1、(清华大学)材料科学基础真题 2003 年-2 及答案解析(总分：100.00，做题时间：90 分钟)一、论述题(总题数：10，分数：100.00)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）_2.写出 FCC、BCC、HCP （分数：5.00）_3.写出镍(Ni)晶体中面间距为 0.1246nm 的晶面族指数。镍的点阵常数为 0.3524nm。（分数：5.00）_4.由 600降至 300时，锗晶体中的空位平衡浓度降低了六个数量级，试计算锗晶体中的空位形成能(波耳兹曼常数 k=8.61710-5eV/K)。（分数：8.00
2、）_5.请导出摩尔分数为 NA、N B的二元系中综合扩散系数 D 与分扩散系数 DA、D B之间的关系。（分数：10.00）_6.指出并解释马氏体相变的特征。（分数：10.00）_7.请分析脱溶分解和调幅分解(Spinodal 分解)两种析出方式的差异。（分数：10.00）_8.按下列 5 条汇总 FCC 晶体中的主要位错：位错名称；柏式矢量；位错性质(刃型、螺型、混合位错等)；位错形成方式；运动状态(滑移、攀移、还是不动等)。（分数：12.00）_9.从微观结构说明合金强化的主要机制，并举出实例。（分数：12.00）_10.画出 Fe-Fe3C 相图与下列问题相关的部分，并分析：12%C 合
3、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。22%C 合金快冷，不平衡状态下结晶过程和组织的变化。3画出在 800下该合金在平衡状态下的自由能一成分曲线，并用图解法作出其形核驱动力。4如纯铁在 800渗碳气氛下长期扩散，试由 Fe-Fe3C 相图分析等温扩散后和冷却至室温的组织。（分数：20.00）_(清华大学)材料科学基础真题 2003 年-2 答案解析(总分：100.00，做题时间：90 分钟)一、论述题(总题数：10，分数：100.00)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
4、晶向指数是 ；(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 )解析：2.写出 FCC、BCC、HCP （分数：5.00）_正确答案：(见下表。)解析：3.写出镍(Ni)晶体中面间距为 0.1246nm 的晶面族指数。镍的点阵常数为 0.3524nm。（分数：5.00）_正确答案：(镍(Ni)的晶体结构和点阵都是面心立方(FCC)，立方晶体的晶面距公式是：所以有 )解析：4.由 600降至 300时，锗晶体中的空位平衡浓度降低了六个数量级，试计算锗晶体中的空位形成能(波耳兹曼常数 k=8.6
5、1710-5eV/K)。（分数：8.00）_正确答案：(Schottky 缺陷的平衡浓度公式为：有有有)解析：5.请导出摩尔分数为 NA、N B的二元系中综合扩散系数 D 与分扩散系数 DA、D B之间的关系。（分数：10.00）_正确答案：(如图所示，引入两个平行的坐标系：一个是固定坐标系 xOy；一个是坐落在晶面上和晶面一起运动的动坐标系 x、O、y。D A和 DB分别表示组元 A 和 B 的分扩散系数。D 为综合扩散系数。相对于动坐标系，A、B 的本征扩散通量分别是 JA1、J B1，即：由于 JB1J A1，高熔点一侧有流体静压力，则各晶面连同动坐标系会沿 x 方向平移，相对于固定坐标
6、系，增加了方向相同的两个附加通量 CAv 和 CBv。所以对固定坐标系，总通量为：式中，v 为 x 处晶面的平移速度；C A、C B分别为 x 处 A 组元和 B 组元的浓度。上两式后面等号成立的依据为菲克第一定律。根据扩散中晶体各点密度不变的条件，有：CA(x)+CB(x)=常数所以消去 v，得：)解析：6.指出并解释马氏体相变的特征。（分数：10.00）_正确答案：(1)无扩散性相变过程不发生成分变化，参与转变的所有原子运动协同一致，相邻原子的相对位置不变，而且相对位移量小于一个原子间距。(2)具有表面浮突和切变共格性马氏体相变产生均匀切变或称为点阵切变，造成结构变化，试样表面出现浮突现象
