《金属学与热处理》复习题参考答案

《金属学与热处理》复习题

绪论

基本概念：

1.工艺性能:金属材料适应实际加工工艺的能力。（分类） 2.使用性能：金属材料在使用时抵抗外界作用的能力。（分类）

3.组织：用肉眼，或不同放大倍数的放大镜和显微镜所观察到的金属材料内部的情景。

宏观组织：用肉眼或用放大几十倍的放大镜所观察到的组织。 （金属内部的各种宏观缺陷）

显微组织：用100-2000倍的显微镜所观察到的组织。

（各个组成相的种类、形状、尺寸、相对数量和分布，是决定性能的主要因素）

4：结构：晶体中原子的排列方式。 第一章

基本概念：

1.金属：具有正的电阻温度系数的物质，其电阻随温度升高而增加。 2.金属键；金属正离子和自由电子之间相互作用而形成的键。 3.晶体：原子（离子）按一定规律周期性地重复排列的物质。

4.晶体特性：(原子)规则排列；确定的熔点；各向异性；规则几何外形。 5.晶胞：组成晶格的最基本的几何单元。

6.配位数:晶格中任一原子周围与其最近邻且等距的原子数目。

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7.晶面族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶面称为晶面族。 8.晶向族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族。

9.多晶型性：当外部条件（如温度和压强）改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变。又称为同素异构转变。

10.晶体缺陷：实际晶体中原子排列偏离理想结构的现象。

11.空位：晶格结点上的原子由于热振动脱离了结点位臵，在原来的位臵上形成的空结点。

12.位错：晶体中有一列或若干列原子发生了有规则的错排现象，使长度达几百至几万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位臵，发生了有规律的错动。

13.柏氏矢量：在实际晶体中沿逆时针方向环绕位错线作一个闭合回路。在完整晶体中以同样的方向和步数作相同的回路，由回路的终点向起点引一矢量，该矢量即为这条位错线的柏氏矢量。

14.晶粒：晶体中存在的内部晶格位向完全一致，而相互之间位向不相同的小晶体。 15.各向异性：由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而晶体在不同方向上的性能有所差异。

16.伪各向同性：由于多晶体中各个晶粒的位向不同，所以不表示出单晶体的各向异性。

17.小角度晶界：相邻晶粒位向差小于10o的晶界。 18.大角度晶界：相邻晶粒位向差小于10o的晶界。 基础知识：

1.三种典型金属结构的晶体学特点。（点阵常数，原子半径，晶胞内原子数，配位数，致密度，间隙种类及大小）

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2.立方晶系晶面指数和晶向指数的确定方法。

3.Bcc和fcc晶胞三个主要晶面和三个主要晶向的原子排列状况和密度。 4.刃型位错、螺型位错、混合位错中位错线与柏氏矢量的关系。 垂直 平行 既不垂直也不平行

思考题：

1.位错密度对力学性能有什么影响。

不含位错将具有极高的强度。含有较多位错会降低强度。位错密度大大提高后

强度又提高。一般依靠增加位错密度来提高金属强度。

2.在立方晶系晶胞中画出：(001)和[001]；(110)和[110]；(111)和[111]；(211)和[211]；(121)和[121]，说明相同指数的晶面和晶向之间的关系。

教科书习题：5，8. 9. 10，11，13，14。

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第二章

基本概念：

1.结构起伏：液体中存在微小范围内近似于固态结构的的原子集团，称为短程有序，此短程有序瞬时形成，又瞬时消失，时聚时散，称为结构起伏。 2.能量起伏：微小区域的能量在平均能量上下波动。

3.过冷：金属的实际结晶温度Tm低于理论结晶温度Tn（熔点）

4.晶坯：过冷液体中的结构起伏形成时体积自由能降低，有可能转变为晶体，成为晶核的“胚芽”。

5.晶核：在过冷液体中能够稳定存在并长大的小晶体。 6.均匀形核：依靠结构起伏自发形成晶核。

7.非均匀形核：晶核依附于液态金属中微小固相质点的表面形成。

8.临界晶核半径：半径大于某一尺寸的晶胚能够长大成为晶核，该尺寸称为临 界晶核半径。

9.临界过冷度:达到某一过冷度时，液体中最大结构起伏的尺寸达到临界晶核 半径，该过冷度称为临界过冷度。

10.光滑界面（小平面界面）：从原子尺度看，界面上的固相原子形成完整的原子平面；从宏观角度看，界面呈曲折的台阶状，由一系列小平面组成。

11.粗糙界面(非小平面界面)：从原子尺度看，界面上存在几个原子层厚度的过度层，两相原子犬牙交错；从宏观角度看，由于过渡层很薄，反而呈现出平整的界面结构。故又称非小平面界面。

