材料科学基础知识点总结

《材料科学基础》试题库

一、 名词解释

1、铁素体、奥氏体、珠光体、马氏体、贝氏体、莱氏体2、共晶转变、共析转变、包晶转变、包析转变3、晶面族、晶向族4、有限固溶体、无限固溶体5、晶胞6、二次渗碳体7、回复、再结晶、二次再结晶8、晶体结构、空间点阵9、相、组织10、伪共晶、离异共晶11、临界变形度12、淬透性、淬硬性13、固溶体14、均匀形核、非均匀形核15、成分过冷16、间隙固溶体17、临界晶核18、枝晶偏析19、钢的退火，正火，淬火，回火20、反应扩散21、临界分切应力22、调幅分解23、二次硬化24、上坡扩散25、负温度梯度26、正常价化合物27、加聚反应28、缩聚反应 二、 选择

1、在柯肯达尔效应中，标记漂移主要原因是扩散偶中 _____。

A、两组元的原子尺寸不同 B、仅一组元的扩散 C、两组元的扩散速率不同 2、在二元系合金相图中，计算两相相对量的杠杆法则只能用于 _____。

A、单相区中 B、两相区中 C、三相平衡水平线上 3、铸铁与碳钢的区别在于有无 _____。

A、莱氏体 B、珠光体 C、铁素体 4、原子扩散的驱动力是 _____。

A、组元的浓度梯度 B、组元的化学势梯度 C、温度梯度 5、在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为 _____。 A、原子互换机制 B、间隙机制 C、空位机制

6、在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为 _____。 A、肖脱基缺陷 B、弗兰克尔缺陷 C、线缺陷 7、理想密排六方结构金属的c/a为 _____。

A、1.6 B、2×√(2/3) C、√(2/3)

8、在三元系相图中，三相区的等温截面都是一个连接的三角形，其顶点触及 _____。 A、单相区 B、两相区 C、三相区

9、有效分配系数Ke表示液相的混合程度，其值范围是 _____。（其中Ko是平衡分配系数） A、1

A、{112} B、{110} C、{111}

11、形成临界晶核时体积自由能的减少只能补偿表面能的 _____。 A、1/3 B、2/3 C、3/4 12、金属结晶过程中（ ）：

a、临界晶核半径越大，形核越易；b、临界晶核形成功越大，形核越易； c、过冷度越大，形核越易； d、均质形核比非均质形核容易。 13、三元相图中（ ）：

a、垂直截面图上可应用杠杆定律；b、垂直截面图上三相区域为直边三角形； c、四相共晶反应平面在成份投影图上为曲边四边形；d、四相反应为等温反应。 三、判断正误(每小题1分，共10分) 正确的在括号内画“√”， 错误的画“×”

1. 金属中典型的空间点阵有体心立方、面心立方和密排六方三种。 ( )

2. 作用在位错线上的力F的方向永远垂直于位错线并指向滑移面上的未滑移区。

3. 只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶，间隙固溶体则不能。 4. 金属结晶时，原子从液相无序排列到固相有序排列，使体系熵值减小，因此是一个自发过程。 5. 固溶体凝固形核的必要条件同样是ΔGB ＜0、结构起伏和能量起伏。 6. 三元相图垂直截面的两相区内不适用杠杆定律。 ( ) 7. 物质的扩散方向总是与浓度梯度的方向相反。 ( )

8. 塑性变形时，滑移面总是晶体的密排面，滑移方向也总是密排方向。

9. 和液固转变一样，固态相变也有驱动力并要克服阻力，因此两种转变的难易程度相似。 ( ) 10. 除Co以外，几乎所有溶入奥氏体中的合金元素都能使C曲线左移，从而增加钢的淬透性。 ( )

四、简答

1、简述工程结构钢的强韧化方法。（20分）

2、简述Al-Cu二元合金的沉淀强化机制（20分）

3、为什么奥氏体不锈钢（18-8型不锈钢）在450℃～850℃保温时会产生晶间腐蚀？如何防止或减轻奥氏体不锈钢的晶间腐蚀？

4、为什么大多数铸造合金的成分都选择在共晶合金附近？

5、什么是交滑移?为什么只有螺位错可以发生交滑移而刃位错却不能？

6、根据溶质原子在点阵中的位置，举例说明固溶体相可分为几类？固溶体在材料中有何意义？ 7、固溶体合金非平衡凝固时，有时会形成微观偏析，有时会形成宏观偏析，原因何在？ 8、应变硬化在生产中有何意义？作为一种强化方法，它有什么局限性？ 9、一种合金能够产生析出硬化的必要条件是什么？ 10、比较说明不平衡共晶和离异共晶的特点。 11、枝晶偏析是怎么产生的？如何消除？ 12、请简述影响扩散的主要因素有哪些。

