材料科学基础复习题

??45? cos??cos45?? cos??2 21?0?1?0?1?112?12?12?02?02?120.64?1.57MPa

cos?cos??3 3 ??3、 有一70MPa应力作用在FCC晶体的[001]方向上，求作用在（111）[101]和（111）[110]

滑移系上的分切应力，晶体中哪个滑移系先开动？ 解答：代入公式计算：???cos?cos? 其中 cos????au?bv?cwa?b?c222u?v?w222

cos??ah?bk?cla?b?c222h?k?l222

（其中，abc分别为外力的晶向指数值）

对于（111）[110]滑移系，由于cosλ=0，所以该滑移系在应力作用下不滑移。 对于（111）[101]滑移系，代入数值，则 ??70????13?12?28.58MPa

所以（111）[101]滑移系开动，其上的分切应力为28.58MPa。

七论述

1、 分析三元共晶投影图的绘制方法，试利用三元共晶投影图，以任意一亚共晶成分的三元

系合金为例分析其结晶过程，并说明每一阶段所得结晶组织含量的计算方法。 解答：⑴以固态下互不固溶三元合金为例，如图： ①首先作出浓度三角形ABC；

②选取空间图上各个特殊点：E、e1、e2、e3，在成分三角形上作出投影；

③连接e1E、e2E、e3E三条液相变温线，交点E则为三相共晶点；

④由此可确定出各个面的投影，即：液相面为Ae1Ee3A、Be1Ee2B、Ce2Ee3C；二相共晶开始面分别为

Ae1Ee3A-Be1Ee2B，Ae1Ee3A-Ce2Ee3C， Ce2Ee3C-Be1Ee2B，ABC为四相平衡平面。

由此作出了一个完整的投影图。

⑵以合金成分P为例分析：合金冷却到与液相面Ae1Ee3A相交时，析出初晶A，此时进入两相区，液相成分沿AP延长线变化，随温度下降，液相不断减少，A不断增加，当液相成分变到e1E线上的O点时，开始发生三相共晶L→A+B反应。继续降温，液相成分沿e1E线变到E点，发生四相共晶反应Lg?A?B?C,液相全部耗尽。室温组织最终为：

A初晶?（A?B）（A?B?C）共晶?共晶

组织计算：

在两相区时，液体与A两相平衡，因此当液体成分达到O点时，初晶的量达到最大，可得到A%=OP/OA×100%，其余为剩余液相，也即三相共晶与二相共晶的总量。

继续冷却时，其时液体成分为O点，在三相区进行相变，当液体最终消失时，成分点位三相共晶点E，那么，二相共晶成分点应在OE线的延长线上，同时二相共晶为（A+B），因此，该合金成分点又应在AB线内，由此，确定出二相共晶点应为OE与AB的交点M。

所以 （A+B）%=OE/ME×（1—OP/OA）×100% （A+B+C）%=OM/ME×（1—OP/OA）×100%

2、 试从结合键的角度讨论金属较无机非金属通常表现出较高的塑性或延展性的原因。 解答：金属材料的结合以金属键为主，过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合，无机非金属材料结合的主要方式为离子键和共价键。金属键的特点是电子共有化，自由电子可在整个晶体中运动，因此该键无饱和性和方向性。由于无饱和性和方向性，因而每个原子油可能和更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好的延展性。

离子键是以离子为结合单元，其中的结合是依靠正负离子静电吸引力，结合力较强，因此很难产生自由运动的电子。而共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子通过共用电子对而形成的化学键，各个键之间都有确定的方位，配位数比较小，结合牢固，相邻原子间的共用电子对不能自由运动，具有方向性和饱和性，因此一般而言塑、韧性差。 3、 分析加工硬化、细晶强化、固溶强化与第二相强化在本质上有什么异同。

解答：相同点：都是位错运动受阻，增加了位错滑动的阻力，使得材料得到强化。

不同点：①加工硬化：位错塞积、邻位错阻力和形成割阶消耗外力所作的功伟其可能机制；②细晶强化：增加了晶界，增加了位错塞积的范围；③固溶强化：溶质原子沿位错聚焦并钉扎位错；④第二相强化：分散的强化相颗粒迫使位错切过或绕过强化相颗粒而额外做功都是分散相强化的位错机制。

