西北工业大学材料科学基础考研课程试题集

1《材料科学基础》考试大纲一、考试内容1．工程材料中的原子排列（1）原子键合，工程材料种类；（2）原子的规则排列：晶体结构与空间点陈，晶向及晶面的特点及表示，金属的晶体结构，陶瓷的晶体结构。（3）原子的不规则排列：点、线、面缺陷的类型及特征，位错的弹性性质，实际晶体中的位错。2．固体中的相结构（1）固溶体的分类、性能及特征（2）金属间化合物的分类、性能及特征；（3）玻璃相性能及特征。3．凝固与结晶（1）结晶的基本规律、基本条件；（2）晶核的形成与长大；（3）结晶理论的应用。4．二元相图（1）相图的基本知识；（2）二元匀晶相图及固溶体的结晶，共晶相图及共晶转变，包晶相图及包晶转变；（3）二元相图的分析方法，其他类型二元相图及其应用，相图的热力学基础。5．固体中的扩散：（1）扩散定律及其应用；（2）扩散的微观机理，影响扩散的因素；（3）扩散的热力学理论；（4）反应扩散。6．塑性变形：（1）单晶体的塑性变形；（2）多晶体的塑性变形；（3）合金的塑性变形；（4）冷变形金属的组织与性能，超塑性。7．回复与与结晶：（1）冷变形金属在加热时的变化；（2）回复机制；（3）再结晶及再结晶后的晶粒长大；（4）金属的热变形。二、参考书目1.《材料科学基础》（第二版），刘智恩，西北工业大学出版社，20032.《材料科学基础》，胡庚祥，蔡珣，上海交通大学出版社，20003.《材料科学基础》，石德珂，西安交通大学出版社，20004.《材料科学基础》，潘金生，仝健民，清华大学出版社，199822004年西北工业大学硕士研究生入学试题一、简答题：（共40分，每小题8分）1、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点？2、请简述影响扩散的主要因素有哪些。3、临界晶核的物理意义是什么？形成临界晶核的充分条件是什么？4、有哪些因素影响形成非晶态金属？为什么？5、合金强化途径有哪些？各有什么特点？二、计算、作图题：（共60分，每小题12分）1、求]111[和]120[两晶向所决定的晶面，并绘图表示出来。2、氧化镁（MgO）具有NaCl型结构，即具有O2-离子的面心立方结构。问：（1）若其离子半径2Mgr=0.066nm，2Or＝0.140nm，则其原子堆积密度为多少？（2）如果2Mgr/2Or＝0.41，则原子堆积密度是否改变？3、已知液态纯镍在1.013×105Pa（1大气压），过冷度为319K时发生均匀形核，设临界晶核半径为1nm，纯镍熔点为1726K，熔化热ΔHm＝18075J/mol，摩尔体积Vs＝6.6cm3/mol，试计算纯镍的液－固界面能和临界形核功。4、图示为Pb-Sn-Bi相图投影图。问：（1）写出合金Q（wBi＝0.7，wSn＝0.2）凝固过程及室温组织；（2）计算合金室温下组织组成物的相对含量。35、有一钢丝（直径为1mm）包复一层铜（总直径为2mm）。若已知钢的屈服强度σst＝280MPa，弹性模量Est＝205GPa，铜的σCu＝140MPa，弹性模量ECu＝110GPa。问：（1）如果该复合材料受到拉力，何种材料先屈服？（2）在不发生塑性变形的情况下，该材料能承受的最大拉伸载荷是多少？（3）该复合材料的弹性模量为多少？三、综合分析题：（共50分，每小题25分）1、某面心立方晶体的可动滑移系为]101[)111(、。（1）请指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量；（2）若滑移由刃位错引起，试指出位错线的方向；（3）请指出在（2）的情况下，位错线的运动方向；（4）假设在该滑移系上作用一大小为0.7MPa的切应力，试计算单位刃位错线受力的大小和方向（取点阵常数为a＝0.2nm）。2、若有，某一Cu-Ag合金（wCu＝0.075，wAg＝0.925）1Kg，请提出一种方案从该合金中提炼出100g的Ag，且要求提炼得到的Ag中的Cu含量wCu低于0.02。（假设液相线和固相线固相线均为直线）。