1、2008 年西安交通大学材料科学基础真题试卷及答案与解析一、画图题1 针对铁-碳合金回答下列问题： 画出 Fe-Fe3C 平衡相图，并填写各相区的平衡相。二、简答题2 写出图 26-1 所示立方晶胞中 ABCDA 晶面及 BD 晶向的密勒指数。3 写出图 26-2 所示六方晶胞中 EFGHIJE 晶面、EF 晶向、FG 晶向、GH 晶向、JE晶向的密勒-布拉菲指数。4 已知晶体中两不平行晶面(和 h1k1l1)和(h 2k2l2)，证明晶面 (h3k3l3)与(h 1k1l1)和(h 2k2l2)属于同一晶带，其中 h3=h1+h2，k 3=k1+k2，l 3=l1+l2。5 -Fe在 912
2、时转变为 -Fe。这种转变称为什么转变 ?转变后的体积膨胀还是收缩?假定铁原子半径不变，则体积变化率 是多少?6 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显的原因。7 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。8 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 1h 后，渗碳层深度为 0.12mm，若要求渗碳层深度达到0.48mm，计算共需渗
3、碳多长时间。9 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之。三、公式题9 某 A-B-C 三组元在液态完全互溶，固态完全不互溶，且具有共晶反应，其三元相图的全投影图如图 26-3 所示。图中 O 点成分的合金自液态平衡冷却至室温。10 分析 O 合金的平衡结晶过程。11 写出室温时的相组成物和组织组成物。12 计算室温时各相组成物的质量百分数和各组织组成物的质量百分数。四、综合分析题12 在晶格常数为 a 的体心立方单晶体的 123方向进行压缩变形，已知其屈服强度为 s。13 写出晶体的始滑移系及其可能的交滑移系。14 计算晶体开始滑移的临界分切应力 c
4、。15 分别写出屈服时晶体中所开动的刃位错和螺位错的位错线方向及柏氏矢量，以及它们滑移运动的方向。16 若该压缩试样的一个自由表面为 ，写出该面上滑移线的方向。17 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； 为晶核的比表面能。五、论述题18 何谓 n 型半导体? 何谓 p 型半导体? 两者的载流子特征有何不同 ?19 何谓塑料? 何谓橡胶? 两者在室温时的力学性能有何显著差别?20 何谓陶瓷? 从组织结构的角度解释其主要性能特点。21 何谓合金的成分过冷?用成分过冷概念解释为什么共晶点成分的合金具有
5、最好的铸造性能。22 何谓金属的结晶? 何谓金属的再结晶 ?两者是否都是相变，为什么 ?两者的驱动力是否相同，为什么?2008 年西安交通大学材料科学基础真题试卷答案与解析一、画图题1 【正确答案】 略。二、简答题2 【正确答案】 ABCDA 晶面：(011) BD 晶向：3 【正确答案】 EFGHIJE 晶面： EF 晶向： FG 晶向：GH 晶向： JE 晶向：4 【正确答案】 证明：由于两不平行晶面属于同一晶带，设(h 1k1l1)和(h 2k2l2)所属晶带的晶带轴为uvw 。 根据晶带定理 hu+kv+lw=0 (26-1) 可得 h 1u+k1v+l1w=0 (26-2) h2u+
6、k2v+l2w=0 (26-3) 式(26-2)与式(26-3)相加可得 (h 1+h2)u+(k1+k2)v+(l1+l2)w=0 (26-4) 即 h 3u+k3v+l3w=0 (26-5) 比较式(26-5)和式(26-1)可知，晶面(h 3k3l3)也属于以uvw为晶带轴的晶带。 故，晶面(h 3k3l3)与(h 1k1l1)和(h 2k2l2)属于同一晶带。5 【正确答案】 这种转变称为同素异构转变。由于 -Fe是面心立方结构，-Fe 是体心立方结构，前者的致密度大于后者，故转变后体积膨胀。 考虑晶体中的 4 个铁原子，可构成一个 一 -Fe 的晶胞，或两个 -Fe的晶胞。设 -Fe
7、的晶胞边长为a，-Fe 的晶胞边长为 b，铁原子半径为 r。 则转变后的体积膨胀率约为 8.87%。6 【正确答案】 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，碳原子位于其扁八面体间隙中。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)，而碳原子半径大于问隙半径，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。7 【正确答案】 影响扩散的主要因素为温度和扩散组元的浓度梯度。在 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
