金属学与热处理原理崔忠圻第三版课后题全部答案

第一章金属与合金的晶体结构1.金属键：贡献出价电子的原子，则变成正离子，沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合叫做金属键，它没有饱和性和方向性。根据金属键的本质，金属具有以下特性：1导电性：在外加电场的作用下，金属中的自由电子能够沿着电场方向定向运动，形成电流，从而有良好的导电性；2导热性：自由电子的运动和正离子的振动使金属具有良好的导热性；3正电阻温度系数：当温度升高时，正离子或原子本身振动的振幅加大，可阻碍电子的通过，使电阻升高，即表现为正电阻温度系数；4金属光泽：自由电子很容易吸收可见光的能量，而被激发到较高的能级，当它跳回到原有能级时，就把吸收的可见光能量重新辐射出来，从而金属不透明，具有金属光泽；5延展性：金属键没有饱和性和方向性，故金属的两部分发生相对位移时，金属正离子始终被包围在电子云中，即仍继续保持着金属键合，这样，金属就能经受变形而不断裂，具有延展性。2.由双原子作用模型图，R0相当于原子的平衡位置，任何对平衡位置的偏离，都会收到一个力（吸引力或排斥力）的作用，促使其回到平衡位置。（此外原子间的最大结合力不是出现在平衡位置，而是在R1位置，这个结合力与金属的理论抗拉强度相对应。）在吸引力的作用下把远处的原子移近所做的功能使原子的势能更低（为负值），当原子移至平衡位置R0时，其结合能达到最低值，此时原子的势能最低、最稳定。任何对R0的偏移，都会使原子的势能增加，从而使原子处于不稳定状态，原子就有力图回到低能状态，即回到平衡距离的倾向。将上述双原子作用模型加以推广，不难理解，当大量金属原子结合成固体时，为使固态金属具有最低的能量，以保持其稳定状态，原子之间也必须保持一定的平衡距离，这边是固态金属中原子趋于规则排列的重要原因。如果试图从固态金属中把某个原子从平衡位置拿走，就必须对它做功，以克服周围原子对它的作用力。这个要被拿走的原子周围邻近的原子数越多，原子间的结合能就越低，能量越低的状态是最稳定的状态，而任何系统都有自发从高能状态向低能状态转化的趋势。因此，常见金属的原子总是自发地趋于紧密的排列。4.晶体结构：晶体结构是指晶体中的质点（原子、离子、分子或原子集团）的具体排列情况，也就是晶体中的这些质点在三维空间有规律的周期性的重复排列方式；晶格：为了方便起见，常人为地将阵点用直线连接起来形成空间格子，称之为晶格。晶胞：为了简便起见，可以从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来分析阵点的排列的规律性，这个最小的几何单元成为晶胞。8.-2.52%9.（112）（211）（121）（-112）（1-12）（-11-2）（2-11）（21-1）（-211）（-121）（1-21）（12-1）12个晶面10.11.多晶型转变：大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种的晶体结构，当外界条件（如温度、压强）改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变。-8.1%12.晶带：平行于或相交于同一直线的一组晶面叫做一个晶带。晶带轴：晶带中平行于或相交于的那条直线叫做晶带轴。13.（1-211）（-3211）（-1-122）14.组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，一般来说，组元是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物；相：指的是合金中同一聚集状态，结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。固溶体：合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同，这种固相叫做固溶体。固溶体的结构：固溶体仍保持着溶剂的晶格类型，但若与纯组元相比，结构还是了变化：1晶格畸变：由于溶质与溶剂的原子大小不同，因而形成固溶体时，必然在溶质原子附近引起局部的晶格畸变，这种畸变的大小可以通过晶格常数的变化反映出来。