胡赓祥《材料科学基础》第3版章节题库(材料的形变和再结晶)【圣才出品】
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第1章 原子结构与键合一、简答题1.固体材料中,内层电子状态通常用哪些量子数描述?外层电子状态通常使用的量子数有哪些?答:固体材料中内层电子状态通常用主量子数n、角(动量)量子数l、磁量子数m 和自旋量子数m s来描述。
固体材料中外层电子状态通常用电子波矢(k x,k y,k z)和自旋量子数m s来描述。
2.原子中一个电子的空间位置和能量可用哪4个量子数来决定?答:主量子数n、轨道角动量量子数l i、磁量子数m i和自旋角动量量子数s i。
3.在多电子的原子中,核外电子的排布应遵循哪些原则?答:能量最低原理,Pauli不相容原理,Hund规则。
4.在元素周期表中,同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点?从左到右或从上到下元素结构有什么区别?它的性质如何递变?答:同一周期元素具有相同原子核外电子层数,但从左→右,核电荷依次增多,原子半径逐渐减小,电离能增加,失电子能力降低,得电子能力增加,金属性减弱,非金属性增强;同一主族元素最外层电子数相同,但从上→下,电子层数增多,原子半径增大,电离能降低,失电子能力增加,得电子能力降低,金属性增加,非金属性降低。
5.何谓同位素?为什么元素的相对原子质量不总为正整数?答:在元素周期表中占据同一位置,尽管它们的质量不同,然而它们的化学性质相同,这种物质称为同位素。
由于各同位素所含的中子量不同(质子数相同),故具有不同含量同6.原子间的结合键共有几种?各自的特点如何?答:7.S的化学行为有时像2价的元素,而有时却像4价元素。
试解释S这种行为的原因。
答:S的最外层电子为3s23p4。
S与H结合成H2S时,接受2个电子,故为2价;S 与O结合成SO2时,此时S供给4个电子,故为4价。
8.尽管HF的相对分子质量较低,试解释:为什么HF的沸腾温度(19.4℃)要比HCI的沸腾温度(-85℃)高?答:由于HF分子间结合力是氢键,而HCI分子间结合力是范德瓦耳斯力,氢键的键能高于范德瓦耳斯力的键能,因此HF的沸点要比HCI的高。
第4章 固体中原子及分子的运动一、选择题1.由纯A 和A-B 固溶体形成的互扩散偶(柯肯达尔效应),以下表述正确的是( )。
[上海交通大学2005研]A .俣野面两侧的扩散原子其化学势相等:,A A A AB μμ-=B B A A Bμμ-=B .该扩散为上坡扩散C .空位迁移方向与标记面漂移方向一致【答案】C2.有一级稀的fcc 结构的间隙固溶体,设a 0为晶格常数,为间隙原子延扩散方向ν的振动频率,为从平衡位置到势垒顶点的自由能改变量,则扩散系数可与表示为(rn G ∆)。
[浙江大学2007研]A .2rn 0exp G D a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭B .2rn 01exp 6G D a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭C .2rn 02exp GD a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭【答案】A3.下列有关固体中扩散的说法中,正确的是( )。
[东南大学2006研]A .原子扩散的驱动力是存在着浓度梯度B .空位扩散是指间隙固溶体中的溶质原子从一个间隙跳到另一个间隙C .晶界上点阵畸变较大,因而原子迁移阻力较大,所以比晶内的扩散系数要小D .成分均匀的材料中也存在着扩散【答案】D4.912℃下的晶胞体积为0.02464nm ,而转变为晶胞晶体为Fe α-Fe γ-0.0486nm ,在该温度单位质量转变为时,其体积( )。
[哈尔滨工业大学Fe γ-Fe α-2007研]A .膨胀B .收缩C .不变D .不能确定【答案】A二、填空题1.扩散系数与温度的关系式是_________。
