河南科技大学
2012年硕士研究生入学考试试题答案及评分标准
考试科目代码： 814 考试科目名称： 材料科学基础B
1. 画出Cu 晶胞质点模型，计算出其晶胞中的原子数、原子半径和体积致密度。

图1为Cu 的
一个滑移面上的三个滑移方向，写出其晶面指数和晶向指数。

（12分）
答：晶胞质点模型2分，晶胞中的原子数2分，原子半径2分，体积致密度2分。

在面心立方（FCC ）Cu 晶胞中，结点在立方的角上和立方的面的中心，晶胞中的原子数： 42168
18）＝个面）（
（个角）（
晶胞
结点+
面心立方结构，r a 42=。

（其中a 为晶胞边长，r
为原子半径）4
r ∴=
Cu 滑移面)111(， （4分） 滑移方向晶向指数：
B 晶向]101[]101[或，
C 晶向]110[]011[或
D 晶向]011[]101[或
2. 若在液体中形成一个半径为r 的球形晶核时，试证明其形核功c G ∆与临界晶核表面积c A 之
间的关系为c c A G σ3
1-=∆ （σ为单位面积表面能）。

说明形核功和临界晶核半径的意义。

（15分）
答： （4分）
（3分）
（3分）
晶向
C 2
22
424143
33
c c v c c c
v G r G r r A G σππσπσσ⎛
⎫∆=
-
∆+== ⎪∆⎝
⎭v G V G A σ
∆=∆+32
443v G r G r ππσ
∆=∆+0d G dr ∆=2c v
r G σ
=-
∆
形核功：在液相内形成临界晶核时，体积自由能差只补偿所需表面能的2/3，而另外1/3则依靠液相中存在的能量起伏提供，即需外界作功。

（3分）
临界晶核半径：当晶胚尺寸< 临界晶核半径, 晶胚不稳定，会重新溶化，即在结构起伏中消失。

当晶胚尺寸≥临界晶核半径时，可以形核。

（2分）
3.在铸造生产中细化晶粒的途径有哪些？分析细化晶粒的原理。

（15分）
答：
细化铸件晶粒的措施主要有三种：
（1）提高过冷度：
一般金属结晶时的过冷范围内，过冷度越大，N/G越大，所以晶粒细小。

（4分）
（2）变质处理
变质剂为活性质点，满足点阵匹配的原理，可以降低晶核和变质剂质点之间的表面能，降低接触角，降低形核功，增加非均匀形核的形核率。

从而有效细化晶粒。

加入抑制晶粒长大的变质剂也可细化晶粒。

（8分）
（3）振动、搅动
一方面依靠从外面输入能量促进晶核提前形成，另一方面是使成长中的枝晶破碎，使晶核数目增多。

（3分）
4.塑性变形对金属材料的组织和性能有何影响？塑性变形的金属材料在加热时组织和性能又
会产生哪些变化？举例说明其退火应用。

（20分）
答
塑性变形对金属材料的组织和性能的影响（5分）
1)晶粒外形变化：随变形方向拉长（或压扁）
2)位错胞亚结构形成，位错密度急增
3)大变形量条件下形成形变织构
4)产生内应力
5)产生加工硬化
塑性变形的金属材料在加热时组织和性能会产生的变化（9分）
1)回复；光学显微组织不变，消除内应力。

