2014年材科基真題精講

2014年材科基真題精講第一頁(yè)，共25頁(yè)。北

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學(xué)2014年碩士學(xué)位研究生入學(xué)考試試題一、簡(jiǎn)述題（30分）

1、再結(jié)晶溫度詳解：點(diǎn)評(píng)：本題考生應(yīng)該注意，再結(jié)晶溫度并不是再結(jié)晶開始時(shí)候的溫度，而是在一定時(shí)間內(nèi)完成再結(jié)晶的最低溫度，里面的關(guān)鍵字是一定時(shí)間和最低溫度。有關(guān)于再結(jié)晶的知識(shí)在歷年考題中考查力度很大，如再結(jié)晶定義、再結(jié)晶過程、再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力等等。第二頁(yè)，共25頁(yè)。2、相平衡條件詳解：熱力學(xué)條件是等溫等壓下，任一組分在各相中化學(xué)勢(shì)相等，體系此時(shí)總摩爾吉布斯自由能最小。點(diǎn)評(píng)：本題考查的是相圖一章的知識(shí)，解答本題的時(shí)候一定要注意一個(gè)前提條件是等溫等壓，跟本題有關(guān)的考點(diǎn)還有相平衡和相律的基本概念。3、上坡擴(kuò)散詳解：普遍意義來說，擴(kuò)散產(chǎn)生是由于存在著化學(xué)位梯度，只是在一般條件下，化學(xué)位梯度大多與濃度梯度一致。決定組元擴(kuò)散的是化學(xué)位梯度，擴(kuò)散總是導(dǎo)致擴(kuò)散組元化學(xué)勢(shì)減小，直至化學(xué)位梯度為零，所以當(dāng)化學(xué)位梯度和濃度梯度相反時(shí)，擴(kuò)散是從濃度低的地方向濃度高的地方擴(kuò)散，這就是上坡擴(kuò)散。點(diǎn)評(píng)：擴(kuò)散的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力是化學(xué)位梯度，所以不管濃度怎樣，擴(kuò)散總是從化學(xué)位梯度高的地方向化學(xué)位梯度低的地方，擴(kuò)散的最后結(jié)果是化學(xué)勢(shì)處處相等。第三頁(yè)，共25頁(yè)。

第四頁(yè)，共25頁(yè)。后所引起的二層錯(cuò)排，則成為插入型層錯(cuò)。6、臨界分切應(yīng)力詳解：點(diǎn)評(píng)：本題實(shí)際考察的是有關(guān)Schmid定律的知識(shí)，Schmid定律或臨界分切應(yīng)力定律即滑移系開動(dòng)所需要的臨界分切應(yīng)力是與外力無關(guān)的常數(shù)。第五頁(yè)，共25頁(yè)。

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第八頁(yè)，共25頁(yè)。三、分別回答后述幾個(gè)問題：1、晶體缺陷主要有哪幾種？2、其中點(diǎn)缺陷主要有哪兩種？有哪些方法或手段可以提高其數(shù)量？（上84）3、當(dāng)點(diǎn)缺陷擴(kuò)散到刃位錯(cuò)周圍時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)受到怎樣的影響？（上187）4、如果點(diǎn)缺陷擴(kuò)散到一般大角晶界上，又會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？晶界的運(yùn)動(dòng)受到怎樣的影響？（20分）詳解：1、主要有點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷。2、點(diǎn)缺陷主要有空位和間隙原子；晶體中點(diǎn)缺陷還可以通過高溫淬火、冷變形加工和高能粒子的輻照效應(yīng)等形成。3、點(diǎn)缺陷擴(kuò)散到刃位錯(cuò)附近時(shí)可以與位錯(cuò)發(fā)生交互作用而形成氣團(tuán)，對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎作用。這時(shí)候位錯(cuò)處于能量較低的狀態(tài)，位錯(cuò)趨向于穩(wěn)定，不易運(yùn)動(dòng)，所以位錯(cuò)要運(yùn)動(dòng)，必須在更大的應(yīng)力作用下才能掙脫氣團(tuán)的釘扎而移動(dòng)。第九頁(yè)，共25頁(yè)。4、一般來說，晶界結(jié)構(gòu)比晶內(nèi)結(jié)構(gòu)松散，溶質(zhì)原子處在晶內(nèi)的能量比處在晶界的能量高，所以點(diǎn)缺陷擴(kuò)散到一般大角度晶界上時(shí)會(huì)發(fā)生晶界偏析。由于這種偏析使系統(tǒng)的能量降低，所以對(duì)晶界的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生拖曳作用。點(diǎn)評(píng)：本題考查了晶體缺陷的知識(shí)，著重考查了點(diǎn)缺陷與線缺陷還有面缺陷的相互作用，考查主要是能理解氣團(tuán)和偏聚的定義以及對(duì)缺陷的影響作用。四、圖為由A、B原子組成的一個(gè)晶體單胞，點(diǎn)陣參數(shù)a=b=c,α=β=λ=90；1、如果A、B原子可以占據(jù)所有可能的位置，該晶胞對(duì)應(yīng)哪種布拉菲點(diǎn)陣？2、如果A只在（0,0,0）位置，B只在（1/2，1/2，1/2）位置，又對(duì)應(yīng)哪種布拉菲點(diǎn)陣？3、下列單質(zhì)及化合物中哪些具有上面涉及到的晶體結(jié)構(gòu)？Mg,α-Fe,γ-Fe,Cu,CuZn,Cu3Zn,CsCl

