北工大07 08 09 13材料科學(xué)基礎(chǔ)-真題及答案

1、北京工業(yè)大學(xué)試卷七2007年攻讀碩士學(xué)位研究生入學(xué)考試試題考試科目：材料科學(xué)基礎(chǔ) 適用專業(yè)：材料科學(xué)與工程 一、名詞解釋 1脫溶(二次結(jié)晶) 2空間群 3位錯交割 4成分過冷 5奧氏體 6臨界變形量 7形變織構(gòu) 8動態(tài)再結(jié)晶 9調(diào)幅分解 10慣習(xí)面 二、填空 1晶體宏觀對稱要素有 (1) 、 (2) 、 (3) 、 (4) 和 (5) 。 2NaCl型晶體中Na+離子填充了全部的 (6) 空隙，CsCl晶體中Cs+離子占據(jù)的是 (7) 空隙，螢石中F-離子占據(jù)了全部的 (8) 空隙。 3非均勻形核模型中晶核與基底平面的接觸角=/2，表明形核功為均勻形核功的 (9) ，= (10) 表明不能促進(jìn)

2、形核。 4晶態(tài)固體中擴(kuò)散的微觀機(jī)制有 (11) 、 (12) 、 (13) 和 (14) 。 5小角度晶界由位錯構(gòu)成，其中對稱傾轉(zhuǎn)晶界由 (15) 位錯構(gòu)成，扭轉(zhuǎn)晶界由 (16) 位錯構(gòu)成。6發(fā)生在固體表面的吸附可分為 (17) 和 (18) 兩種類型。 7固態(tài)相變的主要阻力是 (19) 和 (20) 。 三、判斷正誤 1對于螺型位錯，其柏氏矢量平行于位錯線，因此純螺位錯只能是一條直線。 2由于Cr最外層s軌道只有一個電子，所以它屬于堿金屬。 3改變晶向符號產(chǎn)生的晶向與原晶向相反。 4非共晶成分的合金在非平衡冷卻條件下得到100%共晶組織，此共晶組織稱偽共晶。 5單斜晶系=90°。

3、6擴(kuò)散的決定因素是濃度梯度，原子總是由濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散。 7再結(jié)晶完成后，在不同條件下可能發(fā)生正常晶粒長大和異常晶粒長大。 8根據(jù)施密特定律，晶體滑移面平行于拉力軸時最容易產(chǎn)生滑移。 9晶粒越細(xì)小，晶體強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越差。 10高聚物材料中，大分子鏈上極性部分越多，極性越強(qiáng)，材料強(qiáng)度越大。 四、影響晶態(tài)固體中原子擴(kuò)散的因素有哪些?并加以簡單說明。 五、 1什么是時效處理? 2說明通過時效處理產(chǎn)生強(qiáng)化的原因。 3實際應(yīng)用過程中，為消除時效強(qiáng)化可采用什么處理方法?為什么? 六、 1什么是形狀記憶效應(yīng)? 2說明通過馬氏體相變產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)的原因。 七、比較說明滑移與孿生這

4、兩種金屬塑性變形機(jī)制的不同。 八、已知工業(yè)純銅的屈服強(qiáng)度s=70MPa，其晶粒大小為NA=18個/mm2；當(dāng)NA=4025個/mm2時，s=95MPa；試計算NA=260個/mm2時屈服強(qiáng)度s的值。 九、分別畫出立方晶胞的晶向和(021)晶面，六方晶胞的晶向和晶面。 十、氮化鎵GaN是制備白光二極管的材料，其晶體結(jié)構(gòu)為纖鋅礦(六方硫化鋅)型。N的電負(fù)性為3.07，Ga的電負(fù)性為1.76；N3-的離子半徑為0.148mm，Ca3+的離子半徑為0.047nm。 1畫出這種結(jié)構(gòu)的晶胞。 2結(jié)構(gòu)中，負(fù)離子構(gòu)成哪種堆積?用四軸表示法寫出密排晶面。 3分析Ga和N之間的鍵性，說明結(jié)構(gòu)中各離子配位數(shù)是否合理

5、。 4計算結(jié)構(gòu)是否符合靜電價規(guī)則。 5Ga填充的是哪種空隙?填充了多少這種空隙? 十一、氧化鈦缺氧時可產(chǎn)生如下反應(yīng)：，請正確寫出缺陷方程并解釋各項的含義。 十二、何謂全位錯?請說明在面心立方晶體中肖克萊不全位錯和弗蘭克不全位錯的成因和運(yùn)動特點。 十三、LiF-NaF-RbF三元相圖如圖7-1所示。 1確定含RbF30mol、LiF2Omol 2寫出該成分點的析晶過程。3根據(jù)此三元相圖畫出LiF-NaF的二元相圖示意圖。 標(biāo)準(zhǔn)答案 一、 1脫溶(二次結(jié)晶)：從一個固溶體中析出另一個固相。 2空間群：晶體結(jié)構(gòu)中所有對稱要素(含微觀對稱要素)的組合所構(gòu)成的對稱群。 3位錯交割：不同滑移面上運(yùn)動的位錯

