西工大材料考试真题试题及答案.docx
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西工大材料考试真题试题及答案
2005年西北工业大学硕士研究生入学试题参考答案
一、简答题（每题8分，共40分）
1.请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。
答：
热力学条件ΔG<0;结构条件r>r*;能量条件:
A>ΔGmax;成分条件
2.同素异晶转变和再结晶转变都是以形核长大方式进行的，请问两者之间有何差别？
答：
同素异晶转变是相变过程，该过程的某一热力学量的倒数出现不连续；再结晶转变只是晶粒的重新形成，不是相变过程。
3.两位错发生交割时产生的扭折和割阶有何区别？
答：
位错的交割属于位错与位错之间的交互作用，其结果是在对方位错线上产生一个大小和方向等于其柏氏矢量的弯折，此弯折即被称为扭折或割阶。
扭折是指交割后产生的弯折在原滑移面上，对位错的运动不产生影响，容易消失；割阶是不在原滑移面上的弯折，对位错的滑移有影响。
4.请简述扩散的微观机制有哪些？
影响扩散的因素又有哪些？
答：
置换机制：
包括空位机制和直接换位与环形换位机制，其中空位机制是主要机制，直接换位与环形换位机制需要的激活能很高，只有在高温时才能出现。
间隙机制：
包括间隙机制和填隙机制，其中间隙机制是主要机制。
影响扩散的主要因素有：
温度（温度约高，扩散速度约快）；晶体结构与类型（包括致密度、固溶度、各向异性等）；晶体缺陷；化学成分（包括浓度、第三组元等）
5.请简述回复的机制及其驱动力。
答：
低温机制：
空位的消失中温机制：
对应位错的滑移（重排、消失）
高温机制：
对应多边化（位错的滑移＋攀移）
驱动力：
冷变形过程中的存储能（主要是点阵畸变能）
二、计算、作图题：
（共60分，每小题12分）
1.在面心立方晶体中，分别画出
、
和、
，指出哪些是滑移面、滑移方向，并就图中情况分析它们能否构成滑移系？
若外力方向为[001]，请问哪些滑移系可以开动？
2.请判定下列位错反应能否进行，若能够进行，请在晶胞图上做出矢量图。
（1）
几何条件：
，满足几何条件
能量条件：
满足能量条件，反应可以进行。
（2）
几何条件：
，满足几何条件
能量条件：
满足能量条件，反应可以进行。
3.假设某面心立方晶体可以开动的滑移系为
，请回答：
1）给出滑移位错的单位位错柏氏矢量；
2）若滑移位错为纯刃位错，请指出其位错线方向；若滑移位错为纯螺位错，其位错线方向又如何？
答：
（1）单位位错的柏氏矢量
；
（2）纯刃位错的位错线方向与b垂直，且位于滑移面上，为
；纯螺位错的位错线与b平行，为[011]。
4.若将一块铁由室温20℃加热至850℃，然后非常快地冷却到20℃，请计算处理前后空位数变化（设铁中形成1mol空位所需的能量为104675J）。
答：
5.已知三元简单共晶的投影图，见附图，
1）请画出AD代表的垂直截面图及各区的相组成（已知TA>TD）；
2） 请画出X合金平衡冷却时的冷区曲线，及各阶段相变反应。
答：
三、综合分析题：
（共50分，每小题25分）
1.请对比分析加工硬化、细晶强化、弥散强化、复相强化和固溶强化的特点和机理。
答：
加工硬化：
是随变形使位错增殖而导致的硬化；
细晶强化：
