金属学与热处理习题集Word下载.docx
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），但他们在固态下却不能无限互溶，试解释其原因。
14．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，并
（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反向；
（3）具体写出该柏氏矢量的大小和方向；
（4）求出此两位错的柏氏矢量和。
15．用作图法证明柏氏矢量与回路起点的选择及回路的具体途径无关。
16．在晶体中有一平面环状位错线，请问此位错环能否各部分都是刃型位错？
或各部分都是螺型位错？
为什么？
17．已知β-Sn的晶体结构为体心正方晶格常数为（a=0.3nm、b=0.3nm，c=0.5nm），试画出β-Sn的晶胞，并画出（110）和（100）晶面的平面图。
18．铁在20℃下是体心立方晶格，晶胞的晶格常数为2.87，在0~100℃之间铁的线膨胀系数为
，试计算铁在20℃和100℃时的密度。
19．试用刚球模型证明理想密排六方结构的点阵常数的关系为c/a=1.633。
20．在面心立方晶格中，面心结点的数量为顶角结点的数量的几倍？
今有B在A中的面心立方固溶体，问其有序化在成分A3B还是A2B处较易发生？
第二章纯金属的结晶
指出下列各题错误之处，并更正
1．所谓过冷度，是指金属结晶时，在冷却曲线上出现平台的温度与熔点之差。
而动态过冷度是指结晶过程中，实际液相温度与熔点之差。
2．金属结晶时，原子从液相无序排列到固相有序排列，使体系熵值减小，因此是一个自发过程。
3．在任何温度下，液态金属中出现的最大结构起伏都是晶胚
4．在任何过冷度下，液态金属中出现的最大结构起伏都是晶核。
5．所谓临界晶核，就是体系自由能的减少完全补偿表面自由能增加时的晶胚大小。
6．在液态金属中，凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核，但是只要有足够的能量起伏提供形核功，还是可以成核。
7．测定某纯金属铸件结晶时的最大过冷度，其实测与用公式计算值基本一致。
8．某些金属铸件结晶时，由于冷速较快，因此均匀形核率N1较高，非均匀形核形核率N2也较高，那么总的形核率N=N1+N2。
9．若在过冷液体中，外加一万颗形核剂，那么结晶后就可以形成一万颗晶粒。
10．从非均匀形核功的计算公式中可以看出，当θ=0时，非均匀形核的形核功最大。
11．为生产一批厚薄悬殊的砂型铸件，且要求均匀的晶粒度，则只要在工艺上采取加形核剂就可以满足。
12．非均匀成核总是比均匀成核容易，因为前者是以外加质点为结晶核心，不像后者那样形成界面，而引起自由能的增加。
13．在研究某金属细化晶粒工艺时，主要寻找那些熔点低，且与该金属晶格常数相近的形核剂，其形核的催化效能最高。
14．纯金属生长时，无论液/固界面呈粗糙或光滑型，其液相原子都是一个一个地沿着固相面的垂直方向连接上去。
15．无论温度分布如何，常用纯金属生长都是呈树枝状界面。
16．NH4Cl饱和水溶液与纯金属结晶终了时的组织形态一样，前者呈树枝晶，后者也呈树枝晶。
17．人们是无法观察到极纯金属的树枝状生长过程，所以树枝状的生长形态仅仅是一种推理。
18．液态纯金属中加入形核剂，其生长形态总是树枝状。
19．纯金属结晶呈垂直方式生长时，其界面时而光滑，时而粗糙，交替生长。
20．从宏观上观察，若液/固界面是平直的称为光滑界面结构，若是呈金属锯齿形的称为粗糙界面结构。
