1、1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 0.4049nm，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
2、却时在 912 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构，配位数 ，致密度 ，晶体体积 ，原子半径发生 。4. 在面心立方晶胞中画出 ）（ 21晶面和 1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 ）（ 02晶面和 012晶向。5. 求 1和 20两晶向所决定的晶面。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=0.17510-6mm。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
3、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 -Fe 和 -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，-Fe：0.124nm，-Fe ：0.126nm。2、简述形成有序固溶体的必要条件。第三章 纯
4、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。2 液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括两部分，其中 自由能是形核的阻力， 是形核的动力；临界晶核半径 rK 与过冷度 T 关系为 ，临界形核功 G K 等于 。3 动态过冷度是指 。4 在工厂生产条件下，过冷度增大，则临界晶核半径 ，金属结晶冷却速度越快，N/G 比值 ，晶粒越 。5. 获得非晶合金的基本方法是 。二、 问答21 根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。2 试根据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点。3 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。4 铜的熔点 Tm=1356K，熔化
5、热 Hm=1628J/cm2，=17710 7 J/cm，点阵常数a=0.3615nm。求铜 T=100 时均匀形核的临界核心半径。5：何谓过冷，过冷度，动态过冷度，它们对结晶过程有何影响？6 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。7、简述纯金属凝固时润湿角 、杂质颗粒的晶体结构和表面形态对异质形核的影响。第四章 二元合金相图与合金凝固一、填空1. 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 起伏。2. 按液固界面微观结构，界面可分为 和 。3. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是 ，光滑界面晶体的长大机制是 和 。4 在一般
6、铸造条件下固溶体合金容易产生 偏析，用 热处理方法可以消除。5 液态金属凝固时，若温度梯度 dT/dX0（正温度梯度下） ，其固、液界面呈 状，dT/dX0 时（负温度梯度下） ，则固、液界面为 状。6. 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 。7 固溶体合金凝固时，溶质分布的有效分配系数 ke= ，当凝固速率很大时 ke 趋于 。8. 在二元相图中，L 1+L 2 叫 反应，L+ 称为 转变，而反应 称为 反应，+ 称为 反应。9 Fe-Fe3C 相图中含碳量小于 为钢，大于 为铸铁；铁碳合金室温平衡组织均由 和 两个基本相组成；根据溶质原子的位置，奥氏体其晶体
7、结构是 ，是 固溶体，铁素体是 ，其晶体结构是 ，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含量是 ；珠光体的含碳量是 ，它是由 和 组成的两相混合物；莱氏体的含碳量是 ；在常温下，亚共析钢的平衡组织是 ，过共析钢的平衡组织是 ，亚共晶白口铸铁的平衡组织是 ，莱氏体的相组成物是 ，变态莱氏体的相组成物是 ，Fe 3CI 是从 中析出的，Fe 3CII 是从 中析出的，Fe 3CIII 是从 中析出的，它们的含碳量为 ，Fe 3C 主要性能特点是 ，A 共析反应后的生成物称为 。2 问答1 如图 4-1 所示为 Ni-Al 相图1） 填出相图中各相区的平衡相；2） 指出图中的稳定化合物和不稳定化合物；3） 写
