西工大材料学考研模拟题套《材料科学基础》.docx
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西工大材料学考研模拟题套《材料科学基础》
一、简答题(每题6分,共30分)
1.原子的结合键有哪几种?
各有什么特点?
2.面心立方晶体和体心立方晶体的晶胞原子数、配位数和致密度各是多少?
3.立方晶系中,若位错线方向为[001],
,试说明该位错属于什么类型。
4.请说明间隙化合物与间隙固溶体的异同。
5.试从扩散系数公式
说明影响扩散的因素。
6.何为过冷度?
它对形核率有什么影响?
二、作图计算题(每题10分,共40分)
1. 在面心立方晶体中,分别画出(101)、[110]和
、[
,指出哪些是滑移面、滑移方向,并就图中情况分析它们能否构成滑移系?
2. 已知Al为面心立方晶体,原子半径为rA。
若在Al晶体的八面体间隙中能溶入最大的小原子半径为rB,请计算rB与rA的比值是多少。
3. A-B二元合金中具有共晶反应如下:
若共晶反应刚结束时,α和β相的相对含量各占50%,试求该合金的成分。
4. 已知铜的临界分切应力为1Mpa,问要使
面上产生[101]方向的滑移,应在[001]方向上施加多大的力?
三、综合分析题(每题15分,共30分)
1.按下列条件绘出A-B二元相图:
(1)A组元(熔点600℃)与B组元(熔点500℃)在液态时无限互溶;
(2)固态时,A在B中的最大固溶度为wA=0.30,室温时为wA=0.10;而B在固态下不溶于A;
(3)300℃时发生共晶反应
。
在A-B二元相图中,分析wB=0.6的合金平衡凝固后,在室温下的相组成物及组织组成物,并计算各相组成物的相对含量。
2.请绘出下列Fe-C合金极缓慢冷却到室温后的金相组织示意图,并标注各组织。
(腐蚀剂均为3%硝酸酒精)
一、简答题(每题6分,共30分)
1.原子的结合键有哪几种?
各有什么特点?
离子键:
正负离子相互吸引;键合很强,无方向性;熔点、硬度高,固态不导电,导热性差。
共价键:
相邻原子通过共用电子对结合;键合强,有方向性;熔点、硬度高,不导电,导热性有好有差。
金属键:
金属正离子于自由电子相互吸引;键合较强,无方向性;熔点、硬度有高有低,导热导电性好。
分子键:
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。
氢 键:
类似分子键,但氢原子起关键作用XH-Y;键合弱,有方向性;熔点、硬度低,不导电,导热性好。
2.面心立方晶体和体心立方晶体的晶胞原子数、配位数和致密度各是多少?
晶胞原子数
配位数
致密度
面心立方
4
12
74%
体心立方
2
8
68%
3.立方晶系中,若位错线方向为[001],
,试说明该位错属于什么类型。
因位错线方向垂直于柏氏矢量,所以是刃位错。
4.请说明间隙化合物与间隙固溶体的异同。
相同点:
小原子溶入
不同点:
若小原子溶入后,大小原子数量成比例,在选取点阵时,大小原子点阵可以合并,这实际上改变了大原子的点阵结构,因此认为形成新相,称为间隙相(间隙化合物)。
若小原子溶入后,分布随机,大小原子点阵不能合并,仍然保留大原子点阵,称为间隙固溶体。
5.试从扩散系数公式
说明影响扩散的因素。
从公式表达形式可以看出扩散系数与扩散激活能Q和温度T有关。
扩散激活能越低扩散系数越大,因此激活能低的扩散方式的扩散系数较大,如晶界和位错处的扩散系数较大。
温度越高,原子活性越大,扩散系数越大。
6.何为过冷度?
它对形核率有什么影响?
