《金屬學與熱處理》復習題參考答案

《金屬學與熱處理》復習題

緒論

基本概念：

1.工藝性能：金屬材料適應實際加工工藝的能力。（分類）

2.使用性能：金屬材料在使用時抵抗外界作用的能力。（分類）

3.組織：用肉眼，或不同放大倍數(shù)的放大鏡和顯微鏡所觀察到的金屬材料內(nèi)部的

情景。

宏觀組織：用肉眼或用放大幾十倍的放大鏡所觀察到的組織。

（金屬內(nèi)部的各種宏觀缺陷）

顯微組織：用100-2000倍的顯微鏡所觀察到的組織。

（各個組成相的種類、形狀、尺寸、相對數(shù)量和分布，是決定性能的主要因素）

4:結(jié)構(gòu)：晶體中原子的排列方式。

第一章

基本概念：

1.金屬：具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)，其電阻隨溫度升高而增加。

2.金屬鍵；金屬正離子和自由電子之間相互作用而形成的鍵。

3.晶體：原子（離子）按一定規(guī)律周期性地重復排列的物質(zhì)。

4.晶體特性：（原子）規(guī)則排列；確定的熔點；各向異性；規(guī)則幾何外形。

5.晶胞：組成晶格的最基本的幾何單元。

6.配位數(shù)：晶格中任一原子周圍與其最近鄰且等距的原子數(shù)目。

7.晶面族：原子排列相同但空間位向不同的所有晶面稱為晶面族。

8.晶向族：原子排列相同但空間位向不同的所有晶向稱為晶向族。

9.多晶型性：當外部條件（如溫度和壓強）改變時，有些金屬會由一種晶體結(jié)構(gòu)

向另一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。又稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。

10.晶體缺陷：實際晶體中原子排列偏離理想結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。

11.空位：晶格結(jié)點上的原子由于熱振動脫離了結(jié)點位置，在原來的位置上形成的

空結(jié)點。

12.位錯：晶體中有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)則的錯排現(xiàn)象，使長度達幾百至

幾萬個原子間距、寬約幾個原子間距范圍內(nèi)的原子離開其平衡位置，發(fā)生了有規(guī)

律的錯動。

13.柏氏矢量：在實際晶體中沿逆時針方向環(huán)繞位錯線作一個閉合回路。在完整晶

體中以同樣的方向和步數(shù)作相同的回路，由回路的終點向起點引一矢量，該矢量

即為這條位錯線的柏氏矢量。

14.晶粒：晶體中存在的內(nèi)部晶格位向完全■一致，而相互之間位向不相同的小晶體。

15.各向異性：由于晶體中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而晶體在不同方

向上的性能有所差異。

16.偽各向同性：由于多晶體中各個晶粒的位向不同，所以不表示出單晶體的各向

異性。

17.小角度晶界：相鄰晶粒位向差小于10°的晶界。

18.大角度晶界：相鄰晶粒位向差小于10°的晶界。

基礎(chǔ)知識：

1.三種典型金屬結(jié)構(gòu)的晶體學特點。（點陣常數(shù)，原子半徑，晶胞內(nèi)原子數(shù)，配

位數(shù)，致密度，間隙種類及大小）

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表2.5三種典型金屬結(jié)構(gòu)的晶體學特點

晶體結(jié)構(gòu)類型

結(jié)構(gòu)特征

面心立方(A1)體心立方(A2)密排六方(A3)

點陣常數(shù)aaa,c{c/a=1.633)

行今田I刁

原子半徑R42

4a

晶胞內(nèi)原子數(shù)426

配位數(shù)12812

致密度0.740.680.74

四面體間隙數(shù)量81212

大小0.225J?0.2912?

