西北工業(yè)大學(xué)832材料科學(xué)基礎(chǔ)2011年碩士研究生入學(xué)考試試題

西北工業(yè)大學(xué)832材料科學(xué)基礎(chǔ)2011年碩士研究生入學(xué)考試試題西北工業(yè)大學(xué)2011年碩士研究生入學(xué)考試試題試題名稱：材料科學(xué)基礎(chǔ)（A卷）試題編號：832說明：所有答題一律寫在答題紙上第1頁共2頁簡答題（每題10分，共50分）請從原子排列、彈性應(yīng)力場、滑移性質(zhì)、柏氏矢量等方面對比刃位錯、螺位錯的主要特征。何謂金屬材料的加工硬化？如何解決加工硬化對后續(xù)冷加工帶來的困難？什么是離異共晶？如何形成的？形成無限固溶體的條件是什么？簡述原因。兩個尺寸相同、形狀相同的銅鎳合金鑄件，一個含90%Ni，另一個含50%Ni，鑄造后自然冷卻，問哪個鑄件的偏析嚴(yán)重？為什么？作圖計算題（每題15分，共60分）寫出{112}晶面族的等價晶面。請判定下列反應(yīng)能否進(jìn)行：已知某晶體在500℃時，每1010個原子中可以形成有1個空位，請問該晶體的空位形成能是多少？（已知該晶體的常數(shù)a＝0.0539，波耳滋曼常數(shù)K＝1.381×10-23J/K）單晶銅拉伸，已知拉力軸的方向為[001]，σ=106Pa，求(111)面上柏氏矢量的螺位錯線上所受的力（）綜合分析題（共40分）經(jīng)冷加工的金屬微觀組織變化如圖a所示，隨溫度升高，并在某一溫度下保溫足夠長的時間，會發(fā)生圖b-d的變化，請分析四個階段微觀組織、體系能量和宏觀性能變化的機理和原因。根據(jù)Ag-Cd二元相圖：當(dāng)溫度為736℃、590℃、440℃和230℃時分別會發(fā)生什么樣的三相平衡反應(yīng)？寫出反應(yīng)式。分析Ag-56%Cd合金的平衡凝固過程，繪出冷卻曲線，標(biāo)明各階段的相變反應(yīng)。分析Ag-95%Cd合金的平衡凝固與較快速冷卻時，室溫組織會有什么差別，并討論其原因。4.5.12011年參考答案簡答題（每題10分，共50分）請從原子排列、彈性應(yīng)力場、滑移性質(zhì)、柏氏矢量等方面對比刃位錯、螺位錯的主要特征。答：刃型位錯：1晶體中有一個額外原子面，形如刀刃插入晶體2刃位錯引起的應(yīng)力場既有正應(yīng)力又有切應(yīng)力。3位錯線可以是折線或曲線,但位錯線必與滑移（矢量）方向垂直4滑移面惟一5位錯線的移動方向與晶體滑移方向平行（一致）6位錯線與柏氏矢量垂直螺型位錯：1上下兩層原子發(fā)生錯排，錯排區(qū)原子依次連接呈螺旋狀2螺位錯應(yīng)力場為純切應(yīng)力場3螺型位錯與晶體滑移方向平行，故位錯線一定是直線4螺型位錯的滑移面是不惟一；5位錯線的移動方向與晶體滑移方向相互垂直。6位錯線與柏氏矢量平行何謂金屬材料的加工硬化？如何解決加工硬化對后續(xù)冷加工帶來的困難？答：隨變形量增大，強度硬度升高，塑形下降的現(xiàn)象。軟化方法是再結(jié)晶退火。什么是離異共晶？如何形成的？答：在共晶水平線的兩個端部附近，由于共晶量少，領(lǐng)先相相依附在初生相上，另一相獨立存在于晶界，在組織學(xué)上失去共晶體特點，稱為離異共晶。有時，也將端部以外附近的合金，在非平衡凝固時得到的少量共晶，稱為離異共晶。形成無限固溶體的條件是什么？簡述原因。答：只有置換固溶體才可能形成無限固溶體。且兩組元需具有相同的晶體結(jié)構(gòu)、相近的原子半徑、相近的電負(fù)性、較低的電子濃度。原因：溶質(zhì)原子取代了溶劑原子的位置，晶格畸變較小，晶格畸變越小，能量越低。