13、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点？

14、临界晶核的物理意义是什么？形成临界晶核的充分条件是什么？ 15、请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。

16、为什么钢的渗碳温度一般要选择在γ-Fe相区中进行？若不在γ-Fe相区进行会有什么结果？

17、一个楔形板坯经冷轧后得到相同厚度的板材，再结晶退火后发现板材两端的抗拉强度不同，请解释这个现象。

18、冷轧纯铜板，如果要求保持较高强度，应进行何种热处理？若需要继续冷轧变薄时，又应进行何种热处理？ 19、位错密度有哪几种表征方式？ 20、淬透性与淬硬性的差别。

21、铁碳相图为例说明什么是包晶反应、共晶反应、共析反应。 22、马氏体相变的基本特征？（12分） 23、加工硬化的原因？（6分） 24、柏氏矢量的意义？（6分）

25、如何解释低碳钢中有上下屈服点和屈服平台这种不连续的现象？（8分） 26、已知916℃时，γ-Fe的点阵常数0.365nm，（011）晶面间距是多少？（5分） 27、画示意图说明包晶反应种类，写出转变反应式？（4分） 28、影响成分过冷的因素是什么？（9分）

29、单滑移、多滑移和交滑移的意义是什么？（9分）

30、简要说明纯金属中晶粒细度和材料强度的关系，并解释原因。（6分）

31、某晶体的原子位于四方点阵的节点上，点阵的a=b，c=a/2，有一晶面在x，y，z轴的截距分别为6个原子间距、2个原子间距和4个原子间距，求该晶面的密勒指数。 32、证明理想密排六方结构的轴比c/a=1.633。

33、立方晶系的(111)，(110)，(123)晶面族各包含多少晶面，写出它们的密勒指数。 34、说明柏氏矢量的确定方法，如何利用柏氏矢量和位错线来判断位错的类型？ 35、简要说明成分过冷的形成及其对固溶体组织形态的影响。 36、为什么晶粒细化既能提高强度，也能改善塑性和韧性？

37、共析钢的奥氏体化有几个主要过程？合金元素对奥氏体化过程有什么影响？

38、提高钢材耐蚀性的主要方法有哪些？为什么说Cr是不锈钢中最重要的合金元素？ 39、何为位错反应？如何判断一个位错反应能否进行？ 40、根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。

41、分析金属冷变形度的大小对再结晶晶粒尺寸的影响，说明原因。 42、简述成分过冷的形成以及成分过冷对固溶体生长形态的影响。 43、位错增值机理

五、计算、作图

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1、已知碳在r—Fe中的扩散常数D0＝2.0×10-5m/s，扩散激活能Q＝1.4X10J/mol（R＝8.31J/(molK))。碳势均为CP＝1.1％C的条件下对20#钢在880℃进行渗碳，为达到927℃渗碳5h同样的效果，渗碳时间应为多少？(12分) 2、对fcc结构的晶体(点阵常数为a)

(1)分别计算原子在[100]，[110]和[111]晶向上的原子密度，并说明哪个晶向是密排方向：

(2)计算原子在(100)，(110)和(111)晶面上的原子密度和三个面的面间距，并指出面间距最大的晶面。

3、写出附图1.1所示立方晶格中晶面ABCD和晶向CE的指数；在右图单胞中画出晶面(111)和该面上属于<112>三个晶向，并标出具体指数。(12分)

4、已知碳在γ-Fe中扩散时，D0 =2.0×10-5m2/s，Q=1.4×105J/mol。当温度在927℃时，求其扩散系数为多少？（已知摩尔气体常数R=8.314J/mol?K）

011、231、321晶面和、112、102晶向。

5、作图表示立方晶体的（每题2分，共10分）

6、已知A（熔点600℃）与B（熔点500℃）在液态无限互溶，固态时A在B中的最大固溶度（质量分数）为ωA＝0.30，室温时为ωA＝0.10；但B在固态和室温时均不溶于A。在300℃时，含ωB=0.40的液态合金发生共晶反应。试绘出A-B合金相图；并分析ωA=0.20、ωA=0.80的合金在室温下的组织组成物和相组成物的相对量。