8、出图中存在的恒温反应，指明反应类型；4） 指出含 Ni 30%(重量)的合金在平衡冷却时的相变过程，计算室温下的相组成与组织组成，并计算出其中组织组成物的百分数。5） 试说明含 Ni89%（重量）的 Ni-Al 合金其平衡凝固与非平衡凝固后的显微组织的不同。6） 设 X 合金平衡凝固完毕时的组织为 （Al）初晶+(+)共晶，其中 初晶占 80%，3则此合金中 Ni 组元的含量是多少？7） 绘出 1500 时 Al-Ni 合金系的自由能成分曲线示意图。图 4-1 图 4-2 2 根据 Cu-Sn 相图（图 4-2） ，Cu 为 fcc 结构。回答下列问题：1） 相为何种晶体结构？2）计算 212
9、时 Cu-90%Sn 合金在 TE 温度时（共晶反应前）的平衡分配系数。3）Cu-13.47%Sn 合金在正常条件下凝固后， 相的晶界上出现少量 相，其原因何在？如何消除 相？4）分析 Cu-70%Sn 合金平衡凝固过程，并计算共晶反应刚完毕时相组成物和组织组成物的相对含量。5）画出 Cu-Sn 系合金在 450时各相自由能-成分曲线示意图。图 4-3 图 4-43 如图 4-3 为 Mg-Y 相图1） 填相区组成，写出相图上等温反应及 Y=5%wt 时的合金 K 在室温时的平衡组织。2） 已知 Mg 为 hcp 结构，试计算 Mg 晶胞的致密度；3） 指出提高合金 K 强度的可能方法4） 简
10、述图中 Y=10%wt 之合金可能的强化方法。4 试说明纯 Al 和铝铜单相固溶体结晶的异同。45 根据 4-4 的铁碳亚稳平衡相图回答下列问题：1） 写出下列 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。2） 指出此二元系中比较适合做变形合金和铸造合金的成分范围。3） 如何提高压力加工合金的强度。4） 标注平衡反应的成分及温度，写出平衡反应式。5） 分析 Fe-1%C 合金的平衡凝固过程，并计算室温下其中相组成物和组织组成物的百分含量，6） 分析 Fe-1%C 合金在亚稳冷却转变和淬火冷却转变后组织的差异。7） 根据 Fe-Fe3C 状态图确定下列三种钢在给定温
11、度下的显微组织（填入表中）含碳量 温度 显微组织 温度 显微组织0.4 770停留一段时间 P+F 900 A+F 0.77 680 P 刚达到 770 A 1.0 700 P+Fe3C 刚达到 770 A+Fe3C 8) 画出 1200时各相的自由能-成分曲线示意图。图 4-5 图 4-66：A 为金属元素，B 为非金属元素，形成二元相图如图 4-5：1）画出合金平衡冷却曲线以及平衡结晶后组织示意图，计算其室温下相组成物及组织组成物相对含量。2）试分析不同冷却速度对下图中合金凝固后显微组织的影响。3）合金在工业条件冷凝后如对合金进行扩散退火，应如何确定退火温度。7：简述典型金属凝固时，固/液
12、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。8：根据 Pb-Bi 相图（图 46）回答下列问题：1） 把空相区填上相的名称。2） 设 X 合金平衡凝固完毕时的相组成物为 和(Bi)，其中 相占 80%，则 X 合金中 Bi 组元的含量是多少？3） 设 Y 合金平衡凝固完毕时的组织为 (Bi)初晶+ （Bi）共晶，且初晶与共晶的百分含量相等，则此合金中 Pb 组元的含量是多少？4） Pb-30%Bi 合金非平衡凝固后室温下组织与平衡凝固组织有何不同。第五章 三元合金相图1 根据 FeCSi 的 3.5%Si 变温截面图（51） ，写出含 0.8%C 的 Fe
13、-C-Si 三元合金图 85在平衡冷却时的相变过程和 1100时的平衡组织。图 512 图 52 为 Cu-Zn-Al 合金室温下的等温截面和 2%Al 的垂直截面图，回答下列问题：1） 在图中标出 X 合金（Cu-30%Zn-10%Al）的成分点。2） 计算 Cu-20%Zn-8%Al 和 Cu-25%Zn-6%Al 合金中室温下各相的百分含量，其中 相成分点为 Cu-22.5%Zn-3.45%Al， 相成分点为 Cu-18%Zn-11.5%Al。3） 分析图中 Y 合金的凝固过程。图 52Y63 如图 53 是 A-B-C 三元系合金凝固时各相区，界面的投影图，A、B、C 分别形成固溶体
14、、。1） 写出 Pp， E1和 2单变量线的三相平衡反应式。2） 写出图中的四相平衡反应式。3） 说明 O 合金凝固平衡凝固所发生的相变。图 53 图 544 图 54 为 Fe-W-C 三元系的液相面投影图。写出 e11085，P 11335，P21380单变量线的三相平衡反应和 1700，1200，1085的四相平衡反应式。I，II，III 三个合金结晶过程及室温组织，选择一个合金成分其组织只有三元共晶。5 如图 55 为 Fe-Cr-C 系含 13%Cr 的变温截面）大致估计 2Cr13 不锈钢的淬火加热温度（不锈钢含碳量., 含 Cr 量 13）指出 Cr13 模具钢平衡凝固时的凝固过
