北京科技大学《814材料科学基础》历年考研真题汇编（含部分答案）.pdf

目录2010年北京科技大学814材料科学基础考研真题及详解2011年北京科技大学814材料科学基础考研真题及详解2012年北京科技大学814材料科学基础考研真题及详解2013年北京科技大学814材料科学基础考研真题及详解2014年北京科技大学814材料科学基础考研真题及详解2015年北京科技大学814材料科学基础考研真题（部分试题，不完整）2016年北京科技大学814材料科学基础考研真题2010年北京科技大学814材料科学基础考研真题及详解一、分析发生下列现象的原因（30分）1低碳钢应力-应变曲线的屈服现象（10分）答：低碳钢在一定条件下变形时，首先进行线性弹性变形，达到屈服强度时再进行塑性变形，直至断裂。通常认为，在固溶体合金中，溶质原子或杂质原子可以与位错发生交互作用而形成溶质原子气团，即所谓的Cottrell气团。位错要运动，必须在更大的应力作用下才能挣脱Cottrell气团的钉扎而移动，因此形成了上屈服点；而一旦挣脱之后位错的运动就比较容易，这是因为应力减小，出现了下屈服点和水平台。这是屈服现象的物理本质。2金属及合金凝固时形成树枝状晶（10分）答：纯金属凝固时，相界面处的温度由于结晶潜热的释放而升高，液相处于过冷条件时，则可能产生负的温度梯度。此时，相界面上产生的结晶潜热既可通过固相也可通过液相而散失。相界面的推移不单由固相的传热速度所控制，当部分的相界面生长凸出到前面的液相中，则能处于温度更低（即过冷度更大）的液相中，使凸出部分的生长速度增大而进一步伸向液体中。在这种情况下，液-固界面就不可能保持平面状而会形成许多伸向液体的分枝（沿一定的晶向轴），同时在这些晶枝上又可能会长出二次晶枝，在二次晶枝上再长出三次晶枝，晶体的这种生长方式称为树枝生长或树枝状结晶。固溶体合金凝固时，成分过冷变大，生长速率变大，成分过冷区域的范围增加，界面由胞状变为树枝晶。3上坡扩散（5分）答：上坡扩散的驱动力是化学位梯度，在界面上，组元的扩散方向是由低浓度区域向高浓度区域，其扩散方向与菲克第一定律所指方向正好相反。上坡扩散的存在说明扩散的驱动力不是浓度梯度，而是化学位梯度。此外，弹性应力的作用，晶界的内吸附与大的电场或温度场也可能导致上坡扩散。4二次再结晶（5分）答：二次再结晶是指在某些情况下，晶粒的长大只是少数晶粒突发性地、迅速地粗化，使晶粒之间的尺寸差别越来越大，少数大晶粒尺寸一旦超过周围晶粒，由于其晶界总是凹向外侧，因而晶界总是向外迁移扩大，结果晶粒越长越大，直至相互接触，这种晶粒的不均匀长大就好像在结晶后均匀细小的等轴晶粒中又重新发生了再结晶，所以称为二次再结晶。二、在面心立方结构的金属中（111）面上运动着柏氏矢量为的位错，位错线方向也是，请在单胞中画出（111）晶面和晶向，并说明该位错属于什么类型？如果该位错的运动受到阻碍后，请判断是否有可能转移到、各晶面上继续运动？说明为什么？（15分）答：（1）（111）晶面和晶向如图1图1（2）位错类型为螺型位错，因为位错方向与柏氏矢量相平行；（3）位错运动受阻后，可能转移到晶面上继续运动，不能转移到上继续运动。因为螺型位错包含位错线的晶面都可能成为滑移面，当其在滑移面运动受阻时，有可能转移到与之相交的另一滑移面继续运动，即交滑移。因此易知只有包含位错线，则位错只可能转移到面上去。三、以含Al-4wt%Cu合金为例，给出其经过不同固溶时效工艺处理后的脱溶贯序；定性说明各阶段脱溶相的尺寸及分布特点、与母相的界面匹配关系及其强化效果等。（20分）答：本题没有整理答案，非常抱歉！四、讨论晶体结构和空间点阵之间的关系。（15分）答：（1）空间点阵是指把晶体质点的中心用直线连接起来，构成一个空间网格，其中每个点都处于相同的环境中，在三维空间中周期性地规律排列。在表达晶体结构时，空间点阵中每一个阵点代表一个或几个相同原子的所处位置，其周围环境和对称性都相同。依据晶胞参数之间关系的不同，可以把所有晶体的空间点阵划归为7类，即7个晶系。按照点阵在空间排列方式不同，7个晶系共包括14种布拉菲点阵；（2）晶体结构是指材料中由特定的结构基元（离子、原子或分子）排列成有规则的，重复的点阵；（3）空间点阵用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，不代表实际的物质，由于各阵点的周围环境相同，故它只能有14种类型；而晶体结构则能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构类型是无限的；（4）晶体结构空间点阵基元。