西北工业大学材料科学基础历年真题与答案解析. 下载本文

西北工业大学

2012年硕士研究生入学考试试题 答案

试题名称:材料科学基础 试题编号:832 说 明:所有答题一律写在答题纸上 第 页 共 页

一、 简答题(每题10分,共50分)

1. 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

2. 什么是上坡扩散?哪些情况下会发生上坡扩散?

答:由低浓度处向高浓度处扩散的现象称为上坡扩散。应力场作用、电场磁场作用、晶界内吸附作用和调幅分解反应等情况下可能发生上坡扩散。扩散驱动力来自自由能下降,即化学位降低。

3. 在室温下,一般情况金属材料的塑性比陶瓷材料好很多,为什么?纯

铜与纯铁这两种金属材料哪个塑性好?说明原因。

答:金属材料的塑性比陶瓷材料好很多的原因:从键合角度考虑,金属材料主要是金属键合,无方向性,塑性好;陶瓷材料主要是离子键、共价键,共价键有方向性,塑性差。离子键产生的静电作用力,限制了滑移进行,不利于变形。

铜为面心立方结构,铁为体心立方结构,两者滑移系均为12个,但面心

立方的滑移系分布取向较体心立方匀衡,容易满足临界分切应力。且面心立方滑移面的原子堆积密度比较大,因此滑移阻力较小。因而铜的塑性好于铁。

4. 请总结并简要回答二元合金平衡结晶过程中,单相区、双相区和三相

区中,相成分的变化规律。

答:

单相区:相成分为合金平均成分,不随温度变化;

双相区:两相成分分别位于该相区的边界,并随温度沿相区边界变化; 三相区:三相具有确定成分,不随结晶过程变化。

5. 合金产品在进行冷塑性变形时会发生强度、硬度升高的现象,为什么?

如果合金需要进行较大的塑性变形才能完成变形成型,需要采用什么中间热处理的方法?而产品使用时又需要保持高的强度、硬度,又应如何热处理?

答:合金进行冷塑性变形时,位错大量増殖,位错运动发生交割、缠结等,使得位错运动受阻,同时溶质原子、各类界面与位错的交互作用也阻碍位错的运动。因此发生应变硬化,使强度、硬度升高。

较大的塑性变形产生加工硬化(应变硬化),如果需要继续变形就要进行中间热处理,即再结晶退火,使塑性恢复到变形前的状态,零件可继续进行塑性变形。

如果产品需要保持高的强度、硬度,可在最终热处理时采用去应力退火,去除残余应力,保持零件较高的强度、硬度。

二、 作图计算题(每题15分,共60分)

1、 在Fe-Fe3C相图中有几种类型的渗碳体?分别描述这些渗碳体的形成条件,并绘制出平衡凝固条件下这些不同类型渗碳体的显微组织形貌。

答:

渗碳体包括:初生(一次)渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体,共五种。

(1)初生(一次)渗碳体:含碳量大于4.3%的Fe-C合金在平衡凝固时从液相结晶出来的渗碳体,形貌为板条状。 (2)二次渗碳体:含碳量0.77~2.11%的Fe-C合金,在1148℃冷却到727℃过程中,从γ相中脱溶的渗碳体。

(3)三次渗碳体:含碳量小于0.0218%时,低于727℃,从α相脱溶析出的渗碳体。

(4)共晶渗碳体:含碳量2.11~6.69%的Fe-C合金,在1148℃发生共晶反应时形成的渗碳体。

(5)共析渗碳体:含碳量0.0218~6.69%的Fe-C合金,在727℃发生共析反应时生成的渗碳体。

各渗碳体形貌见教材相关部分。

2、 在两个相互垂直的滑移面上各有一条刃型位错 AB、XY,如图所示。假设以下两种情况中,位错线XY在切应力作用下发生运动,运动方向如图中v所示,试问交割后两位错线的形状有何变化(画图表示)?在以下两种情况下分别会在每个位错上形成割阶还是扭折?新形成的割阶或扭折属于什么类型的位错?

