金属学原理题库

金属学原理试题题库第一章晶体结构晶带轴在晶胞图上画出下列晶面：密排六方点阵（-12-10），体心立方点阵（112），并计算这些晶面的面密度。在立方晶胞图上画出具有下列指数的晶面和晶向：（001）和［210］，（1-10）和［111］；（321）和［-236］一个密排六方（体心立方，面心立方）晶胞中有（）个原子，致密度为（），配位数为（），原子的最近距离为（）。（2分）画出NaCl的晶胞（3章），指出它所属的晶系、晶体点阵、空间点阵。（2+3=5分）04年答：立方晶系，体心立方晶体点阵，简单立方空间点阵。在六方晶系的晶胞上画出下列晶面和晶向：（10-1-2）、［112--0］、［-1-101］，并列出｛10-1-2｝晶面族中所有晶面的指数。（5分）4、既不涉及电子转移，也不涉及电子共用的结合键包括（范德华键、氢键）；两种元素间电负性差大，有利于形成（离子）键。第2章纯金属结晶—1、液态金属中的结构起伏（2），非均质形核（2）简述题：2、纯金属结晶粒大小的控制方法及机理3、简述影响纯金属结晶后晶粒大小的因素和细化晶粒的方法。（10分）4、在晶体生长过程中，平滑界面在宏观上呈（台阶状小平面）特征，微观上呈（晶体学界面或小平面界面）特征。简述纯金属结晶时液固界面前沿液体中温度分布对生长形态的影响。5．金属凝固时，形核的驱动力是（液－固两相的自有能差小于零），形核的阻力是（表面能增高）。6．综述金属结晶过程的热力学条件、动力学条件、能量条件和结构条件。答：必须同时满足以下四个条件，结晶才能进行。（1）热力学条件为AGvO。只有过冷（热过冷）才能使XGvO。因为AG=—LAT/T（AT为过冷度），即金属结晶vmm时，实际开始结晶的温度必须低于理论结晶已度（即AT>0）。（2）动力学条件为存在动态过冷。即液态金属结晶时，液—固界面要不断地向液相中移动，就必须在界面处有一定的过冷，这是在界面处实现从液体到固体的净原子输送所必须的条件。（3）能量条件为具有能量起伏。一个临界晶核形成时，五分之一的表面能要靠能量起伏来提供。（4）结构条件为具有结构起伏。液态金属中规则排列的原子集团时聚时散的现象。它是结晶核心形成的基础。第3章相结构正常价化合物（3）反相畴界无限固溶体可以是（置换固溶体、间隙固溶体、有序固溶体、无序固溶体）；间隙固溶体可以是（有限固溶体、无限固溶体、有序固溶体、无序固溶体）；无序固溶体可以是（置换固溶体、间隙固溶体、有限固溶体、无限固溶体）；（03年）指出下列金属元素可能形成那些合金相？并说明所列每种合金相的形成条件和相的成分、结构、性能特点。（每种合金相4分，至少列出5种，20分，多列不限，多列加分）FeCCuAlNAuLiCrMgSi（03年）Cr为体心立方结构，其点阵常数与a-Fe相近，试问两者能形成何种固溶体？影响该固溶体溶解度的因素有哪些？并说明其影响规律。（6分）答：置换固溶体；影响溶解度的因素：1、原子尺寸 原子半径尺寸差大，溶解度小；2、电化学因素 组元间负电性差大，溶解度小；3、电子浓度 极限电子浓度约为1。4，溶质原子价越高，溶解度越低。4、晶体点阵 类型相同，溶解度高。4—6章相图一、填空题：（6）Fe-Fe3C相图中包括（）个单相区，（）个双相区和（）个三相平衡水平线。其中:1、含碳量在（ ）范围内的铁碳合金在（）温度发生包晶转变，形成单TOC\o"1-5"\h\z相（ ）；2、含碳量在（ ）范围内的铁碳合金在（ ）温度发生共晶转变，形成（ ）和（ ）两相混合的共晶体，称为（ ）；3、含碳量在（ ）范围内的铁碳合金在（ ）温度发生共析转变，形成（ ）和（ ）两相混合的共析体，称为（ ）。二、判断题1、 对于任何相图，三相区均为一条等温线，且与三个单相区均为点接触（5）。