材料科学与工程基础习题答案-(1).doc
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1、(完整word)材料科学与工程基础习题答案 (1)第一章 原子排列与晶体结构1. 110, (111), ABCABC, 0.74 , 12 , 4 , ; 111, (110) , 0.68 , 8 , 2 , ; , (0001) , ABAB , 0。74 , 12 , 6 , 。2. 0。01659nm3 , 4 , 8 。3. FCC , BCC ,减少 ,降低 ,膨胀 ,收缩 。4. 解答:见图115. 解答:设所决定的晶面为(hkl),晶面指数与面上的直线uvw之间有hu+kv+lw=0,故有:h+k-l=0,2hl=0。可以求得(hkl)(112)。6 解答:Pb为fcc结构,
2、原子半径R与点阵常数a的关系为,故可求得a0.494910-6mm.则(100)平面的面积Sa20。2449260110-12mm2,每个(100)面上的原子个数为2。所以1 mm2上的原子个数4.081012.第二章 合金相结构一、 填空1) 提高,降低,变差,变大。2) (1)晶体结构;(2)元素之间电负性差;(3)电子浓度 ;(4)元素之间尺寸差别3) 存在溶质原子偏聚 和短程有序 .4) 置换固溶体 和间隙固溶体 。5) 提高 ,降低 ,降低 。6) 溶质原子溶入点阵原子溶入溶剂点阵间隙中形成的固溶体,非金属原子与金属原子半径的比值大于0.59时形成的复杂结构的化合物。二、 问答 1、
3、 解答: a-Fe 为bcc结构,致密度虽然较小,但是它的间隙数目多且分散,间隙半径很小,四面体间隙半径为0.291Ra,即R0.0361nm,八面体间隙半径为0。154Ra,即R0.0191nm。氢,氮,碳,硼由于与aFe的尺寸差别较大,在aFe中形成间隙固溶体,固溶度很小。a-Fe的八面体间隙的110方向R=0。633 Ra,间隙元素溶入时只引起一个方向上的点阵畸变,故多数处于a-Fe的八面体间隙中心.B原子较大,有时以置换方式溶入aFe。 由于gFe为fcc结构,间隙数目少,间隙半径大,四面体间隙半径为0.225 Ra,即R0。028nm,八面体间隙半径为0.414 Ra,即R0.052
4、2nm。氢,氮,碳,硼在gFe 中也是形成间隙固溶体,其固溶度大于在a-Fe中的固溶度,氢,氮,碳,硼处于g-Fe的八面体间隙中心.2、简答:异类原子之间的结合力大于同类原子之间结合力;合金成分符合一定化学式;低于临界温度(有序化温度).第三章 纯金属的凝固1. 填空1. 结构和能量.2 表面,体积自由能 ,,.3 晶核长大时固液界面的过冷度。4 减少,越大,细小。5. 快速冷却.二、 问答1 解答: 凝固的基本过程为形核和长大,形核需要能量和结构条件,形核和长大需要过冷度。细化晶粒的基本途径可以通过加大过冷度,加入形核剂,振动或搅拌。2 解答: 根据金属结晶过程的形核和长大理论以及铸锭的散热
5、过程,可以得出通常铸锭组织的特点为最外层为细小等轴晶,靠内为柱状晶,最内层为粗大等轴晶。3 解答: 液态金属结晶时,均匀形核时临界晶核半径rK与过冷度vT关系为,临界形核功vGK等于。异质形核时固相质点可作为晶核长大,其临界形核功较小,为液相与非均匀形核核心的润湿角。 形核率与过冷度的关系为: ,其中N为形核率,C为常数,GA、Gk分别表示形核时原子扩散激活能和临界形核功。在通常工业凝固条件下形核率随过冷度增大而增大。4 解答: 在金属凝固时,可以近似认为LM=vHm,根据均匀形核时临界晶核半径rK与过冷度vT关系为,可以计算得到r0。79107cm0。79nm。5: 解答: 过冷是指金属结晶
6、时实际结晶温度Tn比理论结晶温度Tm低的现象。过冷度T指Tm与Tn的差值。动态过冷度指晶核长大时的过冷度。金属形核和长大都需要过冷,过冷度增大通常使形核半径、形核功减少,形核过程容易,形核率增加,晶粒细化.6 解答: 冷却速度极大影响金属凝固后的组织.冷却快一般过冷度大,使形核半径、形核功减少,形核过程容易,形核率增加,晶粒细化,冷却非常快时可以得到非晶,在一般工业条件下快速冷却可以得到亚稳相。7、 解答: 纯金属凝固时润湿角0,形核功为0,固相粒子促进形核效果最好;润湿角180,异质形核功等于均匀形核功,固相粒子对形核无促进作用;润湿角0。2)它们单晶变形时应力-应变曲线示意图如图。典型的面
