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1、第一章1.作图表示出立方晶系(12 3)、(0-1-2)、(4 2 1)等晶面和卜10 2、1-2 11|3 4 6等晶向12113.某晶体的原子位于正方晶格的节点上，其晶格常数a=bWc,c=2/3a。今有一晶面在X、Y、Z 坐标轴上的截距分别是5 个原子间距，2 个原子间距和3 个原子间距，求该晶面的晶面参数。解：设 X 方向的截距为5a,Y 方向的截距为2 a,则Z 方向截距为3c=3X2a/3=2a,取截距的倒数，分别为l/5a,l/2a,l/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(2 5 5)4.体心立方晶格的晶格常数为a,试求出(10 0)、(110)、(111)
2、晶面的晶面间距，并指出面间距最大的晶面解:(10 0)面间距为a/2,(1 1 0)面间距为J2a/2,(1 1 1)面间距为 V 3 a/3二个晶面晶面中面间距最大的晶面为（1 1 0）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1 2,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，成正四面体，如图所示则 O D=c/2,A B=B C=C A=C D=a因AABC是等边三角形，所以有O C=2/3 C E由于(B C)2=(C E)2+(B E)2V3 2 V3 V3CE=a,0C=X ep 则3 2 3有(C D)2=(O C y+(l/2
3、c)2,即(CD)2=(a)2+(lc)2=(a)23 2因此 c/a=l8/3=1.6 3 38.试证明面心立方晶格的八面体间隙半径为r=0.414R解：面心立方八面体间隙半径r=a/2-A/2 a/4=0.1 4 6 a面心立方原子半径R=d 2 a/4,则a=4 R/4 2,代入上式有R=0.146X4R/A/2=0.414R9 .a）设有一刚球模型，球的直径不变，当由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计算其体积膨胀。b）经 X 射线测定，在 9 1 2 时Y-F e 的晶格常数为0.3 6 3 3 nm,a -F e 的晶格常数为0.2 8 9 2 nm,当由丫小转化为。6时，求其体
4、积膨胀，并与a）比较，说明其差别的原因。解：a）令面心立方晶格与体心立方晶格的体积及晶格常数分别为V 面、V 踢与a 面、a 体，钢球的半径为r,由晶体结构可知，对于面心晶胞有4 r=4 2 a 面，a 面=2 t 2/2 r,V 面=（a 面）3=（2 2 r）3对于体心晶胞有4 r=d 3 a 体，a 体=4 d 3/3 r,V 体=（a 体）3=（4 3/3 r）3则由面心立方晶胞转变为体心立方晶胞的体积膨胀AV为V=2 X V-V|1=2.O lr3B）按照晶格常数计算实际转变体积膨胀A V 实，有V 实=2 Z i V 体-V 面=2 x （0.2 8 9 2）3-（0.3 6 3
5、3）3=0.0 0 0 4 2 5 nm3实际体积膨胀小于理论体积膨胀的原因在于由Y-F e 转化为a-F e 时,F e 原子的半径发生了变化，原子半径减小了。1 0.已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为0.286nm和 0.3607nm,求lcm3中铁和铜的原子数。解：室温下Fe为体心立方晶体结构，一个晶胞中含2 个Fe原子，Cu为面心立方晶体结构，一个晶胞中含有4 个 Cu原子lcm3=1021nm3令 lcm3中含Fe的原子数为NFe，含Cu的原子数为NQ,，室温下一个Fe的晶胞题解为VFe，一个Cu晶胞的体积为Vcu，则N Fe=102l/V Fe=1021/(0.286)3=3.5x
6、l018N Cu=102l/V CU=1 02 1/(0.3 6 0 7)3=2.8 X 1 01 81 1.一个位错环能不能各个部分都是螺型位错或者刃型位错，试说明之。解：不能，看混合型位错1 3.试计算 1 1 0 晶面的原子密度和晶向原子密度。解：以体心立方 110 晶面为例 110 晶面的面积S=axd2a 110 晶面上计算面积S 内的原子数N=2则 110 晶面的原子密度为P=N/S=也产111晶向的原子密度P=2/3a1 5.有一正方形位错线，其柏式矢量如图所示，试指出图中各段线的性能，并指出任性位错额外串排原子面所在的位置。D*-CABAD、BC段为刃型位错；DC、A B段为螺
