58西北工业大学材料科学基础考研真题答案

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12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γ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α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0.0218～6.69%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：①XY向下运动与AB交割，产生PP′小台阶，宽度为|b1|②PP′的柏氏矢量仍为b2③PP′⊥b2为刃型位错④PP′不在原滑移面上，为割阶⑤XY平行于b2，不形成台阶b图：①AB位错线上出现PP′平行于b2，宽度为|b1|②PP′的柏氏矢量仍为b2③PP′∥b2为螺型位错④PP′在原滑移面上，为扭折⑤XY位错线上出现QQ′平行于b1，宽度为|b2|⑥QQ′的柏氏矢量仍为b1⑦QQ′∥b1为螺型位错⑧QQ′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，固相不扩散、液相基本不混合，α/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α/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：①k0＞1相图；②α/L界面处固体、液体的溶质浓度分布图；③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，α/L界面前沿液体溶质浓度分布CL如图a所示。由于α/L界面前沿液体中溶质浓度从左向右逐渐升高（与k0＜1情况不同），成分与相图对应如图b。α/L界面前沿液体中从左向右熔点逐渐升高（与k0＜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τ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60分）1、写出{112}晶面族的等价晶面。答：2、请判定下列反应能否进行：答：几何条件：，满足几何条件能量条件：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？（已知该晶体的常数A＝0.0539，波耳滋曼常数K＝1.381×10-23J/K）答：)121()112()112()211()112()121()211()121()211()211()121()112(}112{]001[]111[2]111[2aaa]001[]002[2]111[2]111[2aaaa222222322222222222211004311121)1()1(2aabaaabb4、单晶铜拉伸，已知拉力轴的方向为[001]，σ=106Pa，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，JAckTEkTEAcVV19201023109.18.1710068.10539.010ln)]273500(10381.1[ln)exp(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→β590℃：包晶反应，L+δ→ε440℃：共析反应，β→Ag+γ230℃：共析反应，γ→β′＋δ′2）3）Ag-95%Cd合金的平衡凝固到室温：Cd包＋εII较快速冷却到室温：ε初＋Cd包＋εII，且εII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ε初有剩余，既产生包晶转变不完全。另外，由于冷速快，使得εII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γ-Fe与α-Fe溶解碳原子能力差异的原因。答：α-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；γ-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