中南材基真題

中南大學2013年碩士研究生入學考試試題考試科目代碼及名稱:959材料科學基礎考試時限：3小時總分：150分一、 名詞解釋(10X3=30分)加工硬化 沉淀強化 交滑移上坡擴散 調幅分解金屬化合物 臨界分切應力珠光體Orowan機制 等強溫度二、 解答題(6X10=60分)1、 判斷下列位錯反應能否進行：a[100]—-[101]+-[101]；(2)-[112]+-[111]—-[111]2 2 3 6 22、 請指明下列五種結構分別屬于什么布拉菲點陣。注：a=b=c,cl=3=y=90°o圖省3、 冷變形金屬在回復和再結晶過程中，組織和性能分別有什么變化？4、 試分別給出FCC,BCC及HOP的主要滑移系。5、 試分析液態(tài)金屬凝固過程中形成中心等軸晶區(qū)的條件是什么？6、 為什么空位是熱力學穩(wěn)定缺陷，而位錯是非熱力學穩(wěn)定缺陷。三、 問答題(3X20=60分)1、 繪出Fe-Fe3C相圖，標出其中的關鍵成分和關鍵溫度，并且回答：分析碳含量對Fe-C合金室溫組織和力學性能的影響。分析45鋼的拉伸變形過程可分為哪幾個階段及其相應的特征和機理。2、 試解釋為什么材料的理論強度遠高于其實際強度。隨著現(xiàn)代科學技術的進步和國民經濟的發(fā)展，材料的強韌化越來越重要，試舉例說明材料強化或韌化的4種方法，并闡述相應的強化和韌化原理。3、 試分析下列材料科學過程是否與原子擴散有關，為什么？A熱彈性馬氏體箱變 B脫溶分解 C成分均勻化D高溫蠕變 EG.P形成中南大學2012年碩士研究生入學考試試題考試科目代碼及名稱:959材料科學基礎考試時限：3小時總分：150分一、 名詞解釋(30分)配位數(shù) 割階硬化 層錯能 滑移系 體擴散凝固 相律 晶內偏析 離異共晶 直線定律二、 分析計算題1、 分析下列關于材料現(xiàn)象的描述是否正確。(18分)空位和位錯都是熱力學穩(wěn)定缺陷。上坡擴散現(xiàn)象表明固體中原子擴散的驅動力是體系的化學勢梯度。冷變形是指材料室溫下進行的變形過程。液態(tài)金屬凝固是需要過冷，那么固態(tài)金屬融也需要過熱。在二元相圖中，相鄰相區(qū)的相數(shù)差永遠為1。固相平均成分線的位置取決于冷卻速率，冷卻極慢時與固相線重合。2、 下圖為Fe-Fe3C相圖，是Fe-C相圖的一部分，請分析C%分別為1.2%、3.0%、(wt)兩種合金的凝固過程(圖中Q、Q兩種合金)，畫出結晶過程組織變化示意圖，指出室溫下兩種合金的組織組成物和相組成物分別是什么，并計算室溫下組織組成物和相組成物的相對含量。(20分)圖省3、 下圖為Pb-Bi-Sn相圖的投影圖。(15分)寫出P，E的反應式和反應類型。寫出合金Q(WBi=70%,WSn=20%)的凝固過程及室溫組織。計算合金Q室溫下組織的相對量。圖省4、 在面心立方晶體中：密排面和密排方向分別是什么分別畫出(101)、［101］、(111)、［110］和(111)、［0T1］，指出以上晶面和晶向哪些是面心立方晶體可能滑移面、滑移方向，并就圖中情況分析它們能否構成滑移系？（8分）（3）若外力方向為[001],請分析以上滑移系哪些可以開動？（4分）5、 一個位錯環(huán)，能否其各部分都是螺位錯？能否各部分都是刃位錯？為什么？（20分）6、 從顯微組織上如何區(qū)分動、靜回復和動、靜再結晶。（16分）7、 已知金屬鎢的氧化物有wo2、wo*、wo2.90、wo3四種形式，試分析并回答:若將一致密鎢棒一端于700°C下長時間暴露在純氧氣氛中，其他端面密封，試畫出沿長度方向棒中的相分布特征；（10分）有人認為WO290是WO3與WO2機械混合物，是否正確？