湖南大学《材料科学基础》考研重点笔记
考试复习重点资料（最新版）
资料见第二页
封
面
第1页
第一章材料中的原子排列
第一节原子的结合方式
1原子结构
2原子结合键
（1）离子键与离子晶体
原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；
离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷。
（2）共价键与原子晶体
原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；
原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。如高分子材料。
（3）金属键与金属晶体
原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；
金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金属。
金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。
（3）分子键与分子晶体
原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O
（4）混合键。如复合材料。
3结合键分类
（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。
（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。
4原子的排列方式
（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。
（2）非晶体：――――――――――不规则排列。长程无序，各向同性。
第二节原子的规则排列
一晶体学基础
1空间点阵与晶体结构
（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。图1-5
特征：a原子的理想排列；b有14种。
其中：
空间点阵中的点－阵点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。
描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。
特征：a可能存在局部缺陷；b可有无限多种。
2晶胞
（1）――－：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则：
a能够充分反映空间点阵的对称性；
b相等的棱和角的数目最多；
c具有尽可能多的直角；
d体积最小。
（3）形状和大小
有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。
（4）晶胞中点的位置表示（坐标法）。
3布拉菲点阵
14种点阵分属7个晶系。
4晶向指数与晶面指数
晶向：空间点阵中各阵点列的方向。
晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。（1）晶向指数的标定
a 建立坐标系。确定原点（阵点）、坐标轴和度量单位（棱边）。
b 求坐标。u’,v’,w’。
c 化整数。u,v,w.
d 加[]。[uvw]。说明：
a 指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。
b 负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。
c 晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向。用
a 建立坐标系：确定原点（非阵点）、坐标轴和度量单位。
b 量截距：x,y,z。
c 取倒数：h’,k’,l’。
d 化整数：h,k,k。
e 加圆括号：(hkl)。说明：
a 指数意义：代表一组平行的晶面；
b 0的意义：面与对应的轴平行；
c 平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反；
d 晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相同），空间位向不同
的各组晶面。用{hkl}表示。
e 若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0;
f 若晶面与晶向垂直，则u=h,k=v,w=l。（3）六方系晶向指数和晶面指数
a 六方系指数标定的特殊性：四轴坐标系（等价晶面不具有等价指数）。
b 晶面指数的标定
标法与立方系相同(四个截距)；用四个数字(hkil)表示；i=-(h+k)。c 晶向指数的标定
标法与立方系相同(四个坐标)；用四个数字(uvtw)表示；t=-(u+w)。依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。坐标换算法：[UVW]~[uvtw]
u=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(U+V)/3,w=W。
（4）晶带
a ――：平行于某一晶向直线所有晶面的组合。
晶带轴晶带面
b 性质：晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面//晶带轴；
hu+kv+lw=0
c 晶带定律
凡满足上式的晶面都属于以[uvw]为晶带轴的晶带。推论：(a)由两晶面(h 1k 1l 1)(h 2k 2l 2)求其晶带轴[uvw]：
u=k 1l 2-k 2l 1;v=l 1h 2-l 2h 1;w=h 1k 2-h 2k 1。
(b)由两晶向[u 1v 1w 1][u 2v 2w 2]求其决定的晶面(hkl)。
H=v 1w 1-v 2w 2;k=w 1u 2-w 2u 1;l=u 1v 2-u 2v 1。
（5）晶面间距
a ――：一组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的距离。
b 计算公式（简单立方）：
d=a/(h 2+k 2+l 2)1/2
注意：只适用于简单晶胞；对于面心立方hkl 不全为偶、奇数、体心立方h+k+l=奇数时，d (hkl)=d/2。
二典型晶体结构及其几何特征1三种常见晶体结构
面心立方（A1,FCC）体心立方（A1,BCC）密排六方（A3,HCP）
晶胞原子数426点阵常数a=2/2r a=4/3/3r a=2r 配位数128（8＋6）12致密度0.740.680.74堆垛方式ABCABC..
ABABAB..
ABABAB..
结构间隙正四面体正八面体
四面体扁八面体
四面体正八面体（个数）84126126
（r B /r A ）
0.2250.414
0.290.15
0.2250.414
配位数（CN）：晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。致密度（K）：晶体结构中原子体积占总体积的百分数。K=nv/V。
间隙半径（r B ）
：间隙中所能容纳的最大圆球半径。2离子晶体的结构
（1）鲍林第一规则（负离子配位多面体规则）：在离子晶体中，正离子周围形成一个负离子配位多面体，正负离子间的平衡距离取决于正负离子半径之和，正离子的配位数取决于正负离子的半径比。
（2）鲍林第二规则（电价规则含义）：一个负离子必定同时被一定数量的负离子配位多面体所共有。
（3）鲍林第三规则（棱与面规则）：在配位结构中，共用棱特别是共用面的存在，会降低这个结构的稳定性。3共价键晶体的结构
（1）饱和性：一个原子的共价键数为8-N。（2）方向性：各键之间有确定的方位（配位数小，结构稳定）三多晶型性
元素的晶体结构随外界条件的变化而发生转变的性质。
四影响原子半径的因素
（1）温度与应力（2）结合键的影响
（3）配位数的影响（高配位结构向低配位结构转变时，体积膨胀，原子半径减小减
缓体积变化。
（4）核外电子分布的影响（一周期内，随核外电子数增加至填满，原子半径减小至
一最小值。第三节原子的不规则排列