6、在運(yùn)動中相遇發(fā)生位錯互相切割的現(xiàn)象。 4成分過冷：結(jié)晶時由于固相和液相成分再分布而引起的固液界面前方附近液相中產(chǎn)生過冷區(qū)，這一現(xiàn)象稱為成分過冷。 5奧氏體：碳溶于-Fe中的間隙固溶體。 6臨界變形量：加熱到再結(jié)晶溫度以上時能使金屬材料發(fā)生再結(jié)晶的最小預(yù)變形量。 7形變織構(gòu)：隨塑性變形量增加，多晶體不同晶粒某一晶體學(xué)取向趨于一致的現(xiàn)象。 8動態(tài)再結(jié)晶：再結(jié)晶溫度以上變形和再結(jié)晶同時進(jìn)行的現(xiàn)象。 9調(diào)幅分解：固溶體通過上坡擴(kuò)散分解成結(jié)構(gòu)均與母相相同、成分不同的兩種固溶體的轉(zhuǎn)變。 10慣習(xí)面：固態(tài)相變時，新相往往沿母相特定原子面形成，這個與新相主平面平行的母相晶面稱為慣習(xí)面。 二、 1(1) 對稱中

7、心；(2) 對稱軸；(3) 對稱面；(4) 旋轉(zhuǎn)反伸軸；(5) 旋轉(zhuǎn)反映軸 2(6) 八面體；(7) 立方體；(8) 四面體 3(9) 一半；(10) 4(11) 間隙機(jī)制；(12) 填隙機(jī)制；(13) 空位機(jī)制；(14) 互換機(jī)制 5(15) 刃型；(16) 螺型 6(17) 物理吸附；(18) 化學(xué)吸附 7(19) 界面能；(20) 彈性應(yīng)變能 三、 1； 2×； 3×； 4； 5； 6×； 7； 8×； 9×； 10 四、 (1) 溫度：溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大，擴(kuò)散速率越快。 (2) 晶體結(jié)構(gòu)及固溶體類型：致密度較小的晶體結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散激活能

8、較小，擴(kuò)散易于進(jìn)行；對稱性較低的晶體結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散系數(shù)的各向異性顯著；間隙固溶體中的擴(kuò)散激活能遠(yuǎn)小于置換固溶體，擴(kuò)散容易進(jìn)行。 (3) 第三組元：根據(jù)加入的第三組元的性質(zhì)不同，有的促進(jìn)擴(kuò)散，有的阻礙擴(kuò)散。 (4) 晶體缺陷：沿晶界的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于體擴(kuò)散系數(shù)；沿位錯管道擴(kuò)散時擴(kuò)散激活能較小，因而位錯加速擴(kuò)散。 五、 1過飽和固溶體的脫溶過程處理為時效處理。 2在過飽和固溶體脫溶過程中，初始形成亞穩(wěn)態(tài)析出相與母相保持共格或半共格界面。如果析出相粒子具有很高強(qiáng)度，將使滑移運(yùn)動位錯發(fā)生彎曲并包繞第二相粒子留下位錯環(huán)，將增加位錯線長度，并且第二相粒子及位錯環(huán)加大對后續(xù)運(yùn)動位錯的阻力，產(chǎn)生第二相強(qiáng)化。如果析出

9、相粒子可發(fā)生變形，將產(chǎn)生新的相界面，使析出相與基體相之間共格(或半共格)界面遭到破壞；滑移面產(chǎn)生錯配，可能使有序排列遭到破壞。綜上，宏觀產(chǎn)生強(qiáng)化。 3通過時效回歸處理或重新固溶處理可以使時效強(qiáng)化現(xiàn)象消失。因為伴隨著時效回歸處理或重新固溶處理沉淀脫溶產(chǎn)生的第二相重新溶人固溶體之中。當(dāng)沉淀析出相已經(jīng)為穩(wěn)定相時，只能采用固溶處理。 六、 1將某些金屬材料進(jìn)行變形后加熱至某一特定溫度以上，變形金屬材料形狀恢復(fù)到變形前的形狀，此現(xiàn)象稱形狀記憶效應(yīng)。 2根本原因是馬氏體轉(zhuǎn)變的無擴(kuò)散性、共格切變性和可逆轉(zhuǎn)變性。 母相冷卻過程中外加應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，利用馬氏體相變偽彈性產(chǎn)生宏觀變形。加熱過程中，當(dāng)加熱溫度超

10、過馬氏體相變逆轉(zhuǎn)變溫度時，伴隨熱彈性馬氏體逆轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生形狀恢復(fù)，完成形狀記憶過程。 七、 (1) 變形方式不同?；七^程為晶體一部分相對另一部分的相對滑動，孿生過程為晶體一部分相對另一部分的均勻切變。 (2) 發(fā)生孿生過程的臨界切應(yīng)力遠(yuǎn)大于滑移所需臨界切應(yīng)力。 (3) 孿生過程改變晶體位相關(guān)系?；七^程不改變晶體位相關(guān)系。 (4) 滑移過程可以連續(xù)進(jìn)行而孿生過程不能連續(xù)進(jìn)行。 (5) 滑移過程是塑性變形的主要機(jī)制，當(dāng)滑移系處于不利于滑移變形發(fā)生時，通過孿生可以改變滑移系與外力的取向，使滑移過程進(jìn)一步發(fā)生。 八、晶粒大小與屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系滿足Hall-Petch公式，即 s=0+kd-1/2

