西北工业大学材料科学基础考研课程试题集.doc

1、1材料科学基础考试大纲一、考试内容1工程材料中的原子排列（1）原子键合，工程材料种类；（2）原子的规则排列：晶体结构与空间点陈，晶向及晶面的特点及表示，金属的晶体结构，陶瓷的晶体结构。（3）原子的不规则排列：点、线、面缺陷的类型及特征，位错的弹性性质，实际晶体中的位错。2固体中的相结构（1）固溶体的分类、性能及特征（2）金属间化合物的分类、性能及特征；（3）玻璃相性能及特征。3凝固与结晶（1）结晶的基本规律、基本条件；（2）晶核的形成与长大；（3）结晶理论的应用。4二元相图（1）相图的基本知识；（2）二元匀晶相图及固溶体的结晶，共晶相图及共晶转变，包晶相图及包晶转变；（3）二元相图的分析方法，

2、其他类型二元相图及其应用，相图的热力学基础。5固体中的扩散：（1）扩散定律及其应用；（2）扩散的微观机理，影响扩散的因素；（3）扩散的热力学理论；（4）反应扩散。6塑性变形：（1）单晶体的塑性变形；（2）多晶体的塑性变形；（3）合金的塑性变形；（4）冷变形金属的组织与性能，超塑性。7回复与与结晶：（1）冷变形金属在加热时的变化；（2）回复机制；（3）再结晶及再结晶后的晶粒长大；（4）金属的热变形。二、参考书目1. 材料科学基础（第二版），刘智恩，西北工业大学出版社，20032. 材料科学基础，胡庚祥，蔡珣，上海交通大学出版社，20003. 材料科学基础，石德珂，西安交通大学出版社，20004.

3、 材料科学基础，潘金生，仝健民，清华大学出版社，199822004 年西北工业大学硕士研究生入学试题 一、简答题：（共 40 分，每小题 8 分）1、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点？2、请简述影响扩散的主要因素有哪些。3、临界晶核的物理意义是什么？形成临界晶核的充分条件是什么？4、有哪些因素影响形成非晶态金属？为什么？5、合金强化途径有哪些？各有什么特点？二、计算、作图题：（共 60 分，每小题 12 分）1、求 和 120两晶向所决定的晶面，并绘图表示出来。2、氧化镁（MgO）具有 NaCl 型结构，即具有 O2-离子的面心立方结构。问：（1） 若其离子半径 2Mgr=0.06

4、6nm， 2r0.140nm ，则其原子堆积密度为多少？（2） 如果 2g/ O0.41，则原子堆积密度是否改变？3、已知液态纯镍在 1.013105 Pa（1 大气压），过冷度为 319 K 时发生均匀形核，设临界晶核半径为 1nm，纯镍熔点为 1726 K，熔化热H m18075J/mol，摩尔体积 Vs6.6cm 3/mol，试计算纯镍的液固界面能和临界形核功。4、图示为 Pb-Sn-Bi 相图投影图。问：（1）写出合金 Q（ wBi0.7， wSn0.2）凝固过程及室温组织；（2）计算合金室温下组织组成物的相对含量。 35、有一钢丝（直径为 1mm）包复一层铜（总直径为 2mm）。若已

5、知钢的屈服强度 st280MPa，弹性模量 Est205GPa，铜的 Cu140MPa，弹性模量 ECu110GPa。问：（1）如果该复合材料受到拉力，何种材料先屈服？（2）在不发生塑性变形的情况下，该材料能承受的最大拉伸载荷是多少？（3）该复合材料的弹性模量为多少？ 三、综合分析题：（共 50 分，每小题 25 分）1、某面心立方晶体的可动滑移系为 10 )(、 。（1） 请指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量；（2） 若滑移由刃位错引起，试指出位错线的方向；（3） 请指出在（2）的情况下，位错线的运动方向；（4） 假设在该滑移系上作用一大小为 0.7MPa 的切应力，试计算单位刃位错线受力的大

