材料科學(xué)基礎(chǔ)真題2004年

1、（清華大學(xué)）材料科學(xué)基礎(chǔ)真題2004年（總分：150.00，做題時間：90分鐘）一、B論述題/B（總題數(shù)：13,分?jǐn)?shù)：150.00）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）正確答案：（a）的晶向指數(shù)是正確答案：（1 .單晶試棒沿軸向進(jìn)行拉伸，所以拉力* o該力Fi在立方晶系001標(biāo)準(zhǔn)投影（如下圖中F1）上的極點處于*取向三角形中 *因為FCC晶體的滑移系統(tǒng)為111*所以根據(jù)映象規(guī)則，可知初始滑移系統(tǒng)為：*2. 單滑移時試樣軸應(yīng)轉(zhuǎn)向*，轉(zhuǎn)軸為* o3. 當(dāng)F1點轉(zhuǎn)到F2點時，發(fā)生雙滑移。雙滑移系統(tǒng)為：*4. y可按下式計

2、算： 令* o代入上式：*所以* ； （b）的晶向指數(shù)是* ； （c）的晶向指數(shù)是* ；（d）的晶向指數(shù)是*。（E） 的晶面指數(shù)是* ； （F）的晶面指數(shù)是* ； （G）的晶面指數(shù)是* ； （H）的晶面指數(shù)是* o ）解析：2. 二維點陣共有幾種？指岀其類型并用圖表示。（分?jǐn)?shù)：5.00 ）正確答案：（見下表。*） 解析：3.畫出下列晶體的一個晶胞：（a）纖鋅礦（ZnS） ； （b）鈣鈦礦（BaTiO 3） ； （c）方石英（SiO 2）。（分?jǐn)?shù)：12.00 ）4.圖示并寫出FCC BCC HC正確答案：（見下圖。*） 解析：的密排面、密排面間距、密排方向、密排方向最小單位長度。（分?jǐn)?shù)：5.00

3、 ）正確答案：（見下表。*） 解析：5.沿鋁（Al）單晶的方向拉伸，使其發(fā)生塑性變形，請確定:1畫出立方晶系I i*Ld標(biāo)準(zhǔn)投影或取向胞，并由此確定初始滑移系統(tǒng)。2 .轉(zhuǎn)動規(guī)律和轉(zhuǎn)軸。 3 .雙滑移系統(tǒng)。4 .雙滑移開始時晶體的取向和切變量。5 .雙滑移過程中晶體的轉(zhuǎn)動規(guī)律和轉(zhuǎn)軸。6 .晶體的最終取向（分?jǐn)?shù)：20.00 ）解得 v=2, w=-4, *即雙滑移開始時的取向是*，切變量是*。5雙滑移時試樣軸一方面轉(zhuǎn)向*，其轉(zhuǎn)軸為*; 一方面又轉(zhuǎn)向*，其轉(zhuǎn)軸為*。故合成轉(zhuǎn)軸為 n=m+n2=000,即晶體取向不再改變，只是被拉長。6晶體的最終取向就是F2，即*。）解析:和一正三角形空位片 MNO如

4、圖所示,已知原子在111方向的堆垛次序。（分?jǐn)?shù)：10.00）1 .寫岀各位錯的柏式矢量。2.判斷各位錯的性質(zhì)。 3 .指岀I、H、山區(qū)正確答案：（1 . MN NO 0M位錯線的柏式矢量為* ; EF的柏式矢量為 個空位片，所以 MN NO OM是 Frank分位錯；EF是Shockley分位錯。 柏式矢量為*時，是右旋螺型位錯；當(dāng) EF的柏式矢量為*，或者* ABCABCABCABC:*）解析：*（或者*。2 正三角形 MNO MN NO OM都是刃型位錯。當(dāng) EF時，為混合位錯。3.I： * n：7.有兩條相距為d的刃型位錯1和2,其柏式矢量分別為，求位錯2受位錯1的攀移力和滑移力。已知刃

