西工大材料学考研模拟题8套《材料科学基础》.docx
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西工大材料学考研模拟题8套《材料科学基础》
一、简答题（每题6分，共30分）
1．原子的结合键有哪几种？
各有什么特点？
2．面心立方晶体和体心立方晶体的晶胞原子数、配位数和致密度各是多少？
3．立方晶系中，若位错线方向为[001]，
，试说明该位错属于什么类型。
4．请说明间隙化合物与间隙固溶体的异同。
5．试从扩散系数公式
说明影响扩散的因素。
6．何为过冷度？
它对形核率有什么影响？
二、作图计算题（每题10分，共40分）
1． 在面心立方晶体中，分别画出（101）、[110]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？
2． 已知Al为面心立方晶体，原子半径为rA。
若在Al晶体的八面体间隙中能溶入最大的小原子半径为rB，请计算rB与rA的比值是多少。
3． A-B二元合金中具有共晶反应如下：
若共晶反应刚结束时，α和β相的相对含量各占50%，试求该合金的成分。
4． 已知铜的临界分切应力为1Mpa，问要使
面上产生[101]方向的滑移，应在[001]方向上施加多大的力？
三、综合分析题（每题15分，共30分）
1．按下列条件绘出A-B二元相图：
（1）A组元（熔点600℃）与B组元（熔点500℃）在液态时无限互溶；
（2）固态时，A在B中的最大固溶度为wA=0.30，室温时为wA=0.10；而B在固态下不溶于A；
（3）300℃时发生共晶反应
。
在A-B二元相图中，分析wB=0.6的合金平衡凝固后，在室温下的相组成物及组织组成物，并计算各相组成物的相对含量。
2．请绘出下列Fe-C合金极缓慢冷却到室温后的金相组织示意图，并标注各组织。
（腐蚀剂均为3%硝酸酒精）
一、简答题（每题6分，共30分）
1．原子的结合键有哪几种？
各有什么特点？
离子键：
正负离子相互吸引；键合很强，无方向性；熔点、硬度高，固态不导电，导热性差。
共价键：
相邻原子通过共用电子对结合；键合强，有方向性；熔点、硬度高，不导电，导热性有好有差。
金属键：
金属正离子于自由电子相互吸引；键合较强，无方向性；熔点、硬度有高有低，导热导电性好。
分子键：
分子或分子团显弱电性，相互吸引；键合很弱，无方向性；熔点、硬度低，不导电，导热性差。
氢 键：
类似分子键，但氢原子起关键作用XH-Y；键合弱，有方向性；熔点、硬度低，不导电，导热性好。
2．面心立方晶体和体心立方晶体的晶胞原子数、配位数和致密度各是多少？
晶胞原子数
配位数
致密度
面心立方
4
12
74%
体心立方
2
8
68%
3．立方晶系中，若位错线方向为[001]，
，试说明该位错属于什么类型。
因位错线方向垂直于柏氏矢量，所以是刃位错。
4．请说明间隙化合物与间隙固溶体的异同。
相同点：
小原子溶入
不同点：
若小原子溶入后，大小原子数量成比例，在选取点阵时，大小原子点阵可以合并，这实际上改变了大原子的点阵结构，因此认为形成新相，称为间隙相（间隙化合物）。
若小原子溶入后，分布随机，大小原子点阵不能合并，仍然保留大原子点阵，称为间隙固溶体。
5．试从扩散系数公式
说明影响扩散的因素。
从公式表达形式可以看出扩散系数与扩散激活能Q和温度T有关。
扩散激活能越低扩散系数越大，因此激活能低的扩散方式的扩散系数较大，如晶界和位错处的扩散系数较大。
温度越高，原子活性越大，扩散系数越大。
6．何为过冷度？
它对形核率有什么影响？
过冷度：
实际结晶温度与理论结晶温度的差值。
随过冷度增大，形核率先增后减。
二、作图计算题（每题10分，共40分）
1. 在面心立方晶体中，分别画出（101）、[110]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？
对面心立方晶体，（101）非密排面，因此它不是滑移面；[110]是密排方向，因此是滑移方向。
但这二者不能构成滑移系。
和[
