材料科学基础上复习题库.docx
- 文档编号:11530589
- 上传时间:2023-06-01
- 格式:DOCX
- 页数:37
- 大小:971.60KB
材料科学基础上复习题库.docx
《材料科学基础上复习题库.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《材料科学基础上复习题库.docx(37页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
材料科学基础上复习题库
简答题
1•空间点阵与晶体点阵有何区别?
晶体点阵也称晶体结构,是指原子的具体排列;而空间点
阵则是忽略了原子的体积,而把它们抽象为纯几何点。
2•金属的3种常见晶体结构中,不能作为一种空间点阵的是哪种结构?
密排六方结构。
3•原子半径与晶体结构有关。
当晶体结构的配位数降低时原子半径如何变化?
原子半径发生
收缩。
这是因为原子要尽量保持自己所占的体积不变或少变,原子所占体积2人=原子的体
积(4/3n3r间隙体积),当晶体结构的配位数减小时,即发生间隙体积的增加,若要维持上述方程的平衡,则原子半径必然发生收缩。
4•在晶体中插入柱状半原子面时能否形成位错环?
不能。
因为位错环是通过环内晶体发生滑
移、环外晶体不滑移才能形成。
5•计算位错运动受力的表达式为,其中是指什么?
外力在滑移面的滑移方向上的分切应力。
6•位错受力后运动方向处处垂直于位错线,在运动过程中是可变的,晶体作相对滑动的方向
应是什么方向?
始终是柏氏矢量方向。
7.位错线上的割阶一般如何形成?
位错的交割。
8•界面能最低的界面是什么界面?
共格界面。
9•小角度晶界都是由刃型位错排成墙而构成的”这种说法对吗?
否,扭转晶界就由交叉的
同号螺型位错构成
10.为什么只有置换固熔体的两个组元之间才能无限互溶,而间隙固熔体则不能?
这是因为
形成固熔体时,熔质原子的熔入会使熔剂结构产生点阵畸变,从而使体系能量升高。
熔质与
熔剂原子尺寸相差越大,点阵畸变的程度也越大,则畸变能越高,结构的稳定性越低,熔解
度越小。
一般来说,间隙固熔体中熔质原子引起的点阵畸变较大,故不能无限互溶,只能有
限熔解。
综合题
1.作图表示立方晶体的(123)(0-1-2)(421)晶面及卜102]卜211][346]晶向。
2.写出立方晶体中晶向族<100>,<110>,<111>等所包括的等价晶向。
3.写出立方晶体中晶面族{100},{110},{111},{112}等所包括的等价晶面。
4.总结3种典型的晶体结构的晶体学特征。
5.在立方晶系中画出以[001]为晶带轴的所有晶面。
6.面心立方晶体的(100),(110),(111)等晶面的面间距和面密度,并指出面间距最大的面。
7.Ni的晶体结构为面心立方结构,其原子半径为r=0.1243求Ni的晶格常数和密度。
8.Mo的晶体结构为体心立方结构,其晶格常数a=0.3147nm,试求Mo的原子半径r。
9.在Fe中形成1mol空位的能量为104.67kJ,试计算从20C升温至850C时空位数目增加多少倍?
10.判断下列位错反应能否进行。
1)a/2[10-1]+a/6卜121]宀a/3[11-1]2)a[100]宀a/2[101]+a/2[10-1]
3)a/3[112]+a/2[111]宀a/6{1]14)a[100]a/2[111]+a/2[1-1-1]
11.若面心立方晶体中有b=a/2[-101]的单位位错及b=a/6[12-1]的不全位错,此二位错相遇
产生位错反应。
1)问此反应能否进行?
为什么?
2)写出合成位错的柏氏矢量,并说明合成位错的类型。
12.已知柏氏矢量b=0.25nm,如果对称倾侧晶界的取向差=1及10°求晶界上位错之间的距
离。
从计算结果可得到什么结论?
13.①计算fee和bee晶体中四面体间隙及八面体间隙的大小(用原子半径尺表示),并注明间隙中心坐标。
②指出溶解在Y-Fe中C原子所处的位置,若此位置全部被C原子占据,那么,间在此
情况下,丫Fe能溶解C的质量分数为多少?
