1、2008 年清华大学材料科学基础真题试卷及答案解析(总分：34.00，做题时间：90 分钟)一、综合分析题(总题数：8，分数：34.00)1.某著作中给出六方点阵 MoSi 2 的错误晶胞如图 2-1 所示。指出其错误所在，画出一个正确的六方晶胞，并给出 a、c 点阵常数的数值。 （分数：2.00）_2.某刊物发表的论文中有这样的论述：“正方点阵 Nd 2 Fe 14 B(410)晶面和(411)晶面的衍射峰突出，因此晶体生长沿410和411晶向生长较快”。指出其错误所在。（分数：2.00）_3.由 600降温到 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(玻
2、尔兹曼常数 k=1.3810 -23 J/K)。（分数：2.00）_4.分别解释柯氏气团(Cottrell atmosphere)和铃木气团(Suzuki atmosphere)在强化金属中的作用。（分数：2.00）_5.什么是时效?试说明 A1-4.5%Cu 合金中时效强化的原因。（分数：2.00）_6.欧盟于 2006 年 7 月 1 日开始正式执行的 RoHS 指令(现已成为法令)要求禁止哪些有害物质?其最高允许含量分别是多少?替代有铅钎料的主要钎料系统有哪些?（分数：2.00）_沿铌单晶(BCC)的棒轴 （分数：10.00）(1).初始滑移系统。（分数：2.00）_(2).双滑移系统。
3、（分数：2.00）_(3).双滑移开始时的切变量 。（分数：2.00）_(4).滑移过程中的转动规律和转轴。（分数：2.00）_(5).试棒的最终取向(假定试棒在达到稳定取向前不发生断裂)。（分数：2.00）_有如图 2-2a 所示的位错线 ABC 及柏氏矢量 b，其中 AB 是极轴位错(不动)，MNPQ 为位错 BC 段的滑移面。请分析在切应力 的作用下：（分数：12.00）(1).在图 2-2a、b、c、d 四种情况下，位错 BC、BC“、BC“、BC“的受力及运动情况。（分数：2.00）_(2).达到动态平衡时，位错线 ABC 会变成什么形状?（分数：2.00）_(3).位错线在扫动时对
4、晶体的塑性变形会产生什么影响? （分数：2.00）_(4).欲将一批齿轮进行渗碳，每炉装 500 件。在 900渗 10h 可以达到规定的深度。假定在 900渗碳每炉每小时生产成本为 1000 元，而在 1000渗碳为 1500 元。问在哪一温度渗碳成本较低?(已知Q=32900cal/mol，R=1.987cal/mol?K，1cal=4.1868J)（分数：2.00）_(5).画出 Fe-Fe 3 C 相图。（分数：2.00）_(6).分析碳含量 w C =1.1%的铁碳合金从液相平衡凝固到室温时的转变过程，画出组织转变示意图，并计算出室温时各组织的相对含量。（分数：2.00）_2008
5、年清华大学材料科学基础真题试卷答案解析(总分：34.00，做题时间：90 分钟)一、综合分析题(总题数：8，分数：34.00)1.某著作中给出六方点阵 MoSi 2 的错误晶胞如图 2-1 所示。指出其错误所在，画出一个正确的六方晶胞，并给出 a、c 点阵常数的数值。 （分数：2.00）_正确答案：(正确答案：图 2-1 中钼原子与硅原子所示位置为非等同点，不符合节点选取的规则。图 2-3中虚线所示为正确的六方晶胞的(001)面。 其中 )解析：2.某刊物发表的论文中有这样的论述：“正方点阵 Nd 2 Fe 14 B(410)晶面和(411)晶面的衍射峰突出，因此晶体生长沿410和411晶向生
6、长较快”。指出其错误所在。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：hkl(hkl)的关系，只有立方点阵中才成立，不能推广到其他点阵。在题目所给的正方(四方)点阵中，410(410)只是特例，411不垂直于(411)才是一般情况。即使对于立方晶系来说，(410)晶面和(411)晶面的衍射峰突出，只能说明多晶体中发生(410)晶面和(411)晶面的择优取向。按 Wulff 定理，这与晶体生长沿410和411晶向生长较快并无因果关系。)解析：3.由 600降温到 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(玻尔兹曼常数 k=1.3810 -23 J/K)。（分数：
7、2.00）_正确答案：(正确答案：Schottky 缺陷的平衡浓度公式为 因此有 )解析：4.分别解释柯氏气团(Cottrell atmosphere)和铃木气团(Suzuki atmosphere)在强化金属中的作用。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：柯氏气团：BCC 晶体(如碳钢)中，C、N 等小尺寸原子优先分布于刃型位错的拉应力区，对位错产生钉扎作用。要使位错运动，必须从钉扎作用下撕脱出，需要增加额外的应力，从而提高了材料的强度。铃木气团：FCC 晶体(如不锈钢)中，Ni、Cr 等合金元素优先分布于层错区，降低层错能，使扩展位错区扩大，要使该扩展位错运动，需要增加额外的应力，从而