為什么？（5分）中南大學2011年碩士研究生入學考試試題考試科目代碼及名稱:959材料科學基礎考試時限：3小時總分：150分、一、 名詞解釋（本題30分，每小題3分）變質處理 臨界晶核 枝晶偏析 平衡分配系數(shù) 萊氏體屈服現(xiàn)象 金屬化合物自擴散 柯垂爾氣團 割階硬化二、 分析計算題（本題共120分）1、 銅-鋅基單相固溶體進行均勻化熱處理，試討論如下問題：1） 在有限時間內能否使枝晶偏析完全消失？（5分）2） 冷加工對此合金均勻化過程有無影響？說明理由？（5分）2、 根據Fe-FeC相圖：31） 寫出純Fe的兩種結構、單胞的致密度及其滑移面；（6分）2） 分析Wc對Fe-C合金力學性能的影響；（6分）3） 分析45鋼具有較好鍛造性能的原因。（6分）3、 請根據圖1所示的Pb-Bi-Sn相圖，回答：1） 寫出三相平衡和四相平衡反應式；（6分）2） 標出成分為5%Pb、65%Bi與30%Sn合金位置，寫出該合金凝固過程。（6分）圖省4、 分析金屬結晶過程中結晶條件及工藝方法的改變對鑄錠組織及晶粒大小的影響。（15分）5、 試分析晶界在材料塑性變形中的作用。（10分）6、 什么是交滑移？為什么只有螺位錯可以發(fā)生交滑移而刃位錯卻不能？（10分）7、 銅為FCC結構，其相對原子質量為63.55，密度為8.96g/cm3，計算銅的點陣常數(shù)和原子半徑。測得Au的摩爾分數(shù)為40%的Cu-Au固溶體點陣常數(shù)a=0.3795nm,密度為14.213g/cm3，計算說明該固溶體的類型。（Cu的原子量為63.55,Au的原子量為169.97，阿伏伽德羅常數(shù)取6.02X1023）（10分）8、 試用三個實例分析彌散強化在粉末冶金材料改性中的作用？（15分）9、 對于簡單立方晶體：1） 利用位錯理論和晶體學計算分析其滑移系有哪些？（10分）2） 若外力方向分別為［100］、［101］，試分析哪個滑移系可以滑動？（10分）中南大學2010年碩士研究生入學考試試題考試科目代碼及名稱:959材料科學基礎考試時限：3小時總分：150分一、 名詞解釋（30分）二元包晶反應 成分過冷 彈性變形 。0.2 微觀偏析異常長大 動態(tài)再結晶刃型位錯 軟取向 晶體二、 分析計算題（共6小題，70分）1、 根據凝固理論，試述純金屬結晶與固溶體結晶的異同。（12分）2、 根據圖1所示的V-Cr-C三元相圖液相面的投影圖，寫出各溫度所發(fā)生四相平衡反應的反應式及反應類型。（8分）圖1省3、 計算面心立方結構（100）、（110）、（111）晶面的面間距和面密度（單位面積上的原子數(shù)）并分析面間距與面密度間的定性關系。（10分）4、 將經過70%拉伸冷變形的長銅棒（Cu的熔點為1083°C）一端浸入0°C冰水，另一端加熱到850C（如圖2）,過程持續(xù)一個小時：圖2省1） 估計其再結晶溫度；（4分）2） 分析沿試樣長度方向的組織和硬度變化規(guī)律；（6分）3） 畫出試樣中組織連續(xù)變化示意圖和硬度變化曲線。（6分）5、 分析柯肯達爾效應的形成機理和意義。若以純銅和鋁青銅組成擴散偶，標志物會向哪個方向移動？（12分）6、 什么是割階硬化？若是螺位錯中形成一割階，分析割階的高度不同，該螺位錯的運動行為有什么不同？