思考题：

1.什么是接触角？分析接触角的大小对非均匀形核的作用，如何减小接触角。 接触角：非自发形核时，在固相质点表面形成球冠状晶核，球冠表面和固相质点的基底之间的夹角。

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接触角对非自发形核作用：非自发形核的临界半径与自发形核相等，但其晶核是球冠形，

V?1?r3(2?3cos??cos3?)3接触角越小，临界晶核体积越小，形核

功越小，形核率越高。

减少接触角的措施：固相质点和结晶的晶体，两者的结构（原子排列的几何形状、原子大小，原子间的距离）越近似，它们之间的表面能就越小，接触角也越小。

2.什么是细晶强化？细化铸件晶粒应采取什么措施？

细晶强化：常温下金属的晶粒越细小，强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。 细化铸件的措施：（提高形核率）

(1)通过加大冷却速度来增加过冷度，以提高形核率。

(2)变质处理：在浇注前往液体中加入变质剂(孕育剂)，促进形成大量的非均匀晶核的工艺。

(3)采取振动和搅动方法，如：机械振动、电磁波搅拌、 超声波搅拌等。 作用：输入能量促进形核；破碎枝晶增加晶核。 教科书习题：5， 6 5.

正温度梯度条件下，晶体以平界面方式向液体推移长大。

原因：液相温度随至界面距离增加而提高，界面上偶然的突出部分，进入了过冷度较小的液体中，其生长速度会降低或停止生长，因而界面始终以平直界面向液体推进。

负温度梯度下，晶体以树枝状生长。

液相温度随至界面距离增加而降低。界面上偶然的突出部分，进入了过冷度更大的液体中，其生长速度会加快，形成一次晶轴，同样在一次晶轴侧面形成二次晶轴，最终形成多级的分枝，即形成树枝晶。

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6.金属铸锭由哪三个晶区组成？每个晶区的性能特点是什么？ 金属铸锭分为三个晶区：表层细晶区，柱状晶区，中心等轴晶区。 每个晶区性能特点：

一、表层细晶区：晶粒非常细小，组织致密，但尺寸太小，一般影响不大。 二、柱状晶区

(1)组织致密，气孔、缩孔小。

(2)不同方向的柱状晶界面处杂质、气孔、缩孔富集，塑性较差的材料，如钢铁和镍合金等，在热形变(热轧、热锻)时易开裂。 三、中心等轴晶区

(1)组织不够致密，显微缩孔较多，但经过热压力加工可焊合。 (2)各晶粒取向不相同，性能没有方向性。 (3)各晶粒相互交叉，裂纹不易扩展。

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第三章

基本概念：

合金：由两种或两种以上金属、或金属与非金属，通过熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。

固溶体；以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其它组元原子所形成的均匀的固态溶体。

中间相：超过固溶体的固溶度极限后，形成晶体结构和任一组元都不相同的一种新相，因位于相图中间，又称为中间相。

不平衡结晶：冷却速度较大，固相来不及扩散，偏离了平衡结晶条件的结晶。 晶内偏析；一个晶粒内部化学成分不均匀的现象。

枝晶偏析：由于固溶体晶体通常呈树枝状，使枝干和枝间的化学成分不同， 所以晶内偏析又称枝晶偏析。

区域偏析：大范围内的化学成分不均匀现象称为区域偏析。 伪共晶：非共晶成分的合金所得到的共晶组织。

离异共晶：当合金中的先共晶相数量很多而共晶组织的量很少时，共晶组织中的一相与先共晶相依附长大，把另一相孤立出来，形成两相分离的共晶组织。

基础知识：

1.形成无限固溶体的条件是什么？

(1)晶体结构因素：晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件。 (2)原子尺寸因素:两个组元的原子尺寸相对大小△r<8-10%。 (3)电负性因素：两组元电负性差值小。 (4)电子浓度因素:固溶体的电子浓度不超过极限值。