間隙0.225R

八面體間隙數(shù)量466

0.154R<100>

大小0.414R0.633R<110>0.414R

2,立方晶系晶面指數(shù)和晶向指數(shù)的確定方法。

3.Bcc和foe晶胞三個主要晶面和三個主要晶向的原子排列狀況和密度。

4.刃型位錯、螺型位錯、混合位錯中位錯線與柏氏矢量的關(guān)系。

垂直平行既不垂直也不平行

思考題：

1.位錯密度對力學性能有什么影響。

不含位錯將具有極高的強度。含有較多位錯會降低強度。位錯密度大大提高后

強度又提高。一般依靠增加位錯密度來提高金屬強度。

2.在立方晶系晶胞中畫出:(001)和［001］;(110)和［110］；(111)和［111］；(211)

和［211］;(121)和［121］,說明相同指數(shù)的晶面和晶向之間的關(guān)系。

教科書習題：5,8.9.10,11,13,140

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第二章

基本概念：

1.結(jié)構(gòu)起伏：液體中存在微小范圍內(nèi)近似于固態(tài)結(jié)構(gòu)的的原子集團，稱為短程有

序，此短程有序瞬時形成，又瞬時消失，時聚時散，稱為結(jié)構(gòu)起伏。

2.能量起伏：微小區(qū)域的能量在平均能量上下波動。

3.過冷：金屬的實際結(jié)晶溫度Tm低于理論結(jié)晶溫度Tn（熔點）

4.晶坯：過冷液體中的結(jié)構(gòu)起伏形成時體積自由能降低，有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榫w，成

為晶核的"胚芽”。

5.晶核：在過冷液體中能夠穩(wěn)定存在并長大的小晶體。

6.均勻形核：依靠結(jié)構(gòu)起伏自發(fā)形成晶核。

7.非均勻形核：晶核依附于液態(tài)金屬中微小固相質(zhì)點的表面形成。

8.臨界晶核半徑：半徑大于某一■尺寸的晶胚能夠長大成為晶核，該尺寸稱為臨

界晶核半徑。

9.臨界過冷度：達到某一過冷度時，液體中最大結(jié)構(gòu)起伏的尺寸達到臨界晶核

半徑，該過冷度稱為臨界過冷度。

10.光滑界面（小平面界面）：從原子尺度看，界面上的固相原子形成完整的原子

平面；從宏觀角度看，界面呈曲折的臺階狀，由一系列小平面組成。

11.粗糙界面（非小平面界面）：從原子尺度看，界面上存在幾個原子層厚度的過度

層，兩相原子犬牙交錯；從宏觀角度看，由于過渡層很薄，反而呈現(xiàn)出平整的界面結(jié)

構(gòu)。故又稱非小平面界面。

思考題：

1.什么是接觸角？分析接觸角的大小對非均勻形核的作用，如何減小接觸角。

接觸角：非自發(fā)形核時，在固相質(zhì)點表面形成球冠狀晶核，球冠表面和固相質(zhì)點

的基底之間的夾角。

4

接觸角對非自發(fā)形核作用：非自發(fā)形核的臨界半徑與自發(fā)形核相等，但其晶核是

球冠形，”n4k3。一3COS夕十02夕）接觸角越小，臨界晶核體積越小，形核

功越小，形核率越高。

減少接觸角的措施：固相質(zhì)點和結(jié)晶的晶體，兩者的結(jié)構(gòu)（原子排列的幾何形狀、

原子大小，原子間的距離）越近似，它們之間的表面能就越小，接觸角也越小。

2.什么是細晶強化？細化鑄件晶粒應采取什么措施？

細晶強化：常溫下金屬的晶粒越細小，強度和硬度越高，塑性和韌性也越好。

細化鑄件的措施：（提高形核率）

（1）通過加大冷卻速度來增加過冷度，以提高形核率。

（2）變質(zhì)處理：在澆注前往液體中加入變質(zhì)劑（孕育劑），促進形成大量的非均勻晶

核的工藝。

（3）采取振動和攪動方法，如：機械振動、電磁波攪拌、超聲波攪拌等。

作用：輸入能量促進形核；破碎枝晶增加晶核。

教科書習題：5,6

5.

