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1、西南交通大学试卷四2022 年攻读硕士学位争辩生入学考试试题考试科目：材料科学根底 适用专业：材料科学与工程一、填空题1. 面心立方晶体的最密排面是 (1) ，最密排方向是 (2) ；体心立方晶体的最密排面是 (3) ，最密排方向是 (4) ；密排六方晶体的最密排面是 (5) ， 最密排方向是 (6) 。2. 较细的金属比晶粒较粗的同种金属有 (7) 的强度和硬度及 (8) 塑性和韧性，这种现象称为 (9) 强化；铸造工艺中细化晶粒的常用方法是 (10) 和(11) 。3. 铁素体是碳在 (12) -Fe 中的 (13) 固溶体，与纯铁相比，其强度和硬度 (14) ，塑性和韧性 (15) ，这
2、是由于 (16) 强化的结果。4. 对于刃型位错线，其柏氏矢量 (17) 于位错线，其滑移运动方向 (18) 于柏氏矢量，其攀移运动方向 (19) 于柏氏矢量；对于螺型位错线，其柏氏矢量 (20) 于位错线，其滑移运动方向 (21) 于柏氏矢量，其交滑移运动方向(22) 于柏氏矢量。5. 金属经冷塑性变形后，其强度和硬度 (23) ，塑性和韧性 (24) ，这种现象称为 (25) 强化或 (26) ；对于经过预先冷塑性变形的金属，在进一步冷塑性变形前应进展 (27) 退火，以提高其 (28) ；而对于冷加工成形的零构件，成形后应准时进展 (29) 退火，以去除 (30) ，防止零构件在使用中产
3、生变形或开裂。二、画图题1. 依据 Fe-Fe C 相图，铁碳合金中的渗碳体相可能存在有五种不同的形3态，依据形成温度由高到低，依次是：一次渗碳体，共晶渗碳体，二次渗碳体，共析渗碳体和三次渗碳体。请画出含有上述五种渗碳体的铁碳合金的组织示意图(一种合金中可包含一种或多种形态的渗碳体)，并标明渗碳体组织的名称。2. 在立方晶胞内画出 晶面，以及、晶向。3. 画出以下合金及其热处理后的室温组织：(1) 共析钢的平衡组织 (2) 亚共晶白口铸铁(3) T12 钢的平衡组织 (4) 20 钢的淬火组织(5) 粒状珠光体 (6) 45 钢调质处理的组织三、公式题1. 给出以下各公式，说明公式中各物理量的
4、含义及单位：(1) Hall-Petch 公式 (2) 晶界偏聚公式2. 推导在液相中均匀形成边长为 a 的立方体晶核的临界形核功G*和临界尺寸 a*的表达式。四、简答题1. 举例说明材料的根本强化形式有哪几种，并说明其中三种的强化机制。2. 何为上坡集中?形成上坡集中的热力学条件是什么?3. 请以 Al-4.5%Cu 合金为例，说明时效过程及其性能(硬度)变化。五、综合分析题1A-B 二元合金相图如图 4-1 所示。在固相不集中、液相完全混合的条件下，水平放置的质量分数 w =40%的 A-B 二元合金溶液从左至右定向凝固成长为BL 的横截面均匀的合金棒。(1) 计算棒中单相 a 固溶体段占
5、棒长的分数 x。附：式中，x=Z/L 为已凝固的体积分数；C ，C ，C 分别为液相、固相和合金的成分，k为平衡安排系数，k =C /C 。LS000SL(2) 画出整根棒的组织示意图。(3) 画出该棒中 B 原子的浓度分布曲线。2. 依据 Fe-Fe C 相图，完成以下工作：3(1) 画出 Fe-Fe C 相图(可以无视高温铁素体相变及包晶转变)。3(2) 画出 45 钢(w =0.45%，下同)从高温液态到室温的平衡冷却曲线(不考C虑铁素体的溶解度变化)，并标明相的变化过程。(3) 示意画出高温液态到室温的组织转变过程图。(4) 说明 45 钢在室温下的平衡组织，给出每一种组织的成分，计算
6、各组织的相对重量。3. 依据共析碳钢的过冷奥氏体转变 C 曲线(TTT 曲线)，如图 4-2 所示，请写出经过图中所示 6 种不同工艺处理后材料的组织名称。标准答案一、1(1) 111；(2)；(3) 110；(4)；(5) (0001)；(6)2(7) 更高；(8) 更好；(9) 细晶；(10) 增大冷却速度；(11) 加形核剂，搅拌或振动3(12) ；(13) 间隙；(14) 更高；(15) 更低；(16) 固溶4(17) 垂直；(18) 平行；(19) 垂直；(20) 平行；(21) 垂直；(22) 垂直5(23) 上升；(24) 下降；(25) 形变；(26) 加工硬化；(27) 再结
