08——11年4年湖南大学材料科学基础真题汇总.doc

2008年材料科学基础真题(1) 名词解释（每题5分，共40分）1.空间点阵：组成晶体的粒子（原子、离子或分子）在三维空间中形成有规律的某种对称排列，如果我们用点来代表组成晶体的粒子，这些点的空间排列就称为空间点阵。2.中间相：金属与金属，或金属与非金属（氮、碳、氢、硅）之间形成的化合物总称为金属间化合物。由于金属间化合物在相图中处于相图的中间位置，故也称为中间相。3.全位错：柏氏矢量等于点阵矢量的位错称为全位错。4.共格界面：所谓共格晶界，是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，即两相的晶格是彼此衔接的界面上的原子为两者共有。5.滑移临界分切应力：滑移系开动所需的最小分切应力；它是一个定值，与材料本身性质有关，与外力取向无关。6.包晶转变：成分为H点的固相，与它周围成分为B点的液相L，在一定的温度时，固相与L液相相互作用转变成成分是J点的另一新相固溶体，这一转变叫包晶转变或包晶反应。即HJB-包晶转变线，LB+HJ7.再结晶：塑性变形金属后续加热过程通过形核与长大无畸变等轴晶逐渐取代变形晶粒的过程。8.上坡扩散：在化学位差为驱动力的条件下，原子由低浓度位置向高浓度位置进行的扩散。(2) 简答题（每题8分，共56分） 1.采用四轴坐标系标定六方晶体的晶向指数时，应该有什么样的约束条件？为什么？ 2.写出FCC、BCC、HCP晶体的密排面、密排面间距、密排方向、密排方向最小原子间距。晶体结构密排面密排面间距密排方向密排方向最小原子间距FCC111BCC110HCP0001a 3.指出图1中各相图的错误，并加以解释。 4.什么是柯肯达尔效应？请用扩散理论加以解释。若Cu-Al组成的互扩散偶发生扩散时，界面标志物会向哪个方向移动。 答：柯肯达尔效应：在置换式固溶体的扩散过程中，放置在原始界面上的标志物朝着低熔点元素的方向移动，移动速率与时间成抛物线关系。 柯肯达尔效应否定了置换式固溶体中扩散的换位机制，而证实了空位机制；系统中不同组元具有不同的分扩散系数；相对而言，低熔点组元扩散快，高熔点组元扩散慢，这种不等量的原子交换造成了柯肯达尔效应。 当Cu-Al组成的互扩散偶发生扩散时，界面标志物会向着Al的方向移动。1、 简述变形后的金属在退火过程中的显微组织、储能及其力学、物理性能的变化。 答：随退火温度的升高或时间延长，出现亚晶合并长大，再结晶形核及长大，无位错的等轴再结晶晶粒取代长条状高位错密度的变形晶粒，然后是晶粒的正常长大。储存能逐渐被释放；硬度及强度下降，伸长率上升；电阻降低，密度提高。再结晶时各种性能变化都比回复时强烈得多。2、 常温下金属塑性变形的机制主要有哪些？它们的主要差别是什么？ 答:主要形变机制是滑移和孪生；滑移产生的切变量是原子间距的整数倍，孪生产生的切变量是原子间距的一个分数；由此产生一系列其他方面的差异。3、 简述一次渗碳体（Fe3C）、二次渗碳体（Fe3CII）、三次渗碳体（Fe3CIII）的定义，各自的组织形貌及分布特征。三、论述题（共54分）1.介绍合金强化的四种主要机制及其强化原因答：固溶强化、弥散强化、第二相强化、细晶强化、加工硬化、马氏体强化（钢铁）、有序强化。其机理均是通过阻碍位错的运动来提高材料的强度。不同的强化方法的机理有其特殊性。2. 固溶强化：固溶在点阵间隙或结点上的合金元素原子由于其尺寸不同于基体原子，故产生一点的应力场，阻碍位错运动；柯氏气团和铃木气团，前者是间隙原子优先分布于BCC金属刃型位错的拉应力区，对位错产生钉扎作用，后者是合金元素优先分布于FCC金属扩展位错的层错区，降低层错能，扩大层错区，使扩展位错滑移更加困难。