7、绘出Fe-Fe3C相图，标出铁碳相图上的C、E、F、G、K、P、S点，说明ECF、PSK水平线和ES、GS曲线的意义，其上发生的转变及生成的组织组成物。

8、已知某低碳钢 σ 0 =64KPa ， K=393.7 ，若晶粒直径为 50μm ，该低碳钢的屈服强度是多少？ 9、试计算 BCC 晶体最密排面的堆积密度。

10、面心立方结构和密排六方结构金属中的原子堆垛方式和致密度是否有差异?请加以说明。

11、计算wc＝3.3％的铁碳合金常温下莱氏体的相对含量，组织中珠光体的相对含量和共析渗碳体的含量。（9分） 12、已知Cu的原子量为63.5，原子半径是0.1278 nm。( 20分) （1）计算铜的密度、点阵常数和最大面间距。

（2）在立方晶胞（图1.）中标出下列晶面和晶向（要求用字母标出，如oa:[001]，等等）： （011）、（??11）、221)?(、[102]、110]?[、]??[11 （3）以上哪些晶面和晶向互相垂直？

13、柏氏矢量的物理意义是什么？根据柏氏矢量如何区分螺型位错和刃型位错？什么是全位错和不全位错？简述位错反应条件。无外力作用时，位错反应 能否进行？（18分）

14、假设在镁晶体中，由一个位错源放出的位错移到晶体表面，使晶体表面产生高度约为10-4cm的滑移台阶，问有多少个位错运动至表面？（已知b=3.2 A）

15、在铝试样中测得晶粒内部的位错密度为5x1013m-2，假定位错全部集中在亚晶界上，且每个亚晶粒的截面均为正六边形，而位错全为刃位错，其柏氏矢量b=a/2[101]≈2x10-10m，如亚晶粒之间的倾角为5°，试求亚晶界上的位错间距和亚晶粒的平均大小。

16、在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向：

17、在870℃比在930℃渗碳有一定优越性，淬火变形小又可得到较细的晶粒，碳在γ铁中的D0=2.0×10-5m2/s,Q=140×103J/mol,请计算：(10分) (a) 870℃时碳在γ铁中的扩散系数； (b) 将渗层加深一倍需多长时间？

(c) 若规定0.3%C作为渗碳层厚度的量度，则在930℃渗碳10小时的渗层厚度为870℃渗碳10小时的多少倍？ (气体常数R=8.314J/mol·K, 渗层厚度???Dt)

18、位错线与柏氏矢量，切应力方向，位错线运动方向以及晶体滑移方向的关系？

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六、综合

1、试分析冷塑性变形对合金组织结构、力学性能、物理化学性能、体系能量的影响。 2、对铁碳合金(wc＝0.0015)经过完全退火后：(20分) （1） 在室温下包含哪些组成相，计算其相对量。

（2） 在室温下由哪些组织组成物构成，画出组织示意图，并计算各自的相对量。 (3) 在室温下该合金经过较大的塑性变形(例如压缩50％)，其组织会发生哪些变化？

(4) 变形后再经过750℃充分保温后缓慢冷却到室温，所得到的组织与原完全退火的组织有哪些差别？ 3、请根据所附二元共晶相图分析解答下列问题：

（1） 分析合金I、II的平衡结晶过程，并绘出冷却曲线；

（2） 说明室温下I、II的相和组织是什么？并计算出相和组织的相对含量； （3） 如果希望得到共晶组织和5%的β初的合金，求该合金的成分； （4）分析在快速冷却条件下，I、II两合金获得的组织有何不同。

4、叙述板条马氏体和下贝氏体的组织形态，并说明板条马氏体和下贝氏体具有良好强韧性的原因。 5、试述冷变形金属在加热时，其组织和性能发生的变化。 6、试论述含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响。 7、论述影响扩散的主要因素。

8、求体心立方结构中的四面体和八面体间隙的半径及其中心位置的坐标。 9、45钢的过冷奥氏体连续转变曲线如图所示，请回答下列问题：（共15分） （1）说明图中A1线、Ms、1线、2线、3线表示的意义。

（2）过冷奥氏体转变产物有哪些？写出各种转变产物的名称、相变类型、组织形态和性能特点；

（3）在V1、V2、V3、V4 冷却速度下，各得到何种组织？

（4）指出与V1、V2、V3、V4相对应的热处理工艺名称是什么？

10、就Fe-Fe3C相图，回答下列问题：

1. 默画出Fe-Fe3C相图，用相组成物填写相图；

2. 分析含碳量为1.0wt%的过共析钢的平衡结晶过程，并绘出室温组织 示意图。 3. 计算相图中二次渗碳体和三次渗碳体可能的最大含量。

4．已知某铁碳合金室温时的相组成物为铁素体和渗碳体，铁素体占 82%，试求该合金的含碳量和组织组成物的相对量。

11、右图为固态有限互溶三元共晶相图的投影图，请回答下列问题： （1）指出三个液相面的投影区； （2）指出e3E线和E点表示的意义； （3）分析合金N的平衡结晶过程。

