-年年湖南大学材料科学基础真题汇总

2004年材料科学基础真题 名词解释1.电子化合物：由第一族或过渡族元素与第二至第四元素构成的化合物，它们不遵守化合价规律，但满足一定的电子浓度，虽然电子化合物可用化学式表示，但实际成分可在一定的范围变动，可溶解一定量的固溶体。2.成分过冷：固溶体合金凝固时，由于液相中溶质的分布发生变化，合金熔点也发生变化，即使实际温度分布不变，固液界面前沿的过冷度也会发生变化。所以固溶体合金的过冷度时由变化着的合金的熔点与实际温度分布两个方面的因素共同决定的。这种因液相成分变化而形成的过冷称为成分过冷。3.莱氏体：高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变所形成的奥氏体和碳化物(或渗碳体)所组成的共晶体。莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量为ωc＝4.3％。当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示。在低于727℃时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示，称为变态莱氏体。因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳体，所以硬度高，塑性很差。4.吕德斯带：指退火的低碳钢薄板在冲压加工时，由于局部的突然屈服产生不均匀变形，而在钢板表面产生条带状皱褶的一种现象。在拉伸时，试样表面出现的与拉伸轴呈40°角的粗糙不平的皱纹称为吕德斯带。5.本质晶粒度：表示钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性。6.弥散强化：第二相微细颗粒通过粉末冶金法加入而起到强化作用。7.多边形化：经过冷塑性形变的金属或者合金在回复时形成小角度亚晶界和较完整的亚晶粒的过程。8.共格晶面：所谓共格晶界，是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，即两相的晶格是彼此衔接的界面上的原子为两者共有。二、简答题1.简述纯金属枝晶的形成条件和长大过程。何谓一次二次三次渗碳体？显微镜下它们的形态有何特点。什么叫择优取向？什么叫形变枝构？它们有什么实际意义？何谓全位错？单位位错？不全位错？并指出典型金属晶体中单位位错的柏氏矢量。何谓临界分切应力定律？与哪些因素有关？三、论述题1.一个相图题2.何谓再结晶温度？生产中如何定义的？影响因素？贝氏体转变与珠光体转变异同。4.简述固相变与液相变（凝固）形核与晶核长大规律的异同点。答：凝固时形核的驱动力，是新、旧化学位差，再结晶驱动力只是形变储存能。凝固常是均匀形核；再结晶形核在现有的形变不均匀区，如晶界附近、切变带、形变带、第二相粒子周围。凝固长大时与母相不会有取向关系，再结晶长大时可有特定取向关系。凝固晶体成长机理：连续式生长、二维形核及借助台阶侧向生长、借螺旋位错生长。再结晶核心产生方式：=1\*GB3①原有晶界推移成核，也称应变诱导晶界迁移式形核；=2\*GB3②亚晶成核，即通过亚晶合并或长大形成新晶粒。2005年材料科学基础真题第一部分（第一题10分，第二题20分）1.对面心立方结构的晶体（点阵常数为a）(1)计算单位晶胞的致密度；在[100]、[110]、[111]晶向中，哪个晶向为原子最密排方向？在(100)、(110)和(111)晶面中，哪个晶面为面间距最大的晶面？2.根据A-B二元相图（如图所示）写出图中的液相线、固相线、α和β相的溶解度线及三相恒温转变线；计算A-50B（wt%）合金在200℃下液相和α相的相对量；说明上述合金的结晶过程并画出室温平衡组织示意图。