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《材料科学基础》习题.doc

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《材料科学基础》习题

第一章材料的结构

1. 试说明一个面心立方等于一个体心正方结构。

2. 在立方系中绘出{110}、{111}晶面族所包括的晶面,及(112)和(12。)晶面。

3. 求(121)与(100)所决定的晶带轴和(001 )与(111)所决定的晶带轴所构成的晶面的晶 面

指数。

4. 计算面心立方结构(111 X ( 110)与(100)面的面密度和面间距。

5. FeAl是电子化合物,具有体心立方点阵,试画出其晶胞,计算电子浓度,画出(112)面原 子排列

图.

6. 合金相VC、Fe3C、CuZn、ZrFe2属于何种类型,并指出其结构特点。

第二章晶体缺陷

1. 铜的空位生成能1. 7 x 10-19J,试十算1000°C时,lcm3铜所包含的空位数,铜的密度8. 9g/cm3, 相对原子质量63. 5,玻尔兹曼常数K=l. 38 x 10-23J/K。 如图2-1所示的位错环,说明各段位错的性质,并指出刃位错多余半原子面的位置。

图2-1 图2-2 2. 如图2-2,某晶体滑移面上有一个 柏氏矢量为b的位错环,受到均匀切应力T作用,试分 析: 该位错环各段位错的结构类型; 求各段位错所受的力;

在T的作用下,位错环将如何运动?

在T的作用下,位错环稳定不动,其最小半径应该多大?

3. 画图说明F-R位错源位错增殖过程。

4. 证明位错密度p和弯曲晶体曲率半径R的关系为p =即.

5. 图3-1表示两个被钉扎的刃位错A-B、C-D,它们的长度均为x,且具有相同的位错线方向和 柏氏矢

量,每个位错都可作为F-R位错源。假定这两个位错正在扩大,试问位错环在交互作用 时,是将位错运动钉扎住,还是形成一个大位错源?如果能够形成一个大位错源,试问该大位 错源开动所需临界切应

力有多大?

bl

1 ■・VB r 1 -- X -- — 图3-1

第三章纯金属的凝固

1. 若液态金属中形成一球形晶核,试证明临界晶核形成功^Gc与临界晶核体积Vc的关系为△

X\"

Gc= - 2

°

2. 分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。 4. 细化铸件晶粒的途径有那些?为什么?

5. 液态金属结晶时需要过冷,那么固态金属熔化时是否会出现过热?

第四章材料的相结构与二元相图

1. 何为成份过冷?影响成份过冷的因素有那些?试述区域提纯的原理。

2. 简述枝晶偏析形成过程和消除方法。

3. 分析0. 45%C, 1. 2%C和2. 3%C的铁碳合金的平衡结晶过程,计算室温下组织组成 物的相对 量

及两相相对量。

4. 根据显微组织分析,一灰口铁内石墨的体积占12%,铁素体的体积占88%,试求该合金的碳 含量。 5. 简述铸锭三区的形成机理,采用什么方法可使柱状晶更发达?采用什么方法可使中心等轴晶 更发

达?

6. 钢中有那些常见杂质?何为钢的“热脆” ?何为钢的“冷脆” ?如何防止?

第五章三元相图

1. 固态下完全不互溶的三元共晶相图如图6-1所示,分析。与°’合金的结晶过程,画出冷却

曲线、结晶示意图、注明反应式,并计算室温下组织组成物的相对量。

A

A

图6-2

2. 固态下完全不互溶的三元共晶相图如图6-2所示,画出过Am、PQ的垂直截面。若三组元的 熔点tA> tB> tC,请画出tB < t< tA温度下的水平截面。

3. 液相面投影图如图6-3,分析0合金的结晶过程,画出冷却曲线、结晶示意图、注明反应式, 并计算

室温下组织组成物的相对量。

4. 液相面投影图如图6-4,请写出全部四相平衡转变。

第六章、扩散

1. 在钢棒的表面,每20个铁的晶胞中含有一个碳原子,在离表面1mm处每30个铁的晶胞中含 有一个

碳原子,知铁为面心立方结构(a=3.65A),1000°C时碳的扩散系数为3 x 10-1 ln】2 / s,求 每分钟内因扩散通过单位晶胞的碳原子数是多少?

