1、西南交通大学硕士材料科学基础真题 2007年及答案解析(总分：131.00，做题时间：90 分钟)一、B填空题/B(总题数：5，分数：30.00)面心立方晶体的最密排面是U (1) /U，最密排方向是U (2) /U；体心立方晶体的最密排面是U (3) /U，最密排方向是U (4) /U；密排六方晶体的最密排面是U (5) /U，最密排方向是U (6) /U。（分数：6.00）(1).（分数：1.00）填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_较细的金属比晶粒较粗的同种金属有U (7) /U的强度和硬度及U (8) /U塑性和韧性，这种现象称为U (9) /U强化；
2、铸造工艺中细化晶粒的常用方法是U (10) /U和U (11) /U。（分数：5.00）(1).（分数：1.00）填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_铁素体是碳在U (12) /U-Fe 中的U (13) /U固溶体，与纯铁相比，其强度和硬度U (14) /U，塑性和韧性U (15) /U，这是由于U (16) /U强化的结果。（分数：5.00）(1).（分数：1.00）填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_对于刃型位错线，其柏氏矢量U (17) /U于位错线，其滑移运动方向U (18) /U于柏氏矢量，其攀移运动方向U (19
3、) /U于柏氏矢量；对于螺型位错线，其柏氏矢量U (20) /U于位错线，其滑移运动方向U (21) /U于柏氏矢量，其交滑移运动方向U (22) /U于柏氏矢量。（分数：6.00）(1).（分数：1.00）填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_金属经冷塑性变形后，其强度和硬度U (23) /U，塑性和韧性U (24) /U，这种现象称为U (25) /U强化或U (26) /U；对于经过预先冷塑性变形的金属，在进一步冷塑性变形前应进行U (27) /U退火，以提高其U (28) /U；而对于冷加工成形的零构件，成形后应及时进行U (29) /U退
4、火，以去除U (30) /U，防止零构件在使用中产生变形或开裂。（分数：8.00）(1).（分数：1.00）填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_填空项 1:_二、B画图题/B(总题数：3，分数：16.00)1.根据 Fe-Fe3C相图，铁碳合金中的渗碳体相可能存在有五种不同的形态，按照形成温度由高到低，依次是：一次渗碳体，共晶渗碳体，二次渗碳体，共析渗碳体和三次渗碳体。请画出含有上述五种渗碳体的铁碳合金的组织示意图(一种合金中可包含一种或多种形态的渗碳体)，并标明渗碳体组织的名称。（分数：5.00）_2.在立方晶胞内画出晶面，以及、
5、晶向。（分数：5.00）_3.画出下列合金及其热处理后的室温组织： (1) 共析钢的平衡组织 (2) 亚共晶白口铸铁 (3) T12 钢的平衡组织 (4) 20 钢的淬火组织 (5) 粒状珠光体 (6) 45 钢调质处理的组织（分数：6.00）_三、B公式题/B(总题数：1，分数：10.00)给出下列各公式，说明公式中各物理量的含义及单位：（分数：9.99）(1).Hall-Petch公式（分数：3.33）_(2).晶界偏聚公式（分数：3.33）_四、B简答题/B(总题数：3，分数：35.00)4.举例说明材料的基本强化形式有哪几种，并说明其中三种的强化机制。（分数：15.00）_5.何为上坡