7、型位错A D段额外半原子面垂直直面向里BC段额外半原子面垂直直面向外第 一 早1.证明均匀形核时，形成临界晶粒的A G k与其体积V 之间的关系为 A G k=V/2AGV证明：由均匀形核体系自由能的变化AG=-VAGv+oS（）可知，形成半径为h的球状临界晶粒，自由度变化为对（2）进行微分处理，有4 3（G）（一孑兀4 AGJ女 此 也0=一?兀A G、x3+4兀/px2,BP o=-(3)将(3)带 入(1),有rACiAGk=-VAGv+TSv=叫=2 s由于 3 3 ,即3 V=rkS将(5)带 入(4)中，则有.3 V VA G k=-V A GVH -A G,.=A G,.(4)(
8、5)2.如果临界晶核是边长为a 的正方形，试求其a G k 和 a 的关系。为什么形成立方晶核的a G k 比球形晶核要大？i l l-I I J J：A G=-V A Gv+a S=-a3A Gv+6 a2a上式做微分处理，为 0=3 a%Gv+12a o,则o=a A G v4因此 A G k=-a?A Gv+a A Gv 6 a =a?A Gv当形成球型晶核时G *=wAG、+4 7t r o ,则有O=,则3 2A G/=-J U；A Gt+4 兀/9 0工=-nr AGxA 3K 丫 +2 3K v当形成立方品核时A G =-a A G +6 a 0 ,贝 丁 有 O=一-,贝 44
9、G;=-a JAG、+6 a/QG=L JAG,*4 *4 7 4*液态金属固定，。值就固定不变了，所以。=4阻=四，则行4 2以 二 2外，代入 A G；=-ak A G（+6a.。=q A G,，贝 lj4 2G；=4 4 女 7,又A G：=；兀 不 A G，所以 G匿AG3.为什么金属结晶时一定要有过冷度，影响过冷度的因素是什么，固态金属融化时是否会出现过热，为什么？答：由热力学可知，在某种条件下，结晶能否发生，取决于固相的自由度是否低于液相的自由度，即？G=GS-GL0；只有当温度低于理论结晶温度T m时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态金属才能自发地转变为固态金属，因此
10、金属结晶时一定要有过冷度。影响过冷度的因素：影响过冷度的因素：1）金属的本性，金属不同，过冷度大小不同；2）金属的纯度，金属的纯度越高，过冷度越大；3)冷却速度，冷却速度越大，过冷度越大。固态金属熔化时会出现过热度。原因：由热力学可知，在某种条件下，熔化能否发生，取决于液相自固态金属熔化时会出现过热度。原因：由度是否低于固相的自由度，即？G=GL-GS L e+F e%0.02 1 8%时的合金组织全部为铁素体，偿=0.7 7%时全部为珠光体，K=4.3%时全部为莱氏体，%=6.6 9%时全部为渗碳体，在上述碳质量分数之间则为组织组成物的混合物；而且，同一种组成相，由于生成条件不同，虽然相的本
11、质未变，但其形态会有很大的差异。如渗碳体，当入 0.02 1 8%时，三次渗碳体从铁素体中析出，沿晶界呈小片状分布；经共析反应生成的共析渗碳体与铁素体呈交替层片状分布；从奥氏体中析出的二次渗体则以网状分布于奥氏体的晶界；共晶渗碳体与奥氏体相关形成，在莱氏体中为连续的基体，比较粗大，有时呈鱼骨状；从液相中直接析出的一次渗碳体呈规则的长条状。可见,成分的变化，不仅引起相的相对量的变化，而且引起组织的变化，从而对铁碳合金的性能产生很大的影响。1）切削加工性能钢中碳质量分数对切削加工性能有一定的影响。低碳钢的平衡结晶组织中铁素体较多，塑性、韧性很好，切削加工时产生的切削热较大，容易黏刀，而且切屑不易折
12、断，影响表面粗糙度，因此，切削加工性能不好；高碳钢中渗碳体较多，硬度较高，严重磨损刀具，切削性能也不好；中碳钢中铁素体与渗碳体的比例适当，硬度与塑性也比较适中，切削加工性能较好。一般说来，钢的硬度在1702 5 0 m 亚时切削加工性能较好。2）压力加工性能金属压力加工性能的好坏主要与金属的锻造性有关。金属的锻造性是指金属在压力加工时能改变形状而不产生裂纹的性能。钢的锻造性主要与碳质量分数及组织有关，低碳钢的锻造性较好、随着碳质量分数的增加，锻造性逐渐变差。由于奥氏体具有良好的塑性，易于塑性变形，钢加热到高温获得单相奥氏体组织时可具有良好的锻造性。白口铸铁无论在低温或高温，其组织都是以硬而脆的
13、渗碳体为基体，锻造性很差，不允许进行压力加工。3）铸造性能随着碳质量分数的增加，钢的结晶温度间隔增大，先结晶形成的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，流动性变差。铸铁的流动性要好于钢,随碳质量分数的增加，亚共晶白口铁的结晶温度间隔缩小，流动性随之提高；过共晶白口铁的流动性则随之降低；共晶白口铁的结晶温度最低，又是在恒温下结晶，流动性最好。碳质量分数对钢的收缩性也有影响，一般说来，当浇注温度一定时，随着碳质量分数的增加，钢液温度与液相线温度差增加，液态收缩增大；同时、碳质量分数增加,钢的凝固温度范围变宽，凝固收缩增大，出现缩孔等铸造缺陷的倾向增大。此外，钢在结晶时的成分偏析也随碳质量分数的增加而增大。7
