材料科学基础考题.doc

材料科学基础考题
Ⅰ卷

一、名词解释（任选5题，每题4分，共20分）

单位位错；交滑移；滑移系；伪共晶；离异共晶；奥氏体；成分过冷

二、选择题（每题2分，共20分）
1． 在体心立方结构中，柏氏矢量为a[110]的位错( )分解为a/2[111]+a/2.
(A) 不能 (B) 能 (C) 可能
2．原子扩散的驱动力是： ( )
(A) 组元的浓度梯度 (B) 组元的化学势梯度 (C) 温度梯度
3．凝固的热力学条件为：（ ）
（A）形核率 (B)系统自由能增加
（C）能量守衡 （D）过冷度
4．在TiO2中，当一部分Ti4+还原成Ti3+，为了平衡电荷就出现（ ）
(A) 氧离子空位 (B) 钛离子空位 (C)阳离子空位
5．在三元系浓度三角形中，凡成分位于（ ）上的合金，它们含有另两个顶角所代表的两组元含量相等。
（A）通过三角形顶角的中垂线
（B）通过三角形顶角的任一直线
（C）通过三角形顶角与对边成45°的直线
6．有效分配系数ke表示液相的混合程度，其值范围是（ ）
（A）1<ke<k0 （B）k0<ke<1 （C）ke<k0<1
7．A和A-B合金焊合后发生柯肯达尔效应，测得界面向A试样方向移动，则（ ）
（A）A 组元的扩散速率大于B 组元 （B）与（A）相反
（C）A、B两组元的扩散速率相同
8．A和B组成的二元系中出现α和β两相平衡时，两相的成分（x）-自由能（G）的关系为（ ）
（A）Gα= Gβ （B）dGα= dGβ （C）GA= GB
9．凝固时不能有效降低晶粒尺寸的是以下那种方法？（ ）
（A）加入形核剂 （B）减小液相的过冷度 （C）对液相进行搅拌
10．菲克第一定律表述了稳态扩散的特征，即浓度不随（ ）变化。
（A）距离 （B）时间 （C）温度

三、简答题（20分）
（4分）1. 从结晶条件和过程分析纯金属和单相固溶体合金结晶时的异同点。
（6分）2. 简述塑性变形对材料组织和性能的影响。
（10分）3. 试用位错理论解释低碳钢冷拉伸变形时的屈服现象。

四、作图与计算题（每题10分，共40分）
1. 画出Fe-C相图，并将相图中的相区按组织加以标注。
2. 假设某面心立方晶体可以开动的滑移系为，请回答：
（1）给出滑移位错的单位位错柏氏矢量；
（2）若滑移位错为纯刃位错，请指出其位错线方向；若滑移位错为纯螺位错，其位错线方向又如何？
3．图示为Pb-Sn-Bi相图投影图。问：
（1）写出合金Q（wBi＝0.7，wSn＝0.2）凝固过程及室温组织；
（2）计算合金室温下组织组成物的相对含量。

4. 根据图示A-B二元共晶相图（共晶温度为600℃），将ω(B)=10%的合金，用同样成分的籽晶在固相无扩散、液相完全不混合的条件下进行定向凝固制成单晶，为了保持液-固界面在整个凝固过程中处于平直状态，试计算界面处液相所需的最小温度梯度(G)。（已知凝固速度R=1cm/h，D=2×10-5cm2/s)

材料科学基础考题答案
Ⅰ卷

一、名词解释（任选5题，每题4分，共20分）
单位位错；交滑移；滑移系；伪共晶；离异共晶；奥氏体；成分过冷
答：
单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错称为单位位错。

交滑移：两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移，称为交滑移。

滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系。

伪共晶：在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。

离异共晶：由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中的α相依附于初生α相生长，将共晶体中另一相β推到最后凝固的晶界处，从而使共晶体两组成相相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体称为离异共晶。