对置换固溶体，当溶质原子大于溶剂原子时，晶格常数变大，反之相反，形成间隙固溶体时，晶格常数随着溶质原子的溶入加大；2偏聚和有序：溶质原子在固溶体中的分布，总是在一定程度上偏离完全无序状态，存在着分布不均。当同种原子的结合力大于一种原子结合力时，溶质原子倾向于成群地聚集在一起，形成许多偏聚区；当异种原子的结合力大于同种原子时，溶质原子通常在小范围内按一定的规则有序排列，称为短程有序；3有序固溶体：具有短程有序的固溶体，当温度低于某一温度时，可能使溶质和溶剂原子在整个晶体中都按一定的顺序排列起来，形成有序固溶体。由于溶质原子和溶剂原子在晶格中占据着确定的位置，因而发生有序化转变会引起晶格类型的改变。严格说，有序固溶体实质上更接近于金属化合物。当无序固溶体转变成有序固溶体时，性能发生突变，硬度和脆性显著增加，塑性和电阻明显降低。置换固溶体：溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体称为置换固溶体。影响置换固溶体溶解度因素：1原子尺寸因素：组元间的半径越相近，即△r越小，则固溶体的固溶度越大；△r越大，固溶度越小有利于大量固溶的原子尺寸因素△r不超过±（14%~15%）；2电负性：溶质原子核溶剂原子的电负性相差越大，即两者的化学亲和力越大时，它们往往倾向形成比较稳定金属化合物，即使形成固溶体，固溶度往往也较小；3电子浓度因素：溶质元素的原子价与固溶体的固溶度之间有一定关系，由于元素的原子价的影响实质上时电子浓度决定的，故电子浓度影响着固溶度：公式上式Va、Vb分别为溶剂和溶质的原子价，X为溶剂B的摩尔分数。一定的金属晶体结构的单位体积中能容纳的价电子数有一定限度，超过这个限度会引起结构不稳定甚至变化，故此固溶体的电子浓度有一极限值。（fcc为1.36，bcc为1.48）元素的原子价越高，则其固溶度越小。4晶体结构因素：溶剂与溶质的晶体结构类型是否相同，是其能否形成无限固溶体的必要条件。如果组元的晶体结构不同，只能形成有限固溶体。即使组元晶体结构相同但是不能形成无限固溶体，其溶解度也将大于晶格类型不同的组元间的溶解度。以上4个要素都有利时所形成的固溶体固溶度可能较大，甚至无限固溶体。但上述四个要素只是形成固溶体的必要条件。此外，温度越高，固溶度越大。15.固溶强化：在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，而塑韧性有所下降的现象称为固溶强化。由于间隙原子造成的晶格畸变比置换固溶体要大得多，所以间隙固溶体的强化效果要好。16.间隙相：过渡族金属能与原子甚小的非金属形成化合物，当非金属原子半径与金属原子半径比值小于0.59时，形成的化合物具有比较简单的晶体结构，称为间隙相；间隙相与间隙固溶体之间有着本质的区别，间隙相是一种化合物，它具有与其组元完全不同的晶体结构，而间隙固溶体则保持溶剂组元的晶格类型；间隙相的非金属原子半径与金属半径比小于0.59且具有较简单的结构，而间隙化合物的非金属原子与金属原子半径比大于0.59且结构比较复杂。此外，间隙相一般比间隙化合物硬度更高，更稳定。17.Ag、Al都具有面心立方晶体结构，如果Ag、Al在固态下形成无限固溶体，则必须是置换固溶体，影响置换固溶体的四个因素：原子半径、电负性、电子浓度、晶体结构。Ag、Al的原子半径相差不大、电负性相差不大，晶体结构都为面心立方晶体，这三个因素都比较有利，但是面心立方结构单位体积能容纳的价电子数有一定限度，超过这个限度就会引起结构的不稳定甚至改变，故而有电子浓度有一定的限度。AL的化合价位+3（很大），只需溶入相对较少的AL就能达到极限电子浓度，即溶解度有一定限度，不能形成无限固溶体。18.P10719.晶体结构：固溶体保持着溶剂组元的晶格类型，此外固溶体结构还会发生如下变（①晶格畸变；②偏聚与有序；③有序固溶体）；金属化合物晶结构不同于任一组元，是合金组元间发生相互作用形成的新相；机械性能：固溶体相对来说塑韧性较好，硬度低；金属化合物硬而脆。20.点缺陷都会造成晶格畸变，对金属的性能产生影响，如使屈服强度升高、电阻增大、体积膨胀等等；此外，点缺陷的存在将加速扩散，因而凡是与扩散有关的相变、化学热处理、高温下的塑性变形和断裂等等，都与空位和间隙原子的存在和运动有关系。21.