中南大學(xué)碩士材料科學(xué)基礎(chǔ)真題2009年

試卷十二2009年攻讀碩士學(xué)位研究生入學(xué)考試試題考試科目：材料科學(xué)基礎(chǔ)適用專業(yè)：材料學(xué)、材料加工一、 已知鋁的空位形成能為0.76eV/空位，25°C時鋁的點(diǎn)陣常數(shù)為0.405nm。計算25C時鋁的空位濃度（空位/cm3）。鋁在什么溫度下空位濃度是25C時的1000倍？二、 根據(jù)Fe-FeC相圖，分析含碳量w=1.2%的鐵碳合金從液態(tài)平衡冷卻至3C室溫的轉(zhuǎn)變過程，并分別計算室溫下的相組成物及組織組成物的相對量（滲碳體含碳量為6.67%）；如果要使顯微組織中滲碳體與珠光體各占一半，那么該合金的含碳量是多少？三、 為什么多元合金凝固時會出現(xiàn)成分過冷？成分過冷對合金的凝固組織有什么影響？四、 什么是變質(zhì)劑？試簡述添加變質(zhì)劑細(xì)化晶粒的基本原理。五、 結(jié)合影響金屬材料強(qiáng)度的因素，總結(jié)位錯理論在材料科學(xué)中的應(yīng)用。六、 簡述冷變形后金屬回復(fù)及再結(jié)晶退火對材料組織和性能變化的規(guī)律，說明哪些地方可能是再結(jié)晶優(yōu)先形核的地點(diǎn)，指出再結(jié)晶、結(jié)晶、固態(tài)相變之間的主要區(qū)別。七、 解答下列擴(kuò)散問題。簡述影響擴(kuò)散系數(shù)的主要因素。2?試?yán)脠D12-1所示Fe-O相圖分析純鐵在1000C氧化時氧化層內(nèi)的組標(biāo)準(zhǔn)答案1.設(shè)鋁的點(diǎn)陣常數(shù)為a=0.405nm,由題可知單位晶體體積內(nèi)單胞數(shù)為，由于鋁為FCC結(jié)構(gòu)，每個單胞內(nèi)的原子個數(shù)為4,可知單位體積內(nèi)結(jié)點(diǎn)個數(shù)為NI?？瘴粷舛葹?12-1)廠單位體積內(nèi)空爸?jǐn)?shù).5)丿-翳(12-1)5=單位體積內(nèi)結(jié)點(diǎn)數(shù)(巧皿式中，A為材料常數(shù)，通常取A=1；空位形成能Q=0.76eV，而VleV=1.602X10-i9j；R=8.31J/mol?K，為氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。在25°C時，T=(273+25)K=298K，代入式(12-1)得到此溫度下的鋁中的空位濃度n=8.34X109空位/cm3。由空位濃度計算公式(12-1)，不同溫度下空位濃度與溫度有關(guān)，5辱魯1E一ftKJ.口tkl|二 ?CT~亠■_1000T=298K，I?待求，而依題意有 ，代入各數(shù)據(jù)計算可得T=115.7C。2二、 由Fe-FeC相圖可知，w=1.2%的鐵碳合金在冷卻過程中先凝固成奧氏3C體，當(dāng)溫度達(dá)到A線后，開始析出滲碳體，隨滲碳體的析出，奧氏體中的含碳cm量降低，當(dāng)溫度達(dá)到738C時，奧氏體的含碳量變?yōu)?.68%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變成珠光體。所以最后相組成物為18%滲碳體+82%鐵素體，組織組成為13%的滲碳體+87%珠光體。如果要使顯微組織中滲碳體與珠光體各占一半，那么由杠桿定律計算得到該合金的含碳量為3.675%。三、 多元合金凝固過程中熔點(diǎn)高的元素先凝固，如果合金攪拌不夠充分，將會使低熔點(diǎn)的元素富集在凝固界面前沿，降低凝固界面前沿液相的實(shí)際凝固溫度，這時即使是正的溫度梯度，凝固界面前沿也可能出現(xiàn)過冷度隨離開界面距離增加而增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為成分過冷現(xiàn)象。