1、(北京科技大学)材料科学基础真题 2006 年及答案解析(总分：200.00，做题时间：90 分钟)一、论述题(总题数：11，分数：200.00)1.晶体结构1(以面心立方晶胞为例)描述晶体结构(晶胞)特征的常用参数有哪些？2在体心立方晶胞中画出一个最密排方向并标明晶向指数；再画出过该方向的两个不同的低指数(简单)晶面，写出对应的晶面指数。这两个面和与其平行的密排方向构成什么关系？（分数：20.00）_2.合金相1(以金属为基的)固溶体与中间相的主要差异(如结构、键性、性能)是什么？2纯金属中溶入另一组元后(假设不会产生新相)会带来哪些微观结构上的变化？这些变化如何引起性能上的变化？（分数：2
2、0.00）_3.晶体缺陷1点缺陷(如间隙原子或代位原子)和线缺陷(如位错)为何会发生交互作用？这种交互作用如何影响力学性能？2举例或画图说明什么是小角晶界的位错模型？描述大角晶界有何模型？其含义是什么？（分数：20.00）_4.相图及凝固1下图为铁碳相图和一个含 3.5%C 的铁碳合金缓冷凝固组织。说明或示意画出此合金由液相缓冷到共析温度以下的组织变化过程，并说明图 b 的最终组织；计算图 b 中箭头所指的树枝状组织的重量百分量；再分别计算共析转变后合金中铁素体和全部的珠光体组织重量百分量(Fe 3C 含 6.69%C)。2下图为一连铸坯低倍组织照片，说明各晶区的名称及成因；若想得到更多的等轴
3、晶粒，可采用哪些方法或措施？（分数：30.00）_5.扩散扩散的微观机制有哪些？一般情况下，哪种机制扩散快一些？一个经凝固而有微观非平衡偏析的合金，采用哪些措施可加速扩散使合金均匀化？描述该过程应用哪种扩散第二定律的解？（分数：10.00）_6.形变1写出面心立方金属的一个具体的滑移系；多晶体变形时，在一定的形变量下，为何有的晶粒内是单系滑移而另一些晶粒内是多系滑移？为何有的晶粒内滑移量大而另一些晶粒内滑移量小？2什么是形变织构？有哪几类？如何表示？（分数：20.00）_7.再结晶1简述回复再结晶退火时材料组织和性能变化的规律；为何实际生产中常需要再结晶退火？2再结晶形核地点有什么特点或特征？
4、哪些地点可能是优先的形核地点？（分数：20.00）_8.固态相变什么是连续脱溶？若一个过饱和固溶体在不同时效条件下分别得到如图所示的规则形状和不规则形状析出物，该现象说明什么？形成两种组织的大致条件(或工艺)各是什么？（分数：10.00）_9.晶体结构1(以体心立方晶胞为例)描述晶体结构(晶胞)几何特征的常用参数有哪些？2在面心立方晶体结构晶胞中画出一个最密排方向并标明晶向指数；再画出过该方向的两个不同的低指数(简单)晶面，写出对应的晶面指数。这两个面和与其平行的密排方向构成什么关系？（分数：20.00）_10.相图及凝固参照图 a 提供的铁碳相图，说明并示意画出含碳 1.3%的铁碳合金由液相
5、缓冷到共析温度以下的组织变化过程；计算该合金二次渗碳体的最大重量百分量；再分别计算共析转变后合金中铁素体和珠光体组织重量百分量。（分数：20.00）_11.再结晶再结晶完成后的晶粒长大过程中，晶粒的平衡形貌(二维条件下)是直的六边形；多于六边的晶粒将吞并少于六边的晶粒而长大。解释原因。（分数：10.00）_(北京科技大学)材料科学基础真题 2006 年答案解析(总分：200.00，做题时间：90 分钟)一、论述题(总题数：11，分数：200.00)1.晶体结构1(以面心立方晶胞为例)描述晶体结构(晶胞)特征的常用参数有哪些？2在体心立方晶胞中画出一个最密排方向并标明晶向指数；再画出过该方向的两
