西北工業(yè)大學材料科學基礎歷年真題與答案解析

西北工業(yè)大學2012年碩士研究生入學考試試題 答案 試題名稱：材料科學基礎 試題編號：832說 明：所有答題一律寫在答題紙上 第 頁 共 頁 一、 簡答題（每題10分，共50分）1. 請簡述滑移和孿生變形的特點？答：滑移變形特點：1）平移滑動：相對滑動的兩部分位向關系不變2）滑移線與應力軸呈一定角度3）滑移不均勻性：滑移集中在某些晶面上4）滑移線先于滑移帶出現(xiàn)：由滑移線構成滑移帶5）特定晶面，特定晶向?qū)\生變形特點：1) 部分晶體發(fā)生均勻切變2) 變形與未變形部分呈鏡面對稱關系，晶體位向發(fā)生變化3) 臨界切分應力大4) 孿生對塑變貢獻小于滑移5) 產(chǎn)生表面浮凸 2. 什么是上坡擴散？哪些情況下會發(fā)生上坡擴散？答：由低濃度處向高濃度處擴散的現(xiàn)象稱為上坡擴散。應力場作用、電場磁場作用、晶界內(nèi)吸附作用和調(diào)幅分解反應等情況下可能發(fā)生上坡擴散。擴散驅(qū)動力來自自由能下降，即化學位降低。 3. 在室溫下，一般情況金屬材料的塑性比陶瓷材料好很多，為什么？純銅與純鐵這兩種金屬材料哪個塑性好？說明原因。答：金屬材料的塑性比陶瓷材料好很多的原因：從鍵合角度考慮，金屬材料主要是金屬鍵合，無方向性，塑性好；陶瓷材料主要是離子鍵、共價鍵，共價鍵有方向性，塑性差。離子鍵產(chǎn)生的靜電作用力，限制了滑移進行，不利于變形。銅為面心立方結構，鐵為體心立方結構，兩者滑移系均為12個，但面心立方的滑移系分布取向較體心立方勻衡，容易滿足臨界分切應力。且面心立方滑移面的原子堆積密度比較大，因此滑移阻力較小。因而銅的塑性好于鐵。 4. 請總結并簡要回答二元合金平衡結晶過程中，單相區(qū)、雙相區(qū)和三相區(qū)中，相成分的變化規(guī)律。答：單相區(qū)：相成分為合金平均成分，不隨溫度變化；雙相區(qū)：兩相成分分別位于該相區(qū)的邊界，并隨溫度沿相區(qū)邊界變化；三相區(qū)：三相具有確定成分，不隨結晶過程變化。 5. 合金產(chǎn)品在進行冷塑性變形時會發(fā)生強度、硬度升高的現(xiàn)象，為什么？如果合金需要進行較大的塑性變形才能完成變形成型，需要采用什么中間熱處理的方法？而產(chǎn)品使用時又需要保持高的強度、硬度，又應如何熱處理？答：合金進行冷塑性變形時，位錯大量増殖，位錯運動發(fā)生交割、纏結等，使得位錯運動受阻，同時溶質(zhì)原子、各類界面與位錯的交互作用也阻礙位錯的運動。因此發(fā)生應變硬化，使強度、硬度升高。較大的塑性變形產(chǎn)生加工硬化（應變硬化），如果需要繼續(xù)變形就要進行中間熱處理，即再結晶退火，使塑性恢復到變形前的狀態(tài)，零件可繼續(xù)進行塑性變形。如果產(chǎn)品需要保持高的強度、硬度，可在最終熱處理時采用去應力退火，去除殘余應力，保持零件較高的強度、硬度。 二、 作圖計算題（每題15分，共60分）1、 在Fe-Fe3C相圖中有幾種類型的滲碳體？分別描述這些滲碳體的形成條件，并繪制出平衡凝固條件下這些不同類型滲碳體的顯微組織形貌。答：滲碳體包括：初生（一次）滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體、共晶滲碳體、共析滲碳體，共五種。（1）初生（一次）滲碳體：含碳量大于4.3%的Fe-C合金在平衡凝固時從液相結晶出來的滲碳體，形貌為板條狀。（2）二次滲碳體：含碳量0.772.11%的Fe-C合金，在1148冷卻到727過程中，從相中脫溶的滲碳體。（3）三次滲碳體：含碳量小于0.0218%時，低于727，從相脫溶析出的滲碳體。（4）共晶滲碳體：含碳量2.116.69%的Fe-C合金，在1148發(fā)生共晶反應時形成的滲碳體。（5）共析滲碳體：含碳量0.02186.69%的Fe-C合金，在727發(fā)生共析反應時生成的滲碳體。 各滲碳體形貌見教材相關部分。 2、 在兩個相互垂直的滑移面上各有一條刃型位錯 AB、XY，如圖所示。假設以下兩種情況中，位錯線XY在切應力作用下發(fā)生運動，運動方向如圖中v所示，試問交割后兩位錯線的形狀有何變化（畫圖表示）？在以下兩種情況下分別會在每個位錯上形成割階還是扭折？新形成的割階或扭折屬于什么類型的位錯？