金属学与热处理总结

一、金属的晶体结构

重点内容： 面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四面体间隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。

基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，密排面上原子的堆垛顺序、晶胞、晶格、金属键的概念。晶体的特征、晶体中的空间点阵。

晶格类型 间隙类型 间隙个数 原子半径rA 间隙半径rB ?3?2?a4fcc(A1) 正四面体 8 2a4bcc(A2) 四面体 12 3a4hcp(A3) 四面体 12 a2正八面体 4 扁八面体 6 ?2?3?a4正八面体 6 ?2?2?a4 ?5?3?a4? 6?2a4?? 2?1a2?晶胞：在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，用来分析原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。

金属键：失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。

位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。 位错的柏氏矢量具有的一些特性：

①用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路途径无关；③位错的柏氏矢量个部分均相同。

刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混合型呈任意角度。 晶界具有的一些特性：

①晶界的能量较高，具有自发长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋势；②原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；③相变时新相优先在晶界出形核；④晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐蚀和氧化；⑥常温下晶界可以阻止位错的运动，提高材料的强度。

二、纯金属的结晶

重点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法，铸锭三晶区的形成机制。

基本内容：结晶过程、阻力、动力，过冷度、变质处理的概念。铸锭的缺陷；结晶的热力学条件和结构条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。

相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不断变化着的近程规则排列的原子集团。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。

变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶粒的方法。 过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。从热力学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。根据 临界形核功（?G?Rk?1?T可知当过冷度?T为零时临界晶核半径Rk为无穷大，

1?T2）也为无穷大。临界晶核半径Rk与临界形核功为无穷大时，无法形核，所以

液态金属不能结晶。晶体的长大也需要过冷度，所以液态金属结晶需要过冷度。

细化晶粒的方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌。

铸锭三个晶区的形成机理：表面细晶区：当高温液体倒入铸模后，结晶先从模壁开始，靠近模壁一层的液体产生极大的过冷，加上模壁可以作为非均质形核的基底，因此在此薄层中立即形成大量的晶核，并同时向各个方向生长，形成表面细晶区。柱状晶区：在表面细晶区形成的同时，铸模温度迅速升高，液态金属冷却速度减慢，结晶前沿过冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散热最快，因而晶体沿相反方向生长成柱状晶。中心等轴晶区：随着柱状晶的生长，中心部位的液体实际温度分布区域平缓，由于溶质原子的重新分配，在固液界面前沿出现成分过冷，成分过冷区的扩大，促使新的晶核形成长大形成等轴晶。由于液体的流动使表面层细晶一部分卷入液体之中或柱状晶的枝晶被冲刷脱落而进入前沿的液体中作为非自发生核的籽晶。

三、二元合金的相结构与结晶 重点内容：杠杆定律、相律及应用。

基本内容：相、匀晶、共晶、包晶相图的结晶过程及不同成分合金在室温下的显微组织。合金、成分过冷；非平衡结晶及枝晶偏析的基本概念。

相律：f = c – p + 1其中，f 为 自由度数，c为 组元数，p为 相数。

伪共晶：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也可能得到全部共晶组织，这种共晶组织称为伪共晶。

合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结、或用其它方法组合而成的具有金属特性的物质。

合金相：在合金中，通过组成元素（组元）原子间的相互作用，形成具有相同晶体结构与性质，并以明确界面分开的成分均一组成部分称为合金相。

四、铁碳合金

重点内容：铁碳合金的结晶过程及室温下的平衡组织，组织组成物及相组成物的计算。 基本内容：铁素体与奥氏体、二次渗碳体与共析渗碳体的异同点、三个恒温转变。

钢的含碳量对平衡组织及性能的影响；二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体相对量的计算；五种渗碳体的来源及形态。

奥氏体与铁素体的异同点：

相同点：都是铁与碳形成的间隙固溶体；强度硬度低，塑性韧性高。

不同点：铁素体为体心结构，奥氏体面心结构；铁素体最高含碳量为0.0218%， 奥氏体最高含碳量为2.11%，铁素体是由奥氏体直接转变或由奥氏体发生共析转变得到，奥氏体是由包晶或由液相直接析出的；存在的温度区间不同。

二次渗碳体与共析渗碳体的异同点。

相同点：都是渗碳体，成份、结构、性能都相同。

不同点：来源不同，二次渗碳体由奥氏体中析出，共析渗碳体是共析转变得到的；形态不同二次渗碳体成网状，共析渗碳体成片状；对性能的影响不同，片状的强化基体，提高强度，网状降低强度。