21．纯金属结晶以树枝状形态生长，或以平面状形态生长，与该金属的熔化熵无关。
22．实际金属结晶时，形核率随着过冷度的增加而增加，超过某一值后，出现相反的变化。
23．纯金属在结晶时，晶体长大所需要的动态过冷度有时还比形核所需要的临界过冷度大。
二、习题
1．试比较过冷度、动态过冷度及临界过冷度的区别。
2．分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。
3．什么叫临界晶核？
它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？
4．试分析单晶体形成的基本条件。
5．已知铜的熔点为1083℃，结晶潜热为1.88×
109J/m3，液固界面的界面能σ为0.144J/m2。
试计算铜在853℃凝固时（均匀形核）的临界晶核半径？
并计算临界晶核中有多少个铜原子？
6．在液态中形成一个半径为r的球形晶核时，证明临界形核功ΔG与临界晶核体积V间的关系为。
7．简述纯金属晶体长大的机制及其与固/液界面微观结构的关系。
三、讨论题
今欲获得全部为细等轴晶粒的铸件，你知道有哪些方法？
并请说出各种方法的基本原理。
第三章二元合金的结晶及相图
指出下列各题错误之处，并更正。
1．固溶体晶粒内的枝晶偏析，由于主轴与枝间的成分不同，所以整个晶粒不是一个相。
2．尽管固溶体合金的结晶速度很快，但是在凝固的某一个瞬间，A与B组元在液相与固相内的化学位都是相等的。
3．固溶体合金无论平衡或非平衡结晶过程中，液/固界面上液相成分沿着液相平均成分线变化；
固相成分沿着固相平均成分线变化。
4．根据相律计算，在匀晶相图中的两相区内，其自由度为2，即温度与成分都可以独立改变。
5．在共晶线上利用杠杆定律可以计算出共晶体的重量百分数，而共晶线属于三相区，所以杠杆定律不仅适用于两相区，也适用于三相区。
6．任何合金在不平衡结晶时，总是先结晶的固溶体晶轴含高熔点组元较多，而后结晶的固溶体枝间含低熔点组元较多。
7．固溶体核长大的过程，就是液相与固相内出现“平衡——不平衡——平衡——不平衡……”的反复发展过程。
8．在一定温度下，液、固两相的平衡成分，就是液相与固相两条自由能——成分曲线上，位于最低自由能点的成分。
9．当固溶体合金液相快速冷却至液、固两相区内某一温度，并保持一定的时间后，再缓慢冷至室温，仍可以获得平衡状态的组织。
10．固溶体合金圆棒顺序结晶过程中，液/固界面推进的速度越快，则棒中宏观偏析越严重。
11．比较溶液中溶质原子完全混合方程和部分混合方程发现，在一般情况下，＜1，而＞，所以后者比前者的宏观偏析严重。
12．平均分配系数取决于液相线与固相线的水平距离。
因此，合金的成分越靠近匀晶相图的两端，就越小。
13．将固溶体合金棒反复多次“熔化—凝固”，并采用定向快速凝固的方法，可以有效地提纯金属。
14．从成分过冷的临界条件G/R=（mC0/D）[（1-）/]式中可见，合金成分中溶质浓度越小，成分过冷区越大，则越易形成胞状组织。
15．厚薄不均匀的Ni-Cu合金铸件，结晶后薄处易形成树枝状组织，而厚处易形成胞状组织。
16．用Ni-Cu合金焊条焊接某合金板料时，发现焊条慢速移动时，焊缝易出现胞状组织，而快速移动时则易于出现树枝状组织。
17．亚共晶合金的典型平衡组织为初生相+共晶相。
18．具有共晶线端点成分的合金，在平衡状态下的室温组织中，既无共晶体又无次生相存在。
19．将具有共晶成分的合金，加热至接近共晶线的温度，保温后在水中冷至室温，则共晶体中两相的成分和相对量都不发生变化。
