重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2011年考研答疑

1、重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2011年考研答疑金屬學(xué)及熱處理課程名稱：834 材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)專業(yè)書(shū)籍：金屬學(xué)及熱處理 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 崔忠歧 機(jī)械工業(yè)出版社出版第一章：金屬的晶體結(jié)構(gòu)基本內(nèi)容：金屬鍵，位錯(cuò)，晶體的概念；面心立方，體心立方金屬晶體結(jié)構(gòu)的配位數(shù)，致密度，原子半徑，八面體，四面體間隙個(gè)數(shù)；晶向指數(shù)，晶面指數(shù)。金屬鍵：失去外層價(jià)電子的正離子與彌漫其間的自由電子的靜電作用而結(jié)合起來(lái)，這種結(jié)合方式稱為金屬鍵。重點(diǎn)內(nèi)容：晶體，位錯(cuò)的概念：晶體：材料在固態(tài)下原子或分子在空間呈有序排列。位錯(cuò)：晶體中原子的排列在一定范圍內(nèi)發(fā)生有規(guī)律的律動(dòng)的一種特殊結(jié)構(gòu)組態(tài)。面心立方，體心立方金屬晶體結(jié)構(gòu)配位數(shù)，

2、致密度，八面體，四面體間隙：晶體類型晶胞中的原子數(shù)配位數(shù)致密度體心立方2868%面心立方41274%晶格類型面心立方體心立方間隙類型正四面體正八面體四面體扁八面體間隙個(gè)數(shù)84126原子半徑rA間隙半徑rB晶向指數(shù)、晶面指數(shù)標(biāo)定：晶面指數(shù)求法：建立坐標(biāo)求截距取倒數(shù)化整加（）晶面指數(shù)作法：建立坐標(biāo)取倒數(shù)求截距連線，畫(huà)剖面線晶向指數(shù)的求法：定原點(diǎn)建立坐標(biāo)求坐標(biāo)化最小整數(shù)加 晶向指數(shù)的作法：定原點(diǎn)建立坐標(biāo)以hkl中最大數(shù)字作為分母，化為小于或等于1的分?jǐn)?shù)，作出重點(diǎn)始、終點(diǎn)連線第二章：純金屬的結(jié)晶重點(diǎn)內(nèi)容：過(guò)冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差稱為過(guò)冷度。變質(zhì)處理：在澆鑄前往液態(tài)金屬中加入形核劑，促使形

3、成大量的非均勻晶核，以細(xì)化晶粒的方法。過(guò)冷度與液態(tài)金屬結(jié)晶的關(guān)系：液態(tài)金屬結(jié)晶的過(guò)程是形核與晶核的長(zhǎng)大過(guò)程，從熱力學(xué)的角度上看，沒(méi)有過(guò)冷度結(jié)晶就沒(méi)有趨動(dòng)力。根據(jù)Rk1/r 可知當(dāng)過(guò)冷度T為零的臨界晶核半徑Rk為無(wú)窮大，臨界形核功（G1/T2）也為無(wú)窮大。臨界晶核半徑Rk與臨界形核功為無(wú)窮大時(shí)，無(wú)法形核，所以液態(tài)金屬不能結(jié)晶，晶體的成長(zhǎng)也需要過(guò)冷度，所以液態(tài)金結(jié)晶需要過(guò)冷度。第三章 二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶基本內(nèi)容：相，勻晶，共晶，包晶相圖的結(jié)晶過(guò)程及不同成分合金在室溫下的顯微組織；合金，成分過(guò)冷、非平衡結(jié)晶及枝晶偏析的基本概念。相：合金中結(jié)構(gòu)相同，成分和性能均一并以界面相互分開(kāi)的組成部分。合金：

4、兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬，經(jīng)熔煉或燒結(jié)，或用其他方法組合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。成分過(guò)冷：由于界面前沿液相中的成分差別引起的過(guò)冷度叫做成分過(guò)冷。過(guò)冷度：金屬結(jié)晶前，溫度連續(xù)下降，當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到理論結(jié)晶溫度時(shí)，并未開(kāi)始結(jié)晶，而是需要繼續(xù)冷卻到理論結(jié)晶溫度以下某一溫度，液態(tài)才開(kāi)始結(jié)晶。金屬的理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差，稱為過(guò)冷度。非平衡結(jié)晶：在實(shí)際冷卻條件下合金以較大速度冷卻，偏離平衡條件的結(jié)晶過(guò)程。枝晶偏析：也就是晶內(nèi)偏析，是在一個(gè)晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，由于固溶體晶體通常呈樹(shù)枝狀，使枝干和枝間的化學(xué)成分不同，所以又稱枝晶偏析。重點(diǎn)內(nèi)容：偽共晶：在不平衡結(jié)晶條件下，成分

