2017年长安理工大学材料科学基础复试实战预测五套卷
● 摘要
一、名词解释
1． 晶族
【答案】按晶体含轴次（高于2）的高次轴或反轴的情况可将晶体划分为高、中、低三类晶族。只含唯一一个高次主轴（含反轴）的晶体属于中级晶族，包括三方晶系、四方晶系、六方晶系三种晶系；无高次轴或反轴的晶体属低级晶族，包括三斜晶系、单斜晶系和正交晶系三种晶系；含多个高次轴的晶体属高级晶族，只有立方晶系一种。立方晶系必有与立方体对角线方向对应的4个三重轴或反轴。
2． 置换固溶体
【答案】溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体。当溶剂和溶质原子直径相差不大，一般在15%以内时，易于形成置换固溶体。铜镍二元合金即形成置换固溶体，镍原子可在铜晶格的任意位置替代铜原子。
二、简答题
3． 简述位错、位错线和柏氏矢量（6）的概念，并论述柏氏矢量和位错线的相对关系。
【答案】（1）位错是晶体材料的一种内部微观缺陷，指原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。从几何角度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。
位错线是指晶体或晶格内滑移面上已滑动区的边界线称。位错线的形成和发展可用FrankRead 源的原理解释：当应力超过临界剪应力时，位错线扩张，形成内外两部分，外部位错逐渐扩大，内部位错线恢复原状，在外力作用下，不断产生新位错环，因而得到很大的滑移量。
柏氏矢量是描述位错实质的重要物理量，反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。通常将柏氏矢量称为位错强度，位错的许多性质如位错的能量、所受的力、应力场、位错反应等均与其有关。它也表示出晶体滑移时原子移动的大小和方向。
（2）柏氏矢量和位错线的相对关系：
①一条位错线具有唯一的柏氏矢量。它与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关，位错在晶体中运动或改变方向时，其柏氏矢量不变；
②根据柏氏矢量与位错线的关系可以确定位错的类型。当桕氏矢量垂直于位错线时是刃位错；当柏氏矢量平行于位错线时是螺位错；当柏氏矢量与位错线成任意角度时是混合位错。
4． 杂质掺杂从哪几个方面影响扩散系数？
【答案】（1）杂质原子的掺杂会使其化学成分发生变化，杂质原子的引入使系统热力学稳定性降低从而降低扩散活化能。
（2）生成空位和填隙。晶体中存在着空位，这些空位的存在使原子迁移更容易。在间隙扩散机制中，原子从一个晶格中间隙位置迁移到另一个间隙位置达到扩散的目的。所以杂质原子既生成空位提高扩散系数，又填隙降低了扩散系数，是一个动态平衡。
5． 冷加工金属加热时发生回复过程中位错组态有哪些变化？
【答案】回复是通过位错运动造成材料中储能的降低。位错运动所实现的有两个主要过程，这就是位错的相消与重排。两个过程的实现，有赖于位错滑动、攀移和交滑移。
回复的过程可归结为三种主要机制：亚晶规整化；多边化；亚晶的合并一亚晶结构合并是相邻亚晶通过转动而重合的过程，亚晶合并的另一种机制可以通过低角度界面的迁移来进行，最小的亚晶消失，而较大的则生长，这类似于晶粒长大。
6． 沿铌单晶（BCC ）的棒轴[213]方向拉伸，使其发生塑性形变，设铌单晶的滑移面为{110}，请确定：
（1）初始滑移系统。
（2）双滑移系统。
（3）双滑移开始时的切变量。
（4）滑移过程中的转动规律和转轴。
（5）试棒的最终取向（假定试棒在达到稳定取向前不发生断裂）。
【答案】（1）铌单晶为BCC 结构，移系统为
（2）
（3）利用设
得
另一方面也转向由此可知
，所以晶体取向为[304], 切变量为（4）双滑移时，试样轴一方面转向[111],
转轴
转轴
|
[001]-[101]边移动。
（5）设稳定时取向为，要使n=[000]，需即故稳定时最终取向为[101]。
7． 定性比较陶瓷材料、金属材料、高分子材料的弹性模量的高低，并从材料中结合键的角度分析存在差异的原因。
【答案】（1）三类材料中，陶瓷材料的弹性模量最大，金属材料的弹性模量次之，高分子材料的弹性模最小。
（2）原因：材料弹性模量的大小取决于材料中结合键的强弱。①陶瓷材料由很强的离子键或共价键结合，故其弹性模量很大；②金属材料由较弱的金属键结合，故其弹性模量较小；③高分子材料分子链中为很强的共价键，但分子链间由很弱的二次键结合，故其弹性模量很小。
位于取向三角形中，所以初始滑合成转轴为[020]即[010], 所以双滑移后F 点沿
8． 根据单相固溶体凝固的一维模型回答下列问题（可以用图解说明）：
（1）为什么在凝固过程中会出现边界层？
（2）分别叙述平衡分配系数和有效分配系数的物理意义；
（3）什么情况下出现正常凝固？什么情况下凝固后的铸锭内成分最均匀？什么情况下最不均匀？ （4）用图解说明出现成分过冷的临界条件，并解释如果是正常凝固会不会出现成分过冷。
【答案】（1）合金凝固时，液态合金因具有低黏度和高密度而存在自然对流，其倾向使液体浓度均匀化；然而正是液体流动时的一个基本特性却部分地妨碍对流作用。当液体以低速流过一根水管时，液体中的每一点都平行于管壁流动，这称为层流。流速在管中心最大，并按抛物线规律向管壁降低，制止管壁处的液体流速为零为止。因此在管壁处总是存在着一个很薄的层流液体的边界层。
（2）如图1（a ）中虚线所示，在边界层以外，通过对流可使液体质量浓度快速均匀化，由于在界面上达到局部平衡可知溶质聚集使
比不存在溶质聚集时快。
平衡分配系数是指随着溶质不断聚集，边界层的浓度梯度也随之增大，于是通过扩散方式穿越边界层的传输速度增大，直至界面处固体中排入边界层中溶质的量与从边界层扩散到对流体中溶质的量相等，聚集才停止。
于是用在平衡凝固时固相与液相中溶质浓度之比表示平衡分配系数如图6-5（b ）所示，
即
有效分配系数是指在平衡凝固时，当边界层建立后, 边界固相侧溶质浓度和边界层
以外的液相区中溶质浓度之比，即图中
迅速上升，必使也迅速上升，因此固体浓度上升要
图1
（3）若时，贝U 出现正常凝固，此时没有边界层，液相内成分完全均匀；当
时，则正常凝固时成分最不均匀。 时，铸锭内成分最均匀；当
（4）如图2虚线所示，当边界层中温度梯度与边液相实际温度即界层浓度分布曲线相切时，是成分过冷的临界条件。当温度分布曲线斜率小于切线斜率时则有成分过冷，反之则没有成分过冷。由于正常凝固要求液固面为平直界面，所以要很慢的凝固速度和溶质质量分数，不在发生成分过冷区的阴影中，故正常凝固不会发生成分过冷。
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