金屬學(xué)與熱處理課后習(xí)題答案

第一章

1.作圖表示出立方晶系(123)、(0-1-2)、(421)等晶面和［-102］、

［-211］、［346］等晶向

3.某晶體的原子位于正方晶格的節(jié)點(diǎn)上，其晶格常數(shù)a=bWc,c=2/3ao

今有一晶面在X、Y、Z坐標(biāo)軸上的截距分別是5個(gè)原子間距，2個(gè)

原子間距和3個(gè)原子間距，求該晶面的晶面參數(shù)。

解：設(shè)X方向的截距為5a,Y方向的截距為2a,則Z方向截距為

3c=3X2a/3=2a,取截距的倒數(shù)，分別為

l/5a,l/2a,l/2a

化為最小簡(jiǎn)單整數(shù)分別為2,5,5

故該晶面的晶面指數(shù)為(255)

4.體心立方晶格的晶格常數(shù)為a,試求出(100)、(110)>(111)

晶面的晶面間距，并指出面間距最大的晶面

解(100)面間距為a/2,(110)面間距為J2a/2,(111)面間距

為J3a/3

三個(gè)晶面晶面中面間距最大的晶面為(110)

7.證明理想密排六方晶胞中的軸比c/a=1.633

證明：理想密排六方晶格配位數(shù)為12,即晶胞上底面中心原子

與其下面的3個(gè)位于晶胞內(nèi)的原子相切，成正四面體，如圖所示

貝ljOD=c/2,AB=BC=CA=CD=a

因AABC是等邊三角形，所以有OC=2/3CE

由于(BCK=(CE)2+(BE)2

…2V3V3

CE=----a,OC=-X-----cF-------a

則2323

有(CD)2=(OCy+(l/2c)2,即

(CD)J(3)、(")2=(a)?

32

因止匕c/a=t8/3=1.633

8.試證明面心立方晶格的八面體間隙半徑為r=0.414R

解：面心立方八面體間隙半徑r=a/2-^2a/4=0.146a

面心立方原子半徑R=d2a/4,則a=4RA/2,代入上式有

R=0.146X4R/A/2=0.414R

9.a）設(shè)有一剛球模型，球的直徑不變，當(dāng)由面心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w

心立方晶格時(shí)，試計(jì)算其體積膨脹。b）經(jīng)X射線測(cè)定，在912C時(shí)

Y-Fe的晶格常數(shù)為0.3633nm,a-Fe的晶格常數(shù)為0.2892nm,當(dāng)由

丫卡6轉(zhuǎn)化為。^^時(shí)，求其體積膨脹，并與a）比較，說明其差別

的原因。

解：a）令面心立方晶格與體心立方晶格的體積及晶格常數(shù)分別

為V面、V踢與a面、a體，鋼球的半徑為r,由晶體結(jié)構(gòu)可知，對(duì)

于面心晶胞有

4r=42a面，a面=2也/2心V面=（a面）3=（2&r）3

對(duì)于體心晶胞有

4r=43a體,a體=4也/3r,V體=（a體）3=（443/3r）3

則由面心立方晶胞轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶胞的體積膨脹AV為

△V=2XV體-V面=2.Olr3

B）按照晶格常數(shù)計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)變體積膨脹AV實(shí)，有

△V實(shí)=2Z\V體-V面=2x（0.2892）3-（0.3633）3=0.000425nm3

實(shí)際體積膨脹小于理論體積膨脹的原因在于由Y-Fe轉(zhuǎn)化為a

-Fe時(shí),Fe原子的半徑發(fā)生了變化，原子半徑減小了。

10.已知鐵和銅在室溫下的晶格常數(shù)分別為0.286nm和0.3607nm,求

lcm3中鐵和銅的原子數(shù)。

解：室溫下Fe為體心立方晶體結(jié)構(gòu)，一個(gè)晶胞中含2個(gè)Fe原子，

Cu為面心立方晶體結(jié)構(gòu)，一個(gè)晶胞中含有4個(gè)Cu原子

lcm3=102lnm3

令lcm3中含F(xiàn)e的原子數(shù)為NFe,含Cu的原子數(shù)為NCu,室溫

下一個(gè)Fe的晶胞題解為VFe，一個(gè)Cu晶胞的體積為VQ，則

212318

NFe=10/VFe=107(0.286)=3.5xl0

2CU2,318

NCu=107v=10/(0.3607)=2.8X10

11.一個(gè)位錯(cuò)環(huán)能不能各個(gè)部分都是螺型位錯(cuò)或者刃型位錯(cuò)，試說明

之。

解：不能，看混合型位錯(cuò)

13.試計(jì)算｛110｝晶面的原子密度和［111］晶向原子密度。

解：以體心立方｛110｝晶面為例

｛110｝晶面的面積S=axd2a

｛110｝晶面上計(jì)算面積S內(nèi)的原子數(shù)N=2

則｛110｝晶面的原子密度為P=N/S=^2a2

［111］晶向的原子密度P=2/43a

15.有一正方形位錯(cuò)線，其柏式矢量如圖所示，試指出圖中各段線的

性能，并指出任性位錯(cuò)額外串排原子面所在的位置。

D4----------------------------------?C

b->

AB

AD、BC段為刃型位錯(cuò)；

DC、AB段為螺型位錯(cuò)

AD段額外半原子面垂直直面向里

BC段額外半原子面垂直直面向外

第二章

1.證明均勻形核時(shí)，形成臨界晶粒的AGk與其體積V之間的關(guān)系

為AGk=V/2AGv

證明：由均勻形核體系自由能的變化

AG=-VAGV+<JS(1)