6、小和方向（取点阵常数为 a0.2nm）。2、若有，某一 Cu-Ag 合金（ wCu0.075， wAg0.925）1Kg，请提出一种方案从该合金中提炼出 100g 的 Ag，且要求提炼得到的 Ag 中的 Cu 含量 wCu低于 0.02。（假设液相线和固相线固相线均为直线）。 2005 年西北工业大学硕士研究生入学试题 一、简答题（每题 8 分，共 40 分）1. 请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。2. 同素异晶转变和再结晶转变都是以形核长大方式进行的，请问两者之间有何差别？3. 两位错发生交割时产生的扭折和割阶有何区别？4. 请简述扩散的微观机制有哪些？影响扩散的因素又有哪些？5. 请简述

7、回复的机制及其驱动力。 4二、计算、作图题：（共 60 分，每小题 12 分）1. 在面心立方晶体中，分别画出 、 和、 ，指出哪些是滑移面、滑移方向，并就图中情况分析它们能否构成滑移系？若外力方向为001 ，请问哪些滑移系可以开动？2. 请判定下列位错反应能否进行，若能够进行，请在晶胞图上做出矢量图。（1） （2） 3. 假设某面心立方晶体可以开动的滑移系为 ，请回答：（1） 给出滑移位错的单位位错柏氏矢量；（2）若滑移位错为纯刃位错，请指出其位错线方向；若滑移位错为纯螺位错，其位错线方向又如何？4. 若将一块铁由室温 20加热至 850，然后非常快地冷却到 20，请计算处理前后空位数变化（

8、设铁中形成 1mol 空位所需的能量为 104675 J，气体常数为8.314J/molK）。5. 已知三元简单共晶的投影图，见附图，（1） 请画出 AD 代表的垂直截面图及各区的相组成（已知 TATD）；（2） 请画出 X 合金平衡冷却时的冷区曲线，及各阶段相变反应。三、综合分析题：（共 50 分，每小题 25 分）1. 请对比分析加工硬化、细晶强化、弥散强化、复相强化和固溶强化的特点和机理。2. 请根据所附二元共晶相图分析解答下列问题：（1） 分析合金 I、II 的平衡结晶过程，并绘出冷却曲线；（2） 说明室温下 I、II 的相和组织是什么？并计算出相和组织的相对含量；（3） 如果希望得到

9、共晶组织和 5%的 初的合金，求该合金的成分；（4）分析在快速冷却条件下，I、II 两合金获得的组织有何不同。52006 年西北工业大学硕士研究生入学试题 一、简答题（每题 10 分，共 50 分） 1. 试从结合键的角度，分析工程材料的分类及其特点。 2. 位错密度有哪几种表征方式？ 3. 陶瓷晶体相可分为哪两大类？有何共同特点？ 4. 冷轧纯铜板，如果要求保持较高强度，应进行何种热处理？若需要继续冷轧变薄时，又应进行何种热处理？ 5. 扩散激活能的物理意义为何？试比较置换扩散和间隙扩散的激活能的大小。二、作图计算题（每题 15 分，共 60 分） 1. 已知碳在 Fe 中扩散时， D 0

10、2.0 10 5 m 2 /s ， Q 1.4 10 5 J/mol 。当温度由 927 上升到 1027 时，扩散系数变化了多少倍？ ( 气体常数 R=8.314 J/(mol.K) ) 2. 已知某低碳钢 0 =64KPa ， K=393.7 ，若晶粒直径为 50m ，该低碳钢的屈服强度是多少？ 3. 试计算 BCC 晶体最密排面的堆积密度。 4. 和 均位于 Fcc 铝的 (111) 晶面上，因此理论上 和 的滑移均是可能的。 （ 1 ）画出 (111) 晶面及单位滑移矢量 和 。 （ 2 ）比较具有此二滑移矢量的位错的能量。 三、综合分析题（每题 20 分，共 40 分） 1. 试从晶

