西北工業(yè)大學(xué)832材料科學(xué)基礎(chǔ)2011年碩士研究生入學(xué)考試試題

西北工業(yè)大學(xué)832材料科學(xué)基礎(chǔ)2011年碩士研究生入學(xué)考試試題西北工業(yè)大學(xué)2011年碩士研究生入學(xué)考試試題試題名稱：材料科學(xué)基礎(chǔ)（A卷）試題編號(hào)：832說(shuō)明：所有答題一律寫在答題紙上第1頁(yè)共2頁(yè)簡(jiǎn)答題（每題10分，共50分）請(qǐng)從原子排列、彈性應(yīng)力場(chǎng)、滑移性質(zhì)、柏氏矢量等方面對(duì)比刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)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(duì)后續(xù)冷加工帶來(lái)的困難？什么是離異共晶？如何形成的？形成無(wú)限固溶體的條件是什么？簡(jiǎn)述原因。兩個(gè)尺寸相同、形狀相同的銅鎳合金鑄件，一個(gè)含90%Ni，另一個(gè)含50%Ni，鑄造后自然冷卻，問(wèn)哪個(gè)鑄件的偏析嚴(yán)重？為什么？作圖計(jì)算題（每題15分，共60分）寫出{112}晶面族的等價(jià)晶面。請(qǐng)判定下列反應(yīng)能否進(jìn)行：已知某晶體在500℃時(shí)，每1010個(gè)原子中可以形成有1個(gè)空位，請(qǐng)問(wèn)該晶體的空位形成能是多少？（已知該晶體的常數(shù)a＝0.0539，波耳滋曼常數(shù)K＝1.381×10-23J/K）單晶銅拉伸，已知拉力軸的方向?yàn)閇001]，σ=106Pa，求(111)面上柏氏矢量的螺位錯(cuò)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(zhǎng)的時(shí)間，會(huì)發(fā)生圖b-d的變化，請(qǐng)分析四個(gè)階段微觀組織、體系能量和宏觀性能變化的機(jī)理和原因。根據(jù)Ag-Cd二元相圖：當(dāng)溫度為736℃、590℃、440℃和230℃時(shí)分別會(huì)發(fā)生什么樣的三相平衡反應(yīng)？寫出反應(yīng)式。分析Ag-56%Cd合金的平衡凝固過(guò)程，繪出冷卻曲線，標(biāo)明各階段的相變反應(yīng)。分析Ag-95%Cd合金的平衡凝固與較快速冷卻時(shí)，室溫組織會(huì)有什么差別，并討論其原因。4.5.12011年參考答案簡(jiǎn)答題（每題10分，共50分）請(qǐng)從原子排列、彈性應(yīng)力場(chǎng)、滑移性質(zhì)、柏氏矢量等方面對(duì)比刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)的主要特征。答：刃型位錯(cuò)：1晶體中有一個(gè)額外原子面，形如刀刃插入晶體2刃位錯(cuò)引起的應(yīng)力場(chǎng)既有正應(yīng)力又有切應(yīng)力。3位錯(cuò)線可以是折線或曲線,但位錯(cuò)線必與滑移（矢量）方向垂直4滑移面惟一5位錯(cuò)線的移動(dòng)方向與晶體滑移方向平行（一致）6位錯(cuò)線與柏氏矢量垂直螺型位錯(cuò)：1上下兩層原子發(fā)生錯(cuò)排，錯(cuò)排區(qū)原子依次連接呈螺旋狀2螺位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)為純切應(yīng)力場(chǎng)3螺型位錯(cuò)與晶體滑移方向平行，故位錯(cuò)線一定是直線4螺型位錯(cuò)的滑移面是不惟一；5位錯(cuò)線的移動(dòng)方向與晶體滑移方向相互垂直。6位錯(cuò)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(duì)后續(xù)冷加工帶來(lái)的困難？答：隨變形量增大，強(qiáng)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(gè)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(dú)立存在于晶界，在組織學(xué)上失去共晶體特點(diǎn)，稱為離異共晶。有時(shí)，也將端部以外附近的合金，在非平衡凝固時(shí)得到的少量共晶，稱為離異共晶。形成無(wú)限固溶體的條件是什么？簡(jiǎn)述原因。答：只有置換固溶體才可能形成無(wú)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(fù)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?cè)叫?