实际上碳在铁中的最大溶解质量分数是多少?
二
者在数值上有差异的原因是什么?
14.试从晶体结构的角度,说明间隙固溶体、间隙相及间隙化合物之间的区别。
15.何谓玻璃?
从内部原子排列和性能上看,非晶态和晶态物质主要区别何在?
16.有序合金的原子排列有何特点?
这种排列和结合键有什么关系?
为什么许多有序合金在高温下变成无序?
17.试分析H、N、C、B在Fe和Fe中形成固熔体的类型、存在位置和固溶度(摩尔分数)。
各元素的原子半径如下:
H为0.046nm,N为0.071nm,C为0.077nm,B为0.091nm,Fe为0.124nm,Fe为0.126nm。
18.试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。
19.什么叫临界晶核?
它的物理意义及与过冷度的定量关系如何?
20.试分析单晶体形成的基本条件。
21.铸件组织有何特点?
22.液体金属凝固时都需要过冷,那么固态金属熔化时是否会出现过热,为什么?
23.欲获得金属玻璃,为什么一般选用液相线很陡,从而有较低共晶温度的二元系?
24.比较说明过冷度、临界过冷度、动态过冷度等概念的区别。
25.分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。
26.简述纯金属晶体长大的机制。
27.指出下列概念的错误之处,并改正。
(1)所谓过冷度,是指结晶时,在冷却曲线上出现平台的温度与熔点之差;而动态过冷度是
指结晶过程中,实际液相的温度与熔点之差。
(2)金属结晶时,原子从液相无序排列到固相有序排列,使体系熵值减少,因此是一个自发过程。
(3)在任何温度下,液体金属中出现的最大结构起伏都是晶胚。
(4)在任何温度下,液相中出现的最大结构起伏都是核。
⑸所谓临界晶核,就是体系自由能的减少完全补偿表面自由能的增加时的晶胚的大小。
(6)在液态金属中,凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核,但是只要有足够的能量起伏提供形核功,还是可以成核的。
(7)测定某纯金属铸件结晶时的最大过冷度,其实测值与用公式△T=0.2Tm计算值基本一致。
(8)某些铸件结晶时,由于冷却较快,均匀形核率N,提高,非均匀形核率N2也提高,故总
的形核率为N=N1+N2。
(9)若在过冷液体中,外加10000颗形核剂,则结晶后就可以形成10000颗晶粒。
(10)从非均匀形核功的计算公式A非=A均中可以看出,当润湿角0=00时,非均匀形核
的形核功最大。
(11)为了生产一批厚薄悬殊的砂型铸件,且要求均匀的晶粒度,则只要在工艺上采取加形核剂就可以满足。
(12)非均匀形核总是比均匀形核容易,因为前者是以外加质点为结晶核心,不象后者那样形成界面,而引起自由能的增加。
(13)在研究某金属细化晶粒工艺时,主要寻找那些熔点低、且与该金属晶格常数相近的形核剂,其形核的催化效能最高。
(14)纯金属生长时,无论液-固界面呈粗糙型或者是光滑型,其液相原子都是一个一个地沿着固相面的垂直方向连接上去。
(15)无论温度如何分布,常用纯金属生长都是呈树枝状界面。
(16)氮化铵和水溶液与纯金属结晶终了时的组织形态一样,前者呈树枝晶,后者也呈树枝晶。
(17)人们是无法观察到极纯金属的树枝状生长过程,所以关于树枝状的生长形态仅仅是一种推理。
(18)液体纯金属中加入形核剂,其生长形态总是呈树枝状。
(19)纯金属结晶时若呈垂直方式长大,其界面时而光滑,时而粗糙,交替生长。
(20)从宏观上观察,若液-固界面是平直的称为光滑界面结构,若是金属锯齿形的称为粗糙界面结构。
(21)纯金属结晶时以树枝状形态生长,或以平面状形态生长,与该金属的熔化熵无关。
(22)金属结晶时,晶体长大所需要的动态过冷度有时还比形核所需要的临界过冷度大。
解析:
1.