電負(fù)性相近不易形成化合物。電子濃度低有利于溶質(zhì)原子溶入。兩個尺寸相同、形狀相同的銅鎳合金鑄件，一個含90%Ni，另一個含50%Ni，鑄造后自然冷卻，問哪個鑄件的偏析嚴(yán)重？為什么？答：50%Ni的偏析嚴(yán)重，因為液固相線差別大，說明液固相成分差別大，冷速較快不容易達(dá)到成分均勻化。作圖計算題（每題15分，共60分）寫出{112}晶面族的等價晶面。答：請判定下列反應(yīng)能否進(jìn)行：答：幾何條件：，滿足幾何條件能量條件：不滿足能量條件，反應(yīng)不能進(jìn)行。已知某晶體在500℃時，每1010個原子中可以形成有1個空位，請問該晶體的空位形成能是多少？（已知該晶體的常數(shù)A＝0.0539，波耳滋曼常數(shù)K＝1.381×10-23J/K）答：單晶銅拉伸，已知拉力軸的方向為[001]，σ=106Pa，求(111)面上柏氏矢量的螺位錯線上所受的力（）答：外力在(111)上的分切應(yīng)力為：作用在位錯線上的力為：綜合分析題（共40分）經(jīng)冷加工的金屬微觀組織變化如圖a所示，隨溫度升高，并在某一溫度下保溫足夠長的時間，會發(fā)生圖b-d的變化，請分析四個階段微觀組織、體系能量和宏觀性能變化的機理和原因。答：圖a：晶粒拉長，缺陷數(shù)量增大形成位錯亞結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生變形織構(gòu)；存儲能升高；位錯纏結(jié)導(dǎo)致加工硬化，強度硬度升高，塑形下降，組織取向明顯導(dǎo)致各向異性。圖b：回復(fù)。晶?；静蛔儯诲e發(fā)生滑移、攀移等，位錯重排，數(shù)量略有減少，空位大量減少。內(nèi)應(yīng)力得到消除。加工硬化基本保留。圖c：再結(jié)晶。形成新的無畸變新晶粒。存儲能全部釋放，變形產(chǎn)生的點陣畸變消除。加工硬化消除，力學(xué)性能基本恢復(fù)到冷變形前的水平。圖d：晶粒長大。晶粒粗化。體系能量因界面能的下降而下降。強度下降，塑形也下降。根據(jù)Ag-Cd二元相圖：當(dāng)溫度為736℃、590℃、440℃和230℃時分別會發(fā)生什么樣的三相平衡反應(yīng)？寫出反應(yīng)式。分析Ag-56%Cd合金的平衡凝固過程，繪出冷卻曲線，標(biāo)明各階段的相變反應(yīng)。分析Ag-95%Cd合金的平衡凝固與較快速冷卻時，室溫下組織組成會有什么變化，并討論其原因。答：736℃：包晶反應(yīng)，L+Ag→β590℃：包晶反應(yīng)，L+δ→ε440℃：共析反應(yīng)，β→Ag+γ230℃：共析反應(yīng)，γ→β′＋δ′2）LLL→βL+β→δβ→δδ→βδ+β→γβ→γγ→δ′γ→β′＋δ′β′→δ′δ′→β′γ3）Ag-95%Cd合金的平衡凝固到室溫：Cd包＋εII較快速冷卻到室溫：ε初＋Cd包＋εII，且εII相數(shù)量相對較少，尺寸相對細(xì)小。原因：快速冷卻時，由于固態(tài)中擴散較慢，使本應(yīng)該在包晶反應(yīng)中消失的ε初有剩余，既產(chǎn)生包晶轉(zhuǎn)變不完全。另外，由于冷速快，使得εII相變得細(xì)小，析出數(shù)量減少。4.6答題技巧總結(jié)按題型的順序，將知識點歸到題型中講解。一、簡單題1、【07】請說明什么是全位錯和不全位錯，并請寫出FCC、BCC和HCP晶體中的最短單位位錯的柏氏矢量。答：全位錯：柏氏矢量等于點陣矢量的整數(shù)倍；不全位錯：柏氏矢量不等于點陣矢量的整數(shù)倍。