3. 沉淀强化和弥散强化：合金通过相变过程得到的合金元素与基体元素的化合物和机械混掺于基体材料中的硬质颗粒都会引起合金强化。沉淀强化和弥散强化的效果远大于固溶强化。位错在运动过程中遇到第二相时，需要切过（沉淀强化的小颗粒和弥散强化的颗粒）或者绕过（沉淀强化的大尺寸颗粒）第二相，因而第二相（沉淀相和弥散相）阻碍了位错运动。4. 晶界强化：按照Hall-Petch公式，屈服点s同晶粒直径d之间的关系是s=o+kd-1/2，其实质是位错越过晶界需要附加附加的应力。因此低温用钢往往采用细晶粒组织。5. 有序强化：有序合金的位错是超位错，要使金属发生塑性变形就需要使超位错的两个分位错同时运动，因而需要更大的外应力。异类元素原子间的结合力大于同类元素原子间的结合力，所以异类原子的有序排列赋予有序合金较高的强度。2.如图所示，某晶体的滑移面上有一个柏氏矢量为b的位错环，并受到一个均匀的切应力t的作用。试分析：(1)该位错环各段位错的结构类型。(2)求各段位错所受力的大小和方向。(3)在t的作用下，该位错环将要如何运动。(4)在t的作用下，若位错环在晶体中稳定不动，其最小半径应该是多大？答：1.A为正刃型位错，B为右螺旋位错，C为负刃型位错，D为左螺旋位错，其它为混合型位错。 2.各段位错所受的力大小均为tb，方向垂直于位错线指向环外。 3.在外加切应力t的作用下，位错环将向外扩散。 4.由公式t=，在t的作用下，此位错环要稳定不动，其最小半径为rmin=。6. 什么是固溶体？固溶体的类型有哪些？影响固溶度的原因有哪些？固溶体与其纯溶剂组元相比，其结构、力学性能和物理性能发生了哪些变化？答：溶质原子以原子态溶入溶剂点阵中组成的单一均匀的固体；溶剂的点阵类型被保留。影响固溶体的因素有：(2) 原子尺寸因素。当溶剂、溶质原子直径尺寸相对差小于+15%时，有大的代位溶解度。(3) 负电性因素。溶剂、溶质的负电性差越小溶解度越大，一般小于0.40.5会有较大溶解度。(4) 电子浓度因素。有两方面的含义：一是原子价效应，即同一溶剂金属，溶质原子价越高，溶解度越小；二是相对价效应，即高价溶质溶入低价溶剂时的溶解度高于相反的情况。 特点是：固溶体中有点阵畸变（强度、硬度会提高）而造成点阵常数变化：出现原子偏聚或有序化，甚至形成有序固溶体。 固溶体的结构变化：点阵畸变，点阵常数变化，偏聚及短程有序，甚至形成有序固溶体。力学性能变化：硬度、强度提高，塑性下降。物理性能变化：电阻加大，导电率下降。4.凝固过程中形核和长大与再结晶过程形核和长大的主要区别是什么？简述再结晶形核过程中晶核的产生方式。答：凝固时形核的驱动力，是新、旧化学位差，再结晶驱动力只是形变储存能。 凝固常是均匀形核；再结晶形核在现有的形变不均匀区，如晶界附近、切变带、形变带、第二相粒子周围。凝固长大时与母相不会有取向关系，再结晶长大时可有特定取向关系。再结晶核心产生方式：原有晶界推移成核，也称应变诱导晶界迁移式形核；亚晶成核，即通过亚晶合并或长大形成新晶粒。 2009年材料科学基础真题一、名词解释（任选8题，每题5分，合计40分） 1.位错：在两个晶粒接触区间原子错排的区域。 2.点阵常数：晶胞的大小取决于其三条棱的长度a，b和c，而晶胞的形状则取决于这些棱之间的夹角 ，我们把a，b，c，这六个参量称为点阵常数。 3.晶界：在两个晶粒接触区间原子错排的区域。 4.柏氏矢量：用来描述位错引起晶格畸变的物理量。该矢量的模是层错的强度，表示晶格总畸变的大小，其方向表示晶格点畸变的方向。一般情况下，该矢量越大，晶体畸变的程度越大。 5.固溶体：以合金中某一组元作为溶剂，其它组元为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变化的固相。 