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1、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:命题老师: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2021级同学姓名:学号:任课老师:代建清、李智东、孟彬、李绍宏上课班级:材料2021 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叉排列而成;扭转晶界就由相互交叉的螺型位错所组成;2、按界面上原子排列情形和吻合程度分类,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
2、(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、热力学稳固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、在不平稳凝固过程中,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
3、;11. 奥氏体核的长大是依靠碳原子的扩散, 奥氏体 A 两侧界面对铁素体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. 在成分相同的情形下 , 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、不匀称性,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、名词说明: 每题 2 分,共 22 分1. 共格应变: 共格界面处,两相原子有稍微不吻合,就需要通过肯
4、定的弹性变形以使界面原子和谐,这种变形称为共格应变2. 晶界偏析: 在平稳条件下,溶质原子(离子)在晶界处浓度偏离平均浓度;3. 非匀称成核: 依靠外界杂质所供应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肯定的压力,以补偿烧结体内气孔中逐步增大的气压抵消了作为烧结推动力的界面能,使烧结连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,用菲克第肯定律描述;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显现的反常长大过程;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
5、;8. 马氏体相变: 以晶格畸变为主、无成分变化、无扩散的其次类位移型相变,其特点是发生于晶体中某一部分的极其快速的剪切畸变;9. 热加工 :在金属再结晶温度以上进行的加工和变形;7精品文档沟通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、简要分析争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
6、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-siteLattice , CSL)模型:设想两个晶粒(存在的位向差角)的点阵,彼此通过晶界向对方延长,就其中一些原子将显现有规律性的重合;这些原子重合位置所组成的比原先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
7、成经肯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,即规章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,结晶先从模壁开头,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,因此在此薄层中立刻形成大量的晶核,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,铸模温度快速上升,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安排,在固
8、液界面前沿显现成分过冷,成分过冷区的扩大,促使新的晶核形成长大形成等轴晶;由于液体的流淌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外形的影响;( 5 分)答:不平稳凝固条件下,正温度梯度时,因溶质分布不匀称引起的过冷即成分过冷,即:因液相成分不匀称导致实际液相温度低于理论结晶温度而显现的过冷;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、平稳安排系数 K 0 小易显现成分过冷;成分过冷的条件
9、为:Gm. C0.1K0RDK0:液相中温度梯度较大,TDTL ,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 ;:液相中温度梯度减小,产生小的成分过冷区,平界面不稳固,界面偶然小凸起,进入过冷液体,可生长;但因过冷区窄,进展不成枝晶,形成胞状界面,显现胞状界面结构,纵截面为长条形,横截面为六角形; :液相中温度梯度较平缓,成分过冷程度较大,液相在较大范畴内处于过冷状态,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 ,最终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
10、(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排除;( 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蒸发凝结表面颈部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)表面扩散和蒸发凝结机制不会导致素坯的宏观收缩和气孔率降低由于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排除;5. 简述马氏体相变的主要特点;( 5 分)切变共格和表面浮突现像无扩散性具有特定的位相关系和惯习面在一个温度范畴内完成相变可逆性;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:
11、残余应力分为宏观残余应力,微观第一类残余应力和微观其次类残余应力;其中宏观残余应力作用在整个零件或工件范畴内,微观第一类残余应力是由于晶粒的变形不匀称引起的,微观其次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) 依据回复温度的不同可将复原分为三阶段: 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逝,以保持平稳浓度,使能量降低;空位的消逝是由于空位与位
12、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, 使空位消逝;空位之间凝结成空位片、倒塌转化为位错环,空位消逝;间隙原子与空位结合使空位消逝,在晶界处空位消逝引起疏松; 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、会聚而消逝,不在同一滑移面上的异号刃型位错就通过空位凝结排除半原子面或空位逃逸制造半原子面而消逝; 高温回复高温回复的主要机制是多边形化;因原始变外形态位错组态不同,有两类多边形化:第一类叫稳固多边形化,其次类为再结晶前多边形化;稳固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
13、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匀称的,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逝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、判定题 : 分析下两图,如图中T 3T 2 T 1,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缘由; ( 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:GG 2G1Vs .GVAsL .sLGLGVVSLv .TGVTmLv . TmT Tm其中: Vs为体积,AsL为界面面积,sL 为液固相界面能,Lv 为熔化潜热;设核心为球形,半径为r,就:VG4r 3 .G34 r 2 .sLVd G4 r 2 .G8 r.sLdrd G4 r 2Lv .T.Tm 8 r. sLdrTm当 r 值肯定且较小时,由T3T2T 1,可知:32dG T d G T d GT1故, b 图正确;drdrdr五、运算题(共 20 分)已知 5