答：a圖： XY向下運動與AB交割，產(chǎn)生PP小臺階，寬度為|b1| PP的柏氏矢量仍為b2 PPb2為刃型位錯 PP不在原滑移面上，為割階 XY平行于b2，不形成臺階 b圖： AB位錯線上出現(xiàn)PP平行于b2，寬度為|b1| PP的柏氏矢量仍為b2 PPb2為螺型位錯 PP在原滑移面上，為扭折 XY位錯線上出現(xiàn)QQ平行于b1，寬度為|b2| QQ的柏氏矢量仍為b1 QQb1為螺型位錯 QQ在原滑移面上，為扭折 3、已知H原子半徑r為0.0406nm，純鋁是fcc晶體，其原子半徑R為0.143nm，請問H原子溶入Al時處于何種間隙位置？ 答：fcc晶體的八面體間隙，四面體間隙。根據(jù)題意知，因此H原子應處于八面體間隙。4、柱狀試樣，當固溶體合金（k01）從左向右定向凝固，凝固過程中假設，凝固速度快，固相不擴散、液相基本不混合，/L（固/液）界面前沿液體中的實際溫度梯度為正溫度梯度。由于/L界面前沿液體存在成分過冷區(qū)，晶體易以樹枝狀結晶生長。當合金從左向右定向凝固，達到穩(wěn)態(tài)凝固區(qū)時，請分析并畫出： k01相圖； /L界面處固體、液體的溶質(zhì)濃度分布圖； 液體中成分過冷區(qū)圖。 答：柱狀試樣從左向右定向凝固，在固相不擴散、液相基本不混合、k01的條件下，在凝固達到穩(wěn)態(tài)凝固區(qū)時，/L界面前沿液體溶質(zhì)濃度分布CL如圖a所示。由于/L界面前沿液體中溶質(zhì)濃度從左向右逐漸升高（與k01情況不同），成分與相圖對應如圖b。/L界面前沿液體中從左向右熔點逐漸升高（與k01情況相同）構成TL曲線，加之界面前沿液體中的實際溫度梯度為正溫度梯度Tn，即形成了由TL、TN兩曲線組成的成分過冷區(qū)見圖c，在凝固過程中晶體易以樹枝狀結晶生長。三、 綜合分析題（共40分）1、試用位錯理論解釋低碳鋼的應變時效現(xiàn)象。答：將退火低碳鋼進行少量塑性變形后卸載，然后立即加載，屈服現(xiàn)象不再出現(xiàn)。如果卸載后在室溫下放置較長時間或加熱到一定溫度保溫，屈服現(xiàn)象再次出現(xiàn)，而且低碳鋼的強度及硬度升高，這種現(xiàn)象稱為應變時效或機械時效。機理：柯垂爾理論認為，卸載后立即重新加載，位錯已經(jīng)脫釘，因此不再出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。放置或加熱后再加載，位錯被重新定扎，因此會再次出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。位錯増殖理論認為，卸載后立即重新加載，位錯已經(jīng)増殖，因此不再出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。放置或加熱后再加載，發(fā)生了回復，位錯發(fā)生重排和抵消，因此會再次出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。兩種理論均有實驗依據(jù)，目前一般同時采用兩理論解釋應變時效的產(chǎn)生原因。 2、如圖所示，在立方單晶體中有一個位錯環(huán)ABCDA，其柏氏矢量b平行于z軸1） 指出各段位錯線是什么類型的位錯。2） 各段位錯線在外應力作用下將如何運動？請繪圖表示答：1）AB、BC、CD、DA段都是刃位錯 2）AB和CD不動；BC向上滑移，AD向下滑移，如圖所示。西北工業(yè)大學2011年碩士研究生入學考試試題參考答案試題名稱：材料科學基礎（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 7 頁一、 簡答題（每題10分，共50分）1. 請從原子排列、彈性應力場、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) 1晶體中有一個額外原子面，形如刀刃插入晶體2) 2刃位錯引起的應力場既有正應力又有切應力。3) 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) 4滑移面惟一5) 5位錯線的移動方向與晶體滑移方向平行（一致）6) 6位錯線與柏氏矢量垂直螺型位錯：1) 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) 2螺位錯應力場為純切應力場3) 3螺型位錯與晶體滑移方向平行，故位錯線一定是直線4) 4螺型位錯的滑移面是不惟一；5) 5位錯線的移動方向與晶體滑移方向相互垂直。