金屬學試驗講義

1、金屬學作業(yè)第二章：金屬及合金的晶體結(jié)構(gòu)一、復習思考題 二、習題一、復習思考題.概念：晶胞、單晶體、多晶體、晶粒、刃型位錯、螺型位錯、固溶體、金屬間化合物.空間點陣與晶體點陣有何區(qū)別？試舉例說明。.晶體中的位錯屬于哪種缺陷？.在體心立方晶格中原子密度最大的晶面和晶向分別是什么？在面心立方晶格中原子密度 最大的晶面和晶向分別是什么？.晶體與非晶體最根本的區(qū)別是什么？.晶體中的缺陷類型有哪幾種？舉例說明。.已知面心立方晶格的晶格常數(shù)為a,試求出（100）、（110）和（111）晶面的面間距，并指出面間距最大的晶面。.體心立方晶格的晶格常數(shù)為a,試求出（100）、（110）和（111）晶面的面間距，并

2、指出面間距最大的面。.在晶體中有一平面環(huán)狀位錯線，請問此位錯環(huán)能否各部分都是刃型位錯？或各部分都是螺型位錯？為什么？.在一個簡單立方的二維晶體中，畫出一個正刃型位錯和一個負刃型位錯，并（1）用柏氏回路求出正、負刃型位錯的柏氏矢量；（2）若將正、負刃型位錯反向時，其柏氏矢量是否也隨之反向；（3）具體寫出該柏氏矢量的大小和方向；（4）求出此兩位錯的柏氏矢量和。二、習題.說明間隙固溶體和間隙化合物的異同點。.常見的金屬化合物有哪幾類？它們各有何特點？Mg2Si、ZnS、Fe3C、VC、Cu31Sn8等是哪種類型的化合物？.碳可以溶入鐵中而形成間隙固溶體，試分析是a -Fe還是丫 -Fe能溶入較多的碳

3、，為什么？.作圖表示出立方晶系的（123）、（112）、（421）、（231）晶面和210、111、346、110晶向。.試計算體心立方晶格的 100、110、111晶面的原子面密度和 100、110、111 晶向的原子線密度，并指出其中最密面和最密方向。.固溶體和化合物在結(jié)構(gòu)、性能方面有什么差異？.常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有哪幾種？它們的原子排列和晶格常數(shù)各有什么特點？a-Fe、丫-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各屬何種晶體結(jié)構(gòu)？.已知a-Fe的晶格常數(shù)a=2.87X10-10 m, 丫-Fe的晶格常數(shù)a= 3.64x 10-10 m,試求出a -Fe 和丫 -Fe的原子半徑和

4、致密度。.在立方晶系的一個晶胞中畫出（111）和（112）晶面，并寫出兩晶面交線的晶向指數(shù)。.求下列晶面的晶面間距，并指出晶面間距最大的晶面：（1）已知室溫下a-Fe的點陣常數(shù)為0.286nm,分別求出（100） , （110） , （123） 的晶面間距。（2）已知916c時丫-Fe的點陣常數(shù)為0.365nm,分別求出（100） , （111）, （112）的晶面間距。11、純金屬中溶入另一組元后（假設(shè)不會產(chǎn)生新相）會帶來哪些微觀結(jié)構(gòu)上的變 化？這些變化如何引起性能上的變化？三、基本概念組織，相，位錯，刃型位錯，螺型位錯，金屬鍵，固溶體，金屬化合物，品 胞，空間點陣，配位數(shù)，晶帶，晶格，界面

5、能，表面能第三章 純金屬的結(jié)晶一、復習思考題指出下列各題錯誤之處，并更正.在任何溫度下，液態(tài)金屬中出現(xiàn)的最大結(jié)構(gòu)起伏都是晶胚.在任何過冷度下，液態(tài)金屬中出現(xiàn)的最大結(jié)構(gòu)起伏都是晶核。.所謂臨界晶核，就是體系自由能的減少完全補償表面自由能增加時的晶胚大小。.在液態(tài)金屬中，凡是涌現(xiàn)出小于臨界晶核半徑的晶胚都不能成核，但是只要有足夠的能量起伏提供形核功，還是可以成核。.為生產(chǎn)一批厚薄懸殊的砂型鑄件，且要求均勻的晶粒度，則只要在工藝上采取加形核劑 就可以滿足。.非均勻成核總是比均勻成核容易，因為前者是以外加質(zhì)點為結(jié)晶核心，不像后者那樣形成界面，而引起自由能的增加。.在研究某金屬細化晶粒工藝時，主要尋找那

