范文一：2012《材料科学基础》答案

绪论

? 1、材料科学主要研究的核心问题是 的关系。

? 材料的结构是理解和控制性能的中心环节，结构的最微细水平是，第二个水平是子排列方式 ，第三个水平是 显微组织 。 ? 2. 根据材料的性能特点和用途，材料分为

? 根据原子之间的键合特点，材料分为大类。

第一章 材料的原子结构

? 1. 金属材料中原子结合以 ? 陶瓷材料（无机非金属材料）以 和结合键为主，

聚合物材料以和 第二章 材料的结构 一、填空题

? 1、晶体是

? 2、晶体与非晶体的最根本区别是 ? 3、晶胞是。

? 4、根据晶体的对称性，晶系有大晶族，大晶系，种布拉菲Bravais点阵，点群， 230 种空间群。

? 5、金属常见的晶格类型有、、

? 6、fcc晶体的最密排方向为

? 7、fcc晶体的致密度为，配位数为，原子在（111）面上的原子配位数为 ? 8、bcc晶体的最密排方向为，最密排面为，致密度为，配位

数为 8 。

? 9、晶体的宏观对称要素有。

? 10、CsCl型结构属于NaCl型结构属于，CaF2型结构属于心立方格子 。 ? 11、MgO晶体具有其对称型是，晶族是晶系是方晶系 ，晶体的键型是 离子键 。

? 12、硅酸盐晶体结构中的基本结构单元是

? 13、几种硅酸盐晶体的络阴离子分别为[Si2O7]6-、[Si2O6]4-、[Si4O10]4-、[AlSi3O8]1-，它们的

晶体结构类型分别为 组群状 ， 链状 ， 层状 ，和 架状 。 ? 14、表征晶体中晶向和晶面的方法有和法。（晶体投影图 ） 二、分析计算

1、（2-3）（1）晶面A在x、y、z轴上的截距分别是2a、3b和6c，求该晶面的米勒指数；（2）晶面B在x、y、z轴上的截距分别是a/3、b/2和c，求该晶面的米勒指数。 解：（1）由已知

111

::?3:2:1所以晶面指数为（3 2 1） 236

（2）晶面指数为（3 2 1）

3、写出立方晶系中晶面族｛100｝、｛110｝、｛111｝包含的等价晶面。写出晶向族包含的等价晶向。 解：

4、（2-9）求 （1）晶面（121）和（100）的晶带轴指数；晶面（100）和（010）的晶带轴指数；（2）晶

向[001]和[111]确定的晶面指数；包含[010]和 [100] 晶向的晶面指数。 解：（1）（121）和 (100)面所在的晶带的晶带指数为

u:v:w?

::?0:1:，所以晶带指数为[01] 00（100）和（010）面所在的晶带的晶带指数为

u:v:w?

000110::?0:0:1，所以晶带指数为[00]或写为[001] 00（2）[001]和[111]晶向所决定的晶面的晶面指数为

h:k:l?

::?:1:0，所以晶面指数为（10）或（10） [010]和[100]晶向所决定的晶面的晶面指数为

h:k:l?::?0:0:，所以晶面指数为（00）或（001）

005、（2-11）（1）a≠b≠c、α=β=γ=90°的晶体属于什么晶族和晶系？（2）a≠b≠c、α≠β≠γ=90°的晶体属于什么晶族和晶系？（3）能否据此确定这2种晶体的Bravis点阵？

解：(1)属于正交晶系，由题中条件不能决定是什么布拉菲点阵，因为正交晶系可以有体心、面心、底心和简单正交点阵。（2）属于三斜晶系，因为三斜晶系只有一种简单点阵，可以确定布拉菲点阵是三斜点阵。 6、Ni为面心立方结构，原子半径r=0.1243nm，求Ni的晶格常数和密度。

;

解：面心立方结构在面对角线上原子相切，所以，4r?

代入条件可得a?

7、Mo为体心立方结构，晶格常数a=0.3147nm，求Mo的原子半径r 。

解：体心立方结构在体对角线上原子相切，所以，4r?

4?M4?58.693

?0.3516nm，??3Ni??8.967(g/cm) ?7323

aNA(0.3516?10)?6.022?10r?

a?0.1363nm 8、（2-15）CsCl中铯与氯的离子半径分别为0.167nm、0.181nm。试问（1）在CsCl内离子在或方向是否相接触？（2）每单位晶胞内有几个离子？（3）各离子的配位数是多少？（4）密度 ρ和堆积系数（致密度）K？

解：对氯化铯晶体，晶体结构为简单立方，晶胞中含有一个正离子一个负离子，沿体对角线正负离子相切，

?2r??2r??0.696nm，所以a?0.4018nm

4?3

(r??r?3)

堆积系数=?0.683

a3

9、 （2-16）MgO具有NaCl型结构。Mg的离子半径为0.072nm，O的离子半径为0.140 nm。试求MgO的密度ρ和堆积系数（致密度）K。

解：氧化镁结构为面心立方，晶胞中有四个正离子和四个负离子，沿棱边方向正负离子相切，所以边长

2+

2-

a?2r??2r??0.424nm

4*

堆积系数=

4?33

(r??r?)?0.684 3

a

10、（2-24）下列硅酸盐化合物属于什么结构类型？

?MgFe?2?SiO4?， Zn4?Si2O7??OH?2，BaTi?Si3O9? ，Be3Al2?Si4O28?，Ca3?Si3O8?，

KCa4?Si4O10?2F8H2O，Ca?Al2Si2O8?，K?AlSi2O6?

解：第一种，Si：O=1：4所以是岛状，共顶数为0；第二种共顶数一个，成对硅氧团；第三种Si：O=1：3，共顶数为两个，三节环；第四种Si：O=1：3六节环；第五种三节环，这几种都是组群状；第六种Si：O=2：5为层状，第七种第八种Si（Al）：O=1：2为架状。

?

第三章 晶体结构缺陷 一、填空题

? 1、按几何组态，晶体中的缺陷分为 点缺陷 、 线缺陷 、面缺陷 和体缺陷。

2、点缺陷主要包括；线缺陷有；面缺陷包括 面 等。

3、描述位错性质及特征的是 。

4、位错的类型有和。

5、位错线与柏氏矢量垂直的位错为 刃位错 ，位错线与柏氏矢量平行的位错称为 螺位错 。 6、位错的基本运动方式有 。

7、 可以滑移和攀移， 8、位错滑移一般沿着晶体的 。 9、柏氏矢量实际上反应了位错线周围区域的大小和方向。 10、两平行同号螺位错间的作用力为 斥力 11

12、面心立方晶体的不全位错类型主要有和，柏氏矢量分别为只能发生攀移运动的位错是

13、位错间转化（位错反应）要满足的条件有几何条件：柏氏矢量守恒 和能量条件：反应后位错的总能量降低 。

14、两个不全位错夹一片层错的位错称为位错。 二、分析题

? 1、（3-6）画一个方形位错环，

? ? ? （1）在此平面上画出柏氏矢量，使其平行于位错环的其中一边，任意选择并画出位错线方向，据此指出位错环各段的性质。

（2）能否使该位错环处处为刃位错？ （3）能否使该位错环处处为螺位错？

? ? ? ?