是由于晶粒减小，晶粒数量增多，尺寸减小，增大了位错连续滑移的阻力导致的强化；同时由于滑移分散，也使塑性增大。
该强化机制是唯一的同时增大强度和塑性的机制。
弥散强化：
又称时效强化。
是由于细小弥散的第二相阻碍位错运动产生的强化。
包括切过机制和绕过机制。
复相强化：
由于第二相的相对含量与基体处于同数量级是产生的强化机制。
其强化程度取决于第二相的数量、尺寸、分布、形态等，且如果第二相强度低于基体则不一定能够起到强化作用。
固溶强化：
由于溶质原子对位错运动产生阻碍。
包括弹性交互作用（柯氏气团）、电交互作用（玲木气团）和化学交互作用。
2.请根据所附二元共晶相图分析解答下列问题：
1）分析合金I、II的平衡结晶过程，并绘出冷却曲线；
2）说明室温下I、II的相和组织是什么？
并计算出相和组织的相对含量；
3）如果希望得到室温组织为共晶组织和5%的β初的合金，求该合金的成分；
4）分析在快速冷却条件下，I、II两合金获得的组织有何不同。
答：
（2）I：
α初＋βII
，相组成与组织组成比例相同
II：
β初＋（α＋β）共＋βII（忽略）
（3）设所求合金成分为x
（4）I合金在快冷条件下可能得到少量的共晶组织，且呈现离异共晶的形态，合金中的βII量会减少，甚至不出现；II合金在快冷条件下β初呈树枝状，且数量减少。
共晶体组织变细小，相对量增加。
（1）
2006年西北工业大学硕士研究生入学试题参考答案
一、简答题（每题10分，共50分）
1. 试从结合键的角度，分析工程材料的分类及其特点。
答：
金属材料：
主要以金属键为主，大多数金属强度和硬度较高，塑性较好。
陶瓷材料：
以共价键和离子键为主，硬、脆，不易变形，熔点高。
高分子材料：
分子内部以共价键为主，分子间为分子键和氢键为主。
复合材料：
是以上三中基本材料的人工复合物，结合键种类繁多。
性能差异很大。
2. 位错密度有哪几种表征方式？
答：
有两种方式：
体密度，即单位体积内的位错线长度；面密度，即垂直穿过单位面积的位错线根数。
3. 陶瓷晶体相可分为哪两大类？
有何共同特点？
答：
氧化物陶瓷和硅酸盐陶瓷。
特点：
1.结合键主要是离子键，含有一定比例的共价键；2.有确定的成分，可以用准确的分子式表达；3.具有典型的非金属性质。
4. 冷轧纯铜板，如果要求保持较高强度，应进行何种热处理？
若需要继续冷轧变薄时，又应进行何种热处理？
答：
保持较高强度则应进行低温退火，使其只发生回复，去除残余应力；要继续冷变形则应进行高温退火，使其发生再结晶，以软化组织。
5. 扩散激活能的物理意义为何？
试比较置换扩散和间隙扩散的激活能的大小。
答：
扩散激活能的物理意义是原子跃迁过程中必须克服周围原子对其的阻碍，即必须克服势垒。
相比而言，间隙扩散的激活能较小。
二、作图计算题（每题15分，共60分）
1. 已知碳在γ－Fe中扩散时，D0＝2.0×10－5m2/s，Q＝1.4×105J/mol。
当温度由927℃上升到1027℃时，扩散系数变化了多少倍？
（R＝8.314J/（mol.K））
答：
2. 已知某低碳钢σ0=64KPa，K=393.7，若晶粒直径为50μm，该低碳钢的屈服强度是多少？
答：
由霍尔－配奇公式得：
3. 试计算BCC晶体最密排面的堆积密度。
答：
BCC密排面为｛110｝面，其面积为：
｛110｝面上被原子占据的面积为（两个原子）：
堆积密度：
4.
