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东北大学材料科学基础历年考研试题及答案2001 年一、解释名词（2 0 ）1、复合强化2、晶界偏析3、应变疲劳4、扩散激活能二、在晶格常数为a的面心立方晶胞中，画出 1 1 1 晶面族的全部晶面并标出各自的晶面指数，计算面间距。（1 2，）三、晶粒直径为5 0 um,若在晶界萌生位错所需要的应力约为G/3 0,晶粒中部有位错源，问要多大的外力才能使晶界萌生位错？（1 3 ）四、含碳量为百分之3.5的铁一碳合金，在室温时由哪两个相组成？各占的重量百分数是多少？并计算室温时珠光体和莱氏体的百分含量。（1 2 ）五、再结晶后的晶粒大小如何计算?与哪些因素有关？为多数金属材料再结晶后晶粒尺寸随预定形变量的关系会百分之1 0 变形量附近出现一个峰值？（1 3 ）六、材料发生蠕变时通常符合 的指数定律，对于同一种材料讨论说明式中的n会不会随试验温度变化？试验测定n 值的目的是什么？在例如8 0 0 摄氏度的试验温度下，金属材料和陶瓷材料的n 值由什么不同？（1 3 分）七、什么是电子的分子轨道？为什么有的同类原子会形成分子？有的同类原子不形成分子？是否原子间核外电子越多，形成的分子就轨道越多？是否形成的分子轨道越多，形成的分子的结合键就越强？回答问题并给予简单讨论。（1 2 分）2 0 0 1 年 材料科学基础参考答案1.1 1 1 =(1 1 1)+(1 11)+(111)+(111)1111ACD,AjBD C|BD A Q B2.T=Gb/L=2.85xlO4G3.a +F e 3 c；a%=(6.6 9-3.5)/(6.6 9-0.0 2 1 8)=4 7.8%F e3C%=1-4 7.8%=5 2.2%d=V3 a/3L d%=(3.5-2.l l)/(4.3-2.1 1)=6 3.5%P%=(4.3-3.5)/(4.3-2.1 1)x (6.6 9-3.5)/(6.6 9-0.77)=1 9.7%4.再结晶晶粒尺寸d=常数 G/N ,其中，G为生长率，N 为形核率。影响d值的几个主要因素：（1）预 先 变 形（2）退 火 温 度（3）原始晶粒尺寸（4）杂 质（5）形变温 度（6）制 造 单 晶。在 1 0%的临界变形量下，N/G可达一极小值，此时可以达到最大的晶粒。5.蠕变应力指数n的值反应了材料的蠕变机制，n会随实验温度变化。蛹变的机制可分为扩散蠕变和位错蠕变两种。在扩散蠕变机制中，n等 于 1。位错蠕变时，应力指数n应该等于3。当蠕变的应力较小，蠕变温度较高时，蠕变主要以扩散蠕变的机制进行，应力指数值为1。低应力低温度时，主要是晶界扩散的蠕变形式；而低应力高温度时，主要是品内扩散的蠕变形式。当蠕变应力较大，蠕变温度较低时,蠕变主要以位错蠕变的机制进行，应力指数值为3 4。在 8 0 0 0 c 的实验温度下，金属材料n值在1 左右，陶瓷材料的n值在3-4 左右。6.分子中单电子波函数5 称为分子轨道。分子轨道的能级低于原于轨道的称为成键轨道，高于原子轨道的称为反键轨道，等于原于轨道的称为非键轨道。原子间核外电子愈多，形成的分子轨道就愈多。形成的分子轨道愈多，形成的分子的结合键不一定愈强。7.（1）复合强化一般认为的是由于弥散强化、细晶强化和加工硬化的综合作用所致。（2）晶界结构比晶内松散，具有一定的表面效应，溶质原子处在晶内的能量比处在晶界的能量要高，所以溶质原子有自发向晶界偏聚的的趋势，这就会发生晶界偏析。（3）受循环应力的作用下发生断裂失效，就是所谓材料的应变疲劳。（4）晶体中的原子进行扩散时不论按间隙机制还是按空位机制进行，首先均需得到为克服能垒所必须的额外能量，才能实现原子从一个平衡位置到另一个平衡位置的基本跃迁，这部分能量统称为扩散激活能，一般以Q表示。2002 年画出面心立方体的（1 1 1）和（1 0 0）面，计算面间距和面密度。证实晶面的间距越大，原子面密度越高。（1 5，）2 .假定一块钢进行热处理时，加 热 到 8 5 0 摄氏度后，快冷到室温，铁中空位的形成能是1 0 4 K j/m o l,R=8 3 3 2 J/K m o l.