某大学年研究生材料科学基础专业考试试题.docx
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某大学年研究生材料科学基础专业考试试题
一、简答题：
（共40分，每小题8分）
1、简单立方晶体中，若位错线方向为[112]，b=a[110]，试判断此位错的类型？
若为刃型位错，试求出半原子面的晶面指数及插入方向的晶向指数。
2、根据溶质原子在点阵中的位置，举例说明固溶体相可分为几类？
固溶体在材料中有何意义？
3、固溶体合金非平衡凝固时，有时会形成微观偏析，有时会形成宏观偏析，原因何在？
4、应变硬化在生产中有何意义？
作为一种强化方法，它有什么局限性？
5、一种合金能够产生析出硬化的必要条件是什么？
二、计算、作图题：
（共60分，每小题12分）
1、绘出面心立方点阵中（110）晶面的原子平面图。
在该图中标出[111]晶向和（110）晶面（指晶面在（110）晶面上的垂直投影线）。
2、在图2—2所示浓度三角形中，确定P、R、S三点的成分。
若有2kgP4kgR
7kgS混合，求混合后该合金的成分？
3、已知碳在γ-Fe中扩散时，D0=2.0×10-5m2/s，Q=1.4×105J/mol。
当温度在927℃时，求其扩散系数为多少？
（已知摩尔气体常数R=8.314J/mol·K）
4、纯锆在553℃和627℃等温退火至完成再结晶分别需要40h和1h。
试求此材料的再结晶激活能。
（已知摩尔气体常数R=8.314J/mol·K）
5、画出40钢经退火后室温下的显微组织示意图，并注明组织、放大倍数、腐蚀剂等。
三、综合分析题：
（共50分，每小题25分）
1、图3—1是铜-铝合金相图的近铜部分。
（1）、写出ωAl=0.08的Al-Cu合金，平衡凝固后的室温组织，并述其形成过程？
（2）、若该合金在铸造条件下，将会是什么组织？
3）、若该合金中Al含量改变时（当ωAl<0.05或ωAl>0.08时），其机械性能将如何变化？
2、已知位错环ABCD的柏氏矢量为b，外应力为τ和σ，如图3—2所示
1）、位错环的各边分别是什么类型的位错？
2）、在足够大切应力τ作用下，位错环将如何运动？
3）、在足够大的拉应力σ作用下，位错环将如何运动？
、简答题：
（共40分，每小题8分）
1、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点？
2、请简述影响扩散的主要因素有哪些。
3、临界晶核的物理意义是什么？
形成临界晶核的充分条件是什么？
4、有哪些因素影响形成非晶态金属？
为什么？
5、合金强化途径有哪些？
各有什么特点？
、计算、作图题：
（共60分，每小题12分）
1、求［111］和［201］两晶向所决定的晶面，并绘图表示出来。
2、氧化镁（MgO）具有NaCl型结构，即具有O2-离子的面心立方结构。
问：
r2r
（1）若其离子半径Mg2=0.066nm，rO2＝0.140nm，则其原子堆积密度为多少？
（2）如果rMg2/rO2＝0.41，则原子堆积密度是否改变？
3、已知液态纯镍在1.013×105Pa（1大气压），过冷度为319K时发生均匀形核，设临界晶核半径为1nm，纯镍熔点为1726K，熔化热ΔHm＝18075J/mol，摩尔体积Vs＝6.6cm3/mol，试计算纯镍的液－固界面能和临界形核功。
4、图示为Pb-Sn-Bi相图投影图。
问：
（1）写出合金Q（wBi＝0.7，wSn＝0.2）凝固过程及室温组织；
（2）计算合金室温下组织组成物的相对含量。
5、有一钢丝（直径为1mm）包复一层铜（总直径为2mm）。
若已知钢的屈服强度σst＝280MPa，弹性模量Est＝205GPa，铜的σCu＝140MPa，弹性模量ECu＝110GPa。
问：
（1）如果该复合材料受到拉力，何种材料先屈服？
（2）在不发生塑性变形的情况下，该材料能承受的最大拉伸载荷是多少？
（3）该复合材料的弹性模量为多少？
三、综合分析题：
（共50分，每小题25分）
1、某面心立方晶体的可动滑移系为（111）、[110]。
（1）请指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量；
（2）若滑移由刃位错引起，试指出位错线的方向；
（3）请指出在
（2）的情况下，位错线的运动方向；
（4）假设在该滑移系上作用一大小为0.7MPa的切应力，试计算单位刃位错线受力的大小和方向（取点阵常数为a＝0.2nm）。
2、若有，某一Cu-Ag合金（wCu＝0.075，wAg＝0.925）1Kg，请提出一种方案从该合金中提炼出100g的Ag，且要求提炼得到的Ag中的Cu含量wCu低于0.02。
（假设液相线和固相线固相线均为直线）。
一、简答题：
（共40分，每小题8分）
1、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点？
答：
相同点：
小原子溶入。
不同点：
间隙固溶体保持溶剂（大原子）点阵；
间隙相、间隙化合物改变了大原子点阵，形成新点阵。
间隙相结构简单；间隙化合物结构复杂。
2、请简述影响扩散的主要因素有哪些。
答：
影响扩散的主要因素：
（1）温度；
（2）晶体结构与类型；
（3）晶体缺陷；
（4）化学成分。
3、临界晶核的物理意义是什么？
形成临界晶核的充分条件是什么？
答：
临界晶核的物理意义：
可以自发长大的最小晶胚（或，半径等于rk的晶核）
形成临界晶核的充分条件：
（1）形成r≥rk的晶胚；