成分過冷現(xiàn)象的出現(xiàn)將使多元合金即使在正的溫度梯度下也可能出現(xiàn)胞狀組織或枝晶組織。四、 通過少量添加能改變合金鑄造組織相組成、相形貌或晶粒度從而改變鑄造合金性能的物質(zhì)稱為變質(zhì)劑。變質(zhì)劑細(xì)化晶粒的基本原理是變質(zhì)劑本身或變質(zhì)劑與合金中元素反應(yīng)能夠形成構(gòu)成合金析出晶核的彌散相，該彌散相與合金凝固相能形成界面能很低的共格界面，合金在該彌散相上非均勻形核從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。五、 固溶強(qiáng)化的可能位錯機(jī)制主要是溶質(zhì)原子氣團(tuán)對位錯的釘扎，增加了位錯滑移阻力。如溶質(zhì)原子與位錯彈性交互作用的柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)和斯諾克氣團(tuán)，溶質(zhì)原子與擴(kuò)展位錯交互作用的鈴木氣團(tuán)，使層錯寬度增加，位錯難于束集，交滑移困難；溶質(zhì)原子形成的偏聚和短程有序，位錯運(yùn)動通過時破壞了偏聚和短程有序使得能量升高，增加位錯的阻力；溶質(zhì)原子與位錯的靜電交互作用對位錯滑移產(chǎn)生的阻力使材料強(qiáng)度升高。彌散強(qiáng)化也是通過阻礙位錯運(yùn)動強(qiáng)化材料，如位錯繞過較硬、與基體非共格第二相的Orowan機(jī)制和切割較軟、與基體共格的第二相粒子的切割機(jī)制。產(chǎn)生加工硬化的各種可能機(jī)制有滑移面上平行位錯間交互作用的平行位錯硬化理論，以及滑移面上的位錯與其他滑移面上的位錯林切割產(chǎn)生割階的林位錯強(qiáng)化理論。晶界強(qiáng)化，按照霍爾-佩奇公式，其實(shí)質(zhì)是位錯越過晶界需要附加應(yīng)力。有序強(qiáng)化，有序合金中的位錯是超位錯，要使金屬發(fā)生塑性變形就需要使超位錯的兩個分位錯同時運(yùn)動，因而需要更大的外應(yīng)力。異類元素原子間的結(jié)合力大于同類元素原子間的結(jié)合力，所以異類原子的有序排列賦予有序合金較高的強(qiáng)度。六、隨退火溫度的升高或退火時間的延長，形變組織中的位錯纏結(jié)演變?yōu)閬喚?，亞晶進(jìn)行合并長大；在形變不均勻區(qū)內(nèi)發(fā)生再結(jié)晶形核及長大，等軸晶取代形變長條晶粒；隨后是晶粒正常長大。在性能上，強(qiáng)度、硬度下降，電阻下降；塑性、韌性提高。這些過程在再結(jié)晶階段比回復(fù)階段更顯著。優(yōu)先形核地點(diǎn)為：原始晶界、形變時形成的新大角晶界處或通過亞晶長大而逐步形成的大角晶界、第二相粒子附近等。再結(jié)晶只是一種組織變化，沒有結(jié)構(gòu)變化，驅(qū)動力是形變儲能；結(jié)晶是非晶態(tài)的液相、氣相或固態(tài)非晶體中形成晶體的過程；固態(tài)相變是固/固相的結(jié)構(gòu)變化。后兩者的驅(qū)動力都是化學(xué)自由能差。七、1?影響擴(kuò)散的因素：①溫度的影響。溫度越高，擴(kuò)散越快。②晶體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)構(gòu)不同，擴(kuò)散系數(shù)不同。③固溶體類型對擴(kuò)散的影響。不同的固溶體，原子的擴(kuò)散和機(jī)制不同。④固溶體濃度對擴(kuò)散的影響。濃度越大，擴(kuò)散越容易。⑤晶體缺陷的影響。晶界、位錯、空位都會對擴(kuò)散產(chǎn)生影響。⑥化學(xué)成分對擴(kuò)散的影響。加入化學(xué)元素對擴(kuò)散會產(chǎn)生阻礙。2?根據(jù)Fe-