物理冶金考试题.doc

08年
闭卷部分：（60分*2小时）
1、叙述等温等压条件下多元体系中相平衡条件，证明相率。（15分）
2、以简单四方晶体为例，推导理想固溶体在具有浓度梯度条件下沿[100]方向扩散的菲克第一定律，根据推导公式，说明各个参数的物理意义，重点阐述哪些参数影响扩散系数。（15分）（见公式推导1）
3、列举任何一种可形成沉淀硬化相的合金系，并且画出其相图（部分）的基本特征，依据相图说明获得硬化相的途径，通过位错运动与硬化相的作用关系分析沉淀硬化机理。（15分）
4、推导匀质形核纯金属凝固过程中临界形核半径与过冷度的关系，从形核率角度说明过冷度对形核难易的影响。（15分）
开卷部分：（40分*1小时）
1、论述GIBBS自由能理论、位错理论、扩散理论三者之间的相互关系以及它们在金属材料研究中的重要作用。

09年
闭卷部分：（60分*2小时）
2、以纯金属的平衡相图为例，推导晶粒尺寸r*与过冷度之间的关系。
3、画出一个典型的共晶相图，并且画出各个特征相区域的成分吉布斯自由能曲线示意图。凝固课本P64
4、画出面心立方晶体的（111）晶面，指出各原子的位置，在晶面上标出几个晶向。
5、以简单四方晶体为例，推导理想固溶体在具有浓度梯度条件下沿[100]方向扩散的菲克第一定律，根据推导公式，说明各个参数的物理意义，重点阐述哪些参数影响扩散系数。P226
开卷部分：（40分*1小时）
6、
1）单向拉伸多晶体金属
2）合金的固溶时效处理

2012年
（1题共40分，任选5小题回答，每小题8分）
1、判断对错并说明理由
（1）可以获得溶质过饱和的固溶体，但是没有办法获得空位过饱和的固溶体。（答：错。因为：空位浓度是温度的函数，只要温度高于绝对零度，金属中就存在空位，温度越高空位浓度越大，将高温金属快速冷却至低温就会获得空位过饱和的固溶体。）
（2）等温等压下多元合金系中，相平衡条件是各项的自由能。
（3）直线位错必然是刃型位错或者螺型位错。（答：错。直线位错也可能是混合型位错，当该直线位错线与其柏氏矢量垂直时为刃型位错，平行时为螺型位错，即不平行又不垂直时为混合型位错。）
（4）可热处理强化铝合金是指那些可以通过固溶时效处理达到强化效果的铝合金。
（5）等温等压下的自发过程必然是吉布斯自由能减小的过程。（答：对。因为：任何自发的过程必然是吉布斯自由能减小的过程）
（6）扩散只能以空位机制进行，并且只能向浓度减小的方向进行（答：错。扩散的微观机制包括两种：间隙扩散机制和空位扩散机制。扩散的驱动力是系统吉布斯自由能的降低而非系统的浓度差，只要扩散后系统的吉布斯自由能降低，扩散就有可能发生，而与浓度差无关。共析钢共析转变时，C原子向Fe3C中扩散就属于上坡扩散，沿C浓度增大方向进行）。
（7）合金凝固过程中固相界面前具有正的温度梯度时，不可能出现枝晶长大方式。（答：错。因为：只有当固液界面前沿的过冷度增大时，才有可能出现枝晶生长方式。随着凝固的进行，固液界面前沿溶质的浓度有可能增大（无搅拌），导致该部分金属的熔点降低，尽管固相界面前具有正的温度梯度，但还是会出现成分过冷，过冷度先增大后减小，致使出现枝晶生长方式）

（2-5题每题20分，任选2题回答）
2、定义工程应力、工程应变、真应力和真应变；推导出简单拉伸过程中真应力、真应变和工程应力、工程应变之间的关系，并说明这些关系的适用范围。何谓拉伸失稳，拉伸失稳的判据是什么，试推导拉伸失稳判据。
3、凝固过程中什么叫做热力学过冷，什么叫界面过冷，他们在形核与长大过程中起到什么作用，推导小过冷度条件下纯金属匀质形核过程临界形核半径与过冷度的关系。在形核过程中，吉布斯自由能起到什么作用？
4、画出一个典型二元合金的相图，标明各个特征温度和特征点与相区，画出常压下各特征温度下的自由能-成分曲线。
5、本门课程讲授过程中你最受启发或者收获最大的地方是哪部分内容，请将内容做一叙述并阐明你的心得。

2013年
1、如何理解“一个体系中多相存在并处于热力学平衡时，平衡条件是各组元在各相中的偏摩尔自由能相等”。（20分）
2、怎样理解“晶向晶面指数中指数小的晶向晶面在晶体的塑性变形研究中才具有意义”。（20分）（答：晶体的塑性变形主要是通过位错的各种机制实现的，要想研究晶体的塑性变形必须研究位错。又因为位错的能量大小为：1/2Gb2，其中b为位错的柏氏矢量，能量越低，系统越稳定，所以位错的柏氏矢量必须尽可能小，位错线才能稳定。而一个晶体有无数个晶面和晶向，每一个晶面和晶向上都有可能形成位错，但只有指数小的晶向和晶面上位错的柏氏矢量是小的，即只有指数小的晶向和晶面上的位错才是稳定的。所以指数小的晶向和晶面在晶体的塑性变形研究中才有意义。）
3、何谓体过冷、界面过冷和成分过冷？三种过冷在金属凝固过程中各有什么意义？（30分）（答：体过冷是均质形核时液态金属温度低于其熔点而形成的过冷度；界面过冷是在晶体长大过程中固-液界面前沿金属低于其熔点而形成的过冷度；成分过冷：合金凝固时，会在固-液界面前沿形成溶质富集区，进而导致这一区域合金的熔点发生改变，当界面前沿液相的温度低于其熔点时，就形成一个处于过冷状态的液相区，这种现象就是成分过冷。体过冷的意义：只有存在体过冷才能使形核过程满足热力学条件，为形核提供驱动力。界面过冷的意义：只有存在界面过冷才能使晶体长大过程满足热力学条件，为晶体的长大提供驱动力。）
4、一种假想多晶体工程用金属结构材料，你需要研究其力学性能，请叙述用单向拉伸方法实验时，实验及准备过程，给出可能的实验结果，并对结果做出分析。如果拉伸过程中金属发生颈缩，请说明原因并推导拉伸失稳条件。（30分）