第二部分单选题（本题共8小题，每题一分，共8分）1.强化金属材料的各种手段，考虑的出发点都在于（）。=1\*GB3①制造无缺陷的晶体或设置位错运动的障碍=2\*GB3②使位错增殖=3\*GB3③使位错适当地减少2.金属凝固形成临界晶核时体积自由能的减少只能补偿新增表面的（)。=1\*GB3①1/3=2\*GB3②2/3=3\*GB3③3/43.下列界面中界面能最低的是（）。=1\*GB3①小角度晶界=2\*GB3②共格孪晶界=3\*GB3③共格晶界4.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随（）变化。=1\*GB3①距离=2\*GB3②时间=3\*GB3③温度5.原子扩散的驱动力是（）。=1\*GB3①组元的化学位梯度=2\*GB3②组元的浓度梯度=3\*GB3③组元的温度梯度6.二次再结晶是（）。=1\*GB3①相变过程=2\*GB3②形核长大过程=3\*GB3③某些晶粒特别长大的现象7.弥散分布的细小第二相粒子的存在可增加材料的强度，其强化效果取决于（）。=1\*GB3①第二相粒子的尺寸和体积分数=2\*GB3②溶质原子的化合价=3\*GB3③第二相粒子的粘弹性变形率8.根据三元相图的垂直截面图，（）。=1\*GB3①可以分析相成分的变化规律=2\*GB3②可以分析合金的平衡凝固过程=3\*GB3③可以用杠杆定律计算各相的相对量名词解释（每题4分，共24分）1.柯垂尔气团：溶质原子在刃型位错周围的聚集现象，这种气团可以阻碍位错运动，产生固溶强化效应等结果。2.过冷度：在较快的冷却速度下，金属材料冷到其熔点温度时并不立即凝固，而是要冷到更低的温度时才开始凝固。这时，实际凝固温度与熔点温度的差值就称之为过冷度。3.形变织构：经过塑性变形后原来多晶体中位向不同的晶粒变成取向基本一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构为织构，若织构是塑性变形中产生的，称为形变织构。4.加工硬化：在冷变形时，随着变形程度的增加，金属材料的所有强度指标和硬度都有所提高，但塑性和韧性有所下降的现象。5.割阶与扭折：不同滑移面上运动的位错在运动中相遇会发生位错的交割。位错交割时会发生相互作用。若由此形成的曲折线段就在位错的滑移面上，称为扭折；若该曲折线段垂直于位错的滑移面是，称为割阶。扭折和割阶也可由位错的交割而形成。6.合金相：当一种(或多种)元素加入到金属中组成合金时，随着各组元相对含量、晶体结构类型、电化学性质、原子相对尺寸、电子浓度和合金的温度等因素的不同，可以得到不同的结构或原子排列方式。这些不同结构和不同原子排列方式的相统称为合金相。简答题（每题8分，共48分）影响置换固溶体溶解度的因素怎样得到树枝晶说明共晶成分的铝硅合金在快冷（获得突然增大的过冷度）条件下得到亚共晶组织的原因。何谓一次二次三次渗碳体？显微镜下它们的形态有何特点。5.比较刃型与螺型位错异同。答：刃型位错和螺型位错的异同点：=1\*GB3①刃型位错位错线垂直于柏氏矢量，螺型位错位错线平行于柏氏矢量；=2\*GB3②刃型位错柏氏矢量平行于滑移运动方向，螺型位错柏氏矢量垂直于滑移运动方向；=3\*GB3③刃型位错可作攀移运动且只有一个滑移面，螺型位错只可作滑移运动但有无数个滑移面；=4\*GB3④两者都可以用柏氏矢量表示。何谓共析转变？包晶转变？试用相律分析二元合金只有在共析点和包晶点才能三相共存论述题（每题20分，共40分）1.说明晶粒大小对金属室温强度和塑性的影响，其原因是什么？2.影响再结晶晶粒大小的因素有哪些？在生产实际中如何控制再结晶晶粒的大小？