5、在共晶點(diǎn)附近的亞共晶或過(guò)共晶合金也可能得到全部共晶組織，這種共晶組織稱為偽共晶。偏析：合金中成分的不均勻分布。杠桿定律及應(yīng)用。組織組成物及相組成物的計(jì)算。第四章鐵碳合金基本內(nèi)容：鐵碳合金的組元與基本相，鐵碳相圖，鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程及室溫下的平衡組織。重點(diǎn)內(nèi)容：鐵素體與奧氏體：鐵素體：碳在-Fe中的固溶體。奧氏體：碳在-Fe中的固溶體。鐵碳相圖。鋼的含碳量對(duì)平衡組織及結(jié)晶過(guò)程的影響：例，含碳0.4%碳鋼的結(jié)晶過(guò)程經(jīng)過(guò)了勻晶轉(zhuǎn)變，包晶轉(zhuǎn)變，勻晶轉(zhuǎn)變，單相冷卻，同素異晶轉(zhuǎn)變，共析轉(zhuǎn)變等。其室溫組織相對(duì)量為：鐵素體%=（0.8%-0.4%）/0.8%=50% 珠光體%=1-50%=50%相組織與組織組

6、成的區(qū)別典型鋼在相圖上的位置：如，10鋼，40鋼，60鋼，T12鋼。第五章 三元合金相圖（不考）第六章 金屬及合金的塑性變形與斷裂基本內(nèi)容：固溶體強(qiáng)化機(jī)理與強(qiáng)化規(guī)律，第二相的強(qiáng)化機(jī)理，單晶體塑性變形的方式，滑移的本質(zhì)，金屬塑性變形后的組織與性能。固溶體強(qiáng)化機(jī)理：一是在固溶體中溶質(zhì)與溶劑的原子半徑差所引起的彈性畸變，與位錯(cuò)之間產(chǎn)生的彈性交互作用，對(duì)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)著的位錯(cuò)有阻礙作用。二是在位錯(cuò)線上偏聚的溶質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用。強(qiáng)化規(guī)律：1.在固溶體的溶解度范圍內(nèi)，合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，則強(qiáng)化作用越大。2.溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸相差越大，則造成的晶格畸變?cè)酱?，因而?qiáng)化效果越大。3.形成間隙固

7、溶體的溶質(zhì)元素的強(qiáng)化作用大于形成置換固溶體的元素。4.溶質(zhì)原子與溶劑原子的價(jià)電子數(shù)相差越大，則強(qiáng)化作用越大。第二相強(qiáng)化機(jī)理：由塑性較好的固溶體基體及其上分布的硬脆的第二相所組成的多相合金。由于其第二相的存在而引起的強(qiáng)化，叫做第二相強(qiáng)化。強(qiáng)化的主要原因是由于彌散細(xì)小的第二相離粒子與位錯(cuò)的交互作用，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高了合金的塑性變形抗力。有兩種強(qiáng)化機(jī)制：1.位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子（彌散強(qiáng)化）。2.位錯(cuò)且過(guò)第二相粒子（沉淀強(qiáng)化）。單晶體塑性變形的方式：以滑移和孿生為主。滑移本質(zhì)：晶體的一部分沿著一定的晶面和晶向相對(duì)另一部分作相對(duì)的滑動(dòng)。滑移的本質(zhì)是位錯(cuò)的移動(dòng)。重點(diǎn)內(nèi)容：金屬塑形變性后的組織與性能

