(清华大学)材料科学基础真题2002年
清华大学 材料科学基础——作业习题第六章
第六章目录6.1 要点扫描 (1)6.1.1 金属的弹性变形 (1)6.1.2 单晶体的塑性变形 (2)6.1.3 多晶体的塑性变形与细晶强化 (8)6.1.4 纯金属的塑性变形与形变强化 (10)6.1.5 合金的塑性变形与固溶强化和第二相强化 (14)6.1.6 冷变形金属的纤维强化和变形织构 (16)6.1.7 冷变形金属的回复与再结晶 (17)6.1.8 热变形、蠕变和超塑性 (20)6.1.9 断裂 (22)6.2 难点释疑 (25)6.2.1 从原子间结合力的角度了解弹性变形。
(25)6.2.2 从分子链结构的角度分析粘弹性。
(25)6.2.3 FCC、BCC和HCP晶体中滑移线的区别。
(25)6.2.4 Schmid定律与取向规则的应用。
(26)6.2.5 孪生时原子的运动特点。
(27)6.2.6 Zn单晶任意的晶向[uvtw]方向在孪生后长度的变化情况 (29)6.3 解题示范 (30)3.4 习题训练 (33)参考答案 (38)第六章 金属与合金的形变6.1 要点扫描6.1.1 金属的弹性变形1. 弹性和粘弹性所谓弹性变形就是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形。
从对材料的力学分析中可以知道，材料受力后要发生变形，外力较小时发生弹性变形，外力较大时产生塑性变形，外力过大就会使材料发生断裂。
对于非晶体，甚至某些多晶体，在较小的应力时，可能会出现粘弹性现象。
粘弹性变形即与时间有关，又具有可恢复的弹性变形，即具有弹性和粘性变形两方面的特性。
2. 应力状态金属的弹性变形服从虎克定律，应力与应变呈线性关系：γτεσG E == 其中： yx G E εενν-==+,)1(2 E 、G 分别为杨氏模量和剪切模量，v 为泊松比。
工程上，弹性模量是材料刚度的度量。
在外力相同的情况下，E 越大，材料的刚度越大，发生弹性形变的形变量就越小。
3. 弹性滞后由于应变落后于应力，使得εσ-曲线上的加载线和卸载线不重合而形成一个闭合回路，这种现象称为弹性滞后。
材料科学基础考研真题汇编
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(NEW)清华大学《839材料科学基础》-固体物理历年考研真题及详解
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2009年清华大学材料科学基础（与物理化学或固体物理）考研真题及详解
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2002年清华大学材料科学基础考研真题及详解
2009年清华大学材料科学基础（与物理化学或固体物理）考研真题及详解。
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清华大学材料科学基础习题答案第1章练习和答案1第2章练习和答案8第3章练习和答案11第4章练习和答案15 《晶体结构与缺陷》第1章练习和答案1-1。
勇敢格子的基本特征是什么？答:它具有周期性和对称性，每个节点都是一个等价点。
1-具有周期性和对称性，每个节点都是一个等价点。
1:首先，不少于14种点阵。
对于14种晶格中的任何一种，在不改变对称性的情况下，都不可能找到一种方法来连接节点以形成一个新的晶胞。
第二，不超过14种。
如果每个晶体系统包括四种晶格，即简单晶格、平面晶格、体晶格和底晶格，那么在七个晶体系统中有28种布拉瓦晶格。
然而，这28种晶格中的一些可以在不改变对称性的情况下连接成14种晶格中的一种。
例如，体心单斜可以连接成底部中心单斜晶格，所以它不是一种新的晶格类型。
1-但是这28种晶格中的一些可以连接成14种晶格中的一种，而不改变对称性。
例如，体心单斜可以连接成底部中心单斜晶格，所以它不是一种新的晶格类型。
1.单位胞元和原胞元都可以反映晶格的周期性，即单位胞元和原胞元的无限积累可以获得一个完整的完整晶格。
然而，晶胞需要反映晶格的对称性。
在这个前提下，最小体积单位是单位单元。
然而，原始单元只需要最小的体积，而勇敢晶格的原始单元只包含一个节点。
例如:BCC单元中的节点数为2，原始单元为1。