成分、组织与机械性能之间的关系：如亚共析钢。亚共析钢室温下的平衡组织为F＋P，F的强度低，塑性、韧性好，与F相比P强度硬度高，而塑性、韧性差。随含碳量的增加，F量减少，P量增加（组织组成物的相对量可用杠杆定律计算）。所以对于亚共析钢，随含碳量的增加，强度硬度升高，而塑性、韧性下降

六、金属及合金的塑性变形与断裂

重点内容：体心与面心结构的滑移系；金属塑性变形后的组织与性能。

基本内容：固溶体强化机理与强化规律、第二相的强化机理。霍尔——配奇关系式；单晶体塑性变形的方式、滑移的本质。

塑性变形的方式：以滑移和孪晶为主。

滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分作相对的滑动。滑移的本质是位错的移动。 体心结构的滑移系个数为12，滑移面：{110}，方向<111>。面心结构的滑移系个数为12，滑移面：{111}，

方向<110>。

金属塑性变形后的组织与性能 ：显微组织出现纤维组织，杂质沿变形方向拉长为细带状或粉碎成链状，光学显微镜分辨不清晶粒和杂质。亚结构细化，出现形变织构。性能：材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降；比电阻增加，导电系数和电阻温度系数下降，抗腐蚀能力降低等。

七、金属及合金的回复与再结晶

重点内容：金属的热加工的作用；变形金属加热时显微组织的变化、性能的变化，储存能的变化。 基本内容：回复、再结的概念、变形金属加热时储存能的变化。再结晶后的晶粒尺寸；影响再结晶的主要因素性能的变化规律。

变形金属加热时显微组织的变化、性能的变化：随温度的升高，金属的硬度和强度下降，塑性和韧性提高。电阻率不断下降，密度升高。金属的抗腐蚀能力提高，内应力下降。

再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化状态，这个过程称之为再结晶。

热加工的主要作用（或目的）是：①把钢材加工成所需要的各种形状，如棒材、板材、线材等；②能明显的改善铸锭中的组织缺陷，如气泡焊合，缩松压实，使金属材料的致密度增加；③使粗大的柱状晶变细，合金钢中大块状碳化物初晶打碎并使其均匀分布；④减轻或消除成分偏析，均匀化学成分等。使材料的性能得到明显的改善。

影响再结晶的主要因素：①再结晶退火温度：退火温度越高（保温时间一定时），再结晶后的晶粒越粗大；②冷变形量：一般冷变形量越大，完成再结晶的温度越低，变形量达到一定程度后，完成再结晶的温度趋于恒定；③原始晶粒尺寸：原始晶粒越细，再结晶晶粒也越细；④微量溶质与杂质原子，一般均起细化晶粒的作用；⑤第二相粒子，粗大的第二相粒子有利于再结晶，弥散分布的细小的第二相粒子不利于再结晶；⑥形变温度，形变温度越高，再结晶温度越高，晶粒粗化；⑦加热速度，加热速度过快或过慢，都可能使再结晶温度升高。

塑性变形后的金属随加热温度的升高会发生的一些变化：

显微组织经过回复、再结晶、晶粒长大三个阶段由破碎的或纤维组织转变成等轴晶粒，亚晶尺寸增大；储存能降低，内应力松弛或被消除；各种结构缺陷减少；强度、硬度降低，塑性、韧度提高；电阻下降，应力腐蚀倾向显著减小。

八、扩散

重点内容：影响扩散的因素；扩散第一定律表达式。

基本内容：扩散激活能、扩散的驱动力。柯肯达尔效应，扩散第二定律表达式。

柯肯达尔效应：由置换互溶原子因相对扩散速度不同而引起标记移动的不均衡扩散现象称为柯肯达尔效应。

影响扩散的因素：

①温度：温度越高，扩散速度越大；

② 晶体结构：体心结构的扩散系数大于面心结构的扩散系数； ③ 固溶体类型：间隙原子的扩散速度大于置换原子的扩散速度；

④ 晶体缺陷：晶体缺陷越多，原子的扩散速度越快；

⑤ 化学成分：有些元素可以加快原子的扩散速度，有些可以减慢扩散速度。 扩散第一定律表达式：扩散第一定律表达式：J其中，J为扩散流量；D为扩散系数；

??DdC

dxdC为浓度梯度。 dx扩散的驱动力为化学位梯度，阻力为扩散激活能 九、钢的热处理原理

重点内容：冷却时转变产物（P、B、M）的特征、性能特点、热处理的概念。

基本内容：等温、连续C-曲线。奥氏体化的四个过程；碳钢回火转变产物的性能特点。

热处理：将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却下来，让其获得所需要的组织结构和性能的一种热加工工艺。