可知，形成半徑為R的球狀臨界晶粒，自由度變化為

八43八2

△GA二一二幾〃AG+4兀乙G

(2)

對(duì)(2)進(jìn)行微分處理，有

43八、

d(AG)_代」修△&)[(440)

—~+

drkdrkdrt

0=-±兀?；'46,X3+4兀r,crx2,GP(5-^—^-

32(3)

將(3)帶入(1),有

AGk=-VAGv+^^S

2(4)

V=—Krk=-S

由于33,即3V/S(5)

將(5)帶入(4)中，則有

3VV

AGk=-VAGv+gAG,=-AG,

2.如果臨界晶核是邊長(zhǎng)為a的正方形，試求其aGk和a的關(guān)系。

為什么形成立方晶核的4Gk比球形晶核要大？

證明：AG=-VAGV-HJS=-a'AGv-^6a~0

上式做微分處理，右0=-3a%Gv+12ao,K0G=—aAGv

4

因此AGk=—a'AGv+工aAGv6a~=~aAGV

當(dāng)形成球型品核時(shí)

△G*=--1trAG+4nrG,則有（5=’貝U

32

AGj=—9町4G,+4兀晨=-7Cr'AG,

K3Kv?2

當(dāng)形成立方晶核時(shí)

AG=-aAGv+6。七,則有O="°。，貝U

4

AG；=-+6q='aJAG,

液態(tài)金屬固定，。值就固定不變了，所以。=%也=四，則行

42

慫=2…，代入&G：=-aAG+64"C=—AG,則

42

AG；="'△&,又

△G*=10%a，所以

△G]>AG『

3.為什么金屬結(jié)晶時(shí)一定要有過冷度，影響過冷度的因素是什么，固

態(tài)金屬融化時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)過熱，為什么？

答：由熱力學(xué)可知，在某種條件下，結(jié)晶能否發(fā)生，取決于固相的自

由度是否低于液相的自由度，即？G=GS-GL<0；只有當(dāng)溫度低于理

論結(jié)晶溫度Tm時(shí)，固態(tài)金屬的自由能才低于液態(tài)金屬的自由能，

液態(tài)金屬才能自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬，因此金屬結(jié)晶時(shí)一定要有過

冷度。影響過冷度的因素：影響過冷度的因素：1）金屬的本性，

金屬不同，過冷度大小不同；2）金屬的純度，金屬的純度越高，過

冷度越大；3）冷卻速度，冷卻速度越大，過冷度越大。固態(tài)金屬熔

化時(shí)會(huì)出現(xiàn)過熱度。原因：由熱力學(xué)可知，在某種條件下，熔化能否

發(fā)生，取決于液相自固態(tài)金屬熔化時(shí)會(huì)出現(xiàn)過熱度。原因：由度是

否低于固相的自由度，即？G=GL-GS<0；只有當(dāng)溫度高于理論結(jié)晶

溫度Tm時(shí)，液態(tài)金屬的自由能才低于固態(tài)金屬的自由能，固態(tài)金

屬才能自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)金屬，因此金屬熔化時(shí)一定要有過熱度。

4.試比較均勻形核和非均勻形核的異同點(diǎn)。

相同點(diǎn)：均勻形核與非均勻形核具有相同的臨界晶核半徑，非均

勻形核的臨界形核功也等于三分之一.

不同點(diǎn)：非均勻形核要克服的位壘比均勻形核的小得多，在相變

的形核過程通常都是非均勻形核優(yōu)先進(jìn)行。核心總是傾向于以使其總

的表面能和應(yīng)變能最小的方式形成，因而析出物的形狀是總應(yīng)變能和

總表面能綜合影響的結(jié)果。

5.說明晶體成長(zhǎng)形狀與溫度梯度的關(guān)系

（1）、在正的溫度梯度下生長(zhǎng)的界面形態(tài)：

光滑界面結(jié)晶的晶體，若無其它因素干擾，大多可以成長(zhǎng)為以密

排晶面為表面的晶體，具有規(guī)則的幾何外形。粗糙界面結(jié)構(gòu)的晶體，

在正的溫度梯度下成長(zhǎng)時(shí)，其界面為平行于熔點(diǎn)等溫面的平直界面，

與散熱方向垂直，從而使之具有平面狀的長(zhǎng)大形態(tài)，可將這種長(zhǎng)大方

式叫做平面長(zhǎng)大方式。

（2）、在負(fù)的溫度梯度下生長(zhǎng)的界面形態(tài)粗糙界面的晶體在負(fù)的

溫度梯度下生長(zhǎng)成樹枝晶體。主干叫一次晶軸或一次晶枝。其它的叫

二次晶或三次晶。對(duì)于光滑界面的物質(zhì)在負(fù)的溫度梯度下長(zhǎng)大時(shí)，如

果杰克遜因子a不太大時(shí)可能生長(zhǎng)為樹枝晶，如果杰克遜因子a很大

時(shí)，即使在負(fù)的溫度梯度下，仍有可能形成規(guī)則形狀的晶體。

6.簡(jiǎn)述三晶區(qū)形成的原因及每個(gè)晶區(qū)的性能特點(diǎn)

