湘潭大学材料科学与工程学院854材料科学基础（三）[专业硕士]考研强化模拟题.pdf

湘潭大学材料科学与工程学院854材料科学基础（三）专业硕士考研强化模 拟题（一）一、名词解释1.共价健【答案】共价健是指由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键,具有饱和性和方向性。2.科垂尔气团（CottrellAtmosphere）【答案】科垂尔气团是溶质原子在刃型位错周围的聚集的现象，这种气团可以阻碍位错运动,产生固溶强化效应等结果。3.晶格常数【答案】在材料科学研究中，为了便于分析晶体中粒子排列，可以从晶体的点阵中取出一个 具有代表性的基本单元（通常是最小的平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞；晶格常数 指的就是晶胞的边长，也就是每一个立方格子的边长。沿晶胞边方向且长度与边长相等的矢量称 为晶胞基矢，分别用a、b、c表示。晶格常数是晶体物质的基本结构参数，它与原子间的结合能 有直接的关系，晶格常数的变化反映了晶体内部的成分、受力状态等的变化。4.非均匀形核【答案】新相优先在母相中存在的异质处形核，即依附与液相中杂质或外来表面形核。与均 匀形核相比，它需要的形核功和过冷度都较小。5.扩展位错【答案】一个全位错分解为2个Shockley不全位错，这样的2个Shockley位错一起被称为扩 展位错。二、简答题6.请以Al-4.5%Cu合金为例，说明时效过程及其性能（硬度）变化。【答案】铝合金淬火后得到过饱和固溶体，之后加热保温,固溶体内会依次析出GP区，）、0 相。GP区的形成会使材料的硬度增加（第一个时效峰），长时间时效，GP区溶解，硬度下降。旷 的形成使得硬度继续增加（第二个时效峰）。当全部溶解转化为0,和夕转化为。后，硬度开始 下降。7.写出图所示六方晶胞中EFGHIJE晶面、EF晶向.FG晶向、GH晶向、JE晶向的密勒布拉 菲指数。【答案】EFGHIJE晶面：(lOH);EF 晶向：万43：FG 晶向：&23;GH 晶向：Di。：JE 晶向：1510。8.为什么单相金属的晶粒形状在显微镜下多为六边形？【答案】在晶粒互相接触的二维图形中，晶界的交叉点应是由3根晶界相交，如果是4根以上晶 界相交，从能量降低即交叉点处微元面积中晶界总长最短的原则出发，通过几何分析可以得出1 个四叉晶界一定会自发分解为2个三叉晶界。在三叉交点处，3个晶界必然会自发调整位置以实 现界面张力力、/3和九的力学平衡，其数学表示式为：加 山=力 3 sin 02=/12 sin 名为满足上式的晶界交叉点的力学平衡关系，晶界并不要求一定是直的，仅要求在结点处，3个晶 界切线枝晶间的夹角满足上式。如果考虑单相合金，设定3个晶界能相等，则结点处的平衡条件 是a=-12。所以单相金属的晶粒形状在显微镜下多为六边形。9.在位错发生滑移时，请分析刃位错、螺位错和混合位错的位错线/与柏氏适量外加切应力T 与柏氏矢量/，外加切应力r与位错线/之间的夹角关系，及位错线运动方向。【答案】如表所示。表类型b与1丁与bT与/位错线运动方向刃位错法线螺位错法线混合位错一定角度/(分量)一定角度法线10.图中的晶体结构属于哪种空间点阵？对于图2.6（a）、（c）求B原子数与A原子数之比。图【答案】图a的晶体结构为简单立方，其中，B原子数与A原子数之比为1：1；图b的晶体结构为 体心立方；图c的晶体结构为体心立方，其中B原子数与A原子数之比为6：2=3：1。11.请在立方晶胞中画出（0包）和（111）以及U1和201的图示，并说明其意义。【答案】（012案口（111）表小晶面,111和201表小晶向,如图所不。图12.简述回复再结晶退火时材料组织和性能变化的规律；为何实际生产中常需要再结晶退火？【答案】（1）回复再结晶时材料组织变化：该退火过程主要分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶 段。在回复阶段，由于发生大角度晶界迁移，所以晶粒的形状和大小与变形态的相同，仍保持着 纤维状或扁平状，从光学组织上几乎看不出变化。在再结晶阶段，首先是在畸变度大的趋于产生 新的无畸变晶粒核心，然后逐渐消耗周围的变形机体而长大，直到形变组织完全改组为新的、无 畸变的细等轴晶粒为止。最后，在表面晶界能的驱动下，新的晶粒互相吞食长大，从而得到在该 条件下一个比较稳定的尺寸。