金属学与热处理（哈尔滨工业大学 第二版）课后习题答案 附总复习提纲加习题 - 图文

第一章

1.作图表示出立方晶系（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.某晶体的原子位于正方晶格的节点上，其晶格常数a=b≠c，c=2/3a。今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的截距分别是5个原子间距，2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面参数。

解：设X方向的截距为5a，Y方向的截距为2a，则Z方向截距为

3c=3X2a/3=2a，取截距的倒数，分别为 1/5a，1/2a，1/2a

化为最小简单整数分别为2,5,5 故该晶面的晶面指数为（2 5 5）

4.体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面的晶面间距，并指出面间距最大的晶面

解：（1 0 0）面间距为a/2，（1 1 0）面间距为√2a/2，（1 1 1）面间距

为√3a/3

三个晶面晶面中面间距最大的晶面为（1 1 0） 7.证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633

证明：理想密排六方晶格配位数为12，即晶胞上底面中心原子与其下面的3个位于晶胞内的原子相切，成正四面体，如图所示

则OD=c/2，AB=BC=CA=CD=a

因△ABC是等边三角形，所以有OC=2/3CE 由于(BC)2=(CE)2+(BE)2

则

有(CD)2=(OC)2+(1/2c)2，即

因此c/a=√8/3=1.633

8.试证明面心立方晶格的八面体间隙半径为r=0.414R

解：面心立方八面体间隙半径r=a/2-√2a/4=0.146a 面心立方原子半径R=√2a/4，则a=4R/√2，代入上式有

R=0.146X4R/√2=0.414R

9.a）设有一刚球模型，球的直径不变，当由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计算其体积膨胀。b）经X射线测定，在912℃时γ-Fe的晶格常数为0.3633nm，α-Fe的晶格常数为0.2892nm，当由γ-Fe转化为α-Fe时，求其体积膨胀，并与a）比较，说明其差别的原因。

解：a）令面心立方晶格与体心立方晶格的体积及晶格常数分别为V面、V踢与a面、a体，钢球的半径为r，由晶体结构可知，对于面心晶胞有

4r=√2a面，a面=2√2/2r，V面=（a面）3=（2√2r）3 对于体心晶胞有

4r=√3a体，a体=4√3/3r，V体=（a体）3=（4√3/3r）3 则由面心立方晶胞转变为体心立方晶胞的体积膨胀△V为 △V=23V体-V面=2.01r3

B）按照晶格常数计算实际转变体积膨胀△V实，有 △V实=2△V体-V面=2x(0.2892)3-(0.3633)3=0.000425nm3 实际体积膨胀小于理论体积膨胀的原因在于由γ-Fe转化为α-Fe时,Fe原子的半径发生了变化，原子半径减小了。

10.已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为0.286nm和0.3607nm，求1cm3中铁和铜的原子数。

解：室温下Fe为体心立方晶体结构，一个晶胞中含2个Fe原子，Cu为面心立方晶体结构， 一个晶胞中含有4个Cu原子

1cm3=1021nm3

令1cm3中含Fe的原子数为N Fe，含Cu的原子数为N Cu，室温下一个Fe的晶胞题解为V Fe，一个Cu晶胞的体积为V Cu，则

N Fe=1021/V Fe=1021/(0.286)3=3.5x1018 N Cu=1021/V Cu=1021/(0.3607)3=2.8X1018

11.一个位错环能不能各个部分都是螺型位错或者刃型位错，试说明之。

解：不能，看混合型位错

13.试计算{110}晶面的原子密度和[111]晶向原子密度。

解：以体心立方 {110}晶面为例 {110}晶面的面积S=a x √2a

{110}晶面上计算面积S内的原子数N=2 则{110}晶面的原子密度为ρ=N/S= √2a-2 [111]晶向的原子密度ρ=2/√3a

15.有一正方形位错线，其柏式矢量如图所示，试指出图中各段线的性能，并指出任性位错额外串排原子面所在的位置。

D C b A B

AD、BC段为刃型位错； DC、AB段为螺型位错

AD段额外半原子面垂直直面向里 BC段额外半原子面垂直直面向外

第二章

1.证明均匀形核时，形成临界晶粒的 ΔGk 与其体积 V 之间的关系为 ΔG k = V/2△Gv

证明：由均匀形核体系自由能的变化

（1）

可知，形成半径为rk的球状临界晶粒，自由度变化为

（2）

对（2）进行微分处理，有

(3)

将（3）带入（1），有

（4）

由于

，即3V=rkS （5）

将（5）带入（4）中，则有

2.如果临界晶核是边长为 a 的正方形，试求其 △Gk 和 a 的关系。为什么形成立方晶核的 △Gk 比球形晶 核要大？

3.为什么金属结晶时一定要有过冷度，影响过冷度的因素是什么，固态金属融化时是否会出现过热，为什么？

答：由热力学可知，在某种条件下，结晶能否发生，取决于固相的自由度是否低于液相的自由度，即 ?G =GS-GL<0；只有当温度低于理论结晶温度 Tm 时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态 金属才能自发地转变为固态金属，因此金属结晶时一定要有过冷度。 影响过冷度的因素： 影响过冷度的因素：1）金属的本性，金属不同，过冷度大小不同；2）金属的纯度，金属的纯度越高， 过

冷度越大；3）冷却速度，冷却速度越大，过冷度越大。 固态金属熔化时会出现过热度。原因：由热力学可知，在某种条件下，熔化能否发生，取决于液相自 固态金属熔化时会出现过热度。原因： 由度是否低于固相的自由度，即 ?G = GL-GS<0；只有当温度高于理论结晶温度 Tm 时，液态金属的自 由能才低于固态金属的自由能，固态金属才能自发转变为液态金属，因此金属熔化时一定要有过热度。 4.试比较均匀形核和非均匀形核的异同点。

相同点：均匀形核与非均匀形核具有相同的临界晶核半径，非均匀形核的临界形核功也等于三分之一 .