是密排面和密排方向，因此可以构成滑移系。
2. 已知Al为面心立方晶体，原子半径为rA。
若在Al晶体的八面体间隙中能溶入最大的小原子半径为rB，请计算rB与rA的比值是多少。
3. A-B二元合金中具有共晶反应如下：
若共晶反应刚结束时，α和β相的相对含量各占50%，试求该合金的成分。
设合金成分为c％，由题知：
得：
c %＝0.55%
4. 已知铜的临界切分应力为1Mpa，问要使
面上产生[101]方向的滑移，应在[001]方向上施加多大的力？
对立方晶系，两晶向[h1k1l1]和[h2k2l2]夹角公式为：
故滑移面的法线
与拉力轴方向[001]的夹角为：
同理，滑移方向[101]与拉力轴方向[001]的夹角为：
由分切应力公式得：
三、综合分析题（每题15分，共30分）
1．按下列条件绘出A-B二元相图：
1） A组元（熔点600℃）与B组元（熔点500℃）在液态时无限互溶；
2） 固态时，A在B中的最大固溶度为wA=0.30，室温时为wA=0.10；而B在固态下不溶于A；
3） 300℃时发生共晶反应
。
在A-B二元相图中，分析wB=0.6的合金平衡凝固后，在室温下的相组成物及组织组成物，并计算各相组成物的相对含量。
相组成：
A＋β
组织组成：
A＋β＋AII
2．请绘出下列Fe-C合金极缓慢冷却到室温后的金相组织示意图，并标注各组织。
（腐蚀剂均为3%硝酸酒精）
工业纯铁：
F
20钢：
F+P
45钢：
F+P
T8钢：
P
T12钢：
P+Fe3C网状
亚共晶白口铸铁：
P+Ld’
一、简答题（每题6分，共30分）
1．工程材料分为哪几类？
它们的结合键如何？
2．根据凝固理论，请分析细化铸锭晶粒的途径及原理
3．固溶体非平衡凝固时，形成微观偏析和宏观偏析的原因有何区别？
4．请为置换固溶体、间隙固溶体、间隙化合物、正常价化合物、电子化合物和间隙化合物各举一具体例子。
5．为什么细晶强化可以同时提高合金强度、硬度、塑性和韧性？
二、作图计算题（每题10分，共40分）
1． 钛的晶胞（密排六方）体积在20℃时为0.106nm3，其c/a＝1.59，求：
（1）c、a的值；
（2）钛原子半径。
2． 已知钼为体心立方结构，请回答：
（1） 画出其晶胞示意图；
（2） 在图中画出一个可能的滑移系，并标明滑移面和滑移方向的指数。
3． 一碳钢在平衡冷却条件下，室温组织为珠光体＋二次渗碳体，其中珠光体含量为90%。
请确定该碳钢的含碳量，并画出组织示意图。
4． 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？
三、综合分析题（每题15分，共30分）
1．根据下列已知条件绘出A-B二元共晶相图：
i. tA >tB（tA 、tB为A、B的熔点）；
ii. 共晶反应为
；
iii. B在A中的固溶度随温度的下降而减小，室温时为wB＝0.03；A在B中的固溶度不随温度变化，
并请回答：
（1）分析wB=0.85的合金平衡结晶过程；
（2）计算该合金室温下的相组成物及组织组成物。
（忽略二次相）
8. 一楔型纯铜铸锭，经间距恒定的轧辊轧制（如图）；
（1） 请画出轧制后，锭子的晶粒示意图。
（2） 画出将该锭子进行再结晶退火后，晶粒示意图。
并分析原因。
一、简答题（每题5分，共30分）
1．何为空间点阵？
它与晶体结构有何异、同？
2．请简述晶界有哪些特征？
3．何为固溶强化？
置换固溶体与间隙固溶体相比,哪个的固溶强化效果强？
请简述影响固溶度的因素。
4．请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。
5．什么是反应扩散？
请简述其特点。
6．简述在什么情况下会发生单滑移、多滑移和交滑移，它们的滑移线形貌特征是什么。
二、作图计算题（每题10分，共40分）
1． 请计算简单立方和体心立方晶体的（100）、（110）和（111）晶面的面间距（假设两种点阵的点阵常数都是a）。
2． 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？
