西北工业大学0509年材料科学基础真题答案.docx

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西北工业大学0509年材料科学基础真题答案

05年西北工业大学硕士研究生入学试题

一、简答题（每题8分，共40分）

1.请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。

答：

热力学条件ΔG<0

结构条件：

r>r*

能量条件：

A>ΔGmax

成分条件

2.同素异晶转变和再结晶转变都是以形核长大方式进行的，请问两者之间有何差别？

答：

同素异晶转变是相变过程，该过程的某一热力学量的倒数出现不连续；再结晶转变只是晶粒的重新形成，不是相变过程。

3.两位错发生交割时产生的扭折和割阶有何区别？

答：

位错的交割属于位错与位错之间的交互作用，其结果是在对方位错线上产生一个大小和方向等于其柏氏矢量的弯折，此弯折即被称为扭折或割阶。

扭折是指交割后产生的弯折在原滑移面上，对位错的运动不产生影响，容易消失；割阶是不在原滑移面上的弯折，对位错的滑移有影响。

4.请简述扩散的微观机制有哪些？

影响扩散的因素又有哪些？

答：

置换机制：

包括空位机制和直接换位与环形换位机制，其中空位机制是主要机制，直接换位与环形换位机制需要的激活能很高，只有在高温时才能出现。

间隙机制：

包括间隙机制和填隙机制，其中间隙机制是主要机制。

影响扩散的主要因素有：

温度（温度约高，扩散速度约快）；晶体结构与类型（包括致密度、固溶度、各向异性等）；晶体缺陷；化学成分（包括浓度、第三组元等）

5.请简述回复的机制及其驱动力。

答：

低温机制：

空位的消失

中温机制：

对应位错的滑移（重排、消失）

高温机制：

对应多边化（位错的滑移＋攀移）

驱动力：

冷变形过程中的存储能（主要是点阵畸变能）

二、计算、作图题：

（共60分，每小题12分）

1.在面心立方晶体中，分别画出

、

和、

，指出哪些是滑移面、滑移方向，并就图中情况分析它们能否构成滑移系？

若外力方向为[001]，请问哪些滑移系可以开动？

2.请判定下列位错反应能否进行，若能够进行，请在晶胞图上做出矢量图。

（1）

几何条件：

，满足几何条件

能量条件：

满足能量条件，反应可以进行。

（2）

几何条件：

，满足几何条件

能量条件：

满足能量条件，反应可以进行。

3.假设某面心立方晶体可以开动的滑移系为

，请回答：

1）给出滑移位错的单位位错柏氏矢量；

2）若滑移位错为纯刃位错，请指出其位错线方向；若滑移位错为纯螺位错，其位错线方向又如何？

答：

（1）单位位错的柏氏矢量

；

（2）纯刃位错的位错线方向与b垂直，且位于滑移面上，为

；纯螺位错的位错线与b平行，为[011]。

4.若将一块铁由室温20℃加热至850℃，然后非常快地冷却到20℃，请计算处理前后空位数变化（设铁中形成1mol空位所需的能量为104675J）。

答：

5.已知三元简单共晶的投影图，见附图，

1）请画出AD代表的垂直截面图及各区的相组成（已知TA>TD）；

2） 请画出X合金平衡冷却时的冷区曲线，及各阶段相变反应。

答：

三、综合分析题：

（共50分，每小题25分）

1.请对比分析加工硬化、细晶强化、弥散强化、复相强化和固溶强化的特点和机理。

答：

加工硬化：

是随变形使位错增殖而导致的硬化；

细晶强化：

是由于晶粒减小，晶粒数量增多，尺寸减小，增大了位错连续滑移的阻力导致的强化；同时由于滑移分散，也使塑性增大。

该强化机制是唯一的同时增大强度和塑性的机制。

弥散强化：

又称时效强化。

是由于细小弥散的第二相阻碍位错运动产生的强化。

包括切过机制和绕过机制。

复相强化：

由于第二相的相对含量与基体处于同数量级是产生的强化机制。

其强化程度取决于第二相的数量、尺寸、分布、形态等，且如果第二相强度低于基体则不一定能够起到强化作用。

固溶强化：

由于溶质原子对位错运动产生阻碍。

包括弹性交互作用（柯氏气团）、电交互作用（玲木气团）和化学交互作用。

2.请根据所附二元共晶相图分析解答下列问题：

1）分析合金I、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？

并计算出相和组织的相对含量；

3）如果希望得到室温组织为共晶组织和5%的β初的合金，求该合金的成分；

4）分析在快速冷却条件下，I、II两合金获得的组织有何不同。

答：

（1）

（2）I：

α初＋βII

，相组成与组织组成比例相同

II：

β初＋（α＋β）共＋βII（忽略）

（3）设所求合金成分为x

（4）I合金在快冷条件下可能得到少量的共晶组织，且呈现离异共晶的形态，合金中的βII量会减少，甚至不出现；

II合金在快冷条件下β初呈树枝状，且数量减少。

共晶体组织变细小，相对量增加。

06年西北工业大学硕士研究生入学试题

一、简答题（每题10分，共50分）

1. 试从结合键的角度，分析工程材料的分类及其特点。

答：

金属材料：

主要以金属键为主，大多数金属强度和硬度较高，塑性较好。

陶瓷材料：

以共价键和离子键为主，硬、脆，不易变形，熔点高。

高分子材料：

分子内部以共价键为主，分子间为分子键和氢键为主。

复合材料：

是以上三中基本材料的人工复合物，结合键种类繁多。

性能差异很大。

2. 位错密度有哪几种表征方式？

答：

有两种方式：

体密度，即单位体积内的位错线长度；面密度，即垂直穿过单位面积的位错线根数。

3. 陶瓷晶体相可分为哪两大类？

有何共同特点？

答：

氧化物陶瓷和硅酸盐陶瓷。

特点：

1.结合键主要是离子键，含有一定比例的共价键；2.有确定的成分，可以用准确的分子式表达；3.具有典型的非金属性质。

4. 冷轧纯铜板，如果要求保持较高强度，应进行何种热处理？

若需要继续冷轧变薄时，又应进行何种热处理？

答：

保持较高强度则应进行低温退火，使其只发生回复，去除残余应力；要继续冷变形则应进行高温退火，使其发生再结晶，以软化组织。

5. 扩散激活能的物理意义为何？

试比较置换扩散和间隙扩散的激活能的大小。

答：

扩散激活能的物理意义是原子跃迁过程中必须克服周围原子对其的阻碍，即必须克服势垒。

相比而言，间隙扩散的激活能较小。

二、作图计算题（每题15分，共60分）

1. 已知碳在γ－Fe中扩散时，D0＝2.0×10－5m2/s，Q＝1.4×105J/mol。

当温度由927℃上升到1027℃时，扩散系数变化了多少倍？

（R＝8.314J/（mol.K））

答：

 2. 已知某低碳钢σ0=64KPa，K=393.7，若晶粒直径为50μm，该低碳钢的屈服强度是多少？

答：

由霍尔－配奇公式得：

3. 试计算BCC晶体最密排面的堆积密度。

答：

BCC密排面为｛110｝面，其面积为：

｛110｝面上被原子占据的面积为（两个原子）：

堆积密度：

4. 

