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中南大学考试试卷2012 -- 2012 学年 下 学期 时间110分钟材料科学基础 课程 56 学时 3.5 学分 考试形式： 闭 卷 专业年级： 材料科学09 总分100分，占总评成绩 70 %一、填空（每空0.5分，共20分）1. 点阵常数是指__________________________________________。
以点阵常数a 为单位，fcc 晶体的原子半径是___________，bcc 晶体的原子半径是____________，fcc 晶体（110）面的晶面间距是_______________________，[110]方向的原子间距为_______________，fcc 晶体的结构原子体积为_____________________。
2. 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___________；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___________；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___________。
3.Fe-Fe3C 相图中，铁素体是指 ，奥氏体指 ，珠光体指 ，莱氏体指 ，变态莱氏体指 。
二次渗碳体一般形态为 。
4. 影响正常价化合物形成的主要因素是_____________________________。
5. 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。
材料结构分析试题1材料学院 材料科学与工程 专业 年级 班级 材料结构分析 课程 200 —200 学年 第 学期（ ）卷 期末考试题（ 120 分钟） 考生姓名 学 号 考试时间 题 号 得 分分 数主考教师： 阅卷教师：一、基本概念题（共8题，每题7分）1．X 射线的本质是什么？是谁首先发现了X 射线，谁揭示了X 射线的本质？ 2．下列哪些晶面属于[111]晶带？（111）、（321）、（231）、（211）、（101）、（101）、（133），（0），（12），（12），（01），（212），为什么？-1-1-1-3-1 3．多重性因子的物理意义是什么？某立方晶系晶体，其{100}的多重性因子是多少？如该晶体转变为四方晶系，这个晶面族的多重性因子会发生什么变化？为什么？4．在一块冷轧钢板中可能存在哪几种内应力？它们的衍射谱有什么特点？5．透射电镜主要由几大系统构成? 各系统之间关系如何?6．透射电镜中有哪些主要光阑? 分别安装在什么位置? 其作用如何? 7．什么是消光距离? 影响晶体消光距离的主要物性参数和外界条件是什么? 8．倒易点阵与正点阵之间关系如何? 画出fcc 和bcc 晶体的倒易点阵，并标出基本矢量a *, b *, c *。
二、综合及分析题（共4题，每题11分）1．决定X 射线强度的关系式是Mce A F P V V mc e R I I 22222230)()(32-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=θθφπλ， 试说明式中各参数的物理意义?2．比较物相定量分析的外标法、内标法、K 值法、直接比较法和全谱拟合法的优缺点？3．请导出电子衍射的基本公式，解释其物理意义，并阐述倒易点阵与电子衍射图之间有何对应关系? 解释为何对称入射(B//[uvw])时，即只有倒易点阵原点在爱瓦尔德球面上，也能得到除中心斑点以外的一系列衍射斑点?4．单晶电子衍射花样的标定有哪几种方法？图1是某低碳钢基体铁素体相的电子衍射花样，请以尝试—校核法为例，说明进行该电子衍射花样标定的过程与步骤。
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,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α-Fe 和γ-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：,氮：,碳：,硼：,α-Fe ：,γ-Fe ：。
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。