共3个等价晶向。
共6个等价晶向。
共4个等价晶向。
个等价面。
共6个等价面。
共4个等价面。
2.<100>=[100]十[010]+[001],
<110>=[110]十[-110]+[101]+[-101]+[011]+[0-11]<111>=[111]+[-111]+[1-11]+[11-1],
3.{100}=(100)+(010)+(001),3{110}=(110)+(-110)+(101)+(-101)+(011)+(0-11){111}=(111)+(-111)+(1-11)+(11-1){112}=(112)+(-112)+(1-12)+(11-2)+(121)+(-121)+(1-21)+(12-1)+(211)+(-211)+(2-11)+(21-1)共12个等价面。
4.
41
fgp
hcp^p
a*3
0^c(a/c=L633)+?
Rp
航•a
°门
a1j#且苫
T*iVT+T.
6p
12^
0.68^
A
0.6力
间隙+
四面
数量+
8p
12^
S*3
大小*
a225R*3
0.291R^
0.225Rp
八面
数量卫
4卢
2
6p
大<2
0.414R^
0.154R/0.633R*3
0.414R4>
5.晶带轴[uvw]与该晶带的晶面(hkl)之间存在以下关系:
hu+kv+lw=O;
将晶带轴[001]代人,贝Uh*0+k*0+l*1=0;当l=0时对任何h,k取值均能满足上式,故晶
带轴[001]的所有晶带面的晶面指数一般形式为(hk0).
*轟带軸
6.在面心立方晶体中,当(hkl)不全为奇数或偶数时,有附加面。
U——■二=0.且血
2"+0+0
K<]cr^=
(7X4+1P
也r=认785
(制
2yrirho_°*饕仏
从上面计算结果得知,原子排列最密排的(111)晶面的面间距最大
7.
4r4XO.1Z43、“、—.
«=匸尸=山3516(nm)
4X58,69
盘yf2
—4人-4X5&69LX"/’
_<3?
5lfiX10-*)1X6/023X10£i=&96'CejGm5
8.
=浮X0<3147=0*1363(nm)
4
9.
取AT
“⑷“尸
G°=1*exp(□設鸚)=2.1349X10-”
10.⑴能。
几何条件:
刀b前=刀b后;能量条件:
刀b前2>刀b后2
(2)不能。
能量条件:
刀b前2=Eb后2,两边能量相等。
⑶不能。
几何条件:
刀b前=a/b[557],刀b后=a/b[11-1],不能满足。
⑷不能。
能量条件:
刀b前2<刀b后2,即反应后能量升高。
11.
(1)能够进行。
因为既满足几何条件:
刀b前=刀b后,又满足能量条件:
刀b前2>Eb
2
后
(2)b合=a/3[-111];该位错为弗兰克不全位错。
12.
当0=1°,D=14nm;B=10°,D=1.4nm时,即位错之间仅有5〜6个原子间距,此时位错密度太大,说明当0角较大时,该模型已不适用。
2%
[超
-41sR-0.2257?
