《材料科學(xué)》考試試題(研)

1、考試科目:材料科學(xué)基礎(chǔ) 共2頁(yè) 第6頁(yè)碩士學(xué)位研究生入學(xué)考試試題考試科目：材料科學(xué)基礎(chǔ)所有試題答案寫(xiě)在答題紙上,答案寫(xiě)在試卷上無(wú)效一、解釋下列名詞（30分，每題2分）(1) 交滑移 （2）位錯(cuò) （3）固溶強(qiáng)化 （4）共析轉(zhuǎn)變（5）加工硬化 （6）配位數(shù) （7）偽共晶 （8）枝晶偏析(9) 上坡擴(kuò)散 （10）合金 （11）金屬鍵 （12）晶胞（13）過(guò)冷度 （14）結(jié)構(gòu)起伏 （15）同素異晶轉(zhuǎn)變 二、填空題（50分，每空1分）1三種常見(jiàn)的金屬晶格分別為（ ），（ ）和（ ）。2 當(dāng)金屬結(jié)晶時(shí)，細(xì)化晶粒的方法有（ ），（ ），（ ）。3 合金的固態(tài)相結(jié)構(gòu)包括兩大類(lèi)，一類(lèi)是（ ），另一類(lèi)是（ ）。4

2、 金屬材料在常溫下的塑性變形方式主要有兩種，分別是（ ），（ ）。5 材料質(zhì)點(diǎn)之間的鍵合（化學(xué)鍵）分為四類(lèi)，分別是（ ），（ ），（ ）和（ ）。6 根據(jù)fefe3c相圖，三次滲碳體、二次滲碳體、一次滲碳體的最大相對(duì)重量分別為（ ），（ ），（ ）。7 二元相圖的基本類(lèi)型分為三大類(lèi)，分別是（ ），（ ），（ ）。8 工業(yè)純鐵、亞共析鋼、共析鋼和過(guò)共析鋼的含碳量范圍分別為（ ），（ ），（ ），（ ）。9 寫(xiě)出四種強(qiáng)化材料的手段（ ），（ ），（ ），（ ）。10位錯(cuò)有兩種基本類(lèi)型，分別是（ ）、（ ）。11 面心立方金屬晶格的密排晶面指數(shù)為（ ），密排晶向指數(shù)為（ ），配位數(shù)為（ ），致密度為

3、（ ），一個(gè)晶胞中四面體間隙個(gè)數(shù)為（ ），八面體間隙個(gè)數(shù)為（ ），間隙原子溶入（ ）間隙中，滑移系的個(gè)數(shù)為（ ）。12 冷變形金屬在加熱過(guò)程中發(fā)生（ ）、（ ）和 （ ）長(zhǎng)大等過(guò)程。13 在二元合金相圖中，根據(jù)相律，兩個(gè)單相區(qū)必然交于（ ）點(diǎn)，兩個(gè)單相區(qū)之間必然存在一個(gè)（ ）相區(qū)，三相平衡時(shí)，系統(tǒng)的自由度等于（ ），說(shuō)明轉(zhuǎn)變（ ）和三個(gè)相的（ ）都是恒定的。14 當(dāng)對(duì)金屬材料進(jìn)行冷塑性變形時(shí)，隨著變形量的增加，對(duì)材料的力學(xué)性能影響規(guī)律為：（ ）和（ ）升高，（ ）和（ ）下降。三、在兩個(gè)立方晶胞中分別畫(huà)出（111）10和（110）11，如果這是室溫純鐵，上述哪個(gè)晶面和晶向可構(gòu)成滑移系？（10分