11、由等面積圓直徑表示晶粒尺寸，即 于是 代入 s1=70MPa，s2=95MPa 求出 K=0.13MPa·m1/2，0=61.3MPa 故 s=78.3MPa 九、如圖7-2所示。 十、 1如圖7-3所示。 2結(jié)構(gòu)中，負(fù)離子構(gòu)成ABAB六方堆積，密排晶面為(0001)。 3Ga和N之間的鍵性由電負(fù)性差值決定 x=3.07-1.76=1.311.7，GaN為共價鍵 配位數(shù)由正負(fù)離子半徑比決定 R+/R-=0.047/0.148=0.318 0.225R+/R-0.414 CN(Ga3+)=4，CN(N3-)=4，配位數(shù)合理。4一個N3-與4個Ga3+相聯(lián)：，符合靜電價規(guī)則。 5Ga填充

12、的是四面體空隙，填充了負(fù)離子空隙的一半。 十一、缺陷方程為 Ti'Ti二氧化鈦失氧，生成Ti3+占據(jù)Ti4+晶格位，有效電荷-1。 ：氧空位，有效電荷+2。 Oo：氧仍然占據(jù)氧的晶格位。 十二、柏氏矢量等于點陣矢量的位錯稱為全位錯。 面心立方晶體中肖克萊不全位錯是由不均勻滑移產(chǎn)生的，它可以是刃型位錯，或螺型位錯，或混合位錯，可以滑移。 弗蘭克不全位錯是抽去或插入一層密排面造成的，其柏氏矢量垂直于滑移面，所以，弗蘭克不全位錯不能滑移，只能攀移。 十三、 1RbF30mol%、LiF2Omol%、NaF50mol%的物料從高溫冷卻時初始凝固溫度為750，液相全部凝固溫度425。 2該成分點

13、的析晶過程為 3如圖7-4所示。試卷八2008年攻讀碩士學(xué)位研究生入學(xué)考試試題考試科目：材料科學(xué)基礎(chǔ) 適用專業(yè)：材料科學(xué)與工程 一、名詞解釋 1金屬鍵 2問隙固溶體 3肖脫基空位 4共晶轉(zhuǎn)變 5負(fù)溫度梯度 6上坡擴(kuò)散 7形變織構(gòu) 8慣習(xí)面 9時效 10一級相變 二、填空 1如果晶體中不同的原子面用A、B、C、D等字母來表示，面心立方晶體中原子的堆垛方式為 (1) ，密排六方晶體原子的堆垛方式為 (2) 。 2原子或離子的 (3) 是指在晶體結(jié)構(gòu)中，該原子或離子的周圍與它直接相鄰結(jié)合的原子個數(shù)或所有異號離子的個數(shù)。 3點缺陷的平衡濃度隨 (4) 的升高而增大。 4柏氏矢量等于點陣矢量的位錯稱為

14、(5) ；在面心立方晶體中，由 (6) 造成的不全位錯稱為肖克萊不全位錯；由插入或者抽去一層密排面造成的不全位錯稱為 (7) 不全位錯。 5由一個固相同時析出成分和晶體結(jié)構(gòu)均不相同的兩個新固相的過程稱為 (8) 轉(zhuǎn)變。 6在合金平衡相圖中，確定一定溫度和合金組分下合金內(nèi)存在的各相的比例時，可以通過等溫連接線，利用 (9) 定律進(jìn)行計算。 7在均一的液相中靠自身的結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏等條件形成晶核的方式稱為 (10) 形核。8固態(tài)相變形核的驅(qū)動力是 (11) ，阻力主要是 (12) 和 (13) 。 9金屬多晶體塑性變形至少需 (14) 獨立滑移系開動。 10發(fā)生在固體表面的吸附可分為 (15)

15、和 (16) 兩種類型。 11根據(jù)界面上原子排列結(jié)構(gòu)不同，可把固體中的相界面分為 (17) 、 (18) 和 (19) 界面。 12能產(chǎn)生交滑移的位錯必然是 (20) 位錯。 三、判斷正誤 1與CsCl類似，CsBr具有AX類型的體心立方晶體結(jié)構(gòu)。 2在非晶態(tài)固體材料中，原子在三維空間不具備周期性的重復(fù)排列，處于完全無序狀態(tài)。 3溶質(zhì)和溶劑晶體結(jié)構(gòu)相同，是形成連續(xù)固溶體的充分必要條件。 4亞共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織由珠光體、變態(tài)萊氏體以及二次滲碳體組成，其中的珠光體是由初晶奧氏體共析轉(zhuǎn)變形成的。 5純金屬凝固時，界面前沿液體的過冷區(qū)形態(tài)和性質(zhì)取決于液體內(nèi)實際溫度的分布，這種過冷叫做成分過冷。