20．在不平衡结晶条件下，靠近共晶线端点内侧的合金比外侧的合金易于形成离异共晶组织。
21．不平衡状态的亚共晶合金，其组织中共晶体的平均成分总是偏向共晶点的右方，而且结晶速度越快，偏离程度越大。
22．具有包晶转变的合金，室温的相组成物为α+β，其中β相均是包晶转变产物。
23．具有包晶转变合金的室温组织中，不平衡结晶状态比平衡结晶状态的初生相总是偏多。
24．在任何情况下，对于共晶成分附近的合金，在不平衡状态下的组织中，都不可能出现离异共晶的组织特征。
25．纯金属和固溶体的铸态组织一样，都具有等轴晶粒。
1．根据图3-1的Al-Cu二元相图，假设液相线与固相线均为直线，求L/α与L/β的平衡分配系数。
2．含5.65%Cu的Al-Cu合金圆棒，置于水平钢模中加热熔化，然后采用一端顺序结晶的方式冷却，试求合金圆棒组织组成物的分布，各组成物所占圆棒的百分数及沿圆棒长度上Cu浓度的分布曲线（假设液相内完全混合，固相内无扩散，界面平直移动，液相线与固相线呈直线）。
3．试比较共晶转变、包晶转变、共析转变与匀晶转变的异同。
4．参看图3-2的Cu-Sn相图，图中有多少三相平衡，写出它们的反应式，并分析含20%Sn的锡青铜平衡结晶过程中冷却曲线，主要转变的反应式及室温相组成物与组织组成物。
5．将含10%Sn的液态Cu-Sn合金置于内腔为长棒形的模子内，采用顺序结晶方式，并假设液相内完全混合，固/液界面为平直状，且固相中无扩散、液相线与固相线为直线。
试分别计算从液相中直接结晶的α相与γ相的区域占试棒全长的百分数。
由于实际操作中金属液体的凝固往往很难保证按平衡凝固进行，那么，对于分别具有匀晶、共晶、包晶相图的非平衡凝固过程是如何进行的？
你认为可能会出现哪些缺陷？
如何防止或克服这些缺陷？
第四章铁碳相图及铁碳合金的结晶
指出下列各题错误之处，并更正：
1．铁素体与奥氏体的根本区别在于溶碳量不同，前者少而后者多。
2．727℃是铁素体与奥氏体的同素异构转变温度。
3．Fe-Fe3C相图上的G点是α相与γ相的同素异构转变温度。
4．在平衡结晶条件下，无论何种成分的碳钢所形成的奥氏体都是包晶转变产物。
5．在Fe-Fe3C系合金中，只有过共析钢的平衡结晶组织中才有二次渗碳体存在。
6．在Fe-Fe3C系合金中，只有含碳量低于0.0218%的合金，平衡结晶的组织中才有三次渗碳体存在。
7．Fe-Fe3C相图中的GS线也是碳在奥氏体中的溶解度曲线。
8．凡是碳钢的平衡结晶过程都具有共析转变，而没有共晶转变；
相反，对于铸铁则只有共晶转变而没有共析转变。
9．无论何种成分的碳钢，随着含碳量的增加，组织中铁素体相对量减少，而珠光体相对量不断增加。
10．在含碳4.3%共晶白口铸铁的显微组织中，白色的基体为Fe3C，其中包括Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ、Fe3C共析及Fe3C共晶。
11．图4-1（a）为过共析钢苦味酸钠浸蚀后的组织，白色为奥氏体晶粒，黑白网状晶界为二次渗碳体。
12．图4-1（b）组织为珠光体+铁素体，从图中定量关系可以看出，该钢属于60钢（含0.6%C）。
13．图4-1（c）为含0.77%C的珠光体组织，图中显示渗碳体片密集程度不同，凡是片层密集处则含碳量偏多，而疏稀处则含碳量偏少。
14．图4-1（d）为亚共晶白口铸铁的室温组织，其中呈树枝状分布的组织为珠光体，而莱氏体中小黑块为奥氏体。
15．在观察亚共晶白口铸铁组织时发现，在大块珠光体周围的莱氏体中（如图4-29（d）白色部分）含碳量偏高。