原子的不规则排列产生晶体缺陷。晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用。
晶体缺陷：实际晶体中与理想点阵结构发生偏差的区域。（晶体缺陷可分为以下三类。）
点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、异类原子等。线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。
一点缺陷
1点缺陷的类型
（1）空位：
肖脱基空位－离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。弗兰克尔空位－离位原子进入晶体间隙。
（2）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。
（3）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。
2点缺陷的平衡浓度
（1）点缺陷是热力学平衡的缺陷－在一定温度下，晶体中总是存在着一定数量的点缺陷（空位），这时体系的能量最低－具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。（原因：晶体中形成点缺陷时，体系内能的增加将使自由能升高，但体系熵值也增加了，这一因素又使自由能降低。其结果是在G-n曲线上出现了最低值，对应的n值即为平衡空位数。）（2）点缺陷的平衡浓度
C=Aexp(-?Ev/kT)
3点缺陷的产生及其运动
（1）点缺陷的产生
平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。
过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。
（2）点缺陷的运动
（迁移、复合－浓度降低；聚集－浓度升高－塌陷）
4点缺陷与材料行为
（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）
（2）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。）
力学性能（屈服强度提高。）
二线缺陷（位错）
位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。
意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。）
位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（2～4个数量级）。
1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。
1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。
1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。
1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。
之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。
1位错的基本类型
（1）刃型位错
模型：滑移面/半原子面/位错线（位错线┻晶体滑移方向，位错线┻位错运动
方向，晶体滑移方向//位错运动方向。）
分类：正刃型位错（┻）；负刃型位错（┳）。
（2）螺型位错
模型：滑移面/位错线。（位错线//晶体滑移方向，位错线┻位错运动方向，晶
体滑移方向┻位错运动方向。）
分类：左螺型位错；右螺型位错。
（3）混合位错
模型：滑移面/位错线。
2位错的性质
（1）形状：不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道。
（2）是已滑移区和未滑移区的边界。
（3）不能中断于晶体内部。可在表面露头，或终止于晶界和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。
3柏氏矢量
（1）确定方法(避开严重畸变区)
a在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路。
b在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路。
c在理想晶体中从终点到起点的矢量即为――。
（2）柏氏矢量的物理意义
a代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）。
b表示晶体滑移的方向和大小。
c柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一条位错线具有唯一的柏氏矢量。
d判断位错的类型。
（3）柏氏矢量的表示方法
a表示:b=a/n[uvw]（可以用矢量加法进行运算）。
b求模：/b/=a/n[u2+v2+w2]1/2。
4位错密度
（1）表示方法：ρ＝K/V
ρ＝n/A
（2）晶体强度与位错密度的关系（τ-ρ图）。
（3）位错观察：浸蚀法、电境法。
5位错的运动
（1）位错的易动性。
（2）位错运动的方式
a滑移：位错沿着滑移面的移动。
刃型位错的滑移：具有唯一的滑移面
螺型位错的滑移：具有多个滑移面。
位错环的滑移：注重柏氏矢量的应用。
b攀移：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。
机制：原子面下端原子的扩散――位错随半原子面的上下移动而上下运动。
分类：正攀移（原子面上移、空位加入）/负攀移（原子面下移、原子加入）。
应力的作用：（半原子面侧）压应力有利于正攀移，拉应力有利于负攀移。
（3）作用在位错上的力（单位距离上）
滑移：f=τb；
攀移：f=σb。
6位错的应变能与线张力
（1）单位长度位错的应变能：W=αGb2。
（α＝0.5~1.0,螺位错取下限，刃位错取上限。）
（2）位错是不平衡的缺陷。
（商增不能抵销应变能的增加。）
（3）位错的线张力：T=αGb2。
（4）保持位错弯曲所需的切应力：τ＝Gb/2r。
7位错的应力场及其与其它缺陷的作用
（1）应力场
螺位错：τ＝Gb/2πr。（只有切应力分量。）
刃位错：表达式（式1－9）
晶体中：滑移面以上受压应力，滑移面以下受拉应力。
滑移面：只有切应力。
（2）位错与位错的交互作用
f=τb，f=－σb（刃位错）。
同号相互排斥，异号相互吸引。（达到能量最低状态。）
（3）位错与溶质原子的相互作用
间隙原子聚集于位错中心，使体系处于低能态。
柯氏气团：溶质原子在位错线附近偏聚的现象。
（4）位错与空位的交互作用
导致位错攀移。
8位错的增殖、塞积与交割
（1）位错的增殖：F-R源。
（2）位错的塞积
分布：逐步分散。
位错受力：切应力作用在位错上的力、位错间的排斥力、障碍物的阻力。
（3）位错的交割
位错交割后结果：按照对方位错柏氏矢量（变化方向和大小）。
割阶：位错交割后的台阶不位于它原来的滑移面上。
扭折：――――――――位于―――――――――。
对性能影响：增加位错长度，产生固定割阶。
9位错反应
（1）位错反应：位错的分解与合并。（2）反应条件
几何条件：∑b 前=∑b 后；反应前后位错的柏氏矢量之和相等。
能量条件：∑b 2前>∑b 2后;反应后位错的总能量小于反应前位错的总能量。
10实际晶体中的位错
（1）全位错：通常把柏氏矢量等于点阵矢量的位错称为全位错或单位位错。
（实际晶体中的典型全位错如表1－7所示）（2）不全位错：柏氏矢量小于点阵矢量的位错。
（实际晶体中的典型不全位错如表1－7所示）（3）肖克莱和弗兰克不全位错。
肖克莱不全位错的形成：原子运动导致局部错排，错排区与完整晶格区的边界线即为肖克莱不全位错。（结合位错反应理解。可为刃型、螺型或混合型位错。）
弗兰克不全位错的形成：在完整晶体中局部抽出或插入一层原子所形成。（只能攀移，不能滑移。）
（4）堆垛层错与扩展位错
堆垛层错：晶体中原子堆垛次序中出现的层状错排。扩展位错：一对不全位错及中间夹的层错称之。
三面缺陷
