2017年中山大学S3105021材料科学基础考研复试核心题库
● 摘要
一、名词解释
1． 非稳态扩散
【答案】非稳态扩散是指在扩散过程中任何一点的浓度都随时间不同而变化的扩散。
2． 离子键
【答案】离子键是通过两个或多个原子或化学基团失去或获得电子而成为离子后形成的。带相反电荷的离子之间存在静电作用，当两个带相反电荷的离子靠近时，表现为相互吸引，而电子和电子、原子核与原子核之间又存在着静电排斥作用，当静电吸引与静电排斥作用达到平衡时，便形成离子键。因此，离子键是阳离子和阴离子之间由于静电作用所形成的化学键。
二、简答题
3． 关于扩散，请回答以下问题：（1）扩散可以分为哪几种基本类型？（2）固溶体中原子的扩散必须具备哪些基本条件？（3）在间隙固溶体中，溶质原子各以何种机制进行扩散？（4）均匀奥氏体晶粒的长大以及扩散退火时晶内偏析的均匀化各属于何种类型的扩散？
【答案】（1）根据扩散有无浓度变化，可以分为自扩散和化学扩散；根据扩散方向，可以分为上坡扩散和下坡扩散；根据是否出现新相，可以分为原子扩散和反应扩散。 （2）其基本条件为存在化学势梯度。
（3）以间隙扩散机制扩散，原子从一个晶格中间隙位置迁移到另一个间隙位置。 （4）均匀奥氏体晶粒的长大属于原子扩散，扩散退火时晶内偏析的均匀化属于化学扩散。
4． 任意选择一种材料，说明其可能的用途和加工过程。
【答案】如Al-Mg 合金。作为一种可加工、不可热处理强化的结构材料，由于具有良好的焊接性能、优良的耐蚀性能和塑性，在飞机、轻质船用结构材料、运输工业的承力零件和化工用焊接容器等方面得到了广泛的应用。
根据材料使用目的，设计合金成分，考虑烧损等情况进行配料，如A15Mg 合金板材，实验室条件下可在电阻坩埚炉中750°C 左右进行合金熔炼，精炼除气、除渣后720°C 金属型铸造，430〜470°C 均匀化退火10〜20h 后，在380〜450°C 热轧，再冷轧至要求厚度，在电阻炉中进行稳定化处理，剪切成需要的尺寸或机加工成标准试样，进行各种组织、性能测试。
5． 指出铁素体、各是什么类型的合金相？并比较铁素体、件有什么不同？
【答案】（1）铁素体为间隙固溶体，晶格类型与溶剂同，溶质碳原子溶于晶格间隙中；CuZn 为电子化合物，属复杂晶型；
为间隙化合物，属复杂晶型；TiC 为间隙相，面心立方结构，碳原
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的形成条
子位于晶格间隙中。 （2
）晶型改变。在
都是由过渡族元素与原子半径较小的非金属碳原子组成，都是尺寸因素起
形成时溶质碳量少，晶型不变，而后两种碳量较多，
所以形成简单晶型。
中，
所以形成复杂晶型；在TiC 中，
主要作用，其形成条件不同之处在于，
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． 指出合金强化的四种主要机制，解释强化原因。
【答案】（1）合金强化的四种主要机制为固溶强化、沉淀强化和弥散强化、晶界强化、有序强化。（2）强化原因 ①固溶强化
固溶在点阵间隙或结点上的合金元素原子由于其尺寸不同于基体原子，故产生一定的应力场，阻碍位错运动；柯氏气团和铃木气团，前者是间隙原子优先分布于BCC 金属刃型位错的拉应力区，对位错产生钉扎作用，后者是合金元素优先分布于FCC 金属扩展位错的层错区，降低层错能，扩大层错区，使扩展位错滑移更加困难。 ②沉淀强化和弥散强化
合金通过相变过程得到的合金元素与基体元素的化合物和机械混掺于基体材料中的硬质颗粒都会引起合金强化，分别称之为沉淀强化和弥散强化。沉淀强化和弥散强化的效果远大于固溶强化。位错在运动过程中遇到第二相时，需要切过（沉淀强化的小尺寸颗粒和弥散强化的颗粒）或者绕过（沉淀强化的大尺寸颗粒）第二相，因而第二相（沉淀相和弥散相）阻碍了位错运动。
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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
③晶界强化
按照Hall-Petch 公式，
屈服点④有序强化
有序合金中的位错是超位错，要使金属发生塑性变形就需要使超位错的两个分位错同时运动，因而需要更大的外应力。异类元素原子间的结合力大于同类元素原子间的结合力，所以异类原子的有序排列赋予有序合金较高的强度。
8． 如何区分金属的热变形和冷变形？
【答案】根据变形温度与再结晶温度的高低关系来区分。高于再结晶温度的为热变形，反之为冷变形。
同晶粒直径d 之间的关系是
其实质是位错越过晶
界需要附加的应力。因此低温用钢往往采用细晶粒组织。
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．已知和渗碳体相平衡的a-Fe 固溶度方程为
：
在奥氏体的溶解度方程也呈类似类型，试根据铁碳相图列出该方程。 【答案】
根据Fe-C 相图，可得：
则可得：
11．证明成分过冷区中的最大过冷度
（％, 质量）。设想碳
材料的本征扩散系数
可表示为
而成分过冷区的宽度可表示为
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