中南大学考试试卷2010 -- 2011 学年第二学期时间90分钟结构化学课程 64 学时 4 学分考试形式：闭卷专业年级：材料09级总分100分占总评成绩70 %注：此页不作答题纸，请将答案写在答题纸上一、（10分）质量为0.05kg的子弹，运动速度为300m·s-1，如果速度的不确定程度为其原来运动速度的0.01%，则其位置的不确定程度是多少？（h=6.626×10-34J.s）二、(9分) (1) 写出H原子的Schrödinger方程；(2) 解此方程引进了量子数n, l, m, s, m s, 分别指明其代表意义；(3) 写出Mg[1s22s22p63s13p1]的光谱项，要求写推导过程三、（8分）β-SiC为立方晶体，晶胞参数a=435.8pm，晶胞内原子分数坐标如下：C：（0，0，0），（1/2，1/2，0），（0，1/2，1/2），（1/2，0，1/2）；Si：（1/4，1/4，1/4），（1/4，3/4，3/4），（3/4，1/4，3/4），（3/4，3/4，1/4），计算：（1）晶体密度；（2）晶体中C-Si键键长和Si 原子的共价半径（C原子共价半径为77pm，M SiC=40，N A=6.02×1023）四、（9分）（1）根据图形及价电子层互相排斥理论，判断分子的几何构型名称；（2）判断中心原子的杂化方式；（3）指出下列分子所属的点群(a) (b) (c)五、（8分）请从下列物质中选出配合物、超分子化合物、金属（或合金）、离子化合物(1) [Cr(CO)3(C6H6)] (2)La2CuO4(3) Mg2SiO4(4) CaF2(5) CaCu5(6) 人体中的核酸(7) (CuCl6)4-(8) 环糊精-4,4-联吡啶包合物六、（10分）（1）写出O2分子的价电子组态；（2）画出其结构式，并计算O2分子的键级七、（10分）配合物中，[Fe(CN)6]4-较[FeCl6]4-更稳定，试解释其原因。
材料科学与工程学院硕士研究生入学专业考试大纲根据材料院教授（学术）委员会的研究决定，材料院硕士研究生入学专业试题形式为1+4的模式：“1”为所有考生必答题模块，占50分，主要考点为材料科学与工程学科基础；“4”为专业特色模块，各占100分，其专业特色模块名称为：材料物理、材料化学（含无机非）、材料学、材料加工，考生可根据自身的优势选择其中的1个模块答题。
材料物理模块考点：一、X射线的产生和性质X射线的本质；X射线的波长范围；连续辐射；标志辐射（特征辐射）；连续X射线谱；特征X射线谱；短波限；X射线命名规则；X射线相干散射；X射线非相干散射；光电效应；二次特征辐射（荧光辐射）；吸收限；俄歇效应；俄歇电子；X射线吸收系数；吸收限的应用（靶材、滤波片的选择）。
二、X射线晶体学基础晶体和点阵的定义；面角守衡定律；晶体中晶系和点阵类型的分类（布拉菲点阵）；倒易点阵；晶带轴定律；球面投影；极射赤面投影；极图。
三、X射线衍射原理劳埃方程组的推导及原理；第一、第二、第三干涉指数；衍射产生的条件；劳埃法；旋转晶体法；粉末多晶法；布拉格方程原理及推导；反射级数；干涉面指数；布拉格方程的几何意义；衍射的矢量方程推导及原理；衍射的矢量方程与布拉格方程、劳埃方程组的一致性；埃瓦尔德球；用埃瓦尔德球解释劳埃法、旋转晶体法和粉末晶体法产生衍射时的几何特点。
四、X射线衍射强度一个电子对X射线的散射公式；偏振因子；一个原子对X射线的散射特点；原子的散射因子及特点；结构因子（结构振幅）表达式及其推导；点阵的消光规律；引起X射线衍射花样峰形宽化的原因；谢乐公式及其推导；小晶体衍射及干涉函数；干涉函数的表达式；尺寸效应；选择反射区；小晶体衍射的积分强度公式及推导；粉末多晶体衍射强度表达式及推导；多重性因子对强度的影响。
五、多晶X射线衍射及其实验方法德拜－谢乐法；德拜相机；相机的分辨本领表达式及其含义；立方及密排六方晶体衍射花样特点；衍射仪法；测角仪；衍射仪中的光路；衍射仪中聚焦圆的几何关系；探测器；衍射峰位的确定方法；衍射仪实验中的误差来源。
中南大学材料科学基础期末考试题01-06年答案中南大学考试试卷答案2001——2002学年第二学期时间110分钟一、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（CottrellAtmosphere）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。
中南大学考试试卷
2005 —— 2006 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 2003 级总分 100 分，占总评成绩 70%
一、名词解释：（本题28分，每小题4分）
1.螺型位错
2.非平衡偏聚
3.小角晶界
4.滑移系
5.变形织构
6.再结晶起始温度
7.动态再结晶
二、简答题