15、程和室温下的平衡组织（Cr13 钢含碳量 2%）写出（）区的三相反应及 时的四相平衡反应式。7图 55 图 566 如图 56 所示，固态有限溶解的三元共晶相图的浓度三角形上的投影图，试分析 IV区及 VI 区中合金之凝固过程。写出这个三元相图中四相反应式。图 57 7 分析如图 57 所示的三元相图，该合金中 E 点成分为 27Pb18Sn55Bi， 相成分取100Bi 。1）指出这个三元系的初晶面，写出四相平衡反应式；2）分析该三元合金系中 1，2，3，4 合金平衡结晶过程；3）要配制一个初晶为 ，具有三元共晶而无二元共晶且 /三元共晶=0.5 的合金，计算该合金的成分。第六章 空位与位错
16、一、 名词解释空位平衡浓度，位错，柏氏回路，P-N 力，扩展位错，堆垛层错，弗兰克- 瑞德位错源， 奥罗万机制，科垂耳气团，面角位错，铃木气团，多边形化 二、 问答1 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运动有何影响？层错能对金属材料冷、热加工行为的影响如何？2. 在铝单晶体中（fcc 结构） ， 1） 位错反应102a6+12a能否进行？写出反应后扩展位错宽度的表达式和式中各符号的含义；若反应前的0是刃位错，则反应后的扩展位错能进行何种运动？能在哪个晶面上进行运动？若反应前的12a是螺位错，则反应后的扩展位错能进行何种运动？82） 若（1， 1，1）面上有一位错
17、102ab，与 ）（ 面上的位错012ab发生反应，如图 61。写出位错反应方程式，说明新位错的性质，是否可动。3） 写出（111）与（111）两个滑移面上两全位错所分解为肖克莱不全位错的两个反应式。4） 如果两扩展位错运动，当它们在两个滑移面交线 AB 相遇时，两领先不全位错为126a和，两领先位错能否发生反应，若能，求新位错柏氏矢量；分析新形成位错为何种类型位错，能否自由滑移，对加工硬化有何作用。图 613 螺旋位错的能量公式为 02ln4rRGbES。若金属材料亚晶尺寸为 R=10-310-4cm，r 0 约为 10-8cm，铜的 G410 6N/cm2，b2.510 8 cm。（1）试
18、估算 Es（2）估算 Cu 中长度为 1 个柏氏矢量的螺型位错割阶的能量。4 平衡空位浓度与温度有何关系？高温淬火对低温扩散速度有何影响？5 已知 Al 的空位形成能为 0.76eV，问从 27 升温到 627 时空位浓度增加多少倍（取系数 A=1）6 在一个刃型位错附近放置另一个与之平行同号的另一个刃型位错，其位置如图 62 所示 1，2，3，问它们在滑移面上受力方向如何？图 627、位错对金属材料有何影响？8. 面心立方晶体中， 把 2 个平行的同号螺位错从 100nm 推近到 8nm 作功多少?已知1239a=0.3nm，G=710 10Pa。 9.已知 BCC 铁的密度为 7.87g/
19、cm3，求一个铁晶胞中包含的空位数为多少？每 cm3 中包含的空位数是多少？（铁的点阵常数为 2.86610-8cm,铁原子的摩尔质量为 55.847g）10 计算室温（25）时铜的空位浓度，并求在多少温度下铜的空位浓度为室温的 1000 倍？已知铜中产生 1 摩尔空位多需要的热量是 83600J。已知，FCC 铜的点阵常数为 0.3615nm第七章 金属塑性变形一 名词解释固溶强化，应变时效，孪生，临界分切应力，变形织构二 问答1 单相合金的冷塑性变形与纯金属的室温塑性变形相比，有何特点。2 金属晶体塑性变形时，滑移和孪生有何主要区别？3 A-B 二元系中，A 晶体结构是 bcc，形成 固溶
20、体，B 晶体结构是 fcc，形成 固溶体，A 与 B 形成 相，其晶体结构是 hcp：1） 指出 ， 三个相的常见滑移系；2） 绘出它们单晶变形时应力-应变曲线示意图，试解释典型低层错能面心立方单晶体的加工硬化曲线，并比较与多晶体加工硬化曲线的差别。4 简述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构的成因及对金属材料性能的影响。5 为什么金属材料经热加工后机械性能较铸造态好。6 何为加工硬化？列出产生加工硬化的各种可能机制。 （不必说明） ，加工硬化现象在工业上有哪些作用？7 铝单晶体拉伸时，其力轴为001，一个滑移系的临界分切应力为 0.79MN/m2，取向因子 COSCOS=0.41,试问有几个滑