2、在滑移面上有一位错环，柏氏矢量为b，位错环的方向和柏氏矢量的方向如图所示。（1）指出位错环各段的性质。

（2）能否使该位错环处处为刃位错？ （3）能否使该位错环处处为螺位错？

（4）该位错环滑移出晶体后，晶体有怎样的滑动（大小和方向）？

?

3、（3-11）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？

111

??a?111?a?101??a?121

26??3

几何条件：

能量条件：

b=a/3和｛111｝面垂直。纯刃位错。

b垂直于滑移面，不是fcc晶体的滑移方向，不能滑移，只可攀移。

第四章 晶态固体中的扩散 一、填空题

1、菲克第一定律描述的是 状态下的扩散规律；菲克第二定律描述的是 非稳态扩散 状态下的扩散规律。

2、稳态扩散是指化 ；非稳态扩散是指 单位时间内通过垂直于给定方向的单位面积的净原子数（扩散通量/浓度）随时间变化。

3、Fick扩散第二方程的高斯解适合求解总量为M的扩散元素沉积为一薄层扩散问题 ；Fick扩散第二方程的误差函数解适合求解 无限长棒（扩散偶）或半无限长棒的扩散问题。

4、扩散的微观机理有 、 等。 5、空位扩散的阻力比间隙扩散，激活能

6、在表面扩散、晶界扩散、体扩散、位错扩散方式中，扩散系数D最大的是

。

7、在间隙固溶体中，H、O、C等原子以方式扩散。

8、Cu-Al合金和Cu组成的扩散偶发生柯肯达尔效应，标记向Cu-Al合金一侧漂移，则的扩散通量大。

9、上坡扩散是指10、扩散的驱动力是 11、伴随有反应的扩散称为二、计算题

（4-1）含0.85%C的普碳钢加热到900℃在空气中保温1小时后外层碳浓度降到零。 (a) 推导脱碳扩散方程的解，假定t>0时，x=0处，ρ=0。

(b) 假如要求零件外层的碳浓度为0.8%，表面应车去多少深度？（900℃时， Dcγ=1.1×10 -7 cm2/s）

（4-3）20钢在930℃渗碳，表面碳浓度达到奥氏体中碳的饱和浓度Cs=1.4%，此时Dcγ=3.6×10 -2 mm2/h，若渗层深度定为从表面到碳含量0.4%的位置，求渗层深度与时间的关系。

（4-7）870℃渗碳与927℃渗碳相比较，优点是热处理产品晶粒细小，淬火后变形小。若已知D0=2.0×10 -5 m2/s，Q=140 KJ/mol， 求：

（1）在上两温度下，碳在γ铁中的扩散系数。

（2）若忽略不同温度下碳在γ铁中的溶解度差别，870℃渗碳需用多少时间才能获得927℃渗碳10小时的渗层厚度？

（4-9）纯铁渗硼，900℃4h生成的Fe2B层厚度为0.068mm，960℃4h为0.14mm，假定Fe2B的生长受扩散速度的控制，求硼原子在Fe2B中的扩散激活能Q。

第五章 相与相平衡 一、填空题

1. 组元是或。

2. 相是发生突变。相平衡是指各相的 化学热力学平衡。

3. 组织是 由各种不同形貌及含量的相或组元所构成的微观图像。 。 平衡凝固是指 极其缓慢 冷却条件下的凝固。

4. 在二元系合金相图中，杠杆法则只能用于 相区。

5. 根据渗碳体的形状，钢中珠光体分为和 6. 根据含碳量，钢分类为、和钢。

随着碳含量的增加，钢的硬度和塑性的变化规律是 硬度提高，塑性下降 。

7. 在三元系浓度三角形中，凡成分位于含量之比相等。平行于一边的任一直线上的合金，其成分共性为 含这个边对应顶点的组元含量均相等 。 8. 根据三元相图的垂直截面图，可以分析

9. 根据三元相图的水平（等温）截面图，可以10. 二元合金相图三相平衡转变的类型主要有 共晶（析）反应和 包晶（析）反应 。三元合金相图四相平衡转变的类型主要有 共晶反应 ， 包共晶反应 和 包晶反应 。

?

（5-4） 根据Pb-Sn相图，说明ω(Sn)=30%的Pb-Sn合金在下列温度时，其组织中存在哪些相，并求相的相对含量。（1）高于300℃；（2）刚冷至183℃，共晶转变尚未开始；（3）在183℃共晶转变完毕；（4）冷到室温。

?

4. （5-7） 画出简易的铁碳相图，

? ? ? （1）指出PSK、ECF各点成分、各线的反应特征及反应式； （2）标出各相区的相组成物； （3）标出各相区的组织组成物。

5-9:

? (4) 含80%的Al2O3时

(20% ZrO2)室温平衡组织：

? Al2O3+（Al2O3+ ZrO2） ?

? Al2O3%=(42.6-20)/42.6=53%

? （Al2O3+ ZrO2）%= 20/42.6=47%

（3）一种由SiO2-30%Al2O3(wt%)构成的耐高温材料，分析其平衡凝固后的室温组织是什么，并计算组织组成物的含量。该材料能否用来盛装熔融态的钢（1600℃）？在此情况下有多少百分率的耐热材料会熔化？

? （3）SiO2-30%Al2O3(wt%)材料，

? 平衡凝固后的室温组织： A3S2+（A3S2+SiO2）

? A3S2%=(30-10)/(75-10)=30.8% （A3S2+SiO2）%=(75-30)/(75-10)=69.2% ? 不能盛装熔融态的钢（1600℃），会熔化。 ? 有69.2%的耐热材料会熔化。

8. （5-14） 下图为A-B-C 三元共晶相图的投影图，指出n1、n2、n3(E)、n4点从液态平衡冷却结晶的室温相和组织组成物，并分别计算相和组织的相对含量。