5、位錯的應(yīng)力場為:（分?jǐn)?shù)：10.00）正確答案：（1）滑移力* （2） 攀移力*） 解析：8.有兩根單晶Zn棒（Zn為HCFP吉構(gòu)，其c/a=1.86），軸向分別為 拉伸，請分析各自可能的形變方式，寫岀相應(yīng)的滑移系統(tǒng)或者孿生系統(tǒng)（分?jǐn)?shù)：10.00）、0001，今在室溫條件下沿軸向 （如果啟動的話）。正確答案：（下圖為HCP晶體的孿生四要素：K n 1, K 2 n 2*K、K2的夾角2*為：*因為 Zn 的 c/a=1.86所以*為銳角如果發(fā)生孿生時，在*區(qū)域內(nèi)該晶向應(yīng)縮短。1 當(dāng)軸向為0001的Zn棒沿軸向拉伸時，軸向伸長，與孿生時長度變化趨勢相反，故不可孿生。因拉伸時，外力沿著軸向0001，

6、與滑移面（0001）垂直，故Schmid因子為0，不可滑移。所以當(dāng)軸向為0001的 Zn棒沿軸向拉伸時，Zn棒會脆斷。2當(dāng)軸向為*的Zn棒沿軸向拉伸時，一方面0001晶向?qū)⒖s短，與孿生時長度變化一致，所以能發(fā)生孿 生，孿生系統(tǒng)為*;另一方面，根據(jù)Schmid定律，可知Zn棒不發(fā)生滑移。但孿生的結(jié)果可改變位向， 從而可產(chǎn)生滑移，故Zn棒會表現(xiàn)岀一定塑性。）解析：9.寫岀：點缺陷的平衡濃度表達(dá)式；擴(kuò)散系數(shù)與溫度關(guān)系的表達(dá)式，并指岀每個參量所表達(dá)的物理意 義。（分?jǐn)?shù)：10.00）6.在FCC晶體的（111）面上有一自左向右掃過的Shockley分位錯正確答案：（點缺陷的平衡濃度表達(dá)式Schottky

7、缺陷濃度*式中，*為Schottky點缺陷平衡濃度； GS為Schottky點缺陷的摩爾生成 Gibbs 自由焓；T為體系所處的熱力學(xué)溫度（K） ； R為摩爾氣體常數(shù)。Frenkel缺陷濃度*式中，*為FrenkeI點缺陷平衡濃度；4G為FrenkeI點缺陷的摩爾生成 Gibbs自由焓；T為體系所處的 熱力學(xué)溫度（K） ； R為摩爾氣體常數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)與溫度關(guān)系的表達(dá)式*式中，Do為擴(kuò)散常數(shù)或頻率因子；Q為擴(kuò)散激活能（J/mol） ； T為體系所處的熱力學(xué)溫度（K） ； R為摩爾氣體常數(shù)。）解析：10. 何謂克根達(dá)耳效應(yīng)，克根達(dá)耳試驗結(jié)果給人們哪些啟示？（分?jǐn)?shù)：10.00）正確答案：（ 克根達(dá)耳

8、效應(yīng) 如圖所示，在FCC結(jié)構(gòu)的a黃銅（Cu+30%Zn）棒上敷上很細(xì)的鉬絲作為標(biāo)記， 再在黃銅上鍍銅，將鉬絲包在黃銅與銅之間，在一定溫度下進(jìn)行擴(kuò)散。其中鉬絲僅作為標(biāo)志物，在整個實 驗過程中不參加擴(kuò)散。擴(kuò)散組元是銅和鋅，二者構(gòu)成置換式固溶體。在置換式固溶體的擴(kuò)散過程中，放置 在原始界面上的標(biāo)志物朝著低熔點元素的方向移動，移動距離與時間成拋物線關(guān)系。造成這種現(xiàn)象的原因 是：低熔點組元擴(kuò)散快，高熔點組元擴(kuò)散慢，這種不等量的原子交換造成克根達(dá)耳效應(yīng)。* （2） 克根達(dá)耳效應(yīng)的實際意義 揭示了擴(kuò)散宏觀規(guī)律與微觀擴(kuò)散機制的內(nèi)在聯(lián)系，具有普遍性；直接否認(rèn)了置換式 固溶體擴(kuò)散的換位機制，支持了空位機制；擴(kuò)散系