在高温阶段和低温阶段,扩散系数较大的是_________。
[天津大学2010研]【答案】;低温阶段0exp(/)D D Q RT =-2.线性高分子可反复使用,称为________塑料;交联高分子不能反复使用,称为________塑料。
[北京工业大学2009研]【答案】热塑性;热固性3.从F -R 源模型考虑,金属沉淀强化后的屈服强度与沉淀相粒子平均间距L 的关s σ系为_______。
第4章 固体中原子及分子的运动一、选择题1.影响扩散速率的最主要因素是( )。
A .固溶体类型B .晶体结构C .温度【答案】C2.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征,即浓度不随( )变化。
A .距离B .时间C .温度【答案】B二、判断题扩散的驱动力是浓度梯度,所有扩散系统中,物质都是由高浓度处向低浓度处扩散。
【答案】×【解析】扩散的驱动力是化学势梯度,扩散也可以从低浓度向高浓度进行。
三、简答题1.试分析高分子的分子链柔顺性和分子量对黏流温度的影响。
答:由链段与能垒(势垒)差的关系可知:分子链柔顺性越好,链内旋转的势垒(△ε)越低,流动单元链段也越短。
按照高分子流动的分段移动机理,此时柔性分子链流动所需要的自由体积空间小,因而在比较低的温度下就可能发生黏性流动。
当相对分子质量越小时,分子链之间的内摩擦阻力越小,分子链的相对运动更容易些,因而黏流温度就降低。
2.已知聚乙烯的玻璃化转变温度T g =-68℃,聚甲醛的T g =-83℃,聚二甲基硅氧烷的T g =-128℃,试分析高分子链的柔顺性与它们的T g 的一般规律。
答聚乙烯的重复单元结构为:—CH2—CH 2—;聚甲醛的重复单位结构为:—CH 3—O—,聚二甲基硅氧烷的重复单元结构为:因Si—O 键的内旋转C—O 比键容易,而C—O 键的内旋转又比C—C 键容易,内旋转越容易,分子链柔顺性越好。
由此可知随着柔顺性的提高,温度T g 就降低。
3.50%结晶高分子的模量与随温度的变化,如图4-1所示。
(1)在图中粗略画出不同模量范围内的玻璃态、皮革态、橡胶态和黏流态的位置,并说明原因。
(2)在该图上粗略画出完全非晶态和完全晶态的模量曲线,并说明原因。
图4-1答:(1)不同模量对应高分子不同的状态,如图4-2(a)所示:在低温端,50%的非晶区,链段不能开动,表现为刚性,模量高;随着温度的提高,链段可运动,随之模量下降,高分子显示出晶区的强硬和非晶区的部分柔顺的综合效应,即又硬又韧的皮革态;当非晶区随温度进一步提高而链段可动性更大时,柔顺性更好,显示高弹性(即橡胶态)。
胡赓祥《材料科学基础》第3版章节题库第1章原子结构与键合一、简答题1.何谓同位素?为什么元素的相对原子质量不总为正整数?答:在元素周期表中占据同一位置,尽管它们的质量不同,然而它们的化学性质相同,这种物质称为同位素。
由于各同位素所含的中子量不同(质子数相同),故具有不同含量同位素的元素,总的相对原子质量不总为正整数。
2.S的化学行为有时像2价的元素,而有时却像4价元素。
试解释S这种行为的原因。
答:S的最外层电子为3s23p4。
S与H结合成H2S时,接受2个电子,故为2价;S 与O结合成SO2时,此时S供给4个电子,故为4价。
3.尽管HF的相对分子质量较低,试解释:为什么HF的沸腾温度(19.4℃)要比HCl的沸腾温度(-85℃)高?答:由于HF分子间结合力是氢键,而HCl分子间结合力是范德瓦耳斯力,氢键的键能高于范德瓦耳斯力的键能,因此HF的沸点要比HCl的高。
4.高分子材料按受热的表现可分为热塑性和热固性两大类,试从高分子链结构角度加以解释。
答:热塑性:具有线型和支化高分子链结构,加热后会变软,可反复加工再成形;热固性:具有体型(立体网状)高分子链结构,不溶于任何溶剂,也不能熔融,一旦定型后不能再改变形状,无法再生。
5.已知某元素原子序数为32,根据原子的电子结构知识,试指出它属于哪个周期?哪个族?并判断其金属性的强弱。
