材料科学基础习题
叶荷 11及材料班 2013-1-10
第三章 二元合金相图和合金的凝固
一、名词：
相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。 平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。 成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。 异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象。 共晶转变：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。
脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。 包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，
形成另一个一定成分的固相的转变过程。
成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。
二、简答：
1. 固溶体合金结晶特点？
答：异分结晶；需要一定的温度范围。 2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？
答：溶质平衡分配系数k0；溶质原子扩散能力；冷却速度。 3. 影响成分过冷的因素？
答：合金成分；液相内温度梯度；凝固速度。 4. 相图分折有哪几步？
答：以稳定化合物为独立组元分割相图并分析；熟悉相区及相；确定三相平衡转变性质。 三、绘图题
绘图表示铸锭宏观组织三晶区。 四、书后习题
1、何谓相图？有何用途？
答：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。
相图的作用：由相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。 2、什么是异分结晶？什么是分配系数？
答：异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。 3、何谓晶内偏析？是如何形成的？影响因素有哪些？对金属性能有何影响，如何消除？
答：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象
形成过程：固溶体合金平衡结晶使前后从液相中结晶出的固相成分不同，实际生产中，液态合金冷却速度较大，在一定温度下扩散过程尚未进行完全时温度就继续下降，使每个晶粒内部的化学成分布均匀，先结晶的含高熔点组元较多，后结晶的含低熔点组元较多，在晶粒内部存在着浓度差。
影响因素：1）分配系数k0：当k01时，k0值越小，则偏析越大；当k01时，k0越大，偏析也越大。2）溶质原子扩散能力，溶质原子扩散能力大，则偏析程度较小；反之，则偏析程度较大。3）冷却速度，冷却速度越大，晶内偏析程度越严重。
对金属性能的影响：使合金的机械性能下降，特别是使塑性和韧性显著降低，甚至使合金不容易压力加工。也使合金的抗蚀性能降低。
消除办法：扩散退火或均勺化退火 6、何谓共晶反应和包晶反应？写出反应式。
答：共晶反应：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成
tEMN 分一定的固相的转变过程。LE包晶反应：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。
tDLCPD
8、什么是成分过冷？
答：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。
9、试述纯金属与固溶体合金结晶过程中形核、长大的条件及方式有何异同？
答：纯金属结晶过程中的形核、长大的条件：要满足结构起伏、能量起伏。
固溶体合金结晶过程中的形核、长大的条件：要满足结构起伏、能量起伏和成分起伏。
固溶体合金结晶是在一定的温度范围的异分结晶，纯金属结晶是在一定温度下的同分结晶。
10、何谓相组成物和组织组成物？画出冷却曲线分析w(Sn)=70%Pb-Sn合金的平衡结晶过程，并计算室温下该合金相组成物和组织组成物的相对含量。 答：相组成物：组成合金的各相
组织组成物：在显微组织中能清楚地区分开，是组成显微组织的独立部分。
冷却曲线：
平衡结晶过程：当合金I缓慢冷却到1点时，开始从液相中结晶出β固溶体。在1~2点温度范围内，随着温度的降低，β固溶体的数量不断增多，而液相的数量不断减少，它们的成分分别沿固相线BN和液相线BE发生变化。2点时，β相和剩余液相的成分分别到达N点和E点。在温度tE、成分为E点的液相便发生共晶转变
tELEMN。在2点以下继续冷却时，将从β相(包括先共晶
β相和共晶组织中的β相)和 (共晶组织中的)分别析出次生相II和II。
室温下该合金相组成物的相对含量：
WWG310070100%30.6% GF1002F3702100%69.4% GF1002组织组成物的相对含量：+II+共晶组织（+）
W共晶（+）WW22N97.570100%77.2% EN97.561.9E2FN7061.997.52100%22.2% ENFG97.561.91002E2NG7061.910097.5100%0.6% ENFG97.561.9100213、何谓共析转变？与共晶转变比较有何异同？
答：共析转变：一定成分的固相在一定温度下分解为另外两个一定成分的固相的转变过程。
相同点：都是由一个相分解为两个相的三相恒温转变，三相成分点在相图上的分布是一样的。
不同点：共析反应的反应相是固相，而共晶反应的反应相是液相。共析组织比共晶组织致密。
第3章 二元合金相图和合金的凝固复习题纲
重点：二元相图的结晶过程（冷却曲线、组织变化示意图）；填写相组成物、组织组成物；杠杆定律的计算；铸锭的三个晶区。
一、选择题
1.二元合金在进行共晶反应时为__c______相平衡共存。 a单 b双 c三 d多