2005年西北工业大学硕士研究生入学试题一、简答题（每题8分，共40分）1.请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。2.同素异晶转变和再结晶转变都是以形核长大方式进行的，请问两者之间有何差别？3.两位错发生交割时产生的扭折和割阶有何区别？4.请简述扩散的微观机制有哪些？影响扩散的因素又有哪些？5.请简述回复的机制及其驱动力。4二、计算、作图题：（共60分，每小题12分）1.在面心立方晶体中，分别画出、和、，指出哪些是滑移面、滑移方向，并就图中情况分析它们能否构成滑移系？若外力方向为[001]，请问哪些滑移系可以开动？2.请判定下列位错反应能否进行，若能够进行，请在晶胞图上做出矢量图。（1）（2）3.假设某面心立方晶体可以开动的滑移系为，请回答：（1）给出滑移位错的单位位错柏氏矢量；（2）若滑移位错为纯刃位错，请指出其位错线方向；若滑移位错为纯螺位错，其位错线方向又如何？4.若将一块铁由室温20℃加热至850℃，然后非常快地冷却到20℃，请计算处理前后空位数变化（设铁中形成1mol空位所需的能量为104675J，气体常数为8.314J/mol·K）。5.已知三元简单共晶的投影图，见附图，（1）请画出AD代表的垂直截面图及各区的相组成（已知TATD）；（2）请画出X合金平衡冷却时的冷区曲线，及各阶段相变反应。三、综合分析题：（共50分，每小题25分）1.请对比分析加工硬化、细晶强化、弥散强化、复相强化和固溶强化的特点和机理。2.请根据所附二元共晶相图分析解答下列问题：（1）分析合金I、II的平衡结晶过程，并绘出冷却曲线；（2）说明室温下I、II的相和组织是什么？并计算出相和组织的相对含量；（3）如果希望得到共晶组织和5%的β初的合金，求该合金的成分；（4）分析在快速冷却条件下，I、II两合金获得的组织有何不同。52006年西北工业大学硕士研究生入学试题一、简答题（每题10分，共50分）1.试从结合键的角度，分析工程材料的分类及其特点。2.位错密度有哪几种表征方式？3.陶瓷晶体相可分为哪两大类？有何共同特点？4.冷轧纯铜板，如果要求保持较高强度，应进行何种热处理？若需要继续冷轧变薄时，又应进行何种热处理？5.扩散激活能的物理意义为何？试比较置换扩散和间隙扩散的激活能的大小。二、作图计算题（每题15分，共60分）1.已知碳在γ－Fe中扩散时，D0＝2.0×10－5m2/s，Q＝1.4×105J/mol。当温度由927℃上升到1027℃时，扩散系数变化了多少倍？(气体常数R=8.314J/(mol.K))2.已知某低碳钢σ0=64KPa，K=393.7，若晶粒直径为50μm，该低碳钢的屈服强度是多少？3.试计算BCC晶体最密排面的堆积密度。4.和均位于Fcc铝的(111)晶面上，因此理论上和的滑移均是可能的。（1）画出(111)晶面及单位滑移矢量和。（2）比较具有此二滑移矢量的位错的能量。三、综合分析题（每题20分，共40分）1.试从晶界的结构特征和能量特征分析晶界的特点。2.试分析冷塑性变形对合金组织结构、力学性能、物理化学性能、体系能量的影响。62004年西北工业大学硕士研究生入学试题参考答案一、简答题：（共40分，每小题8分）1、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点？答：相同点：小原子溶入。不同点：间隙固溶体保持溶剂（大原子）点阵；间隙相、间隙化合物改变了大原子点阵，形成新点阵。间隙相结构简单；间隙化合物结构复杂。2、请简述影响扩散的主要因素有哪些。答：影响扩散的主要因素：（1）温度；（2）晶体结构与类型；（3）晶体缺陷；（4）化学成分。3、临界晶核的物理意义是什么？形成临界晶核的充分条件是什么？答：临界晶核的物理意义：可以自发长大的最小晶胚（或，半径等于rk的晶核）形成临界晶核的充分条件：（1）形成r≥rk的晶胚；（2）获得A≥A*（临界形核功）的形核功。4、有哪些因素影响形成非晶态金属？