2013年南航《材料科学基础》真题及答案

一、简答题
1）右图为一立方晶胞，A、B、G、H为顶点，C、E、F为棱边中点，求OGC、EFGH的晶面指数和AB的晶向指数。

OGC：（211）
EFGH：(012)
AB : [111]
2）如下图所示的位错环，说明各段位错的性质，并且说明刃位错的半原子面的位置。

由柏氏矢量和位错线的关系可以知道,BC是右旋螺位错,DA为左旋螺位错；（1分）由右手法则,CD为正刃型位错,多余半原子面在纸面上方；（2分）AB为负刃型位错,多余半原子面在纸面下方。

（2分）
3)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
所具有的特殊性能。

陶瓷材料中主要结合键是离子键和共价键。

（1）由于离子键及共价键很强，故陶瓷的抗压强度很强，硬度极高；
（2）因为原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定的结构状态，不能自由运动；
4）试分析形成枝晶偏析的原因，如何消除？
固熔体不平衡结晶时，从液体中先后结晶出来的固相成分不同，造成的晶粒内枝干含高熔点组元较多，而晶枝间含低组元较多，导致晶粒内部化学成分不均匀的现象。

（3分）
可用扩散退火（或均匀化退火）消除，即将铸件加热至低于固相线100～200℃，长时间保温，使偏析元素充分扩散。

（2分）
5）Ｃ在α—Fe中的扩散系数大于Ｃ在γ—Fe中的扩散系数，为什么渗Ｃ不在α—Fe中进行，而在γ—Fe中进行？
①α-Fe是体心立方结构，八面体间隙尺寸为0.15（较小），进行渗碳时，碳
在α-Fe中的熔解度很小，渗碳时会出现典型的反应扩散现象。

（2分）
②渗碳在α-Fe中进行时，温度低，扩散系数小，扩散速度慢；
③γ-Fe是面心立方结构，八面体间隙尺寸为0.414（较大），碳的熔解度高，
扩散速度快。

所以渗碳不在α-Fe中进行，而在γ-Fe中进行。

6）固溶体和金属间化合物在成分、结构、性能等方面有何差异？
固溶体是固态下一种组元（溶质）溶解在另一种组元（溶剂）中而形成的新相；固溶体具有溶剂组元的点阵类型；固溶体的硬度、强度往往高于组成它的成
分，而塑性则较低。

（2.5分）
金属间化合物就是金属和金属，或金属和类金属之间所形成的化合物；结构不同于组元结构而是一个新结构；金属间化合物具有极高的硬度、较高的熔点，而塑性很差。

7) 在单位晶胞中画出立方晶系的如下晶面和晶向：（1 2 1）、
（1 0 1）、[1 2 1]、[2 1 2]
略
8）试用位错理论解释固溶强化的原因。

固溶在点阵间隙或节点上的合金元素原子，由于其尺寸不同于基体原子，故产生一定的应力场，该应力场和位错产生的应力场交互作用，使位错周围产生柯氏气团；（2分）
由于柯氏气团的钉扎作用，阻碍位错的运动，造成固溶强化。

（3分）
9）试说明晶体滑移的临界分切应力定律
τ＝σ0m；σ0＝P/A，m=cosϕcos λ ,当外力P一定时，作用于滑移系上的分切应力和晶体受力的位向有关。

（3分）当σ0＝σS时，晶体开始滑移，此时滑移方向上的分切应力称为临界分切应力。

（2分）
10）试用位错理论解释细晶强化和加工硬化的原因。

细晶强化：晶粒越细，晶界就越多，阻碍位错通过的能力就越强，抵抗塑性变形的能力增加，材料的强度提高。

（2分）
加工硬化：晶体在发生塑性变形过程中，由于多滑移启动的缘故，导致位错之间发生相互作用，产生大量的位错缠结或位错塞积，阻止位错进一步运
动，使得材料强度、硬度上升，塑性、韧性下降。

（3分）
11）用一冷拉钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到1000℃，加热完毕，当吊出工件时钢丝绳发生断裂。

