西安交通大學(xué)碩士材料科學(xué)基礎(chǔ)真題2008年

1、試卷二十六2021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)根底適用專業(yè)：材料科學(xué)與工程一、1.寫(xiě)出圖26-1所示立方晶胞中ABCD福面及BD晶向的密勒指數(shù)圖26-1第-題第1小題圖2.寫(xiě)出圖26-2所示六方晶胞中EFGHIJ酬面、EF晶向、FG晶向、GHft向、JE晶向的密勒-布拉菲指數(shù)。圖赤-2第一題第2小題圖3.晶體中兩不平行晶面和hikili和h2k2l2，證明晶面h3k3與hikili和h2k2屆丁同一晶帶，其中h3=h+h, k3=k+k2,13=lI+120二、針對(duì)鐵-碳合金答復(fù)以下問(wèn)題：1.畫(huà)出Fe-Fe3C平衡相圖，并填寫(xiě)各相區(qū)的平衡相。2.Y -Fe在912C時(shí)轉(zhuǎn)變

2、為a -Fe。這種轉(zhuǎn)變稱為什么轉(zhuǎn)變？轉(zhuǎn)變后的體積. r膨脹還是收縮？假定鐵原子半徑不變，那么體積變化率7是多少？3.727C時(shí)，碳在奧氏體中的溶解度為w=0.77%,而在鐵素體中的極 限溶解度僅為 皿=0.0218%請(qǐng)解釋二者差異如此明顯的原因。4.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I5.碳質(zhì)量分?jǐn)?shù) 叫=0.2%勺低碳鋼工件在920C進(jìn)行外表氣體滲碳，工件表 面碳濃度始終保持為w=1.0%，并將工件中碳濃度為w=0.4%處至外表的距離x定義為滲碳層深度。滲碳1h后，滲碳層深度為0.12mm假設(shè)要求滲碳層深 度到達(dá)0.48mm計(jì)算共需滲碳多長(zhǎng)時(shí)間。6.示意畫(huà)出平衡態(tài)碳鋼的

3、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，其 屈服強(qiáng)度為b so1.寫(xiě)出晶體的始滑移系及其可能的交滑移系。2.計(jì)算晶體開(kāi)始滑移的臨界分切應(yīng)力T co3.分別寫(xiě)出屈服時(shí)晶體中所開(kāi)動(dòng)的刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)的位錯(cuò)線方向及柏氏欠 量，以及它們滑移運(yùn)動(dòng)的方向。4.假設(shè)該壓縮試樣的一個(gè)自由外表為1 1),寫(xiě)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。點(diǎn)成分的合金自液態(tài)平衡冷 卻至室溫。圖263第四題圖1.分析。合金的平衡結(jié)晶過(guò)程。2.寫(xiě)出

4、室溫時(shí)的相組成物和組織組成物。3.計(jì)算室溫時(shí)各相組成物的質(zhì)量白分?jǐn)?shù)和各組織組成物的質(zhì)量白分?jǐn)?shù)五、假設(shè)純金屆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等丁臨界晶核外表能的三分之一，即AL b, 、 * . . . . . 一一.式中，A為臨界晶核外表積；b 為晶核的比外表能。六、簡(jiǎn)答以下問(wèn)題：1.何謂n型半導(dǎo)體？何謂p型半導(dǎo)體？?jī)烧叩妮d流子特征有何不同？2.何謂塑料？何謂橡膠？?jī)烧咴谑覝貢r(shí)的力學(xué)性能有何顯著差異？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(guò)冷？用成分過(guò)冷概念解釋為什么共晶

5、點(diǎn)成分的合金具 有最好的鑄造性能。5.何謂金屆的結(jié)晶？何謂金屆的再結(jié)晶？?jī)烧呤欠穸际窍嘧?，為什么？?jī)烧?的驅(qū)動(dòng)力是否相同，為什么？標(biāo)準(zhǔn)答案一、1. ABCD麻面：(011) BD晶向：HL2. EFGHIJ砒面：EF晶向：43FG晶向：223GH晶向：mi。、晶向：112103.證明：由丁兩不平行晶面屆丁同一晶帶，設(shè)(hkl。和(h2k2l2)所屆晶帶 的晶帶軸為uvw。根據(jù)晶帶定理hu+kv+lw=0 (26-1)h1u+k1v+lIW=0(26-2)h2u+k2v+l2w=0 (26-3)式(26-2)與式(26-3)相加可得(h1+h2)u+(k1+k2)v+(lI+1 2)W=0(26

6、-4)即h3u+k3v+l3w=0 (26-5)比擬式(26-5)和式(26-1)可知，晶面(h3k3l3)也屆丁以u(píng)vw為晶帶軸的晶故，晶面(h3k3l3)與(hkl1)和(h2k2l2)屆丁同一晶帶。1.略。2.這種轉(zhuǎn)變稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。由丁Y-Fe是面心立方結(jié)構(gòu)，a -Fe是體心立方結(jié)構(gòu)，前者的致密度大丁 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。那么-/32aA/27V32a-V -L一vya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)，碳原子位丁