过冷度:
实际结晶温度与理论结晶温度的差值。
随过冷度增大,形核率先增后减。
二、作图计算题(每题10分,共40分)
1. 在面心立方晶体中,分别画出(101)、[110]和
、[
,指出哪些是滑移面、滑移方向,并就图中情况分析它们能否构成滑移系?
对面心立方晶体,(101)非密排面,因此它不是滑移面;[110]是密排方向,因此是滑移方向。
但这二者不能构成滑移系。
和[
是密排面和密排方向,因此可以构成滑移系。
2. 已知Al为面心立方晶体,原子半径为rA。
若在Al晶体的八面体间隙中能溶入最大的小原子半径为rB,请计算rB与rA的比值是多少。
3. A-B二元合金中具有共晶反应如下:
若共晶反应刚结束时,α和β相的相对含量各占50%,试求该合金的成分。
设合金成分为c%,由题知:
得:
c %=0.55%
4. 已知铜的临界切分应力为1Mpa,问要使
面上产生[101]方向的滑移,应在[001]方向上施加多大的力?
对立方晶系,两晶向[h1k1l1]和[h2k2l2]夹角公式为:
故滑移面的法线
与拉力轴方向[001]的夹角为:
同理,滑移方向[101]与拉力轴方向[001]的夹角为:
由分切应力公式得:
三、综合分析题(每题15分,共30分)
1.按下列条件绘出A-B二元相图:
1) A组元(熔点600℃)与B组元(熔点500℃)在液态时无限互溶;
2) 固态时,A在B中的最大固溶度为wA=0.30,室温时为wA=0.10;而B在固态下不溶于A;
3) 300℃时发生共晶反应
。
在A-B二元相图中,分析wB=0.6的合金平衡凝固后,在室温下的相组成物及组织组成物,并计算各相组成物的相对含量。
相组成:
A+β
组织组成:
A+β+AII
2.请绘出下列Fe-C合金极缓慢冷却到室温后的金相组织示意图,并标注各组织。
(腐蚀剂均为3%硝酸酒精)
工业纯铁:
F
20钢:
F+P
45钢:
F+P
T8钢:
P
T12钢:
P+Fe3C网状
亚共晶白口铸铁:
P+Ld’
一、简答题(每题6分,共30分)
1.工程材料分为哪几类?
它们的结合键如何?
2.根据凝固理论,请分析细化铸锭晶粒的途径及原理
3.固溶体非平衡凝固时,形成微观偏析和宏观偏析的原因有何区别?
4.请为置换固溶体、间隙固溶体、间隙化合物、正常价化合物、电子化合物和间隙化合物各举一具体例子。
5.为什么细晶强化可以同时提高合金强度、硬度、塑性和韧性?
二、作图计算题(每题10分,共40分)
1. 钛的晶胞(密排六方)体积在20℃时为0.106nm3,其c/a=1.59,求:
(1)c、a的值;
(2)钛原子半径。
2. 已知钼为体心立方结构,请回答:
(1) 画出其晶胞示意图;
(2) 在图中画出一个可能的滑移系,并标明滑移面和滑移方向的指数。
3. 一碳钢在平衡冷却条件下,室温组织为珠光体+二次渗碳体,其中珠光体含量为90%。
请确定该碳钢的含碳量,并画出组织示意图。
4. 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?
三、综合分析题(每题15分,共30分)
1.根据下列已知条件绘出A-B二元共晶相图:
i. tA >tB(tA 、tB为A、B的熔点);
ii. 共晶反应为
;
iii. B在A中的固溶度随温度的下降而减小,室温时为wB=0.03;A在B中的固溶度不随温度变化,
并请回答:
(1)分析wB=0.85的合金平衡结晶过程;
(2)计算该合金室温下的相组成物及组织组成物。
(忽略二次相)
8. 一楔型纯铜铸锭,经间距恒定的轧辊轧制(如图);
(1) 请画出轧制后,锭子的晶粒示意图。
(2) 画出将该锭子进行再结晶退火后,晶粒示意图。
并分析原因。
一、简答题(每题5分,共30分)
1.何为空间点阵?