14、.Fe-FeC3相图有哪些应用，又有哪些局限性答：铁一渗碳体相图的应用：1）在钢铁选材方法的应用；2）在铸造工艺方法的应用；3）在热锻、热轧、热锻工艺方法的应用；4）在热处理工艺方法的应用。渗碳体相图的局限性：1）只反映平衡相，而非组织;2）只反映铁二元合金中相的平衡；3）不能用来分析非平衡条件下的问题第五章1.试在A、B、C 成分三角形中，标出注下列合金的位置:1 )3 c=10%，3 c=10%,其余为 A；2)3 c=20%,3 c=15%,其余为 A；3)3 c=30%,3 c=15%,其余为 A；4)3 c=20%,3 c=30%,其余为 A；5）3 c=40%,A和B组元的质量比为
15、1:4；6）3 A=30%,A和B组元的质量比为2:3；解：6）设合金含B 组元为 W B,含 C 组元为 W C,则 WB/WC=2/3WB+WC=l?30%可求 WB=42%,WC=28%。2.在成分三角形中标注P(3A=70%、3B=20%、3 c=10%)；Q(3A=30%、3B=50%、3 c=20%)；N(3 c=60%)合金的位置，然后将5kgp合金、5kgQ合金和lOkgN合金熔合在一起，试问新合金的成分如何？解：设新合金的成分为3新 A、3，、3%,则有3 新 A =(5 X 3 0A +5 X 3 QA+10X 3 NA)/(5+5+1 0)=(5 X 70%+5 X30%
16、+10 X 30%)/20=40.0%;新 B=(5 X PA+5 X qa+10X3 na)/(5+5+10)=(5 X 20%+5 X50%+10X 10%)/20=22.5%;3 新 c=(5 X a0A+5X 3 qa+10 X(ONA)/(5+5+l 0)=(5 X 10%+5 X20%+10X60%)/20=37.5%;所以，新合金的成分为：3新 人=40.0%、a新B=22.5%、3新 c=37.5%。1.Aye .第 八 早屈服载荷/N620252184148174273525e角/（）8372.56248.530.51765人角/（）25.5263466374.882.51
17、k8.688 X1052.132X1062.922 X1063.633 X1063.088 X106cosXcos(1)0.1100.2700.3700.4600.391-0.2620.130计算方法 T k=。s cosXcos 4 =F/A cosXcos 巾4.试用多晶体的塑性变形过程说明金属晶粒越细强度越高、塑性越好的原因是什么？答:由 Hall-Petch公式可知，屈服强度o s 与晶粒直径平方根的倒 数 d 2呈线性关系。在多晶体中，滑移能否从先塑性变形的晶粒转移到相邻晶粒主要取决于在已滑移晶粒晶界附近的位错塞积群所产生的应力集中能否激发相邻晶粒滑移系中的位错源，使其开动起来，从而
18、进行协调性的多滑移。由t=nTo知，塞积位错数目n越大，应力集中T越大。位错数目n与引起塞积的晶界到位错源的距离成正比。晶粒越大，应力集中越大，晶粒小，应力集中小，在同样外加应力下，小晶粒需要在较大的外加应力下才能使相邻晶粒发生塑性变形。在同样变形量下，晶粒细小，变形能分散在更多晶粒内进行，晶粒内部和晶界附近应变度相差较小，引起的应力集中减小，材料在断裂前能承受较大变形量，故具有较大的延伸率和断面收缩率。另外，晶 粒 细 小，晶界就曲折，不利于裂纹传播，在断裂过程中可吸收更多能量，表现出较高的韧性。6.滑移和李生有何区别，试比较它们在塑性变形过程的作用。答：区别：1）滑移：一部分晶体沿滑移面相
19、对于另一部分晶体作切变，切变时原子移动的距离是滑移方向原区别：区别子间距的整数倍；李生：一部分晶体沿挛生面相对于另一部分晶体作切变，切变时原子移动的距离不是学生方向原子间距的整数倍；2）滑移：滑移面两边晶体的位向不变；李生：李生面两边的晶体的位向不同，成镜面对称；3）滑移：滑移所造成的台阶经抛光后，即使再浸蚀也不会重现;李生：由于李生改变了晶体取向，因此李生经抛光和浸蚀后仍能重现；4）滑移：滑移是一种不均匀的切变，它只集中在某些晶面上大量的进行，而各滑移带之间的晶体并未发生滑移；挛生：李生是一种均匀的切变，即在切变区内与李生面平行的每一层原子面均相对于其毗邻晶面沿挛生方向位移了一定的距离。作用
