13. 试以表格形式归纳总结3种典型的晶体结构的晶体学特征。（5分）c 答：书上表 第3章 14. 简述晶体中产生位错的主要来源。（5分）a、b 答：晶体中的位错来源主要可有以下几种。 晶体生长过程中产生位错。其主要来源有：
①由于熔体中杂质原子在凝固过程中不均匀分布使晶体的先后凝固部分成分不同，从而点阵常数也有差异，可能形成位错作为过渡；（1分）
②由于温度梯度、浓度梯度、机械振动等的影响，致使生长着的晶体偏转或弯曲引起相邻晶块之间有位相差，它们之间就会形成位错；（1分）
③晶体生长过程中由于相邻晶粒发生碰撞或因液流冲击，以及冷却时体积变化的热应力等原因会使晶体表面产生台阶或受力变形而形成位错。（分）
由于自高温较快凝固及冷却时晶体内存在大量过饱和空位，空位的聚集能形成位错。（1分） 晶体内部的某些界面（如第二相质点、孪晶、晶界等）和微裂纹的附近，由于热应力和组织应力的作用，往往出现应力集中现象，当此应力高至足以使该局部区域发生滑移时，就在该区域产生位错。（1分）
15. 简述晶界具有哪些特性？
答：1）晶界处点阵畸变变大，存在晶界能，故晶粒长大和晶界平直化是一个自发过程。
2）晶界处原子排列不规则，从而阻碍塑性变形，强度更高。这就是细晶强化的本质。 3）晶界处存在较多缺陷（位错、空位等），有利原子扩散。 4）晶界处能量高，固态相变先发生，因此晶界处的形核率高。
5）晶界处成分偏析和内吸附，又富集杂质原子，因此晶界熔点低而产生“过热”现象。 6）晶界能高，导致晶界腐蚀速度比晶粒内部更高。
16. 对于同一种晶体，它的表面能与晶界能（相同的面积）哪一个较高？为什么？（3分）c 答：对于同一种晶体，晶界能比表面能高（1分）。推导如下：
假设晶体的理想光滑的两个等面积平面合拢，会形成一个晶体内界面，该界面的能量相当于两个外表面之和，且理想状态下破坏该界面结合所需要的能量相当于键合能。即相同面积下，E晶界>E完整晶体键合能>2倍E表面（2分） 第4章
17. 简述影响固体中原子和分子扩散的因素有哪几方面。（3分）b 答：
1、温度；2、固溶体类型；3、晶体结构；4、晶体缺陷；5、化学成分；6、应力的作用（各0.5分） 第5章
18. 简述金属材料经过塑性变形后，可能会发生哪些方面性能的变化。（6分） 19. 金属的退火处理包括哪三个阶段？简述这三个阶段中晶粒大小、结构的变化。（6分）
退火过程分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段；再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大。（3分）
在回复阶段，由于不发生大角度晶界的迁移，所以晶粒的形状和大小与变形态的相同，仍保持着
纤维状或扁平状，从光学显微组织上几乎看不出变化。在再结晶阶段，首先是在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到形变组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。最后，在晶界表面能的驱动下，新晶粒互相吞食而长大，从而得到一个在该条件下较为稳定的尺寸，称为晶粒长大阶段。（3分） 第7章
20. 金属型浇铸的铸锭的宏观组织一般分为哪几个区，分析其形成原因？（6分）
答：
a．表层细晶区（0.5分） 当液态金属注人锭模中后，型壁温度低，与型壁接触的很薄一层熔液产生强烈过冷，而且型壁可作为非均匀形核的基底，因此，立刻形成大量的晶核，这些晶核迅速长大至互相接触，形成由细小的、方向杂乱的等轴晶粒组成的细晶区。（1.5分）
b．柱状晶区（0.5分） 随着\细晶区\壳形成，型壁被熔液加热而不断升温，使剩余液体的冷却变慢,并且由于结晶时释放潜热,故细晶区前沿液体的过冷度减小，形核变得困难，只有细晶区中现有的晶体向液体中生长。在这种情况下，只有一次轴（即生长速度最快的晶向）垂直于型壁（散热最快方向）的晶体才能得到优先生长，而其他取向的晶粒，由于受邻近晶粒的限制而不能发展，因此，这些与散热相反方向的晶体择优生长而形成柱状晶区。各柱状晶的生长方向是相同的. （1.5分） C．中心等轴晶区（0.5分） 柱状晶生长到一定程度，由于前沿液体远离型壁，散热困难，冷速变慢，而且熔液中的温差随之减小，这将阻止柱状晶的快速生长，当整个熔液温度降至熔点以下时，熔液中出现许多品核并沿各个方向长大，就形成中心等轴晶区。（1.5分） 21. 与平衡凝固相比较，共晶合金的非平衡凝固有何特点？（4分） 五、计算题：(每题 10 分，共 20 分) 第3章
1. 在Fe中形成1mol空位需要的能量为104.675kJ，试计算从20℃升温至 850℃时空位数目增加多
