各高校金屬學(xué)及熱處理-材料基礎(chǔ)考研試題

哈爾濱工業(yè)大學(xué)2002年碩士研究生入學(xué)考試試題考試科目:金屬學(xué)及熱處理

一、（10分）已知銅單晶的｛111卜110>滑移系得臨界分切應(yīng)力為IMpa。直徑為1mm的銅單晶

絲受軸向拉伸,加載方向平行于單晶的［001］方向，若使銅單晶絲不產(chǎn)生明顯的塑性變形,求

此單晶絲能承受的最大軸向載荷是多少？（計算結(jié)果保留3位有效數(shù)字）

二、（15分）根據(jù)組元間固態(tài)下互不溶解的三元共晶相圖的投影圖（如右圖所示），說明0點(diǎn)成

分合金平衡結(jié)晶過程，畫出冷卻曲線示意圖，并寫出室溫下該合金的組織組成物相對含量的

表達(dá)式。

三、（15分）求珠光體組織中鐵素體相的相對含量是多少?若某鐵碳合金組織中除有珠光體外,

還有15%的二次滲碳體,試求該合金的含碳量是多少？

四、（15分）試敘述貝氏體的轉(zhuǎn)變特點(diǎn),并比較與珠光體和馬氏體轉(zhuǎn)變的異同點(diǎn)。

五、（15分）什么是異分結(jié)晶？說明如何利用區(qū)域熔煉方法提純金屬。提純效果與什么因素有

關(guān)？

六、（15分）某廠對高鎰鋼制造的碎礦機(jī)顆板經(jīng)1100℃加熱后,用嶄新的優(yōu)質(zhì)冷拔態(tài)鋼絲繩吊

掛，由起重吊車運(yùn)往淬火水槽,行至途中鋼絲繩突然發(fā)生斷裂,試分析鋼絲繩發(fā)生斷裂的主要

原因。

七、（15分）用T10A鋼（Wc=l.0%,Acl=730℃,Accm=800℃）制造冷沖模的沖頭,試制訂預(yù)備熱

處理工藝（包括工藝名稱和具體參數(shù)），并說明預(yù)備熱處理的目的以及加熱轉(zhuǎn)變完成和冷至室

溫后獲得何種組織。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)2003年考研專業(yè)課試卷金屬學(xué)及熱處理考研試題

考試科目：金屬學(xué)及熱處理

—>（20分）已知面心立方晶格的晶格常數(shù)為a,分別計算（100）、（110）和（111）晶面的

晶面間距；并求出［100］、［110］和［111］晶向上的原子排列密度（某晶向上的原子排列密度是

指該晶向上單位長度排列原子的個數(shù)）；寫出面心立方結(jié)構(gòu)的滑移面和滑移方向，并說明原

因。（計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）

二、（20分）右圖為組元在固態(tài)下完全不溶的三元共晶合金相圖的投影圖：

1.作mn變溫截面圖，分析01點(diǎn)成分合金的平衡結(jié)晶過程。

2.寫出01點(diǎn)成分合金室溫下的相組成物，給出各相的相對含量的表達(dá)式。

3.寫出01點(diǎn)成分合金室溫下的組織組成物，給出各組織組成物的相對含量的表達(dá)式

三、（25分）試述冷變形金屬在加熱時，其組織和性能發(fā)生的變化。

四、（20分）什么是離異共晶？舉例說明離異共晶產(chǎn)生的原因及對合金性能的影響。

五、（20分）求萊氏體中共晶滲碳體的相對含量是多少？若某鐵碳合金平衡組織中含有10%

的一次滲碳體，試求該合金的含碳量是多少？（計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）

六、（20分）敘述板條馬氏體和下貝氏體的組織形態(tài)，并說明板條馬氏體和下貝氏體具有良

好強(qiáng)韌性的原因。

七、（25分）T10A鋼含碳量約為1.0%,Acl=730℃,Accm=800℃,Ms=175℃,該合金的

原始組織為片狀珠光體加網(wǎng)狀滲碳體，若用此鋼制作冷沖模的沖頭，說明需要經(jīng)過那些熱處

理工序才能滿足零件的性能要求，寫出具體熱處理工藝名稱、加熱溫度參數(shù)、冷卻方式以及

各工序加熱轉(zhuǎn)變完成后和冷卻至室溫時得到的組織。

2。。2年上褊交通大學(xué)黃士輔究生入學(xué)就趣

1.對fee結(jié)構(gòu)的晶體(點(diǎn)陣常數(shù)為a)

(1)分別計算原子在［100子［110］和［111］晶向上的原子密度,并說明哪個

晶向是密排方向：

(2)計算原子在(100),(110)和(111)晶面上的原子密度和三個面的面間距,

并指出面間距最大的晶面。

2.在fee,晶體中存在兩個位錯&和dz，若@的位錯線方向Z〃［U2］,柏氏

濃101^［110］

矢量a=2,山的分別為口5=2

(1)判斷哪個位錯為純?nèi)行臀诲e，并求出其半原子面指數(shù)及滑移面指數(shù)；

(2)該刃型位錯如果發(fā)生分解形成擴(kuò)展位錯，試寫出可能的位錯反應(yīng)并圖

示；

(3)另外一個位錯柏氏矢量的刃型和螺型分量模各為多少？

3.對某簡單立方單晶體，其拉伸應(yīng)力方向如附圖L2所示。該晶

體的滑移系為<100>{100}o

(1)求出每個滑移系的分切應(yīng)力；

(2)判定哪幾組滑移系最容易開動。

4.有一合金試樣其晶界能為0.5J/m2,在退火前原始晶粒直徑為2.16X10:tcm,

屈服強(qiáng)度為108MPa。對該合金在700℃退火2h處理后其屈服強(qiáng)度降低為

3

82MPa0在退火過程中保溫1h時測得該合金放出熱量為0.021J/cm,繼續(xù)

保溫1h測得該合金又放出熱量0.014J/cm：io求如果該合金只在700c保溫1

h后的屈服強(qiáng)度。（已知合金單位體積內(nèi)界面面積Sv與晶粒直徑d之間的關(guān)

系為Sv=2/d,且放出的熱量完全由于晶粒長大、晶界總面積減少所致。）

5.Fe-Si合金（wsi=0.03,bcc結(jié)構(gòu)）的點(diǎn)陣常數(shù)d=0.3nm,經(jīng)形變后研究其

回復(fù)再結(jié)晶機(jī)制?；貜?fù)退火時材料發(fā)生多邊化過程，觀察到三個亞晶交于點(diǎn)

0（見附圖1.3）o經(jīng)蝕坑法測得三段亞晶界（0A,0B和0C,其長度均為0.2nm）

的刃型位錯總數(shù)為1.198X10",設(shè)它們均勻分布構(gòu)成亞晶界（a=120。,B

=80°）o

（1）求相鄰亞晶間的位向差9；

（2）若經(jīng)再結(jié)晶后這些亞晶界在原來位置轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠼嵌染Ы?，且測得0A的

晶界能為0.8J/m2,求其他兩個晶界的晶界能。

6.滲碳可提高鋼的表面硬度。若在1000C對v-Fe滲碳，已知在距表面1?2mm

之間，碳濃度從5%（摩爾分?jǐn)?shù)）降到4%。估算碳進(jìn)入該區(qū)域的擴(kuò)散通量J（摩

爾/n??s）。已知Y-Fe在1000℃時的密度為7.63g/cm3,擴(kuò)散常數(shù)D0=2

X10-5m7s,激活能Q=142kj/mol,Fe的相對原子質(zhì)量為55.85。

7.根據(jù)附圖1.4所示A-B二元共晶相圖（共晶溫度為600℃）,將此=10%的合

金，用同樣成分的籽晶在固相無擴(kuò)散、液相完全不混合的條件下進(jìn)行定向凝

固制成單晶，為了保持液一固界面在整個凝固過程中處于乎直狀態(tài)，試計算

界面處液相所需的最小溫度梯度Go已知凝固速度R=1cm/h,D=2X105

cm2/so

附圖1.3

8.畫出線型非晶態(tài)高分子形變一溫度曲線，從分子運(yùn)動的觀點(diǎn)簡述其三種力學(xué)