转变产物（P、B、M）的特征、性能特点：片状P体，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好；粒状P体，Fe3C颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高。第二相的数量越多，对塑性的危害越大；片状与粒状相比，片状强度高，塑性、韧性差；上贝氏体为羽毛状，亚结构为位错，韧性差；下贝氏体为黑针状或竹叶状，亚结构为位错，位错密度高于上贝氏体，综合机械性能好；低碳马氏体为板条状，亚结构为位错，具有良好的综合机械性能；高碳马氏体为片状，亚结构为孪晶，强度硬度高，塑性和韧性差。

等温、连续C-曲线。

一、论述四种强化的强化机理、强化规律及强化方法。

1、 形变强化

形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。

机理：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。

规律：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，根据公式Δσ=αbGρ

1/2

，可知强度与位错密度（ρ）的二分之一次方成正比，位错的柏氏矢量（b）越大强化效果越显著。 方法：冷变形（挤压、滚压、喷丸等）。

形变强化的实际意义（利与弊）：形变强化是强化金属的有效方法，对一些不能用热处理强化的材料可

以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形等；形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，

因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。另一方面形变强化也给材料生产和使用带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低，给继续变形带来困难，中间需要进行再结晶退火，增加生产成本。

2、 固溶强化

随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。强化机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。

固溶强化规律：①在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大；②溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，强化效果越显著；③形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；④溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大，则强化作用越大。

方法：合金化，即加入合金元素。 3、第二相强化

钢中第二相的形态主要有三种，即网状、片状和粒状。

①网状特别是沿晶界析出的连续网状Fe3C，降低的钢机械性能，塑性、韧性急剧下降，强度也随之下降；

②第二相为片状分布时，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好。符合σs=σ0＋KS0-1/2的规律，S0 片层间距。

③第二相为粒状分布时，颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高，符合?之间的平均距离。第二相的数量越多，对塑性的危害越大；

④片状与粒状相比，片状强度高，塑性、韧性差；

⑤沿晶界析出时，不论什么形态都降低晶界强度，使钢的机械性能下降。 第二相无论是片状还是粒状都阻止位错的移动。

方法：合金化，即加入合金元素，通过热处理或变形改变第二相的形态及分布。 4、细晶强化

细晶强化：随晶粒尺寸的减小，材料的强度硬度升高，塑性、韧性也得到改善的现象称为细晶强化。 细化晶粒不但可以提高强度又可改善钢的塑性和韧性，是一种较好的强化材料的方法。 机理：晶粒越细小，位错塞集群中位错个数（n）越小，根据?强度越高。

细晶强化的强化规律：晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式σs=σ0＋Kd-1/2 晶粒的平均直（d）

?Gb?的规律，λ粒子

?n?0，应力集中越小，所以材料的

越小，材料的屈服强度（σs）越高。

细化晶粒的方法：结晶过程中可以通过增加过冷度，变质处理，振动及搅拌的方法增加形核率细化晶粒。对于冷变形的金属可以通过控制变形度、退火温度来细化晶粒。可以通过正火、退火的热处理方法细化晶粒；在钢中加入强碳化物物形成元素。 二、改善塑性和韧性的机理

晶粒越细小，晶粒内部和晶界附近的应变度差越小，变形越均匀，因应力集中引起的开裂的机会也越小。晶粒越细小，应力集中越小，不易产生裂纹；晶界越多，易使裂纹扩展方向发生变化，裂纹不易传播，所以韧性就好。

提高或改善金属材料韧性的途径：① 尽量减少钢中第二相的数量；② 提高基体组织的塑性；③ 提高组织的均匀性；④ 加入Ni及细化晶粒的元素；⑤ 防止杂质在晶界偏聚及第二相沿晶界析出。 三、Fe—Fe3C相图，结晶过程分析及计算

1. 分析含碳0.53～0.77％的铁碳合金的结晶过程，并画出结晶示意图。

①点之上为液相L；①点开始L→γ；②点结晶完毕；②～③点

之间为单相γ；

③点开始γ→α转变；④点开始γ→ P共析转变；室温下显微组织为α+ P。 结晶示意图：

2. 算室温下亚共

计

析钢（含碳量为x）的组织组成物的相对量。 组织组成物为α、P，相对量为：

WP?3.

x?0.02180.77?x?100% , W?1?WW??100% 或?P?0.77?0.02180.77?0.0218分析含碳0.77～2.11％的铁碳合金的结晶过程。

①点之上为液相L；①点开始L→γ；①～②之间为L+γ；②点结晶完毕；②～③点之间为单相γ；③点开始γ→Fe3C转变；④点开始γ→ P共析转变；室温下显微组织为P + Fe3C。

结晶过程示意图。

4.

