(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[*]；(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：
2.二维点阵共有几种？指出其类型并用图表示。 （分数：5.00）
__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(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(BaTiO3)；(c)方石英(SiO2)。 （分数：12.00）
__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(见下图。 [*]) 解析：
4.图示并写出FCC、BCC、HCP（分数：5.00）
__________________________________________________________________________________________ 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．画出立方晶系标准投影或取的密排面、密排面间距、密排方向、密排方向最小单位长度。
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）
__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(1．单晶试棒沿轴向进行拉伸，所以拉力[*]。
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[*]。
3．当F1点转到F2点时，发生双滑移。双滑移系统为： [*]
4．γ可按下式计算： [*] 令[*]。 代入上式：[*] [*] 所以[*]
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=n1+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：
6.在FCC晶体的(111)面上有一自左向右扫过的Shockley分位错已知为。 和一正三角形空位片MNO，如图所示，
1．写出各位错的柏式矢量。 2．判断各位错的性质。 3．指出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区
原子在[111]方向的堆垛次序。 （分数：10.00）
__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(1．MN、NO、OM位错线的柏式矢量为[*]；EF的柏式矢量为[*](或者[*]。 2．正三角形MNO是个空位片，所以MN、NO、OM是Frank分位错；EF是Shockley分位错。MN、NO、OM都是刃型位错。当EF柏式矢量为[*]时，是右旋螺型位错；当EF的柏式矢量为[*]，或者[*]时，为混合位错。 3．Ⅰ：[*] Ⅱ：ABCABCABCABC Ⅲ：[*]) 解析：
7.有两条相距为d的刃型位错1和2，其柏式矢量分别为移力。已知刃位错的应力场为： （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HCP结构，其c/a=1.86)，轴向分别为（分数：10.00）
__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(下图为HCP晶体的孪生四要素： K1 η1, K2 η2 [*] [*]
K1、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]，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棒会表现出一定塑性。) 解析：
9.写出：①点缺陷的平衡浓度表达式；②扩散系数与温度关系的表达式，并指出每个参量所表达的物理意义。
（分数：10.00）
、[0001]，今在室温条件下沿轴向
和，求位错2受位错1的攀移力和滑
拉伸，请分析各自可能的形变方式，写出相应的滑移系统或者孪生系统(如果启动的话)。
__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(①点缺陷的平衡浓度表达式
Schottky缺陷浓度[*]式中，[*]为Schottky点缺陷平衡浓度；ΔGS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Frenkel点缺陷平衡浓度；ΔGF为Frenkel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。 ②扩散系数与温度关系的表达式 [*]
式中，D0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：((1)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 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：
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α+L=β中β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．画出在800℃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800℃渗碳气氛下扩散，试由Fe-Fe3C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→γ。二相成分和相对量都发生变化，L相沿BC线变化，γ相沿JE线变化。L相减少，γ相增多，2为γ相点。
2-3 不发生变化，仍保持γ相。
3-4 γ相中析出渗碳体，γ→Fe3CⅡ，随Fe3CⅡ析出，γ相沿ES变化。 4 γS+Fe3CⅡ，[*]
4-4' γS—α+Fe3C，形成P组织。
4’以后不发生变化。在室温下组织为P+Fe3CⅡ，即过共析钢 [*]
即最后室温组织中Fe3CⅡ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(γ+Fe3C)：
①将有不平衡共晶组织出现，可能发生共晶反应产生Ld。 ②得到的P其片层间距将更为细小。
③析出Fe3CⅡ的量将减少，甚至完全抑制了Fe3CⅡ的析出。
3．见下图。α、γ和γ+Fe3C曲线两两相切。当含C为2%时，由直线定则，P点为γ+ Fe3C两相的自由能，Q点为γ母相的自由能。对于该合金，肯定析出Fe3C而不会是析出α。 [*]
4．图a是800℃渗碳后的相分布。冷却至室温后γ中析出α和Fe3C，最后全部转化为α和Fe3C；α中也析出Fe3C，最后转化为α和Fe3C，见图b。 [*]) 解析：
(清华大学)材料科学基础真题2004年