2)再结晶：等轴晶形成，消除加工硬化。

3)晶粒长大：力学性能下降。

去应力退火：消除内应力，保持加工硬化。

冷卷弹簧退火（6分）
再结晶退火：消除加工硬化，以利于继续变形。

冷轧工艺中间退火。

5.何谓固溶强化？请用位错理论说明固溶强化的机理。

（10分）
答：
固溶强化：固溶体中随溶质的加入量的提高，材料强度随之提高的现象。

（2分）
晶体的滑移是金属塑性变形的最主要的方式。

滑移的本质是位错运动的结果。

固溶体中溶质原子与位错的产生弹性交互作用、电交互作用和化学交互作用，阻碍了位错的运动。

溶质原子聚集在刃位错的周围，形成“柯氏气团”。

柯氏气团对位错有“钉扎”作用，增大了位错运动的阻力，从而提高了固溶体合金的塑性变形抗力，从而提高强度。

（8分）
6. 根据Fe －Fe 3C 相图（图2）回答下列问题：
1) 用相组成物填写相图各区。

（图画在答题纸上后填写） 2) 写出相图中三条水平线发生的转变的温度、类
型和反应式。

3) 用结晶冷却曲线分析45钢的平衡结晶过程（标
明各阶段的组织组成物、反应式）。

4) 计算
45钢室温下组织组成物和相组成物的相
对量。

5)
图
3中哪个是45钢的室温平衡组织? （共30分）
图2
A) B) C) D)
图3 铁碳合金室温平衡组织（4％硝酸酒精腐蚀）
答：（1） （6分）
（2）（6分） 1495℃ 包晶转变 L+δ→γ；1148℃ 共晶转变 L→ γ+Fe 3C ；
727℃ 共析转变 γ→ α+ Fe 3C （3）（10分） （4）（6分）
组织组成物的相对量:0.770.45
α(%)100%41.6%0.770.0008
-=
⨯≈-，P(%) =1−41.6% ≈58.4%。

相组成物的相对量： 6.690.45
α(%)100%93.3%6.690.0008
-=
⨯≈-，Fe 3C (%) =1−93.3% ≈6.7%。

（5）图B是45钢的室温平衡组织。

（2分）
7.简述钢中的常见的两种马氏体的组织形态及亚结构和形成条件，说明这两种马氏体性能的差
别及其原因。

（15分）
答：
淬火马氏体的显微形态有2种：
1)板条马氏体：是由许多成群的、相互平行排列的板条所组成。

亚结构为位错。

奥氏体中含碳
量低于0.2%，形成全部板条马氏体。

2)片状马氏体：马氏体片之间互不平行，而呈一定角度分布。

亚结构为孪晶，奥氏体中含碳量
高于1.0%，形成全部片状马氏体（6分）
由于高碳片状马氏体碳浓度高，晶格畸变大，因此硬度高。

片状马氏体的塑性和韧性差是由于其亚结构主要为孪晶，滑移系大大减少；碳浓度高，晶格畸变大，淬火应力大以及存在高密度的显微裂纹。

而板条马氏体中含碳量低，可以发生“自回火”，且碳化物分布均匀；其次是胞状位错亚结构中位错分布不均匀，存在低密度位错区，为位错运动提供了活动余地。

由于位错运动能缓和局部应力集中，延缓裂纹形核及削减已有裂纹尖端的应力场，故对韧性有利。

此外，淬火应力小，不存在显微裂纹，裂纹通过马氏体条也不易扩展，（9分）
8.直径为10mm的45钢，AC1：730℃，AC3：780℃。

画出其过冷奥氏体的TTT曲线。

填写
表格（写在答题纸上），将各相应的冷却曲线画在TTT曲线合适的位置上。

（18分）
答：
TTT曲线（4分）
填写表格（8分）
冷却曲线（6分）
9.采用40CrNiMo钢制造某一主轴（直径为100mm），要求有良好的综合力学性能（HRC30~35），
轴颈表面要求耐磨（≥55HRC）。

解答下列问题：
1)编写简明加工工艺路线。

2)说明加工工艺路线中的热处理的作用。

3)分析其使用态的表层组织和心部组织。

4)分析钢中合金元素的作用。

（共15分）
答：1）加工工艺路线如下：
下料→锻造→完全退火→粗加工→调质→精加工→轴颈表面感应加热淬火＋低温回火→磨削（3分）
2）完全退火：为了改善锻造组织，细化晶粒，降低硬度，有利于切削加工，并为随后调质热处理作好组织准备。

调质：得到回火索氏体，保证心部具有良好的塑性和韧性。

感应加热淬火：提高表面的硬度，耐磨性、疲劳强度。

低温回火：在保持高硬度、高耐磨性前提下，减少淬火应力、降低脆性、稳定组织。

（6分）
3)最终热处理后的表面组织为M回。

心部：回火索氏体（3分）
4)此钢合金元素Cr、Ni主要起提高淬透性的作用。

Mo主要起抑制高温回火脆性的作用。

（3分）。