试计算，从 2 0 摄氏度加热到8 5 0 摄氏度以后，空位的数目应当增加多少倍？扼要解释快速淬冷到室温后，这 些“额外”的空位会出现什么情况？如果缓慢冷却呢？（1 2 ）3 .三元相图中含有液相的四相区有哪几种形状？请分别画出并标出四个相的位置和进入与离开四相区的液相成分随温度变化的投影线，写出对应的各四相反应的表达式。讨论四相区零自由度的含意。（1 3,）4 .课本第1 5 3 页习题第2 题。（1 5 ）5 .比较共价键，离子键，和金属键的不同点，解释产生这三种化学键各自的主要原因，另外讨论为什么通常共价键晶体的密度比其他两种键的晶体的密度低？（1 3 ）6.（1）.如果不考虑畸变能，第二相粒子在晶内析出是何形态？在晶界析出呢？（2）如果不考虑界面能，析出物为何形态？是否会在晶界优先析出呢？（1 2 ）7.解释名词（1）相 变 增 韧（2）复 合 强 化（3）断 裂 增 韧（4）再 结 晶（2 0 ）2 0 0 2年 材料科学基础参考答案1.如图2 0 0 1年第一题，面A C D,为（1 1 1）面，面A B B|A|为（1 0 0）面。(1 1 1)：d=7 3 a/3；P=2 V 3/a2(1 1 0)：d=a；P =2/a22,n i/N=A e x p(-Ev/k T i)-n 2/N=A e x p(-Ev/k T 2)-/,得 n2/n 1=e x p|Ev/k (1/TI-1/T2)=1.03（3）四相区只有一个，即为L+a+f+九三元系中只有发生四相平衡反应时才出现四相区，而四相平衡反应的形式只能有三种：第一种是由一相反应生成另外三相.这种反应称共晶型四相平衡反应，反应式可写成L f a+S+0第二种是由两相反应生成另外两相，称包共晶型四相平衡反应，反应式为4+Lg+八第三种是由三相反应生成一相，称包晶型四相平衡反应，反应式为L+a+S/Y.根据相律，三元系四相平衡时自由度为零，因此三元系中的四相平衡反应是一个不变反应，反应前后的温度及各相的成分不变，三元系中的四相区为一平面，称四相反应平面。4.(l)b x=-b,b y=b z=O,tx=l,ty=tz=0,Mx=-o x x b,My=-o y x,Mz=O,f=。(X2+Y2)2b x=b z=O,ty=l,tx=tz=O,Mx=-o x y b,M y=-。y y b,Mz=O,f=-ox y bk=-Dx(x 2 y 2)(x2+r2)2b-D 版(/?2+r2)2bk5.电价键是靠静电的库仑力作用而形成的化学键，其中主要是离子键。共价键是由两个或多个原子共有若干电子所构成。金属键是由金属中的自由电子和构成空间点阵的正离子相互作用所形成的。构成共价键的原子主要是非金属原子，而构成离子键和金属键的原子多以金属原子为主，故通常共价键晶体的密度比其他两种键的晶体密度低。6 .如果不考虑畸变能，基体和第二相之间的界面能将影响第二相的形貌和分布。第二相在晶粒内部形成时，如果界面是非共格的或是各向同性的，则第二相会呈圆形以减少表面积。但很多情况下，第二相与基体有共格关系，界面能不会各向同性，这时第二相粒子可能会呈多边形以便使总界面能成为最小。如果不考虑界面能，析出物为薄片形状，会在晶界优先析出。7 .（1）裂纹尖端附近由于应力集中而高于临界值时，裂纹尖端附近的粒子会因应力诱发而进行的马氏体相变成为相变增韧。（2）复合强化一般认为的是由于弥散强化、细晶强化和加工硬化的综合作用所致。（3）材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性。（4）再结晶指新的无应变晶核的形成以及通过这些晶粒生长而逐步消耗旧的变形基体的过程。2003 年1 .当两个反号垂直相隔数个原子距离（B）的刃位错相互滑移成为一列，写出计算滑移力随水平相互距离x的表达式，试分析相互滑移作用力的变化过程？另外，图示解释，当两位错成为垂直一列时，位错间将形成什么缺陷？当 B值很大时呢？（1 8 分）2 .已知金属钺是面心立方结构，原子量是1 9 2.2 g/m o l,密度是2 2.4 g/c m 3,请计算钵的原子半径。