材料科学基础期末复习 - 图文

第六章 空位与位错

一、 名词解释

空位平衡浓度，位错，柏氏回路，P-N力，扩展位错，堆垛层错，弗兰克-瑞德位错源， 奥罗万机制，科垂耳气团，面角位错，铃木气团，多边形化

空位平衡浓度：金属晶体中，空位是热力学稳定的晶体缺陷，在一定的空位下对应一定的空位浓度，通常用金属晶体中空位总数与结点总数的比值来表示。

位错：晶体中的一种原子排列不规则的缺陷，它在某一个方向上的尺寸很大，另两个方向上尺寸很小。 柏氏回路：确定柏氏族矢量的过程中围绕位错线作的一个闭合回路，回路的每一步均移动一个原子间距，使起点与终点重合。

P-N力：周期点阵中移动单个位错时，克服位错移动阻力所需的临界切应力 扩展位错：两个不全位错之间夹有层错的位错组态

堆垛层错：密排晶体结构中整层密排面上原子发生滑移错排而形成的一种晶体缺陷。

弗兰克-瑞德位错源：两个结点被钉扎的位错线段在外力的作用下不断弯曲弓出后，互相邻近的位错线抵消后产生新位错，原被钉扎错位线段恢复到原状，不断重复产生新位错的，这个不断产生新位错、被钉扎的位错线即为弗兰克-瑞德位错源。

Orowan机制：合金相中与基体非共格的较硬第二相粒子与位错线作用时不变形，位错绕过粒子，在粒子周围留下一个位错环使材料得到强化的机制。 科垂尔气团：围绕刃型位错形成的溶质原子聚集物，通常阻碍位错运动，产生固溶强化效果。 铃木气团：溶质原子在层错区偏聚，由于形成化学交互作用使金属强度升高。

面角位错：在fcc晶体中形成于两个{111}面的夹角上，由三个不全位错和两个层错构成的不能运动的位错组态。 多边形化：连续弯曲的单晶体中由于在加热中通过位错的滑移和攀移运动，形成规律的位错壁，成为小角度倾斜晶界，单晶体因而变成多边形的过程。

二、 问答

1 fcc晶体中，层错能的高低对层错的形成、扩展位错的宽度和扩展位错运动有何影响？层错能对金属材料冷、热加工行为的影响如何？

解答：层错能高，难于形成层错和扩展位错，形成的扩展位错宽度窄，易于发生束集，容易发生交滑移，冷变形中线性硬化阶段短，甚至被掩盖，而抛物线硬化阶段开始早，热变形中主要发生动态恢复软化；层错能低则反之，易于形成层错和扩展位错，形成的扩展位错宽度较宽，难于发生束集和交滑移，冷变形中线性硬化阶段明显，热变形中主要发生动态再结晶软化。

2. 在铝单晶体中（fcc结构），

aaa[110][211][121]2661） 位错反应?]+能否进行？写出反应后扩展位错宽度的表

a[110]达式和式中各符号的含义；若反应前的2是刃位错，则反应后的扩展位错能进行何种

a[110]运动？能在哪个晶面上进行运动？若反应前的2是螺位错，则反应后的扩展位错能进

行何种运动？

2） 若（1，1，1）面上有一位错

反应，如图6－1。写出位错反应方程式，说明新位错的性质，是否可动。

3） 写出（111）与（111）两个滑移面上两全位错所分解为肖克莱不全位错的两个反应式。

4） 如果两扩展位错运动，当它们在两个滑移面交线AB相遇时，两领先不全位错为

b?aa[101]b?[011]（111）22，与面上的位错发生

aa211[121]6和6，两领先位错能否发生反应，若能，求新位错柏氏矢量；分析新形成位

??错为何种类型位错，能否自由滑移，对加工硬化有何作用。

解答： 1）对于位错反应，需要同时满足能量条件和几何条件，反应才能进行。

aaaa222a2[110][211][121]?b前?（）（1?1?02）?22， 在2?6]+6中，

2a2222a22?b后?（）（2?1?1）?2??b??b63，前后，满足能量条件；同时

aaa?b前?[110]??b后?（[?2??1）（1?2）（1?1）]?[110]262，满足几何条件，

22故反应能进行。

G（b1b2）2??，G为切弹性模量，b1、b2为不全位错柏氏矢量，γ为层扩展位错宽度

a[110]2错能。若反应前的是刃位错，则反应后的扩展位错只能在原滑移面上进行滑移；a[110]若反应前的2是螺型位错，反应后形成的扩展位错可以进行束集，与其相交面如

d?（111）（111）面相交处束集，而后过渡到面上进行运动，并有可能再次分解为扩展位错。

aab?[101]b?[011]（111）222）若（1，1，1）面上位错与面上的位错相遇，它们之间能

aaa[101]?[011]?[110]22满足能量条件和几何条件，可以发生位错反应，反应式为：2。

新位错位于（001）面上，是纯刃型位错，由于不在其滑移面{111}面上，为不可动位错。

3）（111）与（111）两个滑移面上全位错分解为肖克莱不全位错的两个反应式为：

aaa[101]?[211]?[112]111）面上的位错66（111）晶面上：2，（aaa[011]?[121]?[112]266

aa211[121]664）如果两扩展位错运动分解后的两个领先不全位错为和，两领先位错之

a[110]间依据能量条件和几何条件要求，可以判断位错反应可以进行。新位错柏氏矢量为6；

??新形成位错为在（001）面上刃型位错，牵制到其它两个不全位错和两个层错均不能运动，会引起冷加工中的加工硬化。

Gb2RES?ln4?r0。若金属材料亚晶尺寸为R=10-3~10-4cm，r0约为3 螺旋位错的能量公式为

10-8cm，铜的G＝4×106N/cm2，b＝2.5×108cm。

（1）试估算Es

（2）估算Cu中长度为1个柏氏矢量的螺型位错割阶的能量。 解答：1）将各参数带入公式中可以计算得到Es＝0.73~0.92Gb2；

－

2）Cu中长度为1个柏氏矢量的螺型位错割阶的能量约为（1.725~2.3）×1011J/cm2。 4 平衡空位浓度与温度有何关系？高温淬火对低温扩散速度有何影响？

－

解答：平衡空位浓度形成能。，即温度越高，空位浓度越大。高温淬火后由于高浓度空位被保留至低温，对低温加热扩散有促进作用。

5 已知Al的空位形成能为0.76eV，问从27? 升温到627? 时空位浓度增加多少倍（取系数A=1）

5 解答：平衡空位浓度－－1019 J），k＝1.38×1023 J/K，系数A=1。计算可得27? （300K）时空位浓度C1＝1.7×10－13－

，627? 时空位浓度为C2＝5.54×105，故从27? 升温到627? 时空位浓度增加

C?Aexp（?EV）kT，A为材料常数，k＝1.38×10－23 J/K，Ev为空位

C?Aexp（?EV）kT，Al的空位形成能为0.76eV＝0.76×（1.602×

C2?3.258?108C1倍。

6 在一个刃型位错附近放置另一个与之平行同号的另一个刃型位错，其位置如图6－2所示1，2，3，问它们在滑移面上受力方向如何？

解答：两平行同号刃型位错之间滑移面上的受力：

Gbb?x（x2?y2）Fx?22?（1??）（x2?y2），G为切弹性模量，

b，b?为两刃型位错的柏氏矢量，ν为泊松比。 故位置1位错受斥力，位置2位错处于亚稳平衡， 偏离该位置则远离或运动到与原点处位错垂直的地方。 位置3处第二个位错处于与原点处位错垂直的上方， 处于稳定态。

3 2 1 图6－2

7、位错对金属材料有何影响？

解答：位错是晶体中的缺陷，对材料有许多重要影响。 1） 对变形影响。通过位错运动完成塑性变形；

2） 对性能影响，与第二相粒子，通过切过或绕过机制强化材料，冷加工中位错密度增加也

能强化材料，或通过形成科垂尔气团强化材料，以及位错运动中相互交截，或形成割阶、面角位错等使材料强化；

3） 对再结晶中的晶核形成机制有影响； 是优先扩散通道。

第七章 金属塑性变形

一 名词解释

固溶强化，应变时效，孪生，临界分切应力，变形织构 固溶强化：固溶体中的溶质原子溶入基体金属后使合金变形抗力提高，应力－应变曲线升高，塑性下降的现象； 应变时效：具有屈服现象的金属材料在受到拉伸等变形发生屈服后，在室温停留或低温加热后重新拉伸又出现屈服效应的情况； 孪生：金属塑性变形的重要方式。晶体在切应力作用下一部分晶体沿着一定的晶面（孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另外一部分晶体作均匀的切变，使相邻两部分的晶体取向不同，以孪晶面为对称面形成镜像对称，孪晶面的两边的晶体部分称为孪晶。形成孪晶的过

