某大学年度研究生材料科学基础专业考试试题.docx

1、某大学年度研究生材料科学基础专业考试试题一、简答题：（共 40 分，每小题 8 分）1、简单立方晶体中，若位错线方向为 11 2 ，b=a 110 ，试判断此位错的类型？若为刃型位错， 试求出半原子面的晶面指数及插入方向的晶向指数。2、根据溶质原子在点阵中的位置，举例说明固溶体相可分为几类？固溶体在材料中有何意义？3、固溶体合金非平衡凝固时，有时会形成微观偏析，有时会形成宏观偏析，原因何在？4、应变硬化在生产中有何意义？作为一种强化方法，它有什么局限性？5、一种合金能够产生析出硬化的必要条件是什么？二、计算、作图题：（共 60 分，每小题 12分）1、绘出面心立方点阵中（ 110）晶面的原子平

2、面图。在该图中标出 111晶向和（ 110）晶面（指晶 面在（ 110）晶面上的垂直投影线）。2、在图 22 所示浓度三角形中，确定 P、R、S 三点的成分。若有 2kg P 4kg R7kg S 混合，求混合后该合金的成分？3、已知碳在 -Fe 中扩散时， D0 =2.0 10-5 m2/s ，Q=1.4105J/mol 。当温度在 927时，求其扩散 系数为多少？（已知摩尔气体常数 R=8.314J/mol K）4、纯锆在 553和 627等温退火至完成再结晶分别需要 40h 和 1h。试求此材料的再结晶激活能。 （已知摩尔气体常数 R=8.314J/mol K）5、画出 40 钢经退火后

3、室温下的显微组织示意图，并注明组织、放大倍数、腐蚀剂等。三、综合分析题：（共 50 分，每小题 25 分）1、图 31 是铜-铝合金相图的近铜部分。（ 1）、写出 Al=0.08 的 Al-Cu 合金，平衡凝固后的室温组织，并述其形成过程？（2）、若该合金在铸造条件下，将会是什么组织？3）、若该合金中 Al 含量改变时（当 Al0.08 时），其机械性能将如何变化？2、已知位错环 ABCD的柏氏矢量为 b，外应力为和，如图 32 所示1）、位错环的各边分别是什么类型的位错？2）、在足够大切应力作用下，位错环将如何运动？3）、在足够大的拉应力作用下，位错环将如何运动？、简答题：（共 40 分，每

4、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？、计算、作图题：（共 60 分，每小题 12分）1、求 11 1和 20 1两晶向所决定的晶面，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：r 2 r（1） 若其离子半径 Mg2 =0.066nm， rO2 0.140nm，则其原子堆积密度为多少？（2） 如果 rMg2 / rO2 0.41 ，则原子堆积

5、密度是否改变？3、已知液态纯镍在 1.013 105 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 Hm18075J/mol ，摩尔体积 Vs6.6cm3/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 ，wSn 0.2 ）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。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 st 280MPa，弹性模 量 Est 205GPa，铜的 Cu140MPa，弹

6、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 （11 1）、1 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小和 方向（取点阵常数为 a0.2nm）。2、若有，某一 Cu-Ag合金（ wC

7、u0.075 ，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） 。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

8、么？形成临界晶核的充分条件是什么？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 r k的晶核）形成临界晶核的充分条件：（ 1）形成 r r k 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 111 和 20 1两晶向所决定的晶面，并绘图表示出

9、来 答：设所求的晶面指数为（ h k l ）111 1 :11011 2 :20h:k:l则(112)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 rMg2 =0.066nm， rO2 0.140nm，则其原子堆积密度为多少？（2） 如果 rMg2 / rO2 0.41 ，则原子堆积密度是否改变？a 2（r 2 r 2 ） 0.412nm答：（ 1）点阵常数 Mg2 O23（rMg 2 rO2 ） 4Pf 4 3 0.73堆积密度 f a32）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 1.013 10

10、5 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 Hm18075J/mol ，摩尔体积 Vs6.6cm3/mol ，试计算纯 镍的液固界面能和临界形核功。所以4、图示为 Pb-Sn-Bi 相图投影图。问：（1）写出合金 Q（wBi0.7 ，wSn 0.2 ）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 ：L Bi 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

11、； 液相成分达到 E后，发生三元共晶反应 L （SnBi ） 共，随后冷却不再变化。室温组织为： Bi 初（ SnBi）共（SnBi） 共（ 2） wBi 初 2.88 ； w（SnBi）共 0.407 ； w（SnBi ）共 0.3055、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 st 280MPa， 弹性模量 Est 205GPa，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

12、等，即：（ / E） st st Cu （ /E） Cu2050001） Cu先屈服；3) E ( E)st ( E)Cu 130000MPa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 （11 1）、1 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小和 方向（取点阵常数为 a0.2nm）。a b 110 答：（ 1）柏氏矢量： 2 ；（2） 位错线方向： 112

13、 ；（3） 位错线运动方向平行于柏氏矢量；11（4） F b 9.899 10 11MN /m2、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） 。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， wCu 0.055 ；1 对 fcc 结构的晶体 ( 点阵常数为 a)(1) 分别计算原子在 100 ， 110 和111 晶向上的原子密度，并说明哪个晶向是密

14、排方向：(2) 计算原子在 (100) ，(110) 和 (111) 晶面上的原子密度和三个面的面间距，并指出面间距最大的 晶面。a1102 在 fcc ，晶体中存在两个位错 d1和 d2，若 d1的位错线方向 l 1/ 112 ，柏氏矢量 b1=2 ，d2的分a110别为 l 2/111 ，b2=2(1) 判断哪个位错为纯刃型位错，并求出其半原子面指数及滑移面指数；(2) 该刃型位错如果发生分解形成扩展位错，试写出可能的位错反应并图示；(3)另外一个位错柏氏矢量的刃型和螺型分量模各为多少 ?3 对某简单立方单晶体，其拉伸应力方向如附图 1.2 所示。该晶 体的滑移系为 100。(1) 求出每

