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1、（清华大学）材料科学基础真题2004年（总分：150.00，做题时间：90分钟）一、B论述题/B（总题数：13,分数：150.00）1. 标出图中（a）、（b）、（c）、（d）的晶向指数和（E）、（F）、（G）、（H）的晶面指数 （分数：8.00）正确答案：（a）的晶向指数是正确答案：（1 .单晶试棒沿轴向进行拉伸，所以拉力* o该力Fi在立方晶系001标准投影（如下图中F1）上的极点处于*取向三角形中 *因为FCC晶体的滑移系统为111*所以根据映象规则，可知初始滑移系统为：*2. 单滑移时试样轴应转向*，转轴为* o3. 当F1点转到F2点时，发生双滑移。双滑移系统为：*4. y可按下式计
2、算： 令* o代入上式：*所以* ； （b）的晶向指数是* ； （c）的晶向指数是* ；（d）的晶向指数是*。（E） 的晶面指数是* ； （F）的晶面指数是* ； （G）的晶面指数是* ； （H）的晶面指数是* o ）解析：2. 二维点阵共有几种？指岀其类型并用图表示。（分数：5.00 ）正确答案：（见下表。*） 解析：3.画出下列晶体的一个晶胞：（a）纤锌矿（ZnS） ； （b）钙钛矿（BaTiO 3） ； （c）方石英（SiO 2）。（分数：12.00 ）4.图示并写出FCC BCC HC正确答案：（见下图。*） 解析：的密排面、密排面间距、密排方向、密排方向最小单位长度。（分数：5.00
3、 ）正确答案：（见下表。*） 解析：5.沿铝（Al）单晶的方向拉伸，使其发生塑性变形，请确定:1画出立方晶系I i*Ld标准投影或取向胞，并由此确定初始滑移系统。2 .转动规律和转轴。 3 .双滑移系统。4 .双滑移开始时晶体的取向和切变量。5 .双滑移过程中晶体的转动规律和转轴。6 .晶体的最终取向（分数：20.00 ）解得 v=2, w=-4, *即双滑移开始时的取向是*，切变量是*。5双滑移时试样轴一方面转向*，其转轴为*; 一方面又转向*，其转轴为*。故合成转轴为 n=m+n2=000,即晶体取向不再改变，只是被拉长。6晶体的最终取向就是F2，即*。）解析:和一正三角形空位片 MNO如
4、图所示,已知原子在111方向的堆垛次序。（分数：10.00）1 .写岀各位错的柏式矢量。2.判断各位错的性质。 3 .指岀I、H、山区正确答案：（1 . MN NO 0M位错线的柏式矢量为* ; EF的柏式矢量为 个空位片，所以 MN NO OM是 Frank分位错；EF是Shockley分位错。 柏式矢量为*时，是右旋螺型位错；当 EF的柏式矢量为*，或者* ABCABCABCABC:*）解析：*（或者*。2 正三角形 MNO MN NO OM都是刃型位错。当 EF时，为混合位错。3.I： * n：7.有两条相距为d的刃型位错1和2,其柏式矢量分别为，求位错2受位错1的攀移力和滑移力。已知刃
5、位错的应力场为:（分数：10.00）正确答案：（1）滑移力* （2） 攀移力*） 解析：8.有两根单晶Zn棒（Zn为HCFP吉构，其c/a=1.86），轴向分别为 拉伸，请分析各自可能的形变方式，写岀相应的滑移系统或者孪生系统（分数：10.00）、0001，今在室温条件下沿轴向 （如果启动的话）。正确答案：（下图为HCP晶体的孪生四要素：K n 1, K 2 n 2*K、K2的夹角2*为：*因为 Zn 的 c/a=1.86所以*为锐角如果发生孪生时，在*区域内该晶向应缩短。1 当轴向为0001的Zn棒沿轴向拉伸时，轴向伸长，与孪生时长度变化趋势相反，故不可孪生。因拉伸时，外力沿着轴向0001，
6、与滑移面（0001）垂直，故Schmid因子为0，不可滑移。所以当轴向为0001的 Zn棒沿轴向拉伸时，Zn棒会脆断。2当轴向为*的Zn棒沿轴向拉伸时，一方面0001晶向将缩短，与孪生时长度变化一致，所以能发生孪 生，孪生系统为*;另一方面，根据Schmid定律，可知Zn棒不发生滑移。但孪生的结果可改变位向， 从而可产生滑移，故Zn棒会表现岀一定塑性。）解析：9.写岀：点缺陷的平衡浓度表达式；扩散系数与温度关系的表达式，并指岀每个参量所表达的物理意 义。（分数：10.00）6.在FCC晶体的（111）面上有一自左向右扫过的Shockley分位错正确答案：（点缺陷的平衡浓度表达式Schottky