4、）四、 假設(shè)金屬結(jié)晶時(shí)，在液相中形成球形晶核，試證明臨界形核功等于表面能。即g*= a*(g*:臨界形核功, a*:臨界晶核表面積，：比表面能)（10分） 五、簡(jiǎn)答下列各問(wèn)（24分，每題8分）1、 為什么鋼的滲碳在奧氏體存在溫區(qū)進(jìn)行而不在鐵素體中進(jìn)行?2、 金屬經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈的冷塑性變形后，組織和性能會(huì)怎樣變化？ 3、 試用多晶體塑性變形理論解釋室溫下金屬晶粒越細(xì)強(qiáng)度越高、塑性越好的原因。六、完成下列各問(wèn)（16分）（1）畫(huà)出fefe3c相圖，填寫(xiě)各區(qū)的組織組成物。（6分）（2）分析含碳為0.45%的合金從液態(tài)到室溫的平衡結(jié)晶及相變過(guò)程。（4分）（3）計(jì)算上述合金在室溫下平衡組織的相對(duì)量和相的相對(duì)量。

5、（4分）（4）畫(huà)出上述合金在室溫下平衡組織示意圖。（2分） 七、（10分）為了區(qū)分兩種弄混的碳鋼，研究人員分別截取了a、b兩塊試樣，加熱至850保溫后以極緩慢的速度冷卻至室溫，觀察金相組織，結(jié)果如下：a試樣的先共析鐵素體的面積為26%,珠光體的面積為74%b試樣的二次滲碳體的面積為7.3%,珠光體的面積為92.7%設(shè)鐵素體和滲碳體的密度相同, 鐵素體中的含碳量為零,試求a、b兩種碳鋼的含碳量。材料科學(xué)基礎(chǔ)研究生入學(xué)考試試題參考答案一、解釋下列名詞（30分，每題2分）(1) 交滑移：是指兩個(gè)或多個(gè)滑移面沿同一個(gè)滑移方向滑移。（2）位錯(cuò)：是指晶體中有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。也是晶體的

6、已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界。（3）固溶強(qiáng)化：由于溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的強(qiáng)度和硬度升高的現(xiàn)象叫做固溶強(qiáng)化。（4）共析轉(zhuǎn)變：是指在恒定的溫度下，由一定成分的固相轉(zhuǎn)變成兩個(gè)不同成分的固相的過(guò)程。（5）加工硬化：由于冷塑性變形，使材料強(qiáng)度、硬度升高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象。 （6）配位數(shù)：晶格中與任一原子最臨近且等距離的原子個(gè)數(shù)（7）偽共晶：在非平衡冷卻條件下，接近共晶成分的亞共晶或過(guò)共晶合金得到100%共晶體，這種共晶稱(chēng)之為偽共晶。（8）枝晶偏析：指樹(shù)枝狀晶體內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。(9) 上坡擴(kuò)散：擴(kuò)散向著濃度升高的方向進(jìn)行稱(chēng)為上坡擴(kuò)散。（10）合金：通過(guò)熔煉、燒結(jié)或其它方法，將一種金屬元素同一

7、種或幾種金屬、非金屬元素結(jié)合在一起，使其獲得具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)，該物質(zhì)稱(chēng)為合金。（11）金屬鍵 ：金屬最外層電子少，易脫離原子核形成自由電子，金屬離子在各自位置熱振動(dòng)，自由電子在所有離子之間作往復(fù)穿梭運(yùn)動(dòng)，這種鍵合為金屬鍵 （12）晶胞：能夠反映組成晶體的質(zhì)點(diǎn)有規(guī)則重復(fù)排列的最小幾何單元稱(chēng)為晶胞。（13）過(guò)冷度：晶體的理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值為過(guò)冷度。 （14）結(jié)構(gòu)起伏：液態(tài)金屬中存在提供晶核的晶胚，這種晶胚時(shí)聚時(shí)散、時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象為結(jié)構(gòu)起伏。 （15）同素異晶轉(zhuǎn)變：金屬在固態(tài)下發(fā)生晶格類(lèi)型變化的過(guò)程稱(chēng)為同素異晶轉(zhuǎn)變。二、填空題（50分，每空1分）1三種常見(jiàn)的金屬晶格分別為（體心立方）

