材料科學(xué)基礎(chǔ)真題2006年

1、（清華大學(xué)）材料科學(xué)基礎(chǔ)真題2006年（總分：150.00，做題時(shí)間：90分鐘）一、論述題（總題數(shù)：9,分?jǐn)?shù)：150.00)1. 什么是Kirkendall效應(yīng)？請(qǐng)用擴(kuò)散理論加以解釋。若Cu-AI組成的互擴(kuò)散偶發(fā)生擴(kuò)散時(shí)，界面標(biāo)志物會(huì)向哪個(gè)方向移動(dòng)？（分?jǐn)?shù)：10.00）正確答案：（Kirkendall效應(yīng)：在置換式固溶體的擴(kuò)散過(guò)程中，放置在原始界面上的標(biāo)志物朝著低熔點(diǎn)元素的方向移動(dòng)，移動(dòng)速率與時(shí)間成拋物線關(guān)系。Kirkendall效應(yīng)否定了置換式固溶體中擴(kuò)散的換位機(jī)制，而證實(shí)了空位機(jī)制；系統(tǒng)中不同組元具有不同的 分?jǐn)U散系數(shù)；相對(duì)而言，低熔點(diǎn)組元擴(kuò)散快，高熔點(diǎn)組元擴(kuò)散慢，這種不等量的原子交換造成

2、了Kirkendall效應(yīng)。當(dāng)Cu-AI組成的互擴(kuò)散偶發(fā)生擴(kuò)散時(shí)，界面標(biāo)志物會(huì)向著Al的方向移動(dòng)。）解析：2. 標(biāo)出圖a、b（立方晶體）和c、d（六方晶體，用四指數(shù)）中所示的各晶面和晶向的指數(shù)：1. 圖a中待求晶面：ACF AFI（ I位于棱 EH的中點(diǎn)）、BCHE ADHE2. 圖b中待求晶向：BC EC FN（N點(diǎn)位于面心位置）、ME（M點(diǎn)位于棱BC的中點(diǎn)）3. 圖 c 中待求晶面：ABD E'、ADE F'、AFF A'、BFF B'。4. 圖d中待求晶向：A F、O M（M點(diǎn)位于棱AB的中點(diǎn)）、F' OF' D(分?jǐn)?shù)：16.00 )nf廊

3、護(hù)ADHE(010),、bchEI、嚴(yán)申|嚴(yán)鋼rw-q嚴(yán)靳|2. BC、EC、FN、MEADE F'F' O 、F' DAFF A、BFF B'$:解析：3. 已知金剛石晶胞中最近鄰的原子間距為0.1544nm,試求出金剛石的點(diǎn)陣常數(shù) a、配位數(shù)C.N.和致密度E(分?jǐn)?shù)：10.00 )所以C.N.=8-N=4a=0.3566nm解析：4. 判斷在FCC中下列位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行，并確認(rèn)在無(wú)外力作用下的反應(yīng)方向1. 2. 3. （分?jǐn)?shù)：9.00 ） 正確答案：（1 反應(yīng)不能進(jìn)行2能發(fā)生，向左。3能發(fā)生，向右。）解析：5.（將一根橫截面積為10cm的FCC金屬單晶體試棒

4、沿軸向進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。已知臨界分切應(yīng)力為20.1kgf/mm ，棒軸的初始取向?yàn)?，?qǐng)回答:1初始滑移系統(tǒng)（要求寫(xiě)出具體指數(shù)）2滑移開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律和轉(zhuǎn)軸。3 雙滑移系統(tǒng)。4雙滑移開(kāi)始時(shí)晶體的取向（即此時(shí)棒軸方向）。5 雙滑移開(kāi)始時(shí)的軸向壓力 P（不考慮物理硬化）6 晶體最終的穩(wěn)定取向（假設(shè)試棒在達(dá)到穩(wěn)定取向前不斷裂 ）（分?jǐn)?shù)：20.00 ）正確答案：（見(jiàn)下圖1.取向三角形，初始滑移系統(tǒng):2因?yàn)槭菈嚎s，所以轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律:，轉(zhuǎn)軸3 雙滑移系統(tǒng):4雙滑移開(kāi)始時(shí)晶體的取向:方法一：用晶帶關(guān)系求解方法二：用壓縮面變化公式求解A=a- y （a b）nuOw，則設(shè)雙滑移開(kāi)始時(shí)晶體的取向?yàn)殡p滑移開(kāi)始時(shí)晶體的取向?yàn)?/p>

5、:6.晶體最終的穩(wěn)定取向: 解析：b的位錯(cuò)環(huán)，并受到一個(gè)均勻的切應(yīng)力 t的作用，試分6. 如圖所示，某晶體的滑移面上有一個(gè)柏式矢量為 析：1該位錯(cuò)環(huán)各段位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)類型 2求各段位錯(cuò)所受力的大小和方向。3在t的作用下，該位錯(cuò)環(huán)將要如何運(yùn)動(dòng)。4在t的作用下，若該位錯(cuò)環(huán)在晶體中穩(wěn)定不動(dòng)，其最小半徑應(yīng)該是多大?（分?jǐn)?shù)：15.00 ）正確答案：（1 . A為正刃型位錯(cuò)，B為右螺旋位錯(cuò)，C為負(fù)刃型位錯(cuò)，D為左螺旋位錯(cuò)，其他為混合型位錯(cuò)。 2各段位錯(cuò)所受的力大小均為t b,方向垂直于位錯(cuò)線指向環(huán)外。3在外加切應(yīng)力 t的作用下，位錯(cuò)環(huán)將向外擴(kuò)散。4.由公式解析：，在t的作用下，此位錯(cuò)環(huán)要穩(wěn)定不動(dòng)，其最小半徑為

