河南科技大学2009年攻读硕士学位研究生入学考试试题答案及评分标准科目代码：809科目名称：材料科学基础一.简答题：（50分，每题10分）1. 什么是全位错与不全位错；面心立方晶体中的肖克莱不全位错和弗兰克不全位错，在位错的运动方式上有何差异，为什么？答：柏氏矢量为点阵矢量整数倍的位错是全位错（2分）；不全位错是指柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错（2分）面心立方中的肖克莱不全位错可以滑移，也可以攀移，因为其滑动面是面心立方的滑移面（3分）；而弗兰克不全位错只可以攀移，不能滑移，因其滑动面不是面心立方的密排面（3分）2. 什么是成分过冷，成分过冷的大小对液固界面的形貌有何影响？答：成分过冷是指固溶体合金在不平衡凝固时，由于液固界面前沿合金成分变化与实际温度分布所决定的特殊的过冷现象（4分）随着成分过冷的增大，液固界面的形貌将由平直状向胞状和树枝状转变（6分）3. 固态金属扩散的本质驱动力是什么；扩散机制主要有哪两种，其在扩散激活能上有何差别；并分析上坡扩散和下坡扩散的区别？答：固态金属扩散的本质驱动力是化学位梯度（2分）；其扩散机制主要有间隙扩散和空位扩散，其扩散激活能的差别是空位扩散多了一项空位形成能（4分）；上坡扩散是指溶质原子由浓度低处向浓度高处的扩散现象，而下坡扩散则是指溶质原子自浓度高处向浓度低处的扩散现象（4分）。
4. 三元系中的四相平衡转变主要有哪几种类型，并写出各四相平衡转变的反应式答：三元系中的四相平衡转变主要有共晶型、包共晶型和包晶型三种类型（3分）共晶型：La+B+丫（2分）包共晶型：L+p+y（3分）包晶型：L+a+py^Y（2分）5. 解释金属冷变形后，所产生的形变织构的具体含义；并简述冷变形金属在随后的加热过程中，其组织和力学性能的变化答：形变织构是指在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，由于各晶粒的滑移方向向主形变方向转动，而形成的原来位向不同的晶粒在空间上呈现一定程度的一致的组织状态（5分）冷变形金属在随后的加热过程中，会出现回复、再结晶、晶粒长大三个阶段，其组织会从形变后的纤维状组织逐渐转变为未变形时的等轴晶，其强度、硬度、塑性等力学性能会恢复到冷变形前的状态，其加工硬化效应会逐渐消失（5分）二.作图：（20分）1.画出立方晶系的［213］、［121］晶向，和（213）、（321）晶面8分）每个2分2.画出Fe-Fe3C相图，标出重要的点（E、C、F、P、S及K点）及E、C、S点含碳量，并注明各不同区域的相组成；并写出该相图中所有三相平衡转变的类型和转变方程式12分）包晶转变：L+6-1495°C共晶转变：L—――、丫+FeC3共析转变：Y—727°c>a+FeC3a.-a-三.在铜晶体中的（111）面上的怎［110］位错和（111）面上的匸［112］相遇发生位错反应，写26出其位错反应方程，并说明该位错能否进行，说明该新位错的性质以及其位错线的方向，问该新位错能否在其滑移面上滑移?（15分）aaa解：其位错反应方程为并[110]+三[112]T孑[111]（2分）263位错反应的条件：aaa-几何条件：恳[110]+[112]=[111]，符合几何条件；（1分）2632能量条件：合成前b2+b2-a21231合成后b2二3a2b2+b2>b2,符合能量条件。