2、 在共晶线上利用杠杆定律可以计算出共晶体的相对含量。而共晶线属于三相区，所以杠杆定律不仅适用于两相区，也适用于三相区。（X）3、 过共析钢平衡结晶条件下的室温组织组成物为（二次渗碳体和珠光体），相组成为（铁素体和渗碳体）。三、计算题：1、 已知两组元A（熔点1000r）和B（熔点800°C）在液态无限互溶，固态时A不溶于B,而B在A中固态最大溶解度为40%，室温溶解度为10%。500C时，含70%B的液态合金发生共晶反应。试绘出该A-B合金相图，并分析20%B，50%B和80%B合金的结晶过程，计算它们在室温下组织组成物和相组成物的相对含量（04研）。2、 绘出Fe-Fe3C相图，并计算含碳量分别为0。5%和1。5%碳钢室温平衡组织组成物的相对含量和相组成无的相对含量。（6）3、 今有一2.0%C的铁碳合金，在室温下组织观察到少量的室温莱氏体，试分析其原因；又有一2.2%C的铁碳合金，室温下组织为珠光体与厚网状的游离渗碳体，没有莱氏体，分析其原因。（6）计算4、试画出Fe-C相图，并计算3.2%亚共晶白口铁在室温时的组织珠光体、二次渗碳体和室温莱氏体的相对含量，按相组成计算F和Fe3C室温时的相对含量。（6）5、 AB二元合金系含有如下转变：（20分）（上交大97年题，03年作业）共晶转变：L50%B——丫55%+卩40%（1340°C）共析转变：卩35%——«28%B+y58%B（1180C）组元A：熔点1900C，同素异形转变点1800C,组元B：熔点1500Ca相在700C时溶解度为8%B,丫相在700C时溶解度为65%B（1）示意绘出AB二元合金相图（大于700C）,并注明各相区；（2） 绘出47%B合金的平衡冷却曲线；（3）计算47%B合金在700C下相组成物的相对量和组织组成物的相对含量；（4） 试提出一种测定相固溶度曲线的方法。组元A和B的熔点分别为700C和500C，在液态完全互溶，在固态部分互溶形成a和卩固溶体，其最大溶解度分别为为5%B和25%A（重量），在零度时溶解度则为2%B和5%A（重量）。两金属形成熔点为750C的A2B化合物，A和B的原子量分别为30和50。在450C和320C分别发生液体成分为22%B和60%B（重量）的共晶转变。（1）试根据相律绘成平衡相图并标注各相区符号及特征点的温度和成分。（2）如果希望得到A2B化合物与卩共晶组织加上5%的卩初勺合金，求该合金的成分。05硕士答案：（1）相图，x为A原子重量百分比。422首先求出中间化合物中各组元的重量百分数,设化合物中含4组元为吟则含迟组元为丄-吗由42：!.题，可得*a4原子50由上式解得即化合物中含4组元55wt附含丑组元45阮场。由此作成相图如图4-（11）所示。设合金的成分为X,由题意：W蹄=(x-0.6)/(0.75-0.6)=5%x=5%*15%+60%=0.75%+60%=60.75%8．根据如图所示的二元共晶相图(1)分析合金I,II的结晶过程,并画出冷却曲线；(2)说明室温下合金I,II的相和组织是什么，并计算出相和组织组成物的相对含量?如果希望得到共晶组织加上5%的卩初的合金，求该合金的成分。合金I,II在快冷不平衡状态下结晶，组织有何不同？答案：□•50BO50BO90BwB/%解 T合金的冷却曲线如图4-13所示，其图-1-12图-1-12二元共晶相圏1以上，合金处于液相；1〜2时丄-a丄和a的成分分别沿液相线和固相线变化，到达2时，全部凝固完毕。2时，为单相52〜3时卫—价。室温下，1合金由两个相组成，即a和0相，其相对量为0：90-0：05%1皿-吨mp—1— =12%I合金的组织为a十比，其相对量与相组成物相同。I合金的冷却曲线如图4-14所示，其结晶过程：1以上，处于均匀的液相L；1〜？