西安交通大學
試卷二十五
2023年攻讀碩士學位研究生入學考試試題
考試科目：材料科學基礎
適用專業：材料科學與工程
一、根據圖25-1所示回答下列問題。
1．如圖25-1a所示邊長為a的立方晶胞中，abcd晶面及ac晶向是晶體的乙個滑移系。
(1) 寫出abcd晶面及ac晶向的密勒指數。
(2) 該晶體為何種立方結構?
(3) 寫出abcd晶面的面問距。
(4) 當分別在晶體的、、[123]方向拉伸時，其中哪乙個方向的拉應力能使abcd晶面及ac晶向組成的滑移系首先開動?
(5) 當abcd晶面及ac晶向組成的滑移系首先開動後，下乙個開動的滑移系是什麼?
(6) 當abcd晶面及ac晶向組成的滑移系首先開動後，若晶體發生交滑移，寫出可能的交滑移系。
2．寫出圖25-1b所示六方晶胞中mnpqm晶面、qm晶向、mn晶向、np晶向的密勒-布拉菲指數。
二、立方形晶體中的位錯環abcda如圖25-2所示。ab段和cd段平行於z軸，ad段和bc段平行於x軸，位錯環的柏氏向量b平行於y軸，ad=d。刃位錯的應力場σe和螺位錯的應力場σs公式如下：
1．指出各段位錯線是什麼性質的位錯(如為螺位錯，指出其是左旋或右旋；如為刃位錯，指出其半原子面)。
2．ab段對cd段單位長度的作用力是多大，在什麼方向?
3．在外應力τxy作用下，單位長度各段位錯所受的力各是多大，在什麼方向?
三、回答下列問題。
1．寫出平衡態t12鋼在室溫時的相組成物，並計算各相組成物的質量百分數。
2．寫出平衡態t12鋼在室溫時的組織組成物，並計算各組織組成物的質量百分數。
3．假設將t12鋼工件在780℃進行長時間加熱時發生嚴重脫碳，工件表面碳質量分數wc=0。試畫出780℃時工件表面至心部的碳質量分數分布曲線示意圖，並在圖中標出不同區間的組成相。
4．圖25-3所示為四種不同碳含量的碳鋼的室溫平衡組織，試估計它們各自的碳質量百分數wc。
四、a-b二元合金相圖如圖25-4所示。在固相不擴散、液相完全混合條件下，水平放置的質量分數wc=20%的a-b二元合金熔液從左至右定向凝固成長為l的橫截面均勻的合金棒。
1．計算棒中單相α固溶體段佔棒長的分數。
提示：正常凝固方程為
2．畫出合金棒中組織沿棒長分布及合金棒中b組元濃度沿棒長分布曲線示意圖。
3．計算合金棒中單相α固溶體段的平均b含量。
4．該棒單相α固溶體段是否會生長成樹枝晶?為什麼?
五、w-cr-ni三元合金800℃等溫截面圖如圖25-5所示。
1．確定圖中a合金的成分，寫出它在該溫度時的相組成物，在圖中標出各組成相的成分點，並計算各相的質量百分數(用字母列式表示即可)。
2．確定圖中b合金的成分，寫出它在該溫度時的相組成物，在圖中標出各組成相的成分點，並計算各相的質量百分數(用字母列式表示即可)。
六、從材料組織結構對效能影響的角度，定性分析比較金屬材料、陶瓷材料、高分子材料在力學效能方面的差異。
標準答案
一、 1．
(1) abcd晶面：(101)。
ac晶向：。
(2) 體心立方結構。
(3) 。
(4) 解法一：在方向拉伸時，有6個滑移系首先同時開動；在方向拉伸時，有2個滑移系首先同時開動；在[123]方向拉伸時，只有1個滑移系首先開動。故在[123]方向的拉伸使abcd晶面及ac晶向組成的滑移系首先開動。
解法二：根據作用在滑移系上的分切應力，當或λ=0時，τ=0，該滑移系上無分切應力，因而不能開動。在方向拉伸時，·[101]=0，故滑移系(101)不能開動；在方向拉伸時，，故滑移系(101)不能開動；在[123]方向拉伸時，[123]·[101]≠0，[123]≠0，故滑移系(101)首先開動。
