金屬學及熱處理練習題答案

第一章金屬的晶體結構

馬氏體沉淀硬化不銹鋼，它是美國ARMCO鋼公司在1949年發(fā)表的，其特點是強度高，耐蝕性好,易焊接，熱

處理工藝簡單，缺點是延韌性和切削性能差，這種馬氏體不銹鋼與靠間隙元素碳強化的馬氏體鋼不同,它除靠

馬氏體相變外并在它的基體上通過時效處理析出金屬間化合物來強化。正因為如此而獲得了強度高的優(yōu)點,

但延韌性卻差。

1、試用金屬鍵的結合方式，解釋金屬具有良好的導電性、正的電阻溫度系數(shù)、導熱性、塑性和金屬光澤

等基本特性.

答：（D導電性：在外電場的作用下，自由電子沿電場方向作定向運動。

（2）正的電阻溫度系數(shù)：隨著溫度升高，正離子振動的振幅要加大，對自由電子通過的阻礙作用也加大，

即金屬的電阻是隨溫度的升高而增加的。

（3）導熱性：自由電子的運動和正離子的振動可以傳遞熱能。

（4）延展性：金屬鍵沒有飽和性和方向性，經(jīng)變形不斷裂。

（5）金屬光澤：自由電子易吸收可見光能量，被激發(fā)到較高能量級，當跳回到原位時輻射所吸收能量，從

而使金屬不透明具有金屬光澤。

2、填空：

1）金屬常見的晶格類型是面心立方、體心立方、密排六方。

2）金屬具有良好的導電性、導熱性、塑性和金屬光澤主要是因為金屬原子具有金屬鍵的結合方式。

3）物質的原子間結合鍵主要包括金屬鍵、離子鍵和共價鍵三種。

4）大部分陶瓷材料的結合鍵為送價鍵_。

5）高分子材料的結合鍵是范德瓦爾鍵。

6）在立方晶系中，某晶面在x軸上的截距為2,在y軸上的截距為1/2；與z軸平行，則該晶面指數(shù)為

（（140））.

7）在立方晶格中，各點坐標為：A（1,0,1）,B（0,1,1）,C（1,1,1/2）,1）（1/2,1,1/2）,那么AB

晶向指數(shù)為（-110）,0C晶向指數(shù)為（221）,0D晶向指數(shù)為（121）。

8）銅是（面心）結構的金屬，它的最密排面是（111）?

9）a-Fe、丫-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn中屬于體心立方晶格的有（a-Fe、Cr、V）,屬于

面心立方晶格的有（Y-Fe、Al、Cu、Ni）,屬于密排六方晶格的有（Mg、Zn）。

3、判斷

1）正的電阻溫度系數(shù)就是指電阻隨溫度的升高而增大。（V）

2）金屬具有美麗的金屬光澤，而非金屬則無此光澤，這是金屬與非金屬的根本區(qū)別。（X）

3）晶體中原子偏離平衡位置，就會使晶體的能量升高，因此能增加晶體的強度。（J）

4）在室溫下，金屬的晶粒越細,則其強度愈高和塑性愈低。（X）

5）實際金屬中存在著點、線和面缺陷，從而使得金屬的強度和硬度均下降。（X）

6）體心立方晶格中最密原子面是{110},原子排列最密的方向也是<111>.（對）

7）面心立方晶格中最密的原子面是{111},原子排列最密的方向是（對）

8）純鐵加熱到912℃時將發(fā)生a-Fe向Y-Fe的轉變，體積會發(fā)生膨脹。（錯）

9）晶胞是從晶格中任意截取的一個小單元。（錯）

10）純鐵只可能是體心立方結構，而銅只可能是面心立方結構。（錯）

4、選擇題

1）金屬原子的結合方式是（C）

A.離子鍵B共價鍵C金屬鍵D分子鍵

2）晶態(tài)金屬的結構特征是（B）

A近程有序排列B遠程有序排列

C完全無序排列D部分有序排列

3）正的電阻溫度系數(shù)是指（B）

A隨溫度增高導電性增大的現(xiàn)象B隨溫度降低電阻下降的現(xiàn)象

C隨溫度升高電阻減少的現(xiàn)象D隨溫度降低電阻升高的現(xiàn)象

4）金屬鍵的一個基本特征是（A）

A.沒有方向性B.具有飽和性

C.具有擇優(yōu)取向性D.沒有傳導性。

5）晶體中的位錯屬于（D）

A.體缺陷B點缺陷C面缺陷D.線缺陷

6）亞晶界的結構是（B）

A.由點缺陷堆集而成B由位錯垂直排列成位錯墻面構成

C由晶界間的相互作用構成D由雜質和空位混合組成

7）多晶體具有（C）

A.各向同性B各向異性C偽各向同性D偽各向異性

一、標出下圖中給定晶面和晶向的指數(shù)。

標出00'A'A、00,B'B>0DC/的晶面指數(shù)和標出給定晶向的指數(shù)：B'D、BB'、OD'。

答：00'A，A晶面指數(shù)，求CC'B，B即可。

截距分別為：8,1,8,

倒數(shù)后得晶面指數(shù)：（010）

B

z

00,B'B的晶面指數(shù)，求DD，E，E

即可。

截距分別為：-1/2,1/2,8,倒

數(shù)、求整后，得晶面指數(shù)為：

(I10)

ODC'的晶面指數(shù),求PFO'即可。

截距分別為：1/2,-1,1,倒數(shù)后，得晶面

指數(shù)為：(2I1)

標出晶向的指數(shù)：B'D、BB，、ODZ

B'D：-1/2,0,-1f[102]

BB/：0,0,1-[001]

OD':1/2,1,1-[122]

B

X

二、在立方晶胞中畫出以下晶面或晶向：（231）（102）（110）[013][111]