第六章 材料的凝固

? 1、凝固过程包括和2个过程。

? 2、材料的凝固的驱动力是

? 3、凝固形核的方式有，其中 ? 4、均匀形核时液、固两相自由能差只能补偿表面能的其他靠系统中的量起伏）补偿。

? 5、液/固界面的微观结构分为 ? 6、在正温度梯度下，晶体生长成负温度梯度下成长时，一般金属界面都呈 ? 7、在正的温度梯度下，纯金属以状形式长大，固溶体合金由于存在以

状形式长大。 ? 8、固溶体结晶的形核条件是、 成分过冷 和。 ? 9

? 10、平衡结晶是指冷却，组元间互扩散 匀成份。

? 11 ? 消除晶内偏析（枝晶偏析）方法扩散退火或均匀化退火。

? 12

? 13、对于ko＜1的合金棒，从左端向右端区域提纯，杂质元素会富集于端。

? 14、固溶体不平衡凝固时，条件下凝固

后溶质分布愈不均匀，宏观偏析愈严重。

? 15、成分过冷是 由液相浓度变化引起熔点变化，与实际温度分布之差决定的特殊过冷现象。 ? 16、界面前沿温度梯度R ? 17、液-固界面前沿成分过冷区越大，晶体越易长成 ? 18 等。

? 19三个晶区。

? 20、对于液-固相变过程可通过控制过冷度来获得数量和尺寸不等的晶体，要获得晶粒多而尺寸小

的细晶，则△T 大 。

第七章 晶态固体材料中的界面

? 1、表面能来源于；一般地，割断的键数表面能越高。最密排 表面，割断的键数 少 ，表面能最低。因此，晶体的外表面一般为 最密排面 。

? 2、根据晶粒取向差的大小，晶界分为和

? 3、小角晶界分为构成。

? 4、晶界迁移的驱动力是。晶界移动的结果是小晶粒（更小） ，大晶粒 长大 。 ? 5、根据两相界面上的原子排列情况，。 ? 6、单相多晶体平衡时一般规律是两个晶粒相遇于于 角隅 。

? 7、在晶粒内部形成第二相时，若第二相和基体之间的界面能大，则其形状一般为减少弹性应变能，一般会长成 薄片（圆盘） 形状 。

范文二：无机材料科学基础答案

1. 解释下列名?词:凝聚系统，介稳平衡，低共熔点，双升点，双降点，马鞍点，连线规则，切线规则，三角形规则?，重心规则。

解:凝聚系统:不含气相或?气相可以忽?略的系统。

介稳平衡:即热力学非?平衡态，能量处于较?高状态，经常出现于?硅酸盐系统?中。 低共熔点:是一种无变?量点，系统冷却时?几种晶相同?时从熔液中?析出，或加热时同?时融化。

双升点:处于交叉位?的单转熔点?。

双降点:处于共轭位?的双转熔点?。

马鞍点:三元相图界?线上温度最?高点，同时又是二?元系统温度?的最低点。 连线规则:将一界线(或其延长线?)与相应的连?线(或其延长线?)相交，其交点是该?界线上的温?度最高点。

切线规则:将界线上某?一点所作的?切线与相应?的连线相交?，如交点在连?线上，则表示界线?上该处具有?共熔性质;如交点在连?线的延长线?上，则表示界线?上该处具有?转熔性质，远离交点的?晶相被回吸?。

三角形规则?:原始熔体组?成点所在副?三角形的三?个顶点表示?的物质即为?其结晶产物?;与这三个物?质相应的初?初晶区所包?围的三元无?变量点是其?结晶结束点?。 重心规则:如无变点处?于其相应副?三角形的重?心位，则该无变点?为低共熔点?:如无变点处?于其相应副?三角形的交?叉位，则该无变点?为单转熔点?;如无变点处?于其相应副?三角形的共?轭位，则该无变点?为双转熔点?。

2. 从SiO2?的多晶转变?现象说明硅?酸盐制品中?为什么经常?出现介稳态?晶相, 解:在573?以下的低温?，SiO2的?稳定晶型为?b ,石英，加热至57?3?转变为高温?型的a ,石英，这种转变较?快;冷却时在同?一温度下以?同样的速度?发生逆转变?。如果加热速?度过快，则a ,石英过热而?在1600??时熔融。如果加热速?度很慢，则在870??转变为a ,鳞石英。a ,鳞石英在加?热较快时，过热到16?70?时熔融。当缓慢冷却?时，在870?仍可逆地转?变为a ,石英;当迅速冷却?时，沿虚线过冷?，在163?转变为介稳?态的b ,鳞石英，在117?转变为介稳?态的g ,鳞石英。加热时g ,鳞石英仍在?原转变温度?以同样的速?度先后转变?为b ,鳞石英和a? ,鳞石英。a ,鳞石英缓慢?加热，在1470??时转变为a? ,方石英，继续加热到?1713?熔融。当缓慢冷却?时，在1470??时可逆地转?变为a ,鳞石英;当迅速冷却?时，沿虚 线过冷，在180,270?转变为介稳?状态的b ,方石英;当加热b ,方石英仍在?180,270?迅速转变为?稳定状态的?a ,方石英。熔融状态的?SiO2由?于粘度很大?，冷却时往往?成为过冷的?液相,,石英玻璃。虽然它是介?稳态，由于粘度很?大在常温下?可以长期不?变。如果在10?00?以上持久加?热，也会产生析?晶。熔融状态的SiO?，只有极其缓?慢的冷却，才会在17?13?可逆地转变?为2

a ,方石英。对SiO2?的相图进行?分析发现，SiO2的?所有处于介?稳状态的熔?体的饱和蒸?汽压都比相?同温度范围?内处于热力?学稳定态的?熔体的饱和?蒸汽压高。而理论和实?践证明，在给定的温?度范围，具有最小蒸?汽压的相一?定是最稳定?的相。所以由于晶?型转变速度?不同，在不同的加?热或冷却速?率下，硅酸盐制品中经常出现??介稳态晶相?。

3. SiO2具?有很高的熔?点，硅酸盐玻璃?的熔制温度?也很高。现要选择一?种氧化物与?SiO2在?800?的低温下形?成均一的二?元氧化物玻?璃，请问，选何种氧化?物,加入量是多?少,

解:根据Na2?O,SiO2系?统相图可知?最低共熔点?为799?。故选择iO2Na?能与2OS?在8?00?的低温下形?成均一的二?元氧化物玻?璃。

4. 具有不一致?熔融二元化?合物的二元?相图〔图10-12(c)〕在低共熔点?E发生如下?析晶过程:A+CL，已知E点的?B含量为2?0%，化合物C的?B含量为6?4%。今有C，C2两种配?料，已知C1中?B含量是C?的1.5倍，且在高温熔?融冷中含量12B?