形成原因：1）表層細(xì)晶區(qū)：低溫模壁強(qiáng)烈地吸熱和散熱，使靠

近模壁的薄層液體產(chǎn)生極大地過冷，形成原因形成原模壁又可作

為非均勻形核的基底，在此一薄層液體中立即產(chǎn)生大量的晶核，并同

時(shí)向各個(gè)方向生長(zhǎng)。晶核數(shù)目多，晶核很快彼此相遇，不能繼續(xù)生

長(zhǎng)，在靠近模壁處形成薄層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。

2）柱狀晶區(qū)：模壁溫度升高導(dǎo)致溫度梯度變得平緩；過冷度小,

不能生成新晶核，但利于細(xì)晶區(qū)靠近液相的某些小晶粒長(zhǎng)大；遠(yuǎn)離

界面的液態(tài)金屬過熱，不能形核；垂直于模壁方向散熱最快，晶體擇

優(yōu)生長(zhǎng)。

3）中心等軸晶區(qū)：柱狀晶長(zhǎng)到一定程度后，鑄錠中部開始形核

長(zhǎng)大一中部液體溫度大致是均勻的，每個(gè)晶粒的成長(zhǎng)在各方向上接近

一致，形成等軸晶。

性能特點(diǎn)：1）表層細(xì)晶區(qū)：組織致密，力學(xué)性能好；

2）柱狀晶區(qū)：組織較致密，存在弱面，力學(xué)性能有方向性；

3）中心等軸晶區(qū)：各晶粒枝杈搭接牢固，無弱面，力學(xué)性能無

方向性。

7.為了得到發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)應(yīng)采用什么措施，為了得到發(fā)達(dá)的等軸晶

區(qū)應(yīng)采取什么措施？其基本原理如何？

答：為了得到發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)應(yīng)采取的措施：1）控制鑄型的冷

卻能力，采用導(dǎo)熱性好與熱容量大的鑄型為了得到發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)

應(yīng)采取的措施：材料，增大鑄型的厚度，降低鑄型的溫度。2）提高

澆注溫度或澆注速度。3）提高熔化溫度。基本原理：基本原理：1）

鑄型冷卻能力越大，越有利于柱狀晶的生長(zhǎng)。2）提高澆注溫度或澆

注速度，使溫度梯度增大，有利于柱狀晶的生長(zhǎng)。3）熔化溫度越高,

液態(tài)金屬的過熱度越大，非金屬夾雜物溶解得越多，非均勻形核數(shù)

目越少，減少了柱狀晶前沿液體中的形核的可能，有利于柱狀晶的生

長(zhǎng)。

為了得到發(fā)達(dá)的等軸晶區(qū)應(yīng)采取的措施：為了得到發(fā)達(dá)的等軸

晶區(qū)應(yīng)采取的措施：1）控制鑄型的冷卻能力，采用導(dǎo)熱性差與熱容

量小的鑄型材等軸晶區(qū)應(yīng)采取的措施料，增大鑄型的厚度，提高鑄

型的溫度。2）降低澆注溫度或澆注速度。3）降低熔化溫度。

基本原理：基本原理：1）鑄型冷卻能力越小，越有利于中心等

軸晶的生長(zhǎng)。2）降低澆注溫度或澆注速度，使溫度梯度減小，有利

于等軸晶的生長(zhǎng)。3）熔化溫度越低，液態(tài)金屬的過熱度越小，非金

屬夾雜物溶解得越少，非均勻形核數(shù)目越多，增加了柱狀晶前沿液

體中的形核的可能，有利于等軸晶的生長(zhǎng)。

第三章

1.在正溫度梯度下，為什么純金屬凝固時(shí)不能呈樹枝狀生長(zhǎng)，而固溶

體合金卻能呈樹枝狀成長(zhǎng)？

純金屬凝固時(shí).，要獲得樹枝狀晶體，必需在負(fù)的溫度梯度下；在

正的溫度梯度下，只能以平面狀長(zhǎng)大。而固溶體實(shí)際凝固時(shí)，往往會(huì)

產(chǎn)生成分過冷，當(dāng)成分過冷區(qū)足夠大時(shí)，固溶體就會(huì)以樹枝狀長(zhǎng)大。

2.何謂合金平衡相圖，相圖能給出任一條件下的合金顯微組織嗎？

合金平衡相圖是研究合金的工具，是研究合金中成分、溫度、組

織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。

其中二元合金相圖表示二元合金相圖表示在平衡狀態(tài)下，合金的組成

相或組織狀態(tài)與溫度、成分、壓力之間關(guān)系的簡(jiǎn)明圖解。平衡狀態(tài)：

合金的成分、質(zhì)量份數(shù)不再隨時(shí)間而變化的一種狀態(tài)。合金的極緩

慢冷卻可近似認(rèn)為是平衡狀態(tài)。

三元合金相圖是指獨(dú)立組分?jǐn)?shù)為3的體系，該體系最多可能有四

個(gè)自由度，即溫度、壓力和兩個(gè)濃度項(xiàng)，用三維空間的立體模型已不

足以表示這種相圖。若維持壓力不變，則自由度最多等于3,其相圖

可用立體模型表示。若壓力、溫度同時(shí)固定，則自由度最多為2,可

用平面圖來表示。通常在平面圖上用等邊三角形（有時(shí)也有用直角坐

標(biāo)表示的）來表示各組分的濃度。

不能，相圖只能給出合金在平衡條件下存在的合金顯微組織

4.何謂成分過冷？成分過冷對(duì)固溶體結(jié)晶時(shí)晶體長(zhǎng)大方式和鑄錠組

織有何影響？

在固溶體合金凝固時(shí)，在正的溫度梯度下，由于固液界面前

沿液相中的成分有所差別，導(dǎo)致固液界面前沿的熔體的溫度低于

實(shí)際液相線溫度，從而產(chǎn)生的過冷稱為成分過冷。

這種過冷完全是由于界面前沿液相中的成分差別所引起的。溫度

梯度增大，成分過冷減小。成分過冷必須具備兩個(gè)條件：第一

是固?液界面前沿溶質(zhì)的富集而引起成分再分配；第二是固~液界面前

方液相的實(shí)際溫度分布，或溫度分布梯度必須達(dá)到一定的值。

對(duì)合金而言，其凝固過程同時(shí)伴隨著溶質(zhì)再分配，液體的成分始

終處于變化當(dāng)中，液體中的溶質(zhì)成分的重新分配改變了相應(yīng)的固液平

衡溫度，這種關(guān)系有合金的平衡相圖所規(guī)定。利用“成分過冷”判斷

合金微觀的生長(zhǎng)過程。

第四章

1.分析分析3c=0.2%,wc=0.6%,wc=1.2%的鐵碳合金從液態(tài)平衡冷卻

到室溫的轉(zhuǎn)變過程。

3c=0.2%:L—L+6--6->y（1495度）-Y+L---Y----a+V----Y

fa（727度）一a+Fe3C;（Y=A,a=F;下同）

3c=0.6%:L—Y+L—Y--a+Y--Y->a（727度）一a+Fe3C;