6、些熔點低，且與該金屬晶格常數(shù)相近的形核劑，其形核的催化效能最高。.純金屬生長時，無論液/固界面呈粗糙或光滑型，其液相原子都是一個一個地沿著固相面的垂直方向連接上去。.無論溫度分布如何，常用純金屬生長都是呈樹枝狀界面。.人們是無法觀察到極純金屬的樹枝狀生長過程，所以樹枝狀的生長形態(tài)僅僅是一種推理。.純金屬結(jié)晶呈垂直方式生長時，其界面時而光滑，時而粗糙，交替生長。.從宏觀上觀察，若液/固界面是平直的稱為光滑界面結(jié)構(gòu)，若是呈金屬鋸齒形的稱為粗 糙界面結(jié)構(gòu)。.實際金屬結(jié)晶時，形核率隨著過冷度的增加而增加，超過某一值后，出現(xiàn)相反的變化。.純金屬在結(jié)晶時，晶體長大所需要的動態(tài)過冷度有時還比形核所需要的臨界

7、過冷度大。二、習題.試比較過冷度、動態(tài)過冷度及臨界過冷度的區(qū)別。.分析純金屬生長形態(tài)與溫度梯度的關(guān)系。.什么叫臨界晶核？它的物理意義及與過冷度的定量關(guān)系如何？.試分析單晶體形成的基本條件。.已知銅的熔點為1083c，結(jié)晶潛熱為1.88 X109J/m3,液固界面的界面能為0.144 J/m2。 試計算銅在853 c凝固時（均勻形核）的臨界晶核半徑？并計算臨界晶核中有多少個銅原子？.在液態(tài)中形成一個半徑為r的球形晶核時，證明臨界形核功A G與臨界晶核體積 V間的關(guān)系為A G=V/2 A G.簡述純金屬晶體長大的機制及其與固/液界面微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。.設(shè)液體結(jié)晶時，形成邊長為a的立方體晶核。已知均勻

8、形核的單位固液界面能b和固液單位體積自由能差 A G,推導出臨界晶核邊長 a*和臨界晶核形成功 AGo.從能量的角度，分析指出結(jié)晶過程的阻力是什么？動力是什么？.簡述三晶區(qū)形成的原因及每個晶區(qū)的性能特點。三、討論題今欲獲得全部為細等軸晶粒的鑄件，你知道有哪些方法？并請說出各種方法的基本原理。第四章二元合金的結(jié)晶及相圖一、復習思考題指出下列各題錯誤之處，并更正。.固溶體晶粒內(nèi)的枝晶偏析，由于主軸與枝間的成分不同，所以整個晶粒不是一個相。.固溶體合金無論平衡或非平衡結(jié)晶過程中，液/周界面上液相成分沿著液相平 均成分線變化；固相成分沿著周相平均成分線變化。.根據(jù)相律計算，在勻晶相圖中的兩相區(qū)內(nèi)，其自

9、由度為2,即溫度與成分都可以獨立改變。.在共晶線上利用杠桿定律可以計算出共晶體的重量百分數(shù)，而共晶線屬于三 相區(qū)，所以杠桿定律不僅適用于兩相區(qū)，也適用于三相區(qū)。.任何合金在不平衡結(jié)晶時，總是先結(jié)晶的固溶體晶軸含高熔點組元較多，而 后結(jié)晶的固溶體枝間含低熔點組元較多。.固溶體核長大的過程，就是液相與固相內(nèi)出現(xiàn)“平衡一一不平衡一一平衡一一 不平衡,，”的反復發(fā)展過程。.當固溶體合金液相快速冷卻至液、周兩相區(qū)內(nèi)某一溫度，并保持一定的時間后，再緩慢冷至室溫，仍可以獲得平衡狀態(tài)的組織。.固溶體合金圓棒順序結(jié)晶過程中， 液/周界面推進的速度越快，則棒中宏觀偏 析越嚴重。.平均分配系數(shù)取決于液相線與固相線的

10、水平距離。因此，合金的成分越靠近勻晶相圖的兩端，就越小。.將固溶體合金棒反復多次“熔化一凝固”，并采用定向快速凝固的方法，可以有效地提純金屬。.厚薄不均勻的Ni-Cu合金鑄件，結(jié)晶后薄處易形成樹枝狀組織， 而厚處易形 成胞狀組織。.亞共晶合金的典型平衡組織為初生相 +共品相。.在不平衡結(jié)晶條件下，靠近共晶線端點內(nèi)側(cè)的合金比外側(cè)的合金易于形成離 異共晶組織。.具有包品轉(zhuǎn)變的合金，室溫的相組成物為a + B,其中B相均是包品轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。.具有包品轉(zhuǎn)變合金的室溫組織中，不平衡結(jié)晶狀態(tài)比平衡結(jié)晶狀態(tài)的初生相 總是偏多。.純金屬和固溶體的鑄態(tài)組織一樣，都具有等軸晶粒。二、習題.試比較共晶轉(zhuǎn)變、包晶轉(zhuǎn)變、共

