材料科學基礎真題2002年

（清華大學）材料科學基礎真題2002年（總分:100.00，做題時間：90分鐘）一、論述題（總題數：10，分數：100.00）巳知面心立方合金a-黃銅的軋制織構為110V112〉。1.解釋這種織構所表達的意義。用立方晶體001標準投影圖說明其形成原因。（分數：10.00）正確答案：（1.為板織構。{110}＜112〉織構表示{110}〃軋面，＜112〉〃軋向。2.a-黃銅為FCC結構，滑移系統(tǒng)為{111}＜101〉。沿軋向受到拉力的作用，晶體滑移轉動。如圖所示，［011］,拉力軸轉向在晶體學坐標系中，設拉力軸T1位于001-101-111［011］,拉力軸轉向［011］方向，使拉力軸與滑移方向的夾角入減小。當力軸到達兩個取向三角形的公共邊，即T2時，開始發(fā)101］也啟動，拉力軸既轉向101］也啟動，拉力軸既轉向［011］方向，又轉向［101］方向，結果沿公共邊轉動。到達［112］方向時，由于［101］、［112］、［011］位于同一個大圓上，兩個入角同時減小到最小值，故［112］為最終穩(wěn)定位置，從而使＜112〉方向趨向于軋向；在軋面上受到壓力作用，設壓力軸Pl位于向三角形中，則始滑移系為［101］，壓力軸轉向，軸到達兩個取向三角形的公共邊，即P時，開始發(fā)生雙滑移，滑移系，結果沿公共邊轉動。到達又轉向同時減小到最小值，故個軋面，＜112〉〃軋向。□解析：2.證明：對立方晶系，有［hkl口（hkl）。時，由于使壓力軸與為最終穩(wěn)定位置，從而使＜112〉方向趨向于軋向；在軋面上受到壓力作用，設壓力軸Pl位于向三角形中，則始滑移系為［101］，壓力軸轉向，軸到達兩個取向三角形的公共邊，即P時，開始發(fā)生雙滑移，滑移系，結果沿公共邊轉動。到達又轉向同時減小到最小值，故個軋面，＜112〉〃軋向?！踅馕觯?.證明：對立方晶系，有［hkl口（hkl）。時，由于使壓力軸與滑移面的夾角□也［g知|IiS^-l——、I ■立于同一大圓上，兩啟動，壓力軸既轉向減小。當力為最終穩(wěn)定位置，從而使岳E：?、趨于平行于軋面。其結果，{110}〃（分數：5.00）正確答案：（根據晶面指數的確定規(guī)則并參照下圖，（hkl）晶面ABC在a、b、c正確答案：（根據晶面指數的確定規(guī)則并參照下圖，（hkl）晶面ABC在a、b、c坐標軸上的截距分別是艮據晶向指數的確定規(guī)則，［hkl］晶向L=ha+kb+lc。利用立方晶系中a=b=c，a=p=Y=90°的特點，有由于L與ABC面上相交的兩條直線垂直，所以L垂直于ABC面，從而在立方晶系中有［hkl］上（hkl）。）解析：二維點陣共有幾種？指出其類型并用圖表示。（分數：5.00）4.以BaTiO4.以BaTiO3為例，畫出鈣鈦礦的晶體結構，并解釋這類結構材料的介電常數較高和可能具有超導性的原因。（分數：10.00）正確答案：（鈣鈦礦（BaTiq）的晶體結構如圖所示。這類結構材料介電常數較大的原因是因為位于氧原子八面體間隙中的金屬原子半徑較小，在交流電場作用下可以來回振動?？赡芫哂谐瑢缘脑蚴茄踉雍徒饘僭拥膶訝罱Y構，以ABO3為例，一層為A和O的原子層，一層為B和o的原子層，交替堆垛，超導載流子易于在層內運動。） 3解析：面心立方金屬單晶體沿［001］拉伸可有幾個等效滑移系同時啟動？沿［111］拉伸可有幾個等效滑移系同時啟動？并具體寫出各滑移系的指數。（分數：10.00）正確答案：（根據“映象規(guī)則”，利用立方晶體的001標準投影，可知當FCC結構的晶體沿［001］軸拉伸時，[011]、[011]、[110]、其等效滑移系共有8個，分別是：（111）(111)[101]、［011］。當FCC結構的晶體沿［111］方向拉伸時，其等效滑移系有6個，分別是:[011]、[101]、[101]、[110]。)