（2）回复再结晶时材料性能变化：在回复阶段，由于金属仍保持很高的位错密度，所以强度和硬 度变化很小，但是再结晶后，位错密度显著降低，从而导致强度与硬度明显下降；回复阶段，由 于晶体点阵中点缺陷的存在，使电阻明显下降，电阻率明显提高；回复阶段，大部分或全部的宏 观内应力可以消除，而微观内应力则只有通过再结晶方可全部消除；回复前期，亚晶粒尺寸变化 不大，但在后期，尤其接近再结晶时，亚晶粒尺寸就显著增大；变形金属的密度在再结晶阶段发 生急剧增高。以及110、.01。h201 j晶向。13.在立方晶胞内画出11),(122),(110)晶面,14.简述高聚物的结构特点。【答案】(1)高分子是由很大数目的结构单元组成，每一结构单元相当于一个小分子，这些结构 单元可以是一种(均聚物)，也可以是几种(共聚物)，它们以共价链相连接，形成线形分子、支 化分子或网状分子等。(2)一般高分子主链都有一定的内旋转自由度，可以使主链弯曲而具有柔性。(3)高分子结构的一个显著特点是不均一性，或者称多分散性。即使是相同条件下的反应产物，各个分子的分子量、单体单元的键合顺序、空间构型的规整性、支化度、交联度以及共聚物的组 成及序列结构等都或多或少的差异。(4)由于高分子链包含很多结构单元，每一结构单元相当于一个小分子，因此高分子链间有很强 的相互作用(范德华力、氢键等)，此作用力对其结构和性能有着十分重要的影响。(5)高分子的聚集态有晶态和非晶态之分。高分子的晶态比小分子晶态的有序程度差得多，存在 许多缺陷。但高聚物的非晶态却比小分子液态的有序程度高，这是因为高分子的长链是由结构单 元通过化学键连接而成的，所以沿着主链方向的有序程度必然高于垂直于主链方向的有序程度，尤其是经过受力变形后的高聚物更是如此。(6)要使高聚物加工成有用的材料，往往需要在其中加入填料、各种助剂、色料等。有时用两种 或两种以上的高聚物共混改性。这些添加剂与高聚物之间以及不同的高聚物之间是如何堆砌成整 块高分子材料的，又存在着所谓的织态结构问题。织态结构也是决定高聚物性能的重要因素。15.何为本征扩散与非本征扩散？并讨论两者的扩散系数、扩散活化能和特点。【答案】本征扩散是指空位来源于晶体的本征热缺陷而引起的迁移现象。本征扩散的活化能是由 空位形成能和质点迁移能两部分组成，高温时以本征扩散为主。非本征扩散是由不等价杂质离子的掺杂造成空位，由此而引起的迁移现象。非本征扩散的活化能 只包含质点迁移能，低温时以非本征扩散为主。16.示意画出n型半导体电导率随温度的变化曲线，并用能带理论定性解释上述曲线。【答案】(1)如图所示。图(2)n型半导体中的载流子包括掺杂的施主电子及本征半导体固有的电子和空穴，但施主电子跃 迁所需克服的能垒巳小于本征电子和空穴跃迁所需克服的能垒EJ2c温度较低时，本征电子和空穴的热激活跃迁几率很小，而施主电子跃迁几率较大且随温度升高 而呈指数增大，此时电导率主要由掺杂的施主电子提供。当施主电子全部跃迁或称耗竭，而本征电子和空穴的热激活跃迁几率仍然很小，载流子浓度几 乎不随温度升高而变化，电导率几乎为常数。温度进一步升高，本征电子和空穴的热激活跃迁几率明显呈指数增大，电导率也随之呈指数增 大。17.有两尺寸相同、形状相同的铜合金铸件，一个含Ni90%,一个含Ni50%,铸后自然冷却，问哪 个铸件固态下偏析严重？为什么？【答案】含Ni50%的铸件固态下偏析严重，因为固态时的成分偏析是由于固溶体合金凝固过程中 存在溶质分配现象造成的。含Ni50%的铸件在凝固过程中溶质变化的浓度差值大，而且凝固过程 中经过温度变化的区间也大，这些都会造成溶质分配的不均匀程度增加，因此凝固后铸件的偏析 越严重。2017年湘潭大学材料科学与工程学院854材料科学基础（三）专业硕士考研强化模 拟题（二）说明：本资料为VIP学员内部使用,严格按照2017考研专业课大纲及历年常考题型出题。一、名词解释1.全位错与不全位错【答案】全位错是指柏氏矢量等于晶体点阵矢量的位错；不全位错是指柏氏矢量不等于晶体 点阵矢量的位错。2.间隙固溶体【答案】间隙固溶体是指若溶质原子比较小时可以进入溶剂晶格的间隙位置之中而不改变溶 剂的晶格类型所形成的固溶体。3.晶族【答案】按晶体含轴次（高于2）的高次轴或反轴的情况可将晶体划分为高、中、低三类晶 族。只含唯一一个高次主轴（含反轴）的晶体属于中级晶族，包括三方晶系、四方晶系、六方晶 系三种晶系；无高次轴或反轴的晶体属低级晶族，包括三斜晶系、单斜晶系和正交晶系三种晶系;含多个高次轴的晶体属高级晶族，只有立方晶系一种。立方晶系必有与立方体对角线方向对应的 4个三重轴或反轴。4.配位数【答案】配位数是指晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数目。