(5) 單晶體拉伸時，在只有乙個滑移系首先開動的情況下，力軸會向滑移方向轉動，從而引起雙滑移。在本題中，當力軸轉動到[034]方向時，開始發生雙滑移，因此，開動的下乙個滑移系是。
(6) 始滑移系可能的交滑移系是所有12個滑移系中與始滑移系有相同滑移方向但不同滑移面的那些滑移系，由此可以得出如下結果：
和 2．mnpqm晶面：。
qm晶向：。
mn晶向：。
np晶向：。
二、 1．ab、bc、cd、da段均為刃位錯，位錯環外的平面為半原子面。
2．方向。
3．ab段：τb，-y方向。
bc段：不受力。
cd段：τb，y方向。
da段：不受力。
二、 1．相組成物：α+fe3c。
2．組織組成物：p+fe3cⅱ。
3．如圖25-6所示。
4．a)：wc≈0.2%
b)：wc≈0.4%
c)：wc≈0.77%
d)：wc≈1.2%
四、 1．
cs=30%
co=20%
故 2．如圖25-7所示。
3．解法一：
解法二：
得 解法三：應用槓桿定理，可得如圖25-8所示的槓桿。
得 解法四：根據溶質原子質量守恆，可得如下方程式：
得 4．該棒單相α固溶體段不會生長成樹枝晶。該棒為定向凝固，固液介面前沿不會造成負溫度梯度。在正溫度梯度下，當存在成分過冷時，固溶體才會長成樹枝晶。
但該固溶體棒是在固相不擴散、液相完全混合條件下定向凝固的，固液介面前沿液體的理論結晶溫度是相同的，在正溫度梯度下，不會產生成分過冷，故不會生長成樹枝晶。
五、 1．a合金的成分：50%ni-40%cr-10%w。
相組成物：(ni)+α1。
各相的成分：如圖25-9所示，(ni)的成分為α點；α1的成分為b點。
各相的質量分數：
2．b合金的成分：20%ni-20%cr-150%w。
相組成物：α1+α2+ni4w。
各相的成分：如圖25-9所示，α1的成分為e點；α2的成分為c點；ni4w的成分為d點。
各相的質量分數：
六、 在這三類材料中，金屬材料的力學效能特點是：優異的塑性和韌性，較高的強度和硬度，較大的彈性和較高的彈性模量；陶瓷材料的力學效能特點是：塑性和韌性幾乎為零，極高的硬度和較低的強度(特別是抗拉強度)，極小的彈性和極大的彈性模量；高分子材料的力學效能特點是：
較高的塑性和韌性，較低的硬度和強度，極大的彈性和極小的彈性模量。
這三類材料在力學效能方面的上述差異，主要是由這三類材料在組織結構方面的特點不同所造成的。材料的彈性及彈性模量主要取決於材料中原子結合鍵的強弱。陶瓷材料為共價鍵和離子鍵，結合鍵力最強，因此其彈性模量最高但彈性最小；高分子材料的分子鏈中為很強的共價鍵，但分子鏈之間為很弱的氫鍵和范德華鍵，因此其彈性模量最低但彈性最好；金屬材料為較強的金屬鍵結合，故其彈性模量和彈性居中。
材料的硬度也主要取決於材料中原子結合鍵的強弱，所以，陶瓷材料有極高的硬度，而高分子材料的硬度很低。材料的強度既與結合鍵有關也與組織有關，陶瓷材料雖然有很強的結合鍵，但由於燒結成形中不可避免地形成氣孔或微裂紋，故其強度特別是抗拉強度較低；高分子材料中很弱的氫鍵和范德華鍵使其強度也較低；金屬材料中的金屬鍵雖然不是很強，但高的致密度以及高密度的位錯使其具有很高的強度。金屬材料中的自由電子雲和容易運動的位錯以及較高的致密度，使其具有良好的塑性和韌性；陶瓷材料中的位錯不易運動，加之存在氣孔和微裂紋，因而陶瓷材料的塑性和韌性幾乎為零；高分子材料中很弱的氫鍵和范德華鍵使分子間可以較好地相互滑動，因而有較好的塑性和韌性。
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