2014年湖南大学金属学复试题集

1含2009年—2013年金属学复试五年真题题集及部分参考答案PS：初试不考的内容在复试里面会加大力度考查第一章晶体学基础二、简答题（每题8分）（2010）在面心立方晶胞内标注其滑移系。答：参考下表，图略。晶体结构滑移面滑移方向FCC{111}110第二章金属及合金的晶体结构一、名词解释（每题5分）（2011）间隙化合物：间隙化合物指由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的金属化合物。（2012）金属间化合物：金属和金属之间，类金属和金属原子之间以共价键形式结合生成的化合物总称为金属间化合物，由于金属间化合物在合金相图中处于相图的中间位置，故也称为中间相。二、简答题（每题8分）（2009)简要说明间隙固溶体与间隙化合物在晶体结构和力学性能方面的差异。答：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。原子半径较小的非金属元素如C，H，N，B等可与金属元素（主要是过渡族金属）形成间隙相或间隙化合物。这主要取决于非金属（X）和金属（M）原子半径的比值rx/rm,当rx/rm0.59时，形成具有简单晶体结构的相，称为间隙相；当rx/rm0.59时，形成具有复杂晶体结构的相，通常称为间隙化合物。两者的差异见下表：类别结构特点力学性能特点间隙固溶体保持溶剂的点阵类型强度、硬度比溶剂高，但总体看强度硬度依然很低，而塑性、韧性较好间隙化合物其点阵类型不同于组成它的任一组元熔点较高、硬度高，而塑性、韧性差（2011）简述固溶体和中间相的区别。类别成分结构特点力学性能特点固溶体溶质浓度可在固溶度范围内变化保持溶剂的点阵类型强度、硬度比溶剂高，但总体看强度硬度依然很低，而塑性、韧性较好中间相成分固定或在一定范围内波动，可用化学分子式表示其点阵类型不同于组成它的任一组元熔点较高、硬度高，而塑性、韧性差（2012）固溶体的力学和物理性能和纯组元的性能有何差异？请定性的加以解释。2答：与纯组元相比，力学性能变化：硬度、强度提高，塑性、韧性下降，但综合力学性能优于纯金属。物理性能变化：与纯金属相比，固溶体的电阻加大，导电率下降，耐蚀性也下降。（2013）解释间隙固溶体和间隙相的含义，并加以比较。（10分）答：略（补充问题）影响合金相形成的主要因素?1、电化学因素（化学亲和力）。如果组元之间的化学亲和力很强，则倾向于形成稳定的化合物，反之有利于固溶体的形成。2、原子尺寸因素。当两组元的原子半径差Δr15~20%时，易形成置换式固溶体，当Δr41%时，易形成间隙式固溶体；形成化合物时，Δr不同，也会形成不同类型的化合物。3、电子浓度因素。一部分合金相的形成也受电子浓度因素控制。第三章晶体缺陷滑移刃型位错攀移位错的运动滑移螺型位错交滑移全位错肖克莱不全位错（只能滑移，不能攀移）实际晶体中的位错不全位错（在FCC中主要两种）弗兰克不全位错（不能滑移，只能攀移）孪晶界小角度晶界：晶粒位相差小于10°的晶界1.晶界大角度晶界：晶粒位相差大于10°的晶界。亚晶界共格界面面缺陷2.相界半共格界面非共格界面3.表面一、名词解释（每题5分）（09,10,12）扩展位错：一个全位错分解为两个或多个不全位错，期间以层错带相连，这个过程称为位错的扩展，形成的缺陷体系称为扩展位错。（2011）面角位错：在fcc晶体中两个不同的、相互截交的{111}面交线附近还可以通过不同面上的位错扩展和在交线上的反应而生成一个复杂的不可动体系，称为面角位错（2010）交滑移：在晶体中，出现两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移，这种滑移称为交滑移。交滑移必须是纯螺型位错，因其滑移面不受限制。3（补充）位错反应：有几个位错合成为一个新位错或由一个位错分解为几个新位错的过程称为位错反应。（09）共格界面：当两相在某种晶面上具有相同的原子分布方式及相近的原子间距时，两相的晶格在界面上能够相互衔接，一一对应，这种界面称为共格界面。