6、扩散?形成上坡扩散的热力学条件是什么?（分数：10.00）_6.请以 Al-4.5%Cu合金为例，说明时效过程及其性能(硬度)变化。（分数：10.00）_五、B综合分析题/B(总题数：2，分数：40.00)A-B二元合金相图如图 4-1所示。在固相不扩散、液相完全混合的条件下，水平放置的质量分数 wB=40%的A-B二元合金溶液从左至右定向凝固成长为 L的横截面均匀的合金棒。 （分数：20.01）(1).计算棒中单相 a固溶体段占棒长的分数 x。附： 式中，x=Z/L 为已凝固的体积分数；C L，C S，C 0分别为液相、固相和合金的成分，k0为平衡分配系数，k 0=CS/CL。（分数：6.6
7、7）_(2).画出整根棒的组织示意图。（分数：6.67）_(3).画出该棒中 B原子的浓度分布曲线。（分数：6.67）_根据 Fe-Fe3C相图，完成下列工作：（分数：20.00）(1).画出 Fe-Fe3C相图(可以忽略高温铁素体相变及包晶转变)。（分数：4.00）_(2).画出 45钢(w C=0.45%，下同)从高温液态到室温的平衡冷却曲线(不考虑铁素体的溶解度变化)，并标明相的变化过程。（分数：4.00）_(3).示意画出高温液态到室温的组织转变过程图。（分数：4.00）_(4).说明 45钢在室温下的平衡组织，给出每一种组织的成分，计算各组织的相对重量。（分数：4.00）_西南交通大
8、学硕士材料科学基础真题 2007年答案解析(总分：131.00，做题时间：90 分钟)一、B填空题/B(总题数：5，分数：30.00)面心立方晶体的最密排面是U (1) /U，最密排方向是U (2) /U；体心立方晶体的最密排面是U (3) /U，最密排方向是U (4) /U；密排六方晶体的最密排面是U (5) /U，最密排方向是U (6) /U。（分数：6.00）(1).（分数：1.00）填空项 1:_ （正确答案：111；）解析：填空项 1:_ （正确答案：；）解析：填空项 1:_ （正确答案：110；）解析：填空项 1:_ （正确答案：；）解析：填空项 1:_ （正确答案：；）解析：解析
9、：较细的金属比晶粒较粗的同种金属有U (7) /U的强度和硬度及U (8) /U塑性和韧性，这种现象称为U (9) /U强化；铸造工艺中细化晶粒的常用方法是U (10) /U和U (11) /U。（分数：5.00）(1).（分数：1.00）填空项 1:_ （正确答案：更高；）解析：填空项 1:_ （正确答案：更好；）解析：填空项 1:_ （正确答案：细晶；）解析：填空项 1:_ （正确答案：增大冷却速度；）解析：填空项 1:_ （正确答案：加形核剂，搅拌或振动）解析：铁素体是碳在U (12) /U-Fe 中的U (13) /U固溶体，与纯铁相比，其强度和硬度U (14) /U，塑性和韧性U (
10、15) /U，这是由于U (16) /U强化的结果。（分数：5.00）(1).（分数：1.00）填空项 1:_ （正确答案：；）解析：填空项 1:_ （正确答案：间隙；）解析：填空项 1:_ （正确答案：更高；）解析：填空项 1:_ （正确答案：更低；）解析：填空项 1:_ （正确答案：固溶）解析：对于刃型位错线，其柏氏矢量U (17) /U于位错线，其滑移运动方向U (18) /U于柏氏矢量，其攀移运动方向U (19) /U于柏氏矢量；对于螺型位错线，其柏氏矢量U (20) /U于位错线，其滑移运动方向U (21) /U于柏氏矢量，其交滑移运动方向U (22) /U于柏氏矢量。（分数：6.0
11、0）(1).（分数：1.00）填空项 1:_ （正确答案：垂直；）解析：填空项 1:_ （正确答案：平行；）解析：填空项 1:_ （正确答案：垂直；）解析：填空项 1:_ （正确答案：平行；）解析：填空项 1:_ （正确答案：垂直；）解析：填空项 1:_ （正确答案：垂直）解析：金属经冷塑性变形后，其强度和硬度U (23) /U，塑性和韧性U (24) /U，这种现象称为U (25) /U强化或U (26) /U；对于经过预先冷塑性变形的金属，在进一步冷塑性变形前应进行U (27) /U退火，以提高其U (28) /U；而对于冷加工成形的零构件，成形后应及时进行U (29) /U退火，以去除U