答:a图:

① XY向下运动与AB交割,产生PP′小台阶,宽度为|b1| ② PP′的柏氏矢量仍为b2 ③ PP′⊥b2为刃型位错

④ PP′不在原滑移面上,为割阶 ⑤ XY平行于b2,不形成台阶

b图:

① AB位错线上出现PP′平行于b2,宽度为|b1| ② PP′的柏氏矢量仍为b2 ③ PP′∥b2为螺型位错

④ PP′在原滑移面上,为扭折

⑤ XY位错线上出现QQ′平行于b1,宽度为|b2| ⑥ QQ′的柏氏矢量仍为b1 ⑦ QQ′∥b1为螺型位错

⑧ QQ′在原滑移面上,为扭折

3、已知H原子半径r为0.0406nm,纯铝是fcc晶体,其原子半径R为0.143nm,请问H原子溶入Al时处于何种间隙位置?

答:fcc晶体的八面体间隙

,四面体间隙

。根据题意知

,因此H原子应处于八面体间隙。

4、柱状试样,当固溶体合金(k0>1)从左向右定向凝固,凝固过程中假设,凝固速度快,固相不扩散、液相基本不混合,α/L(固/液)界面前沿液体中的实际温度梯度为正温度梯度。由于α/L界面前沿液体存在成分过冷区,晶体易以树枝状结晶生长。当合金从左向右定向凝固,达到稳态凝固区时,请分析并画出:① k0>1相图;② α/L界面处固体、液体的溶质浓度分布图;③ 液体中成分过冷区图。

答:柱状试样从左向右定向凝固,在固相不扩散、液相基本不混合、k0>1的条件下,在凝固达到稳态凝固区时,α/L界面前沿液体溶质浓度分布CL如图a所示。由于α/L界面前沿液体中溶质浓度从左向右逐渐升高(与k0<1情况不同),成分与相图对应如图b。α/L界面前沿液体中从左向右熔点逐渐升高(与k0<1情况相同)构成TL曲线,加之界面前沿液体中的实际温度梯度为正温度梯度Tn,即形成了由TL、TN两曲线组成的成分过冷区见图c,在凝固过程中晶体易以树枝状结晶生长。

三、 综合分析题(共40分)

1、试用位错理论解释低碳钢的应变时效现象。 答:将退火低碳钢进行少量塑性变形后卸载,然后立即加载,屈服现象不再出现。如果卸载后在室温下放置较长时间或加热到一定温度保温,屈服现象再次出现,而且低碳钢的强度及硬度升高,这种现象称为应变时效或机械时效。 机理:

柯垂尔理论认为,卸载后立即重新加载,位错已经脱钉,因此不再出现屈服现象。放置或加热后再加载,位错被重新定扎,因此会再次出现屈服现象。

位错増殖理论认为,卸载后立即重新加载,位错已经増殖,因此不再出现屈服现象。放置或加热后再加载,发生了回复,位错发生重排和抵消,因此会再次出现屈服现象。

两种理论均有实验依据,目前一般同时采用两理论解释应变时效的产生原因。

2、如图所示,在立方单晶体中有一个位错环ABCDA,其柏氏矢量b平行于z轴

1) 指出各段位错线是什么类型的位错。

2) 各段位错线在外应力τ作用下将如何运动?请绘图表示

答:

1)AB、BC、CD、DA段都是刃位错

2)AB和CD不动;BC向上滑移,AD向下滑移,如图所示。

西北工业大学

2011年硕士研究生入学考试试题参考答案

试题名称:材料科学基础(A卷) 试题编号:832 说 明:所有答题一律写在答题纸上 第 1 页 共 7 页

一、 简答题(每题10分,共50分)

1. 请从原子排列、弹性应力场、滑移性质、柏氏矢量等方面对比刃位错、

螺位错的主要特征。 答:刃型位错:

1) 1晶体中有一个额外原子面,形如刀刃插入晶体 2) 2刃位错引起的应力场既有正应力又有切应力。

3) 3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