材料科学基础考研真题(附答案)

硕士研究生入学考试试题

考试科目代码及名称：959 材料科学基础

考试时限：3小时 总分：150分

一、名词解释 （10×3=30分）

加工硬化 沉淀强化 交滑移 上坡扩散 调幅分解

金属化合物 临界分切应力 珠光体 Orowan机制 等强温度

二、解答题（6×10=60分）

1、判断下列位错反应能否进行：

（1）]110[2]101[2]100[aaa；(2)]111[2]111[6]112[3aaa

2、请指明下列五种结构分别属于什么布拉菲点阵。注：a=b=c,α=β=γ=90°。

图省

3、冷变形金属在回复和再结晶过程中，组织和性能分别有什么变化？

4、试分别给出FCC,BCC及HOP的主要滑移系。

5、试分析液态金属凝固过程中形成中心等轴晶区的条件是什么？

6、为什么空位是热力学稳定缺陷，而位错是非热力学稳定缺陷。

三、问答题(3×20=60分)

1、绘出Fe-Fe3C相图，标出其中的关键成分和关键温度，并且回答：

（1）分析碳含量对Fe-C合金室温组织和力学性能的影响。

（2）分析45钢的拉伸变形过程可分为哪几个阶段及其相应的特征和机理。

2、试解释为什么材料的理论强度远高于其实际强度。随着现代科学技术的进步和国民经济的发展，材料的强韧化越来越重要，试举例说明材料强化或韧化的4种方法，并阐述相应的强化和韧化原理。

3、试分析下列材料科学过程是否与原子扩散有关，为什么？

A 热弹性马氏体箱变 B 脱溶分解 C 成分均匀化

D 高温蠕变 E G.P形成

硕士研究生入学考试试题参考答案

考试科目代码及名称：959 材料科学基础

考试时限：3小时 总分：150分

一、名词解释（30分）

加工硬化：随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度指标都有所提高，但塑性、韧性有所下降的现象。

沉淀强化：过饱和固溶体随温度下降或长时间保温过程中（时效）发生脱溶分解，细小的沉淀物分散于基体之中，阻碍位错运动而产生强化的现象。

交滑移：当某一螺位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移。

上坡扩散：组元从低浓度区向高浓度区迁移的扩散过程。扩散的驱动力是化学位梯度。

调幅分解：（过饱和）固溶体通过上坡扩散在一定的温度下分解成结构相同、成分不同的两个相的转变过程。

金属化合物：金属与金属、金属与某些非金属之间形成的化合物，结构与组成金属化合物的纯金属不同，一般具有熔点高、硬度高、脆性大的特点。

临界分切应力：滑移系开动所需的最小分切应力。它是有一个定值，与材料本身性质有关，与外力取向无关。

珠光体：铁碳合金共析转变产物，是共析铁素体和共析渗碳体的层片状混合物。

Orowan机制：合金相中与基体非共格的较硬第二相粒子与位错线作用时不变形，位错绕过粒子，在粒子周围留下一个位错环使材料得到强化的机制。

等强温度：晶界与晶粒两者强度相等时所对应的温度。

二、解答题（60分）

1、（1）几何条件：反应前]100[ba前，反应后]100[]200[b2aa后，几何条件满足后前bb

能量条件：反应前222222001baa前，

反应后222222222222)1(01101baaa后，不能满足能量条件22b后前b，故位错反应不能进行。

（2）、几何条件：反应前]111[]111[]112[b263aaa前，

反应后]111[b2a后，几何条件满足

能量条件：反应前24322226222232)1(11211baaa前，反应后243222222111baa后，能量条件不能满足22b后前b，故位错反应不能进行。

2、NaCl属于面心立方点阵，CsCl属于简单立方点阵，ZnS属于（简单）六方点阵，CaF2属于体心立方点阵，CaTiO3属于简单立方点阵。

3、答：组织变化：在回复阶段，组织几乎没有变化，晶粒仍是冷变形后的纤维状；在再结晶阶段，变形晶粒首先出现新的无畸变的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到变形组织完全改为新的、无畸变的细等轴晶粒。

性能变化：回复阶段，强度、硬度下降不多，塑性稍有提高，材料的密度变化不大，电阻率有明显下降，宏观应力可以全部或大部分被消除，微观内应力部分消除，变形储能部分释放；再结晶阶段，强度、硬度明显下降，塑性提高，材料的密度急剧升高，电阻率下降更快，内应力完全消除，变形储能全部释放。

4、FCC的密排面为{111}，密排向为<110>,则主要滑移系为{111}和101；BCC的密排面为{110}，密排向为<111>，则主要滑移系为{110}和111；HCP的密排面{0001}，密排向0211，主要滑移系为{0001}和0211 5、答：液态金属凝固过过程中，中心部位的液体温度达到均匀，各处温度可能都低于熔点下，由溶质原子的重新分配，在液固界面前沿出现成分过冷，由于溶液的流动使表面细晶一部分卷入液体之中或柱状晶被冲刷脱落进入前沿液体中作为非自发的仔晶，从而促使形成中心等轴区。总而言之，必须要达到两个条件：1）凝固界面前沿的液相中有晶核（仔晶）来源；2）液相存在晶核生长所需的过冷度。

6、答：在等温等压条件下，晶体中形成空位后，自由能可以写成STU，可知体系在一定温度下存在一个平衡空位浓度，在该浓度下，体系的自由能最低。即晶体中存在一些空位时，体系的自由能能达到最低，如果没有空位，自由能反而升高，也就是说，由热振动产生的空位属于热力学稳定缺陷；位错的存在均会使体系的内能升高，虽然位错的存在也会引起熵值增加，但是有限可以忽略，因此，位错的存在使体系处于高能的不稳定状态，位错是热力学不稳定的缺陷。

