西北工业大学材料科学基础历年真题与答案解析.docx
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西北工业大学材料科学基础历年真题与答案解析
西北工业大学
2012年硕士研究生入学考试试题答案
试题名称：
材料科学基础试题编号：
832
说明：
所有答题一律写在答题纸上第页共页
一、简答题（每题10分，共50分）
1.请简述滑移和孪生变形的特点？
答：
滑移变形特点：
1）平移滑动：
相对滑动的两部分位向关系不变
2）滑移线与应力轴呈一定角度
3）滑移不均匀性：
滑移集中在某些晶面上
4）滑移线先于滑移带出现：
由滑移线构成滑移带
5）特定晶面，特定晶向
孪生变形特点：
1）部分晶体发生均匀切变
2）变形与未变形部分呈镜面对称关系，晶体位向发生变化
3）临界切分应力大
4）孪生对塑变贡献小于滑移
5）产生表面浮凸
2.什么是上坡扩散？
哪些情况下会发生上坡扩散？
答：
由低浓度处向高浓度处扩散的现象称为上坡扩散。
应力场作用、电场磁场作用、晶界内吸附作用和调幅分解反应等情况下可能发生上坡扩散。
扩散驱动力来自自由能下降，即化学位降低。
3.在室温下，一般情况金属材料的塑性比陶瓷材料好很多，为什么？
纯铜与纯铁这两种金属材料哪个塑性好？
说明原因。
答：
金属材料的塑性比陶瓷材料好很多的原因：
从键合角度考虑，金属材料主要是金属键合，无方向性，塑性好；陶瓷材料主要是离子键、共价键，共价键有方向性，塑性差。
离子键产生的静电作用力，限制了滑移进行，不利于变形。
铜为面心立方结构，铁为体心立方结构，两者滑移系均为12个，但面心立方的滑移系分布取向较体心立方匀衡，容易满足临界分切应力。
且面心立方滑移面的原子堆积密度比较大，因此滑移阻力较小。
因而铜的塑性好于铁。
4.请总结并简要回答二元合金平衡结晶过程中，单相区、双相区和三相区中，相成分的变化规律。
答：
单相区：
相成分为合金平均成分，不随温度变化；
双相区：
两相成分分别位于该相区的边界，并随温度沿相区边界变化；
三相区：
三相具有确定成分，不随结晶过程变化。
5.合金产品在进行冷塑性变形时会发生强度、硬度升高的现象，为什么？
如果合金需要进行较大的塑性变形才能完成变形成型，需要采用什么中间热处理的方法？
而产品使用时又需要保持高的强度、硬度，又应如何热处理？
答：
合金进行冷塑性变形时，位错大量増殖，位错运动发生交割、缠结等，使得位错运动受阻，同时溶质原子、各类界面与位错的交互作用也阻碍位错的运动。
因此发生应变硬化，使强度、硬度升高。
较大的塑性变形产生加工硬化（应变硬化），如果需要继续变形就要进行中间热处理，即再结晶退火，使塑性恢复到变形前的状态，零件可继续进行塑性变形。
如果产品需要保持高的强度、硬度，可在最终热处理时采用去应力退火，去除残余应力，保持零件较高的强度、硬度。
二、作图计算题（每题15分，共60分）
1、在Fe-Fe3C相图中有几种类型的渗碳体？
分别描述这些渗碳体的形成条件，并绘制出平衡凝固条件下这些不同类型渗碳体的显微组织形貌。
答：
渗碳体包括：
初生（一次）渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体，共五种。
（1）初生（一次）渗碳体：
含碳量大于4.3%的Fe-C合金在平衡凝固时从液相结晶出来的渗碳体，形貌为板条状。
（2）二次渗碳体：
含碳量0.77～2.11%的Fe-C合金，在1148℃冷却到727℃过程中，从γ相中脱溶的渗碳体。
（3）三次渗碳体：
含碳量小于0.0218%时，低于727℃，从α相脱溶析出的渗碳体。
（4）共晶渗碳体：
含碳量2.11～6.69%的Fe-C合金，在1148℃发生共晶反应时形成的渗碳体。
