(清華大學(xué))材料科學(xué)基礎(chǔ)真題2003年-2

1、（清華大學(xué)）材料科學(xué)基礎(chǔ)真題2003年-2（總分：100.00，做題時(shí)間：90分鐘）一、論述題（總題數(shù)：10,分?jǐn)?shù)：100.00）1. 標(biāo)出圖中（a）、（b）、（c）、（d）的晶向指數(shù)和（E）、（F）、（G）、（H）的晶面指數(shù)（分?jǐn)?shù)：8.00）（a）的晶向指數(shù)是； （b）的晶向指數(shù)是rI； （c）的晶向指數(shù)是； （d）的晶向指數(shù)正確答案:（E）的晶面指數(shù)是 ；解析：（F）的晶面指數(shù)是（G）的晶面指數(shù)是；（H）的晶面指數(shù)是（分?jǐn)?shù)：5.00）正確答案：（見(jiàn)下表2.寫(xiě)出 FCC BCG HC晶體的密排面、密排面間距、密排方向、密排方向最小單位長(zhǎng)度。解析：3. 寫(xiě)出鎳（Ni）晶體中面間距為0.1246

2、nm的晶面族指數(shù)。鎳的點(diǎn)陣常數(shù)為0.3524nm（分?jǐn)?shù)：5.00）正確答案：（鎳（Ni）的晶體結(jié)構(gòu)和點(diǎn)陣都是面心立方 （FCC），立方晶體的晶面距公式是:022。）（波因?yàn)閔、k、l都是整數(shù)，所以h、k、l可能取的可能值為：0、2、2,所以符合題意的晶面族指數(shù)為 解析：4. 由600C降至300C時(shí)，鍺晶體中的空位平衡濃度降低了六個(gè)數(shù)量級(jí)，試計(jì)算鍺晶體中的空位形成能 耳茲曼常數(shù) k=8.617 X10 -5eV/K）。（分?jǐn)?shù)：8.00 ） 正確答案：（Schottky缺陷的平衡濃度公式為:5i791432 X10 J mol-即鍺晶體中空位形成能為 1.91432 X10 5J mol-1。)

3、解析：5. 請(qǐng)導(dǎo)出摩爾分?jǐn)?shù)為 Na、Nb的二元系中綜合擴(kuò)散系數(shù)D與分?jǐn)U散系數(shù)DA、DB之間的關(guān)系(分?jǐn)?shù)：10.00)正確答案：(如圖所示，引入兩個(gè)平行的坐標(biāo)系：一個(gè)是固定坐標(biāo)系xOy; 個(gè)是坐落在晶面上和晶面一起運(yùn)動(dòng)的動(dòng)坐標(biāo)系x'、O、y'。 DA和DB分別表示組元A和B的分?jǐn)U散系數(shù)。D為綜合擴(kuò)散系數(shù)。相對(duì)于動(dòng)坐標(biāo)系， A B的本征擴(kuò)散通量分別是 Ja1、Jb1,即:由于Jb1 >Ja1,高熔點(diǎn)一側(cè)有流體靜壓力，則各晶面連同動(dòng)坐標(biāo)系會(huì)沿x方向平移，相對(duì)于固定坐標(biāo)系，增加了方向相同的兩個(gè)附加通量Qv和Cv。所以對(duì)固定坐標(biāo)系，總通量為：' II 式中,v為x處晶面的平

4、移速度；G、CB分別為x處A組元和B組元的濃度。上兩式后面等號(hào)成立的依據(jù)為菲克第一定律。根據(jù)擴(kuò)散中晶體各點(diǎn)密度不變的條件，有：CA(x)+C b(x)=常數(shù)即 NaD3+MDA=D式中，Na和Nb分別是A、B組元在合金中的摩爾分?jǐn)?shù)。)解析：6. 指出并解釋馬氏體相變的特征。（分?jǐn)?shù)：10.00 ） 正確答案：(1)無(wú)擴(kuò)散性相變過(guò)程不發(fā)生成分變化，參與轉(zhuǎn)變的所有原子運(yùn)動(dòng)協(xié)同一致，相鄰原子的相對(duì)位置不變，而且相對(duì)位移 量小于一個(gè)原子間距。(2) 具有表面浮突和切變共格性馬氏體相變產(chǎn)生均勻切變或稱(chēng)為點(diǎn)陣切變，造成結(jié)構(gòu)變化，試樣表面岀現(xiàn)浮突現(xiàn)象，馬氏體和母相之間的 界面為共格界面。（3）存在慣習(xí)面及其不

5、應(yīng)變性馬氏體在母相的一定晶面上形成，此晶面成為慣習(xí)面。慣習(xí)面是一個(gè)無(wú)畸變不轉(zhuǎn)動(dòng)的平面。（4）新相和母相之間有嚴(yán)格的取向關(guān)系馬氏體和母相之間主要有以下位向關(guān)系：K-S關(guān)系；G -T關(guān)系；西山關(guān)系。（5）馬氏體具有內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)除了點(diǎn)陣切變外，馬氏體相變還要發(fā)生點(diǎn)陣不變切變，依靠滑移或?qū)\生完成，在馬氏體內(nèi)部形成位錯(cuò)或?qū)\ 晶亞結(jié)構(gòu)。（6）馬氏體具有逆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象將馬氏體以足夠快的速度加熱，馬氏體可以不分解而直接轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵唷＃┙馕觯?. 請(qǐng)分析脫溶分解和調(diào)幅分解（Spinodal分解）兩種析出方式的差異。（分?jǐn)?shù)：10.00）正確答案：（調(diào)幅分解是指過(guò)飽和固溶體在一定溫度下分解成結(jié)構(gòu)相同、成分不同的兩個(gè)相的過(guò)