20、：晶体塑性变形过程主要依靠滑移机制来完成的；李生对塑性变形的贡献比滑移小得多，但李生改变了部分晶体的空间取向，使原来处于不利取向的滑移系转变为新的有利取向，激发晶体滑移。7.试述金属塑性变形后组织结构与性能之间的关系，阐明加工硬化在机械零构件生产和服役过程中的重要试述金属塑性变形后组织结构与性能之间的关系，意义。答：关系：随着塑性变形程度的增加，位错密度不断增大，位错运动阻力增加，金属的强度、硬度增加，而 关 系：关 系 塑 性、韧性下降。重要意义：1）提高金属材料的强度；2）是某些工件或半成品能够加工成形的重要因素；3）提高零件或构件在使用过程中的安全性。8.金属材料经塑性变形后为什么会保留
21、残留内应力？研究这部分残留内应力有什么实际意义？金属材料经塑性变形后为什么会保留残留内应力？研究这部分残留内应力有什么实际意义？答：残余内应力存在的原因1）塑性变形使金属工件或材料各部分的变形不均匀，导致宏观变形不均匀；2）塑性变形使晶粒或亚晶粒变形不均匀，导致微观内应力;3）塑性变形使金属内部产生大量的位错或空位，使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置，导致点阵畸变内应力。实际意义：可以控制材料或工件的变形、开裂、应力腐蚀；可以利用残留应力提高工件的使用寿命。9.何谓脆性断裂和塑性断裂，若在材料中存在裂纹时，试述裂纹对脆性材料和塑性材料断裂过程中的影响。答：塑性断裂又称为延性断裂，断裂前发生大量
22、的宏观塑性变形,断裂时承受的工程应力大于材料的屈服强度。在塑性和韧性好的金属中，通常以穿晶方式发生塑性断裂，在断口附近会观察到大龄的塑性变形痕迹，如缩颈。金属脆性断裂过程中，极少或没有宏观塑性变形，但在局部区域任然存在着一定的微观塑性变形。断裂时承受的工程应力通常不超过材料的屈服强度，甚至低于按宏观强度理论确定的许用应力，因此又称为低应力断裂。在塑性材料中，断裂是胃口形成、扩大和连接的过程，在打的应力作用下，基体金属产生塑性变形后，在基体和非金属夹杂物、析出相粒子周围产生应力集中，使界面拉开，或使异相颗粒折断形成微孔。微孔扩大和链接也是基体金属塑性变形的结果。当微孔扩大到一定的程度，相邻微孔见
23、的金属产生较大的塑性变形后就发生微观塑性失稳，就像宏观实验产生缩颈一样，此时微孔将迅速扩大，直至细缩成一线，最后由于金属与金属件的连线太少，不足以承载而发生断裂。脆性材料中，由于断裂前既无宏观塑性变形，又无其他预兆，并且一旦开裂后，裂纹扩展迅速，造成整体断裂或河大的裂口，有时还产生很多碎片，容易导致严重事故。10.何谓断裂韧度，它在机械设计中有何作用？答：在弹塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强度因子即断裂韧度。它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆断的能力，是材料的力学性能指标。第七章1.用冷拔铜丝制成导线，冷拔之后应如何处理
24、，为什么？答：冷拔之后应该进行退火处理。因为冷拔是在再结晶温度以下进行加工，因此会引起加工硬化，所以要通过回复再结晶，使金属的强度和硬度下降，提高其塑性。2.一块厚纯金属板经冷弯并再结晶退火后，试画出界面上的显微组织不意图。加热温度或保温时间-(03.已知W、Fe、Cu的熔点分别为3399、1538和1083C,试估算其再结晶温度。解：T再=oTm，其中。=0.350.4,取o=0.4,则W、Fe、Cu的再结晶温度分别为 3399cx0.4=1 359.6、1538X0.4=615.2和 1083X 0.4=433.2 4.说明以下概念的本质区别：1）一次再结晶和二次再结晶；2）再结晶时晶核长
25、大和再结晶后晶粒长大。解：1）再结晶：当退火温度足够高、时间足够长时，在变形金属或合金的显微组织中，产生无应变的新晶粒再结晶核心。新晶粒不断长大，直至原来的变形组织完全消失，金属或合金的性能也发生显著变化，这一过程称为再结晶。过程的驱动力也是来自残存的形变贮能。与金属中的固态相变类似，再结晶也有转变孕育期，但再结晶前后，金属的点阵类型无变化。再结晶完成后，正常的晶粒应是均匀的、连续的。但在某些情况下，晶粒的长大只是少数晶粒突发性地、迅速地粗化，使晶粒之间的尺寸差别越来越大。这种不正常的晶粒长大称为晶粒的反常长大。这种晶粒的不均匀长大就好像在再结晶后均匀细小的等轴晶粒中又重新发生了再结晶，所以称
26、为二次再结晶。其发生的基本条件是正常晶粒长大过程被分散相粒子、织构或表面热蚀等所强烈阻碍，当一次再结晶组织被继续加热时、上述阻碍因素一旦被消除，少数特殊晶界将迅速迁移，导致少数晶粒变大，而大晶粒界面通常是凹向外侧的，因此在晶界能的驱动下，大晶粒将继续长大，直至相互接触形成二次再结晶组织。二次再结晶为非形核过程，不产生新晶核，而是以一次再结晶后的某些特殊晶粒作为基础而长大的。5.分析回复和再结晶阶段空位与位错的变化及其对性能的影响。答：回复可分为低温回复，中温回复以及高温回复。低温回复阶段主要是空位浓度明显降低。原因：低温回复阶段主要是空位浓度明显降低。中温回复阶段由于位错运动会导致异号位错合并