不同点：非均匀形核要克服的位垒比均匀形核的小得多，在相变的形核过程通常都是非均匀形核优先进行。核心总是倾向于以使其总的表面能和应变能最小的方式形成，因而析出物的形状是总应变能和总表面能综合影响的结果。

5.说明晶体成长形状与温度梯度的关系

（1）、在正的温度梯度下生长的界面形态：

光滑界面结晶的晶体，若无其它因素干扰，大多可以成长为以密排晶面为表面的晶体，具有规则的几何外形。粗糙界面结构的晶体，在正的温度梯度下成长时，其界面为平行于熔点等温面的平直界面，与散热方向垂直，从而使之具有平面状的长大形态，可将这种长大方式叫做平面长大方式。

（2）、在负的温度梯度下生长的界面形态粗糙界面的晶体在负的温度梯度下生长成树枝晶体。主干叫一次晶轴或一次晶枝。其它的叫

二次晶或三次晶。对于光滑界面的物质在负的温度梯度下长大时，如果杰克逊因子α不太大时可能生长为树枝晶，如果杰克逊因子α很大时，即使在负的温度梯度下，仍有可能形成规则形状的晶体。 6.简述三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点

形成原因：1）表层细晶区：低温模壁强烈地吸热和散热，使靠近模壁的薄层液体产生极大地过冷， 形成原因 形成原 模壁又可作为非均匀形核的基底，在此一薄层液体中立即产生大量的晶核，并同时向各个方向生长。 晶核数目多，晶核很快彼此相遇，不能继续生长，在靠近模壁处形成薄层很细的等轴晶粒区。

2） 柱状晶区：模壁温度升高导致温度梯度变得平缓；过冷度小，不能生成新晶核，但利于细晶区靠近液 相的某些小晶粒长大；远离界面的液态金属过热，不能形核；垂直于模壁方向散热最快，晶体择优生 长。

3）中心等轴晶区：柱状晶长到一定程度后，铸锭中部开始形核长大---中部液体温度大致是均匀的，每个晶粒的成长在各方向上接近一致，形成等轴晶。

性能特点：1）表层细晶区：组织致密，力学性能好； 2）柱状晶区：组织较致密，存在弱面，力学性 能有方向性； 3）中心等轴晶区：各晶粒枝杈搭接牢固，无弱面，力学性能无方向性。

7.为了得到发达的柱状晶区应采用什么措施，为了得到发达的等轴晶区应采取什么措施？其基本原理如何？

答：为了得到发达的柱状晶区应采取的措施：1）控制铸型的冷却能力，采用导热性好与热容量大的铸型 为了得到发达的柱状晶区应采取的措施： 材料，增大铸型的厚度，降低铸型的温度。2）提高浇注温度或浇注速度。3）提高熔化温度。 基本原理： 基本原理：1）铸型冷却能力越大，越有利于柱状晶的生长。2）提高浇注温度或浇注速度，使温度梯 度增大，有利于柱状晶的生长。3）熔化温度越高，液态金属的过热度越大，非金属夹杂物溶解得越多， 非均匀形核数目越少，减少了柱状晶前沿液体中的形核的可能，有利于柱状晶的生长。

为了得到发达的等轴晶区应采取的措施： 为了得到发达的等轴晶区应采取的措施：1）控制铸型的冷却能力，采用导热性差与热容量小的铸型材 等轴晶区应采取的措施 料，增大铸型的厚度，提高铸型的温度。2）降低浇注温度或浇注速度。3）降低熔化温度。

基本原理： 基本原理：1）铸型冷却能力越小，越有利于中心等轴晶的生长。2）降低浇注温度或浇注速度，使温 度梯度减小，有利于等轴晶的生长。3）熔化温度越低，液态金属的过热度越小，非金属夹杂物溶解得 越少，非均匀形核数目越多，增加了柱状晶前沿液体中的形核的可能，有利于等轴晶的生长。

第三章

1.在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状生长，而固溶体合金却能呈树枝状成长？

纯金属凝固时，要获得树枝状晶体，必需在负的温度梯度下；在正的温度梯度下，只能以平面状长大。而固溶体实际凝固时，往往会产生成分过冷，当成分过冷区足够大时，固溶体就会以树枝状长大。 2.何谓合金平衡相图，相图能给出任一条件下的合金显微组织吗？

