《金屬學(xué)與熱處理》(第二版)課后習(xí)題答案[1]

1、第一章習(xí)題1.作圖表示出立方晶系（1 2 3）、（0 -1 -2）、（4 2 1）等晶面和-1 0 2、-2 1 1、3 4 6 等晶向3.某晶體的原子位于正方晶格的節(jié)點(diǎn)上，其晶格常數(shù)a=bc，c=2/3a。今有一晶面在X、Y、Z坐標(biāo)軸上的截距分別是5個(gè)原子間距，2個(gè)原子間距和3個(gè)原子間距，求該晶面的晶面參數(shù)。解：設(shè)X方向的截距為5a，Y方向的截距為2a，則Z方向截距為3c=3X2a/3=2a，取截距的倒數(shù)，分別為1/5a，1/2a，1/2a化為最小簡(jiǎn)單整數(shù)分別為2,5,5故該晶面的晶面指數(shù)為（2 5 5）4.體心立方晶格的晶格常數(shù)為a，試求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面

2、的晶面間距，并指出面間距最大的晶面解：（1 0 0）面間距為a/2，（1 1 0）面間距為2a/2，（1 1 1）面間距為3a/3三個(gè)晶面晶面中面間距最大的晶面為（1 1 0）7.證明理想密排六方晶胞中的軸比c/a=1.633證明：理想密排六方晶格配位數(shù)為12，即晶胞上底面中心原子與其下面的3個(gè)位于晶胞內(nèi)的原子相切，成正四面體，如圖所示則OD=c/2，AB=BC=CA=CD=a因ABC是等邊三角形，所以有OC=2/3CE由于(BC)2=(CE)2+(BE)2則有(CD)2=(OC)2+(1/2c)2，即因此c/a=8/3=1.6338.試證明面心立方晶格的八面體間隙半徑為r=0.414R解：面

3、心立方八面體間隙半徑r=a/2-2a/4=0.146a面心立方原子半徑R=2a/4，則a=4R/2，代入上式有R=0.146X4R/2=0.414R9.a）設(shè)有一剛球模型，球的直徑不變，當(dāng)由面心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格時(shí)，試計(jì)算其體積膨脹。b）經(jīng)X射線測(cè)定，在912時(shí)-Fe的晶格常數(shù)為0.3633nm，-Fe的晶格常數(shù)為0.2892nm，當(dāng)由-Fe轉(zhuǎn)化為-Fe時(shí)，求其體積膨脹，并與a）比較，說明其差別的原因。解：a）令面心立方晶格與體心立方晶格的體積及晶格常數(shù)分別為V面、V踢與a面、a體，鋼球的半徑為r，由晶體結(jié)構(gòu)可知，對(duì)于面心晶胞有4r=2a面，a面=22/2r，V面=（a面）3=（22r

4、）3對(duì)于體心晶胞有4r=3a體，a體=43/3r，V體=（a體）3=（43/3r）3則由面心立方晶胞轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶胞的體積膨脹V為V=2×V體-V面=2.01r3B）按照晶格常數(shù)計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)變體積膨脹V實(shí)，有V實(shí)=2V體-V面=2x(0.2892)3-(0.3633)3=0.000425nm3實(shí)際體積膨脹小于理論體積膨脹的原因在于由-Fe轉(zhuǎn)化為-Fe時(shí),Fe原子的半徑發(fā)生了變化，原子半徑減小了。10.已知鐵和銅在室溫下的晶格常數(shù)分別為0.286nm和0.3607nm，求1cm3中鐵和銅的原子數(shù)。解：室溫下Fe為體心立方晶體結(jié)構(gòu)，一個(gè)晶胞中含2個(gè)Fe原子，Cu為面心立方晶體結(jié)構(gòu)， 一個(gè)

5、晶胞中含有4個(gè)Cu原子1cm3=1021nm3令1cm3中含F(xiàn)e的原子數(shù)為N Fe，含Cu的原子數(shù)為N Cu，室溫下一個(gè)Fe的晶胞題解為V Fe，一個(gè)Cu晶胞的體積為V Cu，則N Fe=1021/V Fe=1021/(0.286)3=3.5x1018N Cu=1021/V Cu=1021/(0.3607)3=2.8X101811.一個(gè)位錯(cuò)環(huán)能不能各個(gè)部分都是螺型位錯(cuò)或者刃型位錯(cuò)，試說明之。解：不能，看混合型位錯(cuò)13.試計(jì)算110晶面的原子密度和111晶向原子密度。解：以體心立方 110晶面為例110晶面的面積S=a x 2a110晶面上計(jì)算面積S內(nèi)的原子數(shù)N=2則110晶面的原子密度為=N/

6、S= 2a-2111晶向的原子密度=2/3a15.有一正方形位錯(cuò)線，其柏式矢量如圖所示，試指出圖中各段線的性能，并指出任性位錯(cuò)額外串排原子面所在的位置。D C b A BAD、BC段為刃型位錯(cuò)；DC、AB段為螺型位錯(cuò)AD段額外半原子面垂直直面向里 BC段額外半原子面垂直直面向外 第二章習(xí)題 1.證明均勻形核時(shí)，形成臨界晶粒的 Gk 與其體積 V 之間的關(guān)系為 G k = V/2Gv證明：由均勻形核體系自由能的變化 （1） 可知，形成半徑為rk的球狀臨界晶粒，自由度變化為 （2） 對(duì)（2）進(jìn)行微分處理，有 (3)將（3）帶入（1），有 （4）由于，即3V=rkS （5）將（5）帶入（4）中，則有