3、在體心立方晶胞中畫出一個最密排方向并標明晶向指數(shù)；再畫出過該方向的兩個不同的低

指數(shù)（簡單）晶面，寫出對應的晶面指數(shù)。

4、分別畫出立方晶系晶胞內的（110）、（112）晶面和（110）、（111）晶向。

5、畫出立方晶系中（111）面、（435）面。寫出立方晶系空間點陣

特征。

立方晶系中（111）面、（435）面如右圖所示。

立方晶系空間點陣特征是點陣參數(shù)有如下關系：

a=b=c,a=B=v=90°。也可用具有哪類對稱元素表示，

若有四個三次轉軸，則對應立方點陣。

三、已知銅原子直徑為0.256nm,試計算lmm，銅中的原子數(shù)以及Cu的晶格常數(shù)。

答：a==1.414X0.256=0.362（nm）

lmd中的原子數(shù)為：

1/a3X4=4/（0.362X10）=8.43X1019（個）

四、已知鐵的原子量為55.85,1g鐵有多少個原子？計算1g鐵在室溫和1000℃

時各有多少個晶胞？

答：原子數(shù)：6.023X10234-55.85=1.08X1022（個）

室溫時鐵為體心立方結構，單位晶胞中有2個原子，故1g鐵中含5.4

XIO?1個晶胞

1000℃時為面心立方結構，單位晶胞中有4個原子，故1g鐵中含2.7

XIO?1個晶胞

五、Ni的晶體結構為面心立方，其原子半徑為r=0.1243nm,已知Ni的原子

量為58.69,試求Ni的晶格常數(shù)和密度。

4r4x0.1243

=0.3516(nm)