试分析其原因。

冷拉钢丝绳的加工过程是冷加工过程。

由于加工硬化，使钢丝的强度、硬度升高，故承载能力提高；（2分）
当其被加热时，若温度超过了它的再结晶温度，会时钢丝绳产生再结晶，造成强度和硬度降低，一旦外载超过其承载能力，就会发生断裂。

（3分）
12) 试利用右图（Fe-O相图）分析纯铁在1000℃氧化时氧化层内的组织和氧化浓度分布规律，画出示意图。

答案：
13）试分析冷变形量对再结晶晶粒尺寸的影响。

临界变形量之前，晶粒尺寸不变；临界变形量范围，晶粒粗大；超过临界变形量，随着变形量的增加，晶粒细小。

二、综合题（共90分）
1. 简述纯金属晶体长大机制及其和固—液界面微观结构的关系。

2. 今有两个形状、尺寸相同的铜镍合金铸件，一个成分为WNi=0.90，一个成分为WNi=0.50，铸造后自然冷却。

试分析：（1）凝固后哪个铸件的微观偏析较为严重? （2）哪种合金成分过冷倾向
较大?（书第123页）
（l)铸件的偏析程度和合金相图有关。

一般液相线和固相线之间的垂直距离较大,说明合金的结晶温度范围大；液相线和固相线之间的水平距离越大，结晶时
两相成分的差别就越严重。

所以在WNi为0.50的合金铸件中，微观偏析严重。

（2分）
（2）WNi为0.50的合金,成分过冷倾向大。

出现成分过冷的条件为G/R<mc0（1-k0）/Dk0，所以当其他结晶条件相同时，C0越大，就越容易产生成分过冷。

（3分）
3. 画出完整的Fe—Fe3C相图，回答下列问题：（15分）
（1）分析含1.2%C合金平衡状态下结晶过程（作图表示），
(2）计算其室温组织组成物和相组成物的相对含量；
(3）分析含2.0%C合金在室温下组织中观察到少量莱氏体组织的原因。

（1）画出完整的Fe—Fe3C相图
作图表示结晶过程：L、L＋γ、γ、γ＋Fe3CⅡ、（γ→P ）P＋Fe3CⅡ；（3分）
（2）相含量（2分）：α＝[（6.69－1.2）/（6.69－0.01）]×100％=82.2%
Fe3C＝[（1.2－0.01）/（6.69－0.01）]×100％=17.8% 组织含量（3分）：Fe3CⅡ＝[（1.2－0.77）/（6.69－0.77）] ×100％=7.26%
P＝[（6.69－1.2）/（6.69－0.77）] ×100％=92.74% （3）该合金在不平衡结晶下，会产生离异共晶。

所以含2.0%合金在室温下
组织中会观察到少量莱氏体。

4. 铜单晶体拉伸时，若力轴为[0 0 1]方向，临界分切应力为0.64Mpa，需要多大的拉伸力才能使晶体开始塑性变形？（10分）（参考书217页）
τ＝σ0 COSΦCOSλ(2分)
COSΦ=1/3 (2分)
COSλ=1/2 (2分)
σ=0.646（最后一个6是根号6）。

（4分）
5. 简要分析加工硬化、细晶强化、固溶强化及弥散强化在本质上有何异同。

6. 为细化某纯铝件晶粒，将其冷变形5%后于630℃退火1小时，组织反而粗化；增大冷变形量至80%，再于630℃退火1小时，仍然得到粗大晶粒。

试分析其原因，并指出上述两种工艺不合理之处，请制定一种合理的细化工艺（铝的熔点为660℃）。

（10分）
（1）冷变形5％后于630℃退火1小时组织粗化的原因是：变形在临界变形度范围内，导致少数再结晶晶核形核并长大，工艺不合理；（3分）
（2）冷变形80％，630℃退火1小时组织粗化的原因是：导致再结晶异常长大（二次再结晶）使晶粒粗大，工艺不合理；（3分）
（3）通常在生产实际中使用的再结晶温度是指经过较大冷变形（变形量>70%）的金属，在1h内能够完成再结晶（或再结晶体积分数>0.95）的最低温度。

由Tk=(0.35~0.45)Tm 可知：再结晶温度为150℃左右，较合理的细化工艺为冷变形量为80％左右，300℃左右退火1小时。

（4分）。