某大学年度研究生材料科学基础专业考试试题.docx
《某大学年度研究生材料科学基础专业考试试题.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《某大学年度研究生材料科学基础专业考试试题.docx（14页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
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[112]，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2—2所示浓度三角形中，确定P、R、S三点的成分。
若有2kgP4kgR
7kgS混合，求混合后该合金的成分？
3、已知碳在γ-Fe中扩散时，D0=2.0×10-5m2/s，Q=1.4×105J/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3—1是铜-铝合金相图的近铜部分。
（1）、写出ωAl=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ωAl<0.05或ωAl>0.08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τ和σ，如图3—2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τ作用下，位错环将如何运动？
3）、在足够大的拉应力σ作用下，位错环将如何运动？
、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？
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［111］和［201］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：
r2r
（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，则原子堆积密度是否改变？
3、已知液态纯镍在1.013×105Pa（1大气压），过冷度为319K时发生均匀形核，设临界晶核半径为1nm，纯镍熔点为1726K，熔化热ΔHm＝18075J/mol，摩尔体积Vs＝6.6cm3/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（wBi＝0.7，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σst＝280MPa，弹性模量Est＝205GPa，铜的σCu＝140MPa，弹性模量ECu＝110GPa。
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（111）、[110]。
（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a＝0.2nm）。
2、若有，某一Cu-Ag合金（wCu＝0.075，wAg＝0.925）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rk的晶核）
形成临界晶核的充分条件：
（1）形成r≥rk的晶胚；
（2）获得A≥A*（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[201]两晶向所决定的晶面，并绘图表示出来答：
设所求的晶面指数为（hkl）
1
1
11:
11
0
1
12:
20
h:
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？
a2（r2r2）0.412nm
答：
（1）点阵常数Mg2O2
3
（rMg2rO2）4
Pf430.73
堆积密度fa3
2）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1.013×105Pa（1大气压），过冷度为319K时发生均匀形核，设临界晶核半径为1nm，纯镍熔点为1726K，熔化热ΔHm＝18075J/mol，摩尔体积Vs＝6.6cm3/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（wBi＝0.7，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：
LBi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（Sn＋Bi）共，液相成分延E3E向E移动；液相成分达到E后，发生三元共晶反应L（Sn＋Bi＋β）共，随后冷却不再变化。
室温组织为：
Bi初＋（Sn＋Bi）共＋（Sn＋Bi＋β）共
（2）wBi初＝2.88；w（Sn＋Bi）共＝0.407；w（Sn＋Bi＋β）共＝0.305
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σst＝280MPa，弹性模量Est＝205GPa，铜的σCu＝140MPa，弹性模量ECu＝110GPa。
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等，即：
（/E）ststCu（/E）Cu
205000
1）Cu先屈服；
3）E（E）st（E）Cu130000MPa
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（111）、[110]。
（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a＝0.2nm）。
ab[110]答：
（1）柏氏矢量：
2；
（2）位错线方向：
[112]；
（3）位错线运动方向平行于柏氏矢量；
11
（4）Fb9.8991011MN/m
2、若有，某一Cu-Ag合金（wCu＝0.075，wAg＝0.925）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。
a[110]
2．在fcc，晶体中存在两个位错d1和d2，若d1的位错线方向l1//[112]，柏氏矢量b1=2，d2的分
a[110]
别为l2//[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>{100}。
（1）求出每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0.5J/m2，在退火前原始晶粒直径为2.16×10-3cm，屈服强度为108MPa。
对该合金在700℃退火2h处理后其屈服强度降低为82MPa。
在退火过程中保温1h时测得该合金放出热量为0.021J/cm3，继续保温1h测得该合金又放出热量0.014J/cm3。
求如果该合金只在700℃保温1h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Sv＝2/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（wsi＝0.03，bcc结构）的点阵常数d＝0.3nm，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0.2nm）的刃型位错总数为1.198×104，设它们均匀分布构成亚晶界（α＝120°，β＝80°）。
（1）求相邻亚晶间的位向差θ；
（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/m2，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γ-Fe渗碳，已知在距表面1～2mm之间，碳浓度从5％（摩尔分数）降到4％。
估算碳进入该区域的扩散通量J（摩尔／m2·s）。
已知γ-Fe在1000℃时的密度为7.63g/cm3，扩散常数D0＝2×10-5m2/s，激活能Q＝142kJ/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wB＝10％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R＝1cm/h，D＝2×
-52
10cm/s。
8．画出线型非晶态高分子形变—温度曲线，从分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α和β相的熔解度曲线及三相恒温转变线；
（2）计算Ag-Cu合金（wcu＝0.60）（y'y线）在点M对应温度下液相和β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Ta>Tc>Tb>Te3>Te1>Te2>TE）。
（1）画出以下不同温度（T）下的水平截面图；
（a）Tc>T>Tb；（b）Te3>T>Te1；（c）Te2>T>TE（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<112>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（111）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0.79MPa，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D0＝2.0×10-5m2/s，扩散激活能Q＝1.4X105J/mol（R＝8.31J/（molK））。
碳势均为CP＝1.1％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）
升级会员 