狀態(tài)產(chǎn)生的起因。

9.根據(jù)Ag—Cu二元相圖(見附圖1.5)：

(1)寫出圖中的液相、固相線a和B相的熔解度曲線及三相恒溫轉(zhuǎn)變線；

(2)計算Ag-Cu合金(w,*=0.60)(y，y線)在點(diǎn)M對應(yīng)溫度下液相和B相的

相對量；

(3)畫出上述合金的冷卻曲線及室溫組織示意圖；

附圖1.5

10.在圖示(見附圖1.6)的固態(tài)完全不互熔的三元共晶相圖中，a、b、c分

別是組元A,B,C的熔點(diǎn)，e”e2,e3,分別是A-B,B-C,A-C二元共晶轉(zhuǎn)變

點(diǎn)，正為三元共晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)(已知Ta>Tc>T?>Tl.3>Tel>Te2>TE)o

(1)畫出以下不同溫度⑴下的水平截面圖；

(a)T)T>Tb；(b)TC3>T>L1；(c)L2>T>TE(d)T^TE

(2)寫出圖中。合金的凝固過程及其室溫組織

北科大05

2005年北京科技大學(xué)

攻讀碩士學(xué)位研究生入學(xué)考試試題

考試科目：金屬學(xué)

適用專業(yè)：材料學(xué)、材料科學(xué)與工程、材料加工工程

說明：統(tǒng)考生做一至九題；單考生做??至六和十至十二題

一、晶體結(jié)構(gòu)(20分)

1.什么是晶面族｛111｝晶面族包含哪些晶面？

2.面心立方結(jié)構(gòu)金屬的［100］和正［111］晶向間的夾角是多少？｛100｝面間距是多少？

3.面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)金屬中的原子堆垛方式和致密度是否有差異?請加以說明。

二、合金相（15分）

1.解釋間隙固溶體和間隙相的含義，并加以比較。

2.為什么固溶體的強(qiáng)度常比純金屬高？

三、晶體缺陷（15分）

1.晶體內(nèi)若有較多的線缺陷（位錯）或面缺陷（晶界、李晶界等），其強(qiáng)度會明顯升高，這些

現(xiàn)象稱為什么？強(qiáng)度提高的原因是什么？

2.上述的兩類缺陷是怎樣進(jìn)入晶體的?舉例說明如何提高這些缺陷的數(shù)目？

四、相圖熱力學(xué)（10分）

利用圖10T的自由能-成分曲線說明，公切線將成分范圍分成三個區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)哪些

相穩(wěn)定?為什么？

五、凝固（20分）

1.相同過冷度下比較均勻形核與非均勻形核的臨界半徑、臨界形核功、臨界晶核體積，哪

個大？

2.合金凝固時的液/固界面前沿通常比純金屬液/固界面前沿更容易出現(xiàn)過冷?為什么？

3.典型的金屬（如鐵）和典型的非金屬（如硅，石墨）在液相中單獨(dú)生長時的形貌差異是什么？

六、擴(kuò)散（20分）

1.菲克第二定律的解之一是誤差函數(shù)解，C=A+Berf（x/2（Dt）l/2）,它可用于純鐵的滲碳過

程。若溫度固定，不同時間碳的濃度分布則如圖10-2。已知滲碳1小時后達(dá)到某一特定濃

度的滲碳層厚度為0.5mm,問再繼續(xù)滲碳8小時后，相同濃度的滲層厚度是多少？

2.圖10-3為測出的針在不同溫度及以不同方式擴(kuò)散時擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系，從該實驗數(shù)

據(jù)圖中能得出哪些信息?

七、形變（20分）

1.常溫卜一金屬塑性變形有哪些主要機(jī)制？它們間的主要差異是什么？

2.面心立方金屬銅在三種不同條件下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖10-4。說明它們可能是在怎

樣的溫度和應(yīng)變速率下形成的？為何有這樣的形狀？

3.什么是上、下屈服點(diǎn)效應(yīng)（在純鐵或低碳鋼中）？原因是什么？

八、再結(jié)晶（20分）

1.給出金屬發(fā)生再結(jié)晶的基本條件（驅(qū)動力）。

2.指出再結(jié)晶、結(jié)晶、固態(tài)相變之間的主要區(qū)別。

3.圖10-5示意畫出一種常見的再結(jié)晶形核機(jī)制，請解釋該地點(diǎn)優(yōu)先形核的原因和形核過

程。

4.再結(jié)晶動力學(xué)公式為X=l-e（-ktn）,各參數(shù)表示的含義是什么？以X—t的關(guān)系作圖，曲

線的形狀大致是怎樣的？如何處理可得一條直線?處理成直線有何用途？

九、固態(tài)相變（10分）

圖10-6為兩組鋁銅合金的時效強(qiáng)化曲線;討論成分變化及時效溫度對力學(xué)性能（這里是

硬度值）的影響，分析可能的原因。

十、固態(tài)相變（15分）

1.簡述時效（強(qiáng)化）處理的工藝路線及原理。

2.同素異晶轉(zhuǎn)變、馬氏體相變、脫溶轉(zhuǎn)變有何主要區(qū)別？

十一、形變（15分）

簡述單向壓縮條件下，形變量、形變溫度對金屬組織及性能的影響（包括晶粒形狀和位

錯亞結(jié)構(gòu)的變化）？可用示意圖表示。

十二、鐵碳相圖（20分）

1.圖10-7a為鐵碳相圖，圖10-7b、c、d分別為3個不同成分（設(shè)為0.45%C、3.4%C、

4.7%C）的鐵碳合金緩冷凝固組織（包括隨后的固態(tài)相變、硝酸酒精浸蝕）。說明它們各是咖

個成分的合金，為什么？

2.分析圖10-7d組織的凝固過程，并計算該合金中白色長條狀組織的重量相對量（Fe3c含

6.69%C）?

參考答案

1.晶體中原子或分子排列相同的晶面的組合稱為晶面族。因?qū)ΨQ關(guān)系，這些面往往不止一

種。立方系｛111｝晶面族包括包11）、（111）、（111）、（111）四個。

2.晶面間夾角cos?=1/J3；6=54.7°。面間距d=a/2（a為點(diǎn)陣常數(shù)）。

3.FCC按ABCABC方式堆垛，而HCP按ABABAB堆垛；致密度無差異，都是0.74。

二、1.前者為固溶體，保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)，且溶解度很低；后者是中間相（尺寸因素化合

物），且A、B原子數(shù)成比例。性能上有很大差異，前者韌、塑性好；后者硬，塑性差。共性

是兩者中的合金組元都在間隙位置，本身尺寸很小。

2.因合金中兩類原子尺寸不同，引起點(diǎn)陣畸變，阻礙位錯運(yùn)動，造成固溶強(qiáng)化。

1.稱形變強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化（或細(xì)晶強(qiáng)化）。原因是兩類缺陷的增多都明顯阻礙位錯的運(yùn)動，

從而提高強(qiáng)度。

2.位錯的增多主要靠形變，通過萌生與增殖在晶粒內(nèi)不斷產(chǎn)生位錯；晶粒細(xì)化可通過凝固

時加非均勻形核劑或高的冷卻速度獲得，也可通過大形變，或再結(jié)晶，或相變的方法。

四、左側(cè)A?NaB范圍是a相穩(wěn)定，因它的自由能最低；右側(cè)NBB?B范圍是P相穩(wěn)定，

也因其自由能最低：兩公切點(diǎn)之間范圍是a+B兩相共存穩(wěn)定，因任意?個單相存在時的自

由能都不如它分解為成分為公切點(diǎn)處的a+B時兩相自由能的加權(quán)值（在公切線直線上）低。

五1.臨界半徑相同；臨界形核功是均勻形核時高；臨界晶核體積也是均勻形核時大。

2.合金界面前沿會出現(xiàn)組成過冷，即界面前溶質(zhì)的富集提高了局部區(qū)域的熔點(diǎn)，所以更易

出現(xiàn)過冷。

3.因兩者分別是粗糙型（鐵）和光滑型界面（硅等），前者是外形均勻的等軸晶或枝晶，后者

為規(guī)則多邊形、有棱角的形狀。

六、1.因濃度C、擴(kuò)散系數(shù)D都不變,有X1/X2=J（tl/t2）,代人相應(yīng)值得:X2=3X1=1.5mm?