和
均位于Fcc铝的（111）晶面上，因此理论上
和
的滑移均是可能的。
（1）画出（111）晶面及单位滑移矢量
和
。
（2）比较具有此二滑移矢量的位错的能量。
答：
（1）
（2）
两位错位于同一滑移面，因此G相同，故：
三、综合分析题（每题20分，共40分）
1.试从晶界的结构特征和能量特征分析晶界的特点。
答：
晶界结构特征：
原子排列比较混乱，含有大量缺陷。
晶界能量特征：
原子的能量较晶粒内部高，活动能量强。
晶界特征：
• 晶界——畸变——晶界能——向低能量状态转化——晶粒长大、晶界变直——晶界面积减小
• 阻碍位错运动——σb↑——细晶强化
• 位错、空位等缺陷多——晶界扩散速度高
• 晶界能量高、结构复杂——容易满足固态相变的条件——固态相变首先发生地
• 化学稳定性差——晶界容易受腐蚀
• 微量元素、杂质富集
2.试分析冷塑性变形对合金组织结构、力学性能、物理化学性能、体系能量的影响。
答：
组织结构：
（1）形成纤维组织：
晶粒沿变形方向被拉长；
（2）形成位错胞；（3）晶粒转动形成变形织构。
力学性能：
位错密度增大，位错相互缠绕，运动阻力增大，造成加工硬化。
物理化学性能：
其变化复杂，主要对导电，导热，化学活性，化学电位等有影响。
体系能量：
包括两部分：
（1）因冷变形产生大量缺陷引起点阵畸变，使畸变能增大；
（2）因晶粒间变形不均匀和工件各部分变形不均匀引起的微观内应力和宏观内应力。
这两部分统称为存储能，其中前者为主要的。
冷变形后引起的组织性能变化为合金随后的回复、再结晶作了组织和能量上的准备
2007年西北工业大学硕士研究生入学试题参考答案
一、 简答题（每题10分，共50分）
1、请说明什么是全位错和不全位错，并请写出FCC、BCC和HCP晶体中的最短单位位错的柏氏矢量。
答：
全位错：
柏氏矢量等于点阵矢量的整数倍；
不全位错：
柏氏矢量不等于点阵矢量的整数倍。
Fcc：
；bcc：
；hcp：
2、已知原子半径与晶体结构有关，请问当配位数降低时，原子半径如何变化？
为什么？
答：
半径收缩。
若半径不变，则当配位数降低时，会引起晶体体积增大。
为了减小体积变化，原子半径将收缩。
3、均匀形核与非均匀形核具有相同的临界晶核半径，非均匀形核的临界形核功也等于三分之一表面能，为什么非均匀形核比均匀形核容易？
答：
因为非均匀形核时，用杂质或型腔充当了一部分晶核。
也就是说，需要调动的原子数少。
4、原子的热运动如何影响扩散？
答：
热运动增强将使原子的跃迁距离、跃迁几率和跃迁频率均增大，即增大扩散系数。
5、如何区分金属的热变形和冷变形？
答：
变形温度与再结晶温度的高低关系。
高于再结晶温度的为热变形，反之为冷变形。
二、 作图计算题（每题15分，共60分）
1. 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）
解：
2. 请计算简单立方晶体中，（111）和
的夹角。
解：
＝70°32
3. 请判定在fcc中下列位错反应能否进行：
解：
几何条件：
（6分）
能量条件：
（6分）
满足几何条件和能量条件，反应可以进行。
（3分）
4. 试画出面心立方晶体中的（123）晶面和
晶向。
解：
三、 综合分析题（共40分）
1. 如附图所示，请分析：
（24分）
1） 两水平线的反应类型，并写出反应式；
2） 分析Ab、bg′、g′d′、d′、d′h′、h′e、eB七个区域室温下的组织组成物（j点成分小于g点成分）；
3） 分析I、II合金的平衡冷却过程，并注明主要的相变反应；
4）
写出合金I平衡冷却到室温后相组成物相对含量的表达式及合金II平衡冷却到室温后组织组成物相对含量的表达式。
解：
1） 水平线kj为包晶反应：
（2分）
水平线gh为共晶反应：
（2分）
2） Ab：
α（1分）
bg′：
α+βII（1分）
g′d：
α+（α+β）共+βII（1分）
d'：
（α+β）共（1分）
d′h′：