（5）共析渗碳体：
含碳量0.0218～6.69%的Fe-C合金，在727℃发生共析反应时生成的渗碳体。
各渗碳体形貌见教材相关部分。
2、在两个相互垂直的滑移面上各有一条刃型位错AB、XY，如图所示。
假设以下两种情况中，位错线XY在切应力作用下发生运动，运动方向如图中v所示，试问交割后两位错线的形状有何变化（画图表示）？
在以下两种情况下分别会在每个位错上形成割阶还是扭折？
新形成的割阶或扭折属于什么类型的位错？
答：
a图：
①XY向下运动与AB交割，产生PP′小台阶，宽度为|b1|
②PP′的柏氏矢量仍为b2
③PP′⊥b2为刃型位错
④PP′不在原滑移面上，为割阶
⑤XY平行于b2，不形成台阶
b图：
①AB位错线上出现PP′平行于b2，宽度为|b1|
②PP′的柏氏矢量仍为b2
③PP′∥b2为螺型位错
④PP′在原滑移面上，为扭折
⑤XY位错线上出现QQ′平行于b1，宽度为|b2|
⑥QQ′的柏氏矢量仍为b1
⑦QQ′∥b1为螺型位错
⑧QQ′在原滑移面上，为扭折
3、已知H原子半径r为0.0406nm，纯铝是fcc晶体，其原子半径R为0.143nm，请问H原子溶入Al时处于何种间隙位置？
答：
fcc晶体的八面体间隙
，四面体间隙
。
根据题意知
，因此H原子应处于八面体间隙。
4、柱状试样，当固溶体合金（k0＞1）从左向右定向凝固，凝固过程中假设，凝固速度快，固相不扩散、液相基本不混合，α/L（固/液）界面前沿液体中的实际温度梯度为正温度梯度。
由于α/L界面前沿液体存在成分过冷区，晶体易以树枝状结晶生长。
当合金从左向右定向凝固，达到稳态凝固区时，请分析并画出：
①k0＞1相图；②α/L界面处固体、液体的溶质浓度分布图；③液体中成分过冷区图。
答：
柱状试样从左向右定向凝固，在固相不扩散、液相基本不混合、k0＞1的条件下，在凝固达到稳态凝固区时，α/L界面前沿液体溶质浓度分布CL如图a所示。
由于α/L界面前沿液体中溶质浓度从左向右逐渐升高（与k0＜1情况不同），成分与相图对应如图b。
α/L界面前沿液体中从左向右熔点逐渐升高（与k0＜1情况相同）构成TL曲线，加之界面前沿液体中的实际温度梯度为正温度梯度Tn，即形成了由TL、TN两曲线组成的成分过冷区见图c，在凝固过程中晶体易以树枝状结晶生长。
三、综合分析题（共40分）
1、试用位错理论解释低碳钢的应变时效现象。
答：
将退火低碳钢进行少量塑性变形后卸载，然后立即加载，屈服现象不再出现。
如果卸载后在室温下放置较长时间或加热到一定温度保温，屈服现象再次出现，而且低碳钢的强度及硬度升高，这种现象称为应变时效或机械时效。
机理：
柯垂尔理论认为，卸载后立即重新加载，位错已经脱钉，因此不再出现屈服现象。
放置或加热后再加载，位错被重新定扎，因此会再次出现屈服现象。
位错増殖理论认为，卸载后立即重新加载，位错已经増殖，因此不再出现屈服现象。
放置或加热后再加载，发生了回复，位错发生重排和抵消，因此会再次出现屈服现象。
两种理论均有实验依据，目前一般同时采用两理论解释应变时效的产生原因。
2、如图所示，在立方单晶体中有一个位错环ABCDA，其柏氏矢量b平行于z轴
1）指出各段位错线是什么类型的位错。
2）各段位错线在外应力τ作用下将如何运动？
请绘图表示
答：
1）AB、BC、CD、DA段都是刃位错
2）AB和CD不动；BC向上滑移，AD向下滑移，如图所示。
西北工业大学
2011年硕士研究生入学考试试题参考答案
试题名称：
材料科学基础（A卷）试题编号：
832
说明：
所有答题一律写在答题纸上第1页共7页
一、简答题（每题10分，共50分）
1.请从原子排列、弹性应力场、滑移性质、柏氏矢量等方面对比刃位错、螺位错的主要特征。