7、心立方单晶体的加工硬化曲线可以分为三个阶段。当切应力达到晶体的临界分切应力时,其应力应变曲线近似为直线,称为易滑移阶段,此时加工硬化率很小,滑移线细长,分布均匀;随后加工硬化率显著增加,称为线性硬化阶段,滑移系在几组相交的滑移系上发生,位错彼此交截,滑移线较短;第三阶段称为抛物线硬化阶段,加工硬化随应变增加而减少,出现许多碎断滑移带,滑移带端部出现交滑移痕迹。多晶体加工硬化曲线一般不出现易滑移的第一阶段,而加工硬化率明显高于单晶体。4 简答:冷加工纤维组织是纯金属和单相合金在冷塑性变形时和变形度很大的条件下,各晶粒伸长成纤维状;带状组织是复相合金在冷塑性变形和变形度大的条件下第二相被破碎或伸长
8、,沿变形方向成带状分布而形成的;变形织构是金属和合金在在冷塑性变形时晶粒发生择优取向而形成的。上述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构都使材料的性能具有方向性,即在各个方向上的性能不均,对使用性能有不良影响,但少数金属材料,如用作变压器的硅钢片,各向异性能更好满足使用要求。5 简答:金属材料经热加工后机械性能较铸造态好的主要原因是热加工时的高温、大变形量使气泡、疏松和微裂纹得到机械焊合,提高了材料的致密性,消除了铸造缺陷,同时改善夹杂物和脆性相的形态、大小和分布,使枝晶偏析 程度减弱,合金成分均匀性提高,热加工中形成合理的加工流线,热加工还可使金属显微组织细化,这些都可以提高金属材料的性能。6
9、简答:金属材料经冷加工后,强度增加,硬度增加,塑性降低的现象称为加工硬化.产生加工硬化的各种可能机制有滑移面上平行位错间的交互作用的平行位错硬化理论,以及滑移面上位错与别的滑移面上位错林切割产生割阶的林位错强化理论。加工硬化在实际生产中用来控制和改变金属材料的性能,特别是对不能热处理强化的合金和纯金属尤为重要,可以进行热处理强化的合金,加工硬化可以进一步提高材料的强度;加工硬化是实现某些工件和半成品加工成型的主要因素;加工硬化也会带来塑性降低,使变形困难的影响,还会使材料在使用过程中尺寸不稳定,易变形,降低材料耐蚀性。7 简答:可有8个滑移系同时产生滑移(可以通过计算fcc的滑移系与001方向
10、的夹角得到此结果)。开动其中一个滑移系至少要施加的拉应力为9 简答:第二相在冷塑性变形过程中的作用一般是提高合金强度,但还取决于第二相的种类数量颗粒大小形状分布特点及与基体结合界面结构等,对塑性变形影响复杂。第二相强度高于基体但有一定塑性,其尺寸、含量与基体基本接近,则合金塑性是两相的变形能力平均值.第二相硬、脆,合金变形只在基体中进行,第二相基本不变形;第二相均匀、弥散分布在固溶体基体上,可以对合金产生显著强化作用。10 简答:织构由晶粒择优取向形成,变形织构对再结晶织构形成有主要影响,织构造成材料性能各向异性。各向异性在不同情况需要避免或利用.织构控制可以通过控制合金元素的种类和含量、杂质
11、含量、变形工艺(如变向轧制)和退火工艺等多种因素的配合。11 简答:金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化主要有晶粒被拉长,形成纤维组织,冷变形程度很高时,位错密度增高,形成位错缠结和胞状组织,发生加工硬化,变形金属中出现残余应力,金属在单向塑性变形时出现变形织构.12 简答: 1)屈服现象是由溶质原子与位错交互作用产生气团产生的,在外力作用下使位错挣脱溶质原子的钉扎,材料出现屈服现象,曲线2在位错脱离钉扎后溶质原子来不及重新聚集形成气团,故无屈服现象;曲线3在出现屈服后时效再加载,溶质原子可以重新聚集形成气团,故又出现屈服现象;2)屈服现象使金属材料在拉伸和深冲过程中变形不均匀,造
12、成工件表面不平整。可以通过加入与溶质原子形成稳定化合物的其它元素,减少间隙溶质原子含量,减少气团,消除或减轻屈服现象,或在深冲之前进行比屈服伸长范围稍大的预变形,使位错挣脱气团的钉扎,然后尽快深冲。13 简答:根据霍尔-配奇公式:,则按照题意有:和,可以解得s050,k25,故可求得当d=1/16mm时,根据霍尔配奇公式求得ss5025150 MNm2。第八章 回复与再结晶1 名词变形织构:多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致,形成晶粒的择优取向,择优取向后的晶体结构称为变形织构,织构在变形中产生,称为变形织构;再结晶织构是具有变形织构的金属经过再结晶退火后出现的织构,位向
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