5.反应扩散【答案】反应扩散是通过扩散而形成新相的过程。即在固态扩散的过程中，如果渗入元素在 金属中溶解度有限，随着扩散原子增多，当渗入原子的浓度超过饱和溶解度时则形成不同于原相 的固溶体或中间相，从而使金属表层分为出现新相和不出现新相的两层的过程。二、简答题6.在铁的晶体中固溶有碳原子和银原子，问在同一温度下，碳原子和镇原子各以什么机制进行 扩散，为什么？其中哪一种原子具有更大的扩散系数，为什么？【答案】碳原子以间隙扩散机制进行扩散，因为Fe-C合金为间隙固溶体，碳原子半径比较小，间 隙扩散不会引起较大的点阵畸变。镇原子以空位扩散机制进行扩散，因为Fe-Ni合金为置换固溶体，镁原子比较大，难以通过间隙机 制从一个间隙位置迁移到邻近的间隙位置，因为这种迁移将导致很大的点阵畸变。碳原子具有更大的扩散系数。因为空位扩散激活能除了需要原子跳跃所需的内能外，还比间隙扩 散增加一项空位形成能。根据。=4expj-箓)可知，AE越大，。越小，所以碳原子具有更大的扩 散系数。7.在体心立方晶胞中画出一个最密排方向并标明晶向指数；再画出过该方向的两个不同的低指数(简单)晶面，写出对应的晶面指数。这两个面和与其平行的密排方向构成什么关系？【答案】所求的两个面如图所示，这两个面和与其平行的密排方向构成构成晶带关系。8.如图所示，为测出的社在不同温度下以不同方式扩散时扩散系数与温度的关系，从该实验数 据图中能得出哪些信息？(1/7)x IO4图【答案】(1)由图知，横坐标为温度的倒数L纵坐标为扩散系数D。T(2)表面扩散速度是三者中最快的，其次是晶界扩散，再次是晶内扩散。(3)随温度升高，三者的扩散速度都加快。同时晶内扩散的增长速率较大，晶界扩散的增长速率 其次，表面扩散的增长速率最慢。(4)扩散系数与温度r是指数关系，即该图是。=Opp(_Q/Rr)对数处理的结果；利用直线关 系可求常数4和激活能。9.实践表明，高度冷轧的镁板在深冲时往往会裂开，试分析其原因。【答案】镁板冷轧后会产生1行。织构，在平行或垂直于板面方向施加应力，取向因子为 零，几乎没有塑性，因此，进一步加工就很易开裂。10.写出立方晶系中V11O和V123晶向族所包含的所有晶向。【答案】110）：110,101,011,110,101,血门共 6 个晶向。（2）（123）：123,132,231,213,321,312,123,132,231,2 13,321,312,12 3,132,231,213,321,312,123,132,231,213,321,312 共24个晶向。11.分析M点的析晶路程（表明液、固相组成点的变化，并在液相变化的路径中注明各阶段的相 变化和自由度数）。【答案】液相：L-*B+S/L-*B+C+I/=0/固相：A-*b cSfM 012.典型面心立方（fee）金属的配位数和致密度是多少？并指出其间隙类型及一个晶胞中间隙的 数目。写出&c晶胞中原子的密排面和密排方向，并说明其密排面与密排六方（hep）结构金属的 密排面排列有何不同。【答案】（l）fcc酒己位数12,致密度0.74,八面体间隙4个，四面体间隙8个；密排面in,密 排方向（2）密排面排歹U ABCABC.,而密排六方为ABAB.O13.指出铁素体、CuZn、Fe、TiC各是什么类型的合金相？并比较铁素体、FeH、TiC的形成条 件有什么不同？【答案】（1）铁素体为间隙固溶体，晶格类型与溶剂同，溶质碳原子溶于晶格间隙中；CuZn为电 子化合物，属复杂晶型；Fe3c为间隙化合物，属复杂晶型；TiC为间隙相，面心立方结构，碳原 子位于晶格间隙中。（2）FeC、F.C、TiC都是由过渡族元素与原子半径较小的非金属碳原子组成，都是尺寸因素起 主要作用，其形成条件不同之处在于，FqgC形成时溶质碳量少，晶型不变，而后两种碳量较多,晶型改变。在F.C中，所以形成复杂晶型；在TiC中，。59,所以形成简单晶型。14.固相烧结与液相烧结之间有何相同与不同之处？【答案】（1）固相烧结与液相烧结之间的相同之处：烧结的推动力都是表面能；烧结过程都是由颗粒重排、气孔填充和晶粒生长等阶段组成。（2）不同之处：由于流动传质速率比扩散速率快，因而液相烧结致密化速率高，烧结温度较低。液相烧结过程的速率还与液相数量、性质（粘度、表面张力等）、液相与固相的润湿情况、固相 在液相中的溶解度等因素有关。影响液相烧结的因素比固相烧结更为复杂。15.铸锭结晶过程中，晶区通常有几个，它们各自产生的原因是什么？【答案】铸锭结晶过程中，通常有以下几个晶区：（1）表面细晶区。