西安交通大學碩士材料科學基礎(chǔ)真題2008年

試卷二十六

2008年攻讀碩士學位研究生入學考試試題考試科目：材料科學基礎(chǔ)適用專業(yè)：材料科學與工程1．寫出圖26-1所示立方晶胞中ABCDA晶面及BD晶向的密勒指數(shù)。寫出圖26-2所示六方晶胞中EFGHIJE晶面、EF晶向、FG晶向、GH晶向、JE晶向的密勒-布拉菲指數(shù)。E圖2Q2第一題第2小題圖已知晶體中兩不平行晶面(和hkl)和(hkl),證明晶面(hkl)與111 222 333(hkl)和(hkl)屬于同一晶帶，其中h=h+h，k=k+k，1=1+1。11二1、針對22鐵2-碳合金回答下列問題：312312312畫出Fe-FeC平衡相圖，并填寫各相區(qū)的平衡相。3y-Fe在912°C時轉(zhuǎn)變?yōu)閍-Fe。這種轉(zhuǎn)變稱為什么轉(zhuǎn)變?轉(zhuǎn)變后的體積膨脹還是收縮?假定鐵原子半徑不變，則體積變化率,是多少？已知727C時，碳在奧氏體中的溶解度為w=0.77%，而在鐵素體中的極C限溶解度僅為w=0.0218%。請解釋二者差別如此明顯的原因。C已知低碳鋼常在920C左右進行氣體滲碳。請解釋選擇這一溫度的原因。碳質(zhì)量分數(shù)w=0.2%的低碳鋼工件在920C進行表面氣體滲碳，工件表C面碳濃度始終保持為w=1.0%，并將工件中碳濃度為w=0.4%處至表面的距離xCC定義為滲碳層深度。已知滲碳1h后，滲碳層深度為0.12mm，若要求滲碳層深度達到0.48mm，計算共需滲碳多長時間。示意畫出平衡態(tài)碳鋼的強度隨鋼含碳量的變化曲線，并從成分-組織-性能的角度定性解釋之。三、在晶格常數(shù)為a的體心立方單晶體的［123］方向進行壓縮變形，已知其屈服強度為O。s寫出晶體的始滑移系及其可能的交滑移系。計算晶體開始滑移的臨界分切應力T。c分別寫出屈服時晶體中所開動的刃位錯和螺位錯的位錯線方向及柏氏矢量，以及它們滑移運動的方向。，寫出該面上滑移線的方向。若該壓縮試樣的一個自由表面為，寫出該面上滑移線的方向。四、某A-B-C三組元在液態(tài)完全互溶，固態(tài)完全不互溶，且具有共晶反應，其三元相圖的全投影圖如圖26-3所示。圖中O點成分的合金自液態(tài)平衡冷卻至室溫。分析O合金的平衡結(jié)晶過程。寫出室溫時的相組成物和組織組成物。計算室溫時各相組成物的質(zhì)量百分數(shù)和各組織組成物的質(zhì)量百分數(shù)。五、假設(shè)純金屬熔液按均勻形核方式形核，晶核形狀為立方體。試證明臨界形核功AG*等于臨界晶核表面能的二分之一，即式中，A*為臨界晶核表面積；a為晶核的比表面能。六、簡答下列問題：1．何謂n型半導體?何謂p型半導體?兩者的載流子特征有何不同?2．何謂塑料?何謂橡膠?兩者在室溫時的力學性能有何顯著差別?3．何謂陶瓷?從組織結(jié)構(gòu)的角度解釋其主要性能特點。4．何謂合金的成分過冷?用成分過冷概念解釋為什么共晶點成分的合金具有最好的鑄造性能。5．何謂金屬的結(jié)晶?何謂金屬的再結(jié)晶?兩者是否都是相變，為什么?兩者的驅(qū)動力是否相同，為什么?標準答案ABCDA晶面：(Oil)BD晶向：1 —?EFGHIJE晶面：LIWef晶向：工-①FG晶向：GH晶向：［12iO_|je晶向：［1210］證明：由于兩不平行晶面屬于同一晶帶，設(shè)(hkl)和(hkl)所屬晶帶111222的晶帶軸為［uvw］。