答：
刃型位错：
1）1晶体中有一个额外原子面，形如刀刃插入晶体
2）2刃位错引起的应力场既有正应力又有切应力。
3）3位错线可以是折线或曲线,但位错线必与滑移（矢量）方向垂直
4）4滑移面惟一
5）5位错线的移动方向与晶体滑移方向平行（一致）
6）6位错线与柏氏矢量垂直
螺型位错：
1）1上下两层原子发生错排，错排区原子依次连接呈螺旋状
2）2螺位错应力场为纯切应力场
3）3螺型位错与晶体滑移方向平行，故位错线一定是直线
4）4螺型位错的滑移面是不惟一；
5）5位错线的移动方向与晶体滑移方向相互垂直。
6）6位错线与柏氏矢量平行
2.何谓金属材料的加工硬化？
如何解决加工硬化对后续冷加工带来的困难？
答：
随变形量增大，强度硬度升高，塑形下降的现象。
软化方法是再结晶退火。
3.什么是离异共晶？
如何形成的？
答：
在共晶水平线的两个端部附近，由于共晶量少，领先相相依附在初生相上，另一相独立存在于晶界，在组织学上失去共晶体特点，称为离异共晶。
有时，也将端部以外附近的合金，在非平衡凝固时得到的少量共晶，称为离异共晶。
4.形成无限固溶体的条件是什么？
简述原因。
答：
只有置换固溶体才可能形成无限固溶体。
且两组元需具有相同的晶体结构、相近的原子半径、相近的电负性、较低的电子浓度。
原因：
溶质原子取代了溶剂原子的位置，晶格畸变较小，晶格畸变越小，能量越低。
电负性相近不易形成化合物。
电子浓度低有利于溶质原子溶入。
5.两个尺寸相同、形状相同的铜镍合金铸件，一个含90%Ni，另一个含50%Ni，铸造后自然冷却，问哪个铸件的偏析严重？
为什么？
答：
50%Ni的偏析严重，因为液固相线差别大，说明液固相成分差别大，冷速较快不容易达到成分均匀化。
二、作图计算题（每题15分，共60分）
1、写出{112}晶面族的等价晶面。
答：
2、请判定下列反应能否进行：
答：
几何条件：
，满足几何条件
能量条件：
不满足能量条件，反应不能进行。
3、已知某晶体在500℃时，每1010个原子中可以形成有1个空位，请问该晶体的空位形成能是多少？
（已知该晶体的常数A＝0.0539，波耳滋曼常数K＝1.381×10-23J/K）
答：
4、单晶铜拉伸，已知拉力轴的方向为[001]，σ=106Pa，求（111）面上柏氏矢量
的螺位错线上所受的力（
）
答：
外力在（111）
上的分切应力为：
作用在位错线上的力为：
三、综合分析题（共40分）
1.经冷加工的金属微观组织变化如图a所示，随温度升高，并在某一温度下保温足够长的时间，会发生图b-d的变化，请分析四个阶段微观组织、体系能量和宏观性能变化的机理和原因。
答：
图a：
晶粒拉长，缺陷数量增大形成位错亚结构，产生变形织构；存储能升高；位错缠结导致加工硬化，强度硬度升高，塑形下降，组织取向明显导致各向异性。
图b：
回复。
晶粒基本不变，位错发生滑移、攀移等，位错重排，数量略有减少，空位大量减少。
内应力得到消除。
加工硬化基本保留。
图c：
再结晶。
形成新的无畸变新晶粒。
存储能全部释放，变形产生的点阵畸变消除。
加工硬化消除，力学性能基本恢复到冷变形前的水平。
图d：
晶粒长大。
晶粒粗化。
体系能量因界面能的下降而下降。
强度下降，塑形也下降。
2.根据Ag-Cd二元相图：
1）当温度为736℃、590℃、440℃和230℃时分别会发生什么样的三相平衡反应？
写出反应式。
2）分析Ag-56%Cd合金的平衡凝固过程，绘出冷却曲线，标明各阶段的相变反应。
3）分析Ag-95%Cd合金的平衡凝固与较快速冷却时，室温下组织组成会有什么变化，并讨论其原因。
答：
736℃：
包晶反应，L+Ag→β
590℃：
包晶反应，L+δ→ε
440℃：
