材料科学基础A2-试卷B答案.doc

昆　明　理　工　大　学 试 卷（B）
答 案
考试科目：材料科学基础A2 考试日期： 命题教师：代建清、李智东、孟彬 、李绍宏
学院：材料科学与工程 专业班级：材料2011级 学生姓名：　　 学号：
任课教师：代建清、李智东、孟彬、李绍宏 上课班级：材料2011级 考试座位号：

一、填空：(每空0.5分，共18分)
1、就小角度晶界的结构而言，对称倾侧晶界通常由一列平行的刃型位错构成，而非对称倾侧晶界由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错交错排列而成。扭转晶界则由互相交叉的螺型位错所组成。
2、按界面上原子排列情况和吻合程度分类，界面可分为共格相界面、半共格相界面、非共格相界面和复杂半共格相界面。
3、界面迁移与原子运动方向 相反 （相同、相反），速度 相同 （相同、相反）。
4、晶界能的来源主要包括长程应变场的弹性能、晶界狭小区域内原子相互作用的核心能、化学键能三项。
5、热力学稳定的液－固界面微观结构主要有 粗糙界面 、和 光滑界面（或平整型界面）。
6、在不平衡凝固过程中，晶体中成分偏析的三种类型是   宏观偏析 、 胞状偏析 和  树枝状偏析 。
7、晶体的宏观长大方式主要有  平面生长方式 和 树枝状生长方式 。
8. 金属固态相变的三种基本变化是 结构 ， 成分 和 有序度 。
9. 由铁碳相图可知， CA-F_<__CA-C(<，>，≤，=)碳原子向F一侧扩散， 有利于A的长大。
10. 固态相变的驱动力为新相和母相的自由能差，阻力为界面能及弹性应变能。
11. 奥氏体核的长大是依靠 碳原子 的扩散， 奥氏体(A)两侧界面向铁素体(F)及渗碳体(C)推移来进行的。
12.贝氏体转变时， 由于温度较高， 存在 碳 的扩散。
13.在成分相同的情况下, 粒状珠光体的强度和硬度比片状的_较低, 塑性_ 较好__.
14．马氏体的强度主要取决于 含碳量 ，塑性主要取决于 亚结构 。
15.和单晶体的塑性变形相比，多晶体的塑性形变的微观特点表现为多方式、多滑移、不均匀性，由于上述微观特点，使多晶体的塑性变形产生了如下现象：产生残余应力、产生加工硬化和形成纤维组织和形变织构。

二、名词解释：(每题2分，共22分)
1.共格应变：共格界面处，两相原子有轻微不吻合，则需要通过一定的弹性变形以使界面原子协调，这种变形称为共格应变
2.晶界偏析：在平衡条件下，溶质原子（离子）在晶界处浓度偏离平均浓度。
3.非均匀成核：依靠外界杂质所提供的异相界面非自发的形核
4.热压烧结：烧结的同时在坯体上施加一定的压力，以补偿烧结体内气孔中逐渐增大的气压抵消了作为烧结推动力的界面能，使烧结继续进行而达到高致密度。
5.稳态扩散：组元浓度不随时间变化的扩散过程，用菲克第一定律描述。
6.二次再结晶：烧结过程中，少数大晶粒在消耗小晶粒的同时出现的异常长大过程。

7.重构型相变：相变过程中物相的结构单元间发生化学键的断裂和重组，形成崭新结构，与母相在晶体学上没有明确的位向关系。
8.马氏体相变：以晶格畸变为主、无成分变化、无扩散的第二类位移型相变，其特征是发生于晶体中某一部分的极其迅速的剪切畸变。
9.热加工：在金属再结晶温度以上进行的加工和变形。
10.形变织构：多晶体由于塑性变形而产生的择优取向现象。
11.动态再结晶：在热变形过程中，与形变硬化同时发生的再结晶过程即称为动态再结晶。

