《金屬學(xué)與熱處理》(第二版)課后習(xí)題參考答案

1、.金屬學(xué)與熱處理第一章習(xí)題1.作圖表示出立方晶系1 2 30 -1 -24 2 1）-1 0 2、-2 1 1、3 4 6 等晶向、Y、Z5 個(gè)原子間距，2個(gè)3個(gè)原子間距，求該晶面的晶面參數(shù)。解：設(shè)X 5a，Y 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化為最小簡單整數(shù)分別為 2,5,5 故該晶面的晶面指數(shù)為（2 5 5）體心立方晶格的晶格常數(shù)為，試求出（1 0 （1 1 0（1 1 ）晶面的晶面間距，并指出面間距最大的晶面精選文檔.1 0 0）面間距為a/21 1 0）2a/1 1 1）為3a/3三個(gè)晶面晶面中面間距最大的晶面為（1 1

2、0）證明理想密排六方晶胞中的軸比123 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=解：面心立方八面體間隙半徑精選文檔.精選文檔精選文檔.面心立方原子半徑 R=2a/4，則 a=4R/2，代入上式有b）X912時(shí)的晶格常數(shù)為，-Fe-Fe-Fea）比較，說明其差別的原因。解：a）為VV 踢與aar，由晶體結(jié)構(gòu)可知，對于面心晶胞有4r=2a 面，a 面=22/2r，V 面=（a 面）3=（22r）3 對于體心晶胞

3、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=2V-V3B）按照晶格常數(shù)計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)變體積膨脹V ，有實(shí)V 實(shí)-V體實(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,Fe1cm3子數(shù)。解：室溫下Fe 2 個(gè)Fe 原子，Cu 4 個(gè)Cu 1cm3=1021nm31cm3 Fe 的原子數(shù)為，含Cu 的原子數(shù)為NFe，室溫Cu下一個(gè)Fe 的晶胞題解為V，一個(gè)Cu晶胞的體積為V，則FeCuN=1021/V=1021/(0.286)318FeFeN=1021/V=1021/(0.3607)318CuCu一個(gè)位錯(cuò)

4、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/S= 2a-2 111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。bDCbAB.AD、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Gk 與其體積 V 為 G k = 證明：由均勻

5、形核體系自由能的變化（1） 可知，形成半徑為r 的球狀臨界晶粒，自由度變化為k（2）對（2）進(jìn)行微分處理，有(3)將（3）帶入（1），有（4）由于，即3V=r S（5）k精選文檔.將（5）帶入（4）中，則有k如果臨界晶核是邊長為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 G比球形晶 核要大？k態(tài)金屬融化時(shí)是否會出現(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，取決于固相的自精選文檔.精選文檔精選文檔.由度是否低于液相的自由度，即 ?G =GS-GL0；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

6、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， ?G = GL-GS0；只有當(dāng)溫度高于理論結(jié)晶溫度 Tm 試比較均勻形核和非均勻形核的異同點(diǎn)。.總表面能綜合影響的結(jié)果。說明晶體成長形狀與溫度梯度的關(guān)系、在正的溫度梯度下生長的界面形態(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，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。簡述三晶區(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，使靠時(shí)向各個(gè)方向生長。 晶核數(shù)目多，晶核很

7、快彼此相遇，不能繼續(xù)生長，在靠近模壁處形成薄層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。不能生成新晶核，但利于細(xì)晶區(qū)靠近液 相的某些小晶粒長大；遠(yuǎn)離界面的液態(tài)金屬過熱，不能形核；垂直于模壁方向散熱最快，晶體擇中心等軸晶區(qū)：柱狀晶長到一定程度后，鑄錠中部開始形核長大-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；方向性。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)2）提高鑄型冷卻能力越大，越有利于柱狀晶的生長。2）提高澆注溫度或澆液態(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)為了得

8、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2）3）降低熔化溫度。2）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。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，而固溶體合金卻能呈樹枝狀成長？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，只能以平面狀長大。而固溶體實(shí)際凝固時(shí)，往往會產(chǎn)生成分過冷，當(dāng)成分過冷區(qū)足夠大時(shí)，固溶體就會以樹枝狀長大。2.何謂合金平衡相圖，相圖能給出任一條件下的合金顯

