《金属学与热处理》崔忠圻(第二版)课后答案完整版

第一章金属的晶体结构1-1作图表示出立方晶系（123）、（0-1-2）、（421）等晶面和[-102]、[-211]、[346]等晶向。答：1-2立方晶系的{111}晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并注明各晶面的晶面指数。答：{111}晶面共包括（111）、（-111）、（1-11）、（11-1）四个晶面，在一个立方晶系中画出上述四个晶面。1-3某晶体的原子位于正方晶格的节点上，其晶格常数为a=b≠c,c=2/3a。今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的结局分别为5个原子间距、2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面指数。答：由题述可得：X方向的截距为5a，Y方向的截距为2a，Z方向截距为3c=3×2a/3=2a。取截距的倒数，分别为1/5a，1/2a，1/2a化为最小简单整数分别为2，5，5故该晶面的晶面指数为（255）1-4体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（100）、（110）、（111）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。答：H（100）==a/2H（110）==√2a/2H（111）==√3a/6面间距最大的晶面为（110）1-5面心立方晶格的晶格常数为a，试求出（100）、（110）、（111）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。答：H（100）==a/2H（110）==√2a/4H（111）==√3a/3面间距最大的晶面为（111）注意：体心立方晶格和面心立方晶格晶面间距的计算方法是：1、体心立方晶格晶面间距：当指数和为奇数是H=，当指数和为偶数时H=2、面心立方晶格晶面间距：当指数不全为奇数是H=，当指数全为奇数是H=。1-6试从面心立方晶格中绘出体心正方晶胞，并求出它的晶格常数。答：1-7证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633。证明：理想密排六方晶格配位数为12，即晶胞上底面中心原子与其下面的3个位于晶胞内的原子相切，将各原子中心相连接形成一个正四面体，如图所示：此时c/a=2OD/BC在正四面体中：AC=AB=BC=CD,OC=2/3CE所以：OD2=CD2-OC2=BC2-OC2OC=2/3CE，OC2=4/9CE2，CE2=BC2-BE2=3/4BC2可得到OC2=1/3BC2，OD2=BC2-OC2=2/3BC2OD/BC=√6/3所以c/a=2OD/BC=2√6/3≈1.6331-8试证明面心立方晶格的八面体间隙半径r=0.414R，四面体间隙半径r=0.225R；体心立方晶格的八面体间隙半径：100晶向的r=0.154R，110晶向的r=0.633R，四面体间隙半径r=0.291R。（R为原子半径）证明：一、面心立方晶格二、体心立方晶格注意：解答此题的关键：1、要会绘制面心立方晶格和体心立方晶格的八面体间隙和四面体间隙的示意图。2、间隙半径是指顶点原子至间隙中心的距离再减去原子半径R。1-9a）设有一钢球模型，球的直径不变，当有面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计算器体积膨胀。b）经X射线测定，在912℃时γ-Fe的晶格常数为0.3633nm，α-Fe的晶格常数为0.2892nm，当由γ-Fe转变为α-Fe，试求其体积膨胀，并与a）相比较，说明其差别的原因。答：由此可以说明在面心立方晶格向体心立方晶格转变过程中，Fe原子的原子半径发生了变化，并不遵守刚体模型，从而导致实际体积膨胀率要远小于钢球模型的理论膨胀率。1-10已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为0.286nm和0.3607nm，求1cm3中铁和铜的原子数。