（10分）三、 綜合題（共2小題，50分）1、 根據Fe-Fe3C相圖：1） 分析碳在0-Fe和Y-Fe中形成固溶體的類型及固溶度的大小，并說明原因；（5分）2） 畫出Wc=0.45%的Fe-C合金室溫下的組織示意圖，并計算其組織的相對量；（5分）3） 簡述Wc=1.2%的Fe-C合金結晶過程及室溫下的組織；（5分）4） 分析含碳量對碳鋼力學性能的影響。（5分）2、 試敘述三種金屬材料強化方法，并闡述其機理，給出各種方法下的應用實例。（30分）中南大學2009年碩士研究生入學考試試題考試科目代碼及名稱:959材料科學基礎考試時限：3小時總分：150分一、 名詞解釋（本題30分，每小題3分）配位數(shù)有序度 擴展位錯 自擴散雙交滑移應變時效能量起伏調幅分解 區(qū)域熔煉 擴散型相變二、 分析計算題（本題共120分）1、 含12.3wt%Mn、1.34wt%的奧氏體鋼，其點陣常數(shù)為0.3624nm，密度為7.83g/cm3,已知C、Fe、Mn的原子量分別為12,55.84,54.92,試計算此奧氏體鋼晶胞內的實際原子數(shù)，并分析C、Mn在此奧氏體鋼的固溶方式。（15分）2、 在鋁單晶體中（FCC結構），位錯反應-［110］--［211］+-［121］能否進2 6 6行？寫出反應后擴展位錯寬度的表達式和式中各符號的含義;若反應前的-［110］是刃位錯，則反應后的擴展位錯能進行何種運動？能在哪個晶面上進行運動？若反應前的|［110］是螺位錯，則反應后的擴展位錯能進行何種運動？（20分）3、分別畫出FCC結構的（101）、［101］、（111）、［110］和（111）、［011］，分析它們能否構成可以開動的滑移系？（15分）4、 液態(tài)金屬凝固過程中形成中心等軸晶區(qū)的條件是什么？合金成分對形成中心等軸晶區(qū)有什么影響？（15分）5、 根據圖1所示的Pb-Sn相圖：1） 分析合金1平衡凝固析出二次相的形貌特征，繪出平衡凝固過程圖；（6分）2） 分析合金II的相轉變特征，計算在轉變溫度下的相組成；（6分）3） 分析合金III與合金W在結晶過程、室溫組織上的異同；（8分）圖1省6、 一塊有效厚度20mm的共析鋼試樣在濕氫（強脫碳性氣氛）中進行如下處理：1） 加熱到780°C并長時間保溫，然后空冷至室溫；2） 加熱到930C并長時間保溫，然后空冷至室溫；試分別分析經兩種處理后試樣從表面到心部的組織特征。（20分）7、 1）圖2為Fe-W-C系低碳部分的液相面投影圖，試寫出所有四相反應。（8分）2）圖3為Al-Mg-Mn系富Al角投影圖，分析合金I和II的凝固過程。（7分）中南大學2008年碩士研究生入學考試試題考試科目代碼及名稱:959材料科學基礎考試時限：3小時總分：150分一、 名詞解釋（本題30分，每小題3分）變質處理臨界晶核枝晶偏析平衡分配系數(shù)萊氏體臨界分切應力Orowan機制Cottroll氣團非共格相界中間相二、 分析計算題（本題共120分）1、 簡述典型純金屬凝固是固/液界面的微觀結構及長大機制。試比較固溶體與純金屬結晶的異同。（20分）2、 根據Fe-Fe3C相圖：（15分）1） 寫出純Fe的兩種結構、單胞的致密度及其滑移面；（5分）2） 分析Wc對Fe-C合金室溫組織和力學性能的影響；（5分）3） 分析45鋼具有較好鍛造性能的原因。（5分）3、 根據Pb-Bi相圖（圖1）回答下列問題：（15分）（1） 設X合金平衡凝固完畢時的組織為（Bi）初晶+邛+①。］共晶，并初晶與共晶的百分含量相等，則該合金的成分是多少？（5分）（2） 分析Pb-40%Bi合金非平衡凝固后室溫下組織與平衡凝固組織有何不同？為什么？（5分）（3） 試分析WBiV12%的Bi-Pb合金能否采用形變強化提高強度？