五、与液态结晶过程相比，固态相变有什么特点？这些特点对固态相变后形成的组织有什么影响？（15分）答：（1）与液态相变相比，固态相变的特点：母相与新相间存在应变能，使相变阻力增大；为了维持共格，新相往往在母相的一定晶面上开始形成，母相中的这个晶面称为惯析面；母相的晶体缺陷对相变有促进作用；固态金属中的原子键合比液态中牢固，所以原子扩散速度远比液态的低。由于应变能和原子扩散速度的影响，易于形成亚稳相。新相与母相的化学成分和晶体结构（或两者之一）发生改变。（2）这些特点对组织的影响：固态相变中体积应变能和界面能的共同作用，决定了析出物的形状，当应变能为主要控制因素时，析出物多为碟形或针状；新相与母相间存在着一定的晶体学相位关系，母相中的这个晶面称为惯习面，一般为母相中表面能最低的晶面；按新相母相界面原子的排列情况不同，存在共格、半共格、非共格等多种结构形式的界面；固体中原子的迁移率低，且在固态更易于过冷，随着过冷度增大，相变驱动力增大，将导致相变速度增加，同时，由于过冷度增大，形核率高，相变后得到的组织变细；原子迁移率低，意味着克服能垒的能力低，相变过程中的亚稳相被保存下来；转变过程通常需籍原子扩散进行重构。新相通过母相中原子扩散而形核、生长，扩散条件决定着转变速率和形成的产物。六、叙述离子晶体的结构规则（15分）答：（1）负离子配位多面体规则（鲍林第一规则）在离子晶体中，在正离子的周围形成一个负离子配位多面体，正负离子之间的距离取决于离子半径之和，正离子的配位数取决于离子半径比。第一规则实际上是对晶体结构的直观描述，如NaCl晶体是由钠氯八面体以共棱的方式连接而成。（2）电价规则（鲍林第二规则）在一个稳定的离子晶体结构中，每一个负离子电荷数等于或近似等于相邻正离子分配给这个负离子的静电强度的总和。由于在形成每一个离子键时正离子给出的价电子数应等于负离子得到的价电子数，因此有式中，Z和Z分别是正、负离子的电价（金属元素和非金属元素的原子价），CN和CN分别是正离子和负离子的配位数。（3）负离子多面体共用顶、棱和面的规则（鲍林第三规则）在一个配位结构中，共用棱，特别是共用面的存在会降低这个结构的稳定性。其中高电价，低配位数的正离子，这种效应更为明显。（4）不同种类正离子配位多面体间连接规则（鲍林第四规则）若晶体结构中含有一种以上的正离子，一些电价较高，配位数较低的正离子配位多面体之间，有尽量互不结合的趋势。这一规则总结了不同种类正离子配位多面体的连接规则。（5）节约规则（鲍林第五规则）在同一晶体中，同种正离子与同种负离子的结合方式应最大限度地趋于一致。多面体的类型趋于最少。这个规则的结晶学基础是晶体结构的周期性和对称性，如果组成不同的结构基元较多，每一种基元要形成各自的周期性、规则性，则它们之间会相互干扰，不利于形成晶体结构。七、分析形成下列不同铸态组织的可能原因，并说明要得到细小的等轴晶，可采取哪些办法？（20分）图2答：（1）两图都包括典型的铸锭三晶区即表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区，不同之处在于图（a）的柱状晶区生长较大，中心等轴晶较少；而图（b）的柱状晶区生长较小，中心等轴晶较多。表层细晶区：当液态金属注入锭模中后，型壁温度低，与型壁接触的很薄一层熔液产生强烈过冷，而且型壁可作为非均匀形核的基底，因此，立刻形成大量的晶核，这些晶核迅速长大至互相接触，形成由细小的、方向杂乱的等轴晶粒组成的细晶区。柱状晶区：随着“细晶区”外壳形成，型壁被熔液加热而不断升温，使剩余液体的冷却速度变慢，又由于结晶时释放潜热，故细晶区前沿液体的过冷度减小，形核变得困难，只有细晶区中现有的晶体向液体中生长。在这种情况下，只有一次轴（即生长速率最快的晶向）垂直于型壁（散热最快的方向）的晶体才能得到优先生长，而其他取向的晶粒，由于受邻近晶粒的限制而不能生长，因此，这些与散热相反方向的晶体择优生长形成柱状晶区。中心等轴晶区：柱状晶生长到一定程度，由于前沿液体远离型壁，散热困难，因此冷速变慢，而且熔液中的温差随之减小，这将阻止柱状晶的快速生长，当整个熔液温度降至熔点以下时，熔液中出现许多晶核并沿各个方向长大，就形成中心等轴晶区。成分过冷、熔液对流、枝晶局部重熔产生仔晶是中心等轴晶区形成的主要原因。（2）这种差异主要与合金成分，搅拌，孕育剂的加入，浇注温度有关。合金的熔点低，有利于等轴晶的形成；浇注温度低，温度梯度小，搅拌加入孕育剂等有利于等轴晶的形成。