3C—1.2%:L—Y+L—Y—Fe3C+Y—Y-*a（727—a

+Fe3C;

室溫下相組成物的相對(duì)含量：

3c=0.2%,滲碳體相對(duì)含量=（020.02）/6.67%，余量鐵素體

3c=0.6%,滲碳體相對(duì)含量=（0.6-0.02）/6.67%，余量鐵素體

3c=1.2%滲碳體相對(duì)含量=（120.02）/6.67%，余量鐵素體

室溫下組織組成物的相對(duì)含量：

3c=0.2%,珠光體相對(duì)含量=(020.02)/0.77%,余量鐵素體

3c=0.6%,珠光體相對(duì)含量=(060.02)/0.77%，余量鐵素體

3c=1.2%,滲碳體相對(duì)含量=(120.77)/6.67%，余量珠光體

2.分析3c=3.5%、3c=4.7%的鐵碳合金從液態(tài)到室溫的平衡結(jié)晶過

程，畫出冷卻曲線和組織轉(zhuǎn)變示意圖，并計(jì)算室溫下的組織組成物和

相組成物。

7/A：奧氏體區(qū)；a/F：鐵素體區(qū)；L：液相區(qū);

Fe3C/Cin：著碳侏區(qū)；3.周溶體區(qū)

解：下圖表示3c=3.5%%的鐵碳合金從液態(tài)到室溫的平衡結(jié)晶過程:

下圖表示3c=4.7%的鐵碳合金從液態(tài)到室溫的平衡結(jié)晶過程:

3.計(jì)算鐵碳合金中二次滲碳體和三次滲碳體最大可能含量。

答：鐵碳合金中二次滲碳體即Fe3(7的最大可能含量產(chǎn)生在

2」1%C的鐵碳合金中，因此

(Fe3Cn)max=(2.11-0.77)/(6.69-0.77)xl00%=22.64%

三次滲碳體即Fe3c”的可能最大含量在0.0218%C的鐵碳合金中，

因此

(Fe3cm)max(0.0218-0.006)/(6.69-0.006)xl00%=0.24%

4.分別計(jì)算萊氏體中共晶滲碳體、二次滲碳體、共析滲碳體的含量。

解：在萊氏體中，

Fe3c共品％=(4.3-2.11)/(6.69-2.11)*100%=47.8%

Fe3Cn%=[(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.為了區(qū)分兩種弄混的鋼，工人分別將A、B兩塊碳素鋼試樣加熱至

850°C保溫后緩冷，金相組織分別為：A試樣的先共析鐵素體面積

為41.6%,珠光體面積為58.4%；B試樣的二次滲碳體面積為7.3%,

珠光體面積為92.7%；設(shè)鐵素體和滲碳體的密度相同,鐵素體的含碳

量為零，求A、B兩種碳素鋼的含碳量。

解：這兩個(gè)試樣處理后都是得到的平衡態(tài)組織，首先判斷A試

樣為亞共析鋼，根據(jù)相圖杠桿原理列出方程如下:

(0.77-X)/(0.77-0.0218)=41.6%這樣得到X=45.0%,大概是45鋼的

成分范圍。

同理B試樣為過共析鋼(6.69-X)/(6.69-0.77)=92.7%；X=1.2%,大

概是T12鋼的范圍，當(dāng)然相應(yīng)地還可以利用杠桿的另外一端來求了。

6.利用Fe-FeC3相圖說明鐵碳合金的成分、組織和性能的關(guān)系。

從相組成物的情況來看，鐵碳合金在室溫下的平衡組織均由鐵素

體和滲碳體組成，當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為零時(shí)，合金全部由鐵素體所組成，

隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵素體的量呈直線下降，到做為6.69%時(shí)降

為零，相反滲碳體則由零增至100%。

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化不僅引起鐵素體和滲碳體相對(duì)量的變化，而且

兩相相互組合的形態(tài)即合金的組織也將發(fā)生變化，這是由于成分的變

化引起不同性質(zhì)的結(jié)晶過程，從而使相發(fā)生變化的結(jié)果，由圖3-35

可見，隨碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵碳合金的組織變化順序?yàn)椋?/p>

>

F-*F+Fe3CII|-*F+P-P-*P+Fe3clifP+Fe3Cn+Le-*Le-*Le+Fe3cl

0218%時(shí)的合金組織全部為鐵素體，%=0.77%時(shí)全部為珠光

體，%=4.3%時(shí)全部為萊氏體，%=6.69%時(shí)全部為滲碳體，在上述碳質(zhì)