6、程。調(diào)幅分解的主要特征是不需要形核。調(diào)幅分解與形核長(zhǎng)大型脫溶轉(zhuǎn)變的比較見(jiàn)下表。脫溶類(lèi)型調(diào)幅分解形核長(zhǎng)大自由能-成分曲線特點(diǎn)凸凹條件自發(fā)漲落（過(guò)冷度和G'v 0）過(guò)冷度和臨界形核功形核特點(diǎn)非形核形核新相的成分結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 成分變化，結(jié)構(gòu)不變成分、結(jié)構(gòu)均變化界面特點(diǎn)寬泛明晰擴(kuò)散方式上坡下坡轉(zhuǎn)變速率高低顆粒大小數(shù)量多，顆粒?。ň鶆蛞?guī)則）數(shù)量少，顆粒大（均勻性差）解析：8. 按下列5條匯總FCC晶體中的主要位錯(cuò)： 位錯(cuò)名稱(chēng)；柏式矢量；位錯(cuò)性質(zhì) （刃型、螺型、混合位錯(cuò)等）；位錯(cuò)形成方式；運(yùn)動(dòng)狀態(tài) （滑移、 攀移、還是不動(dòng)等）。（分?jǐn)?shù)：12.00 ） 正確答案：（見(jiàn)下表解析：9. 從微觀結(jié)構(gòu)說(shuō)明合金強(qiáng)

7、化的主要機(jī)制，并舉岀實(shí)例（分?jǐn)?shù)：12.00 ） 正確答案：（1）固溶強(qiáng)化固溶在點(diǎn)陣間隙或結(jié)點(diǎn)上的合金元素原子由于其尺寸不同于基體原子，故產(chǎn)生一定的應(yīng)力場(chǎng)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；柯氏氣團(tuán)和鈴木氣團(tuán)，前者是間隙原子優(yōu)先分布于BCC金屬刃型位錯(cuò)的拉應(yīng)力區(qū)，對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎作用，后者是合金元素優(yōu)先分布于FCC金屬擴(kuò)展位錯(cuò)的層錯(cuò)區(qū)，降低層錯(cuò)能，擴(kuò)大層錯(cuò)區(qū)，使擴(kuò)展位錯(cuò)滑移更加困難。（2）沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化合金通過(guò)相變過(guò)程得到的合金元素與基體元素的化合物和機(jī)械混摻于基體材料中的硬質(zhì)顆粒都會(huì)引起合金 強(qiáng)化，分別稱(chēng)之為沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化。沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的效果遠(yuǎn)大于固溶強(qiáng)化。位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 遇到第二相時(shí)，需要切過(guò)（沉

8、淀強(qiáng)化的小尺寸顆粒和彌散強(qiáng)化的顆粒）或者繞過(guò)（沉淀強(qiáng)化的大尺寸顆粒）第二相，因而第二相（沉淀相和彌散相）阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。（3）晶界強(qiáng)化I按照Hall-Petch 公式，屈服點(diǎn) b s同晶粒直徑d之間的關(guān)系是.，其實(shí)質(zhì)是位錯(cuò)越過(guò)晶界需要附加的應(yīng)力。因此低溫用鋼往往采用細(xì)晶粒組織。（4）有序強(qiáng)化有序合金中的位錯(cuò)是超位錯(cuò)，要使金屬發(fā)生塑性變形就需要使超位錯(cuò)的兩個(gè)分位錯(cuò)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，因而需要更 大的外應(yīng)力。異類(lèi)元素原子間的結(jié)合力大于同類(lèi)元素原子間的結(jié)合力，所以異類(lèi)原子的有序排列賦予有序 合金較高的強(qiáng)度。例如高強(qiáng)度的鎳基超級(jí)合金存在著有序的沉淀相Ni«Ti , Al），其強(qiáng)化機(jī)制是一般的沉淀強(qiáng)化以

9、及有序強(qiáng)化。） 解析：10. 畫(huà)出Fe-FesC相圖與下列問(wèn)題相關(guān)的部分，并分析：1. 2%C合金平衡狀態(tài)下結(jié)晶過(guò)程、室溫組織（畫(huà)示意圖），計(jì)算組織相對(duì)含量。2. 2%C合金快冷，不平衡狀態(tài)下結(jié)晶過(guò)程和組織的變化。3. 畫(huà)出在800C下該合金在平衡狀態(tài)下的自由能一成分曲線，并用圖解法作出其形核驅(qū)動(dòng)力。4如純鐵在800C滲碳?xì)夥障麻L(zhǎng)期擴(kuò)散，試由Fe-Fe3C相圖分析等溫?cái)U(kuò)散后和冷卻至室溫的組織。（分?jǐn)?shù)：20.00 ） 正確答案：（Fe-C相圖略。1.2%C合金平衡狀態(tài)下結(jié)晶過(guò)程 在咼溫結(jié)晶時(shí)不發(fā)生包晶反應(yīng)。y相增多,1- 2 L- y。二相成分和相對(duì)量都發(fā)生變化，L相沿BC線變化，y相沿JE線變化。L相減少,2為丫相點(diǎn)。2- 3不發(fā)生變化，仍保持 y相。Y相沿ES變化。3- 4 y相中析出滲碳體，YFesG，隨FesG析出,+F&C,形成P組織。4'以后不發(fā)生變化。在室溫下組織為P+FesCn，即過(guò)共析鋼即最后室溫組織中 FesG為20.78%，P為79.22%。室溫組織示意于圖2. 可能發(fā)生共晶反應(yīng) LLd（ 丫 +FesC）: 將有不平衡共晶組織出現(xiàn)，可能發(fā)生共晶反應(yīng)產(chǎn)生Ld 得到的P其片層間距將更為細(xì)小。 析出Fe3Cn的量將減少，甚至完