其形成是由于铸模的强烈冷却作用，使表面层的过冷度很大，从而在表面产生 很细的晶粒。（2）柱状晶区。表面细晶区形成后，释放的结晶潜热使铸模温度升高，造成冷却作用下降。止匕时,过冷度减小，形核变得困难，只有细晶区中现有的晶体向液体中生长。在这种情况下，只有一次 轴垂直于型壁（散热最快的方向）的晶体才能得到优先生长。（3）中心等轴晶区。柱状晶生长到一定程度，由于前沿液体远离型壁，散热困难，冷速变慢，而 且熔液中得温差随之减小，这将阻止柱状晶的快速生长，当整个熔液温度降至熔点一下时，熔液 中出现许多晶核并沿各个方向长大，就形成中心等轴区。16.有错误的A-B二元系平衡相图如图（a）所示。（1）在改动量最少的前提下改正图中的错误。（2）说明错误的理由。【答案】（1）经改正的相图如图（b）所示。（2）根据相律及相区接触法则，原图中有4处错误：e、d两点应重合。因为对组元A,它相当于一元系，a与B两相平衡（同素异构转变）时，自 由度为零，温度不变；kin线应该水平。既然有三个两相区及三个单相区与之相接，它就应该是一个三相平衡区，故为 一条水平线；与fghij线相接的应是三个而不是四个单相区；水平线cb应是三相平衡（包晶反应）线。a）有错误的；b）经改正的图A-B二元平衡相图17.原子的结合键有哪几种？各有什么特点？【答案】原子的结合键有.(1)离子键。其特点是：正负离子相互吸引；键合很强，无饱和性，无方向性；熔点、硬度高,固态不导电，导热性差。(2)共价键。其特点是：相邻原子通过共用电子对结合；键合强，有饱和性，有方向性；熔点、硬度高，不导电，导热性有好有差。(3)金属键。其特点是：金属TH离子与自由电子相互吸引；键合较强，无饱和件，无方向件；熔点、硬度有高有低，导热导电性好。(4)分子键。其特点是：分子或分子团显弱电性，相互吸引；键合很弱，无方向性；熔点、硬度 低，不导电，导热性差。(5)氢键。其特点是：类似分子键，但氢原子起关键作用；键合弱，有方向性；熔点、硬度低,不导电，导热性好。2017年湘潭大学材料科学与工程学院854材料科学基础(三)专业硕士考研强化模 拟题(三)说明：本资料为VIP学员内部使用,严格按照2017考研专业课大纲及历年常考题型出题。一、名词解释1.偏析【答案】偏析是指合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象。2.再结晶退火【答案】再结晶退火是指经过塑性变形的金属，在重新加热过程中，当温度高于再结晶温度 后，形成低缺陷密度的新晶粒，使其强度等性能恢复到变形前的水平，但其相结构不变的过程。3.非稳态扩散【答案】非稳态扩散是指在扩散过程中任何一点的浓度都随时间不同而变化的扩散。4.成分过冷【答案】成分过冷是指合金溶液在凝固时，理论凝固温度不变，过冷度完全取决于溶质成分 的分布的现象。5 位错【答案】位错是指晶体中的一维缺陷或线状缺陷。二、简答题6.根据如下给出的信息，绘制出A和B组元构成的在600宽到1000冤之间的二元相图：A组 元的熔点是940。B组元在A组元中的溶解度在所有温度下为零；B组元的熔点是830。A 在B中的最大溶解度是在700宽为12wt%；600。(3下A在B中的溶解度是8wt%；700时在成 分点A-75(wt%)B有一个共晶转变730时在成分点A-60(wt%)B有另一个共晶转变755%：时在成分点A-40(wt%)B还有一个共晶转变；在780时在成分点A-49(wt%)B有一个稳 定金属间化合物凝固发生；在755时在成分点A-67(wt%)B有另一个稳定金属间化合物凝固 发生。【答案】如图所示。7.试写出原子序数为11的钠与原子序数为20的钙原子的电子排列方式。【答案】钠原子的原子序数为n,有11个电子。电子首先进入能量最低的第一壳层，它只有s 态一个亚壳层，可容纳2个电子，电子状态计作然后逐渐填入能量较高的2s、2p,分别容纳2 个和6个电子，电子状态计作和2P6。第H个电子进入第三壳层的s态。所以，钠原子的电子 排列为：3c钙原子有20个电子，填入第一壳层和第一壳层电子的状态与钠原子相似。当电子填入第三壳层s态和p态后仍有2个剩余电子。因为4s态能量低于3d态，所以这两个剩 余电子不是填入3d态，而是进入新的外壳层上的4s态。所以，钙原子的电子排列为：1822sz2p。3823P吟8.何谓塑料？何谓橡胶？两者在室温时的力学性能有何显著差别？【答案】塑料是指室温下处于玻璃态的高分子材料。橡胶是指室温下处于高弹态的高分子材料。室温下，塑料的硬度较高，但其脆性较大，容易脆性断裂，弹性较低；橡胶的硬度较低，但脆性 较小，不易断裂，弹性较高容易发生弹性变形。