西安交通大学硕士材料科学基础真题2008年

试卷二十六

2008年攻读硕士学位研究生入学考试试题

考试科目：材料科学基础 适用专业：材料科学与工程 一、

1．写出图26-1所示立方晶胞中ABCDA晶面及BD晶向的密勒指数。

2．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。

3．已知晶体中两不平行晶面(和h1k1l1)和(h2k2l2)，证明晶面(h3k3l3)与(h1k1l1)和(h2k2l2)属于同一晶带，其中h3=h1+h2，k3=k1+k2，l3=l1+l2。

二、针对铁-碳合金回答下列问题：

1．画出Fe-Fe3C平衡相图，并填写各相区的平衡相。

2．γ-Fe在912℃时转变为α-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?

3．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。

4．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。

5．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，计算共需渗碳多长时间。

6．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、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σs。

1．写出晶体的始滑移系及其可能的交滑移系。 2．计算晶体开始滑移的临界分切应力τc。

3．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。

4．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。 四、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。

1．分析O合金的平衡结晶过程。

2．写出室温时的相组成物和组织组成物。

3．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。

五、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；σ为晶核的比表面能。 六、简答下列问题：

1．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? 2．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? 3．何谓陶瓷?从组织结构的角度解释其主要性能特点。

4．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最好的铸造性能。

5．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?

标准答案 一、

*

1．ABCDA晶面：(011) BD晶向：2．EFGHIJE晶面：

EF晶向：

FG晶向： GH晶向： JE晶向：

3．证明：由于两不平行晶面属于同一晶带，设(h1k1l1)和(h2k2l2)所属晶带的晶带轴为[uvw]。

根据晶带定理 hu+kv+lw=0 (26-1) 可得

h1u+k1v+l1w=0 (26-2) h2u+k2v+l2w=0 (26-3)

式(26-2)与式(26-3)相加可得

(h1+h2)u+(k1+k2)v+(l1+l2)w=0 (26-4) 即 h3u+k3v+l3w=0 (26-5)

比较式(26-5)和式(26-1)可知，晶面(h3k3l3)也属于以[uvw]为晶带轴的晶带。

故，晶面(h3k3l3)与(h1k1l1)和(h2k2l2)属于同一晶带。 二、 1．略。

2．这种转变称为同素异构转变。

由于γ-Fe是面心立方结构，α-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γ一-Fe的晶胞，或两个α-Fe的晶胞。设γ-Fe的晶胞边长为a，α-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%。

3．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。

4．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。

5．根据当β恒定时，x与成正比。x变为4倍，则t变为16倍，故共需16h。

6．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wC＜0.77%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wC≥1.0%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、

1．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：

。

2．

3．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：位错线方向为为

。

螺位错：位错线方向为为

，柏氏矢量为

，滑移运动方向

，柏氏矢量为

，滑移运动方向

。

4．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。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t7lh.html