1、2007年清华大学材料科学基础真题试卷及答案与解析 一、综合分析题 1 证明：对于立方晶系，有 hkl (hkl)。 2 画出下述物质的一个晶胞：金刚石： NaCl 闪锌矿 纤锌矿 石墨 3 请导出摩尔分数为 xA、 xB的二元系中的综合扩散系数 D与分扩散系数 DA、 DB之间的关系。 3 根据图 1-1所示的铁碳平衡相图，回答以下问题：4 写出在 1495 、 1154 、 1148 、 738 和 727 发生的三相平衡反应的反应式。 5 画出含碳量 wC=1.2%的过共析钢在室温下的平衡组织， 并计算其中二次渗碳体的百分数。 6 含碳量 wC=3.5%的亚共晶白口铸铁在从液相平衡冷却到
2、室温时会发生什么三相平衡反应和两相平衡反应 (可用热分析曲线表示 )?室温下该成分的铸铁中有没有二次渗碳体 ?如有的话，计算其百分数。 7 解释冷变形金属加热时回复、再结晶的过程及特点。 8 已知 Cu-30%Zn合金的再结晶激活能为 250kJ/mol，此合金在 400 的恒温下完成再结晶需要 1h，试求此合金在 390%：的恒温下完成再结晶需要多少小时。 8 沿铝 (A1)单晶的 方向拉伸，使其发生塑性变形，请确定： 9 画出立方晶系 的标准投影，并由此确定初始滑移系统。 10 转动规律和转轴。 11 双滑移系统。 12 双滑移开始时晶体的取向和切变量。 13 双滑移过程中晶体的转动规律和
3、转轴。 14 晶体的最终取向。 14 有一面心立方单晶体，在 (111)面滑移的柏氏矢量为 的右螺型位错，与在 面上滑移的柏氏矢量为 的另一右螺型位错相遇于此两滑移面交线，并形成一个新的全位错。 15 说明新生成的全位错属哪类位错，该位错是否滑移，为什么 ? 16 若沿 010晶向施加大小为 2MPa的拉应力， 试计算该新生全位错单位长度的受力大小，并说明方向 (设点阵常数为 a=0.2nm)。 2007年清华大学材料科学基础真题试卷答案与解析 一、综合分析题 1 【正确答案】 本题要求证明的结论是 在立方晶系中相同指数的晶向与晶面相互垂直。根据晶面指数的确定规则， (hkl)晶面 ABC在
4、a、 b、 c坐标轴上的截距分别是；根据晶面指数的确定规则， hkl晶向 L=ha+kb+lc，如图 1-2所示。利用立方晶系中a=b=c， =90的特点，因此有由于 L与 ABC面上相交的两条直线垂直，所以 L垂直于 ABC面，从而在立方晶系中有hkl (hkl)。 2 【正确答案】 金刚石、 Nacl、闪锌矿、纤锌矿、石墨的晶胞分别如图 1-3所示。3 【正确答案】 如图 1-4所示，引入两个平行的坐标系：一个是固定坐标系 Oxy；一个是坐落在晶面上同晶面一起运动的坐标系 Oxy。 DA和 DB分别表示组元 A和B的分扩散系数， D为综合扩散系数。相对于动坐标系， A、 B的本征扩散通量分
5、别是 JA1、 JB1即 由于 JB1 JA1，高熔点一侧有流体静压力，则各晶面连同动坐标系会沿 x方向平移，相对于固定坐标系，增加了方向相同的两 个附加通量 CAv和 CBv，所以对固定坐标系，总通量为式中， v为 x处晶面的平移速度； CA、 CB分别为 x处 A组元和 B组元的浓度。式 (1-1)和式(1-2)后面等号成立的依据为菲克第一定律。 根据扩散中晶体各点密度不变的条件，有 CA (x)+CB (x)=常数所以 消去 v，得即 xADB+xBDA=D 式中， xA和 xB分别是 A、 B组元在合金中的摩尔分数。 4 【正确答案】 HJB 1495 L0.53+0.09 包晶 EC
6、F 1154 L4.26 2.08+C 共晶 ECF 1148 L4.3 2.11+Fe3C 共晶 (莱氏体 Ld) PSK 738 L0.68 0.0218+C(G) 共析 PSK 727 0.77 0.0218+Fe3C 共析 5 【正确答案】 室温下的平衡组织如图 1-5所示。6 【正确答案】 所发生的三相平衡反应和两相平衡反应如图 1-6所示。有二次渗碳体，百分数为7 【正确答案】 冷变形金属加热时，各自特点如下： (1) 回复过程的特征 回复过程组织不发生变化，仍保持变形状态伸长的晶粒。 回复过 程使变形引起的宏观一类应力全部消除，微观二类应力大部分消除。 回复过程中一般力学性能变化
7、不大，硬度、强度仅稍有降低，塑性稍有提高，某些物理性能有较大变化，电阻率显著降低，密度增大。 变形储能在回复阶段部分释放。 (2) 再结晶过程的特征 组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒。 力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧降低，塑性提高，恢复至变形前的状态。 变形储能在再结晶过程中全部释放，三类应力 (点阵畸变 )清除，位错密度降低。 (3) 晶粒长大过程的特征 晶粒长大。 引起一些性能变化，如强度 、塑性、韧性下降。 伴随晶粒长大，还发生其他结构上的变化，如再结晶织构。 8 【正确答案】 由公式有所以 t2=t11.962=1.962h 9 【正确答案】 单晶试棒沿轴向进行拉
8、伸，所以拉力 该力 F在立方晶系 标准投影 (见图 1-7)上的极点处于 - 三角形中。 因为 FCC晶体的滑移系统为，所以根据映像规则，可知初始滑移系统为： 10 【正确答案】 单滑移时试样轴应转向 ，转轴为11 【正确答案】 当 F点转到 F点时，发生双滑移。双滑移系统为：12 【正确答案】 可按下式计 算： L=l+(l?n)b (1-3) 令，代入式 (1-3)得所以解得 即双滑移开始时的取向是 ，切变量是 . 13 【正确答案】 双滑移时试样轴一方面转向 ，其转轴为；一方面又转向 ，其转轴为。故合成轴为 n=n1+n2=000，即晶体取向不再改变，只是被拉长。 14 【正确答案】 晶体的最终取向就是 . 15 【正确答案】 由于位错线为两滑移面交线，故位错线为式中， n1， n2分别为两滑移面法矢量。 可见，位错线与柏氏矢量既不平行，也不垂直，该新生位错为混合型位错。 已知该新生位错 的位错线及柏氏矢量，可由它们叉乘得到新生位错滑移面的法向量，即 该位错的滑移面为因该滑移面为面心立方密排面，故该位错可以滑移。 16 【正确答案】 根据 Schmid定律，作用在新生位错滑移面的滑移方向上的分切应力为所以，作用在单位长度位错线上的力为其方向为垂直于位错线方向 ，指向未滑移区。