β+（α+β）共+αII（1分）
h′e：
β+αII（1分）
eB：
β（1分）
3）
合金I（5分）合金II（3分）
4） 合金I相组成：
（2分）
合金II组织组成：
（3分）
2. 请对比分析回复、再结晶、正常长大、异常长大的驱动力及力学性能变化。
（16分）
回复
再结晶
正常长大
异常长大
驱动力
存储能
（主要是点阵畸变能）
存储能
（主要是点阵畸变能）
总界面能
总界面能和表面能
力学性能变化
基本保持变形后性能
恢复到冷变形前的水平
基本保持再结晶后的水平
性能恶化
强度、塑性下降
一、简答题（每题6分，共30分）
1．原子的结合键有哪几种？
各有什么特点？
离子键：
正负离子相互吸引；键合很强，无方向性；熔点、硬度高，固态不导电，导热性差。
共价键：
相邻原子通过共用电子对结合；键合强，有方向性；熔点、硬度高，不导电，导热性有好有差。
金属键：
金属正离子于自由电子相互吸引；键合较强，无方向性；熔点、硬度有高有低，导热导电性好。
分子键：
分子或分子团显弱电性，相互吸引；键合很弱，无方向性；熔点、硬度低，不导电，导热性差。
氢 键：
类似分子键，但氢原子起关键作用XH-Y；键合弱，有方向性；熔点、硬度低，不导电，导热性好。
2．面心立方晶体和体心立方晶体的晶胞原子数、配位数和致密度各是多少？
晶胞原子数
配位数
致密度
面心立方
4
12
74%
体心立方
2
8
68%
3．立方晶系中，若位错线方向为[001]，
，试说明该位错属于什么类型。
因位错线方向垂直于柏氏矢量，所以是刃位错。
4．请说明间隙化合物与间隙固溶体的异同。
相同点：
小原子溶入
不同点：
若小原子溶入后，大小原子数量成比例，在选取点阵时，大小原子点阵可以合并，这实际上改变了大原子的点阵结构，因此认为形成新相，称为间隙相（间隙化合物）。
若小原子溶入后，分布随机，大小原子点阵不能合并，仍然保留大原子点阵，称为间隙固溶体。
5．试从扩散系数公式
说明影响扩散的因素。
从公式表达形式可以看出扩散系数与扩散激活能Q和温度T有关。
扩散激活能越低扩散系数越大，因此激活能低的扩散方式的扩散系数较大，如晶界和位错处的扩散系数较大。
温度越高，原子活性越大，扩散系数越大。
6．何为过冷度？
它对形核率有什么影响？
过冷度：
实际结晶温度与理论结晶温度的差值。
随过冷度增大，形核率先增后减。
二、作图计算题（每题10分，共40分）
1. 在面心立方晶体中，分别画出（101）、[110]和
、[
，指出哪些是滑移面、滑移方向，并就图中情况分析它们能否构成滑移系？
对面心立方晶体，（101）非密排面，因此它不是滑移面；[110]是密排方向，因此是滑移方向。
但这二者不能构成滑移系。
和[
是密排面和密排方向，因此可以构成滑移系。
2. 已知Al为面心立方晶体，原子半径为rA。
若在Al晶体的八面体间隙中能溶入最大的小原子半径为rB，请计算rB与rA的比值是多少。
3. A-B二元合金中具有共晶反应如下：
若共晶反应刚结束时，α和β相的相对含量各占50%，试求该合金的成分。
设合金成分为c％，由题知：
得：
c%＝0.55%
4. 已知铜的临界切分应力为1Mpa，问要使
面上产生[101]方向的滑移，应在[001]方向上施加多大的力？
对立方晶系，两晶向[h1k1l1]和[h2k2l2]夹角公式为：
故滑移面的法线
与拉力轴方向[001]的夹角为：
同理，滑移方向[101]与拉力轴方向[001]的夹角为：
由分切应力公式得：
三、综合分析题（每题15分，共30分）
1．按下列条件绘出A-B二元相图：
1） A组元（熔点600℃）与B组元（熔点500℃）在液态时无限互溶；
2） 固态时，A在B中的最大固溶度为wA=0.30，室温时为wA=0.10；而B在固态下不溶于A；
3） 300℃时发生共晶反应
。
在A-B二元相图中，分析wB=0.6的合金平衡凝固后，在室温下的相组成物及组织组成物，并计算各相组成物的相对含量。
相组成：
A＋β