2.铸造性能最佳的合金应该是__c_______成分的合金。 a 固溶体 b亚共晶 c共晶 d过共晶
3.在金属或合金中凡是具有___b______并与其他部分有界面分开的，均匀的组成部分，均称之为相。
a相同成分，不同晶体结构 b相同成分，相同晶体结构 c 不同成分，相同晶体结构
4.相图是表示合金系中合金在___b______条件下各相的存在状态与温度，成分间的关系的图解。
a 常压 b平衡 c 较慢冷却 d较慢加热
5.在实际冷却速度____b_____的条件下，以树枝晶方式结晶的固溶体中，先后结晶的树枝状晶体内化学成分不均匀的现象，称为枝晶偏析。a 较慢 b 较快 c 适中 d极为缓慢
6.在_____b____下，由一定成分的液相，同时结晶出成分一定且不相同的两个固相的较变，称为共晶转变(或共晶反应)a连续降温条件 b一定温度 c 一定冷却速度 d温度变化不大条件
7.在一定温度下，由成分一定的____c_____同时析出两种成分一定且不相同的____e_____的转变，称为共析转变(或共析反应) a 气相 b液相 c 固相 d 新液相 e新固相
8.在二元合金相图中，对某已知成分合金应用杠杆定律时，首先必须明确是在_____b____应用?然后必须进一步明确是在该区的___d______求解?接着要确定做为分母线及分子线段的杠杆长度。
a 哪个单相区中 b 哪个两相区中 c哪种成分下d 哪个温度下 e什么压力下
9.产生枝晶偏析的原因是由于____d_____。
a 液固相线间距很小，冷却缓慢 b液固相线间距很小，冷却速度大c 液固相线间距大，冷却缓慢 d液固相线间距大，冷却速度也大 二、判断题
(1)共晶转变和共析转变都是从单相中产生双相的转变，而且又是在恒温下进行，处于平衡状态的三相的成分都是固定不变的。(∨ )
(2)在二元合金系中，只有共晶成分的合金在结晶时才能发生共晶转变，其它任何成分的合金在结晶时都不可能发生共晶转变。(×)
(3)在二元合金系中，只有共析成分的合金在结晶时才能发生共析转变，其它任何成分的合金在结晶时都不可能发生共析转变。(×)
(4)二元合金结晶过程中共晶转变和共析转变的反应式和转变产物都是相同的。(× )
(5)在二元合金相图中，液相线与固相线之间的垂直距离(温度间隔)及其水平距离(成分间隔)比较大的合金，铸造时流动性比较好，偏析倾向及产生热裂纹的倾向均比较小。(× )
(6)在二元合金相图中，在三相平衡的水平线上，当转变正在进行时不能应用杠杆定律。但在转变尚未开始之前或转变刚刚完成后，在水平线上可以应用杠杆定
律。(∨ )
(7)在二元合金相图中，固态下只要α相、β相有溶解度变化，那么整个α+β两相区内各成分合金，室温下的平衡组织中均同时存在次生相，αⅡ和βⅡ。(× )
三.在图4—30所示相图中，请指 (1) 水平线上反应的性质； (2) 各区域的组织组成物； (3) 分析合金I，II的冷却过程；
(４) 室温下合金I，II的组织组成物的相对量表达式；
7. (1) 高温区水平线为包晶线，包晶反应：Lj+δk→αn 中温区水平线为共晶线，共晶反应：Ld′→αg+βh (2) 各区域组织组成物如图4—30中所示。 (3) I合金的冷却曲线和结晶过程如附图2.9所示。
1～2，均匀的液相L。
2～3匀晶转变，L→δ不断结晶出δ相。 3～3′，发生包品反应L+δ→α。 3′～4，剩余液相继续结晶为α。 4，凝固完成，全部为α。 4～5，为单一α相，无变化。
5～6，发生脱溶转变α→βII。室温下的组织为α+βII。
II合金的冷却曲线和结晶过程如附图2.10所示。 1～2，均匀的液相L。
2～3，结晶出α初，随温度下降α相不断析出，液相不断减少。 3～3′，剩余液相发生共晶转变L→α+β。
3′～4，α→βII，β→αII，室温下的组织为。α初+（α+β）共+βII (4)室温时，合金I、II组织组成物的相对量可由杠杆定律求得。 合金I：
第一章 原子排列与晶体结构
1. fcc结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,晶胞中原子数为 ，把原子视为刚性球时，原子的半径r与点阵常数a的关系是 ；bcc结构的密排方向是 ，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ，原子的半径r与点阵常数a的关系是 ；hcp结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,，晶胞中原子数为 ，原子的半径r与点阵常数a的关系是 。
2. Al的点阵常数为0.4049nm，其结构原子体积是 ，每个晶胞中八面体间隙数为 ，四面体
间隙数为 。
3. 纯铁冷却时在912 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构，配位数 ，致密度降低 ，晶体体积 ，原子半径发生 。
（112）4. 在面心立方晶胞中画出晶面和[112]晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平面上的方向。在hcp
（1210）晶胞的（0001）面上标出晶面和[1210]晶向。
5. 求[111]和[201]两晶向所决定的晶面。
6 在铅的（100）平面上，1mm2有多少原子？已知铅为fcc面心立方结构，其原子半径R=0.175×10-6mm。
第二章 合金相结构
一、 填空
1） 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 ，塑性 ，导电性 ，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数 。
2） 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1） ；（2） ；（3） ；（4） 和环境因素。
3） 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。
