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 1 2 3 4 5 6 7 8 得分
总分：
题号 9 得分 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：
43GrGV4r2 3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。
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/℃
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：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WB含量为x% W（β）=(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，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(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%，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。
z正常凝固方程：s(z)k00(1)k01
L由相图：Ko=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%
α单相固溶体（49%） 共晶相（51%）
W% 70% 35% 25% Z
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） Ae3Ee1A
Be2Ee1B Ce2Ee3C
2） e3E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e3E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（α+β+γ）共晶体，温度在下降时，α→βII+γII，β→αII+γII，γ→αII+βII。
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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