16、 6貝氏體轉(zhuǎn)變中，F(xiàn)e、C原子均不發(fā)生擴(kuò)散。 7以界面能降低為晶粒長大驅(qū)動力時，晶界遷移總是向著晶界曲率中心方向。 8晶粒越細(xì)小，晶體強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越差。 9根據(jù)施密特定律，晶體滑移面平行于拉力軸時最容易產(chǎn)生滑移。 10結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)整度高、對稱性好的高分子容易結(jié)晶。 四、用四指數(shù)表示的密排六方結(jié)構(gòu)的原子最密排面和最密排方向是什么?試證明理想密排六方晶胞的晶格常數(shù)比(軸比)c/a為1.633。 五、以圓圈表示一個原子，試畫出體心立方晶體中(111)面的原子排列方式，要求至少畫出十個以上的原子。 六、實驗中發(fā)現(xiàn)，在-Fe中可以通過100反應(yīng)形成100位錯，在Fe的晶胞中表示這一反應(yīng)，并

17、證明此位錯反應(yīng)可以發(fā)生。 七、金屬中空位平衡濃度隨溫度的變化規(guī)律遵循NV=Nexp(-QV/RT)。某金屬在被加熱到1130K的時候，其空位的平衡濃度是其在1000K時的5倍。假設(shè)在10001130K之間金屬的密度不變，氣體常數(shù)為8.31J/(mol·K)，試計算其空位形成能QV。 八、請在答題紙上按圖8-1繪制鐵碳相圖，完成下面問題：1完成以下信息的標(biāo)注： (1) 液相線和固相線。 (2) 共晶、共析、包晶反應(yīng)及其溫度。 (3) 兩條分別表示C在奧氏體和鐵素體中溶解度的固溶線。 (4) 所有單相和兩相區(qū)。 (5)重要的成分點：0.022%C，0.77%C，2.11%C，4.3%C以

18、及6.7%C。 2如果有6kg含碳量wC=0.45%的奧氏體緩慢冷卻到727以下，先共析相是什么?在最終室溫平衡組織中先共析相有多少千克?最終室溫平衡組織中總共含有多少千克鐵素體和滲碳體? 九、在立方晶胞內(nèi)畫出(122)、晶面，及121、晶向。 十、塑性變形金屬的顯微組織、晶內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生什么變化?性能發(fā)生哪些變化? 十一、馬氏體的強(qiáng)化要素有哪些?請詳細(xì)說明馬氏體的強(qiáng)度和韌性與其含碳量、組織形態(tài)及亞結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 十二、影響晶態(tài)固體中原子擴(kuò)散的因素有哪些?并加以簡單說明。 十三、已知碳在-Fe中的擴(kuò)散常數(shù)D0=2.0×10-5m2/s，擴(kuò)散激活能Q=140×103J/mol，要想

19、得到與在927時滲碳10h的相同厚度，在870滲碳需要多長時問?(忽略不同溫度下碳在-Fe中溶解度的不同)標(biāo)準(zhǔn)答案 一、 1金屬鍵：金屬正離子與自由電子之間相互作用構(gòu)成的金屬原子問的結(jié)合力稱為金屬鍵。 2間隙固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子比較小時，能夠進(jìn)入溶劑晶格的間隙位置內(nèi)，這樣形成的固溶體稱為間隙固溶體。 3肖脫基空位：離位原子遷移到外表面或內(nèi)界面(如晶界等)處形成的空位稱為肖脫基空位。 4共晶轉(zhuǎn)變：由一個液相同時結(jié)晶出兩個不同固相的過程稱為共晶轉(zhuǎn)變。 5負(fù)溫度梯度：結(jié)晶前沿液相中，溫度由固液界面向液相內(nèi)部逐漸降低的分布稱為負(fù)溫度梯度。 6上坡擴(kuò)散：在化學(xué)位差為驅(qū)動力的條件下，原子由低濃度位置向高濃度

20、位置進(jìn)行的擴(kuò)散。 7形變織構(gòu)：隨塑性變形量增加，多晶體不同晶粒某一晶體學(xué)取向趨于一致的現(xiàn)象。 8慣習(xí)面：固態(tài)相變時，新相往往沿母相特定原子面形成，這個與新相主平面平行的母相晶面稱為慣習(xí)面。 9時效：過飽和固溶體后續(xù)在室溫或高于室溫的溶質(zhì)原子脫溶過程。 10一級相變：兩相的自由焓和化學(xué)位均相等，但自由焓的一階偏導(dǎo)數(shù)不相等的相變。 1(1) ABCABCABC；(2) ABABAB 2(3) 配位數(shù) 3(4) 溫度 4(5) 全位錯；(6) 不均勻滑移；(7) 弗蘭克 5(8) 共析 6(9) 杠桿 7(10) 均勻 8(11) 新相和母相的自由能之差；(12) 界面能；(13) 彈性應(yīng)變能 9(