2.隨溫度升高，擴(kuò)散速度加快；表血擴(kuò)散最快，晶內(nèi)擴(kuò)散最慢。擴(kuò)散系數(shù)D與溫度T是指

數(shù)關(guān)系，即該圖是D=D0exp（-Q/RT）對數(shù)處理的結(jié)果；利用直線關(guān)系可求常數(shù)D0和激活能

QOo

七、1.主要形變機(jī)制是滑移和學(xué)生；滑移產(chǎn)生的切變量是原子間距的整數(shù)倍，攣生產(chǎn)生的

切變量是原子間距的一個分?jǐn)?shù)；由此產(chǎn)生一系列其他方面的差異。答其他方面差異的也酌情

賦分。

2.有明顯加工硬化的是在低溫（或高應(yīng)變速率）下變形；出現(xiàn)硬化、軟化抗衡（動態(tài)回復(fù)）的

是在中溫（或中等應(yīng)變速率）F變形；有一明顯軟化階段（動態(tài)再結(jié)晶）的是在高溫（或低應(yīng)變

速率）下變形。

3.含C、N間隙原子的低碳鋼形變時，滑移啟動時的抗力較大（上屈服點(diǎn)），滑移進(jìn)行時的抗

力較?。ú芬磺c(diǎn)），在應(yīng)力應(yīng)變曲線上可明顯看出。原因是間隙原子聚集在位錯上（柯氏氣

團(tuán)）釘扎了位錯，出現(xiàn)上屈服點(diǎn)，位錯一旦擺脫釘扎后便不受影響（對應(yīng)下屈服點(diǎn)）。

八、1.要有一定的形變儲存能，一定的溫度。

2.再結(jié)晶只是一種組織變化，沒有結(jié)構(gòu)變化，驅(qū)動力是形變儲存能；結(jié)晶是從非晶態(tài)的液

相、氣相或固態(tài)非晶體中形成晶體的過程；固態(tài)相變是固/固相的結(jié)構(gòu)變化。后兩者的驅(qū)動

力都是化學(xué)自由能差。

3.這是應(yīng)變誘導(dǎo)晶界遷移機(jī)制；晶界兩側(cè)應(yīng)變量不同，位錯密度不同，形變儲存能不同，

造成高應(yīng)變能的一側(cè)被低應(yīng)變能的一側(cè)吃掉；形成新晶粒。

4.X是再結(jié)晶分?jǐn)?shù)，t是時間，k、n都是常數(shù)，k主要與形核率和長大速度有關(guān)，n主要和

形核機(jī)制、地點(diǎn)和新相形狀有關(guān)。以X—t的關(guān)系作圖，曲線的形狀是S或。形狀，50%轉(zhuǎn)

變量時轉(zhuǎn)變速度最快。對數(shù)處理可得一條直線；處理成直線可通過測不同時間的再結(jié)晶量求

出、n值，了解更多的微觀信息。

九、隨鋁中含銅量提高，過飽和度加大，脫溶驅(qū)動力加大，析出速度加快，硬度值增加。時

效溫度越高，擴(kuò)散速度力口快，析出加快，但過飽和度減小，脫溶驅(qū)動力也減小，GP區(qū)或

亞穩(wěn)相可能不出現(xiàn)。時效強(qiáng)化主要靠GP區(qū)和0"相，因兩者很細(xì)小彌散，有共格或半共格

界面，強(qiáng)化效果好。

十、1.經(jīng)高溫加熱及快速冷卻的固溶處理得到過飽和單相組織，然后在一定溫度和時間內(nèi)

時效到最高硬度/強(qiáng)度，得到彌散、共格析出的強(qiáng)化相。

2.同素異晶轉(zhuǎn)變主要是純組元固態(tài)下出現(xiàn)的相變，沒有成分變化，短程擴(kuò)散過程控制；馬

氏體相變是無擴(kuò)散、切變型相變，在純金屬及合金中都會出現(xiàn)，是界面過程控制的。脫溶出

現(xiàn)在合金中，有成分變化，主要是長程擴(kuò)散控制的。

卜一、從側(cè)面觀察，隨形變量加大，晶粒由等軸狀變?yōu)殚L條形，晶粒內(nèi)部位錯增多，形成位

錯纏結(jié)、亞晶界或新的大角晶界；強(qiáng)度、硬度提高，塑性下降。形變溫度提高，晶粒變成長

條狀的速度變慢，因熱激活作用增強(qiáng)，亞晶界加速形成，亞晶尺、丁趨于穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)動態(tài)

再結(jié)晶組織。強(qiáng)度提高和塑性卜降的速度都變慢。

十二、1.圖10-7b組織為0.45%C合金，即亞共析鋼，因其由等軸鐵素體(白色)和珠光體

(黑色)組成。圖10-7c組織為3.4%C合金，即亞共晶白口鑄鐵，因其有枝晶狀珠光體(黑

色，原奧氏體晶粒形狀)和變態(tài)萊氏體組成。圖10-7d組織為4.7%C合金，即過共晶白口

鑄鐵，因其由板條狀白色一次滲碳體和變態(tài)萊氏體組成。

2.液相冷卻時，先形成板條狀一次滲碳體，再形成共晶萊氏體，冷至室溫后萊氏體變?yōu)?/p>

變態(tài)萊氏體。一次滲碳體的相對量為：(4.7—4.3)/(6.69—4.3)=16.7%。

東北大學(xué)2007年攻讀碩士研究生學(xué)位研究生試題

東北大學(xué)2007年攻讀碩士研究生學(xué)位研究生試題

考試科目《材料科學(xué)基礎(chǔ)》

1.名詞解釋固溶體點(diǎn)陣晶格摩擦力擴(kuò)展位錯同素異形轉(zhuǎn)變

2.證明晶面(-210),(-110)(012)屬同?晶帶，其晶帶軸指數(shù)是什么？

3.如何解釋等溫與絕對零度下電子平均動能卜分相近的原因。

4.舉出兩個由長程擴(kuò)散控制長大的實例。

5.為何過飽和固溶體適當(dāng)固溶處理后強(qiáng)度比室溫平衡組織高？

6.(1)已知Zn在Cu中擴(kuò)散時，D=2.1x10(-5)m2/s,Q=1.71x10(5)J/mol求820℃時在中的

擴(kuò)散系數(shù)

(2)討論影響金屬材料擴(kuò)散的因素。

7.冷加工金屬加熱時發(fā)生回復(fù)過程中位錯組態(tài)有哪些變化？

8.Al-Cu相圖可簡化為Tm=660℃,共晶溫度TE=546℃,Cu在Al中最大溶解度C(Cu)=5.65%,

共晶成分CE=33%,液固相線為直線，若液相中Cu擴(kuò)散系數(shù)D2=3xl0(-9)m2/s,合金在無對

流條件下凝固，界面為平面，推移速度5um/s,那么C(Cu)=5%的Al-Cu合金在平衡穩(wěn)壓下凝

固時臨界溫度是到少？溶質(zhì)溶解的特征距離多大？為保持平

面界面，液相溫度梯度應(yīng)多大？

答案提示：2.由晶面指數(shù)列等式

3.課本55頁

4.a-Fe——r—Fe,Al合金中第二相析出

5.共格亞穩(wěn)相產(chǎn)生應(yīng)變

8.提示：成分過冷判據(jù)(課本)

ko=5.65/33=0.17

Ml=(660-546)/33%(液相線斜率)

Ti=660℃+(546-660)/33%x0.15/0.17

燕山大學(xué)材料學(xué)歷年試題

2002年碩士學(xué)位研究生統(tǒng)考考試試題

考試科目：X射線衍射學(xué)共1頁第1頁

名次解釋（20分）

1.量子散射2.二次特征輻射3.分辨能力4.干涉指數(shù)

