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(完整word版)材科基试卷 (1)

华中科技大学材料科学与工程学院试卷(A)(闭卷)考试科目:材料科学基础班级:材料1101,1102,1103考试日期:2013年11月26日姓名:班级:学号:评分一、单项选择题(每题2分,共20分)1.实际金属结晶时,通过控制形核率N和长大速率G的比值来控制晶粒大小,在下列情况下获得粗大晶粒( B )(A)N/G很大(B)N/G很小(C)N和G接近(D)不确定2.材料中能发生扩散的根本原因是(C )(A)温度的变化(B)存在浓度梯度(C)存在化学势梯度(D)压力的变化3.马氏体相变属于( A )。

(A)无扩散型相变。

(B)扩散型相变。

(C)非共格相变。

(D)扩散与非扩散混合型相变。

4.在SiO2七种晶型转变中,存在两种转变方式:一种为位移型转变,另一种为重构转变,位移转变需要的激活能( B )重构转变的激活能。

(A)大于(B)小于(C)等于(D)视具体情况而定5.对于铁碳合金而言,铸铁和碳钢的区别在于有无(C )(A)渗碳体(B)铁素体(C)莱氏体(D)珠光体6.某金属凝固时的形核功为△G*,其临界形核表面能为σ。

假设晶核为球形,则△G*和σ的关系为( A )(A)σ=3△G *(B)σ=1/3△G*(C)σ=△G *(D)σ=2△G*7.下列材料中属于良好的绝缘体是:( C )(A)金属(B)单晶硅(C)绝大多数陶瓷(D)石墨8.根据三元相图的垂直截面图,可以( B )(A )分析相成分变化规律 (B )分析材料的平衡凝固过程 (C )用杠杠定律计算各相的相对含量 (D )得到三元系投影图9.当压力不变时,根据相律:( C )(A )单元系中两相平衡反应可以在某个温度区间内进行 (B )二元系中三相平衡反应可以在某个温度区间内进行 (C )三元系中三相平衡反应可以在某个温度区间内进行 (D )三元系中四相平衡反应可以在某个温度区间内进行10.运用区域熔炼方法可以( D )。

(A ) 使材料成分更均匀。

(B )可以消除晶体中的微观缺陷。

(C )可以消除晶体中的宏缺陷。

(D )可以提高金属的纯度。

二、液/固相变时,画出自由能变化△G 与晶胚r 之间的关系图,从能量的角度简述晶体的形核过程。

单组元液相和合金熔体在凝固时均可能形成树枝晶,它们的结晶过程有何不同。

(10分)在一定的过冷度下,液体中若出现一固态的晶体,该区域的能量将发生变化,一方面一定体积的液体转变为固体,体积自由能会下降,形成晶体形核的驱动力。

另一方面增加了液-固相界面,增加了表面自由能,形成晶体形核的阻力。

因此总的吉布斯自由能变化量为:单组元液相在负的温度梯度下形成枝晶,而合金熔体 由于存在成分过冷现象,无论正温度梯度还是负的温度 梯度均可能形成枝晶。

32443V G r G r ππσ∆=∆+三、据共晶相图,分别画出T1,T2,T3温度下的自由能-成分曲线示意图。

(10分)四、请根据二元共晶相图分析和解答下列问题:(10分)1)分析Ⅰ和Ⅱ的平衡结晶过程,并绘出冷却曲线。

2)说明室温下Ⅰ、Ⅱ的相和组织是什么,并计算相和组织的相对量。

3)如果希望得到共晶组织和5%的β合金,求合金的成分4)分析在快速冷却条件下,Ⅰ、Ⅱ合金获得的组织有何不同。

1)I:温度下降到1点,开始匀晶析出α相,温度继续降低,当下降到2点时,液相全部转变为α相,温度继续下降,初生α相中不断析出次生β相,室温组织为α+βII ;II:温度下降到1’点,液相中先结晶出β相,温度继续下降,液相成分沿着液相线变化,β相成分沿着固相线成分变化,当温度下降到2’时,液相成分到达共晶点,发成共晶反应,生成(α+β)共晶体。

温度继续下降中,初生β相中不断析出次生α相,共晶体α相中析出次生β相,室温下的组织为β初+(α+β)+βII;步冷曲线如下:T/T/℃t/s 成分1的步冷曲线成分2的步冷曲线3)I:相:α相,β相;组织:α初,βII;W(α相)=W(α初)=(90-20)/(90-5)=82.35%;W(β相)=W(βII)=(20-5)/(90-5)=17.65%II:相:α相,β相;W(α相)=(90-80)/(90-5)=11.76%;W(β相)= (80-5)/(90-5)=88.24%组织:β初,(α+β)共晶体W(β初)=(80-50)/(90-50)=75%W(α+β)=(90-80)/(90-50)=25%3)设合金中W B含量为x%W(β)=(X-50)/(90-50)=5%X=52 所以,合金成分为W B为52%。