（1 6 分）3 .铁的界面能是0.7 8 J/m 2,若夹杂物a）在铁的晶界上形成球状夹杂的二面角为8 0。，b）沿铁的晶界面分布，分别求铁和夹杂物间的界面能。（1 6 分）4 .在百分之1 5 体积分数碳化硅颗粒强化的铝基复合材料中，当塑性变形百分之0.1 时，碳化硅是不发生塑性变形的，只有铝基体被变形。如果，碳化硅粒子的半径为1.2 u m,铝中位错b矢量为3 X 1 0 4u m,此时在粒子前沿将塞积4 条位错，如何计算（提示：粒子无法进行与基体等量的塑性变形将导致相应量的位错在其前沿塞积）？铝的屈服应力为2 0 0 Mp a,问此时碳化硅粒子中受多大的力？此时复合材料的强度是多少？（1 8分）5.写出图中立方晶系的晶面指数，写出所属面族的其他所有晶面。（会标晶面指数）（1 8分）6.下图是A L-Nd二元相图，只有单相区标了出来，请指出所有的共晶，共析，包晶和异晶（成分不变只有晶体结构转变）转变的成分位置和转变温度，并写出它们各自的降温转变的反应式。（图类似于课本P 2 45图 83 1）7.奥氏体向珠光体转变符合A v r am i 公式y=l-ex p（-k t n）,按照下表给出的试验数据，计算转变百分之9 5所需要的时间：转变数量 需要时间（s）百分之2 0 1 2.6百分之80 2 8.2 （2 0 分）8.解释名词（1）扩 散 系 数（2）成 分 过 冷（3）再结晶（4）布 里 渊 区（2 8分）2 0 0 3 年 材料科学基础参考答案I Fx_ G bxjx2-y2）G炉 一 夕）I 2TT（1-V）（X2+/）2 -2 -（1-v）（x2+B2）2(l)x B,F x 0;|x|B,F x 0:I x I B,Fx0;|x|0;I x I =B,Fx=O.空 位 片（B很小时）；层 错（B很大时）2、由M=p&m 3Na 可得：r=l.5x 10 l0m3 A3、a）Y =Y （/2cos400=0.51J/m2;b）Y =Y 32=0.39J/m24、假设SiC颗粒半径与基体原子半径相等，nb/R=6,n=4T=4 I o=800Mpa,200*85%+800*15%=145.5MPa5.A(32 2);B(20 2);32 2=(32 2)+(3 22)+(22 3)+(3 2 2)+(2 2 3)+(2 23)+(23 2)+(23 2)+(2 32)+(322)+(232)+(223)6、共晶：LAl+AlnNd3;LNd+AlNb3共析：AlnNd3+Al2Nd f ANd;包晶：L+ANd-A l,|N d3;L+Al2Nd-AlNd;L+AlNd-AlNd2;L+AINd,-AlNd3;7、20%=1-exp(-kl2.6n);80%=l-exp(-k28.2n)k=4.49*10-4 n=2.4595%=l-exp(-ktn)t=36.38s8、(1)菲克第一扩散定律中的比例常数D。称为扩散系数，单位是n?/s。(2)对于这种在界面前方有成分(浓度)差别的液相而言，在一定温度梯度下所形成的过冷度称为成分过冷或浓度过冷。(3)再结晶指新的无应变晶核的形成以及通过这些晶粒生长而逐步消耗旧的变形基体的过程。(4)能量不连续的点把k 空间(一维就是k 轴)分成许多区域，这些区域称作布里渊区。2004 年1.会标晶向指数。(15分)2.(15分)为什么单相金属的晶粒形状在显微镜下多为六边形？3.(15分)金属中的自由电子为什么对比热贡献很小却能很好的导电？4(1 5 分)已 知：空 位 形 成 能 是 L08ev/atm,铁 的 原 子 量 是 55.85g/mol,铁的密度是7.65g/cm3,NA=6.023*1023,K=8.62 X 10-5ev/atom-K,请计算 1 立方米的铁在 850 C 下的平衡空位数目。5.(1 5 分)在面心立方晶体中，在(1-1 1)面上，有柏氏矢量为a/2-l 0 1的刃位错运动，在(11-1)面上有柏氏矢量为a/2 l 10的刃位错运动，当它们靠近时是否稳定？有什么变化？说明之。6.(1 5 分)(1)用晶向和晶面指数的组合写出面心立方，体心立方及密排六方金属的全部滑移系。