程称为孪生；

临界分切应力：金属晶体在变形中受到外力使某个滑移系启动发生滑移的最小分切应力； 变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构。 二 问答

1 单相合金的冷塑性变形与纯金属的室温塑性变形相比，有何特点。

简答：纯金属变形主要借助位错运动，通过滑移和孪生完成塑性变形，开动滑移系需要临界切应力，晶体中还会发生扭转；单相合金的基本变形过程与纯金属的基本过程是一样的，但会出现固溶强化，开动滑移系需要临界切应力较大，还有屈服和应变时效现象。 2 金属晶体塑性变形时，滑移和孪生有何主要区别？ 简答：滑移时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍，孪生时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍；滑移时滑移面两边晶体的位向不变，而孪生时孪生面两边的晶体位向不同，以孪晶面形成镜像对称；滑移时需要的临界分切应力小，孪生开始需要的临界分切应力很大，孪生开始后继续切变时需要的切应力小，故孪生一般在滑移难于进行时发生。 3 A-B二元系中，A晶体结构是bcc，形成α固溶体，B晶体结构是fcc，形成β固溶体，A与B形成?相，其晶体结构是hcp：

1） 指出?，?，?三个相的常见滑移系；

2） 绘出它们单晶变形时应力-应变曲线示意图，试解释典型低层错能面心立方单晶体的加工硬化曲线，并比较与多晶体加工硬化曲线的差别。

简答：1）α的滑移系为{110}<111>，?相的常见滑移系为{111}<110>，?相的常见滑移系为（0001）<1120>。2）它们单晶变形时应力-应变曲线示意图如图。 典型的面心立方单晶体的加工硬化曲线可以分为三个阶段。当切应力达到晶体的临界分切应力时，其应力-应变曲线近似为直线，称为易滑移阶段，此时加工硬化率很小，滑移线细长，分布均匀；随后加工硬化率显著增加，称为线性硬化阶段，滑移系在几组相交的滑移系上发生，位错彼此交截，滑移线较短；第三阶段称为抛物线硬化阶段，加工硬化随应变增加而减少，出现许多碎断滑移带，滑移带端部出现交滑移痕迹。

多晶体加工硬化曲线一般不出现易滑移的第一阶段，而加工硬化率明显高于单晶体。 4 简述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构的成因及对金属材料性能的影响。 简答：冷加工纤维组织是纯金属和单相合金在冷塑性变形时和变形度很大的条件下，各晶粒伸长成纤维状；带状组织是复相合金在冷塑性变形和变形度大的条件下第二相被破碎或伸长，沿变形方向成带状分布而形成的；变形织构是金属和合金在在冷塑性变形时晶粒发生择优取向而形成的。 上述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构都使材料的性能具有方向性，即在各个方向上的性能不均，对使用性能有不良影响，但少数金属材料，如用作变压器的硅钢片，各向异性能更好满足使用要求。

5 为什么金属材料经热加工后机械性能较铸造态好。 简答：金属材料经热加工后机械性能较铸造态好的主要原因是热加工时的高温、大变形量使气泡、疏松和微裂纹得到机械焊合，提高了材料的致密性，消除了铸造缺陷，同时改善夹杂物和脆性相的形态、大小和分布，使枝晶偏析 程度减弱，合金成分均匀性提高，热加工中形成合理的加工流线，热加工还可使金属显微组织细化，这些都可以提高金属材料的性能。 6 何为加工硬化？列出产生加工硬化的各种可能机制。（不必说明），加工硬化现象在工业上有哪些作用？

简答：金属材料经冷加工后，强度增加，硬度增加，塑性降低的现象称为加工硬化。产生加工硬化的各种可能机制有滑移面上平行位错间的交互作用的平行位错硬化理论，以及滑移面上位错与别的滑移面上位错林切割产生割阶的林位错强化理论。 加工硬化在实际生产中用来控制和改变金属材料的性能，特别是对不能热处理强化的合金和纯金属尤为重要，可以进行热处理强化的合金，加工硬化可以进一步提高材料的强度；加工硬化是实现某些工件和半成品加工成型的主要因素；加工硬化也会带来塑性降低，使变形困难的影响，还会使材料在使用过程中尺寸不稳定，易变形，降低材料耐蚀性。

7 铝单晶体拉伸时，其力轴为[001]，一个滑移系的临界分切应力为0.79MN/m2，取向因子

COS?COS?=0.41,试问有几个滑移系可同时产生滑移？开动其中一个滑移系至少要施加多大的拉应力？

简答：可有8个滑移系同时产生滑移（可以通过计算fcc的滑移系与[001]方向的夹角得到此结果）。开动其中一个滑移系至少要施加的拉应力为

??9 简要说明第二相在冷塑性变形过程中的作用。 简答：第二相在冷塑性变形过程中的作用一般是提高合金强度，但还取决于第二相的种类数量颗粒大小形状分布特点及与基体结合界面结构等，对塑性变形影响复杂。第二相强度高于基体但有一定塑性，其尺寸、含量与基体基本接近，则合金塑性是两相的变形能力平均值。第二相硬、脆，合金变形只在基体中进行，第二相基本不变形；第二相均匀、弥散分布在固溶体基体上，可以对合金产生显著强化作用。 10 讨论织构的利弊及控制方法。

简答：织构由晶粒择优取向形成，变形织构对再结晶织构形成有主要影响，织构造成材料性能各向异性。各向异性在不同情况需要避免或利用。织构控制可以通过控制合金元素的种类和含量、杂质含量、变形工艺（如变向轧制）和退火工艺等多种因素的配合。 11 叙述金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化。 简答：金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化主要有晶粒被拉长，形成纤维组织，冷变形程度很高时，位错密度增高，形成位错缠结和胞状组织，发生加工硬化，，变形金属中出现残余应力，金属在单向塑性变形时出现变形织构。

12 图7－1所示低碳钢的三条拉伸曲线，1－塑性变形；2－去载后立即再行加载；3－去载后时效再加载。试回答下列问题：

1） 解释图示曲线2无屈服现象和曲线3的屈服现象。

2） 屈服现象对金属变形制件表面质量有何影响，如何改善表面质量。

简答： 1）屈服现象是由溶质原子与位错交互作用产生气团产生的，在外力作用下使位错挣脱溶质原子的钉扎，材料出现屈服现象，曲线2在位错脱离钉扎后溶质原子来不及重新聚集形成气团，故无屈服现象；曲线3在出现屈服后时效再加载，溶质原子可以重新聚集形成气团，故又出现屈服现象；

2）屈服现象使金属材料在拉伸和深冲过程中变形不均匀，造成工件表面不平整。可以通过加入与溶质原子形成稳定化合物的其它元素，减少间隙溶质原子含量，减少气团，消除或减轻屈服现象，或在深冲之前进行比屈服伸长范围稍大的预变形，使位错挣脱气团的钉扎，然后尽快深冲。 13 退火纯Fe，其晶粒尺寸d=1/4mm时，其屈服点?s=100MNm-2；d=1/64mm时?s=250MNm-2。d=1/16mm时，根据霍尔—配奇公式求其?s为多少？ 简答：根据霍尔—配奇公式：?s??0?kd1?k0.79??1.93(MN/m 2)cos?cos?0.41

?121，则按照题意有：

1?21?2100??0?k（）250??0?k（）464和，可以解得?0＝50，k＝25，故可求得当1?2（）d=1/16mm时，根据霍尔—配奇公式求得?s＝50＋25×16＝150 MNm-2。