8、，（面心立方）和（密排六方）。2 當(dāng)金屬結(jié)晶時(shí)，細(xì)化晶粒的方法有（增大過(guò)冷度），（變質(zhì)處理），（振動(dòng)或攪拌）。3 合金的固態(tài)相結(jié)構(gòu)包括兩大類(lèi)，一類(lèi)是（固溶體），另一類(lèi)是（金屬化合物）。4 金屬材料在常溫下的塑性變形方式主要有兩種，分別是（滑移），（孿生）。5 材料質(zhì)點(diǎn)之間的鍵合（化學(xué)鍵）分為四類(lèi)，分別是（共價(jià)鍵）、（離子鍵）、（金屬鍵）、（范德瓦爾鍵）。9 根據(jù)fefe3c相圖，三次滲碳體、二次滲碳體、一次滲碳體的最大相對(duì)重量分別為（0.33%），（22.6%），（100%）。10 二元相圖的基本類(lèi)型分為三大類(lèi)，分別是（勻晶型），（共晶型），（包晶型）。11 工業(yè)純鐵、亞共析鋼、共析鋼和過(guò)共析

9、鋼的含碳量范圍分別為（0.0218%），（0.02180.77%），（0.77%），（0.772.11%）。9 寫(xiě)出四種強(qiáng)化材料的手段（固溶強(qiáng)化），（細(xì)晶強(qiáng)化），（第二相強(qiáng)化），（加工硬化）。10位錯(cuò)有兩種基本類(lèi)型，分別是（刃型位錯(cuò)）、（螺型位錯(cuò)）。11 面心立方金屬晶格的密排晶面指數(shù)為（ 111），密排晶向指數(shù)為（ <110> ），配位數(shù)為（12），致密度為（0.74），一個(gè)晶胞中四面體間隙個(gè)數(shù)為（8個(gè) ），八面體間隙個(gè)數(shù)為（ 4個(gè) ），間隙原子溶入（ 八面體 ）間隙中，滑移系的個(gè)數(shù)為（ 12個(gè) ）。12 冷變形金屬在加熱過(guò)程中發(fā)生（回復(fù)）、（ 再結(jié)晶）和 （晶粒 ）長(zhǎng)大等過(guò)程。

10、13 在二元合金相圖中，根據(jù)相律，兩個(gè)單相區(qū)必然交于（ 1 ）點(diǎn)，兩個(gè)單相區(qū)之間必然存在一個(gè)（ 兩 ）相區(qū)，三相平衡時(shí)，系統(tǒng)的自由度等于（ 0 ），說(shuō)明轉(zhuǎn)變（溫度）和三個(gè)相的（成分）都是恒定的。14 當(dāng)對(duì)金屬材料進(jìn)行冷塑性變形時(shí)，隨著變形量的增加，對(duì)材料的力學(xué)性能影響規(guī)律為：（強(qiáng)度）和（硬度）升高，（塑性）和（韌性）下降。三、在兩個(gè)立方晶胞中分別畫(huà)出（111）10和（110）11，如果這是室溫純鐵，上述哪個(gè)晶面和晶向可構(gòu)成滑移系？（10分） 答: (圖略) 上述（110）11 可構(gòu)成滑移系。因?yàn)槭覝丶冭F是體心立方晶格，密排晶面為111，密排晶向?yàn)?lt;111>。四、 假設(shè)金屬結(jié)晶時(shí)，在

11、液相中形成球形晶核，試證明臨界形核功等于1/3表面能。即g*=1/3a*(g*:臨界形核功, a*:臨界晶核表面積，：比表面能)（10分） 證明：形成球形晶核系統(tǒng)總的能量變化為：g=（1） 令 得：r*= (2)將（2）式代入（1）式得：g*= = = 證畢。五、簡(jiǎn)答下列各問(wèn)（24分，每題8分）1、 為什么鋼的滲碳在奧氏體存在溫區(qū)進(jìn)行而不在鐵素體中進(jìn)行?答：鋼的滲碳在奧氏體存在溫區(qū)進(jìn)行而不在鐵素體中進(jìn)行有以下兩方面原因：（1），因?yàn)?fe的最大溶碳能力（含c=2.11%）遠(yuǎn)高于-fe的最大溶碳能力（含c=0.0218%）。在滲碳時(shí)，在表面能產(chǎn)生很高的碳濃度。和-fe的晶體結(jié)構(gòu)不同，-fe為面心