9、微組織嗎？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)。 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)。3 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.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。方液相的實(shí)

10、際溫度分布，或溫度分布梯度必須達(dá)到一定的值。對合金而言，其凝固過程同時(shí)伴隨著溶質(zhì)再分配，液體的成分始合金微觀的生長過程。第四章習(xí)題分析分析c=0.2%,wc=0.6%,wc=1.2%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含量:c=0.2%，滲碳體相對含=(0.2-0.02)/6.67 余量鐵素體c=0.6%，滲碳體相對含=(0.6-0.02)/6.67 余量鐵素體c=1.2%滲碳體

11、相對含=(1.2-0.02)/6.67 余量鐵素室溫下組織組成物的相對含: c=0.2%，珠光體相對含=(0.2-0.02)/0.77%,余量鐵素體c=0.6%，珠光體相對含=(0.6-0.02)/0.77 余量鐵素體c=1.2%,滲碳體相對含=(1.2-0.77)/6.67余量珠光體分析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 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：精選文檔.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：精選文檔.精選文檔精選文檔.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F

12、e C 的最大可能含量產(chǎn)生在32.11%C 的鐵碳合金中，因此（Fe C ） =（）/（）x100%=22.64%3max三次滲碳體即Fe C 的可能最大含量在0.0218%C 的鐵碳合金中，3因此（Fe C ） （）/（）x100%=0.24%3max解：在萊氏體中，F(xiàn)e C%=（）/（）*100%=47.8%3共晶Fe C %=（）/（）*（）/（）*100%=11.8%3Fe C%=（）/（）-11.8%*（）/（）*100%=4.53%3共析為了區(qū)分兩種弄混的鋼，工人分別將AB 兩塊碳素鋼試樣加熱至850 A 試樣的先共析鐵素體面積為41.658.4B 試樣的二次滲碳體面積為92.7%

13、；設(shè)鐵素體和滲碳體的密度相同鐵素體的含碳、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%45 鋼的成分范圍。同理B 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。33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wc6.69%時(shí)降為零，相反滲碳體則由零增至 100%。

14、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+FeC F+PPP+ FeC P+ FeC +LeLeLe+ FeC3 3 3 3 w0.0218=0.77%時(shí)全部為珠光cc=4.3=6.69%時(shí)全部為滲碳體，在上述碳質(zhì)cc體，當(dāng)w0.0218% 時(shí)，三次滲碳體從鐵素體中析出，沿晶界呈小片c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)則的長條狀。

15、可見，成分的變化，不僅引起相的相對量的變化，而且引起組織的變化，從而.對鐵碳合金的性能產(chǎn)生很大的影響。切削加工性能170250HBW壓力加工性能精選文檔.精選文檔精選文檔.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。鑄造性能3Fe-FeC3相圖有哪些應(yīng)用，又有哪些局限性答：鐵滲碳體相圖的應(yīng)用：在鋼鐵選材方法的應(yīng)用；在鑄造工藝方法的應(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A、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

16、；2）C=20%，C=15%，其余為 A；3）C=30%，C=15%，其余為 A；4）C=20%，C=30%，其余為 A；C=40%，A B 1:4；A=30%，A B 2:3；設(shè)合金含 B 組元為 C 組元為 WB/WC=2/3 WB+WC=1?30% WB=42%，WC=28%。在成分三角形中標(biāo)注 P（A=70、B=20、C=10；Q（A=30、B=50、C=20；（A=30、B=10、 C=60%）合金的位置，然后將5kgP5kgQ10kgN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、新A、 新B，則有新=(5P+5Q+10N )/(5+5+10)=(570%+530

17、%+10AAAA30%)/20=40.0% ;新 B=(5PA+5QA+10NA)/(5+5+10)=(520%+550%+1010%)/20=22.5% ;新 C=(5PA+5QA+10NA)/(5+5+10)=(510%+520%+1060%)/20=37.5%;所以，新合金的成分為新=40.0%、新=22.5%、新=37.5%。ABC第六習(xí)題1.屈服載620252184148174273525荷/N角/83621765（）角/2634663（）kcoscos105106106106106k計(jì)算方法=scoscos=F/A k4. 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