16．白口铸铁中的碳以FeeC形式存在，而灰口铸铁中的碳全部以石墨形式存在。
17．Fe-C系合金的第一阶段石墨化是共晶转变时石墨的形成过程，而第二阶段石墨化是共析转变时石墨的形成过程。
18．厚薄不均匀的铸铁，往往厚处易白口化，因此，对于这种铸件必须多加碳、少加硅。
19．假设Fe-Fe3C相图的液相线与固相线均为直线，则液相与δ相的平衡分配系数k0为0.17，而液相与γ相的k0为0.32。
20．在相同的结晶条件下，碳钢铸件中的柱状区随碳量的增加而增长。
1．作含碳0.2%钢的冷却曲线，绘制1496℃、1494℃、912℃、750℃、725℃及20℃下的组织示意图。
2．计算含碳4%的铁碳合金按亚稳定系冷却到室温后组织中的珠光体，二次渗碳体和莱氏体的相对含量，并计算珠光体中渗碳体和铁素体及莱氏体中二次渗碳体，共晶渗碳体与共析渗碳体所占的百分量。
3．厚20mm的共析钢板在强脱碳性气体中加热至930℃和780℃两种温度，并长时间保温，然后缓慢冷至室温，试画出钢板从表面至心部的组织示意图，并解释之。
4．将两块含碳0.2%的钢试样加热至930℃保温3h后，其中一块以极缓慢的冷速，另一块以极快的速度同时冷至800℃，试问刚到800℃时两种状态的相内和相界处碳浓度的变化情况，并用图示说明。
5．将铁碳相图的液相线与固相线近似地取为直线。
假设将含碳0.4%钢置于长度为L的水平圆筒模具内，加热熔化及采用定向顺序凝固方式，并使液相完全混合及界面以平直状生长。
试求：
（1）计算凝固及试棒中Z/L值为0.01、0.2、0.3、0.5、0.7、0.9及1.0处的成分，并做出沿长度的成分分布图；
（2）假定在冷却时，δ与γ相保持稳定，相内无扩散，求δ相、γ相与共晶体占试棒全长的百分量。
冷却速度对合金组织有着重要的影响，今要使钢：
①晶粒得到细化；
②产生良好的时效强化效果。
请问从冷却速度方面，你能想到什么办法来达到以上目的？
第五章三元合金相图及结晶
1.二元与三元固溶体转变与共晶转变的自由度有无区别？
如何解释
2.为什么三元相图的一般垂直截面的两相区内，杠杆定律不适用，举例说明之。
3.在三元相图中，只有单析溶解度曲面或双析溶解度曲面投影内的合金，才有一个次生相或两个次生相析出。
这话对吗？
4.在三元相图中，液相面投影图十分重要，根据它就可以判断该合金系凝固过程中所有的相平衡关系，这话对吗？
1.图5-1为Pb—Sn—Zn三元相图液相面投影图，请在图上标出（a）含75%Pb、15%Sn及10%Zn合金X的位置；
（b）含50%Pb、30%Sn及20%Zn合金的Y位置；
（c）含10%Pb、10%Sn及80%Zn合金Z的位置。
2.设题1中X、Y、Z合金的重量分别为2kg，4kg及6kg，试求熔化成液体后的成分w在何位置。
3.在图5-1中，若有3kgX成分的合金，问需要配什么样成分的合金才能混合成6kgY成分的合金？
4.在图5-1中，指出（a）含Pb与Sn之比为3：
1及（b）含30%Zn系列合金的位置。
5.试分析图5-2中22区内合金的结晶过程，绘制冷却曲线及组织变化示意图，并在图上标出各相成分变化路线。
图5-1:
Pb—Sn—Zn三元相图液相面投影图
6.试分析图5-2中11区内合金的结晶过程，绘制冷却曲线及组织变化示意图，并在图上标出各相成分变化路线。
7.请在图5-5中指出合金LY1（3%Cu、0.3%Mg）、LY2（3%Cu、2%Mg）、LY10（4%Cu、0.3%Mg）、LY11（4%Cu、0.5%Mg）及LY17（6%Cu、0.3%Mg）的成分点。