八、参考图3提供的示意图，画出按组织分区的Fe-Fe3C相图，写出各三相反应，并说明分别为1.0wt%C和3.0wt%C的铁碳合金经过缓慢冷却在相关三相反应完成后形成的各组织特点（20分）图3答：如图4所示：图4（1）1495发生包晶转变：L（0.53%C）-Fe（0.09%C）-Fe（0.17%C），产物是奥氏体；1148发生共晶转变：L（4.3%C）-Fe（2.11%C）Fe3C（6.69%C），转变产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体；727发生共析转变：-Fe（0.77%C）-Fe（0.0218%C）Fe3C（6.69%C），转变产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体。（2）（C）1.0%的合金（过共析钢）。此合金在12点按匀晶过程结晶出单相奥氏体。冷至3点开始从奥氏体中析出二次渗碳体Fe3C，直至4点为止。奥氏体的成分沿Am线变化；Fe3C沿奥氏体晶界析出，呈网状分布。当冷至4点温度（727）时，奥氏体的（C）降为0.77%，因而发生恒温下的共析转变，形成珠光体相，最后得到的组织为网状的二次渗碳体和珠光体。（3）（C）3.0%的合金（亚共晶白口铸铁）。合金熔液在12点结晶出奥氏体，液相成分按液相线变化，而奥氏体成分沿固相线变化。当温度到达2点（1148）时，初生奥氏体（C）为2.11%，液相（C）为4.3%，此时发生共晶转变，生成莱氏体。在2点以下，初生奥氏体相（或称先共晶奥氏体）和共晶奥氏体中都会析出二次渗碳体，奥氏体成分随之沿Am线变化。当温度降至3点（727）时，所有奥氏体都发生共析转变成为珠光体。树枝状的大块黑色组成体是由先共晶奥氏体转变成的珠光体，其余部分为变态莱氏体。2011年北京科技大学814材料科学基础考研真题及详解一、名词解释（5分/题，共40分）1空间点阵答：空间点阵是指把晶体质点的中心用直线连接起来，构成一个空间网格，其中每个点都处于相同的环境中，在三维空间中周期性地规律排列。在表示晶体结构时，空间点阵中每一个阵点代表一个或几个相同原子的所处位置，其周围环境和对称性都相同。依据晶胞参数之间关系的不同，可以把所有晶体的空间点阵划归为7类，即7个晶系。按照点阵在空间排列方式不同，7个晶系共包括14种布拉菲点阵。2临界分切应力答：临界分切应力是指使滑移系开动的最小分切应力。临界切分应力也是一个表示晶体屈服实质的物理量，它是一个定值，不随试样的取向变化，只取决于晶体内部的实际状况。3滑移系答：位错滑移是指在外力的作用下，位错线在其滑移面（即位错线和伯氏矢量b构成的晶面）上的运动。位错线与其伯氏矢量构成的晶面称为该位错的滑移面，晶体的滑移面通常是指晶体中的原子密排面。当晶体发生滑移时，在某些特定的晶面和晶向会相对滑开，特定的晶向即为滑移方向；一个滑移面和该面上的一个滑移方向称为一个滑移系。4堆垛层错答：堆垛层错（简称层错）是指晶体结构层间正常的周期性重复堆垛顺序在某两层间出现了错误，从而导致沿该层间平面（称为层错面）两侧附近原子的错误排布。堆垛层错是层状结构晶格中常见的一种面缺陷，例如面心立方晶体在（111）面的堆垛顺序中发生层错，就会由正常的ABCABC堆垛顺序改变为ABCBAC。5调幅分解答：调幅分解是指过饱和固溶体在一定温度下通过溶质原子的上坡扩散形成结构相同而成分呈周期性波动的两种固溶体的过程，是自发的脱溶过程，它不需要形核，而是通过溶质原子的上坡扩散形成结构相同而成分呈周期性波动的纳米尺度共格微畴，以连续变化的溶质富集区与贫化区彼此交替地均匀分布于整体中。按扩散-偏聚机制进行的无需成核、而由成分起伏直接长大形成新相的固态相变。6脱溶答：脱溶是指当固溶体因温度变化等原因而呈过饱和状态时，将自发的发生分解过程，其所含的过饱和溶液中，溶质原子发生偏聚，并沉淀析出新相的现象。在固溶体冷却过程中，溶质的溶解度会随温度下降而减小，溶质原子便从固溶体中析出并偏聚在一起，形成新相。7上坡扩散答：上坡扩散的驱动力是化学位梯度，在界面上，组元的扩散方向是由低浓度区域向高浓度区域，其扩散方向与菲克第一定律所指方向正好相反。上坡扩散的存在说明扩散的驱动力不是浓度梯度，而是化学位梯度。8再结晶温度答：再结晶温度不像结晶或者其他相变温度那样严格确定，它受很多因素的影响，根据条件的不同在一定范围内变化。冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度，它可用金相法或硬度法测定，即以显微镜中出现第一颗新晶粒时的温度或以硬度下降50%所对应的温度，定义为再结晶温度。