814材料科学基础B答案12

河南科技大学

2012年硕士研究生入学考试试题答案及评分标准

考试科目代码： 814 考试科目名称： 材料科学基础B

1. 画出Cu 晶胞质点模型，计算出其晶胞中的原子数、原子半径和体积致密度。图1为Cu 的

一个滑移面上的三个滑移方向，写出其晶面指数和晶向指数。（12分）

答：晶胞质点模型2分，晶胞中的原子数2分，原子半径2分，体积致密度2分。 在面心立方（FCC ）Cu 晶胞中，结点在立方的角上和立方的面的中心，晶胞中的原子数： 42168

18）＝个面）（

（个角）（

晶胞

结点+

面心立方结构，r a 42=。（其中a 为晶胞边长，r

为原子半径）4

r ∴=

Cu 滑移面)111(， （4分） 滑移方向晶向指数：

B 晶向]101[]101[或，

C 晶向]110[]011[或

D 晶向]011[]101[或

2. 若在液体中形成一个半径为r 的球形晶核时，试证明其形核功c G ?与临界晶核表面积c A 之

间的关系为c c A G σ3

1-=? （σ为单位面积表面能）。说明形核功和临界晶核半径的意义。 （15分）

答： （4分）

（3分）

（3分）

晶向

C 2

22

424143

33

c c v c c c

v G r G r r A G σππσπσσ?

??=

-

?+== ???

?v G V G A σ

?=?+32

443v G r G r ππσ

?=?+0d G dr ?=2c v

r G σ

=-

?

形核功：在液相内形成临界晶核时，体积自由能差只补偿所需表面能的2/3，而另外1/3则依靠液相中存在的能量起伏提供，即需外界作功。（3分）

临界晶核半径：当晶胚尺寸< 临界晶核半径, 晶胚不稳定，会重新溶化，即在结构起伏中消失。当晶胚尺寸≥临界晶核半径时，可以形核。（2分）

3.在铸造生产中细化晶粒的途径有哪些？分析细化晶粒的原理。（15分）

答：

细化铸件晶粒的措施主要有三种：

（1）提高过冷度：

一般金属结晶时的过冷范围内，过冷度越大，N/G越大，所以晶粒细小。（4分）

（2）变质处理

变质剂为活性质点，满足点阵匹配的原理，可以降低晶核和变质剂质点之间的表面能，降低接触角，降低形核功，增加非均匀形核的形核率。从而有效细化晶粒。

加入抑制晶粒长大的变质剂也可细化晶粒。（8分）

（3）振动、搅动

一方面依靠从外面输入能量促进晶核提前形成，另一方面是使成长中的枝晶破碎，使晶核数目增多。（3分）

4.塑性变形对金属材料的组织和性能有何影响？塑性变形的金属材料在加热时组织和性能又

会产生哪些变化？举例说明其退火应用。（20分）

答

塑性变形对金属材料的组织和性能的影响（5分）

1)晶粒外形变化：随变形方向拉长（或压扁）

2)位错胞亚结构形成，位错密度急增

3)大变形量条件下形成形变织构

4)产生内应力

5)产生加工硬化

塑性变形的金属材料在加热时组织和性能会产生的变化（9分）

1)回复；光学显微组织不变，消除内应力。

2)再结晶：等轴晶形成，消除加工硬化。

3)晶粒长大：力学性能下降。

去应力退火：消除内应力，保持加工硬化。冷卷弹簧退火（6分）

再结晶退火：消除加工硬化，以利于继续变形。冷轧工艺中间退火。

5.何谓固溶强化？请用位错理论说明固溶强化的机理。（10分）

答：

固溶强化：固溶体中随溶质的加入量的提高，材料强度随之提高的现象。（2分）

晶体的滑移是金属塑性变形的最主要的方式。滑移的本质是位错运动的结果。 固溶体中溶质原子与位错的产生弹性交互作用、电交互作用和化学交互作用，阻碍了位错的运动。溶质原子聚集在刃位错的周围，形成“柯氏气团”。柯氏气团对位错有“钉扎”作用，增大了位错运动的阻力，从而提高了固溶体合金的塑性变形抗力，从而提高强度。 （8分）