面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它们对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。1晶界
（1）晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。（2）分类
大角度晶界：晶粒位向差大于10度的晶界。其结构为几个原子范围
内的原子的混乱排列，可视为一个过渡区。
小角度晶界：晶粒位向差小于10度的晶界。其结构为位错列，又分
为对称倾侧晶界和扭转晶界。
亚晶界：位向差小于1度的亚晶粒之间的边界。为位错结构。
孪晶界：两块相邻孪晶的共晶面。分为共格孪晶界和非共格孪晶界。
2相界
（1）相界：相邻两个相之间的界面。（2）分类：共格、半共格和非共格相界。3表面
（1）表面吸附：外来原子或气体分子在表面上富集的现象。（2）分类
物理吸附：由分子键力引起，无选择性，吸附热小，结合力小。化学吸附：由化学键力引起，有选择性，吸附热大，结合力大。
4界面特性
（1）界面能会引起界面吸附。（2）界面上原子扩散速度较快。（3）对位错运动有阻碍作用。（4）易被氧化和腐蚀。
（5）原子的混乱排列利于固态相变的形核。
第二章固体中的相结构
合金与相
1合金
（1）合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。
（2）组元：组成合金最基本的物质。（如一元、二元、三元合金〕
（3）合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。
2相
（1）相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分。（如单相、两相、多相合金。）（2）相的分类
固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。含溶剂和溶质。
中间相（金属化合物）：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相同的相。
第一节固溶体
按溶质原子位置不同，可分为置换固溶体和间隙固溶体。
按固溶度不同，可分为有限固溶体和无限固溶体。
按溶质原子分布不同，可分为无序固溶体和有序固溶体。
1置换固溶体
（1）置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。
（2）影响置换固溶体溶解度的因素
a原子尺寸因素
原子尺寸差越小，越易形成置换固溶体，且溶解度越大。
△r=(r
A -r
B
)/r
A
当△r<15%时，有利于大量互溶。
b晶体结构因素
结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体。
c电负性因素
电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大。
d电子浓度因素
电子浓度e/a越大，溶解度越小。e/a有一极限值，与溶剂晶体结构有关。一价面心立方金属为1.36，一价体心立方金属为1.48。
（上述四个因素并非相互独立，其统一的理论的是金属与合金的电子理论。）
2间隙固溶体
（1）影响因素：原子半径和溶剂结构。
（2）溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体。
3固溶体的结构
（1）晶格畸变。
（2）偏聚与有序：完全无序、偏聚、部分有序、完全有序。
4固溶体的性能
固溶体的强度和硬度高于纯组元，塑性则较低。
（1）固溶强化：由于溶质原子的溶入而引起的强化效应。
（2）柯氏气团
（3）有序强化
第二节金属间化合物
中间相是由金属与金属，或金属与类金属元素之间形成的化合物，也称为金属间化合物。
1正常价化合物
（1）形成：电负性差起主要作用，符合原子价规则。
（2）键型：随电负性差的减小，分别形成离子键、共价键、金属键。
（3）组成：AB或AB
2
。
2电子化合物（电子相）
（1）形成：电子浓度起主要作用，不符合原子价规则。
（2）键型：金属键（金属－金属）。
（3）组成：电子浓度对应晶体结构，可用化学式表示，可形成以化合物为基的固溶体。3间隙化合物
（1）形成：尺寸因素起主要作用。
（2）结构
材料力学 湖大期末试题(含答案)
湖南大学材料力学试卷 一、选择题（在下面的四个答案中，只有一个答案是正确的，请将正确答案填 在答题栏内。每小题4分，共20分。） （1）铸铁拉伸试验破坏由什么应力造成？破坏断面在什么方向？以下结论哪一 个是正确的？ （A ）切应力造成，破坏断面在与轴线夹角45o方向； （B ）切应力造成，破坏断面在横截面； （C ）正应力造成，破坏断面在横截面； （D ）正应力造成，破坏断面在与轴线夹角45o方向。 正确答案是 。 （2）对于图示四种横截面直杆受扭时，适用公式P I T ρτρ=的截面有四种答案： （注：除(D)外其余为空心截面） 正确答案是 。 （3）已知梁的弯曲刚度EI 为常数，今欲使梁的挠曲线在x =l /3处出现一拐点， 则比值M e1/M e2为： (A) M e1/M e2=2； (B)M e1/M e2=3； (C)M e1/M e2=1/2； (D)M e1/M e2=1/3。 正确答案是 。 （4）图示四种结构，各杆EA 相同。在集中力F 作用下结构的应变能分别用V ε1、 M e1 M e2x l A B T T T T (A) (B) (C) (D)
V ε2、V ε3、V ε4表示。下列结论中哪个是正确的？ （A ） V ε1 > V ε2 > V ε3 > V ε4 ； （B ） V ε1< V ε2< V ε3< V ε4 ； （C ） V ε1 > V ε2 ， V ε3 > V ε4 ， V ε2 < V ε3 ； （D ） V ε1< V ε2 ， V ε3< V ε4 ，V ε2< V ε3 。 正确答案是??????。 （5）由稳定条件[]F A ?σ≤，可求[]F ，当A 增加一倍时，[]F 增加的规律有四种答案： (A) 增加一倍； (B) 增加二倍； (C)增加1/2倍； (D)[]F 与A 不成比例。 正确答案是 。 二、作图（15 分） 作图示梁的剪力图和弯矩图。 三、计算题（共65分） （1） （1） 圆轴受力如图所示，已知轴的直径为d ，长度为a 2，切变模量为G ， 均布扭转力偶的集度m 与集中力偶e M 的关系为a M m e 2=，试求截面B 相对截面A 的相对扭转角AB ?。（10分） （2）试求图示T 形截面铸铁梁的最大拉应力和最大压应力。（10分） 2A B C a a M e d M e m a a 4a qa qa 2 q F F F F l l l l θθ θθ (1) (2) (3)(4)
《材料科学基础》经典习题及答案全解
材料科学与基础习题集和答案 第七章回复再结晶，还有相图的内容。 第一章 1.作图表示立方晶体的()()()421,210,123晶面及[][][]346,112,021晶向。 2.在六方晶体中，绘出以下常见晶向[][][][][]0121,0211,0110,0112,0001 等。 3.写出立方晶体中晶面族{100}，{110}，{111}，{112}等所包括的等价晶面。 4.镁的原子堆积密度和所有hcp 金属一样，为0.74。试求镁单位晶胞的体积。已知Mg 的密度3 Mg/m 74.1=m g ρ，相对原子质量为24.31，原子半径r=0.161nm 。 5.当CN=6时+Na 离子半径为0.097nm ，试问： 1) 当CN=4时，其半径为多少？2) 当CN=8时，其半径为多少？ 6. 试问：在铜（fcc,a=0.361nm ）的<100>方向及铁(bcc,a=0.286nm)的<100>方向,原子的线密度为多少？ 7.镍为面心立方结构，其原子半径为nm 1246.0=Ni r 。试确定在镍的 （100），（110）及（111）平面上12mm 中各有多少个原子。 8. 石英()2SiO 的密度为2.653Mg/m 。试问： 1) 13 m 中有多少个硅原子（与氧原子）？ 2) 当硅与氧的半径分别为0.038nm 与0.114nm 时，其堆积密度为多少（假设原子是球形的）？ 9.在800℃时1010个原子中有一个原子具有足够能量可在固体内移 动，而在900℃时910个原子中则只有一个原子，试求其激活能（J/ 原子）。 10.若将一块铁加热至850℃，然后快速冷却到20℃。试计算处理前后空位数应增加多少倍（设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J ）。
