碩士研究生入學(xué)考試試題

1、西北工業(yè)大學(xué)2012 年碩士研究生入學(xué)考試試題試題名稱：材料科學(xué)基礎(chǔ)（A 卷）試題編號：832說明：所有答題一律寫在答題紙上第頁共頁簡答題（每題 10 分，共 50 分）1.請簡述滑移和孿生變形的特點？2.什么是上坡擴散？哪些情況下會發(fā)生上坡擴散？擴散的驅(qū)動力是什么？3.在室溫下，多數(shù)金屬材料的塑性比陶瓷材料好很多，為什么？純銅與純鐵這兩種金 屬材料哪個塑性好？說明原因。4.請總結(jié)并簡要回答二元合金平衡結(jié)晶過程中，單相區(qū)、雙相區(qū)和三相區(qū)中，相成分 的變化規(guī)律。5.合金產(chǎn)品在進行冷塑性變形時會發(fā)生強度、硬度升高的現(xiàn)象，為什么？如果合金需要進行較大的塑性變形才能完成變形成型，需要采用什么中間熱處理

2、的方法？而產(chǎn)品使用時又需要保持高的強度、硬度，又應(yīng)如何熱處理？作圖計算題（每題 15 分，共 60 分）1、 在 Fe-Fe3C 相圖中有幾種類型的滲碳體？分別描述這些滲碳體的形成條件，并繪制出平衡凝固條件下這些不同類型滲碳體的顯微組織形貌。2、 在兩個相互垂直的滑移面上各有一條刃型位錯AB、XY，如圖所示。假設(shè)以下兩種情況中，位錯線 XY 在切應(yīng)力作用下發(fā)生運動，運動方向如圖中v 所示，試問交割后兩位錯線的形狀有何變化（畫圖表示）？在以下兩種情況下分別會在每個位錯上形成割階還是扭折？新形成的割階或扭折屬于什么類型的位錯？3、已知 H 原子半徑 r 為 0.0406nm,純鋁是 fee 晶體，

3、其原子半徑 R 為 0.143nm，請問 H原子溶入 Al 時處于何種間隙位置？4、 柱狀試樣，當(dāng)固溶體合金（k0 1）從左向右定向凝固。凝固過程中假設(shè)，凝固速度快，固相不擴散、液相基本不混合，a/L （固/液）界面前沿液體中的實際溫度梯度為正溫度梯度。由于a/L 界面前沿液體存在成分過冷區(qū)，晶體易以樹枝狀結(jié)晶生長。當(dāng)合金從左 向右定向凝固，達到穩(wěn)態(tài)凝固區(qū)時，請分析并畫出：k0 1 相圖；a/L 界面處固體、 液體的溶質(zhì)濃度分布圖；液體中成分過冷區(qū)圖綜合分析題（共 40 分）1、 試用位錯理論解釋低碳鋼的應(yīng)變時效現(xiàn)象。2、 如圖所示，在立方單晶體中有一個位錯環(huán)ABCDA，其柏氏矢量 b 平行于

4、 z 軸1）指出各段位錯線是什么類型的位錯。2）各段位錯線在外應(yīng)力T乍用下將如何運動？請繪圖表示西北工業(yè)大學(xué)2012 年碩士研究生入學(xué)考試試題答案試題名稱：材料科學(xué)基礎(chǔ) 試題編號：832說明：所有答題一律寫在答題紙上第頁共頁四、簡答題（每題 10 分，共 50 分）6.請簡述滑移和孿生變形的特點？答：滑移變形特點：1)平移滑動：相對滑動的兩部分位向關(guān)系不變2)滑移線與應(yīng)力軸呈一定角度3)滑移不均勻性：滑移集中在某些晶面上4)滑移線先于滑移帶出現(xiàn)：由滑移線構(gòu)成滑移帶5)特定晶面，特定晶向?qū)\生變形特點：1) 部分晶體發(fā)生均勻切變2) 變形與未變形部分呈鏡面對稱關(guān)系，晶體位向發(fā)生變化3) 臨界切分應(yīng)

