金属学及热处理练习题答案

第一章金属的晶体结构马氏体沉淀硬化不锈钢,它是美国ARMCO钢公司在1949年发表的,其特点是强度高,耐蚀性好,易焊接,热处理工艺简单,缺点是延韧性和切削性能差,这种马氏体不锈钢与靠间隙元素碳强化的马氏体钢不同,它除靠马氏体相变外并在它的基体上通过时效处理析出金属间化合物来强化。正因为如此而获得了强度高的优点,但延韧性却差。1、试用金属键的结合方式，解释金属具有良好的导电性、正的电阻温度系数、导热性、塑性和金属光泽等基本特性.答：(1)导电性：在外电场的作用下，自由电子沿电场方向作定向运动。(2)正的电阻温度系数：随着温度升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍作用也加大，即金属的电阻是随温度的升高而增加的。(3)导热性：自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能。(4)延展性：金属键没有饱和性和方向性，经变形不断裂。(5)金属光泽：自由电子易吸收可见光能量，被激发到较高能量级，当跳回到原位时辐射所吸收能量，从而使金属不透明具有金属光泽。2、填空：1)金属常见的晶格类型是面心立方、体心立方、密排六方。2)金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽主要是因为金属原子具有金属键的结合方式。3)物质的原子间结合键主要包括金属键、离子键和共价键三种。4)大部分陶瓷材料的结合键为共价键。5)高分子材料的结合键是范德瓦尔键。6)在立方晶系中，某晶面在x轴上的截距为2，在y轴上的截距为1/2；与z轴平行，则该晶面指数为（（140））.7)在立方晶格中，各点坐标为：A(1，0，1)，B(0，1，1)，C(1，1，1/2)，D(1/2，1，1/2)，那么AB晶向指数为（-110），OC晶向指数为（221），OD晶向指数为（121）。8)铜是（面心）结构的金属，它的最密排面是（111）。9)α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn中属于体心立方晶格的有（α-Fe、Cr、V），属于面心立方晶格的有（γ-Fe、Al、Cu、Ni），属于密排六方晶格的有（Mg、Zn）。3、判断1)正的电阻温度系数就是指电阻随温度的升高而增大。（√）2)金属具有美丽的金属光泽，而非金属则无此光泽，这是金属与非金属的根本区别。（×）3)晶体中原子偏离平衡位置，就会使晶体的能量升高，因此能增加晶体的强度。(√)4)在室温下,金属的晶粒越细,则其强度愈高和塑性愈低。(×)5)实际金属中存在着点、线和面缺陷，从而使得金属的强度和硬度均下降。(×)6)体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.（对）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110。(对)8)纯铁加热到912℃时将发生α-Fe向γ-Fe的转变，体积会发生膨胀。(错)9)晶胞是从晶格中任意截取的一个小单元。(错)10)纯铁只可能是体心立方结构，而铜只可能是面心立方结构。(错)4、选择题1)金属原子的结合方式是（C）A．离子键B共价键C金属键D分子键2)晶态金属的结构特征是（B）A近程有序排列B远程有序排列C完全无序排列D部分有序排列3)正的电阻温度系数是指（B）A随温度增高导电性增大的现象B随温度降低电阻下降的现象C随温度升高电阻减少的现象D随温度降低电阻升高的现象4)金属键的一个基本特征是（A）A．没有方向性B．具有饱和性C.具有择优取向性D.没有传导性。5）晶体中的位错属于(D)A．体缺陷B点缺陷C面缺陷D．线缺陷6）亚晶界的结构是(B)A．由点缺陷堆集而成B由位错垂直排列成位错墙面构成C由晶界间的相互作用构成D由杂质和空位混合组成7）多晶体具有(C)A．各向同性B各向异性C伪各向同性D伪各向异性一、标出下图中给定晶面和晶向的指数。标出OO′A′A、OO′B′B、ODC′的晶面指数和标出给定晶向的指数：B′D、BB′、OD′。答：OO′A′A晶面指数，求CC′B′B即可。截距分别为：∞，1，∞，倒数后得晶面指数：（010）OO′A′ABB′CC′D′DxyzOOOO′′AA′′AABBBB′′CCCC′′DD′′DDxxyyzzOO′B′B的晶面指数，求DD′E′E即可。