兰州理工大学材料科学与工程学院801材料科学基础之材料科学基础考研仿真模拟题.pdf

兰州理工大学材料科学与工程学院801材料科学基础之材料科学基础考研仿 真模拟题(一)一、名词解释1.位错【答案】位错是指晶体中的一维缺陷或线状缺陷。2.相图【答案】金属及其他工程材料的性能决定于其内部的组织、结构，金属等材料的组织又由基 本的相所组成。由一个相所组成的组织叫单相组织，两个或两个以上的相组成的叫两相或多相组 织。相图就是用来表示材料相的状态和温度及成分关系的综合图形，其所表示的相的状态是平衡 状态。3.相图中的自由度【答案】相图中的自由度是指在相平衡系统中，在一定范围内可以任意改变而不引起旧相消 失或新相产生的独立变量。4.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。5.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。二、简答题6.如何改善钢的初性？【答案】主要措施有：尽量减少钢中第二相的数量；提高基体组织的塑性；提高组织的均 匀性；细化晶粒；加入Ni可以降低冷脆转折温度；防止溶质原子沿晶界分布与第二相沿晶 界析出。7.简述固态相变的一般特点。【答案】(1)相变阻力中多了应变能一项。(2)形核方面：非均匀形核，存在特定的取向关系，共格或半共格界面。(3)生长方面：出现惯习现象，即有脱溶贯序；特殊/规则的组织形态，如片状、针状。（4）新相以亚稳方式出现以减少相变阻力。8.试述针对工业纯铝、Al5%Cu合金、AL5%A19、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）AI-5%ALO3复合材料的强化机制为加工硬化、细晶强化、弥散强化。9.已知某铜单晶试样的两个外表面分别是（001）和（1U）。请分析当此晶体在室温下滑移时，在上述每个外表面上可能出现的滑移线彼此成什么角度？【答案】可能的滑移面为111晶面族，它们与（001）面的交线只可能有110和,所以滑移 线彼此平行或垂直。滑移面与（111）面的交线可能有 一，八 m,所以滑移线彼此平行 或成60。角。10.请绘出面心立方点阵晶胞，并在晶胞中绘出（110）晶面；再以（110）晶面平行于纸面，绘出（110）晶面原子剖面图，并在其上标出001、1121.HI晶向。【答案】如图所示。11.影响陶瓷晶体塑性变形能力的因素都有哪些？【答案】陶瓷晶体有共价键晶体、离子键晶幅口共价-离子混合晶体。因此影响因素主要有以下几 个方面：（1）由于共价键具有饱和性，所以位错运动有很高的点阵阻力；（2）而对于离子键晶体,位错运动通常都受到同号离子的巨大斥力，只在某些特定的方向上运动才较容易进行；（3）陶瓷 晶体中的滑移系少，塑性变形能力差；（4）在陶瓷晶体中一般柏氏矢量较大，因而位错运动阻力 大；（5）共价键晶体价键方向性、离子键晶体的静电作用力都对陶瓷晶体滑移系的可动性起决定 性的影响。12.请根据Fe-FeS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I【答案】L-L7-7-7Fe3CII-ya+Fe3C-aFe3C相组成：a+F.C组织组成：P+F.Cu（忽略 小小）。（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。（3）如图2所示。13.高分子材料接受热的表现可分为热塑性和热固性两大类，试从高分子链结构角度加以解释。【答案】热塑性：具有线性和支化高分子链结构，加热后会变软，可反复加工再成形；热固性：具有体型（立体网状）高分子链结构，不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦定型后不能再改变形 状，无法再生。14.何谓陶瓷？从组织结构的角度解释其主要性能特点。【答案】陶瓷主要是由无机非金属作为基体组分组成的。以共价键或离子键为主，在共价键结合 的陶瓷中，原子之间是通过共用电子对形式进行键合的，具有方向性和饱和性，且键能相当高，陶瓷主要是由高硬度高脆性的特殊氧化物、碳化物、氮化物等化合物为主要组成相的一类材料。由于这些化合物中的结合键以共价键或离子键为主，键合力稳定并且很强，故陶瓷材料具有熔点 高，热膨胀系数小，硬度高，抗氧化、耐腐蚀，高温强度高，良好的光学特性和绝缘性等特性；但由于烧结及制备工艺等原因，陶瓷材料中难免存在气孔或微裂纹，故陶瓷材料的脆性大，弓剧复 低且易存在缺陷。