3． 请判定下列反应能否进行，若能够进行，则在简单立方晶胞绘出参加反应位错的柏氏矢量。
1）
2）
4． 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；
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。
三、综合分析题（每题15分，共30分）
1．已知Mg-Ni合金系中一个共晶反应：
L23.5%Ni纯Mg+Mg2Ni54.6%Ni
设有C1和C2两种合金，C1为亚共晶，C2为过共晶。
这两种合金的初生相质量分数相等，但室温时C1中（即Mg）的总量是C2中总量的2.5倍，请确定C1和C2的成分。
2. 某工厂对一大型零件进行淬火处理，经过1100℃加热后，用冷拉钢丝绳吊挂，由起重吊车送往淬火水槽，行至途中钢丝突然发生断裂。
该钢丝是新的，且没有瑕疵，是分析该钢丝绳断裂的原因。
综合模拟测试
一、简答题（每题6分，共30分）
1. 请简述刃型位错、螺型位错的主要特征。
2. 相互垂直的位错运动后发生交割，原位错可能会发生什么变化？
在后续的位错运动中可能会有什么影响？
3. 什么是离异共晶？
如何发生的？
4. 简述平衡结晶与非平衡结晶的不同之处。
5. 形成无限固溶体的条件是什么？
简述原因。
6. 在固态下晶体的线缺陷对溶质原子的扩散有何影响？
二、作图计算题（共40分）
1. 在A滑移面上有一环形位错，所受切应力如图所示，试分析在平面位错环上各段属于哪种类型的位错？
作图表示位错运动的方向？
（俯视观看）（8分）
Ａ
b
2. 根据Fe-Fe3C相图画出含碳0.65％的铁碳合金的冷却曲线。
指出平衡冷却室温下相组成物、组织组成物是什么？
并计算其相对含量。
（12分）
3、下图为Cu-Zn相图，图中有多少三相平衡，写出它们的反应式。
（8分）
4、已知单晶铜的｛111｝ 滑移系的临界分切应力τk为1MPa，请问：
① 要使 面上产生 方向的滑移，则在 方向上应施加多大的应力？
② 假设在单晶铜中只开动 滑移系，那么随着滑移的进行，拉伸试样中 面会产生什么现象？
它对随后的进一步变形有何影响？
（12分）
三、综合分析题（每题15分，共30分）
1. 为了细化纯铝板晶粒，采用冷变性的方法将其变形3％～5％，之后采用620℃退火1ｈ，组织反而粗化，增大冷变形至80％以上，再于620℃退火1ｈ，组织仍然粗大。
分析其原因，指出上述工艺不合理之处并拟定一种合理的晶粒细化工艺。
（Ｔ再＝0.4Ｔ溶 纯铝熔点为660℃）
2. 简述60#钢（含碳0.6%）平衡结晶（假设为均匀形核）需要满足的条件。
综合模拟测试 参考答案
一 简答题（每题6分，共30分）
1. 请简述刃型位错、螺型位错的主要特征
答：
刃型位错：
晶体中有一个额外原子面，形如刀刃插入晶体
刃型位错周围的点阵发生了弹性畸变
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
只有一个确定的滑移面
位错线的移动方向与晶体滑移方向平行（一致）
位错线与柏氏矢量垂直
螺型位错：
上下两层原子发生错排，错排区原子依次连接呈螺旋状
位错线周围点阵产生了弹性畸变；
螺型位错与晶体滑移方向平行，故位错线一定是直 线
螺型位错的滑移面是不确定的，凡是包含螺型位错的平面均可作为它的滑移面；
位错线的移动方向与晶体滑移方向相互垂直。
位错线与柏氏矢量平行
2. 相互垂直的位错运动后发生交割，原位错可能会发生什么变化？
在后续的位错运动中可能会有什么影响？
答：
交割后在原位错线上留下对方柏氏矢量大小、方向的扭转或割接，但是该位错线仍是原柏氏矢量。
所有的割阶都是刃型位错，而扭折可以是刃位错也可以是螺位错在后续位错运动中，由于：
扭折与原位错同一滑移面，可随主位错线一起运动，几乎不产生阻力，并在线力的作用下易消失割阶与原位错线不在同一滑移面，故除非割阶产生攀移，否则割阶就不能跟随主滑移线一起运动，成为位错运动的障碍，称为割阶硬化
3. 什么是离异共晶？
如何发生的？
