金属学练习题及部分答案

二00二年试题：一.名词解释（20分，每个2.5分）（1）点阵畸变（2）柏氏矢量（3）相图（4）过冷度（5）形变织构（6）二次再结晶（7）滑移系（8）孪生二.画出立方晶系中（111）面、（435）面。写出立方晶系空间点阵特征。（10分）三.铸锭的一般组织可分为哪几个区域？写出其名称。并简述影响铸锭结晶组织的因素。（10分）四.画图并简述形变过程中位错增殖的机制。（10分）五.写出菲克第一定律的数学表达式，并说明其意义。简述影响扩散的因素。（10分）六.简述形变金属在退火过程中显微组织、存储能及其力学性能和物理性能的变化。（10分）七.简述固态相变与液态相变的相同点与不同点。（10分）八.画出铁碳相图，标明相图中各特征点的温度与成分，写出相图中包晶反应、共晶反应与共析反应的表达式。（10分）九.分析再过程中行核和张大与凝固过程中的行核和张大有何不同点。（10分）十.分析含碳量0.12%的铁碳合金的结晶过程。（10分）（单考生做）十一.简述铸锭的宏观偏析。（10分）（单考生做）十二.简述金属晶体中缺陷的类型。（10分）（单考生做）答案：一，1，点阵畸变：在局部范围，原子偏离其正常的点阵位置，造成点阵畸变。2，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。3，相图：描述各相平衡存在条件或共存关系的图解，也可称为平衡时热力学参量的几何轨迹。4，过冷度：相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，平衡相变温度与该实际转变温度之差称过冷度。5，形变织构：多晶形变过程中出现的晶体学取向择优的现象。6，二次再结晶：再结晶结束后正常长大被抑制而发生的少数晶粒异常长大的现象。7，滑移第：晶体中一个滑移面及该面上的一个滑移方向的组合称一个滑移系。8，孪生：晶体受力后，以产生孪晶的方式进行的切变过程。二，立方晶系中（111）面、（435）面图略。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，分为三晶区：激冷区、柱状晶区、中心等轴晶区。影响铸锭结晶组织的因素：1，液体过冷度，越小越好。2，凝固温度范围，越大越好，有利于枝晶的破碎。3，温度梯度，越小越有利于等轴晶。4，合金熔点低，温度梯度小。5，搅拌或加孕育剂。四，frank-read源机制，图略见课本。滑移面上一个在A，B两点被钉扎的位错AB，在应力作用下弓出（状态2），弓出到3状态时，下方相邻部分反号相吸，并局部合并，完成一次增殖过程放出一位错环（状态4）。在应力作用下，继续重复前面1-4过程。五，一维下，J=-D；J：扩散流量，单位时间通过单位面积扩散的物质量，D：扩散系数，：浓度梯度，：其意义为物质扩散量与该物质的浓度梯度成正比，方向相反。影响扩散的因素：1，温度，满足D=D0e的关系，T升高，D增加。2，界面表面及位错，是扩散的快速通道。3，第三组元，可对二元扩散有不同影响，如Mo、W降低C在r-Fe中的扩散系数，Co、Si加速C扩散，Mn影响不大。4，晶体结构，低对称性的晶体结构中，存在扩散的各向异性，如六方结构晶体，平等与垂直于基面的扩散系数不同。5，熔点，同一合金系中，同一温度下熔点高的合金中扩散慢，熔点低的扩散快。六，随退火温度的升高或时间延长，出现亚晶合并长大，再结晶武术及长大，无位错的等轴再结晶晶粒取代长条状高位错密度的形变晶粒，然后是晶粒正常长大。储存能逐渐被释放，硬度及强度下降，伸长率上升，电阻降低，密度提高。再结晶时各种性能变化都比回复时强烈得多。七，相同点：都是相变，由形核、长大组成。临界半径，临界形核功形式相同。转变动力学也相同。不同之处：形核阻力中多了应变能一项，千万固态相变的临界半径及形核功增大，新相可以亚稳方式出现，存在共格，半共格界面，特定的取向关系，非均匀形核。八，铁碳相图。