--一44’—._4__x___5__8___._6___9__

/XNA(3.516X10-8)3X6,023X1023

七、問答題

i、簡述金屬晶體中缺陷的類型

答：按尺寸可分為：點缺陷，如溶質、雜質原子、空位；線缺陷，如位錯；面缺陷，如各

種晶界、相界、表面等；體缺陷，如孔洞、氣泡等。體缺陷對材料性能是絕對有害的。

2、什么是點陣參數(shù)?正方晶系和立方晶系的空間點陣特征是什么？

答:點陣參數(shù)是描述點陣單胞幾何形狀的基本參數(shù)，由六個參數(shù)組成，即三個邊長a、b、c和

它們之間的三個夾角a、B、丫。

正方晶系的點陣參數(shù)特征是aWbWc,a=P=y=90°

立方晶系的點陣參數(shù)特征是a=b=c,a=0=y=90°

3、什么是晶面族？｛111｝晶面族包含哪些晶面？

答：晶體中原子或分子排列相同的晶面的組合稱為晶面族。因對稱關系，這些面往往不止一

種。立方系｛1H｝晶面族包括（111）、（1口）、（1。）、（HD四個。

4、面心立方結構和密排六方結構金屬中的原子堆垛方式和致密度是否有差異?請加以說明。

答：FCC和HCP均按ABCABC方式堆垛；致密度也都是0.74。

5、根據(jù)缺陷相對于晶體尺寸和其影響范圍的大小，缺陷可以分為哪兒類?簡述這兒類缺陷的

特征。

答：點缺陷：沿三個方向的尺寸很小，溶質原子、間隙原子、空位。

線缺陷：沿兩個方向的尺寸很小，第三個方向上的尺寸很大，甚至可貫穿整個晶體，指位

錯。

面缺陷：沿一個方向上的尺寸很小，另兩個方向上的尺寸很大，如晶界，相界。

體缺陷：在三個方向上的尺寸都較大，但不是很大，如第二相粒子，顯微空洞。

6、點缺陷（如間隙原子或代位原子）和線缺陷（如位錯）為何會發(fā)生交互作用？這種交互作用如

何影響力學性能？

答：點缺陷產(chǎn)生畸變，使局部能量提高，附近有彈性應變場；位錯也是如此，但位錯周圍不

同位置應力場狀態(tài)不同，有的為壓應力，有的為拉應力；點缺陷會聚集到位錯上使應變能降

低，使系統(tǒng)的能量下降，吸附溶質的位錯是一種穩(wěn)定組態(tài)；此時位錯被釘扎而難以運動，使

強度提高，會產(chǎn)生上下屈服點效應。

7、單相金屬或合金各晶粒間的界面一般稱之為晶界，通常晶界又分為小角度晶界和大角度晶

界兩大類，試問：劃分為兩類晶界的依據(jù)是什么？并討論構成小角度晶界的結構模型。

答：依據(jù)是按界面兩側晶粒間的取向差，＜10°的稱小角度晶界，＞10°的稱大角度晶界。小

角度晶界的結構模型是位錯模型，比如對稱傾轉晶界用一組平行的刃位錯來描述。

8、討論晶體結構和空間點陣之間的關系。

答、兩者之間的關系可用“空間點陣+基元=晶體結構”來描述。空間點陣只有14種，基元可

以是無窮多種，因而構成的具體的晶體結構也是無窮多種。

9、敘述常見的金屬晶體中的內外界面。

答、它們包括晶界、相界、表面、李晶界、層錯。

晶界是同種晶粒之間的交界面；相界是結構、成分不同的相間的交界面；表面是晶體與

大氣或外界接觸的界面；李晶界是發(fā)生攣生后產(chǎn)生的新界面，是特殊的大角晶界，可是共格

的或半共格的；低能層錯是單相晶體內因堆垛順序反常變化后出現(xiàn)的新界面，也是低能界面,

與李晶界能量相近。

10、簡述刃型位錯和螺型位錯的重要特征。

答：刃型位錯的重要特征：

①刃型位錯有一額外半原子面

②位錯線是一個具有一定寬度的細長晶格畸變管道，其中有正應力也有切應變，對于正刃型

位錯，滑移面之上晶格受到壓應力，滑移面上受到拉應力，負刃型位錯正好相反

③位錯線與晶體的滑移方向相垂直。位錯線運動的方向垂直于位錯線。

④刃型位錯的柏氏矢量與其位錯線相垂直。

螺型位錯的重要特征：

①螺型位錯沒有額外半原子面

②位錯線是一個具有一定寬度的細長晶格畸變管道，其中只有切應變，沒有正應力

③位錯線與晶體的滑移方向相平行。位錯線運動的方向垂直于位錯線。

④螺型位錯的柏氏矢量與其位錯線相平行。

名詞解釋：

1、金屬鍵：自由電子與原子核之間靜電作用產(chǎn)生的鍵合力。

2、位錯：是晶體內的一種線缺陷，其特點是沿一條線方向原子有規(guī)律地發(fā)生錯排；這種缺陷

用一線方向和一個柏氏矢量共同描述。

3、點陣畸變：在局部范圍，原子偏離其正常的點陣平衡位置，使點陣產(chǎn)生彈性畸變，稱為點

陣畸變。

4、柏氏矢量：描述位錯特征的一個重要矢量，它集中反映了位錯區(qū)域內畸變總量的大小和方

向；也是位錯掃過后晶體相對滑動的量。

5、刃型位錯和螺型位錯模型:將晶體上半部切開，插入半個晶面，再粘合起來；這樣，在相

當于刃端部位為中心線的附近一定范圍，原子發(fā)生有規(guī)則的錯動。其特點是上半部受壓，下

半部受拉。這與實際晶體中的刃位錯造成的情景相同，稱刃型位錯模型。同樣，將晶體的前

半部切開，以刃端為界使左右兩部分沿上下發(fā)生一個原子間距的相對切變，再粘合起來，這

時在已切動和未切動交界線附近，原子錯動情況與真實的螺位錯相似，稱螺型位錯模型。

第二章純金屬的結晶

(-)填空題

1.金屬結晶兩個密切聯(lián)系的基本過程是形核和長大。

2在金屬學中，通常把金屬從液態(tài)向固態(tài)的轉變稱為結晶，通常把金屬從一種結構的固態(tài)

