2006-2007學(xué)年第一學(xué)期材料科學(xué)基礎(chǔ)1試題及答案

1、西 安 交 通 大 學(xué) 測 試 題課程材料科學(xué)基礎(chǔ)1 學(xué)院材 料 科 學(xué) 和 工 程考試日期2007 年 01 月 17 日專業(yè)班號(hào)材料 41、42、43、材料（碩）41 姓名學(xué)號(hào)期中期末一、填空題（每空1分，共 20分）1.對金剛石、金屬銅和橡膠而言，金剛石為（1）鍵，結(jié)合鍵（2）故其彈性模量（ 3）；金屬銅為（ 4）鍵，結(jié)合鍵（5）故其彈性模量（6）；橡膠中分子鏈上是（7）鍵，分子鏈之間是（8）鍵，故其彈性模量（9）。2.液態(tài)金屬結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力是 (10) ；多晶體金屬中晶粒長大的驅(qū)動(dòng)力是(11) ；合金中原子擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是 (12) 。3.對于刃型位錯(cuò)線，其柏氏矢量（13）于位錯(cuò)線，其滑移

2、運(yùn)動(dòng)方向（ 14）于柏氏矢量，其攀移運(yùn)動(dòng)方向（15）于柏氏矢量；對于螺型位錯(cuò)線，其柏氏矢量(16) 于位錯(cuò)線， 其滑移運(yùn)動(dòng)方向（17）于柏氏矢量， 其交滑移運(yùn)動(dòng)方向（ 18）于柏氏矢量；對于混合型位錯(cuò)線，其柏氏矢量（19）于位錯(cuò)線，其滑移運(yùn)動(dòng)方向（20）于位錯(cuò)線。二、判斷題（每小題1 分，共 10 分）1.密排六方結(jié)構(gòu)的晶體屬于密排六方點(diǎn)陣。2.空位的存在，總是使晶體的自由能降低。3.位錯(cuò)的存在，總是使晶體的自由能升高。4.晶體中可以形成純?nèi)行臀诲e(cuò)環(huán)，也可以形成純螺型位錯(cuò)環(huán)。5.螺型位錯(cuò)線只能進(jìn)行滑移運(yùn)動(dòng)，不能進(jìn)行攀移運(yùn)動(dòng)。6.位錯(cuò)線在其滑移面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的方向和其所引起的晶體滑移的方向相同。7.合

3、金中多相平衡的條件是各組元在各相中的化學(xué)位相等。8.一個(gè)二元合金相圖中，液相線和固相線距離越大的合金，其結(jié)晶時(shí)的流動(dòng)性越差。成績第 1 頁9.在三元相圖的垂直截面圖中，不能利用重心法則求三個(gè)平衡相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。10. 在固相不擴(kuò)散、液相完全混合的條件下，固溶體凝固中不可能出現(xiàn)成分過冷。三、識(shí)圖題（共18 分）1. (4分) 寫出所示立方晶胞中abcda 晶面及 ac晶向的密勒指數(shù)。2. (5 分) 寫出所示六方晶胞中mnpqm 晶面、 mn 晶向、 np晶向、 pq 晶向、 qm 晶向的密勒 - 布拉菲指數(shù)。3. ( 9分 ) fe-c-mn 三元合金的液相面投影圖如下圖所示。(1) （3 分）

4、 寫出圖中o合金的成分、熔點(diǎn)及結(jié)晶時(shí)的初生晶；(2) （6 分） 寫出圖中a 點(diǎn)、 b 點(diǎn)和 c 點(diǎn)成分的液相參和的四相平衡反應(yīng)名稱及反應(yīng)式。第 2 頁a b c o x z o y a b d c q o a1 a2 a3 c p n m 西 安 交 通 大 學(xué) 測 試 題四、證明題（8 分）假設(shè)純金屬熔液按均勻形核方式形核，晶核形狀為立方體。試證明：臨界形核功g等于臨界晶核表面能的三分之一，即sag31式中， a 為臨界晶核表面積，s為晶核的比表面能。五、計(jì)算題（共24 分）1. （8 分） a-b 二元合金相圖如圖4 所示。在固相不擴(kuò)散、液相完全混合條件下，水平放置的b質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%bw

