(清華大學)材料科學基礎真題2003年-2

1、（清華大學）材料科學基礎真題2003年-2（總分：100.00，做題時間：90分鐘）一、論述題（總題數：10,分數：100.00）1. 標出圖中（a）、（b）、（c）、（d）的晶向指數和（E）、（F）、（G）、（H）的晶面指數（分數：8.00）（a）的晶向指數是； （b）的晶向指數是rI； （c）的晶向指數是； （d）的晶向指數正確答案:（E）的晶面指數是 ；解析：（F）的晶面指數是（G）的晶面指數是；（H）的晶面指數是（分數：5.00）正確答案：（見下表2.寫出 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度。解析：3. 寫出鎳（Ni）晶體中面間距為0.1246

2、nm的晶面族指數。鎳的點陣常數為0.3524nm（分數：5.00）正確答案：（鎳（Ni）的晶體結構和點陣都是面心立方 （FCC），立方晶體的晶面距公式是:022。）（波因為h、k、l都是整數，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為 解析：4. 由600C降至300C時，鍺晶體中的空位平衡濃度降低了六個數量級，試計算鍺晶體中的空位形成能 耳茲曼常數 k=8.617 X10 -5eV/K）。（分數：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. 請導出摩爾分數為 Na、Nb的二元系中綜合擴散系數D與分擴散系數DA、DB之間的關系(分數：10.00)正確答案：(如圖所示，引入兩個平行的坐標系：一個是固定坐標系xOy; 個是坐落在晶面上和晶面一起運動的動坐標系x'、O、y'。 DA和DB分別表示組元A和B的分擴散系數。D為綜合擴散系數。相對于動坐標系， A B的本征擴散通量分別是 Ja1、Jb1,即:由于Jb1 >Ja1,高熔點一側有流體靜壓力，則各晶面連同動坐標系會沿x方向平移，相對于固定坐標系，增加了方向相同的兩個附加通量Qv和Cv。所以對固定坐標系，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。上兩式后面等號成立的依據為菲克第一定律。根據擴散中晶體各點密度不變的條件，有：CA(x)+C b(x)=常數即 NaD3+MDA=D式中，Na和Nb分別是A、B組元在合金中的摩爾分數。)解析：6. 指出并解釋馬氏體相變的特征。（分數：10.00 ） 正確答案：(1)無擴散性相變過程不發(fā)生成分變化，參與轉變的所有原子運動協(xié)同一致，相鄰原子的相對位置不變，而且相對位移 量小于一個原子間距。(2) 具有表面浮突和切變共格性馬氏體相變產生均勻切變或稱為點陣切變，造成結構變化，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）存在慣習面及其不

5、應變性馬氏體在母相的一定晶面上形成，此晶面成為慣習面。慣習面是一個無畸變不轉動的平面。（4）新相和母相之間有嚴格的取向關系馬氏體和母相之間主要有以下位向關系：K-S關系；G -T關系；西山關系。（5）馬氏體具有內部亞結構除了點陣切變外，馬氏體相變還要發(fā)生點陣不變切變，依靠滑移或孿生完成，在馬氏體內部形成位錯或孿 晶亞結構。（6）馬氏體具有逆轉變現(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變?yōu)楦邷叵?。）解析?. 請分析脫溶分解和調幅分解（Spinodal分解）兩種析出方式的差異。（分數：10.00）正確答案：（調幅分解是指過飽和固溶體在一定溫度下分解成結構相同、成分不同的兩個相的過

6、程。調幅分解的主要特征是不需要形核。調幅分解與形核長大型脫溶轉變的比較見下表。脫溶類型調幅分解形核長大自由能-成分曲線特點凸凹條件自發(fā)漲落（過冷度和G'v 0）過冷度和臨界形核功形核特點非形核形核新相的成分結構特點 成分變化，結構不變成分、結構均變化界面特點寬泛明晰擴散方式上坡下坡轉變速率高低顆粒大小數量多，顆粒?。ň鶆蛞?guī)則）數量少，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： 位錯名稱；柏式矢量；位錯性質 （刃型、螺型、混合位錯等）；位錯形成方式；運動狀態(tài) （滑移、 攀移、還是不動等）。（分數：12.00 ） 正確答案：（見下表解析：9. 從微觀結構說明合金強

7、化的主要機制，并舉岀實例（分數：12.00 ） 正確答案：（1）固溶強化固溶在點陣間隙或結點上的合金元素原子由于其尺寸不同于基體原子，故產生一定的應力場，阻礙位錯運動；柯氏氣團和鈴木氣團，前者是間隙原子優(yōu)先分布于BCC金屬刃型位錯的拉應力區(qū)，對位錯產生釘扎作用，后者是合金元素優(yōu)先分布于FCC金屬擴展位錯的層錯區(qū)，降低層錯能，擴大層錯區(qū)，使擴展位錯滑移更加困難。（2）沉淀強化和彌散強化合金通過相變過程得到的合金元素與基體元素的化合物和機械混摻于基體材料中的硬質顆粒都會引起合金 強化，分別稱之為沉淀強化和彌散強化。沉淀強化和彌散強化的效果遠大于固溶強化。位錯在運動過程中 遇到第二相時，需要切過（沉

8、淀強化的小尺寸顆粒和彌散強化的顆粒）或者繞過（沉淀強化的大尺寸顆粒）第二相，因而第二相（沉淀相和彌散相）阻礙了位錯運動。（3）晶界強化I按照Hall-Petch 公式，屈服點 b s同晶粒直徑d之間的關系是.，其實質是位錯越過晶界需要附加的應力。因此低溫用鋼往往采用細晶粒組織。（4）有序強化有序合金中的位錯是超位錯，要使金屬發(fā)生塑性變形就需要使超位錯的兩個分位錯同時運動，因而需要更 大的外應力。異類元素原子間的結合力大于同類元素原子間的結合力，所以異類原子的有序排列賦予有序 合金較高的強度。例如高強度的鎳基超級合金存在著有序的沉淀相Ni«Ti , Al），其強化機制是一般的沉淀強化以

9、及有序強化。） 解析：10. 畫出Fe-FesC相圖與下列問題相關的部分，并分析：1. 2%C合金平衡狀態(tài)下結晶過程、室溫組織（畫示意圖），計算組織相對含量。2. 2%C合金快冷，不平衡狀態(tài)下結晶過程和組織的變化。3. 畫出在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動力。4如純鐵在800C滲碳氣氛下長期擴散，試由Fe-Fe3C相圖分析等溫擴散后和冷卻至室溫的組織。（分數：20.00 ） 正確答案：（Fe-C相圖略。1.2%C合金平衡狀態(tài)下結晶過程 在咼溫結晶時不發(fā)生包晶反應。y相增多,1- 2 L- y。二相成分和相對量都發(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。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 LLd（ 丫 +FesC）: 將有不平衡共晶組織出現(xiàn)，可能發(fā)生共晶反應產生Ld 得到的P其片層間距將更為細小。 析出Fe3Cn的量將減少，甚至完