7、晶；(28) 塑性和韧性；(29) 去应力；(30) 剩余内应力二、1. 如图 4-3 所示。一次渗碳体是从液相中直接析出的，只有在含碳量 w 4.30%的铁碳合金C(白口铸铁)中才能见到。其形貌是大块的板条(过共晶白口铸铁中)，如图 4-3a中白色条状组织所示。二次渗碳体是过共析钢退火平衡组织，是从奥氏体中析出的，一般分布在原奥氏体晶界，呈网状，又称网状渗碳体，如图 4-3b 所示。三次渗碳体是从铁素体中析出的，分布在铁素体晶界上，由于量较少，呈现断续蛇状分布。一般只在工业纯铁中可以看到，如图 4-3c 所示。珠光体中的渗碳体叫做共析渗碳体，呈现为层片状形态，如图 4-3b 所示。共晶莱氏体
8、组织中的渗碳体叫做共晶渗碳体，是共晶组织的基体，呈现连续分布，如图 4-3d 所示。2. 如图 4-4 所示。3. 如图 4-5 所示。三、1(1) Hall-Petch 公式表示屈服强度与晶粒尺寸之间的关系。为晶粒直径(m)；式中，为屈服强度(MPa)。s为常数；d(2) 晶界偏聚公式式中，C 、C 分别为晶界浓gb0度和晶粒中心浓度(两者同单位即可，可以使用质量百分浓度或体积浓度)；E为交互作用能(eV)；Q 为：mole 交互作用能(J)，由于偏聚引起晶界能的变化；R 为气体常数(J/K)；k 为玻尔兹曼常数(eV/K)；T 为确定温度(K)。2晶胚为正方形，边长为 a，则V=a3A=6
9、a2当过冷液体中消灭一个晶胚时，总的自由能变化G 应为G=VG +AGVAG=a3G +6a2G (4-1)VA令可求得将 a*代入式(4-1)可求得四、1. 通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料强度的方法，称为材料的强化。其强化根本形式有：固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强 化、细化晶粒强化等。这些强化方式总的来说是向晶体内引人大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度弥散的质点或不均匀性(如偏聚)等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高材料强度。固溶强化：无论是代位原子或是填隙原子，在条件适宜的状况下，都可能发生原子偏聚而形成气团。对代位点阵来说，当溶质原子比溶剂原子的
10、直径大时，溶质原子有富集在刃型位错受胀区的趋向；反之，富集于受压区。填隙原子则总是向受胀区富集。这种靠集中在位错四周富集的现象，称为柯氏气团(cottrell atmosphere)。柯氏气团对位错有钉扎作用，从而使强度提高。沉淀强化和弥散强化：过饱和固溶体随温度下降或在长时间保温过程中(时效)发生脱溶分解。时效过程往往是很简单的，如铝合金在时效过程中先产生 GP 区，继而析出过渡相( “及 ”)，最终形成热力学稳定的平衡相( )。细小的沉淀物分散于基体之中，阻碍着位错运动而产生强化作用，这就是“沉淀强化”或“时效强化”。加工硬化：冷变形金属在塑性变形过程中形成大量位错，这些位错局部成为不行动
11、位错，从而导致其对可动位错的阻力增大，引起材料连续变形困难， 形成加工硬化或形变强化。2. 物质从低浓度区向高浓度区集中，集中的结果提高了浓度梯度。例如铝铜合金时效早期形成的富铜偏聚区，以及某些合金固溶体的调幅分解形成的溶质原子富集区等，这种集中称为“上坡集中”。上坡集中的真正驱动力是化学位梯度，而非浓度梯度，虽然集中导致浓度梯度上升，但化学位梯度却是下降的。据此，形成上坡集中的热力学条件是3. 铝合金淬火后得到过饱和固溶体，之后加热保温，固溶体内会依次析出GP 区， “、 “、 相。GP 区的形成会使材料的硬度增加(第一个时效峰)， 长时间时效，GP 区溶解，硬度下降。 “的形成使得硬度连续
12、增加(其次个时效峰)。当 “全部溶解转化为 ”和 ”转化为 后，硬度开头下降。五、1(1) 式中，C =30%；k =30%/60%，=0.5；C =40%。将值代入后得 x=Z/L=5/9。S00(2) 如图 4-6a 所示。(3) 如图 4-6b 所示。2(1) 如图 4-7a 所示。(2) 如图 4-7b 所示。(3) 如图 4-7c 所示。LL+AAA+FA+F+PF+P45 钢在液态到室温的冷却过程中将发生以下转变：匀晶转变 LL+A，并全部转变为 A，然后发生同素异晶转变 AF+A，在 727发生共析转变AP(F+Cm)。(4) 室温下 45 钢的组织为：铁素体 F(w =0.0218%)+珠光体C3CP(F+Fe C)(w =0.77%)。依据杠杆定律计算，得3(1) 马氏体+残留奥氏体，M+A”。(2) 马氏体+下贝氏体+残留奥氏体，M+B+A”。下(3) 索氏体+马氏体+残留奥氏体，S+M+A”。(4) 索氏体或珠光体，S。(5) 下贝氏体，B 。下(6) 珠光体，P。