7、2.如果臨界晶核是邊長(zhǎng)為 a 的正方形，試求其 Gk 和 a 的關(guān)系。為什么形成立方晶核的 Gk 比球形晶 核要大？3.為什么金屬結(jié)晶時(shí)一定要有過冷度，影響過冷度的因素是什么，固態(tài)金屬融化時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)過熱，為什么？答：由熱力學(xué)可知，在某種條件下，結(jié)晶能否發(fā)生，取決于固相的自由度是否低于液相的自由度，即 ?G =GS-GL<0；只有當(dāng)溫度低于理論結(jié)晶溫度 Tm 時(shí)，固態(tài)金屬的自由能才低于液態(tài)金屬的自由能，液態(tài) 金屬才能自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬，因此金屬結(jié)晶時(shí)一定要有過冷度。 影響過冷度的因素： 影響過冷度的因素：1）金屬的本性，金屬不同，過冷度大小不同；2）金屬的純度，金屬的純度越高， 過冷度

8、越大；3）冷卻速度，冷卻速度越大，過冷度越大。 固態(tài)金屬熔化時(shí)會(huì)出現(xiàn)過熱度。原因：由熱力學(xué)可知，在某種條件下，熔化能否發(fā)生，取決于液相自 固態(tài)金屬熔化時(shí)會(huì)出現(xiàn)過熱度。原因： 由度是否低于固相的自由度，即 ?G = GL-GS<0；只有當(dāng)溫度高于理論結(jié)晶溫度 Tm 時(shí)，液態(tài)金屬的自 由能才低于固態(tài)金屬的自由能，固態(tài)金屬才能自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)金屬，因此金屬熔化時(shí)一定要有過熱度。4.試比較均勻形核和非均勻形核的異同點(diǎn)。相同點(diǎn)：均勻形核與非均勻形核具有相同的臨界晶核半徑，非均勻形核的臨界形核功也等于三分之一 .不同點(diǎn)：非均勻形核要克服的位壘比均勻形核的小得多，在相變的形核過程通常都是非均勻形核優(yōu)先進(jìn)

9、行。核心總是傾向于以使其總的表面能和應(yīng)變能最小的方式形成，因而析出物的形狀是總應(yīng)變能和總表面能綜合影響的結(jié)果。5.說明晶體成長(zhǎng)形狀與溫度梯度的關(guān)系（1）、在正的溫度梯度下生長(zhǎng)的界面形態(tài)：光滑界面結(jié)晶的晶體，若無其它因素干擾，大多可以成長(zhǎng)為以密排晶面為表面的晶體，具有規(guī)則的幾何外形。粗糙界面結(jié)構(gòu)的晶體，在正的溫度梯度下成長(zhǎng)時(shí)，其界面為平行于熔點(diǎn)等溫面的平直界面，與散熱方向垂直，從而使之具有平面狀的長(zhǎng)大形態(tài)，可將這種長(zhǎng)大方式叫做平面長(zhǎng)大方式。（2）、在負(fù)的溫度梯度下生長(zhǎng)的界面形態(tài)粗糙界面的晶體在負(fù)的溫度梯度下生長(zhǎng)成樹枝晶體。主干叫一次晶軸或一次晶枝。其它的叫二次晶或三次晶。對(duì)于光滑界面的物質(zhì)在負(fù)的

10、溫度梯度下長(zhǎng)大時(shí)，如果杰克遜因子不太大時(shí)可能生長(zhǎng)為樹枝晶，如果杰克遜因子很大時(shí)，即使在負(fù)的溫度梯度下，仍有可能形成規(guī)則形狀的晶體。6.簡(jiǎn)述三晶區(qū)形成的原因及每個(gè)晶區(qū)的性能特點(diǎn)形成原因：1）表層細(xì)晶區(qū)：低溫模壁強(qiáng)烈地吸熱和散熱，使靠近模壁的薄層液體產(chǎn)生極大地過冷， 形成原因 形成原 模壁又可作為非均勻形核的基底，在此一薄層液體中立即產(chǎn)生大量的晶核，并同時(shí)向各個(gè)方向生長(zhǎng)。 晶核數(shù)目多，晶核很快彼此相遇，不能繼續(xù)生長(zhǎng)，在靠近模壁處形成薄層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。2） 柱狀晶區(qū)：模壁溫度升高導(dǎo)致溫度梯度變得平緩；過冷度小，不能生成新晶核，但利于細(xì)晶區(qū)靠近液 相的某些小晶粒長(zhǎng)大；遠(yuǎn)離界面的液態(tài)金屬過熱，不能形

11、核；垂直于模壁方向散熱最快，晶體擇優(yōu)生長(zhǎng)。3）中心等軸晶區(qū)：柱狀晶長(zhǎng)到一定程度后，鑄錠中部開始形核長(zhǎng)大-中部液體溫度大致是均勻的，每個(gè)晶粒的成長(zhǎng)在各方向上接近一致，形成等軸晶。 性能特點(diǎn)：1）表層細(xì)晶區(qū)：組織致密，力學(xué)性能好；2）柱狀晶區(qū)：組織較致密，存在弱面，力學(xué)性 能有方向性；3）中心等軸晶區(qū)：各晶粒枝杈搭接牢固，無弱面，力學(xué)性能無方向性。 7.為了得到發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)應(yīng)采用什么措施，為了得到發(fā)達(dá)的等軸晶區(qū)應(yīng)采取什么措施？其基本原理如何？答：為了得到發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)應(yīng)采取的措施：1）控制鑄型的冷卻能力，采用導(dǎo)熱性好與熱容量大的鑄型 為了得到發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)應(yīng)采取的措施： 材料，增大鑄型的厚度，降