工业上规定，再结晶温度为经过大的冷塑性变形（通常变形量为70%以上）的金属，1小时保温时间内能完成（通常完成95%或98%）再结晶过程的最低温度。二、分别给出下列离子晶体的布拉菲点阵类型和下面晶胞中正、负离子的个数。（图1中的点阵参数均为abc，90）（15分）图1（1）NaCl图1（2）CsCl图1（3）ZnS图1（4）CaF图1（5）CaTiO3答：（1）NaCl晶体为面心立方点阵，每个晶胞中有4个Na和4个Cl；（2）CsCl晶体为简单立方点阵，每个晶胞中有1个Cs和1个Cl；（3）ZnS晶体为面心立方点阵，每个晶胞中有4个Zn2和4个S2；（4）CaF2晶体为面心立方点阵，每个晶胞中有4个Ca2和8个F；（5）CaTiO3晶体为简单立方点阵，每个晶胞中有1个Ca2和1个Ti4和3个O2。三、写出面心立方结构和体心立方结构金属的密排面（或相对密排面）的晶面指数、画出密排面（或相对密排面）上原子的具体排列情况，并在晶胞中标出所有八面体间隙的位置。（15分）答：（1）面心立方结构，密排面为111面，111面原子排列情况如图2，八面体间隙位置如图3；图2面心立方111面图3面心立方结构的八面体间隙（2）体心立方结构，密排面为110面，110面原子排列情况如图4，八面体间隙位置如图5；图4体心立方110面图5体心立方结构的八面体间隙四、组元A和组元B的熔点分别为1000和700，室温时B在A的固溶体中的固溶度是xB0.05，A在B的固溶体中的固溶度是xA0.10；在700时有一个三相平衡，在此温度固溶体的成分是xB0.1，一个成分为xB0.30的合金在稍高于700时存在50%相和50%液相，在稍低于700时则存在液相和化合物A3B两相；在500时存在另一个三相平衡，液相（xB0.65）分解为化合物A3B和固溶体（xB0.85）两相。试构造一个合理的A-B二元相图。（15分）答：由题意可得二元相图如图6图6五、根据图7所示的Al-Cr-Si体系的局部液相面投影图，写出该图中的四相不变反应式。（15分）图7Al-Cr-Si体系的局部液相面投影图答：该图中的四相不变的反应式如下：（1）1081K：LCrSi2Al4Cr1（2）988K：LAl4Cr1Al11Cr2（3）966K：LAl11Cr21Al7Cr（4）908K：LAl7Crfcc-Al（5）881K：LCrSi21diamond（6）850K：Lfcc1diamond六、按热力学参数变化特征，固态相变可以分为一级相变和二级相变两类。阐述发生一级相变和二级相变时热力学参数的变化特征及相关性质的变化特点。（10分）答：（1）一级相变是指在临界温度、临界压力时，两相化学位相等，但化学位的一阶偏导数不相等的相变。发生一级相变时，反应在宏观性质上，相变时体系热焓H发生突变，热效应较大，体积膨胀或收缩。大多数的SL相变都属于一级相变，这是最常见的相变类型。（2）二级相变是指相变时化学位及其一阶偏导数相等，而二阶偏导数不相等的相变。发生二级相变时，体积及热效应无突变但材料的压缩系数、膨胀系数、比热容等会发生突变，一般的铁磁体-顺磁体转变、一些合金的有序-无序转变和超导态转变都属于二级相变。七、从热力学（能量）角度分析纯金属在凝固过程中均匀形核时的临界晶核形成过程。（10分）答：此题没有整理答案，非常抱歉！八、简述金属和合金回复与再结晶概念，并讨论在回复与再结晶过程中组织与性能的变化情况。（10分）答：（1）概念：回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段；再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程，它是在消除冷加工过程中产生的全部应变硬化效应的一种中温退火热处理方法。（2）组织变化：在回复阶段，由于不发生大角度晶界的迁移，所以晶粒的形状和大小与变形态的相同，仍保持着纤维状或扁平状，从光学显微组织上几乎看不出变化；再结晶阶段：首先是在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到形变组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。（3）性能变化：如图8所示：强度与硬度：回复阶段的硬度变化很小，约占总变化的1/5，而再结晶阶段则下降较大。强度具有与硬度相似的变化规律。上述情况主要与金属中的位错机制有关，即回复阶段时，变形金属仍保持很高的位错密度，而发生再结晶后，位错密度显著降低，故强度与硬度明显下降。电阻：变形金属的电阻在回复阶段已经表现出明显的下降趋势。