，能量越低。電?fù)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(gè)尺寸相同、形狀相同的銅鎳合金鑄件，一個(gè)含90%Ni，另一個(gè)含50%Ni，鑄造后自然冷卻，問(wèn)哪個(gè)鑄件的偏析嚴(yán)重？為什么？答：50%Ni的偏析嚴(yán)重，因?yàn)橐汗滔嗑€差別大，說(shuō)明液固相成分差別大，冷速較快不容易達(dá)到成分均勻化。作圖計(jì)算題（每題15分，共60分）寫出{112}晶面族的等價(jià)晶面。答：請(qǐng)判定下列反應(yīng)能否進(jìn)行：答：幾何條件：，滿足幾何條件能量條件：不滿足能量條件，反應(yīng)不能進(jìn)行。已知某晶體在500℃時(shí)，每1010個(gè)原子中可以形成有1個(gè)空位，請(qǐng)問(wèn)該晶體的空位形成能是多少？（已知該晶體的常數(shù)A＝0.0539，波耳滋曼常數(shù)K＝1.381×10-23J/K）答：?jiǎn)尉с~拉伸，已知拉力軸的方向?yàn)閇001]，σ=106Pa，求(111)面上柏氏矢量的螺位錯(cuò)線上所受的力（）答：外力在(111)上的分切應(yīng)力為：作用在位錯(cuò)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(zhǎng)的時(shí)間，會(huì)發(fā)生圖b-d的變化，請(qǐng)分析四個(gè)階段微觀組織、體系能量和宏觀性能變化的機(jī)理和原因。答：圖a：晶粒拉長(zhǎng)，缺陷數(shù)量增大形成位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生變形織構(gòu)；存儲(chǔ)能升高；位錯(cuò)纏結(jié)導(dǎo)致加工硬化，強(qiáng)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?；静蛔?，位錯(cuò)發(fā)生滑移、攀移等，位錯(cuò)重排，數(shù)量略有減少，空位大量減少。內(nèi)應(yīng)力得到消除。加工硬化基本保留。圖c：再結(jié)晶。形成新的無(wú)畸變新晶粒。存儲(chǔ)能全部釋放，變形產(chǎn)生的點(diǎn)陣畸變消除。加工硬化消除，力學(xué)性能基本恢復(fù)到冷變形前的水平。圖d：晶粒長(zhǎng)大。晶粒粗化。體系能量因界面能的下降而下降。強(qiáng)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℃和230℃時(shí)分別會(huì)發(fā)生什么樣的三相平衡反應(yīng)？寫出反應(yīng)式。分析Ag-56%Cd合金的平衡凝固過(guò)程，繪出冷卻曲線，標(biāo)明各階段的相變反應(yīng)。分析Ag-95%Cd合金的平衡凝固與較快速冷卻時(shí)，室溫下組織組成會(huì)有什么變化，并討論其原因。答：736℃：包晶反應(yīng)，L+Ag→β590℃：包晶反應(yīng)，L+δ→ε440℃：共析反應(yīng)，β→Ag+γ230℃：共析反應(yīng)，γ→β′＋δ′2）LLL→βL+β→δβ→δδ→βδ+β→γβ→γγ→δ′γ→β′＋δ′β′→δ′δ′→β′γ3）Ag-95%Cd合金的平衡凝固到室溫：Cd包＋εII較快速冷卻到室溫：ε初＋Cd包＋εII，且εII相數(shù)量相對(duì)較少，尺寸相對(duì)細(xì)小。原因：快速冷卻時(shí)，由于固態(tài)中擴(kuò)散較慢，使本應(yīng)該在包晶反應(yīng)中消失的ε初有剩余，既產(chǎn)生包晶轉(zhuǎn)變不完全。另外，由于冷速快，使得εII相變得細(xì)小，析出數(shù)量減少。4.6答題技巧總結(jié)按題型的順序，將知識(shí)點(diǎn)歸到題型中講解。一、簡(jiǎn)單題1、【07】請(qǐng)說(shuō)明什么是全位錯(cuò)和不全位錯(cuò)，并請(qǐng)寫出FCC、BCC和HCP晶體中的最短單位位錯(cuò)的柏氏矢量。答：全位錯(cuò)：柏氏矢量等于點(diǎn)陣矢量的整數(shù)倍；不全位錯(cuò)：柏氏矢量不等于點(diǎn)陣矢量的整數(shù)倍。Fcc：；bcc：；hcp：2、【07】已知原子半徑與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，請(qǐng)問(wèn)當(dāng)配位數(shù)降低時(shí)，原子半徑如何變化？為什么？答：半徑收縮。若半徑不變，則當(dāng)配位數(shù)降低時(shí)，會(huì)引起晶體體積增大。為了減小體積變化，原子半徑將收縮。