15.请简单说明层错能高低对螺型位错交滑移的影响，及其对金属加工硬化速率的影响。【答案】（1）层错能高低对螺型位错交滑移的影响：在变形过程中，层错能高的金属，其高层错使得全位错不易发生分解，遇到阻碍时，可以通过 交滑移继续运动，不会发生中断，直到与其他位错相遇形成缠结而后停止；层错能低的金属，由于其全位错容易分解为两个不全位错，难以发生交滑移，只能通过两个不 全位错的运动来完成，所以位错组态的运动性差。（2）在螺型位错交滑移过程中，由于同一滑移面上的两个异号的螺型位错相遇可以相互抵消，从 而降低位错的增殖速率。而对于层错能低的金属难以发生交滑移，因此变形过程中位错增殖速率 大，从而导致加工硬化速率增大。16.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1 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。17.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。2017年兰州理工大学材料科学与工程学院801材料科学基础之材料科学基础考研仿 真模拟题（二）说明：本资料为VIP学员内部使用,严格按照2017考研最新题型及历年试题难度出题。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.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。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.异质形核【答案】异质形核是晶核在液态金属中依靠外来物质表面（型壁或杂质）或在温度不均匀处 择优形成的形核方式。5.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。二、简答题6.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 现界面张力加、加和人的力学平衡，其数学表示式为：加 sin 4=/I3 sin%=/l2 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4=%=4=120所以单相金属的晶粒形状在显微镜下多为六边形。7.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。8.试从结合键的角度，分析工程材料的分类及其特点。【答案】金属材料：主要以金属键为主，大多数金属强度和硬度较高，塑性较好。陶瓷材料：以 共价键和离子键为主，硬、脆，不易变形，熔点高。高分子材料：分子内部以共价键为主，分子 间为分子键和氢键为主。复合材料：是以上三中基本材料的人工复合物，结合键种类繁多，性能 差异很大。9.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。.在立方晶胞内画出（丘1）、322）晶面,以及012,1101、20晶向。【答案】如图所示。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 极子相互作用而产生弱硬度低，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.固相烧结与液相烧结的主要传质方式？固相烧结与液相烧结之间有何相同与不同之处？【答案】(1)固相烧结有蒸发-凝聚传质和扩散传质；液相烧结有流动传质和溶解.沉淀传质；(2)相同点：烧结推动力，烧结过程；不同点：烧结速率，致密化过程，影响因素。13.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，无倾口性，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。14.画出立方晶系的100、101晶向的(U1).(Ill)晶面及六方晶系的11120晶向、(0001)晶面。【答案】如图所示。15.沿银单晶(BCC)的棒轴213方向拉伸，使其发生塑性形变，设铜单晶的滑移面为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Y。