2006-2007学年第一学期材料科学基础1试题及答案

成绩西安交通大学考试题 课 程 材料科学基础1 学 院 材料科学与工程 考 试 日 期 2007 年 01 月 17 日专业班号 材料41、42、43、材料（硕）41姓 名 学 号 期中期末一、填空题（每空1分，共20分）1. 对金刚石、金属铜和橡胶而言，金刚石为 （1）键，结合键（2）故其弹性模量（3）；金属铜为（4）键，结合键（5）故其弹性模量（6）；橡胶中分子链上是（7）键，分子链之间是（8）键，故其弹性模量（9）。2. 液态金属结晶的驱动力是 (10) ；多晶体金属中晶粒长大的驱动力是 (11) ；合金中原子扩散的驱动力是 (12) 。3. 对于刃型位错线，其柏氏矢量 （13） 于位错线，其滑移运动方向 （14）于柏氏矢量，其攀移运动方向（15）于柏氏矢量；对于螺型位错线，其柏氏矢量(16)于位错线，其滑移运动方向 （17）于柏氏矢量，其交滑移运动方向 （18） 于柏氏矢量；对于混合型位错线，其柏氏矢量（19）于位错线，其滑移运动方向（20）于位错线。二、判断题（每小题1分，共10分）1. 密排六方结构的晶体属于密排六方点阵。2. 空位的存在，总是使晶体的自由能降低。3. 位错的存在，总是使晶体的自由能升高。4. 晶体中可以形成纯刃型位错环，也可以形成纯螺型位错环。5. 螺型位错线只能进行滑移运动，不能进行攀移运动。6. 位错线在其滑移面内运动的方向与其所引起的晶体滑移的方向相同。7. 合金中多相平衡的条件是各组元在各相中的化学位相等。8. 一个二元合金相图中，液相线与固相线距离越大的合金，其结晶时的流动性越差。第 1 页9. 在三元相图的垂直截面图中，不能利用重心法则求三个平衡相的质量分数。10.在固相不扩散、液相完全混合的条件下，固溶体凝固中不可能出现成分过冷。三、识图题（共18分）1. (4分) 写出所示立方晶胞中ABCDA晶面及AC晶向的密勒指数。2. (5分) 写出所示六方晶胞中MNPQM晶面、晶向、晶向、晶向、晶向的密勒-布拉菲指数。XZOYABDCQOa1a2a3CPNM3. ( 9分) Fe-C-Mn三元合金的液相面投影图如下图所示。(1) （3分）写出图中O合金的成分、熔点及结晶时的初生晶；abco(2) （6分）写出图中a点、b点和c点成分的液相参与的四相平衡反应名称及反应式。第 2 页西安交通大学考试题四、证明题（8分） 假设纯金属熔液按均匀形核方式形核，晶核形状为立方体。试证明：临界形核功等于临界晶核表面能的三分之一，即式中，为临界晶核表面积，为晶核的比表面能。五、计算题（共24分）图4 第五题第1题图TLA3020B601. （8分）A-B二元合金相图如图4所示。在固相不扩散、液相完全混合条件下，水平放置的B质量分数的A-B二元合金熔液从一端定向凝固成长为L的横截面均匀的合金棒。(1) （4分）计算棒中单相固溶体段占棒长的分数；(2)（4分）计算合金棒中单相AaB图5 第五题第2题图固溶体段的平均B含量。第 3 页2. （8分）W-Cr-Ni三元合金800等温截面图示于图5。（1）（4分）写出图中A合金在该温度时的相组成物，在图中标出各组成相的成分点，并计算各相的质量百分数（用字母列式表示即可）；（2）（4分）写出图中B合金在该温度时的相组成物，在图中标出各组成相的成分点，并计算各相的质量百分数（用字母列式表示即可）。3. （8分）立方形晶体中的位错环ABCDA如图2所示。AB段和CD段平行于Z轴，AD段和BC段平行于X轴，位错环的柏氏矢量b平行于Y轴，。刃位错的应力场公式如下：（1）(4分) AB段对CD段单位长度的作用力是多大，在什么方向？图6 第五题第3题图（2） (4分) 在外应力作用下，单位长度各段位错所受的力是多大，在什么方向？六、综合题（共20分） 针对碳钢回答下列问题：1. （5分）已知727时，碳在奥氏体中的溶解度为，而在铁素体中的极限溶解度仅为。请解释二者差别如此明显的原因。第 4 页2. （5分）已知低碳钢常在920左右进行气体渗碳。请解释选择这一温度的原因。3. （5分）碳质量分数的低碳钢工件在920进行表面气体渗碳，工件表面碳浓度始终保持为，并将工件中碳浓度为处至表面的距离定义为渗碳层深度。