答:1s22s22p63s23p63d104s24p2;第四周期;IVA族;亚金属Ge。
其处于周期表中金属区与非金属区的交界线上,金属性较弱。
6.图1-1中绘出3类材料——金属、离子晶体和高分子材料之能量与距离的关系曲线,试指出它们各代表何种材料。
图1-1答:a:高分子材料;b:金属材料;c:离子晶体。
7.分别绘出甲烷(CH4)和乙烯(C2H4)的原子排列与键合。
答:见图1-2。
图1-2(a)CH 4分子呈四面体结构,每个C 有4个共价键,每个H 有1个共价键,分子间靠范德瓦耳斯力维系。
材料科学基础胡赓祥第3版配套题库——才聪学习网胡赓祥《材料科学基础》(第3版)配套题库【考研真题精选+章节题库】目录第一部分考研真题精选一、选择题二、填空题三、判断题四、名词解释五、简答题六、综合题第二部分章节题库第1章原子结构与键合第2章固体结构第3章晶体缺陷第4章固体中原子及分子的运动第5章材料的形变和再结晶第6章单组元相图及纯晶体的凝固第7章二元系相图和合金的凝固与制备原理第8章三元相图第9章材料的亚稳态第10章材料的功能特性•试看部分内容考研真题精选一、选择题1以下关于调幅分解的正确表述是()。
[国防科技大学201 6年研]A.调幅分解是个自发分解过程,不需要形核功B.调幅分解也是通过晶核的形成和晶核的长大过程完成的C.相图上成分位于固溶体分解线内的合金均可以产生调幅分解【答案】A查看答案【解析】调幅分解属于连续的无核相变,其始于固溶体中的成分起伏,依靠上坡扩散时浓度差越来越大,最终使均匀固溶体变为不均匀固溶体,原固溶体以及新形成的两种固溶体的结构相同;而钢中的相变大多属于有核相变型,始于结构起伏,相界面在相转变中具有极重要的作用。
2高温下晶粒正常长大时,晶界迁移将受到第二相颗粒的阻碍。
以下说法正确的是()。
[国防科技大学2017年研]A.第二相含量越多,颗粒越粗大,阻力越大B.第二相含量越少,颗粒越粗大,阻力越大C.第二相含量越多,颗粒越细小,阻力越大【答案】C查看答案【解析】通常,在第二相颗粒所占体积分数一定的条件下,颗粒越细,其数量越多,则晶界迁移所受到的阻力也越大,故晶粒长大速度随第二相颗粒的细化而减小。
3由两个不同成分的液相在恒温下转变为一定成分的固相的反应叫()。
[沈阳工业大学2015年研]A.包晶反应B.合晶反应C.偏晶反应【答案】B查看答案【解析】常见的二元相图的反应式和图形特征,如下表所示:表14在不平衡结晶条件下,成分点在共晶附近的合金也可能全部转变成共晶合金,这种非共晶成分的共晶组织称为()。
5.1复习笔记一、弹性和黏弹性1.弹性变形的本质弹性变形是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形,当无外力作用时,晶体内原子间的结合能和结合力可通过理论计算得出,它是原子间距离的函数,如图5-1所示。
图5-1晶体内的原子间的结合能和结合力(a)体系能量与原子间距的关系(b)原子间作用力和距离的关系原子处于平衡位置时,其原子间距为r0,势能U处于最低位置,相互作用力为零。
当原子受力偏离其平衡位置时,原子间距增大时将产生引力;原子间距减小时将产生斥力,外力去除后,原子都会恢复其原来的平衡位置,所产生的变形便完全消失,这就是弹性变形。
2.弹性变形的特征和弹性模量弹性变形的主要特征是:(1)理想的弹性变形是可逆变形,加载时变形,卸载时变形消失并恢复原状;(2)金属、陶瓷和部分高分子材料不论是加载或卸载时,只要在弹性变形范围内,其应力与应变之间都保持单值线性函数关系,即服从胡克定律:①在正应力下:σ=Eε,②在切应力下:τ=Gγ,弹性模量与切变弹性模量之间的关系为:式中,υ为材料泊松比,表示侧向收缩能力,在拉伸试验时系指材料横向收缩率与纵向伸长率的比值。
弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度,反映原子间结合力,是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。