三、问答题：(每题5分，共35分)
1、简要分析讨论关于大角晶界的主要晶界结构模型。（5分）
目前对大角晶界提出的晶界结构模型有： 非晶模型：晶界是由非晶体粘合物构成；岛状模型：小岛内原子排列整齐；晶界点缺陷模型：晶界有大量空位间隙原子； 晶界结构位错模型：晶界可以看作是由一系列刃型位错、螺位错或者混合位错的网络所构成等。
其中：较为成熟的是重合位置点阵模型和重复部分模型（结构单元模型）。
重合位置点阵晶界 （Coincident-site Lattice，CSL）模型：设想两个晶粒（存在θ的位向差角）的点阵，彼此通过晶界向对方延伸，则其中一些原子将出现有规律性的重合。这些原子重合位置所组成的比原来晶体点阵大的新点阵，称为重合位置点阵，大角度晶界是由重合点阵的密排面所组成晶界，晶界原子排列力求与重合点阵密排面重合，即使有偏离，晶界会台阶化，使大部分面积分段与密排面重合，中间以小台阶相连。
重复部分模型（结构单元模型）：任何长周期结构的晶界都倾向于分解成经一定应变的短周期结构； 短周期结构可用结构单元或重复部分描述，即规则排列的原子群周期性重复排列而成。

2、简述铸锭三个晶区的形成机理。（5分）
表面细晶区：当高温液体倒入铸模后，结晶先从模壁开始，靠近模壁一层的液体产生极大的过冷，加上模壁可以作为非均质形核的基底，因此在此薄层中立即形成大量的晶核，并同时向各个方向生长，形成表面细晶区。
柱状晶区：在表面细晶区形成的同时，铸模温度迅速升高，液态金属冷却速度减慢，结晶前沿过冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散热最快，因而晶体沿相反方向生长成柱状晶。
中心等轴晶区：随着柱状晶的生长，中心部位的液体实际温度分布区域平缓，由于溶质原子的重新分配，在固液界面前沿出现成分过冷，成分过冷区的扩大，促使新的晶核形成长大形成等轴晶。由于液体的流动使表面层细晶一部分卷入液体之中或柱状晶的枝晶被冲刷脱落而进入前沿的液体中作为非自发生核的籽晶。

3、什么是成分过冷？用示意图说明成分过冷的形成，并写出成分过冷的条件，简要说明成分过冷对金属凝固时的生长形态的影响。（5分）
答：不平衡凝固条件下，正温度梯度时，因溶质分布不均匀引起的过冷即成分过冷，即：因液相成分不均匀导致实际液相温度低于理论结晶温度而出现的过冷。
合金系中，液相温度梯度G低、凝固速度R大、合金成分（溶质）浓度C0高、液相线斜率m大、平衡分配系数K0小易出现成分过冷。
成分过冷的条件为：

Ⅰ：液相中温度梯度较大，TD>TL，无成分过冷，离开界面，液体内部处于过热状态，固溶体晶体以平界面方式生长。
Ⅱ：液相中温度梯度减小，产生小的成分过冷区，平界面不稳定，界面偶然小凸起，进入过冷液体，可生长；但因过冷区窄，发展不成枝晶，形成胞状界面，出现胞状界面结构，纵截面为长条形，横截面为六角形。
Ⅲ：液相中温度梯度较平缓，成分过冷程度较大，液相在较大范围内处于过冷状态，类似负温度梯度条件，固溶体晶体以树枝状方式生长，界面上偶然小凸起，进入过冷液体，得到大的生长速度，形成树枝状骨架，最后以平界面方式生长填充枝晶间隙形成晶粒。

4、列举固态烧结初期各种可能的传质途径（包括物质来源、抵达部位、扩散途径），并分析哪几种不会引起坯体的收缩和气孔的消除。（5分）
1）可能的传质途径：

扩散途径
物质来源
抵达部位
1
表面扩散
表面
颈部
2
晶格扩散
表面
颈部
3
蒸发凝聚
表面
颈部
4
晶界扩散
晶界
颈部
5
晶格扩散
晶界
颈部
6
晶格扩散
位错
颈部
2）表面扩散和蒸发凝聚机制不会导致素坯的宏观收缩和气孔率降低(因为颗粒之间的中心距不变)；只有从体内或晶界上传质时，才会引起收缩和气孔的消除；