二.輕元素的衍射分析困難的原因是什么？（10分）

三.經(jīng)典散射在衍射分析中起什么作用？（10分）

四.三類應(yīng)力使X射線衍射線條發(fā)生什么變化？（10分）

五.為什么選擇陽極靶？選靶的原則是什么？（20分）

六.試舉X射線衍射法在材料科學(xué)研究中應(yīng)用的兩個例子，并說明其基本原理。（30分）

燕山大學(xué)2006年碩士研究生入學(xué)考試試題

科目：X射線衍射學(xué)共1頁第1頁

扼要回答下列問題（每小題10分，共80分）

1.什么叫相干散射？它在X射線衍射學(xué)中的地位或作用如何？

2.什么叫結(jié)構(gòu)因數(shù)？它的表達(dá)式及物理意義如何？

3.通常進(jìn)行多晶體晶體結(jié)構(gòu)分析的X射線采用哪種輻射？為什么？

4.X射線的物理本質(zhì)是什么？它具有哪些特性？在什么情況下會表現(xiàn)這些特性？

5.用X射線方法測定晶體點(diǎn)陣常數(shù)時，誤差的主要來源有哪些？可采用哪些方法來消

除？

6.用于物相定性分析的常用索引有那幾種？ASTM卡片能提供哪些有關(guān)物相晶體結(jié)

構(gòu)方面的信息？

7.你所知的歷史上對X射線衍射學(xué)發(fā)展做出突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家有哪些？他們都有哪

些重要貢獻(xiàn)？

8.指出并證明倒易點(diǎn)陣中倒易矢量的基本性質(zhì)。

二.X射線與物質(zhì)相互作用時一般可能產(chǎn)生哪些現(xiàn)象？其中哪些能量消耗可被稱為物質(zhì)對X

射線的真吸收？（15分）

三.列出五種常用晶體結(jié)構(gòu)類型，并給出其中三種系統(tǒng)消光規(guī)律及相應(yīng)的干涉指數(shù)序列。（15

分）

四.從X射線衍射學(xué)角度來看，獲得晶體衍射花樣的基本方法有哪些？每種方法的特點(diǎn)是

什么？為什么用它們可以獲得衍射花樣？（20分）

五.就你理解，X射線衍射學(xué)的主要研究內(nèi)容有哪些？它們所涉及的主要概念和理論基礎(chǔ)有

哪些？（20分）

二00五年招收碩士研究生入學(xué)考試試題答案

華中科技大學(xué)

考試科目：材料成形原理

適用專業(yè)：材料加工工程

A卷

一、名詞解釋

非均質(zhì)形核——依靠外來夾雜或型壁界面所提供的異質(zhì)界面非自發(fā)地形核，稱為異質(zhì)形核，

或非均質(zhì)形核。

成分過冷——由固一液界面前方溶質(zhì)的再分配引起的過冷。

定向凝固——又稱定向結(jié)晶，是使金屬或合金在熔體中定向生長晶體的一種工藝方法。

反應(yīng)性氣孔——金屬液和鑄型之間或在金屬液內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣孔，稱為反應(yīng)性

氣孔。

帶狀偏析——在鑄錠或厚壁鑄件中出現(xiàn)的和凝固液出界面相平行的偏析，有時是連續(xù)出現(xiàn),

有時則是間斷的。

二、簡述題

影響液態(tài)金屬界面張力的主要因素是什么？

影響液態(tài)金屬界面張力的主要因素是：（1）金屬的熔點(diǎn)，金屬的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)越高，則表面張

力往往就越大；（2）溫度，大多數(shù)金屬和合金的表面張力隨溫度升高而降低，但對鑄鐵、碳

鋼、銅及其合金則相反。（3）溶質(zhì)元素，表明活性元素降低界面張力，非表明活性元素增加

表面張力、

單相合金平面生長的條件是什么？

單相合金平面生長的條件是：

防止凝固組織產(chǎn)生縮孔縮松的途徑主要有哪幾種？

防止凝固組織產(chǎn)生縮孔縮松的途徑主要有：（1）定向凝固或同時凝固；（2）調(diào)整澆注溫度和澆

注速度；（3）冒口、補(bǔ)貼和冷鐵的應(yīng)用；（4）加壓補(bǔ)縮。

為什么使用堿性焊條比酸性焊條對工件表面鐵銹(FeO?nH2O)更敏感？

堿性焊條屬低氫型焊條，這類焊條的熔渣不具備氧化性，一旦有氫侵入熔池，將很難脫出，

而酸性焊條的熔渣有一定的氧化性，可以起脫氫的作用。因此，堿性焊條比酸性焊條對工件

表面鐵銹(FeO?nH2O)更敏感

如何消除焊件內(nèi)部的殘余應(yīng)力？

可采用熱處理、錘擊和振動等方法消除焊件內(nèi)部的殘余應(yīng)力

6.熔焊接頭和釬焊接頭在連接機(jī)理上有何區(qū)別？

熔焊接頭與釬焊接頭均采用熱能實現(xiàn)不可拆卸的焊接接頭，但釬焊時僅釬科熔

化，而母材不熔化，在連接處一般不易形成共同的晶粒，只是依靠液態(tài)釬料潤濕母材表面，

二者相互擴(kuò)散而形成釬焊接頭

7.焊接工藝參數(shù)(有效熱功率q和焊接速度v)對低碳鋼薄板焊接(平對接焊縫)

的溫度場有何影響？

當(dāng)熱源的有效熱功率q一定時，焊接速度v越大，某一溫度的等溫線所包圍的范圍顯著縮?。?/p>

當(dāng)焊接速度v一定，隨q的增大，一定溫度的等溫線所包圍的范圍顯著增大；當(dāng)q/v保持一

定，即線能量E為常數(shù)時，同時增大q和v,此時等溫線在熱源移動方向會伸長，而在寬度

方向變化較小。

8.低碳鋼焊縫的室溫組織是什么？(5分)

低碳鋼焊縫碳含量較低，高溫奧氏體固態(tài)相變后得到鐵素體加珠光體組織。固態(tài)相變時首先

沿奧氏體晶界析出共析鐵素體，然后發(fā)生共析反應(yīng)

A-P(F+Fe3C)

式中的A是奧氏體；P是珠光體；F是鐵素體；Fe3c是滲碳體。焊縫金屬過熱時，還會出現(xiàn)

魏氏組織，即鐵素體在奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，或在奧氏體晶內(nèi)沿一定方向析出的呈長短不

一的針狀或片條狀脆性組織。

三、何謂一階張量？何謂二階張量？

四、何謂塑性指標(biāo)，它是否具有普遍與絕對的意義?

五、試寫出計算摩擦應(yīng)力的兩個常用公式。

六、在金屬塑性加工的理論分析中，常將實際的金屬材料分成哪幾種材料模型？并

畫出對應(yīng)的真實應(yīng)力一應(yīng)變曲線的示意圖。

B卷

焊接

(分析計算題)

第一題

答題關(guān)鍵點(diǎn)：

設(shè)，Cd為合金元素在熔敷金屬中的含量：Ce為合金元素的原始含量；Cew為合金元素在焊

絲中的含量；Cco為合金元素在藥皮中的含量；Kb為焊條藥皮的質(zhì)量系數(shù)，即單位長度焊條

中藥皮質(zhì)量與焊芯質(zhì)量之比。過渡系數(shù)為：

若考慮合金元素在焊接中的損失，則焊縫金居中某合金元素的實際濃度Cw為

為熔合比，Cb為某元素在母材中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Cd為熔敷金屬(即真正過渡到熔池中去的那部