Fcc：；bcc：；hcp：2、【07】已知原子半徑與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，請問當(dāng)配位數(shù)降低時，原子半徑如何變化？為什么？答：半徑收縮。若半徑不變，則當(dāng)配位數(shù)降低時，會引起晶體體積增大。為了減小體積變化，原子半徑將收縮。3、【09】在位錯發(fā)生滑移時，請分析刃位錯、螺位錯和混合位錯的位錯線l與柏氏矢量b、外加切應(yīng)力τ與柏氏矢量b、外加切應(yīng)力τ與位錯線l之間的夾角關(guān)系，及位錯線運動方向。答：一定角度一定角度//法線一定角度////法線//⊥//法線⊥位錯線運動方向τ與lτ與bb與l4、【09】何為固溶強化？請簡述其強化機制。答：固溶強化就是溶質(zhì)原子阻礙位錯運動，從而使合金強度提高的現(xiàn)象。主要機制包括：1）柯氏氣團，即溶質(zhì)原子的彈性應(yīng)力場阻礙位錯運動；2）玲木氣團，即溶質(zhì)原子降低基體層錯能，使位錯分解為擴展位錯，阻礙位錯交滑移或攀移；3）電交互作用，即帶電溶質(zhì)原子與位錯形成靜電交互作用，阻礙位錯運動。5、【09】請比較二元共晶轉(zhuǎn)變與包晶轉(zhuǎn)變的異同。答：相同點：恒溫、恒成分轉(zhuǎn)變；相圖上均為水平線。不同點：共晶為分解型反應(yīng)，包晶為合成型反應(yīng)；共晶線全是固相線，包晶線只有部分是固相線；共晶三角在水平線上，包晶三角在水平線下。6、【10】請分析解釋在正溫度梯度下凝固，為什么純金屬以平面狀方式生長，而固溶體合金卻往往以樹枝晶方式長大？答：正溫度梯度下，純金屬的液固界面是等溫的，小突起處的過冷度小，生長受到抑制，因此液固界面保持平直，以平面狀生長。固溶體合金由于溶質(zhì)原子再分配，產(chǎn)生成分過冷，液固界面處的小突起將獲得更大過冷度，因此以樹枝狀生長。7、【10】鐵碳合金中可能出現(xiàn)的滲碳體有哪幾種？它們的成分有何不同？平衡結(jié)晶后是什么樣的形態(tài)？答：一次滲碳體（規(guī)則的、粗大條狀）、共晶滲碳體（萊氏體的連續(xù)基體）、二次滲碳體（沿奧氏體晶界分布，量多時為連續(xù)網(wǎng)狀，量少時是不連續(xù)網(wǎng)狀）、共析滲碳體（層片狀）、三次滲碳體（鐵素體晶界處）。它們成分沒有區(qū)別?！窘馕觥靠疾斓倪@些知識點一般都比較簡單，對于這一類的習(xí)題應(yīng)該掌握到熟練程度，復(fù)習(xí)的時候應(yīng)該注意各參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，比如熟悉各晶體結(jié)構(gòu)的參數(shù)，便于快速計算。簡答題，通過對題目的分析思考，尋找題目對應(yīng)的知識點，按照對號入座的方式把相關(guān)知識點寫出來，并可適當(dāng)拓展相關(guān)知識或引用實際工程應(yīng)用問題，要求學(xué)生要對基本概念有充分的理解，解答此類習(xí)題時多寫并不扣分。二、作圖計算題1、【07】試畫出立方晶體中的(123)晶面和晶向。解：2、【10】寫出附圖的簡單立方晶體中ED、C’F的晶向指數(shù)和ACH、FGD’的晶面指數(shù)，并求ACH晶面的晶面間距，以及FGD’與ABCD兩晶面之間的夾角。（注：G、H點為二等分點，F(xiàn)點為三等分點）答：ED：，C’F：ACH：，F(xiàn)Gd：ACH的晶面間距：FGD’與ABCD之間的夾角：3、【07】請判定在fcc中下列位錯反應(yīng)能否進(jìn)行：解：幾何條件：能量條件：滿足幾何條件和能量條件，反應(yīng)可以進(jìn)行。4、【08】