(2)在面心立方晶体的单位晶胞中画出一个滑移系，并标出晶面晶向指数。7(1 5 分)为什么材料有时会在其屈服强度以下的应力载荷时失效？如何防止？如何进行容器只漏不断的设计？8.(15分)根据如下给出的信息，绘制出A和 B组元构成的600摄氏度到1000摄氏度之间的二元相图：A组元的熔点是940摄氏度；B组元在A组元中的溶解度在所有温度下为零；B组元的熔点是830摄氏度，A在 B中的最大溶解度是700摄氏度为百分之12；600摄氏度以下 A在 B 中的溶解度是百分之8；700摄氏度时在成分点A一百分之75B有一个共晶转变；755摄氏度时在成分点A -百分之40B还有一个共晶转变；在 780摄氏度时在成分点A一百分之49B有一个稳定金属间化合物凝固发生；在 755摄氏度时成分点A-百分之67B有另一个稳定金属间化合物凝固反应。9(1 0 分)为什么在正温度梯度下合金结晶时也会发生枝晶？凝固时合金液体中成分船头波的区域尺寸对枝晶有什么影响？另外，何种情况下发生胞状结晶组织？10.（20 分）解释名词（1）扩 散 系 数（2）珠 光 体（3）再 结 晶（4）位错割阶20 0 4 年 材料科学基础参考答案1、A 0 1 l ,B 210 ,C 112,D l l 22、在晶粒互相接触的二维图形中，晶界的交叉点应是由3根晶界相交，如果是4根以上晶界相交，从能量降低即交叉点处微元面积中晶界总长最短的原则出发。通过几何分析可以得出 1 个四叉晶界一定会自发分解为2 个三叉晶界。在三叉交点处，3 个晶界必然会自发调整位置以实现界面张力Ym Y 23和 Y w 的力学平衡；其数学表示式为y zssin 9 i=Y iasin 9 2=Y wsin 0 3为满足上式的晶界交叉点的力学平衡关系，晶界并不要求一定是直的，仅要求在结点处，3个晶界切线之间的夹角满足上式。如果考虑单相合金，设定3个晶界能相等，则结点处平衡条件是=口=。3=1 2 0。所以单相金属的晶粒形状在显微镜下多为六边形。3、比热来自晶格节点上的亚离子的热振动和自由电子，但自由电子的贡献很小，而导电性是来自于自由电子的运动。4、nv/N=e x p（-Ev/k T）;nv=1.1 8*1 02 4_ C l C l C l 5.（l l l）:-1 0 1 -2 1 1 +-1 1 2 2 6 6（l l i）：|1 1 0 2 1 1 +1 1 2 1 o 6 o位错线（l i i）与 i）面的交线 o i l ,新位错为刃位错，滑移面为d o o）,面角位错，使材料加工后产生加工硬化。6,（1）面心立方：体心立方：1 1 0 密排六方:0 0 0 1 7、材料内部存在裂纹，断裂强度比屈服强度低，发生断裂。防止措施：选择断裂韧性高的材料；使材料内部缺陷少、裂纹尺寸小。选择屈服强度低的材料89、（1）出现大的成分过冷。（2）成分过冷区越大，越容易生成枝晶。（3）当界面前沿熔体中GL较大，界面前存在一个较窄的成分过冷区域，在原来平界面上形成了高浓度、低熔点的熔体组成网状沟槽。1 0.（1）菲克第一扩散定律中的比例常数D。称为扩散系数，单位是m 2/s。（2）铁素体和珠光体的混合物称为珠光体。（3）再结晶指新的无应变晶核的形成以及通过这些晶粒生长而逐步消耗旧的变形基体的过程。（4）如果一段新产生出来的位错垂直于被交割本身位错的原滑移面，则称该位错产生了 1个割阶。2005 年1 （1 5 分）名词解释空 间 点 阵 间 隙 相 成 分 过 冷 反 应 扩 散 连 续 脱 溶2 （2 0 分）判断题（1）属于同一种空间点阵的晶体可以具有不同的晶体结构（2）一个位错环不可能处处都是螺位错，也不可能处处都是刃位错。（3）致密度高的密排金属作为溶剂形成间隙固溶体时，其溶解度总比致密度低的金属小。（4）非共晶成分的合金，经较快冷却而形成的全部共晶组织称为伪共晶。（5）液态金属结晶时，形成临界晶核时体积自有能的减少只能补偿新增表面能的1/3.（6）单晶体的临界分切应力主要取决于晶体的类型及纯度，而与外力的大小和取向无关。