解：已知铁在室温下是体心立方晶格，每个体心立方晶胞共占有2个Fe原子铜在室温下是面心立方晶格，每个面心立方晶胞共占有4个Cu原子。已知铁在室温下的晶格常数为0.286nm，所以每个体心立方晶胞的体积=（0.286）3=0.0234nm31cm3中的晶胞数n=1cm3/0.0234nm3≈4.27×10221cm3中的原子数N=2n≈8.54×1022已知铜在室温下的晶格常数为0.3607nm，所以每个体心立方晶胞的体积=（0.3607）3=0.0469nm31cm3中的晶胞数n=1cm3/0.0469nm3≈2.13×10221cm3中的原子数N=4n≈8.52×10221-11一个位错环能否各部分都是螺型位错或各部分都是刃型位错，试说明之。答：不能。位错环是弯曲闭合的，而一根位错线具有唯一的柏氏矢量，所以在位错环上必然有与柏氏矢量垂直的部分，也有与柏氏矢量垂直的部分，也就是说位错环是具有刃型位错和螺型位错的混合型位错。1-12在一个简单立方的二维晶体中，画出一个正刃型位错和一个负刃型位错，1）用柏氏回路求出正负刃型位错的柏氏矢量2）若将正负刃型位错反向时，其柏氏矢量是否也随之改变？3）具体写出该柏氏矢量的方向和大小。答：1）参考书本图1.33和1.362）不会。一条位错线的柏氏矢量是恒定不变的。3）柏氏矢量大小均为1个原子间距，正刃型位错柏氏矢量方向为垂直于位错线指向右，负刃型位错柏氏矢量方向为垂直于位错线指向左。1-13试计算出体心立方晶格{100}、{110}、{111}等晶面的原子密度和100、110、111等晶向的原子密度，并指出其最密晶面和最密晶向。（提示：晶面的原子密度为单位面积上的原子数，晶向的原子密度为单位长度上的原子数）解：令晶格常数为a则{100}等晶面的面积S=a2，{100}等晶面的原子数N=4×1/4=1，所以：ρ{100}=N/S=1/a2则{110}等晶面的面积S=√2a2，{110}等晶面的原子数N=4×1/4+1=2，所以：ρ{110}=N/S=√2/a2则{111}等晶面的面积S=（√3/2）a2，{111}等晶面的原子数N=3×1/6=1/2，所以：ρ{111}=N/S=√3/3a2则100等晶向的长度L=a，100等晶向的原子数N=2×1/2=1所以：ρ100=N/L=1/a则110等晶向的长度L=√2a，110等晶向的原子数N=2×1/2=1所以：ρ110=N/L=1/√2a则111等晶向的长度L=√3a，111等晶向的原子数N=2×1/2+1=2所以：ρ111=N/L=2/√3a最密晶面为：{110}等晶面，最密晶向：1111-14当晶体为面心立方晶格时，重复回答上体所提出的问题。解：令晶格常数为a则{100}等晶面的面积S=a2，{100}等晶面的原子数N=4×1/4+1=2，所以：ρ{100}=N/S=2/a2则{110}等晶面的面积S=√2a2，{110}等晶面的原子数N=4×1/4=1，所以：ρ{110}=N/S=1/√2a2则{111}等晶面的面积S=（√3/2）a2，{111}等晶面的原子数N=3×1/6+3×1/2=2，所以：ρ{111}=N/S=4/√3a2则100等晶向的长度L=a，100等晶向的原子数N=2×1/2=1所以：ρ100=N/L=1/a则110等晶向的长度L=√2a，110等晶向的原子数N=2×1/2+1=2所以：ρ110=N/L=2/√2a则111等晶向的长度L=√3a，111等晶向的原子数N=2×1/2=1所以：ρ111=N/L=1/√3a最密晶面为：{111}等晶面，最密晶向：1101-15有一正方形位错线，其柏氏矢量及位错线的方向如图所示。试指出图中各段位错线的性质，并指出刃型位错额外串排原子面所处的位置。答：位错线性质：AD：负刃型位错BC：正刃型位错AB：左螺型位错DC：右螺型位错刃型位错额外半原子面位置：AD：垂直纸面向里，因为负刃型位错的额外半原子面在位错线下方BC：垂直纸面向外，因为正刃型位错的额外半原子面在位错线上方注意：1、刃型位错的正负可用右手法则来判定，即用食指指向位错线的方向，中指指向柏氏矢量的方向，则拇指的方向就是额外半原子面的位向。2、柏氏矢量与螺型位错线正向平行着为右螺型位错，反向平行者为左螺型位错。