向另一種結構的固態(tài)的轉變稱為相變。

3.當對金屬液體進行變質處理時，變質劑的作用是增加非均質形核的形核率來細化晶粒

4.液態(tài)金屬結晶時，獲得細晶粒組織的主要方法是控制過冷度、加入結構類型相同的形核

劑、振動、攪動

5.金屬冷卻時的結晶過程是一個放熱過程。

6.液態(tài)金屬的結構特點為長程無序，短程有序。

7.如果其他條件相同，則金屬模澆注的鑄件晶粒比砂模澆注的細小，高溫澆注的鑄件晶粒

比低溫澆注的粗大,采用振動澆注的鑄件晶粒比不采用振動的細小，薄鑄件的晶粒比厚鑄

件細小。

8.過冷度是金屬相變過程中冷卻到相變點以下某個溫度后發(fā)生轉變，即平衡相變溫度與該

實際轉變溫度之差。一般金屬結晶時，過冷度越大，則晶粒越細小。

9、固態(tài)相變的驅動力是新、舊兩相間的自由能差。

10、金屬結晶的熱力學條件為金屬液必須過冷o

11、金屬結晶的結構條件為在過冷金屬液中具有尺寸較大的相起伏，即晶坯o

12、鑄錠的宏觀組織包括外袤而細品區(qū)、中間等軸品區(qū)和心部等軸晶區(qū)。

(-)判斷題

1凡是由液態(tài)金屬冷卻結晶的過程都可分為兩個階段。即先形核，形核停止以后，便發(fā)生長

大，使晶粒充滿整個容積。（X）

2.凡是由液體凝固成固體的過程都是結晶過程。（X）

3.近代研究表明：液態(tài)金屬的結構與固態(tài)金屬比較接近，而與氣態(tài)相差較遠。（V）

4.金屬由液態(tài)轉變成固態(tài)的過程，是由近程有序排列向遠程有序排列轉變的過程。（V）

5.當純金屬結晶時，形核率隨過冷度的增加而不斷增加。（X）P41+7

6.在結晶過程中，當晶核成長時，晶核的長大速度隨過冷度的增大而增大，但當過冷度很大

時，晶核的長大速度則很快減小。（J）P53圖2-33

7.金屬結晶時，冷卻速度愈大，則其結晶后的晶粒愈細。（V）P53-12

8.所有相變的基本過程都是形核和核長大的過程。（V）

9.在其它條件相同時，金屬模澆注的鑄件晶粒比砂模澆注的鑄件晶粒更細（J）

10.在其它條件相同時，高溫澆注的鑄件晶粒比低溫澆注的鑄件晶粒更細。（X）

11.在其它條件相同時，鑄成薄件的晶粒比鑄成厚件的晶粒更細。（v）

12.金屬的理論結晶溫度總是高于實際結晶溫度。（V）

14.在實際生產(chǎn)條件下，金屬凝固時的過冷度都很小（＜20C）,其主要原因是由于非均勻形核

的結果。）

15.過冷是結晶的必要條件，無論過冷度大小，均能保證結晶過程得以進行。（X）

（三）選擇題

1液態(tài)金屬結晶的基本過程是

A.邊形核邊長大B.先形核后長大

C.自發(fā)形核和非自發(fā)形核D.枝晶生長

2.液態(tài)金屬結晶時，C越大,結晶后金屬的晶粒越細小。

A.形核率NB.長大率GC.比值N/GD.比值G/N

3.過冷度越大，則A

A.N增大、G減少，所以晶粒細小B.N增大、G增大，所以晶粒細小

CN增大、G增大，所以晶粒粗大D.N減少、G減少，所以晶粒細小

4.純金屬結晶時，冷卻速度越快，則實際結晶溫度將上。

A.越高B越低C.越接近理論結晶溫度D.沒有變化

5.若純金屬結晶過程處在液一固兩相平衡共存狀態(tài)下，此時的溫度將比理論結晶溫度C

P35-3

A.更高B.更低C；相等D.高低波動

6.在實際金屬結晶時，往往通過控制N/G比值來控制晶粒度。在下列情況下將獲得

粗大晶粒。

A.N/G很大B.N/G很小C.N/G居中D.N/G=l

（四）、問答題

1、為什么金屬結晶時必須過冷？P35-36影響過冷度的因素有哪些？P33

2、簡述晶體成長形狀與溫度梯度的關系P49?51

3、晶粒大小對金屬性能有何影響?如何細化晶粒？P52-54

4、相同過冷度下比較均勻形核與非均勻形核的臨界半徑、臨界形核功、臨界晶核體積，哪個

大？

5、簡述連鑄坯三晶區(qū)形成原因及性能特點。

6、獲得更多等軸晶的措施有哪些？

7、簡述凝固過程的宏觀特征，敘述凝固過程中晶體成長的機理。

凝固時宏觀特征是：要有一定的過冷度，會放出明顯的結晶潛熱。

成長機理有三種：連續(xù)式成長、二維形核及借助臺階側向生長、借螺旋位錯生長。

8、敘述鋼錠或連鑄坯中常見的宏觀組織缺陷，消除或改善方法。

宏觀缺陷有：宏觀偏析（如正常偏析、反常偏析、比重偏析）和帶狀組織以及縮孔、疏松、

氣泡等。嚴格講，也包括三晶區(qū)的組織不均勻性。

宏觀缺陷（化學不均勻性、物理不均勻性和組織不均勻性）往往是相互聯(lián)系的，一般希望

盡可能多而細的中心等軸晶，可采用加孕育劑、加大冷速、加強液體運動（如電磁攪拌、機械

攪拌）等方法，細化晶粒，消除柱狀晶，這樣與柱狀晶/枝狀晶區(qū)相伴隨的宏觀偏析和縮孔、

氣泡也就明顯改善了。

第三章二元合金的相結構與結晶

—.

1合金的定義是兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬，經(jīng)熔煉或其它方法結合而成的具

有金屬特性的物質。

2.合金中的組元是指組成合金最基本的、能獨立存在的物質。

3.固溶體的定義是合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的、且晶格類型與組元之一

相同的固相稱之為固溶體。

4.Cr、V在Y-Fe中將形成置換固溶體。C、N則形成間隙固溶體。

5.和間隙原子相比，置換原子的固溶強化效果要小些。

6.當固溶體合金結晶后出現(xiàn)枝晶偏析時，先結晶出的樹枝主軸含有較多的高熔點組元。

7.共晶反應的特征是在同一溫度下，由一定成分的液相轉變成成分一定的兩個固相（三相

共存）。在共晶點處凝固溫度最低。其反應式為L（液）一a（固）+B（固,

8.勻晶反應的特征是結晶出的晶體與母相化學成分不同（異分結晶），結晶在一定的溫度范

圍內進行,其反應式為Lfa

9.共析反應的特征是在同一溫度下，由一定成分的固相轉變成成分一定的兩個固相（三相共

存）。在共析點處析出溫度最低。,其反應式為丫T（a+B）共析體。

10.合金固溶體按溶質原子溶入方式可以分為置換和間隙，核原子溶入量可以分為有限和

無限

11.合金的相結構有固溶體和金屬化合物兩種,前者具有較高的塑韌性能,適合于做

基體相;后者有較高的硬度性能,適合于做強化相

12.看圖4一1,請寫出反應式和相區(qū)：

ABC包晶線：DEF共晶線；GHI共析線；

①L+a；②a+7；（3）a；④Y+B@L+y；（6）L+g；

圖4-1

13.相的定義是一指合金中結構相同、成分和性能均一并以界面相互分開的組成部分,組織

的定義是在顯微鏡下能清楚地區(qū)分開的獨立組成部分。

14.間隙固溶體的晶體結構與溶劑相同,而間隙相的晶體結構與溶劑不同。

15,同分凝固（結晶）的定義純金屬結晶時，所結晶出的固相成分與液相成分完全?樣的

結晶。

異分凝固（結晶）的定義固溶體合金結晶時所結晶出的固相成分與液相成分不同的結晶。

16.接近共晶成分的合金，其鑄造性能較好;但要進行壓力加工的合金常選用固溶體的

合金。

17.根據(jù)圖4—2填出：

水平線反應式、=B+a；有限固溶體B、a、無限固溶體Y。

18.共晶組織的一?般形態(tài)是層片狀、棒狀、球狀：針狀、螺旋狀、蛛網(wǎng)狀、放射狀。

19、偏析的定義合金中化學成分的不均勻性。

20、正溫度梯度下，隨成分過冷程度增大分別形成平面晶、胞狀晶和樹枝晶。

21、為消除晶內偏析和離異共晶，工業(yè)上廣泛應用均勻化退火方法。

22、連續(xù)脫溶的含義隨新相生成，母相成分連續(xù)地由過飽和態(tài)轉變到飽和態(tài)。

23、中間相的定義合金組元間相互作用所形成的、與純組元結構不同的相，在相圖的中間區(qū)