9、統(tǒng)中每一種組元都有自己的擴(kuò)散系數(shù)；克根達(dá)耳現(xiàn) 象往往會產(chǎn)生副效應(yīng)，如收縮不完全會造成克根達(dá)耳孔等，這些副效應(yīng)在實際當(dāng)中往往產(chǎn)生不利的影響， 因而應(yīng)設(shè)法加以控制。） 解析：11. 畫圖并指出典型鑄錠（如鋼水在砂模中）的組織，并指出其形成原因。（分?jǐn)?shù)：10.00）正確答案：（如圖所示，典型的鑄錠組織由三區(qū)組成：第1區(qū)為緊靠模壁表面的細(xì)晶區(qū)；第 2區(qū)為垂直模壁表面生長的柱狀晶區(qū)；第 3區(qū)為鑄錠中部的等軸晶區(qū)。* （1）表面細(xì)晶區(qū) 該區(qū)核心多、冷卻速度快、過冷度大，以樹枝狀向各個不同方向長大，因而形成細(xì)小、等軸晶體。由于細(xì)晶區(qū)結(jié)晶很快，放出的結(jié)晶潛 熱來不及散失，而使液一固界面的溫度急劇升高，使細(xì)晶區(qū)

10、很快便停止了發(fā)展，得到一層很薄的細(xì)晶區(qū)殼 層。（2）柱晶區(qū) 細(xì)晶區(qū)形成后，模壁溫度升高，散熱減慢，液體冷速降低，過冷度減小，不再生核，細(xì)晶 區(qū)中生長速度快的晶體可沿垂直模壁的散熱反方向發(fā)展，其側(cè)向生長因相互干擾而受阻，因而形成一級主 軸發(fā)達(dá)的柱狀晶。（3）中心等軸晶區(qū) 在中心過冷液體中，以外來雜質(zhì)、細(xì)晶區(qū)的小晶體、柱晶區(qū)枝晶分枝 等為晶核，形成等軸晶體。）解析：12. 指出圖中各相圖的錯誤，并加以解釋（分?jǐn)?shù)：20.00 ）正確答案：（1）根據(jù)相律：f=c-p+1在共晶反應(yīng)中，組元數(shù) c=2,相數(shù)p=3,所以自由度f=0，因此在共晶 反應(yīng)中溫度恒定，共晶反應(yīng)線在相圖中應(yīng)對應(yīng)于一條水平線，而不是斜

11、線。（2）根據(jù)相律：f=c-p+1在包晶反應(yīng)中，組元數(shù)c=2，相數(shù)p=3，所以自由度f=0，因此在包晶反應(yīng) a +L=B中B的成分應(yīng)該不可變， 相圖中p成分在一個區(qū)間內(nèi)可變，所以是錯誤的。（3）勻晶相圖中某一溫度下，只能是確定成分的液相與確定成分的固相相平衡。不可能在某一溫度下，有兩個不同成分的液相（或固相）平衡。（4）根據(jù)熱力學(xué)，所有兩相區(qū)的邊界線不應(yīng)延伸到單相區(qū)，而應(yīng)伸向兩相區(qū)。）解析：13. 畫出 Fe-Fe3C 相圖與下列問題相關(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(jié)晶過程和組織的變化。3. 畫

12、出在800C下該合金在平衡狀態(tài)下的自由能 -成分曲線，并用圖解法作出其形核驅(qū)動力 4如純鐵在800C滲碳?xì)夥障聰U(kuò)散，試由 Fe-FesC相圖分析等溫擴(kuò)散后冷卻至室溫的組織。 (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)晶過程在高溫結(jié)晶時不發(fā)生包晶反應(yīng)。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，y相增多，2為丫相點。2- 3 不發(fā)生變化，仍保持 y 相。3- 4 y相中析出滲碳體，YFesG，隨Fe3Cn析出，丫相沿ES變化。4 y s+FqG，* *4- 4' y s a +F&C,形成 P 組織。4'以后不發(fā)生變化。在室溫下組織為P+F6G，即過共析鋼*即最后室溫組織中 FesG為20.78%，P為79.22%。室溫組織示意于下圖。*2. 可能發(fā)生共晶反應(yīng) L-Ld( y +Fe3C)： 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