12、低鑄型的溫度。2）提高澆注溫度或澆注速度。3）提高熔化溫度。 基本原理：1）鑄型冷卻能力越大，越有利于柱狀晶的生長(zhǎng)。2）提高澆注溫度或澆注速度，使溫度梯度增大，有利于柱狀晶的生長(zhǎng)。3）熔化溫度越高，液態(tài)金屬的過熱度越大，非金屬夾雜物溶解得越多， 非均勻形核數(shù)目越少，減少了柱狀晶前沿液體中的形核的可能，有利于柱狀晶的生長(zhǎng)。 為了得到發(fā)達(dá)的等軸晶區(qū)應(yīng)采取的措施： 為了得到發(fā)達(dá)的等軸晶區(qū)應(yīng)采取的措施：1）控制鑄型的冷卻能力，采用導(dǎo)熱性差與熱容量小的鑄型材 等軸晶區(qū)應(yīng)采取的措施 料，增大鑄型的厚度，提高鑄型的溫度。2）降低澆注溫度或澆注速度。3）降低熔化溫度。 基本原理：1）鑄型冷卻能力越小，越有利于

13、中心等軸晶的生長(zhǎng)。2）降低澆注溫度或澆注速度，使溫度梯度減小，有利于等軸晶的生長(zhǎng)。3）熔化溫度越低，液態(tài)金屬的過熱度越小，非金屬夾雜物溶解得 越少，非均勻形核數(shù)目越多，增加了柱狀晶前沿液體中的形核的可能，有利于等軸晶的生長(zhǎng)。 第三章習(xí)題1.在正溫度梯度下，為什么純金屬凝固時(shí)不能呈樹枝狀生長(zhǎng)，而固溶體合金卻能呈樹枝狀成長(zhǎng)？純金屬凝固時(shí)，要獲得樹枝狀晶體，必需在負(fù)的溫度梯度下；在正的溫度梯度下，只能以平面狀長(zhǎng)大。而固溶體實(shí)際凝固時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生成分過冷，當(dāng)成分過冷區(qū)足夠大時(shí)，固溶體就會(huì)以樹枝狀長(zhǎng)大。2.何謂合金平衡相圖，相圖能給出任一條件下的合金顯微組織嗎？合金平衡相圖是研究合金的工具，是研究合金中

14、成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。其中二元合金相圖表示二元合金相圖表示在平衡狀態(tài)下，合金的組成相或組織狀態(tài)與溫度、成分、壓力之間關(guān)系的簡(jiǎn)明圖解。平衡狀態(tài)：合金的成分、質(zhì)量份數(shù)不再隨時(shí)間而變化的一種狀態(tài)。 合金的極緩慢冷卻可近似認(rèn)為是平衡狀態(tài)。三元合金相圖是指獨(dú)立組分?jǐn)?shù)為3的體系，該體系最多可能有四個(gè)自由度，即溫度、壓力和兩個(gè)濃度項(xiàng)，用三維空間的立體模型已不足以表示這種相圖。若維持壓力不變，則自由度最多等于3，其相圖可用立體模型表示。若壓力、溫度同時(shí)固定，則自由度最多為2，可用平面圖來表示。通常在平面圖上用等邊三角形(有時(shí)也有用直角坐標(biāo)表示的)來表示各組分的

15、濃度。不能，相圖只能給出合金在平衡條件下存在的合金顯微組織4.何謂成分過冷？成分過冷對(duì)固溶體結(jié)晶時(shí)晶體長(zhǎng)大方式和鑄錠組織有何影響？在固溶體合金凝固時(shí)，在正的溫度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所差別，導(dǎo)致固液界面前沿的熔體的溫度低于實(shí)際液相線溫度，從而產(chǎn)生的過冷稱為成分過冷。這種過冷完全是由于界面前沿液相中的成分差別所引起的。溫度梯度增大，成分過冷減小。成分過冷必須具備兩個(gè)條件：第一是固液界面前沿溶質(zhì)的富集而引起成分再分配；第二是固液界面前方液相的實(shí)際溫度分布，或溫度分布梯度必須達(dá)到一定的值。 對(duì)合金而言，其凝固過程同時(shí)伴隨著溶質(zhì)再分配，液體的成分始終處于變化當(dāng)中，液體中的溶質(zhì)成分的重新

16、分配改變了相應(yīng)的固液平衡溫度，這種關(guān)系有合金的平衡相圖所規(guī)定。利用“成分過冷”判斷合金微觀的生長(zhǎng)過程。第四章習(xí)題1.分析分析c=0.2%,wc=0.6%,wc=1.2%的鐵碳合金從液態(tài)平衡冷卻到室溫的轉(zhuǎn)變過程。c=0.2%: L-L+-(1495度)-+L-+-(727度)-+Fe3C; (=A,=F;下同)c=0.6%: L-+L-+-(727度)-+Fe3C;c=1.2%: L-+L-Fe3C+-(727度)-+Fe3C; 室溫下相組成物的相對(duì)含量:c=0.2%，滲碳體相對(duì)含量=(0.2-0.02)/6.67 %,余量鐵素體c=0.6%，滲碳體相對(duì)含量=(0.6-0.02)/6.67 %,