4） 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为 和 。
5） 无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ，塑性 ，导电性 。
6）间隙固溶体是 ，间隙化合物是 。
二、 问答
1、 分析氢，氮，碳，硼在-Fe 和-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。已知元素的原子半径如下：氢：0.046nm，氮：0.071nm，碳：0.077nm，硼：0.091nm，-Fe：0.124nm，-Fe ：0.126nm。
2、简述形成有序固溶体的必要条件。
第三章 纯金属的凝固
1. 填空
1. 在液态纯金属中进行均质形核时，需要 起伏和 起伏。 2 液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括两部分，其中 自由能是形核的阻力， 是形核的动力；临界晶核半径rK与过冷度T关系为 ，临界形核功GK等于 。 3 动态过冷度是指 。 4 在工厂生产条件下，过冷度增大，则临界晶核半径 ，金属结晶冷却速度越快，N/G比值 ，晶粒越 。
5. 获得非晶合金的基本方法是 。
二、 问答
1 根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。
2 试根据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点。
3 简述液态金属结晶时，过冷度与临界晶核半径，形核功及形核率的关系。
－
4 铜的熔点Tm=1356K，熔化热Hm=1628J/cm2，=177×107J/cm，点阵常数a=0.3615nm。求铜T=100 时均匀形核的临界核心半径。
5：何谓过冷，过冷度，动态过冷度，它们对结晶过程有何影响？
6 根据冷却速度对金属凝固后组织的影响，现要获得微晶，非晶，亚稳相，请指出其凝固时如何控制。
7、简述纯金属凝固时润湿角θ、杂质颗粒的晶体结构和表面形态对异质形核的影响。
第四章 二元合金相图与合金凝固
一、填空
1. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有 起伏。 2. 按液固界面微观结构，界面可分为 和 。
3. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是 ，光滑界面晶体的长大机制是 和 。
4 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生 偏析，用 热处理方法可以消除。 5 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈 状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为 状。
6. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为 。
7 固溶体合金凝固时，溶质分布的有效分配系数ke= ，当凝固速率很大时ke趋于 。
8. 在二元相图中，L1→+L2叫 反应，→L+称为 转变，而反应１—２＋称为 反应，+称为 反应。
9 Fe-Fe3C相图中含碳量小于 为钢，大于 为铸铁；铁碳合金室温平衡组织均由 和 两个基本相组成；根据溶质原子的位置，奥氏体其晶体结构是 ，是 固溶体，铁素体是 ，其晶体结构是 ，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含量是 ；珠光体的含碳量是 ，它是由 和 组成的两相混合物；莱氏体的含碳量
是 ；在常温下，亚共析钢的平衡组织是 ，过共析钢的平衡组织是 ，亚共晶白口铸铁的平衡组织是 ，莱氏体的相组成物是 ，变态莱氏体的相组成物是 ，Fe3CI是从 中析出的，Fe3CII是从 中析出的，Fe3CIII是从 中析出的，它们的含碳量为 ，Fe3C主要性能特点是 ，A共析反应后的生成物称为 。
2 问答
1 如图4-1所示为Ni-Al相图
1） 填出相图中各相区的平衡相；
2） 指出图中的稳定化合物和不稳定化合物； 3） 写出图中存在的恒温反应，指明反应类型；
4） 指出含Ni 30%(重量)的合金在平衡冷却时的相变过程，计算室温下的相组成与组织组成，并计算出
其中组织组成物的百分数。
5） 试说明含Ni89%（重量）的Ni-Al合金其平衡凝固与非平衡凝固后的显微组织的不同。
6） 设X合金平衡凝固完毕时的组织为（Al）初晶+(+)共晶，其中初晶占80%，则此合金中Ni
组元的含量是多少？
7） 绘出1500 时Al-Ni合金系的自由能—成分曲线示意图。
图4-1 图4-2
2 根据Cu-Sn相图（图4-2），Cu为fcc结构。回答下列问题： 1）相为何种晶体结构？
2）计算212℃时Cu-90%Sn合金在TE温度时（共晶反应前）的平衡分配系数。
3）Cu-13.47%Sn合金在正常条件下凝固后，相的晶界上出现少量相，其原因何在？如何消除相？
4）分析Cu-70%Sn合金平衡凝固过程，并计算共晶反应刚完毕时相组成物和组织组成物的相对含量。 5）画出Cu-Sn系合金在450℃时各相自由能---成分曲线示意图。
图4-3 图4-4
3 如图4-3为Mg-Y相图
1） 填相区组成，写出相图上等温反应及Y=5%wt时的合金K在室温时的平衡组织。 2） 已知Mg为hcp结构，试计算Mg晶胞的致密度； 3） 指出提高合金K强度的可能方法
4） 简述图中Y=10%wt之合金可能的强化方法。
4 试说明纯Al和铝－铜单相固溶体结晶的异同。
5 根据4-4的铁碳亚稳平衡相图回答下列问题：
1） 写出下列Fe3CII含量最多的合金；珠光体含量最多的合金；莱氏体含量最多的合金。 2） 指出此二元系中比较适合做变形合金和铸造合金的成分范围。 3） 如何提高压力加工合金的强度。
4） 标注平衡反应的成分及温度，写出平衡反应式。
