1、西北工业大学 2012年硕士研究生入学考试试题 答案 试题名称：材料科学基础 试题编号： 832 说 明：所有答题一律写在答题纸上 第 页 共 页 一、 简答题（每题 10分，共 50分） 1. 请简述滑移和孪生变形的特点？ 答： 滑移变形特点： 1）平移滑动：相对滑动的两部分位向关系不变 2）滑移线与应力轴呈一定角度 3）滑移不均 匀性：滑移集中在某些晶面上 4）滑移线先于滑移带出现：由滑移线构成滑移带 5）特定晶面，特定晶向 孪生变形特点： 1) 部分晶体发生均匀切变 2) 变形与未变形部分呈镜面对称关系，晶体位向发生变化 3) 临界切分应力大 4) 孪生对塑变贡献小于滑移 5) 产生表面
2、浮凸 2. 什么是上坡扩散？哪些情况下会发生上坡扩散？ 答：由低浓度处向高浓度处扩散的现象称为上坡扩散。应力场作用、电场磁场作用、晶界内吸附作用和调幅分解反应等情况下可能发生上坡扩散。扩散驱动力来自自由能下降，即化学位降低。 3. 在室温下，一般情况金属材料的塑性比陶瓷材料好很多，为什么？纯铜与纯铁这两种金属材料哪个塑性好？说明原因。 答：金属材料的塑性比陶瓷材料好很多的原因：从键合角度考虑，金属材料主要是金属键合，无方向性，塑性好；陶瓷材料主要是离子键、共价键，共价键有方向性，塑性差。离子键产生的静电作用力，限制了滑移进行，不利于变形。 铜为面心立方结构，铁为体心立方结构，两者滑移系均为 1
3、2个，但面心立方的滑移系分布取向较体心立方匀衡，容易满足临界分切应力。且面心立方滑移面的原子堆积密度比较大，因此滑移阻力较 小。因而铜的塑性好于铁。 4. 请总结并简要回答二元合金平衡结晶过程中，单相区、双相区和三相区中，相成分的变化规律。 答： 单相区：相成分为合金平均成分，不随温度变化； 双相区：两相成分分别位于该相区的边界，并随温度沿相区边界变化； 三相区：三相具有确定成分，不随结晶过程变化。 5. 合金产品在进行冷塑性变形时会发生强度、硬度升高的现象，为什么？如果合金需要进行较大的塑性变形才能完成变形成型，需要采用什么中间热处理的方法？而产品使用时又需要保持高的强度、硬度，又应如何热处
4、理？ 答 ：合金进行冷塑性变形时，位错大量増殖，位错运动发生交割、缠结等，使得位错运动受阻，同时溶质原子、各类界面与位错的交互作用也阻碍位错的运动。因此发生应变硬化，使强度、硬度升高。 较大的塑性变形产生加工硬化（应变硬化），如果需要继续变形就要进行中间热处理，即再结晶退火，使塑性恢复到变形前的状态，零件可继续进行塑性变形。 如果产品需要保持高的强度、硬度，可在最终热处理时采用去应力退火，去除残余应力，保持零件较高的强度、硬度。 二、 作图计算题（每题 15分，共 60分） 1、 在 Fe-Fe3C 相图中有几种类型的渗碳体？分别描述这些渗碳体的形成条件，并绘制出平衡凝固条件下这些不同类型渗碳
5、体的显微组织形貌。 答： 渗碳体包括：初生（一次）渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体，共五种。 （ 1）初生（一次）渗碳体：含碳量大于 4.3%的 Fe-C 合金在平衡凝固时从液相结晶出来的渗碳体，形貌为板条状。 （ 2）二次渗碳体：含碳量 0.77 2.11%的 Fe-C 合金，在 1148 冷却到 727过程中，从 相中脱溶的渗碳体。 （ 3）三次渗碳体：含碳量小于 0.0218%时，低于 727 ，从 相脱溶析 出的渗碳体。 （ 4）共晶渗碳体：含碳量 2.11 6.69%的 Fe-C 合金，在 1148 发生共晶反应时形成的渗碳体。 （ 5）共析渗碳体：含碳量 0.
