西北工業(yè)大學(xué)2023-2023材料科學(xué)基礎(chǔ)真題及答案

西北工業(yè)大學(xué)2023年碩士研究生入學(xué)考試試題試題名稱：材料科學(xué)根底〔A卷〕試題編號：832說明：所有答題一律寫在答題紙上第1頁共2頁一、簡答題〔每題10分，共50分〕1.請解釋γ-Fe與α-Fe溶解碳原子能力差異的原因。2.請簡述位向差與晶界能的關(guān)系，并解釋原因？3.請簡述在固態(tài)條件下，晶體缺陷、固溶體類型對溶質(zhì)原子擴散的影響。4.請分析、解釋在正溫度梯度下凝固，為什么純金屬以平面狀生長，而固溶體合金卻往往以樹枝狀長大？5.鐵碳合金中可能出現(xiàn)的滲碳體有哪幾種？它們的成分有何不同？平衡結(jié)晶后是什么樣的形態(tài)？二、作圖計算題〔每題15分，共60分〕1.寫出附圖的簡單立方晶體中ED、C’F的晶向指數(shù)和ACH、FGD’的晶面指數(shù)，并求ACH晶面的晶面間距，以及FGD’與A’B’C’D’兩晶面之間的夾角?！沧ⅲ篏、H點為二等分點，F(xiàn)點為三等分點〕2.請判斷圖示中和兩位錯各段的類型，以及兩位錯所含拐折〔bc、de和hi、jk〕的性質(zhì)？假設(shè)圖示滑移面為fcc晶體的〔111〕面，在切應(yīng)力的作用下，兩位錯將如何運動？〔繪圖表示〕3.某合金的再結(jié)晶激活能為250KJ/mol，該合金在400℃完成再結(jié)晶需要1小時，請問在390℃下完成再結(jié)晶需要多長時間?！矚怏w常數(shù)R=8.314L/mol·4.請分別繪出fcc和bcc晶體中的最短單位位錯，并比擬二者哪一個引起的畸變較大。三、綜合分析題〔共40分〕1、請分析對工業(yè)純鋁、Fe-0.2%C合金、Al-5%Cu合金可以采用的強化機制，并闡述機理?！?5分〕2、請根據(jù)Cu-Zn相圖答復(fù)以下問題：(25分)1)假設(shè)在500℃2)請分析902℃、834℃、700℃、5983)請繪出Cu-75%Zn合金的平衡結(jié)晶的冷卻曲線，并標明各階段的相變反響或相組成。4)請計算Cu-75%Zn合金平衡結(jié)晶至200℃2023年碩士研究生入學(xué)考試試題參考答案一、簡答題〔每題10分，共50分〕1.請解釋γ-Fe與α-Fe溶解碳原子能力差異的原因。答：α-Fe為體心立方晶體，其八面體間隙為扁八面體，相比而言四面體間隙較大；γ-Fe為面心立方，其八面體間隙大。體心立方的四面體間隙比面心立方的八面體間隙小很多，因此溶解小原子的能力小很多。2.請簡述位向差與晶界能的關(guān)系，并解釋原因？答：位向差越大晶界能越高；隨位向差增大，晶界能先快速增大，后逐漸趨于穩(wěn)定。原因：位向差越大，缺陷越多〔小角晶界位錯密度越大〕，畸變越嚴重，因此能量越高。3.請簡述在固態(tài)條件下，晶體缺陷、固溶體類型對溶質(zhì)原子擴散的影響。答：晶體缺陷處的原子具有較高能量，且原子排列比擬雜亂，有利于擴散。間隙原子擴散激活能比置換原子擴散激活能低，因此間隙原子擴散速度高。4.請分析解釋在正溫度梯度下凝固，為什么純金屬以平面狀方式生長，而固溶體合金卻往往以樹枝晶方式長大？答：正溫度梯度下，純金屬的液固界面是等溫的，小突起處的過冷度小，生長受到抑制，因此液固界面保持平直，以平面狀生長。固溶體合金由于溶質(zhì)原子再分配，產(chǎn)生成分過冷，液固界面處的小突起將獲得更大過冷度，因此以樹枝狀生長。5.鐵碳合金中可能出現(xiàn)的滲碳體有哪幾種？它們的成分有何不同？平衡結(jié)晶后是什么樣的形態(tài)？答：一次滲碳體〔規(guī)那么的、粗大條狀〕、共晶滲碳體〔萊氏體的連續(xù)基體〕、二次滲碳體〔沿奧氏體晶界分布，量多時為連續(xù)網(wǎng)狀，量少時是不連續(xù)網(wǎng)狀〕、共析滲碳體〔層片狀〕、三次滲碳體〔鐵素體晶界處〕。它們成分沒有區(qū)別。二、作圖計算題〔每題15分，共60分〕1.