2023年南航《材料科學(xué)基礎(chǔ)》真題及答案

一、簡答題1〕右圖為一立方晶胞，A、B、G、H為頂點(diǎn)，C、E、F為棱邊中點(diǎn)，求OGC、EFGH的晶面指數(shù)和AB的晶向指數(shù)。OGC：〔211〕EFGH：(012)AB:[111]2〕如以下列圖所示的位錯(cuò)環(huán)，說明各段位錯(cuò)的性質(zhì)，并且說明刃位錯(cuò)的半原子面的位置。由柏氏矢量與位錯(cuò)線的關(guān)系可以知道,BC是右旋螺位錯(cuò),DA為左旋螺位錯(cuò)；〔1分〕由右手法那么,CD為正刃型位錯(cuò),多余半原子面在紙面上方；〔2分〕AB為負(fù)刃型位錯(cuò),多余半原子面在紙面下方。〔2分〕陶瓷材料中主要結(jié)合鍵是什么？從結(jié)合鍵的角度解釋陶瓷材料所具有的特殊性能。陶瓷材料中主要結(jié)合鍵是離子鍵和共價(jià)鍵。由于離子鍵及共價(jià)鍵很強(qiáng)，故陶瓷的抗壓強(qiáng)度很強(qiáng)，硬度極高；因?yàn)樵右噪x子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合時(shí)，外層電子處于穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，不能自由運(yùn)動(dòng)；4〕試分析形成枝晶偏析的原因，如何消除？固熔體不平衡結(jié)晶時(shí)，從液體中先后結(jié)晶出來的固相成分不同，造成的晶粒內(nèi)枝干含高熔點(diǎn)組元較多，而晶枝間含低組元較多，導(dǎo)致晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象?！?分〕可用擴(kuò)散退火〔或均勻化退火〕消除，即將鑄件加熱至低于固相線100～200℃，長時(shí)間保溫，使偏析元素充分?jǐn)U散?！?分〕5〕Ｃ在α—Fe中的擴(kuò)散系數(shù)大于Ｃ在γ—Fe中的擴(kuò)散系數(shù)，為什么滲Ｃ不在α—Fe中進(jìn)行，而在γ—Fe中進(jìn)行？α-Fe是體心立方結(jié)構(gòu)，八面體間隙尺寸為0.15〔較小〕，進(jìn)行滲碳時(shí)，碳在α-Fe中的熔解度很小，滲碳時(shí)會(huì)出現(xiàn)典型的反響擴(kuò)散現(xiàn)象?！?分〕滲碳在α-Fe中進(jìn)行時(shí)，溫度低，擴(kuò)散系數(shù)小，擴(kuò)散速度慢；γ-Fe是面心立方結(jié)構(gòu)，八面體間隙尺寸為0.414〔較大〕，碳的熔解度高，擴(kuò)散速度快。所以滲碳不在α-Fe中進(jìn)行，而在γ-Fe中進(jìn)行。6〕固溶體和金屬間化合物在成分、結(jié)構(gòu)、性能等方面有何差異？固溶體是固態(tài)下一種組元〔溶質(zhì)〕溶解在另一種組元〔溶劑〕中而形成的新相；固溶體具有溶劑組元的點(diǎn)陣類型；固溶體的硬度、強(qiáng)度往往高于組成它的成分，而塑性那么較低。〔2.5分〕金屬間化合物就是金屬與金屬，或金屬與類金屬之間所形成的化合物；結(jié)構(gòu)不同于組元結(jié)構(gòu)而是一個(gè)新結(jié)構(gòu)；金屬間化合物具有極高的硬度、較高的熔點(diǎn)，而塑性很差。7)在單位晶胞中畫出立方晶系的如下晶面和晶向：〔121〕、〔101〕、[121]、[212]略8〕試用位錯(cuò)理論解釋固溶強(qiáng)化的原因。固溶在點(diǎn)陣間隙或節(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，該應(yīng)力場與位錯(cuò)產(chǎn)生的應(yīng)力場交互作用，使位錯(cuò)周圍產(chǎn)生柯氏氣團(tuán)；〔2分〕由于柯氏氣團(tuán)的釘扎作用，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，造成固溶強(qiáng)化?！?分〕9〕試說明晶體滑移的臨界分切應(yīng)力定律τ＝σ0m；σ0＝P/A，m=cos?cosλ,當(dāng)外力P一定時(shí)，作用于滑移系上的分切應(yīng)力與晶體受力的位向有關(guān)。〔3分〕當(dāng)σ0＝σS時(shí)，晶體開始滑移，此時(shí)滑移方向上的分切應(yīng)力稱為臨界分切應(yīng)力?！?分〕10〕試用位錯(cuò)理論解釋細(xì)晶強(qiáng)化和加工硬化的原因。細(xì)晶強(qiáng)化：晶粒越細(xì)，晶界就越多，阻礙位錯(cuò)通過的能力就越強(qiáng)，抵抗塑性變形的能力增加，材料的強(qiáng)度提高。