分焊條金屬)中某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

0.2X1.5%+(1-0.2)XCd>12%

Cd214.6%

0.8X(Ccw+0.4XCco)=Cd

Cco223.2%

含Mn量為75%的缽鐵合金粉的量》(23.2%)/(75%)=31%

第二題

答題關(guān)鍵點(diǎn)：

合金化的目的首先是為了補(bǔ)償在高溫下金屬由于蒸發(fā)或氧化等造成的損失。其次是為了消除

缺陷，改善焊縫金屬的組織與性能，或為了獲得具有特殊性能酌堆焊金屬。如用堆焊的方法

過渡Cr、Mo、％Mn等合金元素，使工件表面具有耐磨性、熱硬性、耐熱和耐蝕等性能。

常用的合金化方式有：

(1)通過合金焊絲或帶極，把所需的合金元素加入焊絲或帶極內(nèi)。

(2)通過藥芯焊絲或藥皮(或焊劑)，把所需合金元素以鐵合金或純金屬的形式加入藥芯

焊絲的藥芯內(nèi)或焊條藥皮(或焊劑)內(nèi)。

(3)通過合金粉木，將合金元素按比例配制成具有一定粒度的合金粉末，把它送人

焊接區(qū)或直接涂敷在焊件表面。

此外，還可以通過從金屬氧化物中還原金屬的方式(如鎰、硅的還原反應(yīng))來合金化,

但這種合金化的程度有限，并還會造成焊縫的增氧。

第三題

答題關(guān)鍵點(diǎn)：

16Mn為不易淬火的低合金鋼。HAZ分為四個區(qū)。

(1)熔合區(qū)，是焊縫與母材相鄰的部位，最高溫度處于固相線與液相線之間。所以

又稱為半熔化區(qū)。此區(qū)雖然較窄、但是，由于晶界與品內(nèi)局部熔化，成分與組織不均勻分布，

過熱嚴(yán)重，塑性差，所以是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

(2)過熱區(qū)，過熱區(qū)的溫度范圍處于固相線到1100℃左右。由于加熱溫度高，奧氏體

過熱，晶檢嚴(yán)重長大，故又稱之為祖晶區(qū)。焊后冷卻時.奧氏體相變產(chǎn)物也因晶粒粗化使塑

性、韌性下降，慢冷時還會出現(xiàn)魏氏組織。過熱區(qū)也是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

(3)相變重結(jié)晶區(qū)(正火區(qū))，該區(qū)母材已完全A化，該區(qū)處于1100℃—Ac3(約900℃)

之間.由于奧氏體晶粒細(xì)小，空冷后得到晶粒細(xì)小而均勻的珠光體和鐵素體，相當(dāng)于熱處理

時的正火組織。因此，其塑性和韌性很好。

(4)不完全重結(jié)晶區(qū)，Acl—Ac3范圍內(nèi)的HAZ屬于不完全重結(jié)晶區(qū)。由于部分母材組

織發(fā)生相變重結(jié)晶F+PA,且奧氏體晶粒細(xì)小，冷卻轉(zhuǎn)變后得到細(xì)小的F+P,而未奧氏體化的

F受熱后長大，使該晶粒大小、組織分布不均勻，雖然受熱不嚴(yán)重但性能不如相變重結(jié)晶區(qū)。

第四題

答題關(guān)鍵點(diǎn)：

氫的影響主要體現(xiàn)在4個方面，即：氫脆、白點(diǎn)、氣孔和冷裂紋。

減少氫含量的主要措施有：限制氫的來源、冶金處理脫氫、控制熔池存在的時間和冷卻速度、

焊后加熱工件脫氫。

D卷答案

液態(tài)金屬凝固學(xué)

細(xì)化凝固組織的生核劑主要有哪幾類，其生核作用的機(jī)理分別是什么？

答案要點(diǎn)：

加入生核劑的目的是強(qiáng)化非均質(zhì)形核。根據(jù)生核質(zhì)點(diǎn)的作用過程，生核劑主要有以

下四類：

(1)直接作為外加晶核的生核劑,這種生核劑通常是與欲細(xì)化相具有界面共格對應(yīng)

的高熔點(diǎn)物質(zhì)或同類金屬、非金屬碎粒.它們與欲細(xì)化相間具有較小的界面能，潤濕角小，

直接作為有效襯底促進(jìn)非自發(fā)生核。

(2)生核劑中的元素能與液態(tài)金屬中的某元素形成較高熔點(diǎn)的穩(wěn)定化合物,這些化

合物與欲細(xì)化相間具有界面共相對應(yīng)關(guān)系和較小的界面能，促進(jìn)非均質(zhì)生核。

(3)通過在液相中造成很大的微區(qū)富集而造成結(jié)晶相通過非均質(zhì)形核而提前彌散

析出的生核劑，其余以此為基底形核，易為共晶析出。

(4)含強(qiáng)成分過冷元素的生核劑，這類生核劑使晶粒根部或分枝，產(chǎn)生縮頸，易于

通過熔體流動及沖擊產(chǎn)生晶粒的游離；強(qiáng)化界面前沿熔體內(nèi)部的非均質(zhì)形核；強(qiáng)成分過冷元

素的界面富集對晶體生長具有抑制作用，降低晶體生長速度，也使品粒細(xì)化。

二、解答步驟

根據(jù)題目提供的Al-Cu相圖參數(shù)可知：

當(dāng)凝固20%時，fs=20%,fL=80%,CO=10%

共晶體所占比例為為時的

故：

即凝固完畢時，共晶體所占比例為：23.63%

若凝固條件改為完全平衡凝固，當(dāng)時，未凝固的即全為共晶體。

凝固后試棒中共晶體的數(shù)量為15.78%。

三、何謂熱力學(xué)能障和動力學(xué)能障？凝固過程使如何克服這兩個能障的？

答案要點(diǎn)：

熱力學(xué)能障——由被迫處于高自由能過渡狀態(tài)下的界面原子所產(chǎn)生,能直接影響到體系

自由能的大小，界面自由能即屬于這種情況。

動力學(xué)能障——由金屬原子穿越界面過程所引起，原則上與驅(qū)動力的大小無關(guān)而僅取決

于界面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，激活自由能即屬于這種情況。

熱力學(xué)能障對生核過程影響很大，動力學(xué)能障在晶體生長過程中則具有重要的作用。液

態(tài)金屬凝固過程中必須克服熱力學(xué)和動力學(xué)兩個能障。

液態(tài)金屬在成分、溫度、能量上是不均勻的，即存在成分、相結(jié)構(gòu)和能量三個起伏，也

正是這三個起伏才能克服凝固過程中的熱力學(xué)能障和動力學(xué)能障，使凝固過程不斷地進(jìn)行下

去。

凝固過程中產(chǎn)生的固一液界面使體系自由能增加，導(dǎo)致凝固過程不可能瞬時完成，也不

可能同時在很大約范圍內(nèi)進(jìn)行，只能逐漸地形核生長，逐漸地克服兩個能障，才能完成液體

到固體的轉(zhuǎn)變。同時，界面的特征及形態(tài)又影響著晶體的形核和生長。也正是由于這個原因，

使高能態(tài)的界面范圍盡量縮小，至凝固結(jié)束時成為范圍很小的晶界。

四、試述析出性氣孔的特征、形成機(jī)理及主要防止措施。

答案要點(diǎn)：

金屬液在冷卻及凝固過程中，因氣體溶解度下降，析出的氣體來不及從液面排除而

產(chǎn)生的氣孔稱為析出性氣孔。

這類氣孔在鑄件斷面上大面積分布，靠近冒口、熱節(jié)等溫度較高的區(qū)域，其分布較密集,

形狀呈團(tuán)球形，裂紋多角形，斷續(xù)裂紋狀或混合型。

析出性氣孔的形成機(jī)理是：合金凝固時，氣體溶解度急劇下降，由于溶質(zhì)的再分配，在

固一液界面前的液相中氣體溶質(zhì)富集，當(dāng)其濃度過飽和時，產(chǎn)生很大的析出動力，在現(xiàn)成的

襯底上氣體析出，形成氣泡，保留在鑄件中成為析出性氣孔。

防止措施：

減少金屬液的原始含氣量（減少金屬液的吸氣量、對金屬液進(jìn)行除氣處理）；

阻止金屬液氣體析出（提高冷卻速度、提高鑄件凝固時的外壓）;

型（芯）砂處理（減少砂型（芯）在澆注時的發(fā)氣量、使砂型（芯）易于排氣）

-00五招收碩士研究生入學(xué)考試試題

姓名：報考學(xué)科、專業(yè):準(zhǔn)考證號

碼：

密封線內(nèi)不要寫題

華中科技大學(xué)