量分?jǐn)?shù)之間則為組織組成物的混合物；而且，同一種組成相，由于生

成條件不同，雖然相的本質(zhì)未變，但其形態(tài)會(huì)有很大的差異。如滲碳

體，當(dāng)%〈0.0218%時(shí)，三次滲碳體從鐵素體中析出，沿晶界呈小片

狀分布；經(jīng)共析反應(yīng)生成的共析滲碳體與鐵素體呈交替層片狀分布；

從奧氏體中析出的二次滲體則以網(wǎng)狀分布于奧氏體的晶界；共晶滲碳

體與奧氏體相關(guān)形成，在萊氏體中為連續(xù)的基體，比較粗大，有時(shí)呈

魚骨狀；從液相中直接析出的一次滲碳體呈規(guī)則的長(zhǎng)條狀?？梢?，成

分的變化，不僅引起相的相對(duì)量的變化，而且引起組織的變化，從而

對(duì)鐵碳合金的性能產(chǎn)生很大的影響。

1）切削加工性能

鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)切削加工性能有一定的影響。低碳鋼的平衡結(jié)

晶組織中鐵素體較多，塑性、韌性很好，切削加工時(shí)產(chǎn)生的切削熱較

大，容易黏刀，而且切屑不易折斷，影響表面粗糙度，因此，切削加

工性能不好；高碳鋼中滲碳體較多，硬度較高，嚴(yán)重磨損刀具，切削

性能也不好；中碳鋼中鐵素體與滲碳體的比例適當(dāng)，硬度與塑性也比

較適中，切削加工性能較好。一般說來，鋼的硬度在170?250HBW時(shí)

切削加工性能較好。

2）壓力加工性能

金屬壓力加工性能的好壞主要與金屬的鍛造性有關(guān)。金屬的鍛造

性是指金屬在壓力加工時(shí)能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。鋼的鍛造

性主要與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及組織有關(guān)，低碳鋼的鍛造性較好，隨著碳質(zhì)量

分?jǐn)?shù)的增加，鍛造性逐漸變差。由于奧氏體具有良好的塑性，易于塑

性變形，鋼加熱到高溫獲得單相奧氏體組織時(shí)可具有良好的鍛造性。

白口鑄鐵無論在低溫或高溫，其組織都是以硬而脆的滲碳體為基體，

鍛造性很差，不允許進(jìn)行壓力加工。

3）鑄造性能

隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼的結(jié)晶溫度間隔增大，先結(jié)晶形成的

樹枝晶阻礙未結(jié)晶液體的流動(dòng)，流動(dòng)性變差。鑄鐵的流動(dòng)性要好于鋼,

隨碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，亞共晶白口鐵的結(jié)晶溫度間隔縮小，流動(dòng)性隨

之提高；過共晶白口鐵的流動(dòng)性則隨之降低；共晶白口鐵的結(jié)晶溫度

最低，又是在恒溫下結(jié)晶，流動(dòng)性最好。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋼的收縮性也

有影響，一般說來，當(dāng)澆注溫度一定時(shí)，隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼

液溫度與液相線溫度差增加，液態(tài)收縮增大；同時(shí)一，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,

鋼的凝固溫度范圍變寬，凝固收縮增大，出現(xiàn)縮孔等鑄造缺陷的傾向

增大。止匕外，鋼在結(jié)晶時(shí)的成分偏析也隨碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。

7.Fe-FeC3相圖有哪些應(yīng)用，又有哪些局限性

答：鐵一滲碳體相圖的應(yīng)用：

1）在鋼鐵選材方法的應(yīng)用；

2）在鑄造工藝方法的應(yīng)用；

3）在熱鍛、熱軋、熱鍛工藝方法的應(yīng)用；

4）在熱處理工藝方法的應(yīng)用。

滲碳體相圖的局限性：

1）只反映平衡相，而非組織;

2）只反映鐵二元合金中相的平衡；

3）不能用來分析非平衡條件下的問題

第五章

1.試在A、B、C成分三角形中，標(biāo)出注下列合金的位置:

1)3c=10%,3c=10%，其余為A；

2)3c=20%,3c=15%,其余為A；

3)3c=30%,3c=15%,其余為A；

4)3c=20%,3c=30%,其余為A；

5）3c=40%,A和B組元的質(zhì)量比為1:4；

6）3A=30%,A和B組元的質(zhì)量比為2:3；

解：6）設(shè)合金含B組元為WB,含C組元為WC,則WB/WC=2/3

WB+WC=l?30%可求WB=42%,WC=28%。

2.在成分三角形中標(biāo)注P(3A=70%、3B=20%、3c=10%)；Q

(coA=30%>3B=50%、3c=20%)；N(sA=30%、3B=10%、

3c=60%)合金的位置，然后將5kgp合金、5kgQ合金和lOkgN合

金熔合在一起，試問新合金的成分如何？

解：設(shè)新合金的成分為①新A、3新心3新c，則有

3新QN

A=(5XG)PA+5XG)A+10XQA)/(5+5+10)=(5X70%+5X30%+10

X30%)/20=40.0%;

Pqn

3新B=(5XwA+5Xaa+10X?a)/(5+5+10)=(5X20%+5X

50%+10X10%)/20=22.5%;

Pqn

3新c=(5X?A+5X?a+10X?a)/(5+5+10)=(5X10%+5X

20%+10X60%)/20=37.5%;

所以，新合金的成分為：3新A=40.0%、3新B=22.5%、3新C=37.5%。

、.

第Aft八早

1.