21、移系可同时产生滑移？开动其中一个滑移系至少要施加多大的拉应力？9 简要说明第二相在冷塑性变形过程中的作用。10 讨论织构的利弊及控制方法。11 叙述金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化。 12 图 71 所示低碳钢的三条拉伸曲线，1塑性变形；2去载后立即再行加载；3去载后时效再加载。试回答下列问题：1） 解释图示曲线 2 无屈服现象和曲线 3 的屈服现象。2） 屈服现象对金属变形制件表面质量有何影响，如何改善表面质量。13 退火纯 Fe，其晶粒尺寸 d=1/4mm 时，其屈服点 s=100MNm-2；d=1/64mm 时s=250MNm-2。d=1/16mm 时，根据霍尔配奇公式求
22、其 s 为多少？第八章 回复与再结晶1 名词变形织构与再结晶织构，再结晶全图，冷加工与热加工，带状组织，加工流线，动态再结晶，临界变形度，二次再结晶，退火孪晶2 问答1 再结晶与固态相变有何区别？图 71102 简述金属冷变形度的大小对再结晶形核机制和再结晶晶粒尺寸的影响。3 灯泡中 W 丝在高温下工作，发生显著晶粒长大性能变脆，在热应力作用下破断，试找出两种延长钨丝寿命的方法？4 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？5 纯铝经 90%冷变形后，取三块试样分别加热到 70 ， 150 ，300 ，各保温一小时后空冷，纯铝的熔点为
23、 660。1） 分析所得组织，画出示意图；2） 说明它们强度、硬度的高低和塑性方面的区别并简要说明原因。7 今有工业纯钛、纯铝和纯铅铸锭，试问如何选择它们的轧制开坯温度？开坯后，将它们在室温（20）进行轧制，它们的塑性谁好谁坏？为什么？它们在室温下可否连续轧制下去？钛、铅、铝分别怎样才能轧成很薄的带材？已知：工业纯金属的再结晶温度 T 再 =（0.3-0.4）T 熔 ，钛熔点 1672，883以下为hcp，883以上为 bcc；铝熔点为 660，fcc 结构（面心立方） ；铅熔点为 327，fcc 结构（面心立方） 。8 试说明晶粒大小对金属材料室温及高温力学性能的影响，在生产中如何控制材料的
24、晶粒度。9 如何提高固溶体合金的强度10 试用位错理论解释固溶强化，弥散强化，以及加工硬化的原因。第九章 表面与界面1 名词正吸附，晶界能，小角度晶界，晶界偏析2 问答1 试说明界面对复合材料结合强度的影响。2 试述晶界的特性。3 分析晶界能的变化。4 分析影响晶界迁移的因素。第十章 原子扩散1、 简要说明影响溶质原子在晶体中扩散的因素。2、Ni 板与 Ta 板中有 0.05mm 厚 MgO 板作为阻挡层，1400时 Ni 通过 MgO 向 Ta 中扩散，此时 Ni 在 MgO 中的扩散系数为 D=91012 cm2/s，Ni 的点阵常数为 3.6108 cm。问每秒钟通过 MgO 阻挡层在
25、22cm2 的面积上扩散的 Ni 数目，并求出要扩散走 1mm 厚的 Ni 层需要的时间。3、对含碳 0.1齿轮气体渗碳强化，渗碳气氛含碳 1.2，在齿轮表层下 0.2cm 处碳含量为0.45%时齿轮达到最佳性能。已知铁为 FCC 结构，C 在 Fe 中的 D00.23，激活能Q32900cal/mol，误差函数如表 101。1）试设计最佳渗碳工艺；112）在渗碳温度不变，在 1000时渗碳，要将渗碳厚度增加 1 倍，即要求在其表面下 0.4cm处渗碳后碳含量为 0.45%所需渗碳时间。表 101 Dtx2与 erf( tx)的对应值Dtx2erf( tx) terf( t2) Dtxerf(
26、 tx2)0.0 0.0000 0.7 0.6778 1.4 0.95230.1 0.1125 0.8 0.7421 1.5 0.96610.2 0.2227 0.9 0.7969 1.6 0.97630.3 0.3286 1.0 0.8247 1.7 0.98380.4 0.4284 1.1 0.8802 1.8 0.98910.5 0.5205 1.2 0.9103 1.9 0.99280.6 0.6039 1.3 0.9340 2.0 0.99534 一块厚度 10 毫米，含碳量 0.77%的钢在强脱碳气氛中加热到 800，然后缓慢冷却，试指出试样从表面到心部的组织分布。5 一块用作承载重物的低碳钢板，为提高其表面硬度采用表面渗碳，试分析：1) 渗碳为什么在 -Fe 中进行而不在 -Fe 中进行，即渗碳温度选择要高于 727 ，为什么？2) 渗碳温度高于 1100 会出现什么问题？6 铜-锌基单相固溶体进行均匀化处理，试讨论如下问题：1) 在有限时间内能否使枝晶偏析完全消失？2) 将此合金均匀化退火前进行冷加工，对均匀化过程是加速还是无影响？说明理由。7 原子扩散在材料中的应用8 何谓上坡扩散，举两个实例说明金属中上坡扩散现象。9、简述固溶体合金的扩散机制