11、界的结构特征和能量特征分析晶界的特点。 2. 试分析冷塑性变形对合金组织结构、力学性能、物理化学性能、体系能量的影响。62004 年西北工业大学硕士研究生入学试题 参考答案一、简答题：（共 40 分，每小题 8 分）1、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点？答：相同点：小原子溶入。不同点：间隙固溶体保持溶剂（大原子）点阵；间隙相、间隙化合物改变了大原子点阵，形成新点阵。间隙相结构简单；间隙化合物结构复杂。 2、请简述影响扩散的主要因素有哪些。答：影响扩散的主要因素：（1）温度；（2）晶体结构与类型；（3）晶体缺陷；（4）化学成分。 3、临界晶核的物理意义是什么？形成临界晶核的充分条件是

12、什么？答：临界晶核的物理意义：可以自发长大的最小晶胚（或，半径等于 rk的晶核）形成临界晶核的充分条件：（1）形成 r rk的晶胚；（2）获得 AA*（临界形核功）的形核功。4、有哪些因素影响形成非晶态金属？为什么？答：液态金属的粘度：粘度越大原子扩散越困难，易于保留液态金属结构。冷却速度；冷却速度越快，原子重新排列时间越断，越容易保留液态金属结构。 5、合金强化途径有哪些？各有什么特点？答：细晶强化、固溶强化、复相强化、弥散强化（时效强化）加工硬化。 二、计算、作图题：（共 60 分，每小题 12 分）1、求 和 120两晶向所决定的晶面，并绘图表示出来。答：设所求的晶面指数为（ h k l

13、）则)12(0: lkh2、氧化镁（MgO）具有 NaCl 型结构，即具有 O2-离子的面心立方结构。问：（1） 若其离子半径 2Mgr=0.066nm， 2r0.140nm ，则其原子堆积密度为多少？（2） 如果 2g/ O0.41，则原子堆积密度是否改变？答：（1）点阵常数 nmraOg41.0)(227堆积密度73.04)(43322arPOMgf（2）堆积密度会改变，因为 Pf与两异号离子半径的比值有关。 3、已知液态纯镍在 1.013105 Pa（1 大气压），过冷度为 319 K 时发生均匀形核，设临界晶核半径为 1nm，纯镍熔点为 1726 K，熔化热H m18075J/mol，

14、摩尔体积 Vs6.6cm 3/mol，试计算纯镍的液固界面能和临界形核功。答：因为 BGr2， mTHL所以25/103.2cJTm VABv 96.1631224、图示为 Pb-Sn-Bi 相图投影图。问：（1）写出合金 Q（ wBi0.7， wSn0.2）凝固过程及室温组织；（2）计算合金室温下组织组成物的相对含量。答：（1）冷却至液相面析出 Bi：LBi 初 ，随温度降低 Bi 增多，液相成分延 Bi-Q 的延长线向 E3E 移动；液相成分达到 E3E 后发生共晶反应，L（SnBi） 共 ，液相成分延E3E 向 E 移动；液相成分达到 E 后，发生三元共晶反应 L（SnBi） 共 ，随后

15、冷却不再变化。室温组织为：Bi 初（SnBi） 共 （SnBi） 共（2） wBi 初 2.88； w（SnBi）共 0.407； w（SnBi）共 0.305 5、有一钢丝（直径为 1mm）包复一层铜（总直径为 2mm）。若已知钢的屈服强度 st280MPa，弹性模量 Est205GPa，铜的 Cu140MPa，弹性模量 ECu110GPa。问：（1）如果该复合材料受到拉力，何种材料先屈服？（2）在不发生塑性变形的情况下，该材料能承受的最大拉伸载荷是多少？（3）该复合材料的弹性模量为多少？答；两金属的弹性应变相等，即： CuCust ustt EE86.1025)/()/(（1） Cu 先屈

16、服；（2） NF 56018.0210.466stu 总 （3） MPaECu3)( 三、综合分析题：（共 50 分，每小题 25 分）1、某面心立方晶体的可动滑移系为 )(、 。（1） 请指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量；8（2） 若滑移由刃位错引起，试指出位错线的方向；（3） 请指出在（2）的情况下，位错线的运动方向；（4） 假设在该滑移系上作用一大小为 0.7MPa 的切应力，试计算单位刃位错线受力的大小和方向（取点阵常数为 a0.2nm）。答：（1）柏氏矢量：102ab；（2） 位错线方向：112；（3） 位错线运动方向平行于柏氏矢量；（4） mMNF/89.1 2、若有，某一 Cu-