(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1【答案】(1)铝单晶为BCC结构，.2匚位于取向三角形 川 1口I中，所以初始滑 移系统为。1)一山(2)oil)r111J-(Oil)!Ill(3)利用入y&)品设七二4%得*初213+4r 111/属由此可知u=3,w=4,y=76/4,所以晶体取向为304,切变量为j6/4.(4)双滑移时，试样轴一方面转向111,转轴，二13041x 111=:413,另一方面也转向 111;转轴同=304 x 1T1=413：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*W 要使n=000,需x(111K ml)=000,即=卬.故 稳定时最终取向为101。16.纯金属中溶入另一组元后（假设不会产生新相）会带来哪些微观结构上的变化？这些变化如 何引起性能上的变化？【答案】（1）微观结构上的变化：引起点阵畸变，点阵常数会改变；会产生局部偏聚或有序，甚至出现超结构。（2）性能上的变化：因固溶强化使强度提高，塑性降低；电阻一般增大。17.简述位错、位错线和柏氏矢量（6）的概念，并论述柏氏矢量和位错线的相对关系。【答案】（1）位错是晶体材料的一种内部微观缺陷，指原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）o从 几何角度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，其存在对 材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。位错线是指晶体或晶格内滑移面上已滑动区的边界线称。位错线的形成和发展可用FrankRead源 的原理解释：当应力超过临界剪应力时，位错线扩张，形成内外两部分，外部位错逐渐扩大，内 部位错线恢复原状，在外力作用下，不断产生新位错环，因而得到很大的滑移量。柏氏矢量是描述位错实质的重要物理量，反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。通常将柏氏矢量称为位错强度，位错的许多性质如位错的能量、所受的力、应力场、位错反应等 均与其有关。它也表示出晶体滑移时原子移动的大环口方向。（2）柏氏矢量和位错线的相对关系：一条位错线具有唯一的柏氏矢量。它与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关，位错在 晶体中运动或改变方向时，其柏氏矢量不变；根据柏氏矢量与位错线的关系可以确定位错的类型。当柏氏矢量垂直于位错线时是刃位错；当 柏氏矢量平行于位错线时是螺位错；当柏氏矢量与位错线成任意角度时是混合位错。2017年兰州理工大学材料科学与工程学院801材料科学基础之材料科学基础考研仿 真模拟题(三)说明：本资料为VIP学员内部使用,严格按照2017考研最新题型及历年试题难度出题。一、名词解释1.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。2.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。3.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。4.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。5.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。二、简答题6.金属的固态相变与金属的结晶过程基本一样，大多也包括形核和生长两个基本阶段，但在固 态相变过程中新、旧两相的比容不同，使系统额外增加了应变能以及由相界面上的原子不匹配而 引起的弹性应变能，因此固态相变在许多方面与结晶过程有着显著的差异。试分析固态相变的一 般特点。【答案】固态相变的一般特点：(1)相变阻力中多了应变能一工页。(2)形核方面：非均匀形核为主；具有特定的取向关系；相界面常为共格或半共格的。(3)生长方面：具有惯习现象，有特定的组织形态，如片状、针状。(4)有亚稳相。7.