4
4
72J
bee八面体间隙半径:
间隙中心坐标为:
3/4,1/4,3/4
bee四面体间隙半径:
间隙中心坐标为:
1/2,1/2,1
2丫-Fe为fee结构,八面体间隙半径较大,所以rFe中的C原子一般处于八面体间隙位
置。
由于fee结构中八面体间隙数与原子数相等,若此类位置全部被C原子占据,则丫Fe
中C的原子数分数为50%,质量分数为17.6%。
而实际上C在丫Fe中最大质且分数为
2.11%,大大小于理论值,这是因为C原子半径为0.077nm,大于八面体间隙半径(0.054nm),所以碳的溶人会引起丫Fe晶格畸变,这就妨碍了碳原子进一步的溶人。
14.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。
形成间隙固溶体的溶
质原子通常是原子半径小于0.1nm的非金属元素,H,B,C,N,O等。
间隙固溶体保持母相(溶剂)
的晶体结构,其成分可在一定固溶度极限值内波动,不能用分子式表示。
间隙相和间隙化合
物属原子尺寸因素占主导地位的中间相。
它们显然也是原子半径较小的非金属元素占据晶格
的间隙,然而间隙相、间隙化合物的晶格与组成他们的任一组元晶格都不相同。
它们的成分
可在一定范围内波动.但组成它们的组元大致都具有一定的原子组成比,可用化学分子式来表示。
当Re/Ra<0.59时,通常形成间隙相,其结构为简单晶体结构,具有极高的熔点和硬度;
当Rb/Ra>0.59时,则形成间隙化合物,其结构为复杂的晶体结构。
15.所谓玻璃,是指具有玻璃化转变温度的非晶态固体。
玻璃与其他非晶态的区别就在于有无玻璃化转变温度。
玻璃态也指非晶态金属和合,它实际上是一种过冷状态液体金属。
从内部原子排列的特征来看,晶体结构的基本特征是原子在三维空间呈周期性排列,即
存在长程有序,而非晶体中的原子排列却无长程有序的特点。
从性能上看,晶体具有固定熔
点和各向异性,而非晶体则无固定熔点,且系各向同性。
16.有序固熔体,其中各组元原子分别占据各自的布拉菲点阵一一称为分点阵,整个固熔体
就是由各组元的分点阵组成的复杂点阵,也叫超点阵或超结构。
这种排列和原子之间的结合
能(键)有关。
结合能愈大,原子愈不容易结合。
如果异类原子间结合能小于同类原子间结合
能,即eab<(Eaa十Ebb)/2,则熔质原子呈部分有序或完全有序排列。
有序化的推动力是混合能参量(切=sab—1/2(Eaa+Ebb))m<0,而有序化的阻力则是组态熵;升温使后者对于自由能的贡献(-TS增加,达到某个临界温度以后,则紊乱无序的固熔体更为稳定,有序固熔体消失,而变成无序固熔体。
17.a-Fe为体心立方点阵,致密度虽然较小,但是它的间隙数目多且分散,因而间隙半径很小,r四=0.291,R=0.0361nm;r八=0.154,R=0.0191nm。
H,N,C,B等元素熔人。
a-Fe中形成间隙固熔体,由于尺寸因素相差很大,所以固熔度(摩尔分数)都很小。
例如N在a-Fe中的固熔度(摩尔分数)在590C时达到最大值,约为®N=0.1X10,在室温时降至coN=0.001X10;C在a-Fe中的固溶度(摩尔分数)在727C时达最大值,仅为WC=0.0218X-1o在室温时降至coC=0.006X10。
所以,可以认为碳原子在室温几乎不熔于a-Fe中,微量碳原子仅偏聚在位错等晶体缺陷附
近。
假若碳原子熔入a-Fe中时,它的位置多在a-Fe的八面体间隙中心,因为a-Fe中的八面
体间隙是不对称的,形为扁八面体,[100]方向上间隙半径r=0.154R,而在[110]方向上,r
=0.633R,当碳原子熔入时只引起一个方向上的点阵畸变。
硼原子较大,熔人间隙更为困难,
有时部分硼原子以置换方式熔人。
氢在a-Fe中的固熔度(摩尔分数)也很小,且随温度下降
时迅速降低。
以上元素在丫Fe中的固熔度(摩尔分数)较大一些。
这是因为丫Fe具有面心立方点阵,原子堆积致密,间隙数目少,故间隙半径较大:
rA=0.414,R=0.0522nm;r四=0.225,R=0.0284nm。
故上述原子熔入时均处在八面体间隙的中心。
如碳在YFe中最大固熔度(质
量分数)为3C=2.1X10;氮在YFe中的最大固熔度(质量分数)约为wN=2.8X10。
18.分析结晶相变时系统自由能的变化可知,结晶的热力学条件为?
G<0;由单位体积自由能
的变化可知,只有?
T>0,才有?
GB<0b即只有过冷,才能使?