根據(jù)晶帶定理hu+kv+lw=O(26-1)可得hu+kv+lw=O(26-2)111hu+kv+lw=O(26-3)式2(262-2)2與式(26-3)相加可得(h+h)u+(k+k)v+(l+l)w=O(26-4)121212即hu+kv+lw=O(26-5)333比較式(26-5)和式(26-1)可知，晶面(hkl)也屬于以［uvw］為晶帶軸的晶333故，晶面(hkl)與(hkl)和(hkl)屬于同一晶帶。333 111 2221.略。這種轉(zhuǎn)變稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。由于y-Fe是面心立方結(jié)構(gòu)，a-Fe是體心立方結(jié)構(gòu)，前者的致密度大于后者，故轉(zhuǎn)變后體積膨脹?？紤]晶體中的4個鐵原子，可構(gòu)成一個Y一-Fe的晶胞，或兩個a-Fe的晶胞。設(shè)Y-Fe的晶胞邊長為a，a-Fe的晶胞邊長為b,鐵原子半徑為r。則d轉(zhuǎn)變后的體積膨脹率約為8.87%。3．奧氏體為面心立方結(jié)構(gòu)，碳原子位于其八面體間隙中；鐵素體為體心立方結(jié)構(gòu)，碳原子位于其扁八面體間隙中。面心立方的八面體間隙半徑與鐵原子半徑之比(0.414)大于體心立方的八面體間隙半徑與鐵原子半徑之比(0.155)，而碳原子半徑大于問隙半徑，一個碳原子固溶于奧氏體中所引起的晶體能量增高遠小于固溶于鐵素體中所引起的晶體能量增高。4?影響擴散的主要因素為溫度和擴散組元的濃度梯度。在920°C左右滲碳時，碳在奧氏體(面心立方結(jié)構(gòu))中擴散，過高的溫度會引起奧氏體晶粒粗大；但溫度過低，碳將在鐵素體(體心立方結(jié)構(gòu))中擴散，碳在鐵素體中的極限溶解度比在奧氏體中小得多，因而濃度梯度也小得多。5?根據(jù) '弋"當B恒定時，X與就成正比。x變?yōu)?倍，則t變?yōu)?6倍，故共需16h。6.如圖26-4所示，強度隨碳含量增加先增高后下降，在碳含量約1.0%時為強度極大值。強度的這種變化與平衡態(tài)碳鋼中的組織隨碳含量變化有關(guān)：當w<0.77%時，鋼中的組織為鐵素體+珠光體，且珠光體的質(zhì)量分數(shù)隨碳含量增C高而增大，而珠光體在鋼中起強化作用，故強度隨碳含量增加而增高；當w>C0.77%后，鋼中的組織為二次滲碳體+珠光體，二次滲碳體以網(wǎng)狀分割珠光體，且二次滲碳體的質(zhì)量分數(shù)隨碳含量增高而增大。滲碳體硬而脆，少量不連續(xù)分布的二次滲碳體起強化作用，故強度隨碳含量增加繼續(xù)增高；但當w$1.0%C后，二次滲碳體的質(zhì)量分數(shù)增加到呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，則會在外力作用下首先斷裂形成微裂紋，故強度下降。

1．體心立方晶體共有12個可能的滑移系Hioj<111。根據(jù)作用1．體心立方晶體共有12個可能的滑移系Hioj<111。根據(jù)作用系為始滑移系。也可以使用立方晶系的標準投影圖進行判斷。結(jié)果如下：始滑移系為：（101）可能的交滑移系為：始滑移系可能的交滑移系是所有12個滑移系中與始滑移系有相同滑移方向但不同滑移面的那些滑移系，由此可以得出如下結(jié)果：(110)[亍11]和(OH)[Hl]]101]?[123][亍1訂?123] 4 4 4v'6101123]101]?[123][亍1訂?123] 4 4 4v'610112311112321[HU121刃位錯：位錯線方向為[111]螺位錯：位錯線方向為1112，柏氏矢量為，滑移運動方向[111]2，柏氏矢量為，滑移運動方向[HU121刃位錯：位錯線方向為[111]螺位錯：位錯線方向為1112，柏氏矢量為，滑移運動方向[111]2，柏氏矢量為，滑移運動方向晶體的滑移實際上是晶體滑移面內(nèi)柏氏矢量與晶體滑移方向相同的位錯線滑移運動的結(jié)果。