少倍？
空位在温度T时的平衡浓度为
系数A一般在1~10之间，取A=1，则
故 空位增加了 （倍） 第4章
2. 一块含0.1%C的碳钢在930℃渗碳，渗到0.05cm的地方碳的浓度达到0.45%。在t>0的全部时
间，渗碳气氛保持表面成分为1%，假设 D=2.0×10-5exp(-140000/RT) (m2/s)。 (a) 计算渗碳时间；
(b) 若将渗层加深一倍，则需多长时间？
(c) 若规定0.3%C作为渗碳层厚度的量度，则在930℃渗碳10小时的渗层厚度为870℃渗碳10小时的多少倍？
解：(a) 由Fick第二定律得：
t 1.0×10(s) （ 5分）
，得：
4
(b) 由关系式x=
两式相比，得：
当温度相同时，D1=D2,于是得：
（ 5分）
（c）
因为： t930=t870, D930=1.67×10-7(cm2/s) D870=0.2×exp(-140000/8.314×1143) =8.0×10-8(cm2/s)
所以：
（倍）（ 5分）
3. 一块含0.1%C的碳钢在930℃、1%碳浓度的气氛中进行渗碳处理，经过11个小时后在0.05cm
的地方碳的浓度达到0.45%，若要在0.08cm的深度达到同样的渗碳浓度，则需多长时间？ 解：由Fick第二定律得：
由题意可知，两种情况下渗碳前后浓度相同且渗碳温度相同，即
x12Dt1?x22Dt22 （5分）
2?x2故 t2?t1???x?1??0.08???11????28.16(小时) （10分，不准确扣1分） ??0.05??要在0.08cm深度达到同样的渗碳深度，需28.16小时。
4. 有两种激活能分别为E1=83.7KJ/mol和E2=251KJ/mol的扩散反应。则温度从25℃升高到600℃
时对，这两种扩散的扩散系数有何变化，并对结果作出评述。
由
得：
对于温度从298K提高到873K，扩散速率D分别提高4.6×109和9.5×1028倍，显示出温度对扩散速率的重要影响。当激活能越大，扩散速率对温度的敏感性越大。 第5章
5. 铁的回复激活能为88.9 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？
6. 已知H70黄铜（30%Zn）在400℃的恒温下完成再结晶需要1小时，而在390℃完成再结晶需要
2小时，试计算在420℃恒温下完成再结晶需要多少时间？
7. 已知单相黄铜400℃恒温下完成再结晶需要1小时，而350℃恒温时，则需要3小时，试求该合
金的再结晶激活能。 8. 已知平均晶粒直径为1mm和0.0625mm的?-Fe的屈服强度分别为112.7MPa和196MPa，问平
均晶粒直径为0.0196mm的纯铁的屈服强度为多少？
9. 指出Cu与a-Fe两晶体易滑移的晶面和晶向，并分别求出它们的滑移面间距、滑移方向上的原子
间距以及点阵阻力。
已知v=0.3,GCu=48300MPa，Ga-Fe=81600MPa?P?N?第6章
2G2?w2G2?aexp(?)?exp[?] 1?vb1?v(1?v)b10. 已知条件：铝的熔点Tm=993K，单位体积熔化热Lm=1.836×109J/m3，固液界面比表面能δ=93
×10-3J/m2，原子体积V0=1.66×10-29m3。
考虑在一个大气压下液态铝的凝固，对于不同程度的过冷度，即：ΔT=1，10，100和200℃，计算：
(a) 临界晶核尺寸； (b) 半径为r*的晶核个数；
(c) 从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化ΔG*（形核功）； (d) 从液态转变到固态时，临界尺寸r*处的自由能的变化 ΔGv(形核功)。 将不同ΔT情况下得到的计算结果列表。
11. 已知液态纯镍在1.013×105 Pa(1个大气压)，过冷度为319 ℃时发生均匀形核。设临界晶核半径
为1 nm，纯镍的熔点为1726 K，熔化热Lm=18075 J/mol，摩尔体积V=6.6 cm3/mol，计算纯镍的液-固界面能和临界形核功。 第7章
12. Mg-Ni系的一个共晶反应为：
507℃
L(23.5Wt.%Ni) α(纯镁)+Mg2Ni(54.6Wt.%Ni)
设C1为亚共晶合金，C2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的重量分数相等，但C1合金中的α 总量为C2合金中的α 总量的2.5倍，试计算C1和C2的成分。
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