共析反应，β→Ag+γ
230℃：
共析反应，γ→β′＋δ′
2）
γ
3）Ag-95%Cd合金的平衡凝固到室温：
Cd包＋εII
较快速冷却到室温：
ε初＋Cd包＋εII，且εII相数量相对较少，尺寸相对细小。
原因：
快速冷却时，由于固态中扩散较慢，使本应该在包晶反应中消失的ε初有剩余，既产生包晶转变不完全。
另外，由于冷速快，使得εII相变得细小，析出数量减少。
2010年硕士研究生入学考试试题参考答案
一、简答题（每题10分，共50分）
1.请解释γ-Fe与α-Fe溶解碳原子能力差异的原因。
答：
α-Fe为体心立方晶体，其八面体间隙为扁八面体，相比而言四面体间隙较大；γ-Fe为面心立方，其八面体间隙大。
体心立方的四面体间隙比面心立方的八面体间隙小很多，因此溶解小原子的能力小很多。
2.请简述位向差与晶界能的关系，并解释原因？
答：
位向差越大晶界能越高；随位向差增大，晶界能先快速增大，后逐渐趋于稳定。
原因：
位向差越大，缺陷越多（小角晶界位错密度越大），畸变越严重，因此能量越高。
3.请简述在固态条件下，晶体缺陷、固溶体类型对溶质原子扩散的影响。
答：
晶体缺陷处的原子具有较高能量，且原子排列比较杂乱，有利于扩散。
间隙原子扩散激活能比置换原子扩散激活能低，因此间隙原子扩散速度高。
4.请分析解释在正温度梯度下凝固，为什么纯金属以平面状方式生长，而固溶体合金却往往以树枝晶方式长大？
答：
正温度梯度下，纯金属的液固界面是等温的，小突起处的过冷度小，生长受到抑制，因此液固界面保持平直，以平面状生长。
固溶体合金由于溶质原子再分配，产生成分过冷，液固界面处的小突起将获得更大过冷度，因此以树枝状生长。
5.铁碳合金中可能出现的渗碳体有哪几种？
它们的成分有何不同？
平衡结晶后是什么样的形态？
答：
一次渗碳体（规则的、粗大条状）、共晶渗碳体（莱氏体的连续基体）、二次渗碳体（沿奥氏体晶界分布，量多时为连续网状，量少时是不连续网状）、共析渗碳体（层片状）、三次渗碳体（铁素体晶界处）。
它们成分没有区别。
二、作图计算题（每题15分，共60分）
1.写出附图的简单立方晶体中ED、C’F的晶向指数和ACH、FGD’的晶面指数，并求ACH晶面的晶面间距，以及FGD’与ABCD两晶面之间的夹角。
（注：
G、H点为二等分点，F点为三等分点）
答：
ED：
，C’F：
ACH：
，FGd：
ACH的晶面间距：
FGD’与ABCD之间的夹角：
2.请判断图示中
和
两位错各段的类型，以及两位错所含拐折（bc、de和hi、jk）的性质？
若图示滑移面为fcc晶体的（111）面，在切应力
的作用下，两位错将如何运动？
（绘图表示）
答：
ab：
螺位错；bc：
刃位错；cd：
螺位错；de：
刃位错；ef：
螺位错
gh：
螺位错；hi：
刃位错；ij：
螺位错；jk：
刃位错；kl：
螺位错
bc、de为扭折，hi、jk为割阶
运动后
恢复为直线，
上的h、i、j、k为固定点，形成位错源
3.某合金的再结晶激活能为250KJ/mol，该合金在400℃完成再结晶需要1小时，请问在390℃下完成再结晶需要多长时间。
（气体常数R=8.314L/mol·K）
答：
所以t2＝1.96小时
4.请分别绘出fcc和bcc晶体中的最短单位位错，并比较二者哪一个引起的畸变较大。
答：
BCC晶体中为：
（1分），FCC晶体中为：
故：
FCC中的b2引起的畸变较小。
bcc：
fcc：
三、综合分析题（共40分）
1、请分析对工业纯铝、Fe-0.2%C合金、Al-5%Cu合金可以采用的强化机制，并解释机理。
（15分）
答：
工业纯铝：
细晶强化——利用晶界和位向差对位错运动的阻碍作用进行强化；