催化裂化装置单元中的节点数为4，原单元为1。
六边形网格单元中的节点数为3，原始单元为1。
如下图所示，直线是单位单元格，虚线是原始单元格。
虽然原始细胞只需要最小的体积，雅鲁藏布江晶格的原始细胞只包含一个节点。
例如: BCC单元中的节点数为2，原始单元为1。
催化裂化装置单元中的节点数为4，原单元为1。
六边形网格单元中的节点数为3，原始单元为1。
如下图所示，直线是单位单元格，虚线是原始单元格。
立方立方立方立方六边形晶格1:晶胞中相邻三条边的长度A、B和C以及三条边之间的夹角α、β和γ分别决定晶胞的大小和形状。
这六个参数被称为晶格常数。
(清华大学)材料科学基础真题2004年
(清华大学)材料科学基础真题2004年(总分：150.00，做题时间：90分钟)一、{{B}}论述题{{/B}}(总题数：13，分数：150.00)1.标出图中(a)、(b)、(c)、(d)的晶向指数和(E)、(F)、(G)、(H)的晶面指数。
（分数：8.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：((a)的晶向指数是[*]；(b)的晶向指数是[*]；(c)的晶向指数是[*]；(d)的晶向指数是[*]。
(E)的晶面指数是[*]；(F)的晶面指数是[*]；(G)的晶面指数是[*]；(H)的晶面指数是[*]。
)解析：2.二维点阵共有几种？指出其类型并用图表示。
（分数：5.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(见下表。
[*])解析：3.画出下列晶体的一个晶胞：(a)纤锌矿(ZnS)；(b)钙钛矿(BaTiO3)；(c)方石英(SiO2)。
（分数：12.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(见下图。
[*])解析：4.图示并写出FCC、BCC、（分数：5.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(见下表。
[*])解析：5.沿铝(Al)单晶的方向拉伸，使其发生塑性变形，请确定： 1向胞，并由此确定初始滑移系统。
(清华大学)材料科学基础真题2006年
(清华大学)材料科学基础真题2006年(总分：150.00，做题时间：90分钟)一、论述题(总题数：9，分数：150.00)1.什么是Kirkendall效应？请用扩散理论加以解释。
若Cu-Al组成的互扩散偶发生扩散时，界面标志物会向哪个方向移动？（分数：10.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(Kirkendall效应：在置换式固溶体的扩散过程中，放置在原始界面上的标志物朝着低熔点元素的方向移动，移动速率与时间成抛物线关系。
Kirkendall效应否定了置换式固溶体中扩散的换位机制，而证实了空位机制；系统中不同组元具有不同的分扩散系数；相对而言，低熔点组元扩散快，高熔点组元扩散慢，这种不等量的原子交换造成了Kirkendall 效应。
当Cu-AI组成的互扩散偶发生扩散时，界面标志物会向着Al的方向移动。
)解析：2.标出图a、b(立方晶体)和c、d(六方晶体，用四指数)中所示的各晶面和晶向的指数：1．图a中待求晶面：ACF、AFI(Ⅰ位于棱EH的中点)、BCHE、ADHE。
2．图b中待求晶向：BC、EC、FN(N点位于面心位置)、ME(M点位于棱BC的中点)。
3．图c中待求晶面：ABD′E′、ADE′F′、AFF′A′、BFF′B′。
4．图d中待求晶向：A′F、O′M(M点位于棱AB的中点)、F′O、F′D。
（分数：16.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(1．ACF(111)、AFI、BCHE、ADHE(010)2．BC、EC、FN、ME3．ABD′E′、ADE′F′、AFF′A′、BFF′B′4．A′F′、D′M、F′O、F′D)解析：3.已知金刚石晶胞中最近邻的原子间距为0.1544nm，试求出金刚石的点阵常数a、配位数C.N.和致密度ξ。
《材料科学基础》第一章 原子结构与结合健