21、14) 五個 10(15) 物理吸附；(16) 化學(xué)吸附 11(17) 共格；(18) 非共格；(19) 半共格12(20) 螺型 二、 1×；2×；3×；4；5×； 6×；7；8×；9×；10 四、用四指數(shù)表示的密排六方結(jié)構(gòu)的原子最密排面為0001，用四指數(shù)表示的密排六方結(jié)構(gòu)的原子最密排方向為。 證明：密排六方晶胞的1/3如圖8-2所示。 考慮由JKLM構(gòu)成的四面體 由于在J、K和M處的原子相互接觸，因此 在JHM三角形中 在JKL等邊三角形中解出的長度 即 將JH代入，得 由此解出 五、如圖8-3所示。六、如圖8-4所示

22、。 證明： 因此反應(yīng)可以發(fā)生。 七、在1130K和1000K的空位平衡濃度分別為NV1和NV2，那么 這樣可以求解QV八、 1如圖8-5所示。 2如果有6kg含碳量wC=0.45%的奧氏體緩慢冷卻到727以下，先共析相是先共析鐵素體。 根據(jù)杠桿定律計算得先共析相為 根據(jù)杠桿定律，最終室溫平衡組織中所含鐵素體和滲碳體分別為 九、如圖8-6所示。 十、金屬發(fā)生塑性變形后，顯微組織形態(tài)上，原等軸晶粒沿變形方向被拉長，在大變形量時晶界甚至呈纖維狀，如存在硬脆的第二相顆?；驃A雜，常沿變形方向呈帶狀分布。 顯微結(jié)構(gòu)上，缺陷(空位和位錯)密度明顯增大。由于變形過程中位錯的增殖及運(yùn)動過程中位錯的交割和交互作用

23、，形成位錯纏結(jié)，異號位錯相消后構(gòu)成胞狀結(jié)構(gòu)。隨變形量增加，位錯胞數(shù)量增多，尺寸減小，晶體內(nèi)部的儲存能增大。性能上，冷變形金屬將發(fā)生加工硬化，表現(xiàn)為強(qiáng)度顯著提高、塑性明顯下降。 十一、馬氏體的強(qiáng)化要素有碳原子的間隙固溶強(qiáng)化作用；C原子團(tuán)簇對位錯的釘扎作用；C原子進(jìn)入馬氏體晶體結(jié)構(gòu)的扁八面體中心，造成非對稱點陣膨脹(形成畸變偶極應(yīng)力場)，產(chǎn)生的強(qiáng)烈的間隙固溶強(qiáng)化作用；晶界、位錯、孿晶的強(qiáng)化作用。 馬氏體的強(qiáng)度和韌性與其含碳量、組織形態(tài)及亞結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。鐵碳合金中，含碳量wC0.3%，形成板條狀馬氏體，具有位錯亞結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較低，塑性和韌性好；wC1.0%，形成片狀馬氏體，具有孿晶亞結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高，但塑

24、性和韌性差；0.3%wC1.0%形成板條馬氏體+片狀馬氏體的混合組織，具有位錯和孿晶的混合亞結(jié)構(gòu)，可獲得優(yōu)良的強(qiáng)韌性綜合性能。 十二、 (1) 溫度：溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大，擴(kuò)散速率越快。 (2) 晶體結(jié)構(gòu)及固溶體類型：致密度較小的晶體結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散激活能較小，擴(kuò)散易于進(jìn)行；對稱性較低的晶體結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散系數(shù)的各向異性顯著；間隙固溶體中的擴(kuò)散激活能遠(yuǎn)小于置換固溶體，擴(kuò)散容易進(jìn)行。 (3) 第三組元：根據(jù)加入的第三組元的性質(zhì)不同，有的促進(jìn)擴(kuò)散，有的阻礙擴(kuò)散； (4) 晶體缺陷：沿晶界的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于體擴(kuò)散系數(shù)；沿位錯管道擴(kuò)散時擴(kuò)散激活能較小，因而位錯加速擴(kuò)散。 十三、碳在-Fe中擴(kuò)散的誤差函數(shù)解表示為

25、碳在927與870兩種條件下分別擴(kuò)散的誤差函數(shù)間關(guān)系為 即 碳在-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)為D=D0exp(-Q/RT) 碳在927條件下的擴(kuò)散系數(shù)為 碳在870條件下的擴(kuò)散系數(shù)為 計算可得 則所需時間為 2009年攻讀碩士學(xué)位研究生入學(xué)考試試題考試科目：材料科學(xué)基礎(chǔ) 適用專業(yè)：材料科學(xué)與工程 一、名詞解釋 1共價鍵 2晶族 3電子化合物 4相平衡 5線缺陷 6穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散 7形變織構(gòu) 8動態(tài)再結(jié)晶 9一級相變 10調(diào)幅分解 二、填空 1可以按旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)反伸軸的軸次和數(shù)目將晶體分成立方晶系、三方晶系、四方晶系、 (1) 、 (2) 、 (3) 和 (4) 共七個晶系。 2原子或離子的 (5) 是指在晶體