12、立方晶格，-fe為體心立方晶格，原子半徑小的碳原子均溶入它們的八面體間隙中。-fe的八面體間隙半徑為：r間隙 =0,414r原子 -fe的八面體間隙半徑為：r間隙 =0,154r原子-fe的八面體間隙半徑遠(yuǎn)大于-fe的八面體間隙半徑，因此-fe的最大溶碳能力（含c=2.11%）遠(yuǎn)高于-fe的最大溶碳能力（含c=0.0218%）。（2）奧氏體存在溫區(qū)的溫度高，溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大，擴(kuò)散速度越快，所需的滲碳時(shí)間越短。2、 金屬經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈的冷塑性變形后，組織和性能會(huì)怎樣變化？ 答：（1）.顯微組織變化原多邊形等軸晶粒沿變形方向被拉長(zhǎng)，變形量很大時(shí)，晶粒變?yōu)殚L(zhǎng)條狀或纖維狀。變形量位錯(cuò)密度位錯(cuò)交織、纏結(jié)

13、胞狀亞結(jié)構(gòu)。（2）性能變化力學(xué)性能：產(chǎn)生加工硬化： 使金屬的強(qiáng)度、硬度升高，塑性和韌性降低 。物理性能：電阻率導(dǎo)熱性導(dǎo)磁率矯頑力  化學(xué)性能：耐腐蝕性3、 試用多晶體塑性變形理論解釋室溫下金屬晶粒越細(xì)強(qiáng)度越高、塑性越好的原因。a) 晶粒細(xì)強(qiáng)度高的原因：1）、晶粒細(xì)，晶界多，造成位錯(cuò)在晶界處塞積，阻礙位錯(cuò)滑移，阻礙塑性變形。2）、晶粒細(xì)，不同位向的晶粒多，塑性變形時(shí)，各晶粒要相互協(xié)調(diào)、相互制約、相互束縛，阻礙位錯(cuò)滑移，阻礙塑性變形。b) 晶粒細(xì)塑性好的原因1）、晶粒細(xì)，晶界多，每個(gè)晶粒中位錯(cuò)塞積的數(shù)目少，應(yīng)力集中小，不容易過(guò)早斷裂。2）、晶粒細(xì)，不同位向的晶粒多，同樣的變形量可分布在更

14、多的晶粒內(nèi)部，變形更均勻，因此可產(chǎn)生較大的均勻塑性變形 六、完成下列各問(wèn)（16分）答：（1）畫(huà)出fefe3c相圖，填寫(xiě)各區(qū)的組織組成物。（6分） （圖略）（2）分析含碳為0.45%的合金從液態(tài)到室溫的平衡結(jié)晶及相變過(guò)程。（4分）含碳為0.45%的合金與相圖交5點(diǎn)（如上圖）。在12溫度發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變l,結(jié)晶出鐵素體。在2點(diǎn)溫度發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變l0.53+0.09a0.17,轉(zhuǎn)變后有剩余液相。剩余的液相在23點(diǎn)溫度發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變la,在3點(diǎn)溫度合金全部為奧氏體。單相奧氏體冷卻4點(diǎn)溫度開(kāi)始析出先共析鐵素體f。隨溫度下降鐵素體不斷增多，其含量沿gp線(xiàn)變化。剩余的奧氏體的成分則沿gs線(xiàn)變化。當(dāng)溫度達(dá)到5點(diǎn)（727）時(shí)，剩余的奧氏體的含碳量達(dá)到0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變a0.77f0.02+fe3c，即形成珠光體p.該合金的室溫組織為f+p.（3）計(jì)算上述合金在室溫下平衡組織的相對(duì)量和相的相對(duì)量。（4分）組織相對(duì)含量 qp= qf=100%-qp=100%-58%=42%相的相對(duì)含量 qf= qfe3c=100%-93%=7%（4）畫(huà)出上述合金在室溫下平衡組織示意圖。（2分） （略）七、（10分）為了區(qū)分兩種弄混的碳鋼，研究人員分