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。

由柏氏矢量与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？

① α-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； ③ γ-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与金属，或金属与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，该应力场与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=cos?cos λ ,当外力P一定时，作用于滑移系上的分

切应力与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与氧化浓度分布规律，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与固—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)铸件的偏析程度与合金相图有关。一般液相线与固相线之间的垂直距离较大,说明合金的结晶温度范围大；液相线与固相线之间的水平距离越大，结晶时