举例说明材料的基本强化形式有哪几种，并说明其中三种的强化机制。【答案】通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料强度的方法，称为材料的强化。其 强化基本形式有：固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化等。这些强化方式总的来说是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度 弥散的质点或不均匀性(如偏聚)等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高材料强度。(1)固溶强化：无论是代位原子或是填隙原子，在条件合适的情况下，都可能发生原子偏聚而形 成气团。对代位点阵来说，当溶质原子比溶剂原子的直径大时，溶质原子有富集在刃型位错受胀 区的趋向；反之，富集于受压区。填隙原子则总是向受胀区富集。这种靠扩散在位错附近富集的 现象，称为柯氏气团(Cottrellatmosphere)。柯氏气团对位错有钉扎作用，从而使强度提高。(2)沉淀强化和弥散强化：过饱和固溶体随温度下降或在长时间保温过程中(时效)发生脱溶分 解。时效过程往往是很复杂的，如铝合金在时效过程中先产生GP区，继而析出过渡相(0及e),最后形成热力学稳定的平衡相(0)。细小的沉淀物分散于基体之中，阻碍着位错运动而产生强化 作用，这就是沉淀强化或时效强化(3)加工硬化：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。8.试说明多晶体金属塑性变形时，晶粒越小强度越高.塑性越好的原因。【答案】多晶体金属塑性变形时，晶粒越小强度越高，塑性越好的原因是：(1)由于晶粒细小，各晶粒中可供塞积位错的滑移面较短，塞积位错的数量n也少，由位错塞积 引起的应力集中小而分散，迫使相邻晶粒位错源开动就较为困难，故屈服强度较高。(2)晶粒细小而数目很多，在相同外力作用下，处于滑移有利方位的晶粒数量也会增多，使众多 的晶粒参加滑移，滑移量分散在各个晶粒中，应力集中小，这样在金属变形时引起开裂的机会小,直至断裂之前，能获得较大的塑性变形量。9.谈谈你所了解的新材料、新工艺。【答案】材料的种类繁多，把那些已经成熟且在工业中已批量生产并大量应用的材料称之为传统 材料或基础材料。而把那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料称之为先进材料或 新材料。传统材料通过采用新技术、提高性能可以成为新材料，新材料经过长期生产和应用之后也就成为 传统材料。目前新材料往往与新的加工技术联系在一起，如通过一种快速冷却或机械合金化等加 工方法，可以制备非晶态的金属合金，而在这之前人们不知道金属还可以做成非晶态；其他如喷 射沉积技术、半固态加工技术、净形薄带连续铸造技术等都是新的加工技术。其中铝合金制备新技术有：热顶铸造、气隙铸造及电磁铸造技术，铝合金电磁铸轧技术，大型铝 合金型材挤压技术，特宽铝合金中厚板轧制技术，半固态金属成形技术，铝合金显微组织结构预 测及性能控制技术。10.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 I04图【答案】(1)由图知，横坐标为温度的倒数纵坐标为扩散系数D。(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。=Aexp(-Q/?r)对数处理的结果；利用直线关 系可求常数&和激活能。11.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(iu)ioi.(ui)ou.(iniiDtoiile12.画出铁碳相图，标明相图中各特征点的温度与成分，写出相图中包晶反应、共晶反应与共析 反应的表达式。【答案】(1)铁碳相图如图。图(2)包晶L(0.53%C)-F5-Fe(0.09%C)-y-Fe(0.17%C)共晶反应:L(4.3%C)-y-Fe(2.11%C)+Fe3c(6.69%C)共析反应：Y-Fe(0.77%C)-a-Fe(0.02%C)+Fe3c(6.69%O13.液态金属在结晶时如何细化晶粒？【答案】常用的方法有：(1)增加过冷度。可以增加结晶的驱动力，降低临界形核功Goc*)，减小临界晶核半径(然增加形核率；ZIZ(2)变质处理。