合金平衡相图是研究合金的工具，是研究合金中成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。 其中二元合金相图表示二元合金相图表示在平衡状态下，合金的组成相或组织状态与温度、成分、压力之间关系的简明图解。平衡状态：合金的成分、质量份数不再随时间而变化的一种状态。 合金的极缓慢冷却可近似认为是平衡状态。

三元合金相图是指独立组分数为3的体系，该体系最多可能有四个自由度，即温度、压力和两个浓度项，用三维空间的立体模型已不足以表示这种相图。若维持压力不变，则自由度最多等于3，其相图可用立体模型表示。若压力、温度同时固定，则自由度最多为2，可用平面图来表示。通常在平面图上用等边三角形(有时也有用直角坐标表示的)来表示各组分的浓度。

不能，相图只能给出合金在平衡条件下存在的合金显微组织 4.何谓成分过冷？成分过冷对固溶体结晶时晶体长大方式和铸锭组织有何影响？

在固溶体合金凝固时，在正的温度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所差别，导致固液界面前沿的熔体的温度低于实际液相线温度，从而产生的过冷称为成分过冷。

这种过冷完全是由于界面前沿液相中的成分差别所引起的。温度梯度增大，成分过冷减小。 成分过冷必须具备两个条件：第一是固~液界面前沿溶质的富集而引起成分再分配；第二是固~液界面前方液相的实际温度分布，或温度分布梯度必须达到一定的值。 对合金而言，其凝固过程同时伴随着溶质再分配，液体的成分始终处于变化当中，液体中的溶质成分的重新分配改变了相应的固液平衡温度，这种关系有合金的平衡相图所规定。利用“成分过冷”判断合金微观的生长过程。

第四章

1.分析分析ωc=0.2%,wc=0.6%,wc=1.2%的铁碳合金从液态平衡冷却到室温的转变过程。

ωc=0.2%: L---L+δ---δ→γ(1495度)---γ+L---γ----α+γ----γ→α(727度)---α+Fe3C; (γ=A,α=F;下同)

ωc=0.6%: L---γ+L---γ----α+γ----γ→α(727度)---α+Fe3C; ωc=1.2%: L---γ+L---γ----Fe3C+γ----γ→α(727度)---α+Fe3C;

室温下相组成物的相对含量:

ωc=0.2%，渗碳体相对含量=(0.2-0.02)/6.67 %,余量铁素体 ωc=0.6%，渗碳体相对含量=(0.6-0.02)/6.67 %,余量铁素体 ωc=1.2% 渗碳体相对含量=(1.2-0.02)/6.67 %,余量铁素体 室温下组织组成物的相对含量:

ωc=0.2%，珠光体相对含量=(0.2-0.02)/0.77%,余量铁素体

ωc=0.6%，珠光体相对含量=(0.6-0.02)/0.77 %,余量铁素体 ωc=1.2%,渗碳体相对含量=(1.2-0.77)/6.67 %,余量珠光体 2.分析ωc=3.5%、ωc=4.7%的铁碳合金从液态到室温的平衡结晶过程，画出冷却曲线和组织转变示意图，并计算室温下的组织组成物和相组成物。

解：下图表示ωc=3.5%%的铁碳合金从液态到室温的平衡结晶过程：

下图表示ωc=4.7%的铁碳合金从液态到室温的平衡结晶过程：

3.计算铁碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大可能含量。

答：铁碳合金中二次渗碳体即Fe3CⅡ的最大可能含量产生在2.11%C的铁碳合金中，因此

（Fe3CⅡ）max=（2.11-0.77）/（6.69-0.77）x100%=22.64% 三次渗碳体即Fe3CⅢ的可能最大含量在0.0218%C的铁碳合金中，因此

（Fe3CⅢ）max（0.0218-0.006）/（6.69-0.006）x100%=0.24% 4.分别计算莱氏体中共晶渗碳体、二次渗碳体、共析渗碳体的含量。

解：在莱氏体中，

Fe3C共晶%=（4.3-2.11）/（6.69-2.11）*100%=47.8% Fe3CⅡ%=[（6.69-4.3）/（6.69-2.11）]*[（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.为了区分两种弄混的钢，工人分别将A、B两块碳素钢试样加热至850 ℃保温后缓冷， 金相组织分别为： A试样的先共析铁素体面积为41.6%，珠光体面积为 58.4%； B试样的二次渗碳体面积为7.3%，珠光体面积为 92.7%； 设铁素体和渗碳体的密度相同,铁素体的含碳量为零， 求A、B两种碳素钢的含碳量。

解：这两个试样处理后都是得到的平衡态组织，首先判断A试样为亚共析钢，根据相图杠杆原理列出方程如下：

(0.77-X)/(0.77-0.0218)=41.6% 这样得到X=45.0%，大概是45钢的成分范围。

同理B试样为过共析钢(6.69-X)/(6.69-0.77)=92.7%；X=1.2%，大概是T12钢的范围，当然相应地还可以利用杠杆的另外一端来求了。 6.利用Fe-FeC3相图说明铁碳合金的成分、组织和性能的关系。

从相组成物的情况来看，铁碳合金在室温下的平衡组织均由铁素体和渗碳体组成，当碳质量分数为零时，合金全部由铁素体所组成，随着碳质量分数的增加，铁素体的量呈直线下降，到wc为6.69%时降为零，相反渗碳体则由零增至100%。

