試卷二十一
考試科目：材料科學基礎
適用專業：材料加工工程，材料物理與化學，材料學
一、名詞解釋
1．晶帶軸定律 2．非均勻形核 3．柯氏氣團
4．多系滑移 5．動態再結晶
二、是非判斷題
1．置換固溶體和間隙固溶體都有可能形成無限固溶體。
2．密排六方結構是純金屬的基本晶體結構之一，也是布拉菲點陣中的一種。
3．位錯線的滑移和攀移都可以使金屬晶體在滑移面產生塑性變形。
4．高溫萊氏體和室溫萊氏體都是鑄鐵中主要組成相，且其組織形貌完全相同。
5．形變織構是金屬材料塑性變形過程中產生的，它對金屬材料有著明顯的強化作用。
三、計算題
乙個簡單立方晶系的雙晶，它們的滑移系原為＜100＞，雙晶的取向及力軸的取向如圖21-1所示(提示：晶界兩側的取向不同)，試確定哪乙個晶體首先開始滑移，所開動的具體滑移系是什麼。
四、完成下列各題
設一長為200mm、橫截面積為400mm2的金屬棒，上端固定，下端加以乙個與長度方向平行且指向下方、大小為98kn的力，如圖21-2所示。
1．試求出與力軸方向分別成0°、30°、45°以及θ的各截面上的正應力和切應力。
2．畫出切應力與θ的關係曲線，並求出切應力為最大時的θ為多少。
五、完成下列各題
1．畫出fe-fe3c的平衡相圖，並填寫相區。
2．說明相圖中各水平線上下的相區分布，並用相區接觸法則予以解釋。
3．計算wc=0.20%的鐵-碳合金平衡冷卻到室溫時的相和組織的相對含量。
4．若上述合金要進行滲碳處理，請確定合適的滲碳溫度，並予以解釋。
六、完成下列各題
1．試分析在具有麵心立方結構的金屬晶體中，下列位錯反應能否進行，說明反應前後的位錯各屬於什麼型別。能否在滑移面上運動。
2．圖21-3為v-cr-c三元系液相圖投影圖(示意圖)的一部分，請列出所有四相平衡反應的反應式，並說明屬於什麼反應。
標準答案
一、 1．晶帶軸定律：所有平行於同一方向的晶面(hkl)構成乙個晶帶，該方向[uvw]就稱為晶帶軸，則有hu+kv+lw=0，這就是晶帶軸定律。
2．非均勻形核：如果金屬熔體中存在著高熔點的固相夾雜物，晶胚有可能依附這些固相夾雜物的現成介面形核，這種現象就稱為非均勻形核。
3．柯氏氣團：間隙原子與位錯線進行彈**互作用時，間隙原子將在位錯線附近聚集，形成小原子集團，稱為柯氏氣團。
4．多系滑移：金屬晶體在一定方向受力時，可以使多個等同滑移系同時開動，這稱為多系滑移。
5．動態再結晶：金屬材料在一定溫度下變形加工時，同時也發生再結晶，這種與形變同時發生的再結晶就稱為動態再結晶。
二、 1．錯。只有置換固溶體才有可能形成無限固溶體，而間隙固溶體只能形成固溶度很小的有限固溶體。
2．錯。密排六方結構是純金屬的基本晶體結構之一，但不是布拉菲點陣中的一種，它屬於布拉菲點陣中的簡單六方結構。
3．錯。位於滑移面上的位錯線在切應力的作用下可以滑移，從而使金屬晶體在滑移面產生塑性變形；刃型位錯在一定條件下可以沿垂直於滑移面的方向運動，刃型位錯的這種運動就稱為攀移。刃型位錯的攀移將導致多餘半原子面的擴大或縮小，與滑移面產生塑性變形無關。
4．錯。萊氏體不是組成相，而是由幾個相組成的組織組成物。高溫萊氏體和室溫萊氏體的組織形貌是不同的，高溫萊氏體由奧氏體和滲碳體組成，而室溫萊氏體中沒有奧氏體，由鐵素體，滲碳體和二次、三次滲碳體組成。
5．不完全對。形變織構是金屬材料塑性變形過程中產生的，但會引起金屬材料力學效能和物理效能的明顯各向異性，且對金屬材料沒有明顯的強化作用。