3、【09】在位錯(cuò)發(fā)生滑移時(shí)，請(qǐng)分析刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)和混合位錯(cuò)的位錯(cuò)線l與柏氏矢量b、外加切應(yīng)力τ與柏氏矢量b、外加切應(yīng)力τ與位錯(cuò)線l之間的夾角關(guān)系，及位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向。答：一定角度一定角度//法線一定角度////法線//⊥//法線⊥位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向τ與lτ與bb與l4、【09】何為固溶強(qiáng)化？請(qǐng)簡(jiǎn)述其強(qiáng)化機(jī)制。答：固溶強(qiáng)化就是溶質(zhì)原子阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而使合金強(qiáng)度提高的現(xiàn)象。主要機(jī)制包括：1）柯氏氣團(tuán)，即溶質(zhì)原子的彈性應(yīng)力場(chǎng)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；2）玲木氣團(tuán)，即溶質(zhì)原子降低基體層錯(cuò)能，使位錯(cuò)分解為擴(kuò)展位錯(cuò)，阻礙位錯(cuò)交滑移或攀移；3）電交互作用，即帶電溶質(zhì)原子與位錯(cuò)形成靜電交互作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。5、【09】請(qǐng)比較二元共晶轉(zhuǎn)變與包晶轉(zhuǎn)變的異同。答：相同點(diǎn)：恒溫、恒成分轉(zhuǎn)變；相圖上均為水平線。不同點(diǎn)：共晶為分解型反應(yīng)，包晶為合成型反應(yīng)；共晶線全是固相線，包晶線只有部分是固相線；共晶三角在水平線上，包晶三角在水平線下。6、【10】請(qǐng)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(zhǎng)，而固溶體合金卻往往以樹枝晶方式長(zhǎng)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(guò)冷度小，生長(zhǎng)受到抑制，因此液固界面保持平直，以平面狀生長(zhǎng)。固溶體合金由于溶質(zhì)原子再分配，產(chǎn)生成分過(guò)冷，液固界面處的小突起將獲得更大過(guò)冷度，因此以樹枝狀生長(zhǎng)。7、【10】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)則的、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(shí)為連續(xù)網(wǎng)狀，量少時(shí)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(méi)有區(qū)別。【解析】考察的這些知識(shí)點(diǎn)一般都比較簡(jiǎn)單，對(duì)于這一類的習(xí)題應(yīng)該掌握到熟練程度，復(fù)習(xí)的時(shí)候應(yīng)該注意各參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，比如熟悉各晶體結(jié)構(gòu)的參數(shù)，便于快速計(jì)算。簡(jiǎn)答題，通過(guò)對(duì)題目的分析思考，尋找題目對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，按照對(duì)號(hào)入座的方式把相關(guān)知識(shí)點(diǎn)寫出來(lái)，并可適當(dāng)拓展相關(guān)知識(shí)或引用實(shí)際工程應(yīng)用問(wèn)題，要求學(xué)生要對(duì)基本概念有充分的理解，解答此類習(xí)題時(shí)多寫并不扣分。二、作圖計(jì)算題1、【07】試畫出立方晶體中的(123)晶面和晶向。解：2、【10】寫出附圖的簡(jiǎn)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。（注：G、H點(diǎn)為二等分點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)為三等分點(diǎn)）答：ED：，C’F：ACH：，F(xiàn)Gd：ACH的晶面間距：FGD’與ABCD之間的夾角：3、【07】請(qǐng)判定在fcc中下列位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行：解：幾何條件：能量條件：滿足幾何條件和能量條件，反應(yīng)可以進(jìn)行。4、【08】