為什么？（5分）圖1、2省4、 三元相圖：（15分）（1） 圖2（見上）是有限溶解三元共晶相圖的投影圖，畫出mn垂直截面圖，寫出X合金的室溫組織。（6分）（2） 圖3是Fe-Cr-C系12%Cr垂直截面圖，寫出Wc=0.2%合金在平衡冷卻時的結晶過程。（6分）（3） 根據圖3,分析2Cr13鋼熱處理的加熱溫度大約是多少？（3分）圖3省5、 說明金屬冷變形程度的大小對再結晶形核機制和再結晶晶粒尺寸的影響。（10分）6、 試分析晶界在材料塑性變形中的作用。（10分）7、 為什么空位是熱力學穩(wěn)定缺陷，而位錯是非熱力學穩(wěn)定缺陷。（10分）8、 當Fe從FCC結構轉變?yōu)锽CC結構時，a） 按晶體的鋼球模型，若球的直徑不變，計算其體積膨脹多少？b） 經X射線衍射測定在912°C時，a-Fe的a=0.2892nm,y-Fe的a=0.3633nm,計算從Y-Fe轉變a-Fe時，其體積膨脹多少？與a）相比，說明導致差別的原因。（10分）9、試分析下列哪些材料科學過程與原子擴散有關：（15分）A晶體凝固時形核、長大 B合金的成分過冷 C成分均勻化D固態(tài)相變時的形核 E高溫蠕變 F涂層中南大學2013年碩士研究生入學考試試題參考答案考試科目代碼及名稱:959材料科學基礎考試時限：3小時總分：150分一、 名詞解釋（30分）加工硬化：隨著冷變形程度的增加，金屬材料強度和硬度指標都有所提高，但塑性、韌性有所下降的現(xiàn)象。沉淀強化：過飽和固溶體隨溫度下降或長時間保溫過程中（時效）發(fā)生脫溶分解，細小的沉淀物分散于基體之中，阻礙位錯運動而產生強化的現(xiàn)象。交滑移：當某一螺位錯在原滑移面上運動受阻時，有可能從原滑移面轉移到與之相交的另一滑移面上去繼續(xù)滑移，這一過程稱為交滑移。上坡擴散：組元從低濃度區(qū)向高濃度區(qū)遷移的擴散過程。擴散的驅動力是化學位梯度。調幅分解：（過飽和）固溶體通過上坡擴散在一定的溫度下分解成結構相同、成分不同的兩個相的轉變過程。金屬化合物：金屬與金屬、金屬與某些非金屬之間形成的化合物，結構與組成金屬化合物的純金屬不同，一般具有熔點高、硬度高、脆性大的特點。臨界分切應力：滑移系開動所需的最小分切應力。它是有一個定值，與材料本身性質有關，與外力取向無關。珠光體：鐵碳合金共析轉變產物，是共析鐵素體和共析滲碳體的層片狀混合物。Orowan機制：合金相中與基體非共格的較硬第二相粒子與位錯線作用時不變形，位錯繞過粒子，在粒子周圍留下一個位錯環(huán)使材料得到強化的機制。等強溫度：晶界與晶粒兩者強度相等時所對應的溫度。二、 解答題（60分）1、（1）幾何條件：反應前乙前="[100]，反應后乙后=7[200]="[100]，yb_yb幾何條件滿足前后能量條件：反應前yb前=iV‘12+02+02=a2，反應后yb2=L12+02+12]+[-12+02+（—1）2=a2，后 2不能滿足能量條件y卜前＞y"后，故位錯反應不能進行。（2）、幾何條件：反應前^前二?[112]+6【11T]=4111],反應后zb[=?[111]]幾何條件滿足能量條件：反應前zbL=&評+12+22+a、d2+12+（-D2刖3' 6;反應后Zb2=a<12+12+12」=3a2，能量條件.后2 4zz不能滿足卜前> 。后，故位錯反應不能進行。2、NaCl屬于面心立方點陣，CsCl屬于簡單立方點陣，ZnS屬于（簡單）六方點陣，CaF2屬于體心立方點陣，CaTiO3屬于簡單立方點陣。