26、結(jié)構(gòu)中，該原子或離子的周圍與它直接相鄰結(jié)合的原子個數(shù)或所有異號離子的個數(shù)。 3固溶體中，當(dāng)溶質(zhì)原子和溶劑原子分別占據(jù)固定位置，且每個晶胞中溶質(zhì)原子和溶劑原子數(shù)之比一定時，這種有序結(jié)構(gòu)被稱為 (6) 。 4一個滑移面和其面上的一個 (7) 組成一個滑移系。 5結(jié)晶過程中晶體界面向液相推移的方式被稱為 (8) ，與液固界面的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。 6相平衡時，系統(tǒng)內(nèi)的相數(shù)可以通過系統(tǒng)自由度、 (9) 和對系統(tǒng)平衡狀態(tài)能夠產(chǎn)生影響的外界因素數(shù)目的關(guān)系式來進(jìn)行計算。 7鑄錠三晶區(qū)是指緊靠膜內(nèi)壁的細(xì)晶區(qū)、 (10) 、鑄錠中心的等軸粗晶區(qū)。 8小角度晶界由位錯構(gòu)成，其中對稱傾轉(zhuǎn)晶界由 (11) 位錯構(gòu)成，扭轉(zhuǎn)晶

27、界由 (12) 位錯構(gòu)成。 9強(qiáng)化金屬材料的方法有 (13) 強(qiáng)化、 (14) 強(qiáng)化、 (15) 強(qiáng)化、 (16) 強(qiáng)化。 10再結(jié)晶完成后，晶粒長大可分為 (17) 晶粒長大和 (18) 晶粒長大。 11線性高分子可反復(fù)使用，稱為 (19) 塑料；交聯(lián)高分子不能反復(fù)使用，稱為 (20) 塑料。 三、判斷正誤 1在密堆結(jié)構(gòu)中會形成兩種空隙，一是由8個球形成的八面體空隙，另一種是由4個球形成的四面體空隙。 2尖晶石型晶體(AB2O4)具有正型和反型結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)是正型中A離子的八面體擇位能大于B離子，而反型中是B離子的八面體擇位能大于A離子。 3形成連續(xù)固溶體的最主要條件是溶質(zhì)和溶劑的晶體結(jié)構(gòu)要一

28、致，例如，銀和鋁都具有面心立方結(jié)構(gòu)。 4在熔化過程中，非晶態(tài)材料不同于晶態(tài)材料的最主要特點是其沒有一個固定的熔點。 5鐵素體軟而韌，而滲碳體硬而脆，由此兩相組成的鐵碳合金的性能取決于二者配合的顯微結(jié)構(gòu)。 6擴(kuò)散的決定因素是濃度梯度，原子總是由濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散。 7滑移系的多少影響金屬材料的塑性變形能力。由于體心立方晶格金屬具有48個滑移系，所以其塑性變形能力最強(qiáng)。 8晶粒長大過程中，大角度晶界具有比較快的遷移速度。 9晶粒越細(xì)小，晶體強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越差。 10固態(tài)相變中，由于母相中存在大量晶體缺陷，使得相變過程中很難發(fā)生均勻形核。 四、請在立方晶胞中畫出和(111)以

29、及111和201的圖示，并說明其意義。 五、從周期表查到O2-、Fe2+，F(xiàn)e3+離子的半徑分別為0.14nm、0.077nm、0.069nm，請計算推測它們可以形成什么樣的晶體結(jié)構(gòu)。 六、請按形成固溶體的條件來討論說明CaO-MgO能夠形成何種固溶體。(已知Ca2+和Mg2+離子的半徑分別是0.1nm和0.072nm) 七、請說明Fe-Fe3C合金中的一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體、共晶滲碳體和共析滲碳體的特點和區(qū)別。 八、圖9-1是一幅常用的陶瓷材料的相圖。1據(jù)圖標(biāo)出圖中A和B相區(qū)的相名稱。 2用相律分析計算相區(qū)4和B以及E點的自由度。 3寫出組成含50wt%Al2O3系統(tǒng)在凝固過程中

30、的相變結(jié)構(gòu)的變化關(guān)系。4簡述計算1600時的相組成含量的方法。 九、比較說明滑移與孿生這兩種金屬塑性變形機(jī)制的不同。 十、塑性變形金屬的顯微組織、晶內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生什么變化?性能發(fā)生哪些變化? 十一、 1什么是時效處理? 2說明通過時效處理產(chǎn)生強(qiáng)化的原因。 3實際應(yīng)用過程中，為消除時效強(qiáng)化可采用什么處理方法?為什么? 十二、 1試用塑性變形位錯理論說明金屬材料的晶粒越細(xì)小其強(qiáng)度越高的原因。 2已知：當(dāng)退火后純鐵的晶粒大小為16個/mm2時，屈服強(qiáng)度s=100MPa；當(dāng)晶粒大小為4096個/mm2時，s=250MPa，試求晶粒大小為256個/mm2時，屈服強(qiáng)度s的值。 十三、馬氏體的強(qiáng)化要素有哪些?請

