《材料科学》考试试题(研)

考试科目:材料科学基础共2页第1页硕士学位研究生入学考试试题考试科目：材料科学基础一、解释下列名词（30分，每题2分）(1)交滑移（2）位错（3）固溶强化（4）共析转变（5）加工硬化（6）配位数（7）伪共晶（8）枝晶偏析(9)上坡扩散（10）合金（11）金属键（12）晶胞（13）过冷度（14）结构起伏（15）同素异晶转变二、填空题（50分，每空1分）1三种常见的金属晶格分别为（），（）和（）。2当金属结晶时，细化晶粒的方法有（），（），（）。3合金的固态相结构包括两大类，一类是（），另一类是（）。4金属材料在常温下的塑性变形方式主要有两种，分别是（），（）。5材料质点之间的键合（化学键）分为四类，分别是（），（），（）和（）。6根据Fe—Fe3C相图，三次渗碳体、二次渗碳体、一次渗碳体的最大相对重量分别为（），（），（）。7二元相图的基本类型分为三大类，分别是（），（），（）。8工业纯铁、亚共析钢、共析钢和过共析钢的含碳量范围分别为（），（），（），（）。9写出四种强化材料的手段（），（），（），（）。10位错有两种基本类型，分别是（）、（）。11面心立方金属晶格的密排晶面指数为（），密排晶向指数为（），配位数为（），致密度为（），一个晶胞中四面体间隙个数为（），八面体间隙个数为（），间隙原子溶入（）间隙中，滑移系的个数为（）。12冷变形金属在加热过程中发生（）、（）和（）长大等过程。13在二元合金相图中，根据相律，两个单相区必然交于（）点，两个单相区之间必然存在一个（）相区，三相平衡时，系统的自由度等于（），说明转变（）和三个相的（）都是恒定的。所有试题答案写在答题纸上,答案写在试卷上无效考试科目:材料科学基础共2页第2页14当对金属材料进行冷塑性变形时，随着变形量的增加，对材料的力学性能影响规律为：（）和（）升高，（）和（）下降。三、在两个立方晶胞中分别画出（111）[101]和（110）[111]，如果这是室温纯铁，上述哪个晶面和晶向可构成滑移系？（10分）四、假设金属结晶时，在液相中形成球形晶核，试证明临界形核功等于31表面能。即△G*=31A*σ(△G*:临界形核功,A*:临界晶核表面积，σ：比表面能)（10分）五、简答下列各问（24分，每题8分）1、为什么钢的渗碳在奥氏体存在温区进行而不在铁素体中进行?2、金属经过强烈的冷塑性变形后，组织和性能会怎样变化？3、试用多晶体塑性变形理论解释室温下金属晶粒越细强度越高、塑性越好的原因。六、完成下列各问（16分）（1）画出Fe—Fe3C相图，填写各区的组织组成物。（6分）（2）分析含碳为0.45%的合金从液态到室温的平衡结晶及相变过程。（4分）（3）计算上述合金在室温下平衡组织的相对量和相的相对量。（4分）（4）画出上述合金在室温下平衡组织示意图。（2分）七、（10分）为了区分两种弄混的碳钢，研究人员分别截取了A、B两块试样，加热至850℃保温后以极缓慢的速度冷却至室温，观察金相组织，结果如下：A试样的先共析铁素体的面积为26%,珠光体的面积为74%B试样的二次渗碳体的面积为7.3%,珠光体的面积为92.7%设铁素体和渗碳体的密度相同,铁素体中的含碳量为零,试求A、B两种碳钢的含碳量。《材料科学基础》研究生入学考试试题参考答案考试科目:材料科学基础共2页第3页一、解释下列名词（30分，每题2分）(1)交滑移：是指两个或多个滑移面沿同一个滑移方向滑移。（2）位错：是指晶体中有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。也是晶体的已滑移区与未滑移区的交界。（3）固溶强化：由于溶质原子的溶入，使固溶体的强度和硬度升高的现象叫做固溶强化。（4）共析转变：是指在恒定的温度下，由一定成分的固相转变成两个不同成分的固相的过程。