2014年北京科技大学814材料科学基础考研真题及详解【圣才出品】

2014年北京科技大学814材料科学基础考研真题及详解
一、简述题（5分/小题，共30分）
1．再结晶温度
答：再结晶温度不像结晶或者其他相变温度那样严格确定，它受很多因素的影响，根据条件的不同在一定范围内变化。

冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度，它可用金相法或硬度法测定，即以显微镜中出现第一颗新晶粒时的温度或以硬度下降50%所对应的温度，定义为再结晶温度。

工业上规定，再结晶温度为经过大的冷塑性变形（通常变形量为70%以上）的金属，1小时保温时间内能完成（通常完成95%或98%）再结晶过程的最低温度。

2．相平衡条件
答：相平衡条件是指在确定状态下，一个多相系统中各相的性质和数量均不随时间变化，此时各相的化学势相等。

从宏观上看，没有物质由一相向另一相的净迁移，但从微观上看，不同相之间的分子转移并未停止，只是每个相的生成速度与它的消失速度相等。

此时，吉布斯自由能最小，多元系统存在的相数可用吉布斯相律来判断：f＝C－P＋2。

3．上坡扩散
答：上坡扩散的驱动力是化学位梯度，在界面上，组元的扩散方向是由低浓度区域向高浓度区域，其扩散方向与菲克第一定律所指方向正好相反。

上坡扩散的存在说明扩散的驱动力不是浓度梯度，而是化学位梯度。

4．空间点阵
答：空间点阵是指把晶体质点的中心用直线连接起来，构成一个空间网格，其中每个点都处于相同的环境中，在三维空间中周期性地规律排列。

在表达晶体结构时，空间点阵中每一个阵点代表一个或几个相同原子的所处位置，其周围环境和对称性都相同。

依据晶胞参数之间关系的不同，可以把所有晶体的空间点阵划归为7类，即7个晶系。

按照点阵在空间排列方式不同，7个晶系共包括14种布拉菲点阵。

5．堆垛层错
答：堆垛层错（简称层错）是指晶体结构层间正常的周期性重复堆垛顺序在某两层间出现了错误，从而导致沿该层间平面（称为层错面）两侧附近原子的错误排布。

堆垛层错是层状结构晶格中常见的一种面缺陷，例如面心立方晶体在（111）面的堆垛顺序中发生层错，就会由正常的ABCABC…堆垛顺序改变为ABCBAC…
6．临界分切应力
答：临界分切应力是指使滑移系统开动的最小分切应力。

临界切分应力是一个表示晶体屈服实质的物理量，它是一个定值，与材料本身性质有关，与外力取向无关。

二、分别回答后述几个问题：
（1）指出金属液相结晶时的热力学条件，它一定需要过冷吗？为什么？
（2）如何确定液相结晶时的临界晶核半径，在相同的过冷度下，均匀形核与非均匀形核的临界晶核半径和临界晶核形成能哪个大？为什么？
（3）反过来，结晶金属熔化时一定需要过热吗？为什么？
（4）能否用经典形核理论讨论再结晶的形核，为什么？（共20分）
答：（1）金属液相结晶的热力学条件：金属在液态和固态之间存在一个自由能差，即存在过冷度。

一定需要过冷，这是由热力学条件决定的。

在等温等压条件下，物质系统总是自发的从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。

又因为在结晶温度时相变过程ΔG＝0，而低于结晶温度才能使ΔG＜0，相变才能自发进行。

因此一定需要过冷。

（2）晶核的形成引起的自由能变化最大时，即自由能对晶核半径的导数为零时，对应的晶核半径为临界晶核半径，自由焓的变化为
对其求导可得
在相同过冷度下，均匀形核的临界晶核形成能大，因为相比于均匀形核，非均匀形核的地点为现存的形核靠壁，在这些地点形核可以抵消部分缺陷，而缺陷自由能的释放用于克服形核能垒，从而降低临界晶核形成能。