G<0。
动力学条件为液一固界面前沿液体的温度T 由临界晶核形成功A=1/3(S可知,当形成 一个临界晶核时,还有1/3的表面能必须由液体中的能量起伏来提供。 液体中存在的结构 起伏,是结晶时产生晶核的基础。 因此,结构起伏是结晶过程必须具备的结构条件。 19.根据自由能与晶胚半径的变化关系,可以知道半径r 才有可能成核;而r=m的晶胚既可能消失,也可能稳定长大。 因此,半径为rk的晶胚称为 临界晶核。 其物理意义是,过冷液体中涌现出来的短程有序的原子团,当其尺寸r》r寸,这 样的原子团便可成为晶核而长大。 临界晶核半径rk,其大小与过冷度有关,则有 20.形成单晶体的基本条件是使液体金属结晶时只产生一个核心(或只有一个核心能够长大) 并长大成单晶体。 21.在铸锭组织中,一般有三层晶区: (1)最外层细晶区。 其形成是由于模壁的温度较低,液体的过冷度交大,因此形核率较高。 (2)中间为柱状晶区。 其形成是由于模壁的温度升高, 晶核的成长速率大于晶核的形核率,且沿垂直于模壁风向的散热较为有利。 在细晶区中取向 有利的晶粒优先生长为柱状。 (3)中心为等轴晶区。 其形成是由于模壁温度进一步升高,液 体过冷度进一步降低,剩余液体的散热方向性已不明显,处于均匀冷却状态;同时,未熔杂 质、破断枝晶等易集中于剩余液体中,这些都促使了等轴晶的形成。 应该指出,铸锭的组织 并不是都具有3层晶区。 由于凝固条件的不同,也会形成在铸锭中只有某一种晶区,或只有 某两种晶区。 答案’固态金属熔化时不一定岀现过热°如熔化吋,液相若与汽相接融,当有少量液体金属在固相袤面形成时,就会很快复盖在整个袤面(因为敞体金属总是润握同一种固体金属),由附图26表面张力平衡可知十而实脸扌旨岀叫+沧说明在熔化叭自由能的变化崩(袤面)5,即不存在袤 面能障碍,也就不必过热。 娈际金属多属于这雅情况。 如果固体金属熔化时粮相不与汽相按融,则有可能使固体金属逑瓯然而,这在实际上是难以做到的,』 VV\VVVVVVVVV\5aVVV\VVVYVVVVTVY 23. 23.金属玻璃是通过超快速冷却的方法,抑制液一固结晶过程,获得性能异常的非晶态结构。 玻璃是过冷的液体。 这种液体的黏度大,原子迁移性小,因而难于结晶,如高分子材料 (硅酸盐、塑料等)在一般的冷却条件下,便可获得玻璃态。 金属则不然。 由于液态金属的黏 度低,冷到液相线以下便迅速结晶,因而需要很大的冷却速度(估计>1010c/S)才能获得玻 璃态。 为了在较低的冷速下获得金属玻璃,就应增加液态的稳定性,使其能在较宽的温度范 围存在。 实验证明,当液相线很陡从而有较低共晶温度时,就能增加液态的稳定性,故选 用这样的二元系(如Fe—B,Fe—C,h—P,Fe—Si等)。 为了改善性能,可以加入一些其他元素(如Ni,MoCr,Co等)。 24.实际结晶温度与理论结晶温度之间的温度差,称为过冷度(? T=Tm—Tn)。 它是相变 热力学条件所要求的,只有AT>0时,才能造成固相的自由能低于液相自由能的条件,液、 固相间的自由能差便是结晶的驱动力。 过冷液体中,能够形成等于临界晶核半径的晶胚时的 过冷度,称为临界过冷度(? T*)。 显然,当实际过冷度? T T*时,过冷液体中最大的晶胚尺寸也小于临界晶核半径,故难于成核;只有当? T>? T*时,才能均匀形核。 所以,临界过冷度是形核时所要求的。 晶核长大时,要求液一固界面前沿液体中有一定的过冷,才能满足(dN /dt)F>(dN/dt)M,这种过冷称为动态过冷度(? Tk=Tm一Ti),它是晶体长大的必要条件。 25.纯金属生长形态是指晶体宏观长大时界面的形貌。 界面形貌取决于界面前沿液体中的温 度分布。 (1)平面状长大: 当液体具有正温度梯度时,晶体以平直界面方式推移长大。 此时,界面上任何偶然的、小的凸起伸入液体时,都会使其过冷度减小,长大速率降低或停 止长大,而被周围部分赶上,因而能保持平直界面的推移。 长大中晶体沿平行温度梯度的方 向生长,或沿散热的反方向生长,而其他方向的生长则受到抑制。 (2)树枝状长大: 当液体具有负温度梯度时,在界面上若形成偶然的凸起伸入前沿液体时,由于前方液体有更 大的过冷度,有利于晶体长大和凝固潜热的散失,从而形成枝晶的一次轴。 一个枝晶的形 成,其潜热使邻近液体温度升高,过冷度降低,因此,类似的枝晶只在相邻一定间距的界面上形成,相互平行分布。 在一次枝晶处的温度比枝晶间温度要高,如附图2.7(a)中所示的 AA断面上丁A>丁n,这种负温度梯度使一次轴上又长出二次轴分枝,如附图2.7(b)所示。 同 样,还会产生多次分枝。 枝晶生长的最后阶段,由于凝固潜热放出,使枝晶周围的液体温度 升高至熔点以上,液体中出现正温度梯度,此时晶体长大依靠平界面方式推进,直至枝晶间 隙全部被填满为止。 鬧国比;期体前啊住就札丸 5,羽磴衣辅』<b>需成•底H 26.晶体长大机制是指晶体微观长大方式,它与液一固界面结构有关。 具有粗糙界面的物 质,因界面上约有50%的原子位置空着,这些空位都可接受原子,故液体原子可以单个进 入空位,与晶体相连接,界面沿其法线方向垂直推移,呈连续式长大。 具有光滑界面的晶体 长大,不是单个原子的附着,而是以均匀形核的方式,在晶体学小平面界面上形成一个原子 层厚的二维晶核与原界面间形成台阶,单个原子可以在台阶上填充,使二维晶核侧向长大, 在该层填满后,则在新的界面上形成新的二维晶核,继续填满,如此反复进行。 若晶体的光滑界面存在有螺型位错的露头,则该界面成为螺旋面,并形成永不消失的台阶,原子附着到 台阶上使晶体长大。 27. (1)……在冷却曲线上出现的实际结晶温度与熔点之差……液-固界面前沿液态中的温 度与熔点之差。 (2)……使体系自由能减小…… (3)在过冷液体中,液态金属中出现的…… (4)在一定过冷度下…… ⑸……就是体系自由能的减少能够补偿2/3表面自由能…… (6)……不能成核,即便是有足够的能量起伏提供,还是不能成核。 (7)测定某纯金属均匀形核时的有效过冷度…… (8)……那么总的形核率N=N2。 (9)……则结晶后就可以形成数万颗晶粒。 (10)……非均匀形核的形核功最小。 (11)……则只要在工艺上采取对厚处加快冷却(如加冷铁)就可以满足。 (12)因为前者是以外加质点为基底,形核功小 (13)……主要寻找那些熔点高,且…… (14)……若液一固界面呈粗糙型,则其液相原子…… (15)只有在负温度梯度条件下,常用纯金属…… (16)……结晶终了时的组织形态不同,前者呈树枝晶(枝间是水),后者呈一个个(块状)晶粒。 (17)……生长过程,但可以通.过实验方法,如把正在结晶的金属剩余液体倒掉,或者整体 淬火等进行观察,所以关于树枝状生长形态不是一种推理。 (18)……其生长形态不会发生改变。 (19)……其界面是粗糙型的。 (20)……平直的称为粗糙界面结构……锯齿形的称为平滑界面结构。 (21)……因还与液一固界面的结构有关,即与该金属的熔化熵有关。 (22)……增加,但因金属的过冷能力小,故不会超过某一极大值 相图综合题 1•在图4—30所示相图中,请指出: (1)水平线上反应的性质; (2)各区域的组织组成物; (3)分析合金I,II的冷却过程; (4)合金工,II室温时组织组成物的相对量表达式。 irJO*
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 材料科学 基础上 复习 题库