〔2分〕加工硬化：晶體在發(fā)生塑性變形過程中，由于多滑移啟動(dòng)的緣故，導(dǎo)致位錯(cuò)之間發(fā)生相互作用，產(chǎn)生大量的位錯(cuò)纏結(jié)或位錯(cuò)塞積，阻止位錯(cuò)進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，使得材料強(qiáng)度、硬度上升，塑性、韌性下降?！?分〕11〕用一冷拉鋼絲繩吊裝一大型工件入爐，并隨工件一起加熱到1000℃，加熱完畢，當(dāng)?shù)醭龉ぜr(shí)鋼絲繩發(fā)生斷裂。試分析其原因。冷拉鋼絲繩的加工過程是冷加工過程。由于加工硬化，使鋼絲的強(qiáng)度、硬度升高，故承載能力提高；〔2分〕當(dāng)其被加熱時(shí)，假設(shè)溫度超過了它的再結(jié)晶溫度，會(huì)時(shí)鋼絲繩產(chǎn)生再結(jié)晶，造成強(qiáng)度和硬度降低，一旦外載超過其承載能力，就會(huì)發(fā)生斷裂。〔3分〕12)試?yán)糜覉D〔Fe-O相圖〕分析純鐵在1000℃氧化時(shí)氧化層內(nèi)的組織與氧化濃度分布規(guī)律，畫出示意圖。答案：13〕試分析冷變形量對再結(jié)晶晶粒尺寸的影響。臨界變形量之前，晶粒尺寸不變；臨界變形量范圍，晶粒粗大；超過臨界變形量，隨著變形量的增加，晶粒細(xì)小。二、綜合題〔共90分〕1.簡述純金屬晶體長大機(jī)制及其與固—液界面微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。2.今有兩個(gè)形狀、尺寸相同的銅鎳合金鑄件，一個(gè)成分為WNi=0.90，一個(gè)成分為WNi=0.50，鑄造后自然冷卻。試分析：〔1〕凝固后哪個(gè)鑄件的微觀偏析較為嚴(yán)重?〔2〕哪種合金成分過冷傾向較大?〔書第123頁〕〔l)鑄件的偏析程度與合金相圖有關(guān)。一般液相線與固相線之間的垂直距離較大,說明合金的結(jié)晶溫度范圍大；液相線與固相線之間的水平距離越大，結(jié)晶時(shí)兩相成分的差異就越嚴(yán)重。所以在WNi為0.50的合金鑄件中，微觀偏析嚴(yán)重?！?分〕〔2〕WNi為0.50的合金,成分過冷傾向大。出現(xiàn)成分過冷的條件為G/R<mc0〔1-k0〕/Dk0，所以當(dāng)其他結(jié)晶條件相同時(shí)，C0越大，就越容易產(chǎn)生成分過冷?！?分〕3.畫出完整的Fe—Fe3C相圖，答復(fù)以下問題：〔15分〕〔1〕分析含1.2%C合金平衡狀態(tài)下結(jié)晶過程〔作圖表示〕，(2〕計(jì)算其室溫組織組成物和相組成物的相對含量；(3〕分析含2.0%C合金在室溫下組織中觀察到少量萊氏體組織的原因?！?〕畫出完整的Fe—Fe3C相圖作圖表示結(jié)晶過程：L、L＋γ、γ、γ＋Fe3CⅡ、〔γ→P〕P＋Fe3CⅡ；〔3分〕〔2〕相含量〔2分〕：α＝[〔6.69－1.2〕/〔6.69－0.01〕]×100％=82.2%Fe3C＝[〔1.2－0.01〕/〔6.69－0.01〕]×100％=17.8%組織含量〔3分〕：Fe3CⅡ＝[〔1.2－0.77〕/〔6.69－0.77〕]×100％=7.26%P＝[〔6.69－1.2〕/〔6.69－0.77〕]×100％=92.74%〔3〕該合金在不平衡結(jié)晶下，會(huì)產(chǎn)生離異共晶。所以含2.0%合金在室溫下組織中會(huì)觀察到少量萊氏體。4.銅單晶體拉伸時(shí)，假設(shè)力軸為[001]方向，臨界分切應(yīng)力為0.64Mpa，需要多大的拉伸力才能使晶體開始塑性變形？〔10分〕〔參考書217頁〕τ＝σ0COSΦCOSλ(2分)COSΦ=1/3(2分)COSλ=1/2(2分)σ=0.646〔最后一個(gè)6是根號(hào)6〕。〔4分〕5.簡要分析加工硬化、細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化及彌散強(qiáng)化在本質(zhì)上有何異同。6.為細(xì)化某純鋁件晶粒，將其冷變形5%后于630℃退火1小時(shí)，組織反而粗化；增大冷變形量至80%，再于630℃退火1小時(shí)，仍然得到粗大晶粒。試分析其原因，并指出上述兩種工藝不合理之處，請制定一種合理的細(xì)化工藝〔鋁的熔點(diǎn)為660℃〕?！?0分〕〔1〕冷變形5％后于630℃退火1小時(shí)組織粗化的原因是：變形在臨界變形度范圍內(nèi)，導(dǎo)致少數(shù)再結(jié)晶晶核形核并長大，工藝不合理；〔3分〕〔2〕冷變形80％，630℃退火1小時(shí)組織粗化的原因是：導(dǎo)致再結(jié)晶異常長大〔二次再結(jié)晶〕使晶粒粗大