却析晶?时，从该二配料?中析出的初?相(即达到低共?熔温度前析?出的第一种?晶体)含量相等。请计算C1?，C2的组成?。

解:设C2中B?含量为x, 则C1中B?含量为1.5x，由题意得:

所以C1组?成B含量为?26,，C2组成B?含量为17?.3,。

5. 已知A，B两组分构?成具有低共?熔点的有限?固溶体二元?相图〔图10-12(i)〕。试根据下列?实验数据绘?制相图的大?致形状:A的熔点为?1000?，B的熔点为?700?。含B为0.25mol?的试样在5?00?完全凝固，其中含0.733 mol初相?α和0.267mo?l(α，β)共生体。含B为0.5mol的?试样在同一?温度下完全?凝固，其中含0.4 mol初相?α和0.6mol(α，β)共生体，而α相总量?占晶相总量?的50%。实验数据均?在达到平衡?状态时测定?。

解:设C点含B?为x%,E点含B为?y%，D点含B为?z%，由题意借助?杠杆规则得?关系式:

解得:

x=5.1,

y=79.9,

z=94.9,

由此可确定?C、D、E三点的位?置，从而绘出其?草图。

6. 在三元系统?的浓度三角?形上画出下?列配料的组?成点，并注意其变?化规律。

1.

A=10%, B=70%, C=20%(质量百分数?，下同)

2.

3.

A=10%, B=20%, C=70%

4.

5.

A=70%, B=20%, C=10%

6.

今有配料(1)3kg，配料(2)2kg，配料(3)5kg，若将此三配?料混合加热?至完全熔融?，试根据杠杆?规则用作图?法求熔体的?组成。

解:根据题中所?给条件，在浓度三角?形中找到三?个配料组成?点的位置。连接配料(1)与配料(2)的组成点，按杠杆规则?求其混合后?的组成点。再将此点与?配料(3)的组成点连?接，此连线的中?点即为所求?的熔体组成?点。

7. 图〔10-24(e)〕是具有双降?升点的生成?一个不一致?熔融三元化?合物的三元?相图。 请分析1，2，3点的析晶?路程的各自?特点，并在图中用?阴影标出析?晶时可能发?生穿相区的?组成范围。组成点n在?SC连线上?，请分析它的?析晶路程。

解:熔体1的析?晶路程:

熔体2的析?晶路程:

熔体3的析?晶路程;

8. 在(图10-36)中:

(1).划分副三角?形;

(2).用箭头标出?界线上温度?下降的方向?及界线的性?质;

(3).判断化合物?的性质;

(4).写出各无变?量点的性质?及反应式;分析M点的?析晶路程，写出刚到达?析晶终点时?各晶相的含?量。

解:(1)、(2)见图解;

(3)S1不一致?熔融化合物?，S2一致熔?融化合物，S3不一致?熔融化合物?，S4不一致?熔融化合物?，S5一致熔?融化合物，S6一致熔?融化合物。 (4) E为单转熔?点:L，C ? S，S 65

F为双转熔?点:L ? S,S,S 465

G为单转熔?点:L，SS，S 6? 34

H为单转熔?点:L，SS，S 4? 35

9. 分析相图(图10-37)中点1、2熔体的析?晶路程。( 注:S、1、E 在一条直线?上)。

解:熔体1具有?穿相区的特?征，液相在E3?点反应完，固相只剩S?一个相，所以穿过S?相区，最终在E2?点结束。

熔体2液相?在E3点反?应完，固相剩S和?B两个相，无穿相区情?况，最终在E2?点结束。

10. 在Na2O?-CaO-SiO2相?图(图10-35)中:

(1)划分出全部?的副三角形?;

(2)判断界线的?温度变化方?向及界线的?性质;

(3)写出无变量?点的平衡关?系式;

(4)分析并写出?M点的析晶?路程(M点在CS?与NC3S?长线上，注意穿相区?的连线的延6?

情况)。

解:?、?见图解;

?见下表:

表10-14 NaO-CaO-SiO2系?统富硅部分?的无变量点?的性质 2

图化学组成(wt,)

中平衡平衡温相平衡 NaAl2OSiO点性质 度(?) 2

O 3 ? 号 2

低共1 LNS+NS+N2CS3 ?821 37.5 1.8 60.7 2熔点

双升2 L+NC2S3? NS+N2CS3 ?827 36.6 2.0 61.4 2点

双升3 L+NC2S3? NS+NC3S6 ?785 25.4 5.4 69.2 2点

双升4 L+NC3S6? NS+NCS 785 25.0 5.4 69.6 25点

低共5 L NS+NS+ NCS 755 24.4 3.6 72.0 2385熔点

低共6 L NS+ NCS+S(石英) 755 22.0 3.8 74.2 385熔点

双降7 L +S(石英)+NC3S6? NCS 827 19.0 6.8 74.2 5点

α石英α磷?石英(存在L及晶型8 870 18.7 7.0 74.3 N?CS) 转变 36

双升9 L+βCS NC3S6 ?+S(石英) 1035 13.7 12.9 73.4 点

双升10 L+βCS NC2S3 ?+ NC3S6 ?1035 19.0 14.5 66.5 点

晶型11 αCSβC?S(存在L及α磷石英)? 1110 14.4 15.6 73.0 转变

晶型12 αCSβC?S(存在L及NC?S) 1110 17.7 16.5 62.8 23转变

(4)M点位于?NC3S6?,NS,NCS5内?，在4点析晶?结束，最终晶相为?:NC3S6?、2

NS2NC?。开始析出Sβ?CS，经过晶型转?变、转熔等一系?列反应，连穿三个相?区，5

最终在4点?析晶结束。

11. 一个陶瓷配?方，含长石(KO?Al2O3??6SiO2?)39%，脱水高岭土(Al2O3???2SiO2?)2

61%,在1200??烧成。问:(1) 瓷体中存在?哪几相,(2) 所含各相的?重量百分数?是多少,

解:在KO-Al2O3?-SiO2系?统相图的配?料三角形(图10-32)中根据长石?与脱水2

高岭?土的含量确?定配料组成?点，然后在产物?三角形(图10-32)找最终平衡?相，根据杠杆规?则计算各相?组成

范文三：材料科学基础-复习答案

测定扩散系数的方法。示踪原子扩散方法、化学扩散方法、弛豫方法、核方法。2、产生柯肯达尔效应的原因由于两种原子以不同速度相对扩散而造成标记面的漂移。3、影响扩散系数的因素温度、晶体结构及固溶体类型、各向异性、第三组元、晶体缺陷、4、稳定化合物：是指具有一定的熔点，而且在熔点以下都能保持自身固有的结构而不发生分解的化合物。5、二元相图的几何规律：1.两个单相区只能交与一点，而不能交成线段、2.两个单相区之间，必定是一个由这两个单相构成的两相区、3三相共存区，必定是一条水平线，该水平线必须与由这3个相组合而成的3个两相区相邻、4如果两个恒温转变中有两个是相同的相，那么在这两条水平线之间一定是由这两个相组成的两相区、