(3)弹性的不完整性①包申格效应材料经预先加载产生少量塑性变形,而后同向加载则σe升高,反向加载则σe下降。
②弹性后效在弹性极限范围内,应变滞后于外加应力,并和时间有关的现象称为弹性后效或滞弹性。
③弹性滞后由于应变落后于应力,在σ-ε曲线上使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线,称之为弹性滞后,如图5-2所示。
图5-2弹性滞后(环)与循环韧性(a)单向加载弹性滞后(环)(b)交变加载(加载速度慢)弹性滞后(c)交变加载(加载速度快)弹性滞后(d)交变加载塑性滞后(环)④黏弹性黏弹性变形既与时间有关,又具有可回复的弹性变形性质,即具有弹性和黏性变形两方面的特征。
第8章 三元相图一、选择题1.如图8-1所示三元合金相图中,共晶反应的三相平衡的连接三角形应为()。
[上海交通大学2006研]图8-1【答案】A2.下列四相平衡反应中,属于包共晶反应的是( )。
[华中科技大学2006研]A .L α+β+γ→B .L αβ+γ+→C .L α+βγ+→【答案】B3.在三元系中有哪些四相平衡反应结束后可能有液相剩余?( )[东南大学2006研]A .共晶和包晶B .共晶和包共晶C .包晶和包共晶D .包晶和包析【答案】C4.利用三元相图的变温界面图可以( )。
[哈尔滨工业大学2007研]A .确定三元合金平衡相的成分B .定性分析三元合金的平衡结晶过程C .确定平衡相的含量D .应用杠杆定律和重心法则【答案】B台图8-2二、简答题1.三元相图如图8-3所示。
图8-3(1)确定含、、的物料从高温冷却时初始凝固温度和液相全部凝固温度。
(2)写出该成分点的析晶过程。
(3)根据此三元相图画出的二元相图示意图。
[北京工业大学2007研]答:(1)、、的物料从高温冷却时初始凝固温度为750℃,液相全部凝固温度425℃。
(2)该成分点的析晶过程为(3)如图8-4所示。
图8-42.A-B-C 三元相图如图8-5所示。
(1)划分分三角形。
(2)标出界线的性质(共熔界线用单箭头,转熔界线用双箭头)。
(3)指出化合物S 、D 的性质。
(4)说明E 、H 、R 点的性质,并列出相变式。
(5)分析M 点的析晶路程(表明液、固相组成点的变化,并在液相变化的路径中注明各阶段的相变化和自由度数)。
[南京工业大学2009研]答:(1)划分成3个分三角形,如图8-5所示。
(2)如图8-5所示。
(3)S :不一致熔三元化合物;D :一致熔二元化合物。
(4)E :低共熔点L E →B +C+S f =0H:单转熔点R :单转熔点(5)液相:固相:图8-53.如图8-6所示为V-Cr-C 三元系液相图投影图(示意图)的一部分,请列出所有四相平衡反应的反应式,并说明属于什么反应。
胡赓祥《材料科学基础》第3版章节题库第8章三元相图一、选择题在三元相图中,常用的成分三角形是()。
A.等边三角形B.直角三角形C.等腰三角形【答案】A【解析】根据相律,在恒温恒压下可以用平面图形来表示体系的状态与组成之间的关系,即三元相图。
在三元相图中,通常用等边三角形来表示各组分的浓度。
二、简答题1.图8-1为固态有限互溶三元共晶相图的投影图,请回答下列问题:(1)指出三个液相面的投影区;(2)指出e3E线和E点表示的意义;(3)分析合金N的平衡结晶过程。
图8-1答:(1)三个液相面的投影区分别为:Ae1Ee3A、Be2Ee1B、Ce3Ee2C。
(2)e3E线:α与γ的共晶线;E点:三元(四相)共晶点。
(3)N点合金的平衡结晶过程:L→L→γ→L→β+γ→L→α+β+γ2.图8-2是A-B-C三元系统相图,根据相图回答下列问题:(1)在图上划分副三角形、用箭头表示各条界线上温度下降方向及界线的性质;(2)判断化合物D、M的性质;(3)写出各三元无变量点的性质及其对应的平衡关系式。
图8-2答:(1)如图8-3所示。
图8-3(2)D的性质:一致熔融二元化合物,高温稳定、低温分解;M的性质:不一致熔融三元化合物。