1第八章 回复与再结晶

1 名词

变形织构与再结晶织构，再结晶全图，冷加工与热加工，带状组织，加工流线，动态再结晶，临界变形度，二次再结晶，退火孪晶 变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构； 再结晶织构是具有变形织构的金属经过再结晶退火后出现的织构，位向于原变形织构可能相同或不同，但常与原织构有一定位向关系。

再结晶全图：表示冷变形程度、退火温度与再结晶后晶粒大小的关系（保温时间一定）的图。 冷加工与热加工：再结晶温度以上的加工称为热加工，低于再结晶温度又是室温下的加工称为冷加工。

带状组织：多相合金中的各个相在热加工中可能沿着变形方向形成的交替排列称为带状组织；

加工流线：金属内部的少量夹杂物在热加工中顺着金属流动的方向伸长和分布，形成一道一道的细线；

动态再结晶：低层错能金属由于开展位错宽，位错难于运动而通过动态回复软化，金属在热加工中由温度和外力联合作用发生的再结晶称为动态再结晶。 临界变形度：再结晶后的晶粒大小与冷变形时的变形程度有一定关系，在某个变形程度时再结晶后得到的晶粒特别粗大，对应的冷变形程度称为临界变形度。 二次再结晶：某些金属材料经过严重变形后在较高温度下退火时少数几个晶粒优先长大成为特别粗大的晶粒，周围较细的晶粒逐渐被吞掉的反常长大情况。

退火孪晶：某些面心立方金属和合金经过加工和再结晶退火后出现的孪晶组织。 2 问答

1 再结晶与固态相变有何区别？

简答：再结晶是一种组织转变，从变形组织转变为无畸变新晶粒的过程，再结晶前后组织形态改变，晶体结构不变；固态相变时，组织形态和晶体结构都改变；晶体结构是否改变是二者的主要区别。

2 简述金属冷变形度的大小对再结晶形核机制和再结晶晶粒尺寸的影响。

简答：变形度较小时以晶界弓出机制形核，变形度大的高层错能金属以亚晶合并机制形核，变形度大的低层错能金属以亚晶长大机制形核。 冷变形度很小时不发生再结晶，晶粒尺寸基本保持不变，在临界变形度附近方式再结晶晶粒特别粗大，超过临界变形度后随变形度增大，晶粒尺寸减少，在很大变形度下，加热温度偏高，少数晶粒发二次再结晶，使部分晶粒粗化。

3 灯泡中W丝在高温下工作，发生显著晶粒长大性能变脆，在热应力作用下破断，试找出两种延长钨丝寿命的方法？

简答：灯泡中W丝在高温下工作，晶粒长大后在热应力作用下破断，延长钨丝寿命的方法可以加入第二相质点阻止晶粒在加热时长大，如加入ThO2颗粒；或在烧结中使制品中形成微细的空隙也可以抑制晶粒长大，如加入少量K、Al、Si等杂质，在烧结时汽化形成极小的气泡。

4 户外用的架空铜导线（要求一定的强度）和户内电灯用花线，在加工之后可否采用相同的最终热处理工艺？为什么？

简答： 户外用的架空铜导线要求一定的强度可以进行回复退火，只去应力，保留强度；户内电灯用花线可以进行再结晶退火，软化金属，降低电阻率。

5 纯铝经90%冷变形后，取三块试样分别加热到70? ，150? ，300? ，各保温一小时后空冷，纯铝的熔点为660?。

1） 分析所得组织，画出示意图；

2） 说明它们强度、硬度的高低和塑性方面的区别并简要说明原因。

简答：1）纯铝经90%冷变形后在70? ，150? ，300? 保温后空冷的组织示意图如图。

2）纯铝试样强度、硬度以70? 退火后最高，150? 退火试样的强度、硬度次之，300? 保温后强度、硬度最低，而塑性则以70? 退火后最低，150? 退火试样的居中，300? 保温后塑性最好；工业纯金属的再结晶温度一般可用T再＝（0.3~0.4）T熔估计，故纯铝的再结晶温度为100?左右，在70℃保温合金只是发生回复，显微组织仍保持加工状态，强度。硬度最高，塑性差，组织为纤维组织；150? 加热发生再结晶，强度、硬度下降，塑性好，300? 保温后发生晶粒长大，强度、硬度进一步下降，塑性很好。

7 今有工业纯钛、纯铝和纯铅铸锭，试问如何选择它们的轧制开坯温度？开坯后，将它们在室温（20℃）进行轧制，它们的塑性谁好谁坏？为什么？它们在室温下可否连续轧制下去？钛、铅、铝分别怎样才能轧成很薄的带材？ 已知：工业纯金属的再结晶温度T再=（0.3-0.4）T熔，钛熔点1672℃，883℃以下为hcp，883℃以上为bcc；铝熔点为660℃，fcc结构（面心立方）；铅熔点为327℃，fcc结构（面心立方）。

简答：可计算得到三种纯金属的再结晶温度大约为纯钛：550℃，纯铝：100℃，纯铅低于0℃。金属的轧制开坯温度要在再结晶温度以上进行，故工业纯钛、纯铝和纯铅铸锭的轧制开坯温度可分别取200℃，800℃，室温即可。

开坯后在室温轧制，铅的塑性最好，铝的塑性也较好，钛的塑性最差。在室温下纯铝和纯铅可以连续轧制，并获得很薄的带材，但纯钛不能继续轧制，要获得很薄的带材需要在再结晶温度以上反复进行轧制。

8 试说明晶粒大小对金属材料室温及高温力学性能的影响，在生产中如何控制材料的晶粒度。

简答：晶粒大小对金属材料的室温力学性能可用Hall－Petch公式?s??0?kd描述，晶粒越细小，材料强度越高；高温下由于晶界产生粘滞性流动，发生晶粒沿晶界的相对滑动，并产生扩散蠕变，晶粒太细小金属材料的高温强度反而降低。

生产中可以通过选择合适的合金成分获得细小晶粒，利用变质处理，振动、搅拌，加大过冷度等措施细化铸锭晶粒，利用加工变形细化晶粒，合理制订再结晶工艺参数控制晶粒长大。 9 如何提高固溶体合金的强度

简答：固溶强化，细晶强化，加工硬化，第二相强化，相变（热处理）强化等。 10 试用位错理论解释固溶强化，弥散强化，以及加工硬化的原因。 简答： 固溶强化的可能位错机制主要是溶质原子气团对位错的钉扎，增加了位错滑移阻力。如溶质原子与位错的弹性交互作用的科垂尔气团和斯诺克气团，溶质原子与扩展位错交互作用的铃木气团使层错宽度增加，位错难于束集，交滑移困难；溶质原子形成的偏聚和短程有序，位错运动通过时破坏了偏聚和短程有序使得能量升高，增加位错的阻力，以及溶质原子与位错的静电交互作用对位错滑移产生的阻力使材料强度升高。

弥散强化也是通过阻碍位错运动强化材料，如位错绕过较硬、与基体非共格第二相的Orowan机制和切割较软、与基体共格的第二相粒子的切割机制。

产生加工硬化的各种可能机制有滑移面上平行位错间的交互作用的平行位错硬化理论，以及滑移面上位错与别的滑移面上位错林切割产生割阶的林位错强化理论。

?12第九章 表面与界面

1 名词

正吸附，晶界能，小角度晶界，晶界偏析 正吸附：材料表面原子处于结合键不饱和状态，以吸附介质中原子或晶体内部溶质原子达到平衡状态，当溶质原子或杂质原子在表面浓度大于在其在晶体内部的浓度时称为正吸附； 晶界能：晶界上原子从晶格中正常结点位置脱离出来，引起晶界附近区域内晶格发生畸变，与晶内相比，界面的单位面积自由能升高，升高部分的能量为晶界能；

小角度晶界：多晶体材料中，每个晶粒之间的位向不同，晶粒与晶粒之间存在界面，若相邻晶粒之间的位向差在10°～2°之间，称为小角度晶界；

晶界偏聚：溶质原子或杂质原子在晶界或相界上的富集，也称内吸附，有因为尺寸因素造成的平衡偏聚和空位造成的非平衡偏聚。 2 问答

1 试说明界面对复合材料结合强度的影响。

简答： 复合材料由颗粒或纤维与基体构成，存在大量界面。按照显微结构，其界面层可以区分为基体与复合物的机械固体啮合结合、形成化学反应的化合层结合、形成完全或部分固溶体的结合几种情况。结合层的结合面体积分数越大，结合层强度越高，基体与复合物之间的结合键力越大，结合强度越高。 2 试述晶界的特性。

