試卷二十三
2023年攻讀碩士學位研究牛入學考試試題
考試科目：材料科學基礎
適用專業：材料科學與工程
一、名詞解釋
1．成分過冷 2．中間相 3．離異共晶 4．反應擴散 5．動態再結晶
二、簡答題(任選五題)
1．原子間的結合鍵共有幾種?各自特點如何?試從結合鍵的角度討論金屬的力學特性。
2．寫出bcc晶體中的配位數、致密度、原子半徑r與點陣常數a的關係式，並在乙個bcc晶胞中畫出其室溫時的一組滑移系，標出密排面與密排方向。
3．在晶體中有一平面環狀位錯線，這個位錯環上各點位錯型別是否相同?為什麼?若將其正向定義為原來的反向，此位錯的柏氏向量是否改變?位錯的型別性質是否變化?
4．依據反應溫度由高到低，依次寫出fe-fe3c合金系中三相平衡反應的反應式，並分別說明fe3cⅰ、fe3cⅱ、fe3cⅲ、fe3c共析和fe3c共晶的**及形貌特徵。
5．簡述碳鋼的不同回火溫度範圍及其對應的回火組織型別。
6．試分析冷變形量對再結晶晶粒尺寸的影響。
7．某工廠對一大型零件進行淬火處理，經過1100℃加熱後，用冷拉鋼絲繩吊掛，由起重吊車送往淬火水槽，行至途中鋼絲突然發生斷裂。該鋼絲是新的，且沒有瑕疵，試分析該鋼絲繩斷裂的原因。
三、計算題
乙個直徑為1mm的圓柱形麵心立方金屬單晶體試樣，寫出其在(111)晶面上可能存在的滑移系；當拉伸軸的方向為[001]，臨界分切應力為0.64mpa，問多大拉伸力能使晶體開始滑移?
四、相圖分析
某固溶體合金的相圖如圖23-1所示，試根據相圖確定：
1．在平衡結晶過程中，若首先凝固出來的固體成分含70%b，則合金的成分為多少?計算此時合金凝固的平衡分配係數。
2．合金成分為50%b，凝固到某溫度時液相含有40%b，固體含有80%b，此時液體和固體各佔多少分數?
3．成分分別為10%b和50%b的合金，若凝固時均發生偏析，哪種合金的偏析程度更大，為什麼?
五、論述(任選兩題)
1．什麼是固溶體?影響固溶度的原因有哪些?固溶體與其純組元相比，其結構、力學效能和物理效能發生了哪些變化?
2．用柯氏氣團理論解釋低碳鋼存在的屈服平台現象。
3．簡述馬氏體高強度的本質。
標準答案
一、 1．成分過冷：固溶體合金凝固時，由於液相中溶質的分布發生變化，合金熔點也發生變化，即使實際溫度分布不變，固液介面前沿的過冷度也會發生變化。所以固溶體合金的過冷度是由變化著的合金的熔點與實際溫度分布兩個方面的因素共同決定的。
這種因液相成分變化而形成的過冷稱為成分過冷。
2．中間相：指合金組元間相互作用，當超過固溶體的固溶極限時可形成晶格結構和特性完全不同於任一組元的具有金屬特性的新相。由於在相圖中往往處於中間部位，因此又稱為中間相。
3．離異共晶：成分點靠近共晶轉變線兩端的亞共晶和過共晶合金，結晶後組織中初晶量多，共晶體數量少，而且共晶體中與初晶相同的一相與初晶結合在一起，將共晶體中另一相推至晶界，造成的共晶體兩相分離的非平衡組織。
4．反應擴散：在固態擴散的過程中，如果滲入元素在金屬中溶解度有限，隨著擴散原子增多，當滲入原子的濃度超過溶解度時則形成不同於原相的固溶體或中間相，從而使金屬表層分為出現新相和不出現新相的兩層，這種通過擴散而形成新相的過程，稱為反應擴散。
5．動態再結晶：在金屬塑性變形過程中發生的再結晶，即形變硬化與再結晶軟化同時進行的過程。這樣可以不斷形成位錯密度很低的新晶粒，得到的組織細小，綜合力學效能好。
二、 1．原子結合鍵共有四種，分別為：金屬鍵、離子鍵、共價鍵和分子鍵。其各自特點如表23-1所示。
表23-1 原子結合鍵的異同點
金屬鍵由於沒有方向性和飽和性，對原子也沒有選擇性，在受外力作用下原子發生相對移動時，金屬正離子仍處於電子氣的包圍中，金屬鍵不會受到破壞，因此金屬能夠經受變形而不斷裂，具有較好的塑性變形效能。
2．bcc晶體的配位數為8，致密度為0.68，其中原子半徑r與點陣常數a的關係式：。圖23-2為體心立方的一組滑移系示意圖。
3．位錯型別決定於位錯線和柏氏向量的相互關係，因此在晶體某平面中的同乙個位錯環上各點的位錯型別有可能相同(純刃型相同)，也有可能不同(混合型相反)。是。否。
4． fe3cⅰ：**於液相，是白色長條狀。
fe3cⅱ：**於奧氏體脫溶反應，一般沿晶界呈網狀分布。