碳质量分数的变化不仅引起铁素体和渗碳体相对量的变化，而且两相相互组合的形态即合金的组织也将发生变化，这是由于成分的变化引起不同性质的结晶过程，从而使相发生变化的结果，由图3-35可见，随碳质量分数的增加，铁碳合金的组织变化顺序为：

F→F+Fe3CⅢ→F+P→P→P+ Fe3CⅡ→P+ Fe3CⅡ+Le→Le→Le+ Fe3CⅠ

wc<0.0218%时的合金组织全部为铁素体，wc=0.77%时全部为珠光

体，wc=4.3%时全部为莱氏体，wc=6.69%时全部为渗碳体，在上述碳质量分数之间则为组织组成物的混合物；而且，同一种组成相，由于生成条件不同，虽然相的本质未变，但其形态会有很大的差异。如渗碳体，当wc<0.0218% 时，三次渗碳体从铁素体中析出，沿晶界呈小片状分布；经共析反应生成的共析渗碳体与铁素体呈交替层片状分布；从奥氏体中析出的二次渗体则以网状分布于奥氏体的晶界；共晶渗碳体与奥氏体相关形成，在莱氏体中为连续的基体，比较粗大，有时呈

鱼骨状；从液相中直接析出的一次渗碳体呈规则的长条状。可见，成分的变化，不仅引起相的相对量的变化，而且引起组织的变化，从而对铁碳合金的性能产生很大的影响。

1)切削加工性能

钢中碳质量分数对切削加工性能有一定的影响。低碳钢的平衡结晶组织中铁素体较多，塑性、韧性很好，切削加工时产生的切削热较大，容易黏刀，而且切屑不易折断，影响表面粗糙度，因此，切削加工性能不好；高碳钢中渗碳体较多，硬度较高，严重磨损刀具，切削性能也不好；中碳钢中铁素体与渗碳体的比例适当，硬度与塑性也比较适中，切削加工性能较好。一般说来，钢的硬度在170～250HBW时切削加工性能较好。

2)压力加工性能

金属压力加工性能的好坏主要与金属的锻造性有关。金属的锻造性是指金属在压力加工时能改变形状而不产生裂纹的性能。钢的锻造性主要与碳质量分数及组织有关，低碳钢的锻造性较好，随着碳质量

分数的增加，锻造性逐渐变差。由于奥氏体具有良好的塑性，易于塑性变形，钢加热到高温获得单相奥氏体组织时可具有良好的锻造性。白口铸铁无论在低温或高温，其组织都是以硬而脆的渗碳体为基体，锻造性很差，不允许进行压力加工。

3)铸造性能

随着碳质量分数的增加，钢的结晶温度间隔增大，先结晶形成的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，流动性变差。铸铁的流动性要好于钢，随碳质量分数的增加，亚共晶白口铁的结晶温度间隔缩小，流动性随之提高；过共晶白口铁的流动性则随之降低；共晶白口铁的结晶温度最低，又是在恒温下结晶，流动性最好。碳质量分数对钢的收缩性也有影响，一般说来，当浇注温度一定时，随着碳质量分数的增加，钢液温度与液相线温度差增加，液态收缩增大；同时，碳质量分数增加，钢的凝固温度范围变宽，凝固收缩增大，出现缩孔等铸造缺陷的倾向增大。此外，钢在结晶时的成分偏析也随碳质量分数的增加而增大。 7.Fe-FeC3相图有哪些应用，又有哪些局限性

答：铁—渗碳体相图的应用： 1）在钢铁选材方法的应用； 2）在铸造工艺方法的应用；

3）在热锻、热轧、热锻工艺方法的应用 ； 4）在热处理工艺方法的应用。 渗碳体相图的局限性 ： 1）只反映平衡相,而非组织；

2）只反映铁 二元合金中相的平衡； 3）不能用来分析非平衡条件下的问题

第五章

1.试在 A、B、C 成分三角形中，标出注下列合金的位置： 1）ωC=10%，ωC=10%，其余为 A； 2）ωC=20%，ωC=15%，其余为 A； 3）ωC=30%，ωC=15%，其余为 A； 4）ωC=20%，ωC=30%，其余为 A； 5）ωC=40%，A和B组元的质量比为1:4； 6）ωA=30%，A和B组元的质量比为2:3；

解：6）设合金含 B 组元为 WB，含 C 组元为 WC，则 WB/WC=2/3 WB+WC=1?30% 可求 WB=42%，WC=28%。

2.在成分三角形中标注 P （ωA=70%、ωB=20%、ωC=10%）；Q（ωA=30%、ωB=50%、ωC=20%）；N（ωA=30%、ωB=10%、ωC=60%）合金的位置，然后将5kgP合金、5kgQ合金和10kgN合金熔合在一起，试问新合金 的成分如何？ 解：设新合金的成分为 ω新A、ω新B、 ω新C ，则有

ω新A =(53ωPA +53ωQA +103ωNA)/(5+5+10)=(5370%+5330%+10330%)/20=40.0% ; ω

新

B =(53ω

P

A +53ω

Q

A

+103ω

NA

)/(5+5+10)=(5320%+53

50%+10310%)/20=22.5% ; ω

新

C =(53ω

P

A +53ω

QA

+103ω

NA

)/(5+5+10)=(5310%+53

20%+10360%)/20=37.5%;

所以，新合金的成分为：ω新A =40.0%、ω新B =22.5%、ω新C =37.5%。

第六章

1.