6) 6位錯線與柏氏矢量平行2. 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。軟化方法是再結晶退火。3. 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，領先相相依附在初生相上，另一相獨立存在于晶界，在組織學上失去共晶體特點，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。4. 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構、相近的原子半徑、相近的電負性、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。5. 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重？為什么？答：50%Ni的偏析嚴重，因為液固相線差別大，說明液固相成分差別大，冷速較快不容易達到成分均勻化。二、 作圖計算題（每題15分，共60分）1、 寫出112晶面族的等價晶面。答：2、 請判定下列反應能否進行：答：幾何條件： ，滿足幾何條件能量條件： 不滿足能量條件，反應不能進行。3、 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)A0.0539，波耳滋曼常數(shù)K1.38110-23 J / K）答：4、 單晶銅拉伸，已知拉力軸的方向為001，=106 Pa，求(111)面上柏氏矢量的螺位錯線上所受的力（）答：外力在(111)上的分切應力為：作用在位錯線上的力為：三、 綜合分析題（共40分）1. 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構，產(chǎn)生變形織構；存儲能升高；位錯纏結導致加工硬化，強度硬度升高，塑形下降，組織取向明顯導致各向異性。圖b：回復。晶粒基本不變，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)應力得到消除。加工硬化基本保留。圖c：再結晶。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，力學性能基本恢復到冷變形前的水平。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。2. 根據(jù)Ag-Cd二元相圖：1) 當溫度為736、590、440和230時分別會發(fā)生什么樣的三相平衡反應？寫出反應式。2) 分析Ag-56%Cd合金的平衡凝固過程，繪出冷卻曲線，標明各階段的相變反應。3) 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，L+Ag 590：包晶反應，L+ 440：共析反應，Ag+ 230：共析反應， 2）LLL+3）Ag-95%Cd合金的平衡凝固到室溫：Cd包II較快速冷卻到室溫：初Cd包II，且II相數(shù)量相對較少，尺寸相對細小。原因：快速冷卻時，由于固態(tài)中擴散較慢，使本應該在包晶反應中消失的初有剩余，既產(chǎn)生包晶轉變不完全。另外，由于冷速快，使得II相變得細小，析出數(shù)量減少。 2010年碩士研究生入學考試試題 參考答案 一、 簡答題（每題10分，共50分）1. 請解釋-Fe與-Fe溶解碳原子能力差異的原因。答：-Fe為體心立方晶體，其八面體間隙為扁八面體，相比而言四面體間隙較大；-Fe為面心立方，其八面體間隙大。體心立方的四面體間隙比面心立方的八面體間隙小很多，因此溶解小原子的能力小很多。 2. 請簡述位向差與晶界能的關系，并解釋原因？答：位向差越大晶界能越高；隨位向差增大，晶界能先快速增大，后逐漸趨于穩(wěn)定。原因：位向差越大，缺陷越多（小角晶界位錯密度越大），畸變越嚴重，因此能量越高。 3. 請簡述在固態(tài)條件下，晶體缺陷、固溶體類型對溶質(zhì)原子擴散的影響。答：晶體缺陷處的原子具有較高能量，且原子排列比較雜亂，有利于擴散。間隙原子擴散激活能比置換原子擴散激活能低，因此間隙原子擴散速度高。 4. 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。