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. 简述平衡结晶与非平衡结晶的不同之处。
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。
5. 形成无限固溶体的条件是什么？
简述原因。
答：
形成固溶体时，溶质原子的溶入会使溶剂结构产生点阵畸变，使体系自由能升高。
间隙固溶体中溶质原子溶入溶剂间隙中引起的点阵畸变较大，故不能形成无限互溶；置换固溶体中溶质原子取代了溶剂原子的位置，晶格畸变较小。
当溶质、溶剂尺寸相差越小，晶格畸变越小，能量越低，溶解度越大；两组元具有相同的晶体结构可形成无限互溶。
6. 在固态下晶体的线缺陷对溶质原子的扩散有何影响？
答：
①Ｑ↓——Ｄ↑——管道机制 ②Ｑ↑——Ｄ↓——陷阱机制
二 作图计算题（共30分）
1、根据Fe-Fe3C相图画出含碳0.65％的铁碳合金的冷却曲线。
指出平衡冷却，室温下相组成物、组织组成物是什么？
并计算其相对含量。
（12分）
参考答案：
相组成：
+Fe3C
组织组成：
F+P+Fe3CIII（少量、忽略）
室温下，相的相对含量：
室温下，组织相对含量：
忽略
2、在A滑移面上有一环形位错，所受切应力如图所示，试分析在平面位错环上各段属于哪种类型的位错？
作图表示位错运动的方向？
（俯视观看）（8分）
答：
3、下图为Cu-Zn相图，图中有多少三相平衡，写出它们的反应式。
（8分）
答：
⑴包晶反应 α+L→β;
⑵包晶反应 β+L→γ;
⑶包晶反应 γ+L→δ;
⑷包晶反应 δ+L→ε;
⑸包晶反应 ε+L→η;
⑹共析反应 δ→r+ε;
4、已知单晶铜的｛111｝
滑移系的临界分切应力τk为1MPa，请问：
①要使
面上产生
方向的滑移，则在
方向上应施加多大的应力？
②假设在单晶铜中只开动
滑移系，那么随着滑移的进行，拉伸试样中
面会产生什么现象？
它对随后的进一步变形有何影响？
（10分）
答：
（1）
滑移面
的法线方向
和拉力轴
的夹角
与拉力轴
的夹角
需要施加的力
（2）（111）面会发生转动。
晶面转动使晶体位相发生改变，使滑移面和滑移方向逐渐趋于平行拉伸轴线方向，从而使后续塑性变形所需外力进一步增大。
三 综合题（每题15分，共30分）
1、为了细化纯铝板晶粒，采用冷变性的方法将其变形3％～5％，之后采用620℃退火1ｈ，组织反而粗化，增大冷变形至80％以上，再于620℃退火1ｈ，组织仍然粗大。
分析其原因，指出上述工艺不合理之处并拟定一种合理的晶粒细化工艺。
（Ｔ再＝0.4Ｔ溶 纯铝熔点为660℃ ）
答：
前一种为临界变形度下变形，高温退火再结晶驱动力小，形核少，晶粒粗大；后种工艺，在大变形下，根据Ｔ再＝0.4Ｔ溶 计算，T再≈100℃，故再结晶温度不得大于200℃为宜，由于采用了620℃高温退火，晶粒异常长大（二次再结晶），造成晶粒粗大。
正确工艺：
＞70%以上冷变形，之后150℃退火1h
2、简述60#钢（含碳0.6%）平衡结晶（假设为均匀形核）需要满足的条件
答：
综合模拟测试
一、简答题（每题6分，共30分）
1. 请简述工程材料的分类。
2. 请简述滑移和孪生变形的特点？
3. 若将一位错线的正方向定义为原来的反向，此位错的柏氏矢量是否改变？
位错的类型是否改变？
4. 动态再结晶与静态再结晶后的组织有何差别？
力学性能有何差别？
5. 请简述金属间化合物的一般特性。
二、作图计算题（每题10分，共40分）
1. 设有一条径为30mm的厚壁管道，被壁厚0.1mm的铁膜隔开。
由管子一端通入氮气，保持铁膜一侧活性氮原子浓度为1200mol/m3，另一侧为100mol/m3。
如果在700℃下测得通过管道的氮气流量为2.8×10-4 mol/s，求此时氮原子在铁中的扩散系数。
2. 请在立方晶胞中绘出 和 两晶面，并计算其夹角。
共析钢
过共晶白口铸铁
Al-5.0wt%Cu
Al-13%Si
3. 请分别绘出室温下，共析钢、过共晶白口铸铁平衡组织；Al-5.0wt%Cu合金平衡组织；Al-13%Si合金平衡组织。