8、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。8 【正确答案】 根据 当 恒定时， x 与 成正比。x 变为 4 倍，则t 变为 16 倍，故共需 16h。9 【正确答案】 如图 26-4 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。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 wC0.77%时，钢中的组织为铁素体+珠光体，且珠光体的质量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；当wC 0.77%后，钢中的组织为二次渗碳体+珠光体，二次渗碳体以网状分割珠光体，且
9、二次渗碳体的质量分数随碳含量增高而增大。渗碳体硬而脆，少量不连续分布的二次渗碳体起强化作用，故强度随碳含量增加继续增高；但当 wC1.0%后，二次渗碳体的质量分数增加到呈连续网状分布，则会在外力作用下首先断裂形成微裂纹，故强度下降。三、公式题10 【正确答案】 平衡结晶过程：如图 26-5 所示，连接 A、O 两点并延长，交 Ee1线于 d 点，交 BC 线于 a 点；连接 E、d 两点并延长，交 AB 线于 f 点。当温度降至稍低于合金成分线与液相面 Ae1Ee1A 的交点时，开始从液体中结晶出成分为 A的初生晶 A 初 ；随温度降低，A 初 的量不断增多但成分不变，剩余液体的量减少且成分从
10、 O 点沿 Od 线变化；当剩余液体的成分变到 d 点时，液体开始发生两相共晶转变，结晶出(4+B) 共晶 ，随温度降低，液体的量减少且成分从 d 点沿 dE 线变化，当剩余液体的成分变到 E 点时，(A+B) 共晶 的平均成分为 f 点；E 点成分的液体在恒温下发生三相共晶转变，全部结晶为(A+B+C) 共晶 ，直至室温不再发生变化。11 【正确答案】 室温时的相组成物为：A+B+C。 室温时的组织组成物为：A 初+(A+B) 共晶 +(A+B+C) 共晶 。12 【正确答案】 连接 B、O 两点并延长 BO，交 AC 线于 b 点；连接 C、O 两点并延长 CO，交 AB 线于 c 点，则
11、： 室温时各相组成物的质量百分数分别为室温时各组织组成物的质量百分数分别为四、综合分析题13 【正确答案】 体心立方晶体共有 12 个可能的滑移系 。根据作用在滑移系上的分切应力 ，施密特因子 最大的滑移系为始滑移系。也可以使用立方晶系的标准投影图进行判断。结果如下：始滑移系为：(101) 。 可能的交滑移系为：始滑移系可能的交滑移系是所有 12 个滑移系中与始滑移系有相同滑移方向但不同滑移面的那些滑移系，由此可以得出如下结果：14 【正确答案】 15 【正确答案】 晶体的滑移实际上是晶体滑移面内柏氏矢量与晶体滑移方向相同的位错线滑移运动的结果。因此，可得如下结果： 刃位错：位错线方向为 ，柏
12、氏矢量为 ，滑移运动方向为 。 螺位错：位错线方向为，柏氏矢量为 ，滑移运动方向为 。16 【正确答案】 晶体的滑移面与晶体外表面的交线是可能的滑移线，其中，与晶体的滑移方向不平行的那些交线便是滑移线。 故滑移线的方向为：。17 【正确答案】 设立方体晶核的边长为 a，液体与固体问的单位体积自由能差为GV，晶核表面积为 A，晶核的体积为 V，则形核时自由能变化 G 为 G=VGV+As=a3GV+6a2s 令 解得临界晶核边长 a*为 则临界形核功G*为 而临界表面形核能为 故五、论述题18 【正确答案】 在本征半导体 Si 或 Ge 中加入少量 VA 族的 P 或 As 或 Sb 等元素，所
13、形成的半导体称为 n 型半导体；在本征半导体 Si 或 Ge 中加入少量A 族的 B或 Al 或 Ga 或 In 等元素，所形成的半导体称为 p 型半导体。前者的载流子包括施主电子、本征电子及等量的本征空穴，故其电子浓度高于空穴浓度；后者的载流子包括受主空穴、本征电子及等量的本征空穴，故其空穴浓度高于电子浓度。19 【正确答案】 室温下处于玻璃态的高分子材料称为塑料，室温下处于高弹态的高分子材料称为橡胶。室温下，塑料的硬度较高，脆性较大，弹性较低；而橡胶的硬度较低，脆性较小，弹性较高。20 【正确答案】 陶瓷是指以共价键或离子键为主，以具有高硬度高脆性的特殊氧化物、碳化物、氮化物等化合物为主要
14、组成相的一类材料。由于这些化合物中的结合键以共价键或离子键为主，键合力很强，故陶瓷材料的熔点高，硬度高，抗氧化、耐腐蚀，高温强度高；但由于烧结后陶瓷材料中存在气孔或微裂纹，故陶瓷材料的脆性大，强度低。21 【正确答案】 合金在较快冷却速度下结晶时，固液界面前沿液体中的成分分布不均匀，造成液体的理论结晶温度存在正的梯度，使靠近固液界面部分液体的实际温度低于理论结晶温度而处于过冷状态，这种过冷称为成分过冷。在成分过冷临界条件表达式 ，T f 为合金的结晶温度间隔，即相图中该成分合金的液相点与固相点之间的垂直距离。在其他条件相同的情况下，合金的T f 越小，其成分过冷的倾向也越小。成分过冷倾向越小的合金，其固液界面越倾向于平直状，因而液体的流动性越好，结晶后形成的疏松也越少，故合金的铸造性能越好。对于共晶成分的合金，其T f=0，故其铸造性能最好。22 【正确答案】 金属熔液转变为晶态固体的过程称为结晶；经冷塑性变形的金属在某一温度范围加热时，原来被拉长的高位错密度晶粒转变为等轴状的低位错密度晶粒的过程称为再结晶。结晶是相变，而再结晶不是相变。因为结晶的产物与其母相属于不同的相，而再结晶的产物与其母相属于同一种相。两者的驱动力不相同，前者的驱动力是液、固两相的体积自由能差，而后者的驱动力是变形储能，即塑性变形所引起的晶体中位错总弹性应变能。
