2014材科基真题精讲.ppt

北京科技大学硕士研究生入学考试 2014年 814材料科学基础 真题 答案详解与点评 主讲人 何庆 北京科技大学2014年硕士学位研究生入学考试试题一 简述题 30分 1 再结晶温度详解 点评 本题考生应该注意 再结晶温度并不是再结晶开始时候的温度 而是在一定时间内完成再结晶的最低温度 里面的关键字是一定时间和最低温度 有关于再结晶的知识在历年考题中考查力度很大 如再结晶定义 再结晶过程 再结晶驱动力等等 2 相平衡条件详解 热力学条件是等温等压下 任一组分在各相中化学势相等 体系此时总摩尔吉布斯自由能最小 点评 本题考查的是相图一章的知识 解答本题的时候一定要注意一个前提条件是等温等压 跟本题有关的考点还有相平衡和相律的基本概念 3 上坡扩散详解 普遍意义来说 扩散产生是由于存在着化学位梯度 只是在一般条件下 化学位梯度大多与浓度梯度一致 决定组元扩散的是化学位梯度 扩散总是导致扩散组元化学势减小 直至化学位梯度为零 所以当化学位梯度和浓度梯度相反时 扩散是从浓度低的地方向浓度高的地方扩散 这就是上坡扩散 点评 扩散的实际驱动力是化学位梯度 所以不管浓度怎样 扩散总是从化学位梯度高的地方向化学位梯度低的地方 扩散的最后结果是化学势处处相等 4 空间点阵详解 晶体由结构基元在空间呈规则的三维周期排列而成 若将每个基元抽象为一个点 这些点具有相同的几何和物理环境 称为等同点 由构成晶体的结构基元抽象出来的等同点在三维空间周期排列称为空间点阵 点评 本题考查的是晶体学基础的相关知识 晶体学基础一章的知识在简答题中出现的频率很高 与本题相关的知识点还有晶体结构的概念以及晶体结构和空间点阵的关系 这几个知识点在历年考题中均有涉及 5 堆垛层错详解 在实际晶体结构中 密排面的正常堆垛顺序有可能遭到破坏和错排 这样的晶体缺陷就称为堆垛层错 点评 关于堆垛层错的例子有 面心立方结构的堆垛顺序若变成ABC BCA 其中 所指处相当于抽出一层原子面 A面 则成为抽出型层错 相反 若在正常堆垛顺序中插入一层原子面 B层 即可表示为ABC B ABCA 其中箭头所指的为插入B层 后所引起的二层错排 则成为插入型层错 6 临界分切应力详解 点评 本题实际考察的是有关Schmid定律的知识 Schmid定律或临界分切应力定律即滑移系开动所需要的临界分切应力是与外力无关的常数 二 分别回答后述几个问题 1 指出金属相结晶时的热力学条件 它一定需要过冷吗 为什么2 如何确定液相结晶时的临界晶核半径 在相同的过冷度下 均匀形核与非均匀形核的临界晶核半径和临界晶核形成能哪个大 为什么 3 反过来 结晶金属熔化时一定需要过热吗 为什么 4 能否用经典形核理论解释再结晶的形核 为什么 20分 详解 1 晶体的凝固通常在常压下进行 从相律可知 在纯晶体凝固过程中 液固两相处于共存 自由度等于零 故温度不变 按热力学第二定律 在等温等压下 过程自发进行的方向是体系自由能降低的方向 也就是金属相结晶的热力学条件是新旧相的自由能差 由式 式中 是熔点 与实际凝固温度 之差 要使 0 即为过冷度 所以晶体凝固的热力学条件表明 实际凝固温度应低于熔点 即需要有过冷 2 假设晶胚为球形 半径为r 当过冷液中出现一个晶胚时 总的自由能变化为 43 3 4 2 在一定温度下 和 是确定值 所以 是r的函数 随r变化的曲线如下图 由图可知 在半径r 时达到最大值 临界半径可通过求极值得到 由 dr 0 求得r 2 在相同的过冷度下 两者的临界晶核半径是一样的 因为其计算公式都为r 2 两者的临界晶核形成能不同 非均匀形核的临界晶核形成能小于均匀形核 因为非均匀形核的形核功如下 G非均 均 而 1 所以 非均 均 即非均匀形核的临界晶核形成能小于均匀形核 3 变化题1中的式子得 要使 0 则 必须小于零 也即 0 所以当结晶金属熔化时 要使反应能自发朝着自由能低的方向进行 必须要有过热 4 不能 因为经典形核和再结晶形核存在很大区别 首先经典形核驱动力是新旧相自由能差 而再结晶驱动力是形变储存能 