屈服载荷/N υ角/（°） λ角/（°） τk cosλcosυ 620 83 25.5 8.6883105 0.110 252 72.5 26 2.1323106 0.270 184 62 3 2.9223106 0.370 148 48.5 46 3.6333106 0.460 174 30.5 63 3.0883106 0.391 273 176 74.8 -0.262 525 5 82.5 0.130 计算方法τk=σs2cosλcosυ=F/A cosλcosυ

4. 试用多晶体的塑性变形过程说明金属晶粒越细强度越高、塑性越好的原因是什么？

答：由 Hall-Petch 公式可知，屈服强度σs 与晶粒直径平方根的倒数 d v2呈线性关系。 在多晶体中，滑移能否从先塑性变形的晶粒转移到相邻晶粒主要取决于在已滑移晶粒晶界附近的位错塞 积群所产生的应力集中能否激发相邻晶粒滑移系中的位错源，使其开动起来，从而进行协调性的多滑移。 由τ=nτ0知，塞积位错数目n越大，应力集中τ越大。位错数目n与引起塞积的晶界到位错源的距离成正

比。晶粒越大，应力集中越大，晶粒小，应力集中小，在同样外加应力下，小晶粒需要在较大的外加应 力下才能使相邻晶粒发生塑性变形。 在同样变形量下，晶粒细小，变形能分散在更多晶粒内进行，晶粒内部和晶界附近应变度相差较小，引 起的应力集中减小，材料在断裂前能承受较大变形量，故具有较大的延伸率和断面收缩率。另外，晶粒 细小，晶界就曲折，不利于裂纹传播，在断裂过程中可吸收更多能量，表现出较高的韧性。

6.滑移和孪生有何区别，试比较它们在塑性变形过程的作用。 答：区别：

1）滑移：一部分晶体沿滑移面相对于另一部分晶体作切变，切变时原子移动的距离是滑移方向原 区别： 区别 子间距的整数倍；孪生：一部分晶体沿孪生面相对于另一部分晶体作切变，切变时原子移动的距离不是 孪生方向原子间距的整数倍；

2）滑移：滑移面两边晶体的位向不变；孪生：孪生面两边的晶体的位向不 同，成镜面对称；

3）滑移：滑移所造成的台阶经抛光后，即使再浸蚀也不会重现；孪生：由于孪生改变 了晶体取向，因此孪生经抛光和浸蚀后仍能重现；

4）滑移：滑移是一种不均匀的切变，它只集中在某些 晶面上大

量的进行，而各滑移带之间的晶体并未发生滑移；孪生：孪生是一种均匀的切变，即在切变区 内与孪生面平行的每一层原子面均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位移了一定的距离。

作用：晶体塑性变形过程主要依靠滑移机制来完成的；孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多，但孪生改 变了部分晶体的空间取向，使原来处于不利取向的滑移系转变为新的有利取向，激发晶体滑移。 7.试述金属塑性变形后组织结构与性能之间的关系，阐明加工硬化在机械零构件生产和服役过程中的重要 试述金属塑性变形后组织结构与性能之间的关系， 意义。

答：关系：

随着塑性变形程度的增加，位错密度不断增大，位错运动阻力增加，金属的强度、硬度增加，而 关系： 关系 塑性、韧性下降。

重要意义：1）提高金属材料的强度；

2）是某些工件或半成品能够加工成形的重要因素； 3）提高零件或 构件在使用过程中的安全性。

8.金属材料经塑性变形后为什么会保留残留内应力？研究这部分残留内应力有什么实际意义？ 金属材料经塑性变形后为什么会保留残留内应力？研究这部分残留内应力有什么实际意义？

答： 残余内应力存在的原因

1）塑性变形使金属工件或材料各部分的变形不均匀，导致宏观变形不均匀；

2）塑性变形使晶粒或亚晶粒变形不均匀，导致微观内应力；

3）塑性变形使金属内部产生大量的位错或空位，使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置，导致点阵畸变 内应力。

实际意义：可以控制材料或工件的变形、开裂、应力腐蚀；可以利用残留应力提高工件的使用寿命。

9.何谓脆性断裂和塑性断裂，若在材料中存在裂纹时，试述裂纹对脆性材料和塑性材料断裂过程中的影响。

答：塑性断裂又称为延性断裂，断裂前发生大量的宏观塑性变形，断裂时承受的工程应力大于材料的屈服强度。在塑性和韧性好的金属中，通常以穿晶方式发生塑性断裂，在断口附近会观察到大龄的塑性变形痕迹，如缩颈。

金属脆性断裂过程中，极少或没有宏观塑性变形，但在局部区域任然存在着一定的微观塑性变形。断裂时承受的工程应力通常不超过材料的屈服强度，甚至低于按宏观强度理论确定的许用应力，因此又称为低应力断裂。