截距分别为：-1/2，1/2，∞，倒数、求整后，得晶面指数为：（ī10）ODC′的晶面指数，求PFO′即可。截距分别为：1/2，-1，1，倒数后，得晶面指数为：（2ī1）标出晶向的指数：B′D、BB′、OD′B′D：-1/2,0，-1→［102］BB′：0，0，1→［001］OD′：1/2,1，1→［122］OO′A′ABB′CC′D′Dxyz1/2［102］OOOO′′AA′′AABBBB′′CCCC′′DD′′DDxxyyzz11//22FFPP11//2211OO′A′ABB′CC′D′DxyzEE′1/21/21/2二、在立方晶胞中画出以下晶面或晶向：（231）（102）（110）［013］［111］3、在体心立方晶胞中画出一个最密排方向并标明晶向指数；再画出过该方向的两个不同的低指数(简单)晶面，写出对应的晶面指数。4、分别画出立方晶系晶胞内的(110)、(112)晶面和（110）、（111)晶向。XYZ1/2(231)1/31/2(102)［013］XYZ(110)［111］5、画出立方晶系中(111)面、(435)面。写出立方晶系空间点阵特征。立方晶系中(111)面、(435)面如右图所示。立方晶系空间点阵特征是点阵参数有如下关系：a=b=c，α=β=γ=90°。也可用具有哪类对称元素表示，若有四个三次转轴，则对应立方点阵。三、已知铜原子直径为0.256nm，试计算1mm3铜中的原子数以及Cu的晶格常数。答：a==1.414×0.256=0.362(nm)1mm3中的原子数为：1/a3×4=4/(0.362×10-6)3=8.43×1019(个)四、已知铁的原子量为55.85，1g铁有多少个原子?计算1g铁在室温和1000℃时各有多少个晶胞?答：原子数：6.023×1023÷55.85=1.08×1022（个）室温时铁为体心立方结构，单位晶胞中有2个原子，故1g铁中含5.4×1021个晶胞1000℃时为面心立方结构，单位晶胞中有4个原子，故1g铁中含2.7×1021个晶胞五、Ni的晶体结构为面心立方，其原子半径为r=0.1243nm，已知Ni的原子量为58.69，试求Ni的晶格常数和密度。七、问答题1、简述金属晶体中缺陷的类型答：按尺寸可分为：点缺陷，如溶质、杂质原子、空位；线缺陷，如位错；面缺陷，如各种晶界、相界、表面等；体缺陷，如孔洞、气泡等。体缺陷对材料性能是绝对有害的。2、什么是点阵参数?正方晶系和立方晶系的空间点阵特征是什么?答:点阵参数是描述点阵单胞几何形状的基本参数，由六个参数组成，即三个边长a、b、c和它们之间的三个夹角α、β、γ。正方晶系的点阵参数特征是a≠b≠c，α=β=γ=90°立方晶系的点阵参数特征是a=b=c，α=β=γ=90°3、什么是晶面族？｛111｝晶面族包含哪些晶面?答：晶体中原子或分子排列相同的晶面的组合称为晶面族。因对称关系，这些面往往不止一种。立方系{111}晶面族包括四个。4、面心立方结构和密排六方结构金属中的原子堆垛方式和致密度是否有差异?请加以说明。答：FCC和HCP均按ABCABC方式堆垛；致密度也都是0.74。5、根据缺陷相对于晶体尺寸和其影响范围的大小，缺陷可以分为哪几类?简述这几类缺陷的特征。答：点缺陷：沿三个方向的尺寸很小，溶质原子、间隙原子、空位。线缺陷：沿两个方向的尺寸很小，第三个方向上的尺寸很大，甚至可贯穿整个晶体，指位错。面缺陷：沿一个方向上的尺寸很小，另两个方向上的尺寸很大，如晶界，相界。体缺陷：在三个方向上的尺寸都较大，但不是很大，如第二相粒子，显微空洞。6、点缺陷(如间隙原子或代位原子)和线缺陷(如位错)为何会发生交互作用?这种交互作用如何影响力学性能?答：点缺陷产生畸变，使局部能量提高，附近有弹性应变场；位错也是如此，但位错周围不同位置应力场状态不同，有的为压应力，有的为拉应力；点缺陷会聚集到位错上使应变能降(111)、(1ī1)、(11ī)、(īī1）低，使系统的能量下降，吸附溶质的位错是一种稳定组态；此时位错被钉扎而难以运动，使强度提高，会产生上下屈服点效应。7、单相金属或合金各晶粒间的界面一般称之为晶界，通常晶界又分为小角度晶界和大角度晶界两大类，试问：划分为两类晶界的依据是什么?并讨论构成小角度晶界的结构模型。答：依据是按界面两侧晶粒间的取向差，10°的称小角度晶界，10°的称大角度晶界。