（7）强化金属材料的各种手段，其出发点都在于制造无缺陷的晶体或设置位错运动的障碍。（8）一般情况下，高纯金属比工业纯度金属更容易发生再结晶。（9）纯金属经同素异构转变后，会产生组织和结构方面的变化。（1 0）调幅分解过程中发生溶质原子的上坡扩散。3.黄铜是一种C u-Z n 合金，可由于蒸发而失去锌，（锌的沸点低达9 0 0。C）设经9 0 0 摄氏度1 0 分钟处理后，在深度1 m m 处合金的性能将发生某种变化，如果只能容许在0.5 m m 处的性能发生这一程度的变化，那么这种合金在8 0 0 摄氏度能停留多长时间？(已知锌在铜中的扩散激活能Q=20 0 0 0 R)(1 5 分)4.下图中给出两个纯螺型位错，其中一个含有一对扭折，另一个含有一-对割阶，图中箭头方向为位错线的正方向，问：(1)这两对位错线何者为扭折，何者为割阶？它们属于什么类型位错？(2)假定图上所示的滑移面为面心立方晶体的(1 1 1)面，问哪对位错线可以通过自身的滑动而消除，说明理由。(3)含有割阶的螺位错在滑移时是怎样形成空位的？(4)指出各位错中多余半原子面的位置。(注：一定要把位错部分吃透)5.下图是-A-B-C 三元相图富A角的投影图(1)说明E点是什么四相反应？写出它的反应式，并说明判断依据。(2)什么成分合金的结晶组织是(忽略二次相)a)a+(a+A m B n +A j C k )b)(a+A m B n)+(a+A m B n +A j C k )注：图不好画，只要把三元相图搞明白就可以了。6.(1)假设原子为钢球，直径不因晶体结构改变而改变，计算从r-F e转变为a-F e的体积膨胀率。(2)用 x射线测得9 1 2摄氏度时r-F e和 r-F e的点阵常数分别为0.3 6 3 3 n m 和 0.28 9 2n m 计算r-F e转变为r-F e的体积膨胀率。(3)比 较(1)(2)结果，说明原子半径随配位数改变的规律。为了区分两种弄混的碳钢，工作人员分别截取了 A,B 两块试样，加热至8 5 0 摄氏度保温后，以极缓慢的速度冷至室温，观察金相组织，结果如下：A试样的先共析铁素体面积时百分之4 1.6,珠光体的面积是百分之5 8.4,B试样的二次渗碳体面积是百分之7.3,珠光体面积是百分之9 2.7。设铁素体和渗碳体的密度相同，铁素体中的含碳量为零，试求A,B 两种碳钢的含碳量。8.C u 为面心立方结构，x射线测定的点阵常数a=0.3 6 1 5 n m,(1)按钢球密堆模型计算最近邻原子中心距离是多少？以任何以原子为中心，这样距离的原子数目是多少？(2)在一个晶胞内画出一个能发生滑移的晶面，并标出指数。(3)在所画晶面上指出一个可滑移的晶面，并标出指数。(4)若铜晶体表面恰平行于(0 0 1)面，当在 0 0 1 晶向施加应力，使所有滑移面上均发生滑移时，图示在表面上可能看到的滑移线痕迹。2 0 0 5 年 材料科学基础参考答案1、(1)结点在空间规则周期的分布，这些点的总体称为空间点阵或点阵。(2)当非金属原子半径m与金属原子半径n之 比 r x/r,V 0.5 9 时，形成简单结构的间隙相。(3)对于在界面前方有成分(浓度)差别的液相而言，在一定温度梯度下所形成的过冷度称为成分过冷或浓度过冷。(4)所谓反应扩散，是指在固态扩散过程中伴有相变发生的扩散。(5)连续脱溶指过饱和母相在连续脱溶过程中，往往在乎衡脱溶相出现之前会出现一个、两个或多个亚稳脱溶相，其典型的反应式为：a (C。)-a (C)十 B (亚稳相)，新相通常以分散、孤立的小颗粒形核，然后向母相中生长。2、(1)J (2)X (3)X (4)V (5)X (6)J (7)V (8)X (9)J (1 0)J3、J1=/,t=9.2 2 m i nd D ji 不 D2t 24、(1)1 为扭折，2为割阶，都是刃型位错。(2)1 号位错线上的扭折可通过自身滑动而消除，因为扭折处于原位错所在滑移面上。(3)通过攀移形成空位。(4)a b、c d 段为刃型割阶。并 且 a b 左侧、c d 右侧多余半原子面，随位错运动；a b 向左运动、c d 向右运动，则沿着这两段割阶所扫过的面积会产生厚度为一个原子层的空位群。