材料科学基础复习题与答案

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1．作图表示立方晶体的(123)、(421)、(012)晶面及[102]、[346]。 2. 在立方系中绘出{110}、{111}晶面族所包括的晶面及(112),(120)晶面。 3. 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？

根据自由能与晶胚半径的变化关系，可以知道半径r

r>rk的晶胚才有可能成核；而r=rk的晶胚既可能消失，也可能稳定长大。因此，半径为rk的晶胚成为临界晶核。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≥rk时，这样的原子团便可成为晶核而长大。 临界晶核半径，其大小与过冷度有关

rk?

2?TmLm?T

4. 试述结晶相变的热力学条件，动力学条件，能量及结构起伏。

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ΔG<0；由单

Lm?T可知，只有T>0，才有ΔGV<0。即只有过Tm位体积自由能的变化，?GV??冷，才能使ΔGV<0。动力学条件为液相的过冷度大于形核所需的临界过冷度，即?T??T。

由临界晶核形核功ΔGK=1/3σA可知，当形成一个临界晶核时，还有1/3的表面能必须有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。

5. 根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。

由凝固理论可知，结晶时单位体积中的晶粒数目z取决于形核率N和晶体

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长大速率G两个因素，即z?N。基本途径： G???（1）增加过冷度ΔT。 ΔT增加，N和G都随之增加，但是N的增长率大于G的增长率。因而，N/G的值增加，即z增多。

（2）加入形核剂，即变质处理。加入形核剂后，可以促使过冷液体发生非均匀形核。它不但使非均匀形核所需要的基底增多，而且使临界晶核体积减小，这都将使晶核数目增加，从而细化晶粒。

（3）振动结晶。振动，一方面提供了形核所需要的能量，另一方面可以使正在生长的晶体破断，可增加更多的结晶核心，从而使晶粒细化。 6. 根据Pb-Sn相图，试分析：

1)什么成分的合金适于压力加工，什么成分的合金适于铸造? 2)结合所学知识，用什么方法可以提高WSn<19%铅合金的强度？

1）压力加工时，要求合金有良好的塑性变形能力，组织中不允许有过多的

?脆性第二相，所以要求铝合金中合金元素含量较低，一般不超过极限固溶度的成分。对Al-Cu合金，常选用WCu=4%的合金。该成分合金加热后可处于完全单相α状态，塑性好，适于压力加工。

铸造合金要求其流动性好。合金的结晶温度范围愈宽，其流动性愈差。从相图上看，共晶成分的流动性最好，所以一般来说共晶成分的合金具有优良的铸造性能，适于铸造。但考虑到其它多方面因素，一般选用WCu=10%的Al-Cu合金来进行铸造。

2）要提高合金的强度，可采用冷塑性变形的方法。通过冷变形，产生加工硬化效应，从而提高合金的强度。

7. 同样形状和大小的两块铁碳合金，其中一块是低碳钢，一块是白口铸铁。试

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问，用什么简便方法可迅速将它们区分开来?

由于它们含碳量不同，使它们具有不同的特性。最显著的使硬度不同，前

者硬度低，韧性好，后者硬度高，脆性大。若从这方面考虑，可以有多种简便方法来将二者区分开来，如1）用钢锉试锉，硬者为铸铁，易锉者应为低碳钢；2）用榔头敲砸，易破断者为铸铁，砸不断者为低碳钢，等等。

8. 试比较45(WC=0.45%)、T8(WC=0.8%)、T12(WC=1.2%)钢的硬度、强度和塑性有何不同？

由含碳量对碳钢性能的影响可知，随着钢中碳含量的增加，钢中的渗碳体

增多，硬度也随之升高，基本上呈直线上升。在wc=0.77%以前，强度也是呈直线上升的。在wc=0.77%时，组织全为珠光体，强度最高；但在wc>0.77以后，随碳量的继续增加，组织中将会出现网状渗碳体，致使强度很快下降；当wc≥2.11%后，组织中出现共晶莱氏体，强度将很低。而塑性是随着碳量增加而单调下降的，在出现莱氏体后，塑性将几乎降为零。

所以，综上所述，T12的硬度最高，45钢的硬度最低；T12的塑性最差，45钢塑性最好；T8钢均居中，而T8钢的强度最高。

9. 试述孪生与滑移的异同，比较它们在塑性变形过程中的作用。

答：滑移与孪生的相同点：两者都是晶体塑性变形的基本方式，都是在切

应力作用下，沿着一定晶面、晶向发生的切变。变形前后，晶体结构类型不变。

不同点：孪生使一部分晶体发生了均匀切变，而滑移只是集中在一些滑移面上。滑移时，晶体的已滑移与未滑移部分晶体位向相同，而孪生部分与基体位

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向不同，是具有特殊的镜面对称关系。孪生变形原子变形位移小于孪生方向原子间距，为其原子间距的分数倍；滑移变形时，原子移动的距离是滑移方向上原子间距的整数倍。与滑移类似，孪生要素也与晶体结构有关，但是同一结构的孪晶面、孪生方向可以与滑移面、滑移方向不同。孪生的临界分切压力比滑移的临界分切应力大很多。孪生变形的应力-应变曲线与滑移不同，呈现出锯齿状的波动，主要是孪晶“形核”时，所需要的切应力大于孪晶界面扩展的应力所致。一般情况下，先发生滑移，当滑移难以进行的时候，才发生孪生变形。孪生对于塑性变形的直接贡献比滑移小得多，但是孪生改变了晶体位向，使硬位向的滑移系转到软位向，激发了晶体的进一步滑移。

10. 试用多晶体塑性变形理论解释，室温下金属的晶粒越细强度越高，塑性也就越好的现象。

答：晶界是阻碍位错运动的，而各晶粒位向不同，互相约束，也阻碍晶粒的变形。因此，金属的晶粒愈细，其晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈多，对塑性变形的抗力也愈大。因此，金属的晶粒愈细强度愈高。

同时晶粒愈细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的变形量便可分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，而不致造成局部的应力集中和引起裂纹的过早产生和发展。因此，塑性、韧性也越好。

11. 回复和再结晶转变的驱动力是什么？

答：回复和再结晶的驱动力是金属变形后未被释放的储存能。 其中回复阶段所释放的储存能略占总变形能的10％，再结晶阶段所释放的储存能略占总变

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