5） 分析Fe-1%C合金的平衡凝固过程，并计算室温下其中相组成物和组织组成物的百分含量， 6） 分析Fe-1%C合金在亚稳冷却转变和淬火冷却转变后组织的差异。
7） 根据Fe-Fe3C状态图确定下列三种钢在给定温度下的显微组织（填入表中） 含碳量 0.4 0.77 1.0 温度 680℃ 700℃ 显微组织 P P+Fe3CⅡ 温度 900℃ 刚达到770℃ 刚达到770℃ 显微组织 A+F A A+Fe3C 770℃停留一段时间 P+F 8) 画出1200℃时各相的自由能---成分曲线示意图。
图4-5 图4-6
6：A为金属元素，B为非金属元素，形成二元相图如图4-5：
1）画出Ⅱ合金平衡冷却曲线以及平衡结晶后组织示意图，计算其室温下相组成物及组织组成物相对含量。 2）试分析不同冷却速度对下图中Ⅰ合金凝固后显微组织的影响。
3）Ⅰ合金在工业条件冷凝后如对合金进行扩散退火，应如何确定退火温度。
7：简述典型金属凝固时，固/液界面的微观结构，长大机制，晶体在正温度梯度下、负温度梯度下成长时固/液界面的形态。
8：根据Pb-Bi相图（图4－6）回答下列问题： 1） 把空相区填上相的名称。
2） 设X合金平衡凝固完毕时的相组成物为和(Bi)，其中相占80%，则X合金中Bi组元的含量是多
少？
3） 设Y合金平衡凝固完毕时的组织为(Bi)初晶+[+（Bi）]共晶，且初晶与共晶的百分含量相等，则此合
金中Pb组元的含量是多少？
4） Pb-30%Bi合金非平衡凝固后室温下组织与平衡凝固组织有何不同。
第五章 三元合金相图
1 根据Fe－C－Si的3.5%Si变温截面图（5－1），写出含0.8%C的Fe-C-Si三元合金在平衡冷却时的相变过程和1100℃时的平衡组织。
图5－1
2 图5－2为Cu-Zn-Al合金室温下的等温截面和2%Al的垂直截面图，回答下列问题： 1） 在图中标出X合金（Cu-30%Zn-10%Al）的成分点。
2） 计算Cu-20%Zn-8%Al和 Cu-25%Zn-6%Al合金中室温下各相的百分含量，其中α相成分点为Cu-22.5%Zn-3.45%Al，γ相成分点为Cu-18%Zn-11.5%Al。 3） 分析图中Y合金的凝固过程。 Y
图5－2
％
3 如图5－3是A-B-C三元系合金凝固时各相区，界面的投影图，A、B、C分别形成固溶体α、β、γ。 1） 写出pP，E1P和E2P单变量线的三相平衡反应式。 2） 写出图中的四相平衡反应式。
3） 说明O合金凝固平衡凝固所发生的相变。
图5－3 图5－4
4 图5－4为Fe-W-C三元系的液相面投影图。写出e1→1085℃，P1→1335℃，P2→1380℃单变量线的三相平衡反应和1700℃，1200℃，1085℃的四相平衡反应式。I，II，III三个合金结晶过程及室温组织，选择一个合金成分其组织只有三元共晶。
5 如图5－5为Fe-Cr-C系含13%Cr的变温截面
１）大致估计2Cr13不锈钢的淬火加热温度（不锈钢含碳量０.２％, 含Cr量13％） ２）指出Cr13模具钢平衡凝固时的凝固过程和室温下的平衡组织（Cr13钢含碳量2%）
３）写出（１）区的三相反应及７９５ 时的四相平衡反应式。
图5－5 图5－6
6 如图5－6所示，固态有限溶解的三元共晶相图的浓度三角形上的投影图，试分析IV区及VI区中合金之凝固过程。写出这个三元相图中四相反应式。
图5－7
7 分析如图5－7所示的三元相图，该合金中E点成分为27Pb18Sn55Bi，γ相成分取100％Bi。 1）指出这个三元系的初晶面，写出四相平衡反应式； 2）分析该三元合金系中1，2，3，4合金平衡结晶过程；
3）要配制一个初晶为γ，具有三元共晶而无二元共晶且γ/三元共晶=0.5的合金，计算该合金的成分。
第六章 空位与位错
一、 名词解释
空位平衡浓度，位错，柏氏回路，P-N力，扩展位错，堆垛层错，弗兰克-瑞德位错源， 奥罗万机制，科垂耳气团，面角位错，铃木气团，多边形化
二、 问答
1 fcc晶体中，层错能的高低对层错的形成、扩展位错的宽度和扩展位错运动有何影响？层错能对金属材料冷、热加工行为的影响如何？
2. 在铝单晶体中（fcc结构），
aaa[110][211][121]1） 位错反应26]+6能否进行？写出反应后扩展位错宽度的表达式和式中各
a[110]2符号的含义；若反应前的是刃位错，则反应后的扩展位错能进行何种运动？能在哪个晶面上进行
a[110]运动？若反应前的2是螺位错，则反应后的扩展位错能进行何种运动？
2） 若（1，1，1）面上有一位错
－1。写出位错反应方程式，说明新位错的性质，是否可动。
3） 写出（111）与（111）两个滑移面上两全位错所分解为肖克莱不全位错的两个反应式。
baa[101]b[011]（111）22，与面上的位错发生反应，如图6
a2114） 如果两扩展位错运动，当它们在两个滑移面交线AB相遇时，两领先不全位错为6和
a[121]6，两领先位错能否发生反应，若能，求新位错柏氏矢量；分析新形成位错为何种类型位错，能否
自由滑移，对加工硬化有何作用。
图6－1
Gb2RESln4r0。若金属材料亚晶尺寸为R=10-3~10-4cm，r0约为10-8cm，铜的3 螺旋位错的能量公式为
－
G＝4×106N/cm2，b＝2.5×108cm。
（1）试估算Es
（2）估算Cu中长度为1个柏氏矢量的螺型位错割阶的能量。
4 平衡空位浓度与温度有何关系？高温淬火对低温扩散速度有何影响？
5 已知Al的空位形成能为0.76eV，问从27 升温到627 时空位浓度增加多少倍（取系数A=1）
6 在一个刃型位错附近放置另一个与之平行同号的另一个刃型位错，其位置如图6－2所示1，2，3，问它们在滑移面上受力方向如何？
3 2
1
图6－2
7、位错对金属材料有何影响？
第七章 金属塑性变形
一 名词解释
固溶强化，应变时效，孪生，临界分切应力，变形织构
二 问答
1 单相合金的冷塑性变形与纯金属的室温塑性变形相比，有何特点。
2 金属晶体塑性变形时，滑移和孪生有何主要区别？
3 A-B二元系中，A晶体结构是bcc，形成α固溶体，B晶体结构是fcc，形成β固溶体，A与B形成相，其晶体结构是hcp：