其次经典形核是均匀形核 而再结晶形核是在形变不均匀区 最后经典形核与母相没有特定取向关系 再结晶形核与基体有特定取向 点评 本题考查的是晶体凝固的相关知识 主要考查了结晶的热力学条件以及经典形核理论 还涉及到再结晶形核的知识 关键在于要掌握结晶的条件 经典形核特点和再结晶形核的特点 三 分别回答后述几个问题 1 晶体缺陷主要有哪几种 2 其中点缺陷主要有哪两种 有哪些方法或手段可以提高其数量 上84 3 当点缺陷扩散到刃位错周围时会出现什么现象 位错的运动受到怎样的影响 上187 4 如果点缺陷扩散到一般大角晶界上 又会出现什么现象 晶界的运动受到怎样的影响 20分 详解 1 主要有点缺陷 线缺陷 面缺陷和体缺陷 2 点缺陷主要有空位和间隙原子 晶体中点缺陷还可以通过高温淬火 冷变形加工和高能粒子的辐照效应等形成 3 点缺陷扩散到刃位错附近时可以与位错发生交互作用而形成气团 对位错产生钉扎作用 这时候位错处于能量较低的状态 位错趋向于稳定 不易运动 所以位错要运动 必须在更大的应力作用下才能挣脱气团的钉扎而移动 4 一般来说 晶界结构比晶内结构松散 溶质原子处在晶内的能量比处在晶界的能量高 所以点缺陷扩散到一般大角度晶界上时会发生晶界偏析 由于这种偏析使系统的能量降低 所以对晶界的运动产生拖曳作用 点评 本题考查了晶体缺陷的知识 着重考查了点缺陷与线缺陷还有面缺陷的相互作用 考查主要是能理解气团和偏聚的定义以及对缺陷的影响作用 四 图为由A B原子组成的一个晶体单胞 点阵参数a b c 90 1 如果A B原子可以占据所有可能的位置 该晶胞对应哪种布拉菲点阵 2 如果A只在 0 0 0 位置 B只在 1 2 1 2 1 2 位置 又对应哪种布拉菲点阵 3 下列单质及化合物中哪些具有上面涉及到的晶体结构 Mg Fe Fe Cu CuZn Cu3Zn CsCl 4 两种情况下 100 的面间距各是多少 用点阵常数表示 可能的位错柏氏矢量又分别是什么 5 各结构对应的强度及塑性相对高低可能是怎样的 给出理由 20 详解 1 如果A B原子可以占据所有可能的位置 则图中A B原子所在的位置是等效的 所以该晶胞是体心点阵 2 如果A只处于原点位置 B只处于体心位置 则一个A原子和一个B原子组成一个结构基元 可见 此时的布拉菲点阵是简单立方点阵 3 题中的单质和化合物涉及到以上的晶体结构的有 Fe为体心立方结构 CuZn为简单立方结构 CsCl为简单立方结构 4 体心立方点阵 体心立方点阵的倒易点阵为面心立方点阵 且其点阵常数为2 a 2 b 2 c 90 又 100 的面间距为对应倒易点阵中的长度的倒数 所以 100 的面间距为a 2 因为位错中能量与其柏氏矢量的平方b2成正比 因而晶体中常见的位错是柏氏矢量最短平移矢量的位错 所以体心立方中可能的柏氏矢量为3 2 简单立方点阵 简单立方点阵中 100 的面间距即为点阵常数值 即面间距为a 根据柏氏矢量平方最小原则 简单立方中的可能的柏氏矢量为a 5 在其他条件相同时 晶体中的滑移系越多 滑移过程可能采取空间位向越多 滑移便容易进行 则塑性越好 强度越高 体心立方晶体可同时沿 100 112 123 晶面滑移 故其滑移系共有48个 简单立方晶系只有6个滑移系 所以体心立方的塑性和强度更好 点评 本题涉及到的知识点有布拉菲点阵 典型晶体结构 面间距计算公式 典型晶体结构的可能柏氏矢量 塑性及强度与晶体结构的关系 所以本题涉及到的知识点比较分散 分别对应晶体学基础 晶体结构 位错 形变等几章知识 本题关键是要弄清题目考查地是哪一章的知识点 然后回顾该章知识解答即可 五 下图是低碳钢热轧板带状组织的金相和扫描电电镜图片 从凝固 热加工及冷却相变等方面分析带状组织的形成原因及可能的控制方法 15分 详解 热加工后形成的带状组织主要是由于第二相或夹杂物的成层分布而造成的 原因可能如下 钢在凝固时由于成分扩散的不均匀性 会产生枝晶偏析 这些枝晶偏析具有相对的稳定性 经过轧前加热 初生晶粒消失但枝晶偏析仍然保留 枝晶偏析是产生带状组织的内因 铸锭经热加工后 