均匀形核的临界晶核半径与非均匀形核的临界晶核半径一样大。

（3）金属熔化时不一定需要过热，因为一般金属熔化时液相会浸润固相，与气相接触，使表面能降低，可以使ΔG＜0，相变自发进行，在理论上不与气相接触，则可能需要过热。

（4）不能用经典形核理论讨论再结晶的形核，因为再结晶过程不是相变，两者的驱动力根本不同：经典形核理论中驱动力为新旧相自由能差，而再结晶的形核驱动力为形变金属
或合金的机械储存能；经典形核理论形核与母相没有特定的取向关系，而再结晶的形核与母相有特定取向关系。

三、回答以下问题：
（1）晶体缺陷主要有哪几种？
（2）其中点缺陷主要有哪两种？有哪些方法或手段可提高其数量？
（3）当点缺陷扩散到刃位错周围时，会出现什么现象？位错的运动受到怎样的影响？
（4）如果点缺陷扩散到一般大角晶界上，又会出现什么现象？晶界的运动受到怎样的影响？（共20分）
答：（1）按几何形态晶体缺陷分为4种，主要包括点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。

按产生原因晶体缺陷分为5种，分别为热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、电荷缺陷和辐射缺陷。

（2）点缺陷主要包括空位和间隙原子。

可以通过淬火、冷变形加工和高能粒子辐照的方法提高其数量。

（3）点缺陷扩散到刃位错周围时，它们的应力场相互作用形成柯式气团，增大了弹性应变能，对位错有钉扎作用，这时候位错处于能量较低状态，位错不易运动。

（4）点缺陷扩散到一般大角晶界上，由于其在晶体内畸变能比在晶界处畸变能高，会出现内吸附现象。

晶界处缺陷的存在会使晶界的能量提高，增大原子活性及扩散速度，促进晶界移动。

四、图1为由A、B原子组成的一个晶体单胞，点阵参数a＝b＝c，a＝b＝g＝90°；回答下列问题：
（1）如果A、B原子可以随机占据所有可能的位置，该晶胞对应哪种布拉菲点阵？
（2）如果A只在（0，0，0）位置，B只在（1/2，1/2，1/2）位置，又对应哪种布拉菲点阵？
（3）下列单质及化合物中哪些具有上面涉及到的晶体结构？Mg，α-Fe，γ-Fe，Cu，CuZn，Cu3Zn，CsCl；
（4）两种情况下，{100}的面间距各是多少，用点阵常数表示；可能的位错柏氏矢量又分别是什么？
（5）各结构对应的强度及塑性相对高低可能是怎样的，给出理由。

（共20分）
图1 白色为A原子，黑色为B原子
答：（1）如果A、B原子可以随机占据所有可能位置，该晶胞对应BCC体心立方点阵。

（2）如果A只在（0，0，0）位置，B只在（1/2，1/2，1/2）位置，该晶胞对应SCC 简单立方点阵。

（3）α-Fe为体心立方结构，CuZn为简单立方结构，CsCl为简单立方结构。

（4）设点阵常数为a，体心立方结构{100}面间距为0.5a，可能的位错柏氏矢量为0.5a ＜111＞；简单立方结构{100}面间距为a，可能的位错柏氏矢量为a＜100＞。

（5）材料的强度和塑形与结构中位错滑移的能垒和数量有关，位错滑移的能垒与伯氏矢量的平方成正比，滑移越难，强度越高，塑性越差。

体心立方可同时沿{100}，{112}，{122}
三个晶面滑移，故其滑移系有48个，而简单立方的滑移系只有6个。

体心立方结构滑移系数量大于简单立方结构，故简单立方结构更不易变形，强度更高，塑性更低。

五、图2是低碳钢热轧板带状组织的金相和扫描电镜照片。

从凝固、热加工及冷却相变等方面，分析带状组织的形成原因及可能的控制方法。

（15分）。