时，进行匀晶转变L-觴；2时*两相平衡共存丄。50一饥曲2〜2’时，剩余液相发生共晶反应：La现* 1*2o+Pogo2〜3时，发生脱溶转变卩…图4-13 1合金的冷却曲线 閨4-14［合金的冷却曲线室温下合金由两个相组成，即a与|3相，其相对量为决p=1一耕口=88%I合金的组织为：％+3+册扶和组织组成物的相对量为加《卄块》=1—杭徧-25%(3)设合金的成分为wB=心由题意知叫=0,90-^50X100%='%听以工=0.5Z即该合金成分为现日=0-52.(4)在快冷不平衡状态下结晶，i合金的组织中将不出现血，而会岀现少'量非平衡共晶(即离异共晶｝;I合金的组织中鶴将减少，且呈树枝状，而9+0)共晶组织变细，相对量将增加。

9．Mg—Ni系的一个共晶反应为：L口 +MgNi (570°C)0.235 纯Mg 20.546设wN.i=C］为亚共晶合金，w2=C?为过共晶合金，这两种合金中的先共晶Ni1 Ni2相的质量分数相等，但C］合金中的a总量为C2台金中a总量的2.5倍，试计算C和C2的成分。解根据已知条件，由杠杆定律得先共晶相的质量分数为0,235—

加诜=0/235——0*2350.546-0.235由题意知，叫先=加駐，由上述两式得wg?=0*546—L由题意知，叫先=加駐，由上述两式得wg?=0*546—L323^1】0,546—仞卸%=—~0.546—£ 0.546—媚= 0,546%=2*5曉0.546—wbi_0.546—畑紡

0?546=一~0.546令G中“总量为喈•则令G中口总量为臨，则由题意X2.5<1）将式（1）代人式（2几可求得G合金成分为0,873Mg—0.127Ni；C2合金成分为0.66Mg—0.378Niq10•根据A-B二元相图写出图中的液相线、固相线、a和卩相的溶解度曲线、所有的两相区及三相恒温转变线；平衡凝固时，计算A-25B(weight%)合金(y'y线)凝固后粗晶卩相在铸锭中的相对含量；(3)画出上述合金的冷却曲线及室温组织示意图。

答案酒相稣7\丁“几厂和固和线；F.ThG；三相何温线1 其余两•条为濬解度閒线FHmm科丁肿线间沟［.卜R区；蘇八和7；iGE为L4«区*两固溶度曲缚间为3+ftKi运用杠杆定律：^3=(45-25)/(45-20)-80%11．下图为一匀晶相图，试根据相图确定：WB=0.40的合金开始凝固出来的固相成分为多少？若开始凝固出来的固体成分为wB=0.60,合金的成分约为多少？成分为wB=0.70的合金最后凝固时的液体成分约为多少？若合金成分为wB=0.50,凝固到某温度时液相成分wB=0.40,固相成分为wB=0.80，此时液相和固相的相对量各为多少？B解(1)在合金成分线与液相线相交点作水平线，此水平线与固相线的交点处合金的成分即为刚开始凝固出来的固体成分=0.85.作60处的垂直线与©固相线交点的水平线，此水平线与匚液相线的交点处的成分即为合金成分洌e〜0,15o原理同上，液体成分弋0.20o<4)利用杠杆定律，液相的相对量为处h80-40X1°°%=石%固相的相对量为 ma=1-75% -25%

12．指出下列相图中的错误：:二元系中不可能有四相平衡，即违反了“相律”。:纯组元A在1个温度范围内结晶，这是违反相律的。:二元系中三相平衡时，3个相都必须有确定的成分。图中液相上的成分是范围，这是错误的。13.试述二组元固溶体相的吉布斯(Gibbs)自由能-成分曲线的特点?第13题答案：图4-21无序固溶休的吉布斯自由罷-成分曲线图4-21无序固溶休的吉布斯自由罷-成分曲线解可以证明二组元固溶体相的吉布斯自由能由三项组成。=Gi+—T=aC^A+ 十R7X了Aln』A十轴IeLHe)+显然*固溶体相的吉布斯自由能与温度和成分有关，在一定温度下，可以作出G-成分曲线。