寫出附圖的簡單立方晶體中ED、C’F的晶向指數(shù)和ACH、FGD’的晶面指數(shù)，并求ACH晶面的晶面間距，以及FGD’與ABCD兩晶面之間的夾角?！沧ⅲ篏、H點為二等分點，F(xiàn)點為三等分點〕答：ED：，C’F：ACH：，F(xiàn)Gd：ACH的晶面間距：FGD’與ABCD之間的夾角：2.請判斷圖示中和兩位錯各段的類型，以及兩位錯所含拐折〔bc、de和hi、jk〕的性質(zhì)？假設(shè)圖示滑移面為fcc晶體的〔111〕面，在切應(yīng)力的作用下，兩位錯將如何運動？〔繪圖表示〕答：ab：螺位錯；bc：刃位錯；cd：螺位錯；de：刃位錯；ef：螺位錯gh：螺位錯；hi：刃位錯；ij：螺位錯；jk：刃位錯；kl：螺位錯bc、de為扭折，hi、jk為割階運動后恢復(fù)為直線，上的h、i、j、k為固定點，形成位錯源3.某合金的再結(jié)晶激活能為250KJ/mol，該合金在400℃完成再結(jié)晶需要1小時，請問在390℃下完成再結(jié)晶需要多長時間?！矚怏w常數(shù)R=8.314L/mol·答：所以t2＝1.96小時4.請分別繪出fcc和bcc晶體中的最短單位位錯，并比擬二者哪一個引起的畸變較大。答：BCC晶體中為：〔1分〕，F(xiàn)CC晶體中為：故：FCC中的b2引起的畸變較小。bcc：

fcc：三、綜合分析題〔共40分〕1、請分析對工業(yè)純鋁、Fe-0.2%C合金、Al-5%Cu合金可以采用的強化機制，并解釋機理?！?5分〕答：工業(yè)純鋁：細晶強化——利用晶界和位向差對位錯運動的阻礙作用進行強化；加工硬化——利用冷變形后纏結(jié)位錯之間的相互作用進行強化。Fe-0.2%C：固溶強化——利用碳原子引起鐵的晶格畸變對位錯運動的阻礙作用進行強化。加工硬化——同上細晶強化——同上沉淀強化——利用碳化物對位錯運動的阻礙作用進行強化。Al-5%Cu：沉淀強化〔時效強化〕——利用沉淀相對位錯運動的阻礙作用進行強化。加工硬化——同上細晶強化——同上2、請根據(jù)Cu-Zn相圖答復(fù)以下問題：(25分)1)假設(shè)在500℃2)請分析902℃、834℃、700℃、5983)請繪出Cu-75%Zn合金的平衡結(jié)晶的冷卻曲線，并標明各階段的相變反響或相組成。4)請計算Cu-75%Zn合金平衡結(jié)晶至200℃902℃：包晶——834℃：包晶——700℃：包晶——598℃：包晶——558℃：共析——西北工業(yè)大學(xué)2023年碩士研究生入學(xué)考試試題試題名稱：材料科學(xué)根底〔A卷〕試題編號：832說明：所有答題一律寫在答題紙上第1頁共2頁簡答題〔每題10分，共50分〕請從原子排列、彈性應(yīng)力場、滑移性質(zhì)、柏氏矢量等方面比照刃位錯、螺位錯的主要特征。何謂金屬材料的加工硬化？如何解決加工硬化對后續(xù)冷加工帶來的困難？什么是離異共晶？如何形成的？形成無限固溶體的條件是什么？簡述原因。兩個尺寸相同、形狀相同的銅鎳合金鑄件，一個含90%Ni，另一個含50%Ni，鑄造后自然冷卻，問哪個鑄件的偏析嚴重？為什么？作圖計算題〔每題15分，共60分〕寫出{112}晶面族的等價晶面。請判定以下反響能否進行：某晶體在500℃時，每1010個原子中可以形成有1個空位，請問該晶體的空位形成能是多少？〔該晶體的常數(shù)a＝0.0539，波耳滋曼常數(shù)K＝1.381×10-23J/K單晶銅拉伸，拉力軸的方向為[001]，σ=106Pa，求(111)面上柏氏矢量的螺位錯線上所受的力〔〕綜合分析題〔共40分〕經(jīng)冷加工的金屬微觀組織變化如圖a所示，隨溫度升高，并在某一溫度下保溫足夠長的時間，會發(fā)生圖b-d的變化，請分析四個階段微觀組織、體系能量和宏觀性能變化的機理和原因。根據(jù)Ag-Cd二元相圖：當(dāng)溫度為736℃、590℃、440℃分析Ag-56%Cd合金的平衡凝固過程，繪出冷卻曲線，標明各階段的相變反響。分析Ag-95%Cd合金的平衡凝固與較快速冷卻時，室溫組織會有什么差異，并討論其原因。