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2.固溶体非平衡结晶会产生哪些缺陷？为什么？

产生的缺陷：1.晶内偏析。2.区域偏析。

原因：固溶体结晶是在一个温度范围内进行的，先结晶固相和后结晶固相成分不同；同时由于结晶的固相成分和液相不同，使液相的成分也不均匀。非平衡结晶时冷却速度快，固相和液相来不及扩散均匀，所以会发生各种偏析。。

3.共晶合金在快冷条件下会出现哪些非平衡组织？ (1)伪共晶。(2)非平衡共晶。(3)离异共晶。 教科书习题：1。

1.在正温度梯度下，液相温度随至界面距离增加而提高。

纯金属结晶时熔点固定，随液相温度升高而过冷度下降，不能呈树枝状生长。 固溶体结晶时，液固晶面前沿的液相成分发生变化，熔点也随之改变。在正

温度梯度下，液固界面前沿液相中的实际温度可以低于由溶质分布所决定的凝固温度，此种过冷称为成分过冷。当成分过冷度较大时可以呈树枝状结晶。

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第四章

基本概念：

铁素体：碳在体心立方结构α铁中的间隙固溶体。 奥氏体：碳在面心立方结构γ铁中的间隙固溶体。

珠光体：共析反应产物，是片层状铁素体和渗碳体的机械混合物。 莱氏体：共晶反应产物，树枝状奥氏体分布在渗碳体的基体上。 变态莱氏体：奥氏体转变为珠光体的莱氏体组织。 基础知识：

1.画出铁碳合金相图，并标出各个成分合金的室温组织。

2.铁碳相图中沿三条溶解度曲线和两条水平线析出的五种渗碳体在组织形态上有什么特点？为什么？

一次渗碳体：为粗大片状。从液相中析出的渗碳体，能自由长大。 二次渗碳体：常沿奥氏体晶界分布。从固相奥氏体中析出。 三次渗碳体：常沿铁素体晶界分布。从固相铁素体中析出。 共晶渗碳体：树枝状奥氏体分布在渗碳体的基体上。共晶反应产物。 共析渗碳体：片层状渗碳体和铁素体形成机械混合物。共析反应产物。

教科书习题：1， 3， 5。

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第五章

基本概念：

滑移：晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生相对滑动。 滑移线：塑性变形后在晶体表面产生的一个个小台阶，称为滑移线。 滑移带：相互靠近的一组滑移线在宏观上反映是一个大台阶，称为滑移带。 滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来，组成一个滑移系。 软取向：当外力与滑移面、滑移方向的夹角都是45度时，取向因子为0.5，屈服

强度具有最小值，称为软取向。

硬取向：当外力与滑移面平行或垂直时，取向因子为0，屈服强度为无穷大，金属

无法滑移，称为硬取向。

几何硬化：如果某一滑移系处于软取向，拉伸时随着晶体位向的变化，φ角越来

越远离45度，从而使滑移越来越困难。

几何软化：拉伸时随着晶体位向的变化，φ角越来越接近45度，从而使滑移越来

越容易。

基础知识：

1.第二相粒子阻碍位错运动的机制

(1)环绕机制， (2)切割机制。 2.残余应力的分类

(1)宏观内应力(第一类内应力), (2)微观内应力(第二类内应力), (3)点阵畸变(第三类内应力。

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思考题：

1.比较滑移和孪生的相同点和不同点。

相同点 滑移 孪生 1 切变；2 沿一定的晶面、晶向进行；3 不改变结构。 改变，形成镜面对称关系， 不 位向 不改变， 同 位移滑移方向上原子间距的小于孪生方向上的原子间点 量 整数倍。 距。 有限，总变形量小。 贡献 很大，总变形量大。 应力 有一定的临界分切压力 临界分切应力远高于滑移 条件 一般先发生滑移 滑移困难时发生 2.柯氏气团是什么？分析其产生的原因及影响。

柯氏气团：大的溶质原子偏聚在刃位错线受拉应力的部位，小的溶质原子偏聚

在刃位错线受压应力的部位。

形成原因：使系统的总畸变能下降，处于较稳定的状态。

影响：减少了可动位错数量，对位错有钉扎作用。若使位错线运动，要脱离柯

氏气团的钉扎，需要更大的外力，

3.塑性变形对金属组织和性能有什么影响？ 对显微组织的变化：

(1)晶粒沿形变方向被拉长，夹杂物和第二相沿变形方向拉长为细带状或粉碎成

链状。形量大时呈现纤维状组织。 (2)亚结构的细化,生成形变亚晶。

(3)生成形变织构，即使晶粒具有择优取向的组织。

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对金属性能的影响：

(1)加工硬化：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降。 (2)电阻率升高，热导率、抗腐蚀性下降，金属中的扩散过程加速等等。