1.（12分）铜的熔点为1083e，在冷变形后的工业纯铜板上取三个试样，第一个试样加热到200e，第二个试样加热到500e，第三个试样加热到800e，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（3×2分/个＝6分），说明它们在强度和塑性方面的区别及原因（6分）。
2.（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？
3.（10分）说明塑性变形后的组织、性能的变化。
4. （10分）什么是屈服，解释其产生原因。
5. （15分）制定一种测定再结晶温度的方案。
6.（15分）试分析在fcc中，下列位错反应能否进行?并指出其中三个位错的性质类型？反应后生成的新位错能否在滑移面上运动？。
1.（1）K。
=C2/C1即固液两平衡相中浓度之比值，当K。
<0，由于宏观偏析，先凝固的外层中溶质元素的含量低于后凝固的内层，因为根据溶质原子的分配规律，在不平衡结晶过程中，溶质原子在固相内基本不扩散，则先结晶的固相在溶质原子浓度低于平均成分，而子是边缘先凝固，心部后凝固，故后凝固的心部溶质原子浓度高。
（2）大。
合金的两相区域越大，即液相线与固相线之间的水平距离越大，此时K。
越小，偏析的最大程度为C。
（1-K。
），故两相区域越大，K。
越小，宏观偏析越严重。
（3）减弱。
因为宏观偏析产生的原因是溶质原子在固相和液相中扩散不充分，造成大范围内化学成分不均匀，强对流和搅拌可以加快原子扩散，使扩散更均匀，从而减弱宏观偏析。
（4）可以①振动，搅动。
对即将凝固的金属进行振动或搅动，一方面是依靠以外面输入能量使晶核提前形成，另一方面是使成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加，细化晶粒，同时加快扩散，使结晶的固相成分更均匀。
②控制过冷度。
形核率N和正大速度G都与过冷度△T有关，△T上升，N和G上升，但N的增长率大于G的增长率，故在一般金属结晶时的过冷度范围内，△T越大，比值N/G越大，晶粒越细小。
③变质处理。
在浇注前往液态金属中加入形核剂，促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒。
2、（1）α相（Cu）晶体结构类型为：面心立方晶格η相（Zn）——为：密排六方晶格（2）902 包晶：（5）严重。
①枝晶偏析的大小与分配系数K。
有关，也即与液相线和固相线间的水平距离或成分间隔有关。
偏析的最大程度为C。
（1-K。
），由于K。
<1, K。
越小偏析越大。
K。
=②溶质的扩散能力对偏析程度有影响，如果结晶温度较高，溶质原子扩散能力又大，则偏析程度较小，反之，偏析程度较大。
③冷却速度越大，晶内偏析程度越严重。
3、对再结晶形核机制的影响：（1）随着变形程度的不同，再结晶核心一般通过两种方式形成：一是某些亚晶界的迅速成长而变为核心，即亚晶形核，多发生在较大冷塑性变形的金属中；二是原晶界的某些部位突然迅速成长变为核心，即凸出形核，多发生在较小塑性变形的金属中。
2005 -- 2006 学年下学期时间110分钟材料学基础课程学时学分考试形式：闭卷专业年级：材料03级总分100分，占总评成绩80%注：此页不作答题纸，请将答案写在答题纸上一、名词解释（本题40分，每小题4分）1、科垂耳气团；2、派—纳力；3、扩展位错；4、交滑移；5、奥罗万机制；6、形变织构；7、位错多边化；8、倾斜（转）晶界；9、反应扩散；10、上坡扩散二、问答题（本题60分）1、什么是可动位错和固定位错？就fcc晶体中的可动位错和固定位错各举两个实例，这两种位错在塑性变形时各起什么作用？（10分）2、fcc晶体中层错能的高低对层错的形成、扩展位错的宽度和扩展位错的运动各有什么影响？（10分）3、说明金属冷变形程度的大小对再结晶形核机制和再结晶晶粒尺寸的影响。
（10分）4、工业纯铜的铸锭在室温和0.5T熔点的温度下进行轧制加工，请画出两种情况下合金的应力——应变曲线示意图并说明影响曲线各阶段变化的各种作用机制。
（10分）5、请写出稳态扩散和非稳态扩散的扩散方程表达式，说明影响方程中扩散系数的主要因素及其原因。
（10分）6、现有Al-4%Cu合金，请问有哪些方法可以提高该合金的强度，哪些方法可以提高该合金的塑性。
（10分）2005 -- 2006 学年下学期时间110分钟材料学基础课程学时学分考试形式：闭卷专业年级：材料03级总分100分，占总评成绩%注：此页不作答题纸，请将答案写在答题纸上二、名词解释（本题40分，每小题4分）1、位错塞积；2、派—纳力；3、孪生；4、交滑移；5、奥罗万机制；6、再结晶全图；7、应变时效；8、晶界偏析；9、反应扩散；10、上坡扩散二、问答题（本题60分）1、什么是可动位错和固定位错？就fcc晶体中的可动位错和固定位错各举两个实例，这两种位错在塑性变形时各起什么作用？（10分）2、fcc晶体中层错能的高低对层错的形成、扩展位错的宽度和扩展位错的运动各有什么影响？（10分）3、简述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构的成因及其对金属材料性能的影响。