5、(1)LE-*a +Am Bn+Aj Ck(2)a-E 间两段中的右段E点上面那条线的下段r-I-.-6,(1)d v=a ;d =a ;6.a、=杷a.;=-=8.9%2 2 V彳一 叫(2)A竺V =?_ J4_=o.89%V a 34(3)随致密度降低，原子半径变小。7、A 试样：-=41.6%；x=0.45%0.77B 试样：-6 6 9-92.7%；x=1.20%6.69-0.77V 2 人8、(1)d=a=0.2556nm,12 个2(2)、(3)如图AB2006 年一、名词解释1、晶带2、上坡扩散3、不连续脱熔4、加工硬化5、伪共晶二、T=0 K 时，金属中的自由电子有没有热振动？为什么？三、在立方晶体中画出以下晶面和晶向：112 ,-210 ,(102)(11-2)四、在面心立方晶体中，同一个(111)面上的两个位错a/2 00T 和 a/2-110 在相互靠近时是否稳定？将发生什么变化？写出位错反应。五、a,b,c 三个相相交与一个三叉结点，a相所张的二面角为82。，b相所张的二面角为110 ,a b 表面能为0.3J/m 2,求 a c 和 b e 表面能六、分别列出对纯金属和合金可能采取的强化机制。七、Al-M n相图如图所示，写出相图中的全部恒温转变反应式及类型。(图类似于P 245图 8 31,会这种类型的题目)八、850摄氏度渗碳叮950摄氏度渗碳相比，优点是热处理后产品晶粒细小。a)计算上述两个温度下碳在r-F e 中的扩散系数，已知D 0=2.0*10-5m 2/s Q=140*103J/m ol.,b)850摄氏度渗碳需用多长时间才能获得950摄氏度渗碳5 小时的渗层厚度(不同温度下碳在r-F e 中的溶解度的差别可忽略)2006年 材料科学基础参考答案1、(1)平面(h kl)和 u v w 的总体称为一个晶带。(2)溶质还可以向浓度高的地方发生“上坡扩散”。(3)成分为C。的合金从温度快冷至4温度保温，会发生过饱和固溶体的不连续脱溶。其脱溶产物为交替排列的a与 B两相混合物，它们通常在母相a的晶界形核，然后呈胞状向相邻晶粒之一中长大，不连续脱溶反应式可以写为a (C)-a /(C/)+B (3)。(4 加工硬化的机理只指由于形变造成位错密度和组态的变化从而提高强度的作用。(5)非共晶成分的合金在非平衡结晶条件下得到的共晶组织称伪共晶。2、在0K时.自 由 电 子 系 统 每 个 电 子 的 平 均 能 量(平 均 动 能)为广 EdN 2,瓦 二 F 二亏 由上式可知，在OK时电子仍有相当大的平均动能,这是由于电子必须满足泡利不相容原理的缘故。考虑金属的费米能为儿个到十儿个电子伏特，计算表明，0 K 时自由电子的平均速度数量级高达1 0 m/s。3、AB4、(111):011-112+1 2 1；2 6 62 6 6a a ci 5、o G?+o vcos82=o B ycos70。、cos(90-82)=。B YCO S(110-90)由上式即可解出。e,和。丫。6、纯金属：细晶强化(增大过冷度、变质处理、振动、搅拌、再结晶)、形变强化合金：固溶强化、细晶强化、加工硬化、相变强化、弥散强化7、658：L-Al+AUMn 共晶705：L+u-ALMn 包晶923：L+AluMn4fH 包晶1048：L+Y -Y 包晶1191：L+e-y 包晶660、452：L fA l 异晶840：Y-Yz+BMn 共析870：e-Y +BMn 共析8、a)D =Doexp(-Q/RT)Di=Doexp(-Q/RT 2)b)由 D|t|=D2t2 可得 h2007 年一、名词解释i、固溶体2、点阵3、晶格摩擦力4、扩展位错5、同素异形转变二、证明晶面(-210),(-110)(0 1 2)属同一晶带，其晶带轴指数是什么？三、如何解释等温与绝对零度下电子平均动能十分相近的原因。四、举出两个由长程扩散控制长大的实例。五、为何过饱和固溶体适当固溶处理后强度比室温平衡组织高？六、(1)已知Z n在 C u 中扩散时D=2.l x l O(-5)m2/s,Q=l.71x 10(5)J/mo l 求 820时在中的扩散系数(2)讨论影响金属材料扩散的因素。