区域偏析变化不大 只能发生宏观的流变 残存的枝晶偏析 可形变夹杂物或第二相 顺着工件宏观流变方向显著伸长 所以形变延伸是形成带状组织的条件 在相变过程中 冷却速度增大可减少成分的扩散 当冷速很大时可减少成分的扩散 当冷速很大时以致过冷度也很大 相变可以以近似非扩散的方式进行 这时自然就没有溶质原子 杂质原子的偏析 同时冷速增大还可能导致均匀形核 使第二相不沿晶界析出成层分布 而是弥散分布 同时细化晶粒 减少或消除原组织偏析 点评 本题考查的是热加工后的典型组织 热加工后典型组织有纤维状组织 带状组织 魏氏组织 反常 组织 网状碳化物等 其中前两种组织实际是同一种东西 只是前者是宏观形貌 纤维状 后者是显微图像 带状 热加工后组织考察次数并不是很频繁 考生只需掌握纤维状组织和带状组织成因即可 六 根据下面所附的Fe Ti相图 写出该体系随着温度的降低所涉及到的三相反应 同时示意画出由大块纯铁和纯钛制作的扩散偶在1000K保持足够多长时间后 扩散层中的成分分布曲线 并标注相对应的相 20分 详解 从图中可以看出 相图中共有四条三相等温线 所以有四个三相反应 从高温到低温分别是 L 包晶型反应 L Fe 共晶型反应 L Ti 共晶型反应 Ti Ti 共析型反应 由Fe和Ti组成的扩散偶在1000K下保温并扩散一定时间后 在扩散偶中分别出现一系列相邻接的单相区 其排列顺序和相图中的顺序相同 沿扩散偶的浓度分布在界面处会出现不连续的跳跃 如果各相中的扩散系数差异不很大 在扩散偶中各个相区所占的相对宽度大体和相图中各组元所占的相对宽度成比例 点评 本题考查的反应扩散的知识 即扩散过程的连续进行要求界面反应发生相变 关于反应扩散的知识在近几年的试题中 2012年是第一次出现的 今年又考查到了同样的题型 所以对于平时忽略这方面知识的同学很可能不知道如何解答 所以有关于反应扩散的知识以及怎样根据相图画出扩散偶中各相区考生应该熟悉 七 分析铝铜合金中以铝为基的过饱和 固溶体在不同温度进行退火时发生的脱溶过程 10分 详解 下图是Al Cu合金在不同温度时的时效硬化曲线 从图中可以得出以下结论 高温时效 过冷度较小 所以脱溶驱动力小 形成脱溶物较粗 因此 最大体积分数减小 使高温硬度峰值减小 还有可能因驱动力减小 不析出过渡相 直接析出平衡相 时效强化能力降低 低温时效 驱动力增大 能够形成完整的脱溶贯序 即GP区 平衡相 但温度较低时原子扩散较慢 达到硬度峰值所需的时间较长 可用以下解决办法 双时效工艺 即先在GP区固溶线以下的较低温度时效 以获得高弥散分布GP区 然后在较高温度时效 已析出GP区作为非均匀形核位置 比较高温度下弥散产物硬度更高 点评 本题又是考查的常见题型 Al Cu合金的脱溶过程已经考查过多次 所以希望考生这一部分知识点一定要熟练掌握 八 块体非晶形成能力 GFA 判据研究目前是一个非常活跃的领域 A lnoue总结的块体非晶合金成分经验规则 1 多于三种元素组成的多元合金体系2 构成合金体系的元素原子尺寸差较大 主要元素之间的尺寸差比高于12 3 三个主要组元之间的混合焓为负值等得到非晶研究者的广泛认同 从非晶形成热力学 动力学 原子结构及堆垛拓扑关系等方面讨论lnoue规则为何具有较好的适应性 15分 详解 非晶态可由气相 液相快冷形成 也可在固态直接形成 如离子注入 高能粒子轰击 高能球磨 电化学沉积 固相反应等 常温下非晶态的自由能低于液态 因此形成非晶态的热力学条件就是旧相和非晶态合金的自由能差 也就是lnoue规则中的三个组元的之间的混合焓为负值 形成非晶态原则上都可以通过液态的急剧冷却得到 但是这个冷却速率因材料的不同有非常大的差异 这取决于材料的晶化能力 要形成非晶态就要抑制结晶形核 合金成分越多 结构越复杂 结晶时重排的动力学困难 同一合金系通常只是在某一成分范围内能够形成非晶 非晶通常出现在凝固温度较低 液相黏度较高的情况中 此合金系通常存在金属间化合物 这就表明了组元原子之间的键合 电子结构等性质对形成非晶态的影响 通常原子间键合较强并有特定指向的情况下 被急冷的熔