6.玻璃转变温度：当物质由固体加热或由熔体冷却时，在相当于晶态物质熔点绝对温度2/31/2温度附近出现热膨胀、比热容等性能的突变。该温度称为玻璃转变温度。 7.共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。 8.临界分切应力：晶体中的某个滑移系是否发生滑移，决定于力在滑移面内沿滑移方向的分切应力，当分切应力达到某一临界值时，滑移才能开始，此应力即为临界分切应力，它是滑移系开动的最小分切应力。材料的临界分切应力取决于材料的本身性质，但和温度以及材料的纯度等也有关系。 9.聚合物的构型：单体通过聚合反应相互连接构成链状聚合物。连接单体的化学反应往往不是唯一的，因此链节在分子链上可以有不同的键接方式。不同的键接方式都是通过化学键固定，不破坏化学键就不能改变链节的键接方式。换句话说，化学键确定了链节中原子的空间排布方式。由化学键固定的原子空间排布方式称作构型。 10.应变硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。二、简答题（任选5题，每题10分，合计50分）3. 一次键的种类及其本质是什么？4. 给出FCC(面心立方）、BCC(体心立方）、HCP(密排六方)、晶胞中的原子数，间隙的种类和数量5. 在MgO中晶体中掺入Li2O后，晶体中的空位浓度怎么变化？6. 简述菲克第一定律和菲克第二定律的含义，写出表达式，指明其字母的物理意义。答：菲克第一定律。J：扩散流量，即单位时间通过单位面积的物质量，g/s；D：扩散系数，/s；：浓度梯度，g/m4。 菲克第二定律浓度随时间的变化率，g/m3s； 流量的梯度，g/m3s。7. 写出体心立方（BCC）、面心立方（FCC）、密排六方(HCP)晶体中的主要滑移数。8. 已知金刚石晶胞中最近邻的原子间距为0.154mm,试求出金刚石的点阵常数、配位数和致密度。答：所以点阵常数a=0.3566nm 配位数C.N.=8-N=4 致密度9. 简述热塑性聚会物和热固性聚会物的结构及性能特点。答：热塑性：具有线性和支化高分子链结构，加热后会变软，可反复加工成形。热固性：具有体型（立体网状）高分子链结构，不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦定型后不能再改变形状，无法再生。10. 二元相图中肯能发生的固固相平衡的反应有哪些？写出相应的平衡反应式。三 、论述题（任选4题，每题15分，合计60分） 1 .什么是键能曲线？利用键能曲线可以得到材料的哪些特性参量。采用哪些方法可以改变键能曲线的形状？ 2.离子晶体中的扩散机制有哪些？影响因素有哪些？ 3.材料的主要强化机制有哪几种？其强化机制是什么？答：固溶强化、弥散强化、第二相强化、细晶强化、加工硬化、马氏体强化（钢铁）、有序强化。其机理均是通过阻碍位错的运动来提高材料的强度。不同的强化方法的机理有其特殊性。2、 固溶强化：固溶在点阵间隙或结点上的合金元素原子由于其尺寸不同于基体原子，故产生一点的应力场，阻碍位错运动；柯氏气团和铃木气团，前者是间隙原子优先分布于BCC金属刃型位错的拉应力区，对位错产生钉扎作用，后者是合金元素优先分布于FCC金属扩展位错的层错区，降低层错能，扩大层错区，使扩展位错滑移更加困难。3、 沉淀强化和弥散强化：合金通过相变过程得到的合金元素与基体元素的化合物和机械混掺于基体材料中的硬质颗粒都会引起合金强化。沉淀强化和弥散强化的效果远大于固溶强化。位错在运动过程中遇到第二相时，需要切过（沉淀强化的小颗粒和弥散强化的颗粒）或者绕过（沉淀强化的大尺寸颗粒）第二相，因而第二相（沉淀相和弥散相）阻碍了位错运动。