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二 O O 九年招收硕士研究生入学考试试题参考答案 考试科目及代码： 金属学 809 适用专业： 材料加工工程 可使用的常用工具： 计算器、绘图工具 答题内容写在答题纸上，写在试卷或草稿纸上一律无效考完后试题随答题纸交回。 考试时间 3 小时，总分值 150 准考证号码： 分。 一、名词解释（任选 8 题，每题 3 分，共 24 分） 1、空间点阵：将晶体中的物质质点抽象为具有相同环境的等同点（阵点） ，由阵点在三维空间 规则排列的阵列称为空间点阵。 2、柏氏矢量：描述位错特征的一个重要矢量，它集中反映了位错区域内畸变总量的大小和方 向。 3、结构起伏：液态金属中近程有序原子集团此起彼伏、时聚时散的现象称为结构起伏。 4、过冷度：金属的理论结晶温度 Tm 与实际结晶温度 Tn 之差。 5、相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。 6、奥氏体：碳溶解于γ铁中形成的固溶体称为奥氏体。 7、交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。 8、形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织。 9、再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取 代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。 10、非稳态扩散：在扩散过程中，各处的浓度随时间和距离发生变化。 二、填空题（1×16＝16 分） 1、面心立方结构、4、密排六方结构、6 2、柏氏矢量、位错线、1、无限、滑移、攀移、交滑移 3、增加、强度、硬度、塑性、韧性 三、单选题（2×10＝20 分） 1、A 2、C 3、B 4、C 5、D 6、D 7、A 8、B 9、B 10、D 姓名： 报考学科、专业： 密 封 线 内 不 要 写 题 第 1 页 共 5 页

四、简答题（共 70 分） 1、 （15 分） 答：对于液态金属的结晶，非均匀形核比均匀形核容易主要是由于基底可以降低形核功，提 高形核率。由非均匀形核的形核功表达式 ∆Gc非＝∆Gc ( 2 − 3cos θ + cos3 θ ) 4 可以看出，晶核与基底间的接触角 θ 对形核功有较大影响。当 θ = π 时， ∆Gc非＝∆Gc 。晶核 与基底间完全不润湿，基底对形核无促进作用，本质上仍属于均匀形核；一般情况下， 0 ≤ θ < π ，从而 ∆Gc非 < ∆Gc ，并且 θ 越小，晶核与基底的润湿程度越好，形核功越小，临 界过冷度越小，因此非均匀形核越容易。 晶核与基底间的界面能是影响接触角的重要因素，该界面能越小，接触角就越小。一般 来说，界面能取决于晶核与基底的结构相似性，特别是界面结构相似性，二者结构越相似， 界面能越低，接触角越小，这个关系通常称为点阵匹配原理。在实际结晶过程中，情况较为 复杂，除考虑点阵匹配原理外，还要通过实验确定基底对晶核的润湿程度。 基于上述分析，液态金属结晶时细化晶粒的主要方法有： （1）增加过冷度 金属结晶时，通过加大冷却速度可以增大过冷度 ∆T ，虽然形核驱动力和 长大驱动力都随过冷度增加， 但当过冷度大于一定值后， 形核率 N 的增加将大于长大速度 G 的增加，使比值 N / G 提高，结晶后得到细小晶粒组织。 （2）孕育处理 浇注前，在金属熔体中加入细小的能促进形核的固态颗粒，称为形核剂，也 称孕育剂或变质剂，发生不均匀形核，可以显著地提高形核率，这些形核剂颗粒又能阻碍晶 粒长大，结果在凝固后晶粒组织非常细小，这是生产中经常采用的方法。 （3）振动作用 在金属结晶过程中，对结晶系统进行振动，例如机械、电磁、超声振动等， 也可以起到细化晶粒作用，这是由于振动能的输入，提高了形核；同时通过振动可以部分破 碎较小的枝晶，在液体中形成大量籽晶，也提高了形核率。 2、 （15 分） 答：影响置换固溶体溶解度的主要因素有： （1）原子尺寸因素 以 A－B 二元固溶体为例，若两组元原子半径的相对差△r 越大，溶质 原子在溶剂晶格中产生的点阵畸变越大，由于固溶体能量升高，从而限制了溶质原子的进一 步溶入，因此固溶体的溶解度降低。只有原子半径差别较小的组元才能形成溶解度较高的固 溶体，甚至是无限固溶体。 （2）电化学因素 也称电负性因素。两组元的电负性差别越大，原子间的亲和力越大，形成 化合物的倾向越大。反之，若形成固溶体，则溶解度就越小。 （3）电子浓度因素 也称原子价因素。实验结果表明，在原子尺寸有利的条件下，溶质原子 的原子价越低，则形成的固溶体溶解度越高，这一规律可以根据合金电子浓度解释如下，其 定义为 c= e A(100 − x) + Bx = a 100 式中 A、B 分别为两组元的原子价；x 为溶质原子的原子分数。对应于固溶体的极限溶解度， 也存在极限电子浓度，该值取决于溶剂结构。根据上式，溶质原子价越低，而极限电子浓度 第 2 页 共 5 页

为定值，必然使固溶体的溶解度升高。 （4） 晶体结构因素 组成固溶体两组元的晶体结构越相近， 形成固溶体时产生的点阵畸变就 越小，其溶解度就越高。因此，晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件。 3、 （20 分） 答：有加工硬化（应变硬化） 、固溶强化、弥散强化核细晶强化四种。 加工硬化是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增加。 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。 固溶强化指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，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。 弥散强化依靠弥散分布于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第 二相与位错的交互作用，主要有位错绕过颗粒的 Orowan 机制以及位错切过颗粒机制。 细晶强化是指多晶体的屈服强度随晶粒尺寸的减小而增加。可以用 Hall－Petch 关系表 示： σ s = σ 0 + Kd − 1 2 。式中σ0 为常数，反映晶内变形阻力，相当于单晶体金属的屈服强度； K 为常数，表征晶界对强度的影响，与晶界结构有关；d 为多晶体中各晶粒的平均直径。细晶 强化的原因是晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。细晶强化有尺寸限制。 这些强化方式的共同点也就是金属强化的实质，在于增加了位错运动的阻力。 4、(8 分) 答：冷拉钢丝绳是由大变形量的冷拔钢丝绞合而成。加工过程的冷加工硬化使钢丝的强度、 硬度大大提高，从而能承载很大的工件。但是当将其加热至 860℃时，其温度已经远远超过 钢丝绳的再结晶温度，以至产生回复再结晶现象，加工硬化效果消失，强度、硬度大大降低。 再把它用来起重时，一旦负载超过其承载能力，必然导致钢丝绳断裂事故。 5、 （12 分） 答： （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界面。 （3）生长方面：出现惯习现象，有特定的组织形态，如片状、针状。 （4）有亚稳相出现以减少相变阻力。 五、 （20 分） 答： （1） 第 3 页 共 5 页

（2）组织组成物含量 0.77 − 0.45 0.32 × 100% = × 100% = 42.77% 0.77 − 0.0218 0.7482 0.45 − 0.0218 0.4282 P% = ×100% = × 100% = 57.23% 0.77 − 0.0218 0.7482 F% = 相组成物含量 6.69 − 0.45 6.24 × 100% = × 100% = 93.58% 6.69 − 0.0218 6.6682 0.45 − 0.0218 0.4282 Fe3C % = × 100% = × 100% = 6.42% 6.69 − 0.0218 6.6682 F% = 室温下的显微组织示意图 第 4 页 共 5 页

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