8.比较题7中各合金中次生相的性质和数量，说明它们的热处理强化效果。
在实际应用中一般不直接使用完整的三元相图，而是使用其等温截面图或变温截面图。
那么，这两种图各有什么特点和作用？
第六章金属及合金的塑性变形
1.滑移线与滑移带有何区别？
2.作图表示三种典型金属结构的最重要滑移系。
哪种晶体的塑性最好，哪个次之，为什么？
3.试区别单滑移、多滑移和交滑移，三者的滑移线形貌各有什么特点？
怎样解释？
4.影响临界分切应力的主要因素有哪些？
单晶体屈服强度与外力轴方向有关吗？
5.位错线和滑移线相同吗？
6.试区别位错运动的派—纳力和组态力。
7.多晶体变形有什么特点？
与单晶体相比哪个强度高？
8.孪生与滑移主要异同点是什么？
为什么在一般条件下进行塑性变形时锌中易出现孪晶，而纯铁中易出现滑移带？
9.工业纯铁拉伸时是否会出现屈服现象？
10.固溶强化的实质是什么？
螺型位错附近是否会形成柯氏气团？
11.试区别沉淀强化和弥散强化。
12.纤维组织及织构是怎样形成的？
它们有何不同？
对金属的性能有什么影响？
13.加工硬化的实质是什么？
典型的单晶体加工硬化曲线有何特征？
三种典型金属结构的加工硬化曲线有什么不同？
14.断裂有几种角度的分类方法？
各有什么优缺点？
15.试分析影响断裂特征的外部因素。
top
1.拉伸一铜单晶体试样，其表面平行于（001）面，若晶体可以在各个滑移系上滑移，画出表面出现的滑移线痕迹，求出滑移线间的角度。
若铜试样表面平行于（111）面，情况又如何？
2.锌单晶体的试样截面积A＝78.5mm2，经拉伸试验测得的有关数据如下表：
屈服载荷（N）
620
252
184
148
174
273
525
φ角（°
）
83
72.5
62
48.5
30.5
17.6
5
λ角（°
25.5
26
38
46
63
74.8
82.5
τK
cosλcosφ
试回答下列问题：
（1）根据表中每一种拉伸条件的数据求出临界分切应力并填入上表，分析有无规律。
（2）求各屈服载荷下的取向因子，作出取向因子和屈服应力的关系曲线，说明取向因子对屈服应力的影响。
3.在晶体的滑移面上有一位错环abcda，其柏氏矢量为，试确定：
（1）各段位错线的结构性质。
（2）指出刃型位错的半原子面位置。
（3）若在其柏氏矢量b的方向加一切应力τ，则各段位错线所受的力有多大？
其方向如何？
（4）位错环在τ的作用下怎样运动？
运动的结果如何？
（5）各段位错线运动的方向、的方向和晶体变形的方向三者之间的关系，并指出a、b、c、d处位错的滑移面
（6）在τ的作用下，要使此位错环稳定不动，其最小半径应为多大？
（7）外力去掉后，位错环有何变化。
4.简要分析加工硬化、细晶强化、固溶强化与第二相强化在本质上有什么异同。
5.证明体心立方及面心立方金属产生孪生变形时，孪晶面沿孪生方向的切应变均为0.707。
具体分析和总结位错在金属塑性变形中的应用。
第七章金属的回复与再结晶
说明下列各概念错误之处：
1.铸件的扩散退火温度一般高于再结晶温度，故扩散退火实际上也是一种再结晶退火。
2.多边化使分散分布的位错集中在一起形成位错墙，因位错应力场的迭加，使亚晶界处的局部应力比较集中，增大了点阵畸变。
3.因再结晶过程不发生相变，所以金属组织组成物和组织形态不变，则性能不变。
4.冷变形量较小的金属再结晶时，往往是软取向晶粒晶界产生凸出形核，并向硬取向晶粒内推进。
5.凸出形核实际上是变形畸变能较低的晶粒长大过程，因此以凸出形核机制进行再结晶后的晶粒都很粗大。
6.在再结晶温度以下保温无论多长时间，均不会发生再结晶。