(3)E1,单转熔点,L+A↔C+M;E2,低共熔点,L↔C+B+M;E3,单转熔点,L +A↔B+M;E4,过渡点,D L↔A+B。
3.三组元A,B和C的熔点分别是1000℃,900℃和750℃,三组元在液相和固相都完全互溶,并从三个二元系相图上获得下列数据。
图8-4表8-1(1)在投影图上作出950℃和850℃的液相线投影。
(2)在投影图上作出950℃和850℃的固相线投影。
(3)画出从A组元角连接到BC中点的垂直截面图。
答:(1)根据已知条件分别作AB,AC和BC二元相图,并假设液相线和固相线是光滑的,然后在三个二元相图上作950℃的割线,可在AB二元相图上得到与液相线相交点的B,A的质量分数约为70%,30%,在AC二元相图上与液相线相交点的C,A的质量分数约为35%,65%,而在BC相图上则不与液相线相交。
第3章 晶体缺陷一、选择题1.在面心立方晶体中原子层沿[111]堆垛时,()的堆垛称为孪晶。
[上海交通大学2006研]A.ABCACBAB.ABCBCABC.ABABCAB【答案】A2.两平行螺型位错,当柏氏矢量同向时,其相互作用力()。
[华中科技大学2006研]A.为零B.相斥C.相吸【答案】B3.弗伦克缺陷是()。
[浙江大学2007研]A.原子移到表面外新的位置,原来位置则形成空位B.原子离开平衡位置后,形成间隙原子,而原来位置上形成空位,成对产生C.正、负离子的二元体系,原子移到表面新的位置,原来位置空位成对出现【答案】B4.间隙相和离子晶体()。
[东南大学2006研]A.可以有相同的晶体结构B.可以有相同的空间点阵,但不可能有相同的晶体结构C.可以有相同的晶体结构,但不可能有相同的空间点阵D.既不可能有相同的晶体结构,也不可能有相同的空间点阵【答案】A二、填空题根据界面上原子排列结构不同,可把固体中的相界面分为、和界面。
[北京工业大学2008研]【答案】共格;非共格;半共格三、判断题以界面能降低为晶粒长大驱动力时,晶界迁移总是向着晶界曲率中心方向。
()[北京工业大学2008研]【答案】√四、名词解释1.交滑移[北京理工大学2006研]答:在晶体中,出现两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移,这种滑移称为交滑移。
发生交滑移时会出现曲折或波纹状的滑移带。
最容易发生交滑移的是体心立方金属,因其可以在{110}{112}{123}晶面上滑移,而滑移方向总是[111]。
交滑移产生的难易程度与晶体的层错能有关,层错能高的材料易发生交滑移。
交滑移必须是纯螺型位错,因其滑移面不受限制。
交滑移对晶体的塑性变形有重要影响。
2.全位错与不全位错[西安交通大学2009研]答:全位错是指柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错;不全位错是指柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错。
3.肖脱基空位[北京工业大学2008研]答:离位原子迁移到外表面或内界面(如晶界等)处形成的空位称为肖脱基空位。
第10章 材料的功能特性一、简答题1.提高钢材耐蚀性的主要方法有哪些?为什么说Cr 是不锈钢中最重要的合金元素?答:(1)提高钢材耐蚀性的主要方法有:在表面形成致密氧化膜、提高基体电极电位、形成单相组织。
(2)Cr 可形成表面致密氧化膜Cr 2O 3,可提高电极电位,可形成单相铁素体。
2.对能带理论与量子自由电子理论所给出的固体材料中外层电子状态特点进行比较,指出其异同点。
答:(1)相同点。
外层电子的波矢都是量子化的,具有相同的允许取值条件:123n ,n ,n 1232π2π2π,,k n n n LL L ⎛⎫= ⎪⎝⎭因此能量也都是量子化的。
(2)不同点。
量子自由电子理论给出的电子能级,对于宏观材料时准连续的能级,能量与波矢之间的关系为。