2006年材料科学基础真题本试卷分为两大部分，共计150分。第一部分为必答题，计30分；第二部分为选答题，计120分，选答题分为A、B、C三组，考生可任选一组进行回答。第一部分（第1题10分，第二题20分）已知纯钛有两种同素异形体，低温稳定的密排六方结构α-Ti和高温稳定的体心立方结构β-Ti，其同素异构体转变的温度为882.5℃。计算20℃下纯钛单位晶胞的致密度；74%计算900℃下纯钛单位晶胞的致密度；68%请写出α-Ti中密排面的晶面指数；（0001）请写出β-Ti中原子最密排方向的晶向指数。<111>组元A和B在液态完全互溶，但在固态下互不溶解，且形成一个与A、B晶体结构不同的中间化合物，由热分析测得下列数据。B组元质量分数/wt.%液相线温度/℃固相线温度/℃0---1000209007504076575043---7505093075063---10408085064090---640100---800画出平衡相图，并注明各个区域的相、各点的成分及温度、并写出中间化合物的分子式（A原子量为28，B原子质量为24）A：原子数=（100-63）/28×6.02×1023B：原子数=63/24×6.02×1023A原子数/B原子数＝0.5得到中间化合物的分子式为AB２100kg含20wt.%B的合金在800℃平衡冷却到室温，最多能分离出多少纯A。由杠杆定律，得出：A＝（43-20）／43×100kg=53.5kg（纯A）第二部分选择题A组判断题（20分）一根位错线具有唯一的柏氏矢量，当位错线发生改变时，其柏氏矢量不会发生改变。（√）A、B两组元晶体结构相同、原子半径很接近，所形成的固溶体一定是无限固溶体。（×）过冷度愈大，晶体的生长速率愈快，则晶粒就愈粗大。（×）固液界面前沿呈负温度梯度分布时，常见纯金属呈树枝状界面生长。（√）空位是一种热力学平衡的缺陷，具有平衡空位浓度的晶体的热力学稳定性比理想晶体的高。（√）所谓临界晶核，就是体系自由能的减少完全补偿表面自由能的增加时的晶胚大小。（×）铁素体和奥氏体的根本区别在于固溶度不同，前者小而后者大。（×）动态再结晶仅发生在热变形状态，因此室温下变形的金属不会发生动态再结晶。（×）某金属铸件晶粒粗大，采用合适的再结晶退火可以细化晶粒。（×）在三元系中，若成分为O的合金分解为两个合金或形成两个相D和E时，则DOE必定位于同一条直线上。（√）名词解释题（20分）能量起伏：体系中每个微小体积所实际具有的能量，会偏离体系平均能量水平而瞬时涨落的现象。扩展位错：全位错分解后，成为两个平行的分位错，中间夹着两个堆垛层错，其整个位错组态称为扩展位错。弥散强化：第二相微细颗粒通过粉末冶金法加入而起到强化作用。成分过冷：在合金凝固过程中，虽然实际温度分布一定，但是由于液相中的溶质分布发生变化，改变了液相的熔点，此时过冷是由成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定，这种过冷称为成分过冷。伪共晶：在平衡凝固条件下，只有共晶成分的合金才能获得100%的共晶组织；而在不平衡凝固时，成分在共晶点附近的合金也可以获得全部的共晶组织。这种由非共晶成分的合金得到共晶组织称为伪共晶。简答题（40分）从晶体结构角度，说明间隙固溶体与间隙相及间隙化合物之间的区别。答：溶质原子分布于溶剂间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。形成间隙固溶体的溶质原子通常是原子半径小于0.1nm的非金属元素，如H、B、C、N、O等。间隙固溶体保持母相（溶剂）的晶体结构，其成分在一定温度范围内变化，不能用分子式表示。间隙相和间隙化合物属于原子尺寸因素占主导地位的中间相。它们的晶体结构不同于任何一个组成相。