在塑性材料中，断裂是胃口形成、扩大和连接的过程，在打的应力作用下，基体金属产生塑性变形后，在基体和非金属夹杂物、析出相粒子周围产生应力集中，使界面拉开，或使异相颗粒折断形成微孔。微孔扩大和链接也是基体金属塑性变形的结果。当微孔扩大到一定的程度，相邻微孔见的金属产生较大的塑性变形后就发生微观塑性失稳，就像宏观实验产生缩颈一样，此时微孔将迅速扩大，直至细缩成一线，最后由于金属与金属件的连线太少，不足以承载而发生断裂。

脆性材料中，由于断裂前既无宏观塑性变形，又无其他预兆，并

且一旦开裂后，裂纹扩展迅速，造成整体断裂或河大的裂口，有时还产生很多碎片，容易导致严重事故。

10.何谓断裂韧度，它在机械设计中有何作用？

答：在弹塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强度因子即断裂韧度。它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆断的能力，是材料的力学性能指标。

第七章

1.用冷拔铜丝制成导线，冷拔之后应如何处理，为什么？

答：冷拔之后应该进行退火处理。因为冷拔是在再结晶温度以下进行加工，因此会引起加工硬化，所以要通过回复再结晶，使金属的强度和硬度下降，提高其塑性。

2.一块厚纯金属板经冷弯并再结晶退火后，试画出界面上的显微组织示意图。

3.已知W、Fe、Cu的熔点分别为3399℃、1538℃和1083℃，试估算其再结晶温度。

解：T再=σTm，其中σ=0.35~0.4，取σ =0.4，则W、Fe、Cu的再结晶温度分别为3399℃30.4=1 359.6℃、1538℃30.4=615.2℃和1083℃30.4=433.2℃ 4.说明以下概念的本质区别： 1）一次再结晶和二次再结晶；

2）再结晶时晶核长大和再结晶后晶粒长大。

解：1）再结晶：当退火温度足够高、时间足够长时，在变形金属或合金的显微组织中，产生无应变的新晶粒──再结晶核心。新晶粒不断长大，直至原来的变形组织完全消失,金属或合金的性能也发生显著变化,这一过程称为再结晶。过程的驱动力也是来自残存的形变贮能。与金属中的固态相变类似，再结晶也有转变孕育期，但再结晶前后，金属的点阵类型无变化。

再结晶完成后，正常的晶粒应是均匀的、连续的。但在某些情况下，晶粒的长大只是少数晶粒突发性地、迅速地粗化，使晶粒之间的尺寸差别越来越大。这种不正常的晶粒长大称为晶粒的反常长大。这种晶粒的不均匀长大就好像在再结晶后均匀细小的等轴晶粒中又重新发生了再结晶，所以称为二次再结晶。其发生的基本条件是正常晶粒长大过程被分散相粒子、织构或表面热蚀等所强烈阻碍，当一次再结晶组织被继续加热时，上述阻碍因素一旦被消除，少数特殊晶界将迅速迁移，导致少数晶粒变大，而大晶粒界面通常是凹向外侧的，因此在晶界能的驱动下，大晶粒将继续长大，直至相互接触形成二次再结晶组织。二次再结晶为非形核过程，不产生新晶核，而是以一次再结晶后的某些特殊晶粒作为基础而长大的。

5.分析回复和再结晶阶段空位与位错的变化及其对性能的影响。

答：回复可分为低温回复，中温回复以及高温回复。低温回复阶段主要是空位浓度明显降低。原因： 低温回复阶段主要是空位浓度明显降低。中温回复阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消， 此阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消，位错 密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。 密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。高温回复的主要机制为多边化。 多边化 由于同号刃型位错的塞积而导致晶体点阵弯曲， 由于同号刃型位错塞积而导致晶体点阵弯曲，在退火过程中 通过刃型位错的攀移和滑移， 通过刃型位错的攀移和滑移，使同号刃

型位错沿垂直于滑移面的方向排列成小角度的亚晶界。此过程称为多边（形）化。 多晶体金属塑性变形时， 多晶体金属塑性变形时， 金属塑性变形时滑移通常是在许多互相交 截的滑移面上进行， 截的滑移面上进行，产生由缠结位错构成的胞状组织。因此，多边化后不仅 所形成的亚晶粒小得多， 而且许多亚晶界是由位错网组成的。

对性能影响：去除残余应力，使冷变形的金属件在基本保持应变硬化状态的条件下，降低其内应力，以免变形或开裂， 保持应变硬化状态的条件下，降低其内应力，以免变形或开裂， 并改善工件的耐蚀性。 并改善工件的耐蚀性。

再结晶是一种形核和长大的过程，靠原子的扩散进行。 冷变形金属加热时组织与性能最显著的变化就是在再结晶阶段发生的。特点： 1）、组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒； 2）、力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧下降， 应变硬化全部消除，恢复到变形前的状态3）、变形储能在再结晶过程中全部释放。三类应力（点阵畸变） 、变形储能在再结晶过程中全部释放。

对性能影响： 强度迅速下降， 强度迅速下降，塑性迅速升高。冷变形金属在加热过程中性能随温度升高而变化， 冷变形金属在加热过程中性能随温度升高而变化，在再结晶阶段发生突变。 6.何谓临界变形度，在工业生产中有何意义。