1） 指出，，三个相的常见滑移系；
2） 绘出它们单晶变形时应力-应变曲线示意图，试解释典型低层错能面心立方单晶体的加工硬化曲线，并比较与多晶体加工硬化曲线的差别。
4 简述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构的成因及对金属材料性能的影响。
5 为什么金属材料经热加工后机械性能较铸造态好。
6 何为加工硬化？列出产生加工硬化的各种可能机制。（不必说明），加工硬化现象在工业上有哪些作用？
7 铝单晶体拉伸时，其力轴为[001]，一个滑移系的临界分切应力为0.79MN/m2，取向因子COSCOS=0.41,试问有几个滑移系可同时产生滑移？开动其中一个滑移系至少要施加多大的拉应力？
9 简要说明第二相在冷塑性变形过程中的作用。
10 讨论织构的利弊及控制方法。
11 叙述金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化。
12 图7－1所示低碳钢的三条拉伸曲线，1－塑性变形；2－去载后立即再行加载；3－去载后时效再加载。试回答下列问题：
1） 解释图示曲线2无屈服现象和曲线3的屈服现象。
2） 屈服现象对金属变形制件表面质量有何影响，如何改善表面质量。
13 退火纯Fe，其晶粒尺寸d=1/4mm时，其屈服点s=100MNm-2；d=1/64mm时s=250MNm-2。d=1/16mm时，根据霍尔—配奇公式求其s为多少？
第八章 回复与再结晶
1 名词
变形织构与再结晶织构，再结晶全图，冷加工与热加工，带状组织，加工流线，动态再结晶，临界变形度，二次再结晶，退火孪晶
2 问答
1 再结晶与固态相变有何区别？
2 简述金属冷变形度的大小对再结晶形核机制和再结晶晶粒尺寸的影响。
3 灯泡中W丝在高温下工作，发生显著晶粒长大性能变脆，在热应力作用下破断，试找出两种延长钨丝寿命的方法？
4 户外用的架空铜导线（要求一定的强度）和户内电灯用花线，在加工之后可否采用相同的最终热处理工艺？为什么？
5 纯铝经90%冷变形后，取三块试样分别加热到70 ，150 ，300 ，各保温一小时后空冷，纯铝的熔点为660。
1） 分析所得组织，画出示意图；
2） 说明它们强度、硬度的高低和塑性方面的区别并简要说明原因。
7 今有工业纯钛、纯铝和纯铅铸锭，试问如何选择它们的轧制开坯温度？开坯后，将它们在室温（20℃）进行轧制，它们的塑性谁好谁坏？为什么？它们在室温下可否连续轧制下去？钛、铅、铝分别怎样才能轧成很薄的带材？
已知：工业纯金属的再结晶温度T再=（0.3-0.4）T熔，钛熔点1672℃，883℃以下为hcp，883℃以上为bcc；铝熔点为660℃，fcc结构（面心立方）；铅熔点为327℃，fcc结构（面心立方）。
8 试说明晶粒大小对金属材料室温及高温力学性能的影响，在生产中如何控制材料的晶粒度。
9 如何提高固溶体合金的强度
10 试用位错理论解释固溶强化，弥散强化，以及加工硬化的原因。
第九章 表面与界面
1 名词
正吸附，晶界能，小角度晶界，晶界偏析
2 问答
1 试说明界面对复合材料结合强度的影响。
2 试述晶界的特性。
3 分析晶界能的变化。
4 分析影响晶界迁移的因素
第十章 原子扩散
1、 简要说明影响溶质原子在晶体中扩散的因素。
＋＋
2、Ni板与Ta板中有0.05mm厚MgO板作为阻挡层，1400℃时Ni通过MgO向Ta中扩散，此时Ni在
－－
MgO中的扩散系数为D=9×1012cm2/s，Ni的点阵常数为3.6×108cm。问每秒钟通过MgO阻挡层在2×
＋
2cm2的面积上扩散的Ni数目，并求出要扩散走1mm厚的Ni层需要的时间。
3、对含碳0.1％齿轮气体渗碳强化，渗碳气氛含碳1.2％，在齿轮表层下0.2cm处碳含量为0.45%时齿轮达到最佳性能。已知铁为FCC结构，C在Fe中的D0＝0.23，激活能Q＝32900cal/mol，误差函数如表10－1。 1）试设计最佳渗碳工艺；
2）在渗碳温度不变，在1000℃时渗碳，要将渗碳厚度增加1倍，即要求在其表面下0.4cm处渗碳后碳含量为0.45%所需渗碳时间。
xxerf(2Dt) 0.0000 0.1125 0.2227 0.3286 0.4284 0.5205 0.6039 xxerf(2Dt) 0.6778 0.7421 0.7969 0.8247 0.8802 0.9103 0.9340 表10－1 2Dt与erf(2Dt)的对应值 x2Dt 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 x2Dt 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 x2Dt 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 xerf(2Dt) 0.9523 0.9661 0.9763 0.9838 0.9891 0.9928 0.9953 4 一块厚度10毫米，含碳量0.77%的钢在强脱碳气氛中加热到800℃，然后缓慢冷却，试指出试样从表面到心部的组织分布。
5 一块用作承载重物的低碳钢板，为提高其表面硬度采用表面渗碳，试分析：
1) 渗碳为什么在-Fe中进行而不在-Fe中进行，即渗碳温度选择要高于727 ，为什么？ 2) 渗碳温度高于1100 会出现什么问题？
6 铜-锌基单相固溶体进行均匀化处理，试讨论如下问题：
1) 在有限时间内能否使枝晶偏析完全消失？
2) 将此合金均匀化退火前进行冷加工，对均匀化过程是加速还是无影响？说明理由。
7 原子扩散在材料中的应用
8 何谓上坡扩散，举两个实例说明金属中上坡扩散现象。 9、简述固溶体合金的扩散机制
第一章 原子排列与晶体结构
6. [110]， (111)， ABCABC…， 0.74 ， 12 , 4 ，
r2a4； [111]， (110) , 0.68 , 8 , 2 ，
r7.
8. 9. 10.
3aar4 ； [1120]， (0001) ， ABAB ， 0.74 ， 12 ， 6 ， 2。