它们的成分可在一定范围内波动，但是组成它们的组元大致都具有一定的原子组成比。结晶凝固理论，简要说明细化铸件晶粒的基本途径。答：根据凝固理论可知，结晶时单位体积内的晶粒数Z取决于形核率N和长大速度V。这两个因素的影响为：Z∝Ｎ／Ｖ。主要途径有：增大过冷度。（随着过冷度的增大，N的增长率大于V的增长率，所以N/V随过冷度的增大而增大，即Z增大，从而使晶粒变细。加入形核剂。不均匀形核所需要的现成基底增多，使晶核数大大增加，从而使晶粒显著细化。振动。一方面，能量输入将提高形核率；另一方面，生长的晶体破碎以提供更多的结晶核心，从而使晶粒细化。根据Fe-Fe3C相图，写出三大恒温反应转变式并注明转变类型、成分点和转变温度。答：包晶反应1495℃共晶反应1148℃共析反应比较非均匀形核和均匀形核的异同。答：均匀形核是指依靠系统自身的能量起伏和结构起伏而自发形核。非均匀形核是指依靠外来质点包括容器壁等作为基底而形核。实际凝固是非均匀形核，异常基底通常可以有效降低单位面积体积的表面能，从而降低形核功。因此非均匀形核所需的过冷度比均匀形核低得多。简述一次再结晶与二次再结晶的驱动力，并如何区分冷、热加工。答：一次再结晶的驱动力是基体的弹性畸变能；二次再结晶的驱动力是来自界面能的降低；再结晶温度是区分冷、热加工的分界线。论述题（40分）凡是与化学位有关的因素。均对扩散有影响。温度的影响。温度越高，原子扩散系数越大。扩散组元的影响。A.组元特性，表现为固溶体中组元尺寸相差越大；组元间亲和力越大，扩散系数越小；组元熔点越高，扩散系数越小。B.组元浓度，通过扩散激活能和扩散常数影响扩散系数。C.第三组元，其影响比较复杂。晶体结构的影响，体现在：A.密堆结构的扩散比非密堆结构中慢；B.间隙式扩散较置换式扩散快；C.各向异性时，沿原子密排的方向扩散慢，非密排的方向扩散快。=4\*GB3④短路扩散。表面扩散系数远大于晶界扩散系数，二者又远大于体扩散系数。生产实际中，通过提高渗碳温度（在奥氏体态渗碳）和增加渗碳源的碳浓度来提高渗碳效率。晶体塑性变形时其流变应力随应变量增加而增大的现象，称为应变硬化。其表现形式为在对金属或合金进行冷加工时，其强度增加，故又称为加工硬化或加工强化。加工硬化的原因按位错理论可解释为：位错间的长程相互作用、位错交割生成割阶；位错反应生成固定位错；位错增殖使位错密度增加，造成位错缠结；位错在杂质、析出物、第二相质点等周围的塞积；位错切过或绕过析出物而附加应力；还有晶界强化等。这些因素都使位错运动的阻力越来越大，从而造成加工硬化，利用加工硬化莱强化金属，如冷拔钢丝。加工硬化是金属的一项重要特性，可被用作强化金属的途径，特别是对那些不能通过热处理的材料如纯金属，以及某些合金，如奥氏体不锈钢，冷拔钢丝等主要是通过冷加工实现强化的。2007年材料科学基础真题名词解释（30分）孪晶：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（称为孪生面）和晶向（称为孪生方向）相对于另一部分晶体作均匀的切边时所长生的变形。孪生变形后，相邻两部分晶体的取向不同，恰好以孪生面为对称面形成镜像对称，形成孪晶。柯肯达尔效应：在置换式固溶体中，由于两种原子以不同的速度相对扩散而造成标记面飘移的现象。二次渗碳体：从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体，其形态一般沿奥氏体晶界呈网状分布。小角度晶界：界面两侧的晶粒取向差小于10o的晶界，有对称倾侧晶界和非对称倾侧晶界之分。成分过冷：在合金凝固过程中，虽然液相中的实际温度分布一定，但是由于固液界面前沿液相中的溶质富集，导致液相的实际熔点下降。液相的实际凝固温度与熔体中的溶质的实际温度不一致，产生过冷现象。