七、冷加工金属加热时发生回复过程中位错组态有哪些变化？八、Al-Cu 相图可简化为T m=660,共晶温度T E=546,Cu 在 Al 中最大溶解度C(Cu)=5.65%,共晶成分CE=33%,液固相线为直线，若液相中Cu 扩散系数D 2=3x l 0(-9)m2/s,合金在无对流条件下凝固界面为平面，推移速度5u m/s,那么C(Cu)=5%的 Al-Cu 合金在平衡稳压下凝固时临界温度是到少？溶质溶解的特征距离多大？为保持平面界面，液相温度梯度应多大？2007年 材料科学基础参考答案一、名词解释1.以一种金属元素作为溶剂，另一种或一种以上的元素作为溶质而形成的固体称为固溶体。2.把原子(或离子、分子)抽象成结点，结点在空间规则周期的分布，这些点的总体称为空间点阵或点阵。3.当位错运动时，中心区必须要通过一系列的能峰和能谷，位错线越过能峰时所需克服的阻力就是位错运动的晶格摩擦力，也称为P N力。4.一个全位错分解为2 个 S h o c k l e y 不全位错，这样的2 个 S h o c k l e y 位错一起被称为扩展位错。5.同一物质的不同的晶体结构称为同素异形体。每一种同素异形体都是一个相，它们之间在一定条件下也将发生相互转变，称同素异形转变。二、由三个晶面构成的行列式=0 说明三个晶面属于同一晶带；晶带轴指数 1 21 由两个晶面即可确定。三、在0K时.自 由 电 子 系 统 每 个 电 子 的 平 均 能 量(平 均 动 能)为员=取3鼠寻亚=衿由上式可知，在0 K 时电子仍有相当大的平均动能,这是由于电子必须满足泡利不相容原理的缘故。考虑金属的费米能为几个到十几个电子伏特，计算表明，0 K 时自由电子的平均速度数量级高达1 0%/s。四、奥氏体中析出渗碳体、铁素体、珠光体。五、金属材料中存在有固溶原子时，固溶原子必然会引起周围晶格的畸变，在其周围产生一个应力场，由于固溶原子应力场与位错应力场相互作用的结果，溶质原子具有向位借偏聚而形成一个原子气团的倾向。这时，位错的运动要么摆脱这种原子气团，要么施带着原子气团一起运动。摆脱原子气团需增加一部分外力以克服它与位错间的相互吸引，如果施带原子气团一齐运动，外力也需增加一个附加量。所以，当位错上有原子偏聚时，位错运动的难度提高，金属得到强化。六(1)D0=D e x p(Q/R T)=4 4 3 5.6 7 m2/s(2)固溶体类型、晶体结构类型、晶体缺陷、化学成分等。七、回复是通过位错运动造成材料中储能的减低。位错运动所实现的有2 个主要过程，这就是位错的相消与重排。2 个过程的实现，有赖于位错滑动，攀移和交滑移。回复的过程可归结为三种主要机制：A亚 晶 规 整 化 B多边化 C亚晶的合并一亚晶结构合并是相邻亚晶通过转动而重合的过程，亚晶合并的另一种机制可以通过低角度界面的迁移来进行，最小的亚晶消失，而较大的则生长，这类似于晶粒长大。八、%/1 0-2Ko=5.65/33=0.17 12 1界面处液相成分 G=C o/Ko=0.5%*33/0.65=2 5.38%由 T b=T m-n k C o/K。得 m 产（660-54 6）/2 5.38%=4 4 9.17特征距离=DL/R=3*10/5*10=0.6*10%由%Q 1 -如 叫CJ 幺R=1.8 1*10DL Ko R DL KO2009 年一、名词解释（每题5 分，共计30分）1、晶格2、s c h m i d 因子3、层错4、过冷度5、伪共析转变6、非均匀行核二、对于F C C 结构金属晶体（点阵常数是a）（2 0分）1、画出一个滑移面（4分）2、画出该面上的所有滑移方向（8 分;3、计算面间距（4分：4、计算面密度（4分）三、分析出硬化型合金能否在一定温度下淬火软化，为什么？什么合金易产生时效？泠变形对过饱和固溶体的时效影响。5 分）四、晶界对多晶体塑性变形的作用及原理。5 分）五、什么是强度？合金的强化方式有哪些（1。分）六、分析脱溶析出和调幅分解的主要区别（15分）七、三元共晶相图，分析。点 结 晶（只画了一个三角形，然后随便画了 一点（15分）八、T i-N i 相图，分析恒温转变类型。