简答： 晶界具有晶界能，容易发生溶质原子和杂质原子的晶界偏聚，是原子易扩散通道，晶界在加热时会发生迁移，晶界是相变等优先形核的地方，晶界易受腐蚀，晶界增多在室温下强化材料，在高温下弱化材料强度，晶界处易于析出第二相，晶界容易使位错塞积，造成应力集中，晶界上原子排列混乱。 3 分析晶界能的变化。

简答：一般金属的晶界能与晶粒位向差有关，并随位向差增大而增大，小角度晶界的晶界能

小于大角度晶界的晶界能，但大角度晶界能一般可以看成常数，约为（5～6）×105J/cm2。 4 分析影响晶界迁移的因素。

简答： 影响晶界迁移的因素主要有界面能、溶质原子、第二相质点数量、尺寸和温度。界面能降低是晶界迁移的驱动力，与晶界曲率半径成反比，与界面的表面能成正比，因此大角度晶界迁移率总是大于小角度晶界的迁移率；溶质原子阻碍晶界迁移；第二相质点数量越多、尺寸越小对晶界的迁移阻碍作用越大，温度越高晶界迁移越快。

－

第十章 原子扩散

1、 简要说明影响溶质原子在晶体中扩散的因素。

简答： 影响扩散的因素主要有温度，温度越高，扩散越快；晶体缺陷如界面、晶界位错容易扩散；不同致密度的晶体结构溶质原子扩散速度不一样，低致密度的晶体中溶质原子扩散快，各向异性也影响溶质原子扩散；在间隙固溶体中溶质原子扩散容易；扩散原子性质与基体金属性质差别越大，扩散越容易；一般溶质原子浓度越高，扩散越快；加入其它组元与溶质原子形成化合物阻碍其扩散。

＋

2、Ni板与Ta板中有0.05mm厚MgO板作为阻挡层，1400℃时Ni通过MgO向Ta中扩散，

＋－－

此时Ni在MgO中的扩散系数为D=9×1012cm2/s，Ni的点阵常数为3.6×108cm。问每秒

＋

钟通过MgO阻挡层在2×2cm2的面积上扩散的Ni数目，并求出要扩散走1mm厚的Ni层需要的时间。

解答：Ni为fcc结构，一个晶胞中的原子个数为4，依题意有：

在Ni/MgO界面镍板一侧的Ni的浓度CNi为100%，每cm3中Ni原子个数为：

－

NNi/MgO=(4原子/晶胞)/(3.6×108cm3)=8.57×1022原子/cm3，

在Ta/MgO界面Ta板一侧的Ni的浓度0%，这种扩散属于稳态扩散，可以利用菲克第一定律求解。

故浓度梯度为dc/dx＝（0－8.57×1022原子/cm3）/（0.05cm）＝－1.71×1024原子/（cm3.cm）， 则Ni原子通过MgO层的扩散通量：

－

J＝－D（dc/dx）=－9×1012cm2/s×(－1.71×1024原子/（cm3.cm）) =1.54×1013Ni原子/（cm2.s)

每秒钟在2×2cm2的面积上通过MgO层扩散的Ni原子总数N为 N＝J×面积＝[1.54×1013Ni原子/（cm2.s)]×4cm2=6.16×1013Ni原子/s。

N总原子数，故 每秒钟从界面扩散走的Ni原子体积

－

V＝（6.16×1013Ni原子/s）/（8.57×1022原子/cm3）＝0.72×109cm3/s， 用厚度d表示在该面积中每秒扩散的Ni原子为

－－

d＝V/面积＝（0.72×109cm3/s）/（2×2cm2）＝1.8×1010cm/s， 也就是说要将1mm厚的Ni层扩散掉，所需时间t为：

－

t＝（1mm）/（1.8×1010cm/s）＝556000秒＝154小时。

3、对含碳0.1％齿轮气体渗碳强化，渗碳气氛含碳1.2％，在齿轮表层下0.2cm处碳含量为0.45%时齿轮达到最佳性能。已知铁为FCC结构，C在Fe中的D0＝0.23，激活能Q＝32900cal/mol，误差函数如表10－1。 1）试设计最佳渗碳工艺；

2）在渗碳温度不变，在1000℃时渗碳，要将渗碳厚度增加1倍，即要求在其表面下0.4cm处渗碳后碳含量为0.45%所需渗碳时间。

xxerf(2Dt) 0.0000 0.1125 V?N扩散走的原子xxerf(2Dt) 0.6778 0.7421 表10－1 2Dt与erf(2Dt)的对应值 x2Dt 0.0 0.1 x2Dt 0.7 0.8 x2Dt 1.4 1.5 xerf(2Dt) 0.9523 0.9661 0.2 0.3 0.4 0.5 0.2227 0.3286 0.4284 0.5205 0.9 1.0 1.1 1.2 0.7969 0.8247 0.8802 0.9103 1.6 1.7 1.8 1.9 0.9763 0.9838 0.9891 0.9928 0.6 0.6039 1.3 0.9340 2.0 0.9953 解答：1）渗碳情况符合菲克第二定律的特殊解的应用条件，可以利用菲克第二定律进行解CS?CXX?erf（）C?C4Dt 0决。菲克第二定律特殊解公式：S其中依题意有Cs＝1.2，C0=0.1，Cx=0.45，x=0.2。

1.2?0.450.20.1?erf（）erf ()?0.681.2?0.14DtDt 带入上式，则有，即：

0.1?0.71从表10－1可以得出误差函数值，有Dt ，Dt＝(0.1/0.71)2=0.0198cm2。

任何满足Dt＝0.0198cm2关系的工艺均可，由于扩散与温度、时间有关，

D=D0exp(-Q/RT)，带入C在Fe中的D0＝0.23，激活能Q＝32900cal/mol， D=0.23exp(-32900cal/mol/1.987（cal/mol.K）T)=0.23exp(-16558/T)，

因此由Dt＝(0.1/0.71)2=0.0198cm2，渗碳时间与渗碳温度的关系为：

故可以列出一些典型的渗碳温度与时间如下： T＝900℃=1173K，则t=116174s=32.3h； T＝1000℃=1273K，则t=36360s=10.7h； T＝1100℃=1373K，则t=14880s=4.13h； T＝1200℃=1473K，则t=6560s=1.82h。

可以根据上述温度与时间的关系，考虑合金相变和加热炉、生产效率进行合理选择，一般以1000℃左右较为合适。

2）在渗碳温度和其它条件不变的情况下，要求渗碳深度增加一倍，由1）可知有关系

0.0198(cm2) 0.0861t??-16588D (cm2 .s )exp()T

1.2?0.450.4?erf（）1.2?0.14Dt存在，可以解得t＝42.7h；

4 一块厚度10毫米，含碳量0.77%的钢在强脱碳气氛中加热到800℃，然后缓慢冷却，试指出试样从表面到心部的组织分布。

简答：由于反应扩散的原因，试样中不能出现两相区，故试样从表面到心部的组织最外层为α相，靠里层为γ相，心部不受脱碳影响为α相和γ相。

5 一块用作承载重物的低碳钢板，为提高其表面硬度采用表面渗碳，试分析：

1) 渗碳为什么在?-Fe中进行而不在?-Fe中进行，即渗碳温度选择要高于727? ，为什么？ 2) 渗碳温度高于1100? 会出现什么问题？

简答：1）渗碳在?-Fe中进行而不在?-Fe中进行，渗碳温度要高于727? ，是因为?-Fe中最大碳溶解度（质量分数）为0.0218％，对于碳含量大于0.0218％的钢铁，渗碳时零件中碳浓度梯度为0，渗碳无法进行；而且由于温度低，扩散系数小，渗碳缓慢。在?-Fe中进行则可获得较高的表层碳浓度梯度，温度也高，可使渗碳顺利进行。 2）渗碳温度高于1100? 会使钢板的晶粒长大，降低其机械性能。