4、 晶界强化：按照Hall-Petch公式，屈服点s同晶粒直径d之间的关系是s=o+kd-1/2，其实质是位错越过晶界需要附加附加的应力。因此低温用钢往往采用细晶粒组织。有序强化：有序合金的位错是超位错，要使金属发生塑性变形就需要使超位错的两个分位错同时运动，因而需要更大的外应力。异类元素原子间的结合力大于同类元素原子间的结合力，所以异类原子的有序排列赋予有序合金较高的强度。 4.决定聚合物结晶度的因素有哪些？ 5.试从结合键的角度分析工程材料的分类及特点。 答：金属材料：主要以金属键为主，大多数金属强度和硬度较高，塑性较好。 陶瓷材料：以共价键和离子键为主，硬、脆，不易变形，熔点高。 高分子材料：分子内部以共价键为主，分之间为分子键和氢键为主。 复合材料：是以上三种基本材料的人工复合物，结合键种类繁多，性能差异很大。 6.分析图中成分为C1和C2的两个合金在凝固过程中的组织转变，写出平衡反映方程式，指出最终的凝固组织相组成。2010年材料科学基础真题7. 名词解释（任选6题，每题5分，共30分）4、 施密特（Schmid）因子：拉伸变形时，能够引起晶体滑移的分切应力t的大小取决于该滑移面和晶向的空间位置（）。t与拉伸应力间的关系为：被称为取向因子，或称施密特因子，取向因子越大，则分切应力越大。2.相图杠杆定律：某一成分的二元合金在某温度时，处于二元相图的两相区内，则两相之间的质量比可用“杠杆法则”求得。在此温度处做一条水平线与该两相区的相界线相交，两个交点内水平线被合金的成分垂线分成两段，两相的质量比与这两线段的长度成反比，用相对百分数表示，这个现象好像力学中的杠杆，所以称为“杠杆定律”。3.位错滑移：指在外力作用下，位错线在期滑移面（即位错线与伯氏矢量b构成的晶面）上的运动，结果导致晶体永久变形。4.包晶反应：在结晶过程先析出相进行到一定温度后新产生的固相大多包围在已有的旧固相周围生成。5.玻璃的网络修饰体：6.肖特基（Schttky）空位：当晶格热振动时，一些能量足够大的原子离开其平衡位置，跃迁到晶体的表面，并在原正常格点上留下空位。7.非均匀形核：熔融液体冷却过程中，依附于母相中某种界面上的形核过程。8.晶向族：对称关系（原子排列和分布，面间距）相同的各组等同晶面，称一个晶面族，用hkl表示。8. 简答题（任选6题，每题10分，合计60分）1.说明离子晶体、共价晶体和金属晶体中原子间的键合特征。影响原子间成键类型的重要因素有哪些？(5) 如何根据材料的键能曲线来判断材料的弹性模量、膨胀系数的大小？(6) 结合具体实例简要说明热塑性塑料和热固性塑料的结构与性能差异。(7) 写出图a所示立方晶胞中画斜线晶面的晶面指数和图b中带箭头晶向的晶向指数。(8) 简要说明晶体结构与空间点阵的关系。 答：两者之间的关系可用“空间点阵+基元=晶体结构”来描述。空间点阵只有14种，基元可以是无穷多种，因而构成的具体的晶体结构也有无穷多种。(9) 什么是晶体中原子的配位数？影响配位数多少的因素是什么？答：晶体中原子的配位数是反映原子排列紧密程度的物理量之一，指晶格中任一原子周围与其最近邻且等距离的原子数目。一般配位数越大，晶体排列结构越紧密。影响配位数的因素如下：中心原子的大小。中心原子的最高配位数决定于它在周期表中的周次。 中心原子的电荷。中心原子的电荷高，配位数就大。 配体的性质。同一氧化态的金属离子的配位数不是固定不变的,还取决于配体的性质。(10) 在氧化物陶瓷中掺杂其它氧化物时，氧空位浓度会如何变化？(11) 影响置换固溶体的固溶度的因素有哪些？固溶原子的存在对金属的结构和力学性能有何影响？(12) 影响聚合物结晶的因素有哪些？(13) 何谓应变硬化？在生产实际中有何意义？ 