7、，马氏体和母相之间的界面为共格界面。(3)存在惯习面及其不应变性马氏体在母相的一定晶面上形成，此晶面成为惯习面。惯习面是一个无畸变不转动的平面。(4)新相和母相之间有严格的取向关系马氏体和母相之间主要有以下位向关系：K-S 关系；G-T 关系；西山关系。(5)马氏体具有内部亚结构除了点阵切变外，马氏体相变还要发生点阵不变切变，依靠滑移或孪生完成，在马氏体内部形成位错或孪晶亚结构。(6)马氏体具有逆转变现象将马氏体以足够快的速度加热，马氏体可以不分解而直接转变为高温相。)解析：7.请分析脱溶分解和调幅分解(Spinodal 分解)两种析出方式的差异。（分数：10.00）_正确答案：(调幅分解是指
8、过饱和固溶体在一定温度下分解成结构相同、成分不同的两个相的过程。调幅分解的主要特征是不需要形核。调幅分解与形核长大型脱溶转变的比较见下表。脱溶类型调幅分解形核长大自由能-成分曲线特点凸 凹条件自发涨落(过冷度和G0)过冷度和临界形核功形核特点非形核形核新相的成分结构特点成分变化，结构不变成分、结构均变化界面特点宽泛明晰扩散方式上坡下坡转变速率高 低颗粒大小数量多，颗粒小(均匀规则)数量少，颗粒大(均匀性差)解析：8.按下列 5 条汇总 FCC 晶体中的主要位错：位错名称；柏式矢量；位错性质(刃型、螺型、混合位错等)；位错形成方式；运动状态(滑移、攀移、还是不动等)。（分数：12.00）_正确答
9、案：(见下表。)解析：9.从微观结构说明合金强化的主要机制，并举出实例。（分数：12.00）_正确答案：(1)固溶强化固溶在点阵间隙或结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，阻碍位错运动；柯氏气团和铃木气团，前者是间隙原子优先分布于 BCC 金属刃型位错的拉应力区，对位错产生钉扎作用，后者是合金元素优先分布于 FCC 金属扩展位错的层错区，降低层错能，扩大层错区，使扩展位错滑移更加困难。(2)沉淀强化和弥散强化合金通过相变过程得到的合金元素与基体元素的化合物和机械混掺于基体材料中的硬质颗粒都会引起合金强化，分别称之为沉淀强化和弥散强化。沉淀强化和弥散强化的效果远大于固
10、溶强化。位错在运动过程中遇到第二相时，需要切过(沉淀强化的小尺寸颗粒和弥散强化的颗粒)或者绕过(沉淀强化的大尺寸颗粒)第二相，因而第二相(沉淀相和弥散相)阻碍了位错运动。(3)晶界强化按照 Hall-Petch 公式，屈服点 s同晶粒直径 d 之间的关系是 )解析：10.画出 Fe-Fe3C 相图与下列问题相关的部分，并分析：12%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。22%C 合金快冷，不平衡状态下结晶过程和组织的变化。3画出在 800下该合金在平衡状态下的自由能一成分曲线，并用图解法作出其形核驱动力。4如纯铁在 800渗碳气氛下长期扩散，试由 Fe-Fe3C
11、相图分析等温扩散后和冷却至室温的组织。（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。二相成分和相对量都发生变化，L 相沿 BC 线变化， 相沿 JE 线变化。L 相减少， 相增多，2 为 相点。2-3 不发生变化，仍保持 相。3-4 相中析出渗碳体，Fe 3C ，随 Fe3C 析出， 相沿 ES 变化。4 。4-4 S+Fe 3C，形成 P 组织。4 以后不发生变化。在室温下组织为 P+Fe3C ，即过共析钢即最后室温组织中 Fe3C 为 20.78%，P 为 79.22%。室温组织示意于图。2可能发生共晶反应 LLd(+Fe 3C)：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 Fe3C 的量将减少，甚至完全抑制了 Fe3C 的析出。3见下图。、 和 +Fe 3C 曲线两两相切。当含 C 为 2%时，由直线定则，P 点为 +Fe 3C 两相的自由能，Q 点为 母相的自由能。对于该合金，肯定析出 Fe3C 而不会是析出 。4图 a 是 800渗碳后的相分布。冷却至室温后 中析出 和 Fe3C，最后全部转化为 和 Fe3C；中也析出 Fe3C，最后转化为 和 Fe3C，见图 b。)解析：