7.凡是经过冷变形后再结晶退火的金属，晶粒都可得到细化。
8.20钢的熔点比纯铁的低，故其再结晶温度也比纯铁的低。
9.再结晶也伴随有原子的扩散，这种扩散应该以间隙机制为主。
10.为保持加工硬化效果，去应力退火温度一般处于低温或中温回复温度范围内。
11.冷变形金属在高温回复时不受外力，则τ＝0，所以位错线受力f=τb=0，故位错线不能运动。
12.再结晶后晶粒正常长大的驱动力是变形畸变能。
13.当冷变形量较大、变形教均匀时，再结晶后晶粒易发生正常生长，反之易发生异常长大。
14.晶粒正常长大是小晶粒吞食大晶粒，反常长大是大晶粒吞食小晶粒。
15.合金中的第二相粒子一般可阻碍再结晶但促进晶粒长大。
16.变形织构在再结晶过程中仍被保留下来时，则称其为再结晶织构。
17.室温下的加工为冷加工，高温下的加工为热加工。
18.热变形阶段既发生动态再结晶，又发生静态再结晶。
19.金属只要经过热加工，组织便可细化，性能一定可以改善。
20.动态再结晶和静态再结晶均不是相变过程，因此碳钢在奥氏体相区温度热变形后将一直保持为γ相不变。
一、说明金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段的显微组织及机械性能特点与主要区别。
二、说明金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段晶体缺陷的行为与表现，并说明各阶段促使这些晶体缺陷运动的驱动力是什么。
三、去应力退火过程与动态回复过程相比，位错运动的主要区别是什么？
从显微组织上如何区分动、静态回复和动、静态再结晶。
四、为细化某纯铝件晶粒，将其冷变形5%后于650℃退火1h，组织反而粗化；
增大冷变形量至80%再于650℃退火1h，仍然得到粗大晶粒。
试分析其原因，并指出上述两种工艺不合理之处，请制定一种合理的细化工艺。
五、试比较液—固结晶、重结晶（同素异构转变）、再结晶、动态再结晶之间的异同。
六、某低碳钢零件要求各向同性，但在热加工后形成比较明显的带状组织。
请你提出至少三种具体办法来减轻或消除在热加工过程中形成带状组织的因素。
七、冷拔铜丝做导线，冷拔后应如何热处理？
在热处理工艺中有一些与金属的再结晶过程有着重要的联系，你能具体列举出来这些工艺种类吗？
并说明它们分别对应于再结晶过程中出现的何种问题，它们又是怎样达到克服这些问题的目的的？
第八章固态金属中的扩散
说明下列各概念错误的原因：
1.固态金属中原子扩散的真正驱动力是浓度梯度。
2.扩散第一定律适用于非稳态扩散，第二定律适用于稳态扩散。
3.扩散通量J是指扩散物质的流量。
4.物质的扩散方向总是与化学位梯度方向相同。
5.扩散激活能是指原子迁移至另一平衡位置时所需的最小超额自由能。
6.间隙固溶体中的任何原子迁移时，采用间隙机制的扩散激活能较小。
7.温度越高，扩散激活能越小，扩散常数越大，扩散速率则越大。
8.体心立方比面心立方晶体的配位数要小，故由D=υZpd2关系式可见，α铁中原子扩散系数要小于γ铁中的原子扩散系数。
9.间隙固溶体中，溶质浓度越高，则溶质所占据的间隙越多，供扩散用的空余间隙越少，即Z越小，导致扩散系数下降。
10.晶界上原子排列混乱，不存在空位，故以空位机制扩散的原子在晶界处无法扩散。
11.间隙固溶体中，溶质浓度越高，自扩散系数越大。
12.40钢棒由γ相区快冷至800℃保温，发生的相变，此相变为反应扩散过程，相变结果使钢棒左段为单相γ区
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