计算室温下过共析钢（含碳量为x）的组织组成物的相对量。

组织组成物为P、Fe3CⅡ，相对量为：

WP?5.

6.69?xx?0.77?100% , W?1?WW??100% 或Fe3C?PFe3C?6.69?0.776.69?0.77分析共析钢的结晶过程，并画出结晶示意图。

①点之上为液相L；①点开始L→γ；②点结晶完毕；②～③点之间为单相γ；③点γ→ P共析转变；室温下显微组织为P。

结晶示意图：

6. 含碳

计算含碳3.0%铁碳合金室温下组织组成物及相组成物的相对量。 3.0%的亚共晶白口铁室温下组织组成物为

P、Fe3C

Ⅱ

，相对量为：

3.0?2.11WLd??100%?40.6% , W γ?1?WLd?59.4%4.3?2.11

6.69?2.11WP??W γ?100%?46.0% , WFe3CⅡ?W γ?WP?13.4%6.69?0.77相组成物为F、Fe3C，相对量为：

WFe3C?7.

3.0?100%?44.8% , F?1?WFe3C?55.2% 6.69相图中共有几种渗碳体？说出各自的来源及形态。

相图中共有五种渗碳体: Fe3CⅠ、Fe3CⅡ 、Fe3CⅢ 、Fe3C共析、Fe3C共晶 ；

Fe3CⅠ：由液相析出，形态连续分布（基体）； Fe3CⅡ：由奥氏体中析出，形态网状分布； Fe3CⅢ：由铁素体中析出，形态网状、短棒状、粒状分布在铁素体的晶界上；Fe3C共析：奥氏体共析转变得到，片状；Fe3C共晶：液相共晶转变得到，粗大的条状。

8.

计算室温下含碳量为x合金相组成物的相对量。

相组成物为α、Fe3C，相对量为：

WFe3C?x?100% , W??1?WFe3C 6.69

x?4.3?100%

6.69?4.36.69?100%?100% 当x=6.69时Fe3C? 含量最高，最高百分量为： WFe3C??6.69x?0.77?22.6% 10. 过共析钢中Fe3CⅡ 的相对量：WFe3C??6.69?0.772.11?0.77?22.6% 当x=2.11时Fe3CⅡ含量最高，最高百分量为： WFe3C??6.69?0.77x?100% 11. Fe3CⅢ 的相对量计算：WFe3C???6.690.0218?100%?0.33% 当x=0.0218时Fe3CⅢ含量最高，最高百分量为：WFe3C???6.690.77?0.0218?100%?11.2% 12. 共析渗碳体的相对百分量为：WFe3C?6.69?0.02184.30?2.11?%?47.8% 13. 共晶渗碳体的相对百分量为：WFe3C?6.69?2.119.

Fe3C?的相对量：WFe3C??14. 说出奥氏体与铁素体的异同点。

相同点：都是铁与碳形成的间隙固溶体；强度硬度低，塑性韧性高。

不同点：铁素体为体心结构，奥氏体面心结构；铁素体最高含碳量为0.0218%， 奥氏体最高含碳量为2.11%，铁素体是由奥氏体直接转变或由奥氏体发生共析转变得到，奥氏体是由包晶或由液相直接析出的；存在的温度区间不同。

15. 说出二次渗碳体与共析渗碳体的异同点。 相同点：都是渗碳体，成份、结构、性能都相同。

不同点：来源不同，二次渗碳体由奥氏体中析出，共析渗碳体是共析转变得到的；形态不同二次渗碳体成网状，共析渗碳体成片状；对性能的影响不同，片状的强化基体，提高强度，网状降低强度。

16.

举例说明成分、组织与机械性能之间的关系

如亚共析钢。亚共析钢室温下的平衡组织为F＋P，F的强度低，塑性、韧性好，与F相比P强度硬度高，而塑性、韧性差。随含碳量的增加，F量减少，P量增加（组织组成物的相对量可用杠杆定律计算）。所以对于亚共析钢，随含碳量的增加，强度硬度升高，而塑性、韧性下降。

17.