湖南大学材料力学期末试卷及答案
湖南大学材料力学试卷（一） 一、选择题（在下面的四个答案中，只有一个答案是正确的，请将正确答案填 在答题栏内。每小题4分，共20分。） （1）铸铁拉伸试验破坏由什么应力造成？破坏断面在什么方向？以下结论哪一 个是正确的？ （A ）切应力造成，破坏断面在与轴线夹角45o方向； （B ）切应力造成，破坏断面在横截面； （C ）正应力造成，破坏断面在横截面； （D ）正应力造成，破坏断面在与轴线夹角45o方向。 正确答案是。 （2）对于图示四种横截面直杆受扭时，适用公式P I T ρτρ=的截面有四种答案： （注：除(D)外其余为空心截面） 正确答案是。 （3）已知梁的弯曲刚度EI 为常数，今欲使梁的挠曲线在x =l /3处出现一拐点， 则比值M e1/M e2为： (A) M e1/M e2=2； (B)M e1/M e2=3； (C)M e1/M e2=1/2； (D)M e1/M e2=1/3。 正确答案是。 （4）图示四种结构，各杆 (A) (B) (C) (D)
EA 相同。在集中力F 作用下结构的应变能分别用V ε1、V ε2、V ε3、V ε4表示。下列结论中哪个是正确的？ （A ）V ε1 > V ε2 > V ε3 > V ε4 ；（B ）V ε1< V ε2< V ε3< V ε4 ； （C ）V ε1 >V ε2 ，V ε3 > V ε4 ，V ε2 < V ε3 ；（D ）V ε1< V ε2 ， V ε3< V ε4 ，V ε2< V ε3 。 正确答案是??????。 （5）由稳定条件[]F A ?σ≤，可求[]F ，当A 增加一倍时，[]F 增加的规律有四种答案： (A) 增加一倍； (B) 增加二倍； (C)增加1/2倍； (D)[]F 与A 不成比例。 正确答案是。 二、作图（15 分） 作图示梁的剪力图和弯矩图。 三、计算题（共65分） （1） （1） 圆轴受力如图所示，已知轴的直径为d ，长度为a 2，切变模量为G ， 相对截面A 2 (1) (3)(4)
武汉理工大学材料科学基础06研究生入学考试试题
课程 材料科学基础 （共3页，共十题，答题时不必抄题，标明题目序号，相图不必重画,直接做在试卷上） 一、填空题（1.5×20=30分） 1. 结晶学晶胞是（ ）。 2. 扩散的基本推动力是（ ），一般情况下以（ ）形式表现出来，扩散常伴随着物质的（ ）。 3. 晶面族是指（ ）的一组晶面，同一晶面族中，不同晶面的（）。 4. 向MgO、沸石、TiO2、萤石中，加入同样的外来杂质原子，可以预料形成间隙型固溶体的固溶度大小的顺序将是（ ）。 5. 根据烧结时有无液相出现，烧结可分为（ ），在烧结的中后期，与烧结同时进行的过程是（ ）。 6. 依据硅酸盐晶体化学式中（ ）不同，硅酸盐晶体结构类型主要有（ ）。 7. 液体表面能和表面张力数值相等、量纲相同，而固体则不同，这种说法是（ ）的，因为（ ）。 8. 二级相变是指（ ），发生二级相变时，体系的（ ）发生突变。 9. 驰豫表面是指（ ），NaCl单晶的表面属于是（ ）。 10. 固态反应包括（ ），化学动力学范围是指（ ）。 11．从熔体结构角度，估计a长石、b辉石(MgO·SiO2)、c镁橄榄石三种矿物的高温熔体表面张力大小顺序（ ）。 二、CaTiO3结构中，已知钛离子、钙离子和氧离子半径分别为 0.068nm， 0.099nm，
0.132nm。（15分） 1. 晶胞中心的钛离子是否会在八面体空隙中“晃动”； 2. 计算TiCaO3的晶格常数； 3. 钛酸钙晶体是否存在自发极化现象，为什么？ 三、在还原气氛中烧结含有TiO2的陶瓷时，会得到灰黑色的TiO2-x：（15分） 1．写出产生TiO2-x的反应式； 2．随还原气氛分压的变化，该陶瓷材料的电导率和密度如何变化？ 3．从化学的观点解释该陶瓷材料为什么是一种n型半导体。 四、选择题：下列2题任选1题（12分） 1. 简述金属材料、无机非金属材料以及高分析材料腐蚀的特点。 2. 试述材料疲劳失效的含义及特点。 五、现有三种陶瓷材料，它们的主要使用性能如下：（15分） 材料最佳性能用途 Y2O3透明，光线传递光学激光杆 Si3N4高温强度，抗蠕变燃气轮机部件 含Co铁氧体较顽力高能量永久磁铁 在烧结过程中希望材料获得预期的显微结构以使材料最佳性能充分发挥，在控制显微结构因素和工艺条件上应主要考虑哪些相关因素？ 六、熔体结晶时：（1）图示核化速率-温度、晶化速率-温度关系及其对总结晶速率的的影响； （2）核化速率与晶化速率的不同对新相的显微结构有何影响，为什么？ （3）指出在哪一温度范围内对形成玻璃有利，为什么？（12分） 七、X射线给出立方MgO的晶胞参数是0.4211nm，它的密度是3.6g/cm3。（Mg2+和O2-、Al3+摩尔质量分别是24.3和16、27）（12分）
材料科学基础考研经典题目doc资料
材料科学基础考研经 典题目
16.简述金属固态扩散的条件。 答：⑴扩散要有驱动力——热力学条件，化学势梯度、温度、应力、电场等。 ⑵扩散原子与基体有固溶性——前提条件；⑶足够高温度——动力学条件；⑷足够长的时间——宏观迁移的动力学条件 17. 何为成分过冷？它对固溶体合金凝固时的生长形貌有何影响？ 答：成分过冷：在合金的凝固过程中，虽然实际温度分布一定，但由于液相中溶质分布发生了变化，改变了液相的凝固点，此时过冷由成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定，这种过冷称为成分过冷。成分过冷区的形成在液固界面前沿产生了类似负温度梯度的区域，使液固界面变得不稳定。当成分过冷区较窄时，液固界面的不稳定程度较小，界面上偶然突出部分只能稍微超前生长，使固溶体的生长形态为不规则胞状、伸长胞状或规则胞状；当成分过冷区较宽时，液固界面的不稳定程度较大，界面上偶然突出部分较快超前生长，使固溶体的生长形态为胞状树枝或树枝状。所以成分过冷是造成固溶体合金在非平衡凝固时按胞状或树枝状生长的主要原因。 18.为什么间隙固溶体只能是有限固溶体，而置换固溶体可能是无限固溶体？ 答：这是因为当溶质原子溶入溶剂后，会使溶剂产生点阵畸变，引起点阵畸变能增加，体系能量升高。间隙固溶体中，溶质原子位于点阵的间隙中，产生的点阵畸变大，体系能量升高得多；随着溶质溶入量的增加，体系能量升高到一定程度后，溶剂点阵就会变得不稳定，于是溶质原子便不能再继续溶解，所以间隙固溶体只能是有限固溶体。而置换固溶体中，溶质原子位于溶剂点阵的阵点上，产生的点阵畸变较小；溶质和溶剂原子尺寸差别越小，点阵畸变越小，固溶度就越大；如果溶质与溶剂原子尺寸接近，同时晶体结构相同，电子浓度和电负性都有利的情况下，就有可能形成无限固溶体。 19.在液固相界面前沿液体处于正温度梯度条件下，纯金属凝固时界面形貌如何？同样 条件下，单相固溶体合金凝固的形貌又如何？分析原因
湖南大学材料力学812