第十頁(yè)，共25頁(yè)。4、兩種情況下{100}的面間距各是多少，用點(diǎn)陣常數(shù)表示?？赡艿奈诲e(cuò)柏氏矢量又分別是什么？

5、各結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度及塑性相對(duì)高低可能是怎樣的？給出理由。

（20）

詳解：1、如果A、B原子可以占據(jù)所有可能的位置，則圖中A、B原子所在的位置是等效的，所以該晶胞是體心點(diǎn)陣。2、如果A只處于原點(diǎn)位置，B只處于體心位置，則一個(gè)A原子和一個(gè)B原子組成一個(gè)結(jié)構(gòu)基元，可見，此時(shí)的布拉菲點(diǎn)陣是簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣。第十一頁(yè)，共25頁(yè)。

第十二頁(yè)，共25頁(yè)。點(diǎn)評(píng)：本題涉及到的知識(shí)點(diǎn)有布拉菲點(diǎn)陣、典型晶體結(jié)構(gòu)、面間距計(jì)算公式、典型晶體結(jié)構(gòu)的可能柏氏矢量、塑性及強(qiáng)度與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。所以本題涉及到的知識(shí)點(diǎn)比較分散，分別對(duì)應(yīng)晶體學(xué)基礎(chǔ)、晶體結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)、形變等幾章知識(shí)，本題關(guān)鍵是要弄清題目考查地是哪一章的知識(shí)點(diǎn)，然后回顧該章知識(shí)解答即可。第十三頁(yè)，共25頁(yè)。五、下圖是低碳鋼熱軋板帶狀組織的金相和掃描電電鏡圖片，從凝固、熱加工及冷卻相變等方面分析帶狀組織的形成原因及可能的控制方法。（15分）

詳解：熱加工后形成的帶狀組織主要是由于第二相或夾雜物的成層分布而造成的。原因可能如下：鋼在凝固時(shí)由于成分?jǐn)U散的不均勻性，會(huì)產(chǎn)生枝晶偏析，這些枝晶偏析具有相對(duì)的穩(wěn)定性。經(jīng)過軋前加熱，初生晶粒消失但枝晶偏析仍然保留，枝晶偏析是產(chǎn)生帶狀組織的內(nèi)因。鑄錠經(jīng)熱加工后，區(qū)域偏析變化不大，只能發(fā)生宏觀的流變。殘存的枝晶偏析、可形變夾雜物或第二相，順著工件宏觀流變方向顯著伸長(zhǎng)，所以形變延伸是形成帶狀組織的條件。在相變過程中，冷卻速度增大可減少成分的擴(kuò)散，當(dāng)冷速很大時(shí)可減少成分的擴(kuò)散，當(dāng)冷速很大時(shí)以致過冷度也很大，相變可以以近似非擴(kuò)散的方式進(jìn)行，這時(shí)自然就沒有溶質(zhì)原子、雜質(zhì)原子的偏析；同時(shí)冷速增大還可能導(dǎo)致均勻形核，使第二相不沿晶界析出成層分布，而是彌散分布，同時(shí)細(xì)化晶粒，減少或消除原組織偏析。第十四頁(yè)，共25頁(yè)。點(diǎn)評(píng)：本題考查的是熱加工后的典型組織，熱加工后典型組織有纖維狀組織、帶狀組織、魏氏組織、“反?！苯M織、網(wǎng)狀碳化物等，其中前兩種組織實(shí)際是同一種東西，只是前者是宏觀形貌（纖維狀），后者是顯微圖像（帶狀）。熱加工后組織考察次數(shù)并不是很頻繁，考生只需掌握纖維狀組織和帶狀組織成因即可。第十五頁(yè)，共25頁(yè)。六、根據(jù)下面所附的Fe-Ti相圖,寫出該體系隨著溫度的降低所涉及到的三相反應(yīng)；同時(shí)示意畫出由大塊純鐵和純鈦制作的擴(kuò)散偶在1000K保持足夠多長(zhǎng)時(shí)間后，擴(kuò)散層中的成分分布曲線，并標(biāo)注相對(duì)應(yīng)的相（20分）。詳解：從圖中可以看出，相圖中共有四條三相等溫線，所以有四個(gè)三相反應(yīng)，從高溫到低溫分別是：L+ε→ζ（包晶型反應(yīng)）L→α-Fe+ε（共晶型反應(yīng)）L→