已知H70黃銅在400℃時(shí)完成再結(jié)晶需要1小時(shí)，而在390℃下完成再結(jié)晶需2小時(shí)，請(qǐng)計(jì)算在420℃下完成再結(jié)晶需要多長(zhǎng)時(shí)間？答：在兩個(gè)不同的恒定溫度產(chǎn)生相同程度的再結(jié)晶時(shí)，兩邊取對(duì)數(shù)，并比之得t3=0.26h5、【08】一個(gè)FCC晶體在方向在2MPa正應(yīng)力下屈服，已測(cè)得開動(dòng)的滑移系是，請(qǐng)確定使該滑移系開動(dòng)的分切應(yīng)力τ。答：6、【10】請(qǐng)判斷圖示中和兩位錯(cuò)各段的類型，以及兩位錯(cuò)所含拐折（bc、de和hi、jk）的性質(zhì)？若圖示滑移面為fcc晶體的（111）面，在切應(yīng)力的作用下，兩位錯(cuò)將如何運(yùn)動(dòng)？（繪圖表示）答：ab：螺位錯(cuò)；bc：刃位錯(cuò)；cd：螺位錯(cuò)；de：刃位錯(cuò)；ef：螺位錯(cuò)gh：螺位錯(cuò)；hi：刃位錯(cuò)；ij：螺位錯(cuò)；jk：刃位錯(cuò)；kl：螺位錯(cuò)bc、de為扭折，hi、jk為割階運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)為直線，上的h、i、j、k為固定點(diǎn)，形成位錯(cuò)源記住上面的公式，則可以方便快速的計(jì)算【分析】對(duì)于原子規(guī)則排列中的晶向指數(shù)和晶面指數(shù)兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)這一類習(xí)題，首先需要畫出立體圖，然后按照晶面或晶向指數(shù)的確定方法逆向繪出晶面和晶向，復(fù)習(xí)的時(shí)候主要注意數(shù)據(jù)之間的計(jì)算和方向的確立。這一類習(xí)題歷年都會(huì)考到，都不復(fù)雜，是該門專業(yè)課中最基本的題型之一。作圖計(jì)算題難度略有增加，在基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的熟練掌握情況下側(cè)重于對(duì)知識(shí)的靈活運(yùn)用。作圖題很簡(jiǎn)單，主要考查范圍有晶面晶向（位錯(cuò)）和相圖；計(jì)算題則是知道公式就會(huì)解答，計(jì)算題考查的公式主要包括點(diǎn)缺陷的平衡濃度公式、推導(dǎo)臨界行核及其相關(guān)公式、相圖中的杠桿原理公式、菲克第一定律、比較位錯(cuò)大小、臨界分切應(yīng)力、霍爾配奇公式、回復(fù)動(dòng)力學(xué)公式和再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)公式。三、綜合分析1、【09】請(qǐng)分析影響回復(fù)和再結(jié)晶的因素各有哪些，以及影響因素的異同，并請(qǐng)分析其原因?；貜?fù)再結(jié)晶原因溫度（升）促進(jìn)促進(jìn)促進(jìn)原子擴(kuò)散冷變形量（增）促進(jìn)促進(jìn)提供驅(qū)動(dòng)力溶質(zhì)原子阻礙阻礙阻礙位錯(cuò)和晶界的運(yùn)動(dòng)第二相粒子促進(jìn)促進(jìn)或阻礙即可能提高驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)阻礙位錯(cuò)和晶界運(yùn)動(dòng)原始晶粒（細(xì)?。┐龠M(jìn)促進(jìn)增大再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力晶粒位向無(wú)影響無(wú)影響熱蝕溝無(wú)影響一般無(wú)影響尚未形成熱蝕溝2、【10】請(qǐng)分析對(duì)工業(yè)純鋁、Fe-0.2%C合金、Al-5%Cu合金可以采用的強(qiáng)化機(jī)制，并解釋機(jī)理。（15分）答：工業(yè)純鋁：細(xì)晶強(qiáng)化——利用晶界和位向差對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用進(jìn)行強(qiáng)化；加工硬化——利用冷變形后纏結(jié)位錯(cuò)之間的相互作用進(jìn)行強(qiáng)化。Fe-0.2%C：固溶強(qiáng)化——利用碳原子引起鐵的晶格畸變對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用進(jìn)行強(qiáng)化。加工硬化——同上細(xì)晶強(qiáng)化——同上沉淀強(qiáng)化——利用碳化物對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用進(jìn)行強(qiáng)化。Al-5%Cu：沉淀強(qiáng)化（時(shí)效強(qiáng)化）——利用沉淀相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用進(jìn)行強(qiáng)化。加工硬化——同上細(xì)晶強(qiáng)化——同上3、【11】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(zhǎng)的時(shí)間，會(huì)發(fā)生圖b-d的變化，請(qǐng)分析四個(gè)階段微觀組織、體系能量和宏觀性能變化的機(jī)理和原因。答：圖a：晶粒拉長(zhǎng)，缺陷數(shù)量增大形成位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生變形織構(gòu)；存儲(chǔ)能升高；位錯(cuò)纏結(jié)導(dǎo)致加工硬化，強(qiáng)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?；静蛔儯诲e(cuò)發(fā)生滑移、攀移等，位錯(cuò)重排，數(shù)量略有減少，空位大量減少。內(nèi)應(yīng)力得到消除。加工硬化基本保留。圖c：再結(jié)晶。形成新的無(wú)畸變新晶粒。存儲(chǔ)能全部釋放，變形產(chǎn)生的點(diǎn)陣畸變消除。加工硬化消除，力學(xué)性能基本恢復(fù)到冷變形前的水平。圖d：晶粒長(zhǎng)大。晶粒粗化。體系能量因界面能的下降而下降。強(qiáng)度下降，塑形也下降。4、【07】請(qǐng)對(duì)比分析回復(fù)、再結(jié)晶、正常長(zhǎng)大、異常長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力及力學(xué)性能變化。（16分）回復(fù)再結(jié)晶正常長(zhǎng)大異常長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力存儲(chǔ)能