第二章纯金属的结晶2-1a）试证明均匀形核时，形成临界晶粒的△Gk与其体积V之间关系式为△Gk=V△Gv/2b）当非均匀形核形成球冠状晶核时，其△Gk与V之间的关系如何？答：2-2如果临界晶核是边长为a的正方体，试求出△Gk和a之间的关系。为什么形成立方体晶核的△Gk比球形晶核要大。答：2-3为什么金属结晶时一定要由过冷度？影响过冷度的因素是什么？固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？答：金属结晶时需过冷的原因：如图所示，液态金属和固态金属的吉布斯自由能随温度的增高而降低，由于液态金属原子排列混乱程度比固态高，也就是熵值比固态高，所以液相自由能下降的比固态快。当两线相交于Tm温度时，即Gs=Gl，表示固相和液相具有相同的稳定性，可以同时存在。所以如果液态金属要结晶，必须在Tm温度以下某一温度Tn，才能使Gs＜Gl，也就是在过冷的情况下才可自发地发生结晶。把Tm-Tn的差值称为液态金属的过冷度影响过冷度的因素：金属材质不同，过冷度大小不同；金属纯度越高，则过冷度越大；当材质和纯度一定时，冷却速度越大，则过冷度越大，实际结晶温度越低。固态金属熔化时是否会出现过热及原因：会。原因：与液态金属结晶需要过冷的原因相似，只有在过热的情况下，Gl＜Gs，固态金属才会发生自发地熔化。2-4试比较均匀形核和非均匀形核的异同点。答：相同点：1、形核驱动力都是体积自由能的下降，形核阻力都是表面能的增加。2、具有相同的临界形核半径。3、所需形核功都等于所增加表面能的1/3。不同点：1、非均匀形核的△Gk小于等于均匀形核的△Gk，随晶核与基体的润湿角的变化而变化。2、非均匀形核所需要的临界过冷度小于等于均匀形核的临界过冷度。3、两者对形核率的影响因素不同。非均匀形核的形核率除了受过冷度和温度的影响，还受固态杂质结构、数量、形貌及其他一些物理因素的影响。2-5说明晶体生长形状与温度梯度的关系。答：液相中的温度梯度分为：正温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而提高的温度分布情况。负温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而降低的温度分布情况。固液界面的微观结构分为：光滑界面：从原子尺度看，界面是光滑的，液固两相被截然分开。在金相显微镜下，由曲折的若干小平面组成。粗糙界面：从原子尺度看，界面高低不平，并存在着几个原子间距厚度的过渡层，在过渡层中，液固两相原子相互交错分布。在金相显微镜下，这类界面是平直的。晶体生长形状与温度梯度关系：1、在正温度梯度下：结晶潜热只能通过已结晶的固相和型壁散失。光滑界面的晶体，其显微界面-晶体学小平面与熔点等温面成一定角度，这种情况有利于形成规则几何形状的晶体，固液界面通常呈锯齿状。粗糙界面的晶体，其显微界面平行于熔点等温面，与散热方向垂直，所以晶体长大只能随着液体冷却而均匀一致地向液相推移，呈平面长大方式，固液界面始终保持近似地平面。2、在负温度梯度下：具有光滑界面的晶体：如果杰克逊因子不太大，晶体则可能呈树枝状生长；当杰克逊因子很大时，即时在较大的负温度梯度下，仍可能形成规则几何形状的晶体。具有粗糙界面的晶体呈树枝状生长。树枝晶生长过程：固液界面前沿过冷度较大，如果界面的某一局部生长较快偶有突出，此时则更加有利于此突出尖端向液体中的生长。在尖端的前方，结晶潜热散失要比横向容易，因而此尖端向前生长的速度要比横向长大的速度大，很块就长成一个细长的晶体，称为主干。这些主干即为一次晶轴或一次晶枝。在主干形成的同时，主干与周围过冷液体的界面也是不稳的的，主干上同样会出现很多凸出尖端，它们会长大成为新的枝晶，称为称为二次晶轴或二次晶枝。二次晶枝发展到一定程度，又会在它上面长出三次晶枝，如此不断地枝上生枝的方式称为树枝状生长，所形成的具有树枝状骨架的晶体称为树枝晶，简称枝晶。2-6简述三晶区形成的原因及每个晶区的特点。答：三晶区的形成原因及各晶区特点：一、表层细晶区形成原因：当高温金属液体与铸型接触后，由于型壁强烈的吸热和散热作用，使靠近型壁的薄层金属液体产生极大的过冷度，加上型壁可以作为非均匀形核的基底，因此在此薄层金属液体中产生大量的