烧注前加入形核剂，利用异质形核来细化晶粒；(3)机械(或电磁)振动、搅拌。总之，增加形核率，降低长大速度，就可以细化晶粒。14.说说你对材料的成分、组织、工艺与性能之间关系的理解。【答案】材料的成分、组织、工艺与性能之间的关系非常紧密，互相影响。材料的性能与它们的 化学成分和组织结构密切相关，材料的力学性能往往对结构十分敏感，结构的任何微小变化，都 会使性能发生明显变化。如钢中存在的碳原子对钢的性能起着关键作用，许多金属材料中一些极微量的合金元素也足以严 重影响其性能。然而由同一元素碳构成的不同材料如石墨和金刚石，也有着不同的性能，有些高 分子的化学成分完全相同而性能却大不一样，其原因是它们有着不同的内部结构。材料的内部结构可分为不同层次，包括原子结构、原子的排列方式，以及显微组织和结构缺陷。如果同样的晶体材料，它的晶粒或是相的形态和分布改变，就可以大大地改善它的性能。无 论是金属、陶瓷、半导体、高分子还是复合材料，它们的发展都与成分和结构密切相关。只有理 解和控制材料的结构，才能得到人们所要求的材料性能。而材料的制备/合成和加工不仅赋予材料一定的尺寸和形状，而且是控制材料成分和结构的必要手 段。如钢材可以通过退火、淬火、回火等热处理来改变它们内部的结构而达到预期的性能，冷乳 硅钢片经过复杂的加工工序能使晶粒按一定取向排列而大大减少铁损。有时候可以说没有一种合 成加工上的新的突破，就没有某一种新材料。如有了快速冷却的加工方法，才有了非晶态的金属 人仝 口 zizo15.写出fee、bee和hep晶胞中的四面体、八面体间隙数，致密度和原子配位数。【答案】(1)间隙数。：foe晶胞有4个八面体间隙，8个四面体间隙；bee晶胞有6个八面体间隙,12个四面体间隙；hep晶胞有6个八面体间隙，12个四面体间隙；(2)配位数。Bee：最近邻8个，考虑次近邻为(8+6)个；fee：最近邻12个；hep：理想状态12个，非理想状态(6+6)个。(3)致密度。fee：0.74；bee：0.68；hep：0.74o16.指出影响冷变形后金属再结晶温度的主要因素。要获得尺寸细小的再结晶晶粒，有哪些主要 措施？【答案】(1)影响冷变形后金属再结晶温度的主要因素有：变形程度、微量杂质和合金元素、金 属晶粒度、加热时间、加热速度。(2)要获得尺寸细小的再结晶晶粒主要措施有：加大冷变形程度，加入微量合金元素，提高加热 速度，采用细晶粒金属。17.解释冷变形金属加热时回复、再结晶的过程及特点。【答案】冷变形金属加热时，各自特点如下：(1)回复过程的特征回复过程组织不发生变化，仍保持变形状态伸长的晶粒。回复过程使变形引起的宏观一类应力全部消除，微观二类应力大部分消除。回复过程中一般力学性能变化不大，硬度、强度仅稍有降低，塑性稍有提高，某些物理性能有 较大变化，电阻率显著降低，密度增大。变形储能在回复阶段部分释放。(2)再结晶过程的特征组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒。力学性能发生急剧变化，弓虽度、硬度急剧降低，塑性提高，恢复至变形前的状态。变形储能在再结晶过程中全部释放，三类应力(点阵畸变)清除，位错密度降低。(3)晶粒长大过程的特征晶粒长大。引起一些性能变化，如强度、塑性、初性下降。伴随晶粒长大，还发生其他结构上的变化，如再结晶织构。2017年兰州理工大学材料科学与工程学院801材料科学基础之材料科学基础考研仿 真模拟题（四）说明：本资料为VIP学员内部使用,严格按照2017考研最新题型及历年试题难度出题。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.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.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。4.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。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.对Cu-Ni合金什么成分硬度最高？硬度最高的合金流动性如何？为什么？如果两个形状相同 的铜银合金铸件，一个含银90%、一个含银50%,铸后自然冷却，哪一个合金产生的偏析大？为 什么？