4)I合金生成非平衡共晶组织。

在快速冷却的条件下,α固相线向左下方偏移,导致冷却的共晶点时还存在液相,这些液相形成共晶组织,由于剩余液相很少,可能形成离异共晶;II合金生成伪共晶组织;在快速冷却的条件下,共晶区扩大,亚共晶和过共晶成分可能生成伪共晶组织;五、二元相图应用题(共15分)1、画出Fe-Fe3C相图(不含包晶部分),用相组成物填写相图。

2、分析成分1.8 wt%的碳钢的平衡结晶过程,计算1.8 wt%的碳钢在共析温度下相和组织的相对量,绘出室温组织示意图和步冷曲线。

3、Fe-Fe3C合金平衡组织中有哪些类型的Fe3C,分析它们的形成条件。

1)答案如上左图;2)温度下降到1点时,液相中匀晶生成γ相,温度下降到2点时,液相完全转变为γ相,2—3之间,γ相无转变,温度下降到3点时,γ相中析出二次渗碳体,温度下降到4点时,剩余γ相共析反应生成珠光体;温度继续下降,珠光体中的α相中析出三次渗碳体;相的相对含量:W (α相)=(6.69-1.8)/(6.69-0.0218)=73.3% W(Fe 3C)=(1.8-0.0218)/(6.69-0.0218)=26.7% 组织的相对含量:W (P )=(6.69-1.8)/(6.69-0.77)=82.60% W(Fe 3C II )=(1.8-0.77)/(6.69-0.77)=217.40% 组织示意图和步冷曲线如上图右; 3)一次渗碳体 w (C%)<4.3%,液相中匀晶反应生成; 共晶渗碳体 w (C%)=4.3%,液相中共晶反应生成; 二次渗碳体 0.77%<w (C%)<2.11%,γ相中过饱和析出; 共析渗碳体w (C%)=0.77%,γ相中共析反应生成; 三次渗碳体w (C%)<0.77%,α相中过饱和析出;六、A-B 二元合金相图如图所示。

在固相不扩散、液相完全混合的条件下,水平放置的质量分数W B =50%的A-B 二元合金溶液从左至右定向凝固成L 的横截面均匀的合金棒。

(10分)1、计算棒中单相α相固溶体段占棒长的分数。

2、示意画出整个棒中的组织分布及B 原子浓度分布。

正常凝固方程:1000)1()(--=k s Lzk z ρρ由相图:K o =35/70=0.5 ρ0=50%ρs =35%带入方程解得:Z/L=0.49 单相固溶体段占总棒长的49%七、右图为固态有限互溶三元共晶相图的投影图,请回答下列问题: 1)指出三个液相面的投影区; 2)指出e3E 线和E 点表示的意义; 3)分析合金N 的平衡结晶过程。

(10分)1) A e 3Ee 1ABe 2Ee 1B Ce 2Ee 3C2) e 3E 线:α和γ共晶线的投影,液相发生共晶反应L →α+γ时,液相成分沿着e 3E 线发生变化;E 点:三元共晶点,液相发生共晶反应,L →α+β+γ,温度固定时,液相成分不变,液相成分为E 点成分; 3)温度下降时,液相中先匀晶生成γ相,温度到达三相区后,液相中共晶生成(β+γ)共晶体,液相成分沿着e 3E 线发生变化,温度到达E 点所在平面时,液相成分到达E 点,发生三元共晶反应生成(α+β+γ)共晶体,温度在下降时,α→βII +γII ,β→αII +γII ,γ→αII +βII 。

Z八、什么叫固态相变?与液-固相变相比,固态相变存在哪些基本特点?以Al-4 wt%Cu合金为例,说明过饱和固溶体的时效过程及对性能的影响?(10分)固态相变:固态物质内部的组织结构的变化称为固态相变。

相变表现为:1)从一种结构转变为另一种结构。

2)化学成分的不连续变化。

3)物质物理性能的突变。

固态相变的主要特点(1)相界面及惯习面(2)位相关系(3)弹性应变能(4)晶内缺陷的影响随着时效时间的延长,Al-Cu合金将发生下列析出过程(析出序列):α→G·P 区→θ//→θ/→θ其中G·P区、θ//、θ/为亚稳定相。

GP区的出现导致晶格出现共格畸变,使Al-Cu合金的强度有所增加。

θ’’相为正方点阵,θ’’相基本是均匀形核,分布均匀且与基体完全共格,它与基体的位向关系为{100}θ’’//{100}基体。

与G.P区相比,在θ’’相周围会产生更大的共格应变,故其强化效果也比G.P区大。

θ’相为正方点阵,它与基体部分共格,与基体的位向关系为{100}θ’//{100}基体。

θ’相的具体成分为Cu2Al3.6,很接近于平衡相θ(CuAl2)。

此时Al-Cu合金的强度达到最高。

脱溶相所引起基体的点阵畸变应力场降低,此时Al-Cu合金的强度开始下降。

9、为什么金属材料的电阻率随温度的升高而增大,而半导体和绝缘体材料的电阻率随温度的升高而下降?(5分)温度升高,金属材料中的自由电子热运动加剧,电子-电子的散射程度变大,不利于电子的定向移动,所以电阻率随温度升高而增大;温度升高,半导体和绝缘体的材料中的价带电子吸收更多的能量,有可能越过禁带,使电导率下降;。

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