是等温的。若取得动态过冷度界面就向前移动。如果界面局部有小的凸起伸向过热的液相中,小凸起将被熔化,故界面一直保持平直,晶体以平面状长大。固溶体结晶时会出现成分过冷,在固液界面前出现成分过冷区。此时界面如有任一小的凸起它将伸入成分过冷区而获得过冷就能继续生长下去,故界面不能保持平直稳定会出现树枝晶。

25. 何谓成分过冷?成分过冷对晶体生长形态有何影响?

答:成分过冷是指固溶体合金在冷却过程中,由于液相中溶质的分布发生变化,合金熔点也随之发生变化,即使实际温度分布不变,固液界面前沿的过冷度也会发生变化,固溶体合金的过冷度是由变化着的合金熔点与实际温度分布两个方面的因素决定的。这种因液相成分变化而形成的过冷称为成分过冷。产生成分过冷后,即使在正温度梯度下,结晶时也会以胞状晶的方式长大,当过冷度再大时,会产生树枝状生长晶体。

26. 何谓平衡分配系数?其物理意义是什么?

答:平衡分配系数:固溶体合金在结晶过程中具有选分结晶的特点。因此在一定温度下平衡时,固相成分与液相成分之比称为平衡分配系数。

该系数反映了溶质在固液两相中的分配系数及溶质对合金熔点的影响程度。

27. 简述钢与白口铁在化学成分、显微组织和机械性能方面的主要差别。

答:钢的含碳量小于2.11%,白口铁的含碳量大于2.11%;钢的基本组织是珠光体,白口铁的基本组织是莱氏体;钢的韧性好,白口铸铁较脆,硬度高。

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