说明三个恒温转变，画出转变特征图

包晶转变(LB＋δ

H

γJ)含碳量0.09％～0.53％范围的铁碳合金，于HJB水平线(1495℃)

均将通过包晶转变，形成单相奥氏体。

共晶转变(LCγE＋Fe3C)含碳放2.11％一6.69％范围的铁碳合金，于ECF平线上(1148℃)

均将通过共晶转变，形成奥氏体和渗碳体两相混合的共晶体，称为菜氏体(Ld)。

共析转变(γS αP＋Fe3C)；含碳虽超过0．02％的铁碳合金，于PSK水平线上(727℃)

均将通过共析转变，形成铁素体和渗碳体两相混合的共析体，称为珠光体（P）。 转变特征图 包晶转变：

共晶转变： 共析转变：

LB γJ δH Fe3C LC γE αP γS Fe3C 各点成分为（C%）：B：0.53 ；H：0.09；J：0.17；C：4.3；E：2.11 S：0.77；P：0.0218。 四、晶面指数与晶向指数

1）、标出图①、图②中晶面的晶面指数及图③中所示晶向(AB，OC)的晶向指数。 Z Z Z C Y Y A O B Y X X X ① ② ③ ① ：

?110? ②：（012）

AB：

?110? OC：[101]

2）、标出图①、图②中晶面的晶面指数及图③中所示晶向(AC，OB )的晶向指数。 Z Z C Z Y Y A O Y X X X B ① ② ③

①：

?012? ②：（112）

AC： ?101? OB：[120]

?110? （0 21） [1 1 0] ?001?

3）、画出下列指数的晶向或晶面

（111）

Z Z Z

（021） Y Y Y X

（111） （110） X X [110] [001]

五、固态下互不溶解的三元共晶相图的投影图如图所示。 1. 说出图中各点（M、N、P、E）室温下的显微组织。

M：B＋（B＋C）＋（A＋B＋C）； N：（A＋B） ＋（A＋B＋C）； P：C＋（A＋B＋C）； E：（A＋B＋C）。

2. 求出E点合金室温下组织组成物的相对量和相组成物的相对量。 E点合金室温下组织组成物的相对量（A＋B＋C）为100% 相组成物的相对量为： WA=Ea/Aa×100% WB=Eb/Bb×100% WC=Ec/Cc×100%

A E1 c B% B · N A% E· ·M C% b K E2 E3 ·P a

C 3. 分析M点合金的结晶过程。

先从液相中结晶出B组元，当液相成分为K时，发生二元共晶转变，转变产物为（B＋C），当液相成分为E时，发生三元共晶转变，转变产物为（A＋B＋C）。室温下的显微组织为：B＋（B＋C）＋（A＋B＋C）。

六、固态下互不溶解的三元共晶相图的投影图如图所示。

A e1 B% B

A% E · e3 e2 C% C

1. 2. 3. 4.

确定出E点合金A、B、C三个组元的化学成分。 计算E点合金组织组成物的相对量 计算E点合金相组成物的相对量

E点合金的化学成分与相组成物相对量之间有什么关系？为什么？

A b D e1 B% B

A% E · c F H e3 a e2 C% C 1、 A、B、C三个组元的化学成分为：A=Ca% ，B=Ab% ，C=Bc% 2、E点合金组织组成物的相对量为：W(A＋B＋C)=100%

3、E点合金相组成物的相对量为：WA?EH?100%，WB?EF?100%， AHBFWC?ED?100%

CD4、E点合金的化学成分与相组成物相对量是相等的，即：Ca=EH/AH，Ab=EF/BF，

Bc=ED/CD。因为三个组元在固态下互不溶解，都已纯金属的形成存在，所以三个相（A、B、C）的相对量就应该等于其各自的化学成分。

七、锻造或轧制的作用是什么？为什么锻造或轧制的温度选择在高温的奥氏体区？

锻造或轧制的作用是：把材料加工成形，通过锻造或轧制使铸锭中的组织缺陷得到明显的改善，如气泡焊合，缩松压实，使金属材料的致密度增加；粗大的柱状晶变细；合金钢中大块状碳化物初晶打碎并较均匀分布；使成分均匀，使材料的性能得到明显的改善。

奥氏体稳定存在是在高温区，温度升高材料的强度、硬度下降，塑性韧性升高，有利于变形；奥氏体为面心结构，塑性比其它结构好，塑性好，有利于变形；奥氏体为单相组织，单相组织的强度低，塑性韧性好，有利于变形；变形为材料的硬化过程，变形金属高温下发生回复与再结晶，消除加工硬化，即为动态回复再结晶，适合大变形量的变形。

八、什么是柯肯达尔效应？如何解释柯肯达尔效应？

由置换互溶原子因相对扩散速度不同而引起标记移动的不均衡扩散现象称为柯肯达尔效应。

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