17、Ag 合金（ wCu0.075， wAg0.925）1Kg，请提出一种方案从该合金中提炼出 100g 的 Ag，且要求提炼得到的 Ag 中的 Cu 含量 wCu低于 0.02。（假设液相线和固相线固相线均为直线）。答：1. 将 1Kg 合金加热至 900以上熔化，缓慢冷却至 850，倒去剩余液体，所得固体 a1约 780g，w Cu0.055；2. 将 a1熔化，缓慢冷却至 900，倒去剩余液体，得 a2约380g，w Cu0.03；3. 将 a2熔化，缓慢冷却至 920，倒去剩余液体，得 a3约260g，w Cu0.02；4. 将 a3熔化，缓慢冷却至 935，倒去剩余液体，得 a4约180

18、g，w Cu0.013，即可。 2005 年西北工业大学硕士研究生入学试题 参考答案 一、简答题（每题 8 分，共 40 分） 1. 请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。 答：热力学条件 G r* 能量条件： A G max 成分条件 2. 同素异晶转变和再结晶转变都是以形核长大方式进行的，请问两者之间有何差别？ 答：同素异晶转变是相变过程，该过程的某一热力学量的倒数出现不连续；再结晶转变只是晶粒的重新形成，不是相变过程。 3. 两位错发生交割时产生的扭折和割阶有何区别？ 答：位错的交割属于位错与位错之间的交互作用，其结果是在对方位错线上产生一个大小和方向等于其柏氏矢量的弯折，此弯折即被称为扭

19、折或割阶。扭折是指交割后产生的弯折在原滑移面上，对位错的运动不产生影响，容易消失；割阶是不在原滑移面上的弯折，对位错的滑移有影响。 4. 请简述扩散的微观机制有哪些？影响扩散的因素又有哪些？ 答：置换机制：包括空位机制和直接换位与环形换位机制，其中空位机制是主要机制，直接换位与环形换位机制需要的激活能很高，只有在高温时才能出现。间隙机制：包括间隙机制和填隙机制，其中间隙机制是主要机制。 9影响扩散的主要因素有：温度（温度约高，扩散速度约快）；晶体结构与类型（包括致密度、固溶度、各向异性等）；晶体缺陷；化学成分（包括浓度、第三组元等） 5. 请简述回复的机制及其驱动力。 答：低温机制：空位的消失

20、 中温机制：对应位错的滑移（重排、消失） 高温机制：对应多边化（位错的滑移攀移） 驱动力：冷变形过程中的存储能（主要是点阵畸变能） 二、计算、作图题：（共 60 分，每小题 12 分） 1. 在面心立方晶体中，分别画出 、 和、，指出哪些是滑移面、滑移方向，并就图中情况分析它们能否构成滑移系？若外力方向为 001 ，请问哪些滑移系可以开动？ 2. 请判定下列位错反应能否进行，若能够进行，请在晶胞图上做出矢量图。 （ 1 ） 几何条件：，满足几何条件 能量条件： 满足能量条件，反应可以进行。 （ 2 ） 10几何条件： ，满足几何条件 能量条件： 满足能量条件，反应可以进行。 3. 假设某面心立

21、方晶体可以开动的滑移系为 ，请回答： 1) 给出滑移位错的单位位错柏氏矢量； 2）若滑移位错为纯刃位错，请指出其位错线方向；若滑移位错为纯螺位错，其位错线方向又如何？答：（ 1 ）单位位错的柏氏矢量 ；（ 2 ）纯刃位错的位错线方向与 b 垂直，且位于滑移面上， 为 ；纯螺位错的位错线与 b 平行，为 011。 4. 若将一块铁由室温 20 加热至 850 ，然后非常快地冷却到 20 ，请计算处理前后空位数变化（设铁中形成 1mol 空位所需的能量为 104675 J ）。答： 5. 已知三元简单共晶的投影图，见附图， 1) 请画出 AD 代表的垂直截面图及各区的相组成（已知 T A T D ）； 2) 请画出 X 合金平衡冷却时的冷区曲线，及各阶段相变反应。