而根据能带理论,电子的能级之间可能产生相对于电222k mηε=子的相邻能级间隔来说很宽的禁带(发生于相邻的布里渊区边界上),而电子能级的能量与电子波矢之间的关系通常都偏离抛物线关系。
二、计算题1.面心立方结构的金属Cu (按正一价计算)的晶格常数为0.361nm ,依据量子自由电子理论计算其自由电子的费米能、费米波矢,给出0K 下自由电子的平均动能以及所对应的运动速度大小。
解:自由电子的体积密度为:283v 93418.510m (0.36110)e N --⨯==⨯⨯费米能:234222/32282/318F v 31(1.0510)(3π)(3π8.510) 1.1210J 7.02eV 229.110e N m ηε---⨯=⋅=⨯⨯⨯=⨯=⨯⨯费米波矢:1/231181/2101F F 2342(29.110 1.1210) 1.3610m 1.0510m k εη----⎛⎫⨯⨯⨯⨯===⨯ ⎪⨯⎝⎭0K 下,自由电子的平均动能为费米能的3/5,故为4.2eV ;相对应的运动速度为:1/26F 2 1.5710m/s v m ε⎛⎫===⨯ ⎪⎝⎭2.8mol% 222材料,请写出两种可能发生的固溶反应式及相应的固溶体化学式。
10.2名校考研真题详解一、选择题1.光学波和声学波有各自的频率色散关系,其中()。
[浙江大学2007研]A.声学波的频率大于光学波的频率B.声学波纵波的频率大于光学横波的频率C.光学波的频率大于声学波的频率【答案】C2.由于极化所引起的宏观是个纵向场,它趋于减小纵向位移,增加纵向振动恢复了,因此()。
[浙江大学2006研]A.长光学纵波的频率Lo ω恒大于长光学横波的频率ToωB.长光学横波频率To ω恒大于长光学纵波的频率LoωC.长光学纵波的声子是电磁声子,长光学横波声子是极化声子【答案】A 二、填空题半导体的电导是由负载流子在_______带的电导和正载流子在_______带的电导之和。
[南京大学2003研]【答案】导;价三、解答题1.从能带角度解释导体、绝缘体和半导体的区别。
[昆明理工大学2010研]答:根据核外电子能级的不同,把它们的能级划分为三种能带:导带、禁带和价带(满带)。
在禁带里,是不允许有电子存在的。
禁带把导带和价带分开,对于导体,它的大量电子处于导带,能自由移动。
在电场作用下,成为载流子。
因此,导体载流子的浓度很大。
对绝缘体和半导体,它的电子大多数都处于价带,不能自由移动。
但在热、光等外界因素的作用下,可以使少量价带中的电子越过禁带,跃迁到导带上去成为载流子。
绝缘体和半导体的区别主要是禁带的宽度不同。
半导体的禁带很窄(一般低于3eV),绝缘体的禁带宽一些,电子的跃迁困难得多。
因此,绝缘体的载流子的浓度很小。
导电性能很弱。
实际绝缘体里,导带里的电子不是没有,并且总有一些电子会从价带跃迁到导带,但数量极少。
所以,在一般情况下,可以忽略在外场作用下它们移动所形成的电流。
但是,如果外场很强,束缚电荷挣脱束缚而成为自由电荷,则绝缘体就会被“击穿”而成为导体。
2.如果某金属在100-℃的电导率为4×107W -1m -1,在0℃的电导率为2×107W -1m -1,则在100℃×107W -1m -1时其电导率为多少?[南京大学2003研]答:电阻率与温度的关系为:00()a T T ρρ=+-①电导率与电阻率的关系为:1σρ=②T 1温度下,将②式代入①式可得:101011()a T T σσ=+-③T 2温度下,将②式代入①式可得:202011()a T T σσ=+-④④-③得:212111()a T T σσ-=-⑤将71171112120410W m 210W m T T σσ----==⨯=⨯=-100℃,℃,,代入⑤式,得:20.2510a -=⨯④+③得:21021112(2)a T T T σσσ+=++-⑥将711711212120410W m 210W m 0.2510T T a σσ-----==⨯=⨯=⨯=-100℃,℃,,,代入⑥式得:7711410 1.3310m 3σ--=⨯=⨯Ω3.金刚石的爱因斯坦温度E 1320K θ=,德拜温度D 1860K θ=。