2. 在恒定源条件下820°C时,钢经1小时的渗碳,可得到一定厚度的表面渗碳层,若在同样条 件下.

要得到两倍厚度的渗碳层需要几个小时?

3. 在不稳定扩散条件下800。C时,在钢中渗碳100分钟可得到合适厚度的渗碳层,若在1000C 时要得到同样厚度的渗碳层,需要多少时间(D0=2.4 x 10-12m2/sec: D1000°C=3x 10-llm2/ sec ) ? 4. 在制造硅半导体器体中,常使硼扩散到硅单品中,若在1600K温度下.保持硼在硅单品表面 的浓度恒定(恒定源半无限扩散),要求距表面10-3cm深度处硼的浓度是表面浓度的一半,问需

X erfc = 0.5

要多长时间(已知 D1600°C=8x 10-12cni2/sec;当

时,2』Dl X

a 0.5

) ?

5. Zn2+在ZnS中扩散时,563X2时的扩散系数为3x 10-14cm2/sec; 450°C时的扩散系数为1.0 x

10-14cm2/sec,求: 1 )扩散的活化能和D0;

2 ) 750C时的扩散系数。

6. 实验册的不同温度下碳在钛中的扩散系数分别为2 x 10-9cn】2/s(736 °C)、5 x 10-9cn】2/s(782 C )、1.3 x 10-8cm2/s (838 °C )。a)请 判 断 该实验 结果是 否符合

D = D° exp( )

RT , b)是否符合,请计算扩散活化能(J/mol°C ),并求出在500C时谈的扩 散系数。

7. 在某种材料中,某种粒子的晶界扩散系数与体积扩散系数分别为Dgb=2.00x 10-1 Oexp (-19100/T)和Dv=l. 00x 10-4exp(-38200/T),是求晶界扩散系数和温度扩散系数分别在

什么温度范围内占优势?

8. 假定碳在a-Fe(体心立方)和;丫-的(面心立方)中的扩散系数分别为:

D a =0. 0079exp [-83600 (J/mol/RT)cm2/sec =0. 21exp[-141284 (J/mol/RT)cm2/ssec 计算800 C时各自的扩散系数并解释其差别。

D y

第七章固体材料的变形与断裂

1. 将一根长20m,直径14nini铝棒,通过1 2. 7mm的模具拉拔,求: 这根棒材拉拔后的尺寸;

这才艮棒材承受的工程应变与真应变。

2. 画出体心立方、面心立方和密排六方晶体的滑移系。 3. 体心立方晶体{110} (112) <1112 (123) <111 >滑移系共有多少个?可否产

生交滑移?

单晶表面为{100}面,假定晶体可以在任何滑移系上滑移,讨论表面上可能见到的滑移线。

5. 证明面心立方晶体发生挛生变形时,产生的切变量为0.707。 6. 试用多晶体塑变理论解释,室温下金属的晶粒越细强度越高。

7. 有一块密排六方高纯金属板(a/c=1. 586 ),轧成薄板后产生(0001 )〈11^0〉织构,沿轧向 取

样,屈服强度较低,当金属中加入一定碳后,在相同条件下拉伸屈服强度很高,请说明原因。

第八章回复与再结晶(10h)

1. 某单晶冷压80%,在20C停留7天后,性能回复到一定程度。若在100°C回复到相同程度则 需要50min,求该金属的回复激活能。

2. 冷变形黄铜在400°C温度下完成再结晶需要lh,而390°C温度下完成再结晶需要2h,试计算 420°C再结晶需要多少时间?

3. Fe-3%Si合金含MnS粒子时,当粒子半径为0. 05 p m,体积分数为1%, 850C以下退火,当 基体的晶粒平均直径为6pm的时候,正常长大停止,试分析原因。

4. 将一楔形铜片置于两轧捉滚之间轧制,画出再结晶后晶粒大小沿片长方向的变化示意图。如 果加热

到再结晶温度以上保温,何处先发生再结晶?

5. 将纯铜冷轧98%后,在不同温度下再结晶,请设计一方案测定出再结晶激活能。

6. 灯泡中鸽丝在非常高的温度下工作,晶粒会显著长大,当形成横跨4乌丝的大晶粒时,灯丝变 脆,

会在工作中造成的热应力作用下,产生破坏。试找出能够延长灯丝寿命的方法。

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