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

粗大的经历对金属的力学性能十分不利，故在压力加工时，应当避免在临界变形程度范围内进行加工，一面再结晶后产生粗晶。此外，在锻造零件时，如锻造工艺或锻模设计不当，局部区域的变形量可能在临界变形度范围内，则退货后造成局部粗晶区，时零件在这些部位遭到破坏。

7.一块纯锡板被枪弹击穿，经再结晶退火后，大孔周围的晶粒大小有何特征，并说明原因。

答：晶粒异常长大，因为受子弹击穿后，大孔周围产生了较大的变形度，由于变形度对再结晶晶粒大小有着重大影响，而且在受击穿空洞的周围其变形度呈现梯度变化，因此当变形度达到某一数值的时候，就会得到特别粗大的晶粒了。

10.金属材料在热加工时为了获得较小的晶粒组织，应该注意什么问题？

答：应该注意其变形度避开金属材料的临界变形度；提高再结晶退火温度；尽量使原始晶粒尺寸较细；一般采用含有较多合金元素或杂志的金属材料，这样不仅增加变形金属的储存能，还能阻碍晶界的运动，从而起到细化晶粒的作用。

11.为了获得较小的晶粒组织，应该根据什么原则制定塑性变形以及退火工艺？

答：在热轧或锻造过程中： 在热轧或锻造过程中： 1)控制变形度； 控制变形度； 控制变形度 2)控制热轧或锻造温度。 控制热轧或锻造温度。 控制热轧或锻造温度 细化晶粒方法

在热处理过程中： 控制加热和冷却工艺参数, 控制加热和冷却工艺参数 利用相变 重结晶来细化晶粒。 重结晶来细化晶粒。

对冷变形后退火态使用的合金： 1)控制变形度； 控制变形度； 控制变形度 2)控制再结晶退火温度和时间。 控制再结晶退火温度和时间。 控制再结晶退火温度和时间

第八章

1.何谓扩散，固态扩散有哪些种类？

答：扩散是物质中原子（或分子）的迁移现象，是物质传输的一种方式。

固态扩散根据扩散过程是否发生浓度变化可以分为自扩散和异扩散；根据扩散是否与浓度梯度的方向相同可分为上坡扩散和下坡扩散；根据扩散过程是否出现新相可分为原子扩散和反应扩散。

2.何谓上坡扩散和下坡扩散?试举几个实例说明之。

上坡扩散是沿着浓度升高的方向进行扩散，即由低浓度向高浓度方向扩散，使浓度发生两级分化。例如奥氏体向珠光体转变的过程中，碳原子由浓度较低的奥氏体向浓度较高的渗碳体扩散，就是上坡扩散。

下坡扩散就是沿着浓度降低的方向进行的扩散，使浓度趋于均匀化，例如铸件的均匀化退火、渗碳等过程都是下坡扩散。 3.扩散系数的物理意义是什么?影响因素有哪些？

扩散系数D=D0e(-Q/RT)，其物理意义相当于浓度梯度为1时的扩散通量，D的值越大，则扩散越快。

影响因素：

4.固态金属中要发生扩散必须满足哪些条件。

固态金属要发生扩散，必须满足： 1）扩散要有驱动力 2）扩散原子要固溶 3）温度要足够高 4）时间要足够长

5.铸造合金均匀化退火前的冷塑性变形对均匀化过程有何影响?是加速还是减缓? 为什么。

塑性变形有细化晶粒的作用，使均匀扩散原子迁移的距离缩短，所以应该是加速， 因为1）内能提高；2）粗大的枝晶被打碎，扩散距离缩短，扩散过程加快。.

6.已知铜在铝中的扩散常数 D0＝0.84×10-5m2／s，Q＝136×103J／mol，试计算在 477℃和 497℃时铜在铝中的扩散系数。

解：由扩散系数D=D0e(-Q/RT)及已知条件D0＝0.84310-5m2／s，Q＝1363103J／mol带入到扩散系数公式中，可得

D1=D0e(-Q/RT)= 0.84310-53e-136 310^3/[8.313(477+273)] = 2.80223 10 -15m2／s

D2=D0e(-Q/RT)= 0.84310-53e-136 310^3/[8.313(497+273)] = 4.9391 3 10 -15m2／s

故在477℃和 497℃时铜在铝中的扩散系数分别为2.80223 10 -15m2／s和4.9391 3 10 -15m2／s。

8.可否用铅代替铅锡合金作对铁进行钎焊的材料，试分析说明之。

答：不能，因为锡在铁中的扩散速度要比铅快得多，因此用铅锡合金作为钎焊材料，有助于保证焊接接头的强度，若用铅代替，则铅在铁中的扩散速率较低，异扩散速度较慢，因此将使焊接接头性能大大降低。

10.渗碳是将零件置于渗碳介质中使碳原子进入工件表面，然后以下坡扩散的方式使碳原子从表层向内部扩散的热处理方法。试问： (1) 温度高低对渗碳速度有何影响? (2) 渗碳应当在 r-Fe 中进行还是应当在 α-Fe 中进行? (3) 空位密度、位错密度和晶粒大小对渗碳速度有何影响？