5、的 a-b 二元合金熔液從一端定向凝固成長為l 的橫截面均勻的合金棒。(1)（4分） 計(jì)算棒中單相固溶體段占棒長的分?jǐn)?shù)；(2) （4分） 計(jì)算合金棒中單相固溶體段的平均b含量bw。第 3 頁aa b 圖5第五題第 2題圖圖 4第五題第1 題圖(%)bwt l a 30 20 b 60 2. （8 分） w-cr-ni 三元合金800等溫截面圖示于圖5。（1） （ 4 分）寫出圖中a合金在該溫度時(shí)的相組成物，在圖中標(biāo)出各組成相的成分點(diǎn)，并計(jì)算各相的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（用字母列式表示即可）；（2） （4 分）寫出圖中b合金在該溫度時(shí)的相組成物，在圖中標(biāo)出各組成相的成分點(diǎn)，并計(jì)算各相的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（用字母列式

6、表示即可）。3. （8 分） 立方形晶體中的位錯(cuò)環(huán)abcda 如圖 2 所示。 ab段和 cd段平行于z 軸， ad段和 bc段平行于x軸，位錯(cuò)環(huán)的柏氏矢量b 平行于 y 軸，dad。刃位錯(cuò)的應(yīng)力場e公式如下：（ 1）(4 分) ab 段對 cd段單位長度的作用力是多大，在什么方向？（ 2） (4分)在外應(yīng)力xy作用下，單位長度各段位錯(cuò)所受的力是多大，在什么方向？六、綜合題（共20 分）針對碳鋼回答下列問題：1. （ 5 分） 已知 727時(shí)，碳在奧氏體中的溶解度為0.77%cw，而在鐵素體中的極限溶解度僅為0.0218%cw。請解釋二者差別如此明顯的原因。第 4 頁2222222222222

7、2222222(3)()02 (1) ()2 (1) ()()()02 (1) ()2 (1) ()00()exxyygbyxygbx xyxyxygbx xygby xyxyxy圖6第五題第 3題圖abcdxyzxyxyb2. （5 分） 已知低碳鋼常在920左右進(jìn)行氣體滲碳。請解釋選擇這一溫度的原因。3. （5 分） 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%cw的低碳鋼工件在920進(jìn)行表面氣體滲碳，工件表面碳濃度始終保持為1.0%cw，并將工件中碳濃度為0.4%cw處至表面的距離x定義為滲碳層深度。已知滲碳1 小時(shí)后，滲碳層深度為0.12mm ，若要求滲碳層深度達(dá)到 0.48 mm，則共需滲碳多長時(shí)間。4. （

8、 5 分） 示意畫出平衡態(tài)碳鋼的強(qiáng)度隨鋼含碳量的變化曲線，并從成分組織性能的角度定性解釋。第 5 頁西安交通大學(xué)本科生課程測試試題標(biāo)準(zhǔn)答案和評分標(biāo)準(zhǔn)課程名稱：材料科學(xué)基礎(chǔ)1 課時(shí)：64 測試時(shí)間： 2007 年 1 月 17 日一、填空題（每空1 分，共 20 分）1. （1）共價(jià)；（2）最強(qiáng)；（3）最高；（4）金屬；（5）較弱；（6）較低；（7）共價(jià)；（ 8）二次；（9）最低；2. （10）體積自由能的降低； （11）總晶界能的降低； （12）化學(xué)位的降低；3. （13）垂直；（14）平行；（15）垂直；（ 16）平行；（17）垂直；（18）垂直；（19）既不垂直也不平行； （20）垂直。二

9、、判斷題（每小題1 分，共 10 分）1. 錯(cuò)誤； 2. 錯(cuò)誤； 3. 正確； 4. 錯(cuò)誤； 5. 正確； 6. 錯(cuò)誤； 7. 正確； 8. 正確； 9. 正確；10. 正確。三、識(shí)圖題（共18 分）1. (4分) abcda 晶面： （ 101） ；（2 分）ac晶向：111（2 分）2. (5 分) mnpqm 晶面：(1011)；（1 分）mn晶向：2113；（1 分）np晶向：1210；（1 分）pq 晶向：1123；（1 分）qm 晶向：1210。（1 分）3. ( 9分)（1）（ 3 分）o合金的成分為：wfe=85.8%，wmn=13.0%，wc=1.2%；（1 分）熔點(diǎn)為： 1