考試科目：材料成形原理

適用專業(yè)：材料加工工程

（除畫圖題外，所有答案都必須寫在答題紙上，寫在試

題上及草稿紙上無效，考完后試題隨答題紙交回）

注意：本試卷分A、B、C、D四部分，其中A卷為必作題卷，B、C、D卷為選作題卷（任選其

中一卷），各卷滿分為75分，總分150分。

例如：A卷（75分）+B卷（75分）=150分；或：A卷（75分）+C卷（75分）=150分

或：A卷（75分）+D卷（75分）=150分。

A卷（75分）

一、名詞解釋（2X5=10分）

1.非均質(zhì)形核；2.成分過冷；3.定向凝固；4.反應(yīng)性氣孔；5.帶狀偏析

二、簡述題（8X5=40分）

1.影響液態(tài)金屬界血張力的主要因素是什么？

2.單相合金平面生長的條件是什么？

3.防止凝固組織產(chǎn)生縮孔縮松的途徑主要有哪幾種？

4.為什么使用堿性焊條比酸性焊條對工件表面鐵銹（FeO-nH2O）更敏感？

5.如何消除焊件內(nèi)部的殘余應(yīng)力？

6.熔焊接頭和釬焊接頭在連接機(jī)理上有何區(qū)別？

7.焊接工藝參數(shù)（有效熱功率q和焊接速度v）對低碳鋼薄板焊接（平對接焊縫）

的溫度場有何影響？

8.低碳鋼焊縫的室溫組織是什么？

試卷編號：416共3

頁

第1頁

三、（6分）何謂一階張量？何謂二階張量？

四、（6分）何謂塑性指標(biāo)，它是否具有普遍與絕對的意義？

五、（6分）試寫出計算摩擦應(yīng)力的兩個常用公式。

六、（7分）在金屬塑性加工的理論分析中，常將實際的金屬材料分成哪幾種材料

模型？并畫出對應(yīng)的真實應(yīng)力一應(yīng)變曲線的示意圖。

B卷（75分）

焊接

（分析計算題）

,、（20分）已知焊條藥皮質(zhì)量系數(shù)為0.4,焊絲含Mn量為9%,其過渡系數(shù)為0.8,

母材含Mn量為1.5%,熔合比為0.2。要求焊縫中Mne12%以確保其耐磨性能，藥皮中要加

入多少含Mn量為75%的鎰鐵合金粉？

二、（20分）在焊接工藝中，合金化的目的是什么？常采用哪幾種合金化方式？

三、（20分）16Mn焊接HAZ的組織區(qū)域有哪幾種？分別分析它們的形成條件。

四、（15分）焊縫金屬中，氫的影響主要體現(xiàn)在哪幾個方面？如何減少焊縫金屬中

氫的含量？

C卷（75分）

金屬塑性成形力學(xué)

（21分）試從等效應(yīng)力的定義式出發(fā)，證明：

式中，是應(yīng)力偏張量。

二、（33分）設(shè)有薄壁圓筒，半徑為r,兩端面是半徑為r的薄壁半球殼，設(shè)壁厚

全部為t〈〈r,承受內(nèi)壓P,如下圖所示。設(shè)圓筒為Mises剛塑性材料，屈服應(yīng)力為。s。試

求：

（1）忽略徑向應(yīng)力確定圓筒與半球殼哪?部分先屈服？

（2）設(shè)屈服時的塑性功率密度為c（c>0）,試求對應(yīng)的應(yīng)變速率張量？

試卷編號：416共

3頁

第2頁

試卷編號：416共

3頁

第

3頁

三、（21分）大圓筒拉深為小圓筒，如下圖所示。設(shè)變形只發(fā)生在工件的圓錐面上,

錐血與軸線的夾角為a,不計接觸面上的摩擦應(yīng)力，且忽略凹模出口處的彎曲效應(yīng)，圓筒

的厚度為t且在拉深時保持不變，設(shè)材料的真實應(yīng)力為s,試用主應(yīng)力法求拉深力。

D卷（75分）

液態(tài)金屬凝固學(xué)

（15分）細(xì)化凝固組織的生核劑主要有哪幾類，其生核作用的機(jī)理分別是什么？

（20分）用AlTO%Cu合金澆注一水平細(xì)長試棒，使其自左至右單向凝固，并保持固一液界面

為平面，當(dāng)固相無Cu的擴(kuò)散，液相中Cu均勻混合時，求：

凝固20%時，固液界面的和。

凝固完畢，共晶體所占比例。

如果凝固條件現(xiàn)改為完全平衡凝固，凝固后試棒中共晶體的數(shù)量有多少？

（Al-Cu合金相圖的主要參數(shù)：，，，。）

（20分）何謂熱力學(xué)能障和動力學(xué)能障？凝固過程是如何克服這兩個能障的？

（20分）試述析出性氣孔的特征、形成機(jī)理及主要防止措施。

-00六招收碩士研究生入學(xué)考試試題

姓名：報考學(xué)科、專業(yè)：準(zhǔn)考證號

碼：

密封線內(nèi)不要寫題

華中科技大學(xué)

考試科目：材料成形原理

適用專業(yè)：材料加工工程、數(shù)字化材料成形

（除畫圖題外，所有答案都必須寫在答題紙上，寫在試

題上及草稿紙上無效，考完后試題隨答題紙交回）

注意：本試卷分A、B、C、D四部分，其中A卷為必作題卷，B、C、D卷為選作題卷（任選其

中一卷），各卷滿分為75分，總分150分。

例如：A卷（75分）+B卷（75分）=150分；或：A卷（75分）+C卷（75分）=150分

或:A卷（75分）+D卷（75分）=150分。

A卷（75分）

簡述題

1.（5分）為什么過冷度是液態(tài)合金結(jié)晶的驅(qū)動力？

2.（5分）液態(tài)合金的流動性和充型能力有何本質(zhì)區(qū)別？

3.（5分）什么樣的界面才能成為異質(zhì)形核的襯底？

4.（5分）何謂析出性氣孔，有何特征？

5.（5分）生產(chǎn)中如何防止密度偏析的形成？

6.（10分）簡述產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的原因及消除或減少殘余應(yīng)力與變形的方法。

7.（9分）簡述低碳鋼焊接時氧與金屬作用的特點(diǎn)及其對焊接質(zhì)量的影響。

8.（6分）下圖是不同焊接順序時焊縫橫向收縮引起的橫向應(yīng)力分布。試寫出各圖

的焊接方向或順序。（注：圖在2頁）

9.（6分）何謂塑性加工？它有何優(yōu)點(diǎn)？

10.（7分）簡述塑性變形的基本力學(xué)方程有哪幾種？其作用如何？

11.（6分）試寫出摩擦應(yīng)力計算的兩種常用公式，并說明在塑性加工中的應(yīng)用條件。

12.（6分）寫出兩種屈服準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并說明其物理意義。

（A卷第8題圖）

B卷（75分）

焊接

（15分）堆焊時，設(shè)母材含Mn量為1%,熔敷金屬含Mn量為15%,熔合比為0.5,要求焊縫

金屬含Mn量不小于13%。問：什么是熔合比？應(yīng)堆焊多少層才能滿足焊縫中Mn含量的要求

（寫出計算步驟）？

（25分）試述氫致裂紋的特點(diǎn)、形成機(jī)理及防止措施。

（20分）試述焊接低碳調(diào)質(zhì)鋼時，熱影響區(qū)組織分布及性能變化的特點(diǎn)。

（15分）根據(jù)熔渣的成分和性能，焊接時的熔渣有哪幾種類型？試述熔渣的主要作用。

C卷（75分）

金屬塑性成形力學(xué)

（18分）設(shè)有一高為H的圓柱體，先均勻拉深到2H,再均勻壓縮為H,設(shè)在變形過程中體積

不變，試分別求出這二個階段的對數(shù)應(yīng)變、等效對數(shù)應(yīng)變及最終的對數(shù)應(yīng)變、等效對數(shù)應(yīng)變。

（18分）一薄壁管，內(nèi)徑中80mm,壁厚4mm,承受內(nèi)壓p,材料的屈服應(yīng)力為200MPa,假

定管壁上的徑向應(yīng)力。試用Mises屈服準(zhǔn)則分別求出下列情況下管子屈服時的p：a）管子

兩端自由；b）兩端封閉。

（18分）已知剛塑性變形體中的某質(zhì)點(diǎn)處的平面應(yīng)力張量為MPa,應(yīng)變分量，試求應(yīng)變增量

張量及塑性功增量密度。

試卷編號：416共

3頁

第2頁

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3頁

4.（21分）如下圖，將一板厚為t、直徑為DO的圓板坯拉深成內(nèi)徑為dO的圓筒

件。假設(shè)（1）板料為理想剛塑性體，其屈服應(yīng)力為Y；（2）成形過程板厚不變，且忽略凹

模入口處的彎曲效應(yīng)和模具間隙；（3）壓邊力為Q,考慮接觸面上的摩擦，摩擦系數(shù)為口，

作用于壓邊面上的摩擦力與凸緣外緣部的徑向應(yīng)力。r的作用等效。試用主應(yīng)力法求拉深高

度為h時刻的拉深力。

D卷（75分）

液態(tài)金屬凝固學(xué)

（20分）液態(tài)合金凝固時的熱過冷和成分過冷有何區(qū)別？成分過冷對單相合金晶體生長方

式有何影響？

（25分）某二元合金相圖如下圖所示，合金液成分為C0=40%,置于長瓷舟中并從左端開始

凝固，溫度梯度大到足以使固液界面保持平面生長。假設(shè)固相無擴(kuò)散，液相均勻混合，試求:

平衡分配系數(shù)k0?