ζ+β-Ti（共晶型反應(yīng)）β-Ti→ζ+α-Ti（共析型反應(yīng)）由Fe和Ti組成的擴(kuò)散偶在1000K下保溫并擴(kuò)散一定時(shí)間后，在擴(kuò)散偶中分別出現(xiàn)一系列相鄰接的單相區(qū)，其排列順序和相圖中的順序相同。沿?cái)U(kuò)散偶的濃度分布在界面處會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的跳躍，如果各相中的擴(kuò)散系數(shù)差異不很大，在擴(kuò)散偶中各個(gè)相區(qū)所占的相對(duì)寬度大體和相圖中各組元所占的相對(duì)寬度成比例。第十六頁(yè)，共25頁(yè)。第十七頁(yè)，共25頁(yè)。第十八頁(yè)，共25頁(yè)。點(diǎn)評(píng)：本題考查的反應(yīng)擴(kuò)散的知識(shí)，即擴(kuò)散過程的連續(xù)進(jìn)行要求界面反應(yīng)發(fā)生相變。關(guān)于反應(yīng)擴(kuò)散的知識(shí)在近幾年的試題中，2012年是第一次出現(xiàn)的，今年又考查到了同樣的題型。所以對(duì)于平時(shí)忽略這方面知識(shí)的同學(xué)很可能不知道如何解答，所以有關(guān)于反應(yīng)擴(kuò)散的知識(shí)以及怎樣根據(jù)相圖畫出擴(kuò)散偶中各相區(qū)考生應(yīng)該熟悉。第十九頁(yè)，共25頁(yè)。七、分析鋁銅合金中以鋁為基的過飽和α固溶體在不同溫度進(jìn)行退火時(shí)發(fā)生的脫溶過程（10分）。詳解：下圖是Al-Cu合金在不同溫度時(shí)的時(shí)效硬化曲線。從圖中可以得出以下結(jié)論。第二十頁(yè)，共25頁(yè)。高溫時(shí)效：過冷度較小，所以脫溶驅(qū)動(dòng)力小，形成脫溶物較粗，因此θ’’最大體積分?jǐn)?shù)減小，使高溫硬度峰值減小，還有可能因驅(qū)動(dòng)力減小，不析出過渡相，直接析出平衡相，時(shí)效強(qiáng)化能力降低。低溫時(shí)效：驅(qū)動(dòng)力增大，能夠形成完整的脫溶貫序，即GP區(qū)→θ’’→θ’→

θ→平衡相。但溫度較低時(shí)原子擴(kuò)散較慢，達(dá)到硬度峰值所需的時(shí)間較長(zhǎng)?？捎靡韵陆鉀Q辦法：雙時(shí)效工藝，即先在GP區(qū)固溶線以下的較低溫度時(shí)效，以獲得高彌散分布GP區(qū)，然后在較高溫度時(shí)效，已析出GP區(qū)作為非均勻形核位置，比較高溫度下彌散產(chǎn)物硬度更高。點(diǎn)評(píng)：本題又是考查的常見題型，Al-Cu合金的脫溶過程已經(jīng)考查過多次，所以希望考生這一部分知識(shí)點(diǎn)一定要熟練掌握。第二十一頁(yè)，共25頁(yè)。八、塊體非晶形成能力（GFA）判據(jù)研究目前是一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域，A.lnoue總結(jié)的塊體非晶合金成分經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：1）多于三種元素組成的多元合金體系2）構(gòu)成合金體系的元素原子尺寸差較大，主要元素之間的尺寸差比高于12%3）三個(gè)主要組元之間的混合焓為負(fù)值等得到非晶研究者的廣泛認(rèn)同。從非晶形成熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、原子結(jié)構(gòu)及堆垛拓?fù)潢P(guān)系等方面討論lnoue規(guī)則為何具有較好的適應(yīng)性（15分）。詳解：非晶態(tài)可由氣相、液相快冷形成，也可在固態(tài)直接形成（如離子注入、高能粒子轟擊、高能球磨、電化學(xué)沉積、固相反應(yīng)等）。常溫下非晶態(tài)的自由能低于液態(tài)，因此形成非晶態(tài)的熱力學(xué)條件就是舊相和非晶態(tài)合金的自由能差，也就是lnoue規(guī)則中的三個(gè)組元的之間的混合焓為負(fù)值。

形成非晶態(tài)原則上都可以通過液態(tài)的急劇冷卻得到，但是這個(gè)冷卻速率因材料的不同有非常大的差異，這取決于材料的晶化能力，要形成非晶態(tài)就要抑制結(jié)晶形核，合金成分越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，結(jié)晶時(shí)重排的動(dòng)力學(xué)困難。第二十二頁(yè)，共25頁(yè)。

同一合金系通常只是在某一成分范圍內(nèi)能夠形成非晶，非晶通常出現(xiàn)在凝固溫度較低、液相黏度較高的情況中，此合金系通常存在金屬間化合物。這就表明了組元原子之間的鍵合、電子結(jié)構(gòu)等性質(zhì)對(duì)形成非晶態(tài)的影響，通常原子間鍵合較強(qiáng)并有特定指向的情況下，被急冷的熔體在動(dòng)力學(xué)上有利于形成非晶相。

合金成分與形成非晶能力關(guān)系較復(fù)雜，lnoue規(guī)則中要求構(gòu)成合金體系的元素原子尺寸差較大，主要元素之間的尺寸差比高于12%，這個(gè)規(guī)則有利于原子的無規(guī)密堆，半徑小的原子處于半徑大