31、詳細(xì)說明馬氏體的強(qiáng)度和韌性與其含碳量、組織形態(tài)及亞結(jié)構(gòu)的關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)答案 一、 1共價鍵：相鄰原子由于共享電子對所形成的價鍵，具有飽和性和方向性。 2晶族：依據(jù)晶體結(jié)構(gòu)中高次軸(n2)的數(shù)目，將晶體劃分為低級(無高次軸)、中級(一個高次軸)和高級(多于一個高次軸)晶族。 3電子化合物：屬于金屬問化合物，其各組元價電子總數(shù)與原子總數(shù)比的電子濃度在合金到達(dá)最大溶解度時約為1.4。 4相平衡：系統(tǒng)中各相的化學(xué)勢相等，各個組元在各相中的化學(xué)勢相等。 5線缺陷：一維尺度的缺陷，在另外二維方向尺寸很小，例如，位錯。 6穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散：在擴(kuò)散體系中，任意一點的濃度不隨時間變化而改變的擴(kuò)散過程。 7形變織構(gòu)：隨塑性變

32、形量增加，多晶體不同晶粒某一晶體學(xué)取向趨于一致的現(xiàn)象。 8動態(tài)再結(jié)晶：再結(jié)晶溫度以上變形和再結(jié)晶同時進(jìn)行的現(xiàn)象。 9一級相變：兩相的自由焓和化學(xué)位均相等，但自由焓的一階偏導(dǎo)數(shù)不相等的相變。 10調(diào)幅分解：固溶體通過上坡擴(kuò)散分解成結(jié)構(gòu)均與母相相同、成分不同的兩種固溶體的轉(zhuǎn)變。 二、 1(1) 六方晶系；(2) 正交晶系；(3) 單斜晶系；(4) 三斜晶系 2(5) 配位數(shù) 3(6) 超點陣 4(7) 滑移方向 5(8) 晶體長大機(jī)制 6(9) 組元數(shù) 7(10) 垂直膜壁生長的柱狀晶區(qū) 8(11) 刃型；(12) 螺型 9(13) 固溶；(14) 位錯；(15) 細(xì)晶；(16) 彌散(或沉淀相顆

33、粒) 10(17) 正常；(18) 異常 11(19) 熱塑性；(20) 熱固性 三、 1×；2×；3×；4；5；6×；7×；8；9×；10 四、和(111)表示晶面，111和201表示晶向，如圖9-2所示。 五、FeO，R+/R-=0.077/0.140=0.550，處于0.4140.732范圍，具有6配位，F(xiàn)CC NaCl結(jié)構(gòu)；Fe2O3，R+/R-=0.069/0.140=0.492，同樣處于0.4140.732范圍，具有6配位，A2X3結(jié)構(gòu)，三方晶系。 六、尺寸：(0.1-0.072)/0.1=28%，不符合。電負(fù)性：Ca為1

34、.0，Mg為1.2，同一周期上下，接近。晶體結(jié)構(gòu)：CaO和：MgO，F(xiàn)CCNaCl。電子濃度：價電子數(shù)一樣。結(jié)論：不能形成連續(xù)固溶體，而是有限型固溶體。 七、鐵碳合金都是由鐵素體和滲碳體所構(gòu)成的，隨著碳含量的增加，滲碳體由零開始增加，合金組成相的相對含量會由此而變化，依據(jù)合金的碳含量和滲碳體在凝固過程中析出的順序編為一次、二次和三次滲碳體，記為+Fe3C+PPP+Fe3CP+Fe3C+L'dL'dL'd+Fe3C。共晶滲碳體1148及其以下含碳量超過2.11%時，液相組成生成連續(xù)分布的滲碳體構(gòu)成萊氏體，共析滲碳體發(fā)生在727及其以下形成片狀滲碳體構(gòu)成珠光體。 八、 1如

35、圖9-3所示：A方石英和液相；B莫來石和液相。 2A點自由度：2-P+1=2-2+1=1；B點自由度：2-2+1=1；E點自由度2-3+1=0。 350wt%Al2O3含量的熔體的凝固過程： LL+Mullite(1830右)Mullite+cristobalite(1590)Mullite(量加)+cristobalite(1590以下)。4計算1600時相組成：沿溫度坐標(biāo)畫一水平線，與相圖B區(qū)上的液相線、組成垂線和莫來石相線相交，分別記為a、b、c。利用杠桿定律：莫來石/方石英=ab/bc，計算出相組成。 九、 (1) 變形方式不同。滑移過程為晶體一部分相對另一部分的相對滑動，孿生過程為晶