和

均位于Fcc铝的（111）晶面上，因此理论上

和

的滑移均是可能的。

（1）画出（111）晶面及单位滑移矢量

和

。

（2）比较具有此二滑移矢量的位错的能量。

答：

（1）

（2）

两位错位于同一滑移面，因此G相同，故：

三、综合分析题（每题20分，共40分）

1.试从晶界的结构特征和能量特征分析晶界的特点。

答：

晶界结构特征：

原子排列比较混乱，含有大量缺陷。

晶界能量特征：

原子的能量较晶粒内部高，活动能量强。

晶界特征：

• 晶界——畸变——晶界能——向低能量状态转化——晶粒长大、晶界变直——晶界面积减小

• 阻碍位错运动——σb↑——细晶强化

• 位错、空位等缺陷多——晶界扩散速度高

• 晶界能量高、结构复杂——容易满足固态相变的条件——固态相变首先发生地

• 化学稳定性差——晶界容易受腐蚀

• 微量元素、杂质富集

2.试分析冷塑性变形对合金组织结构、力学性能、物理化学性能、体系能量的影响。

答：

• 组织结构：

（1）形成纤维组织：

晶粒沿变形方向被拉长；

（2）形成位错胞；（3）晶粒转动形成变形织构。

• 力学性能：

位错密度增大，位错相互缠绕，运动阻力增大，造成加工硬化。

• 物理化学性能：

其变化复杂，主要对导电，导热，化学活性，化学电位等有影响。

• 体系能量：

包括两部分：

（1）因冷变形产生大量缺陷引起点阵畸变，使畸变能增大；

（2）因晶粒间变形不均匀和工件各部分变形不均匀引起的微观内应力和宏观内应力。

这两部分统称为存储能，其中前者为主要的。

冷变形后引起的组织性能变化为合金随后的回复、再结晶作了组织和能量上的准备。

07年西北工业大学硕士研究生入学试题

一、简答题（每题10分，共50分）

1、请说明什么是全位错和不全位错，并请写出FCC、BCC和HCP晶体中的最短单位位错的柏氏矢量。

答：

全位错：

柏氏矢量等于点阵矢量的整数倍；

不全位错：

柏氏矢量不等于点阵矢量的整数倍。

Fcc：

；bcc：

；hcp：

2、已知原子半径与晶体结构有关，请问当配位数降低时，原子半径如何变化？

为什么？

答：

半径收缩。

若半径不变，则当配位数降低时，会引起晶体体积增大。

为了减小体积变化，原子半径将收缩。

3、均匀形核与非均匀形核具有相同的临界晶核半径，非均匀形核的临界形核功也等于三分之一表面能，为什么非均匀形核比均匀形核容易？

答：

因为非均匀形核时，用杂质或型腔充当了一部分晶核。

也就是说，需要调动的原子数少。

4、原子的热运动如何影响扩散？

答：

热运动增强将使原子的跃迁距离、跃迁几率和跃迁频率均增大，即增大扩散系数。

5、如何区分金属的热变形和冷变形？

答：

变形温度与再结晶温度的高低关系。

高于再结晶温度的为热变形，反之为冷变形。

二、         作图计算题（每题15分，共60分）

1.        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）

解：

2.        请计算简单立方晶体中，（111）和

的夹角。

解：

α＝70°32'

3.        请判定在fcc中下列位错反应能否进行：

解：

几何条件：

（6分）

能量条件：

（6分）

满足几何条件和能量条件，反应可以进行。

（3分）

4.试画出面心立方晶体中的（123）晶面和

晶向

解：

三、         综合分析题（共40分）

1.        如附图所示，请分析：

（24分）

1）     两水平线的反应类型，并写出反应式；

2）     分析Ab、bg′、g′d′、d′、d′h′、h′e、eB七个区域室温下的组织组成物（j点成分小于g点成分）；

3）     分析I、II合金的平衡冷却过程，并注明主要的相变反应；

4）     

写出合金I平衡冷却到室温后相组成物相对含量的表达式及合金II平衡冷却到室温后组织组成物相对含量的表达式。

解：

1） 水平线kj为包晶反应：

（2分）

水平线gh为共晶反应：

（2分）

2） Ab：

α（1分）

bg′：

α+βII（1分）

g′d：

α+（α+β）共+βII（1分）

d'：

（α+β）共（1分）

d′h′：

β+（α+β）共+αII（1分）