加工硬化——利用冷变形后缠结位错之间的相互作用进行强化。
Fe-0.2%C：
固溶强化——利用碳原子引起铁的晶格畸变对位错运动的阻碍作用进行强化。
加工硬化——同上
细晶强化——同上
沉淀强化——利用碳化物对位错运动的阻碍作用进行强化。
Al-5%Cu：
沉淀强化（时效强化）——利用沉淀相对位错运动的阻碍作用进行强化。
加工硬化——同上
细晶强化——同上
2、请根据Cu-Zn相图回答下列问题：
（25分）
1）若在500℃下，将一纯铜试样长期置于锌液中，请绘出扩散后从铜棒表面至内部沿深度方向的相分布和对应的浓度分布曲线。
2）请分析902℃、834℃、700℃、598℃、558℃的相变反应类型，并写出反应式。
3）请绘出Cu-75%Zn合金的平衡结晶的冷却曲线，并标明各阶段的相变反应或相组成。
4）请计算Cu-75%Zn合金平衡结晶至200℃时的相组成含量。
902℃：
包晶——L+α→β
834℃：
包晶——L+β→γ
700℃：
包晶——L+γ→δ
598℃：
包晶——L+δ→ε
558℃：
共析——δ→γ+ε
2009年西北工业大学硕士研究生入学试题参考答案
一、简答题（每题10分，共60分）
1.在位错发生滑移时，请分析刃位错、螺位错和混合位错的位错线l与柏氏矢量b、外加切应力τ与柏氏矢量b、外加切应力τ与位错线l之间的夹角关系，及位错线运动方向。
（请绘表格作答，答案务必写在答题册上）
答：
b与l
2.什么是置换固溶体？
影响置换固溶体溶解度的因素有哪些？
形成无限固溶体的条件是什么？
答：
溶质原子取代溶剂原子，并保持溶剂结构的合金相称为置换固溶体。
影响因素有：
1）原子尺寸；2）晶体结构；3）电负性；4）电子浓度
两组元晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件。
3.置换扩散与间隙扩散的扩散系数有何不同？
在扩散偶中，如果是间隙扩散，是否会发生柯肯达尔效应？
为什么？
答：
间隙扩散系数与空位浓度无关，而置换扩散系数与空位浓度有关（可用公式表示）。
一般地，间隙扩散系数大于置换扩散系数。
不会发生。
因为间隙扩散中考虑间隙原子定向流动，未考虑置换互溶式扩散。
4.在室温下对铁板（其熔点为1538℃）和锡板（其熔点为232℃），分别进行来回弯折，随着弯折的进行，各会发生什么现象？
为什么？
答：
根据T再＝（0.35～0.45）Tm可知
Fe在室温下加工为冷加工，Sn在室温下加工为热加工
因此随着弯曲的进行，铁板发生加工硬化，继续变形，导致铁板断裂
Sn板属于热加工，产生动态再结晶，弯曲可不断进行下去
5.何为固溶强化？
请简述其强化机制。
答：
固溶强化就是溶质原子阻碍位错运动，从而使合金强度提高的现象。
主要机制包括：
1）柯氏气团，即溶质原子的弹性应力场阻碍位错运动；2）玲木气团，即溶质原子降低基体层错能，使位错分解为扩展位错，阻碍位错交滑移或攀移；3）电交互作用，即带电溶质原子与位错形成静电交互作用，阻碍位错运动。
6.请比较二元共晶转变与包晶转变的异同。
答：
相同点：
恒温、恒成分转变；相图上均为水平线。
不同点：
共晶为分解型反应，包晶为合成型反应；共晶线全是固相线，包晶线只有部分是固相线；共晶三角在水平线上，包晶三角在水平线下。
二、作图计算题（每题10分，共40分）
1.请比较FCC晶体中
和
两位错的畸变能哪个较大。
答：
故：
b1的畸变能较小。
2.面心立方晶体沿[001]方向拉伸，可能有几个滑移系开动？
请写出各滑移系指数，并分别绘图示之。
答：
共12个滑移系，其中可能开动的有8个。
分别是：
、
、
3.在Al单晶中，（111）面上有一位错
，
面上另一位错
。
若两位错发生反应，请绘出新位错，并判断其性质。