17、余量鐵素體c=1.2% 滲碳體相對(duì)含量=(1.2-0.02)/6.67 %,余量鐵素體室溫下組織組成物的相對(duì)含量:c=0.2%，珠光體相對(duì)含量=(0.2-0.02)/0.77%,余量鐵素體c=0.6%，珠光體相對(duì)含量=(0.6-0.02)/0.77 %,余量鐵素體c=1.2%,滲碳體相對(duì)含量=(1.2-0.77)/6.67 %,余量珠光體2.分析c=3.5%、c=4.7%的鐵碳合金從液態(tài)到室溫的平衡結(jié)晶過程，畫出冷卻曲線和組織轉(zhuǎn)變示意圖，并計(jì)算室溫下的組織組成物和相組成物。解：下圖表示c=3.5%的鐵碳合金從液態(tài)到室溫的平衡結(jié)晶過程： 下圖表示c=4.7%的鐵碳合金從液態(tài)到室溫的平衡結(jié)晶過程：

18、 3.計(jì)算鐵碳合金中二次滲碳體和三次滲碳體最大可能含量。答：鐵碳合金中二次滲碳體即Fe3C的最大可能含量產(chǎn)生在2.11%C的鐵碳合金中，因此（Fe3C）max=（2.11-0.77）/（6.69-0.77）x100%=22.64% ,三次滲碳體即Fe3C的可能最大含量在0.0218%C的鐵碳合金中，因此（Fe3C）max（0.0218-0.006）/（6.69-0.006）x100%=0.24%4.分別計(jì)算萊氏體中共晶滲碳體、二次滲碳體、共析滲碳體的含量。解：在萊氏體中，F(xiàn)e3C共晶%=（4.3-2.11）/（6.69-2.11）*100%=47.8%Fe3C%=（6.69-4.3）/（6.6

19、9-2.11）*（2.11-0.77）/（6.69-0.77）*100%=11.8%Fe3C共析%=（6.69-4.3）/（6.69-2.11）-11.8%*（0.77-0.0218）/（6.69-0.0218）*100%=4.53%5.為了區(qū)分兩種弄混的鋼，工人分別將A、B兩塊碳素鋼試樣加熱至850 保溫后緩冷， 金相組織分別為： A試樣的先共析鐵素體面積為41.6%，珠光體面積為 58.4%； B試樣的二次滲碳體面積為7.3%，珠光體面積為 92.7%； 設(shè)鐵素體和滲碳體的密度相同,鐵素體的含碳量為零， 求A、B兩種碳素鋼的含碳量。解：這兩個(gè)試樣處理后都是得到的平衡態(tài)組織，首先判斷A試樣為

20、亞共析鋼，根據(jù)相圖杠桿原理列出方程如下：(0.77-X)/(0.77-0.0218)=41.6% 這樣得到X=45.0%，大概是45鋼的成分范圍。同理B試樣為過共析鋼(6.69-X)/(6.69-0.77)=92.7%；X=1.2%，大概是T12鋼的范圍，當(dāng)然相應(yīng)地還可以利用杠桿的另外一端來求了。6.利用Fe-FeC3相圖說明鐵碳合金的成分、組織和性能的關(guān)系。從相組成物的情況來看，鐵碳合金在室溫下的平衡組織均由鐵素體和滲碳體組成，當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為零時(shí)，合金全部由鐵素體所組成，隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵素體的量呈直線下降，到wc為6.69%時(shí)降為零，相反滲碳體則由零增至100%。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

21、的變化不僅引起鐵素體和滲碳體相對(duì)量的變化，而且兩相相互組合的形態(tài)即合金的組織也將發(fā)生變化，這是由于成分的變化引起不同性質(zhì)的結(jié)晶過程，從而使相發(fā)生變化的結(jié)果，由圖3-35可見，隨碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵碳合金的組織變化順序?yàn)椋篎F+Fe3CF+PPP+ Fe3CP+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3Cwc<0.0218%時(shí)的合金組織全部為鐵素體，wc=0.77%時(shí)全部為珠光體，wc=4.3%時(shí)全部為萊氏體，wc=6.69%時(shí)全部為滲碳體，在上述碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間則為組織組成物的混合物；而且，同一種組成相，由于生成條件不同，雖然相的本質(zhì)未變，但其形態(tài)會(huì)有很大的差異。如滲碳體，當(dāng)wc<0.021

22、8% 時(shí)，三次滲碳體從鐵素體中析出，沿晶界呈小片狀分布；經(jīng)共析反應(yīng)生成的共析滲碳體與鐵素體呈交替層片狀分布；從奧氏體中析出的二次滲體則以網(wǎng)狀分布于奧氏體的晶界；共晶滲碳體與奧氏體相關(guān)形成，在萊氏體中為連續(xù)的基體，比較粗大，有時(shí)呈魚骨狀；從液相中直接析出的一次滲碳體呈規(guī)則的長(zhǎng)條狀?？梢?，成分的變化，不僅引起相的相對(duì)量的變化，而且引起組織的變化，從而對(duì)鐵碳合金的性能產(chǎn)生很大的影響。1)切削加工性能鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)切削加工性能有一定的影響。低碳鋼的平衡結(jié)晶組織中鐵素體較多，塑性、韌性很好，切削加工時(shí)產(chǎn)生的切削熱較大，容易黏刀，而且切屑不易折斷，影響表面粗糙度，因此，切削加工性能不好；高碳鋼中滲碳體較