8、提高了材料的强度。)解析：5.什么是时效?试说明 A1-4.5%Cu 合金中时效强化的原因。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：时效是指过饱和固溶体在室温或较高温度保留一段时间，有第二相从基体中析出的过程。时效析出过程受溶质扩散控制，在沉淀过程中可能形成一系列亚稳相(过渡相)。时效析出的原因：一是当析出盘状亚稳相与母相有一定取向关系时，会在基体中产生较大弹性应变，可使合金明显强化；二是在合金承受变形时，由于弥散颗粒与位错的交互作用，使合金得到强化。如果沉淀相颗粒可以变形，位错切过时增加颗粒的表面能需要做功，增大了位错运动的阻力而使合金得到强化。如果沉淀相颗粒强度高且与基体共格，则位错线难
9、以切过颗粒，在外加应力的作用下将绕过颗粒，留下位错环。合金要继续变形，需要克服颗粒对位错线绕过时施加的应力，因此需要进一步增大外加应力，即合金获得了时效强化。)解析：6.欧盟于 2006 年 7 月 1 日开始正式执行的 RoHS 指令(现已成为法令)要求禁止哪些有害物质?其最高允许含量分别是多少?替代有铅钎料的主要钎料系统有哪些?（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：禁用铅(Pb，0.1%)、汞(Hg，0.1%)、镉(Cd，0.01%)、六价铬(Cr+6，0.1%)、多溴联苯(PPB，Polybrominated，0.1%)、多溴二苯醚(PBDE，Polybrominated Diphe
10、nyl Ether，0.1%)。替代有铅钎料的主要有：Sn-Ag-Cu、Sn-Zn、Sn-Bi、Sn-In 系统。)解析：沿铌单晶(BCC)的棒轴 （分数：10.00）(1).初始滑移系统。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：铌单晶为 BCC 结构 ，位于取向三角形 中，所以初始滑移系统为 )解析：(2).双滑移系统。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：双滑移系统为 )解析：(3).双滑移开始时的切变量 。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：利用 L=l+(l.n)b，设 L=uOw，得 。由此可知 u=3，w=4， ，所以晶体取向为304，切变量为 )解析：(4).滑移过程
11、中的转动规律和转轴。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：双滑移时，试样轴一方面转向111，转轴 n1=304111= ，另一方面也转向 ；转轴 )解析：(5).试棒的最终取向(假定试棒在达到稳定取向前不发生断裂)。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：设稳定时取向为u“Ow“，要使 n=000，需有u“Ow“(111+ )解析：有如图 2-2a 所示的位错线 ABC 及柏氏矢量 b，其中 AB 是极轴位错(不动)，MNPQ 为位错 BC 段的滑移面。请分析在切应力 的作用下：（分数：12.00）(1).在图 2-2a、b、c、d 四种情况下，位错 BC、BC“、BC“、BC“的受力及
12、运动情况。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：如图 2-4 所示，图中 v 代表位错线 BC 运动方向，也是受力方向。 )解析：(2).达到动态平衡时，位错线 ABC 会变成什么形状?（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：如图 2-5 所示。 )解析：(3).位错线在扫动时对晶体的塑性变形会产生什么影响? （分数：2.00）_正确答案：(正确答案：如图 2-6 所示。 )解析：(4).欲将一批齿轮进行渗碳，每炉装 500 件。在 900渗 10h 可以达到规定的深度。假定在 900渗碳每炉每小时生产成本为 1000 元，而在 1000渗碳为 1500 元。问在哪一温度渗碳成本较低?(
13、已知Q=32900cal/mol，R=1.987cal/mol?K，1cal=4.1868J)（分数：2.00）_正确答案：(正确答案： 900=1173K，1000=1273K 由 D 1273 t 1273 =D 1173 t 1173 可得 t 1273 =D 1173 t 1173 /D 1273 =10exp-32900/(1.9871173)/exp -32900/(1.9871273)h=10exp(-14.1156)/exp(-13.0068)h =10exp(-1.1088)h =3.299h 900渗碳，一炉齿轮需要 1000 元/h10h=10000 元。 1000渗碳，
14、一炉齿轮需要 1500 元/h3.299h=4948.5 元。因此，在 1000渗碳成本较低。)解析：(5).画出 Fe-Fe 3 C 相图。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：如图 2-7 所示。 )解析：(6).分析碳含量 w C =1.1%的铁碳合金从液相平衡凝固到室温时的转变过程，画出组织转变示意图，并计算出室温时各组织的相对含量。（分数：2.00）_正确答案：(正确答案：w C =1.1%的钢由液相冷却时先进入 L+ 奥氏体两相区，形成枝晶状或等轴状 奥氏体，然后进入奥氏体单相区；继续冷却到大约 760，沿晶界析出二次渗碳体，在 727剩余的奥氏体转变为珠光体，最后的组织是珠光体+网状渗碳体(见图 2-8)。 珠光体相对含量为 网状渗碳体相对含量为 )解析：