[101]、[011]、[011]、[110]、其等效滑移系共有8個，分別是：（111）(111)[101]、［011］。當FCC結構的晶體沿［111］方向拉伸時，其等效滑移系有6個，分別是:[011]、[101]、[101]、[110]。)[101]、解析：按下列5條匯總FCC晶體中的主要位錯：位錯名稱；②柏式矢量；③位錯性質（刃型、螺型、混合位錯等）;④位錯形成方式；⑤運動狀態(tài)（滑移、攀移、還是不動等）。（分數:15.00）正確答案：（見下表。解析：何謂合金擴散過程中的克根達耳效應（Kirkendalleffect）,克根達耳實驗結果給人們哪些啟示？指出其在實踐中的意義。（分數：10.00）正確答案：（克根達耳效應：如圖所示，在FCC結構的a-黃銅（Cu+30%Zn）棒上敷上很細的鑰絲作為標記，再在黃銅上鍍銅，將鑰絲包在黃銅與銅之間，在一定溫度下進行擴散。其中鑰絲僅作為標志物，在整個實驗過程中不參加擴散。擴散組元是銅和鋅，二者構成置換式固溶體。在置換式固溶體的擴散過程中，放置在原始界面上的標志物朝著低熔點元素的方向移動，移動距離與時間呈拋物線關系。造成這種現象的原因是：低熔點組元擴散快，高熔點組元擴散慢。這種不等量的原子交換造成克根達耳效應?？烁_耳效應的實際意義有：①揭示了擴散宏觀規(guī)律與微觀擴散機制的內在聯(lián)系，具有普遍性；②直接否認了置換式固溶體擴散的換位機制，支持了空位機制；③擴散系統(tǒng)中每一種組元都有自己的擴散系數；④克根達耳現象往往會產生副效應，如收縮不完全會造成克根達耳孔等，這些副效應在實際當中往往產生不利的影響，因而應設法加以控制。）解析：解釋冷變形金屬加熱時回復、再結晶及晶粒長大的過程及特點。2.巳知Cu-30%Zn合金的再結晶激活能為250kJ/mol，此合金在400°C的恒溫下完成再結晶需要1小時，試求此合金在390C的恒溫下完成再結晶需要多少小時。（分數:15.00）正確答案：（1.冷變形金屬加熱時，先后發(fā)生回復、再結晶、晶粒長大三個過程，各自特點如下：（1） 回復過程的特征回復過程組織不發(fā)生變化，仍保持變形狀態(tài)伸長的晶粒?；貜瓦^程使變形引起的宏觀（一類）應力全部消除，微觀（二類）應力大部消除。回復過程中一般力學性能變化不大，硬度、強度僅稍有降低，塑性稍有提高，某些物理性能有較大變化，電阻率顯著降低，密度增大。變形儲能在回復階段部分釋放。（2） 再結晶過程的特征組織發(fā)生變化，由冷變形的伸長晶粒變?yōu)樾碌牡容S晶粒。力學性能發(fā)生急劇變化，強度、硬度急劇降低，塑性提高，恢復至變形前的狀態(tài)。變形儲能在再結晶過程中全部釋放，點陣畸變（三類應力）清除，位錯密度降低。（3） 晶粒長大過程的特征晶粒長大。引起一些性能變化，如強度、塑性、韌性下降。伴隨晶粒長大，還發(fā)生其他結構上的變化，如再結晶織構。2.由公式有由公式有2.由公式有由公式有所以t=tX1.962=1.962h）

解析：的不同，合金由基體a和第二相p組成，若p相分布在晶界,月和a相不共格，試分析因界面能YP相可能的組織形態(tài)。的不同，（分數：10.00）正確答案：（合金由基體a和第二相p組成，若p相分布在晶界，p和a相不共格，其形貌取決于兩個a晶粒間的夾角（兩面角、接觸角），在界面張力間存在圖a所示的平衡關系，即:式中，Yaa為a相的界面張力;y式中，Yaa為a相的界面張力;yap為兩相間的界面張力;B為兩面角，決定于界而張力的比值Yaa/Yap⑴當Y =Y6,9aaap，⑵當y>>Y=120。，第二相形狀如圖b所示。9=180°，第二相形狀如圖c所示。10.畫出Cu-Al合金在時效處理過程中硬度隨時間的變化曲線，并用位錯理論加以解釋。（分數：10.00）正確答案：（Cu-Al合金在時效處理過程中硬度隨時間的變化曲線如圖所示。由于原子偏聚或形成有序化區(qū)域，產生共格變形的晶格畸變。位錯線切過析出物，會