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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 分题号 得分 题号 得分1 92345678总分： 评卷人：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
2、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 。假设晶核为球形，则G *和 的关系为（ A ）（A）=3G * （B）=1/3G *（C） = G * （D）=2G *7下列
3、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
4、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。3244VGrr三、据共晶相图
5、，分别画出 T1，T 2，T 3 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）分析和的平衡结晶过程，并绘出冷却曲线。2）说明室温下、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 合金，求合金的成分4）分析在快速冷却条件下，、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 相，温度继续降低，当下降到 2 点时，液相全部转变为 相，温度继续下降，初生 相中不断析出次生 相，室温组织为 + II ; II:温度下降到 1点，液相中先结晶出 相，温度继续下降，液相成分沿着液相线变化， 相成分沿着
6、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（+）共晶体。温度继续下降中，初生 相中不断析出次生 相，共晶体 相中析出次生 相，室温下的组织为 初 +（+ ）+ II ；步冷曲线如下：T/ T/o t/s o t/s成分 1 的步冷曲线 成分 2 的步冷曲线3）I:相： 相， 相； 组织： 初 , II;W（ 相）=W( 初 )=(90-20)/(90-5)=82.35%;W( 相)=W( II)=(20-5)/(90-5)=17.65%II:相： 相， 相； W（ 相）=(90-80)/(90-5)=11.76%;W( 相)= (80-5)/(90-5)=88.
7、24%组织： 初 ， （+）共晶体W( 初 )=（80-50）/(90-50)=75%W(+)=(90-80)/(90-50)=25%3）设合金中 WB 含量为 x%W（）=(X-50)/(90-50)=5%X=52 所以，合金成分为 WB 为 52%。4）I 合金生成非平衡共晶组织。在快速冷却的条件下， 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
8、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-Fe 3C 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 相，温度下降到 2 点时，液相完全转变为 相，23 之间， 相无转变，温度下降到 3 点时， 相中析出二次渗碳体，温度下降到 4 点时，剩余 相共析反应生成珠光体；温度继续下降，珠光体中的 相中析出三次渗碳体；相的相对含量：W（ 相）=（6.69-1.8）/(6.69-0.0218)=73.3%W
9、(Fe3C)=(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(Fe3CII)=(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%， 相中过饱和析出；共析渗碳体 w（C%）=0.77%， 相中共析反应生成；三次渗碳体 w（C%）0.77%， 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、
10、液相完全混合的条件下，水平放置的质量分数 WB=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 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： 100)()(ksLzkz由相图：K o=35/70=0.5 0=50% s=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） Ae3Ee1ABe2
11、Ee1BCe2Ee3C2） e3E 线： 和 共晶线的投影，液相发生共晶反应 L+ 时，液相成分沿着 e3E 线发生变化；E 点：三元共晶点，液相发生共晶反应，L+ +，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 相，温度到达三相区后，液相中共晶生成（+）共晶体，液相成分沿着 e3E 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（+ +）共晶体，温度在下降时， II+ II， II+ II， II+ II。 单相固溶体（49%）共晶相（51%）W%25%70%35%Z八、什么叫固态相变？与液固相变相比，固态相变存在哪
12、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）： GP区 / / 其中 GP 区、 /、 /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。 相为正方点阵， 相基本是均匀形核，分布均匀且与基体完全共格，它
13、与基体的位向关系为100 /100基体。与 G.P 区相比，在 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。相为正方点阵，它与基体部分共格，与基体的位向关系为100/100基体。相的具体成分为Cu2Al3.6，很接近于平衡相 （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；