略包晶反应：L（0.53%C）+δ-Fe(0.09%C)→γ-Fe(0.17%C)共晶反应：L(4.3%C)→γ-Fe(2.11%C)+Fe3(6.69%C)共析反应：γ-Fe(0.77%C)→α-Fe(0.02%C)+Fe3C(6.69%C)九，凝固时形核的驱动力，是新、旧化学位差，再结晶驱动力只是形变储存能。凝固常是均匀形核，再结晶形核在现有的形变不均匀区，如晶界附近、切变带、形变带、第二相粒子周围。凝固长大时与母相不会有取向关系，再结晶长大时可有特定取向关系。十，含碳0.12%的钢，由液相冷却时，先形成铁素体，到1495℃包晶温度，部分进行包晶反应；新相奥氏体在已生成的铁素体上形核并向铁素体和液相中生长。反应后是两相组织铁素体+奥氏体，图略。铁素体相对量为：(0.17-0.12)/(0.17-0.09)=62.5%。继续冷却得到单相奥氏体。十一，宏观偏析：正常偏析和比重偏析。正常偏析：指按合金的分配系数先析出的含溶质低，后凝固的含溶质多。因铸锭尺寸大，由表面到中心成分不均匀，偏析出现在宏观尺度上，称宏观偏析。反常偏析：仍遵守分配系数关系，只是形成大量枝晶后，富集溶质的液相会沿枝晶间的通道逆向反流到先凝固的铸锭表面附近，千万由表面到中心成分分布的反常。比重偏析：是凝固时，固相与液相比重不同，而沉积或漂浮，从而造成铸锭下端与上端成分的不均匀，也是宏观尺度。十二，按尺寸分为：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。说明：1，答案应该都是正确的，但打字的过程中难免出现错误。2，用word中的公式编辑器编码缉的公式可能显示不正常，有的公式干脆就略了。3，题目中的图片都没有给出。以后可能会补上。[本帖最后由jilikas于2008-3-308:56编辑]二00三年试题：[20080304]1.名词解释（30分）：（1）刃型位错和螺型位错模型（2）晶界与界面能（3）同分凝固与异分凝固（4）形变织构（5）二次再结晶（6）淬透性与淬硬性2.简述二元系中共晶反应、包晶反应和共析反应的特点；并计算其各相平衡时的自由度。（12）3.什么是点阵参数？正方晶系和立方晶系的空间点阵特征是什么？画出立方晶系中（12-3）的晶面。（12）4.凝固过程中形核和长大与再结晶过程中形核和长大主要区别是什么？简述再结晶过程中核心的产生方式。（12）5.简述菲克第一定律和菲克第二定律的含义，写出其表达式，并标明其字母的物理含义。（12）6.简述晶界和晶粒大小对多晶体范性变形的作用与影响。（12）7.什么是一次带状组织和二次带状组织？分析一次带状组织和二次带状组织形成的原因。（12）8.画出Fe-C相图，标明Fe-C相图中各点的温度和含碳量。（12）9.简述固态相变的一般特点。（12）（统考生做，单考生不做）10.简述凝固过程的宏观特征，叙述凝固过程中晶体成长的机理。（12）（统考生做，单考生不做）11.什么是固溶体？影响固溶体的原因有哪些？固溶体与其纯溶剂组元相比，其结构、力学性能和物理性能发生了哪些变化？（12）（统考生做，单考生不做）12.列举三种增加凝固过程中核心数的方法，简要分析其增加核心数的原因。（12）（统考生做，单考生不做）13.简述含碳量为0.25%的钢的结晶过程和固态组织转变过程。（12）（统考生做，单考生不做）14.简述连续脱溶和不连续脱溶的含义。（12）（统考生做，单考生不做）15.根据缺陷相对与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。（12）（统考生做，单考生不做）答案：一，1，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型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。2，晶界与界面能：晶界是成分结构相同的同种晶粒间的界面。