它与晶体结构有何异、同?
2.请简述晶界有哪些特征?
3.何为固溶强化?
置换固溶体与间隙固溶体相比,哪个的固溶强化效果强?
请简述影响固溶度的因素。
4.请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。
5.什么是反应扩散?
请简述其特点。
6.简述在什么情况下会发生单滑移、多滑移和交滑移,它们的滑移线形貌特征是什么。
二、作图计算题(每题10分,共40分)
1. 请计算简单立方和体心立方晶体的(100)、(110)和(111)晶面的面间距(假设两种点阵的点阵常数都是a)。
2. 在面心立方晶体中,分别画出
、
和、
,指出哪些是滑移面、滑移方向,并就图中情况分析它们能否构成滑移系?
若外力方向为<001>,请问哪些滑移系可以开动?
3. 请判定下列反应能否进行,若能够进行,则在简单立方晶胞内绘出参加反应位错的柏氏矢量。
1)
2)
4. 已知三元简单共晶的投影图,见附图,
1) 请画出AD代表的垂直截面图及各区的相组成;
2) 请画出X合金平衡冷却时的冷区曲线,及各阶段相变反应。
三、综合分析题(每题15分,共30分)
1.已知Mg-Ni合金系中一个共晶反应:
L23.5%Ni⇔α纯Mg+Mg2Ni54.6%Ni
设有C1和C2两种合金,C1为亚共晶,C2为过共晶。
这两种合金的初生相质量分数相等,但室温时C1中α(即Mg)的总量是C2中α总量的2.5倍,请确定C1和C2的成分。
2. 某工厂对一大型零件进行淬火处理,经过1100℃加热后,用冷拉钢丝绳吊挂,由起重吊车送往淬火水槽,行至途中钢丝突然发生断裂。
该钢丝是新的,且没有瑕疵,是分析该钢丝绳断裂的原因。
综合模拟测试
一、简答题(每题6分,共30分)
1. 请简述刃型位错、螺型位错的主要特征。
2. 相互垂直的位错运动后发生交割,原位错可能会发生什么变化?
在后续的位错运动中可能会有什么影响?
3. 什么是离异共晶?
如何发生的?
4. 简述平衡结晶与非平衡结晶的不同之处。
5. 形成无限固溶体的条件是什么?
简述原因。
6. 在固态下晶体的线缺陷对溶质原子的扩散有何影响?
二、作图计算题(共40分)
1. 在A滑移面上有一环形位错,所受切应力如图所示,试分析在平面位错环上各段属于哪种类型的位错?
作图表示位错运动的方向?
(俯视观看)(8分)
A
b
2. 根据Fe-Fe3C相图画出含碳0.65%的铁碳合金的冷却曲线。
指出平衡冷却室温下相组成物、组织组成物是什么?
并计算其相对含量。
(12分)
3、下图为Cu-Zn相图,图中有多少三相平衡,写出它们的反应式。
(8分)
4、已知单晶铜的{111} 滑移系的临界分切应力τk为1MPa,请问:
① 要使 面上产生 方向的滑移,则在 方向上应施加多大的应力?
② 假设在单晶铜中只开动 滑移系,那么随着滑移的进行,拉伸试样中 面会产生什么现象?
它对随后的进一步变形有何影响?