23、多，硬度較高，嚴(yán)重磨損刀具，切削性能也不好；中碳鋼中鐵素體與滲碳體的比例適當(dāng)，硬度與塑性也比較適中，切削加工性能較好。一般說來，鋼的硬度在170250HBW時(shí)切削加工性能較好。2)壓力加工性能金屬壓力加工性能的好壞主要與金屬的鍛造性有關(guān)。金屬的鍛造性是指金屬在壓力加工時(shí)能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。鋼的鍛造性主要與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及組織有關(guān)，低碳鋼的鍛造性較好，隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鍛造性逐漸變差。由于奧氏體具有良好的塑性，易于塑性變形，鋼加熱到高溫獲得單相奧氏體組織時(shí)可具有良好的鍛造性。白口鑄鐵無論在低溫或高溫，其組織都是以硬而脆的滲碳體為基體，鍛造性很差，不允許進(jìn)行壓力加工。3)鑄造性能隨著碳質(zhì)

24、量分?jǐn)?shù)的增加，鋼的結(jié)晶溫度間隔增大，先結(jié)晶形成的樹枝晶阻礙未結(jié)晶液體的流動(dòng)，流動(dòng)性變差。鑄鐵的流動(dòng)性要好于鋼，隨碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，亞共晶白口鐵的結(jié)晶溫度間隔縮小，流動(dòng)性隨之提高；過共晶白口鐵的流動(dòng)性則隨之降低；共晶白口鐵的結(jié)晶溫度最低，又是在恒溫下結(jié)晶，流動(dòng)性最好。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋼的收縮性也有影響，一般說來，當(dāng)澆注溫度一定時(shí)，隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼液溫度與液相線溫度差增加，液態(tài)收縮增大；同時(shí)，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鋼的凝固溫度范圍變寬，凝固收縮增大，出現(xiàn)縮孔等鑄造缺陷的傾向增大。此外，鋼在結(jié)晶時(shí)的成分偏析也隨碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。 7.Fe-FeC3相圖有哪些應(yīng)用，又有哪些局限性答：鐵滲

25、碳體相圖的應(yīng)用：1）在鋼鐵選材方法的應(yīng)用；2）在鑄造工藝方法的應(yīng)用； 3）在熱鍛、熱軋、熱鍛工藝方法的應(yīng)用 ；4）在熱處理工藝方法的應(yīng)用。 滲碳體相圖的局限性 ：1）只反映平衡相,而非組織；2）只反映鐵 二元合金中相的平衡；3）不能用來分析非平衡條件下的問題 第五章習(xí)題1.試在 A、B、C 成分三角形中，標(biāo)出注下列合金的位置： 1）C=10%，C=10%，其余為 A；4）C=20%，C=30%，其余為 A；5）C=40%，A和B組元的質(zhì)量比為1:4；6）A=30%，A和B組元的質(zhì)量比為2:3；解：6）設(shè)合金含 B 組元為 WB，含 C 組元為 WC，則 WB/WC=2/3 WB+WC=1?30

26、% 可求 WB=42%，WC=28%。 2.在成分三角形中標(biāo)注 P （A=70%、B=20%、C=10%）；Q（A=30%、B=50%、C=20%）；N（A=30%、B=10%、C=60%）合金的位置，然后將5kgP合金、5kgQ合金和10kgN合金熔合在一起，試問新合金 的成分如何？ 解：設(shè)新合金的成分為 新A、新B、 新C ，則有 新A =(5×PA +5×QA +10×NA)/(5+5+10)=(5×70%+5×30%+10×30%)/20=40.0% ;新B =(5×PA +5×QA +10×NA

27、 )/(5+5+10)=(5×20%+5×50%+10×10%)/20=22.5% ;新C =(5×PA +5×QA +10×NA )/(5+5+10)=(5×10%+5×20%+10×60%)/20=37.5%;所以，新合金的成分為：新A =40.0%、新B =22.5%、新C =37.5%。 第六習(xí)題1.屈服載荷/N620252184148174273525角/（°）8372.56248.530.51765角/（°）25.5263466374.882.5k8.688×10

28、52.132×1062.922×1063.633×1063.088×106coscos0.1100.2700.3700.4600.391-0.2620.130計(jì)算方法k=s·coscos=F/A coscos4. 試用多晶體的塑性變形過程說明金屬晶粒越細(xì)強(qiáng)度越高、塑性越好的原因是什么？答：由 Hall-Petch 公式可知，屈服強(qiáng)度s 與晶粒直徑平方根的倒數(shù) d v2呈線性關(guān)系。 在多晶體中，滑移能否從先塑性變形的晶粒轉(zhuǎn)移到相鄰晶粒主要取決于在已滑移晶粒晶界附近的位錯(cuò)塞 積群所產(chǎn)生的應(yīng)力集中能否激發(fā)相鄰晶?；葡抵械奈诲e(cuò)源，使其開動(dòng)起來，從而進(jìn)

29、行協(xié)調(diào)性的多滑移。 由=n0知，塞積位錯(cuò)數(shù)目n越大，應(yīng)力集中越大。位錯(cuò)數(shù)目n與引起塞積的晶界到位錯(cuò)源的距離成正比。晶粒越大，應(yīng)力集中越大，晶粒小，應(yīng)力集中小，在同樣外加應(yīng)力下，小晶粒需要在較大的外加應(yīng) 力下才能使相鄰晶粒發(fā)生塑性變形。 在同樣變形量下，晶粒細(xì)小，變形能分散在更多晶粒內(nèi)進(jìn)行，晶粒內(nèi)部和晶界附近應(yīng)變度相差較小，引 起的應(yīng)力集中減小，材料在斷裂前能承受較大變形量，故具有較大的延伸率和斷面收縮率。另外，晶粒 細(xì)小，晶界就曲折，不利于裂紋傳播，在斷裂過程中可吸收更多能量，表現(xiàn)出較高的韌性。6.滑移和孿生有何區(qū)別，試比較它們?cè)谒苄宰冃芜^程的作用。答：區(qū)別：1）滑移：一部分晶體沿滑移面相對(duì)于