6、0218 6.69%的 Fe-C 合金，在 727 发生共析反应时生成的渗碳体。 各渗碳体形貌见教材相关部分。 2、 在两个相互垂直的滑移面上各有一条刃型位错 AB、 XY，如图所示。假设以下两种情况中，位错线 XY 在切应力作用下发生运动，运动方向如图中 v 所示，试问交割后两位错线的形状有何变化（画图表示）？在以下两种情况下分别会在每个位错上形成割阶还是扭折？新形成的割阶或扭折属于什么类型的位错？ 答： a 图： XY 向下运动与 AB 交割，产生 PP小台阶，宽度为 |b1| PP的柏氏矢量仍为 b2 PP b2为刃型位错 PP不在原滑移面上，为割阶 XY 平行于 b2，不形成台阶 b
7、图： AB 位错线上出现 PP平行于 b2，宽度为 |b1| PP的柏氏矢量仍为 b2 PP b2为螺型位错 PP在原滑移面上，为扭折 XY 位错线上出现 QQ平行于 b1，宽度为 |b2| QQ的柏氏矢量仍为 b1 QQ b1为螺型位错 QQ在原滑移面上，为扭折 3、已知 H 原子半径 r 为 0.0406nm，纯铝是 fcc 晶体，其原子半径 R 为 0.143nm，请问 H 原子溶入 Al 时处于何种间隙位置？ 答： fcc 晶体的八面体间隙 ，四面体间隙 。根据题意知，因此 H 原子应处于八面体间隙。 4、柱状试样，当固溶体合金（ k0 1）从左向右定向凝固，凝固过程中假设，凝固速度快
8、，固相不扩散、液相基本不混合， /L（固 /液）界面前沿液体中的实际温度梯度为正温度梯度。由于 /L 界面前 沿液体存在成分过冷区，晶体易以树枝状结晶生长。当合金从左向右定向凝固，达到稳态凝固区时，请分析并画出： k0 1相图； /L界面处固体、液体的溶质浓度分布图； 液体中成分过冷区图。 答：柱状试样从左向右定向凝固，在固相不扩散、液相基本不混合、 k0 1的条件下，在凝固达到稳态凝固区时， /L 界面前沿液体溶质浓度分布 CL如图 a 所示。由于 /L界面前沿液体中溶质浓度从左向右逐渐升高（与 k01情况不同），成分与相图对应如图 b。 /L 界面前沿液体中从左向右熔点逐渐升高（与 k0
9、1情况相同）构成 TL 曲线， 加之界面前沿液体中的实际温度梯度为正温度梯度 Tn，即形成了由 TL、 TN 两曲线组成的成分过冷区见图 c，在凝固过程中晶体易以树枝状结晶生长。 三、 综合分析题（共 40分） 1、 试用位错理论解释低碳钢的应变时效现象。 答：将退火低碳钢进行少量塑性变形后卸载，然后立即加载，屈服现象不再出现。如果卸载后在室温下放置较长时间或加热到一定温度保温，屈服现象再次出现，而且低碳钢的强度及硬度升高，这种现象称为应变时效或机械时效。 机理： 柯垂尔理论认为，卸载后立即重新加载，位错已经脱钉，因此不再出现屈服 现象。放置或加热后再加载，位错被重新定扎，因此会再次出现屈服现
10、象。 位错増殖理论认为，卸载后立即重新加载，位错已经増殖，因此不再出现屈服现象。放置或加热后再加载，发生了回复，位错发生重排和抵消，因此会再次出现屈服现象。 两种理论均有实验依据，目前一般同时采用两理论解释应变时效的产生原因。 2、 如图所示，在立方单晶体中有一个位错环 ABCDA，其柏氏矢量 b 平行于z 轴 1） 指出各段位错线是什么类型的位错。 2） 各段位错线在外应力 作用下将如何运动？请绘图表示 答： 1） AB、 BC、 CD、 DA 段都是刃位错 2） AB 和 CD 不动； BC 向上滑移， AD 向下滑移，如图所示。 西北工业大学 2011 年硕士研究生入学考试试题参考答案
11、试题名称：材料科学基础（ A 卷） 试题编号： 832 说 明：所有答题一律写在答题纸上 第 1 页 共 7 页 一、 简答题（每题 10 分，共 50 分） 1. 请从原子排列、弹性应力场、滑移性质、 柏 氏矢量等方面对比刃位错、螺位错的主要特征。 答：刃型位错： 1) 1 晶体中有一个额外原子面，形如刀刃插入晶体 2) 2 刃位错引起的应力场既有正应力又有切应力。 3) 3 位错线可以是折线或曲线 , 但位 错线必与滑移（矢量）方向垂直 4) 4 滑移面惟一 5) 5 位错线的移动方向与晶体滑移方向平行（一致） 6) 6 位错线与柏氏矢量垂直 螺型位错： 1) 1 上下两层原子发生错排，错