对三种类型不同的固溶体，其吉布斯自由能-成分曲线也不同"无序固溶体4"皿一0,故其吉布斯自由能与成分关系为(長=工G\+jteGb+ 如+J?Blnj?B)式中，第二项为负值。当温度升高®将降低，式中第二项将增大"吉布斯自由能与成分的关系如图4-21所示。图中显示曲线具有下凹形状，随温度升高，曲线下降。<2)有序固溶体o^<0? 其吉布斯自由能与成分关系为Gs=工心A十HeGji+RT(mnln^A+Hu1口工日)+式中，第二三项均为负值，在低温(见图4-22(a))和高温〈见图4-22(b))两种温度下的吉布斯自由能-成分曲线如图4-22所示。曲线具有下凹形状，随温度升高，曲线下降，形状不变”图4-22心)有序固溶体在低温；(b)温F的吉布斯自由能-曲分曲践(3)偏聚固溶体山> >0,其自由能变化与(？)相同，只是式中第一项为负值，第三项为正值。偏聚固溶体吉布斯自由能与成分关系曲线如图4-23所示。曲线形狀取决于温度，温度变化，曲线由下凹(见图4-23(b))向上凸(见图4-23(a))变化。图4-23不均匀固溶休的吉布斯自由能-咸分曲线第7章合金的凝固1、有效分配系数（7）2、何谓成分过冷？试述影响成分过冷的因素。3、已知A-B二元共晶合金的共晶温度为600°C，共晶点成分为60%B，固态下B在A中的最大溶解度为30%B，纯金属A的熔点为900C，将20%B的合金在固相无扩散、液相完全不混合的条件下凝固，若要形成胞状液-固界面，合金在凝固过程中液-固界面处液相的温度梯度的最大值是多少？在什么情况下液-固界面在整个凝固过程中处于平直状态？（12分）（4，7）03年作业，04期中4．固溶体合金凝固时，治质分布的有效分配系数Ke的定义是（凝固过程中，固体在界面处的浓度与此时边界层外液体的平均浓度的比值）。当凝固速率无限缓慢时，Ke趋于（平衡分配系数K0）；当凝固速度很大时，则Ke趋于（1）。Al-Cu合金相图如下图所示，假设分配系数k和液相线斜率均为常数。试求：（1）Cu含量为1％的固溶体进行缓慢地正常凝固，当凝固体积分数为50％时所凝固出的固体成分。（2）假设液体无对流，Cu含量为0.5％的合金开始凝固时的界面温度。（3）假设液体无对流，测得铸件的凝固速率为R=3x10-4cm/s，温度梯度G=30C/cm,扩散系数D=3x10-5cm/s时，合金凝固时能保持平面界面的最大含铜量。T/°CT/°C答案：根据已知条件，有相图得：k0=wS/wL=5.56/35.2=0.16；m=(660.37-548)/0.352=3200SL由正常凝固方程得： CS=C0k0(1-X/L)k0-1=0.01x0.16x(1-0.5)o」6-1=0.286%S0 0T=T0-mC0/k0=660.37-320x0.005/0.16=650.37C3）临界条件为GmCo1—koRDkoC二gdko°Rm1-ko=0.18%6、固溶体合金在非平衡凝固过程中，液/固界面上液相与固相的成分将分别沿着液相平均成分线和固相平均成分线变化。（X）7、合金铸锭组织一般是由（表层细晶区）、（柱状晶区）和（中心等轴区）几部分组成，其中（中心等轴晶区）的形成机制主要有成分过冷理论和（籽晶成核）理论，在实际凝固条件下，各区晶粒均以（树枝状方式）长大。第8章扩散1、扩散通量2、伴随新相出现的扩散过程称为（反应扩散或相变扩散）；碳原子在铁晶格中的扩散机制是（间隙扩散）；铁原子的自扩散机制是（空位扩散）。3、 在一种柯肯达尔扩散中，假定：晶体为简单立方结构，单位体积（cm3）中原子数为常数并等于1023,A、B原子的跳动频率分别为10i0s-i和109s-i,A、B原子任意跳动落到其它晶面上的几率为1/6,点阵常数为0.25nm,浓度梯度为103%（原子）cm-1,界面面积为0.25cm2。