5. 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。 二、 作圖計算題（每題15分，共60分）1. 寫出附圖的簡單立方晶體中ED、CF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：，CF：ACH：，F(xiàn)Gd：ACH的晶面間距：FGD與ABCD之間的夾角： 2. 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為割階運動后恢復為直線，上的h、i、j、k為固定點，形成位錯源 3. 某合金的再結晶激活能為250KJ/mol，該合金在400完成再結晶需要1小時，請問在390下完成再結晶需要多長時間。（氣體常數(shù)R=8.314L/molK）答：所以t21.96小時 4. 請分別繪出fcc和bcc晶體中的最短單位位錯，并比較二者哪一個引起的畸變較大。答：BCC晶體中為：（1分），F(xiàn)CC晶體中為： 故：FCC中的b2引起的畸變較小。 bcc： fcc： 三、 綜合分析題（共40分）1、 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：細晶強化利用晶界和位向差對位錯運動的阻礙作用進行強化；加工硬化利用冷變形后纏結位錯之間的相互作用進行強化。 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行強化。加工硬化同上細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行強化。加工硬化同上細晶強化同上 2、 請根據(jù)Cu-Zn相圖回答下列問題：(25分)1) 若在500下，將一純銅試樣長期置于鋅液中，請繪出擴散后從銅棒表面至內(nèi)部沿深度方向的相分布和對應的濃度分布曲線。2) 請分析902、834、700、598、558的相變反應類型，并寫出反應式。3) 請繪出Cu-75%Zn合金的平衡結晶的冷卻曲線，并標明各階段的相變反應或相組成。4) 請計算Cu-75%Zn合金平衡結晶至200時的相組成含量。 902：包晶 L+834：包晶L+700：包晶L+598：包晶L+558：共析+ 2009年西北工業(yè)大學碩士研究生入學試題參考答案 一、簡答題（每題10分，共60分） 1. 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、外加切應力與柏氏矢量b、外加切應力與位錯線l之間的夾角關系，及位錯線運動方向。（請繪表格作答，答案務必寫在答題冊上） 答： 一定角度 /法線 一定角度 / / 法線 / / 法線 位錯線運動方向 與l 與 bb 與 l 2. 什么是置換固溶體？影響置換固溶體溶解度的因素有哪些？形成無限固溶體的條件是什么？ 答：溶質(zhì)原子取代溶劑原子，并保持溶劑結構的合金相稱為置換固溶體。 影響因素有：1）原子尺寸；2）晶體結構；3）電負性；4）電子濃度 兩組元晶體結構相同是形成無限固溶體的必要條件。 3. 置換擴散與間隙擴散的擴散系數(shù)有何不同？在擴散偶中，如果是間隙擴散，是否會發(fā)生柯肯達爾效應？為什么？ 答：間隙擴散系數(shù)與空位濃度無關，而置換擴散系數(shù)與空位濃度有關（可用公式表示）。一般地，間隙擴散系數(shù)大于置換擴散系數(shù)。 不會發(fā)生。因為間隙擴散中考慮間隙原子定向流動，未考慮置換互溶式擴散。 4. 在室溫下對鐵板（其熔點為 1538 ）和錫板（其熔點為 232 ），分別進行來回彎折，隨著彎折的進行，各會發(fā)生什么現(xiàn)象？為什么？ 答：根據(jù)T再（0.350.45）Tm可知 Fe在室溫下加工為冷加工，Sn在室溫下加工為熱加工 因此隨著彎曲的進行，鐵板發(fā)生加工硬化，繼續(xù)變形，導致鐵板斷裂 Sn板屬于熱加工，產(chǎn)生動態(tài)再結晶，彎曲可不斷進行下去 5. 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。 6. 請比較二元共晶轉變與包晶轉變的異同。 答：相同點：恒溫、恒成分轉變；相圖上均為水平線。 不同點：共晶為分解型反應，包晶為合成型反應；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。 