因为电阻率与晶体点阵中的点缺陷（如空位、间隙原子等）密切相关，所以点缺陷引起的点阵畸变会使电子产生散射，提高电阻率。它的散射作用比位错所引起的散射作用更为强烈。因此，在回复阶段电阻率的明显下降就标志着在此阶段点缺陷浓度有明显的减小。内应力：在回复阶段，大部分或全部的宏观内应力可以消除，而微观内应力则只有通过再结晶才能全部消除。亚晶粒尺寸：在回复的前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在后期，尤其在接近再结晶温度时，亚晶粒尺寸就显著增大。密度：变形金属的密度在再结晶阶段发生急剧增高，除与前期点缺陷的数目减少有关外，还与再结晶阶段中位错密度显著降低有关。储能释放：当冷变形金属加热到足以引起应力松弛的温度时，储能就会被释放出来。在回复阶段，各材料释放的储存能量均较小，再结晶晶粒出现的温度对应于储能释放曲线的高峰处。图8九、讨论点缺陷与位错的交互作用及对位错运动的影响。这种交互作用在低碳钢应力-应变曲线和材料加工过程中会出现什么现象？有何防止方法？（10分）答：（1）点缺陷引入晶体后不仅引起晶体体积变化，也引起形状变化，故其应力场对周围位错会产生钉扎作用。如杂质原子会扩散到刃位错附近，发生弹性交互作用，形成柯垂尔气团，阻碍位错的运动；（2）低碳钢中有碳原子，在刃位错处形成柯垂尔气团，阻碍位错的运动，使位错继续开动需要更大的力，因而低碳钢的应力-应变曲线上会出现明显的屈服现象，有“上屈服极限”。如果变形速度适中，在应力-应变曲线的屈服极限后还会上下波动，这是碳原子扩散追赶位错所致。除此之外，在发生屈服延伸阶段，试样的应变是不均匀的。当应力达到上屈服点时，在试样的应力集中处开始塑性变形，并在试样表面产生一个与拉伸轴约成45交角的变形带吕德斯带。（3）防止以上现象的方法如下：加快变形速度，使气团难以跟上位错运动；减慢变形速度，使气团可以扩散同步跟上，这样产生的阻力比较小；在较高的温度下加工，使扩散速度加快。十、液体冷却时形成晶体或非晶玻璃体的内部原因和外部条件是什么？解释为什么金属材料凝固时大多形成晶体，而陶瓷材料易于形成非晶玻璃体？（10分）答：（1）液体冷却时形成晶体或非晶玻璃体的内部原因：分子组态。若分子组态呈链状或链条交叉形成网络状，则会提高液体粘滞性，这有利于玻璃的形成。化学键的强弱。结晶是从弱的液相结合键调整为排列规律的晶体结构，因而固相化学键越强，越易形成玻璃。键的性质。金属键物质如单质金属或合金，在熔融时失去联系较弱的电子后，以正离子状态存在。金属键没有方向性和饱和性，并在金属晶格内部出现晶体的最高配位数（12），原子相遇组成晶格的几率最大。结构排列趋于最密堆积，容易规律排列，形成晶体，最不易形成玻璃。（2）液体冷却时形成晶体或非晶玻璃体的外部条件：结晶速度快慢可以控制液相是否结晶；冷却速度。冷却速度大时，过冷液体中的分子没有足够时间做显著移动，容易被定域化从而形成玻璃。（3）金属材料中的化学键为金属键，没有方向性和饱和性，配位数高，趋于最密堆积，容易规律排列，形成晶体的倾向大；陶瓷材料熔点高，结合键有饱和性和方向性，而且硅酸盐晶体易形成链状或网络结构，粘滞性大，在快速冷却时分子没有足够时间作显著移动，容易被定域化形成玻璃。2012年北京科技大学814材料科学基础考研真题及详解一、简答题（8分/题，共40分）1写出七种晶系的名称及点阵参数之间的关系。答：七种晶系的名称及点阵参数之间的关系如表1：表1晶系2简述临界分切应力的概念。答：临界分切应力是指使滑移系统开动的最小分切应力。临界切分应力是一个表示晶体屈服实质的物理量，它是一个定值，与材料本身性质有关，与外力取向无关。3给出一级相变和二级相变的分类原则和相变特征。答：（1）一级相变是指在临界温度、临界压力时，两相化学位相等，但化学位的一阶偏导数不相等的相变。发生一级相变时，反应在宏观性质上，相变时体系热焓H发生突变，热效应较大，体积膨胀或收缩。大多数的SL相变都属于一级相变，这是最常见的相变类型。（2）二级相变是指相变时化学位及其一阶偏导数相等，而二阶偏导数不相等的相变。发生二级相变时，体积及热效应无突变但材料的压缩系数、膨胀系数、比热容等会发生突变，一般的铁磁体-顺磁体转变、一些合金的有序-无序转变和超导态转变都属于二级相变。4分析金属或合金的结晶形态。答：（1）对于金属：正温度梯度下，界面上即使有凸起的部分伸入温度较高的液体中，其生长速度也会减慢甚至停止，周围过冷度会使凸起部分消失，故晶体生长以平面状向前推移；负温度梯度下，相界面处温度由于结晶潜热的释放而升高，使液相处于过冷状态，若部分相界面凸起到液相中，则其处于温度更低的液相中，固液界面将形成许多伸向液相的分枝，称为树枝晶。