《材料力学》科目 参考教材：《材料力学》，戴宏亮主编，湖南大学出版社，2014 考试大纲 第一章 绪论 (1)理解反映构件承载能力的强度、刚度和稳定性的概念。 (2)理解变形固体的基本假设。 (3)了解内力、应力和应变的概念。 (4)了解材料力学研究对象及杆件变形基本形式。 第二章 杆件的内力 (1)理解轴向拉压杆的外力及变形特征。熟练掌握用截面法计算轴力，以及画轴力图。 (2)理解圆轴扭转的内力特点，熟练掌握计算外力偶矩和扭矩。 (3)初步了解对工程实际中梁的简化方法；掌握平面弯曲的概念；了解单跨静定梁的三种形式(简支梁、外伸梁、悬臂梁)；熟练掌握截面法求梁的内力的方法；熟练掌握弯曲内力图——剪力图和弯矩图的画法，理解和掌握载荷集度、剪力和弯矩之间的关系。掌握平面刚架和平面曲杆的内力计算。了解叠加法作弯曲内力图。 第三章 杆件轴向拉压的应力与变形 (1)了解并掌握解决杆件应力计算的思路和步骤。 (2)熟练掌握轴向拉伸或压缩杆横截面上的应力计算。了解圣维南原理和应力集中现象。理解轴向拉(压)杆斜截面上的应力，理解极限应力和许用应力的概念，了解安全系数选择的原则。掌握轴向拉(压)杆的强度条件，并能熟练地运用强度条件来解决工程实际构件的强度计算的三类问题：强度校核、截面设计和确定许可荷载。 (3)了解并掌握典型的塑性材料——低碳钢在常温静载下拉伸时的力学性能，了解低碳钢试件的拉伸图与名义应力-名义应变图的意义；掌握-σε曲线的四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段以及各阶段的应力特征点：比例极限p σ、弹性极限e σ、屈服极限s σ和强度极限b σ；掌握在弹性阶段的胡克定律以及在强化阶段的卸载规律 和冷作硬化现象对材料性能的影响；了解塑性指标(延伸率δ和截面收缩率ψ)的定义以及材料的分类方法。了解并掌握典型的脆性材料——铸铁的拉伸时的力学性能：了解割线弹性模量的概念；了解其他没有明显屈服点的塑性材料在拉伸时的力学性能及名义屈服极限0.2σ的定义。了解并掌握低碳钢、铸铁等材料在压缩时的力学性能；了解低碳钢 和铸铁在拉伸与压缩时力学性能的异同点。 (4)熟练掌握杆件在轴向拉伸和压缩时的轴向变形和横向变形的计算；了解超静定结构的特点；熟练掌握拉压超静定问题(包括温度应力和装配应力)的解法。 (5)理解实用计算的概念，熟练掌握工程实际中联接件的剪切与挤压实用计算。 第四章 轴扭转的应力与变形 (1)了解纯剪切应力状态。掌握剪应力互等定理和剪切胡克定律。
材料科学基础试题及答案考研专用
一、名词： 相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。 平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。 成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。 异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象。 共晶转变：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。 脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。 包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。 成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。 二、简答： 1. 固溶体合金结晶特点？ 答：异分结晶；需要一定的温度范围。 2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？ 答：溶质平衡分配系数k0；溶质原子扩散能力；冷却速度。 3. 影响成分过冷的因素？ 答：合金成分；液相内温度梯度；凝固速度。
三、书后习题 1、何谓相图？有何用途？ 答：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 相图的作用：由相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。 2、什么是异分结晶？什么是分配系数？ 答：异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。 3、何谓晶内偏析？是如何形成的？影响因素有哪些？对金属性能有何影响，如何消除？ 答：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象 形成过程：固溶体合金平衡结晶使前后从液相中结晶出的固相成分不同，实际生产中，液态合金冷却速度较大，在一定温度下扩散过程尚未进行完全时温度就继续下降，使每个晶粒内部的化学成分布均匀，先结晶的含高熔点组元较多，后结晶的含低熔点组元较多，在晶粒内部存在着浓度差。 影响因素：1）分配系数k0：当k0<1时，k0值越小，则偏析越大；当k0>1时，k0越大，偏析也越大。2）溶质原子扩散能力，溶质原子扩散能力大，则偏析程度较小；反之，则偏析程度较大。3）冷却速度，冷却速度越大，晶内偏析程度越严重。 对金属性能的影响：使合金的机械性能下降，特别是使塑性和韧性显著降低，
材料科学基础考研经典题目教学内容
16.简述金属固态扩散的条件。 答：⑴扩散要有驱动力——热力学条件，化学势梯度、温度、应力、电场等。 ⑵扩散原子与基体有固溶性——前提条件；⑶足够高温度——动力学条件；⑷足够长的时间——宏观迁移的动力学条件 17. 何为成分过冷？它对固溶体合金凝固时的生长形貌有何影响？ 答：成分过冷：在合金的凝固过程中，虽然实际温度分布一定，但由于液相中溶质分布发生了变化，改变了液相的凝固点，此时过冷由成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定，这种过冷称为成分过冷。成分过冷区的形成在液固界面前沿产生了类似负温度梯度的区域，使液固界面变得不稳定。当成分过冷区较窄时，液固界面的不稳定程度较小，界面上偶然突出部分只能稍微超前生长，使固溶体的生长形态为不规则胞状、伸长胞状或规则胞状；当成分过冷区较宽时，液固界面的不稳定程度较大，界面上偶然突出部分较快超前生长，使固溶体的生长形态为胞状树枝或树枝状。所以成分过冷是造成固溶体合金在非平衡凝固时按胞状或树枝状生长的主要原因。 18. 为什么间隙固溶体只能是有限固溶体，而置换固溶体可能是无限固溶体？ 答：这是因为当溶质原子溶入溶剂后，会使溶剂产生点阵畸变，引起点阵畸变能增加，体系能量升高。间隙固溶体中，溶质原子位于点阵的间隙中，产生的点阵畸变大，体系能量升高得多；随着溶质溶入量的增加，体系能量升高到一定程度后，溶剂点阵就会变得不稳定，于是溶质原子便不能再继续溶解，所以间隙固溶体只能是有限固溶体。而置换固溶体中，溶质原子位于溶剂点阵的阵点上，产生的点阵畸变较小；溶质和溶剂原子尺寸差别越小，点阵畸变越小，固溶度就越大；如果溶质与溶剂原子尺寸接近，同时晶体结构相同，电子浓度和电负性都有利的情况下，就有可能形成无限固溶体。 19. 在液固相界面前沿液体处于正温度梯度条件下，纯金属凝固时界面形貌如何？同样条件下，单相 固溶体合金凝固的形貌又如何？分析原因 答：正的温度梯度指的是随着离开液—固界面的距离Z 的增大，液相温度T 随之升高的情况，即0>dZ dT 。在这种条件下，纯金属晶体的生长以接近平面状向前推移，这是由于温度梯度是正的，当界面上偶尔有凸起部分而伸入温度较高的液体中时，它的生长速度就会减慢甚至停止，周围部分的过冷度较凸起部分大，从而赶上来，使凸起部分消失，这种过程使液—固界面保持稳定的平面形状。固溶体合金凝固时会产生成分过冷，在液体处于正的温度梯度下，相界面前沿的成分过冷区呈现月牙形，其大小与很多因素有关。此时，成分过冷区的特性与纯金属在负的温度梯度下的热过冷非常相似。可以按液固相界面前沿过冷区的大小分三种情况讨论：⑴当无成分过冷区或成分过冷区较小时，界面不可能出现较大的凸起，此时平界面是稳定的，合金以平面状生长，形成平面晶。⑵当成分过冷区稍大时，这时界面上凸起的尖部将获得一定的过冷度，从而促进了凸起进一步向液体深处生长，考虑到界面的力学平衡关系，平界面变得不稳定，合金以胞状生长，形成胞状晶或胞状组织。⑶当成分过冷区较大时，平界面变得更加不稳定，界面上的凸起将以较快速度向液体深处生长，形成一次轴，同时在一次轴的侧向形成二次轴，以此类推，因此合金以树枝状生长，最终形成树枝晶。 20. 纯金属晶体中主要的点缺陷类型是什么？试述它们可能产生的途径？ 答：纯金属晶体中，点缺陷的主要类型是空位、间隙原子、空位对及空位与间隙原子对等。产生的途径：⑴依靠热振动使原子脱离正常点阵位置而产生。空位、间隙原子或空位与间隙原子对都可由热激活而形成。这种缺陷受热的控制，它的浓度依赖于温度，随温度升高，其平衡态的浓度亦增高。⑵冷加工时由于位错间有交互作用。在适当条件下，位错交互作用的结果能产生点缺陷，如带割阶的位错运动会放出空位。⑶辐照。高能粒子（中子、α粒子、高速电子）轰击金属晶体时，点阵中的原子由于粒子轰击而离开原来位置，产生空位或间隙原子。 21. 简述一次再结晶与二次再结晶的驱动力，并如何区分冷热加工？动态再结晶与静态再结晶后的组 织结构的主要区别是什么？ 答：一次再结晶的驱动力是基体的弹性畸变能，而二次再结晶的驱动力是来自界面能的降低。再结晶温