这种过冷是由于成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定，这种过冷呈为成分过冷。施密特（Schmid）因子：拉伸变形时，能够引起晶体滑移的分切应力t的大小取决于该滑移面和晶向的空间位置（）。t与拉伸应力σ间的关系为：被称为取向因子，或称施密特因子，取向因子越大，则分切应力越大。简答题（任选5题，50分）简述柯垂尔气团和铃木气团的特点答：溶质与刃型位错之间产生交互作用，形成柯垂尔气团。溶质原子与层错交互作用形成铃木气团。当材料的温度升高时，柯垂尔气团容易消失而铃木气团受温度的影响很小。写出FCC、BCC和HCP晶胞中的四面体、八面体间隙数，致密度和原子配位数。答：（1）间隙FCC晶胞：4个八面体间隙，8个四面体间隙；BCC晶胞：6个八面体间隙；12个四面体间隙；HCP晶胞：6个八面体间隙；12个四面体间隙；（2）配位数BCC：最近邻8个，考虑次近邻为（8+6）个FCC：最近邻12个HCP：理想状态12个，非理想状态（6+6）个（3）致密度BCC：0.68FCC：0.74HCP：0.74简述固溶体和中间相的特点答：（1）固溶体：固溶体保持了溶剂的晶格类型；成分可以在一定范围内变化，但不能用一个化学式来表示；不一定满足原子比或电子数比；在相图上为一个区域；具有明显的金属性质。例如具有一定的导电、导热性质和塑性等。固溶体中的结合键主要是金属键。（2）中间相：金属与金属，或金属与非金属（氮、碳、氢、硅）之间形成的化合物总称为金属间化合物。由于金属间化合物在相图中处于相图的中间位置，故也称为中间相。金属间化合物的晶体结构不同于构成它的纯组元，键合方式也有不同的类型，可能有离子键、共价键，但大多数仍然属于金属键类型。相界面结构有哪几种形式，其界面能特点是什么？答：有共格、半共格和非共格三种。共格界面的晶格畸变能最高，化学能最低；非共格界面的化学能最高而晶格畸变能最低；半共格界面介于两者之间。变形织构有哪几种类型，对材料的性能有何影响？如何消除？答：（1）有丝织构和板织构（2）造成材料的性能产生显著的各异性。如，对于板材，在冲压成型时容易产生制耳。（3）消除方法：控制加工和热处理制度，得到只有轻微织构的加工组织和得到细晶粒的再结晶组织；改变轧板的生产工艺；如何可以采用多方向交叉扎制以及相应退火的方法。比较位错滑移与孪生的区别与联系答：（1）相同点：从宏观上看两者都是在剪切力作用下发生的剪切变形。从微观上看，两者都是通过晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶向和晶面平移实现的。都不会改变晶体结构。两者都是晶体中位错运动的结果。（2）不同点：滑移不改变晶体位向，孪生则改变晶体位向；孪晶经抛光与侵蚀后仍能重现。滑移时原子的位移是沿滑移方向的原子间距的整数倍，故滑移变形时不均匀分布的；孪生是均匀的切边过程，原子滑移的距离是孪生方向原子间距的整数倍。滑移有确定的临近分切应力；孪生则没有实验证据证明是否存在确定的临界分切应力；晶体的对称度越低，越容易发生孪晶。形变孪晶常见于密排六方和体心立方晶体中。此外变形温度越低，加载速率越高（如冲击载荷），也越容易发生孪晶。滑移对晶体的塑性变形有很大贡献；孪生对金属塑性变形的贡献不大，但形成的孪晶改变了晶体的位向，可以诱发新的滑移系开动，间接对塑性变形有贡献。如果晶体主要变形方式为孪生，则它往往比较脆。滑移是全位错运动的结果，而孪生则是部分位错运动的结果。成分偏析的种类及产生机理答：微观偏析是在一个晶粒范围内成分不均匀的现象。根据凝固时晶体生长形态的不同可分为：枝晶偏析，胞状偏析，晶界偏析（1）枝晶偏析（晶内偏析）：凝固速度越快，液体的对流扩散越不充分，Ko值越小（Ko<1），则枝晶偏析越严重。