5.两相区和单相区的分界线与三相等温水平线相交，则分界线的延长线进入另一个两相区，而不会进入单相区。6、相区接触法则：在二元系相图中，相邻相区中相的数目只能相差一个，这一规律称作相区接触法则。7、晶胞的选取原则1.几何形状与晶体具有同样的对称性、2.平面六面体内相等的棱与角的数目最多、3.当平行六面体棱间有直角时，直角数目最多、4.在满足上述条件下，晶包体积应最小。8、形成置换固溶体的条件和影响溶解度因素:1.条件：溶质取代了溶剂中原子或离子所形成的固溶体、2影响：原子或离子的尺寸的影响、晶体结构类型的影响、电负性的影响、电子浓度的影响。9、碳对铁碳合金的组织与性能的影响: 1.碳对铁碳合金平衡组织的影响：当含碳量增加时，使铁碳合金组成相的相对含量发生变化，从而导致不同性质的结晶。2.碳对合金机械性能的影响：当含碳量达到0.77%时，铁碳合金不仅具有较高的强度和硬度，也具有一定的塑性和韧性，当>0.77%时，铁碳合金的塑性韧性降低。3.碳对合金工艺性能的影响：(1) CaCl2固溶在NaCl晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)CaCl2+2NaCl→→Ca·Na+2Clcl+V’Na(2) MgO固溶在Na2O晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)MgO+Na2O→→Mg·Na+Oo+V’Na(3) Al2O3固溶在MgO晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)Al2O3+3MgO→→2Al·Mg+3Oo+V”Mg(4) YF3固溶在CaF2晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)2YF3+3CaF2→→2Y·Ca+6FF+V”Ca(5) MgO固溶在ZrO2晶体中(产生负离子空位，生成置换型SS)MgO+ZrO2→→Mg”zr+Oo+V··o11、材料科学基础《材料科学基础》系统地介绍了材料科学的基础理论，探讨材料的共性和普遍规律。主要内容包括材料的结构，材料的凝固与相图，扩散，材料中铺缺陷，塑性变形、回复与再结晶等。《材料科学基础》可作为高等院校材料类和机械类专业的学生及研究生的教科书和参考书，也可以为相关专业的学生及从事材料工作的科技工作者和工程技术人员提供参考。12、材料科材料科学是自然科学的一个分支，它从事于材料本质的发现、分析和了解方面的研究，目的在于提供材料结构的统一描绘和模型，以及解释这种结构与性能之间的关系。13、合成的定义式什么，合成研究包括那些？指促使原子、分子结合而构成材料的化学与物理过程。合成的研究既包括有关寻找新合成方法的科学问题，也包括以适当的数量和形态合成材料的技术问题；既包括新材料的合成，也应包括已有材料的新合成方法（如溶胶-凝胶法）及其新形态（如纤维、薄膜）的合成。14、制备研究如何控制原子与分子使之构成有用的材料。这一点是与合成相同的，但制备还包括在更为宏观的尺度上或以更大的规模控制材料的结构，使之具备所需的性能和适用效能， 即包括材料的加工、处理、装配和制造。简而言之，合成与制备就是将原子、分子聚合起来并最终转变为有用产品的一系列连续过程。

15、结构的定义式什么，包括那些方面1.定义：结构是理解和控制性能的中心环节。2.包括{原子结构、原子的排列、相结构、显微组织、晶体中的结构缺陷。16、离子键的特点：离子键可用化学式表示、高熔点，结合力强，硬而脆、电子周围无自由电子、无方向性、传导性差7、共价键的特点:具有饱和性符合8-n定律、具有方向性、结合力强，熔点高，硬、电子周围无自由电子、传导性差19、晶向指数建立步骤1.选定坐标系、2通过原点作一条直线，使其平行于待标定的晶向、3在直线上任取一点P，求出P点在3个坐标系的坐标、4取截距的最小整数比，去掉比例符号，用方括号括之20、晶面指数的确定步骤：1.选定以晶轴为坐标轴的坐标系，要求坐标原点不在待标晶面上，各轴单位分别是单位平行六面体边长a、b、c2.求出待标晶面在X、Y、Z轴上的截距pa、qb、rc,截距系数为p、q、r3取截距系数的倒数最小整数比、4.去掉比例符号，以小括号括之。

21、晶带定律晶带指数为【uvw】时，晶带中任何晶面指数（hkl）都能符合关系式：hu+kv+lw=0,这种规律称为晶带定律。22、缺陷：晶体的某些区域总是存在原子或分子的不规则排列，这便是晶体结构缺陷23、热缺陷： 热缺陷是由于晶体中的原子(或离子)的热运动而造成的缺陷。24、非化学计量化合物：其各元素的原子（或离子）组成可以一定的比例范围内波动。它们的组成不符合化合价规则，不服从组成定律，不能用小的整数来表示，只能用小数描述。5、互扩散 伴有浓度变化的扩散，与异类原子的浓度梯度有关，异类原子相对扩散，相互渗透。扩散 物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移，直到均匀分布的现象。自扩散 没有浓度变化的扩散，与浓度梯度无关。异扩散 溶质原子在溶剂金属中的扩散

26、扩散通量指扩散物质在单位时间内通过单位截面积的质量。27、固相反应的特点：1、相界面{共格界面、半共格界面、肥共格界面}2.界面能、3应变能、4取向关系、5.惯性面、6晶体缺陷29、固相反应的一般过程包括哪些： 1、反应物颗粒间混合接触 2、在颗粒表面发生反应3、形成细薄含大量结构缺陷的新相4、晶粒生长5、反应通过反应物的扩散而继续

30、影响固相反应的因素： 反应物化学组成与结构；反应物颗粒尺寸及分布的影响；反应温度压力、气氛；矿物剂及其它因素

31、自由度 (f)定义: 指：在平衡系统中独立可变的因素。

33、何谓金属键？金属的性能与金属键的关系如何定义：金属正离子与自由电子之间的相互作用就构成了金属原子间的结合力→金属键。关系：由于金属键存在自由电子，金属就具有高导电性和导热性，自由电子能吸收光波能量，产生突跃，从而表现出有金属光泽、不透明，另外，金属正离子以球型密堆积方式组成，晶体原子间可滑动，表现出有延展性，并说明金属键没有方向性和饱和性。