正溫度梯度條件下，晶體以平界面方式向液體推移長大。

原因：液相溫度隨至界面距離增加而提高，界面上偶然的突出部分，進入了過

冷度較小的液體中，其生長速度會降低或停止生長，因而界面始終以平直界面

向液體推進。

負溫度梯度下，晶體以樹枝狀生長。

液相溫度隨至界面距離增加而降低。界面上偶然的突出部分，進入了過冷度更

大的液體中，其生長速度會加快，形成一次晶軸，同樣在一次晶軸側(cè)面形成二

次晶軸，最終形成多級的分枝，即形成樹枝晶。

5

6.金屬鑄錠由哪三個晶區(qū)組成？每個晶區(qū)的性能特點是什么？

金屬鑄錠分為三個晶區(qū)：表層細晶區(qū)，柱狀晶區(qū)，中心等軸晶區(qū)。

每個晶區(qū)性能特點：

一、表層細晶區(qū)：晶粒非常細小，組織致密，但尺寸太小，一般影響不大。

二、柱狀晶區(qū)

(1)組織致密，氣孔、縮孔小。

⑵不同方向的柱狀晶界面處雜質(zhì)、氣孔、縮孔富集，塑性較差的材料，如鋼鐵和

鍥合金等，在熱形變(熱軋、熱鍛)時易開裂。

三、中心等軸晶區(qū)

⑴組織不夠致密，顯微縮孔較多，但經(jīng)過熱壓力加工可焊合。

⑵各晶粒取向不相同，性能沒有方向性。

⑶各晶粒相互交叉，裂紋不易擴展。

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第三章

基本概念：

合金：由兩種或兩種以上金屬、或金屬與非金屬，通過熔煉、燒結(jié)或其他方法組

合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。

固溶體；以某一組元為溶劑，在其晶體點陣中溶入其它組元原子所形成的均勻的

固態(tài)溶體。

中間相：超過固溶體的固溶度極限后，形成晶體結(jié)構(gòu)和任一組元都不相同的一種

新相，因位于相圖中間，又稱為中間相。

不平衡結(jié)晶：冷卻速度較大，固相來不及擴散，偏離了平衡結(jié)晶條件的結(jié)晶。

晶內(nèi)偏析；一個晶粒內(nèi)部化學成分不均勻的現(xiàn)象。

枝晶偏析：由于固溶體晶體通常呈樹枝狀，使枝干和枝間的化學成分不同，

所以晶內(nèi)偏析又稱枝晶偏析。

區(qū)域偏析：大范圍內(nèi)的化學成分不均勻現(xiàn)象稱為區(qū)域偏析。

偽共晶：非共晶成分的合金所得到的共晶組織。

離異共晶：當合金中的先共晶相數(shù)量很多而共晶組織的量很少時，共晶組織中的

一相與先共晶相依附長大，把另一相孤立出來，形成兩相分離的共晶組織。

基礎(chǔ)知識：

1.形成無限固溶體的條件是什么？

⑴晶體結(jié)構(gòu)因素：晶體結(jié)構(gòu)相同是形成無限固溶體的必要條件。

⑵原子尺寸因素：兩個組元的原子尺寸相對大小△?8-10%。

(3)電負性因素：兩組元電負性差值小。

(4)電子濃度因素：固溶體的電子濃度不超過極限值。

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2.固溶體非平衡結(jié)晶會產(chǎn)生哪些缺陷？為什么？

產(chǎn)生的缺陷：1.晶內(nèi)偏析。2.區(qū)域偏析。

原因：固溶體結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)進行的，先結(jié)晶固相和后結(jié)晶固相成