18、的原因是什么？Hall-Petch s 與晶粒直徑平方根的倒數(shù) d 2 呈線性關(guān)系。 在多晶體中，滑移能否從先塑性變形的晶粒v0=n 知，塞積位錯(cuò)數(shù)目n 應(yīng)力集中 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0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。答：區(qū)別：滑移：一部分晶體沿滑移面相對于另一部分晶體作切變，切孿

19、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)；滑移：滑移是一種不均勻的切變，它只集中在某些晶面上大均勻的切變，即在切變區(qū) 內(nèi)與孿生面平行的每一層原子面均相對于其毗鄰晶面沿孿生方向位移了一定的距離。作用：晶體塑性變形過程主要依靠滑移機(jī)制來完成的；孿生對使原來處于不利取向的滑移系轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌挠欣∠颍ぐl(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：重要意義：1）提高金屬材料的強(qiáng)度；是某些工件或半成品能夠加工成形的重要因素；金屬材料經(jīng)塑性變形后為什么會保留殘留內(nèi)應(yīng)

20、力？研究這部分殘留內(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)力存在的原因變形不均勻；塑性變形使晶?；騺喚ЯＷ冃尾痪鶆?，導(dǎo)致微觀內(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。何謂脆性斷裂和塑性斷裂，若在材料中存在裂紋時(shí)，試述裂紋對脆性材料和塑性材料斷裂過程中的影響。產(chǎn)生很多碎片，容易導(dǎo)致嚴(yán)重事故。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)

21、。第七章習(xí)題用冷拔銅絲制成導(dǎo)線，冷拔之后應(yīng)如何處理，為什么？ 進(jìn)行加工，因此會引起加工硬化，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。示意圖。精選文檔.已知W、Fe、Cu3399、15381083其再結(jié)晶溫度。m解：TT，其中，取，則、Fe、Cu 339915381083m說明以下概念的本質(zhì)區(qū)別：一次再結(jié)晶和二次再結(jié)晶；再結(jié)晶時(shí)晶核長大和再結(jié)晶后晶粒長大。解：1）再結(jié)晶：當(dāng)退火溫度足夠高、時(shí)間足夠長時(shí)，在變形金,金屬或合金的性能也發(fā),這一過程稱為再結(jié)晶。過程的驅(qū)動力也是來自殘存的形晶前后，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。但在某些情況精選文檔.精

22、選文檔精選文檔.結(jié)晶后的某些特殊晶粒作為基礎(chǔ)而長大的。分析回復(fù)和再結(jié)晶階段空位與位錯(cuò)的變化及其對性能的影響。制為多邊化。 多邊化 由于同號刃型位錯(cuò)的塞積而導(dǎo)致晶體點(diǎn)陣彎曲（形：1、力恢復(fù)到變形前的狀態(tài)3、變形儲能在再結(jié)晶過程中全部釋放。三類應(yīng)力（點(diǎn)陣畸變）對性能影響： 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。何謂臨界變形度，在工業(yè)生產(chǎn)中有何意義。界變形度粗大的經(jīng)歷對金屬的力學(xué)性能十分不利，故在壓力加工時(shí)，應(yīng)當(dāng)何特征，并說明原因。題？運(yùn)動，從而起到細(xì)化晶粒的作用。為了獲得較小的晶粒

23、組織，應(yīng)該根據(jù)什么原則制定塑性變形以1)2)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。1)2)第八章習(xí)題何謂擴(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。何謂上坡擴(kuò)散和下坡擴(kuò)散?試舉幾個(gè)實(shí)例說明之。碳原子由濃度較低的奧氏體向濃度較高的滲碳體擴(kuò)散，就是上坡擴(kuò) 散。化，例如鑄件的均勻化退火、滲碳等過程都是下坡擴(kuò)散。擴(kuò)散系數(shù)的物理意義是什么?影響因素有哪些？擴(kuò)散系數(shù)D=e(-Q/RT1 時(shí)的擴(kuò)散通量，D 的值越大，則擴(kuò)散越快。影響因素：固態(tài)金屬要發(fā)生擴(kuò)散，必須滿足： 1）擴(kuò)散要有驅(qū)動力擴(kuò)散原子要固溶溫度要足夠高時(shí)間要足夠長鑄造合金均勻化退火前的冷塑性變形對均勻化過程有何影響?速還是減緩? 為什么。塑性變形有細(xì)化晶粒