已知渗碳1小时后，渗碳层深度为0.12mm，若要求渗碳层深度达到0.48 mm，则共需渗碳多长时间。4. （5分）示意画出平衡态碳钢的强度随钢含碳量的变化曲线，并从成分组织性能的角度定性解释。第 5 页西安交通大学本科生课程考试试题标准答案与评分标准课程名称： 材料科学基础 1 课时： 64 考试时间：2007 年 1月17日一、填空题（每空1分，共20分）1.（1）共价；（2）最强；（3）最高；（4）金属；（5）较弱；（6）较低；（7）共价；（8）二次；（9）最低；2.（10）体积自由能的降低；（11）总晶界能的降低；（12）化学位的降低；3.（13）垂直；（14）平行；（15）垂直；（16）平行；（17）垂直；（18）垂直；（19）既不垂直也不平行；（20）垂直。 二、判断题（每小题1分，共10分）1. 错误；2. 错误；3.正确；4. 错误；5.正确；6.错误；7.正确；8.正确；9.正确；10.正确。三、识图题（共18分）1. (4分) ABCDA晶面：（101）； （2分）AC晶向： （2分）2. (5分) MNPQM晶面：； （1分）晶向：； （1分）晶向：； （1分）晶向：； （1分）晶向：。 （1分）3. ( 9分)（1）（3分） O合金的成分为：WFe=85.8%，WMn=13.0%，WC=1.2%； （1分）熔点为：1425； （1分）初生晶为：（Fe） （1分） 第 1 页（2）（6分） a点：包晶反应， L+ M7C3+(C)M5C2 （2分）b点：包共晶反应，L+ M5C2 M3C +(C) （2分）c点：包共晶反应，L+M3C+（Mn） （2分）四、证明题（8分）证明：设立方体晶核的边长为a，液体与固体间的体积自由能为，液体与晶核间的比界面能为，晶核表面积为，晶核体积为，则形核时的自由能变化为 （2分）令 ，解得临界晶核边长为 （2分）则临界形核功为 （1分）临界表面形核能 （1分） 第 2 页 而 （1分） 故 （1分）五、计算题（共24分）1. （8分） (1) （4分）根据公式 （2分）式中， ， ， 则 （2分）(2) （4分）令 （2分） 则 （2分）2. （8分）dabcefoAaB第五题第2题解答图 作辅助线如图所示。 第 3 页（1）（4分）相组成物：(Ni)+1 （1分）相组成物的成分点：(Ni)的成分为图中a点 （1分）1的成分为图中 b点 （1分）各相的质量分数：， （1分）（2）（4分）相组成物：Ni4W+1+2； （1分）相组成物的成分点：Ni4W的成分为图中d点，1的成分为图中 e点，2的成分为图中c点； （1分）各相的质量分数： （1分） （0.5分） （0.5分）3. （8分） （1）（4分） （3分）X方向； （1分）（2）（4分） AB段： ， Y方向； （1分）CD段： ， Y方向； （1分）AD段和BC段无作用力。 （2分）六、综合题（共20分）1. （5分）奥氏体为面心立方结构，碳原子位于其八面体间隙中；铁素体为体心立方结构，碳原子也位于其八面体间隙中。面心立方的八面体间隙半径与铁原子半径之比（0.414）大于体心立方的八面体间隙半径与铁原子半径之比（0.155），而碳原子半径大于间隙半径，一个碳原子固溶于奥氏体中所引起的晶体能量增高远小于固溶于铁素体中所引起的晶体能量增高。 第 4 页2. （5分）影响扩散的主要因素为温度和扩散组元的浓度梯度。920左右渗碳时，碳在奥氏体（面心立方结构）中扩散，过高的温度会引起奥氏体晶粒粗大；但温度过低，碳将在铁素体（体心立方结构）中扩散，碳在铁素体中的极限溶解度比在奥氏体中小得多，因而浓度梯度也小得多。3. （5分）根据，当恒定时，与成正比， （3分）变为4倍，则t变为16倍，故共需16小时。 （2分） 4. （5分）如图所示，强度随碳含量增加先增高后下降，在碳含量约1.0%时为强度极大值。 （2分）强度的这种变化与平衡态碳钢中的组织随碳含量变化有关：当碳含量小于0.77%时，钢中的组织为铁素体+珠光体，且珠光体的分数随碳含量增高而增大，而珠光体在钢中起强化作用，故强度随碳含量增加而增高； （1分）当碳含量大于0.77