4.影响固溶强化效果的因素是哪些？ (1)溶质浓度：溶质浓度增加，效果增大。 (2)固溶体类型：间隙型大于臵换型。

(3)溶质溶剂原子尺寸差(臵换型)：尺寸差越大，效果好 (4)溶质溶剂原子价电子数差(臵换型)：差别越大，效果好

教科书习题： 4。

4.金属晶粒越细强度越高的原因是,(1)变形晶粒中的位错运动到晶界受阻，形成位错塞积群。(2)为了协调变形，每个晶粒要进行多滑移时发生位错的相互交割。 金属晶粒越细塑性越好的原因是，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，断裂前发生的塑性变形越大。

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第六章

基本概念：

1.回复：冷塑性变形的金属加热时，在光学显微组织发生变化前所产生的某些亚结构和性能的变化。

2.再结晶：冷变形金属加热到一定温度后，变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，加工硬化完全消除的过程。

3.再结晶温度：经严重冷变形（变形量>70%）的金属或合金，在1h内能够完成再结晶（再结晶体积分数>95%）的最低温度。

4.流线：热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏

观条纹，称作流线。

5.低于再结晶温度的加工过程称为冷加工，有加工硬化现象。 6.高于再结晶温度的加工过程称为热加工，没有加工硬化现象。

思考题：

1.回复对金属性能有什么影响？如何进行回复？要达到什么目的？

回复对性能的影响：(1)内应力降低:弹性应变基本消除;(2)硬度、强度下降不多；(3)电阻率明显下降。

生产中采用去应力退火进行回复。

目的：保持加工硬化，同时降低应力，防止工件变形、开裂，提高耐蚀性。 2.影响再结晶温度的因素

(1)冷变形量越大，再结晶驱动力越大，再结晶温度越低；变形量达到一定程度后，

再结晶温度趋于稳定。

(2)合金元素及杂质，趋于在位错、晶界处偏聚，阻碍位错运动和晶界迁移，提高

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再结晶温度。

(3)形变金属晶粒越细小，再结晶温度越低。(晶界形核)

(4)加热速度非常缓慢，和加热速度极快，都会使再结晶温度上升。 (5)在一定范围内增加保温时间，可降低再结晶温度。

3.带状组织:复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替地呈带状分布。 产生原因:铸锭中的枝晶偏析，在热加工时沿着变形方向伸长成条带状分布，冷却

时即形成带状组织。可采用正火、扩散退火来消除或减轻。

教科书习题：1，5，8，9。

1.冷拔后应采用去应力退火，使之发生回复。 5. 回复 再结晶 通过形核、长大形成同一晶格的等轴晶粒 组织 保留形变组织 亚结构 点缺陷密度降低，位错密度降低位错密度大大降低 并重新分布形成亚晶 性能 强度略下降，塑性略提高，内应强度大大降低，塑性大大提高，内应力完力大部分消除，电阻率明显降低 全消除，电阻率降至退火态

8. 冷拔钢丝是依靠冷加工硬化来保证其强度的。在吊运高温工件时，钢丝受热发生再结晶，强度大幅度下降，造成断裂。

9. 楔形板经冷轧得到相同厚度的板材，前部形变量小，后部形变量大，经再结晶退火后，前部晶粒尺寸较大，后部晶粒尺寸教小。

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第七章

基本概念：

扩散：由于热运动而导致原子(分子)在介质中迁移的现象. 自扩散：没有浓度变化的扩散，只发生在纯金属和均匀固溶体中。 互扩散：伴有浓度变化的扩散。又称为“异扩散”、“化学扩散”。 下坡扩散：沿浓度降低的方向进行的扩散，使浓度趋于均匀化。 上坡扩散：沿浓度升高的方向进行的扩散，使浓度发生两级分化。 原子扩散：扩散过程中晶格类型不变，没有新相形成。

反应扩散：扩散使固溶体浓度超过固溶度极限而生成新相，又称为相变扩散。新

相可以是固溶体或化合物。

空位扩散机制：原子离开其点阵位臵，跳入邻近的空位而进行的扩散

间隙扩散机制：间隙原子从一个间隙位臵移动到另一个间隙位臵而进行的扩散。

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