27、而相互抵消，此阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消，位错 密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。高温回复的主要机制为多边化。多边化由于同号刃型位错的塞积而导致晶体点阵弯曲，由于同号刃型位错塞积而导致晶体点阵弯曲，在退火过程中通过刃型位错的攀移和滑移，通过刃型位错的攀移和滑移，使同号刃型位错沿垂直于滑移面的方向排列成小角度的亚晶界。此过程称为多边（形）化。多晶体金属塑性变形时，多晶体金属塑性变形时，金属塑性变形时滑移通常是在许多互相交截的滑移面上进行，截的滑移面上进行，产生由缠结位错构成的胞状组织。因此，多边化后不仅所形成
28、的亚晶粒小得多，而且许多亚晶界是由位错网组成的。对性能影响：去除残余应力，使冷变形的金属件在基本保持应变硬化状态的条件下，降低其内应力，以免变形或开裂，保持应变硬化状态的条件下，降低其内应力，以免变形或开裂，并改善工件的耐蚀性。并改善工件的耐蚀性。再结晶是一种形核和长大的过程，靠原子的扩散进行。冷变形金属加热时组织与性能最显著的变化就是在再结晶阶段发生的。特点：1）、组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒；2）、力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧下降，应变硬化全部消除,恢复到变形前的状态3）、变形储能在再结晶过程中全部释放。三类应 力（点阵畸变）、变形储能在再结晶过程中全部释放。对
29、性能影响：强度迅速下降，强度迅速下降，塑性迅速升高。冷变形金属在加热过程中性能随温度升高而变化，冷变形金属在加热过程中性能随温度升高而变化，在再结晶阶段发生突变。6.何谓临界变形度，在工业生产中有何意义。再结晶后的晶粒大小与冷变形时的变形程度有一定关系，在某个变形程度时再结晶后得到的晶粒特别粗大，对应的冷变形程度称为临界变形度粗大的经历对金属的力学性能十分不利，故在压力加工时，应当避免在临界变形程度范围内进行加工，一面再结晶后产生粗晶。此外,在锻造零件时，如锻造工艺或锻模设计不当，局部区域的变形量可能在临界变形度范围内，则退货后造成局部粗晶区，时零件在这些部位遭到破坏。7.一块纯锡板被枪弹击穿
30、，经再结晶退火后，大孔周围的晶粒大小有何特征，并说明原因。答：晶粒异常长大，因为受子弹击穿后，大孔周围产生了较大的变形度，由于变形度对再结晶晶粒大小有着重大影响，而且在受击穿空洞的周围其变形度呈现梯度变化，因此当变形度达到某一数值的时候，就会得到特别粗大的晶粒了。10.金属材料在热加工时为了获得较小的晶粒组织，应该注意什么问题？答：应该注意其变形度避开金属材料的临界变形度；提高再结晶退火温度；尽量使原始晶粒尺寸较细；一般采用含有较多合金元素或杂志的金属材料，这样不仅增加变形金属的储存能，还能阻碍晶界的运动，从而起到细化晶粒的作用。11.为了获得较小的晶粒组织，应该根据什么原则制定塑性变形以及退
31、火工艺？答：在热轧或锻造过程中：在热轧或锻造过程中：1）控制变形度；控制变形度；控制变形度2）控制热轧或锻造温度。控制热轧或锻造温度。控制热轧或锻造温度细化晶粒方法在热处理过程中：控制加热和冷却工艺参数，控制加热和冷却工艺参数利用相变重结晶来细化晶粒。重结晶来细化晶粒。对冷变形后退火态使用的合金：1）控制变形度；控制变形度;控制变形度2）控制再结晶退火温度和时间。控制再结晶退火温度和时间。控制再结晶退火温度和时间第八章1.何谓扩散，固态扩散有哪些种类？答：扩 散 是 物 质 中 原 子（或分子）的迁移现象，是物质传输的一种方式。固态扩散根据扩散过程是否发生浓度变化可以分为自扩散和异扩散；根据扩
32、散是否与浓度梯度的方向相同可分为上坡扩散和下坡扩散；根据扩散过程是否出现新相可分为原子扩散和反应扩散。2.何谓上坡扩散和下坡扩散?试举几个实例说明之。上坡扩散是沿着浓度升高的方向进行扩散，即由低浓度向高浓度方向扩散，使浓度发生两级分化。例如奥氏体向珠光体转变的过程中,碳原子由浓度较低的奥氏体向浓度较高的渗碳体扩散，就是上坡扩散。下坡扩散就是沿着浓度降低的方向进行的扩散，使浓度趋于均匀化，例如铸件的均匀化退火、渗碳等过程都是下坡扩散。3.扩散系数的物理意义是什么?影响因素有哪些？扩散系数D=口0 6 m)，其物理意义相当于浓度梯度为1时的扩散通量，D的值越大，则扩散越快。影响因素：4.固态金属中