（主要是點(diǎn)陣畸變能）存儲(chǔ)能

（主要是點(diǎn)陣畸變能）總界面能總界面能和表面能力學(xué)性能變化基本保持變形后性能恢復(fù)到冷變形前的水平基本保持再結(jié)晶后的水平性能惡化

強(qiáng)度、塑性下降5、【07】如附圖所示，請(qǐng)分析：（24分）1)

兩水平線的反應(yīng)類型，并寫出反應(yīng)式；2)

分析Ab、bg′、g′d′、d′、d′h′、h′e、eB七個(gè)區(qū)域室溫下的組織組成物（j點(diǎn)成分小于g點(diǎn)成分）；3)分析I、II合金的平衡冷卻過(guò)程，并注明主要的相變反應(yīng)；t/℃t/℃knjgidhAbc1g￠c2d￠h￠eBδαβIII解：1）

水平線kj為包晶反應(yīng)：（2分）水平線gh為共晶反應(yīng)：（2分）2）

Ab：α（1分）bg′：α+βII（1分）g′d：α+(α+β)共+βII（1分）d'：(α+β)共（1分）d′h′：β+(α+β)共+αII（1分）h′e：β+αII（1分）eB：β（1分）LL→αLL→αα→βIIL→α+βLL→δL→ααL+δ→αα→βII4）

合金I相組成：（2分）合金II組織組成：（3分）6、【09】附圖為Ti-Al二元合金相圖：請(qǐng)分析并分別寫出1285℃、1125℃和665℃三個(gè)恒溫轉(zhuǎn)變的類型和反應(yīng)式，以及882℃時(shí)發(fā)生兩相恒溫轉(zhuǎn)變的類型和反應(yīng)式。請(qǐng)繪出w＝31%合金平衡結(jié)晶的冷卻曲線，并注明各階段的主要相變反應(yīng)。請(qǐng)分析500℃時(shí)，w＝31%的合金平衡結(jié)晶的相組成物和組織組成物，并計(jì)算其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。2335℃℃℃℃2335℃℃℃℃℃℃℃℃℃℃℃℃℃℃答：1）1285℃：包析反應(yīng)，βTi＋TiAl→aTi1125℃：共析反應(yīng)，aTi→T