(12分)
三、综合分析题(每题15分,共30分)
1. 为了细化纯铝板晶粒,采用冷变性的方法将其变形3%~5%,之后采用620℃退火1h,组织反而粗化,增大冷变形至80%以上,再于620℃退火1h,组织仍然粗大。
分析其原因,指出上述工艺不合理之处并拟定一种合理的晶粒细化工艺。
(T再=0.4T溶 纯铝熔点为660℃)
2. 简述60#钢(含碳0.6%)平衡结晶(假设为均匀形核)需要满足的条件。
综合模拟测试 参考答案
一 简答题(每题6分,共30分)
1. 请简述刃型位错、螺型位错的主要特征
答:
刃型位错:
✧ 晶体中有一个额外原子面,形如刀刃插入晶体
✧ 刃型位错周围的点阵发生了弹性畸变
✧ 位错线可以是折线或曲线, 但位错线必与滑移(矢量)方向垂直
✧ 只有一个确定的滑移面
✧ 位错线的移动方向与晶体滑移方向平行(一致)
✧ 位错线与柏氏矢量垂直
螺型位错:
Ø 上下两层原子发生错排,错排区原子依次连接呈螺旋状
Ø 位错线周围点阵产生了弹性畸变;
Ø 螺型位错与晶体滑移方向平行,故位错线一定是直 线
Ø 螺型位错的滑移面是不确定的,凡是包含螺型位错的平面均可作为它的滑移面;
Ø 位错线的移动方向与晶体滑移方向相互垂直。
Ø 位错线与柏氏矢量平行
2. 相互垂直的位错运动后发生交割,原位错可能会发生什么变化?
在后续的位错运动中可能会有什么影响?
答:
交割后在原位错线上留下对方柏氏矢量大小、方向的扭转或割接,但是该位错线仍是原柏氏矢量。
所有的割阶都是刃型位错,而扭折可以是刃位错也可以是螺位错在后续位错运动中,由于:
扭折与原位错同一滑移面,可随主位错线一起运动,几乎不产生阻力,并在线张力的作用下易消失割阶与原位错线不在同一滑移面,故除非割阶产生攀移,否则割阶就不能跟随主滑移线一起运动,成为位错运动的障碍,称为割阶硬化
3. 什么是离异共晶?
如何发生的?
答:
在共晶水平线的两个端部附近,由于共晶量少,领先相相依附在初生相上,另一相独立存在于晶界,在组织学上失去共晶体特点,称为离异共晶。
有时,也将端部以外附近的合金,在非平衡凝固时得到的少量共晶,称为离异共晶。
4. 简述平衡结晶与非平衡结晶的不同之处。
答:
平衡结晶是指结晶速度非常缓慢,液相和固相中扩散均很充分的情况下的结晶。
非平衡结晶是指结晶速度比较快,扩散不充分的情况下的结晶。
5. 形成无限固溶体的条件是什么?
简述原因。
答:
形成固溶体时,溶质原子的溶入会使溶剂结构产生点阵畸变,使体系自由能升高。
间隙固溶体中溶质原子溶入溶剂间隙中引起的点阵畸变较大,故不能形成无限互溶;置换固溶体中溶质原子取代了溶剂原子的位置,晶格畸变较小。
当溶质、溶剂尺寸相差越小,晶格畸变越小,能量越低,溶解度越大;两组元具有相同的晶体结构可形成无限互溶。
6. 在固态下晶体的线缺陷对溶质原子的扩散有何影响?
答:
①Q↓——D↑——管道机制 ②Q↑——D↓——陷阱机制
二 作图计算题(共30分)
1、根据Fe-Fe3C相图画出含碳0.65%的铁碳合金的冷却曲线。
指出平衡冷却,室温下相组成物、组织组成物是什么?
并计算其相对含量。
(12分)
参考答案:
相组成:
α +Fe3C
组织组成:
F+P+Fe3CIII(少量、忽略)
室温下,相的相对含量:
室温下,组织相对含量:
忽略
2、在A滑移面上有一环形位错,所受切应力如图所示,试分析在平面位错环上各段属于哪种类型的位错?
作图表示位错运动的方向?
(俯视观看)(8分)
答:
3、下图为Cu-Zn相图,图中有多少三相平衡,写出它们的反应式。
(8分)
答:
⑴包晶反应 α+L→β;
⑵包晶反应 β+L→γ;
⑶包晶反应 γ+L→δ;
⑷包晶反应 δ+L→ε;
⑸包晶反应 ε+L→η;
⑹共析反应 δ→r+ε;
4、已知单晶铜的{111}
滑移系的临界分切应力τk为1MPa,请问:
①要使
面上产生
方向的滑移,则在
方向上应施加多大的应力?