4、 说明金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段晶体缺陷的行为与表现以及材料相

应的性能，并说明各阶段促使这些晶体缺陷运动的驱动力是什么。

解答：①冷变形：晶体缺陷包括点缺陷、线缺陷、面缺陷均大量增加，出现加工硬化现象、物化性能相应变活泼；驱动力为外界所加的分切应力。

②回复：线缺陷基本不变，点缺陷明显减少，力学性能不变，相应改变物化性能；驱动力为储存能。

③再结晶：线缺陷明显变少，材料出现软化现象；驱动力为储存能。

④晶粒长大：面缺陷明显变小；驱动力为总界面自由能。 5、 默化Fe-Fe3C相图，填写相区，并回答：

① 奥氏体、铁素体、渗碳体各为何种结构？

② 分别由亚共析钢和过共析钢制成的两个式样，经组织分析确认其珠光体量约为

80%，试确定两种钢含碳量，并回答两种钢中共析渗碳体量是否相等，为什么？ ③ 分析共晶白口铁的结晶过程，并用杠杆定理计算变态莱氏体中组织组成物的相对含

量。

④ 说明CD线、ECF线、ES线、GS线、PSK线、和HJB线的名称和物理意义。 ⑤ 分析45钢比T8钢硬度低的原因。

⑥ 简述钢与白口铁在化学成分、显微组织和机械性能方面的主要差别。 ⑦ 注出P、S、E、C各点的成分，说明各点的物理意义。

⑧ 说明相图中三条水平线上各发生什么转变，写出反应式，并指出什么是珠光体，什

么是莱氏体？

解答：相图如图

① 奥氏体：碳在γ-Fe中的间隙固溶体，为面心立方结构。

渗碳体：铁盒碳形成的间隙化合物，属于正交系。

铁素体：碳在α-Fe中的间隙固溶体，为体心立方结构。 ② 两种钢中共析渗碳体量相等。因为共

析渗碳体只存在于珠光体中，而珠光体量相等，因此两种钢中共析渗碳体量是相等的。

设亚共析钢含碳量为x%，过共析钢含碳量为y%，则

x?0.0218%?80% x=0.62%

0.77?0.02186.69?y%?80% y=1.95%

6.69?0.77③ 结晶过程略。

室温组织为P+Fe3C共晶?Fe3C?，其中

Fe3C共晶%?

EC4.3?2.11??100%?47.82?6.69?2.11Fe3C?%?

CFSE6.69-4.32.11?0.77???100%?11.81?SK6.69-2.116.69?0.77P%?CFFE6.69-4.36.69?2.11???100%约等于40.37%

EFSK6.69-2.116.69?0.77④ CD—液相线

ECF—共晶转变线

ES—C在A中饱和溶解度曲线 GS—A中开始析出F转变线。 PSK—共析转变线

HJB—包晶转变线

⑤ 因为铁碳合金的硬度仅和其含碳量有关，T8钢的含碳量比45钢高，所以T8钢比

45钢的硬度高。

⑥ 钢的含碳量小于2.11%，铁的含碳量大于2.11%；钢的基本组织是珠光体，白口铸

铁的基本组织是莱氏体；钢强韧性好，白口铸铁较脆，硬度高。 ⑦ P：碳在α-Fe中的最大溶解度。

S：共析点

E：碳在γ-Fe中的最大溶解度 C：共晶点 ⑧包晶转变线 HJB L0.53??0.09?????0.17

1495℃（?2.11?Fe3C6.69） 共晶转变线 ECF L4.3???? ??（?0.0218?Fe3C6.69） 共析转变线 PSK ?0.77??

铁素体和渗碳体的两相混合物称为珠光体。奥氏体与渗碳体的机械混合物称为莱氏

体。

6、 ①试以图示说明用自由焓-成分曲线绘制二元匀晶相图的步骤，并说明其依据。

②绘制一个BCC晶胞，并于其中标示出下列晶向：{001}、[010]、[210]、[101]及任意两个非平行的滑移面及其上的任意两个不同的滑移方向。 解答：①如图，作图步骤如下：

727℃1148℃1） 建立不同温度下的各相的自由焓-成分曲线。

2） 利用公切线法则在每组曲线上找出各相稳定存在的成分区间和二平衡相成分点。

3） 将不同温度下所得的二平衡相成分点a、b、c、d、e、f标注到温度—成分坐标系中。 4） 将意义相同的成分点连接起来，就形成了一个相图。

其中，ace为液相成分点构成液相线，其上方为液相区，bdf为固相成分点，构成固相线，其下方为α固溶体区，ace与bdf之间为固液共存的二相区。 ②见图：