《材料科学基础》教学大纲四年制本科材料科学与工程专业用80 学时 4 学分一、课程性质和任务《材料科学基础》是材料科学方法与工程专业一级学科公共主干课，是介于一般基础课与专业课之间的专业基础课。
本课程将系统全面介绍材料科学的基础理论知识，诸如固体材料的结合键，材料的结构与性能，材料中的扩散，材料的相变，材料的塑性变形与强化，以及材料科学研究方法等，将金属材料、无机非金属材料、聚合物材料紧密地结合在一起，使学生更好地把握材料的属性，熟悉材料的共性，为后继课程的学习、进一步深造和从事科技工作奠定基础。
二、课程学习的目标和基本要求：1．对能力培养的要求通过学习，要求学生掌握材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，深入理解材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系，培养学生应用所学的知识，分析、解决材料研究、开发和使用中实际问题的能力。
初步掌握材料科学研究的思路和方法，为后续课程的学习和进一步深造奠定理论基础。
2 ．课程的重点和难点本课程重点是料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，如材料结构与缺陷，材料凝固与相图，塑性变形与强韧化等，并能应用所学的理论分析和解决实际问题。
难点是材料结构，位错理论，合金凝固，二元相图，三元相图，材料强韧化，晶体塑性变形等，3 ．先修课程及基本要求无机化学、物理化学、材料力学三、课程内容及学时分配•教学基本内容第一章材料的结构（ 22 学时）1.1 晶体学基础1.2 常见的晶体结构1.3 固溶体的晶体结构1.4 金属间化合物的晶体结构1.5 硅酸盐结构1.6 非晶态固体结构1.7固体的电子能带结构理论1.8 团簇与纳米材料结构1.9 准晶结构本章重点：•结晶学基础知识 (晶体的概念与性质、晶体宏观对称要素、晶体定向、•单位平行六面体的划分、配位数与配位多面体的概念、鲍林规则 )。
•常见材料的结构理论与模型（常见无机化合物的晶体结构、硅酸盐晶体结构分类及特征、固溶体晶体结构类型及影响因素、缺陷化学反应表示法、金属间化合物的结构类型及影响因素，玻璃的结构）。
清华材料科学基础习题及答案
第一章习题及答案 (1)第二章习题及答案 (8)第三章习题及答案 (11)第四章习题及答案 (15)《晶体结构与缺陷》第一章习题及答案1-1.布拉维点阵的基本特点是什么？答：具有周期性和对称性，而且每个结点都是等同点。
1-2.论证为什么有且仅有14种Bravais点阵。
答：第一，不少于14种点阵。
对于14种点阵中的任一种，不可能找到一种连接结点的方法，形成新的晶胞而对称性不变。
第二，不多于14种。
如果每种晶系都包含简单、面心、体心、底心四种点阵，七种晶系共28种Bravais点阵。
但这28种中有些可以连成14种点阵中的某一种而对称性不变。
例如体心单斜可以连成底心单斜点阵，所以并不是新点阵类型。
1-3.以BCC、FCC和六方点阵为例说明晶胞和原胞的异同。
答：晶胞和原胞都能反映点阵的周期性，即将晶胞和原胞无限堆积都可以得到完整的整个点阵。
但晶胞要求反映点阵的对称性，在此前提下的最小体积单元就是晶胞；而原胞只要求体积最小，布拉维点阵的原胞都只含一个结点。
例如：BCC晶胞中结点数为2，原胞为1；FCC晶胞中结点数为4，原胞为1；六方点阵晶胞中结点数为3，原胞为1。
见下图，直线为晶胞，虚线为原胞。
BCC FCC 六方点阵1-4.什么是点阵常数？各种晶系各有几个点阵常数？答：晶胞中相邻三条棱的长度a、b、c与这三条棱之间的夹角α、β、γ分别决定了晶胞的大小和形状，这六个参量就叫做点阵常数。
晶系a、b、c，α、β、γ之间的关系点阵常数的个数三斜a≠b≠c，α≠β≠γ≠90º 6 (a、b、c 、α、β、γ)单斜a≠b≠c，α=β=90≠γ或α=γ=90≠β 4 (a、b、c、γ或a、b、c、β)斜方a≠b≠c，α＝β＝γ＝90º 3 (a、b、c)正方a=b≠c，α=β=γ=90º 2 (a、c)立方a=b=c，α=β=γ=90º 1 (a)六方a=b≠c，α=β=90º,γ=120º 2 (a、c)菱方a=b=c，α=β=γ≠90º 2 (a、α)1-5.分别画出锌和金刚石的晶胞，并指出其点阵和结构的差别。