7、缺陷浓度*式中，*为Schottky点缺陷平衡浓度； GS为Schottky点缺陷的摩尔生成 Gibbs 自由焓；T为体系所处的热力学温度（K） ； R为摩尔气体常数。Frenkel缺陷浓度*式中，*为FrenkeI点缺陷平衡浓度；4G为FrenkeI点缺陷的摩尔生成 Gibbs自由焓；T为体系所处的 热力学温度（K） ； R为摩尔气体常数。扩散系数与温度关系的表达式*式中，Do为扩散常数或频率因子；Q为扩散激活能（J/mol） ； T为体系所处的热力学温度（K） ； R为摩尔气体常数。）解析：10. 何谓克根达耳效应，克根达耳试验结果给人们哪些启示？（分数：10.00）正确答案：（ 克根达耳
8、效应 如图所示，在FCC结构的a黄铜（Cu+30%Zn）棒上敷上很细的钼丝作为标记， 再在黄铜上镀铜，将钼丝包在黄铜与铜之间，在一定温度下进行扩散。其中钼丝仅作为标志物，在整个实 验过程中不参加扩散。扩散组元是铜和锌，二者构成置换式固溶体。在置换式固溶体的扩散过程中，放置 在原始界面上的标志物朝着低熔点元素的方向移动，移动距离与时间成抛物线关系。造成这种现象的原因 是：低熔点组元扩散快，高熔点组元扩散慢，这种不等量的原子交换造成克根达耳效应。* （2） 克根达耳效应的实际意义 揭示了扩散宏观规律与微观扩散机制的内在联系，具有普遍性；直接否认了置换式 固溶体扩散的换位机制，支持了空位机制；扩散系
9、统中每一种组元都有自己的扩散系数；克根达耳现 象往往会产生副效应，如收缩不完全会造成克根达耳孔等，这些副效应在实际当中往往产生不利的影响， 因而应设法加以控制。） 解析：11. 画图并指出典型铸锭（如钢水在砂模中）的组织，并指出其形成原因。（分数：10.00）正确答案：（如图所示，典型的铸锭组织由三区组成：第1区为紧靠模壁表面的细晶区；第 2区为垂直模壁表面生长的柱状晶区；第 3区为铸锭中部的等轴晶区。* （1）表面细晶区 该区核心多、冷却速度快、过冷度大，以树枝状向各个不同方向长大，因而形成细小、等轴晶体。由于细晶区结晶很快，放出的结晶潜 热来不及散失，而使液一固界面的温度急剧升高，使细晶区
10、很快便停止了发展，得到一层很薄的细晶区壳 层。（2）柱晶区 细晶区形成后，模壁温度升高，散热减慢，液体冷速降低，过冷度减小，不再生核，细晶 区中生长速度快的晶体可沿垂直模壁的散热反方向发展，其侧向生长因相互干扰而受阻，因而形成一级主 轴发达的柱状晶。（3）中心等轴晶区 在中心过冷液体中，以外来杂质、细晶区的小晶体、柱晶区枝晶分枝 等为晶核，形成等轴晶体。）解析：12. 指出图中各相图的错误，并加以解释（分数：20.00 ）正确答案：（1）根据相律：f=c-p+1在共晶反应中，组元数 c=2,相数p=3,所以自由度f=0，因此在共晶 反应中温度恒定，共晶反应线在相图中应对应于一条水平线，而不是斜
11、线。（2）根据相律：f=c-p+1在包晶反应中，组元数c=2，相数p=3，所以自由度f=0，因此在包晶反应 a +L=B中B的成分应该不可变， 相图中p成分在一个区间内可变，所以是错误的。（3）匀晶相图中某一温度下，只能是确定成分的液相与确定成分的固相相平衡。不可能在某一温度下，有两个不同成分的液相（或固相）平衡。（4）根据热力学，所有两相区的边界线不应延伸到单相区，而应伸向两相区。）解析：13. 画出 Fe-Fe3C 相图与下列问题相关的部分，并分析：1. 2%C合金平衡状态下结晶过程、室温组织 (画示意图)，计算组织相对含量。2. 2%C合金快冷，不平衡状态下结晶过程和组织的变化。3. 画
12、出在800C下该合金在平衡状态下的自由能 -成分曲线，并用图解法作出其形核驱动力 4如纯铁在800C渗碳气氛下扩散，试由 Fe-FesC相图分析等温扩散后冷却至室温的组织。 (分数： 20.00 )正确答案： (Fe-C 相图略。1. 2%C合金平衡状态下结晶过程在高温结晶时不发生包晶反应。1- 2 L- y。二相成分和相对量都发生变化，L相沿BC线变化，y相沿JE线变化。L相减少，y相增多，2为丫相点。2- 3 不发生变化，仍保持 y 相。3- 4 y相中析出渗碳体，YFesG，随Fe3Cn析出，丫相沿ES变化。4 y s+FqG，* *4- 4' y s a +F&C,形成
13、 P 组织。4'以后不发生变化。在室温下组织为P+F6G，即过共析钢*即最后室温组织中 FesG为20.78%，P为79.22%。室温组织示意于下图。*2. 可能发生共晶反应 L-Ld( y +Fe3C)： 将有不平衡共晶组织出现，可能发生共晶反应产生Ld。 得到的 P 其片层间距将更为细小。 析出Fe3Cn的量将减少，甚至完全抑制了Fe3Cn的析出。3. 见下图。a、y和y +F&C曲线两两相切。当含 C为2%时，由直线定则，P点为y + Fe3C两相的自由 能，Q点为y母相的自由能。对于该合金，肯定析出Fe3C而不会是析出a。*4. 图a是800C渗碳后的相分布。冷却至室温后丫中析出a和FesC,最后全部转化为 a和FesC; a中 也析出FesC,最后转化为 a和Fe3C，见图b。*)解析：