西安交通大學(xué)碩士材料科學(xué)基礎(chǔ)真題2008年

試卷二十六

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(duì)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(shí)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(shí)，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(qǐng)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(jìn)行氣體滲碳。請(qǐng)解釋選擇這一溫度的原因。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w=0.2%的低碳鋼工件在920C進(jìn)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(dá)到0.48mm，計(jì)算共需滲碳多長(zhǎng)時(shí)間。示意畫出平衡態(tài)碳鋼的強(qiáng)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(jìn)行壓縮變形，已知其屈服強(qiáng)度為O。s寫出晶體的始滑移系及其可能的交滑移系。計(jì)算晶體開始滑移的臨界分切應(yīng)力T。c分別寫出屈服時(shí)晶體中所開動(dòng)的刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)的位錯(cuò)線方向及柏氏矢量，以及它們滑移運(yùn)動(dòng)的方向。，寫出該面上滑移線的方向。若該壓縮試樣的一個(gè)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(yīng)，其三元相圖的全投影圖如圖26-3所示。圖中O點(diǎn)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(shí)的相組成物和組織組成物。計(jì)算室溫時(shí)各相組成物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)和各組織組成物的質(zhì)量百分?jǐn)?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(jiǎn)答下列問題：1．何謂n型半導(dǎo)體?何謂p型半導(dǎo)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(shí)的力學(xué)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(diǎn)。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(diǎn)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(dòng)力是否相同，為什么?標(biāo)準(zhǔn)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(gè)鐵原子，可構(gòu)成一個(gè)Y一-Fe的晶胞，或兩個(gè)a-Fe的晶胞。設(shè)Y-Fe的晶胞邊長(zhǎng)為a，a-Fe的晶胞邊長(zhǎng)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(gè)碳原子固溶于奧氏體中所引起的晶體能量增高遠(yuǎn)小于固溶于鐵素體中所引起的晶體能量增高。4?影響擴(kuò)散的主要因素為溫度和擴(kuò)散組元的濃度梯度。在920°C左右滲碳時(shí)，碳在奧氏體(面心立方結(jié)構(gòu))中擴(kuò)散，過高的溫度會(huì)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(kuò)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(dāng)B恒定時(shí)，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(qiáng)度隨碳含量增加先增高后下降，在碳含量約1.0%時(shí)為強(qiáng)度極大值。強(qiáng)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(dāng)w<0.77%時(shí)，鋼中的組織為鐵素體+珠光體，且珠光體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨碳含量增C高而增大，而珠光體在鋼中起強(qiáng)化作用，故強(qiáng)度隨碳含量增加而增高；當(dāng)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?jǐn)?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(qiáng)化作用，故強(qiáng)度隨碳含量增加繼續(xù)增高；但當(dāng)w$1.0%C后，二次滲碳體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，則會(huì)在外力作用下首先斷裂形成微裂紋，故強(qiáng)度下降。

1．體心立方晶體共有12個(gè)可能的滑移系Hioj<111。根據(jù)作用1．體心立方晶體共有12個(gè)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(biāo)準(zhǔn)投影圖進(jìn)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(gè)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(cuò)：位錯(cuò)線方向?yàn)閇111]螺位錯(cuò)：位錯(cuò)線方向?yàn)?112，柏氏矢量為，滑移運(yùn)動(dòng)方向[111]2，柏氏矢量為，滑移運(yùn)動(dòng)方向[HU121刃位錯(cuò)：位錯(cuò)線方向?yàn)閇111]螺位錯(cuò)：位錯(cuò)線方向?yàn)?112，柏氏矢量為，滑移運(yùn)動(dòng)方向[111]2，柏氏矢量為，滑移運(yùn)動(dòng)方向晶體的滑移實(shí)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(cuò)線滑移運(yùn)動(dòng)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(shí)各組織組成物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為xlOO%故滑移線的方向?yàn)椋核?、平衡結(jié)晶過程：如圖26-5所示，連接A、O兩點(diǎn)并延長(zhǎng)，交E線于de1點(diǎn)，交BC線于a點(diǎn)；連接E、d兩點(diǎn)并延長(zhǎng)，交AB線于f點(diǎn)。當(dāng)溫度降至稍低于合金成分線與液相面AEA的交點(diǎn)時(shí)，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(diǎn)沿Od線變化；當(dāng)剩余液體的成分變到d點(diǎn)時(shí)，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(diǎn)沿dE線變化，共晶當(dāng)剩余液體的成分變到E點(diǎn)時(shí)，(A+B)的平均成分為f點(diǎn)；E點(diǎn)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(shí)的相組成物為：A+B+C。室溫時(shí)的組織組成物為：A+(A+B) +(A+B+C) 。連接B、O兩點(diǎn)并延長(zhǎng)BO，交AC線于b點(diǎn);共連接C、O兩點(diǎn)并延長(zhǎng)C0,交AB線于c點(diǎn)，則：室溫時(shí)各相組成物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為五、設(shè)立方體晶核的邊長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)ad(AG)令；：二0,解得臨界晶核邊長(zhǎng)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(dǎo)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(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體；在本征半導(dǎo)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(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)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(jià)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(jià)鍵或離子鍵為主，鍵合力很強(qiáng)，故陶瓷材料的熔點(diǎn)高，硬度高，抗氧化、耐腐蝕，高溫強(qiáng)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(qiáng)度低。4．合金在較快冷卻速度下結(jié)晶時(shí)，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(shí)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(wèi)）（h1噸（1f）-占丁臨界條件表達(dá)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(diǎn)與固相點(diǎn)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(dòng)性越好，結(jié)晶后形成的疏松也越少，故合金的