34、定比例规则： 从等边三角形的某一顶点向对边作一直线，则在线上的任一点表示对边两组分含量之比不变，而顶点组分的含量则随着远离顶点而降低。等含量规则：在

等边三角形中，平行于一条边的直线上的所有各点均含有相等的对应顶点的组成。杠杆规则：在三元系统中，一种混合物分解为两种物质(或两种物质合成为一种混合物)时，它们的组成点在一条直线上，它们的重量比与其它组成点之间的距离成反比。连线规则：将界线(或延长线)与相应的连线相交， 其交点是该界线上的温度最高， 温度走向是背离交点切线规则：将界线上的某一点所作的切线与相应的组成的连线相交，如交点在连线上，则表示界线上该处具有共熔性质；如交点在连线的延长线上，则表示界线上该处具有转熔性质，远离交点的晶相被回吸。重心规则：无变量点处于其相应副三角形的重心位，则为共熔点；无变量点处于其相应副三角形的交叉位，则为单转熔点；无变量点处于其相应副三角形的共轭位，则为双转熔点。三角形规则 原始熔体组成点所在三角形的三个顶点表示的物质即为 其结晶产物；与这 三个物

质相应的初晶区所包围的三元无变量点是其结晶终点。41、均匀形核：均匀（或均质）形核是指在均匀单一的液相中形成固相结晶核心的过程。

42、什么是物理吸附、化学吸附，两者的区别. 物理吸附也称范德华吸附，它是由吸附质和吸附剂分子间作用力所引起，化学吸附 吸附质分子与固体表面原子(或分子)发生电子的转移、交换或共有，形成吸附化学键的吸附，化学吸附是指在吸附过程中伴随着化学反应，物理吸附在吸附过程中则没有化学反应。一般来说，化学吸附是不可逆的，物理吸附可逆马氏体相变的基本特征1.无扩散性2.切变性，即由母相变为新相的晶格改组过程是以切变方式进行的3.具有一定的晶体学位相关系的惯习面，即共格切变4.转变在一定的温度范围内进行5.快速转变，一般不需要孕育期6.转变不完全，会留有相当数量的残余奥氏体

45、范得华力来源三方面：1.静电力、2.诱导力、3.色散力。

46、鲍林的具体内容有哪些？一个原子轨道最多只能容纳两个电子，且这两个电子自旋方向必须相反

肖脱基空位：离位原子迁移到外表面或内界面处称为肖脱基空位-弗兰克尔：离位原子迁移到晶体点阵的间隙中称为弗兰克尔空48、由于能量起伏和原子热振动，点缺陷将不断产生、运动和消亡，点缺陷是热力学稳定的缺陷49、晶体缺陷按几何组态可分哪几类？1.点缺陷、2.线缺陷、3.面缺陷。50、获得过饱和点缺陷的方法哪些。1.淬火法、2.辐射法、3.塑性变形。51、试阐述粉体材料与人类社会的关系及其在各领域中的应用从材料古代文明、现代文明、社会发展、日常生活等方面进行论述材料、信息、能源归为现代文明的三大支柱，信息技术、生物技术和新型材料作为新的技术革命的重要标志。先进材料是社会现代化的先导. 材料是人类文明的物质基础 ，从远古的石器时代到青铜器时代，然后再进入铁器时代，每一种新材料的出现和使用，都伴随着生产力和科学技术的发展，标志着人类文明的进步。材料又是社会现代化的物质基础与先导，特别是先进材料的研究、开发与应用反应着一个国家科学技术与工业水平。在人类的生活和生产中，材料是必需的物质基础。人们的衣食住行，无一不与材料密切相关。材料的发展水平直接影响人们的生活。52、稳态扩散：指在扩散系统中，一体积元在任一时刻，流入的物质量 与流出的物质量相等，即任一点的浓度不随时间变化。53、材料科学与工程中的许多现象——烧结、氧化、蠕变、沉淀、化学热处理以及许多相变过程都与扩散密切相54、共价键的本质是什么，共价键理论包括那些理论？本质：党原子相互靠近时，原子轨道发生作用，组成新的分子轨道，引起原子间电子分布情况发生变化，使两原子聚集程度变大，电子云密度增加，体系能量降低，形成稳定的化学键，称为共价键。包括：价键理论、分子轨道理论和杂化轨道理论。55、相图狭义:相图（Phase diagram），也称相态图、相平衡状态图，是用来表示相平衡系统的组成与一些参数（如温度、压力）之间关系的一种图。它在物理化学、矿物学和材料科学中具有很重要的地位。广义:相图是在给定条件下体系中各相之间建立平衡后热力学变量强度变量的轨迹的稽核表达，相图表达的是平衡态，严格说是相平衡图。采用的热力学变量不同构成不同的相图。材料学工作者最关心的是凝聚态。简单的相图如水的图（见上图），从中可以很容易地读出水的三相点、临界点等信息。图中的分隔线称为“两相平衡线”，所划出的范围表示单相区（双变量系统），两个变量可以同时在一定范围内改变而无新相出现。常见的二组分系统相图有压力-组成图、温度-组成图、蒸汽压-液相组成图、溶解度图（温度-组成）、低共熔混合物相图等。

56、组元通常指构成材料的最简单、最基本、可以独立存在的物质。57、配位数Z :定义；Z反映了 晶体中原子排列第紧密程度。Z越大，晶体排列得越紧密。

58、二元相图的分析方法1.先看相图中是否存在稳定的化合物，如果有稳定化合物，则可将稳定化合物作为一个独立的组元把相图分为几个部分来分析研究。2.根据相区的接触法则，弄清各个相区。3.找出三相共存水平线及其接触的3个单相区，由3个单相区与水平线的相互位置确定三相平衡转变的性质和反应式。4.分析典型合击随温度改变而发生的转变和变化规律。59、结晶相变是各种相变中最常见的相变，通过对结晶相变的研究可揭示相变进行时所必须的条件、相变规律和相变后的组织与相变条件之间的变化规律，对材料的制取、加工成形机性能的控制均有指导做作用。60、过冷：纯金属在结晶冷却过程中结晶温度T总是低于平衡结晶温度Tm,这种现象叫过冷。