30、另一部分晶體作切變，切變時(shí)原子移動(dòng)的距離是滑移方向原 區(qū)別： 區(qū)別 子間距的整數(shù)倍；孿生：一部分晶體沿孿生面相對(duì)于另一部分晶體作切變，切變時(shí)原子移動(dòng)的距離不是 孿生方向原子間距的整數(shù)倍；2）滑移：滑移面兩邊晶體的位向不變；孿生：孿生面兩邊的晶體的位向不同，成鏡面對(duì)稱；3）滑移：滑移所造成的臺(tái)階經(jīng)拋光后，即使再浸蝕也不會(huì)重現(xiàn)；孿生：由于孿生改變了晶體取向，因此孿生經(jīng)拋光和浸蝕后仍能重現(xiàn)；4）滑移：滑移是一種不均勻的切變，它只集中在某些 晶面上大量的進(jìn)行，而各滑移帶之間的晶體并未發(fā)生滑移；孿生：孿生是一種均勻的切變，即在切變區(qū) 內(nèi)與孿生面平行的每一層原子面均相對(duì)于其毗鄰晶面沿孿生方向位移了一定的距

31、離。 作用：晶體塑性變形過程主要依靠滑移機(jī)制來完成的；孿生對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)比滑移小得多，但孿生改 變了部分晶體的空間取向，使原來處于不利取向的滑移系轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌挠欣∠?，激發(fā)晶體滑移。 7.試述金屬塑性變形后組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，闡明加工硬化在機(jī)械零構(gòu)件生產(chǎn)和服役過程中的重要 試述金屬塑性變形后組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系,意義。 答：關(guān)系：隨著塑性變形程度的增加，位錯(cuò)密度不斷增大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加，金屬的強(qiáng)度、硬度增加，而 關(guān)系： 關(guān)系 塑性、韌性下降。 重要意義：1）提高金屬材料的強(qiáng)度；2）是某些工件或半成品能夠加工成形的重要因素；3）提高零件或 構(gòu)件在使用過程中的安全性。8.金屬材料經(jīng)塑性

32、變形后為什么會(huì)保留殘留內(nèi)應(yīng)力？研究這部分殘留內(nèi)應(yīng)力有什么實(shí)際意義？ 金屬材料經(jīng)塑性變形后為什么會(huì)保留殘留內(nèi)應(yīng)力？研究這部分殘留內(nèi)應(yīng)力有什么實(shí)際意義？答： 殘余內(nèi)應(yīng)力存在的原因 1）塑性變形使金屬工件或材料各部分的變形不均勻，導(dǎo)致宏觀變形不均勻； 2）塑性變形使晶粒或亞晶粒變形不均勻，導(dǎo)致微觀內(nèi)應(yīng)力；3）塑性變形使金屬內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)或空位，使點(diǎn)陣中的一部分原子偏離其平衡位置，導(dǎo)致點(diǎn)陣畸變 內(nèi)應(yīng)力。 實(shí)際意義：可以控制材料或工件的變形、開裂、應(yīng)力腐蝕；可以利用殘留應(yīng)力提高工件的使用壽命。9.何謂脆性斷裂和塑性斷裂，若在材料中存在裂紋時(shí)，試述裂紋對(duì)脆性材料和塑性材料斷裂過程中的影響。答：塑性斷裂

33、又稱為延性斷裂，斷裂前發(fā)生大量的宏觀塑性變形，斷裂時(shí)承受的工程應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度。在塑性和韌性好的金屬中，通常以穿晶方式發(fā)生塑性斷裂，在斷口附近會(huì)觀察到大齡的塑性變形痕跡，如縮頸。金屬脆性斷裂過程中，極少或沒有宏觀塑性變形，但在局部區(qū)域任然存在著一定的微觀塑性變形。斷裂時(shí)承受的工程應(yīng)力通常不超過材料的屈服強(qiáng)度，甚至低于按宏觀強(qiáng)度理論確定的許用應(yīng)力，因此又稱為低應(yīng)力斷裂。在塑性材料中，斷裂是胃口形成、擴(kuò)大和連接的過程，在打的應(yīng)力作用下，基體金屬產(chǎn)生塑性變形后，在基體和非金屬夾雜物、析出相粒子周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，使界面拉開，或使異相顆粒折斷形成微孔。微孔擴(kuò)大和鏈接也是基體金屬塑性變形的結(jié)果。當(dāng)微

34、孔擴(kuò)大到一定的程度，相鄰微孔見的金屬產(chǎn)生較大的塑性變形后就發(fā)生微觀塑性失穩(wěn)，就像宏觀實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生縮頸一樣，此時(shí)微孔將迅速擴(kuò)大，直至細(xì)縮成一線，最后由于金屬與金屬件的連線太少，不足以承載而發(fā)生斷裂。脆性材料中，由于斷裂前既無宏觀塑性變形，又無其他預(yù)兆，并且一旦開裂后，裂紋擴(kuò)展迅速，造成整體斷裂或河大的裂口，有時(shí)還產(chǎn)生很多碎片，容易導(dǎo)致嚴(yán)重事故。10.何謂斷裂韌度，它在機(jī)械設(shè)計(jì)中有何作用？答：在彈塑性條件下，當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子增大到某一臨界值，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致材料斷裂，這個(gè)臨界或失穩(wěn)擴(kuò)展的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子即斷裂韌度。它反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展即抵抗脆斷的能力，是材料的力學(xué)性能指標(biāo)。 第七章習(xí)題1.用