（补充）半共格界面：若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完全的一一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能力，这时界面上两相原子部分地保持匹配，这样的界面称为半共格界面。（补充）非共格界面：完全没有共格关系的界面称为非共格界面。（09,10,11,12）柯垂耳气团（又称柯氏气团）：间隙原子与位错线进行弹性交互作用时，间隙原子将在位错线附近聚集，形成小原子集团，称为柯氏气团。（补充试题）铃木气团：层错与溶质原子发生交互作用，使层错附近溶质原子浓度不同于基质内溶质原子浓度，这种现象称为铃木现象。当溶质原子偏聚在层错附近，使其浓度大于基体中浓度时，即形成铃木气团。二、简答题（每题8分）（09,12）简要分析韧型位错和螺型位错的异同点。答：刃型位错和螺型位错的异同点：①刃型位错位错线垂直于柏氏矢量，螺型位错位错线平行于柏氏矢量；②刃型位错柏氏矢量平行于滑移运动方向，螺型位错柏氏矢量垂直于滑移运动方向；③刃型位错可作攀移运动且只有一个滑移面，螺型位错只可作滑移运动但有无数个滑移面；④两者都可以用柏氏矢量表示。（2010）在FCC中，下列位错反应能否进行？指出其中三个位错的性质类型，反应后产生的位错是否在滑移面上运动？a/2[10-1]+a/6[-121]a/3[11-1]答：（1）位错反应的几何条件：b1+b2=(1/2-1/6)a+2b/6+(-1/2+1/6)c=1a/3+1b/3-1c/3=a/3[11-1]能量条件：（√2a/2)²+(√6a/2)²=a²/2+a²/6=2a²/3a²/3满足位错反应的几何条件和能量条件，反应可以进行。（2）b1为全位错（单位位错），b2为肖克莱不全位错，b3为弗兰克不全位错。面心立方金属的滑移面为{111}，b3垂直于该晶面，故不能滑移。（2011）简述扩展位错的主要性质。在FCC晶体中，层错能的高低对扩展位错的宽度和扩展位错运动有何影响？答：主要性质：（1）位于{111}面上，由两条平行的肖克莱分位错中间夹着一片层错区组成。（2）柏氏矢量b=b1+b2=1/2110,b1和b2分别是两条肖克莱分位错的柏氏矢量，它们的夹角为60°。（3）组成扩展位错的两个肖克莱分位错由于交互作用而必然处于相互平行的位置。（4）扩展位错可以是刃型、螺型或混合型，取决于b和肖克莱分位错的相对取向。4（5）一般情况下，扩展位错不能交滑移（螺型）和攀移（刃型），但位错束集后，可做相应的交滑移和攀移。层错能的影响：层错能越低，扩展位错越宽，在变形和退火时易产生孪晶；层错能越高，变形和退火时，扩展位错越窄，易束集，易产生交滑移，易出现胞状组织。（金属学P124)三、论述题（每题15分）（2010）论述金属晶体的缺陷类型和这些缺陷对金属性能的影响。答：主要类型有：点缺陷、线缺陷（主要表现为位错），面缺陷。点缺陷对金属性能的影响：使金属电阻增大；使金属的密度下降；过饱和的点缺陷可提高金属的屈服强度；空位对于金属以扩散为基本过程的许多现象有重要的影响，特别是在高温条件下，例如高温氧化、烧结、表面化学热处理，以及均匀化退火等等。位错对金属材料性能的影响主要有：金属的塑性变形是通过位错的运动实现的，因此金属材料的强化手段可以通过改变材料中的位错数量来实现；合金中位错与溶质原子发生作用形成柯氏气团造成屈服现象和应变时效，位错是第二相形核的择优场所，通常第二相在位错处可以优先形核长大；刃型位错可以看成是一个管道，可以加速扩散速度。面缺陷使得金属晶体的强度、硬度增加。（2013）如图所示，某晶体的滑移面上有一个柏氏矢量为b的位错环，并受到一个均匀的切应力τ的作用。试分析：(1)该位错环各段位错的结构类型。(2)求各段位错所受力的大小和方向。(3)在τ的作用下，该位错环将要如何运动。(15分）答：1.A为正刃型位错，B为右螺旋位错，C为负刃型位错，D为左螺旋位错，其它为混合型位错。2.