已知H70黃銅在400℃時完成再結(jié)晶需要1小時，而在390℃下完成再結(jié)晶需2小時，請計算在420℃下完成再結(jié)晶需要多長時間？答：在兩個不同的恒定溫度產(chǎn)生相同程度的再結(jié)晶時，兩邊取對數(shù)，并比之得t3=0.26h5、【08】一個FCC晶體在方向在2MPa正應(yīng)力下屈服，已測得開動的滑移系是，請確定使該滑移系開動的分切應(yīng)力τ。答：6、【10】請判斷圖示中和兩位錯各段的類型，以及兩位錯所含拐折（bc、de和hi、jk）的性質(zhì)？若圖示滑移面為fcc晶體的（111）面，在切應(yīng)力的作用下，兩位錯將如何運動？（繪圖表示）答：ab：螺位錯；bc：刃位錯；cd：螺位錯；de：刃位錯；ef：螺位錯gh：螺位錯；hi：刃位錯；ij：螺位錯；jk：刃位錯；kl：螺位錯bc、de為扭折，hi、jk為割階運動后恢復(fù)為直線，上的h、i、j、k為固定點，形成位錯源記住上面的公式，則可以方便快速的計算【分析】對于原子規(guī)則排列中的晶向指數(shù)和晶面指數(shù)兩個知識點這一類習(xí)題，首先需要畫出立體圖，然后按照晶面或晶向指數(shù)的確定方法逆向繪出晶面和晶向，復(fù)習(xí)的時候主要注意數(shù)據(jù)之間的計算和方向的確立。這一類習(xí)題歷年都會考到，都不復(fù)雜，是該門專業(yè)課中最基本的題型之一。作圖計算題難度略有增加，在基礎(chǔ)知識點的熟練掌握情況下側(cè)重于對知識的靈活運用。作圖題很簡單，主要考查范圍有晶面晶向（位錯）和相圖；計算題則是知道公式就會解答，計算題考查的公式主要包括點缺陷的平衡濃度公式、推導(dǎo)臨界行核及其相關(guān)公式、相圖中的杠桿原理公式、菲克第一定律、比較位錯大小、臨界分切應(yīng)力、霍爾配奇公式、回復(fù)動力學(xué)公式和再結(jié)晶動力學(xué)公式。三、綜合分析1、【09】請分析影響回復(fù)和再結(jié)晶的因素各有哪些，以及影響因素的異同，并請分析其原因?；貜?fù)再結(jié)晶原因溫度（升）促進(jìn)促進(jìn)促進(jìn)原子擴散冷變形量（增）促進(jìn)促進(jìn)提供驅(qū)動力溶質(zhì)原子阻礙阻礙阻礙位錯和晶界的運動第二相粒子促進(jìn)促進(jìn)或阻礙即可能提高驅(qū)動力，同時阻礙位錯和晶界運動原始晶粒（細(xì)?。┐龠M(jìn)促進(jìn)增大再結(jié)晶驅(qū)動力晶粒位向無影響無影響熱蝕溝無影響一般無影響尚未形成熱蝕溝2、【10】請分析對工業(yè)純鋁、Fe-0.2%C合金、Al-5%Cu合金可以采用的強化機制，并解釋機理。（15分）答：工業(yè)純鋁：細(xì)晶強化——利用晶界和位向差對位錯運動的阻礙作用進(jìn)行強化；加工硬化——利用冷變形后纏結(jié)位錯之間的相互作用進(jìn)行強化。Fe-0.2%C：固溶強化——利用碳原子引起鐵的晶格畸變對位錯運動的阻礙作用進(jìn)行強化。加工硬化——同上細(xì)晶強化——同上沉淀強化——利用碳化物對位錯運動的阻礙作用進(jìn)行強化。Al-5%Cu：沉淀強化（時效強化）——利用沉淀相對位錯運動的阻礙作用進(jìn)行強化。加工硬化——同上細(xì)晶強化——同上3、【11】經(jīng)冷加工的金屬微觀組織變化如圖a所示，隨溫度升高，并在某一溫度下保溫足夠長的時間，會發(fā)生圖b-d的變化，請分析四個階段微觀組織、體系能量和宏觀性能變化的機理和原因。答：圖a：晶粒拉長，缺陷數(shù)量增大形成位錯亞結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生變形織構(gòu)；存儲能升高；位錯纏結(jié)導(dǎo)致加工硬化，強度硬度升高，塑形下降，組織取向明顯導(dǎo)致各向異性。圖b：回復(fù)。晶?；静蛔?，位錯發(fā)生滑移、攀移等，位錯重排，數(shù)量略有減少，空位大量減少。內(nèi)應(yīng)力得到消除。加工硬化基本保留。圖c：再結(jié)晶。形成新的無畸變新晶粒。存儲能全部釋放，變形產(chǎn)生的點陣畸變消除。加工硬化消除，力學(xué)性能基本恢復(fù)到冷變形前的水平。圖d：晶粒長大。晶粒粗化。體系能量因界面能的下降而下降。強度下降，塑形也下降。4、【07】請對比分析回復(fù)、再結(jié)晶、正常長大、異常長大的驅(qū)動力及力學(xué)性能變化。（16分）回復(fù)再結(jié)晶正常長大異常長大驅(qū)動力存儲能