（2）获得A≥A*（临界形核功）的形核功。
4、有哪些因素影响形成非晶态金属？
为什么？
答：
液态金属的粘度：
粘度越大原子扩散越困难，易于保留液态金属结构。
冷却速度；冷却速度越快，原子重新排列时间越断，越容易保留液态金属结构
5、合金强化途径有哪些？
各有什么特点？
答：
细晶强化、固溶强化、复相强化、弥散强化（时效强化）加工硬化
二、计算、作图题：
（共60分，每小题12分）
1、求[111]和[201]两晶向所决定的晶面，并绘图表示出来答：
设所求的晶面指数为（hkl）
1
1
11:
11
0
1
12:
20
h:
k:
l
则
（112）
2、氧化镁（MgO）具有NaCl型结构，即具有O2-离子的面心立方结构。
问：
（1）若其离子半径rMg2=0.066nm，rO2＝0.140nm，则其原子堆积密度为多少？
（2）如果rMg2/rO2＝0.41，则原子堆积密度是否改变？
a2（r2r2）0.412nm
答：
（1）点阵常数Mg2O2
3
（rMg2rO2）4
Pf430.73
堆积密度fa3
2）堆积密度会改变，因为Pf与两异号离子半径的比值有关。
3、已知液态纯镍在1.013×105Pa（1大气压），过冷度为319K时发生均匀形核，设临界晶核半径为1nm，纯镍熔点为1726K，熔化热ΔHm＝18075J/mol，摩尔体积Vs＝6.6cm3/mol，试计算纯镍的液－固界面能和临界形核功。
r
因为
2
GB，
GB
LH
Tm
HT
Tm
所以
rGB
2
rHT
2Tm
52
2.53105J/cm2
Gv
16
3GB2
163Tm2V
3H2T2
1.61019J
4、图示为Pb-Sn-Bi相图投影图。
问：
（1）写出合金Q（wBi＝0.7，wSn＝0.2）凝固过程及室温组织；
（2）计算合金室温下组织组成物的相对含量。
答：
（1）冷却至液相面析出Bi：
LBi初，随温度降低Bi增多，液相成分延Bi-Q的延长线向E3E移动；
液相成分达到E3E后发生共晶反应，L（Sn＋Bi）共，液相成分延E3E向E移动；液相成分达到E后，发生三元共晶反应L（Sn＋Bi＋β）共，随后冷却不再变化。
室温组织为：
Bi初＋（Sn＋Bi）共＋（Sn＋Bi＋β）共
（2）wBi初＝2.88；w（Sn＋Bi）共＝0.407；w（Sn＋Bi＋β）共＝0.305
5、有一钢丝（直径为1mm）包复一层铜（总直径为2mm）。
若已知钢的屈服强度σst＝280MPa，弹性模量Est＝205GPa，铜的σCu＝140MPa，弹性模量ECu＝110GPa。
问：
（1）如果该复合材料受到拉力，何种材料先屈服？
（2）在不发生塑性变形的情况下，该材料能承受的最大拉伸载荷是多少？
（3）该复合材料的弹性模量为多少？
答；两金属的弹性应变相等，即：
（/E）ststCu（/E）Cu
st
Cu
Cu
110000
205000
1）Cu先屈服；
2）
F总＝FCu＋Fst＝140106
2.410－6＋280106
0.8106
560N
3）E（E）st（E）Cu130000MPa
三、综合分析题：
（共50分，每小题25分）
1、某面心立方晶体的可动滑移系为（111）、[110]。
（1）请指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量；
（2）若滑移由刃位错引起，试指出位错线的方向；
（3）请指出在
（2）的情况下，位错线的运动方向；
（4）假设在该滑移系上作用一大小为0.7MPa的切应力，试计算单位刃位错线受力的大小和方向（取点阵常数为a＝0.2nm）。
ab[110]答：
（1）柏氏矢量：
2；
（2）位错线方向：
[112]；
（3）位错线运动方向平行于柏氏矢量；
11
（4）Fb9.8991011MN/m
2、若有，某一Cu-Ag合金（wCu＝0.075，wAg＝0.925）1Kg，请提出一种方案从该合金中提炼出100g的Ag，且要求提炼得到的Ag中的Cu含量wCu低于0.02。
（假设液相线和固相线固相线均为直线）。
答：
1.将1Kg合金加热至900℃以上熔化，缓慢冷却至850℃，倒去剩余液体，所得固体a1约780g，wCu＝0.055；
2.将a1熔化，缓慢冷却至
3.将a2熔化，缓慢冷却至
4.将a3熔化，缓慢冷却至
900℃，倒去剩余液体，得
920℃，倒去剩余液体，得
935℃，倒去剩余液体，得
a2约380g，wCu＝0.03；
a3约260g，wCu＝0.02；
a4约180g，wCu＝0.013，即可。
1．对fcc结构的晶体（点阵常数为a）
（1）分别计算原子在[100]，[110]和[111]晶向上的原子密度，并说明哪个晶向是密排方向：
（2）计算原子在（100），（110）和（111）晶面上的原子密度和三个面的面间距，并指出面间距最大的晶面。
a[110]
2．在fcc，晶体中存在两个位错d1和d2，若d1的位错线方向l1//[112]，柏氏矢量b1=2，d2的分
a[110]
别为l2//[111]，b2=2
（1）判断哪个位错为纯刃型位错，并求出其半原子面指数及滑移面指数；
（2）该刃型位错如果发生分解形成扩展位错，试写出可能的位错反应并图示；
（3）另外一个位错柏氏矢量的刃型和螺型分量模各为多少?
3．对某简单立方单晶体，其拉伸应力方向如附图1.2所示。
该晶体的滑移系为<100>{100}。
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