33、要发生扩散必须满足哪些条件。固态金属要发生扩散，必须满足：1)扩散要有驱动力2)扩散原子要固溶3)温度要足够高4)时间要足够长5.铸造合金均匀化退火前的冷塑性变形对均匀化过程有何影响?是加速还是减缓？为什么。塑性变形有细化晶粒的作用，使均匀扩散原子迁移的距离缩短，所以应该是加速，因 为1)内能提高；2)粗大的枝晶被打碎，扩散距离缩短，扩散过程加快。.6.已知铜在铝中的扩散常数Do=O.84xlO5m2/s,Q=136xlO3J/m ol,试 计 算 在477和497时铜在铝中的扩散系数。解：由扩散系数D=D o e(R T)及已知条件D o =O.8 4 Xl(y5 m 2/s,Q=1 3 6
34、 X 1 0 3 J/m o l带入到扩散系数公式中，可得D1=Doe(-Q/R T)=O.8 4 X i0-5X e1 3 6 x l 0 A 3/8-3,x(4 7 7+2 7 3)=2.8 0 2 2X 1 0-1 5m2/sD2=Doe(-Q/R T)=O.8 4 X 1 0-5X e1 3 6 x lA 3/8-3,x(4 9 7+2 7 3)=4.9 3 9 1 X 1 0-,5m2/s故在477c和497c时铜在铝中的扩散系数分别为2.8022X 10/5m2/$和 4.9391 X 10-15m2/So8.可否用铅代替铅锡合金作对铁进行钎焊的材料，试分析说明之。答：不能，因为锡
35、在铁中的扩散速度要比铅快得多，因此用铅锡合金作为钎焊材料，有助于保证焊接接头的强度，若用铅代替，则铅在铁中的扩散速率较低，异扩散速度较慢，因此将使焊接接头性能大大降低。1 0.渗碳是将零件置于渗碳介质中使碳原子进入工件表面，然后以下坡扩散的方式使碳原子从表层向内部扩散的热处理方法。试问：(1)温度高低对渗碳速度有何影响？(2)渗碳应当在r-Fe中进行还是应当 在 a-Fe中进行？(3)空位密度、位错密度和晶粒大小对渗碳速度有何影响？答：1)温度高时渗碳速度加快。温度是影响扩散系数的最主要因素。随着温度的升高，扩散系数急剧增大。这是由于温度越高，则原子的振动能越大，因此借助于能量起伏而越过势垒进
36、行迁移的原子儿率越大。此外，温度升高，金属内部的空位浓度提高，这也有利于扩散。2)应当在Y-Fe中进行。尽管碳原子在a-Fe中的扩散系数比在Y -Fe中的大，可是渗碳温度仍选在奥氏体区域。其原因一方面是由于奥氏体的溶碳能力远比铁素体大，可以获得较大的渗层深度；另一方面是考虑到温度的影响，温度提高，扩散系数也将大大增加。3）在位错、空位等缺陷处的原子比完整晶格处的原子扩散容易得多。原子沿晶界扩散比晶内快。因此，空位密度、位错密度越大，晶粒越小，则渗碳速度越快。只靠信念虽然可以做出奇迹，但这只是表面。意志，不错，意志越坚强，工作越能完成。有志者，事竟成，破釜沉舟，百二秦关终属楚；苦心人，天不负,卧
37、薪尝胆，三千越甲可吞吴。蒲松龄朝为田舍郎，暮登天子堂。将相本无种，男儿当自强。神童诗自小多才学，平生志气高。别人怀宝剑，我有笔和刀。神童诗身如逆流船，心比铁石坚。望父全儿志，至死不怕难。（明）李时珍天下无难事，有志者成之；天下无易事，有恒者得之。书摘金属学与热处理总结一、金属的晶体结构重点内容：面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四面体间隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径,密排面上原子的堆垛顺序、晶胞、晶格、金属键的概念。晶体的特征、晶体中的空间点阵。晶格类型晶胞中的原子数 原
38、子半径 配位数致密度体心立方2 8 68%面心立方4 12 74%密排六方6 12 74%晶格类型 fcc(Al)bcc(A2)hcp(A3)间隙类型 正 四 面 体 正 八 面 体 四 面 体 扁 八 面 体 四 面 体正八面体间隙个数 8 4 12 6 12 6原 子 半 径rA间 隙 半 径rB晶胞：在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的儿何单元，用来分析原子排列的规律性，这个最小的儿何单元称为晶胞。金属键：失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。位 错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。位错的柏氏矢量具有