T i-30%N i 合金结晶路线，计算平衡相成分。（30分）2 009年 材料科学基础参考答案一、名词解释1,晶格：通过空间点阵的阵点作平行的直线或平面，形成网格，称为格子或晶格2.Schmid 因子：cos cos 入3.如果由于某种原因使密排面的堆垛次序遭到破坏，使整个一层密排面上的原子都发生了错排，这种缺陷称为层错。4.金属的实际开始凝固温度了 T“总是低于理论凝固温度了 这种现象称为过冷、二者之间的温度差AT=T0-T“称为过冷度。过冷度是金属凝固的必要条件。5.非共析成分的合金在非平衡结晶条件下得到的共析组织称伪共析。6.非均匀形核是在非均一的熔体中，以某种界面为依附衬底而形成晶核的过程。其特点是:依附已有界面形核，所需的驱动力较小。d=V3 a/3 P=2-/3/a2三、析出硬化型合金能在一定温度下发生淬火软化，因为在时效的初期，随时效时间增长，亚稳平衡析出粒子长大，材料强度会增高，时间进 步增长或温度提高，一旦亚稳析出相粒于转变为平衡析出相粒子后，粒子的共格应变就会消失，强化作用显著降低，材料强度降低，而且随时效时间的延长，平衡相粒子粗化，强度将进一步降低。过饱和固溶体合金易产生时效。泠变形使过饱和固溶体容易产生时效。四、多晶材料形变的基本过程与单晶相同，但复杂得多。其复杂性源自晶界以及邻接晶粒的限制作用。换言之，外加应力是通过周围晶粒传输到个别晶粒的，同时一个晶粒的形变必然涉及到各邻接晶粒的形变，多晶材料的强度显然应高于单晶。由此也可推断，细化晶粒必能提高材料的强度与硬度。施于任何给定晶粒的载荷对于每一可能的滑移系都可分解成切应力和正应力。当切应力超过材料的临界切应力时，就会造成位错的产生与运动从而产生材料的塑性变形。：材料变形时，正应力分量会造成每个晶粒都在转动，使运行中的滑移方向愈趋近拉力方向。多晶体金属的变形是各晶粒联合变形的总结果。多晶体金属变形涉及沿滑移面和沿晶界的两种运动，这就更增加了复杂性，因为在正常情况下滑移改变着晶界的方向。五、导致材料失效的最大应力。金属材料的大部分属于塑性材料，其塑性变形是靠位错的运动而发生的.因此，任何阻止位错运动的因素都可以成为提高金属材料强度的途径：固溶强化、形变强化、细晶强化、相变强化、弥散强化、复合强化。六、调幅分解与形核、长大脱溶方式的比较脱溶类型自由能成分曲线特点条 件形核特点界面特点扩散方式转变速率颗粒大小调幅分解凸自发涨落非形核宽泛上坡高数量多、颗粒小脱溶析出凹过冷度及临界形核功形核明晰下坡低颗粒大、数量少七例 5.2.5 分 析 图 5-3 中 区 合 金 的 结 晶 过 程 及 室 温 下 的 组 织 组 成 物。解 I 区：当液相冷却至液相线温度TL以 F,开始结晶出固溶体a 相：1.f%当冷却至固相线温度T s.结晶完毕.室温组织为单相a 固溶体.口区：在V T V TL的温度范围内，L f a,直至结晶完毕，当温度降至单析溶解度曲面a M a”以下，发生单析反应，a 相中将析出二次p 相 整 为 以 B 为基体的固溶体).室温组织为a+P iI 区：当TST V 7 L发生结晶L f a；当T V”结品完毕。当T 降至双析熔解及曲面温度abh。以下，发生双析反应a 相中同时 析 出 3和 Y,.。为 以 C 为基体的固溶体)、室温组织为 +3.-.N 区：当丁7 7,析出初晶L=八继续冷却至初晶a 结 晶 终 了 面 以 下,剩余 L 相发生两相共晶转变.f (a 4 8 。当温 度 降 至 固 相 面 温 度 结 晶 完 毕。继续冷却a.B 相中分别析出B,+兀 和 a,+P.室温组织为 M+(a+a,+3+V,.V 区：至发生两相共晶转变时，结晶过程 与 VI区的合金相同，冷却至三相共晶转变点TE时，剩余液相发生三相共晶转变L-(a+B+丫九，直至结晶完毕，继续冷却发生双共晶转变：2、4、5包晶转变：3共析转变：1Ti-30%Ni：L-L+Ti+NiTi,Ti(bcc)+NiTi2-Ti(hcp)+NiTi2Ti(hcp)%=(35-30)735=14.3%NiTi2%=30/35=85.7%