二、作圖計算題（每題10分，共40分）1. 請比較FCC晶體中 和 兩位錯的畸變能哪個較大。 答： 故：b1的畸變能較小。 2. 面心立方晶體沿001方向拉伸，可能有幾個滑移系開動？請寫出各滑移系指數(shù)，并分別繪圖示之。 答：共12個滑移系，其中可能開動的有8個。分別是： 、 、 3. 在Al單晶中，（111）面上有一位錯 ， 面上另一位錯 。若兩位錯發(fā)生反應，請繪出新位錯，并判斷其性質(zhì)。 b1b2b2b3答：新位錯為 。 位錯線為（111）面與 面的交線 。 兩者垂直，因此是刃型位錯。 4. 請分別寫出立方晶系中110和100晶面族包括的晶面。 答：三、 綜合分析題（每題25分，共50分）1. 請分析影響回復和再結晶的因素各有哪些，以及影響因素的異同，并請分析其原因。 回復 再結晶 原因 溫度（升） 促進 促進 促進原子擴散 冷變形量（增） 促進 促進 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 促進或阻礙 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?。?促進 促進 增大再結晶驅(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. 附圖為Ti-Al二元合金相圖： 1) 請分析并分別寫出1285、1125和665三個恒溫轉變的類型和反應式，以及882時發(fā)生兩相恒溫轉變的類型和反應式。 2) 請繪出w31%合金平衡結晶的冷卻曲線，并注明各階段的主要相變反應。 3) 請分析500時，w31%的合金平衡結晶的相組成物和組織組成物，并計算其質(zhì)量分數(shù)。 （注：1125時，waTi27%，w Ti3Al26%，w TiAl35%；500時，w Ti3Al23%，w TiAl35%） 答： 1）1285：包析反應，TiTiAlaTi 1125：共析反應，aTiTi3AlTiAl 665： 包晶反應，L+TiAl3Al 882： 同素異構轉變，TiaTi 2008年西北工業(yè)大學碩士研究生入學試題參考答案四、 簡答題（每題10分，共60分）1. 固態(tài)下，無相變的金屬，如果不重熔，能否細化晶粒？如何實現(xiàn)？答：可以。.通過進行適當冷變形，而后在適當溫度再結晶的方法獲得細晶（應主意避開臨界變形度和避免異常長大）。或進行熱加工，使之發(fā)生動態(tài)再結晶。2. 固體中有哪些常見的相結構？答：固體中常見的相結構有：固溶體（單質(zhì)）、化合物、陶瓷晶體相、非晶相、分子相。3. 何謂平衡結晶？何謂非平衡結晶？答：平衡結晶是指結晶速度非常緩慢，液相和固相中擴散均很充分的情況下的結晶。非平衡結晶是指結晶速度比較快，擴散不充分的情況下的結晶。4. 擴散第一定律的應用條件是什么？對于濃度梯度隨時間變化的情況，能否應用擴散第一定律？答：擴散第一定律的應用條件是穩(wěn)態(tài)擴散，即與時間無關的擴散。對于非穩(wěn)態(tài)擴散的情況也可以應用擴散第一定律，但必須對其進行修正。5. 何為織構？包括哪幾類？答：織構是晶體中晶面、晶向趨于一致現(xiàn)象?？棙嫲ㄔ俳Y晶織構和變形織構。其中變形織構又包括絲織構和板織構。6. 什么是成分過冷？如何影響固溶體生長形態(tài)？答：凝固過程中，隨液固界面的推進，液固界面附近液相一側產(chǎn)生溶質(zhì)原子富集，導致液相的熔點發(fā)生變化，由此產(chǎn)生的過冷現(xiàn)象稱為成分過冷。無成分過冷時，固溶體以平面狀生長，形成等軸晶；有較小過冷度時，形成胞狀組織；有較大成分過冷時，形成樹枝晶。二、作圖計算題（每題15分，共60分）1、 請分別寫出FCC、BCC和HCP晶體的密排面、密排方向，并計算密排面間距和密排方向上原子間距。答：晶體結構密排面密排方向密排面間距密排方向原子間距FCC111<110>BCC110<111>HCP0001a2、 請繪出面心立方點陣晶胞，并在晶胞中繪出（110）晶面；再以（110）晶面平行于紙面，繪出（110）晶面原子剖面圖，并在其上標出001，晶向。答：AaBECDF3、 已知H70黃銅在400時完成再結晶需要1小時，而在390下完成再結晶需2小時，請計算在420下完成再結晶需要多長時間？