3、 答：組織變化：在回復階段，組織幾乎沒有變化，晶粒仍是冷變形后的纖維狀；在再結晶階段，變形晶粒首先出現(xiàn)新的無畸變的核心，然后逐漸消耗周圍的變形基體而長大，直到變形組織完全改為新的、無畸變的細等軸晶粒。性能變化：回復階段，強度、硬度下降不多，塑性稍有提高，材料的密度變化不大，電阻率有明顯下降，宏觀應力可以全部或大部分被消除，微觀內應力部分消除，變形儲能部分釋放；再結晶階段，強度、硬度明顯下降，塑性提高，材料的密度急劇升高，電阻率下降更快，內應力完全消除，變形儲能全部釋放。4、 FCC的密排面為｛111｝，密排向為<110>,則主要滑移系為｛111｝和<110>；BCC的密排面為｛110｝，密排向為<111>，則主要滑移系為｛110｝和v111>；HCP的密排面｛0001｝，密排向v1120>，主要滑移系為｛0001｝和v1120>5、 答：液態(tài)金屬凝固過過程中，中心部位的液體溫度達到均勻，各處溫度可能都低于熔點下，由溶質原子的重新分配，在液固界面前沿出現(xiàn)成分過冷，由于溶液的流動使表面細晶一部分卷入液體之中或柱狀晶被沖刷脫落進入前沿液體中作為非自發(fā)的仔晶，從而促使形成中心等軸區(qū)?？偠灾?，必須要達到兩個條件：1）凝固界面前沿的液相中有晶核（仔晶）來源；2）液相存在晶核生長所需的過冷度。6、答：在等溫等壓條件下，晶體中形成空位后，自由能可以寫成AA=AU-TAS，可知體系在一定溫度下存在一個平衡空位濃度，在該濃度下，體系的自由能最低。即晶體中存在一些空位時，體系的自由能能達到最低，如果沒有空位，自由能反而升高，也就是說，由熱振動產生的空位屬于熱力學穩(wěn)定缺陷；位錯的存在均會使體系的內能升高，雖然位錯的存在也會引起熵值增加，但是有限可以忽略，因此，位錯的存在使體系處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)，位錯是熱力學不穩(wěn)定的缺陷。三、問答題（60分）1、解答：（1）圖略隨碳含量的增加，鐵碳合金的室溫組織發(fā)生以下變化：a+Fe3Ciii-a+P（珠光體）fPfP+Fe3C[[fP+Fe3Cii+Ld'（室溫萊氏體）一Ld'fLd'+Fe3C[在亞共析鋼中，隨含碳量增加，珠光體逐漸增加，強度、硬度升高，而塑性、韌性下降；在過共析鋼中，含碳量在接近1%時其強度達到最高值，含碳量繼續(xù)增加，其強度下降，這是由于在含碳量Wc高于1%時脆性二次滲碳體于晶界形成連續(xù)的網絡，使鋼的脆性大大增加；在白口鐵中，由于含有大量的滲碳體，故其脆性很大、強度很低，滲碳體的硬度很高且極脆，不能使合金的塑性提高，合金的塑性主要有鐵素體來提供，因此，在白口鐵中，含碳量的增加而是鐵素體減少，鐵碳合金的塑性不斷降低，當組織中出現(xiàn)以滲碳體為基體的低溫萊氏體時，塑性降低到接近零值。韌性對組織十分敏感，含碳量增加時，脆性的滲碳體增加，當出現(xiàn)網狀的二次滲碳體時，韌性急劇下降們總體來看，韌性比塑性下降的趨勢要大。（2）45鋼的拉伸變形過程可以分為：彈性變形階段，彈塑性變形階段（或流動區(qū)），拋物線硬化階段。彈性變形階段：應力一應變呈直線關系，符合胡克定律，此階段只有彈性變形；彈塑性變形階段：試樣在應力為下屈服階段時變形能繼續(xù)進行；拋物線硬化階段：應力一應變曲線變?yōu)閽佄锞€，加工速率隨反應增加而降低，應力足夠高時，塞積在障礙前的領先螺位錯產生交滑移，使應力暫時松弛故硬化速率減小。