39、的一些特性：用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型；柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路途径无关；位错的柏氏矢量个部分均相同。刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混合型呈任意角度。晶界具有的一些特性：晶界的能量较高，具有自发长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋势；原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；相变时新相优先在晶界出形核；晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；晶界易于腐蚀和氧化；常温下晶界可以阻止位错的运动，提高材料的强度。二、纯金属的结晶重点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法，铸锭三晶区的形成机制。基本内容：结晶过程、阻力、
40、动力，过冷度、变质处理的概念。铸锭的缺陷；结晶的热力学条件和结构条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不断变化着的近程规则排列的原子集团。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶粒的方法。过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。从热力学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。根据 可知当过冷度为零时临界晶核半径Rk为无穷大，临界形核功()也为无穷大。临界晶核半径Rk与临界形核功为无穷大时，无法形核，所以液态金属不能结晶。晶体的长大也需
41、要过冷度，所以液态金属结晶需要过冷度。细化晶粒的方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌。铸锭三个晶区的形成机理：表面细晶区：当高温液体倒入铸模后,结晶先从模壁开始，靠近模壁一层的液体产生极大的过冷，加上模壁可以作为非均质形核的基底，因此在此薄层中立即形成大量的晶核，并同时向各个方向生长，形成表面细晶区。柱状晶区：在表面细晶区形成的同时，铸模温度迅速升高，液态金属冷却速度减慢，结晶前沿过冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散热最快，因而晶体沿相反方向生长成柱状晶。中心等轴晶区：随着柱状晶的生长，中心部位的液体实际温度分布区域平缓，由于溶质原子的重新分配，在固液界面前沿出现成分过冷，成分过冷区
42、的扩大，促使新的晶核形成长大形成等轴晶。由于液体的流动使表面层细晶一部分卷入液体之中或柱状晶的枝晶被冲刷脱落而进入前沿的液体中作为非自发生核的籽晶。重点内容：杠杆定律、相律及应用。基本内容：相、匀晶、共晶、包晶相图的结晶过程及不同成分合金在室温下的显微组织。合金、成分过冷；非平衡结晶及枝晶偏析的基本概念。相律：f=C-p+1其中，f为自由度数，C为 组 元 数，p为 相数。伪共晶：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也可能得到全部共晶组织，这种共晶组织称为伪共晶。合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结、或用其它方法组合而成的具有金属特性的物质。合金相：在合
43、金中，通过组成元素（组元）原子间的相互作用，形成具有相同晶体结构与性质，并以明确界面分开的成分均一组成部分称为合金相。四、铁碳合金重点内容：铁碳合金的结晶过程及室温下的平衡组织，组织组成物及相组成物的计算。基本内容：铁素体与奥氏体、二次渗碳体与共析渗碳体的异同点、三个恒温转变。钢的含碳量对平衡组织及性能的影响；二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体相对量的计算；五种渗碳体的来源及形态。奥氏体与铁素体的异同点：相同点：都是铁与碳形成的间隙固溶体；强度硬度低，塑性韧性高。不同点：铁素体为体心结构，奥氏体面心结构；铁素体最高含碳量为0.0218%,奥氏体最高含碳量为2.11%,铁素体是由奥氏体直接转变或
44、由奥氏体发生共析转变得到，奥氏体是由包晶或由液相直接析出的；存在的温度区间不同。二次渗碳体与共析渗碳体的异同点。相同点：都是渗碳体，成份、结构、性能都相同。不同点：来源不同，二次渗碳体由奥氏体中析出，共析渗碳体是共析转变得到的；形态不同二次渗碳体成网状，共析渗碳体成片状；对性能的影响不同，片状的强化基体，提高强度，网状降低强度。成分、组织与机械性能之间的关系：如亚共析钢。亚共析钢室温下的平衡组织为F+P,F的强度低，塑性、韧性好，与F相 比P强度硬度高，而塑性、韧性差。随含碳量的增加，F量减少，P量增加（组织组成物的相对量可用杠杆定律计算）。所以对于亚共析钢，随含碳量的增加，强度硬度升高，而塑