11、析轉(zhuǎn)變與勻晶轉(zhuǎn)變的異同.在正溫度梯度下，為什么純金屬凝固時不能成樹枝狀成長，而固溶體合金卻 能成樹枝狀成長？.有兩個形狀、尺寸均相同的 Cu-Ni合金鑄件，其中一個鑄件的含銀量 Wi=90% 另一個鑄件的Wi=50%鑄件自然冷卻。問凝固后哪一個鑄件的偏析嚴重？為什 么？找出消除偏析的措施。.何謂成分過冷？成分過冷對固溶體結(jié)晶時晶體長大方式和鑄錠組織有何影 響？三、討論題1.由于實際操作中金屬液體的凝固往往很難保證按平衡凝固進行，那么，對于分別具有勻晶、共晶、包品相圖的非平衡凝固過程是如何進行的？你認為可能會出 現(xiàn)哪些缺陷？如何防止或克服這些缺陷？第五章 鐵碳相圖及鐵碳合金的結(jié)晶一、復習思考題指

12、出下列各題錯誤之處，并更正：.鐵素體與奧氏體的根本區(qū)別在于溶碳量不同，前者少而后者多。. 727c是鐵素體與奧氏體的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度。. Fe-Fe3c相圖上的G點是a相與丫相的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度。.在平衡結(jié)晶條件下，無論何種成分的碳鋼所形成的奧氏體都是包品轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。.在Fe-Fe3c系合金中，只有過共析鋼的平衡結(jié)晶組織中才有二次滲碳體存在。.在Fe-Fe3c系合金中，只有含碳量低于 0.0218%勺合金，平衡結(jié)晶的組織中 才有三次滲碳體存在。. Fe-Fe3c相圖中的GS線也是碳在奧氏體中的溶解度曲線。.凡是碳鋼的平衡結(jié)晶過程都具有共析轉(zhuǎn)變，而沒有共晶轉(zhuǎn)變；相反，對于鑄鐵則只有共晶轉(zhuǎn)變而沒有共

13、析轉(zhuǎn)變。.無論何種成分的碳鋼，隨著含碳量的增加，組織中鐵素體相對量減少，而珠 光體相對量不斷增加。.在含碳4.3%共晶白口鑄鐵的顯微組織中，白色的基體為Fe3C,其中包括Fe3CI、Fe3CH、Fe3Cm、Fe3c共析及 Fe3c共晶。.圖4-1 (a)為過共析鋼苦味酸鈉浸蝕后的組織，白色為奧氏體晶粒，黑白 網(wǎng)狀晶界為二次滲碳體。圉叢1姮11. 1工，廣，中組織.圖4-1 (b)組織為珠光體+鐵素體，從圖中定量關(guān)系可以看出，該鋼屬于 60 鋼(含 0.6%C 。.圖4-1 (c)為含0.77%C的珠光體組織，圖中顯示滲碳體片密集程度不同， 凡是片層密集處則含碳量偏多，而疏稀處則含碳量偏少。.圖

14、4-1 (d)為亞共晶白口鑄鐵的室溫組織，其中呈樹枝狀分布的組織為珠 光體，而萊氏體中小黑塊為奧氏體。.在觀察亞共品白口鑄鐵組織時發(fā)現(xiàn)，在大塊珠光體周圍的萊氏體中(如圖4-29 (d)白色部分)含碳量偏高。二、習題1.作含碳 0.2%ffl的冷去曲線，繪制 1496C、1494C、912C、750C 725c及 20 c下的組織示意圖。2,厚20mmi勺共析鋼板在強脫碳性氣體中加熱至 930c和780c兩種溫度，并長時間保溫，然后緩慢冷至室溫，試畫出鋼板從表面至心部的組織示意圖， 并解釋o.試說明鐵碳合金平衡組織中各類滲碳體的形成條件、存在形式與顯微組織特 征。.試利用冷卻曲線分析含碳量0.3