三、這是乙個雙晶體，不是單晶體。左邊晶體的取向可由方向[100]和[0所確定。含有這兩個方向的晶面為(011)，即施加在左邊晶體作用力的方向與(011)面垂直，其方向為[011]。
而施加在右邊晶體作用力的方向與(010)面垂直，其方向為[010]。
在簡單立方晶系中，(011)面和滑移面(010)、(001)以及滑移方向[010]、[001]的夾角均為45°。左邊晶體作用力σ在滑移系上分力為σsin45°cos45°，而右邊晶體作用力σ在滑移系上分力為0。因此，左邊晶體首先開始滑移，所開動的滑移系分別為：
(001)[010]和(010)[001]。
四、 1．與力軸方向分別成0°、30°、45°以及θ各截面上的正應力和切應力求解如下：
設試樣的原始截面積為a。，與力軸方向分別成0°、30°、45°以及θ後，試樣的截面積分別為a1、a2、a3、a4，而力f在這些截面的垂直分量分別為f1、f2、f3、f4，水平分量分別為p1、p2、p3、p4。則：
與力軸方向成0°時
與力軸方向成30°時
與力軸方向成45°時
與力軸方向成θ角時
2．由上面的計算結果可見，切應力與θ角的關係為2θ的正弦函式。顯然，當θ為45°時，切應力達到最大值。根據這個關係式，很容易作出切應力與θ的關係曲線。(關係曲線省略)
五、 1．fe-fe3c平衡相圖略。該相圖由5個單相區(鐵素體f、奧氏體a、滲碳體fe3c、液相l及高溫鐵素體)、7個兩相區(l+δ、l+a、l+fe3c、a+δ、a+f、a+fe3c和f+fe3c)和三個等溫反應區(l+δ→a、l→a+fe3c、a→f+fe3c)組成。
2．fe-fe3c的平衡相圖中有三條水平線，分別代表三個三相等溫反應區。表面上看，三條水平線的兩側都是和兩相區以線接觸的方式相鄰，好像不符合「相鄰相區的相數差為1」的相區接觸法則。然而，三條水平線實際上是三個等溫反應區，是三相區。
於是，這就完全符合相區接觸法則了。
3．wc=0.20%的鐵-碳合金平衡冷卻到室溫時的相為鐵素體f和滲碳體fe3c，其相對含量分別為
wc=0.20%的鐵-碳合金平衡冷卻到室溫時的相為鐵素體f和珠光體p，其相對含量分別為
4．若上述合金要進行滲碳處理，合適的滲碳溫度應該是950℃左右。這是因為在這個溫度範圍內，該合金處於單相奧氏體區。奧氏體中碳的最大質量分數可達2.
11%，是鐵素體中最大碳質量分數的100倍左右。在這個溫度範圍下，合金可以溶入更多的碳。而且，這時溫度很高，也有利於碳原子的擴散，有利於滲碳過程的順利進行。
六、 1．首先分析該反應式的幾何條件：
反應前和反應後完全一樣，滿足位錯反應的幾何條件。
再來分析該反應式的能量條件：
反應前的能量
反應後的能量能量條件
可見，反應前位錯體系所具有的能量是反應後位錯體系所具有能量的兩倍，符合能量減小的原則。因此，從位錯反應的幾何條件和能量條件來判斷，該位錯反應是可以進行的。
反應前：是位於滑移面上的單位位錯，而是位於滑移面上的肖克萊不全位錯。這兩者都可以在滑移面上運動，屬於可動位錯。
反應後的位錯柏氏向量垂直於(111)面，屬於不可動的弗蘭克不全位錯。
2． 點1是四相包晶反應點，其反應式為
點2是四相包晶反應點，其反應式為
點3是四相共晶反應點，其反應式為
點4是四相包共晶反應點，其反應式為
點5是四相包共晶反應點，其反應式為
點6是四相包共晶反應點，其反應式為
點7是四相共晶反應點，其反應式為
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