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.图1为简单立方点阵晶胞,其中ABC 面的面指数是(101),AD 的晶向指数是[111]. 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 ABCDEF 面的晶面指数为(0001)或(001);O AB '面的晶面指数为)1110(; OC 方向的晶向指数 为]0121[或[010];C O '方向的晶向指数为]3121[或[011].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.布拉菲点阵:应该是考虑点阵上的阵点的具体排列而得到的点阵具体排列形式，而不是强调是布拉菲数学计算得到的十四种排列.非晶体:应该是强调组成质点的排列是否规则，而不是强调是一种新的相.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.根据等径刚球模型,计算fcc 、bcc 、hcp 晶胞的原子个数,致密度,配位数,原子半径与点阵常数a 的关系,指出晶胞中的密排方向和密排面 考虑hcp 晶胞的配位数,原子半径与点阵常数a 的关系,应该考虑到c/a 的关系c/a ＝1.633,配位数＝12;原子半径r ＝a/2;c/a ≠1.633,配位数＝6＋6;同一个面,原子半径r ＝a/2,不同原子层面上r ＝(c 2/3＋a 2/4)1/2画出一个fcc 晶胞中的{111}面，并画出在（111）面上的<110>方向，指出其晶向指数，在一个晶胞中共有多少这样的{111}<110>组合。
（注意晶向要位于晶面上）面上）每个晶面上只有三个方向，如（111）上三个方向，故，四个面，每个面上三个方向，共有组合12个.fcc 结构的密排方向是﹤110﹥,密排面是{111},密排面的堆垛顺序是ABCABC…,致密度为0.74,配位数是12 ,晶胞中原子数为4,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r=2a 4;bcc 结构的密排方向是﹤111﹥,密排面是{110},致密度为0.68,配位数是8,晶胞中原子数为2,原子的半径r 与点阵常数a 的关系是r=3a 4;hcp 结构的密排方向是﹤1120﹥,密排面是{0001},密排面的堆垛顺序是ABAB…,致密度为0.74,配位数是12,晶胞中原子数为6,原子的半径r 与点阵常数a 的关系是r=a 2.Al 的点阵常数为0.4049nm,其结构原子体积是0.01659nm 3 ,每个晶胞中八面体间隙数为4,四面体间隙数为8.纯铁冷却时在912℃发生同素异晶转变是从FCC 结构转变为BCC 结构,配位数减少 ,致密度降低,晶体体积膨胀,原子半径发生收缩. 在面心立方晶胞中画出晶面和晶向,指出﹤110﹥中位于(111)平面上的方向.在hcp 晶胞的(0001)面上标出晶面和晶向.求和两晶向所决定的晶面.设所决定的晶面为(hkl),晶面指数与面上的直线[uvw]之间有hu+kv+lw=0,故有:h+k-l=0,2h-l=0.可以求得(hkl)＝(112)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.Pb 为fcc 结构,原子半径R 与点阵常数a 的关系为,故可求得a ＝0.4949×10-6mm.则(100)平面的面积S ＝a 2＝0.244926011×0-12mm 2,每个(100)面上的原子个数为2.所以1 mm 2上的原子个数n=1/S ＝4.08×1012.在液态纯金属中进行均质形核时,需要结构起伏和能量起伏.液态金属均质形核时,体系自由能的变化包括两部分,其中表面自由能是形核的阻力,体积自由能是形核的动力;临界晶核半径rK 与过冷度vT 关系为T L Tr ∆-=σ2,临界形核功vGK 等于()316T L T G ∆•=∆σπ .动态过冷度是指晶核长大时固液界面的过冷度.在工厂生产条件下,过冷度增大,则临界晶核半径减小,金属结晶冷却速度越快,N/G 比值越大,晶粒越细小.获得非晶合金的基本方法是快速冷却.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.形核功:金属凝固过程中形成晶核需要的额外能量.