答：金属在冷加工过程中流变应力随应变的增加而增加的现象称为加工硬化，也称为应变硬化。 加工硬化的机制主要是位错之间的相互作用，面角位错的形成，以及溶质原子与位错的作用形成溶质原子气团等。 加工硬化在生产实际中有何意义：金属在加工过程中塑性变形抗力不断增加，使金属变脆，需要进行多次中间退火，使金属的冷加工需要消耗更多的功率；加工硬化使金属基体具有一定的抗偶然过载能力；加工硬化和塑性变形适当配合可使金属进行均匀塑性变形，有些加工方法要求金属必须有一定的加工硬化；加工硬化也是强化金属的重要手段之一，对某些纯金属加工硬化是提高强度的重要办法；有些零部件在工作条件下表面会不断硬化，达到表面耐冲击、耐磨损的要求；经过加工硬化后材料塑性降低，可以改善材料如低碳钢的切削加工性能；可以通过冷加工控制产品的最后性能。(3) 论述题（任选4题，每题15分，合计60分）6. 给出FCC（面心立方）、BCC（体心立方）、HCP（密排六方）晶胞中的原子数、间隙的种类和数量、原子堆垛因子、密排面、密排方向、滑移系数目。7. 扩散的驱动力是什么？扩散的微观机制有哪些？结合扩散理论，谈谈生产实际中如何提高钢铁材料的渗碳效率。8. 位错有哪些类型？其位错线与柏氏矢量间的关系如何？请分析下图中AB、BC、CD、DA位错线的位错类型。9. 论述面缺陷的种类及对材料力学性能的影响。5.写出下图中所有的恒温反应方程式，指明反应类型。标注区的相组成（在答题纸上作图答题）6.谈谈你对材料成分、组织、工艺和性能之间关系的理解。2011年材料科学基础真题10. 名词解释（任选6题，每题5分，共30分）1.键能曲线： 2.玻璃转变温度：当物质由固体加热或由熔体冷却时，在相当于晶态物质熔点绝对温度2/31/2温度附近出现热膨胀、比热容等性能的突变。该温度称为玻璃转变温度。 3.空间点阵：组成晶体的粒子（原子、离子或分子）在三维空间中形成有规律的某种对称排列，如果我们用点来代表组成晶体的粒子，这些点的空间排列就称为空间点阵。4.非均匀形核：熔融液体冷却过程中，依附于母相中某种界面上的形核过程。5.共格界面：所谓共格晶界，是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，即两相的晶格是彼此衔接的界面上的原子为两者共有。6.相图杠杆定律：某一成分的二元合金在某温度时，处于二元相图的两相区内，则两相之间的质量比可用“杠杆法则”求得。在此温度处做一条水平线与该两相区的相界线相交，两个交点内水平线被合金的成分垂线分成两段，两相的质量比与这两线段的长度成反比，用相对百分数表示，这个现象好像力学中的杠杆，所以称为“杠杆定律”。7.位错滑移：在一定应力作用下，位错线沿滑移面移动的位错运动。二、简答题（共10题，任选6题，每题10分）1.MgO中加入Li2O后的空位浓度变化2.热塑性材料与热固性材料的结构与性能区别答：热塑性：具有线性和支化高分子链结构，加热后会变软，可反复加工成形。 热固性：具有体型（立体网状）高分子链结构，不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦定型后不能再改变形状，无法再生。3.固溶体强度比纯金属强的原因 答：因为合金两类原子尺寸不同，引起点阵畸变，阻碍位错运动，造成固溶强化。11. 刃型位错与螺型位错的区别 答：刃型位错和螺型位错的异同点：刃型位错位错线垂直于柏氏矢量，螺型位错位错线平行于柏氏矢量；刃型位错柏氏矢量平行于滑移运动方向，螺型位错柏氏矢量垂直于滑移运动方向；刃型位错可作攀移运动且只有一个滑移面，螺型位错只可作滑移运动但有无数个滑移面；两者都可以用柏氏矢量表示。12. 施密特定律的表示及各量的物理意义6.