材料科学基础

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二00四年试题

1. 简述题：（4分/小题，共40分）
  （1）滑移临界分切应力（2）金属键（3）中间相（4）布喇菲点阵（5）再结晶温度（6）滑移系（7）位错（8）二次再结晶（9）偏析（10）

马氏体相变
2.单相金属或合金各晶粒间的界面一般称之为晶界，通常晶界又分为小角度晶界和大角度晶界两大类，试问：划分为两类晶界的依据是什么？

并讨论构成小角度晶界的结构模型。（10分）
3.分别画出立方晶系晶胞内的（110）、（112）晶面和[110]、[111]晶向。（10分）
4.讨论晶体结构和空间点阵之间的关系（10分）
5.什么是固溶体？讨论影响固溶体溶解度的主要因素。（10分）
6.分析和讨论冷加工金属或合金变形后回复再结晶过程中组织和性能的变化特征。（10分）
7.画出Fe-Fe3C相图，分析含碳量为1.1wt%（重量百分比）的铁碳合金从液相平衡凝固到室温时的转变过程，画出组织转变示意图，并计算出室

温撕各组织的相对含量。（20分）
8.分析和讨论影响金属或合金中原子扩散的主要因素。（10分）
9.以Al-4.5%Cu合金为例，分析过饱和固溶体的脱溶分解过程（脱溶贯序），并讨论脱溶温度对脱溶贯序的影响。（10分）
10.金属的固态相变与金属的结晶过程基本一样，大多也包括形核和生长两个基本阶段，但在固态相变过程中新、旧两相的比容不同，使系统额

外增加了应变能以及由相界面上的原子不匹配而引起的弹性应变能，因此固态相变在许多方面与结晶过程有着显著的差别。试分析固态相变的

一般特点。（10分）
11.写出所附Au－Ｈｆ体系相图（图１）中的三相反应，并划出虚线框内部分的相平衡关系局部扩大示意图。（10分）
12.分析固态相变和回复再结晶过程的驱动力。
13.叙述钢锭中常见的宏观组织缺陷，消除或改善方法。
14.叙述常见的金属晶体的内外界面。

答案：一，1，滑移临界分切应力：滑移系开动所需的最小分切应力；它是一个定值，与材料本身的性质有关，与外力取向无关。2，金属键：自由电子与原子核之间静电作用产生的键合力。3，中间相：合金中组元之间形成的、与纯组元结构不现的相。在相图的中间区域。4，布喇菲点阵：除考虑晶胞外形外，还考虑阵点位置所构成的点阵。或：除考虑旋转对称性外，还考虑平移对称性，经有心化后构成的全部阵点。5，再结晶温度：形变金属在一定时间内刚好完成再结晶的最低温度。6，滑移系：晶体中一个可滑移面及该面上一个滑移晶向合称一个滑移系。7，位错：是晶体内的一种线缺陷，其特点是沿一条线方向原子有规律地发生错排，这种缺陷用一线方向和一个柏氏矢量共同描述。8，二次再结晶：不规则结晶结束后，正常长大过程被抑制而发生的少数晶粒反常长大的现象。9，偏析：合金中化学成分的不均匀性。10，马氏体相变：其过程遵循无扩散、切变方式的相转变。二，依据是按界面两侧晶粒间的取向差，<15的称小角度晶界，>15的称大角度晶界。小角度晶界的结构模型是位错模型，比如对称倾转晶界用一组平等的刃位错来描述。三，见图四，两者之间的关系可用“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，因面构成的具体的晶体结构也是无穷多种。五，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留。影响固溶度的因素有：1，原子尺寸因素。当溶剂、溶质原子直径尺寸相对差小于15%时，有利于大的代位固溶体溶解度；当两组元的直径相对差大于41%时，有利于高的间隙固溶体的溶解度。2，负电性因素。溶剂、溶质的负电性差越小溶解度越大，一般小于0.4~0.5会有圈套溶解度。3，电子浓度因素。有两方面的含义：一是原子价效应，即同一溶剂金属中，溶质原子价越高，溶解度越小；二是相对价效应，即高价溶质溶入低价溶剂时的溶解度高于相反的情况。六，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。七，铁碳相图略。1.1%的钢由液相冷却时先进入L+γ奥氏本两相区，形成枝晶或等轴状γ奥氏相，然后进入奥氏体单相区；继续冷却到~760℃剩余的奥氏体转变为珠光体，最后的组织是珠光体+网状二次渗碳体，如图所示珠光体的相对含量：(6.67-1.1)/(6.67-0.77)=94.4%网状渗碳体相对含量：(1.1-0.77)/(6.67-0.77)=5.6%影响扩散的因素有：1，温度；2，界面、表面及位错：3，第三组元：4，晶体结构：5，熔点：同一合金系中，同一温度下熔点高的合金扩散慢，熔点低的扩散快。九，Al-4.5%Cu合金固溶处理后，在最佳时效温度~150时效，会出现脱溶贯序：过饱和固溶体→GP区→θ’’→ θ’→ θ其中GP区是铜原子富集区：θ’’、θ’是四方结构亚稳相，圆盘状，沿基体的{100}面析出，具有共格/半共格界面，与基体存在特定的取向关系；θ是四方结构稳定相，不规则形状。提高时效温度，脱溶加快，但过饱和度减少，相变驱动力减少，可能导致辞直接析出平衡相，时效强化能力减弱；时效温度过低则情况相反，达到最佳性能的时间过长。十，1，相变阻力中多了应变能一项。2，形核方面：非均匀形核为主：具有特定的取向关系；相界面常为共格或半共格的。3，生长方面：具有惯习现象，有特定的组织形态，如片状、针状。4，有亚稳相。十一，L+Au5Hf→FCC(Au)L+Au4Hf→Au5HfL+Au3Hf→Au4HfL+Au2Hf→Au3HfL→Au2Hf+β-AuHfAu2Hf+β-AuHf→Au10Hf7β-AuHf→Au10Hf7+α-AuHfL→β-AuHf+AuHf2β-AuHf+AuHf2→α-AuHfL→AuHf2+BCC(Hf)BCC(Hf) →AuHf2+HCP(Hf)十二，固态相变的驱动力是新、旧两相间的自由能差，回复再结晶的驱动力是形变储存能。十三，宏观缺陷有：宏观偏析（如正常偏析、反常偏析、毕生偏析）和带状组织以及缩孔、疏松、气泡等。严格来讲，也包括三晶区的组织不均匀性。宏观缺陷（化学不均匀性、物理不均匀性和组织不均匀性）往往是相互联系的，一般希望尽可能多而细的中心等轴晶，可采用加孕育剂、加大冷速、这样，与柱状晶/枝状晶区相伴随的宏观偏析和缩孔、气泡也就明显改善了。十四，它们包括晶界、相界、表面、孪晶界、层错。晶界是同种晶粒之间的交界面；相界是结构、成分不，同的相间的交界面；表面是晶体与大气或外界接触的界面；孪晶界是发生孪生后产生的新界面，是特殊的大角晶界，可是共格的或半共格的；低能层错是单相晶体内因堆垛顺序反常变化后出现的新界面，也是低能界面，与孪晶界能量相近。