（主要是點陣畸變能）存儲能

（主要是點陣畸變能）總界面能總界面能和表面能力學(xué)性能變化基本保持變形后性能恢復(fù)到冷變形前的水平基本保持再結(jié)晶后的水平性能惡化

強度、塑性下降5、【07】如附圖所示，請分析：（24分）1)

兩水平線的反應(yīng)類型，并寫出反應(yīng)式；2)

分析Ab、bg′、g′d′、d′、d′h′、h′e、eB七個區(qū)域室溫下的組織組成物（j點成分小于g點成分）；3)分析I、II合金的平衡冷卻過程，并注明主要的相變反應(yīng)；t/℃t/℃knjgidhAbc1g￠c2d￠h￠eBδαβIII解：1）

水平線kj為包晶反應(yīng)：（2分）水平線gh為共晶反應(yīng)：（2分）2）

Ab：α（1分）bg′：α+βII（1分）g′d：α+(α+β)共+βII（1分）d'：(α+β)共（1分）d′h′：β+(α+β)共+αII（1分）h′e：β+αII（1分）eB：β（1分）LL→αLL→αα→βIIL→α+βLL→δL→ααL+δ→αα→βII4）

合金I相組成：（2分）合金II組織組成：（3分）6、【09】附圖為Ti-Al二元合金相圖：請分析并分別寫出1285℃、1125℃和665℃三個恒溫轉(zhuǎn)變的類型和反應(yīng)式，以及882℃時發(fā)生兩相恒溫轉(zhuǎn)變的類型和反應(yīng)式。請繪出w＝31%合金平衡結(jié)晶的冷卻曲線，并注明各階段的主要相變反應(yīng)。請分析500℃時，w＝31%的合金平衡結(jié)晶的相組成物和組織組成物，并計算其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。2335℃℃℃℃2335℃℃℃℃℃℃℃℃℃℃℃℃℃℃答：1）1285℃：包析反應(yīng)，βTi＋TiAl→aTi1125℃：共析反應(yīng)，aTi→T