（2）对于合金：由于存在成分过冷，故即使在正温度梯度下，也能得到树枝晶。5给出再结晶温度的定义。答：再结晶温度不像结晶或者其他相变温度那样严格确定，它受很多因素的影响，根据条件的不同在一定范围内变化。冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度，它可用金相法或硬度法测定，即以显微镜中出现第一颗新晶粒时的温度或以硬度下降50%所对应的温度，定义为再结晶温度。工业上规定，再结晶温度为经过大的冷塑性变形（通常变形量为70%以上）的金属，1小时保温时间内能完成（通常完成95%或98%）再结晶过程的最低温度。二、纯Cu晶体在常温下的点阵常数为a0.3615nm：（1）指出其晶体结构类型和配位数（3分）；（2）简略计算Cu原子半径、原子致密度和两类间隙半径（6分）；（3）画出Cu原子在（111）晶面的分布情况，并计算其晶面间距和原子在晶面上的致密度（6分）。答：（1）纯Cu晶体在常温下为FCC面心立方结构，配位数为12；（2）在面心立方结构中有故Cu原子半径为原子致密度为设四面体间隙半径为r四，则故设八面体间隙半径为r八，则故（3）面密度：0.906；晶面间距为d0.2087；Cu原子在（111）晶面的分布情况如图1所示：图1Cu原子在（111）晶面的分布图三、分别画出下列离子晶体的布拉菲点阵（图2中的点阵参数均为abc，90）（10分）图2（1）NaCl图2（2）CaF2图2（3）CaTiO3答：（1）NaCl晶体为面心立方点阵，每个阵点位置有一个钠离子和一个氯离子，对应点阵如图3：图3NaCl的点阵图（2）CaF2晶体为面心立方点阵，每个阵点位置有一个钙离子和两个个氟离子，对应点阵如图4：图4CaF2的点阵图（3）CaTiO3晶体为简单立方点阵，每个阵点位置有一个钙离子、一个钛离子和三个氧离子，对应点阵如图5：图5CaTiO3的点阵图四、示意画出下面的Ti-Zr体系中bcc和hcp相在1155K、1139K、1000K和878K时的Gibbs自由能-成分曲线。（15分）图6答：此题没有整理答案，非常抱歉！五、根据图7的Al-Zn相图（1）写出其中的三相反应式（4分）；（2）画出x（Zn）0.80合金的缓慢冷却曲线，并写出各阶段相对应的组织（8分）；（3）画出上述合金缓慢冷却到室温时的组织示意图，并计算各组织组成物的相对含量（8分）。图7Al-Zn相答：（1）共晶反应Lfcc-Al（0.67）hcp-Zn（0.97）共析反应fcc-Al（0.59）fcc-Al（0.16）hcp-Zn（0.98）（2）x（Zn）0.80合金的缓慢冷却曲线如图8图8冷却曲线12L22Lfcc-Al23Lfcc-Al33Lfcc-Alhcp-Zn34fcc-Alhcp-Zn4fcc-Alfcc-Alhcp-Zn45cc-Alhcp-Zn（3）组织示意图如图9图9室温时的组织示意图其中，枝晶组织为先析出的纯fcc-Al相（部分发生共析转变），其余深色部分为Al-Zn共晶相，两组织的相对含量分别为：六、根据图7的Al-Zn相图，将纯Al和Zn形成扩散偶，在600K长时间保温，示意画出扩散层中x（Zn）随扩散距离d的变化曲线及相应出现的物相。（10分）答：此题没有整理答案，非常抱歉！七、一个多晶体试样经变形后，在再结晶温度以上退火，请画出位错密度、晶粒（不包括亚晶）平均尺寸、强度、塑性以及电阻率随退火时间变化的示意图（把各种变化分别画一个图，注意它们的对应关系），并对其作出简单说明。（10分）答：（1）位错密度随退火时间的延长而降低，在回复阶段，位错重新排布，可能会出现反号位错的对消，因此位错密度缓慢降低；在再结晶阶段，形变储能迅速释放，位错密度迅速下降。如图10所示。图10位错密度与时间的关系图（2）晶粒尺寸在回复阶段时无显著变化，仍保持伸长的晶粒状态，再结晶时由于新晶粒的产生，尺寸极小，继而随晶粒长大，尺寸回升到变形前的状态。如图11所示：图11晶粒尺寸与时间的关系图（3）加工硬化会使材料强度变大，在回复过程中会随内应力部分的除去，因此强度稍有下降；在再结晶阶段强度将急剧下降；而晶粒长大后，强度基本恢复到变形前的状态。如图12所示：图12强度与时间的关系图（4）材料的塑性变化和强度变化相反，回复阶段内应力被部分的除去，塑性稍有提高；再结晶阶段塑性显著提高；晶粒长大后，基本恢复到变形前的状态。如图13所示：图13塑性与时间的关系图（5）电阻率在回复阶段大幅度下降，在再结晶阶段下降的更快，最后基本恢复到变形前的状态。