h′e：

β+αII（1分）

eB：

β（1分）

3） 

合金I（5分）合金II（3分）

4） 合金I相组成：

（2分）

合金II组织组成：

（3分）

2.        请对比分析回复、再结晶、正常长大、异常长大的驱动力及力学性能变化。

（16分）

回复

再结晶

正常长大

异常长大

驱动力

存储能

（主要是点阵畸变能）

存储能

（主要是点阵畸变能）

总界面能

总界面能和表面能

力学性能变化

基本保持变形后性能

恢复到冷变形前的水平

基本保持再结晶后的水平

性能恶化

强度、塑性下降

08年西北工业大学硕士研究生入学试题

一、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）

1.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

2.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：

3.已知H70黄铜在400℃时完成再结晶需要1小时，而在390℃下完成再结晶需2小时，请计算在420℃下完成再结晶需要多长时间？

答：

在两个不同的恒定温度产生相同程度的再结晶时，

两边取对数，并比之得

t3=0.26h

4.一个FCC晶体在

方向在2MPa正应力下屈服，已测得开动的滑移系是

，请确定使该滑移系开动的分切应力τ。

答：

三、综合分析题（30分）

1.请根据Fe-Fe3C相图分析回答下列问题：

（17分）

1）请分析2.0wt.%C合金平衡状态下的结晶过程，并说明室温下的相组成和组织组成。

2）请分析2.0wt.%C合金在较快冷却，即不平衡状态下可能发生的结晶过程，并说明室温下组织会发生什么变化。

3）假设将一无限长纯铁棒置于930℃渗碳气氛下长期保温，碳原子仅由棒顶端渗入（如图所示），试分析并标出930℃和缓冷至室温时的组织分布情况。

答：

1）L——L→γ——γ——γ→Fe3CII——γ→α+Fe3C——α→Fe3CIII

相组成：

α+Fe3C组织组成：

P+Fe3CII（忽略Fe3CIII）

2）根据冷速不同，可能出现共晶反应，得到Ld；得到的P层片细小；Fe3CII的析出将收到抑制，甚至不析出。

3）附图如下

2.图示Cu-Cd二元相图全图及其400℃～600℃范围的局部放大：

（13分）

1）请根据相图写出549℃、547℃、544℃、397℃和314℃五条水平线的三相平衡反应类型及其反应式；

2）已知β相成分为wcd=46.5％，400℃时γ相的成分为wcd=57％，请计算400℃时wCd＝50％合金的相组成。

答：

1）549℃：

包晶反应，（Cu）+L→β

547℃：

包晶反应，β+L→γ

544℃：

共晶反应，L→γ+δ

397℃：

包晶反应，δ+L→ε

314℃：

共晶反应，L→ε+（Cd）

2）

或

09年西北工业大学硕士研究生入学试题

二、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：

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）

5.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。

6.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：

、

、

、

、

7.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。

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：

3）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。

4）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。

5）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

相组成：

Ti3Al、TiAl

组织组成：

TiAl、（Ti3Al＋TiAl）共