（5）加工硬化：由于冷塑性变形，使材料强度、硬度升高，塑性和韧性降低的现象。（6）配位数：晶格中与任一原子最临近且等距离的原子个数（7）伪共晶：在非平衡冷却条件下，接近共晶成分的亚共晶或过共晶合金得到100%共晶体，这种共晶称之为伪共晶。（8）枝晶偏析：指树枝状晶体内部化学成分不均匀的现象。(9)上坡扩散：扩散向着浓度升高的方向进行称为上坡扩散。（10）合金：通过熔炼、烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种金属、非金属元素结合在一起，使其获得具有金属性质的物质，该物质称为合金。（11）金属键：金属最外层电子少，易脱离原子核形成自由电子，金属离子在各自位置热振动，自由电子在所有离子之间作往复穿梭运动，这种键合为金属键（12）晶胞：能够反映组成晶体的质点有规则重复排列的最小几何单元称为晶胞。（13）过冷度：晶体的理论结晶温度与实际结晶温度的差值为过冷度。（14）结构起伏：液态金属中存在提供晶核的晶胚，这种晶胚时聚时散、时隐时现的现象为结构起伏。（15）同素异晶转变：金属在固态下发生晶格类型变化的过程称为同素异晶转变。二、填空题（50分，每空1分）1三种常见的金属晶格分别为（体心立方），（面心立方）和（密排六方）。2当金属结晶时，细化晶粒的方法有（增大过冷度），（变质处理），（振动或搅拌）。3合金的固态相结构包括两大类，一类是（固溶体），另一类是（金属化合物）。4金属材料在常温下的塑性变形方式主要有两种，分别是（滑移），（孪生）。5材料质点之间的键合（化学键）分为四类，分别是（共价键）、（离子键）、（金属键）、（范德瓦尔键）。9根据Fe—Fe3C相图，三次渗碳体、二次渗碳体、一次渗碳体的最大相对重量分别为（0.33%），（22.6%），（100%）。10二元相图的基本类型分为三大类，分别是（匀晶型），（共晶型），（包晶型）。11工业纯铁、亚共析钢、共析钢和过共析钢的含碳量范围分别为（≤0.0218%），（0.0218~0.77%），（0.77%），（0.77~2.11%）。考试科目:材料科学基础共2页第4页9写出四种强化材料的手段（固溶强化），（细晶强化），（第二相强化），（加工硬化）。10位错有两种基本类型，分别是（刃型位错）、（螺型位错）。11面心立方金属晶格的密排晶面指数为（{111}），密排晶向指数为（110），配位数为（12），致密度为（0.74），一个晶胞中四面体间隙个数为（8个），八面体间隙个数为（4个），间隙原子溶入（八面体）间隙中，滑移系的个数为（12个）。12冷变形金属在加热过程中发生（回复）、（再结晶）和（晶粒）长大等过程。13在二元合金相图中，根据相律，两个单相区必然交于（1）点，两个单相区之间必然存在一个（两）相区，三相平衡时，系统的自由度等于（0），说明转变（温度）和三个相的（成分）都是恒定的。14当对金属材料进行冷塑性变形时，随着变形量的增加，对材料的力学性能影响规律为：（强度）和（硬度）升高，（塑性）和（韧性）下降。三、在两个立方晶胞中分别画出（111）[101]和（110）[111]，如果这是室温纯铁，上述哪个晶面和晶向可构成滑移系？（10分）答:(图略)上述（110）[111]可构成滑移系。因为室温纯铁是体心立方晶格，密排晶面为{111}，密排晶向为111。四、假设金属结晶时，在液相中形成球形晶核，试证明临界形核功等于1/3表面能。即△G*=1/3A*σ(△G*:临界形核功,A*:临界晶核表面积，σ：比表面能)（10分）证明：形成球形晶核系统总的能量变化为：ΔG=34234VG（1）令0dGd得：r*=VG2(2)将（2）式代入（1）式得：ΔG*=34234VG=3423)2(4)2(VVVGGG=3422)2(4)2()2(VVGG=31{}4*2=31*A证毕。