答：在兩個不同的恒定溫度產(chǎn)生相同程度的再結晶時，兩邊取對數(shù)，并比之得t3 = 0.26 h 4、 一個FCC晶體在方向在2MPa正應力下屈服，已測得開動的滑移系是，請確定使該滑移系開動的分切應力。答：三、綜合分析題（30分）1. 請根據(jù)Fe-Fe3C相圖分析回答下列問題：（17分）1) 請分析2.0wt.%C合金平衡狀態(tài)下的結晶過程，并說明室溫下的相組成和組織組成。2) 請分析2.0wt.%C合金在較快冷卻，即不平衡狀態(tài)下可能發(fā)生的結晶過程，并說明室溫下組織會發(fā)生什么變化。3) 假設將一無限長純鐵棒置于930滲碳氣氛下長期保溫，碳原子僅由棒頂端滲入（如圖所示），試分析并標出930 和 緩冷至室溫時的組織分布情況。答：1) L L Fe3CII +Fe3C Fe3CIII相組成：+ Fe3C 組織組成：P+ Fe3CII （忽略Fe3CIII）2) 根據(jù)冷速不同，可能出現(xiàn)共晶反應，得到Ld；得到的P層片細小；Fe3CII的析出將收到抑制，甚至不析出。3) 附圖如下防護防護C原子930室溫Fe3CFe3CP+Fe3CFPP+F2. 圖示Cu-Cd二元相圖全圖及其400600范圍的局部放大：（13分）1） 請根據(jù)相圖寫出549、547、544、397和314五條水平線的三相平衡反應類型及其反應式；2） 已知相成分為wcd =46.5，400時相的成分為wcd =57，請計算400時wCd50合金的相組成。答：1）549：包晶反應，（Cu）+ L 547：包晶反應， + L 544：共晶反應，L + 397：包晶反應， + L 314：共晶反應，L +（Cd） 2） 或 2007年西北工業(yè)大學碩士研究生入學試題 參考答案一、 <!endif> 簡答題（每題10分，共50分）1、 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、 已知原子半徑與晶體結構有關，請問當配位數(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、 均勻形核與非均勻形核具有相同的臨界晶核半徑，非均勻形核的臨界形核功也等于三分之一表面能，為什么非均勻形核比均勻形核容易？答：因為非均勻形核時，用雜質(zhì)或型腔充當了一部分晶核。也就是說，需要調(diào)動的原子數(shù)少。4、 原子的熱運動如何影響擴散？答：熱運動增強將使原子的躍遷距離、躍遷幾率和躍遷頻率均增大，即增大擴散系數(shù)。5、 如何區(qū)分金屬的熱變形和冷變形？答：變形溫度與再結晶溫度的高低關系。高于再結晶溫度的為熱變形，反之為冷變形。二、 作圖計算題（每題15分，共60分）1. 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)A0.0539，波耳滋曼常數(shù)K1.38110-23 J / K）解： 2. 請計算簡單立方晶體中，(111)和 的夾角。解： a70323. 請判定在fcc中下列位錯反應能否進行： 解：幾何條件：（6分）能量條件：（6分）滿足幾何條件和能量條件，反應可以進行。（3分）4.試畫出面心立方晶體中的 (123) 晶面和 晶向 解：三、 綜合分析題（共40分）1. 如附圖所示，請分析：（24分）1) 兩水平線的反應類型，并寫出反應式；2) 分析Ab、bg、gd、d、 dh、 he、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；4) t/k n jg i d hA b c1 g c2 d h e BIII寫出合金I平衡冷卻到室溫后相組成物相對含量的表達式及合金II平衡冷卻到室溫后組織組成物相對含量的表達式。解：1） 水平線kj為包晶反應：（2分）水平線gh為共晶反應：（2分）2） Ab： （1分）bg： +II （1分）gd： +(+)共+II （1分）d： (+)共 （1分）dh： +(+)共+II（1分）he： +II （1分）eB： （1分）3） LLIIL+LLLL+II合金I （5分） 合金II （3分）4） 合金I相組成： （2分）合金II組織組成：（3分）2. 請對比分析回復、再結晶、正常長大、異常長大的驅(qū)動力及力學性能變化。