35、冷拔銅絲制成導(dǎo)線，冷拔之后應(yīng)如何處理，為什么？答：冷拔之后應(yīng)該進(jìn)行退火處理。因?yàn)槔浒问窃谠俳Y(jié)晶溫度以下進(jìn)行加工，因此會(huì)引起加工硬化，所以要通過回復(fù)再結(jié)晶，使金屬的強(qiáng)度和硬度下降，提高其塑性。2.一塊厚純金屬板經(jīng)冷彎并再結(jié)晶退火后，試畫出界面上的顯微組織示意圖。3.已知W、Fe、Cu的熔點(diǎn)分別為3399、1538和1083，試估算其再結(jié)晶溫度。解：T再=Tm，其中=0.350.4，取 =0.4，則W、Fe、Cu的再結(jié)晶溫度分別為3399×0.4=1 359.6、1538×0.4=615.2和1083×0.4=433.24.說明以下概念的本質(zhì)區(qū)別：1）一次再結(jié)晶和二次

36、再結(jié)晶；2）再結(jié)晶時(shí)晶核長(zhǎng)大和再結(jié)晶后晶粒長(zhǎng)大。解：1）再結(jié)晶：當(dāng)退火溫度足夠高、時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，在變形金屬或合金的顯微組織中，產(chǎn)生無應(yīng)變的新晶粒再結(jié)晶核心。新晶粒不斷長(zhǎng)大，直至原來的變形組織完全消失,金屬或合金的性能也發(fā)生顯著變化,這一過程稱為再結(jié)晶。過程的驅(qū)動(dòng)力也是來自殘存的形變貯能。與金屬中的固態(tài)相變類似，再結(jié)晶也有轉(zhuǎn)變?cè)杏?，但再結(jié)晶前后，金屬的點(diǎn)陣類型無變化。再結(jié)晶完成后，正常的晶粒應(yīng)是均勻的、連續(xù)的。但在某些情況下，晶粒的長(zhǎng)大只是少數(shù)晶粒突發(fā)性地、迅速地粗化，使晶粒之間的尺寸差別越來越大。這種不正常的晶粒長(zhǎng)大稱為晶粒的反常長(zhǎng)大。這種晶粒的不均勻長(zhǎng)大就好像在再結(jié)晶后均勻細(xì)小的等軸晶粒中

37、又重新發(fā)生了再結(jié)晶，所以稱為二次再結(jié)晶。其發(fā)生的基本條件是正常晶粒長(zhǎng)大過程被分散相粒子、織構(gòu)或表面熱蝕等所強(qiáng)烈阻礙，當(dāng)一次再結(jié)晶組織被繼續(xù)加熱時(shí)，上述阻礙因素一旦被消除，少數(shù)特殊晶界將迅速遷移，導(dǎo)致少數(shù)晶粒變大，而大晶粒界面通常是凹向外側(cè)的，因此在晶界能的驅(qū)動(dòng)下，大晶粒將繼續(xù)長(zhǎng)大，直至相互接觸形成二次再結(jié)晶組織。二次再結(jié)晶為非形核過程，不產(chǎn)生新晶核，而是以一次再結(jié)晶后的某些特殊晶粒作為基礎(chǔ)而長(zhǎng)大的。5.分析回復(fù)和再結(jié)晶階段空位與位錯(cuò)的變化及其對(duì)性能的影響。答：回復(fù)可分為低溫回復(fù)，中溫回復(fù)以及高溫回復(fù)。低溫回復(fù)階段主要是空位濃度明顯降低。原因： 低溫回復(fù)階段主要是空位濃度明顯降低。中溫回復(fù)階段由

38、于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致異號(hào)位錯(cuò)合并而相互抵消， 此階段由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致異號(hào)位錯(cuò)合并而相互抵消，位錯(cuò) 密度有所降低，但降幅不大。所以力學(xué)性能只有很少恢復(fù)。 密度有所降低，但降幅不大。所以力學(xué)性能只有很少恢復(fù)。高溫回復(fù)的主要機(jī)制為多邊化。 多邊化 由于同號(hào)刃型位錯(cuò)的塞積而導(dǎo)致晶體點(diǎn)陣彎曲， 由于同號(hào)刃型位錯(cuò)塞積而導(dǎo)致晶體點(diǎn)陣彎曲，在退火過程中 通過刃型位錯(cuò)的攀移和滑移， 通過刃型位錯(cuò)的攀移和滑移，使同號(hào)刃型位錯(cuò)沿垂直于滑移面的方向排列成小角度的亞晶界。此過程稱為多邊（形）化。 多晶體金屬塑性變形時(shí)， 多晶體金屬塑性變形時(shí)， 金屬塑性變形時(shí)滑移通常是在許多互相交 截的滑移面上進(jìn)行， 截的滑移面上進(jìn)行，產(chǎn)