②假设在单晶铜中只开动
滑移系,那么随着滑移的进行,拉伸试样中
面会产生什么现象?
它对随后的进一步变形有何影响?
(10分)
答:
(1)
滑移面
的法线方向
和拉力轴
的夹角
与拉力轴
的夹角
需要施加的力
(2)(111)面会发生转动。
晶面转动使晶体位相发生改变,使滑移面和滑移方向逐渐趋于平行拉伸轴线方向,从而使后续塑性变形所需外力进一步增大。
三 综合题(每题15分,共30分)
1、为了细化纯铝板晶粒,采用冷变性的方法将其变形3%~5%,之后采用620℃退火1h,组织反而粗化,增大冷变形至80%以上,再于620℃退火1h,组织仍然粗大。
分析其原因,指出上述工艺不合理之处并拟定一种合理的晶粒细化工艺。
(T再=0.4T溶 纯铝熔点为660℃ )
答:
前一种为临界变形度下变形,高温退火再结晶驱动力小,形核少,晶粒粗大;后种工艺,在大变形下,根据T再=0.4T溶 计算,T再≈100℃,故再结晶温度不得大于200℃为宜,由于采用了620℃高温退火,晶粒异常长大(二次再结晶),造成晶粒粗大。
正确工艺:
>70%以上冷变形,之后150℃退火1h
2、简述60#钢(含碳0.6%)平衡结晶(假设为均匀形核)需要满足的条件
答:
综合模拟测试
一、简答题(每题6分,共30分)
1. 请简述工程材料的分类。
2. 请简述滑移和孪生变形的特点?
3. 若将一位错线的正方向定义为原来的反向,此位错的柏氏矢量是否改变?
位错的类型是否改变?
4. 动态再结晶与静态再结晶后的组织有何差别?
力学性能有何差别?
5. 请简述金属间化合物的一般特性。
二、作图计算题(每题10分,共40分)
1. 设有一条内径为30mm的厚壁管道,被壁厚0.1mm的铁膜隔开。
由管子一端通入氮气,保持铁膜一侧活性氮原子浓度为1200mol/m3,另一侧为100mol/m3。
如果在700℃下测得通过管道的氮气流量为2.8×10-4 mol/s,求此时氮原子在铁中的扩散系数。
2. 请在立方晶胞中绘出 和 两晶面,并计算其夹角。
共析钢
过共晶白口铸铁
Al-5.0wt%Cu
Al-13%Si
3. 请分别绘出室温下,共析钢、过共晶白口铸铁平衡组织;Al-5.0wt%Cu合金平衡组织;Al-13%Si合金平衡组织。
4. 已知简单三元共晶的投影图,且A-B共晶温度最高,B-C共晶温度稍低,A-C共晶温度最低。
请绘出介于B-C和A-C共晶温度之间的等温截面,以及AE垂直截面图,并标注各区域的相组成。
e
A
B
C
E
三、综合分析题(每题15分,共30分)
1. 请以层片状共晶组织为例,论述二元共晶时如何满足成分条件。
2. 根据Al-Zr二元相图回答:
1) 写出1490℃、1250℃、975℃、940℃的相变反应,并判断反应类型。
2) 画出x=50.0%合金平衡结晶的冷却曲线,并标明各阶段的相变反应。
3) 计算x=30.0%合金平衡结晶到室温下的相组成。
综合模拟测试 参考答案
一、简答题(每题6分,共30分)
1. 请简述工程材料的分类。
答:
金属材料,陶瓷材料,高分子材料,复合材料。
2. 请简述滑移和孪生变形的特点?