域。

二、判斷題

1.共晶反應和共析反應的反應相和產(chǎn)物都是相同的。（X）

2.鑄造合金常選用共晶或接近共晶成分的合金，要進行塑性變形的合金常選用具有單相固

溶體成分的合金。（V）

3.置換固溶體可能形成無限固溶體，間隙固溶體只可能是有限固溶體。（V）

4.合金中的固溶體一般說塑性較好，而金屬化合物的硬度較高。（J）

5.共晶反應和共析反應都是在一定濃度和一定溫度下進行的。（V）

6.共晶點成分的合金冷卻到室溫下為單相組織。（X）

7.初生晶和次生晶的晶體結構是相同的。（V）

8.根據(jù)相圖，我們不僅能夠了解各種合金成分的合金在不同溫度下所處的狀態(tài)及相的相對

量，而且還能知道相的大小及其相互配置的情況。（X）

9.亞共晶合金的共晶轉變溫度與共晶合金的共晶轉變溫度相同。（J）

10.過共晶合金發(fā)生共晶轉變的液相成分與共晶合金成分是一致的。（J）

11.固溶體合金的勻晶結晶需要在一定的溫度范圍內進行。（J）

12、杠桿定律只適用于二元相圖的兩相區(qū)。（J）P7r5

13、高溫下已達到飽和的有限固溶體，當冷卻至低溫時，固溶度降低，析出其他相.（J）

14、固溶體強硬度較純金屬高。（V）

15、鑄造性能取決于結晶區(qū)間：液固相線之間距離越大，鑄造性能越差。（J）

16、二元相圖中，相鄰相區(qū)中的相數(shù)只相差一個（點接觸除外）。（V）

三、選擇題

1.固溶體的晶體結構是A

A.溶劑的晶型B.溶質的晶型C復雜晶型D.其他晶型

2金屬化合物的特點是C

A.高塑性B.高韌性C高硬度D.高強度

3.當勻晶合金在較快的冷卻條件下結晶時將產(chǎn)生上

A.勻晶偏析B比重偏C.枝晶偏析D.區(qū)域偏析

4.當二元合金進行共晶反應時，其相組成是C

A.由單相組成B兩相共存C三相共存D.四相組成

5.當共晶成分的合金在剛完成共晶反應后的組織組成物為，

A.a+BB.（a+L）C.（a+P）D.L+a+B

6.具有勻晶型相圖的單相固溶體合金

A.鑄造性能好B.鍛壓性能好C熱處理性能好D.切削性能好

7.二元合金中，共晶成分的合金」工

A.鑄造性能好B鍛造性能好C焊接性能好D.熱處理性能好

8.共析反應是指上—

A.液相一固相i+固相nB固相f固相I+固相II

C.從一個固相內析出另一個固相D從?個液相中析出另個固相

9.共晶反應是指A

A.液相一固相I+固相IIB固相一固相i+固相n

C.從一個固相內析出另一個固相D從一個液相中析出另一個固相

io.固溶體和它的純金屬組元相比D。

A.強度高，塑性也高些B強度低，但塑性高些

C強度低，塑性也低些D強度高，但塑性低些

四、計算題：

1.一個二元共晶反應如下：L(W(B)=75%)fa(W(B)=I5%)+B(W(B>=95%)