61、形核给体系能量带来两相变化，其一是晶核者部分体积由液态转变成晶体所释放出的能量，使体系能量降低；其二是晶核与液相之间形成了相界面是体系能量增加。

62、纯金属晶体的生长形态取决于界面前沿液相内的温度分布。63、界面。相与相之间的交界面。即两相间的接触表面。：

66、晶界偏析： 一般来说，晶界结构比晶内松散，具有一定的表面效应，溶质原子处在晶内的能量比处在晶界的能量要高，所以溶质原子有自发向晶界偏聚的的趋势，这就 会发生晶界偏析。67、影响晶界迁移率的主要原因：溶质原子，低的杂质含量就可使迁移率降低几个数量级；第二相颗粒，运动着的晶界遇到第二相颗粒时，颗粒将对晶界作用一个约束力，使晶界的迁移速度降低；温度，睡者温度的升高，晶界迁移率明显提高；晶界两侧晶粒的位向，小角度晶界的迁移率比大角度晶界低。69、柏氏矢量的意义：根据柏氏矢量与位错线的关系可以确定位错类型；柏氏矢量b表示位错线周围弹性变形量的总和，表示总畸变量的大小和方向，表示柏氏矢量大小的∣b∣越大，说明点阵畸变越严重；柏氏矢量具有守恒性，即一定的位错，不论柏氏回路的大小、形状如何变化，只要它不与别的的位错相交，则所确定的柏氏矢量是一定的。70、在切应力作用下，螺旋位错的移动方向与其柏氏矢量、切应力及晶体的滑移方向相垂直。71、在固相反应中矿化剂起什么作用？影响晶核的生长速率；影响结晶速率及晶格结构；降低共熔点，改善液相性质。72、扩散的机制包括哪些？1.间隙机制、2.填隙机制、3.空位机制。73、空位扩散的速率取决于临近空位的原子是否具有越过势垒的自由焓，同时也取决空位浓度。74、实验测定结果表明，空位机制比间隙机制需要更大的扩散激活能。75、材料的性能决定于相的种类、数量、尺寸、形状和分布。76、系统中相的平衡条件是每一个组元在所有各相中的化学势相等。77、同素异晶转变：物质在不同温度和压力下，晶体结构发生变化78、同素异晶转变前的固相和同素异晶转变后的固相称为同素异晶体。79、有一个液相同时结晶出两个不同固相的过程称为共晶转变或共晶反应80、按界面原子的排列特点，可将相界面分为:共格、半共格、非共格3种界面。81、材料的变形就其基本特征而言可分为3类：弹性形变、塑性变形和粘性变形。82、普弹性变形的微观机理：在外力作用下，晶体中原子沿受力方向偏离平衡位置，但并不能摆脱周围原子的束缚；而高分子材料的键长和键角的变化都很微小，这样，当外力去除后原子间的相互作用力又将原子拉回原位而使变形消失。83、普弹性变形的特点:应力和应变间符合线形关系，即满足虎克定律；加工或去除应力时，应变都能瞬间达到平衡。扭折带：晶体在滑移和转动时，若在某些部位受阻，位错在哪里堆积，使滑移和转动只发生在一个狭窄的带状区域，这个区域叫扭折带多晶体塑性变形的特点:各晶粒不能同时变形；各晶粒的变形不均匀；各变形晶粒互相协调。

范文四：材料科学基础试卷A--答案

东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校

学 号

课程名称： 材料科学基础（上） 试卷： (A) 考试形式： 闭 卷

A、{001}面 B、{011}面 C、{111}面

3、立方晶体中（110）和（211）面同属于__________晶带。 （ D ） A. [110] B. [100] C. [211] D [111]

4、体心立方结构八面体的间隙半径是 （ B ） 授课专业： 材料科学与工程 考试日期：2009年07月09日 试卷：共 4 页

班 级

姓 名

装

订 装

线

订 线 内 不 要 答 题

一、 填空题（每空1分，共10分）

1、Cr（原子序号24）的基态电子组态为2262651

。

2、高分子链中由于单键的内旋转 而产生的分子在空间的不同形态称为构象。 3、体心立方晶体的致密度为 4、金刚石结构中，配位数为

5、小角度晶界由位错构成，其中扭转晶界由 6、影响扩散最主要的因素是

7、立方晶体中的[001]方向是

8、在置换型固溶体中，原子的扩散的方式一般为 9、二次再结晶的驱动力是

10、在金相试样表面上波纹状滑移线的产生是由于 二、 选择题（每题1分，共20分）

1、氯化铯（CsCl）为有序体心立方结构，它属于______。 （ C ） A、体心立方点阵 B、面心立方点阵 C、简单立方点阵

2、在体心立方晶体结构中，密排面是。 （ B ）

A、r=0.414R B、r=0.154R C、r=0.225R

5、不能发生滑移运动的位错是 （ B ） A、肖克莱不全位错 B、弗兰克不全位错 C、刃型全位错

6、两根具有反向柏氏矢量的刃位错在被一个原子面相隔的两个平行滑移面上相向运

动以后，在相遇处 。 （ B ） A、相互抵消 B、形成一排空位 C、形成一排间隙原子

7、位错受力运动方向处处垂直与位错线，在运动过程中是可变的，晶体作相对滑动的方向 。 （ C ） A、亦随位错线运动方向而改变 B、始终是柏氏矢量方向 C、始终是外力方向 8、两平行螺型位错，当柏氏矢量同向时，其相互作用力 （ B ） A、为零 B、相斥 C、相吸

9、离子晶体中阳离子比阴离子扩散速率 （ A ） A、快 B、慢 C、不能确定

10、在柯肯达尔效应中，标记漂移的主要原因是 （ C ） A、两组元的原子尺寸不同 B、仅一组元扩散 C、两组元的扩散速率不同 11。 （ A ） A、空位的形成能与迁移激活能的总和 B、空位的形成能 C、空位的迁移能 12、柏氏矢量的大小 （ C ） A、与回路大小有关 B、与回路位置有关 C、与回路大小、位置无关

- 1 -

13、高分子材料是否具有柔顺性主要取决于的运动能力。 （ A ）

2、配位数：是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。

3、间隙固溶体： 溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。 学 号

A、主链链节 B、侧基 C、侧基内的官能团或原子

14、固态金属原子的扩散可沿体扩散与晶体缺陷扩散，其中最慢的扩散通道是： 。 （ A ）

班 级

姓 名

装

订 装

线

订 线 内 不 要 答 题

A、体扩散 B、晶界扩散 C、表面扩散

15、高温回复阶段，。 （ C ）A、位错密度增大B、位错发生塞积C、刃型位错通过攀移和滑移构成亚晶界16、加工硬化是一种有用的强化手段，其缺点是。 （ B ）A、只适用于双相材料 B、材料在高温下不适用 C、只适用于单晶体 17、在室温下经轧制变形50%的高纯锡的显微组织为。 （ C ）A、沿轧制方向伸长的晶粒 B、纤维状晶粒 C、等轴晶粒