五、简答下列各问（24分，每题8分）1、为什么钢的渗碳在奥氏体存在温区进行而不在铁素体中进行?答：钢的渗碳在奥氏体存在温区进行而不在铁素体中进行有以下两方面原因：考试科目:材料科学基础共2页第5页（1），因为γ-Fe的最大溶碳能力（含C=2.11%）远高于α-Fe的最大溶碳能力（含C=0.0218%）。在渗碳时，在表面能产生很高的碳浓度。和α-Fe的晶体结构不同，γ-Fe为面心立方晶格，α-Fe为体心立方晶格，原子半径小的碳原子均溶入它们的八面体间隙中。γ-Fe的八面体间隙半径为：r间隙=0,414r原子α-Fe的八面体间隙半径为：r间隙=0,154r原子γ-Fe的八面体间隙半径远大于α-Fe的八面体间隙半径，因此γ-Fe的最大溶碳能力（含C=2.11%）远高于α-Fe的最大溶碳能力（含C=0.0218%）。（2）奥氏体存在温区的温度高，温度越高，扩散系数越大，扩散速度越快，所需的渗碳时间越短。2、金属经过强烈的冷塑性变形后，组织和性能会怎样变化？答：（1）.显微组织变化原多边形等轴晶粒沿变形方向被拉长，变形量很大时，晶粒变为长条状或纤维状。变形量↑位错密度ρ↑位错交织、缠结→胞状亚结构。（2）性能变化力学性能：产生加工硬化：使金属的强度、硬度升高，塑性和韧性降低。物理性能：电阻率↑导热性↓导磁率↓矫顽力↑化学性能：耐腐蚀性↓3、试用多晶体塑性变形理论解释室温下金属晶粒越细强度越高、塑性越好的原因。a)晶粒细强度高的原因：1）、晶粒细，晶界多，造成位错在晶界处塞积，阻碍位错滑移，阻碍塑性变形。2）、晶粒细，不同位向的晶粒多，塑性变形时，各晶粒要相互协调、相互制约、相互束缚，阻碍位错滑移，阻碍塑性变形。b)晶粒细塑性好的原因1）、晶粒细，晶界多，每个晶粒中位错塞积的数目少，应力集中小，不容易过早断裂。2）、晶粒细，不同位向的晶粒多，同样的变形量可分布在更多的晶粒内部，变形更均匀，因此可产生较大的均匀塑性变形六、完成下列各问（16分）答：（1）画出Fe—Fe3C相图，填写各区的组织组成物。（6分）（图略）（2）分析含碳为0.45%的合金从液态到室温的平衡结晶及相变过程。（4分）含碳为0.45%的合金与相图交5点（如上图）。在1~2温度发生匀晶转变Lδ,考试科目:材料科学基础共2页第6页结晶出铁素体。在2点温度发生包晶转变L0.53+δ0.09A0.17,转变后有剩余液相。剩余的液相在2~3点温度发生匀晶转变LA,在3点温度合金全部为奥氏体。单相奥氏体冷却4点温度开始析出先共析铁素体F。随温度下降铁素体不断增多，其含量沿GP线变化。剩余的奥氏体的成分则沿GS线变化。当温度达到5点（727）时，剩余的奥氏体的含碳量达到0.77%，发生共析转变A0.77F0.02+Fe3C，即形成珠光体P.该合金的室温组织为F+P.（3）计算上述合金在室温下平衡组织的相对量和相的相对量。（4分）①组织相对含量QP=%58%10077.045.0QF=100%-QP=100%-58%=42%②相的相对含量QF=%93%10069.645.069.6QFe3C=100%-93%=7%（4）画出上述合金在室温下平衡组织示意图。（2分）（略）七、（10分）为了区分两种弄混的碳钢，研究人员分别截取了A、B两块试样，加热至850℃保温后以极缓慢的速度冷却至室温，观察金相组织，结果如下：A试样的先共析铁素体的面积为74%,珠光体的面积为26%B试样的二次渗碳体的面积为7.3%,珠光体的面积为92.7%设铁素体和渗碳体的密度相同,铁素体中的含碳量为零,试求A、B两种碳钢的含碳量。答：A试样的含碳量为：C%=0.77%*26%=0.2%为20号钢。B试样的含碳量为：C%=0.77%*92.7%+6.69%*7.3%=1.2%为T12钢。