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.试根据凝固理论,分析通常铸锭组织的特点及成因.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.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.铸锭组织控制、单晶体制备、非晶体制备等.根据凝固理论,试述细化晶粒的基本途径.凝固的基本过程为形核和长大,形核需要能量和结构条件,形核和长大需要过冷度.细化晶粒的基本途径可以通过加大过冷度,加入形核剂,振动或搅拌.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.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.根据冷却速度对金属凝固后组织的影响,现要获得微晶,非晶,亚稳相,请指出其凝固时如何控制.冷却速度极大影响金属凝固后的组织.冷却快一般过冷度大,使形核半径、形核功减少,形核过程容易,形核率增加,晶粒细化,冷却非常快时可以得到非晶,在一般工业条件下快速冷却可以得到亚稳相.简述液态金属结晶时,过冷度与临界晶核半径,形核功及形核率的关系。
液态金属结晶时,均匀形核时临界晶核半径r K 与过冷度vT 关系为T L T r ∆-=σ2,临界形核功vG K 等于()316T L T G ∆•=∆σπ。
异质形核时固相质点可作为晶核长大,其临界形核功较小,()G T L T G ∆+-=∆•+-=∆4cos cos 323164cos cos 32θθσπθθ,θ为液相与非均匀形核核心的润湿角。
形核率与过冷度的关系为:]exp[）（kT G kT G C N ∆+∆-=,其中N 为形核率,C 为常数,ΔG A 、ΔG k 分别表示形核时原子扩散激活能和临界形核功。
在通常工业凝固条件下形核率随过冷度增大而增大。
铜的熔点Tm=1356K,熔化热vHm=1628J/cm 2,σ=177×10－7J/cm,点阵常数a=0.3615nm 。
求铜vT=100e 时均匀形核的临界核心半径。
在金属凝固时,可以近似认为L M =vHm,根据均匀形核时临界晶核半径r K 与过冷度vT 关系为T L T r ∆-=σ2,可以计算得到r ＝0.79×10－7cm ＝0.79nm 。
何谓过冷,过冷度,动态过冷度,它们对结晶过程有何影响？过冷是指金属结晶时实际结晶温度Tn 比理论结晶温度Tm 低的现象。
过冷度ΔT 指Tm 与Tn 的差值。
动态过冷度指晶核长大时的过冷度。
金属形核和长大都需要过冷,过冷度增大通常使形核半径、形核功减少,形核过程容易,形核率增加,晶粒细化。
简述纯金属凝固时润湿角θ、杂质颗粒的晶体结构和表面形态对异质形核的影响.润湿角θ＝0°,形核功为0,固相粒子促进形核效果最好;润湿角θ＝180°,异质形核功等于均匀形核功,固相粒子对形核无促进作用;润湿角0°<θ<180°,形核功比均匀形核的形核功小,θ越小,固相粒子促进形核效果越好.杂质颗粒的晶体结构与晶核相同或相近时,促进形核效果好,当两者结构不相同时,一般对促进形核效果差或不促进形核.杂质粒子的表面成凹形时,促进形核效果好,成平面状时次之,凸形时最差.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他两个固相的反应为共析反应.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.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.固溶体合金凝固时,除了需要结构起伏和能量起伏外,还要有成分起伏.按液固界面微观结构,界面可分为光滑界面和粗糙界面.液态金属凝固时,粗糙界面晶体的长大机制是垂直长大机制,光滑界面晶体的长大机制是二维平面长大和依靠晶体缺陷长大.在一般铸造条件下固溶体合金容易产生枝晶偏析,用均匀化退火热处理方法可以消除.液态金属凝固时,若温度梯度dT/dX>0(正温度梯度下),其固、液界面呈平直状,dT/dX<0时(负温度梯度下),则固、液界面为树枝状.靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金,快冷时可能得到全部共晶组织,这称为伪共晶.固溶体合金凝固时,溶质分布的有效分配系数k e =e k k k -+）（0001,当凝固速率很大时k e 趋于1.