7、其八面體間隙中；鐵素體為體心立 方結(jié)構(gòu)，碳原子位丁其扁八面體間隙中。面心立方的八面體間隙半徑與鐵原子 半徑之比(0.414)大丁體心立方的八面體間隙半徑與鐵原子半徑之比(0.155),而碳原子半徑大丁問(wèn)隙半徑，一個(gè)碳原子固溶丁奧氏體中所引起的晶體能量增 高遠(yuǎn)小丁固溶丁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920C左 右 滲 碳時(shí)，碳在奧氏體(面心立方結(jié)構(gòu))中擴(kuò)散，過(guò)高的溫度會(huì)引起奧氏體晶粒粗大；但溫度過(guò)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)V當(dāng)6包定時(shí)，x與成正比。x變?yōu)?倍，

8、那么t變 為16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)w0.77%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)wc 1.0%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，那么會(huì)在外力作用下首先斷 裂形成微裂紋，故強(qiáng)度下降。=8.87%FI 26-4第二題第6小顧解答圖1.體心立方晶體共有12個(gè)可能的滑移系1， 口1。根據(jù)作用在滑移

9、系上的分切應(yīng)力T施密特因子c。件cwA最大的滑移系為始滑移系。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：1011?？赡艿慕换葡禐椋菏蓟葡悼赡艿慕换葡凳撬?2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 ill和血illO2.T玲=crficos?cosA_101123ill 123 _4_4_ 4F UOlIx 11231 |lll|x|123 i富廠苗石/有二亓3.晶體的滑移實(shí)際上是晶體滑移面內(nèi)柏氏欠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：_a刃位錯(cuò)：位錯(cuò)線方向?yàn)?，柏氏欠量為2為 。Q螺位錯(cuò)：

10、位錯(cuò)線方向?yàn)镮，柏氏欠量為2為囪。4.晶體的滑移面與晶體外外表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。ioi x inJ = 121 x in故滑移線的方向?yàn)椋篐I,滑移運(yùn)動(dòng)方向m運(yùn)動(dòng)方向OLQ% (%)四、1.平衡結(jié)晶過(guò)程：如圖26-5所小，連接A、O兩點(diǎn)并延長(zhǎng)，交Eei線丁d點(diǎn)，交BC線丁a點(diǎn)；連接E、d兩點(diǎn)并延長(zhǎng)，交AB線丁f點(diǎn)。當(dāng)溫度降至稍低 丁合金成分線與液相面AeiEeiA的交點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始從液體中結(jié)晶出成分為A的初生 晶A初；隨溫度降低，A初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(kāi)始發(fā)生兩

11、相共晶轉(zhuǎn) 變，結(jié)晶出(4+B)共晶，隨溫度降低，液體的量減少且成分從d點(diǎn)沿dE線變化， 當(dāng)剩余液體的成分變到E點(diǎn)時(shí)，(A+B)共晶的平均成分為f點(diǎn)；E點(diǎn)成分的液體在 包溫下發(fā)生三相共晶轉(zhuǎn)變，全部結(jié)晶為(A+B+C*晶，直至室溫不再發(fā)生變化。C圖26-5第四題腓答圖2.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初+(A+B)共晶+(A+B+C*晶。3.連接8。兩點(diǎn)并延長(zhǎng)BO交AC線丁b點(diǎn)；連接C、。兩點(diǎn)并延長(zhǎng)CO交AB線丁c點(diǎn),那么:室溫時(shí)各相組成物的質(zhì)量白分?jǐn)?shù)分別為WJ=察x 100%4.4(7K 100%* BbOc室溫時(shí)各組織組成物的質(zhì)量白分?jǐn)?shù)分別為Ed AO=x x 100%

12、Ej Addf AO約護(hù)布X】00%五、設(shè)立方體晶核的邊長(zhǎng)為a,液體與固體問(wèn)的單位體積自由能差為AGV,晶核 外表積為A,晶核的體積為V,那么形核時(shí)自由能變化AG為32 G=VG v+As=a G v+6a sd AGn令d。解得臨界晶核邊長(zhǎng)a*為那么臨界形核功AG為,勺 32sMT =。知十 6G*%=涪草而臨界外表形核能為32G* (3G 尸 _ I7*7 96? - 3(M7六、1.在本征半導(dǎo)體Si或Ge中參加少量 成的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體；在本征半導(dǎo)體Al或Ga或In等元素，所形成的半導(dǎo)體稱為主電子、本征電子及等量的本征空穴，故其電子濃度高丁空穴濃度；后者的載 流子包括受主空穴、本征電

13、子及等量的本征空穴，故其空穴濃度高丁電子濃 度。2.室溫下處丁玻璃態(tài)的高分子材料稱為塑料，室溫下處丁高彈態(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，Q6.-6 (-外&如)VA族的P或As或Sb等元素，所形Si或Ge中參加少量IHA族的B或p型半導(dǎo)體。前者的載流子包括施彈性較高。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。由丁這些化合物中的結(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；但由丁燒結(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，使靠近固液界面局部液體的實(shí)際 溫度低丁理論結(jié)晶溫度而處丁過(guò)冷狀態(tài)，這種過(guò)冷稱為成分過(guò)冷。在成分過(guò)冷一 mCo 1 -如中臨界條件表達(dá)式M, 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f越小，其成分過(guò)冷的傾向也越小。成分過(guò)冷傾向越小的合金，其固液界面越傾向丁平直狀，因而液體的流動(dòng)性越 好，結(jié)晶后形成的疏松也越少，故合金的鑄造性能越好。對(duì)丁共晶