分不同；同時由于結(jié)晶的固相成分和液相不同，使液相的成分也不均勻。非平衡

結(jié)晶時冷卻速度快，固相和液相來不及擴散均勻，所以會發(fā)生各種偏析。。

3.共晶合金在快冷條件下會出現(xiàn)哪些非平衡組織？

（1）偽共晶。（2）非平衡共晶。（3）離異共晶。

教科書習題：1。

1.在正溫度梯度下，液相溫度隨至界面距離增加而提高。

純金屬結(jié)晶時熔點固定，隨液相溫度升高而過冷度下降，不能呈樹枝狀生長。

固溶體結(jié)晶時，液固晶面前沿的液相成分發(fā)生變化，熔點也隨之改變。在正

溫度梯度下，液固界面前沿液相中的實際溫度可以低于由溶質(zhì)分布所決定的凝固

溫度，此種過冷稱為成分過冷。當成分過冷度較大時可以呈樹枝狀結(jié)晶。

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第四章

基本概念:

鐵素體：碳在體心立方結(jié)構(gòu)a鐵中的間隙固溶體。

奧氏體：碳在面心立方結(jié)構(gòu)丫鐵中的間隙固溶體。

珠光體：共析反應產(chǎn)物，是片層狀鐵素體和滲碳體的機械混合物。

萊氏體：共晶反應產(chǎn)物，樹枝狀奧氏體分布在滲碳體的基體上。

變態(tài)萊氏體：奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的萊氏體組織。

基礎(chǔ)知識：

1.畫出鐵碳合金相圖，并標出各個成分合金的室溫組織。

2.鐵碳相圖中沿三條溶解度曲線和兩條水平線析出的五種滲碳體在組織形態(tài)上有

什么特點？為什么？

一次滲碳體：為粗大片狀。從液相中析出的滲碳體，能自由長大。

二次滲碳體：常沿奧氏體晶界分布。從固相奧氏體中析出。

三次滲碳體：常沿鐵素體晶界分布。從固相鐵素體中析出。

共晶滲碳體：樹枝狀奧氏體分布在滲碳體的基體上。共晶反應產(chǎn)物。

共析滲碳體：片層狀滲碳體和鐵素體形成機械混合物。共析反應產(chǎn)物。

教科書習題：1,3,5o

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第五章

基本概念：

滑移：晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面和晶向發(fā)生相對滑動。

滑移線：塑性變形后在晶體表面產(chǎn)生的一個個小臺階，稱為滑移線。

滑移帶：相互靠近的一組滑移線在宏觀上反映是一個大臺階，稱為滑移帶。

滑移系：一個滑移面和此面上的一個滑移方向結(jié)合起來，組成一個滑移系。

軟取向：當外力與滑移面、滑移方向的夾角都是45度時，取向因子為0.5,屈服

強度具有最小值，稱為軟取向。

硬取向：當外力與滑移面平行或垂直時，取向因子為0,屈服強度為無窮大，金屬

無法滑移，稱為硬取向。

幾何硬化：如果某一滑移系處于軟取向，拉伸時隨著晶體位向的變化，?角越來

越遠離45度，從而使滑移越來越困難。

幾何軟化：拉伸時隨著晶體位向的變化，?角越來越接近45度，從而使滑移越來

越容易。

基礎(chǔ)知識：

1.第二相粒子阻礙位錯運動的機制

（1）環(huán)繞機制，（2）切割機制。

2.殘余應力的分類

（1）宏觀內(nèi)應力（第一類內(nèi)應力），（2）微觀內(nèi)應力（第二類內(nèi)應力），

（3）點陣畸變（第三類內(nèi)應力。

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思考題：

1.比較滑移和攣生的相同點和不同點。

滑移李生

相同點1切變；2沿一定的晶面、晶向進行；3不改變結(jié)構(gòu)。

不位向不改變，改變，形成鏡面對稱關(guān)系，

同位移滑移方向上原子間距的小于李生方向上的原子間

點量整數(shù)倍。距。

貢獻很大，總變形量大。有限，總變形量小。

應力有一定的臨界分切壓力臨界分切應力遠高于滑移