6、rmin =7. 將經(jīng)過(guò)70%拉伸冷變形的長(zhǎng)銅棒（Cu的熔點(diǎn)為1083C） 端浸入冰水中，另一端加熱到850C的高溫，過(guò)程持續(xù)一個(gè)小時(shí)。1畫(huà)岀沿該試棒長(zhǎng)度方向溫度分布圖，并標(biāo)岀再結(jié)晶溫度的大概值，對(duì)應(yīng)圖上的溫度分布畫(huà)岀樣品中金相組織連續(xù)變化示意圖和硬度變化曲線。2 解釋組織和硬度變化。（分?jǐn)?shù)：16.00 ）正確答案：（1 .考慮銅棒為工業(yè)純銅，對(duì)于大變形的工業(yè)純銅可以用0.4TM或0.35Tm）估計(jì)再結(jié)晶溫度。題目已知 Tm=1083°C=1356K 所以 Tr =0.4Tm=542K270C°2經(jīng)冷變形的棒中晶粒要沿軸向明顯拉長(zhǎng)。再結(jié)晶溫度以上的樣品晶粒由于再結(jié)晶而成為等

7、軸狀，溫度越 高晶粒越大，在溫度較高但低于再結(jié)晶溫度的區(qū)域樣品中發(fā)生回復(fù)，但晶粒形狀不變。硬度隨樣品回復(fù)有少量下降。再結(jié)晶組織的硬度明顯下降。晶粒長(zhǎng)大使硬度進(jìn)一步下降，因此表現(xiàn)岀上圖 中的硬度變化。）解析：8. 根據(jù)下圖所示A-B二元共晶相圖（共晶溫度為500C）:1 將含B=10wt（重量）的合金進(jìn)行定向凝固，定量給出結(jié)晶初始瞬間的晶體中B組元的濃度和穩(wěn)態(tài)結(jié)晶前沿的液相濃度。并給岀穩(wěn)態(tài)結(jié)晶條件下液相所對(duì)應(yīng)的最高和最低液相線溫度值。2計(jì)算共晶成分的合金中a和3兩相的重量比。3. 已知凝固速度R=1cm/h，擴(kuò)散系數(shù)為D=2XlO-5cm/s，這系統(tǒng)相對(duì)于發(fā)生成分過(guò)冷的臨界溫度梯度應(yīng)是多 少？為

8、了保持液，固界面在整個(gè)凝固過(guò)程中處于平直狀態(tài)，真實(shí)系統(tǒng)的溫度梯度應(yīng)該大于還是小于這個(gè)臨 界值。4在一般錠子凝固條件下，在B=25wt%合金的室溫組織，可以觀察到a晶界上有少量 3相，這是否是平衡組織？圖示并解釋該組織產(chǎn)生的原因。(分?jǐn)?shù)：40.00 )正確答案：（1 .假設(shè)液相線和固相線均為直線，從圖可知Ko=G/Cl=1/2。含10%B勺液相初始結(jié)晶時(shí)晶體中應(yīng)含（10%）/2=5%B。在穩(wěn)態(tài)結(jié)晶時(shí)結(jié)晶前沿成分為合金成分的固相平衡，所以液相成分為含（10%）X2=20%B從下圖得知，對(duì)應(yīng)60%液相線上溫度下降400C。所以,B每上升10%,溫度下降66.6 °C，即液相中最高濃度20%

9、和最低濃度10%分別對(duì)應(yīng)的溫度為:T3=(900- 2X66.6) C 766C "(900- 66.6) C 8330C 2. a / 3 =（85-60）/（60-30）=5/63 成分過(guò)冷的臨界溫度梯度為:得 926C/cm。由已知條件并利用相關(guān)公式為了保持液固界面平直，溫度梯度應(yīng)大于上述臨界值。4該組織不是平衡組織。產(chǎn)生原因是由于不平衡冷卻。先結(jié)晶的固相含B較低，而且在凝固過(guò)程中不能通過(guò)擴(kuò)散使固相成分均勻，其結(jié)果是固相的平均成分偏離固相線，即圖中虛線所示，在共晶溫度下仍有少量 液相，這部分液相在共晶溫度下傾向于發(fā)生離異共晶，其結(jié)果是在a晶界處留下了少量 3相。）解析：9. AI-4%Cu的合金，在190C時(shí)效處理的硬度變化可參照下圖,要求:1 以時(shí)效形成的組織特點(diǎn)，解釋該合金不同時(shí)效時(shí)間產(chǎn)生的硬度變化；2根據(jù)曲線和相圖，設(shè)計(jì)獲得最高硬度的熱處理工藝（假設(shè)原材料具有平衡室溫組織）(分?jǐn)?shù)：14.00 ) 礙位錯(cuò)滑移使材料硬度提高。 隨著時(shí)效時(shí)