5、力大4) 孿生對塑變貢獻小于滑移5) 產(chǎn)生表面浮凸7. 什么是上坡擴散？哪些情況下會發(fā)生上坡擴散？答：由低濃度處向高濃度處擴散的現(xiàn)象稱為上坡擴散。應(yīng)力場作用、電場磁 場作用、晶界內(nèi)吸附作用和調(diào)幅分解反應(yīng)等情況下可能發(fā)生上坡擴散。 擴 散驅(qū)動力來自自由能下降，即化學(xué)位降低。8. 在室溫下，一般情況金屬材料的塑性比陶瓷材料好很多，為什么？純銅 與純鐵這兩種金屬材料哪個塑性好？說明原因。答：金屬材料的塑性比陶瓷材料好很多的原因：從鍵合角度考慮，金屬材料 主要是金屬鍵合，無方向性，塑性好；陶瓷材料主要是離子鍵、共價鍵， 共價鍵有方向性，塑性差。離子鍵產(chǎn)生的靜電作用力，限制了滑移進行， 不利于變形。銅為

6、面心立方結(jié)構(gòu)，鐵為體心立方結(jié)構(gòu)，兩者滑移系均為 12 個，但 面心立方的滑移系分布取向較體心立方勻衡， 容易滿足臨界分切應(yīng)力。 且 面心立方滑移面的原子堆積密度比較大， 因此滑移阻力較小。 因而銅的塑 性好于鐵。9. 請總結(jié)并簡要回答二元合金平衡結(jié)晶過程中，單相區(qū)、雙相區(qū)和三相區(qū) 中，相成分的變化規(guī)律。答：單相區(qū)：相成分為合金平均成分，不隨溫度變化； 雙相區(qū)：兩相成分分別位于該相區(qū)的邊界，并隨溫度沿相區(qū)邊界變化； 三相區(qū)：三相具有確定成分，不隨結(jié)晶過程變化。10. 合金產(chǎn)品在進行冷塑性變形時會發(fā)生強度、硬度升高的現(xiàn)象，為什么？ 如果合金需要進行較大的塑性變形才能完成變形成型，需要采用什么中間熱

7、處理的方法？而產(chǎn)品使用時又需要保持高的強度、硬度，又應(yīng)如何 熱處理？答：合金進行冷塑性變形時，位錯大量増殖，位錯運動發(fā)生交割、纏結(jié)等， 使得位錯運動受阻， 同時溶質(zhì)原子、 各類界面與位錯的交互作用也阻礙位 錯的運動。因此發(fā)生應(yīng)變硬化，使強度、硬度升高。 較大的塑性變形產(chǎn)生加工硬化（應(yīng)變硬化） ，如果需要繼續(xù)變形就要 進行中間熱處理，即再結(jié)晶退火，使塑性恢復(fù)到變形前的狀態(tài)，零件可繼 續(xù)進行塑性變形。 如果產(chǎn)品需要保持高的強度、硬度，可在最終熱處理時采用去應(yīng)力退 火，去除殘余應(yīng)力，保持零件較高的強度、硬度。五、作圖計算題（每題 15 分，共 60 分）1、 在 Fe-Fe3C 相圖中有幾種類型的滲

8、碳體？分別描述這些滲碳體的形成條 件，并繪制出平衡凝固條件下這些不同類型滲碳體的顯微組織形貌。答： 滲碳體包括：初生（一次）滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體、共晶滲碳 體、共析滲碳體，共五種。（1）初生（一次）滲碳體：含碳量大于 4.3%的 Fe-C 合金在平衡凝固時 從液相結(jié)晶出來的滲碳體，形貌為板條狀。（2）二次滲碳體： 含碳量 0.772.11%的 Fe-C 合金， 在 1148C冷卻到 727E過程中，從丫相中脫溶的滲碳體。（3）三次滲碳體：含碳量小于 0.0218%時，低于 727E，從a相脫溶析出 的滲碳體。（4）共晶滲碳體： 含碳量 2.116.69%的 Fe-C 合金， 在 11