8、：組織：顯微組織出現(xiàn)纖維組織，雜質(zhì)沿變形方向拉長(zhǎng)為細(xì)帶狀或粉碎成鏈狀，光學(xué)顯微鏡分辨不清晶粒和雜質(zhì)。亞結(jié)構(gòu)細(xì)化，出現(xiàn)形變織構(gòu)。性能：材料的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降；比電阻增加，導(dǎo)電系數(shù)和電阻溫度系數(shù)下降，抗腐蝕能力降低等。冷變形使金屬材料內(nèi)部形成哪些內(nèi)應(yīng)力？這些內(nèi)應(yīng)力是如何形成的？它們的作用范圍有多大？三種內(nèi)應(yīng)力:1) 第一類內(nèi)應(yīng)力（宏觀內(nèi)應(yīng)力）。由于不同部位變形不均勻造成，作用范圍大。2) 第二類內(nèi)應(yīng)力（微觀內(nèi)應(yīng)力）。由于不同晶粒之間變形不均勻造成，作用范圍在幾個(gè)晶粒之間。3) 第三類內(nèi)應(yīng)力（晶格畸變）。由于晶體缺陷大量增加造成，作用范圍在原子尺度。冷變形對(duì)金屬材料的性能有何影響？材料

9、的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降；比電阻增加，導(dǎo)電系數(shù)和電阻溫度系數(shù)下降，抗腐蝕能力降低等。第七章 金屬及合金的恢復(fù)與再結(jié)晶基本內(nèi)容：回復(fù)、再結(jié)晶的概念，變形金屬加熱時(shí)顯微組織的變化，性能的變化，影響再結(jié)晶的主要因素性能的變化規(guī)律?；貜?fù)：冷塑性變形的金屬在加熱時(shí)，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過(guò)程。再結(jié)晶：冷變形后的金屬加熱到一定溫度或者保溫足夠時(shí)間后，在原來(lái)的變形組織中產(chǎn)生了無(wú)畸變的新晶粒，位錯(cuò)密度顯著降低，性能也發(fā)生顯著變化，并恢復(fù)到冷變形前的水平。這個(gè)過(guò)程叫做再結(jié)晶。影響再結(jié)晶的主要因素性能的變化規(guī)律：1.再結(jié)晶退火溫度：退火溫度越高，再結(jié)晶后的晶粒越粗大；1.冷

10、變形量：一般冷變形量越大，完成再結(jié)晶的溫度越低，變形量達(dá)到一定程度后，完成再結(jié)晶的溫度趨于一定；3.原始晶粒尺寸：原始晶粒越細(xì)，再結(jié)晶晶粒也越細(xì)；4.微量溶質(zhì)與雜質(zhì)原子，一般均起細(xì)化晶粒的作用；5.第二相粒子，粗大的第二相粒子有利于再結(jié)晶，彌散分布的細(xì)小的第二相粒子不利于再結(jié)晶；6.形變溫度，形變溫度越高，再結(jié)晶溫度越高，晶粒粗化；7.加熱速度，加熱速度過(guò)快或過(guò)慢，都可能使再結(jié)晶溫度升高。重點(diǎn)內(nèi)容：塑性變形后的金屬隨加熱溫度的升高會(huì)發(fā)生的一些變化：顯微組織經(jīng)過(guò)回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段由破碎的或纖維組織轉(zhuǎn)變成等軸晶粒，亞晶尺寸增大；儲(chǔ)存能降低，內(nèi)應(yīng)力松弛或被消除；各種結(jié)構(gòu)缺陷減小；強(qiáng)度、硬

11、度降低，塑形、韌性提高；電阻下降，應(yīng)力腐蝕傾向顯著減小。第八章 擴(kuò)散（不考）第九章 鋼的熱處理原理基本內(nèi)容：冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（P、B、M）的特征、性能特點(diǎn)；熱處理的概念，等溫、連續(xù)C-曲線熱處理：將鋼在固態(tài)下加熱到預(yù)定的溫度，并在該溫度下保持一段時(shí)間，然后以一定的速度冷卻下來(lái)，讓其獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)和性能的一種熱加工工藝。重點(diǎn)內(nèi)容：轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（P、B、M）特征，性能特點(diǎn)：片狀P體，片層間間距越小，強(qiáng)度越高，塑形、韌性也越好；粒狀P體，F(xiàn)e3C顆粒越細(xì)小，分布越均勻，合金的強(qiáng)度越高。第二相的數(shù)量越多，對(duì)塑性的危害越大；片狀與粒狀相比，片狀強(qiáng)度高，塑形、韌性差；上貝氏體為羽毛狀，亞結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)，韌性差