9.试述针对工业纯铝、AL5%Cu合金、AL5%AbO、复合材料分别可能采用哪些主要的强化机制 来进行强化。【答案】（1）对工业纯铝主要的强化机制为加工硬化、细晶强化；（2）Al-5%Cu合金的强化机制为固溶强化、沉淀强化、加工硬化、细晶强化；（3）AL5%A12（）3复合材料的强化机制为加工硬化、细晶强化、弥散强化。10 点缺陷（如间隙原子或代位原子）和线缺陷（如位错）为何会发生交互作用？这种交互作用 如何影响力学性能？【答案】（1）发生交互作用的原因：在晶体中，点缺陷会引起晶格畸变，产生内应力，形成应力场；点缺陷的应力场与位错的应力 场会发生交互作用，其结果是通过点缺陷运动而使点缺陷相位错形成特定的分布，从而使体系的 自由能达到较低状态；柯垂尔提出了溶质原子与位错之间的交互作用，在间隙固溶体中，由于间隙原子的半径比晶体 间隙的半径大，与位错进行弹性交互作用，结果间隙原子将在位错附近聚集，形成小原子集团，称为柯垂尔气团。柯垂尔气团的存在，使位错运动困难，这是因为位错只有从气团中挣脱或者抱 着气团一起前进才能继续运动，这需要外力作更多的功，这就是固溶强化效应；而空位通常被吸引到刃型位错的压缩区，或消失在刃型位错线上，使位错线产生割阶，空位与 位错在一定条件下可互相转化。(2)由刃型位错的应力场可知，在滑移面以上，位错中心区域为压应力，而滑移面以下的区域为 拉应力，若有间隙原子C,N或比溶剂原子尺寸大的置换溶质原子存在就会与位错交互作用偏聚 于刃型位错的下方，以抵消部分或全部的张应力，从而使位错的弹性应变能降低，当位错处于能 量较低状态时，位错趋于稳定，不易运动，即对位错形成钉扎作用，位错要运动就必须在更大应 力作用下才能挣脱柯垂尔气团的钉扎作用而移动，这就形成上下屈服点。11.简述原子间四种结合键各自的特点，并从结合键的角度讨论金属的力学特性。【答案】各种键的特点如表所示。表类型作用力来源键强形成晶体的力学性能特点离子键正负离子间的库仑引力最强硬度高，强度大，脆性大共价键相邻原子价电子各处于相反的自 选状态，原子核间的库仑引力强硬度高，强度大，脆性大金属键自由电子气与正离子之间的库仑 引力较强塑性变形能力好，强韧性高二次键原子与分子间由诱导或永久电偶弱硬度低，塑性、韧性好金属键由于没有方向性和饱和性，对原子也没有选择性，在受外力作用下原子发生相对移动时，金属正离子仍处于电子气的包围中，金属键不会受到破坏，因此金属能够经受变形而不断裂，具 有较好的塑性变形性能。12.分析图中V合金的平衡结晶过程。图【答案】图中合金中v的平衡结晶过程为 q+a-B 口，a与0互析。13.影响晶态固体中原子扩散的因素有哪些？并加以简单说明。【答案】影响晶态固体中原子扩散的因素主要有：(1)温度。温度升高，扩散原子获得能量超越势垒几率增大且空位浓度增大，有利扩散，对固体 中扩散型相变、晶粒长大，扩散速率越快。(2)晶体缺陷。晶体通过短路扩散即原子沿点、线、面缺陷扩散速率比沿晶内体扩散速率大，而 沿面缺陷的扩散(界面、晶界)原子规则排列受破坏，产生畸变，能量高，所需扩散激活能最低。低温下明显，高温下空位浓度多，晶界扩散被晶内扩散掩盖晶粒尺寸小，晶界多，扩散系数明显 增加。(3)晶体结构的影响。同素异晶转变的金属中，扩散系数随晶体结构改变，例如 910,Da Fe/Dy Fe=280,a Fe致密度低，且易形成空位。(4)固溶体类型。间隙原子扩散激活能小于置换式原子扩散激活能，缺位式固溶体中缺位数多，扩散易进行。(5)扩散元素性质。扩散原子与溶剂金属差别越大，扩散系数越大，差别指原子半径、熔点、固 溶度等。(6)扩散元素浓度。溶质扩散系数随浓度增加而增大相图成分与扩散系数的关系，溶质元素使合 金熔点降低，扩散系数增加；反之，扩散系数降低。(7)第三元素(或杂质)影响复杂。如碳在丫-Fe中扩散系数跟碳与合金元素亲和力有关。形成 碳化物元素，如W、Mo、Cr等，降低碳的扩散系数；形成不稳定碳化物，如Mn对碳的扩散影响 不大；不形成碳化物元素，影响不一，如Co、Ni可提高C的扩散，而Si则降低碳的扩散。14.何谓n型半导体？何谓p型半导体？两者的载流子特征有何不同？【答案】(l)n型半导体是指本征半导体Si或Ge中加入少量VA族的P或As或Sb等元素后所形 成的半导体。(2)p型半导体是指在本征半导体Si或Ge中加入少量IIIA族的B或A或Ga或In等元素后所形 成的半导体。(3)型半导体的载流子包括施主电子、本征电子及等量的本征空穴，故其电子浓度高于空穴浓 度；P型半导体的载流子包括受主空穴、本征电子及等量的本征空穴，故其空穴浓度也高于电子 浓度。