fe3cⅲ：**於鐵素體脫溶反應，一般沿晶界呈網狀分布。
fe3c共析：共析產物珠光體中的滲碳體，一般情況下為層片狀分布。
fe3c共晶：共晶產物萊氏體中的滲碳體，一般情況下作為基體存在。
5．低溫回火：150～250℃；組織：回火m(f+g-碳化物)；效能：殘餘應力消除，高硬度+高強度，較低的塑性和韌性。
中溫回火：350～500℃；組織：回火t(f+極細粒狀滲碳體)；效能：較高的屈服強度，高彈性極限，較好的塑性和韌性。
高溫回火：500～650%：；組織：回火s(f+細粒狀滲碳體)；效能：高的塑性和韌性，較低的屈服強度和硬度。
6．當冷變形度小於臨界變形度時，再結晶後晶粒基本保持冷變形前的狀態，因儲存能很少，實際上再結晶並沒有進行，因此冷變形量與再結晶晶粒的尺寸無關；當冷變形度增大至臨界變形度時，冷變形儲存能足以驅動再結晶的進行，但因整體變形度小且不均勻，只有少數變形度大的地方能夠形成晶核並長大，此時因g＞＞n，僅有少數晶核形成又迅速長大，故再結晶後晶粒達到最大；超過臨界變形度後，冷變形量與再結晶晶粒的尺寸成反比，當變形度達到一定的數量時，晶粒尺寸基本不變。
7．這是因為冷拔鋼絲在吊起加熱後的零件時，與零件相接的部分溫度較高，發生了區域性再結晶，導致部分鋼絲繩的硬度、強度下降而斷裂。
三、 可能存在的滑移系有：(111)、(111)、(111)。
當拉伸軸方向為[001]時，滑移面上的(111)不滑移，其餘兩個滑移係為等效滑移系。可選擇任一組數值代入公式計算：
由可知，
其中：式中，abc分別為外力的晶向指數值。
代入數值，計算得到：p=1.23n
計算可知需要的拉伸力為1.23n。
四、 1．過固體成分為70%b的位置作水平線，交相圖的液相線於一點，該點所對的橫座標為此時液體的成分，然後讀出數值，代入公式：算出數值即可。
2．利用槓桿定理計算：
液體所佔的比例=，則固體為1-75%=25%。
3．成分為50%的合金偏析更大，這是因為固態時的成分偏析是由於固溶體合金凝固過程中存在溶質分配現象造成的。含ni50%的鑄件在凝固過程中溶質變化的濃度差值大，而且凝固過程中經過溫度變化的區間也大，這些都會造成溶質分配的不均勻程度增加，因此凝固後鑄件的偏析越嚴重。
五、 1．固溶體是指以合金某一組元為溶劑，在其晶格中溶入其他組元原子(溶質)後所形成的一種合金相，其特徵是仍保持溶劑的晶格型別，結點上或間隙中含有其他組元原子。
影響固溶度的原因有：原子尺寸因素、電負性因素、電子濃度因素以及晶體結構因素。
與組成固溶體的純組元相比，固溶體的晶格型別不發生變化，但點陣常數都會發生變化；其硬度、強度公升高，而塑性、韌性相對下降，但綜合力學效能優於純金屬；與純金屬相比，固溶體的電阻率公升高，電阻溫度係數減小，而耐蝕性也下降。
2．低碳鋼試樣拉伸過程中，一些小尺寸的間隙原子，如c、h、o、n等會聚集在位錯線的下方，形成柯氏氣團，對位錯線有釘扎作用，故形變材料要在較高的應力作用下位錯線才能脫釘而開始運動，這樣在應力一應變曲線上產生了上屈服點，即產生一段平台。當位錯線脫釘時應力會突然下降，於是出現上屈服點。一旦位錯線掙脫了柯氏氣團的釘扎，就會在較低的應力下繼續運動，於是就出現下屈服點。
3．馬氏體具有高強度的原因是多方面的，其中主要包括相變強化、固溶強化和時效強化等。
相變強化：馬氏體相變的切變性造成在晶體內產生大量的微觀缺陷(位錯、孿晶以及層錯)，使馬氏體得到強化。
固溶強化：過冷奧氏體切變形成馬氏體時，使得α相中的c%過飽和，c原子位於α相扁八面體中心，c原子溶入後形成以c原子為中心的畸變偶極應力場，這個應力場與位錯產生強烈的互動作用，使馬氏體的強度公升高。
時效強化：溶質原子(c、n)偏聚到位錯線處，釘扎位錯使得馬氏體的強度公升高。
相界強化：m板條、片尺寸小，介面增加，位錯阻力增加，強度、硬度增加。
細晶強化：原始晶粒細小，m尺寸小，強度、硬度增加。
化學成分：加入碳化物形成元素cr、w、mo、v等，降低擴散係數，反之亦然；加入a組元，使b組元熔點降低，則擴散係數提高，反之亦然。
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