2002007学年第一学期材料科学基础1试题及答案

1、西安交通大学考试题课 程 材料科学基础 1成绩年 01 月 17 日学院材料科学与工程考试日期2007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，

2、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.

3、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。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、 向的密勒 - 布拉菲指数。MN 晶向、 NP晶向、 PQ 晶向、QM 晶3. （ 9 分） F

4、e-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；（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。S 为晶核的比表面能。wB(%)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G 等于临界晶核表面能的三分之一，即式中， A * 为临界晶核表面积，五、计算题（共 24 分）1. （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 wB 20%的 A-B 二元合金熔液从一

5、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 固溶体段的平均 B含量 wB 。图 4 第五题第 1 题图图 5 第五题第 2题图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，并计算各相的质量百分数（用字母列式表示即可）在图中标出各组成相的成分点，在图中标出各组成相的成分点，2）（4 分）写出图中 B 合金在该温度时的相组成物， 并计算各相的质量百分数（用字母列式表示即可）段和 BC段平行于 X 轴，位错环的柏氏矢量b 平行于 Y

6、轴， ADd 。刃位错的应力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场 e 公式如下：Gb2y(3x2y2)Gbx(x2y2)2 (1) (x2y2)22(1) (x2y2)2Gbx(x2y2)Gby(x2y2)2 (1) (x2 0y2)22(1) (x2 0y2)2(xxyy1） （4 分 ） AB 段对 CD段单位长度的作用力是多大，在什么方向？在什么方向？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wC = 0.77%，而在铁素体中的极限溶解度仅为 wC = 0.0218% 。请解释二者差别如此明

7、显的原因。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 wC = 0.2%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 wC = 1.0% ，并将工件中碳浓度为 wC = 0.4% 处至表面的距离 x 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

8、 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.

9、正确。三、识图题（共 18 分）1. （4 分） ABCDA 晶面：（ 101）；（2 分）AC晶向：111（ 2 分）2. （5 分）MNPQM晶面： （1011） ；（1分）MN 晶向： 2113 ；（ 1 分）NP 晶向： 1210 ；（ 1 分）PQ 晶向： 1123 ；（ 1 分）QM 晶向： 1210 。（ 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）2）（ 6 分） a 点：包晶反应，L+ M7C3+(C) M5C2（2 分）b 点：包

10、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GV ，液体与晶核间的比界面能为 S，晶核表面积为 A ，晶核体积为 V ，则形核时的自由能变化 G为G V ? GVA? Sa3 GV6a2 S2 分）令 d( G) da0，4S GV解得临界晶核边长 a* 为2 分）则临界形核功 G 为GV2SGVS32 S3( GV )2AS6(a)2 S264SSGVS4S GV临界表面形核能3 S1 分）96( GV )21 分）323 S而G( GV )21AS96

11、3 S3( GV )2故G1AS3五、计算题（共24 分）1.（8 分）(1)（ 4 分） 根据公式CS(z)C0k0式中，C S =30，C 0 =20，则z8L=9(2)（ 4 分）令8wB10.6 0.299则wB15%1 分）1 分）k0 11 z(2 分)L30 1k0 =0 60 2(2 分)2 分）2 分）2. （8 分）作辅助线如图所示。o第五题第 2题解答图1）（4 分） 相组成物：(Ni)+ 11 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：Abw(Ni )100%ab，w1Aa 100% ab1 分）2）（ 4 分）

12、 相组成物：Ni 4W+ 1+2；1 分）相组成物的成分点：Ni 4W的成分为图中d 点， 1的成分为图中 e 点， 2的成分1 分）各相的质量分数：Bf1010%fe1 分）wNi4WBe fefc100% cdBefdw2100%2fecd3. （8 分）Gb2（1）（4 分）f2 (1)dX方向；（2）（4 分）AB段： fxyb，Y 方向；CD段： fxyb，Y 方向；w1AD段和 BC段无作用力。0.5 分）0.5 分）（3 分）（1 分）（ 1 分）（ 1 分）2 分）为图中 c 点；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

13、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。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。x3. （5 分） 根据，当 恒定时， x 与 t 成正比，（ 3 分）2 Dt（2 分）1.0%时为强度极（2 分）x 变为 4 倍，则 t 变为 16 倍，故共需 16 小时。4. （5分） 如图所示，强度随碳含量增加先增高后下降，在碳含量约大值。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