界面上的原子处在断键状态，具有超额能量。平均在界面单位面积上的超额能量叫界面能。3，同分凝固与异分凝固：凝固时不发生成分变化的称同分凝固；反之，凝固时伴随成分变化，称异分凝固。4，形变织构：多晶形变过程中出现的晶体学取向择优现象。二次再结晶：再结晶结束后正常长大过程被抑制而发生少数晶粒异常长大的现象。6，淬透性与淬硬性：淬透性指合金淬成马氏体的能力，主要与临界冷却有关，大小用淬透层深度表示。而淬硬性指淬火后能达到的最高硬度。主要与钢中的碳含量有关。二，共晶反应是：液相同时凝固出两个不同成分的固相相互配合生长，一般长成片层状。共析与共晶相似，只是母相是固相，即一个固相同时生成另两个不同成分的固相。包晶反应是：液相与一个固相反应生成另一个固相，新生成的固相包住原有的固相，反应需要固相中的扩散，速度较慢。这三种反应出现时，自由度都是0，即三相成分固定，温度也固定。三，点阵参数是描述点阵单胞几何开关的基本参数，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。正文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°立方晶系中(123)的晶面特征图略。四、凝固时形核和长大的驱动力是新、旧相化们差，再结晶器形核和长大的驱动力只是形变储存能。凝固时的形核常为均匀形核；再结晶形核常在现有的形变不均匀区中，如晶界附近、切变带、形变带、第二相粒子周围；凝固长大时与母相不会有取向关系，再结晶长大时可能有一定的取向关系。再结晶核心产生方式：1，原有晶界推移成核，也称应变诱导晶界迁移式形核；2，亚晶成核，即通过亚晶合并或长大形成新晶粒。五、菲克第一定律第二定律，见课本。六，多晶中，每个晶粒与周围相邻晶粒取向不同，滑移开始的早晚不同，滑移系数目也不同；晶粒间的协调是靠有足够的独立滑移系的开动来实现的，即某一晶粒在一特定力轴作用下，取向因子大的滑移系先开动，当相邻晶粒相接触的区域受到周围晶粒的影响而不能自己主滑移系开动进行形变时，可开动次生的、新的滑移系，以协调各种复杂的形变方式；FCC/BCC结构都有5个独立滑移系，可实现任一种方式的形变。晶界两侧滑移面不平等，晶界一方面是位错运动的障碍，造成位错塞积和强化；同时要求晶界附近多系滑移的出现，以协调晶界两侧的形变。晶粒大小对形变的影响是：晶粒细小，整个晶粒可较形变均匀，不同的滑移系组合少；晶粒粗大时，形变过程中晶内不同区域不能相互协调，要求不同的滑移系组合并开动，常常出现晶粒“碎化”，即一个大晶粒，随形变的进行“碎化”成几部分，不同部分内有不同的滑移系开动。对性能的影响到遵循hall-petch关系σs=σ0+Kd-1/2即晶粒越细，晶界越多晶界对运动位错阻碍越显著，提高强度幅度越大。七，一次带状组织是凝固时形成枝晶，热轧后成带状而产生的；在CuCl浸蚀下，黑色条带是枝晶干（含溶质不），白色条带常是富集杂质的枝晶间，也称原始带状。二次带状是固态转变的产物，在硝酸酒精浸蚀下，白色带状是先共析铁素体，黑色带状是珠光体，也称显微带关组织。只有在一次带状的基础上才会产生二次带状。这些带状都与元素的偏析和夹杂物的特殊分布有关。八，略。九，1，相变阻力中多了应变能一项。2，形核方面：非均匀形核，存在特定的取向关系，常为共格或半共格界面。3，生长方面：出现惯习现象，即有脱溶贯序；特殊/规则的组织形态，如片状、针关。4，有亚稳相出现以减少相变阻力。十，凝固时宏观特征是：要有一定的过冷度，会放出明显的结晶潜热。成长机理有三种：连续式成长、二维形核及借助台阶侧向生长、借螺旋位错生长。十一，溶质原子原子态溶入溶剂点阵中组成的单一均匀固体；溶剂的点阵类型被保留。影响固溶度的因素有：1，原子尺寸因素。当溶剂、溶质原子直径尺寸相对差小于±15%时，有大的代位溶解度。2，负电性因素。溶剂、溶质的负电性差越小溶解度越大，一般小