【答案】（1）含50%60%Ni的合金硬度最高。（2）由于结晶间隔最大，因此硬度最高的合金流动性不好。（3）含镖50%的合金铸件在铸后自然冷却，铸件的偏析较为严重，因为它的成分间隔大，会造成 较大的枝晶偏析。7.画一个四方晶胞（。=底5。=90。）并标注出坐标原点和三个基矢（a、b、c）,然 后：（1）在晶胞中画出（210）晶面；（2）画出和一个与（210）晶面和（100）晶面同属一个晶带 的晶面，标出它的晶面指数，并写出该晶带轴的晶向指数。【答案】如图所示。8.什么是空间点阵与晶体结构？对于同一种空间点阵，晶体结构是否唯一，为什么？请指出图 中Cr和CsCl的晶体结构个属于那种空间点阵，并说明理由。【答案】(1)空间点阵是指周围环境相同的阵点在空间规则排列的三维阵列；晶体结构是指晶体 中实际质点的具体排列情况。(2)对于同一种空间点阵，晶体结构不唯一，因为晶体结构指的是实际质点的具体排列情况，它 们能组成各种类型的排列，实际存在的晶体结构是无限的。(3)Cr属于体心立方点阵，CsCl属于简单立方点阵。Cr的晶胞中，Cr占据体心和八个顶角位置,每个原子的周围环境都相同，即构成了体心立方点阵。csci中，cr占据八个顶角，它们的周围环 境都相同；对于Cs十来说，Cs也具有相同情况，若将C晨看成顶点，也是简单立方点阵。9.定性比较陶瓷材料、金属材料、高分子材料的弹性模量的高低，并从材料中结合键的角度分 析存在差异的原因。【答案】(1)三类材料中，陶瓷材料的弹性模量最大，金属材料的弹性模量次之，高分子材料的 弹性模最小。(2)原因：材料弹性模量的大小取决于材料中结合键的强弱。陶瓷材料由很强的离子键或共价 键结合，故其弹性模量很大；金属材料由较弱的金属键结合，故其弹性模量较小；高分子材 料分子链中为很强的共价键，但分子链间由很弱的二次键结合，故其弹性模量很小。10.何谓正偏析与负偏析？【答案】(1)正偏析：当溶质的分配系数女时】的合金凝固时，部分溶质被排挤到凝固界面附近的 液相中，以后再凝固出的固相中溶质浓度就随之升高，这种偏析称为正偏析。(2)%。1的合金凝固时，在凝固过程中外层的一定范围内溶质浓度由外向内逐步降低，这种偏 析称为负偏析。11.根据图所示的二元相图，回答下列问题。图(1)A1为面心立方金属，写出单胞中的原子数、致密度、配位数、密排面与密排方向。在单胞 中画出密排面与密排方向。指出a的晶体结构。与9均是A1与Cu相互作用的结果，说明a与。的结构差别。(2)何谓再结晶全图和起始再结晶温度？制订一种测定再结晶温度的方案，简述原理。(3)比较纯铝平衡结晶时与x合金平衡结晶时的异同点。分析x合金平衡结晶和非平衡结晶中组 织转变的过程。(4)x合金塑性变形后的组织、性能有何变化？用位错理论解释x合金的室温强化措施。【答案】(1)A1单胞中原子数4,致密度0.74,配位数12,密排面111,密排方向a的晶体 结构FCC。a与()均是Al与Cu相互作用的结果，a是固溶体，晶体结构与AI相同，e是化合物,晶体结构与Al、Cu均不相同。(2)再结晶全图是变形金属变形程度、退火温度与退火后晶粒大小的图，起始再结晶温度指大变 形金属退火山后开始再结晶的温度。一种测定再结晶温度的方案可以是大变形金属退火山后，测 量硬度变化，硬度大幅下降温度为开始再结晶温度。(3)纯铝平衡结晶时，需要能量与结构起伏，X合金平衡结晶时还需要成分起伏，结晶速度快于 纯金属，有溶质原子再分配、成分过冷等。X合金的平衡结晶组织转变过程为：L-a,a,a-0u，非平衡结晶中组织转变过程为：L-a,出现非平衡共晶，a,afg。(4)x合金塑性变形后的组织、性能变化有加工硬化、组织纤维化、加工残余内应力，甚至有加 工织构及其他物理化学性能变化。X合金的室温强化措施有固溶强化、加工硬化、细化晶粒强化、沉淀强化等。位错理论解释为：固溶强化是固溶原子在位错周围形成各种气团，加工硬化是增加 位错数目，细化晶粒强化是增加晶界数目，沉淀强化是第二相粒子与位错交互作用导致位错切过 或绕过粒子，这些均增加了位错运动难度，使得强度上升。12.在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下 元素结构有什么区别？它的性质如何递变？【答案】同一周期元素具有相同原子核外电子层数，但从左一右，核电荷依次增多，原子半径逐 渐减小，电离能增加，失电子能力降低，得电子能力增加，金属性减弱，非金属性增强；同一主 族元素最外层电子数相同，但从上一下，电子层数增多，原子半径增大，电离能降低，失电子能 力增加，得电子能力降低，金属性增加，非金属性降低。