12、 (30) /U，防止零构件在使用中产生变形或开裂。（分数：8.00）(1).（分数：1.00）填空项 1:_ （正确答案：升高；）解析：填空项 1:_ （正确答案：下降；）解析：填空项 1:_ （正确答案：形变；）解析：填空项 1:_ （正确答案：加工硬化；）解析：填空项 1:_ （正确答案：再结晶；）解析：填空项 1:_ （正确答案：塑性和韧性；）解析：填空项 1:_ （正确答案：去应力；）解析：填空项 1:_ （正确答案：残余内应力）解析：二、B画图题/B(总题数：3，分数：16.00)1.根据 Fe-Fe3C相图，铁碳合金中的渗碳体相可能存在有五种不同的形态，按照形成温度由高到低，依次
13、是：一次渗碳体，共晶渗碳体，二次渗碳体，共析渗碳体和三次渗碳体。请画出含有上述五种渗碳体的铁碳合金的组织示意图(一种合金中可包含一种或多种形态的渗碳体)，并标明渗碳体组织的名称。（分数：5.00）_正确答案：()解析：1如图 4-3所示。 一次渗碳体是从液相中直接析出的，只有在含碳量 wC4.30%的铁碳合金(白口铸铁)中才能见到。其形貌是大块的板条(过共晶白口铸铁中)，如图 4-3a中白色条状组织所示。 二次渗碳体是过共析钢退火平衡组织，是从奥氏体中析出的，一般分布在原奥氏体晶界，呈网状，又称网状渗碳体，如图 4-3b所示。三次渗碳体是从铁素体中析出的，分布在铁素体晶界上，由于量较少，呈现断
14、续蛇状分布。一般只在工业纯铁中可以看到，如图 4-3c所示。 珠光体中的渗碳体叫做共析渗碳体，呈现为层片状形态，如图 4-3b所示。 共晶莱氏体组织中的渗碳体叫做共晶渗碳体，是共晶组织的基体，呈现连续分布，如图 4-3d所示。2.在立方晶胞内画出晶面，以及、晶向。（分数：5.00）_正确答案：()解析：如图 4-4所示。3.画出下列合金及其热处理后的室温组织： (1) 共析钢的平衡组织 (2) 亚共晶白口铸铁 (3) T12 钢的平衡组织 (4) 20 钢的淬火组织 (5) 粒状珠光体 (6) 45 钢调质处理的组织（分数：6.00）_正确答案：()解析：如图 4-5所示。三、B公式题/B(总
15、题数：1，分数：10.00)给出下列各公式，说明公式中各物理量的含义及单位：（分数：9.99）(1).Hall-Petch公式（分数：3.33）_正确答案：()解析：Hall-Petch 公式 表示屈服强度与晶粒尺寸之间的关系。 式中，为常数；d 为晶粒直径(m)； s为屈服强度(MPa)。(2).晶界偏聚公式（分数：3.33）_正确答案：()解析：晶界偏聚公式 式中，C gb、C 0分别为晶界浓度和晶粒中心浓度(两者同单位即可，可以使用质量百分浓度或体积浓度)；E 为交互作用能(eV)；Q 为：mole 交互作用能(J)，由于偏聚引起晶界能的变化；R 为气体常数(J/K)；k为玻尔兹曼常数(
16、eV/K)；T 为绝对温度(K)。_解析：四、B简答题/B(总题数：3，分数：35.00)4.举例说明材料的基本强化形式有哪几种，并说明其中三种的强化机制。（分数：15.00）_正确答案：()解析：通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料强度的方法，称为材料的强化。其强化基本形式有：固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化等。 这些强化方式总的来说是向晶体内引人大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度弥散的质点或不均匀性(如偏聚)等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高材料强度。 固溶强化：无论是代位原子或是填隙原子，在条件合适的情况下，都可能发生原子偏聚而形成气团