6、个不同的低指数(简单)晶面，写出对应的晶面指数。这两个面和与其平行的密排方向构成什么关系？（分数：20.00）_正确答案：(1FCC 晶胞中的原子个数 4，密排面111及密排方向110，配位数 12，原子半径 ；间隙位置(八面体间隙在体心及等效位置)及个数 4，堆垛顺序 ABCABC，致密度 0.74。2如图，构成晶带关系。)解析：2.合金相1(以金属为基的)固溶体与中间相的主要差异(如结构、键性、性能)是什么？2纯金属中溶入另一组元后(假设不会产生新相)会带来哪些微观结构上的变化？这些变化如何引起性能上的变化？（分数：20.00）_正确答案：(1固溶体保持纯金属的晶体结构，中间相的结构一般与
7、两组元的结构都不同；固溶体原子间以金属键为主，中间相以共价键及离子键为主；固溶体塑、韧性好，中间相的强度高，韧性较差。2引起点阵畸变，点阵常数会改变；会产生局部偏聚或有序，甚至出现超结构。因固溶强化使强度提高，塑性降低；电阻一般增大。)解析：3.晶体缺陷1点缺陷(如间隙原子或代位原子)和线缺陷(如位错)为何会发生交互作用？这种交互作用如何影响力学性能？2举例或画图说明什么是小角晶界的位错模型？描述大角晶界有何模型？其含义是什么？（分数：20.00）_正确答案：(1点缺陷产生畸变，使局部能量提高，附近有弹性应变场；位错也是如此，但位错周围不同位置应力场状态不同，有的为压应力，有的为拉应力；点缺陷
8、会聚集到位错上使应变能降低，使系统的能量下降，吸附溶质的位错是一种稳定组态；此时位错被钉扎而难以运动，使强度提高，会产生上下屈服点效应。2小角晶界可看成是由大量的、两侧原子完全对应/匹配的好区和一组平行或相互垂直的位错组成，取向差完全是靠位错产生的；晶界能是位错能量的加和。大角度晶界模型有非晶模型、小岛模型、重合位置点阵模型，后者的含义是特殊的大角晶界内一部分原子同属界面两侧点阵，重合点本身构成一超点阵，晶界过其密排面时能量较低。)解析：4.相图及凝固1下图为铁碳相图和一个含 3.5%C 的铁碳合金缓冷凝固组织。说明或示意画出此合金由液相缓冷到共析温度以下的组织变化过程，并说明图 b 的最终组
9、织；计算图 b 中箭头所指的树枝状组织的重量百分量；再分别计算共析转变后合金中铁素体和全部的珠光体组织重量百分量(Fe 3C 含 6.69%C)。2下图为一连铸坯低倍组织照片，说明各晶区的名称及成因；若想得到更多的等轴晶粒，可采用哪些方法或措施？（分数：30.00）_正确答案：(1液相冷却时，先形成先共晶奥氏体枝晶，剩余的液相进行共晶形成莱氏体，凝固完毕。继续冷却时奥氏体枝晶周围析出二次渗碳体，到共析温度后，奥氏体转变为珠光体，最后得到枝晶状分布的珠光体和变态莱氏体。箭头所指的是枝晶状珠光体，它是由奥氏体枝晶转变来的，其相对量为：w 奥氏体 =(4.3-3.5)/(4.3-2.1)100%=3
10、6.36%严格计算时还应扣除二次渗碳体，即：w 奥氏体 -w 奥氏体 (2.1-0.77)/(6.69-0.77)=36.36%-8.17%=28.19%w 铁索体 =(6.69-3.5)/(6.69-0.0218)100%=47.84%w 珠光体 =(6.69-3.5)/(6.69-0.77)100%=53.89%2该照片显示出激冷区、柱状晶区和粗等轴晶区。因铸模温度低造成激冷而形成细等轴晶区；因正的温度梯度和固定的散热方向而形成平行的柱状晶区；因中心液相区内的过冷或冲刷过来的碎枝晶而独立形核形成中心粗等轴晶。加强电磁或机械搅拌，加入非均匀形核剂或孕育剂，预热钢模快冷，可扩大等轴晶区。)解析
11、：5.扩散扩散的微观机制有哪些？一般情况下，哪种机制扩散快一些？一个经凝固而有微观非平衡偏析的合金，采用哪些措施可加速扩散使合金均匀化？描述该过程应用哪种扩散第二定律的解？（分数：10.00）_正确答案：(扩散的微观机制主要有间隙机制和代位机制。按间隙机制扩散时更快，因间隙原子尺寸小，又不需空位的存在。可通过加热退火、形变后再退火、高能粒子辐射提高空位浓度加强扩散(但不经济不实用)。用正弦解可描述扩散时的浓度分布。)解析：6.形变1写出面心立方金属的一个具体的滑移系；多晶体变形时，在一定的形变量下，为何有的晶粒内是单系滑移而另一些晶粒内是多系滑移？为何有的晶粒内滑移量大而另一些晶粒内滑移量小？