（16分）回復再結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性能變化基本保持變形后性能恢復到冷變形前的水平基本保持再結晶后的水平性能惡化強度、塑性下降2006年西北工業(yè)大學碩士研究生入學試題 參考答案一、簡答題（每題 10 分，共 50 分） 1. 試從結合鍵的角度，分析工程材料的分類及其特點。 答：金屬材料：主要以金屬鍵為主，大多數(shù)金屬強度和硬度較高，塑性較好。 陶瓷材料：以共價鍵和離子鍵為主，硬、脆，不易變形，熔點高。 高分子材料：分子內(nèi)部以共價鍵為主，分子間為分子鍵和氫鍵為主。 復合材料：是以上三中基本材料的人工復合物，結合鍵種類繁多。性能差異很大。 2. 位錯密度有哪幾種表征方式？ 答：有兩種方式：體密度，即單位體積內(nèi)的位錯線長度；面密度，即垂直穿過單位面積的位錯線根數(shù)。 3. 陶瓷晶體相可分為哪兩大類？有何共同特點？ 答：氧化物陶瓷和硅酸鹽陶瓷。特點： 1. 結合鍵主要是離子鍵，含有一定比例的共價鍵； 2. 有確定的成分，可以用準確的分子式表達； 3. 具有典型的非金屬性質(zhì)。 4. 冷軋純銅板，如果要求保持較高強度，應進行何種熱處理？若需要繼續(xù)冷軋變薄時，又應進行何種熱處理？ 答：保持較高強度則應進行低溫退火，使其只發(fā)生回復，去除殘余應力；要繼續(xù)冷變形則應進行高溫退火，使其發(fā)生再結晶，以軟化組織。 5. 擴散激活能的物理意義為何？試比較置換擴散和間隙擴散的激活能的大小。 答：擴散激活能的物理意義是原子躍遷過程中必須克服周圍原子對其的阻礙，即必須克服勢壘。相比而言，間隙擴散的激活能較小。 二、作圖計算題（每題 15 分，共 60 分） 1. 已知碳在 Fe 中擴散時， D 0 2.0 10 5 m 2 /s ， Q 1.4 10 5 J/mol 。當溫度由 927 上升到 1027 時，擴散系數(shù)變化了多少倍？（ R 8.314 J/(mol.K) ） 答： 2. 已知某低碳鋼 0 =64KPa ， K=393.7 ，若晶粒直徑為 50m ，該低碳鋼的屈服強度是多少？ 答：由霍爾配奇公式得： 3. 試計算 BCC 晶體最密排面的堆積密度。 答： BCC 密排面為 110 面，其面積為： 110 面上被原子占據(jù)的面積為（兩個原子）： 堆積密度： 4. 和 均位于 Fcc 鋁的 (111) 晶面上，因此理論上 和 的滑移均是可能的。 （ 1 ）畫出 (111) 晶面及單位滑移矢量 和 。 （ 2 ）比較具有此二滑移矢量的位錯的能量。 答：（ 1 ） （ 2 ） 兩位錯位于同一滑移面，因此 G 相同，故： 三、綜合分析題（每題 20 分，共 40 分） 1. 試從晶界的結構特征和能量特征分析晶界的特點。 答：晶界結構特征：原子排列比較混亂，含有大量缺陷。 晶界能量特征：原子的能量較晶粒內(nèi)部高，活動能量強。 晶界特征： 晶界畸變晶界能向低能量狀態(tài)轉化晶粒長大、晶界變直晶界面積減小 阻礙位錯運動 b 細晶強化 位錯、空位等缺陷多晶界擴散速度高 晶界能量高、結構復雜容易滿足固態(tài)相變的條件固態(tài)相變首先發(fā)生地 化學穩(wěn)定性差晶界容易受腐蝕 微量元素、雜質(zhì)富集 2. 試分析冷塑性變形對合金組織結構、力學性能、物理化學性能、體系能量的影響。 答： 組織結構：（ 1 ）形成纖維組織：晶粒沿變形方向被拉長；（ 2 ）形成位錯胞；（ 3 ）晶粒轉動形成變形織構。 力學性能：位錯密度增大，位錯相互纏繞，運動阻力增大，造成加工硬化。 物理化學性能：其變化復雜，主要對導電，導熱，化學活性，化學電位等有影響。 體系能量：包括兩部分：（ 1 ）因冷變形產(chǎn)生大量缺陷引起點陣畸變，使畸變能增大；（ 2 ）因晶粒間變形不均勻和工件各部分變形不均勻引起的微觀內(nèi)應力和宏觀內(nèi)應力。這兩部分統(tǒng)稱為存儲能，其中前者為主要的。 冷變形后引起的組織性能變化為合金隨后的回復、再結晶作了組織和能量上的準備。2005年西北工業(yè)大學碩士研究生入學試題 參考答案一、簡答題（每題 8 分，共 40 分） 1. 請簡述二元合金結晶的基本條件有哪些。 答：熱力學條件 G < 0 結構條件： r > r* 能量條件： A > G max 成分條件 2. 同素異晶轉變和再結晶轉變都是以形核長大方式進行的，請問兩者之間有何差別？ 答：同素異晶轉變是相變過程，該過程的某一熱力學量的倒數(shù)出現(xiàn)不連續(xù)；再結晶轉變只是晶粒的重新形成，不是相變過程。 