0.01659nm3 ， 4 ， 8 。
FCC ， BCC ，减少 ，降低 ，膨胀 ，收缩 。 解答：见图1－1
解答：设所决定的晶面为（hkl），晶面指数与面上的直线[uvw]之间有hu+kv+lw=0，故有： h+k-l=0,2h-l=0。可以求得（hkl）＝（112）。
6 解答：Pb为fcc结构，原子半径R与点阵常数a的关系为（100）平面的面积S＝a2＝0.244926011×0-12mm2，每个（100）面上的原子个数为2。 所以1 mm2上的原子个数
r2a4，故可求得a＝0.4949×10-6mm。则
n1s＝4.08×1012。
第三章 合金相结构
一、 填空
1） 提高，降低，变差，变大。 2） （1）晶体结构；（2）元素之间电负性差；（3）电子浓度 ；（4）元素之间尺寸差别 3） 存在溶质原子偏聚 和短程有序 。 4） 置换固溶体 和间隙固溶体 。 5） 提高 ，降低 ，降低 。
6） 溶质原子溶入点阵原子溶入溶剂点阵间隙中形成的固溶体，非金属原子与金属原子半径的比值大于0.59时形成的复杂结构的化合物。
三、 问答
1、 解答： -Fe 为bcc结构，致密度虽然较小，但是它的间隙数目多且分散，间隙半径很小，四面体间隙半径为0.291Ra，即R＝0.0361nm，八面体间隙半径为0.154Ra，即R＝0.0191nm。氢，氮，碳，硼由于与-Fe的尺寸差别较大，在-Fe中形成间隙固溶体，固溶度很小。-Fe的八面体间隙的[110]方向R=0.633 Ra，间隙元素溶入时只引起一个方向上的点阵畸变，故多数处于-Fe的八面体间隙中心。B原子较大，
有时以置换方式溶入-Fe。
由于-Fe为fcc结构，间隙数目少，间隙半径大，四面体间隙半径为0.225 Ra，即R＝0.028nm，八面体间隙半径为0.414 Ra，即R＝0.0522nm。氢，氮，碳，硼在-Fe 中也是形成间隙固溶体，其固溶度大于在-Fe中的固溶度，氢，氮，碳，硼处于-Fe的八面体间隙中心。
2、简答：异类原子之间的结合力大于同类原子之间结合力；合金成分符合一定化学式；低于临界温度（有序化温度）。
第三章 纯金属的凝固
2. 填空
1. 结构和能量。
163Tm2TmGkr23LTLTmm2 表面，体积自由能 ,，。
3 晶核长大时固液界面的过冷度。
4 减少，越大，细小。 5. 快速冷却。
二、 问答
1 解答： 凝固的基本过程为形核和长大，形核需要能量和结构条件，形核和长大需要过冷度。细化晶粒的基本途径可以通过加大过冷度，加入形核剂，振动或搅拌。
2 解答： 根据金属结晶过程的形核和长大理论以及铸锭的散热过程，可以得出通常铸锭组织的特点为最外层为细小等轴晶，靠内为柱状晶，最内层为粗大等轴晶。
2r3 解答： 液态金属结晶时，均匀形核时临界晶核半径rK与过冷度T关系为
22TmLmT，临界形核
163TmGk23LTm功GK等于。异质形核时固相质点可作为晶核长大，其临界形核功较小，
Gk*23coscos3163Tm23coscos3Gk243LmT4，θ为液相与非均匀形核核心的
NCexp[（GAGk）]kTkT，其中N为形核率，C为常数，ΔGA、Δ
2润湿角。
形核率与过冷度的关系为：
Gk分别表示形核时原子扩散激活能和临界形核功。在通常工业凝固条件下形核率随过冷度增大而增大。
4 解答： 在金属凝固时，可以近似认为LM=Hm,根据均匀形核时临界晶核半径rK与过冷度T关系
r为
5： 解答： 过冷是指金属结晶时实际结晶温度Tn比理论结晶温度Tm低的现象。过冷度ΔT指Tm与Tn的差值。动态过冷度指晶核长大时的过冷度。金属形核和长大都需要过冷，过冷度增大通常使形核半径、形核功减少，形核过程容易，形核率增加，晶粒细化。
7 解答： 冷却速度极大影响金属凝固后的组织。冷却快一般过冷度大，使形核半径、形核功减少，形
核过程容易，形核率增加，晶粒细化，冷却非常快时可以得到非晶，在一般工业条件下快速冷却可以得到亚稳相。
7、 解答： 纯金属凝固时
润湿角θ＝0°，形核功为0，固相粒子促进形核效果最好；
润湿角θ＝180°，异质形核功等于均匀形核功，固相粒子对形核无促进作用；
2TmLmT，可以计算得到r＝0.79×10－7cm＝0.79nm。
润湿角0°<θ<180°，形核功比均匀形核的形核功小，θ越小，固相粒子促进形核效果越好。
杂质颗粒的晶体结构与晶核相同或相近时，促进形核效果好，当两者结构不相同时，一般对促进形核效果差或不促进形核。
杂质粒子的表面成凹形时，促进形核效果好，成平面状时次之，凸形时最差。
第四章 二元合金相图与合金凝固
一、填空 1. 成分
2. 光滑界面 ,粗糙界面
3. 垂直长大机制，二维平面长大 , 依靠晶体缺陷长大 4 枝晶 ，均匀化退火 5 平直状 ， 树枝 。 6. _伪共晶_。
k0（1k0）e7 k0， 1 。
8. 共晶 ， 熔晶 ， 偏析 ，包析
9 0.0218% ， 4.3% ； P 和 Fe3C ； FCC， 间隙 ， 间隙固溶体 ， BCC ， 2.11% ； 0.77 ， 珠光体 和 渗碳体 ； 4.3% ； P+F， P+Fe3C ， Ld ， A+ Fe3C ， P+Fe3C +Fe3CII ， 液相 ， A ， F ， 6.69 ， 硬、脆 ， P 。
2 问答
1 解答： 1）见图中标注。两相区由相邻的两个单相区所构成。水平线代表三相区，见3）中的恒温反应式。
2）稳定化合物为δ、ε，不稳定化合物为β、γ。 3）1455℃，L＋δ－ε，包晶反应； 1387℃，L－ε＋Ni，共晶反应； 1135℃，L＋δ－γ，包晶反应； 855℃，L＋γ－β，包晶反应； 640℃，L－Al＋β，共晶反应；
4）Ni 30%(重量)的合金在平衡冷却时的相变过程：L－γ；855℃，L＋γ－β，包晶反应；L－β；640℃，L－Al＋β，共晶反应；
4230100%28.6%42室温下相组成为Al＋β，,β=1-Al%=71.4%。
300.05%100%71.4%420.05室温下组织组成为β+(Al＋β)共晶，，，(Al＋β)共晶=1-β%=28.6%。