15、%亞共析鋼平衡組織的形成過程。若已知亞共 析組織中先共析鐵素體含量為 90%試確定該鋼的大致含碳量。.試分析在一個含碳量2.0%的鐵碳合金試樣組織中出現(xiàn)少量萊氏體的原因。.(1)畫出鐵碳相圖，標出各區(qū)的組織組成物；(2)分析20號、45號、T12、共析鋼的平衡結(jié)晶過程及室溫組織，并畫出室溫平衡組織示意圖，標出各組織組成物；(3)根據(jù)杠桿定律，計算各組織組成物的相對重量。三、討論題冷卻速度對合金組織有著重要的影響，今要使鋼：晶粒得到細化；產(chǎn)生良好的時效強化效果。請問從冷卻速度方面，你能想到什么辦法來達到以上目的？四、概念a -Fe、鐵素體、珠光體、奧氏體、金屬鍵、離子鍵、共價鍵、極化鍵、位錯、過

16、冷度、相律期中測驗一、解釋名詞a-Fe、鐵素體、珠光體、奧氏體二、填空題. 一塊純鐵在912c發(fā)生a -Fe一 丫 -F群專變時，體積將. F的晶體結(jié)構(gòu)為 ; A的晶體結(jié)構(gòu)為 。.共析成分的鐵碳合金室溫平衡組織是 ,其組成相.用顯微鏡觀察某亞共析鋼，若估算其中的珠光體含量為80%,則此鋼的碳含量 為 0三、是非題1.鐵素體的本質(zhì)是碳在a-Fe中的間隙相。. 20鋼比T12鋼的碳含量要高。. Fe3C與Fe3Cn的形態(tài)與晶體結(jié)構(gòu)均不相同。.在退火狀態(tài)(接近平衡組織)，45鋼比20鋼的硬度和強度都高。.在鐵碳合金平衡結(jié)晶過程中，只有成分為 4.3%C的鐵碳合金才能發(fā)生共晶反 應。四、選擇正確答案.

17、奧氏體是：a.碳在丫-Fe中的間隙固溶體；b.碳在a-Fe中的間隙固溶體；c.碳 在a -Fe中的有限固溶體。.珠光體是一種：a.單相固溶體；b.兩相混合物；c. Fe與C的化合物。. T10鋼的含碳量為:a. 0.10%; b. 1.0%; c. 10%。.鐵素體的機械性能特點是：a.強度高、塑性好、硬度低；b.強度低、塑性差、 硬度低；c.強度低、塑性好、硬度低。五、綜合題(1)畫出鐵碳相圖，標出各區(qū)的組織組成物；(2)分析20號、45號、T12、共析鋼的平衡結(jié)晶過程及室溫組織，并畫出室溫平衡組織示意圖，標出各組織組成物；(3)根據(jù)杠桿定律，計算各組織組成物的相對重量。第七、八章 金屬的塑

18、性變形及回復與再結(jié)晶、概念 滑移，滑移系，彈性變形，塑性變形，加工硬化，回復，再結(jié)晶，熱加工，再結(jié) 晶溫度，二次再結(jié)晶二、簡述題.在再結(jié)晶核心的長大和再結(jié)晶后的晶粒正常長大過程中，晶界移動的驅(qū)動力 各是什么？品界移動的方向各有什么不同？.分別指出金屬的冷變形量、再結(jié)晶溫度及金屬原始晶粒尺寸對金屬再結(jié)晶后 的晶粒大小有何影響，并說明產(chǎn)生這種影響的原因。.畫圖并敘述形變過程中位錯的增殖機制。.簡述形變金屬在退火過程中顯微組織、儲存能及力學性能的變化。.說明使多晶體晶粒細化能使材料的強度提高、塑性增加的原因。.什么是形變織構(gòu)？什么是再結(jié)晶織構(gòu)？.冷變形金屬加熱發(fā)生低溫回復、中溫和高溫回復時晶體內(nèi)部發(fā)生了什么變 化？.與單晶體的塑性變形相比較，說明多晶體塑性變形的特點。.什么是上屈服點和下屈服點？如何避免上屈服點和下屈服點的出現(xiàn)？分析呂 德斯帶形成的原因。.回復處理能使金屬材料的組織結(jié)構(gòu)和力學性能發(fā)生哪些變化？這種變化有何 實際意義。第九章固態(tài)相變1.什么是相、相變和相圖？2,簡述相變的幾種分類方法和種類。3.試述如何通過相變改變鋼鐵材料的性能。4,簡述固態(tài)相變的主要特征。5,固態(tài)相變的阻力是哪幾項？6.金屬固態(tài)相變有哪些主要特征。7,什么叫固溶體的脫溶？說明連續(xù)脫溶和不連續(xù)脫溶在脫溶過程中母相成分變 化的特點。8