3. 兩位錯發(fā)生交割時產(chǎn)生的扭折和割階有何區(qū)別？ 答：位錯的交割屬于位錯與位錯之間的交互作用，其結果是在對方位錯線上產(chǎn)生一個大小和方向等于其柏氏矢量的彎折，此彎折即被稱為扭折或割階。扭折是指交割后產(chǎn)生的彎折在原滑移面上，對位錯的運動不產(chǎn)生影響，容易消失；割階是不在原滑移面上的彎折，對位錯的滑移有影響。 4. 請簡述擴散的微觀機制有哪些？影響擴散的因素又有哪些？ 答：置換機制：包括空位機制和直接換位與環(huán)形換位機制，其中空位機制是主要機制，直接換位與環(huán)形換位機制需要的激活能很高，只有在高溫時才能出現(xiàn)。 間隙機制：包括間隙機制和填隙機制，其中間隙機制是主要機制。 影響擴散的主要因素有：溫度（溫度約高，擴散速度約快）；晶體結構與類型（包括致密度、固溶度、各向異性等）；晶體缺陷；化學成分（包括濃度、第三組元等） 5. 請簡述回復的機制及其驅(qū)動力。 答：低溫機制：空位的消失 中溫機制：對應位錯的滑移（重排、消失） 高溫機制：對應多邊化（位錯的滑移攀移） 驅(qū)動力：冷變形過程中的存儲能（主要是點陣畸變能） 二、計算、作圖題：（共 60 分，每小題 12 分） 1. 在面心立方晶體中，分別畫出 、 和、，指出哪些是滑移面、滑移方向，并就圖中情況分析它們能否構成滑移系？若外力方向為 001 ，請問哪些滑移系可以開動？ 2. 請判定下列位錯反應能否進行，若能夠進行，請在晶胞圖上做出矢量圖。 （ 1 ） 幾何條件：，滿足幾何條件 能量條件： 滿足能量條件，反應可以進行。 （ 2 ） 幾何條件： ，滿足幾何條件 能量條件： 滿足能量條件，反應可以進行。 3. 假設某面心立方晶體可以開動的滑移系為 ，請回答： 1) 給出滑移位錯的單位位錯柏氏矢量； 2）若滑移位錯為純?nèi)形诲e，請指出其位錯線方向；若滑移位錯為純螺位錯，其位錯線方向又如何？ 答：（ 1 ）單位位錯的柏氏矢量 ；（ 2 ）純?nèi)形诲e的位錯線方向與 b 垂直，且位于滑移面上， 為 ；純螺位錯的位錯線與 b 平行，為 011。 4. 若將一塊鐵由室溫 20 加熱至 850 ，然后非?？斓乩鋮s到 20 ，請計算處理前后空位數(shù)變化（設鐵中形成 1mol 空位所需的能量為 104675 J ）。 答： 5. 已知三元簡單共晶的投影圖，見附圖， 1) 請畫出 AD 代表的垂直截面圖及各區(qū)的相組成（已知 T A >T D ）； 2) 請畫出 X 合金平衡冷卻時的冷區(qū)曲線，及各階段相變反應。 答： 三、綜合分析題：（共 50 分，每小題 25 分） 1. 請對比分析加工硬化、細晶強化、彌散強化、復相強化和固溶強化的特點和機理。 答：加工硬化：是隨變形使位錯增殖而導致的硬化； 細晶強化：是由于晶粒減小，晶粒數(shù)量增多，尺寸減小，增大了位錯連續(xù)滑移的阻力導致的強化；同時由于滑移分散，也使塑性增大。該強化機制是唯一的同時增大強度和塑性的機制。 彌散強化：又稱時效強化。是由于細小彌散的第二相阻礙位錯運動產(chǎn)生的強化。包括切過機制和繞過機制。 復相強化：由于第二相的相對含量與基體處于同數(shù)量級是產(chǎn)生的強化機制。其強化程度取決于第二相的數(shù)量、尺寸、分布、形態(tài)等，且如果第二相強度低于基體則不一定能夠起到強化作用。 固溶強化：由于溶質(zhì)原子對位錯運動產(chǎn)生阻礙。包括彈性交互作用（柯氏氣團）、電交互作用（玲木氣團）和化學交互作用。 2. 請根據(jù)所附二元共晶相圖分析解答下列問題： 1）分析合金 I 、 II 的平衡結晶過程，并繪出冷卻曲線； 2） 說明室溫下 I 、 II 的相和組織是什么？并計算出相和組織的相對含量； 3）如果希望得到室溫組織為共晶組織和 5% 的 初 的合金，求該合金的成分； 4）分析在快速冷卻條件下， I 、 II 兩合金獲得的組織有何不同。 答：（ 1 ） （ 2 ） I ： 初 II ，相組成與組織組成比例相同 II ： 初 （ ） 共 II （忽略） （ 3 ）設所求合金成分為 x （ 4 ） I 合金在快冷條件下可能得到少量的共晶組織，且呈現(xiàn)離異共晶的形態(tài)，合金中的 II 量會減少，甚至不出現(xiàn)； II 合金在快冷條件下 初呈樹枝狀，且數(shù)量減少。共晶體組織變細小，相對量增加。