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(清华大学)材料科学基础真题2002年(总分：100.00，做题时间：90分钟)一、论述题(总题数：10，分数：100.00)1.已知面心立方合金α-黄铜的轧制织构为110＜112＞。
1．解释这种织构所表达的意义。
2．用立方晶体001标准投影图说明其形成原因。
（分数：10.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(1．为板织构。
{110}＜112＞织构表示{110}∥轧面，＜112＞∥轧向。
2．α-黄铜为FCC结构，滑移系统为{111}＜101＞。
沿轧向受到拉力的作用，晶体滑移转动。
如图所示，在晶体学坐标系中，设拉力轴T1位于001-101-111取向三角形中，则始滑移系为[011]，拉力轴转向[011]方向，使拉力轴与滑移方向的夹角λ减小。
当力轴到达两个取向三角形的公共边，即T2时，开始发生双滑移，滑移系[101]也启动，拉力轴既转向[011]方向，又转向[101]方向，结果沿公共边转动。
到达[112]方向时，由于[101]、[112]、[011]位于同一个大圆上，两个λ角同时减小到最小值，故[112]为最终稳定位置，从而使＜112＞方向趋向于轧向；在轧面上受到压力作用，设压力轴Pl位于取向三角形中，则始滑移系为[101]，压力轴转向面，使压力轴与滑移面的夹角减小。
当力轴到达两个取向三角形的公共边，即P2时，开始发生双滑移，滑移系也启动，压力轴既转向面，又转向面，结果沿公共边转动。
到达面时，由于、、位于同一大圆上，两个角同时减小到最小值，故为最终稳定位置，从而使面趋于平行于轧面。
其结果，{110}∥轧面，＜112＞∥轧向。
)解析：2.证明：对立方晶系，有[hkl]⊥(hkl)。
（分数：5.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(根据晶面指数的确定规则并参照下图，(hkl)晶面ABC在a、b、c坐标轴上的截距分别是根据晶向指数的确定规则，[hkl]晶向L=ha+kb+lc。
利用立方晶系中a=b=c，α=β=γ=90°的特点，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]上(hkl)。
)解析：3.二维点阵共有几种？指出其类型并用图表示。
（分数：5.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(二维点阵有5种，分别是斜方、六角、长方、体心长方、正方，如下表所示。
)解析：4.以BaTiO3为例，画出钙钛矿的晶体结构，并解释这类结构材料的介电常数较高和可能具有超导性的原因。
（分数：10.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(钙钛矿(BaTiO3)的晶体结构如图所示。
这类结构材料介电常数较大的原因是因为位于氧原子八面体间隙中的金属原子半径较小，在交流电场作用下可以来回振动。
可能具有超导性的原因是氧原子和金属原子的层状结构，以ABO3为例，一层为A和O的原子层，一层为B 和O的原子层，交替堆垛，超导载流子易于在层内运动。
)解析：5.面心立方金属单晶体沿[001]拉伸可有几个等效滑移系同时启动？沿[111]拉伸可有几个等效滑移系同时启动？并具体写出各滑移系的指数。
（分数：10.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(根据“映象规则”，利用立方晶体的001标准投影，可知当FCC结构的晶体沿[001]轴拉伸时，其等效滑移系共有8个，分别是：(111)、(111)、、[101]、[101]、[011]、、[011]。
当FCC结构的晶体沿[111]方向拉伸时，其等效滑移系有6个，分别是：[011]、[110]、[011]、[101]、[101][110]。
)解析：6.按下列5条汇总FCC晶体中的主要位错：①位错名称；②柏式矢量；③位错性质(刃型、螺型、混合位错等)；④位错形成方式；⑤运动状态(滑移、攀移、还是不动等)。
（分数：15.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(见下表。