b3
答：
新位错为
。
位错线为（111）面与
面的交线
。
两者垂直，因此是刃型位错。
4.请分别写出立方晶系中{110}和{100}晶面族包括的晶面。
答：
三、综合分析题（每题25分，共50分）
1.请分析影响回复和再结晶的因素各有哪些，以及影响因素的异同，并请分析其原因。
回复
再结晶
原因
温度（升）
促进
促进
促进原子扩散
冷变形量（增）
促进
促进
提供驱动力
溶质原子
阻碍
阻碍
阻碍位错和晶界的运动
第二相粒子
促进
促进或阻碍
即可能提高驱动力，同时阻碍位错和晶界运动
原始晶粒（细小）
促进
促进
增大再结晶驱动力
晶粒位向
无影响
无影响
热蚀沟
无影响
一般无影响
尚未形成热蚀沟
2.附图为Ti-Al二元合金相图：
1）请分析并分别写出1285℃、1125℃和665℃三个恒温转变的类型和反应式，以及882℃时发生两相恒温转变的类型和反应式。
2）请绘出w＝31%合金平衡结晶的冷却曲线，并注明各阶段的主要相变反应。
3）请分析500℃时，w＝31%的合金平衡结晶的相组成物和组织组成物，并计算其质量分数。
（注：
1125℃时，wαTi＝27%，wTi3Al＝26%，wTiAl＝35%；500℃时，wTi3Al＝23%，wTiAl＝35%）
答：
1）1285℃：
包析反应，βTi＋TiAl→αTi
1125℃：
共析反应，αTi→Ti3Al＋TiAl
665℃：
包晶反应，L+TiAl3→Al
882℃：
同素异构转变，βTi→αTi
2008年西北工业大学硕士研究生入学试题参考答案
四、简答题（每题10分，共60分）
1.固态下，无相变的金属，如果不重熔，能否细化晶粒？
如何实现？
答：
可以。
.通过进行适当冷变形，而后在适当温度再结晶的方法获得细晶（应主意避开临界变形度和避免异常长大）。
或进行热加工，使之发生动态再结晶。
2.固体中有哪些常见的相结构？
答：
固体中常见的相结构有：
固溶体（单质）、化合物、陶瓷晶体相、非晶相、分子相。
3.何谓平衡结晶？
何谓非平衡结晶？
答：
平衡结晶是指结晶速度非常缓慢，液相和固相中扩散均很充分的情况下的结晶。
非平衡结晶是指结晶速度比较快，扩散不充分的情况下的结晶。
4.扩散第一定律的应用条件是什么？
对于浓度梯度随时间变化的情况，能否应用扩散第一定律？
答：
扩散第一定律的应用条件是稳态扩散，即与时间无关的扩散。
对于非稳态扩散的情况也可以应用扩散第一定律，但必须对其进行修正。
5.何为织构？
包括哪几类？
答：
织构是晶体中晶面、晶向趋于一致现象。
织构包括再结晶织构和变形织构。
其中变形织构又包括丝织构和板织构。
6.什么是成分过冷？
如何影响固溶体生长形态？
答：
凝固过程中，随液固界面的推进，液固界面附近液相一侧产生溶质原子富集，导致液相的熔点发生变化，由此产生的过冷现象称为成分过冷。
无成分过冷时，固溶体以平面状生长，形成等轴晶；有较小过冷度时，形成胞状组织；有较大成分过冷时，形成树枝晶。
二、作图计算题（每题15分，共60分）
3、请分别写出FCC、BCC和HCP晶体的密排面、密排方向，并计算密排面间距和密排方向上原子间距。
答：
晶体结构
密排面
密排方向
密排面间距
密排方向原子间距
FCC
｛111｝
<110>
BCC
{110}
<111>
HCP
{0001}
a
4、请绘出面心立方点阵晶胞，并在晶胞中绘出（110）晶面；再以（110）晶面平行于纸面，绘出（110）晶面原子剖面图，并在其上标出[001]，
，
晶向。
答：
F
5、已知H70黄铜在400℃时完成再结晶需要1小时，而在390℃
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