Al%5）含Ni89%（重量）的Ni-Al合金其平衡凝固时室温组织为Ni和Ni中析出的ε，非平衡凝固后会出现
非平衡共晶组织，即为Ni和少量的1387℃反应生成的L－（ε＋Ni）共晶。
6）X合金平衡凝固完毕时的组织初晶占80%，则(+)共晶＝20％，设此合金中Ni组元的含量是X，
RD80%0.05X 100%0.05,可以求得X＝0.01%。
7）1500 时Al-Ni合金系的自由能—成分曲线示意图如图。
2 解答： 1）相晶体结构与Cu的结构保持一致，为fcc结构；
2）共晶反应前的平衡分配系数
3) Cu-13.47%Sn合金在正常条件下凝固后，由于固相平均成分线相对于固相线下移，在合金凝固过程中剩余少量液相出现非平衡结晶，发生包晶反应而出现少量相。这些少量相可以通过均匀化退火消除。 4）Cu-70%Sn合金平衡凝固过程为L－ε，L92.4+ε38.2—η59.0，L—η，L99.3—η共晶反应刚完毕时相组成物为η+（Sn），组织组成物为η+（η+Sn）共晶。
，η60.9+（Sn）
－
k0CS60.90.61CL99.3；
10070100%76.7%,(Sn )1%23.3%10060.9相组成物的相对含量为：
99.370%100%76.3%,99.360.9和组织组成物的相对含量：（η+Sn）共晶％＝1－η％＝23.7％。
%5）合金在450℃时各相自由能---成分曲线示意图如图所示。
3 解答： 1）相区填写如图所示。相图中各等温反应如下：
935℃：L+β（Y）—ε；780℃：L+ε—δ；776℃：β（Y）—ε＋α（Y）； 635℃：L+ε—γ； 557℃：L—（Mg）＋γ。
Y=5%wt时的合金K在室温时的平衡组织为（Mg）固溶体。
c2）Mg为hcp结构，因为r＝a/2，一个hcp晶胞中有6个原子，设a46r3V3atom0.74Vcell13（6aa）c22
83，则致密度为
3）提高合金K强度的可能方法有细化晶粒，加工硬化。
4）Y=10%wt之合金可能的强化方法有细化晶粒，加工硬化和固溶时效。
4 解答： 相同点：均需要形核与长大，形核要满足一定热力学条件，形成一定临界晶核半径，即需要能量起伏和结构起伏。
不同点：固溶体合金形核除需要能量起伏和结构起伏外，还需要成分起伏，非平衡结晶时产生偏析，一般会产生成分过冷，凝固过程是在一个温度区间进行，而纯金属凝固在等温进行。
5 解答： 1）Fe3CII含量最多的合金、珠光体含量最多的合金、莱氏体含量最多的合金的合金成分分别为含碳量2.11%，0.77%，4.3%。
2）二元系中比较适合做变形合金和合金为单相固溶体，适合作为铸造合金的成分范围为含有较多共晶体的合金。故在含碳量小于2.11%的合金可以经过加热得到单相合金适合作为变形合金，含碳量大于4.3％的合金有共晶反应适合作为铸造合金。
3）提高压力加工合金的强度的方法主要有加工硬化，合金元素固溶产生的固溶强化，细化晶粒强化，热处理强化，第二相强化，弥散质点的弥散强化。 4）平衡反应的成分及温度，反应式为 1495℃，L0.53＋δ0.09－A0.17，包晶反应； 1148℃，L4.3－A2.11＋Fe3C，共晶反应； 727℃，A0.77－F0.0218+Fe3C，共析反应；
5）凝固过程：935℃：L—γ，γ—Fe3CⅡ，γ—F＋Fe3CⅡ（P）
6.631100%84.9%,Fe 3C %1 -F %15.1%6.630.0008室温下相组成为F＋Fe3CⅡ，其中；
6.691P%98.1%6.690.77室温下组织组成为P＋Fe3CⅡ，其中，Fe3CⅡ％＝1－P％＝1.9%。
F%6）亚稳转变后组织为P＋Fe3CⅡ，淬火冷却后C在Fe中形成过饱和固溶体（马氏体相变）。
7) 三种钢在给定温度下的显微组织如表。
8）1200℃时各相的自由能---成分曲线示意图如图。
6： 解答： 1）Ⅱ合金的平衡冷却曲线和组织如图；室温下相组成物为α＋β，其中
%9080100%11.8％905，β＝1－α％＝88.2%，组织组成为β＋（α＋β）共晶， 8050%100%75%9050，（α＋β）共晶％＝1－β％＝25％；
2） Ⅰ合金在平衡凝固时室温组织为α＋βⅡ，工业条件冷却时出现少量非平衡共晶组织，室温组织为α＋βⅡ＋少量（α＋β）共晶。
3） 可以根据相图估计，在共晶温度下尽可能高的温度进行退火。
7： 解答： 1）金属固液界面的微观结构为粗糙界面，长大机制为垂直长大方式，在正温度梯度下固液界面保持平直，在负温度梯度下成长时固/液界面不稳定，结晶后容易长成树枝状晶。
8： 解答： 1）相区填充如图；
2）设X合金中Bi组元的含量是x，依题意有的含量是53.44％。
80%100x100%10041.8，可以解得x＝53.44，即Bi组元50%100y100%10056.1，可以解得y＝78.15，
3）设Y合金中Bi组元的含量是y，依题意有共晶含量
即Pb组元的含量是21.85％。
4）Pb-30%Bi合金平衡凝固过程为L—α，L＋α—β，L—β，β—Bi，室温下平衡组织为β＋Bi，非平衡凝固下由于L＋α—β包晶反应很难进行完全，故在β晶粒内部会保留部分α，室温下组织为β＋残留α＋Bi。
第五章 三元合金相图
1 解答： 0.8%C的Fe-C-Si三元合金在平衡冷却时的相变过程为L—α，L＋α—γ，L—γ，1100℃时的平衡组织为γ。
2 解答： 1）Cu-30%Zn-10%Al合金的成分点见图中X点。
2）Cu-20%Zn-8%Al合金，位于α+γ两相区边界线上，由α＋γ两相组成。Cu-25Zn-6Al合金位于α＋＋γ的三相区中，由α＋＋γ的三相区组成，可以从图中读出各相成分点： α：Cu-22.6Zn-3.45Al, γ：Cu-18Zn-11.5Al, β：Cu-30Zn-4Al
‘‘11.5-8故Cu-20Zn-8Al合金中α％＝11.53.45×100％＝43.50%
γ％＝1－α％＝56.5%
25-20Cu－25Zn－6Al合金中＝3020×100％=50%
‘‘α%=(1-)×43.5%=21.75%,γ％=(1-)×56.5%=28.25%