材料科学基础精彩试题库(内附部分自己整理问题详解)
《材料科学基础》试题库 一、选择 1、在柯肯达尔效应中，标记漂移主要原因是扩散偶中 __C___。 A、两组元的原子尺寸不同 B、仅一组元的扩散 C、两组元的扩散速率不同 2、在二元系合金相图中，计算两相相对量的杠杆法则只能用于 __B___。 A、单相区中 B、两相区中 C、三相平平线上 3、铸铁与碳钢的区别在于有无 _A____。 A、莱氏体 B、珠光体 C、铁素体 4、原子扩散的驱动力是 _B____。 A、组元的浓度梯度 B、组元的化学势梯度 C、温度梯度 5、在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为 __C___。 A、原子互换机制 B、间隙机制 C、空位机制 6、在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为 _B____。 A、肖脱基缺陷 B、弗兰克尔缺陷 C、线缺陷 7、理想密排六方结构金属的c/a为 __A___。 A、1.6 B、2×√(2/3) C、√(2/3) 8、在三元系相图中，三相区的等温截面都是一个连接的三角形，其顶点触及 __A___。 A、单相区 B、两相区 C、三相区 9、有效分配系数Ke表示液相的混合程度，其值围是 _____。（其中Ko是平衡分配系数） A、1 材料科学基础习题 叶荷 11 及材料班2013-1-10 第三章二元合金相图和合金的凝固 一、名词：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。 平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。 成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。 异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象。共晶转变：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。 脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。 包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。 成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。 二、简答： 1. 固溶体合金结晶特点？答：异分结晶；需要一定的温度范围。 2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？ 答：溶质平衡分配系数ko；溶质原子扩散能力；冷却速度。 3. 影响成分过冷的因素？ 答：合金成分；液相内温度梯度；凝固速度。 4. 相图分折有哪几步？答：以稳定化合物为独立组元分割相图并分析；熟悉相区及相；确定三相平衡转变性质。 三、绘图题 绘图表示铸锭宏观组织三晶区。 四、书后习题 1、何谓相图？有何用途？ 答：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 相图的作用：由相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。 2、什么是异分结晶？什么是分配系数？答：异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。 第七章回复再结晶，还有相图的容。 第一章 1.作图表示立方晶体的()()()421,210,123晶面及[][ ][]346,112,021晶向。 2.在六方晶体中，绘出以下常见晶向[][][][][]0121,0211,0110,0112,0001等。 3.写出立方晶体中晶面族{100}，{110}，{111}，{112}等所包括的等价晶面。 4.镁的原子堆积密度和所有hcp 金属一样，为0.74。试求镁单位晶胞的体积。已知Mg 的密度3 Mg/m 74.1=mg ρ，相对原子质量为24.31，原子半径r=0.161nm 。 5.当CN=6时+Na 离子半径为0.097nm ，试问： 1) 当CN=4时，其半径为多少？2) 当CN=8时，其半径为多少？ 6. 试问：在铜（fcc,a=0.361nm ）的<100>方向及铁(bcc,a=0.286nm)的<100>方向,原子的线密度为多少？ 7.镍为面心立方结构，其原子半径为nm 1246.0=Ni r 。试确定在镍的 （100），（110）及（111）平面上12mm 中各有多少个原子。 8. 石英()2SiO 的密度为2.653Mg/m 。试问： 1) 13 m 中有多少个硅原子（与氧原子）？ 2) 当硅与氧的半径分别为0.038nm 与0.114nm 时，其堆积密度为多少（假设原子是球形的）？ 9.在800℃时1010个原子中有一个原子具有足够能量可在固体移动， 而在900℃时910个原子中则只有一个原子，试求其激活能（J/原子）。 10.若将一块铁加热至850℃，然后快速冷却到20℃。试计算处理前后空位数应增加多少倍（设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J ）。 11.设图1-18所示的立方晶体的滑移面ABCD 平行于晶体的上、下底面。若该滑移面上有一正方形位错环，如果位错环的各段分别与滑移面各边平行，其柏氏矢量b ∥AB 。 1) 有人认为“此位错环运动移出晶体后，滑移面上产生的滑移台阶应为4个b ,试问这种看法是否正确？为什么？ 2)指出位错环上各段位错线的类型，并画出位错运动出晶体后，滑移方向及滑移量。 12.设图1-19所示立方晶体中的滑移面ABCD 平行于晶体的上、下底面。晶体中有一条位错线de fed ,段在滑移面上并平行AB ，ef 段与滑 湖南大学2011年招收攻读硕士学位研究生 入 学 考 试 试 题 招生专业名称：力学、机械工程、材料科学与工程 考试科目代码：812 考试科目名称：材料力学 1、（20分）如图所示，直径d ＝16mm 的钢制圆杆AB ，与刚性折杆BCD 在B 处铰接，当D 处受水平力F 作用时，测得杆AB 的纵向线应变0009.0=ε。已知钢材拉伸时的弹性模量GPa E 210=。试求：（1）力F 的大小；（2）D 点的水平位移。 题1图 2、（20分）作图示梁的剪力图和弯矩图。 题2图 3、（20分）图（a ）所示的简支梁，已知梁长l ，弯曲截面系数Z W 和材料许用应力[]σ。试求：（1）允许载荷[]1F ；（2）为提高梁的承载能力，加辅助梁CD ，其材料及截面尺寸与主梁相同（图（b ）），按主梁AB 的强度条件，求许可载荷[]2F ，并求 [][] 12F F 。 题3图 4、（20分）某点应力状态如图示，试求该点的主应力。 题4图 5、（15分）如图所示，具有中间饺B 的等截面梁AD 的D 端用拉杆DE 悬挂着。已知梁和拉杆材料的弹 性模量GPa E 200=，拉杆的横截面积2 100mm A =，梁横截面的惯性矩461010mm I z ?=，试求梁中 截面B 和截面C 的挠度。 题5图 6、（20分）图示等圆截面水平直角折杆，横截面直径为d ，承受铅直均布载荷q ，材料的弹性模量为E ，切变模量为G 。试求：（1）危险截面的位置；（2）画出危险点的应力状态；（3）第三强度理论的最大相当应力；（4）截面C 的铅直位移。 题6图 7、（20分）刚性水平梁有1、2两根同材料的杆支承，杆1两端固定，截面为正方形，边长为a ，杆2两端铰支，截面为圆形，直径为d ，设材料的弹性模量为E ，两杆均属于细长杆。试求a 和d 的比值为何值 材料科学基础简答题考研常考题型汇总 1.原子间的结合键共有几种？各自的特点如何？【11年真题】 答：（1）金属键：基本特点是电子的共有化，无饱和性、无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不至于破坏金属键，这就使得金属具有良好的延展性，又由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电性和导热性能。 （2）离子键：正负离子相互吸引，结合牢固，无方向性、无饱和性。因此，七熔点和硬度均较高。离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此他们都是良好的电绝缘体。 （3）共价键：有方向性和饱和性。共价键的结合极为牢固，故共价键晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价结合的材料一般是绝缘体，其导电能力较差。 （4）范德瓦尔斯力：范德瓦尔斯力是借助微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用，将原来稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。它没有方向性和饱和性，其结合不如化学键牢固。 （5）氢键：氢键是一种极性分子键，氢键具有方向性和饱和性，其键能介于化学键和范德瓦耳斯力之间。 2.说明间隙固溶体与间隙化合物有什么异同。 答：相同点：二者一般都是由过渡族金属与原子半径较小的C、N、H、O、B等非金属元素所组成。 不同点：（1）晶体结构不同。间隙固溶体属于固溶体相，保持溶剂的晶格类 型；间隙化合物属于金属化合物相，形成不同于其组元的新点阵。 （2）间隙固溶体用α、β、γ表示；间隙化合物用化学分子式MX、M2X 等表示。 间隙固溶体的强度、硬度较低，塑性、韧性好；间隙化合物的强度、熔点较高，塑性、韧性差。 3.为什么只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶，而间隙固溶体则不能？ 答：因为形成固溶体时，溶质原子的溶入会使溶剂结构产生点阵畸变，从而使体系能量升高。溶质与溶剂原子尺寸相差较大，点阵畸变的程度也越大，则畸变能越高，结构的稳定性越低，溶解度越小。一般来说，间隙固溶体中溶质原子引起的点阵畸变较大，故不能无限互溶，只能有限熔解。 4.试述硅酸盐的结构和特点？ 答：（1）硅酸盐结构的基本单元是[SiO4]四面体。Si原子位于O原子的四面体间隙内，Si、O之间的结合不仅有离子键还有共价键 （2）每一个氧最多被两个[SiO]四面体共有 （3）[Si]四面体可以孤立存在，也可以共顶点互相连接。 （4）Si-O-Si形成一折线。 分类：含有有限硅氧团的硅酸盐、岛状、链状、层状、骨架状硅酸盐。 5.为什么外界温度的急剧变化可以使许多陶瓷件开裂破碎？ 答：由于大多数陶瓷由晶相和玻璃相构成，这两种相的热膨胀系数相差很大，高温很快冷却时，每种相的收缩程度不同，多造成的内应力足以使陶瓷器件开裂或破碎。 6.陶瓷材料中主要结合键是什么？从结合键的角度解释陶瓷材料所具有的特殊 金属学与热处理总结 一、金属的晶体结构 重点内容：面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四面体间隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。 基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，密排面上原子的堆垛顺序、晶胞、晶格、金属键的概念。晶体的特征、晶体中的空间点阵。 晶胞：在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，用来分析原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。 金属键：失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。 位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。 位错的柏氏矢量具有的一些特性： ①用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路途径无关；③位错的柏氏矢量个部分均相同。 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混合型呈任意角度。 晶界具有的一些特性： ①晶界的能量较高，具有自发长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋势；②原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；③相变时新相优先在晶界出形核；④晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐蚀和氧化；⑥常温下晶界可以阻止位错的运动，提高材料的强度。 二、纯金属的结晶 重点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法，铸锭三晶区的形成机制。 基本内容：结晶过程、阻力、动力，过冷度、变质处理的概念。铸锭的缺陷； 结晶的热力学条件和结构条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。 相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不断变化着的近程规则排列的 原子集团。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。 变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核， 以细化晶粒的方法。 过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过 程。从热力学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。根据 T R k ?∝1可知当过冷度T ?为零时临界晶核半径R k 为无穷大，临界形核功（2 1T G ?∝?）也为无穷大。临界晶核半径R k 与临界形核功为无穷大时，无法形核，所以液态金属不能结晶。晶体的长大也需要过冷度，所以液态金属结晶需要过冷度。 细化晶粒的方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌。 铸锭三个晶区的形成机理：表面细晶区：当高温液体倒入铸模后，结晶先从 模壁开始，靠近模壁一层的液体产生极大的过冷，加上模壁可以作为非均质形核的基底，因此在此薄层中立即形成大量的晶核，并同时向各个方向生长，形成表面细晶区。柱状晶区：在表面细晶区形成的同时，铸模温度迅速升高，液态金属冷却速度减慢，结晶前沿过冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散热最快，因而晶体沿相反方向生长成柱状晶。中心等轴晶区：随着柱状晶的生长，中心部位的液体实际温度分布区域平缓，由于溶质原子的重新分配，在固液界面前沿出现成分过冷，成分过冷区的扩大，促使新的晶核形成长大形成等轴晶。由于液体的流动使表面层细晶一部分卷入液体之中或柱状晶的枝晶被冲刷脱落而进入前沿的液体中作为非自发生核的籽晶。 三、二元合金的相结构与结晶 重点内容：杠杆定律、相律及应用。 基本内容：相、匀晶、共晶、包晶相图的结晶过程及不同成分合金在室温下 的显微组织。合金、成分过冷；非平衡结晶及枝晶偏析的基本概念。 相律：f = c – p + 1其中，f 为 自由度数，c 为 组元数，p 为 相数。 伪共晶：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也 可能得到全部共晶组织，这种共晶组织称为伪共晶。 合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结、或用其它 方法组合而成的具有金属特性的物质。 合金相：在合金中，通过组成元素（组元）原子间的相互作用，形成具有相 同晶体结构与性质，并以明确界面分开的成分均一组成部分称为合金相。 第一章 材料科学基础 1.作图表示立方晶体的()()()421,210,123晶面及[][ ][]346,112,021晶向。 2.在六方晶体中，绘出以下常见晶向[][][][][]0121,0211,0110,0112,0001等。 3.