屈服載620252184148174273525

荷/N

小角/8372.56248.530.51765

(°)

人角/25.5263466374.882.5

(°)

Tk8.688X2.132X2.922X3.633X3.088X

105106106106106

cosXcos0.1100.2700.3700.4600.391-0.2620.130

4

計(jì)算方法Tk=。s?cosXcos6=F/AcosXcos

4.試用多晶體的塑性變形過程說明金屬晶粒越細(xì)強(qiáng)度越高、塑性越

好的原因是什么？

答：由Hall-Petch公式可知，屈服強(qiáng)度os與晶粒直徑平方根的

倒數(shù)d〃2呈線性關(guān)系。在多晶體中，滑移能否從先塑性變形的晶粒

轉(zhuǎn)移到相鄰晶粒主要取決于在已滑移晶粒晶界附近的位錯(cuò)塞積群所

產(chǎn)生的應(yīng)力集中能否激發(fā)相鄰晶?；葡抵械奈诲e(cuò)源，使其開動(dòng)起

來，從而進(jìn)行協(xié)調(diào)性的多滑移。由T=nq）知，塞積位錯(cuò)數(shù)目n越大,

應(yīng)力集中。越大。位錯(cuò)數(shù)目n與引起塞積的晶界到位錯(cuò)源的距離成正

比。晶粒越大，應(yīng)力集中越大，晶粒小，應(yīng)力集中小，在同樣外加應(yīng)

力下，小晶粒需要在較大的外加應(yīng)力下才能使相鄰晶粒發(fā)生塑性變

形。在同樣變形量下，晶粒細(xì)小，變形能分散在更多晶粒內(nèi)進(jìn)行，

晶粒內(nèi)部和晶界附近應(yīng)變度相差較小，引起的應(yīng)力集中減小，材料

在斷裂前能承受較大變形量，故具有較大的延伸率和斷面收縮率。另

外，晶粒細(xì)小，晶界就曲折，不利于裂紋傳播，在斷裂過程中可吸

收更多能量，表現(xiàn)出較高的韌性。

6.滑移和李生有何區(qū)別，試比較它們?cè)谒苄宰冃芜^程的作用。

答：區(qū)別：

1）滑移：一部分晶體沿滑移面相對(duì)于另一部分晶體作切變，切

變時(shí)原子移動(dòng)的距離是滑移方向原區(qū)別：區(qū)別子間距的整數(shù)倍；

李生：一部分晶體沿?cái)伾嫦鄬?duì)于另一部分晶體作切變，切變時(shí)原子

移動(dòng)的距離不是李生方向原子間距的整數(shù)倍；

2）滑移：滑移面兩邊晶體的位向不變；李生：李生面兩邊的晶

體的位向不同，成鏡面對(duì)稱；

3）滑移：滑移所造成的臺(tái)階經(jīng)拋光后，即使再浸蝕也不會(huì)重現(xiàn);

李生：由于李生改變了晶體取向，因此李生經(jīng)拋光和浸蝕后仍能重

現(xiàn)；

4）滑移：滑移是一種不均勻的切變，它只集中在某些晶面上大

量的進(jìn)行，而各滑移帶之間的晶體并未發(fā)生滑移；李生：李生是一種

均勻的切變，即在切變區(qū)內(nèi)與李生面平行的每一層原子面均相對(duì)于

其毗鄰晶面沿學(xué)生方向位移了一定的距離。

作用：晶體塑性變形過程主要依靠滑移機(jī)制來完成的；李生對(duì)

塑性變形的貢獻(xiàn)比滑移小得多，但李生改變了部分晶體的空間取向，

使原來處于不利取向的滑移系轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌挠欣∠颍ぐl(fā)晶體滑移。

7.試述金屬塑性變形后組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，闡明加工硬化在

機(jī)械零構(gòu)件生產(chǎn)和服役過程中的重要試述金屬塑性變形后組織結(jié)構(gòu)

與性能之間的關(guān)系，意義。

答：關(guān)系：

隨著塑性變形程度的增加，位錯(cuò)密度不斷增大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增

加，金屬的強(qiáng)度、硬度增加，而關(guān)系：關(guān)系塑性、韌性下降。

重要意義：1）提高金屬材料的強(qiáng)度；

2）是某些工件或半成品能夠加工成形的重要因素；

3）提高零件或構(gòu)件在使用過程中的安全性。

8.金屬材料經(jīng)塑性變形后為什么會(huì)保留殘留內(nèi)應(yīng)力？研究這部分殘

留內(nèi)應(yīng)力有什么實(shí)際意義？金屬材料經(jīng)塑性變形后為什么會(huì)保留殘

留內(nèi)應(yīng)力？研究這部分殘留內(nèi)應(yīng)力有什么實(shí)際意義？

答：殘余內(nèi)應(yīng)力存在的原因

1）塑性變形使金屬工件或材料各部分的變形不均勻，導(dǎo)致宏觀

變形不均勻；

2）塑性變形使晶?；騺喚ЯＷ冃尾痪鶆颍瑢?dǎo)致微觀內(nèi)應(yīng)力；

3）塑性變形使金屬內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)或空位，使點(diǎn)陣中的一

部分原子偏離其平衡位置，導(dǎo)致點(diǎn)陣畸變內(nèi)應(yīng)力。

實(shí)際意義：可以控制材料或工件的變形、開裂、應(yīng)力腐蝕；可以

利用殘留應(yīng)力提高工件的使用壽命。

9.何謂脆性斷裂和塑性斷裂，若在材料中存在裂紋時(shí)，試述裂紋對(duì)脆

性材料和塑性材料斷裂過程中的影響。

答：塑性斷裂又稱為延性斷裂，斷裂前發(fā)生大量的宏觀塑性變形,

斷裂時(shí)承受的工程應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度。在塑性和韌性好的金屬

中，通常以穿晶方式發(fā)生塑性斷裂，在斷口附近會(huì)觀察到大齡的塑性

變形痕跡，如縮頸。

金屬脆性斷裂過程中，極少或沒有宏觀塑性變形，但在局部區(qū)域

任然存在著一定的微觀塑性變形。斷裂時(shí)承受的工程應(yīng)力通常不超過

材料的屈服強(qiáng)度，甚至低于按宏觀強(qiáng)度理論確定的許用應(yīng)力，因此又

稱為低應(yīng)力斷裂。

在塑性材料中，斷裂是胃口形成、擴(kuò)大和連接的過程，在打的應(yīng)

