2014年材科基真題精講

2014年材科基真題精講第一頁，共25頁。北

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科

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學2014年碩士學位研究生入學考試試題一、簡述題（30分）

1、再結晶溫度詳解：點評：本題考生應該注意，再結晶溫度并不是再結晶開始時候的溫度，而是在一定時間內完成再結晶的最低溫度，里面的關鍵字是一定時間和最低溫度。有關于再結晶的知識在歷年考題中考查力度很大，如再結晶定義、再結晶過程、再結晶驅動力等等。第二頁，共25頁。2、相平衡條件詳解：熱力學條件是等溫等壓下，任一組分在各相中化學勢相等，體系此時總摩爾吉布斯自由能最小。點評：本題考查的是相圖一章的知識，解答本題的時候一定要注意一個前提條件是等溫等壓，跟本題有關的考點還有相平衡和相律的基本概念。3、上坡擴散詳解：普遍意義來說，擴散產生是由于存在著化學位梯度，只是在一般條件下，化學位梯度大多與濃度梯度一致。決定組元擴散的是化學位梯度，擴散總是導致擴散組元化學勢減小，直至化學位梯度為零，所以當化學位梯度和濃度梯度相反時，擴散是從濃度低的地方向濃度高的地方擴散，這就是上坡擴散。點評：擴散的實際驅動力是化學位梯度，所以不管濃度怎樣，擴散總是從化學位梯度高的地方向化學位梯度低的地方，擴散的最后結果是化學勢處處相等。第三頁，共25頁。

第四頁，共25頁。后所引起的二層錯排，則成為插入型層錯。6、臨界分切應力詳解：點評：本題實際考察的是有關Schmid定律的知識，Schmid定律或臨界分切應力定律即滑移系開動所需要的臨界分切應力是與外力無關的常數(shù)。第五頁，共25頁。

第六頁，共25頁。

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第八頁，共25頁。三、分別回答后述幾個問題：1、晶體缺陷主要有哪幾種？2、其中點缺陷主要有哪兩種？有哪些方法或手段可以提高其數(shù)量？（上84）3、當點缺陷擴散到刃位錯周圍時會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？位錯的運動受到怎樣的影響？（上187）4、如果點缺陷擴散到一般大角晶界上，又會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？晶界的運動受到怎樣的影響？（20分）詳解：1、主要有點缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷。2、點缺陷主要有空位和間隙原子；晶體中點缺陷還可以通過高溫淬火、冷變形加工和高能粒子的輻照效應等形成。3、點缺陷擴散到刃位錯附近時可以與位錯發(fā)生交互作用而形成氣團，對位錯產生釘扎作用。這時候位錯處于能量較低的狀態(tài)，位錯趨向于穩(wěn)定，不易運動，所以位錯要運動，必須在更大的應力作用下才能掙脫氣團的釘扎而移動。第九頁，共25頁。4、一般來說，晶界結構比晶內結構松散，溶質原子處在晶內的能量比處在晶界的能量高，所以點缺陷擴散到一般大角度晶界上時會發(fā)生晶界偏析。由于這種偏析使系統(tǒng)的能量降低，所以對晶界的運動產生拖曳作用。點評：本題考查了晶體缺陷的知識，著重考查了點缺陷與線缺陷還有面缺陷的相互作用，考查主要是能理解氣團和偏聚的定義以及對缺陷的影響作用。四、圖為由A、B原子組成的一個晶體單胞，點陣參數(shù)a=b=c,α=β=λ=90；1、如果A、B原子可以占據所有可能的位置，該晶胞對應哪種布拉菲點陣？2、如果A只在（0,0,0）位置，B只在（1/2，1/2，1/2）位置，又對應哪種布拉菲點陣？3、下列單質及化合物中哪些具有上面涉及到的晶體結構？Mg,α-Fe,γ-Fe,Cu,CuZn,Cu3Zn,CsCl

第十頁，共25頁。4、兩種情況下{100}的面間距各是多少，用點陣常數(shù)表示?？赡艿奈诲e柏氏矢量又分別是什么？

5、各結構對應的強度及塑性相對高低可能是怎樣的？給出理由。

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詳解：1、如果A、B原子可以占據所有可能的位置，則圖中A、B原子所在的位置是等效的，所以該晶胞是體心點陣。2、如果A只處于原點位置，B只處于體心位置，則一個A原子和一個B原子組成一個結構基元，可見，此時的布拉菲點陣是簡單立方點陣。第十一頁，共25頁。

第十二頁，共25頁。點評：本題涉及到的知識點有布拉菲點陣、典型晶體結構、面間距計算公式、典型晶體結構的可能柏氏矢量、塑性及強度與晶體結構的關系。所以本題涉及到的知識點比較分散，分別對應晶體學基礎、晶體結構、位錯、形變等幾章知識，本題關鍵是要弄清題目考查地是哪一章的知識點，然后回顧該章知識解答即可。第十三頁，共25頁。五、下圖是低碳鋼熱軋板帶狀組織的金相和掃描電電鏡圖片，從凝固、熱加工及冷卻相變等方面分析帶狀組織的形成原因及可能的控制方法。（15分）

