材料科學(xué)基礎(chǔ)真題2002年

（清華大學(xué)）材料科學(xué)基礎(chǔ)真題2002年（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）巳知面心立方合金a-黃銅的軋制織構(gòu)為110V112〉。1.解釋這種織構(gòu)所表達(dá)的意義。用立方晶體001標(biāo)準(zhǔn)投影圖說明其形成原因。（分?jǐn)?shù)：10.00）正確答案：（1.為板織構(gòu)。{110}＜112〉織構(gòu)表示{110}〃軋面，＜112〉〃軋向。2.a-黃銅為FCC結(jié)構(gòu)，滑移系統(tǒng)為{111}＜101〉。沿軋向受到拉力的作用，晶體滑移轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖所示，［011］,拉力軸轉(zhuǎn)向在晶體學(xué)坐標(biāo)系中，設(shè)拉力軸T1位于001-101-111［011］,拉力軸轉(zhuǎn)向［011］方向，使拉力軸與滑移方向的夾角入減小。當(dāng)力軸到達(dá)兩個(gè)取向三角形的公共邊，即T2時(shí)，開始發(fā)101］也啟動(dòng)，拉力軸既轉(zhuǎn)向101］也啟動(dòng)，拉力軸既轉(zhuǎn)向［011］方向，又轉(zhuǎn)向［101］方向，結(jié)果沿公共邊轉(zhuǎn)動(dòng)。到達(dá)［112］方向時(shí)，由于［101］、［112］、［011］位于同一個(gè)大圓上，兩個(gè)入角同時(shí)減小到最小值，故［112］為最終穩(wěn)定位置，從而使＜112〉方向趨向于軋向；在軋面上受到壓力作用，設(shè)壓力軸Pl位于向三角形中，則始滑移系為［101］，壓力軸轉(zhuǎn)向，軸到達(dá)兩個(gè)取向三角形的公共邊，即P時(shí)，開始發(fā)生雙滑移，滑移系，結(jié)果沿公共邊轉(zhuǎn)動(dòng)。到達(dá)又轉(zhuǎn)向同時(shí)減小到最小值，故個(gè)軋面，＜112〉〃軋向。□解析：2.證明：對(duì)立方晶系，有［hkl口（hkl）。時(shí)，由于使壓力軸與為最終穩(wěn)定位置，從而使＜112〉方向趨向于軋向；在軋面上受到壓力作用，設(shè)壓力軸Pl位于向三角形中，則始滑移系為［101］，壓力軸轉(zhuǎn)向，軸到達(dá)兩個(gè)取向三角形的公共邊，即P時(shí)，開始發(fā)生雙滑移，滑移系，結(jié)果沿公共邊轉(zhuǎn)動(dòng)。到達(dá)又轉(zhuǎn)向同時(shí)減小到最小值，故個(gè)軋面，＜112〉〃軋向。□解析：2.證明：對(duì)立方晶系，有［hkl口（hkl）。時(shí)，由于使壓力軸與滑移面的夾角□也［g知|IiS^-l——、I ■立于同一大圓上，兩啟動(dòng)，壓力軸既轉(zhuǎn)向減小。當(dāng)力為最終穩(wěn)定位置，從而使岳E：?、趨于平行于軋面。其結(jié)果，{110}〃（分?jǐn)?shù)：5.00）正確答案：（根據(jù)晶面指數(shù)的確定規(guī)則并參照下圖，（hkl）晶面ABC在a、b、c正確答案：（根據(jù)晶面指數(shù)的確定規(guī)則并參照下圖，（hkl）晶面ABC在a、b、c坐標(biāo)軸上的截距分別是艮據(jù)晶向指數(shù)的確定規(guī)則，［hkl］晶向L=ha+kb+lc。利用立方晶系中a=b=c，a=p=Y=90°的特點(diǎn)，有由于L與ABC面上相交的兩條直線垂直，所以L垂直于ABC面，從而在立方晶系中有［hkl］上（hkl）。）解析：二維點(diǎn)陣共有幾種？指出其類型并用圖表示。（分?jǐn)?shù)：5.00）4.以BaTiO4.以BaTiO3為例，畫出鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)，并解釋這類結(jié)構(gòu)材料的介電常數(shù)較高和可能具有超導(dǎo)性的原因。（分?jǐn)?shù)：10.00）正確答案：（鈣鈦礦（BaTiq）的晶體結(jié)構(gòu)如圖所示。這類結(jié)構(gòu)材料介電常數(shù)較大的原因是因?yàn)槲挥谘踉影嗣骟w間隙中的金屬原子半徑較小，在交流電場(chǎng)作用下可以來回振動(dòng)?？赡芫哂谐瑢?dǎo)性的原因是氧原子和金屬原子的層狀結(jié)構(gòu)，以ABO3為例，一層為A和O的原子層，一層為B和o的原子層，交替堆垛，超導(dǎo)載流子易于在層內(nèi)運(yùn)動(dòng)。） 3解析：面心立方金屬單晶體沿［001］拉伸可有幾個(gè)等效滑移系同時(shí)啟動(dòng)？沿［111］拉伸可有幾個(gè)等效滑移系同時(shí)啟動(dòng)？并具體寫出各滑移系的指數(shù)。（分?jǐn)?shù)：10.00）正確答案：（根據(jù)“映象規(guī)則”，利用立方晶體的001標(biāo)準(zhǔn)投影，可知當(dāng)FCC結(jié)構(gòu)的晶體沿［001］軸拉伸時(shí)，[011]、[011]、[110]、其等效滑移系共有8個(gè)，分別是：（111）(111)[101]、［011］。當(dāng)FCC結(jié)構(gòu)的晶體沿［111］方向拉伸時(shí)，其等效滑移系有6個(gè)，分別是:[011]、[101]、[101]、[110]。)[101]、[011]、[011]、[110]、其等效滑移系共有8個(gè)，分別是：（111）(111)[101]、［011］。