39、生由纏結(jié)位錯(cuò)構(gòu)成的胞狀組織。因此，多邊化后不僅 所形成的亞晶粒小得多， 而且許多亞晶界是由位錯(cuò)網(wǎng)組成的。對(duì)性能影響：去除殘余應(yīng)力，使冷變形的金屬件在基本保持應(yīng)變硬化狀態(tài)的條件下，降低其內(nèi)應(yīng)力，以免變形或開裂， 保持應(yīng)變硬化狀態(tài)的條件下，降低其內(nèi)應(yīng)力，以免變形或開裂， 并改善工件的耐蝕性。 并改善工件的耐蝕性。再結(jié)晶是一種形核和長(zhǎng)大的過程，靠原子的擴(kuò)散進(jìn)行。 冷變形金屬加熱時(shí)組織與性能最顯著的變化就是在再結(jié)晶階段發(fā)生的。特點(diǎn)： 1）、組織發(fā)生變化，由冷變形的伸長(zhǎng)晶粒變?yōu)樾碌牡容S晶粒； 2）、力學(xué)性能發(fā)生急劇變化，強(qiáng)度、硬度急劇下降， 應(yīng)變硬化全部消除，恢復(fù)到變形前的狀態(tài)3）、變形儲(chǔ)能在再結(jié)晶過程

40、中全部釋放。三類應(yīng)力（點(diǎn)陣畸變） 、變形儲(chǔ)能在再結(jié)晶過程中全部釋放。對(duì)性能影響： 強(qiáng)度迅速下降， 強(qiáng)度迅速下降，塑性迅速升高。冷變形金屬在加熱過程中性能隨溫度升高而變化， 冷變形金屬在加熱過程中性能隨溫度升高而變化，在再結(jié)晶階段發(fā)生突變。 6.何謂臨界變形度，在工業(yè)生產(chǎn)中有何意義。再結(jié)晶后的晶粒大小與冷變形時(shí)的變形程度有一定關(guān)系，在某個(gè)變形程度時(shí)再結(jié)晶后得到的晶粒特別粗大，對(duì)應(yīng)的冷變形程度稱為臨界變形度粗大的經(jīng)歷對(duì)金屬的力學(xué)性能十分不利，故在壓力加工時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免在臨界變形程度范圍內(nèi)進(jìn)行加工，一面再結(jié)晶后產(chǎn)生粗晶。此外，在鍛造零件時(shí)，如鍛造工藝或鍛模設(shè)計(jì)不當(dāng)，局部區(qū)域的變形量可能在臨界變形度范圍

41、內(nèi)，則退貨后造成局部粗晶區(qū)，時(shí)零件在這些部位遭到破壞。7.一塊純錫板被槍彈擊穿，經(jīng)再結(jié)晶退火后，大孔周圍的晶粒大小有何特征，并說明原因。答：晶粒異常長(zhǎng)大，因?yàn)槭茏訌棑舸┖螅罂字車a(chǎn)生了較大的變形度，由于變形度對(duì)再結(jié)晶晶粒大小有著重大影響，而且在受擊穿空洞的周圍其變形度呈現(xiàn)梯度變化，因此當(dāng)變形度達(dá)到某一數(shù)值的時(shí)候，就會(huì)得到特別粗大的晶粒了。10.金屬材料在熱加工時(shí)為了獲得較小的晶粒組織，應(yīng)該注意什么問題？答：應(yīng)該注意其變形度避開金屬材料的臨界變形度；提高再結(jié)晶退火溫度；盡量使原始晶粒尺寸較細(xì)；一般采用含有較多合金元素或雜志的金屬材料，這樣不僅增加變形金屬的儲(chǔ)存能，還能阻礙晶界的運(yùn)動(dòng)，從而起到細(xì)

42、化晶粒的作用。11.為了獲得較小的晶粒組織，應(yīng)該根據(jù)什么原則制定塑性變形以及退火工藝？答：在熱軋或鍛造過程中： 在熱軋或鍛造過程中： 1)控制變形度； 控制變形度； 控制變形度 2)控制熱軋或鍛造溫度。 控制熱軋或鍛造溫度。 控制熱軋或鍛造溫度 細(xì)化晶粒方法在熱處理過程中： 控制加熱和冷卻工藝參數(shù), 控制加熱和冷卻工藝參數(shù) 利用相變 重結(jié)晶來細(xì)化晶粒。 重結(jié)晶來細(xì)化晶粒。 對(duì)冷變形后退火態(tài)使用的合金： 1)控制變形度； 控制變形度； 控制變形度 2)控制再結(jié)晶退火溫度和時(shí)間。 控制再結(jié)晶退火溫度和時(shí)間。 控制再結(jié)晶退火溫度和時(shí)間 第八章習(xí)題1.何謂擴(kuò)散，固態(tài)擴(kuò)散有哪些種類？答：擴(kuò)散是物質(zhì)中原子（或分子）的遷移現(xiàn)象，是物質(zhì)傳輸?shù)囊环N方式。固態(tài)擴(kuò)散根據(jù)擴(kuò)散過程是否發(fā)生濃度變化可以分為自擴(kuò)散和異擴(kuò)散；根據(jù)擴(kuò)散是否與濃度梯度的方向相同可分為上坡擴(kuò)散和下坡擴(kuò)散；根據(jù)擴(kuò)散過程是否出現(xiàn)新相可分為原子擴(kuò)散和反應(yīng)擴(kuò)散。2.何謂上坡擴(kuò)散和下坡擴(kuò)散?試舉幾個(gè)實(shí)例說明之。上坡擴(kuò)散是沿著濃度升高的方向進(jìn)行擴(kuò)散，即