⑴求w(B)=50%的合金完全凝固時初晶a與共晶(a十P)的重量百分數(shù)，以及共晶體中a

相與B相的重量百分數(shù)；

(2)若已知顯微組織中B初晶與(a+B)共晶各占一半，求該合金成分。

解：(1)\￥。初=(75-50)/(75-15)=41.67%

W(。十R)共晶=(50-15)/(75-15)=58.33%

Wa=(95-50)/(95-15)=56.25%

WB共=(50-15)/(95-15)=43.75%

W。共=56.25%-41.67%=14.58%

(2)設合金成分為x,貝人

WB初=(x-75)/(95-75尸50%-*x=85%

即：w(B)=85%

2.按照下面給出的條件，示意畫出二元合金的相圖，并填出各區(qū)域的相組成物和組織組成

物。再根據(jù)相圖畫出合金的硬度與成分的關系曲線。已知A、B組元在液態(tài)時無限互溶,

在固態(tài)時能形成共晶，共晶成分為W（B尸35%。A組元在B組元中有限固溶，溶解度在共

晶溫度時為15%,在室溫時為10%；B組元在A組元中不能溶解。B組元比A組元的硬

度高。

3、討論：Pb-Sn合金相圖如下所示：（1）試標出各區(qū)域的組織；（2）指出組織中含最多和最少

的成分；（3）指出組織中含共晶體（a+B）最多和最少的成分，（4）指出最容易和最不容易

產(chǎn)生枝晶偏析的成分；（5）含30%Sn的Pb-Sn合金在183℃剛結束共晶反應時和室溫時，各

具有何種相構成與組織構成？

五、問答題

1、簡述鑄錠的宏觀偏析。P92-93

答：宏觀偏析分：正常偏析、反常偏析和比重偏析。

正常偏析：指按合金的分配系數(shù)（設ko<l）,先析出的含溶質低，后凝固的含溶質多。

因鑄錠尺寸大，由表面到中心成分不均勻，偏析出現(xiàn)在宏觀尺度上，稱宏觀偏析。

反常偏析：仍遵守分配系數(shù)關系，只是形成大量枝晶后，富集溶質的液相會沿枝晶間

的通道逆向反流到先凝固的鑄錠表面附近，造成由表面到中心成分分布的反常。

比重偏析：是凝固時，固相與液相比重不同，而沉積或漂浮，從而造成鑄錠下端與上

端成分的不均勻，也是宏觀尺度。

2、對比純金屬與固溶體結晶過程的異同，分析固溶體結晶過程的特點。P33P73

3、什么是固溶體?影響固溶度的原因有哪些?固溶體與其純溶劑組元相比，其結構、力學性能

和物理性能發(fā)生了哪些變化？

答：固溶體：溶質原子以原子態(tài)溶人溶劑點陣中組成的單一均勻固體；溶劑的點陣類型被保

留。

影響固溶度的因素有：

（1）原子尺寸因素。當溶劑、溶質原子尺寸相對大小△rV±15%時，才有大的固溶度。

（2）負電性因素。溶劑、溶質的負電性差越小固溶度越大。

（3）電子濃度因素。有兩方面的含義：一是原子價效應，即同一溶劑金屬，溶質的原子

價越高，固溶度越??；二是相對價效應，即高價溶質溶人溶劑的固溶度低于低價溶質的情況。

特點是：固溶體中有點陣畸變（強度、硬度會提高）而造成點陣常數(shù)變化；出現(xiàn)原子偏聚

或有序化，甚至形成有序固溶體。

固溶體的結構變化：點陣畸變，點陣常數(shù)變化，偏聚及短程有序，甚至形成有序固溶體。

力學性能變化：硬度、強度提高，塑性下降。物理性能變化：電阻加大，導電率下降。

4、何謂相圖?相圖能說明哪些問題?實際生產(chǎn)中有何應用價值？P69

5、何謂杠桿定律?它在二元合金系中可以解決什么問題？P71

6、為什么固溶體合金結晶時成分間隔和溫度間隔越大則流動性不好，分散縮孔大、偏析嚴重

以及熱裂傾向大？P105

7、簡述二元系中共晶反應、包晶反應和共析反應的特點，并計算其各相平衡時的自由度。

答：共晶反應：是液相同時凝固出兩個不同成分的固相，兩固相相互配合生長，一般長成片

層狀。

共析與共晶相似，只是母相是固相，即一個固相同時生成另兩個不同成分的固相。

包晶反應：是液相與一個固相反應生成另一個固相，新生成的固相包住原有的固相，反應需

要固相中的擴散，速度較慢。

這三種反應出現(xiàn)時，自由度都是0,即三相成分固定，溫度也固定。

8、無論置換固溶體還是間隙固溶體都會引起強度升高，試分析其原因。

答：一是溶質原子的溶入使晶格畸變，阻礙滑移面上位錯運動。

二是位錯線上偏聚的溶質原子對位錯的釘扎作用，形成“柯氏氣團”對位錯起釘扎作用。

第四章鐵碳合金

一、填空題

1.滲碳體的晶體結構是正交晶系，按其化學式鐵與碳原子的個數(shù)比為3:1

2.當一塊質量一定的純鐵加熱到3屋溫度時，將發(fā)生a-Fe向Y-Fe的轉變，此時體積

將發(fā)生收縮。

3.共析成分的鐵碳合金平衡結晶至室溫時，其相組成物為a和FeaC,組織成物為

PO

4.在生產(chǎn)中，若要將鋼進行軋制或鍛壓時，必須加熱至Y相區(qū)。

5.當鐵碳合金冷卻時，發(fā)生共晶反應的反應式為Lc與YE+Fe￡,其反應產(chǎn)物在室溫下被稱

為變態(tài)萊氏體。

6.在退火狀態(tài)的碳素工具鋼中，T8鋼比T12鋼的硬度低。

7.當W(C)=0.77%—2.11%間的鐵碳合金從高溫緩冷至ES線以下時，將從奧氏體中析

出FeS”,其分布特征是網(wǎng)狀。

8.在鐵碳合金中，含三次滲碳體最多的合金成分點為P點(C=0.0218%),含二次滲碳體最

多的合金成分點為E點(C=2.11%)。

9.奧氏體是工__在Fe中的固溶體,它的晶體結構是面心立方。

10.鐵素體是C在Fe中的固溶體,它的晶體結構是體心立方。

11.滲碳體是C和Fe形成的金屬間化合物。

12.珠光體是鐵素體和Fe3c的機械混合物。

13.萊氏體是奧氏體和Fe3c的機械混合物,而變態(tài)萊氏體是珠光體和Fe￡的

機械混合物。

14.在Fe—Fe3C相圖中，有一次Fe3c、共晶Feg、二次Fe3c、共析Fe3c、

三次Fe3c五種滲碳體,它們各自的形態(tài)特征分別是呈長條狀、粗大的連續(xù)基體(或

呈魚骨狀)、沿晶粒狀或網(wǎng)絡狀分布、層片狀、小片狀。

15.鋼中常存雜質元素有P、S、Si、Mn等,其中S使鋼產(chǎn)生熱脆,P使

鋼產(chǎn)生冷脆。

18.純鐵在不同溫度區(qū)間的同素異晶體有(寫出溫度區(qū)間)1538℃?1394C為體心立方6鐵素

住、1394℃?912℃為面心立方Y奧氏體、912℃以下為體心立方a鐵素體。

19.碳鋼按相圖分為亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼；按W(C)分為(標出W(C)

范圍)0.0218%~0.77%、0.77%、0.77%?2.11%。

10.在鐵一滲碳體相圖中，存在著四條重要的線，請說明冷卻通過這些線時所發(fā)生的轉變并

指出生成物。ECF水平線共晶轉變、萊氏體;PSK水平線共析轉變、珠光體;ES線退

溶轉變、奧氏體+滲碳體；GS線同素異構轉變、鐵素體。

21標出Fe—Fe3C相圖(圖4—3)中指定相區(qū)的相組成物：

①Y，@Y+a③a，④y+Fe3c_，⑤P+Fe3c。

22.鐵碳合金的室溫顯微組織由鐵素體和滲碳體兩種基本和組成。

23.若退火碳鋼試樣中先共析鐵素體面積為41.6%,珠光體的面積為58.4%,則其W(C)=0.457%。

(0.77-x)/(0.77-0.0218)=0.416

24.若退火碳鋼試樣中二次滲碳體面積為7.3%,珠光體的面積為92.7%,則其W(C)=1.2%。(x-0.77)

/(6.69-0.77)=0.073

二、判斷題

1.在鐵碳合金中，含二次滲碳體最多的成分點為W(C)：4.3%的合金。(X)

2.在鐵碳合金中，只有共析成分點的合金在結晶時才能發(fā)生共析反應，形成共析組織。(X)

3.退火碳鋼的塑性與韌性均隨W(C)的增高而減小。而硬度與強度則隨W(C)的增高而不斷增高。

(X)在C=l%抗拉強度最高

4.在鐵碳合金中，滲碳體是-?個亞穩(wěn)相，而石墨才是一個穩(wěn)定相。(V)