12、；下貝氏體為黑針狀或竹葉狀，亞結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)，位錯(cuò)密度高于上貝氏體，具有良好的綜合機(jī)械性能；低碳馬氏體為板條狀，亞結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)，具有良好的機(jī)械性能；高碳馬氏體為片狀，亞結(jié)構(gòu)為孿晶，強(qiáng)度硬度高，塑形和韌性差。第十章 鋼的熱處理工藝基本內(nèi)容：淬透性，淬硬性，熱應(yīng)力，組織應(yīng)力，回火脆性，回火穩(wěn)定性的概念；退火，正火，淬火，回火的目的和工藝方法；淬火加熱缺陷及其防止措施。淬透性：是表征鋼材淬火時(shí)獲得馬氏體的能力的特性。淬硬性：指淬成馬氏體可能得到的硬度。熱應(yīng)力：工作在加熱（或冷卻）時(shí)，由于不同部位的溫度差異，導(dǎo)致熱脹（或冷縮）的不一致所引起的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。組織應(yīng)力：由于工作不同部位組織轉(zhuǎn)變不同時(shí)性而引起的

13、內(nèi)應(yīng)力?；鼗鸱€(wěn)定性：淬火鋼對(duì)回火時(shí)發(fā)生軟化過(guò)程的抵抗能力。退火目的：均勻鋼的化學(xué)成分及組織；細(xì)化晶粒；調(diào)整硬度，改善鋼的成形及切削加工性能；消除內(nèi)應(yīng)力和加工硬化；為淬火做好組織準(zhǔn)備。工藝方法：完全退火（將鋼件或鋼材加熱到Ac3以上20-30，經(jīng)保溫后緩慢冷卻以獲得近于平衡組織的熱處理工藝），均勻化退火（將鋼加熱到Ac3或Accm以上150-300），不完全退火（將鋼加熱到Ac1-Ac3 亞共析鋼或Ac1- Accm過(guò)共析鋼之間），球化退火（將鋼加熱到Ac1以上20-30），再結(jié)晶退火，去應(yīng)力退火（不超過(guò)Ac1點(diǎn)，一般在500-600）。正火目的：改善鋼的切削加工性能；細(xì)化晶粒，消除熱加工缺陷；

14、消除過(guò)共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火；提高普通結(jié)構(gòu)零件的機(jī)械性能。工藝方法：將鋼加熱到Ac3(或Accm)以上適當(dāng)溫度，保溫以后在空氣中冷卻得到珠光體類組織。淬火的目的：使奧氏體化后的工件獲得盡量多的馬氏體，然后配以不同溫度回火獲得各種需要的性能。工藝方法：將鋼加熱到臨界點(diǎn)Ac3或Ac1以上一定溫度，保溫以后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻得到馬氏體（或下貝氏體）。回火目的：減少或消除淬火應(yīng)力，保證相應(yīng)的組織轉(zhuǎn)變，提高鋼的韌性和塑性，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性的適當(dāng)配合，以滿足各種用途工件的性能要求。工藝方法：將淬火鋼在A1以下溫度加熱，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，并以適當(dāng)方式冷卻到室溫的工藝過(guò)程

15、。重點(diǎn)內(nèi)容：淬透性及影響因素：是表征材料淬火時(shí)獲得馬氏體的能力的特性。例：合金元素的影響，Cr的作用?；鼗鸫嘈裕轰撛谝欢ǖ臏囟确秶鷥?nèi)回火時(shí)，其沖擊韌性顯著下降，這種脆化現(xiàn)象叫做鋼的回火脆性。球化退火工藝：球化退火是使鋼中碳化物球化而進(jìn)行的退火工藝。將鋼加熱到Ac1以上20-30，保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻，得到在鐵素體基體上均勻分布的球狀或顆粒狀碳化物的組織。例如，T10鋼制造的銼刀，采用的球化退火工藝為920退火，正確嗎？會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題？第十一章 工業(yè)用鋼基本內(nèi)容：材料強(qiáng)化方法；鋼的分類和編號(hào)；典型零件的材料，成分，熱處理工藝及組織。重點(diǎn)內(nèi)容：材料強(qiáng)化方法。形變強(qiáng)化：隨變形程度的增加，材料的