當(dāng)FCC結(jié)構(gòu)的晶體沿［111］方向拉伸時(shí)，其等效滑移系有6個(gè)，分別是:[011]、[101]、[101]、[110]。)[101]、解析：按下列5條匯總FCC晶體中的主要位錯(cuò)：位錯(cuò)名稱；②柏式矢量；③位錯(cuò)性質(zhì)（刃型、螺型、混合位錯(cuò)等）;④位錯(cuò)形成方式；⑤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（滑移、攀移、還是不動(dòng)等）。（分?jǐn)?shù):15.00）正確答案：（見下表。解析：何謂合金擴(kuò)散過程中的克根達(dá)耳效應(yīng)（Kirkendalleffect）,克根達(dá)耳實(shí)驗(yàn)結(jié)果給人們哪些啟示？指出其在實(shí)踐中的意義。（分?jǐn)?shù)：10.00）正確答案：（克根達(dá)耳效應(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)的鑰絲作為標(biāo)記，再在黃銅上鍍銅，將鑰絲包在黃銅與銅之間，在一定溫度下進(jìn)行擴(kuò)散。其中鑰絲僅作為標(biāo)志物，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)元素的方向移動(dòng)，移動(dòng)距離與時(shí)間呈拋物線關(guān)系。造成這種現(xiàn)象的原因是：低熔點(diǎn)組元擴(kuò)散快，高熔點(diǎn)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)。克根達(dá)耳效應(yīng)的實(shí)際意義有：①揭示了擴(kuò)散宏觀規(guī)律與微觀擴(kuò)散機(jī)制的內(nèi)在聯(lián)系，具有普遍性；②直接否認(rèn)了置換式固溶體擴(kuò)散的換位機(jī)制，支持了空位機(jī)制；③擴(kuò)散系統(tǒng)中每一種組元都有自己的擴(kuò)散系數(shù)；④克根達(dá)耳現(xiàn)象往往會(huì)產(chǎn)生副效應(yīng)，如收縮不完全會(huì)造成克根達(dá)耳孔等，這些副效應(yīng)在實(shí)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：解釋冷變形金屬加熱時(shí)回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大的過程及特點(diǎn)。2.巳知Cu-30%Zn合金的再結(jié)晶激活能為250kJ/mol，此合金在400°C的恒溫下完成再結(jié)晶需要1小時(shí)，試求此合金在390C的恒溫下完成再結(jié)晶需要多少小時(shí)。（分?jǐn)?shù):15.00）正確答案：（1.冷變形金屬加熱時(shí)，先后發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大三個(gè)過程，各自特點(diǎn)如下：（1） 回復(fù)過程的特征回復(fù)過程組織不發(fā)生變化，仍保持變形狀態(tài)伸長(zhǎng)的晶粒?；貜?fù)過程使變形引起的宏觀（一類）應(yīng)力全部消除，微觀（二類）應(yīng)力大部消除。回復(fù)過程中一般力學(xué)性能變化不大，硬度、強(qiáng)度僅稍有降低，塑性稍有提高，某些物理性能有較大變化，電阻率顯著降低，密度增大。變形儲(chǔ)能在回復(fù)階段部分釋放。（2） 再結(jié)晶過程的特征組織發(fā)生變化，由冷變形的伸長(zhǎng)晶粒變?yōu)樾碌牡容S晶粒。力學(xué)性能發(fā)生急劇變化，強(qiáng)度、硬度急劇降低，塑性提高，恢復(fù)至變形前的狀態(tài)。變形儲(chǔ)能在再結(jié)晶過程中全部釋放，點(diǎn)陣畸變（三類應(yīng)力）清除，位錯(cuò)密度降低。（3） 晶粒長(zhǎng)大過程的特征晶粒長(zhǎng)大。引起一些性能變化，如強(qiáng)度、塑性、韌性下降。伴隨晶粒長(zhǎng)大，還發(fā)生其他結(jié)構(gòu)上的變化，如再結(jié)晶織構(gòu)。2.由公式有由公式有2.由公式有由公式有所以t=tX1.962=1.962h）

解析：的不同，合金由基體a和第二相p組成，若p相分布在晶界,月和a相不共格，試分析因界面能YP相可能的組織形態(tài)。的不同，（分?jǐn)?shù)：10.00）正確答案：（合金由基體a和第二相p組成，若p相分布在晶界，p和a相不共格，其形貌取決于兩個(gè)a晶粒間的夾角（兩面角、接觸角），在界面張力間存在圖a所示的平衡關(guān)系，即:式中，Yaa為a相的界面張力;y式中，Yaa為a相的界面張力;yap為兩相間的界面張力;B為兩面角，決定于界而張力的比值Yaa/Yap⑴當(dāng)Y =Y6,9aaap，⑵當(dāng)y>>Y=120。，第二相形狀如圖b所示。9=180°，第二相形狀如圖c所示。10.畫出Cu-Al合金在時(shí)效處理過程中硬度隨時(shí)間的變化曲線，并用位錯(cuò)理論加以解釋。（分?jǐn)?shù)：10.00）正確答案：（Cu-Al合金在時(shí)效處理過程中硬度隨時(shí)間的變化曲線如圖所示。由于原子偏聚或形成有序化區(qū)域，產(chǎn)生共格變形的晶格畸變。位錯(cuò)線切過析出物，會(huì)