5.白口鑄鐵在高溫時可以進行鍛造加工。（X）

6.因為磷使鋼發(fā)生熱脆，而硫使鋼發(fā)生冷脆，故硫磷都是鋼中的有害元素。（X）

7.在室溫下，共析鋼的平衡組織為奧氏體。（X）

8.純鐵加熱到912℃時，將發(fā)生a-Fe—Y—Fe的轉變，體積發(fā)生膨脹。（X）

9.鐵碳合金中，一次滲碳體，二次滲碳體和三次滲碳體具有相同的晶體結構。（V）

10.在Fe—Fe3c相圖中，共晶反應和共析反應都是在一定濃度和恒溫下進行的。（J）

11.在Fe—Fe3c相圖中，凡發(fā)生共晶反應的鐵碳合金叫做白口鐵；凡發(fā)生共析反應的鐵碳合金叫做鋼。

）

12珠光體是單相組織。（X）

13.白口鐵是碳以滲碳體形式存在的鐵，所以其硬度很高，脆性很大。（V）

14.W（C）=1.3%的鐵碳合金加熱到780℃時得到的組織為奧氏體加二次滲碳體。（J）

15.a-Fe是體心立方結構，致密度為68%,所以其最大溶碳量為32%。（X）

16.Y-Fe是面心立方晶格，致密為0.74,所以其最大溶碳量為26%。（X）

17.鋼材的切削加工性隨w（C）增加而變差。（X）

18.碳鋼進行熱壓力加工時都要加熱到奧氏體區(qū)。（X）

19.W（C）=1.0%的碳鋼比W（C尸0.5%的碳鋼硬度高。（V）

20.在室溫下，w（C）=0.8%的退火碳鋼的強度比W（C）=1.2%的退火碳鋼高。（J）P121

21.鋼鉀釘一般用低碳鋼制成。（V）

22.鉗工鋸T10、T12鋼料時比鋸10、20鋼費力，且鋸條容易磨鈍。（V）

23.鋼適宜于通過壓力加工成形，而鑄鐵適宜于通過鑄造成形。（V）

24.工業(yè)純鐵的W（C）〈0.2%。（X）

25.工業(yè)純鐵的室溫平衡組織為鐵素體。（X）還有FeCm

26.汽車外殼用低碳鋼板制造，而理發(fā)工具用碳素工具鋼制造。（J）

27.退火碳鋼W（C）接近1%時其強度極限最高。（V）P121

28.過共析鋼由液態(tài)緩冷至室溫所析出的二次滲碳體在組織形態(tài)與晶體結構方面均與一次滲碳體不相

同。（X）

（三）選擇題

1.滲碳體屬于

A間隙固溶體B間隙化合物C間隙相D正?；衔?/p>

2..8-Fe的晶型是A

A體心立方B面心立方C密排六方D簡單立方

3.鐵素體的機械性能特點是工

A具有良好的硬度與強度B具有良好的綜合機械性能

C具有良好的塑性和韌性D具有良好的切削性和鑄造性

4.W（C）=4.3%碳的鐵碳合金具有」

A良好的可鍛性B良好的鑄造性C良好的焊接性D良好的熱處理性

5.建筑用鋼筋宜選用_A_

A低碳鋼B中碳鋼C高碳鋼D工具鋼

6.裝配工使用的錘刀宜選用C

A低碳鋼B.中碳鋼C高碳鋼D過共晶白口鐵

7.純鐵在912℃以下的品格類型是C

A密排六方晶格B面心立方晶格C體心立方晶格D簡單立方晶格

8.三次滲碳體是從B

A鋼液中析出的B鐵素體中析出的C奧氏體中析出的D珠光體中析出的

9.二次滲碳體是從C

A鋼液中析出的B鐵素體中析出的C奧氏體中析出的D萊氏體中析出的

10.在下述鋼鐵中，切削性能較好的是B

A工業(yè)純鐵B45C白口鐵DT12A

四、名詞解釋

1、滲碳體：Fe3c為復雜晶體結構的間隙化合物，其硬度高，脆性大，塑性幾乎等于零，硬脆

相，是鋼中主要強化相。

2、鐵素體：碳溶于a-Fe中所形成的間隙固溶體，鐵素體仍保持a-Fe的體心立方晶格，由

于間隙小，溶碳極少，力學性能與純鐵相同，強度、硬度不高，具有良好的塑性，770℃以下

為鐵磁性。

3、奧氏體：碳溶于-Fe中所形成的間隙固溶體，仍保持Y-Fe的面心立方晶格，最高溶碳可

達2.11%,強度、硬度較高，塑性好，無磁性。

4、珠光體(P)：鐵素體F與滲碳體Fe3c所形成的機械混合物(平均含碳量0.77%),綜合

性能好。

5、萊氏體(Ld或Le)：奧氏體A與滲碳體Fe3c所形成的機械混合物(平均含碳量：4.3%),

具有硬而脆的性能。

五、問答與計算題

1、畫出鐵碳相圖，標明相圖中各特征點的溫度與成分，寫出相圖中包晶反應、共晶反應與共

析反應的表達式。

答：包晶反應：L(0.53%C)+8-Fe(O.09^C)->Y-Fe(0.17%C)

共晶反應：L(4.3%C)fy-Fe(2.ll%C)+Fe3c(6.69%C)

共析反應：Y-Fe(0.77%C)-a-Fe(0.0218%C)+Fe3c(6.69%C)