胡赓祥《材料科学基础》第3版章节题库
第5章材料的形变和再结晶
一、选择题
在低温和常温下,单晶体的塑性变形主要通过()方式进行。
A.滑移
B.扭折
C.孪生
【答案】A
【解析】在常温和低温下,单晶体的塑性变形有滑移、孪生和扭折,滑移是主要的塑性变形方式。
扩散性变形及晶界滑动和移动等方式主要发生在高温形变中。
二、填空题
1.滑移过程中,两个或多个滑移系交替滑移称为______。
【答案】多滑移
【解析】对于具有多组滑移系的晶体,滑移过程两个或者更多的滑移系同时或者交替进行,从而产生多滑移。
2.动态回复主要发生在层错能______金属材料的热变形中。
【答案】高
【解析】通常情况下高层错能金属(如Al、α-Fe、Zr、Mo和W等)的扩展位错很窄,螺型位错的交滑移和刃型位错的攀移都比较容易进行,容易解脱出来与异号位错相抵消,因
此亚组织中的位错密度较低,在热变形过程中主要发生动态回复。
三、判断题
晶粒正常长大是小晶粒吞食大晶粒,反常长大是大晶粒吞食小晶粒。
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【答案】错
【解析】都是晶界移动的结果。
正常长大是晶粒平均尺寸增加,反常长大是个别大晶粒尺寸异常增加。
四、简答题
1.为什么晶粒细化既能提高强度,也能改善塑性和韧性?
答:晶粒细化减小晶粒尺寸,增加界面面积,而晶界阻碍位错运动,提高强度;晶粒数量增加,塑性变形分布更为均匀,塑性提高;晶界多阻碍裂纹扩展,改善韧性。
2.晶体中的滑移系与其塑性有何关系?
答:(1)一般滑移系越多,塑性越好。
(2)与滑移面密排程度和滑移方向个数有关。
(3)与同时开动的滑移系数目有关。
3.试论塑性变形对材料组织和性能的影响。
答:对材料组织的影响:纤维组织、形变织构、位错胞。
对材料性能的影响:加工硬化、物性变化。
4.什么叫“柯氏气团”?试用“柯氏气团”解释金属材料固溶强化的原因。
答:溶质原子在位错周围的聚集称柯氏气团。
在刃位错的拉应力区分布的碳原子列,可使总弹性应变能下降,晶体处于稳定态,当具有柯氏气团的位错在外力作用下,欲离开溶质原子时,势必应变能升高,阻碍位错的运动,是固溶强化的重要原因。
5.简述陶瓷材料(晶态)塑性变形的特点。
答:相对于金属材料和高分子材料而言,陶瓷材料显得硬而脆,这是由其原子之间键合的类型所决定的。
陶瓷材料原子之间通常是由离子键、共价键所构成的。
在共价键合的陶瓷中,原子之间是通过共用电子对形式进行键合的,具有方向性和饱和性,并且其键能相当高。
在塑性变形时,位错的运动势必会破坏原子间的共价键合,其点阵阻力(P-N力)很大。
因此,共价键合的陶瓷表现为硬而脆的特性。
而对离子键合的陶瓷材料则分为两种情况:单晶体(如NaCl,FeO等)在室温压应力作用下,可承受较大的塑性变形,然而,对于离子键的多晶陶瓷,往往很脆,且易在晶界形成裂纹,这是因为离子晶体要求正负离子相间排列。
在外力作用下,当位错运动一个原子间距时,由于存在巨大的同号离子的库仑静电斥力,致使位错沿垂直或平行于离子键方向很难运动。
但若位错沿45°方向而不是沿水平方向运动,则在滑移过程中,相邻晶面始终由库仑力保持相吸,因此具有相当好的塑性。
然而,多晶体陶瓷变形时,要求相邻晶粒变形相互协调、相互制约,由于陶瓷的滑移系较少而难以实现,以至在晶界产生开裂现象,最终导致脆断。
另一方面,烧结合成的陶瓷材料在加热冷却过程中,由于热应力的存在,往往导致显微裂纹的产生;由于腐蚀等因素也会在其表面形成裂纹,因此在陶瓷材料中先天性裂纹或多或少的总是存在。
在外力作用下,在裂纹尖端会产生严重的应力集中。
按照弹性力学估算,裂纹尖端的最大应力可达到理论断裂强度;何况陶瓷晶体中可动位错少,位错运动又困难,故
一旦达到屈服强度往往就脆断了。
当然,在拉伸或压缩的情况下,陶瓷材料的力学特性也有明显的不同,通常陶瓷的压缩强度总是高于抗拉强度。
6.冷变形金属在加热时经过哪三个阶段,他们各自的特点是什么?