)解析：7.何谓合金扩散过程中的克根达耳效应(Kirkendall effect)，克根达耳实验结果给人们哪些启示？指出其在实践中的意义。
（分数：10.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(克根达耳效应：如图所示，在FCC结构的α-黄铜(Cu+30%Zn)棒上敷上很细的钼丝作为标记，再在黄铜上镀铜，将钼丝包在黄铜与铜之间，在一定温度下进行扩散。
其中钼丝仅作为标志物，在整个实验过程中不参加扩散。
扩散组元是铜和锌，二者构成置换式固溶体。
在置换式固溶体的扩散过程中，放置在原始界面上的标志物朝着低熔点元素的方向移动，移动距离与时间呈抛物线关系。
造成这种现象的原因是：低熔点组元扩散快，高熔点组元扩散慢。
这种不等量的原子交换造成克根达耳效应。
克根达耳效应的实际意义有：①揭示了扩散宏观规律与微观扩散机制的内在联系，具有普遍性；②直接否认了置换式固溶体扩散的换位机制，支持了空位机制；③扩散系统中每一种组元都有自己的扩散系数；④克根达耳现象往往会产生副效应，如收缩不完全会造成克根达耳孔等，这些副效应在实际当中往往产生不利的影响，因而应设法加以控制。
)解析：8.解释冷变形金属加热时回复、再结晶及晶粒长大的过程及特点。
2．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1小时，试求此合金在390℃的恒温下完成再结晶需要多少小时。
（分数：15.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(1．冷变形金属加热时，先后发生回复、再结晶、晶粒长大三个过程，各自特点如下：(1)回复过程的特征①回复过程组织不发生变化，仍保持变形状态伸长的晶粒。
②回复过程使变形引起的宏观(一类)应力全部消除，微观(二类)应力大部消除。
③回复过程中一般力学性能变化不大，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。
④变形储能在回复阶段部分释放。
(2)再结晶过程的特征①组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒。
②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。
③变形储能在再结晶过程中全部释放，点阵畸变(三类应力)清除，位错密度降低。
(3)晶粒长大过程的特征①晶粒长大。
②引起一些性能变化，如强度、塑性、韧性下降。
③伴随晶粒长大，还发生其他结构上的变化，如再结晶织构。
2．由公式有所以t2=t1×1.962=1.962h)解析：9.合金由基体α和第二相β组成，若β相分布在晶界，β和α相不共格，试分析因界面能γαβ的不同，β相可能的组织形态。
（分数：10.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(合金由基体α和第二相β组成，若β相分布在晶界，β和α相不共格，其形貌取决于两个a晶粒间的夹角(两面角、接触角)，在界面张力间存在图a所示的平衡关系，即：式中，γαα为α相的界面张力；γαβ为两相间的界面张力；θ为两面角，决定于界而张力的比值γαα/γαβ。
(1)当γαα=γαβ，θ=120°，第二相形状如图b所示。
(2)当γαβ＞＞γαα，θ=180°，第二相形状如图c所示。
(3)当，θ=0°，第二相形状如图d所示。
)解析：10.画出Cu-Al合金在时效处理过程中硬度随时间的变化曲线，并用位错理论加以解释。
（分数：10.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(Cu-Al合金在时效处理过程中硬度随时间的变化曲线如图所示。
由于原子偏聚或形成有序化区域，产生共格变形的晶格畸变。
位错线切过析出物，会增加界面能、反相畴界能、再加上位错线与高密度析出物的长程相互作用，使材料强度增加。
变化曲线中第一个峰形[GP区(GPI)和过渡相θ″(GPII)]就是这个原因的结果。
位错线与析出物的长程相互作用，位错线绕过析出物，从而使材料强化。
随着析出物粗化，这种强化作用减弱。
变化曲线中第二个峰形[过渡相(θ′)]就是这个原因的结果。
)解析：。