10、425；（1 分）初生晶為：（ fe）（1 分）第 1 頁（ 2）（ 6 分）a 點(diǎn)：包晶反應(yīng)， l+ m7c3+(c) m5c2（2 分）b 點(diǎn)：包共晶反應(yīng)，l+ m5c2m3c +(c) （2 分）c 點(diǎn)：包共晶反應(yīng)，l+ m3c+ （ mn ）（2 分）四、證明題（8 分）證明：設(shè)立方體晶核的邊長為a，液體和固體間的體積自由能為vg，液體和晶核間的比界面能為s， 晶核表面積為a ， 晶核體積為v， 則形核時(shí)的自由能變化g為svagvg?svaga236（ 2分）令0)(dagd，解得臨界晶核邊長a 為vsga4（2 分）則臨界形核功g為svsvvsgggg2346423)(32vsg（1

11、 分）臨界表面形核能sasa2)(6svsg24623)(96vsg（1 分）第 2 頁而31)(96)(322323vsvssggag（1 分）故sag31（1 分）五、計(jì)算題（共24 分）1. （8 分）(1)（4 分）根據(jù)公式10001)(kslzkczc（2 分）式中，30sc，020c，0301602k則89zl（2 分）(2)（4 分）令2.06.09198bw（2 分）則%15bw（2 分）2. （8 分）作輔助線如圖所示。第 3 頁d a b c e f o aa b 第五題第 2題解答圖（ 1）（4 分） 相組成物： (ni)+ 1（1 分）相組成物的成分點(diǎn)：(ni) 的成分

12、為圖中a 點(diǎn)（1 分）1的成分為圖中 b 點(diǎn)（1 分）各相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：%100)(ababwni，%1001abaaw（1 分）（ 2）（ 4 分） 相組成物： ni4w+ 1+2；（1 分）相組成物的成分點(diǎn)：ni4w的成分為圖中d 點(diǎn)，1的成分為圖中 e 點(diǎn)，2的成分為圖中 c 點(diǎn)；（1 分）各相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：%10101febfw（1 分）%1004cdfcfebewwni（0.5 分）%1002cdfdfebew（0.5 分）3. （8 分）（1）（4 分）dgbf)1(22（3 分）x方向；（1 分）（2）（4 分）ab段：bfxy，y方向；（1 分）cd段：bfxy， y方向；（1 分

13、）ad段和 bc段無作用力。（2 分）六、綜合題（共20 分）1. （5 分） 奧氏體為面心立方結(jié)構(gòu)，碳原子位于其八面體間隙中；鐵素體為體心立方結(jié)構(gòu)，碳原子也位于其八面體間隙中。面心立方的八面體間隙半徑和鐵原子半徑之比（0.414 ）大于體心立方的八面體間隙半徑和鐵原子半徑之比（0.155 ），而碳原子半徑大于間隙半徑，一個(gè)碳原子固溶于奧氏體中所引起的晶體能量增高遠(yuǎn)小于固溶于鐵素體中所引起的晶體能量增高。第 4 頁2. （5 分） 影響擴(kuò)散的主要因素為溫度和擴(kuò)散組元的濃度梯度。920左右滲碳時(shí)，碳在奧氏體（面心立方結(jié)構(gòu)）中擴(kuò)散，過高的溫度會(huì)引起奧氏體晶粒粗大；但溫度過低，碳將在鐵素體（體心立方結(jié)構(gòu)）中擴(kuò)散，碳在鐵素體中的極限溶解度比在奧氏體中小得多，因而濃度梯度也小得多。3. （5 分）根據(jù)dtx2，當(dāng)恒定時(shí)，x和t 成正比，（3 分）x變?yōu)?4 倍，則 t 變?yōu)?16 倍，故共需16 小時(shí)。（2 分）4. （5 分） 如圖所示，強(qiáng)度隨碳含量增加先增高后下降，在碳含量約1.0%時(shí)為強(qiáng)度極大值。（2 分）強(qiáng)度的這種變化和平衡態(tài)碳鋼中的組織隨碳含量變化有關(guān)：當(dāng)碳含量小于0.77%時(shí)，鋼中的組織為鐵素體+珠光體， 且珠光體的分?jǐn)?shù)隨碳含量增高而增大，而珠光體在鋼中起強(qiáng)化作用，故強(qiáng)度