在二元相图中,L 1→α+L 2叫共晶反应,β→L+α称为熔晶转变,而反应α１—α２＋β称为偏析反应,α+β→γ称为包析反应.Fe-Fe3C相图中含碳量小于2.11%为钢,大于2.11%为铸铁;铁碳合金室温平衡组织均由P和Fe3C两个基本相组成;根据溶质原子的位置,奥氏体其晶体结构是FCC,是间隙固溶体,铁素体是间隙固溶体,其晶体结构是BCC,合金平衡结晶时,奥氏体的最大含量是2.11%;珠光体的含碳量是0.77%,它是由珠光体和渗碳体组成的两相混合物;莱氏体的含碳量是 4.3%;在常温下,亚共析钢的平衡组织是铁素体和珠光体,过共析钢的平衡组织是珠光体+Fe3C,亚共晶白口铸铁的平衡组织是Ld,莱氏体的相组成物是A+ Fe3C,变态莱氏体的相组成物是P+Fe3C +Fe3C II,Fe3C I是从液相中析出的,Fe3C II是从奥氏体中析出的,Fe3C III是从铁素体中析出的,它们的含碳量为6.69%,Fe3C主要性能特点是硬、脆,共析反应后的生成物称为P.变温截面:三元相图中垂直成分三角形的截面.简述典型金属凝固时,固/液界面的微观结构,长大机制,晶体在正温度梯度下、负温度梯度下成长时固/液界面的形态.金属固液界面的微观结构为粗糙界面,长大机制为垂直长大方式,在正温度梯度下固液界面保持平直,在负温度梯度下成长时固/液界面不稳定,结晶后容易长成树枝状晶.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.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,一般具有熔点高、硬度高、脆性大的特点.形成有序固溶体的必要条件是:(1)异类原子之间相互吸引力大于同类原子之间吸引力,(2)一定的化学成分,(3)较慢的冷却速度.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:强度和硬度升高,塑性降低,导电性降低.随着溶质浓度的增大,单相固溶体合金的强度提高,塑性降低,导电性变差,形成间隙固溶体时,固溶体的点阵常数变大.影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是(1)晶体结构;(2)元素之间电负性差;(3)电子浓度;(4)元素之间尺寸差别和环境因素.置换式固溶体的不均匀性主要表现为存在溶质原子偏聚和短程有序.按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分,固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体.间隙固溶体是溶质原子溶入点阵原子溶入溶剂点阵间隙中形成的固溶体,间隙化合物是非金属原子与金属原子半径的比值大于0.59时形成的复杂结构的化合物.分析氢,氮,碳,硼在α-Fe 和γ-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,α-Fe:0.124nm,γ-Fe :0.126nm.α-Fe 为bcc结构,致密度虽然较小,但是它的间隙数目多且分散,间隙半径很小,四面体间隙半径为0.291Ra,即R＝0.0361nm,八面体间隙半径为0.154Ra,即R＝0.0191nm.氢,氮,碳,硼由于与α-Fe的尺寸差别较大,在α-Fe中形成间隙固溶体,固溶度很小.α-Fe的八面体间隙的[110]方向R=0.633 Ra,间隙元素溶入时只引起一个方向上的点阵畸变,故多数处于α-Fe的八面体间隙中心.B原子较大,有时以置换方式溶入α-Fe.由于γ-Fe为fcc结构,间隙数目少,间隙半径大,四面体间隙半径为0.225 Ra,即R＝0.028nm,八面体间隙半径为0.414 Ra,即R＝0.0522nm.氢,氮,碳,硼在γ-Fe 中也是形成间隙固溶体,其固溶度大于在α-Fe中的固溶度,氢,氮,碳,硼处于γ-Fe的八面体间隙中心.简述形成有序固溶体的必要条件.异类原子之间的结合力大于同类原子之间结合力;合金成分符合一定化学式;低于临界温度(有序化温度).试说明纯Al和铝－铜单相固溶体结晶的异同.相同点:均需要形核与长大,形核要满足一定热力学条件,形成一定临界晶核半径,即需要能量起伏和结构起伏.不同点:固溶体合金形核除需要能量起伏和结构起伏外,还需要成分起伏,非平衡结晶时产生偏析,一般会产生成分过冷,凝固过程是在一个温度区间进行,而纯金属凝固在等温进行.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.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.写出固溶体的分类.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.。