18、体心立方的滑移面有 （ C ）A、{110} B、{110}、{111}、{100} C、{110}、{112}、{123} 19、复合合金当一相为脆性相分布在另一相基体上时，对材料的强韧性较为有利的组织形态是： 。 （ C ）A、一相呈网状分布在另一相晶界上 B、一相以大块状分布在另一相基体上C、一相以颗粒状弥散分布于另一相基体上

20、拉伸单晶时，滑移面转向____时最易滑移。 （ A ） A、与外力轴交成45° B、与外力轴平行 C、与外力轴垂直 三、 名词解释（每个2分，共20分）

1、晶体结构：晶体结构是指晶体的周期性结构。即晶体以其内部原子、离子、分子在空间作三维周期性的规则排列为其最基本的结构特征。

4、全位错：通常把柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错称为全位错。

5、多滑移：滑移过程沿两个以上滑移系同时或交替进行，这种滑移过程就称为称多滑移。

6、热加工：在再结晶温度以上的加工过程。

7、流线：热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏观条纹，称作流线。

8、反应扩散：伴随有化学反应而形成新相的扩散成为反应扩散。

9、菲克第一定律：在稳态扩散的条件下，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积的扩散物质量（通称扩散通量）与该截面处的浓度梯度成正比。 10、滑移系：每个滑移面以及此面上的一个滑移方向称为一个滑移系。

- 2 -

四、 简答题（每题5分，共10分） 五、 作图题（每题10分，共20分） 1、标定下图晶面指数与晶向指数。

学 号

1、简述刃型位错、螺型位错位错线、柏氏矢量和位错滑移方向之间的关系。 班 级

姓 名

装

订 装

线

订 线 内 不 要 答 题

解：刃型位错：位错线与柏氏矢量垂直、位错滑移方向与位错线垂直、位错滑移方向与柏氏矢量平行。（2.5分）

螺型位错：位错线与柏氏矢量平行、位错滑移方向与位错线垂直、位错滑移方向与柏氏矢量垂直。（2.5分）

2、根据位错反应必须满足的条件，判断下列位错反应在FCC中能否进行：

（1）

（

2解：

(1) ? b 1前 ? 6211? ? 16?121 ? ? 16110 ?

? ?

b 后 （1分） 2

2??a?

?b

2

?2后

???a

?6??

18 ? ? b 2?6a?2

?前 ? ????6??? ? ?? 6a?2

???

? a2

3

（1分）反应能进行。（0.5分）(2) ? b 后 ? 1 330 ? 1 2110 ?

? ? b 前

（1分） 6? ?b2?a?2?6a2

后???6???????a2

???6???

3 ? ? b2?2a?2

前 ? ????a2

? 2 ?? 2

（1分）反应能进行。（0.5分） （1）（111）；（2）(530)；（3）（100）；（4）[111]；（5）[112] 每个晶向和晶面各2分。

2、在立方晶胞中画出（020）、(112)晶面及[110]、[112]、[321]晶向。

每个晶向和晶面各2分。

112)

[112]

- 3 -

六、 计算题（两小题，共20分）

方向为垂直于位错线方向[10]，指向滑移区。 （1分）

2、工业纯铁在927℃下渗碳，设工件表面很快达到渗碳饱和（1.3%的碳），然后保持不变，同时碳原子不断向工件内部扩散，扩散系数D?1.5?10?7cm2/s。求渗碳10h后学 号

a

1、有一面心立方晶体，在(111)面滑移的柏氏矢量为[10]的右螺型位错，

2

a

与在(11)面上滑移的柏氏矢量为[011]的另一右螺型位错相遇于此两滑移

2

面交线并形成一个新的全位错。

班 级

姓 名

装

订 装

线

订 线 内 不 要 答 题

（1）求生成全位错的柏氏矢量和位错线方向。

（2）说明新生成的全位错属哪类位错？该位错能否滑移？为什么？ （3）若沿[010]晶向施加大小为17.2MPa的拉应力，试计算该新生全位错单

位长度的受力大小，并说明方向（设晶格常数为a＝0.2nm）。（12分） 解：（1）由于位错线为两滑移面交线，故：

i

j

k

??n1?n2?11?[10] （2分）

?11

柏氏矢量b??a2[10]?a2[011]?a

2

[110] （1分）

（2）位错线与柏氏矢量既不平行，也不垂直，为混合型位错。（1分）

n3???b?[11]，该位错滑移面为(11)。

（2分） （3）cos??n3?F|n |F|?1

3

3|cos??

b?F1

|b| |F|?

2

（2分） 由Schmid定律，作用在新生位错滑移面上滑移方向的分切应力为：

?0??cos?cos??17.2?

1?

1?7.0MPa （2分）

∴作用在单位长度位错线上的力为：

f??b?

a?032

?10?N/m （1分）

渗碳层中碳浓度分布的表达式。（8分） 解：由

Cs?CxCs?C?erf(x

Dt

) （3分）

02有已知条件有 10h＝36000s，C0?0，Cs?1.3%

代入上式得：

1.3%?Cx1.3%?erf(x

0.147

) （1分）

∴Cx?1.3%(1?erf(6.8x) ) （2分）

- 4 -

2分） （

范文五：材料科学基础试卷答案

中南大学考试试卷答案

2001 —— 2002 学年第二学期 时间 110 分钟 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）；ABO?面的晶面指数为(1011)； OC方向的晶向指数为[1210]或[010]；OC?方向的晶向指数为[1213]或[011]；（0001）与[1210]、

(1011)

与[1210]可构成滑移系；其中滑移系（0001）[1210]容易产生滑移。

a

[211]?

a

[121]?

a[1101]

662、（10分）判断6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：

?c?(D)?C?

?x非稳态扩散方程的表达式为?t，若扩散系数D不随浓度变化，则可以简化为

?C?t

?D

?c?x

2

2

；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

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Fe3CII；液相；先共晶奥氏体；铁素体；6.69％

4

r?

2

a

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?相为何种晶体结构？

[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。

图3

（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。

e1

p2

图5 图4

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。

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

F%?

6.63?16.63?0.0008

?100%?84.9%,Fe 3C %?1 -F %?15.1%

6.69?1

?98.1%

；室温下组织组成为P

6.69?0.77＋Fe3CⅡ，其中，Fe3CⅡ％＝1－P％＝1.9%。

P%?

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

11.5-8

故Cu-20Zn-8Al合金中α％＝11.5?3.45×100％＝43.50%，γ％＝1－α％＝56.5%

25-20

Cu－25Zn－6Al合金中?＝30?20×100％=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[1120]晶向和(1100)晶面。

A

B

O

D

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Oa3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-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。 [1120](1100) C

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，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℃。

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