15、个滑移系的分切应力；(2) 判定哪几组滑移系最容易开动。4 有一合金试样其晶界能为 0.5 J/m 2，在退火前原始晶粒直径为 2.1610-3cm，屈服强度为 108 MPa。 对该合金在 700退火 2 h 处理后其屈服强度降低为 82 MPa。在退火过程中保温 1 h 时测得该合金 放出热量为 0.021 J/cm3，继续保温 1 h 测得该合金又放出热量 0.014J/cm 3。求如果该合金只在 700 保温 1 h 后的屈服强度。 (已知合金单位体积内界面面积 Sv与晶粒直径 d 之间的关系为 Sv2/d ，且 放出的热量完全由于晶粒长大、晶界总面积减少所致。 )5 Fe-Si 合金

16、（wsi 0.03，bcc 结构）的点阵常数 d0.3 nm ，经形变后研究其回复再结晶机制。回复 退火时材料发生多边化过程，观察到三个亚晶交于点 O（见附图 1.3） 。经蚀坑法测得三段亚晶界 （OA， OB和 OC，其长度均为 0.2 nm）的刃型位错总数为 1.198104，设它们均匀分布构成亚晶界 （ 120， 80 ） 。（1） 求相邻亚晶间的位向差 ；（2） 若经再结晶后这些亚晶界在原来位置转变为大角度晶界，且测得 OA的晶界能为 0.8J/m 2，求其他两个晶界的晶界能。6 渗碳可提高钢的表面硬度。 若在 1000对 -Fe 渗碳，已知在距表面 12mm之间，碳浓度从 5（ 摩

17、尔分数）降到 4。估算碳进入该区域的扩散通量 J（摩尔 m2s） 。已知 -Fe在 1000时的密度为 7.63 g/cm3 ，扩散常数 D0210-5m2/s ，激活能 Q142 kJ/mol ， Fe的相对原子质量为 55.85 。7 根据附图 1.4 所示 A-B二元共晶相图 （共晶温度为 600） ，将 wB10的合金，用同样成分的籽晶 在固相无扩散、液相完全不混合的条件下进行定向凝固制成单晶，为了保持液固界面在整个凝固 过程中处于乎直状态，试计算界面处液相所需的最小温度梯度 G。已知凝固速度 R1 cm/h ，D2-5 210 cm /s 。8 画出线型非晶态高分子形变温度曲线，从分

18、子运动的观点简述其三种力学状态产生的起因9 根据 Ag Cu二元相图 ( 见附图 1.5) ：(1) 写出图中的液相、固相线 和 相的熔解度曲线及三相恒温转变线；(2) 计算 Ag-Cu合金(wcu0.60)(y y线) 在点 M对应温度下液相和 相的相对量；(3)画出上述合金的冷却曲线及室温组织示意图；10 在图示 ( 见附图 1.6) 的固态完全不互熔的三元共晶相图中， a、 b、 c 分别是组元 A， B， C的熔点，e1，e2，e3，分别是 A-B，B-C，A-C二元共晶转变点，正为三元共晶转变点 (已知 TaTcTbTe3Te1Te2TE) 。(1) 画出以下不同温度 (T) 下的水

19、平截面图；(a)T cTTb； (b)T e3TTe1； (c)T e2TTE (d)T TE(2) 写出图中 O合金的凝固过程及其室温组织。写出附图 1.1 所示立方晶格中晶面 ABCD和晶向 CE的指数； 在右图单胞中画出晶面 (111) 和该面上 属于 三个晶向，并标出具体指数。 (12 分)回答下列问题：（4 题，每题 8 分，共 32 分）1 为什么大多数铸造合金的成分都选择在共晶合金附近？2 同素异晶转变和再结晶转变都是固态下以形核和核心长大的方式进行，两者之间的差别表现在 哪些方面？3 为什么在正温度梯度下凝固时，纯金属以平面方式生长，而固熔体合金却通常以树枝晶方式生 长？4 什

20、么是交滑移 ?为什么只有螺位错可以发生交滑移而刃位错却不能？对铁碳合金 （wc 0.0015） 经过完全退火后： （20 分）1 在室温下包含哪些组成相，计算其相对量。2 在室温下由哪些组织组成物构成，画出组织示意图，并计算各自的相对量。3 在室温下该合金经过较大的塑性变形 （ 例如压缩 50） ，其组织会发生哪些变化？4 变形后再经过 750充分保温后缓慢冷却到室温，所得到的组织与原完全退火的组织有哪些差 别？四、 在常压下，三元合金最多只能存在四个平衡相。 在降温过程中它们可能发生哪几类转变 ?写出其转 变类型和对应的反应式。 如果液相为其中的一个反应相， 画出不同转变类型在平衡液相成分附近的 液相面投影，并用箭头表示成分变温线方向，并标出其他平衡相区的位置。 （12 分）五、 对铝单晶，当拉力轴沿 110 方向，拉应力为 1.0MPa，在（ 11 1 ）画上的 101） 方向的分切应力是多 少？如果铝单晶的临界分切应力为 0.79 MPa，需加多大的拉应力才能开始发生滑移变形？ （12 分）六、 已知碳在 r Fe中的扩散常数 D02.010-5m2/s，扩散激活能 Q1.4X105J/mol （R 8.31J/（molK） 。碳势均为 CP1.1 C的条件下对 20#钢在 880进行渗碳，为达到 927渗碳 5h 同样的效果，渗碳时间应为多少？ （12 分 ）