15.举例或画图说明什么是小角晶界的位错模型？描述大角晶界有何模型？其含义是什么？【答案】(1)小角晶界主要是指相邻晶粒位相差小于10。的晶界，而根据相邻晶粒之间位相差的 形式不同又可将其分为倾斜晶界、扭转晶界和重合晶界等。对称倾斜晶界可看做把晶界两侧晶体互相倾斜的结果，其晶界结构可看是由一列平行的刃型位错 所构成，位错的间距与柏氏矢量力之间的关系为。=空诉。2 sll1(0/2)不对称倾斜晶界结构可看成由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错交错排列而成。扭转晶界可看成是两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个。角所构成的，扭转轴 垂直于这一共同的晶面，其结构可看成由互相交叉的螺型位错所组成。(2)大角度晶界多为多晶体材料中各晶粒之间的晶界。大角度晶界上原子排列比较紊乱，但也存 在一些比较整齐的区域，因此其晶界可看成由坏区与好区交替相间组合而成，主要有重合位置 点阵模型、非晶模型和小岛模型。16.写出A*Hf体系相图(图1)中的三相反应，并划出虚线框内部分的相平衡关系局部扩大示 意图。2M0024002000(%)图1【答案】L+AusHJFCC(Au)L+A/HJAusHfL+Au3Hf-Au4HfLH-Au2Hf-*Au3HfL-Au2Hf-Fp-AuHfAu2Hf+p-AuHf-AujoHf7P-AuHf-AuwHf7+a-AuHfL-P-AuHf+AuHf20-AuHf+AuHfLa-AuHfL-AuHf2+BCC(Hf)BCC(Hf)-AuHf2-FHCP(Hf)虚线框内部分可能的相平衡关系局部扩大示意于图2。图217.请绘出面心立方点阵晶胞，并在晶胞中绘出（U0）晶面；再以（110）晶面平行于纸面，绘出（U0）晶面原子剖面图，并在其上标出001、H2 2 晶向。【答案】如图所示。图2017年湘潭大学材料科学与工程学院854材料科学基础（三）专业硕士考研强化模 拟题（四）说明：本资料为VIP学员内部使用,严格按照2017考研专业课大纲及历年常考题型出题。一、名词解释1.晶面族【答案】晶面族是对称关系（原子排列和分布，面间距）相同只是空间位向不同的各组等同 晶面，用hkl表示。2.过冷度【答案】过冷度是指相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生相转变，平衡相变温度与 该实际转变温度之差称过冷度。3.热塑性和热固性高分子材料【答案】高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶黏剂和高分子基复合材料等。高分子材料按其性能可分为热塑性和热固性高分子材料，其中，热塑性高分子材料可溶、可熔；热固性高分子材料不溶、不熔。利用加热和溶解的方法可 将热固性和热塑性材料分辨出来，常用的识别高分子材料的简便方法有经验法、燃烧法、溶解法、仪器分析法等。4.金属键【答案】金属键是金属正离子与自由电子之间的相互作用所构成的金属原子间的结合力。5.上坡扩散【答案】上坡扩散是指原子从低浓度向高浓度处的扩散，扩散的驱动力是化学位梯度。二、简答题6.萤石CaF：属立方晶系，其结构如图1所示，钙正离子位于立方晶胞的角顶和面的中心，形 成面心立方结构，而氟负离子填充在全部的(8个)四面体间隙中。请画出萤石晶体的结构基元 和空间点阵。【答案】由题意知，钙正离子位于立方晶胞的角顶和面的中心，而氟负离子填充在全部的(8个)四面体间隙中，则结构基元和空间点阵如图2所示。图27.如果沿FCC晶体的110方向拉伸，请写出可能启动的滑移系统。【答案】可能启动的滑移系统有四个，分别为8.沿银单晶(BCC)的棒轴213方向拉伸，使其发生塑性形变，设银单晶的滑移面为U0,请 确定：(1)初始滑移系统。(2)双滑移系统。(3)双滑移开始时的切变量丫。(4)滑移过程中的转动规律和转轴。(5)试棒的最终取向(假定试棒在达到稳定取向前不发生断裂)o【答案】(1)铜单晶为BCC结构，.213位于取向三角形.001 111中，所以初始滑 移系统为O1)11(2)；0ll)III-(Oil)111 j(3)利用人/+y(/)公设七二L0加,得七二213+”111/6。由此可知U=3,IT=4,y=76/4,所以晶体取向为304,切变量为、,6/4小(4)双滑移时，试样轴一方面转向H1,转轴，=1304 x LUU=413，另一方面也转向 111;转轴同=304 x 1T1=：4131：合成转轴为020即010,所以双滑移后F点沿 001H101边移动。