36、體一部分相對另一部分的均勻切變。 (2) 發(fā)生孿生過程的臨界切應(yīng)力遠(yuǎn)大于滑移所需臨界切應(yīng)力。 (3) 孿生過程改變晶體位相關(guān)系?；七^程不改變晶體位相關(guān)系。 (4) 滑移過程可以連續(xù)進(jìn)行而孿生過程不能連續(xù)進(jìn)行。 (5) 滑移過程是塑性變形的主要機(jī)制，當(dāng)滑移系處于不利于滑移變形發(fā)生時，通過孿生可以改變滑移系與外力的取向，使滑移過程進(jìn)一步發(fā)生。 十、金屬發(fā)生塑性變形后，顯微組織形態(tài)上，原等軸晶粒沿變形方向被拉長，在大變形量時晶界甚至呈纖維狀，如存在硬脆的第二相顆?；驃A雜，常沿變形方向呈帶狀分布。 顯微結(jié)構(gòu)上，缺陷(空位和位錯)密度明顯增大。由于變形過程中位錯的增殖及運(yùn)動過程中位錯的交割和交互作用，

37、形成位錯纏結(jié)，異號位錯相消后構(gòu)成胞狀結(jié)構(gòu)。隨變形量增加，位錯胞數(shù)量增多，尺寸減小，晶體內(nèi)部的儲存能增大。 性能上，冷變形金屬將發(fā)生加工硬化，表現(xiàn)為強(qiáng)度顯著提高、塑性明顯下降。 十一、 1過飽和固溶體的脫溶過程處理為時效處理。 2在過飽和固溶體脫溶過程中，初始形成亞穩(wěn)態(tài)析出相與母相保持共格或半共格界面。如果析出相粒子具有很高強(qiáng)度，將使滑移運(yùn)動位錯發(fā)生彎曲并包繞第二相粒子留下位錯環(huán)。將增加位錯線長度，并且第二相粒子及位錯環(huán)加大對后續(xù)運(yùn)動位錯的阻力，產(chǎn)生第二相強(qiáng)化。如果析出相粒子可發(fā)生變形，將產(chǎn)生新的相界面，使析出相與基體相之間共格(或半共格)界面遭到破壞；滑移面產(chǎn)生錯配，可能使有序排列遭到破壞。綜

38、上，宏觀產(chǎn)生強(qiáng)化。 3通過時效回歸處理或重新固溶處理可以使時效強(qiáng)化現(xiàn)象消失。因為伴隨著時效回歸處理或重新固溶處理沉淀脫溶產(chǎn)生的第二相重新溶人固溶體之中。當(dāng)沉淀析出相已經(jīng)為穩(wěn)定相時，只能采用固溶處理。 十二、 1金屬多晶體材料塑性變形時，粗大晶粒的晶界處塞積的位錯數(shù)目多，形成較大的應(yīng)力場，能夠使相鄰晶粒內(nèi)的位錯源啟動，使變形繼續(xù)；相反，細(xì)小晶粒的晶界處塞積的位錯數(shù)目少，要使變形繼續(xù)，必須施加更大的外加作用力以激活相鄰晶粒內(nèi)位錯源，因此，細(xì)晶材料要發(fā)生塑性變形需要更大外部作用力，即晶粒越細(xì)小晶體強(qiáng)度越高。 2根據(jù)Hall-Petch公式，s=0+Kd-1/2 由平均晶粒尺寸d計算材料的屈服強(qiáng)度s。

39、 由等面積圓半徑表示晶粒尺寸，即 d1=(4A1/)1/2，d2=(4A2/)1/2 式中，A1和A2為晶粒面積。 于是 s1=0+Kd1-1/2，s2=0+Kd2-1/2 由已知 A1=1/16mm2，A2=1/4096mm2 s1=100MPa，s2=250MPa 求出 再由 A3=1/256mm2 求出 s3=150MPa 十三、馬氏體的強(qiáng)化要素有碳原子的間隙固溶強(qiáng)化作用；C原子團(tuán)簇對位錯的釘扎作用；C原子進(jìn)入馬氏體晶體結(jié)構(gòu)的扁八面體中心，造成非對稱點陣膨脹(形成畸變偶極應(yīng)力場)，產(chǎn)生的強(qiáng)烈的間隙固溶強(qiáng)化作用；晶界、位錯、孿晶的強(qiáng)化作用。 馬氏體的強(qiáng)度和韌性與其含碳量、組織形態(tài)及亞結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。鐵碳合金中，含碳量wC0.3%，形成板條狀馬氏體，具有位錯亞結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較低，塑性和韌性好；wC1.0%，形成片狀馬氏體，具有孿晶亞結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高，但塑性和韌性差；0.3%wC1.0%，形成板條馬氏體+片狀馬氏體的混合組織，具有位錯和孿晶的混合亞結(jié)構(gòu)，可獲得優(yōu)良的強(qiáng)韌性綜合性能。北京工業(yè)大學(xué)2013年碩士研究生入學(xué)考試 所有答案必須做在答題紙上，做在試題紙上無效一、名詞解釋（20分）1、范德華鍵 2、慣習(xí)面 3、全位錯 4、再結(jié)晶 5、非均勻形核6、柯肯達(dá)爾效應(yīng) 7、調(diào)幅分解 8、重心法則 9、一級相變 10、多滑移二、填空（20分）1、晶體按對稱性可分為（1）晶族，（2）晶系，共有（