如图14所示：图14电阻率与时间的关系图八、叙述金属或合金塑性变形的主要方式，并分别写出Al和Mg合金的滑移系，同时说明每种合金经拉伸变形后的显微组织形貌特征及产生原因。（10分）答：（1）金属或合金塑性变形的主要方式有：滑移和孪生。滑移是位错通过点阵运动时产生的塑性变形。孪生是晶体受到外加切应力作用沿一定的晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）在一个区域产生连续切变得过程。Al为fcc结构，滑移系为111110；Mg为hcp结构，滑移系为。（2）晶体中的滑移发生于特定的晶面和晶向，称为滑移面和滑移方向；滑移发生时不会引起晶体内部的相位差，滑移面和晶体表面形成高度约100nm的“台阶”，称为滑移线。在金相显微镜下，可以看到相距约10nm的滑移线形成的滑移带，相邻滑移带间距约100nm；这是由于晶面间发生全位错所致。（3）晶体中的孪生也发生于特定的晶面和晶向，称为孪生面和孪生方向；孪生部分与未发生孪生的部分构成镜面对称关系，对称面即为孪生面。晶体由孪生形成的“台阶”间距约0.1nm，台阶高度也为0.1nm数量级；这是由于晶面间发生不全位错。九、共析转变是典型的扩散型固态转变，指出其转变的驱动力和阻力，并讨论共析成分合金转变完成后可能出现的典型组织形态。（10分）答：（1）共析转变的驱动力为新旧两相之间的吉布斯自由能差，阻力主要是界面能的增加和新相引起的弹性应变能；（2）共析转变是由一个固相转变为多个固相的过程，如；共析反应在原来的相晶界上形核，根据相晶界的结构和成分不同，首先形成或核心，当其中一个核心形成后，其周围基体成分对形成另一相的核心有利，于是另一相的核心在原先的相旁边形成，两相交替析出，形成片层状的共析体，片层状的共析体共同向母相推进长大。因此共析成分合金转变完成后可能出现的典型组织形态为两相交替的片层状结构。十、结合Al-Cu合金时效硬化曲线，讨论在不同成分和热处理条件下可能出现的脱溶贯序，各阶段脱溶相的大小、形状和分布特点、与母相的界面关系及强化效果。（10分）答：此题没有整理答案，非常抱歉！2013年北京科技大学814材料科学基础考研真题及详解一、简答题（8分/题，共40分）1超点阵答：超点阵是指在有序固溶体中，不同原子所在的节点各自构成的点阵相互复合所构成的点阵。在通常的无序固溶体中，晶胞内各个位置是等同的（统计上等同），各组元的原子以完全杂乱无章的方式来占据各个位置；当固溶体有序化后，晶胞中的各个位置变得不等同，不同组元的原子分别优先占据特定的位置。这样就导致原来等同的平行原子平面变得不等同，有序固溶体的多（或单）晶衍射图样中出现一些原先没有的线（或斑点），统称为超结构线（或斑点）。2玻璃化转变温度答：玻璃化转变温度是指材料从液态冷却到非晶态时所对应的温度。当材料从液态以较快速度冷却，避开结晶，向玻璃态转变，在熔点温度以下以过冷液体形式继续冷却。某一温度后体积-温度曲线发生转折，自由体积不再变化而形成玻璃态，这个转折温度称为玻璃化温度，对应的粘度为1012Pas。玻璃转变温度是区分玻璃与其他非晶态固体（如硅胶、树脂等）的重要特征。3伪共晶答：在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得到全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。液相在非平衡状态下冷却时，由于固相线偏离平衡位置，冷却到固相线上时凝固并不能结束，甚至冷却到共晶温度以下还有少量液相残留，而这些液相将转变为非共晶成分的共晶体。4脱溶答：脱溶是指当固溶体因温度变化等原因而呈过饱和状态时，将自发的发生分解过程，其所含的过饱和溶液中，溶质原子发生偏聚，并沉淀析出新相的现象。在固溶体冷却过程中，溶质的溶解度会随温度下降而减小，溶质原子便从固溶体中析出并偏聚在一起，形成新相。5二次再结晶答：二次再结晶是指在某些情况下，晶粒的长大只是少数晶粒突发性地、迅速地粗化，使晶粒之间的尺寸差别越来越大，少数大晶粒尺寸一旦超过周围晶粒，由于其晶界总是凹向外侧，因而晶界总是向外迁移扩大，结果晶粒越长越大，直至相互接触。这种晶粒的不均匀长大就好像在结晶后均匀细小的等轴晶粒中又重新发生了再结晶，所以称为二次再结晶。二、图1是立方ZnS结构示意图，回答以下问题（共20分）：图1立方ZnS结构示意图（1）Zn2的负离子配位数是多少？