條件一般先發(fā)生滑移滑移困難時發(fā)生

2.柯氏氣團是什么？分析其產(chǎn)生的原因及影響。

柯氏氣團：大的溶質(zhì)原子偏聚在刃位錯線受拉應力的部位，小的溶質(zhì)原子偏聚

在刃位錯線受壓應力的部位。

形成原因：使系統(tǒng)的總畸變能下降，處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。

影響：減少了可動位錯數(shù)量，對位錯有釘扎作用。若使位錯線運動，要脫離柯

氏氣團的釘扎，需要更大的外力，

3.塑性變形對金屬組織和性能有什么影響？

對顯微組織的變化：

(1)晶粒沿形變方向被拉長，夾雜物和第二相沿變形方向拉長為細帶狀或粉碎成

鏈狀。形量大時呈現(xiàn)纖維狀組織。

(2)亞結(jié)構(gòu)的細化，生成形變亞晶。

(3)生成形變織構(gòu)，即使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織。

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對金屬性能的影響：

⑴加工硬化：隨變形量的增加，材料的強度、硬度升高而塑韌性下降。

⑵電阻率升高，熱導率、抗腐蝕性下降，金屬中的擴散過程加速等等。

4.影響固溶強化效果的因素是哪些？

（1）溶質(zhì)濃度：溶質(zhì)濃度增加，效果增大。

⑵固溶體類型：間隙型大于置換型。

⑶溶質(zhì)溶劑原子尺寸差（置換型）：尺寸差越大，效果好

⑷溶質(zhì)溶劑原子價電子數(shù)差（置換型）：差別越大，效果好

教科書習題：40

4.金屬晶粒越細強度越高的原因是，（1）變形晶粒中的位錯運動到晶界受阻，形成

位錯塞積群。（2）為了協(xié)調(diào)變形，每個晶粒要進行多滑移時發(fā)生位錯的相互交割。

金屬晶粒越細塑性越好的原因是，參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，斷

裂前發(fā)生的塑性變形越大。

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第六章

基本概念：

1.回復：冷塑性變形的金屬加熱時，在光學顯微組織發(fā)生變化前所產(chǎn)生的某些亞

結(jié)構(gòu)和性能的變化。

2.再結(jié)晶：冷變形金屬加熱到一定溫度后，變形組織中重新產(chǎn)生了無畸變的新晶

粒，加工硬化完全消除的過程。

3.再結(jié)晶溫度：經(jīng)嚴重冷變形（變形量＞70%）的金屬或合金，在1h內(nèi)能夠完成再

結(jié)晶（再結(jié)晶體積分數(shù)＞95%）的最低溫度。

4.流線：熱加工使鑄態(tài)金屬中的非金屬夾雜沿變形方向拉長，形成彼此平行的宏

觀條紋，稱作流線。

5.低于再結(jié)晶溫度的加工過程稱為冷加工，有加工硬化現(xiàn)象。

6.高于再結(jié)晶溫度的加工過程稱為熱加工，沒有加工硬化現(xiàn)象。

思考題：

1.回復對金屬性能有什么影響？如何進行回復？要達到什么目的？

回復對性能的影響：（1）內(nèi)應力降低：彈性應變基本消除；（2）硬度、強度下降

不多；（3）電阻率明顯下降。

生產(chǎn)中采用去應力退火進行回復。

目的：保持加工硬化，同時降低應力，防止工件變形、開裂，提高耐蝕性。

2.影響再結(jié)晶溫度的因素

⑴冷變形量越大，再結(jié)晶驅(qū)動力越大，再結(jié)晶溫度越低；變形量達到一定程度后,

再結(jié)晶溫度趨于穩(wěn)定。

（2）合金元素及雜質(zhì)，趨于在位錯、晶界處偏聚，阻礙位錯運動和晶界遷移，提高

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再結(jié)晶溫度。

(3)形變金屬晶粒越細小，再結(jié)晶溫度越低。(晶界形核)

(4)加熱速度非常緩慢，和加熱