12、2什么是形变织构？有哪几类？如何表示？（分数：20.00）_正确答案：(1如(111) )解析：7.再结晶1简述回复再结晶退火时材料组织和性能变化的规律；为何实际生产中常需要再结晶退火？2再结晶形核地点有什么特点或特征？哪些地点可能是优先的形核地点？（分数：20.00）_正确答案：(1随退火温度的升高或退火时间的延长，形变组织中的位错缠结演变为亚晶，亚晶进行合并并长大；在形变不均匀区内发生再结晶形核及长大，等轴晶取代形变长条晶粒；随后是晶粒正常长大；在性能上，强度、硬度下降，电阻下降；塑、韧性提高，密度提高。这些过程在再结晶阶段比回复阶段更显著。材料不断的塑性变形造成强烈的加工硬化，难以继续加
13、工；同时，形变组织不稳定，韧性、塑性差，使用性能不好；再有，强的形变织构的形成也是不希望的。2局部高的位错密度/形变储存能，或有大的位错密度差异；高迁移率大角晶界附近。优先形核地点为：原始晶界、形变时形成的新大角晶界处或通过亚晶长大而逐步形成的大角晶界、第二相粒子附近等。)解析：8.固态相变什么是连续脱溶？若一个过饱和固溶体在不同时效条件下分别得到如图所示的规则形状和不规则形状析出物，该现象说明什么？形成两种组织的大致条件(或工艺)各是什么？（分数：10.00）_正确答案：(脱溶均匀地在晶内进行，基体成分在脱溶时连续平缓地由过饱和状态变为饱和状态，这种脱溶称为连续脱溶。所示图说明有强烈的应变能
14、或界面能的阻力作用，析出相形态可控制。左图说明新相与基体有特定的取向关系，可能是亚稳相；右图一般不存在特定的取向关系，多为稳定相。左图组织可能在较低温度时效，或稍高温度短时间时效得到；右图可能为高温时效，或低温长时间过时效得到。)解析：9.晶体结构1(以体心立方晶胞为例)描述晶体结构(晶胞)几何特征的常用参数有哪些？2在面心立方晶体结构晶胞中画出一个最密排方向并标明晶向指数；再画出过该方向的两个不同的低指数(简单)晶面，写出对应的晶面指数。这两个面和与其平行的密排方向构成什么关系？（分数：20.00）_正确答案：(1BCC 晶胞中的原子个数 2，密排面110及密排方向111，配位数 8+6，原
15、子半径 )解析：10.相图及凝固参照图 a 提供的铁碳相图，说明并示意画出含碳 1.3%的铁碳合金由液相缓冷到共析温度以下的组织变化过程；计算该合金二次渗碳体的最大重量百分量；再分别计算共析转变后合金中铁素体和珠光体组织重量百分量。（分数：20.00）_正确答案：(液相冷却时，先形成先共晶奥氏体枝晶或等轴晶，直至凝固完毕。继续冷却时奥氏体枝晶无变化，到渗碳体在奥氏体的溶解度曲线后，沿晶界析出少量二次渗碳体。到共析温度后，剩余的奥氏体转变为珠光体，最后得到珠光体和少量网状渗碳体。网状二次渗碳体的最大重量百分量：w 渗碳体 =(1.3-0.77)/(6.69-0.77)100%=8.95%共析转变
16、后合金中铁素体重量百分量：w 铁索体 =(6.69-1.3)/(6.69-0.0218)100%=80.83%珠光体组织重量百分量：w 珠光体 =(6.69-1.3)/(6.69-0.77)100%=91.05%)解析：11.再结晶再结晶完成后的晶粒长大过程中，晶粒的平衡形貌(二维条件下)是直的六边形；多于六边的晶粒将吞并少于六边的晶粒而长大。解释原因。（分数：10.00）_正确答案：(晶粒呈直六边形且两边界成 120夹角时，各界面张力平衡，晶界稳定，如图 a 所示；若晶粒呈直七边形，则外角小于 120而造成过大的向外的界面张力合力，从而使三叉晶界结点 A 向晶外移动到 B，以保持结点处的界面张力平衡到保持 120的夹角关系；其结果使相邻两侧晶界为向外凹的弯曲界面，产生向外的压应力并向外迁移，从而使该晶粒 1 变大，2、3 晶粒缩小，如图 b、c 所示。少于六边晶粒的变化可类似讨论。)解析：