组织组成：
A＋β＋AII
2．请绘出下列Fe-C合金极缓慢冷却到室温后的金相组织示意图，并标注各组织。
（腐蚀剂均为3%硝酸酒精）
工业纯铁：
F20钢：
F+P；45钢：
F+P
T8钢：
PT12钢：
P+Fe3C网状亚共晶白口铸铁：
P+Ld’
一、简答题（每题6分，共30分）
1．工程材料分为哪几类？
它们的结合键如何？
2．根据凝固理论，请分析细化铸锭晶粒的途径及原理
3．固溶体非平衡凝固时，形成微观偏析和宏观偏析的原因有何区别？
4．请为置换固溶体、间隙固溶体、间隙化合物、正常价化合物、电子化合物和间隙化合物各举一具体例子。
5．为什么细晶强化可以同时提高合金强度、硬度、塑性和韧性？
二、作图计算题（每题10分，共40分）
1．钛的晶胞（密排六方）体积在20℃时为0.106nm3，其c/a＝1.59，求：
（1）c、a的值；
（2）钛原子半径。
2．已知钼为体心立方结构，请回答：
（1） 画出其晶胞示意图；
（2） 在图中画出一个可能的滑移系，并标明滑移面和滑移方向的指数。
3． 一碳钢在平衡冷却条件下，室温组织为珠光体＋二次渗碳体，其中珠光体含量为90%。
请确定该碳钢的含碳量，并画出组织示意图。
4．假设某面心立方晶体可以开动的滑移系为
，请回答：
（1） 给出滑移位错的单位位错柏氏矢量；
（2） 若滑移位错为纯刃位错，请指出其位错线方向；若滑移位错为纯螺位错，其位错线方向又如何？
三、综合分析题（每题15分，共30分）
1．根据下列已知条件绘出A-B二元共晶相图：
i. tA>tB（tA、tB为A、B的熔点）；
ii. 共晶反应为
；
iii. B在A中的固溶度随温度的下降而减小，室温时为wB＝0.03；A在B中的固溶度不随温度变化，
并请回答：
（1）分析wB=0.85的合金平衡结晶过程；
（2）计算该合金室温下的相组成物及组织组成物。
（忽略二次相）
8. 一楔型纯铜铸锭，经间距恒定的轧辊轧制（如图）；
（1） 请画出轧制后，锭子的晶粒示意图。
（2） 画出将该锭子进行再结晶退火后，晶粒示意图。
并分析原因。
一、简答题（每题5分，共30分）
1．何为空间点阵？
它与晶体结构有何异、同？
2．请简述晶界有哪些特征？
3．何为固溶强化？
置换固溶体与间隙固溶体相比,哪个的固溶强化效果强？
请简述影响固溶度的因素。
4．请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。
5．什么是反应扩散？
请简述其特点。
6．简述在什么情况下会发生单滑移、多滑移和交滑移，它们的滑移线形貌特征是什么。
二、作图计算题（每题10分，共40分）
1．请计算简单立方和体心立方晶体的（100）、（110）和（111）晶面的面间距（假设两种点阵的点阵常数都是a）。
2．在面心立方晶体中，分别画出
、
和、
，指出哪些是滑移面、滑移方向，并就图中情况分析它们能否构成滑移系？
若外力方向为<001>，请问哪些滑移系可以开动？
3．请判定下列反应能否进行，若能够进行，则在简单立方晶胞内绘出参加反应位错的柏氏矢量。
1）
2）
4．已知三元简单共晶的投影图，见附图，
1） 请画出AD代表的垂直截面图及各区的相组成；
2） 请画出X合金平衡冷却时的冷区曲线，及各阶段相变反应。
三、综合分析题（每题15分，共30分）
1．已知Mg-Ni合金系中一个共晶反应：
L23.5%Ni纯Mg+Mg2Ni54.6%Ni
设有C1和C2两种合金，C1为亚共晶，C2为过共晶。
这两种合金的初生相质量分数相等，但室温时C1中α（即Mg）的总量是C2中α总量的2.5倍，请确定C1和C2的成分。
2. 某工厂对一大型零件进行淬火处理，经过1100℃加热后，用冷拉钢丝绳吊挂，由起重吊车送往淬火水槽，行至途中钢丝突然发生断裂。
该钢丝是新的，且没有瑕疵，是分析该钢丝绳断裂的原因。
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