凝固10%時,固液界面的和。

凝固完畢，共晶體所占比例。

畫出凝固后的試棒中溶質(zhì)B的濃度沿試棒長度的分布曲線，并注明各特征成分及其位置。

3.（20分）鑄件典型宏觀組織是由哪幾部分構(gòu)成的，它們的特征和形成機(jī)理如

何？

4.（10分）試分析縮孔、縮松形成條件及形成原因的異同。

二00六年招收碩士研究生入學(xué)考試試題答案

華中科技大學(xué)

考試科目：材料成形原理

適用專業(yè)：材料加工工程、數(shù)字化材料成形

A卷

簡述題

1.為什么過冷度是液態(tài)合金結(jié)晶的驅(qū)動力？

結(jié)晶過程的發(fā)生必須是液相的自由能高于固相的自由能,液相金屬與固相金屬自由

能之差即為結(jié)晶的驅(qū)動力，要獲得結(jié)晶過程所必需的驅(qū)動力，一定要使實際結(jié)晶的溫度低于

理論結(jié)晶溫度，即要有?定的過冷度，才能滿足熱力學(xué)條件。

2.液態(tài)合金的流動性和充型能力有何本質(zhì)區(qū)別？

液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪轂清晰的鑄件的能力，稱為液態(tài)金屬的

充型能力。液態(tài)金屬的充型能力首先取決于金屬本身的流動能力，同時又受到外界條件，如

鑄型的性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素的影響，是各種因素的綜合反映。

液態(tài)金屬本身的流動能力，稱為流動性。由液態(tài)金屬的成分、溫度、雜質(zhì)含量等決

定的，而與外界條件無關(guān)。因此，流動性也可認(rèn)為是確定條件下的充型能力。

3.什么樣的界面才能成為異質(zhì)形核的襯底？

界面兩側(cè)夾雜和晶核的原子排列方式相似，原子間距相近，或在一定范圍內(nèi)成比例，

就可能實現(xiàn)界面的共格對應(yīng)。當(dāng)點(diǎn)陣的失配度6W5%,為完全共格，形核能力強(qiáng)；

5%W8W25%為部分共格，夾雜物襯底有一定的形核能力；8>25%為不共格，夾雜物襯底無

形核能力。

4.何謂析出性氣孔，有何特征？

析出性氣孔——金屬液在冷卻及凝固過程中，因氣體溶解度下降，析出的氣體來不及從

液面排除而產(chǎn)生的氣孔；這類氣孔在鑄件斷面上大面積分布，靠近冒口、熱節(jié)等溫度較高的

區(qū)域，其分布較密集，形狀呈團(tuán)球形，裂紋多角形，斷續(xù)裂紋狀或混合型。

5.生產(chǎn)中如何防止密度偏析的形成？

防止或減輕密度偏析的方法有以下幾種：

(1)增加鑄件的冷卻速度、使初生相來不及上浮或下沉。

(2)加入第三種合金元素，形成熔點(diǎn)較高的、密度與液相接近的樹枝狀化合物，使其首

先結(jié)晶并形成樹枝狀骨架，阻止偏折相的沉浮。

(3)盡量降低合金的澆注溫度和澆注速度。

6.簡述產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的原因及消除或減少殘余應(yīng)力與變形的方法。

溫度改變導(dǎo)致“熱脹冷縮”，非均勻的溫度變化(如局部的加熱、冷卻)導(dǎo)致金屬內(nèi)部

的不均勻“熱脹冷縮”從而產(chǎn)生應(yīng)力。工件冷卻后保留在工件內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力。

局部的固態(tài)相變也能產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

減小或消除應(yīng)力方法：結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝措施、熱處理、機(jī)械振動、機(jī)械加載等。

變形：殘余應(yīng)力的存在必然導(dǎo)致原工件形狀的少量改變，也稱為殘余變形。

有整體變形、局部變形。

影響因素：材料熱物理性能、膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、工藝因素、焊接熱輸入、焊接次序等。

防止方法：結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝(反變形、剛性固定、預(yù)留收縮量)、矯正(機(jī)械、火焰)。

7.簡述低碳鋼焊接時氧與金屬作用的特點(diǎn)及其對焊接質(zhì)量的影響。

低碳鋼中能有限溶解氧，生成的氧化物能溶于相應(yīng)的金屬中。氧在鐵液中以原子氧和

FeO兩種形式存在。氧對金屬有氧化作用。

氣體中氧與金屬的作用：2Fe0-2Fe+02

實際焊接電弧區(qū)的氧化可以是：

Fe+O-FeO

Fe+C02fFeO+CO

Fe+H20fFeO+H2

當(dāng)溫度升高，或02、C02、H20增多時,[FeO]多

影響：氧化物性能變差（強(qiáng)度、塑性、韌性）、氣孔

控制：純化焊材.、控制焊接工藝參數(shù)、冶金脫氧（脫氧劑）。

8.下圖是不同焊接順序時焊縫橫向收縮引起的橫向應(yīng)力分布。試寫出各圖的焊接方向或順

序。

a）直通焊b）從中間向兩端焊c）從兩端向中間焊

9.何謂塑性加工？它有何優(yōu)點(diǎn)？

材料在一定的外力作用下,利用其塑性而使其成形并獲得一定力學(xué)性能的加工方法稱為

塑性成形。

與其他加工方法（如金屬的切削加工、鑄造、焊接等）相比，金屬塑性成形有如下優(yōu)

點(diǎn)?

（1）組織、性能好；

（2）材料利用率高；

（3）尺寸精度高；

（4）生產(chǎn)效率高，適于大批量生產(chǎn)。

10.簡述塑性變形的基本力學(xué)方程有哪幾種？其作用如何？

有力平衡方程、幾何方程、應(yīng)變連續(xù)方程、屈服準(zhǔn)則、應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系（本構(gòu)關(guān)系）五種。

力平衡方程：反映微元體的力平衡，應(yīng)力分量之間的關(guān)系。

幾何方程：位移與應(yīng)變之間的關(guān)系。

應(yīng)變連續(xù)方程：應(yīng)變分量之間的關(guān)系。

屈服準(zhǔn)則：材料產(chǎn)生初始屈服和后繼屈服的判據(jù)。

應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系：應(yīng)變增量與應(yīng)力偏量之間的關(guān)系。

11.試寫出摩擦應(yīng)力計算的兩種常用公式，并說明在塑性加工中的應(yīng)用條件。

(1)庫倫摩擦條件

不考慮接觸面上的粘合現(xiàn)象，認(rèn)為摩擦符合庫倫定律，即摩擦力與接觸面上的正壓

力成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中T——摩擦力；

T——摩擦切應(yīng)力；

Pn-----接觸面上的正壓應(yīng)力；

口——外摩擦系數(shù)(簡稱摩擦系數(shù))。

適用于正壓力不太大、變形量較小的冷成形工序

(2)常摩擦力條件

接觸面上的摩擦切應(yīng)力T與被加工金屬的剪切屈服強(qiáng)度K成正比，即

式中，m—摩擦因子，取值范圍為0~1。

在熱塑性成形時，常采用最大摩擦力條件。

12.試寫出摩擦應(yīng)力計算的兩種常用公式，并說明在塑性加工中的應(yīng)用條件。

Tresca屈服準(zhǔn)則：

式中，omax,。min分別代表最大、最小的主應(yīng)力。

K為材料屈服時的最大切應(yīng)力值，也稱剪切屈服強(qiáng)度。

意義：當(dāng)受力物體(質(zhì)點(diǎn))中的最大切應(yīng)力達(dá)到某一定值時，該物體就發(fā)生屈服。

Mises屈服準(zhǔn)則:

或

式中：os——材料的屈服點(diǎn)；

K——材料的剪切屈服強(qiáng)度。

意義：在一定的變形條件下，當(dāng)受力物體內(nèi)一點(diǎn)的應(yīng)力偏張量的第二不變量達(dá)到一定值時，

該點(diǎn)就開始進(jìn)入塑性狀態(tài)。

B卷焊接

1.答題要點(diǎn)：熔合比：焊縫金屬中，熔入母材的金屬所占的比例。

n=3

CWM=O.53*0.01+(l-0.53)*0.15=0.1325即13.25%

2.答題要點(diǎn)：

氫致裂紋易在中、高碳鋼及合金鋼、鈦及鈦合金、BCC材料有淬硬M相變材料等的

焊接時產(chǎn)生。主要產(chǎn)生在HAZ粗晶區(qū)。常具有延遲特征。

裂紋形貌：端部尖銳，斷口無氧化、液膜特征；穿晶。

形成機(jī)理：淬硬組織、氫、拘束應(yīng)力。

防止措施：材料成份選擇與控制；預(yù)熱及后熱、保溫處理；降低擴(kuò)散氫含量；降低殘余應(yīng)力

水平；低強(qiáng)度匹配。

3.答題要點(diǎn)：

與母材焊前熱處理狀態(tài)有關(guān)。

焊前為正火或退火狀態(tài)，焊前母材為F+P組織。HAZ主要由完全淬火區(qū)和不完全淬

火區(qū)組成。完全淬火區(qū)，M（或M+B）,靠近焊縫高溫區(qū)為粗大的M組織。不完全淬火區(qū)，

M+F。

焊前為調(diào)質(zhì)態(tài)，母材為回火組織，HAZ可分為完全淬火區(qū)、不完全淬火區(qū)和回火區(qū)。

性能變化：HAZ的硬化、脆化、軟化及綜合力學(xué)性能的變化。

調(diào)整措施：調(diào)整成分與HAZ組織狀態(tài)；合理的焊接工藝（合理的線能量、預(yù)熱）。

4.答題要點(diǎn)：

在焊接中，根據(jù)熔渣的成分和性能可以分為三種：鹽型熔渣（主要由金屬

氟酸鹽、氯酸鹽和不含氧的化合物組成）、鹽-氧化物型熔渣（主要由氟化物和強(qiáng)金屬氧化

物組成）、氧化物型熔渣（主要由金屬氧化物組成）。

作用：

機(jī)械保護(hù)，與空氣隔離，防止液態(tài)熔池氧化和氮化，防止高溫時金屬被氧化。

冶金處理作用，如脫0、S、P；去H；去雜質(zhì)；合金化

改善焊接工藝性能，電弧易于引燃、穩(wěn)定，易操作易脫渣；保證焊縫成形

C卷金屬塑性成形力學(xué)

1.答題要點(diǎn)：

D卷液態(tài)金屬凝固學(xué)

1.液態(tài)合金凝固時的熱過冷和成分過冷有何區(qū)別？成分過冷對單相合金晶體生長方式有何

影響？

答題要點(diǎn)：

熱過冷——液態(tài)凝固時所需過冷完全由傳熱所提供。

成分過冷：凝固時由于溶質(zhì)再分配造成固液界面前沿溶質(zhì)濃度變化，引起理論凝固

溫度的改變而在液固界面前液相內(nèi)形成的過冷。

成分過冷對單相合金晶體生長方式影響：

(1)無“成分過冷”的平面生長。當(dāng)單相合金晶體生長條件符合：界

面前方不產(chǎn)生成分過冷。界面將以平向生長方式生長。宏觀平坦的界面是等溫的，以恒定的

平衡成分向前推進(jìn)。獲得成分完全均勻的單相固溶體柱狀晶甚至單晶體。

(2)窄成分過冷區(qū)的胞狀生長。當(dāng)單相合金晶體生長符合條件：

時，界面前方產(chǎn)生一個窄成分過冷區(qū)，晶體生長以胞狀晶方式生長。

(3)較寬成分過冷區(qū)的柱狀樹枝晶生長。隨著界面前方成分過冷區(qū)加寬，凸起晶胞

將向熔體伸展更遠(yuǎn)；原來胞晶拋物狀界面逐漸變得不穩(wěn)定。晶胞生長方向開始轉(zhuǎn)向優(yōu)先的結(jié)

晶生長方向，胞晶的橫向也將受晶體學(xué)因素的影響而出現(xiàn)凸緣結(jié)構(gòu)，當(dāng)成分過冷加強(qiáng)時，凸

緣上又會出現(xiàn)鋸齒結(jié)構(gòu)即二次枝晶。將出現(xiàn)二次枝晶的胞晶稱為胞狀樹枝晶，或柱狀樹枝晶。

(4)寬成分過冷區(qū)的自由樹枝晶生長。當(dāng)固-液界面前方液體中成分過冷的最大值

大于液體中非均質(zhì)生核所需要的過冷度AT異時，在柱狀枝晶生長的同時，界面前方這部分

液體將發(fā)生新的形核過程，導(dǎo)致晶體在過冷的液體中自由成核生長，并長成樹枝晶，這稱為

自由樹枝晶，此后的凝固過程便是等軸晶不斷向液體內(nèi)部推進(jìn)的過程。

2.解答步驟

根據(jù)題目提供的相圖參數(shù)可知：

當(dāng)凝固10%時，fs=10%,fL=90%,CO=40%

共晶體所占比例為為時的

故：

即凝固完畢時，共晶體所占比例為：44.4%

成分的分布如圖：

3.鑄件典型宏觀組織是由哪幾部分構(gòu)成的，它們的特征和形成機(jī)理如何?

答題要點(diǎn)：

鑄件典型宏觀組織是由表面細(xì)晶粒區(qū)、柱狀晶區(qū)和內(nèi)部等軸晶區(qū)三個部分構(gòu)成的，他們

的特征分別是：

表面細(xì)晶粒區(qū)。是緊靠鑄型壁的激冷組織，也稱激冷區(qū)，由無規(guī)則排列的細(xì)小等軸晶所組成。

柱狀晶區(qū)。由垂直于型壁（沿?zé)崃鞣较颍┍舜似叫信帕械闹鶢罹ЯＫM成。

內(nèi)部等軸晶區(qū)。由各向同性的等軸晶組成。等軸晶的尺寸比表面細(xì)晶粒區(qū)的晶粒尺寸粗大。

各區(qū)的形成機(jī)理如下：

表面細(xì)晶粒區(qū)的形成。鑄型壁附近熔體受到強(qiáng)烈的激冷作用而大量形核，形成無方向性的表

面細(xì)等軸晶組織，也叫“激冷晶”。此區(qū)形成的前提條件是，抑制鑄件形成穩(wěn)定的凝固殼層,

凝固殼層形成，界面處晶粒單向散熱，則晶粒逆熱流方向擇優(yōu)生長而形成柱狀晶。

柱狀晶主要是從表面細(xì)晶粒區(qū)形成并發(fā)展而來的，穩(wěn)定的凝固完層一旦形成，處在凝固界面

前沿的晶粒在垂直于型壁的單向熱流的作用卜，便轉(zhuǎn)而以枝晶狀延伸生長。由于各技晶主干

方向互不相同，那些主干與熱流方向相平行的枝晶，較之取向不利的相鄰枝晶生長得更為迅

速.它們優(yōu)先向內(nèi)伸展并抑制相鄰枝晶的生長。在逐漸淘汰掉取向不利的晶體過程中發(fā)展成

柱狀晶組織。

內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成，是由于剩余熔體內(nèi)部晶核自由生長的結(jié)果。

4.試分析縮孔、縮松形成條件及形成原因的異同。

答案要點(diǎn)：

縮孔形成原因是合金的液態(tài)收縮和凝固收縮值大于固態(tài)收縮值。產(chǎn)生的條件，是鑄

件由表及里地逐層凝固（而不是整個體積同時凝固），縮孔集中在最后凝固的