西北工業(yè)大學(xué)2023年碩士研究生入學(xué)考試試題參考答案試題名稱：材料科學(xué)根底〔A卷〕試題編號：832說明：所有答題一律寫在答題紙上第1頁共7頁簡答題〔每題10分，共50分〕請從原子排列、彈性應(yīng)力場、滑移性質(zhì)、柏氏矢量等方面比照刃位錯、螺位錯的主要特征。答：刃型位錯：1晶體中有一個額外原子面，形如刀刃插入晶體2刃位錯引起的應(yīng)力場既有正應(yīng)力又有切應(yīng)力。3位錯線可以是折線或曲線,但位錯線必與滑移〔矢量〕方向垂直4滑移面惟一5位錯線的移動方向與晶體滑移方向平行〔一致〕6位錯線與柏氏矢量垂直螺型位錯：1上下兩層原子發(fā)生錯排，錯排區(qū)原子依次連接呈螺旋狀2螺位錯應(yīng)力場為純切應(yīng)力場3螺型位錯與晶體滑移方向平行，故位錯線一定是直線4螺型位錯的滑移面是不惟一；5位錯線的移動方向與晶體滑移方向相互垂直。6位錯線與柏氏矢量平行何謂金屬材料的加工硬化？如何解決加工硬化對后續(xù)冷加工帶來的困難？答：隨變形量增大，強度硬度升高，塑形下降的現(xiàn)象。軟化方法是再結(jié)晶退火。什么是離異共晶？如何形成的？答：在共晶水平線的兩個端部附近，由于共晶量少，領(lǐng)先相相依附在初生相上，另一相獨立存在于晶界，在組織學(xué)上失去共晶體特點，稱為離異共晶。有時，也將端部以外附近的合金，在非平衡凝固時得到的少量共晶，稱為離異共晶。形成無限固溶體的條件是什么？簡述原因。答：只有置換固溶體才可能形成無限固溶體。且兩組元需具有相同的晶體結(jié)構(gòu)、相近的原子半徑、相近的電負性、較低的電子濃度。原因：溶質(zhì)原子取代了溶劑原子的位置，晶格畸變較小，晶格畸變越小，能量越低。電負性相近不易形成化合物。電子濃度低有利于溶質(zhì)原子溶入。兩個尺寸相同、形狀相同的銅鎳合金鑄件，一個含90%Ni，另一個含50%Ni，鑄造后自然冷卻，問哪個鑄件的偏析嚴重？為什么？答：50%Ni的偏析嚴重，因為液固相線差異大，說明液固相成分差異大，冷速較快不容易到達成分均勻化。作圖計算題〔每題15分，共60分〕寫出{112}晶面族的等價晶面。答：請判定以下反響能否進行：答：幾何條件：，滿足幾何條件能量條件：不滿足能量條件，反響不能進行。某晶體在500℃時，每1010個原子中可以形成有1個空位，請問該晶體的空位形成能是多少？〔該晶體的常數(shù)A＝0.0539，波耳滋曼常數(shù)K＝1.381×10-23J/K答：單晶銅拉伸，拉力軸的方向為[001]，σ=106Pa，求(111)面上柏氏矢量的螺位錯線上所受的力〔〕答：外力在(111)上的分切應(yīng)力為：作用在位錯線上的力為：綜合分析題〔共40分〕經(jīng)冷加工的金屬微觀組織變化如圖a所示，隨溫度升高，并在某一溫度下保溫足夠長的時間，會發(fā)生圖b-d的變化，請分析四個階段微觀組織、體系能量和宏觀性能變化的機理和原因。答：圖a：晶粒拉長，缺陷數(shù)量增大形成位錯亞結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生變形織構(gòu)；存儲能升高；位錯纏結(jié)導(dǎo)致加工硬化，強度硬度升高，塑形下降，組織取向明顯導(dǎo)致各向異性。圖b：回復(fù)。晶粒根本不變，位錯發(fā)生滑移、攀移等，位錯重排，數(shù)量略有減少，空位大量減少。內(nèi)應(yīng)力得到消除。加工硬化根本保存。圖c：再結(jié)晶。形成新的無畸變新晶粒。存儲能全部釋放，變形產(chǎn)生的點陣畸變消除。加工硬化消除，力學(xué)性能根本恢復(fù)到冷變形前的水平。圖d：晶粒長大。晶粒粗化。體系能量因界面能的下降而下降。強度下降，塑形也下降。根據(jù)Ag-Cd二元相圖：當(dāng)溫度為736℃、590℃、440℃分析Ag-56%Cd合金的平衡凝固過程，繪出冷卻曲線，標明各階段的相變反響。分析Ag-95%Cd合金的平衡凝固與較快速冷卻時，室溫下組織組成會有