16、強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象叫形變強(qiáng)化或加工硬化。機(jī)理：隨塑性變形的進(jìn)行，位錯(cuò)密度不斷增加，因此位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互交割加劇，結(jié)果即產(chǎn)生固定的割階、位錯(cuò)纏結(jié)等障礙，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，引起變形抗力增加，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而提高金屬的強(qiáng)度。規(guī)律：變形程度增加，材料的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，位錯(cuò)密度不斷增加，根據(jù)公式=bG1/2 ，可知強(qiáng)度與位錯(cuò)密度（）的二分之一次方成正比，位錯(cuò)的柏氏矢量（b）越大強(qiáng)化效果越顯著。方法：冷變形（擠壓、滾壓、噴丸等）。形變強(qiáng)化的實(shí)際意義（利與弊）：形變強(qiáng)化是強(qiáng)化金屬的有效方法，對(duì)一些不能用熱處理強(qiáng)化的材料可以用形變強(qiáng)化的方法提高材料的強(qiáng)度，可

17、使強(qiáng)度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金屬均勻變形，使工件或半成品的成形成為可能，如冷拔鋼絲、零件的沖壓成形等；形變強(qiáng)化還可提高零件或構(gòu)件在使用過(guò)程中的安全性，零件的某些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中或過(guò)載現(xiàn)象時(shí)，使該處產(chǎn)生塑性變形，因加工硬化使過(guò)載部位的變形停止從而提高了安全性。另一方面形變強(qiáng)化也給材料生產(chǎn)和使用帶來(lái)麻煩，變形使強(qiáng)度升高、塑性降低，給繼續(xù)變形帶來(lái)困難，中間需要進(jìn)行再結(jié)晶退火，增加生產(chǎn)成本。固溶強(qiáng)化隨溶質(zhì)原子含量的增加，固溶體的強(qiáng)度硬度升高，塑性韌性下降的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。強(qiáng)化機(jī)理：一是溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，對(duì)滑移面上運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)有阻礙作用；二是位錯(cuò)線上偏

18、聚的溶質(zhì)原子形成的柯氏氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)起釘扎作用，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力；三是溶質(zhì)原子在層錯(cuò)區(qū)的偏聚阻礙擴(kuò)展位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。所有阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增加位錯(cuò)移動(dòng)阻力的因素都可使強(qiáng)度提高。固溶強(qiáng)化規(guī)律：在固溶體溶解度范圍內(nèi)，合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，則強(qiáng)化作用越大；溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差越大，強(qiáng)化效果越顯著；形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素的強(qiáng)化作用大于形成置換固溶體的元素；溶質(zhì)原子與溶劑原子的價(jià)電子數(shù)差越大，則強(qiáng)化作用越大。方法：合金化，即加入合金元素。3、第二相強(qiáng)化鋼中第二相的形態(tài)主要有三種，即網(wǎng)狀、片狀和粒狀。網(wǎng)狀特別是沿晶界析出的連續(xù)網(wǎng)狀Fe3C，降低的鋼機(jī)械性能，塑性、韌性急劇下降，強(qiáng)度也隨之下降；第二相為片

19、狀分布時(shí)，片層間距越小，強(qiáng)度越高，塑性、韌性也越好。符合s=0KS0-1/2的規(guī)律，S0 片層間距。第二相為粒狀分布時(shí)，顆粒越細(xì)小，分布越均勻，合金的強(qiáng)度越高，符合的規(guī)律，粒子之間的平均距離。第二相的數(shù)量越多，對(duì)塑性的危害越大；片狀與粒狀相比，片狀強(qiáng)度高，塑性、韌性差；沿晶界析出時(shí)，不論什么形態(tài)都降低晶界強(qiáng)度，使鋼的機(jī)械性能下降。第二相無(wú)論是片狀還是粒狀都阻止位錯(cuò)的移動(dòng)。方法：合金化，即加入合金元素，通過(guò)熱處理或變形改變第二相的形態(tài)及分布。4、細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化：隨晶粒尺寸的減小，材料的強(qiáng)度硬度升高，塑性、韌性也得到改善的現(xiàn)象稱為細(xì)晶強(qiáng)化。細(xì)化晶粒不但可以提高強(qiáng)度又可改善鋼的塑性和韌性，是一種較好的強(qiáng)化材料的方法。機(jī)理：晶粒越細(xì)小，位錯(cuò)塞集群中位錯(cuò)個(gè)數(shù)（n）越小，根據(jù)，應(yīng)力集中越小，所以材料的強(qiáng)度越高。細(xì)晶強(qiáng)化的強(qiáng)化規(guī)律：晶界越多，晶粒越細(xì)，根據(jù)霍爾-配奇關(guān)系式s=0Kd-1/2 晶粒的平均直（d）越小，材料的屈服強(qiáng)