答:
滑移变形特点:
1)平移滑动:
相对滑动的两部分位向关系不变
2)滑移线与应力轴呈一定角度
3)滑移不均匀性:
滑移集中在某些晶面上
4)滑移线先于滑移带出现:
由滑移线构成滑移带
5)特定晶面,特定晶向
孪生变形特点:
1) 部分晶体发生均匀切变
2) 变形与未变形部分呈镜面对称关系,晶体位向发生变化
3) 临界切分应力大
4) 孪生对塑变贡献小于滑移
5) 产生表面浮凸
3. 若将一位错线的正方向定义为原来的反向,此位错的柏氏矢量是否改变?
位错的类型是否改变?
答:
柏氏矢量反向。
位错类型不变,符号改变。
4. 动态再结晶与静态再结晶后的组织有何差别?
力学性能有何差别?
答:
动态再结晶后获得中心有畸变的等轴晶,晶粒内部有被缠结位错分割的亚晶。
静态再结晶后获得低位错密度的等轴晶。
一般,动态再结晶后的强度、硬度比静态再结晶的高。
5. 请简述金属间化合物的一般特性。
答:
金属间化合物种类繁多,机构复杂,一般具有极高的硬度,较高的熔点,塑形差。
往往具有特殊的物理化学性质。
二、作图计算题(每题10分,共40分)
1. 设有一条内径为30mm的厚壁管道,被壁厚0.1mm的铁膜隔开。
由管子一端通入氮气,保持铁膜一侧活性氮原子浓度为1200mol/m3,另一侧为100mol/m3。
如果在700℃下测得通过管道的氮气流量为2.8×10-4 mol/s,求此时氮原子在铁中的扩散系数。
答:
满足扩散第一定律应用条件,得:
活性氮原子通量为:
铁膜中活性氮原子浓度梯度为:
由扩散第一定律:
2. 请在立方晶胞中绘出 和 两晶面,并计算其夹角。
答:
α=19.1°
3. 请分别绘出室温下,共析钢、过共晶白口铸铁平衡组织;Al-5.0wt%Cu合金平衡组织;Al-13%Si合金平衡组织。
答:
略
4. 已知简单三元共晶的投影图,且A-B共晶温度最高,B-C共晶温度稍低,A-C共晶温度最低。
请绘出介于B-C和A-C共晶温度之间的等温截面,以及AE垂直截面图,并标注各区域的相组成。
e
A
B
C
E
答:
A
B
C
L
L+A+B
L+A
L+B
L+B+C
L+C
E
A
L
L+A
L+C
L+B+C
A+B+C
L+A+C
三、综合分析题(每题15分,共30分)
1. 请以层片状共晶组织为例,论述二元共晶时如何满足成分条件。
答:
首先通过成分起伏获得某一组元的富集并形成共晶中的某一相(领先相),此时会在其周围形成另一组元的富集,比较容易满足另一相的形成条件,从而形成共晶中的另一相。
如此反复,满足成分条件,交替形核,而形成共晶。
形核后,两相与液相的界面处均会形成溶质原子的富集,溶质原子通过横向扩散,满足两相生长所需的成分条件,实现液固界面的推进。
2. 根据Al-Zr二元相图回答:
1) 写出1490℃、1250℃、975℃、940℃的相变反应,并判断反应类型。
2) 画出x=50.0%合金平衡结晶的冷却曲线,并标明各阶段的相变反应。
3) 计算x=30.0%合金平衡结晶到室温下的相组成。
答:
1) 1490℃:
L→Al3Zr+Al2Zr 共晶反应
1250℃:
Al3Zr4 +Al3Zr2 →AlZr 包析反应
975℃:
β-Zr+AlZr2 →AlZr3 包析反应
940℃:
β-Zr+AlZr3 →α-Zr 包析反应
2)
L
L→Al3Zr2
Al3Zr2 +Al3Zr4
Al3Zr4 +Al3Zr2 →AlZr
AlZr
L→Al3Zr2 +Al3Zr4
3) x=
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