5. 简述马氏体相变的主要特征。（5分）
①切变共格和表面浮突现像②无扩散性③具有特定的位相关系和惯习面④在一个温度范围内完成相变⑤可逆性。

6.简述金属中残余应力的分类和特点，以及对金属加工和使用的影响。（5分）
答：残余应力分为宏观残余应力，微观第一类残余应力和微观第二类残余应力。其中宏观残余应力作用在整个零件或工件范围内，微观第一类残余应力是由于晶粒的变形不均匀引起的，微观第二类残余应力由于晶格畸变造成的。残余应力可以造成工件的变形、开裂和应力腐蚀等，但有时可以通过在工件表面预先产生残余压应力，防止裂纹的萌生，防止材料的断裂。
7. 试述不同温度下的回复机制。（5分）
按照回复温度的不同可将恢复分为三阶段：
① 低温回复
它主要和空位变化有关。在冷变形过程中，由于螺位错交割产生刃型割阶的非保守运动，会形成过饱和空位；低温回复中冷变形形成的过饱和空位消失，以保持平衡浓度，使能量降低。空位的消失是由于空位与位错、晶界、间隙原子以及空位本身结合、交互作用的结果。 空位与位错结合，引起位错的正攀移，使空位消失；空位之间凝聚成空位片、崩塌转化为位错环，空位消失；间隙原子与空位结合使空位消失，在晶界处空位消失引起疏松。
② 中温回复
中温回复主要涉及异号位错的对消和位错密度的变化：同一滑移面上的异号位错在热激活作用下，相互吸引、会聚而消失，不在同一滑移面上的异号刃型位错则通过空位凝聚消除半原子面或空位逃逸制造半原子面而消失；
③ 高温回复
高温回复的主要机制是多边形化。因原始变形状态位错组态不同，有两类多边形化：第一类叫稳定多边形化，第二类为再结晶前多边形化。稳定多边形化发生在同号刃位错沿滑移面上塞积而导致点阵弯曲的晶体中，回复过程中发生位错的运动和重排，位错由沿滑移面的水平排列转变为沿垂直滑移面的排列，形成位错壁，组成亚晶界。再结晶前多边形化在变形后具有位错胞结构的晶体中发生，变形后位错的分布不是均匀的，而是塞积在位错胞壁，当加热发生多边形化过程时，通过螺位错的交叉滑移和刃位错的攀移，引起位错的重新分布和部分消失以及位错胞壁的平直化，形成具有相当高曲率较平直的亚晶界。

四、判断题: 分析下两图，若图中T3>T2>T1，哪个图能正确反映吉布斯自由能变化与晶胚尺寸r关系，并依据结晶理论说明原因。（5分）

(b)图正确。
对于凝固形核时系统的吉布斯自由能变化为：

其中：为体积，为界面面积，为液－固相界面能，为熔化潜热。
设核心为球形，半径为r，则：

当r值一定且较小时，由T3>T2>T1，可知：

故，(b)图正确。

五、计算题（共20分）
已知500°C时，Al在Cu中的扩散系数为2.6´10-17 m2/s，而1000°C时则为1.6´10-12 m2/s；1）试根据阿累尼乌斯公式求出D0和Q值（玻尔兹曼常数）；2）求在750°C时的扩散系数D。(10分)
解：

2. 铁的回复激活能为80.9 kJ/mol，如果经冷变形的铁在400℃进行回复处理，使其残留加工硬化为60%需160分钟，问在450℃回复处理至同样效果需要多少时间？(9分)
注：R=8.314 J. mol-1. K-1
铁的回复激活能为80.9 kJ/mol，如果经冷变形的铁在400℃进行回复处理，使其残留加工硬化为60%需160分钟，问在450℃回复处理至同样效果需要多少时间？ (10分)
注：R=8.314 J. mol-1. K-1
解：根据回复动力学方程有：