17、。对代位点阵来说，当溶质原子比溶剂原子的直径大时，溶质原子有富集在刃型位错受胀区的趋向；反之，富集于受压区。填隙原子则总是向受胀区富集。这种靠扩散在位错附近富集的现象，称为柯氏气团(Cottrell atmosphere)。柯氏气团对位错有钉扎作用，从而使强度提高。 沉淀强化和弥散强化：过饱和固溶体随温度下降或在长时间保温过程中(时效)发生脱溶分解。时效过程往往是很复杂的，如铝合金在时效过程中先产生 GP区，继而析出过渡相(“及 )，最后形成热力学稳定的平衡相()。细小的沉淀物分散于基体之中，阻碍着位错运动而产生强化作用，这就是“沉淀强化”或“时效强化”。 加工硬化：冷变形金属在塑性变形过程中
18、形成大量位错，这些位错部分成为不可动位错，从而导致其对可动位错的阻力增大，引起材料继续变形困难，形成加工硬化或形变强化。5.何为上坡扩散?形成上坡扩散的热力学条件是什么?（分数：10.00）_正确答案：()解析：物质从低浓度区向高浓度区扩散，扩散的结果提高了浓度梯度。例如铝铜合金时效早期形成的富铜偏聚区，以及某些合金固溶体的调幅分解形成的溶质原子富集区等，这种扩散称为“上坡扩散”。上坡扩散的真正驱动力是化学位梯度，而非浓度梯度，虽然扩散导致浓度梯度上升，但化学位梯度却是下降的。据此，形成上坡扩散的热力学条件是6.请以 Al-4.5%Cu合金为例，说明时效过程及其性能(硬度)变化。（分数：10.
19、00）_正确答案：()解析：铝合金淬火后得到过饱和固溶体，之后加热保温，固溶体内会依次析出 GP区，“、“、 相。GP区的形成会使材料的硬度增加(第一个时效峰)，长时间时效，GP 区溶解，硬度下降。“的形成使得硬度继续增加(第二个时效峰)。当 “全部溶解转化为 和 转化为 后，硬度开始下降。五、B综合分析题/B(总题数：2，分数：40.00)A-B二元合金相图如图 4-1所示。在固相不扩散、液相完全混合的条件下，水平放置的质量分数 wB=40%的A-B二元合金溶液从左至右定向凝固成长为 L的横截面均匀的合金棒。 （分数：20.01）(1).计算棒中单相 a固溶体段占棒长的分数 x。附： 式中，
20、x=Z/L 为已凝固的体积分数；C L，C S，C 0分别为液相、固相和合金的成分，k0为平衡分配系数，k 0=CS/CL。（分数：6.67）_正确答案：()解析：式中，C S=30%；k 0=30%/60%，=0.5；C 0=40%。将值代入后得 x=Z/L=5/9。(2).画出整根棒的组织示意图。（分数：6.67）_正确答案：()解析：如图 4-6a所示。(3).画出该棒中 B原子的浓度分布曲线。（分数：6.67）_正确答案：()解析：如图 4-6b所示。根据 Fe-Fe3C相图，完成下列工作：（分数：20.00）(1).画出 Fe-Fe3C相图(可以忽略高温铁素体相变及包晶转变)。（分数
21、：4.00）_正确答案：()解析：如图 4-7a所示。(2).画出 45钢(w C=0.45%，下同)从高温液态到室温的平衡冷却曲线(不考虑铁素体的溶解度变化)，并标明相的变化过程。（分数：4.00）_正确答案：()解析：如图 4-7b所示。(3).示意画出高温液态到室温的组织转变过程图。（分数：4.00）_正确答案：()解析：如图 4-7c所示。 LL+AAA+FA+F+PF+P 45 钢在液态到室温的冷却过程中将发生以下转变：匀晶转变 LL+A，并全部转变为 A，然后发生同素异晶转变 AF+A，在 727发生共析转变 AP(F+Cm)。(4).说明 45钢在室温下的平衡组织，给出每一种组织的成分，计算各组织的相对重量。（分数：4.00）_正确答案：()解析：室温下 45钢的组织为：铁素体 F(wC=0.0218%)+珠光体 P(F+Fe3C)(wC=0.77%)。根据杠杆定律计算，得 _解析：