13.简述固态相变与液态相变的相同点与不同点。【答案】(1)相同点：都是相变，由形核、长大组成。临界半径，临界形核功形式相同。转变动 力学也相同。(2)不同点：形核阻力中多了应变能一项，造成固态相变的临界半径及形核功增 大；新相可以亚稳方式出现；存在共格、半共格界面，特定的取向关系；非均匀形核。14.简单立方晶体中，若位错线方向为001,b=a 口 10,试说明该位错属于什么类型的位错？【答案】因位错线方向与柏氏矢量方向垂直，因此该位错为刃位错。15.根据冷却速度对金属组织的影响，现要获得非晶，亚稳相，请指出其凝固时如何控制。【答案】要获得非晶可以以极快速度将金属液体冷却，要获得亚稳相也必须使冷却速度远远超过 平衡冷却速度。16.简述聚合物晶体形态和金属晶体形态的异同。【答案】聚合物的晶体以各种形式存在，如单晶、球晶、串晶、柱晶和伸直链晶等。(1)单晶。凡是能够结晶的聚合物，在适当的条件下都可以形成单晶。单晶只能从极稀的聚合物 溶液(浓度一般低于001%)，加热到聚合物熔点以上，然后十分缓慢地降温制备。得到的单晶只 是几个微米到几百微米大小的薄片状晶体，但是具有规则外形。单晶的晶片厚度约为100A,且与 聚合物的相对分子质量无关，只取决于结晶时的温度和热处理条件。晶片中分子链是垂直于晶面 方向的，而聚合物分子链一般有几千条以上，因此认为晶片中分子链是折叠排列的。(2)球晶。聚合物从浓溶液或熔体冷却时，往往形成球晶-种多晶聚集体。依外界条件不同，可以形成树枝晶、多角晶等。球晶可以生长得很大，最大可达到厘米级，用光学显微镜很容易在 正交偏振光下观察到球晶呈现的黑十字消光图形。球晶中分子链总是垂直于球晶半径方向。(3)串晶。在应力作用下的聚合物结晶，一般不一定形成球晶，而是形成纤维状晶体。这种晶体 中心为由伸直链构成的微束原纤结构，周围申着许多折叠链片晶。随着应力的增大和伸直链结构 增多。其力学强度提高。具有这种结构的制品，由于没有球晶那种散射作用而呈透明状。(4)柱晶。聚合物熔体在应力作用下冷却结晶时，若是沿应力方向成行地行成晶核，由于晶体生 长在应力方向上受到阻碍，不能形成完善的球晶，只能沿垂直于应力方向生长成柱状晶体。(5)伸直链晶体。聚合物在极高的压力下结晶，可以得到完全由伸直链构成的晶片，称为伸直链 晶体。实验发现，在0.5GPa压力下，20(TC时，让聚乙烯结晶200h,则得到晶片厚度与分子链长 度相当的晶体，晶体密度为().994g/cnA由于伸直链可能人幅度提高材料的力学强度，因此提高制 品中伸直链的含量，是使聚合物力学强度接近理论值的一个途径。17.画出削F.C相图。【答案】如图所示。图2017年兰州理工大学材料科学与工程学院801材料科学基础之材料科学基础考研仿 真模拟题（五）说明：本资料为VIP学员内部使用,严格按照2017考研最新题型及历年试题难度出题。一、名词解释1.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的几何质点，称之为阵点。这些阵点在空 间呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空 间点阵。2.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。3.中间相【答案】中间相是指合金中组元之间形成的、与纯组元结构不同的相。在相图的中间区域。4.非稳态扩散【答案】三国急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。5.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。二、简答题6.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Ed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。7.任意选择一种材料，说明其可能的用途和加工过程。【答案】如Al-Mg合金。作为一种可加工、不可热处理强化的结构材料，由于具有良好的焊接性 能、优良的耐蚀性能和塑性，在飞机、轻质船用结构材料、运输工业的承力零件和化工用焊