中南大學碩士材料科學基礎真題2009年

試卷十二2009年攻讀碩士學位研究生入學考試試題考試科目：材料科學基礎適用專業(yè)：材料學、材料加工一、 已知鋁的空位形成能為0.76eV/空位，25°C時鋁的點陣常數(shù)為0.405nm。計算25C時鋁的空位濃度（空位/cm3）。鋁在什么溫度下空位濃度是25C時的1000倍？二、 根據(jù)Fe-FeC相圖，分析含碳量w=1.2%的鐵碳合金從液態(tài)平衡冷卻至3C室溫的轉(zhuǎn)變過程，并分別計算室溫下的相組成物及組織組成物的相對量（滲碳體含碳量為6.67%）；如果要使顯微組織中滲碳體與珠光體各占一半，那么該合金的含碳量是多少？三、 為什么多元合金凝固時會出現(xiàn)成分過冷？成分過冷對合金的凝固組織有什么影響？四、 什么是變質(zhì)劑？試簡述添加變質(zhì)劑細化晶粒的基本原理。五、 結(jié)合影響金屬材料強度的因素，總結(jié)位錯理論在材料科學中的應用。六、 簡述冷變形后金屬回復及再結(jié)晶退火對材料組織和性能變化的規(guī)律，說明哪些地方可能是再結(jié)晶優(yōu)先形核的地點，指出再結(jié)晶、結(jié)晶、固態(tài)相變之間的主要區(qū)別。七、 解答下列擴散問題。簡述影響擴散系數(shù)的主要因素。2?試利用圖12-1所示Fe-O相圖分析純鐵在1000C氧化時氧化層內(nèi)的組標準答案1.設鋁的點陣常數(shù)為a=0.405nm,由題可知單位晶體體積內(nèi)單胞數(shù)為，由于鋁為FCC結(jié)構，每個單胞內(nèi)的原子個數(shù)為4,可知單位體積內(nèi)結(jié)點個數(shù)為NI?？瘴粷舛葹?12-1)廠單位體積內(nèi)空爸數(shù).5)丿-翳(12-1)5=單位體積內(nèi)結(jié)點數(shù)(巧皿式中，A為材料常數(shù)，通常取A=1；空位形成能Q=0.76eV，而VleV=1.602X10-i9j；R=8.31J/mol?K，為氣體常數(shù)；T為熱力學溫度。在25°C時，T=(273+25)K=298K，代入式(12-1)得到此溫度下的鋁中的空位濃度n=8.34X109空位/cm3。由空位濃度計算公式(12-1)，不同溫度下空位濃度與溫度有關，5辱魯1E一ftKJ.口tkl|二 ?CT~亠■_1000T=298K，I?待求，而依題意有 ，代入各數(shù)據(jù)計算可得T=115.7C。2二、 由Fe-FeC相圖可知，w=1.2%的鐵碳合金在冷卻過程中先凝固成奧氏3C體，當溫度達到A線后，開始析出滲碳體，隨滲碳體的析出，奧氏體中的含碳cm量降低，當溫度達到738C時，奧氏體的含碳量變?yōu)?.68%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變成珠光體。所以最后相組成物為18%滲碳體+82%鐵素體，組織組成為13%的滲碳體+87%珠光體。如果要使顯微組織中滲碳體與珠光體各占一半，那么由杠桿定律計算得到該合金的含碳量為3.675%。三、 多元合金凝固過程中熔點高的元素先凝固，如果合金攪拌不夠充分，將會使低熔點的元素富集在凝固界面前沿，降低凝固界面前沿液相的實際凝固溫度，這時即使是正的溫度梯度，凝固界面前沿也可能出現(xiàn)過冷度隨離開界面距離增加而增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為成分過冷現(xiàn)象。成分過冷現(xiàn)象的出現(xiàn)將使多元合金即使在正的溫度梯度下也可能出現(xiàn)胞狀組織或枝晶組織。四、 通過少量添加能改變合金鑄造組織相組成、相形貌或晶粒度從而改變鑄造合金性能的物質(zhì)稱為變質(zhì)劑。變質(zhì)劑細化晶粒的基本原理是變質(zhì)劑本身或變質(zhì)劑與合金中元素反應能夠形成構成合金析出晶核的彌散相，該彌散相與合金凝固相能形成界面能很低的共格界面，合金在該彌散相上非均勻形核從而達到細化晶粒的目的。五、 固溶強化的可能位錯機制主要是溶質(zhì)原子氣團對位錯的釘扎，增加了位錯滑移阻力。如溶質(zhì)原子與位錯彈性交互作用的柯垂爾氣團和斯諾克氣團，溶質(zhì)原子與擴展位錯交互作用的鈴木氣團，使層錯寬度增加，位錯難于束集，交滑移困難；溶質(zhì)原子形成的偏聚和短程有序，位錯運動通過時破壞了偏聚和短程有序使得能量升高，增加位錯的阻力；溶質(zhì)原子與位錯的靜電交互作用對位錯滑移產(chǎn)生的阻力使材料強度升高。彌散強化也是通過阻礙位錯運動強化材料，如位錯繞過較硬、與基體非共格第二相的Orowan機制和切割較軟、與基體共格的第二相粒子的切割機制。產(chǎn)生加工硬化的各種可能機制有滑移面上平行位錯間交互作用的平行位錯硬化理論，以及滑移面上的位錯與其他滑移面上的位錯林切割產(chǎn)生割階的林位錯強化理論。晶界強化，按照霍爾-佩奇公式，其實質(zhì)是位錯越過晶界需要附加應力。有序強化，有序合金中的位錯是超位錯，要使金屬發(fā)生塑性變形就需要使超位錯的兩個分位錯同時運動，因而需要更大的外應力。異類元素原子間的結(jié)合力大于同類元素原子間的結(jié)合力，所以異類原子的有序排列賦予有序合金較高的強度。六、隨退火溫度的升高或退火時間的延長，形變組織中的位錯纏結(jié)演變?yōu)閬喚В瑏喚нM行合并長大；在形變不均勻區(qū)內(nèi)發(fā)生再結(jié)晶形核及長大，等軸晶取代形變長條晶粒；隨后是晶粒正常長大。在性能上，強度、硬度下降，電阻下降；塑性、韌性提高。這些過程在再結(jié)晶階段比回復階段更顯著。優(yōu)先形核地點為：原始晶界、形變時形成的新大角晶界處或通過亞晶長大而逐步形成的大角晶界、第二相粒子附近等。再結(jié)晶只是一種組織變化，沒有結(jié)構變化，驅(qū)動力是形變儲能；結(jié)晶是非晶態(tài)的液相、氣相或固態(tài)非晶體中形成晶體的過程；固態(tài)相變是固/固相的結(jié)構變化。后兩者的驅(qū)動力都是化學自由能差。七、1?影響擴散的因素：①溫度的影響。溫度越高，擴散越快。②晶體結(jié)構的影響。結(jié)構不同，擴散系數(shù)不同。③固溶體類型對擴散的影響。不同的固溶體，原子的擴散和機制不同。④固溶體濃度對擴散的影響。濃度越大，擴散越容易。⑤晶體缺陷的影響。晶界、位錯、空位都會對擴散產(chǎn)生影響。⑥化學成分對擴散的影響。加入化學元素對擴散會產(chǎn)生阻礙。2?根據(jù)Fe-