12、排区原子依次连接呈螺旋状 2) 2 螺位错应力场为纯切应力场 3) 3 螺型位错与晶体滑移方向平行，故位错线一定是直线 4) 4 螺型位错的滑移面是不惟一； 5) 5 位错线的移动方向与晶体滑移方向相互垂直。 6) 6 位错线与柏氏矢量平行 2. 何谓金属材料的加工硬化？如何解决加工硬化对后续冷加工带来的困难？ 答：随变形量增大，强度硬度升高，塑形下降的现象。软化方法是再结晶退火。 3. 什么是离异共晶？ 如何形成的？ 答：在共晶水平线的两个端部附近，由于共晶量少，领先相相依附在初生相上，另一相独立存在于晶界，在组织学上失去共晶体特点，称为离异共晶。有时，也将端部以外附近的合金，在非平衡凝固时
13、得到的少量共晶，称为离异共晶。 4. 形成无限固溶体的条件是什么？简述原因。 答：只有置换固溶体才可能形成无限固溶体。且两组元需具有相同的晶体结构、相近的原子半径、相近的电负性、较低的电子浓度。原因：溶质原子取代了溶剂原子的位置，晶格畸变较小，晶格畸变越小，能量越低。电负性相近不易形成化合物。电子浓度低有利于溶质原子溶入。 5. 两个尺寸相同、形状相同的铜镍合金铸件，一个含 90%Ni，另一个含50%Ni，铸造后自然冷却，问哪个铸件的偏析严重？为什么？ 答： 50%Ni的偏析严重，因为液固相线差别大，说明液固相成分差别大，冷速较快不容易达到成分均匀化。 二、 作图计算题（每题 15 分，共 6
14、0 分） 1、 写出 112晶面族的等价晶面。 答：)121()112()112()2 1 1()112()121( )211()1 2 1()211()211()121()1 1 2(1 1 2 2、 请判定下列反应能否进行： 0 0 11 1 121112 aaa 答：几何条件： 0 0 10 0 221 1 121112 aaaa ，满足几何条件 能量条件： 222222322222222222211004311121)1()1(2aabaaabb 不满足能量条件，反应不能进行。 3、 已知某晶体在 500 时，每 1010 个原子中可以形成有 1 个空位，请问该晶体的空位形成 能是多少
15、？（已知该晶体的常数 A 0.0539，波耳滋曼常数 K 1.38110-23 J / K） 答： JAckTEkTEAcVV19201023109.18.17100 6 8.10 5 3 9.010ln)2 7 35 0 0(103 8 1.1ln)e x p (4、 单晶铜拉伸，已知拉力轴的方向为 001， =106 Pa，求 (111)面上柏氏矢量 的螺位错线上所受的力（ ） 答：外力在 (111) 上的分切应力为： 作用在位错线上的力为： 三、 综合分析题（共 40 分） 1. 经冷加工的金属微观组织变化如图 a 所示，随温度升高，并在某一温度下保温足够长的时间，会发生图 b-d 的变
16、化，请分析四个阶段微观组织、体系能量和宏观性能变化的机理和原因。 答：图 a：晶粒拉长 ，缺陷数量增大形成位错亚结构，产生变形织构；存储能升高；位错缠结导致加工硬化，强度硬度升高，塑形下降，组织取向明显导致各向异性。 图 b：回复。晶粒基本不变，位错发生滑移、攀移等，位错重排，数量略有减少，空位大量减少。内应力得到消除。加工硬化基本保留。 图 c：再结晶。形成新的无畸变新晶粒。存储能全部释放，变形产生的点阵畸变消除。加工硬化消除，力学性能基本恢复到冷变形前的水平。 图 d：晶粒长大。晶粒粗化。体系能量因界面能的下降而下降。强度下降，塑形也下降。 2. 根据 Ag-Cd 二元相图： 1) 当温度
17、为 736 、 590 、 440 和 230 时分别会发生什么样的三相平衡反应？写出反应式。 2) 分析 Ag-56%Cd 合金的平衡凝固过程，绘出冷却曲线，标明各阶段的相变反应。 3) 分析 Ag-95%Cd 合金的平衡凝固与较快速冷却时，室温下组织组成会有什么变化，并讨论其原因。 答： 736 ：包晶反应， L+Ag 590 ：包晶反应， L+ 440 ：共析反应， Ag+ 230 ：共析反应， 2） 3） Ag-95%Cd 合金的平衡凝固到 室温： Cd 包 II 较快速冷却到室温： 初 Cd 包 II，且 II相数量相对较少，尺寸相对细小。 原因：快速冷却时，由于固态中扩散较慢，使本应该在包晶反应中消失的 初有剩余，既产生包晶转变不完全。另外，由于冷速快，使得 II相变得细小，析出数量减少。 2010年硕士研究生入学考试试题 参考答案 一、 简答题（每题 10分，共 50分） 1. 请解释 -Fe 与 -Fe 溶解碳原子能力差异的原因。 答： -Fe 为体心立方晶体，其八面体间隙为扁八面 体，相比而言四面体间隙较大；-Fe 为面心立方，其八面体间隙大。体心立方的四面体间隙比面心立方的八面体间隙小很多，因此溶解小原子的能力小很多。 2. 请简述位向差与晶界能的关系，并解释原因？ L L L+ +