求A、B原子通过标志界面的扩散通量。（D=a2P「）4、 将原子尺寸相近的A金属和B金属制成的棒对焊起来构成一扩散偶，并在焊接面上镶嵌一列惰性金属丝作为界面的标记,然后加热至高温使之充分扩散（忽略焊接时引起的扩散）。（2分——8章）（1） 如果扩散系数D〉D，画图并说明扩散前后金属丝的位置；（0。5）AB（2） 用扩散机制解释这种现象；（0。6）（3） 指出构成这种扩散偶的两种金属应具备什么样的条件？（0。5）举出几对可能和不可能出现这种现象的扩散偶的例子。（每例0。2分—0。4）5、 写出扩散第一定律的数学表达式,并说明式中各符号的含义及该定律的适用范围（8章,6分）答：J=—D（dC/dx）J：扩散通量，一：扩散方向与浓度梯度方向相反；D：扩散系数；dC/dx:浓度梯度。适用于稳态扩散。第9章晶体缺陷1、肖脱基空位弗伦克尔空位弗兰克不全位错肖克莱不全位错重合位置点阵2、画出面心立方晶体（111）面及该面上可能的滑移方向。若该面上某一位错运动引起晶体沿[110]方向切变21^/2，图示并写出该单位位错的柏氏矢量。若该位错为刃型或螺型位错时，图示并写出位错线的方向，指出哪根位错可能交滑移、哪根位错可能攀移。（1、9章）3、 -画图说明（1）面心立方晶体（111）面及该面上可能的滑移方向。（2）若该面上某一位错运动引起晶体沿[110]方向切变2-i/2a，图示并写出该单位位错的柏氏矢量。（3）若该位错为刃型或螺型位错时，分别图示并写出位错线的方向，指出哪根位错可能滑移、交滑移和攀移。（1、9、10章）（4）若发生攀移,指出攀移面的指数，攀移的方向。（5）若发生交滑移，指出交滑移的晶面指数。答：（1）[110][011][-101];（2）b=a/2[110];（3）为刃型位错时,[1-1-2],可滑移和攀移;为螺型位错时,[110],可滑移、交滑移;（4）（110）,[111];（5）（110），[1-11]3、 离位原子迁移至表面所形成的空位称为（肖脱基）空位；离位原子迁移至晶界所形

成的空位称为（肖脱基）空位；离位原子迁移至间隙处所形成的空位称为（弗兰克尔）空位；4、 在点阵常数约为0.404nm的铝试样中测得晶粒内部位错密度为5X109cm%假定位错全部集中在亚晶界上，每个亚晶粒的截面均为正六边形，亚晶间的倾斜角为5度，若全部是刃型位错b=a/2[101],试求亚晶界上的位错间距和亚晶的平均尺寸。5、在面心立方晶体中存在三个单位位错L2和L3，若L1和L3的柏氏矢量〃[-110]晶向，L位错线方向〃[11-2],L2〃[-110],'位错线方向〃[111]，其柏氏矢量〃[110]晶向。（1）判断三个位错的性质，写出他们的柏氏矢量，求出它们可能滑移的晶面指数和多余原子面指数（若存在多余原子面），并图示之（1分）；（2）若L2位错发生分解形成扩展位错，写出可能的位错反应并图示（1分）；（3）在L3位错的滑移面上作用一与其柏氏矢量平行的切应力，该位错能否运动？为什么？（1，9）03年作业6、 画图说明下列位错的运动方向。7、 （共15分）假定在立方晶系中有一柏氏矢量在[011]晶向的刃型位错L1沿（0-11）晶面滑移，另有一位错L2的滑移面为（011），柏氏矢量方向和位错线方向均为[0-11]晶向，请指出：1、 L1位错线的方向；2、 L2位错的性质；3、 L1与L2交截后L2产生的折线是扭折还是割阶？4、 该折线的滑移面指数。答：1、[00-1]或[001]（3分）2、螺型位错（4分）3、L1L2产生的折线是刃型割阶（4分）。4、（001）（4分）第10章1、单晶体的塑性变形可划分为（易滑移、线性硬化、抛物线型硬化）几个阶段。2、可变形质点的强化作用来自哪几方面？（可变形粒子