(5)设稳定时取向为山。如1,要使11=000,需，0/x(jnn=000，即=力，故 稳定时最终取向为口01。9.请根据Fe-Fef相图分析回答下列问题：(1)请分析2.0wt%C合金平衡状态下的结晶过程，并说明室温下的相组成和组织组成。(2)请分析2.0wt%C合金在较快冷却，即不平衡状态下，可能发生的结晶过程，并说明室温下 组织会发生什么变化。(3)假设将一无限长纯铁棒置于930渗碳气氛下长期保温，碳原子仅由棒顶端渗入(如图1 所示)，试分析并标出930和缓冷至室温时的组织分布情况(绘制在答题纸上1【答案】L-Ly-Y-Y-Fe3C n-ya+Fe3C-a-Fe3Cin相组成：a+Fe3c组织组成：P+Fe3cH(忽略反山)。(2)根据冷速不同，可能出现共晶反应，得到Ld；得到的P层片细小；Fe3cM的析出将受到抑制,甚至不析出。防护c原子OOC：防护(3)如图2所示。图210.设在简单立方晶体中有一个位于滑移面ABCD上的位错环abed,其柏氏矢量h所受切应力t 如图1所示，回答下列问题：(1)指出位错环abed中各段位错线的类型。(2)画出位错环abed移出晶体后晶体所产生的滑移量及所产生变形的方向。【答案】(1)位错线ab和位错线cd的方向矢量都和其柏氏矢量b垂直，故它们属于刃型位错；而位错线be和位错线da的方向矢量都和其柏氏矢量b平行，故它们属于螺型位错。(2)位错环abed全部移出晶体后，晶体会产生宽度为一个柏氏矢量的滑移量，所产生变形的方 向与切应力t的方向一致，如图2所示。11.何为晶粒生长与二次再结晶？简述晶粒生长与二次再结晶的区别，并根据晶粒的极限尺寸讨 论晶粒生长的过程。【答案】晶粒生长是无应变的材料在热处理时，平均晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增 大的过程。在坯体内晶粒尺寸均匀地生长，晶粒生长时气孔都维持在晶界上或晶界交汇处。二次再结晶是少数巨大晶粒在细晶消耗时的一种异常长大过程，是个别晶粒的异常生长。二次再 结晶时气孔被包裹到晶粒内部。二次再结晶还与原料粒径有关。造成二次再结晶的原因：原料粒径不均匀，烧结温度偏高，烧结速率太快。晶粒生长过程略。防止二次再结晶的方法：控制烧结温度、烧结时间，控制原料粒径的均匀性，引入烧结添加剂。12.解释名词扩散系数。【答案】根据菲克第一定律，在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称 为扩散通量，用J表示）与该截面处的浓度梯度成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大,相应的数学表达式为：dC J=-D dx式中，D为扩散系数,raVs：C为扩散物质（组元）的体积浓度，原子数/m或ke/m；dC/dx为浓 度梯度；，号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散组元由高浓度区向低浓度区扩散；J为 扩散通量，kg/nf-%扩散系数是描述扩散速度的重要物理量，它相当于浓度梯度为1时的扩散 通量，D值越大则扩散越快。对于固态金属中的扩散，D值都是很小的，例如，lOOOP时碳在广Fe 中的扩散系数D仅为10m2/s数量级。13.指出合金强化的四种主要机制，解释强化原因。【答案】（1）合金强化的四种主要机制为固溶强化、沉淀强化和弥散强化、晶界强化、有序强化。（2）强化原因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，故产生一定的应力场，阻 碍位错运动；柯氏气团和铃木气团，前者是间隙原子优先分布于BCC金属刃型位错的拉应力区，对位错产生钉扎作用，后者是合金元素优先分布于FCC金属扩展位错的层错区，降低层错能，扩 大层错区，使扩展位错滑移更加困难。沉淀强化和弥散强化合金通过相变过程得到的合金元素与基体元素的化合物和机械混掺于基体材料中的硬质颗粒都会 引起合金强化，分别称之为沉淀强化和弥散强化。沉淀强化和弥散强化的效果远大于固溶强化。位错在运动过程中遇到第二相时，需要切过（沉淀强化的小尺寸颗粒和弥散强化的颗粒）或者绕 过（沉淀强化的大尺寸颗粒）第二相，因而第二相（沉淀相和弥散相）阻碍了位错运动。晶界强化按照Hall-Petch公式，屈服点S同晶粒直径d之间的关系是巴，其实质是位错越过晶 界需要附加的应力。因此低温用钢往往采用细晶粒组织。