各段位错所受的力大小均为τ|b|，方向垂直于位错线指向环外。3.在外加切应力τ的作用下，位错环将向外扩散。5第四章固体中的扩散一、名词解释（每题5分）（2010）反应扩散：伴随有化学反应而形成新相的扩散称为反应扩散。（2012）柯肯达尔效应：在置换式固溶体的扩散过程中，由于两组元扩散系数不同而造成界面向低熔点组元一侧漂移的现象称为柯肯达尔效应。二、简答题（每题8分）（2009）从扩散的角度考虑，如何提高钢件渗碳的效率。答：1、升高温度；2、加入渗碳剂；3、提高钢件内外碳元素的浓度差；4、增加钢件所受应力（补充试题）画图并叙述形变过程中位错增殖的机制。答：为错的增殖机制主要是弗兰克-瑞德增殖机制，如图所示（图略，见金属学P119）。滑移面上一个在A、B两点被钉扎的位错AB，在应力τ作用下弓出(状态2），弓出到状态3时，下面相邻两部分反号相吸，并局部合并，完成一次位错增殖过程放出一位错环（状态4）。在应力τ作用下，继续重复前面1~4过程。（2013）何为金属扩散过程中的柯肯达尔效应？柯肯达尔效应实验结果给人们哪些启示？（10分）答：略。启示：①揭示了扩散宏观规律与微观扩散机制的内在联系，具有普遍性；②直接否认了置换式固溶体扩散的换位机制，支持了空位机制；③扩散系统中每一种组元都有自己的扩散系数；④柯肯达尔效应往往会产生负效应，如收缩不完全会造成柯肯达尔孔等，这些负效应在实际当中往往产生不利的影响，因而应设法加以控制。三、计算论述题。（2011）说明扩散规律在冶金生产过程及热处理工艺中的具体应用。见金属学P160第五章合金相图一、名词解释（每题5分）（补充试题）珠光体：铁碳合金共析转变的产物，是共析铁素体和共析渗碳体的层片状混合物。二、简答题（每题8分）（2011）含0.77%碳钢经平衡凝固后，其室温组织组成物是什么？相对含量是多少？答：其室温组成物是珠光体，即共析铁素体α和共析渗碳体Fe3C，P中α和Fe3C的相对含量可以通过杠杆定律求得，即:α/Fe3C=(6.69-0.77)/(0.77-0.02)=7.87（2012）求出珠光体中铁素体和渗碳体各占多少？如果合金组织中除了珠光体以外，还有15%二次渗碳体，求出合金成分。答：根据杠杆定律可求珠光体中铁素体α含量=（6.69-0.77)/(6.69-0.02)*100%=89%渗碳体Fe3C的含量=1-89%=11%6设合金中含碳量为X，则（X-0.77）/(6.69-0.77)*100%=15%解得X=1.66即，合金中含碳量为1.66%，含铁量98.34%。三、论述题（每题15分）（2009）根据Fe-Fe3C相图，写出三大恒温反应转变式（注明转变类型、成分点和转变温度）并计算1%C铁碳合金室温组织组成物的相对含量。答：HB线包晶转变L（0.53%C）+δ（0.09%C）γ（0.17%C）（1495℃）EF线共晶转变L（4.3%C）γ（2.11%C）+Fe3C（6.69%C）（1148℃）共晶体称为莱氏体（Ld）PK线共析转变γ（0.77%C）α（0.02%C）+Fe3C（6.69%C）（727℃）共析体称为珠光体（P）1%C铁碳合金室温组织组成物为珠光体（P）和二次渗碳体Fe3CII，其中二次渗碳体含量Fe3CII=（1-0.77）/(6.69-0.77)*100%=3.89%，珠光体（P）的含量为1-3.89%=96.11%。（2010）根据铁碳合金状态图，指出二次渗碳体含量最多的合金成分点，并计算出该合金室温组织的百分含量。答：含碳2.11%的合金二次渗碳含量最多。该合金室温组织为珠光体（P）和二次渗碳体Fe3CII，其中二次渗碳体含量Fe3CII=（2.11-0.77）/(6.69-0.77)*100%=22.64%，珠光体（P）的含量为1-22.64%=77.36%。（2013）（15分）画出Fe-Fe3C相图与下列问题相关的部分，并分析：（1）2%C合金平衡状态下结晶过程、室温组织（画出示意图），计算组织相对含量。（2）2%C合金快冷，不平衡状态下结晶过程和组织的变化。答：相图如下，7第六章金属及合金的凝固均匀形核形核