小角度晶界的结构模型是位错模型，比如对称倾转晶界用一组平行的刃位错来描述。8、讨论晶体结构和空间点阵之间的关系。答、两者之间的关系可用“空间点阵+基元=晶体结构”来描述。空间点阵只有14种，基元可以是无穷多种，因而构成的具体的晶体结构也是无穷多种。9、叙述常见的金属晶体中的内外界面。答、它们包括晶界、相界、表面、孪晶界、层错。晶界是同种晶粒之间的交界面；相界是结构、成分不同的相间的交界面；表面是晶体与大气或外界接触的界面；孪晶界是发生孪生后产生的新界面，是特殊的大角晶界，可是共格的或半共格的；低能层错是单相晶体内因堆垛顺序反常变化后出现的新界面，也是低能界面，与孪晶界能量相近。10、简述刃型位错和螺型位错的重要特征。答：刃型位错的重要特征：①刃型位错有一额外半原子面②位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中有正应力也有切应变，对于正刃型位错，滑移面之上晶格受到压应力，滑移面上受到拉应力，负刃型位错正好相反③位错线与晶体的滑移方向相垂直。位错线运动的方向垂直于位错线。④刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直。螺型位错的重要特征：①螺型位错没有额外半原子面②位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中只有切应变，没有正应力③位错线与晶体的滑移方向相平行。位错线运动的方向垂直于位错线。④螺型位错的柏氏矢量与其位错线相平行。名词解释：1、金属键：自由电子与原子核之间静电作用产生的键合力。2、位错：是晶体内的一种线缺陷，其特点是沿一条线方向原子有规律地发生错排；这种缺陷用一线方向和一个柏氏矢量共同描述。3、点阵畸变：在局部范围，原子偏离其正常的点阵平衡位置，使点阵产生弹性畸变，称为点阵畸变。4、柏氏矢量：描述位错特征的一个重要矢量，它集中反映了位错区域内畸变总量的大小和方向；也是位错扫过后晶体相对滑动的量。5、刃型位错和螺型位错模型:将晶体上半部切开，插入半个晶面，再粘合起来；这样，在相当于刃端部位为中心线的附近一定范围，原子发生有规则的错动。其特点是上半部受压，下半部受拉。这与实际晶体中的刃位错造成的情景相同，称刃型位错模型。同样，将晶体的前半部切开，以刃端为界使左右两部分沿上下发生一个原子间距的相对切变，再粘合起来，这时在已切动和未切动交界线附近，原子错动情况与真实的螺位错相似，称螺型位错模型。第二章纯金属的结晶(一)填空题1．金属结晶两个密切联系的基本过程是形核和长大。2在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为结晶，通常把金属从一种结构的固态向另一种结构的固态的转变称为相变。3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是增加非均质形核的形核率来细化晶粒4．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是控制过冷度、加入结构类型相同的形核剂、振动、搅动5．金属冷却时的结晶过程是一个放热过程。6．液态金属的结构特点为长程无序，短程有序。7．如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的细小，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的粗大，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的细小，薄铸件的晶粒比厚铸件细小。8．过冷度是金属相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，即平衡相变温度与该实际转变温度之差。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越细小。9、固态相变的驱动力是新、旧两相间的自由能差。10、金属结晶的热力学条件为金属液必须过冷。11、金属结晶的结构条件为在过冷金属液中具有尺寸较大的相起伏，即晶坯。12、铸锭的宏观组织包括外表面细晶区、中间等轴晶区和心部等轴晶区。(二)判断题