6 铜-锌基单相固溶体进行均匀化处理，试讨论如下问题：

1) 在有限时间内能否使枝晶偏析完全消失？

2) 将此合金均匀化退火前进行冷加工，对均匀化过程是加速还是无影响？说明理由。

简答：1）在有限的时间内不可能使枝晶偏析完全消失，

2）冷加工可以促进均匀化过程；经过冷加工后枝晶被破碎，缩短了枝晶间距。 7 原子扩散在材料中的应用

原子扩散在材料中的影响包括晶体凝固时形核、长大；合金的成分过冷；成分均匀化，包晶反应非平衡凝固时保留高温组织的特点，固态相变时的形核，晶界形核、晶界运动、晶界偏聚、高温蠕变，氧化，焊接，化学热处理（渗C、N等），粉末冶金，涂层等各方面。 8 何谓上坡扩散，举两个实例说明金属中上坡扩散现象。 解答：上坡扩散是扩散过程中扩散元素从低浓度向高浓度出扩散；如各种溶质原子气团的形成和共析反应产物的形成均为上坡扩散。 9、简述固溶体合金的扩散机制 简答：间隙固溶体中溶质原子在间隙中发生间隙扩散，在置换式固溶体中发生原子与空位交换实现扩散的空位机制。

中南大学考试试卷99级试题

一、名词解释（5分×8） 1、 金属玻璃 2、 金属间化合物 3、 离异共晶 4、 晶界偏聚

5、 科垂尔气团（Cottrell Atmosphere） 6、 孪生 7、 反应扩散 8、 变形织构 参考答案：

1.金属玻璃：指金属从液态凝固后其结构与液态金属相同的固体；

2.金属间化合物：金属与金属、金属与某些非金属之间形成的化合物，结构与组成金属间化合物的纯金属不同，一一般具有熔点高、硬度高、脆性大的特点。

3.离异共晶：有共晶反应的合金中，如果成分离共晶点较远，由于初晶数量多，共晶数量很少，共晶中与初晶相同的相依附初晶长大，共晶中另外一个相呈现单独分布，使得共晶组织失去其特有组织特征的现象；

4.晶界偏聚：由于晶内与晶界上的畸变能差别或由于空位的存在使得溶质原子或杂质原子在晶界上的富集现象；

5.科垂尔气团：溶质原子在刃型位错周围的聚集的现象，这种气团可以阻碍位错运动，产生固溶强化效应等结果；

6.孪生：是晶体塑性变形的一种重要方式，晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分晶体作均匀切变，使得相邻部分晶体取向不同，并以切变晶面（孪晶面）成镜面对称；

7.反应扩散：伴随有化学反应而形成新相的扩散称为反应扩散，如从金属表面向内部渗入金属时，渗入元素浓度超过溶解度出现新相；

8.变形织构：经过塑性变形后原来多晶体中位向不同的晶粒变成取向基本一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构为织构，若织构是在塑性变形中产生的，称为变形织构。

二、问答题 1、（10分）标出hcp晶胞中晶面ABCDEF面、ABO面的晶面指数， OC方向、OC方向的晶向指数。这些晶面与晶向中，那些可构成滑移系？指出最容易产生滑移的滑移系。

参考答案：

ABCDEF面的晶面指数为（0001）或（001）；ABO?面的晶面指数为(1011)； OC方向的晶向指数为[1210]或[010]；OC?方向的晶向指数为[1213]或[011]；（0001）与[1210]、

(1011)与[1210]可构成滑移系；其中滑移系（0001）[1210]容易产生滑移。

aaa[211]?[121]?[1101]662、（10分）判断6位错反应在面心立方晶体中能否进行？若

两个扩展位错的领先位错发生上述反应，会对面心立方金属性能有何影响。

参考答案：

参照几何条件和能量条件要求，位错反应可以进行；反应后位错不可动，影响晶体的加工硬化机制和断裂性能。 3、（10分）写出非稳态扩散方程的表达式，说明影响方程中扩散系数的主要因素。 参考答案：

?C??t非稳态扩散方程的表达式为

?(D?c)?x?x，若扩散系数D不随浓度变化，则可以简化为

?C?2c?D2?t?x；影响方程中扩散系数的主要因素有温度、晶体结构、晶体缺陷、固溶体类型、

扩散元素性质、扩散组元浓度等。 4、（10分）指出影响冷变形后金属再结晶温度的主要因素。要获得尺寸细小的再结晶晶粒，有那些主要措施，为什么? 参考答案：

影响冷变形后金属再结晶温度的主要因素有：变形程度、微量杂质和合金元素、金属晶粒度、加热时间、加热速度；要获得尺寸细小的再结晶晶粒主要措施有：加大冷变形程度，加入微量合金元素，提高加热速度、采用细晶粒金属。 5、（15分）试述针对工业纯铝、Al－5％Cu合金、Al－5％Al2O3复合材料分别可能采用那些主要的强化机制来进行强化。 参考答案：

对工业纯铝主要的强化机制为加工硬化、细晶强化；Al－5％Cu合金的强化机制为固溶强化、沉淀强化、加工硬化、细晶强化；Al－5％Al2O3复合材料的强化机制为加工硬化、细晶强化、弥散强化。 6、（15分）请在如下Pb－Bi－Sn相图中 （1） 写出三相平衡和四相平衡反应式；

（2） 标出成分为5％Pb，65％Bi与30％Sn合金所在位置，写出该合金凝固结晶过程，画

出并说明其在室温下的组织示意图。

参考答案：

（1） 三相平衡反应式：E2E线：L→Bi＋Sn；E1E线：L→Bi＋Pb；E点为四相平衡，其反应式为L→Bi＋Sn＋Pb。 （2） 合金所在位置（略）；该合金凝固过程为：析出初晶L→Bi，剩余液相析出二元共晶，L→Bi＋Sn，再从多余液相中析出三元共晶L→Bi＋Sn＋Pb；室温下的组织为Bi初晶＋（Bi＋Sn）二元共晶＋（Bi＋Sn＋Pb）三元共晶，室温下的组织示意图（略）。 7、（20分）Cu－Sn合金相图如图所示。

（1） 写出相图中三条水平线的反应式，并画出T1温度下的成分－自由能曲线示意图； （2） 说明Cu－10wt％Sn合金平衡和非平衡凝固过程，分别画出室温下组织示意图； （3） 非平衡凝固对Cu－5wt％Sn合金的组织性能有何影响，如何消除？

参考答案：

（1）相图中三条水平线的反应式（温度由高到低）：包晶反应： L＋α→β，共析反应β→α＋γ，共析反应γ→α＋δ；T1温度下的成分－自由能曲线示意图（略）；

（2）Cu－10wt％Sn合金平衡凝固过程：析出初晶α，凝固后得到单相固溶体α，

Cu－10wt％Sn合金非平衡凝固过程：析出初晶α，发生包晶反应L＋α→β形成β，β分布在α枝晶间隙，随后还发生共析反应β→α＋γ和γ→α＋δ，最后形成α枝晶之间分布有块状δ或（α＋δ）共析体；室温下组织示意图（略）。 （3）Cu－10wt％Sn合金非平衡凝固时由于溶质原子在分配而产生枝晶偏析；造成合金铸锭强度低、加工塑性差，枝晶偏析还使合金耐腐蚀性能降低；消除枝晶偏析可以采用将铸锭在略低于固相线温度长时间均匀化退火。 8、 （20分）低层错能的工业纯铜铸锭采用T＝0.5T熔点温度热加工开坯轧制。 （1） 画出该材料分别在高、低应变速率下热加工时的真应力－真应变曲线示意图，并说明影响曲线变化的各种作用机制； （2） 开坯后该金属在室温下继续进行轧制，画出此时的真应力－真应变曲线示意图，并说明影响曲线变化的机制； （3） 开坯后该金属要获得硬态、半硬态和软态制品，最后工序中可采用那些方法，为什么？ 参考答案：

（1）该材料热加工时的真应力－真应变曲线示意图（略），[注意曲线中均应有应力峰值，在高应变速率下出现应力峰值后曲线基本水平，在低应变速率下出现应力峰值后曲线呈波浪]。

高应变速率下曲线分三个阶段：未发生动态再结晶的加工硬化阶段，动态再结晶加剧阶段，完全动态再结晶阶段（此时加工硬化与再结晶软化达到平衡，曲线接近水平，达到稳态流变阶段）