9、48C發(fā)生共晶 反應(yīng)時形成的滲碳體。（5） 共析滲碳體：含碳量 0.02186.69%的 Fe-C 合金，在 727E發(fā)生共 析反應(yīng)時生成的滲碳體。各滲碳體形貌見教材相關(guān)部分。2、在兩個相互垂直的滑移面上各有一條刃型位錯 AB、XY ，如圖所示。假 設(shè)以下兩種情況中，位錯線 XY 在切應(yīng)力作用下發(fā)生運動，運動方向如 圖中 v 所示，試問交割后兩位錯線的形狀有何變化（畫圖表示）？在以 下兩種情況下分別會在每個位錯上形成割階還是扭折？新形成的割階或 扭折屬于什么類型的位錯？b 圖：1AB 位錯線上出現(xiàn) PP 平行于 b2,寬度為|bi|2PP 的柏氏矢量仍為 b23PP / b2為螺型位錯4PP

10、在原滑移面上，為扭折5XY 位錯線上出現(xiàn) QQ 平行于 bi,寬度為|b2|6QQ 的柏氏矢量仍為 bi1XY 向下運動與 AB 交割，產(chǎn)生 PP 小臺階，寬度為|bi|2PP 的柏氏矢量仍為 b23PP 丄 b2為刃型位錯4PP 不在原滑移面上，為割階5XY 平行于 b2，不形成臺階7QQ / bi為螺型位錯8QQ 在原滑移面上，為扭折3、已知 H 原子半徑 r 為 0.0406nm,純鋁是 fee 晶體，其原子半徑 R 為 0.143nm, 請問 H 原子溶入 Al 時處于何種間隙位置？答：fee 晶體的八面體間隙L 0 414，四面體間隙丄0225。RR根據(jù)題意知 丄0.04060 28

11、4，因此 H 原子應(yīng)處于八面體間隙。RAI0.1434、柱狀試樣，當(dāng)固溶體合金（k0 1）從左向右定向凝固，凝固過程中假設(shè)，凝固速度快，固相不擴散、液相基本不混合，a/L （固/液）界面前沿液體中的實際溫度梯度為正溫度梯度。由于a/L 界面前沿液體存在成分過冷區(qū)，晶 體易以樹枝狀結(jié)晶生長。當(dāng)合金從左向右定向凝固，達到穩(wěn)態(tài)凝固區(qū)時， 請分析并畫出：k0 1 相圖；a/L 界面處固體、液體的溶質(zhì)濃度分布 圖；液體中成分過冷區(qū)圖。答：柱狀試樣從左向右定向凝固，在固相不擴散、液相基本不混合、k0 1的條件下，在凝固達到穩(wěn)態(tài)凝固區(qū)時，a/L 界面前沿液體溶質(zhì)濃度分布 CL如圖 a 所示。由于a/L 界面

12、前沿液體中溶質(zhì)濃度從左向右逐漸升高（與k0V1 情況不同），成分與相圖對應(yīng)如圖 b。a/L 界面前沿液體中從左向右熔點逐 漸升高（與 k0 1 情況相同）構(gòu)成 TL曲線，加之界面前沿液體中的實際溫度 梯度為正溫度梯度 Tn,即形成了由 TL、TN兩曲線組成的成分過冷區(qū)見圖 c， 在凝固過程中晶體易以樹枝狀結(jié)晶生長。六、綜合分析題（共 40 分）1、試用位錯理論解釋低碳鋼的應(yīng)變時效現(xiàn)象。答：將退火低碳鋼進行少量塑性變形后卸載，然后立即加載，屈服現(xiàn)象不再 出現(xiàn)。如果卸載后在室溫下放置較長時間或加熱到一定溫度保溫，屈服現(xiàn)象再次出現(xiàn)，而且低碳鋼的強度及硬度升高，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變時效或機 械時效。幾界面機理：柯垂?fàn)柪碚撜J為，卸載后立即重新加載，位錯已經(jīng)脫釘，因此不再出 現(xiàn)屈服現(xiàn)象。放置或加熱后再加載，位錯被重新定扎，因此會再次出現(xiàn)屈 服現(xiàn)象。位錯増殖理論認為，卸載后立即重新加載，位錯已經(jīng)増殖，因此不再 出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。放置或加熱后再加載，發(fā)生了回復(fù)，位錯發(fā)生重排和抵消, 因此會再次出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。兩種理論均有實驗依據(jù)，目前一般同時采用兩理