2017年北京工业大学固体微结构与性能研究所固体材料结构、缺陷及相变复试仿真模拟三套题
● 摘要
一、名词解释
1． 位错
【答案】位错是指晶体中的一维缺陷或线状缺陷。
2． 非均匀形核
【答案】新相优先在母相中存在的异质处形核，即依附与液相中杂质或外来表面形核。与均匀形核相比，它需要的形核功和过冷度都较小。
二、简答题
3．
画一个四方晶胞，然并标注出坐标原点和三个基矢（a 、b 、c ）
（1）在晶胞中画出（210）晶面；（2）画出和一个与（210）晶面和（100）晶面同属一个晶带后：
的晶面，标出它的晶面指数，并写出该晶带轴的晶向指数。
【答案】如图所示。
图
4． 金属的固态相变与金属的结晶过程基本一样，大多也包括形核和生长两个基本阶段，但在固态相变过程中新、旧两相的比容不同，使系统额外增加了应变能以及由相界面上的原子不匹配而引起的弹性应变能，因此固态相变在许多方面与结晶过程有着显著的差异。试分析固态相变的一般特点。
【答案】固态相变的一般特点：
（1）相变阻力中多了应变能一项。
（2）形核方面：非均匀形核为主；具有特定的取向关系；相界面常为共格或半共格的。
（3）生长方面：具有惯习现象，有特定的组织形态，如片状、针状。
（4）有亚稳相。
5． —个
写出交滑移系统。
【答案】所有包含螺位错方向的面都是滑移面，对于FCC 晶体滑移面（111）来说，只有（111）
与包含I 故若发生交滑移，一定是从（111）面到
6． 如果沿FCC 晶体的[110]方向拉伸，请写出可能启动的滑移系统。
【答案】可能启动的滑移系统有四个，分别为
7． 铜是工业上常用的一种金属材料，具有电导率高和耐腐蚀性好等优点，但是纯铜的强度较低，经常难以满足要求，根据你所学的知识，提出几种强化铜合金的方法，并说明其强化机理。
【答案】强化铜合金的方法及其强化机理如下：
（1）加工硬化，指金属晶体在塑性变形过程中，材料的强度随着塑性形变量的增加而増加。加工硬化产生的主要机制有位错塞积、林位错阻力和形成割阶时产生对位错运动的阻力及产生割阶消耗外力所做的功，宏观表现出金属强度提高。
（2）固溶强化，是金属中由于溶质原子的存在，使得其强度提高。固溶强化的根本原因在于溶质原子与位错的交互作用，使得其阻碍位错运动。这种交互作用又分为溶质沿位错聚集并钉扎位错的弹性交互作用和化学交互作用两类。
（3）分散强化，依靠弥散分布与金属基体中的细小第二相强化金属。其强化的原因在于细小的第二相粒子与位错的交互作用，主要有位错绕过颗粒的奥罗万机制以及位错切过颗粒机制。
（4）细晶强化，依据霍尔-佩奇公式，由于晶界数量直接取决于晶粒的大小，因此，晶界对多晶体起始塑变抗力的影响可通过晶粒大小直接体现。多晶体的强度随其晶粒细化而提高。 这些强化方式的共同点即为金属强化的实质，在于增加了位错运动的阻力。
8． 举例说明材料的基本强化形式有哪几种，并说明其中三种的强化机制。
【答案】通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料强度的方法，称为材料的强化。其强化基本形式有：固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化等。
这些强化方式总的来说是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度弥散的质点或不均匀性（如偏聚）等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高材料强度。 （1）固溶强化：无论是代位原子或是填隙原子，在条件合适的情况下，都可能发生原子偏聚而形成气团。对代位点阵来说，当溶质原子比溶剂原子的直径大时，溶质原子有富集在刃型位错受胀区的趋向；反之，富集于受压区。填隙原子则总是向受胀区富集。这种靠扩散在位错附近富集的现象，称为柯氏气团（Cottrellatmosphere ）。柯氏气团对位错有钉扎作用，从而使强度提高。 （2）沉淀强化和弥散强化：过饱和固溶体随温度下降或在长时间保温过程中（时效）发生脱溶分
的螺位错在（111）面上运动。若在运动过程中遇到障碍物而发生交滑移，请面。
，解。时效过程往往是很复杂的，如铝合金在时效过程中先产生GP 区，继而析出过渡相（0”及e' ）
最后形成热力学稳定的平衡相（0）。细小的沉淀物分散于基体之中，阻碍着位错运动而产生强化作用，这就是“沉淀强化”或“时效强化”。
（3）加工硬化：冷变形金属在塑性变形过程中形成大量位错，这些位错部分成为不可动位错，从而导致其对可动位错的阻力增大，引起材料继续变形困难，形成加工硬化或形变强化。
三、计算题
9． 对一种材料在1200°C （1473K ）和lh 处理后可以成功进行渗碳，但为了降低成本，若需将渗碳处理稳定降低到950°C （1223K ）, 并考虑这种渗碳属于半无限扩散模式，试计算如果要获得同样的渗碳结果，需要处理多少时间？已知气体常数
【答案】（1）半无限一维扩散方程：
已知两种温度条件下获得相同的结果，即Df 为定值，则可得：
所以950°C 时所需要的时间为：
10．A-B 二元合金相图如图1所示。将
金直棒。求：
（1）计算棒中单相固溶体段占棒长的分数。
（2）示意画出棒中的组织分布及B 原子浓度分布。
（3）计算棒中单相，固溶体段的平均B 原子浓度。
的A-B 二元合金棒放置在内腔截面积均匀的水平 材料的本征扩散系数瓷舟内加热熔化后，在固相不扩散、液相完全混合条件下从左至右定向凝固成长为L 的等截面合
图1 A-B 二元合金相图
【答案】（1）设棒中单相d 固溶体段占棒长的分数为z/L。在正常凝固方程
中
，则
（2）棒中组织及含量分布如图2所示。棒的左端为单相固溶体，右端为
共晶体。在棒的
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