有序强化有序合金中的位错是超位错，要使金属发生塑性变形就需要使超位错的两个分位错同时运动，因 而需要更大的外应力。异类元素原子间的结合力大于同类元素原子间的结合力，所以异类原子的 有序排列赋予有序合金较高的强度。14.请比较二元共晶转变与包晶转变的异同。【答案】（1）相同点是：二者都是恒温、恒成分的转变；相图上均表现为水平线。（2）不同点:共晶为分解型反应，包晶为合成型反应；共晶线整个过程全是固相线，包晶线只是部分为固相线;共晶三角在水平线以上，包晶三角在水平线以下。15.论述冷变形后材料的组织和性能特点。【答案】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，进行李生变形的金属还出现挛晶带。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。16.什么是晶体缺陷？按照晶体缺陷的几何组态，晶体缺陷可分为哪几类？【答案】（1）在理想完整晶体中，原子按一定的次序严格地处在空间有规则的、周期性的格点上。但在实际的晶体中，由于晶体形成条件、原子的热运动及其他条件的影响，原子的排列不可能那 样完整和规则，往往存在偏离了理想晶体结构的区域。这些与完整周期性点阵结构的偏离就是晶 体缺陷，它破坏了晶体的对称性。晶体缺陷有的是在晶体生长过程中，由于温度、压力、介质组 分浓度等变化而引起的；有的则是在晶体形成后，由于质点的热运动或受应力作用而产生。它们 可以在晶格内迁移，以至消失；同时又可有新的缺陷产生。（2）按照晶体缺陷的几何组态，晶体缺陷可分为：点缺陷，只涉及到大约一个原子大小范围的晶格缺陷，包括：晶格位置上缺失正常应有的质点 而造成的空位；由于额外的质点充填晶格空隙而产生的填隙；由杂质成分的质点替代了晶格中固 有成分质点的位置而引起的替位等。在类质同象混晶中替位是一种普遍存在的晶格缺陷。线缺陷，是沿着晶格中某条线的周围，在大约几个原子间距的范围内出现的晶格缺陷。位错是 其主要的表现形式。面缺陷，是沿着晶格内或晶粒间的某个面两侧大约几个原子间距范围内出现的晶格缺陷，主要 包括堆垛层错以及晶体内和晶体间的各种界面，如小角晶界、畴界壁、双晶界面及晶粒间界等。此外，也有人把晶体中的包裹体等归为晶体缺陷而再分出一类体缺陷。17.以低碳钢的拉伸曲线为例，运用位错理论说明屈服现象及加工硬化现象。【答案】低碳钢的屈服是由于低碳钢中的碳是间隙原子，它与铁素体中的位错交互作用形成溶质 原子气团，即所谓的柯氏气团。该气团对位错有钉扎作用，只有在较大的应力作用下，位错才能 脱离溶质原子的钉扎，表现为应力-应变曲线上的上屈服点。而一旦位错脱钉，继续滑移，就不需 要那么大应力了，表现为应力-应变曲线上的下屈服点和水平台阶。当继续变形时，由于位错数量 的大大增加，导致应力又出现升高的现象，称为加工硬化现象。这是由于冷变形金属在塑性变形 过程中形成大量位错，这些位错部分成为不可动位错，从而导致其对可动位错的阻力增大，引起 材料继续变形困难，形成加工硬化或形变强化。2017年湘潭大学材料科学与工程学院854材料科学基础（三）专业硕士考研强化模 拟题（五）说明：本资料为VIP学员内部使用,严格按照2017考研专业课大纲及历年常考题型出题。一、名词解释1.离子键【答案】离子键是通过两个或多个原子或化学基团失去或获得电子而成为离子后形成的。带 相反电荷的离子之间存在静电作用，当两个带相反电荷的离子靠近时，表现为相互吸引，而电子 和电子、原子核与原子核之间又存在着静电排斥作用，当静电吸引与静电排斥作用达到平衡时，便形成离子键。因此，离子键是阳离子和阴离子之间由于静电作用所形成的化学键。2.置换固溶体【答案】溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体。当溶剂和溶质 原子直径相差不大，一般在15%以内时，易于形成置换固溶体。铜镁二元合金即形成置换固溶体,镇原子可在铜晶格的任意位置替代铜原子。3.再结晶【答案】再结晶是指形变金属在一定的加热条件下，通过新的可移动大角度晶界的形成及随 后移动，从而形成无应变新晶粒组织的过程。4.致密度【答案】致密度是表示晶胞中原子所占的体积与晶胞体积的比值，是衡量原子排列紧密程度 的参数，致密度越大，晶体中原子排列越紧密，晶体结构越致密。5.空间点阵【答案】为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可将实际晶体结构看成完整无缺的理 想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间