45、性、韧性下降五、三元合金相图重点内容：固态下无溶解度三元共晶相图投影图中不同区、线的结晶过程、室温组织。基本内容：固态下无溶解度三元共晶相图投影图中任意点的组织并计算其相对量。三元合金相图的成分表示法；直线法则、杠杆定律、重心法则。六、金属及合金的塑性变形与断裂重点内容：体心与面心结构的滑移系；金属塑性变形后的组织与性能。基本内容：固溶体强化机理与强化规律、第二相的强化机理。霍尔配奇关系式；单晶体塑性变形的方式、滑移的本质。塑性变形的方式：以滑移和李晶为主。滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分作相对的滑动。滑移的本质是位错的移动。体心结构的滑移系个数为1 2,滑移面：1 1 0,
46、方向面心结构的滑移系个数为1 2,滑移面：1 1 1,方向 110。金属塑性变形后的组织与性能：显微组织出现纤维组织，杂质沿变形方向拉长为细带状或粉碎成链状，光学显微镜分辨不清晶粒和杂质。亚结构细化，出现形变织构。性能：材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降；比电阻增加，导电系数和电阻温度系数下降，抗腐蚀能力降低等。七、金属及合金的回复与再结晶重点内容：金属的热加工的作用；变形金属加热时显微组织的变化、性能的变化，储存能的变化。基本内容：回复、再结的概念、变形金属加热时储存能的变化。再结晶后的晶粒尺寸；影响再结晶的主要因素性能的变化规律。变形金属加热时显微组织的变化、性能的变化：随温度的升高，金
47、属的硬度和强度下降，塑性和韧性提高。电阻率不断下降，密度升高。金属的抗腐蚀能力提高，内应力下降。再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化状态，这个过程称之为再结晶。热加工的主要作用（或目的）是：把钢材加工成所需要的各种形状，如棒材、板材、线材等；能明显的改善铸锭中的组织缺陷，如气泡焊合，缩松压实，使金属材料的致密度增加；使粗大的柱状晶变细，合金钢中大块状碳化物初晶打碎并使其均匀分布；减轻或消除成分偏析，均匀化学成分等。使材料的性能得到明显的改善。影响再结晶的主要因素：再结晶退火温度：退火温度越高（保温时间一
48、定时），再结晶后的晶粒越粗大；冷变形量：一般冷变形量越大，完成再结晶的温度越低，变形量达到一定程度后，完成再结晶的温度趋于恒定；原始晶粒尺寸：原始晶粒越细，再结晶晶粒也越细；微量溶质与杂质原子，一般均起细化晶粒的作用；第二相粒子，粗大的第二相粒子有利于再结晶，弥散分布的细小的第二相粒子不利于再结晶；形变温度，形变温度越高，再结晶温度越高，晶粒粗化；加热速度，加热速度过快或过慢，都可能使再结晶温度升高。塑性变形后的金属随加热温度的升高会发生的一些变化：显微组织经过回复、再结晶、晶粒长大三个阶段由破碎的或纤维组织转变成等轴晶粒，亚晶尺寸增大；储存能降低，内应力松弛或被消除；各种结构缺陷减少；强度、
49、硬度降低，塑性、韧度提高；电阻下降，应力腐蚀倾向显著减小。八、扩散重点内容：影响扩散的因素；扩散第一定律表达式。基本内容：扩散激活能、扩散的驱动力。柯肯达尔效应，扩散第二定律表达式。柯肯达尔效应：由置换互溶原子因相对扩散速度不同而引起标记移动的不均衡扩散现象称为柯肯达尔效应。影响扩散的因素：温度：温度越高，扩散速度越大；晶体结构：体心结构的扩散系数大于面心结构的扩散系数；固溶体类型：间隙原子的扩散速度大于置换原子的扩散速度;晶 体 缺 陷：晶体缺陷越多，原子的扩散速度越快；化学成分：有些元素可以加快原子的扩散速度，有些可以减慢扩散速度。扩散第一定律表达式：扩散第一定律表达式：其中，J为扩散流量
50、；D为扩散系数；为浓度梯度。扩散的驱动力为化学位梯度，阻力为扩散激活能九、钢的热处理原理重点内容：冷却时转变产物（P、B、M）的特征、性能特点、热处理的概念。基本内容：等温、连续C-曲线。奥氏体化的四个过程；碳钢回火转变产物的性能特点。热处理：将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却下来，让其获得所需要的组织结构和性能的一种热加工工艺。转 变 产 物（P、B、M）的特征、性能特点：片状P体，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好；粒 状P体，F e 3 c颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高。第二相的数量越多，对塑性的危害越大；片状与粒状相比，片状强度高