6. 根据Fe －Fe 3C 相图（图2）回答下列问题：

1) 用相组成物填写相图各区。（图画在答题纸上后填写） 2) 写出相图中三条水平线发生的转变的温度、类

型和反应式。

3) 用结晶冷却曲线分析45钢的平衡结晶过程（标

明各阶段的组织组成物、反应式）。 4) 计算

45钢室温下组织组成物和相组成物的相

对量。

5)

图

3中哪个是45钢的室温平衡组织? （共30分）

图2

A) B) C) D)

图3 铁碳合金室温平衡组织（4％硝酸酒精腐蚀）

答：（1） （6分）

（2）（6分） 1495℃ 包晶转变 L+δ→γ；1148℃ 共晶转变 L→ γ+Fe 3C ；

727℃ 共析转变 γ→ α+ Fe 3C （3）（10分） （4）（6分）

组织组成物的相对量:0.770.45

α(%)100%41.6%0.770.0008

-=

?≈-，P(%) =1?41.6% ≈58.4%。

相组成物的相对量： 6.690.45

α(%)100%93.3%6.690.0008

-=

?≈-，Fe 3C (%) =1?93.3% ≈6.7%。

（5）图B是45钢的室温平衡组织。（2分）

7.简述钢中的常见的两种马氏体的组织形态及亚结构和形成条件，说明这两种马氏体性能的差

别及其原因。（15分）

答：

淬火马氏体的显微形态有2种：

1)板条马氏体：是由许多成群的、相互平行排列的板条所组成。亚结构为位错。奥氏体中含碳

量低于0.2%，形成全部板条马氏体。

2)片状马氏体：马氏体片之间互不平行，而呈一定角度分布。亚结构为孪晶，奥氏体中含碳量

高于1.0%，形成全部片状马氏体（6分）

由于高碳片状马氏体碳浓度高，晶格畸变大，因此硬度高。片状马氏体的塑性和韧性差是由于其亚结构主要为孪晶，滑移系大大减少；碳浓度高，晶格畸变大，淬火应力大以及存在高密度的显微裂纹。

而板条马氏体中含碳量低，可以发生“自回火”，且碳化物分布均匀；其次是胞状位错亚结构中位错分布不均匀，存在低密度位错区，为位错运动提供了活动余地。由于位错运动能缓和局部应力集中，延缓裂纹形核及削减已有裂纹尖端的应力场，故对韧性有利。此外，淬火应力小，不存在显微裂纹，裂纹通过马氏体条也不易扩展，（9分）

8.直径为10mm的45钢，AC1：730℃，AC3：780℃。画出其过冷奥氏体的TTT曲线。填写

表格（写在答题纸上），将各相应的冷却曲线画在TTT曲线合适的位置上。（18分）

答：

TTT曲线（4分）

填写表格（8分）

冷却曲线（6分）

9.采用40CrNiMo钢制造某一主轴（直径为100mm），要求有良好的综合力学性能（HRC30~35），

轴颈表面要求耐磨（≥55HRC）。解答下列问题：

1)编写简明加工工艺路线。

2)说明加工工艺路线中的热处理的作用。

3)分析其使用态的表层组织和心部组织。

4)分析钢中合金元素的作用。（共15分）

答：1）加工工艺路线如下：

下料→锻造→完全退火→粗加工→调质→精加工→轴颈表面感应加热淬火＋低温回火→磨削（3分）

2）完全退火：为了改善锻造组织，细化晶粒，降低硬度，有利于切削加工，并为随后调质热处理作好组织准备。

调质：得到回火索氏体，保证心部具有良好的塑性和韧性。

感应加热淬火：提高表面的硬度，耐磨性、疲劳强度。

低温回火：在保持高硬度、高耐磨性前提下，减少淬火应力、降低脆性、稳定组织。（6分）

3)最终热处理后的表面组织为M回。心部：回火索氏体（3分）

4)此钢合金元素Cr、Ni主要起提高淬透性的作用。Mo主要起抑制高温回火脆性的作用。（3分）