答：1）温度高时渗碳速度加快。

温度是影响扩散系数的最主要因素。随着温度的升高，扩散系数急剧增大。这是由于温度越高，则原子的振动能越大，因此借助于能量起伏而越过势垒进行迁移的原子几率越大。此外，温度升高，金属内部的空位浓度提高，这也有利于扩散。

2）应当在γ-Fe中进行。

尽管碳原子在α-Fe中的扩散系数比在γ-Fe中的大，可是渗碳温度仍选在奥氏体区域。其原因一方面是由于奥氏体的溶碳能力远比铁素体大，可以获得较大的渗层深度；另一方面是考虑到温度的影响，

温度提高，扩散系数也将大大增加。

3）在位错、空位等缺陷处的原子比完整晶格处的原子扩散容易得多。原子沿晶界扩散比晶内快。因此，空位密度、位错密度越大，晶粒越小，则渗碳速度越快。

只靠信念虽然可以做出奇迹，但这只是表面。意志，不错，意志越坚强，工作越能完成。

有志者，事竟成，破釜沉舟，百二秦关终属楚；苦心人，天不负，卧薪尝胆，三千越甲可吞吴。 蒲松龄

朝为田舍郎，暮登天子堂。将相本无种，男儿当自强。 《神童诗》

自小多才学，平生志气高。别人怀宝剑，我有笔和刀。 《神童诗》

身如逆流船，心比铁石坚。望父全儿志，至死不怕难。 （明）李时珍

天下无难事，有志者成之；天下无易事，有恒者得之。 书摘

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 体心立方 面心立方 密排六方 晶格类型 间隙类型

正八面体 间隙个数

8 4 12 6 12 6

fcc(A1)

bcc(A2) hcp(A3)

扁八面体 四面体

晶胞中的原子数 原子半径 配位数 2 4 6

8 68% 12 74% 12 74%

致密度

正四面体 正八面体 四面体

原子半径rA 间隙半径rB

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 可知当过冷度为零时临界晶核半径Rk为无穷大，临界形核功（）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

五、三元合金相图

重点内容：固态下无溶解度三元共晶相图投影图中不同区、线的结晶过程、室温组织。

基本内容：固态下无溶解度三元共晶相图投影图中任意点的组织并计算其相对量。

三元合金相图的成分表示法；直线法则、杠杆定律、重心法则。 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： 其中，J为扩散流量；D为扩散系数；为浓度梯度。 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。 十、钢的热处理工艺

重点内容：退火、正火的目的和工艺方法； 淬火和回火的目的和工艺方法。

基本内容：淬透性、淬硬性、热应力、组织应力、回火脆性、回火稳定性、过冷奥氏体的概念。淬火加热缺陷及其防止措施。

热应力：工件在加热(或冷却)时，由于不同部位的温度差异，导致热胀(或冷缩)的不一致所引起的应力称为热应力。

组织应力：由于工件不同部位组织转变不同时性而引起的内应力。

淬透性：是表征钢材淬火时获得马氏体的能力的特性。 可硬性：指淬成马氏体可能得到的硬度。

回火稳定性：淬火钢对回火时发生软化过程的抵抗能力。 回火脆性：钢在一定的温度范围内回火时，其冲击韧性显著下降，这种脆化现象叫做钢的回火脆性。

过冷奥氏体：在临界温度以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。

退火的目的：均匀钢的化学成分及组织；细化晶粒；调整硬度，改善钢的成形及切削加工性能；消除内应力和加工硬化；为淬火做好组织准备。

正火的目的：改善钢的切削加工性能；细化晶粒，消除热加工缺陷；消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火；提高普通结构零件的机械性能。

十一、工业用钢

重点内容：材料强化方法；钢的分类和编号。

基本内容：常用合金元素在钢中的主要作用。材料韧化的方法、钢的化学成分、金相组织热处理工艺和机械性能之间的关系。

合金钢：在碳钢的基础上有意地加入一种或几种合金元素，使其使用性能和工艺性能得以提高的以铁为基的合金即为合金钢。

金属学与热处理习题及参考解

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=αbGρ1/2 ，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，符合的规律，λ粒子之间的平均距离。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，应力集中越小，所以材料的强度越高。

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）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.计算室温下亚共析钢（含碳量为）的组织组成物的相对量。

组织组成物为α、P，相对量为： 或

3.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）的组织组成物的相对量。 组织组成物为P、Fe3CⅡ，相对量为： 或

5.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.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。

含碳3.0%的亚共晶白口铁室温下组织组成物为P、Fe3CⅡ，相对量为：

相组成物为F、Fe3C，相对量为：

7.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合金相组成物的相对量。 相组成物为α、Fe3C，相对量为：

9.Fe3C?的相对量：

当x=6.69时Fe3C? 含量最高，最高百分量为： 10.过共析钢中Fe3CⅡ 的相对量：

当x=2.11时Fe3CⅡ含量最高，最高百分量为： 11.Fe3CⅢ 的相对量计算：

当x=0.0218时Fe3CⅢ含量最高，最高百分量为： 12.共析渗碳体的相对百分量为： 13.共晶渗碳体的相对百分量为： 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＋δHγJ)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

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