为什么？答：液态金属的粘度：粘度越大原子扩散越困难，易于保留液态金属结构。冷却速度；冷却速度越快，原子重新排列时间越断，越容易保留液态金属结构。5、合金强化途径有哪些？各有什么特点？答：细晶强化、固溶强化、复相强化、弥散强化（时效强化）加工硬化。二、计算、作图题：（共60分，每小题12分）1、求]111[和]120[两晶向所决定的晶面，并绘图表示出来。答：设所求的晶面指数为（hkl）则)112(0211:2111:1011::lkh2、氧化镁（MgO）具有NaCl型结构，即具有O2-离子的面心立方结构。问：（1）若其离子半径2Mgr=0.066nm，2Or＝0.140nm，则其原子堆积密度为多少？（2）如果2Mgr/2Or＝0.41，则原子堆积密度是否改变？答：（1）点阵常数nmrraOMg412.0)(222堆积密度73.04)(43322arrPOMgf（2）堆积密度会改变，因为Pf与两异号离子半径的比值有关。73、已知液态纯镍在1.013×105Pa（1大气压），过冷度为319K时发生均匀形核，设临界晶核半径为1nm，纯镍熔点为1726K，熔化热ΔHm＝18075J/mol，摩尔体积Vs＝6.6cm3/mol，试计算纯镍的液－固界面能和临界形核功。答：因为BGr2，mmBTTHTHLG所以25/1053.222cmJTTHrGrmBJTHVTGGAmBv9106.131631612223234、图示为Pb-Sn-Bi相图投影图。问：（1）写出合金Q（wBi＝0.7，wSn＝0.2）凝固过程及室温组织；（2）计算合金室温下组织组成物的相对含量。答：（1）冷却至液相面析出Bi：LBi初，随温度降低Bi增多，液相成分延Bi-Q的延长线向E3E移动；液相成分达到E3E后发生共晶反应，L（Sn＋Bi）共，液相成分延E3E向E移动；液相成分达到E后，发生三元共晶反应L（Sn＋Bi＋β）共，随后冷却不再变化。室温组织为：Bi初＋（Sn＋Bi）共＋（Sn＋Bi＋β）共（2）wBi初＝2.88；w（Sn＋Bi）共＝0.407；w（Sn＋Bi＋β）共＝0.3055、有一钢丝（直径为1mm）包复一层铜（总直径为2mm）。若已知钢的屈服强度σst＝280MPa，弹性模量Est＝205GPa，铜的σCu＝140MPa，弹性模量ECu＝110GPa。问：（1）如果该复合材料受到拉力，何种材料先屈服？（2）在不发生塑性变形的情况下，该材料能承受的最大拉伸载荷是多少？（3）该复合材料的弹性模量为多少？答；两金属的弹性应变相等，即：CuCustCuCuststEE86.1110000205000)/()/(（1）Cu先屈服；（2）NF560108.010280102.410140FF6666stCu＋＝＋总＝－（3）MPaEEECust130000)()(三、综合分析题：（共50分，每小题25分）1、某面心立方晶体的可动滑移系为]101[)111(、。（1）请指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量；（2）若滑移由刃位错引起，试指出位错线的方向；（3）请指出在（2）的情况下，位错线的运动方向；8（4）假设在该滑移系上作用一大小为0.7MPa的切应力，试计算单位刃位错线受力的大小和方向（取点阵常数为a＝0.2nm）。答：（1）柏氏矢量：]101[2ab；（2）位错线方向：[112]；（3）位错线运动方向平行于柏氏矢量；（4）mMNbF/10899.9112、若有，某一Cu-Ag合金（wCu＝0.075，wAg＝0.925）1Kg，请提出一种方案从该合金中提炼出100g的Ag，且要求提炼得到的Ag中的Cu含量wCu低于0.02。（假设液相线和固相线固相线均为直线）。答：1.将1Kg合金加热至900℃以上熔化，缓慢冷却至850℃，倒去剩余液体，所得固体a1约780g，wCu＝0.055；2.将a1熔化，缓慢冷却至900℃，倒去剩余液体，得a2约380g，wCu＝0.03；3.将a2熔化，缓慢冷却至920