力作用下，基體金屬產(chǎn)生塑性變形后，在基體和非金屬夾雜物、析出

相粒子周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，使界面拉開，或使異相顆粒折斷形成微孔。

微孔擴(kuò)大和鏈接也是基體金屬塑性變形的結(jié)果。當(dāng)微孔擴(kuò)大到一定的

程度，相鄰微孔見的金屬產(chǎn)生較大的塑性變形后就發(fā)生微觀塑性失

穩(wěn)，就像宏觀實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生縮頸一樣，此時(shí)微孔將迅速擴(kuò)大，直至細(xì)縮成

一線，最后由于金屬與金屬件的連線太少，不足以承載而發(fā)生斷裂。

脆性材料中，由于斷裂前既無宏觀塑性變形，又無其他預(yù)兆，并

且一旦開裂后，裂紋擴(kuò)展迅速，造成整體斷裂或河大的裂口，有時(shí)還

產(chǎn)生很多碎片，容易導(dǎo)致嚴(yán)重事故。

10.何謂斷裂韌度，它在機(jī)械設(shè)計(jì)中有何作用？

答：在彈塑性條件下，當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子增大到某一臨界值，裂

紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致材料斷裂，這個(gè)臨界或失穩(wěn)擴(kuò)展的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因

子即斷裂韌度。它反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展即抵抗脆斷的能力，

是材料的力學(xué)性能指標(biāo)。

第七章

1.用冷拔銅絲制成導(dǎo)線，冷拔之后應(yīng)如何處理，為什么？

答：冷拔之后應(yīng)該進(jìn)行退火處理。因?yàn)槔浒问窃谠俳Y(jié)晶溫度以下

進(jìn)行加工，因此會(huì)引起加工硬化，所以要通過回復(fù)再結(jié)晶，使金屬的

強(qiáng)度和硬度下降，提高其塑性。

2.一塊厚純金屬板經(jīng)冷彎并再結(jié)晶退火后，試畫出界面上的顯微組織

示意圖。

加熱溫度或保溫時(shí)間------

ul

3.已知W、Fe、Cu的熔點(diǎn)分別為3399℃、1538c和1083C,試估算

其再結(jié)晶溫度。

解：T再=°Tm，其中。=0.35?0.4,取0=0.4,則W、Fe、Cu的

再結(jié)晶溫度分別為3399℃XO4=1359.6℃>1538℃X0.4分15.2C和

1083℃X0.4=433.2℃

4.說明以下概念的本質(zhì)區(qū)別：

1）一次再結(jié)晶和二次再結(jié)晶；

2）再結(jié)晶時(shí)晶核長(zhǎng)大和再結(jié)晶后晶粒長(zhǎng)大。

解：1）再結(jié)晶：當(dāng)退火溫度足夠高、時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，在變形金

屬或合金的顯微組織中，產(chǎn)生無應(yīng)變的新晶?！俳Y(jié)晶核心。新晶

粒不斷長(zhǎng)大，直至原來的變形組織完全消失，金屬或合金的性能也發(fā)

生顯著變化，這一過程稱為再結(jié)晶。過程的驅(qū)動(dòng)力也是來自殘存的形

變貯能。與金屬中的固態(tài)相變類似，再結(jié)晶也有轉(zhuǎn)變?cè)杏?，但再結(jié)

晶前后，金屬的點(diǎn)陣類型無變化。

再結(jié)晶完成后，正常的晶粒應(yīng)是均勻的、連續(xù)的。但在某些情況

下，晶粒的長(zhǎng)大只是少數(shù)晶粒突發(fā)性地、迅速地粗化，使晶粒之間的

尺寸差別越來越大。這種不正常的晶粒長(zhǎng)大稱為晶粒的反常長(zhǎng)大。這

種晶粒的不均勻長(zhǎng)大就好像在再結(jié)晶后均勻細(xì)小的等軸晶粒中又重

新發(fā)生了再結(jié)晶，所以稱為二次再結(jié)晶。其發(fā)生的基本條件是正常晶

粒長(zhǎng)大過程被分散相粒子、織構(gòu)或表面熱蝕等所強(qiáng)烈阻礙，當(dāng)一次再

結(jié)晶組織被繼續(xù)加熱時(shí)，上述阻礙因素一旦被消除，少數(shù)特殊晶界將

迅速遷移，導(dǎo)致少數(shù)晶粒變大，而大晶粒界面通常是凹向外側(cè)的，因

此在晶界能的驅(qū)動(dòng)下，大晶粒將繼續(xù)長(zhǎng)大，直至相互接觸形成二次再

結(jié)晶組織。二次再結(jié)晶為非形核過程，不產(chǎn)生新晶核，而是以一次再

結(jié)晶后的某些特殊晶粒作為基礎(chǔ)而長(zhǎng)大的。

5.分析回復(fù)和再結(jié)晶階段空位與位錯(cuò)的變化及其對(duì)性能的影響。

答：回復(fù)可分為低溫回復(fù)，中溫回復(fù)以及高溫回復(fù)。低溫回復(fù)階

段主要是空位濃度明顯降低。原因：低溫回復(fù)階段主要是空位濃度

明顯降低。中溫回復(fù)階段由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致異號(hào)位錯(cuò)合并而相互抵

消，此階段由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致異號(hào)位錯(cuò)合并而相互抵消，位錯(cuò)密

