(清华大学)材料科学基础真题2002年
(总分：100.00，做题时间：90分钟)
一、论述题(总题数：10，分数：100.00)
1.已知面心立方合金α-黄铜的轧制织构为110＜112＞。 1．解释这种织构所表达的意义。
2．用立方晶体001标准投影图说明其形成原因。
（分数：10.00）
__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(1．为板织构。{110}＜112＞织构表示{110}∥轧面，＜112＞∥轧向。
2．α-黄铜为FCC结构，滑移系统为{111}＜101＞。沿轧向受到拉力的作用，晶体滑移转动。如图所示，在晶体学坐标系中，设拉力轴T1位于001-101-111取向三角形中，则始滑移系为[011]，拉力轴转向
[011]方向，使拉力轴与滑移方向的夹角λ减小。当力轴到达两个取向三角形的公共边，即T2时，开始发生双滑移，滑移系[101]也启动，拉力轴既转向[011]方向，又转向[101]方向，结果沿公共边转动。
到达[112]方向时，由于[101]、[112]、[011]位于同一个大圆上，两个λ角同时减小到最小值，故[112]为最终稳定位置，从而使＜112＞方向趋向于轧向；在轧面上受到压力作用，设压力轴Pl位于三角形中，则始滑移系为[101]，压力轴转向面，使压力轴与滑移面的夹角取向减小。当力面，轴到达两个取向三角形的公共边，即P2时，开始发生双滑移，滑移系又转向个面，结果沿公共边转动。到达角同时减小到最小值，故面时，由于、也启动，压力轴既转向、位于同一大圆上，两为最终稳定位置，从而使面趋于平行于轧面。其结果，{110}∥
轧面，＜112＞∥轧向。
) 解析：
2.证明：对立方晶系，有[hkl]⊥(hkl)。
（分数：5.00）
__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(根据晶面指数的确定规则并参照下图，(hkl)晶面ABC在a、b、c坐标轴上的截距分别是根据晶向指数的确定规则，[hkl]晶向L=ha+kb+lc。 利用立方晶系中a=b=c，α=β=γ=90°的特点，有
由于L与ABC面上相交的两条直线垂直，所以L垂直于ABC面，从而在立方晶系中有[hkl]上(hkl)。) 解析：
3.二维点阵共有几种？指出其类型并用图表示。
（分数：5.00）
__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(二维点阵有5种，分别是斜方、六角、长方、体心长方、正方，如下表所示。
) 解析：
4.以BaTiO3为例，画出钙钛矿的晶体结构，并解释这类结构材料的介电常数较高和可能具有超导性的原因。
（分数：10.00）
__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(钙钛矿(BaTiO3)的晶体结构如图所示。
这类结构材料介电常数较大的原因是因为位于氧原子八面体间隙中的金属原子半径较小，在交流电场作用下可以来回振动。
可能具有超导性的原因是氧原子和金属原子的层状结构，以ABO3为例，一层为A和O的原子层，一层为B和O的原子层，交替堆垛，超导载流子易于在层内运动。) 解析：
5.面心立方金属单晶体沿[001]拉伸可有几个等效滑移系同时启动？沿[111]拉伸可有几个等效滑移系同时启动？并具体写出各滑移系的指数。
（分数：10.00）
__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(根据“映象规则”，利用立方晶体的001标准投影，可知当FCC结构的晶体沿[001]轴拉伸时，其等效滑移系共有8个，分别是：(111)[011]、[011]、解析：
6.按下列5条汇总FCC晶体中的主要位错：
①位错名称；②柏式矢量；③位错性质(刃型、螺型、混合位错等)； ④位错形成方式；⑤运动状态(滑移、攀移、还是不动等)。
（分数：15.00）
、、(111)、、[101]、[101]、[011]。当FCC结构的晶体沿[111]方向拉伸时，其等效滑移系有6个，分别是：[011]、[101]、[101]、[110]。)
[110]、__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(见下表。
) 解析：
7.何谓合金扩散过程中的克根达耳效应(Kirkendall effect)，克根达耳实验结果给人们哪些启示？指出其在实践中的意义。
（分数：10.00）
__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(克根达耳效应：如图所示，在FCC结构的α-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，移动距离与时间呈抛物线关系。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。
克根达耳效应的实际意义有：①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；②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；③扩散系统中每一种组元都有自己的扩散系数；④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：
8.解释冷变形金属加热时回复、再结晶及晶粒长大的过程及特点。
2．已知Cu-30%Zn合金的再结晶激活能为250kJ/mol，此合金在400℃的恒温下完成再结晶需要1小时，试求此合金在390℃的恒温下完成再结晶需要多少小时。
（分数：15.00）
__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(1．冷变形金属加热时，先后发生回复、再结晶、晶粒长大三个过程，各自特点如下： (1)回复过程的特征
①回复过程组织不发生变化，仍保持变形状态伸长的晶粒。
②回复过程使变形引起的宏观(一类)应力全部消除，微观(二类)应力大部消除。
③回复过程中一般力学性能变化不大，硬度、强度仅稍有降低，塑性稍有提高，某些物理性能有较大变化，电阻率显著降低，密度增大。 ④变形储能在回复阶段部分释放。 (2)再结晶过程的特征
①组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒。
②力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧降低，塑性提高，恢复至变形前的状态。 ③变形储能在再结晶过程中全部释放，点阵畸变(三类应力)清除，位错密度降低。 (3)晶粒长大过程的特征 ①晶粒长大。
②引起一些性能变化，如强度、塑性、韧性下降。
③伴随晶粒长大，还发生其他结构上的变化，如再结晶织构。 2．由公式有 所以t2=t1×1.962=1.962h)
解析：
9.合金由基体α和第二相β组成，若β相分布在晶界，β和α相不共格，试分析因界面能γβ相可能的组织形态。
（分数：10.00）
__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(合金由基体α和第二相β组成，若β相分布在晶界，β和α相不共格，其形貌取决于两个a晶粒间的夹角(两面角、接触角)，在界面张力间存在图a所示的平衡关系，即： 式中，γαα为α相的界面张力；γ(1)当γ(2)当γ(3)当) 解析：
10.画出Cu-Al合金在时效处理过程中硬度随时间的变化曲线，并用位错理论加以解释。
（分数：10.00）
__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(Cu-Al合金在时效处理过程中硬度随时间的变化曲线如图所示。
由于原子偏聚或形成有序化区域，产生共格变形的晶格畸变。位错线切过析出物，会增加界面能、反相畴界能、再加上位错线与高密度析出物的长程相互作用，使材料强度增加。变化曲线中第一个峰形[GP区(GPI)和过渡相θ″(GPII)]就是这个原因的结果。
位错线与析出物的长程相互作用，位错线绕过析出物，从而使材料强化。随着析出物粗化，这种强化作用减弱。变化曲线中第二个峰形[过渡相(θ′)]就是这个原因的结果。) 解析：
αααβ
αβ
的不同，
αβ
为两相间的界面张力；θ为两面角，决定于界而张力的比值γ
αα
/γ
αβ
。
=γ
αβ
，θ=120°，第二相形状如图b所示。
αα
＞＞γ，θ=180°，第二相形状如图c所示。
，θ=0°，第二相形状如图d所示。
(清华大学)材料科学基础真题2002年