2、簡述含碳量為0.35%鋼的結晶過程和固態(tài)組織轉變過程。

答：由液相先凝固出6鐵素體，在1495c進行包晶反應，生成Y奧氏體；繼續(xù)冷卻，由剩余

的液相再次析出Y奧氏體，然后變成單相奧氏體。冷至約800℃,從Y奧氏體中析出先共析

a鐵素體，在727c進行共析反應，形成珠光體，最后得到鐵素體加珠光體組織。

3、分析含碳量0.14%的鐵碳合金的結晶過程。

答：含碳0.12%的鋼，由液相冷卻時，先形成6鐵素體，固液相分別按相圖上的固、液相

線成分變化，到1495c包晶溫度，部分進行包晶反應；新相Y奧氏體在已生成的6鐵素體上

形核并向5鐵素體和液相中生長。反應后是兩相組織8鐵素體+丫奧氏體。繼續(xù)冷卻得到單相

奧氏體。冷卻到GS線時從丫奧氏體中析出先共析a鐵素體，在727℃進行共析反應，形成珠

光體，最后得到鐵素體加珠光體組織。

4、畫出Fe-Fe3c相圖，分析含碳量為1.Iwt%(重量百分比)的鐵碳合金從液相平衡凝固到室

溫時的轉變過程，畫出組織轉變示意圖，并計算出室溫時各組織的相對含量。

答、1.1%C的鋼由液相冷卻時先進入L+Y奧氏體兩相區(qū)，形成枝晶或等軸狀丫奧氏體，然后

進入奧氏體單相區(qū)；繼續(xù)冷卻到?760℃,沿晶界析出二次滲碳體，在777℃剩余的奧氏體轉

變?yōu)橹楣怏w，最后的組織是珠光體+網(wǎng)狀二次滲碳體，如圖9-3所示。

一網(wǎng)狀滲碳體

一珠光體

珠光體相對含量為：(6.67~1.1)/(6.69~0.77)X100%=94.4%

網(wǎng)狀滲碳體相對含量為：(1.1-0.77)/(6.69~0.77)X100%=5.6%

5、1)試畫出含碳量為0.55%的鐵碳合金金相顯微組織示意圖；

2)試分析含碳量分別為0.20%、0.45樂0.65%的鐵碳合金在組織和力學性能上有何不同？

答：1)0.45%的鐵碳合金金相顯微組織示意圖：

2)隨含碳量3F1,Fe3Cfo塑性、韌性下降，強度硬度T

6、說明含碳為1.9%的鐵碳合金由液相緩冷到共析溫度以下的組織變化過程及最終組織；計

算該合金二次滲碳體的最大重量百分量；再分別計算共析轉變后合金中鐵素體和珠光體組織

重量百分量。

答：液相冷卻時，先形成先共晶奧氏體枝晶或等軸晶，直至凝固完畢。繼續(xù)冷卻時奧氏體枝

晶無變化，到滲碳體在奧氏體的溶解度曲線后，沿晶界析出少量二次滲碳體。到共析溫度后,

剩余的奧氏體全部轉變?yōu)橹楣怏w，最后得到珠光體和少量網(wǎng)狀二次滲碳體。

二次滲碳體的最大重量百分量：

W滲碳體=(1.9?0.77)/(6.69~0.77)X100%=19.09%

共析轉變后合金中鐵素體重量百分量：

W鐵素體=(6.69~1.9)/(6.69~0.0218)X100%=71.84%

珠光體組織重量百分量：

W珠光體=(6.69~1.9)/(6.69~0.77)X100%=80.91%

7、說明含2.9%C的鐵碳合金由液相緩冷到共析溫度以下的組織變化過程及最終組織。計算共

晶轉變剛結束時先共晶奧氏體的重量百分量；再分別計算共析轉變后合金中鐵素體和全部的

珠光體組織重量百分量。

答：液相冷卻時，先形成先共晶奧氏體枝晶，剩余的液相進行共晶轉變形成萊氏體，凝固完

畢。繼續(xù)冷卻時奧氏體枝晶周圍析出二次滲碳體，到共析溫度后，奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w，最

后得到枝晶狀分布的珠光體、二次滲碳體和變態(tài)萊氏體。

先共晶奧氏體重量百分量：

W奧氏體=(4.3—2.9)/(4.3—2.11)X100%=63.93%

共析轉變后合金中鐵素體組織的重量百分量：

W鐵親體=(6.69-2.9)/(6.69—0.0218)X100%=56.82%

共析轉變后合金中全部珠光體組織的重量百分量：

W珠光體=(6.69-2.9)/(6.69—0.77)X100%=64.02%

8、為什么鋼的滲碳在奧氏體中進行而不在鐵素體中進行？

答：丫-Fe即奧氏體中溶碳量為2.1遙，而a-Fe僅能溶解0.0218%碳；另丫-Fe為高溫相，

D值大，所以在Y-Fe中滲碳。

9、一堆鋼材由于混雜，不知道化學成分，現(xiàn)抽出一根進行金相分析，其組織為鐵素體加珠光

體，其中珠光體的面積大約占40%,由于珠光體與鐵素體的比容相近，可用顯微組織中珠光

體與鐵素體的面積百分數(shù)替代二者的重量百分數(shù)，試估算該鋼材的含碳量。

10、已知珠光體的HBS=180,6=20%,鐵素體的HBS=80,6=50%,試計算含碳量為

0.45%的碳鋼的硬度和伸長率。（提示：合金的性能值大約是它的各組織組成物的性能值與它

的各組織組成物在合金中的含量的乘積和，或稱為加權平均值）。

11、指出下列名詞的主要區(qū)別：一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體、共晶滲碳體、共析

滲碳體。

答：一次滲碳體（呈長條狀）、二次滲碳體（沿晶粒狀~網(wǎng)絡狀分布）、三次滲碳體（小片狀）、

共晶滲碳體（連續(xù)集體或呈魚骨狀）、共析滲碳體（層片狀）。

第五章金屬及合金的塑性變形

（一）填空題

1.硬位向是指外力與滑移面平行或垂直，取向因子為零,其含義是是論Tk如何，OS均為無窮大，晶

體無法滑移。

2.從刃型位錯的結構模型分析，滑移的實質是位錯在切應力作用下沿滑移面逐步移動的結果。

3.由于位錯的增殖性質，所以金屬才能產(chǎn)生滑移變形，而使其實際強度值大大的低于理論強度值。

4.加工硬化現(xiàn)象是指隨變形度增大，金屬的強硬度顯著增高而塑韌性明顯下降的現(xiàn)象,加工硬化的結果使

金屬對塑性變形的抗力增加，造成加工硬化的根本原因是位錯密度大大增加。

5.影響多晶體塑性變形的兩個主要因素是遍界、晶粒位向差。

6.金屬塑性變形的基本方式是滑移和平生，冷變形后金屬的強度增加,塑性降低。

7.常溫下使用的金屬材料以細小晶粒為好,而高溫下使用的金屬材料以粗大晶粒為好。

8.面心立方結構的金屬有L2個滑移系，它們是4{111}義3<110>。

9.體心立方結構的金屬有12個滑移系，它們是6{110}。

10.密排六方結構的金屬有3個滑移系，它們是1{0001}X3<ii20>。

11.單晶體金屬的塑性變形主要是切應力作用下發(fā)生的,常沿著晶體中密排面和密排方向發(fā)生。

12金屬經(jīng)冷塑性變形后，其組織和性能會發(fā)生變化，如顯微組織拉長變