因此，可得如下結(jié)果：晶體的滑移面與晶體外表面的交線是可能的滑移線，其中，與晶體的滑移方向不平行的那些交線便是滑移線。[101]轉(zhuǎn)111] —L121]尹[121]tL-[101]轉(zhuǎn)111] —L121]尹[121]tL-1ws二—K100%室溫時各組織組成物的質(zhì)量百分數(shù)分別為xlOO%故滑移線的方向為：四、平衡結(jié)晶過程：如圖26-5所示，連接A、O兩點并延長，交E線于de1點，交BC線于a點；連接E、d兩點并延長，交AB線于f點。當溫度降至稍低于合金成分線與液相面AEA的交點時，開始從液體中結(jié)晶出成分為A的初生e1e1晶A；隨溫度降低，A的量不斷增多但成分不變，剩余液體的量減少且成分從O點沿Od線變化；當剩余液體的成分變到d點時，液體開始發(fā)生兩相共晶轉(zhuǎn)變，結(jié)晶出(4+B)，隨溫度降低，液體的量減少且成分從d點沿dE線變化，共晶當剩余液體的成分變到E點時，(A+B)的平均成分為f點；E點成分的液體在共晶恒溫下發(fā)生三相共晶轉(zhuǎn)變，全部結(jié)晶為(A+B+C)，直至室溫不再發(fā)生變化。f已 共晶4—紅一 R\\026-5第四題解答圖室溫時的相組成物為：A+B+C。室溫時的組織組成物為：A+(A+B) +(A+B+C) 。連接B、O兩點并延長BO，交AC線于b點;共連接C、O兩點并延長C0,交AB線于c點，則：室溫時各相組成物的質(zhì)量百分數(shù)分別為五、設(shè)立方體晶核的邊長為a,液體與固體問的單位體積自由能差為AG,晶核V表面積為A,晶核的體積為V,則形核時自由能變化AG為△G二VAG+As=a3^G+6a2sd(AG)令；：二0,解得臨界晶核邊長ad(AG)令；：二0,解得臨界晶核邊長a*為則臨界形核功△G*為而臨界表面形核能為32"竺_(AGV}~_1八-96? -3六、1．在本征半導體Si或Ge中加入少量VA族的P或As或Sb等元素,所形成的半導體稱為n型半導體；在本征半導體Si或Ge中加入少量IIIA族的B或Al或Ga或In等元素,所形成的半導體稱為p型半導體。前者的載流子包括施主電子、本征電子及等量的本征空穴,故其電子濃度高于空穴濃度；后者的載流子包括受主空穴、本征電子及等量的本征空穴,故其空穴濃度高于電子濃度。2．室溫下處于玻璃態(tài)的高分子材料稱為塑料,室溫下處于高彈態(tài)的高分子材料稱為橡膠。室溫下,塑料的硬度較高,脆性較大,彈性較低；而橡膠的硬度較低,脆性較小,彈性較高。3．陶瓷是指以共價鍵或離子鍵為主，以具有高硬度高脆性的特殊氧化物、碳化物、氮化物等化合物為主要組成相的一類材料。由于這些化合物中的結(jié)合鍵以共價鍵或離子鍵為主，鍵合力很強，故陶瓷材料的熔點高，硬度高，抗氧化、耐腐蝕，高溫強度高；但由于燒結(jié)后陶瓷材料中存在氣孔或微裂紋，故陶瓷材料的脆性大，強度低。4．合金在較快冷卻速度下結(jié)晶時，固液界面前沿液體中的成分分布不均勻，造成液體的理論結(jié)晶溫度存在正的梯度，使靠近固液界面部分液體的實際溫度低于理論結(jié)晶溫度而處于過冷狀態(tài)，這種過冷稱為成分過冷。在成分過冷c_ （1一爲）（h1噸（1f）-占丁臨界條件表達式出 "如^ ' '，△Tf為合金的結(jié)晶溫度間隔，即相圖中該成分合金的液相點與固相點之間的垂直距離。在其他條件相同的情況下，合金的AT越小，其成分過冷的傾向也越小。f成分過冷傾向越小的合金，其固液界面越傾向于平直狀，因而液體的流動性越好，結(jié)晶后形成的疏松也越少，故合金的