答:冷变形金属在加热时经过如下三个阶段:
(1)回复。
不发生大角度晶界迁移,晶粒的形状和大小与变形态相同。
(2)再结晶。
首先在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒核心,然后消耗周围的变形基体长大,直到完全变成无畸变的细等轴晶粒,但晶体结构并没有改变;性能发生明显变化并恢复到变形前的情况。
(3)晶粒长大。
在晶界表面能的驱动下,新晶粒互相吞食而长大,从而得到在该条件下较为稳定的尺寸。
7.冷拉铜导线在用作架空导线时(要求一定的强度)和电灯花导线(要求韧性好)时,应该分别采用什么样的最终热处理工艺才合适?
答:根据冷变形金属在加热时性能组织随退火温度的增加的变化来看:前者需要一定的强度,故应在较低的温度下退火,即去应力退火(低温退火);后者要求一定的韧性,故应在较高温度退火,即再结晶退火(高温退火)。
冷变形金属退火时某些性能的变化如图5-1所示。
图5-1
8.某工厂用一冷拉钢丝绳将一大型钢件吊入热处理炉内,由于一时疏忽,未将钢丝绳取出,而是随同工件一起加热至860℃,保温时间到了,打开炉门,要吊出工件时,钢丝绳发生断裂,试分析原因。
解:冷拉钢丝绳系经大变形量的冷拔钢丝绞合而成。
加工过程的冷加工硬化使钢丝的强度、硬度大大提高,从而能承载很重的工件。
但是当将其加热至860℃时,其温度已远远超过钢丝绳的再结晶温度,以致产生回复再结晶现象,加工硬化效果完全消失,强度、硬度大大降低。
再把它用来起重时,一旦负载超过其承载能力,必然导致钢丝绳断裂事故。
9.MgO为NaCl型结构,其滑移面为{110},滑移方向为<110>,试问沿哪一方向拉伸(或压缩)不会引起滑移?
答:根据氧化镁结构滑移系的特点,只有沿与所有<110>都垂直的方向拉伸(或压缩)
才不会引起滑移。
由立方晶系(001)标准投影图可知,不可能存在与所有<110>都相距90°的极点,因此,对氧化镁不存在任何不会引起滑移的拉伸(或压缩)方向。
10.一个交滑移系包含一个滑移方向和包含这个滑移方向的两个晶面,如bcc 晶体(101)[_
111](110),写出bcc 晶体的其他3个同类型的交滑移系。
答:由立方晶系(001)标准投影图可查得,bcc 晶体其他3个同类型的交滑移系是:
(_101)[111](_110),(011)[1_11](110),(1_10)[_1_11](101)11.工业纯铝在室温下经大变形量轧制成带材后,测得室温力学性能为冷加工态的性能。
查表得知:工业纯铝的再结晶温度T 再=l50℃,但若将上述工业纯铝薄带加热至100℃,保温l6d 后冷至室温再测其强度,发现强度明显降低,请解释其原因。
答:查表所得工业纯铝的再结晶温度:T 再=150℃,是指在1h 退火完成再结晶的温度。
实际上,除了退火温度外,保温时间也对再结晶过程产生影响。
对经大冷变形后的金属材料,即使在T<T 再时进行退火,只要保温时间足够,同样可发生再结晶过程。
可用两种方法加以判断:
(1)金相检验;
(2)将已知的T 1,t 1,t 2,Q 代入公式
121112Q T T R t e t ⎛⎫--⎪⎝⎭
=求得T 2,将其与l00℃比较,即可得知是否发生再结晶。
五、计算题。