写出立方晶体中晶面族{100}，{110}，{111}，{112}等所包括的等价晶面。 4.镁的原子堆积密度和所有hcp 金属一样，为0.74。试求镁单位晶胞的体积。已知Mg 的密度3 Mg/m 74.1=mg ρ，相对原子质量为24.31，原子半径r=0.161nm 。 5.当CN=6时+Na 离子半径为0.097nm ，试问： 1) 当CN=4时，其半径为多少？2) 当CN=8时，其半径为多少？ 6. 试问：在铜（fcc,a=0.361nm ）的<100>方向及铁(bcc,a=0.286nm)的<100>方向,原子的线密度为多少？ 7.镍为面心立方结构，其原子半径为nm 1246.0=Ni r 。试确定在镍的 （100），（110）及（111）平面上12mm 中各有多少个原子。 8. 石英()2SiO 的密度为2.653Mg/m 。试问： 1) 13 m 中有多少个硅原子（与氧原子）？ 2) 当硅与氧的半径分别为0.038nm 与0.114nm 时，其堆积密度为多少（假设原子是球形的）？ 9.在800℃时1010个原子中有一个原子具有足够能量可在固体内移动， 而在900℃时910个原子中则只有一个原子，试求其激活能（J/原子）。 10.若将一块铁加热至850℃，然后快速冷却到20℃。试计算处理前后空位数应增加多少倍（设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J ）。 11.设图1-18所示的立方晶体的滑移面ABCD 平行于晶体的上、下底面。若该滑移面上有一正方形位错环，如果位错环的各段分别与滑移面各边平行，其柏氏矢量b ∥AB 。 1) 有人认为“此位错环运动移出晶体后，滑移面上产生的滑移台阶应为4个b ,试问这种看法是否正确？为什么？ 2)指出位错环上各段位错线的类型，并画出位错运动出晶体后，滑移方向及滑移量。 12.设图1-19所示立方晶体中的滑移面ABCD 平行于晶体的上、下底面。晶体中有一条位错线de fed ,段在滑移面上并平行AB ，ef 段与滑移面垂直。位错的柏氏矢量b 与de 平行而与ef 垂直。试问：1) 欲使de 段位错在ABCD 滑移面上运动而ef 不动，应对晶体施加怎样的应力？ 2) 在上述应力作用下de 位错线如何运动？晶体外形如何变化？ 2020届材料科学基础经典习题 （后附详细答案） 1. 在Al-Mg 合金中，x Mg =0.05，计算该合金中Mg 的质量分数(w Mg )(已 知Mg 的相对原子质量为24.31，Al 为26.98)。 2. 已知Al-Cu 相图中，K ＝0.16，m ＝ 3.2。若铸件的凝固速率R ＝3×10-4 cm/s ，温度梯度G ＝30℃/cm ，扩散系数D ＝3×10-5cm 2/s ，求能保持平面状界面生长的合金中W Cu 的极值。 3．证明固溶体合金凝固时，因成分过冷而产生的最大过冷度为： 最大过冷度离液—固界面的距离为： 式中m —— 液相线斜率；w C0Cu —— 合金成分； K —— 平衡分配系数；G —— 温度梯度；D —— 扩散系数；R —— 凝固速率。 说明：液体中熔质分布曲线可表示为： ? ? ? ???-+--=?GK R K mw R GD K K mw T Cu C Cu C )1(ln 1)1(00max ? ? ? ???-=GDK R K mw R D x Cu C )1(ln 0? ?? ?????? ??--+=x D R K K w C Cu C L exp 110 4．Mg-Ni 系的一个共晶反应为： 设w 1Ni ＝C 1为亚共晶合金，w 2Ni =C 2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的质量分数相等，但C 1合金中的α总量为C 2合金中α总量的2.5倍，试计算C 1和C 2的成分。 5．在图4—30所示相图中，请指出： (1) 水平线上反应的性质； (2) 各区域的组织组成物； (3) 分析合金I ，II 的冷却过程； (4) 合金工，II 室温时组织组成物的相对量表达式。 6．根据下列条件画出一个二元系相图，A 和B 的熔点分别是1000℃和700℃，含w B =0.25的合金正好在500℃完全凝固，它的平衡组织由73.3%的先共晶。和26.7%的(α+β)共晶组成。而w B ＝0.50的合金在500℃时的组织由40%的先共晶α和60%的(α+β)共晶组成，并且此合金的α总量为50%。 546.02)Mg (570235.0Ni Mg ==+?w w L Ni Ni 纯℃ α 湖南大学2002年招收攻读硕士学位研究生 入学考试试题 招生专业：固体力学、工程力学、一般力学与力学基础 考试科目：材料力学 试题编号：411 注：答题（包括填空题、选择题）必须答在专用答卷纸上,否则无效。 一、作图示刚架的轴力图、剪力图和弯矩图。（已知：q ＝5kN ／m ，P ＝20kN ）（12.5分） 题一图 二、图示钢梁其受力及截面尺寸如图所示，已知截面对其中性轴Z 的惯性矩4 5.404cm I Z ，梁材料的许用应力为[σ]＝140MPa ，[τ]＝80MPa ，P ＝10kN ，试求梁中最大拉应力、压应力、剪应力并校核梁的弯曲强度。（12.5分） 题二图 三、直径d ＝20mm 的圆钢杆，其材料的弹性模量E ＝200GPa ，泊松比μ＝0.28，钢杆受力的情况如图所示。T ＝ 2PL ，L ＝200mm ，由实验测得C 点处与水平线成60°方向的线应变ε＝－250×10－5。试求P 和T 值。（12.5分） 四、圆截面刚架各杆在同一水平面内，且AC 垂直于BC ，尺寸及受力如图所示，已知直径d ＝100mm ，P 1＝2kN ，P 2＝3.5kN ，[σ]＝100MPa 。试按第三强度理论校核刚架的强度。（12.5分） 题三图题四图 五、图示结构由AB、CD杆组成，AB杆为工字型截面，A＝21.5×102mm2，W Z＝102×103mm3；CD杆为圆环形截面，外径D＝36mm，内径d＝26mm，两杆的材料相同，[σ]＝160MPa，λp ＝100，E＝200GPa，P＝12kN，稳定安全系数n st＝2.5。试校核结构是否安全。（12.5分） 六、图示等截面折杆在B点受到重量Q＝1.5kN的自由落体的冲击，已知折杆的抗弯刚度EI ＝5×104N·m2。试求D点在冲击载荷下的水平位移。（12.5分） 七、变截面梁如图所示，试求截面B处的挠度f B。设梁由同材料制成。（12.5分） 西北工业大学 2011年硕士研究生入学考试试题 试题名称：材料科学基础（A卷）试题编号：832 说明：所有答题一律写在答题纸上第 1页共 2页 一、简答题（每题10分，共50分） 1.请从原子排列、弹性应力场、滑移性质、柏氏矢量等方面对比刃位错、 螺位错的主要特征。 2.何谓金属材料的加工硬化？如何解决加工硬化对后续冷加工带来的困 难？ 3.什么是离异共晶？如何形成的？ 4.形成无限固溶体的条件是什么？简述原因。 5.两个尺寸相同、形状相同的铜镍合金铸件，一个含90%Ni，另一个含 50%Ni，铸造后自然冷却，问哪个铸件的偏析严重？为什么？ 二、作图计算题（每题15分，共60分） 1、写出{112}晶面族的等价晶面。 2、请判定下列反应能否进行： 3、已知某晶体在500℃时，每1010个原子中可以形成有1个空位，请问该晶体 的空位形成能是多少？（已知该晶体的常数a＝0.0539，波耳滋曼常数K ＝1.381×10-23J / K） 4、单晶铜拉伸，已知拉力轴的方向为[001]，σ=106Pa，求(111)面上柏氏矢 量的螺位错线上所受的力（） 三、综合分析题（共40分） 1.经冷加工的金属微观组织变化如图a所示，随温度升高，并在某一温 度下保温足够长的时间，会发生图b-d的变化，请分析四个阶段微观组织、体系能量和宏观性能变化的机理和原因。 1.根据Ag-Cd二元相图： 1)当温度为736℃、590℃、440℃和230℃时分别会发生什么样的三 相平衡反应？写出反应式。 2)分析Ag-56%Cd合金的平衡凝固过程，绘出冷却曲线，标明各阶 段的相变反应。 3)分析Ag-95%Cd合金的平衡凝固与较快速冷却时，室温组织会有 什么差别，并讨论其原因。考研材料科学基础试题及答案
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