奥氏体：碳原子溶于γ-Fe形成的固溶体。

成分过冷：在合金的凝固过程中，将界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷称为成分过冷。

二、选择题（每题2分，共20分）
1． 在体心立方结构中，柏氏矢量为a[110]的位错( A )分解为a/2[111]+a/2.
(A) 不能 (B) 能 (C) 可能
2．原子扩散的驱动力是： ( B )
(A) 组元的浓度梯度 (B) 组元的化学势梯度 (C) 温度梯度
3．凝固的热力学条件为：（ D ）
（A）形核率 (B)系统自由能增加
（C）能量守衡 （D）过冷度
4．在TiO2中，当一部分Ti4+还原成Ti3+，为了平衡电荷就出现（ A）
(A) 氧离子空位 (B) 钛离子空位 (C)阳离子空位
5．在三元系浓度三角形中，凡成分位于（ A ）上的合金，它们含有另两个顶角所代表的两组元含量相等。
（A）通过三角形顶角的中垂线
（B）通过三角形顶角的任一直线
（C）通过三角形顶角与对边成45°的直线
6．有效分配系数ke表示液相的混合程度，其值范围是（ B ）
（A）1<ke<k0 （B）k0<ke<1 （C）ke< k0 <1
7．A和A-B合金焊合后发生柯肯达尔效应，测得界面向A试样方向移动，则（ A ）
（A）A 组元的扩散速率大于B 组元 （B）与（A）相反
（C）A、B两组元的扩散速率相同
8．A和B组成的二元系中出现α和β两相平衡时，两相的成分（x）-自由能（G）的关系为（ B ）
（A）Gα= Gβ （B）dGα= dGβ （C）GA= GB
9．凝固时不能有效降低晶粒尺寸的是以下那种方法？（ B ）
（A）加入形核剂 （B）减小液相的过冷度 （C）对液相进行搅拌
10．菲克第一定律表述了稳态扩散的特征，即浓度不随（ B ）变化。
（A）距离 （B）时间 （C）温度
三、简答题（20分）
（4分）1. 从结晶条件和过程分析纯金属和单相固溶体合金结晶时的异同点。
（8分）2. 简述塑性变形对材料组织和性能的影响。
（8分）3. 试用位错理论解释低碳钢冷拉伸变形时的屈服现象。
1.答：
相同点：结晶条件都需要过冷度，结晶过程都经过形核和长大。 （2分）
不同点：纯金属是在恒温结晶，其形核只需要能量起伏和结构起伏。而单相固溶体合金是在一个温度范围内结晶，其形核不但需要能量起伏和结构起伏，还需要成分起伏。 （2分）
2. 答：
组织结构：(1)形成纤维组织：晶粒沿变形方向被拉长； (2)形成位错胞；(3)晶粒转动形成变形织构。 （3分）
力学性能：位错密度增大，位错相互缠绕，运动阻力增大，造成加工硬化。
（1分）
物理化学性能：其变化复杂，主要对导电，导热，化学活性，化学电位等有影响。（2分）
体系能量：包括两部分：(1)因冷变形产生大量缺陷引起点阵畸变，使畸变能增大；(2)因晶粒间变形不均匀和工件各部分变形不均匀引起的微观内应力和宏观内应力。这两部分统称为存储能，其中前者为主要的。 （2分）
3. 答：
低碳钢中的少量碳、氮原子与晶体中的位错发生交互作用，主要是弹性交互作用，形成柯氏气团，对位错起钉扎作用，使其运动阻力增大，导致应力-应变曲线上出现上屈服点，当位错摆脱柯氏气团的钉扎作用后，应力下降出现下屈服点，发生屈服伸长（2分）；继续变形，由于位错密度增加产生应变硬化作用，应力又复提高（2分）。这时卸载后立即加载，由于位错已摆脱柯氏气团的钉扎作用，故不出现屈服现象（2分）；若放置一段时间或加热一定时间，由于碳、氮原子又与位错发生交互作用形成柯氏气团，故又出现屈服现象，因位错密度的增加，故此时的屈服应力升高（2分）。
三、作图与计算题（每题10分，共40分）
1. 画出Fe-C相图，并将相图中的相区按组织加以标注。
答：

图5分，组织标定5分。
2. 假设某面心立方晶体可以开动的滑移系为，请回答：
（1） 给出滑移位错的单位位错柏氏矢量；
（2）若滑移位错为纯刃位错，请指出其位错线方向；若滑移位错为纯螺位错，其位错线方向又如何？
答：（ 1 ）单位位错的柏氏矢量 ； （4分）
（ 2 ）纯刃位错的位错线方向与 b 垂直，且位于滑移面上， 为 （3分）；纯螺位错的位错线与 b 平行，为 [011]。 （3分）
3．图示为Pb-Sn-Bi相图投影图。问：
（1）写出合金Q（wBi＝0.7，wSn＝0.2）凝固过程及室温组织；
（2）计算合金室温下组织组成物的相对含量。

答：（1）冷却至液相面析出Bi：L®Bi初，随温度降低Bi增多，液相成分延Bi-Q的延长线向E3E移动；液相成分达到E3E后发生共晶反应，L®（Sn＋Bi）共，液相成分延E3E向E移动；液相成分达到E后，发生三元共晶反应L®（Sn＋Bi＋β）共，随后冷却不再变化。 （5分）
室温组织为：Bi初＋（Sn＋Bi）共＋（Sn＋Bi＋β）共 （2分）
（2）wBi初＝2.88；w（Sn＋Bi）共＝0.407；w（Sn＋Bi＋β）共＝0.305 （3分）
4. 根据图示A-B二元共晶相图（共晶温度为600℃），将ω(B)=10%的合金，用同样成分的籽晶在固相无扩散、液相完全不混合的条件下进行定向凝固制成单晶，为了保持液-固界面在整个凝固过程中处于平直状态，试计算界面处液相所需的最小温度梯度(G)。（已知凝固速度R=1cm/h，D=2×10-5cm2/s)

答： （2分）
（2分）
（2分）
℃/cm （4分）