2、答：（注：回答可以從簡）實際晶體中存在位錯［而強度與］錯運動有著密切關系，對于刃型位錯由p若“沖 （1*b可有通過位錯移動使晶體滑移所需的臨界切應力很小，僅為理想晶體的1100?11000倍。對于螺位錯與刃型位錯一樣，由于原子移動量很小，所以它移動所需的力也很小，就有理論強度遠大于實際強度。四種強化方法：形變強化、固溶強化、細晶強化、第二相粒子強化。形變強化：金屬材料大量形變以后強度就會提高，具有加工硬化的性能，隨著形變量的增加，材料的強度、硬度升高，韌性、塑性下降的現(xiàn)象稱為形變強化。形變強化的機理：金屬在塑性形變過程中位錯密度不斷增加，使彈性應力場不斷增大，位錯間的交互作用不斷增強，發(fā)生位錯的塞積、位錯交割、位錯反應、易開動的位錯源不斷消耗，結果產生固定的割階、位錯纏結等障礙，使位錯運動的阻力增大，引起變形抗力增加，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而提高了材料的強度;固溶強化：利用點缺陷對位錯運動的阻力使金屬基體獲得強化的方法，隨著溶質原子含量的增加，固溶體的強度硬度升高，塑性韌性下降的現(xiàn)象稱為固溶強化。強化機理：一是溶質原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，對滑移面上運動的位錯有阻礙作用；二是位錯線上偏聚的溶質原子形成柯氏氣團對位錯其扎釘作用，增加了位錯運動的阻力；三是溶質原子在層錯區(qū)的偏聚阻礙擴展位錯的運動。所有阻礙位錯運動，增加位錯滑移阻力的因素都可使強度提高。細晶強化：隨晶粒尺寸的減少，材料的強度硬度升高，塑性、韌性也得到改善的現(xiàn)象稱為細晶強化。細晶強化不但可以提高材料的強度又能改善鋼的塑性和韌性，是一種較好的強化材料的方法。強化機理：晶粒越細小，位錯塞積群中位錯個數(shù)（n）越小，根據c=n%，應力集中越小，材料的強度越高。強化的原因在于晶界對位錯滑移的阻滯效應，當位錯在多晶體中運動時，由于晶界兩側晶粒的取向不同，加之這里雜質原子較多，增大了晶界附近的滑移阻力，因此一側晶粒中的滑移帶不能直接進入第二個晶粒。還需要滿足晶界上形變的協(xié)調性，需要多個滑移系統(tǒng)同時運作，這樣會導致位錯不易穿過晶界，而是塞積在晶界處，引起強度的增高。晶粒越細，晶界越多，位錯被阻滯的地越多，多晶體的強度就越高。第二相粒子強化：是指彌散分布于基體的第二相粒子阻礙位錯運動而引起的強化。可以將第二相粒子分為，一類是不易變形粒子（包括彌散強化的粒子以及沉淀強化的大尺寸粒子）；另一類是易變形粒子（如沉淀強化的小尺寸粒子）。當位錯繞過不易變形的粒子時，其強化機制：由于不易變形粒子對位錯的斥力足夠大，運動位錯在粒子前受阻、彎曲，隨著外加切應力的增加，迫使位錯以繼續(xù)彎曲的方式向前運動，最后留下一個圍繞粒子的位錯環(huán)，實現(xiàn)位錯的增值。后續(xù)的位錯線繞過粒子更加困難，從而是材料的強度提高；當位錯切過易變形粒子時，分兩種機制：第一類短程交互作用（位錯與粒子交互作用間距小于10b，b柏氏矢量），位錯與粒子作用時會形成新的表面積、錯排面（反相疇）、割階，增加了界面能、疇界能，增大粒子的尺寸或增大體積分數(shù)，都能提高強度；第二類是長程交互作用（作用間距大于10b），由于粒子與基體的點陣不同，造成應力場，從而強化了材料。3、答：A、與原子擴散無關，因為馬氏體轉變可以在相當?shù)偷臏囟确秶鷥龋M行并且轉變速度極快，在低的溫度依靠原子擴散實現(xiàn)快速轉變時不可能的，馬氏體相變是切變無擴散相變。B、脫溶分解與原子擴散有關，因為脫溶分解是由過飽和固溶體析