4. 已知简单三元共晶的投影图，且A-B共晶温度最高，B-C共晶温度稍低，A-C共晶温度最低。
请绘出介于B-C和A-C共晶温度之间的等温截面，以及AE垂直截面图，并标注各区域的相组成。
e
A
B
C
E
三、综合分析题（每题15分，共30分）
1. 请以层片状共晶组织为例，论述二元共晶时如何满足成分条件。
2. 根据Al-Zr二元相图回答：
1） 写出1490℃、1250℃、975℃、940℃的相变反应，并判断反应类型。
2） 画出x＝50.0％合金平衡结晶的冷却曲线，并标明各阶段的相变反应。
3） 计算x＝30.0％合金平衡结晶到室温下的相组成。
综合模拟测试 参考答案
一、简答题（每题6分，共30分）
1. 请简述工程材料的分类。
答：
金属材料，瓷材料，高分子材料，复合材料。
2. 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
3. 若将一位错线的正方向定义为原来的反向，此位错的柏氏矢量是否改变？
位错的类型是否改变？
答：
柏氏矢量反向。
位错类型不变，符号改变。
4. 动态再结晶与静态再结晶后的组织有何差别？
力学性能有何差别？
答：
动态再结晶后获得中心有畸变的等轴晶，晶粒部有被缠结位错分割的亚晶。
静态再结晶后获得低位错密度的等轴晶。
一般，动态再结晶后的强度、硬度比静态再结晶的高。
5. 请简述金属间化合物的一般特性。
答：
金属间化合物种类繁多，机构复杂，一般具有极高的硬度，较高的熔点，塑形差。
往往具有特殊的物理化学性质。
二、作图计算题（每题10分，共40分）
1. 设有一条径为30mm的厚壁管道，被壁厚0.1mm的铁膜隔开。
由管子一端通入氮气，保持铁膜一侧活性氮原子浓度为1200mol/m3，另一侧为100mol/m3。
如果在700℃下测得通过管道的氮气流量为2.8×10-4 mol/s，求此时氮原子在铁中的扩散系数。
答：
满足扩散第一定律应用条件，得：
活性氮原子通量为：
铁膜中活性氮原子浓度梯度为：
由扩散第一定律：
2. 请在立方晶胞中绘出 和 两晶面，并计算其夹角。
答：
α=19.1°
3. 请分别绘出室温下，共析钢、过共晶白口铸铁平衡组织；Al-5.0wt%Cu合金平衡组织；Al-13%Si合金平衡组织。
答：
略
4. 已知简单三元共晶的投影图，且A-B共晶温度最高，B-C共晶温度稍低，A-C共晶温度最低。
请绘出介于B-C和A-C共晶温度之间的等温截面，以及AE垂直截面图，并标注各区域的相组成。
e
A
B
C
E
答：
A
B
C
L
L+A+B
L+A
L+B
L+B+C
L+C
E
A
L
L+A
L+C
L+B+C
A+B+C
L+A+C
三、综合分析题（每题15分，共30分）
1. 请以层片状共晶组织为例，论述二元共晶时如何满足成分条件。
答：
首先通过成分起伏获得某一组元的富集并形成共晶中的某一相（领先相），此时会在其周围形成另一组元的富集，比较容易满足另一相的形成条件，从而形成共晶中的另一相。
如此反复，满足成分条件，交替形核，而形成共晶。
形核后，两相与液相的界面处均会形成溶质原子的富集，溶质原子通过横向扩散，满足两相生长所需的成分条件，实现液固界面的推进。
2. 根据Al-Zr二元相图回答：
1） 写出1490℃、1250℃、975℃、940℃的相变反应，并判断反应类型。
2） 画出x＝50.0％合金平衡结晶的冷却曲线，并标明各阶段的相变反应。
3） 计算x＝30.0％合金平衡结晶到室温下的相组成。
答：
1） 1490℃：
L→Al3Zr+Al2Zr 共晶反应
1250℃：
Al3Zr4 +Al3Zr2 →AlZr 包析反应
975℃：
β-Zr+AlZr2 →AlZr3 包析反应
940℃：
β-Zr+AlZr3 →α-Zr 包析反应
2）
L
L→Al3Zr2
Al3Zr2 +Al3Zr4
Al3Zr4 +Al3Zr2 →AlZr
AlZr
L→Al3Zr2 +Al3Zr4
3）
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