低应变速率下完全动态再结晶阶段呈波浪形，是反复动态再结晶软化－加工硬化－动态再结晶软化交替进行的结果；

（2）开坯后金属在室温下继续进行轧制的真应力－真应变曲线示意图（略）；真应力－真应变曲线一直上升，直至断裂，主要机制为加工硬化；

（3）开坯后要获得硬态金属，可以进行冷加工，机制为加工硬化；获得软态制品，可采用冷加工后再结晶退火；获得半硬态制品，可采用冷加工后回复退火，或者完全再结晶退火后适当冷变形。

中南大学考试试卷00级试题

二、名词解释（6X5=30分） 1.晶带和晶带轴 2.柱状晶和等轴晶 3.包析反应和共析反应 4.割阶和扭折 5.冷加工与热加工 参考答案：

1.晶带和晶带轴：许多平行于同一晶向的不同的晶面组的总称为晶带，而与这些晶面组平行的晶向称为晶带轴；

2.柱状晶和等轴晶：金属晶体结晶过程中沿着散热方向优先生长形成的长条形晶粒称为柱状晶，而如果晶粒长大时没有择优方向，向各个方向长大速度基本相等所得到的晶粒称为等轴晶；

3.包析反应和共析反应：由两个固相反应得到一个固相的过程为包析反应，而由一个固相分解得到其它两个固相的反应为共析反应

4.割阶和扭折：位错运动过程中与其它位错交截后形成一定的位错交截折线，若交截后的位错折线在原来位错的滑移面上，此位错折线称为扭折，若交截后的位错折线垂直于原来位错的滑移面，此位错折线称为割阶；

5.冷加工与热加工：通常根据金属材料的再结晶温度来加以区分，在再结晶温度以上的加工称为热加工，低于再结晶温度又是室温下的加工称为冷加工。 三、（10分） 试根据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点。

根据冷却速度对金属组织的影响，现要获得非晶，亚稳相，请指出其凝固时如何控制。 试说明在正温度梯度下为什么固溶体合金凝固时可以呈树枝状方式成长，而纯金属则得不到树枝状晶。 参考答案：

通常铸锭组织的特点为外层的细等轴晶，铸锭表面向里有柱状晶，心部为粗大等轴晶；要获得非晶可以以极快速度将金属液体冷却，要获得亚稳相也必须使冷却速度远远超过平衡冷却速度；由于溶质原子再分配造成成分过冷使固溶体合金正温度梯度下凝固时也可以呈树枝状方式成长，而纯金属则需要在负温度梯度下才能得到树枝状晶。 四、（20分） 如图3的二元合金相图，

（1） 分析5.6%Cu合金和5.7%Cu合金在平衡结晶和快速冷却不平衡结晶时室温组织特

点；

（2） Al为fcc结构，图中的?相为何种晶体结构？

（3） 指出此二元系中比较适合做变形合金何铸造合金的成分范围。

（4） 计算出亚共晶合金在温度为TE（共晶反应前）时的平衡分配系数。

（5） 设X合金平衡凝固完毕时的组织为?初晶+(?+θ)共晶，其中?初晶占80%，则此

合金中刚凝固完毕时θ组元的含量是多少？

（6） 绘出T=560℃温度时各相的自由能-成分曲线示意图。

图3

参考答案： （1）5.6%Cu合金在平衡结晶时室温组织为，快速冷却不平衡结晶时室温组织还出现少量非平衡共晶组织（α＋θ）共晶；5.7%Cu合金在平衡结晶时室温组织为α＋θⅡ＋（α＋θ）共晶，快速冷却不平衡结晶时室温组织出现离异共晶； （2）fcc结构；

（3）Cu含量少于5.65％的合金； （4）k0＝0.17 （5）9.7％

（6）T=560℃温度时各相的自由能-成分曲线示意图如图。

五、（10分） 图4为Fe-W-C三元系的液相面投影图。写出1700℃，1200℃，1085℃的四相平衡反应式。选择一个合金成分其组织在刚凝固完毕时只有三元共晶。

e1p2

参考答案：

图4

图5

各四相平衡反应式分别为，1700℃：L＋WC＋W→η，1200℃：L＋η→WC＋γ，1085℃：L→γ＋WC＋γ；Ⅰ合金成分其组织在刚凝固完毕时只有三元共晶。 六、（10分） 图5所示低碳钢的三条拉伸曲线，A、塑性变形；B、去载后立即再行加载；C、去载后时效后再加载。 试回答下列问题：

1 解释图示三曲线的屈服现象及B，C中屈服点上升的原因。 2 屈服现象对冲压制件表面质量有何不利影响。 参考答案：

1.由于柯垂耳气团的影响

2.屈服现象使得冲压制件表面不平整。（制耳） 七、（10分）户外用的架空铜导线（要求一定的强度）和户内电灯用花线，在加工之后可否采用相同的最终热处理工艺？为什么？ 参考答案：

不能采用相同的最终热处理工艺，户外用的架空铜导线一般用回复退火，户内电灯用花线采用再结晶退火。 八、（10分）如何提高固溶体合金的强度

参考答案：固溶强化，加工硬化，细晶强化，沉淀强化 九、（10分）试说明晶界对材料性能及变形的影响。

参考答案：晶界影响到材料的各个方面，具有晶界能，影响到多晶材料中的第二相的形状，晶界可以运动，有晶界偏聚，晶界电荷变化，承担载荷传递作用，晶界熔点低，易过烧，晶界是易扩散通道，晶界处易形核，晶界易受腐蚀；晶界对金属材料在常温下强化，高温下弱化 十、（10分）简单说明原子扩散对材料的影响；举两个实例说明金属中的上坡扩散现象。 参考答案：原子扩散对材料的影响如铸中晶粒形核和长大、晶界运动、氧化…….等许多过程均牵涉到原子扩散；金属中的上坡扩散实例如柯垂耳气团的形成，调幅分解过程等。

十一、（15分）工业纯铜的熔点为1083℃ ，在剧烈冷变形后的工业纯铜板上取三个试样，第一个试样加热到200℃ ，第二个试样加热到500℃ ，第三个试样加热到800℃ ，各保温一小时，然后空冷。试画出各试样热处理后的显微组织示意图，说明它们在强度和塑性方面的区别及原因。

试样热处理后的显微组织示意图（略，分别为纤维组织，再结晶组织和晶粒长大组织）；200℃加热试样强度高，塑性低，500℃ 加热试样强度低，塑性好，800℃加热试样强度更低。

中南大学考试试卷01级

1.名词解释（3分/个＝18分）

变温截面：三元相图中垂直成分三角形的截面； 过冷度：ΔT指Tm与Tn的差值二维平面长大； 偏析反应：?+???称为包析反应；

固溶体：一个固体组元（溶质）溶解在另外一个组元（溶剂）晶格中，保持溶剂晶格特点的物质；

成分过冷：合金凝固中由于溶质原子再分配形成的过冷； 形核功：金属凝固过程中形成晶核需要的额外能量。

2. 写出固溶体的分类（10分）：

置换、间隙固溶体；有限、无限固溶体；有序、无序固溶体；一次、二次固溶体；

3.试根据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点及成因。 解答：根据金属结晶过程的形核和长大理论以及铸锭的散热过程，可以得出通常铸锭组织的特点为最外层为细小等轴晶，靠内为柱状晶，最内层为粗大等轴晶。

4.根据铁碳亚稳平衡相图回答下列问题： 解答： Fe-Fe3C亚稳平衡相图如图。

图 Fe-Fe3C亚稳平衡相图

1）Fe3CII含量最多的合金、珠光体含量最多的合金、莱氏体含量最多的合金的合金成分分别为含碳量2.11%，0.77%，4.3%。

2）平衡反应的成分及温度，反应式为：1495℃，L0.53＋δ0.09－A0.17，包晶反应；1148℃，L4.3－A2.11＋Fe3C，共晶反应；727℃，A0.77－F0.0218+Fe3C，共析反应； 3）凝固过程：935℃：L—γ，γ—Fe3CⅡ，γ—F＋Fe3CⅡ（P） 室温下相组成为F＋Fe3CⅡ，其中