1分）12则该位错反应能进行由题意可知，形成的新位错的位错线方向为两滑移面的交线，即（111）面和（111）的交线[101T，因其柏氏矢量方向为[111]，与位错线方向垂直，故该新位错为刃型位错5分）滑移面为柏氏矢量和位错线所确定的平面，则可知新位错的滑移面为（121），但由于面心立方的滑移面为｛111｝，新形成的位错不在｛111｝滑移面上，故其不能进行滑移6分）四.利用第二大题第2小题的Fe-Fe3C相图分析含碳量为1.5%（质量分数）的Fe-C合金从液态平衡凝固至室温时的结晶过程；在室温下它有什么相组成，各相的百分含量是多少；其在室温下的组织组成物是什么，各组织组成物的百分含量是多少？（20分）解：平衡结晶过程：L—小>L+Y—Yt3~t4——>Y+FeC——~~>P+FeC（8分）LtyY—FegCi3II丫分P3II其在室温下有F和Fe3C两相组成，各相的重量分数如下：6.691.5①二-x100%二77.58%（3分）F6.69o二1—77.58%二22.42%（3分）Fe3C各自的重量分数如下（3分）其在室温下的组织组成物为P和Fe3C[[,6.691.5o二—x100%二87.67%P6.690.77o二1—87.67%二12.33%（3分）Fe3CII五.假设液体在凝固时形成的临界晶核是边长为a的立方体，求其在均匀形核时的临界晶核边长a*与过冷度AT的关系，临界晶核形成功AG*与过冷度AT的关系，并证明1AG*二3A*c。
其中AGv为液、固相间单位体积自由能，b为晶胚单位面积表面能，A*为临界晶核表面积，L为熔化潜热，T为熔点15分）mm解：由题意，形成边长为a的立方体晶胚时，体系总的自有能变化为:AG二a3AG+6a2bV当形成边长为a*的临界晶核时，学二0,da则可得临界晶核边长a*=--AG1将(2)式代入(1)式，则可得：AG*二32b3(AG)2(3分)(2分)(1分)(3)(1分)由AG=(H-H)-T(S-S)，恒压下H-H=—L，则可得：(2分)VSLSLSLmAGVm则将(4)式分别代入(2)、(3)式，可得：-4bTmLATm(4)(2分)(1分)AG*二32b3T2m—(LAT)2m96b2T2由A*二6a2二m-(LAT)2m则可得：AG*二1A*b3(1分)(1分)(1分)六.含碳量0.1%(质量分数)的低碳钢零件，930°C下渗碳3h后，距离表面0.05cm处的碳浓度达到0.45%(质量分数)假若在相同的渗碳气氛中，对该低碳钢材料渗碳相同的时间，即3h后，问渗碳温度是多少时，能使距离表面0.10cm处的碳浓度为0.45%?(假设在不同温度下碳在Y铁中的溶解度差别忽略不计已知扩散方程xC=Cs-命)、Mx2QC=exp(-)，扩散系数D=D0exp-(,)Q=1.45x105J・mol-1、R=2(兀Dt)124Dt0RT8.31J・mol-1・K-1、exp(-14.5)=5.04x10-7、ln(2x10-6)=-13.12、ln0.25=-1.39)(15分)x解：由题意’根据误差函数解C=Cs-（Cs—C0）必帀）（5分）Ti=930+273=1203K,3=0.05皿，yO.lcm,_巴=3人则2、D(2分)(4分)由D=D0exp(-QRTx2x22exp(exp(-RTRT%110.05214500011则二exp（（—））0.128.31T12032可得T2=1330K=1057°C（4分）七.为细化某铜板晶粒，将其冷变形5%后在600°C退火1h,发现其组织十分粗大；随后又将其冷变形80%后，又经600°C退火1h,其晶粒仍然十分粗大。
试分析其原因，并指出上述工艺的不合理之处，并拟定一种合理的晶粒细化工艺已知该铜板的熔点为1083°C15分）答：对于第一种工艺，主要是由于其变形量处于临界变形量下，而导致其在随后的加热退火过程中，形成个别的再结晶核心，最终导致晶粒粗大（5分）；而后一种工艺则主要是由于其退火温度太高而引起的，若根据T再=0.4T熔，则其再结晶温度约为270°C，故其再结晶退火再熔温度应不高于500°C为宜，而在600°C退火，由于退火温度太多，而使晶粒长大，故退火后晶粒仍很粗大（6分）由上述分析，根据其再结晶温度的数值，该铜板采用在400°C左右下退火1h,可以达到细化晶粒的效果（4分）。