度有所降低，但降幅不大。所以力學(xué)性能只有很少恢復(fù)。密度有所

降低，但降幅不大。所以力學(xué)性能只有很少恢復(fù)。高溫向復(fù)的主要機(jī)

制為多邊化。多邊化由于同號(hào)刃型位錯(cuò)的塞積而導(dǎo)致晶體點(diǎn)陣彎

曲，由于同號(hào)刃型位錯(cuò)塞積而導(dǎo)致晶體點(diǎn)陣彎曲，在退火過程中通

過刃型位錯(cuò)的攀移和滑移，通過刃型位錯(cuò)的攀移和滑移，使同號(hào)刃

型位錯(cuò)沿垂直于滑移面的方向排列成小角度的亞晶界。此過程稱為多

邊（形）化。多晶體金屬塑性變形時(shí)，多晶體金屬塑性變形時(shí)，金

屬塑性變形時(shí)滑移通常是在許多互相交截的滑移面上進(jìn)行，截的滑

移面上進(jìn)行，產(chǎn)生由纏結(jié)位錯(cuò)構(gòu)成的胞狀組織。因此，多邊化后不僅

所形成的亞晶粒小得多，而且許多亞晶界是由位錯(cuò)網(wǎng)組成的。

對(duì)性能影響：去除殘余應(yīng)力，使冷變形的金屬件在基本保持應(yīng)變

硬化狀態(tài)的條件下，降低其內(nèi)應(yīng)力，以免變形或開裂，保持應(yīng)變硬

化狀態(tài)的條件下，降低其內(nèi)應(yīng)力，以免變形或開裂，并改善工件的

耐蝕性。并改善工件的耐蝕性。

再結(jié)晶是一種形核和長(zhǎng)大的過程，靠原子的擴(kuò)散進(jìn)行。冷變形

金屬加熱時(shí)組織與性能最顯著的變化就是在再結(jié)晶階段發(fā)生的。特

點(diǎn)：1）、組織發(fā)生變化，由冷變形的伸長(zhǎng)晶粒變?yōu)樾碌牡容S晶粒；2）、

力學(xué)性能發(fā)生急劇變化，強(qiáng)度、硬度急劇下降，應(yīng)變硬化全部消除,

恢復(fù)到變形前的狀態(tài)3）、變形儲(chǔ)能在再結(jié)晶過程中全部釋放。三類

應(yīng)力（點(diǎn)陣畸變）、變形儲(chǔ)能在再結(jié)晶過程中全部釋放。

對(duì)性能影響：強(qiáng)度迅速下降，強(qiáng)度迅速下降，塑性迅速升高。

冷變形金屬在加熱過程中性能隨溫度升高而變化，冷變形金屬在加

熱過程中性能隨溫度升高而變化，在再結(jié)晶階段發(fā)生突變。

6.何謂臨界變形度，在工業(yè)生產(chǎn)中有何意義。

再結(jié)晶后的晶粒大小與冷變形時(shí)的變形程度有一定關(guān)系，在某個(gè)

變形程度時(shí)再結(jié)晶后得到的晶粒特別粗大，對(duì)應(yīng)的冷變形程度稱為臨

界變形度

粗大的經(jīng)歷對(duì)金屬的力學(xué)性能十分不利，故在壓力加工時(shí)，應(yīng)當(dāng)

避免在臨界變形程度范圍內(nèi)進(jìn)行加工，一面再結(jié)晶后產(chǎn)生粗晶。此外,

在鍛造零件時(shí)，如鍛造工藝或鍛模設(shè)計(jì)不當(dāng)，局部區(qū)域的變形量可能

在臨界變形度范圍內(nèi)，則退貨后造成局部粗晶區(qū)，時(shí)零件在這些部位

遭到破壞。

7.一塊純錫板被槍彈擊穿，經(jīng)再結(jié)晶退火后，大孔周圍的晶粒大小有

何特征，并說明原因。

答：晶粒異常長(zhǎng)大，因?yàn)槭茏訌棑舸┖螅罂字車a(chǎn)生了較大的

變形度，由于變形度對(duì)再結(jié)晶晶粒大小有著重大影響，而且在受擊穿

空洞的周圍其變形度呈現(xiàn)梯度變化，因此當(dāng)變形度達(dá)到某一數(shù)值的時(shí)

候，就會(huì)得到特別粗大的晶粒了。

10.金屬材料在熱加工時(shí)為了獲得較小的晶粒組織，應(yīng)該注意什么問

題？

答：應(yīng)該注意其變形度避開金屬材料的臨界變形度；提高再結(jié)晶

退火溫度；盡量使原始晶粒尺寸較細(xì)；一般采用含有較多合金元素或

雜志的金屬材料，這樣不僅增加變形金屬的儲(chǔ)存能，還能阻礙晶界的

運(yùn)動(dòng)，從而起到細(xì)化晶粒的作用。

11.為了獲得較小的晶粒組織，應(yīng)該根據(jù)什么原則制定塑性變形以及

退火工藝？

答：在熱軋或鍛造過程中：在熱軋或鍛造過程中：1）控制變形

度；控制變形度；控制變形度2）控制熱軋或鍛造溫度?？刂茻彳?/p>

或鍛造溫度?？刂茻彳埢蝈懺鞙囟燃?xì)化晶粒方法

在熱處理過程中：控制加熱和冷卻工藝參數(shù)，控制加熱和冷卻

工藝參數(shù)利用相變重結(jié)晶來細(xì)化晶粒。重結(jié)晶來細(xì)化晶粒。

對(duì)冷變形后退火態(tài)使用的合金：1）控制變形度；控制變形度;

控制變形度2）控制再結(jié)晶退火溫度和時(shí)間。