詳解：熱加工后形成的帶狀組織主要是由于第二相或夾雜物的成層分布而造成的。原因可能如下：鋼在凝固時由于成分擴散的不均勻性，會產生枝晶偏析，這些枝晶偏析具有相對的穩(wěn)定性。經過軋前加熱，初生晶粒消失但枝晶偏析仍然保留，枝晶偏析是產生帶狀組織的內因。鑄錠經熱加工后，區(qū)域偏析變化不大，只能發(fā)生宏觀的流變。殘存的枝晶偏析、可形變夾雜物或第二相，順著工件宏觀流變方向顯著伸長，所以形變延伸是形成帶狀組織的條件。在相變過程中，冷卻速度增大可減少成分的擴散，當冷速很大時可減少成分的擴散，當冷速很大時以致過冷度也很大，相變可以以近似非擴散的方式進行，這時自然就沒有溶質原子、雜質原子的偏析；同時冷速增大還可能導致均勻形核，使第二相不沿晶界析出成層分布，而是彌散分布，同時細化晶粒，減少或消除原組織偏析。第十四頁，共25頁。點評：本題考查的是熱加工后的典型組織，熱加工后典型組織有纖維狀組織、帶狀組織、魏氏組織、“反?！苯M織、網狀碳化物等，其中前兩種組織實際是同一種東西，只是前者是宏觀形貌（纖維狀），后者是顯微圖像（帶狀）。熱加工后組織考察次數(shù)并不是很頻繁，考生只需掌握纖維狀組織和帶狀組織成因即可。第十五頁，共25頁。六、根據下面所附的Fe-Ti相圖,寫出該體系隨著溫度的降低所涉及到的三相反應；同時示意畫出由大塊純鐵和純鈦制作的擴散偶在1000K保持足夠多長時間后，擴散層中的成分分布曲線，并標注相對應的相（20分）。詳解：從圖中可以看出，相圖中共有四條三相等溫線，所以有四個三相反應，從高溫到低溫分別是：L+ε→ζ（包晶型反應）L→α-Fe+ε（共晶型反應）L→

ζ+β-Ti（共晶型反應）β-Ti→ζ+α-Ti（共析型反應）由Fe和Ti組成的擴散偶在1000K下保溫并擴散一定時間后，在擴散偶中分別出現(xiàn)一系列相鄰接的單相區(qū)，其排列順序和相圖中的順序相同。沿擴散偶的濃度分布在界面處會出現(xiàn)不連續(xù)的跳躍，如果各相中的擴散系數(shù)差異不很大，在擴散偶中各個相區(qū)所占的相對寬度大體和相圖中各組元所占的相對寬度成比例。第十六頁，共25頁。第十七頁，共25頁。第十八頁，共25頁。點評：本題考查的反應擴散的知識，即擴散過程的連續(xù)進行要求界面反應發(fā)生相變。關于反應擴散的知識在近幾年的試題中，2012年是第一次出現(xiàn)的，今年又考查到了同樣的題型。所以對于平時忽略這方面知識的同學很可能不知道如何解答，所以有關于反應擴散的知識以及怎樣根據相圖畫出擴散偶中各相區(qū)考生應該熟悉。第十九頁，共25頁。七、分析鋁銅合金中以鋁為基的過飽和α固溶體在不同溫度進行退火時發(fā)生的脫溶過程（10分）。詳解：下圖是Al-Cu合金在不同溫度時的時效硬化曲線。從圖中可以得出以下結論。第二十頁，共25頁。高溫時效：過冷度較小，所以脫溶驅動力小，形成脫溶物較粗，因此θ’’最大體積分數(shù)減小，使高溫硬度峰值減小，還有可能因驅動力減小，不析出過渡相，直接析出平衡相，時效強化能力降低。低溫時效：驅動力增大，能夠形成完整的脫溶貫序，即GP區(qū)→θ’’→θ’→

θ→平衡相。但溫度較低時原子擴散較慢，達到硬度峰值所需的時間較長。可用以下解決辦法：雙時效工藝，即先在GP區(qū)固溶線以下的較低溫度時效，以獲得高彌散分布GP區(qū)，然后在較高溫度時效，已析出GP區(qū)作為非均勻形核位置，比較高溫度下彌散產物硬度更高。點評：本題又是考查的常見題型，Al-Cu合金的脫溶過程已經考查過多次，所以希望考生這一部分知識點一定要熟練掌握。第二十一頁，共25頁。八、塊體非晶形成能力（GFA）判據研究目前是一個非?；钴S的領域，A.lnoue總結的塊體非晶合金成分經驗規(guī)則：1）多于三種元素組成的多元合金體系2）構成合金體系的元素原子尺寸差較大，主要元素之間的尺寸差比高于12%3）三個主要組元之間的混合焓為負值等得到非晶研究者的廣泛認同。從非晶形成熱力學、動力學、原子結構及堆垛拓撲關系等方面討論lnoue規(guī)則為何具有較好的適應性（15分）。詳解：非晶態(tài)可由氣相、液相快冷形成，也可在固態(tài)直接形成（如離子注入、高能粒子轟擊、高能球磨、電化學沉積、固相反應等）。常溫下非晶態(tài)的自由能低于液態(tài)，因此形成非晶態(tài)的熱力學條件就是舊相和非晶態(tài)合金的自由能差，也就是lnoue規(guī)則中的三個組元的之間的混合焓為負值。

形成非晶態(tài)原則上都可以通過液態(tài)的急劇冷卻得到，但是這個冷卻速率因材料的不同有非常大的差異，這取決于材料的晶化能力，要形成非晶態(tài)就要抑制結晶形核，合金成分越多，結構越復雜，結晶時重排的動力學困難。第二十二頁，共25頁。

同一合金系通常只是在某一成分范圍內能夠形成非晶，非晶通常出現(xiàn)在凝固溫度較低、液相黏度較高的情況中，此合金系通常存在金屬間化合物。這就表明了組元原子之間的鍵合、電子結構等性質對形成非晶態(tài)的影響，通常原子間鍵合較強并有特定指向的情況下，被急冷的熔體在動力學上有利于形成非晶相。

合金成分與形成非晶能力關系較復雜，lnoue規(guī)則中要求構成合金體系的元素原子尺寸差較大，主要元素之間的尺寸差比高于12%，這個規(guī)則有利于原子的無規(guī)密堆，半徑小的原子處于半徑大