（2）Zn2占据以S2密排结构的间隙位置，写出Zn2占有位置的坐标；（3）计算ZnS结构的晶格常数（已知Zn2和S2的离子半径分别为0.06nm和0.18nm）；（4）计算ZnS结构的致密度。答：（1）Zn2的负离子配位数是4；（2）Zn2占有位置的坐标包括（3/4，1/4，1/4）、（1/4，1/4，3/4）、（3/4，3/4，3/4）、（1/4，3/4，1/4）；（3）设ZnS的晶格常数为a解此方程可得a0.554nm；（4）在每个ZnS晶胞中，有4个锌离子和4个硫离子，所以其致密度为三、图2是在同一滑移面上三组相互平行的相距为d的直位错，它们的柏氏矢量b的模相等，箭头指向是柏氏矢量b和位错线t的方向。问每组的位错之间是相互吸引还是相互排斥，为什么？（共15分）图2三组相互平行的直位错及其柏氏矢量答：（a）组中两个位错分别为刃位错和螺位错，且位错线平行，应力场没有重叠部分，交互作用为零；（b）组为平行异号螺位错，合并后会相抵消，故相互吸引；（c）组两个位错分别分解为螺位错和刃位错，其中位错线平行的刃位错与螺位错没有交互作用；两位错分解出的螺位错为异号，故相互吸引，且吸引力大小为两位错分解出的刃位错为同号，故相互排斥，且排斥力大小为排斥力大于吸引力，故两位错表现为相互排斥。四、示意画出图3所示的A-B体系中各相在T1、T2、T3和T4温度时的Gibbs自由焓-成分曲线。（共10分）图3A-B二元合金相图答：各相在T1、T2、T3和T4温度时的Gibbs自由焓-成分曲线如图4所示：图4各温度下的成分曲线五、图4为某三元合金系在T1和T2温度下的等温截面。若T1T2，确定此合金系中存在哪种类型的三相平衡反应？说明判断理由，并写出三相反应式。（共10分）图5A-B-C三元系等温截面答：此合金系中存在的三相平衡反应类型：固态有限互溶的三元共晶相图。理由为：图中有包晶反应和共晶反应，两等温截面均只含有一个三相区，且没有液相，故此三元合金相图中有一个三元共晶反应，T1、T2在三元共晶反应温度以下；随着温度的降低，三相区向低温方向移动，相减少，相、相增多，所以包晶反应为L、L，共晶反应为L，三相共晶反应为L。六、由材料A和B组成双层平板，A板厚度为L，B板厚度为2L，如图6所示。扩散组元在A板一侧表面的浓度为cc0（常数），在B板一侧表面的浓度一直保持为c0。假设：扩散组元不与A和B形成新相；在A和B中扩散系数均为常数，分别是D1和D2；扩散组元在A/B界面浓度保持连续；A和B相互之间不扩散。求扩散在稳态时的扩散流量。（共15分）图6A和B组成双层平板示意图答：设稳态时两板界面处浓度为c1，根据菲克第一定律则在A板中有在B板中有又因为两板流量相等，即得到所以扩散流量七、什么是动态回复？什么是动态再结晶？分别画出在相同温度时高、低应变速率下动态回复和动态再结晶的真应变真应力曲线示意图，并给出简单解释。（共10分）答：（1）在热加工过程中，一方面因形变使位错不断增值和积累，另一方面通过热激活使位错偶对消、胞壁锋规整化形成亚晶，同时亚晶合并等过程也在进行，这些过程因外加应力对小角度晶界移动和反号位错对消提供了附加驱动力而以更快的速率进行，即在应变硬化的同时发生了动态回复；（2）对于低层错能或中等层错能的材料，在回复过程中再结晶不如高层错能的材料容易，热加工过程中动态回复未能同步抵消加工过程中位错的增值积累，当位错积累到一定程度后就会促发再结晶形核，即发生动态再结晶；（3）不同应变速率下动态回复和动态再结晶的真应变-真应力曲线示意图7如下：图7真应变-真应力曲线 在动态回复影响下，低变形速率时，应变硬化与动态回复同时发生，动态回复所产生的软化效果甚至可以和应变硬化平衡，使真应力-真应变曲线上出现应力不随应变而变化的稳态流变；而高应变速率时，动态回复的速率低于应变硬化速率，没有稳态流变。在动态再结晶的影响下，高变形速率时，再结晶速率相对较慢，第一轮再结晶未完成时就开始第二轮再结晶，真应力-真应变曲线出现第一个峰后，材料始终保持部分再结晶状态，曲线趋于平滑；在低应变速率下，第一轮再结晶完成后才开始第二轮再结晶，这些过程重复，真应力-真应变曲线就出现了多峰摆动的情况。八、常温下单相合金塑性变形有哪些主要方式，说明拉伸变形后相应的显微组织形貌特征。（共10分）答：（1）常温下单相合金塑性变形的主要方式有：滑移、孪生、扭折；（2）晶体中的滑移发生于特定的晶面和晶向，称为滑移面和滑移方向；滑移不引起晶体内部的相位差，滑移面和晶体表面形成高度约100nm的“台阶”，称为滑移线；在金相显微镜下，可以看到相距约10nm的滑移线形成的滑移带，相邻滑移带间距约100nm；（3）晶体中的孪生发生于特定的晶面和晶向，称为孪