刃形位错：设有一简单立方晶体，某一原子面在晶体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就是一个刃形位错，犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面一样，将刃口处的原子列称为刃形位错线。螺形位错：一个晶体的某一部分相对于其它部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升（下降）一个晶面间距。在中央轴线（即位错线）附近的原子是按螺旋型排列的，这种位错称为螺形位错。各种间隙原子核尺寸较大的置换原子，它们的应力场是压应力，因此在正刃形位错的上半部分的应力相同，二者互相排斥；但与下半部分应力相反，二者互相吸引。所以这些点缺陷大多易于被吸收而跑到正刃形位错的下半部分或者负刃形位错的上半部分聚集起来。对于尺寸较小的置换原子，则易于聚集于刃形位错的另一半受压应力的地方。正因为如此，刃形位错往往总是携带者大量的溶质原子，形成所谓的“柯氏气团”。这样一来，就会使位错的晶格畸变降低，同时使位错难以运动，造成金属的强化。22.晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面两类，其中内界面又有晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。影响表面能的因素：晶界的特性：①晶界的不稳定性：由于晶界上的原子或多或少的偏离了其平衡位置，因而就会或多或少的具有界面能或晶界能，晶界能越高，晶界越不稳定。在温度较高时，会发生晶粒长大和晶界平直化；②晶界会发生内吸附现象：由于晶界能存在，当金属中存在能降低界面能的异类原子时，这些原子就会向晶界偏聚，即内吸附现象；相反，能提高界面能的异类原子会向晶粒内部聚集，即反内吸附；③晶界存在晶格畸变，因而在室温下对金属的塑性变形起着阻碍作用，在宏观上使金属材料具有更高的强度和硬度。晶粒越细，金属材料的强度和硬度越高。④由于界面能的存在，使晶界的熔点低于晶粒内部，且易于腐蚀和氧化。晶界（上空位）位错等缺陷多）扩散速度较快，故在发生相变时，新相晶核往往首先在晶界形成。23.A：右螺；B：左螺；C：负刃；D：正刃；E混合第二章纯金属的结晶1.①过冷现象：金属结晶时实际结晶温度低于理论结晶温度的现象叫做过冷现象；②过冷度：金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差称为过冷度；③近程有序：在金属液体的微小范围内，存在着紧密接触规则排列的原子集团，称为近程有序；④远程有序：在晶体中大范围的原子是紧密接触规则排列的，称为远程有序；⑤结构起伏：液态金属中近程有序的原子集团处于瞬时出现、瞬时消失、此起彼伏、变化不断的状态之中，这种不断变化着的近程有序原子集团称为结构起伏；⑥能量起伏：在液态金属中，系统的自由能值得是宏观平均能量。但在各微观区域内的自由能并不一样，有的微区高，有的微区低，即各微区的能量也处在彼此起伏、变化不定的状态。这种微区内暂时偏离平衡能量的现象称为能量起伏；⑦均匀形核：液相中各个区域出现新相晶核的几率是相同的，这种形核方式称为均匀形核；⑧形核功：形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3，还有1/3的表面能没有得到补偿，需要对形核作功，故称△Gk=1/3Skσ为形核功；⑨临界形核半径：当r＜rk时，随着晶胚r增大，系统自由能增加，这种晶胚不能成为稳定的晶核，当r＞rk时，随着晶胚r增大，系统的自由能下降，这样的晶胚可以自发地长成稳定的晶核，当r=rk=时，这种晶胚既可能消失，也可能长大称为稳定的晶核，因此把rk称为临界形核半径；⑾活性质点：在非均匀形核中，固态杂质和晶核（晶体）界面满足点阵匹配原理(结构相似、尺寸相当)，就可能对形核起到催化作用，它本身就是良好的形核剂，或称为活性质点。⑿变质处理：在浇注前往液态金属中加入形核剂（又称变质剂），促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒的处理方式称为变质处理；⒀变质剂：变质剂又称形核剂，能够提供核心，促进金属液体非均匀形核的物质；⒁形核率:指单位时间单位体积液体中形成的形核数目,用N表示,单位为cm-3·s-1;⒂生长线速度