6.63?1?100%?84.9%,Fe 3C %?1 -F %?15.1%6.63?0.0008；室温下组织组成为P

6.69?1P%??98.1%6.69?0.77＋Fe3CⅡ，其中，Fe3CⅡ％＝1－P％＝1.9%。 F%?4）三种钢在给定温度下的显微组织如表。1200℃时各相的自由能---成分曲线示意图如图 含碳量 0.4 0.77 温度 680℃ 显微组织 P 温度 900℃ 刚达到770℃ 显微组织 A+F A 770℃停留一段时间 P+F 1.0 A+Fe3C 700℃ P+Fe3CⅡ 刚达到770℃ 5 Cu-Zn-Al合金室温下的等温截面和2%Al的垂直截面图，回答问题： 解答：1）Cu-30%Zn-10%Al合金的成分点见图中X点。

2）Cu-20%Zn-8%Al合金，位于α+γ两相区边界线上，由α＋γ两相组成。Cu-25Zn-6Al

‘‘??合金位于α＋＋γ的三相区中，由α＋＋γ的三相区组成，可以从图中读出各相

成分点：

α：Cu-22.6Zn-3.45Al, γ：Cu-18Zn-11.5Al, β：Cu-30Zn-4Al

11.5-8故Cu-20Zn-8Al合金中α％＝11.5?3.45×100％＝43.50%，γ％＝1－α％＝56.5%

25-20‘Cu－25Zn－6Al合金中?＝30?20×100％=50%

α%=(1-?)×43.5%=21.75%,γ％=(1-?)×56.5%=28.25% 3) Y合金凝固过程：L－α，L－α＋β，β－α

‘‘中南大学考试试卷02级试题

1. （10分）画出fcc晶胞中（111）晶面上的所有[110]晶向；在hcp晶胞中画出[1120]晶

向和(1100)晶面。

A

B

O

D

图1 fcc晶胞 图2 hcp晶胞 参考答案：

fcc晶胞如图1，ACE所在晶面为（111）晶面，[110]晶向为OD方向。

hcp晶胞如图2，[1120]晶向为Oa3反方向， (1100)晶面为ABCD面。

2. （10分）举出凝固理论在金属材料结晶中的几个应用，加以简单说明。 参考答案：铸锭组织控制、单晶体制备、非晶体制备等……。

3. （10分）画出Fe-Fe3C亚稳平衡相图，根据相图回答下列问题：

a. 标出合金在室温下的组织组成； b. 写出相图中三个等温反应式；

c. 分析含碳量为0.45％的合金的平衡冷却过程；计算其在室温下的组织组成物的相对

百分含量；

d. 画出0.45％C的合金在1148℃时的成分－自由能曲线示意图； e. 试分析元素C及Cr在Fe中的可能存在形式及其作用。 参考答案

a．画Fe-Fe3C亚稳平衡相图如图3所示。

C

图3 Fe-Fe3C亚稳平衡相图

b．合金在室温下的组织组成：相图中从左到右依次为：F，F＋Fe3CⅢ，F＋P，P ， P＋Fe3CⅡ，Ld＋P＋Fe3CⅡ，Ld，Ld＋Fe3CⅠ；

c．含碳量为0.45％的合金的平衡冷却过程为：L，L→A，A，A→Fe3CⅡ，A→P ，室温下得到P＋Fe3CⅡ组织；

d．略

e．元素C在Fe中可以固溶在Fe中，起到强化作用，与Fe形成化合物如Fe3C，分布形态不好会降低合金强度与塑性；Cr可以固溶在Fe中，起到强化作用，Cr也可与Fe、C形成合金碳化物。

4. （10分）试总结位错在金属材料中的作用。 参考答案要点

位错在金属材料中可以起到强化作用，通过位错运动完成塑性变形，合金中位错与溶质原子发生作用形成气团造成屈服现象和应变时效，位错是第二相形核的择优场所，位错影响扩散速度。

5. （10分）分析原子扩散在金属材料中的作用。 参考答案要点

液态金属的凝固、成分的均匀化、扩散型固态相变、表面化学热处理、氧化与脱碳、粉末烧结、高温蠕变等。

6. （10分）分析多晶体金属的变形过程及影响多晶体金属变形的因素。 参考答案要点

多晶体金属的变形过程中每个晶粒的变形主要是滑移，还可能出现孪生和扭折，需要开动多个滑移系，出现交滑移，由于晶界的影响还有位向差效应和晶界的阻滞效应； 影响因素主要有晶粒大小，变形温度，变形速度。

7. （10分）分析层错能对金属热塑性变形的影响。 参考答案要点

高层错能金属热塑性变形主要通过回复软化，低层错能金属热塑性变形主要通过再结晶软化，其应力－应变曲线有不同特点。

8. （10分）提高金属材料强度的途径有哪些? 参考答案要点

细晶强化、固溶强化、加工硬化、沉淀强化、弥散强化等。

9. （10分）解释下列名词：成分过冷；离异共晶；反应扩散；面角位错；晶界偏聚

参考答案

成分过冷：由于在结晶过程中固溶体合金的溶质原子再分配造成固溶体合金在正温度梯度下，其凝固界面前沿的液相中在合适的温度梯度下也有过冷现象出现，称为成分过冷；

离异共晶：有共晶反应的合金中，如果成分离共晶点较远，由于初晶数量多，共晶数量很少，共晶中与初晶相同的相依附初晶长大，共晶中另外一个相呈现单独分布，使得共晶组织失去其特有组织特征的现象；

反应扩散：伴随有化学反应而形成新相的扩散称为反应扩散，如从金属表面向内部渗入金属时，渗入元素浓度超过溶解度出现新相；

面角位错：在位错反应中，fcc晶体中不同滑移面上的全位错分解为不全位错后，领先不全位错反应生成新的不可动位错，导致出现的三个不全位错之间夹杂两个层错的不可动位错组态；

晶界偏聚：由于晶内与晶界上的畸变能差别或由于空位的存在使得溶质原子或杂质原子在晶界上的富集现象；

10. （10分）如图Pb-Sn-Bi三元合金相图，试写出图中五条单变量线及P点、E点反应的

反应式；分析图中合金2的平衡结晶过程，指出它的开始凝固温度。

参考答案

图中五条单变量线的反应式分别为， e1P：L→α＋δ； e2P：L→γ＋δ； e3P：L→γ＋β； pP：L＋β→α； PE：L→δ＋β

P点反应：L＋α→δ＋β； E点分反应：L→δ＋β＋γ。

图中合金2的平衡结晶过程：L→δ，L→δ＋β，L→δ＋β＋γ，合金2的开始凝固温度从图中可以得到为150℃。

中南大学考试试卷答案

1.名词解释

螺型位错：b与位错线平行的位错 非平衡偏聚：由于空位引起的位错

小角晶界：相邻晶粒之间同一个晶面间夹角低于10度的晶界 滑移系：滑移面与其上的一个滑移方向的总称

变形织构：变形中形成的大部分晶粒位向取向相同的现象 再结晶温度：75％变形量下保温1h后开始再结晶的温度

动态再结晶：高层错能金属在再结晶温度以上进行变形时，发生的软化过程

二、简答题

1.（12分）铜的熔点为1083? ，在冷变形后的工业纯铜板上取三个试样，第一个试样加热到200? ，第二个试样加热到500? ，第三个试样加热到800? ，各保温一小时，然后空冷。试画出各试样热处理后的显微组织示意图（3×2分/个＝6分），说明它们在强度和塑性方面的区别及原因（6分）。 参考答案要点:

分别为：200℃变形组织，强度高，塑性低；

500℃：再结晶起始形核组织，仍为纤维组织，强度较高，塑性较好； 800℃：再结晶组织，强度低，塑性高；

2.（10分）户外用的架空铜导线（要求一定的强度）和户内电灯用花线，在加工之后可否采用相同的最终热处理工艺？为什么？ 参考答案要点:

户外用的架空铜导线采用回复退火软化，只去应力，保留强度；户内电灯用花线采用再结晶退火软化

3.（10分）说明塑性变形后的组织、性能的变化。 参考答案要点:

纤维组织，流线，亚结构为胞状组织；加工硬化，内应力，织构 4. （10分）什么是屈服，解释其产生原因。 参考答案要点:

屈服是试样拉伸中在不变应力下继续延展的现象，由于Cotrell气团引起

5. （15分）制定一种测定再结晶温度的方案。 参考答案要点:

根据硬度变化，高变形量金属保温1h后测量硬度变化

6.（15分）试分析在fcc中，下列位错反应能否进行?并指出其中三个位错的性质类型？反应后生成的新位错能否在滑移面上运动？

参考答案要点: 位错反应 几何条件：

b1+b2 a b c a b c

能量条件：

因此 位错反应能进行。

＋

→

对照汤姆森四面体，此位错反应相当于

（全位错） （肖克莱） （弗兰克 ）

新位错 的位错线为 和 的交线位于(001)面上，且系纯刃型位错。由于(001)面系fcc非密排面，故不能运动，系固定位错。

材料学基础试题

一 （12分）： 简单回答下列概念。 离异共晶 扩展位错 奥罗万机制 再结晶全图 变质处理 变形织构 二 （10分）： 画出一个体心立方晶胞，在晶胞上画出： 1） 发生滑移的一个晶面

2） 在这个面上发生滑移的几个滑移方向。 四 （10分）： 含碳0.2%的钢，经90%冷变形后，取三块试样分别加热到200℃ ，650℃ ，950℃ ，各保温一小时后空冷。分析所得显微组织和性能。

五（15分）：金属和合金在冷塑性变形过程中其组织和性能的变化？

六（１０分）： 如何提高固溶体合金的强度。

七（10分）： 画出fcc单晶体金属的?-? 曲线示意图，它将单晶体塑性变形分为几个阶段？并用位错理论进行解释。

(10分）说明材料扩散的途径。

A卷

中南大学考试试卷

2005 -- 2006 学年 下 学期 时间110分钟

材料学基础 课程 学时 学分 考试形式： 闭 卷

专业年级： 材料03级 总分100分，占总评成绩80%

注：此页不作答题纸，请将答案写在答题纸上 一、名词解释（本题40分，每小题4分）

1、科垂耳气团；2、派—纳力；3、扩展位错；4、交滑移；5、奥罗万机制；6、形变织构；7、位错多边化；8、倾斜（转）晶界；9、反应扩散；10、上坡扩散 二、问答题（本题60分）

1、 什么是可动位错和固定位错？就fcc晶体中的可动位错和固定位错各举两个实例，

这两种位错在塑性变形时各起什么作用？（10分）

2、 fcc晶体中层错能的高低对层错的形成、扩展位错的宽度和扩展位错的运动各有什么

影响？（10分）

3、 说明金属冷变形程度的大小对再结晶形核机制和再结晶晶粒尺寸的影响。（10分） 4、 工业纯铜的铸锭在室温和0.5T熔点的温度下进行轧制加工，请画出两种情况下合金的

应力——应变曲线示意图并说明影响曲线各阶段变化的各种作用机制。（10分） 5、 请写出稳态扩散和非稳态扩散的扩散方程表达式，说明影响方程中扩散系数的主要

因素及其原因。（10分）

6、 现有Al-4%Cu合金，请问有哪些方法可以提高该合金的强度，哪些方法可以提高该

合金的塑性。（10分）

B卷

中南大学考试试卷

2005 -- 2006 学年 下 学期 时间110分钟

材料学基础 课程 学时 学分 考试形式： 闭 卷

专业年级： 材料03级 总分100分，占总评成绩 %

注：此页不作答题纸，请将答案写在答题纸上 二、名词解释（本题40分，每小题4分）

1、位错塞积；2、派—纳力；3、孪生；4、交滑移；5、奥罗万机制；6、再结晶全图；7、应变时效；8、晶界偏析；9、反应扩散；10、上坡扩散 二、问答题（本题60分）

1、什么是可动位错和固定位错？就fcc晶体中的可动位错和固定位错各举两个实例，这两种位错在塑性变形时各起什么作用？（10分）

2、fcc晶体中层错能的高低对层错的形成、扩展位错的宽度和扩展位错的运动各有什么影响？（10分）

3、 简述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构的成因及其对金属材料性能的影响。（10

分）

4、 有硬度均匀的退火态铜板，冷冲成零件后，发现各部分硬度不均匀，为什么？采用

什么方法才能使其硬度均匀？（10分）

5、 请写出稳态扩散和非稳态扩散的扩散方程表达式，说明影响方程中扩散系数的主要

因素及其原因。（10分）

6、画出单晶体金属的应力——应变曲线示意图，用位错理论解释单晶体塑性变形各个阶段（10分）

A卷答案： 一、名词解释

（名词解释内容在教材上有，略） 二、问答题

1、答：能够进行滑移的位错，称为可动位错，不能进行滑移的位错，称为固定位错。 FCC晶体中的全位错和肖克来不全位错是可动位错，而弗来克不全位错和面角位错是固定位错，可动位错在外力作用下进行滑移时，晶体产生塑性变形，而固定位错阻碍塑性变形，是产生加工硬化的原因之一。

2、答：层错是一种面缺陷，形成层错使晶体的能量增加，形成单位面积的层错所增加的能量，称为层错能。就面心立方晶体而言，层错能越高，形成层错所需要的能量就越多，产生层错的几率就越小。扩展位错的宽度主要取决于层错能，并与层错能成反比，层错能越高，扩展位错的宽度就越小，这时由全刃位错分解的扩展位错容易进行滑移，由全螺位错分解的扩展位错容易束集，容易进行滑移和交滑移。

3、答：冷变形程度较小时，主要以晶界弓出机制形核；变形程度较大时，高层错能金属以亚晶合并机制形核，低层错能金属以亚晶长大机制形核。

冷变形对再结晶晶粒尺寸影响主要是画出相关关系图并做出相应说明。

4、答：室温下曲线图为加工硬化时的应力——应变曲线，作用机制为加工硬化； 0.5T温度下的曲线图为高应变速率下的动态再结晶应力——应变曲线图，作用机制分别为加工硬化，动态再结晶与加工硬化平衡，动态再结晶软化。

5、答：分别为菲克第一定律和菲克第二定律方程。影响因素主要有：温度、晶体缺陷、晶体结构、固溶体类型、扩散元素性质、扩散阻援浓度、第三元素的影响等。

6、答：提高合金强度方法有：加工硬化、细晶强化、固溶强化和沉淀强化。提高合金塑性的方法有晶粒细化、再结晶退火等

B卷

一、名词解释

（名词解释内容在教材上有，略） 二、问答题

1、答：能够进行滑移的位错，称为可动位错，不能进行滑移的位错，称为固定位错。 FCC晶体中的全位错和肖克来不全位错是可动位错，而弗来克不全位错和面角位错是固定位错，可动位错在外力作用下进行滑移时，晶体产生塑性变形，而固定位错阻碍塑性变形，是产生加工硬化的原因之一。

2、答：层错是一种面缺陷，形成层错使晶体的能量增加，形成单位面积的层错所增加的能量，称为层错能。就面心立方晶体而言，层错能越高，形成层错所需要的能量就越多，产生层错的几率就越小。扩展位错的宽度主要取决于层错能，并与层错能成反比，层错能越高，扩展位错的宽度就越小，这时由全刃位错分解的扩展位错容易进行滑移，由全螺位错分解的扩展位错容易束集，容易进行滑移和交滑移。

3、答：冷加工纤维组织是纯金属和单相合金在冷塑性变形时和变形程度较大的情况下，各晶粒伸长呈纤维状而形成的。冷加工带状组织是复相合金在冷塑性变形时，第二相被破碎或伸长，沿变形方向呈带状分布而形成的。变形织构是金属和合金在塑性变形时，各晶粒发生择优取向而形成的。上述纤维组织、带状组织和变形织构都使金属材料的性能具有方向性，对材料使用性能有好或坏的影响。

4、冷冲的零件各部分的变形程度是不均匀的，变形的部位，加工硬化程度较大，硬度较高，变形程度小的部位，则硬度较低，故冷冲的零件硬度不均匀。如果对这种零件进行一次再结晶退火，整个零件的硬度就均匀一致了。

5、答：分别为菲克第一定律和菲克第二定律方程。影响因素主要有：温度、晶体缺陷、晶体结构、固溶体类型、扩散元素性质、扩散阻援浓度、第三元素的影响等。

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