三、问答题（60分）

1、解答：

（1）图略

随碳含量的增加，铁碳合金的室温组织发生以下变化：α+Fe3CⅢ→α+P（珠光体）→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld′（室温莱氏体）→Ld′→Ld′+Fe3CⅠ

在亚共析钢中，随含碳量增加，珠光体逐渐增加，强度、硬度升高，而塑性、韧性下降；在过共析钢中，含碳量在接近1%时其强度达到最高值，含碳量继续增加，其强度下降，这是由于在含碳量Wc高于1%时脆性二次渗碳体于晶界形成连续的网络，使钢的脆性大大增加；在白口铁中，由于含有大量的渗碳体，故其脆性很大、强度很低，渗碳体的硬度很高且极脆，不能使合金的塑性提高，合金的塑性主要有铁素体来提供，因此，在白口铁中，含碳量的增加而是铁素体减少，铁碳合金的塑性不断降低，当组织中出现以渗碳体为基体的低温莱氏体时，塑性降低到接近零值。韧性对组织十分敏感，含碳量增加时，脆性的渗碳体增加，当出现网状的二次渗碳体时，韧性急剧下降们总体来看，韧性比塑性下降的趋势要大。

（2）45钢的拉伸变形过程可以分为：弹性变形阶段，弹塑性变形阶段（或流动区），抛物线硬化阶段。

弹性变形阶段：应力—应变呈直线关系，符合胡克定律，此阶段只有弹性变形；

弹塑性变形阶段：试样在应力为下屈服阶段时变形能继续进行；

抛物线硬化阶段：应力—应变曲线变为抛物线，加工速率随反应增加而降低，应力足够高时，塞积在障碍前的领先螺位错产生交滑移，使应力暂时松弛故硬化速率减小。

2、答：（注：回答可以从简）实际晶体中存在位错，而强度与位错运动有着密切关系，对于刃型位错由b1212pexp）（aG可有通过位错移动使晶体滑移所需的临界切应力很小，仅为理想晶体的100011001~倍。对于螺位错与刃型位错一样，由于原子移动量很小，所以它移动所需的力也很小，就有理论强度远大于实际强度。

四种强化方法：形变强化、固溶强化、细晶强化、第二相粒子强化。

形变强化：金属材料大量形变以后强度就会提高，具有加工硬化的性能，随着形变量的增加，材料的强度、硬度升高，韧性、塑性下降的现象称为形变强化。形变强化的机理：金属在塑性形变过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，发生位错的塞积、位错交割、位错反应、易开动的位错源不断消耗，结果产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高了材料的强度；

固溶强化：利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化的方法，随着溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。强化机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成柯氏气团对位错其扎钉作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。所有阻碍位错运动，增加位错滑移阻力的因素都可使强度提高。

细晶强化：随晶粒尺寸的减少，材料的强度硬度升高，塑性、韧性也得到改善的现象称为细晶强化。细晶强化不但可以提高材料的强度又能改善钢的塑性和韧性，是一种较好的强化材料的方法。强化机理：晶粒越细小，位错塞积群中位错个数（n）越小，根据0n，应力集中越小，材料的强度越高。强化的原因在于晶界对位错滑移的阻滞效应，当位错在多晶体中运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力，因此一侧晶粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒。还需要满足晶界上形变的协调性，需要多个滑移系统同时运作，这样会导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处，引起强度的增高。晶粒越细，晶界越多，位错被阻滞的地越多，多晶体的强度就越高。 第二相粒子强化：是指弥散分布于基体的第二相粒子阻碍位错运动而引起的强化。可以将第二相粒子分为，一类是不易变形粒子（包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子）；另一类是易变形粒子（如沉淀强化的小尺寸粒子）。当位错绕过不易变形的粒子时，其强化机制：由于不易变形粒子对位错的斥力足够大，运动位错在粒子前受阻、弯曲，随着外加切应力的增加，迫使位错以继续弯曲的方式向前运动，最后留下一个围绕粒子的位错环，实现位错的增值。后续的位错线绕过粒子更加困难，从而是材料的强度提高；当位错切过易变形粒子时，分两种机制：第一类短程交互作用（位错与粒子交互作用间距小于10b，b柏氏矢量），位错与粒子作用时会形成新的表面积、错排面（反相畴）、割阶，增加了界面能、畴界能，增大粒子的尺寸或增大体积分数，都能提高强度；第二类是长程交互作用（作用间距大于10b），由于粒子与基体的点阵不同，造成应力场，从而强化了材料。

3、答：A、与原子扩散无关，因为马氏体转变可以在相当低的温度范围内，进行并且转变速度极快，在低的温度依靠原子扩散实现快速转变时不可能的，马氏体相变是切变无扩散相变。B、脱溶分解与原子扩散有关，因为脱溶分解是由过饱和固溶体析出新相或形成原子偏聚的过程，脱溶需要形核和长大，则必有原子扩散，故脱溶分解受溶质扩散控制。C、成分均匀与原子扩散有关。D、高温蠕变与原子扩散有关，高温蠕变是当温度T≥（0.3~0.5）Tm（熔点）时，金属材料在载荷的持续作用下，出现由于点阵缺陷的定向扩散而引起的塑性变形。而点阵缺陷的扩散是依靠原子的扩散来实现的，所以高温蠕变与原子扩散有关。