（2）胞状偏析：成分过冷比较小时，固溶体以胞状方式生长。对于Ko<1的合金，在凹陷才胞界处将富集溶质。这种胞内核胞界面处成分不均匀的现象称为胞状偏析。可以通过高温扩散退火消除。（3）晶界偏析：界面处是液体最后凝固的地方。对于Ko<1的合金，最后凝固的液体中溶质含量高。因此凝固结束后晶界处产生溶质富集，形成了晶界偏析。三、论述题（任选4题，每题15分，共60分）1.论述位错的运动方式、条件及其对材料变形的影响。答：(1)运动方式：刃型位错：滑移，攀移；螺型位错：滑移和交滑移(2)条件：滑移需要临界分切应力，启动单个位错滑移的力为P-N力（派纳力）。攀移运动需要正应力和高温作用。只有螺型位错才能发生交滑移，层错能的大小对交滑移的影响很明显，层错能越高，则扩展层错越窄，位错越容易富集而发生交滑移。(3)位错滑移和交滑移是材料主要的塑性变形方式，只有在高温和高正应力作用下才能发生正刃型位错的攀移。2.论述界面能对析出相的形貌的影响。答：(1)单相组织：界面平直化与转动。减小界面能；界面平衡的热力学，达到平衡时，晶界夹角均为120o。(2)复相组织：第二相分布在基体晶粒内时，若相界的界面能无明显各向异性，则第二相为球状，这样界面面积最小，总相界能也最小；若相的界面能有明显的各向异性，则第二相将形成以低能量晶面为相界的多面体。第二相分布基体两晶粒的晶界上时，如果两相间形成非共格界面，当第二相位于基体的晶面上时，常呈双凸透镜的形貌，此时第二相的具体形状与界面能有密切关系。如果α、β两相间形成共格或半共格界面，则因为界面两侧的α相晶粒有不同的位向，所以β相如果和第一个α相晶粒形成共格或半共格界面，则和第二个α相晶粒就不能共格。常见的情况是一个α晶粒形成平直的共格或半共格界面，而另一个α晶粒形成光滑的非共格界面。3.凝固、扩散、晶粒长大、回复和再结晶的驱动力是什么？(1)凝固的驱动力是液固两相的自由能差值(2)扩散的驱动力是元素的化学势差值(3)晶粒长大的驱动力是晶界能(4)回复和再结晶的驱动力是晶体在塑性变形时的储能4.论述冷变形后材料的组织和性能特点。答：与未变形的材料相比，冷变形材料的晶粒形态的改变，被压扁、拉长，形成纤维组织和带状组织。晶粒内出现大量的滑移带，进行孪生变形的金属还出现孪晶带。晶粒转动，产生形变带，出现晶粒择优取向（织构）。产生内应力。出现加工硬化效应。物理和力学性能变化显著：如强度和硬度升高、电阻率升高、塑性和韧性下降等。5.影响再结晶晶粒大小的因素有哪些？在生产实际中如何控制再结晶晶粒大小？(1)冷变形量，当变形量很小时，所产生的储存能不足以驱动再结晶，故加热后不发生再结晶，晶粒仍为变形前原始晶粒尺寸，当变形量增大到一定变形量（一般金属在2~10%范围内）时，所产生的储存能正好足够驱动再结晶发生，这一变形量称为临界变形量。(2)塑性变形温度：升高形变温度将减少储存能，从而降低N/G，使再结晶晶粒粗化。(3)再结晶加热温度：影响不大。因为随温度上升，再结晶形核速率和长大速率的增大速率几乎相同。但再结晶加热温度升高将使金属的临界变形量减小。(4)原始晶粒大小：原始晶粒愈细，金属中晶界面积愈大，形成再结晶晶核的部位也愈多，造成形核率增大而使再结晶后晶粒尺寸减小。在实际中应综合考虑各种因素的影响，设法控制再结晶形核速率和晶粒长大速率，便可控制晶粒尺寸。6.合金强化方法有哪些，其机理是什么？答：固溶强化、弥散强化、第二相强化、细晶强化、加工硬化、马氏体强化（钢铁）、有序强化。其机理均是通过阻碍位错的运动来提高材料的强度。不同的强化方法的机理有其特殊性。固溶强化：固溶在点阵间隙或结点上的合金元素原子由于其尺寸不同于基体原子，故产生一点的应力场，阻碍位错运动；