‘3) Y合金凝固过程：L－α，L－α＋β，β－α
3 解答： 1) pP：L+α－β
E1P：L－β+γ E2P：L－α+γ
2) L+α－β+γ
3）O合金凝固过程：L－α,L+α－β,L+α－β+γ,α,β,γ同析。
4 解答：e1－1085℃：L→Fe2C+γ；P1－1335℃：L+α－γ；γ2－1380℃：L+Fe3W2－α 1700℃ L＋WC＋W－η 1200℃ L＋η－γ+WC 1085℃ L－γ＋Fe3C＋WC
5 解答： 1) 2Cr13.不锈钢的淬火加热在γ相区，从图上估计为1050℃－1300℃； 2）2％C，13％Cr刚的平衡凝固过程为：L－γ,L－γ+C1； γ→α＋C3（P）；α→C3； 室温下组织为C1+P。 3) 1区的三相反应是：L+δ－γ
795℃的四相平衡的反应式：γ＋C1－α+ C3
6 解答：Ⅳ区合金凝固过程为：L－α,L－α＋β，α－β互析；
Ⅵ区合金凝固过程为：L－α,L－α＋β，L－α＋β+γ,随后α，β，γ同析； 四相反应式为：L－α＋β＋γ
7 解答：四相反应式为137.4℃时P点：Lp+α1－β1＋δ
1
99.5℃时E点 LE－β2＋δ2＋γ
三元系初晶面有δ、α、β、γ的四个初晶面；
2）三元合金中合金1的结晶过程为：L－γ，L－γ+δ+β； 合金2的结晶过程为：L－δ，L－δ+β，L－γ+δ+β； 合金3的结晶过程为：L－α，L－δ+α,L＋α－β+δ； 合金4的结晶过程为:：L－α, L＋α－β+δ。
3）由题意分析可知改合金成分位于γ(Bi)与E点的连线上，设其Bi含量为x,
100x故有50%=100-55×100%，故Bi含量为77.5%，
Pb%18Sn%27 即Pb%+Sn%=22.5%。由于成分线过Bi的顶点，故所求合金中
可求得Pb%=9%，Sn=13.5%。
第六章 空位与位错
一、 名词解释
空位平衡浓度：金属晶体中，空位是热力学稳定的晶体缺陷，在一定的空位下对应一定的空位浓度，通常用金属晶体中空位总数与结点总数的比值来表示。
位错：晶体中的一种原子排列不规则的缺陷，它在某一个方向上的尺寸很大，另两个方向上尺寸很小。
柏氏回路：确定柏氏族矢量的过程中围绕位错线作的一个闭合回路，回路的每一步均移动一个原子间距，使起点与终点重合。
P-N力：周期点阵中移动单个位错时，克服位错移动阻力所需的临界切应力
扩展位错：两个不全位错之间夹有层错的位错组态
堆垛层错：密排晶体结构中整层密排面上原子发生滑移错排而形成的一种晶体缺陷。
弗兰克-瑞德位错源：两个结点被钉扎的位错线段在外力的作用下不断弯曲弓出后，互相邻近的位错线抵消后产生新位错，原被钉扎错位线段恢复到原状，不断重复产生新位错的，这个不断产生新位错、被钉扎的位错线即为弗兰克-瑞德位错源。
Orowan机制：合金相中与基体非共格的较硬第二相粒子与位错线作用时不变形，位错绕过粒子，在粒子周围留下一个位错环使材料得到强化的机制。
科垂尔气团：围绕刃型位错形成的溶质原子聚集物，通常阻碍位错运动，产生固溶强化效果。
铃木气团：溶质原子在层错区偏聚，由于形成化学交互作用使金属强度升高。
面角位错：在fcc晶体中形成于两个{111}面的夹角上，由三个不全位错和两个层错构成的不能运动的位错组态。
多边形化：连续弯曲的单晶体中由于在加热中通过位错的滑移和攀移运动，形成规律的位错壁，成为小角度倾斜晶界，单晶体因而变成多边形的过程。
二、 问答
1 解答：层错能高，难于形成层错和扩展位错，形成的扩展位错宽度窄，易于发生束集，容易发生交滑移，冷变形中线性硬化阶段短，甚至被掩盖，而抛物线硬化阶段开始早，热变形中主要发生动态恢复软化；层错能低则反之，易于形成层错和扩展位错，形成的扩展位错宽度较宽，难于发生束集和交滑移，冷变形中线性硬化阶段明显，热变形中主要发生动态再结晶软化。
2. 解答： 1）对于位错反应，需要同时满足能量条件和几何条件，反应才能进行。
a22aaaa2b前（）（11202）[110][211][121]22， 在26]+6中，
a22a22b后（）（21212）2bb63，后前，满足能量条件；同时
aaab前[110]b后（[21）（12）（11）][110]262，满足几何条件，故反应能进行。
G（b1b2）d2扩展位错宽度，G为切弹性模量，b1、b2为不全位错柏氏矢量，γ为层错能。若反应
222aa[110][110]前的2是刃位错，则反应后的扩展位错只能在原滑移面上进行滑移；若反应前的2是螺（111）（111）型位错，反应后形成的扩展位错可以进行束集，与其相交面如面相交处束集，而后过渡到面上进行运动，并有可能再次分解为扩展位错。
aa[101]b[011]（111）222）若（1，1，1）面上位错与面上的位错相遇，它们之间能满足能量条件
aaa[101][011][110]22和几何条件，可以发生位错反应，反应式为：2。新位错位于（001）面上，是
b纯刃型位错，由于不在其滑移面{111}面上，为不可动位错。
3）（111）与（111）两个滑移面上全位错分解为肖克莱不全位错的两个反应式为：
aaaaaa[101][211][112][011][121][112]（111）6666（111）晶面上：2，面上的位错2
aa211[121]4）如果两扩展位错运动分解后的两个领先不全位错为6和6，两领先位错之间依据能量条
a[110]件和几何条件要求，可以判断位错反应可以进行。新位错柏氏矢量为6；新形成位错为在（001）面
上刃型位错，牵制到其它两个不全位错和两个层错均不能运动，会引起冷加工中的加工硬化。
3 解答：1）将各参数带入公式中可以计算得到Es＝0.73~0.92Gb2；
－
2）Cu中长度为1个柏氏矢量的螺型位错割阶的能量约为（1.725~2.3）×1011J/cm2。
4 解答：平衡空位浓度温度越高，空位浓度越大。高温淬火后由于高浓度空位被保留至低温，对低温加热扩散有促进作用。
CAexp（EV）kT，A为材料常数，k＝1.38×10－23 J/K，Ev为空位形成能。，即EV）kT，Al的空位形成能为0.76eV＝0.76×（1.602×10－19 J），k＝
5 解答：平衡空位浓度
－－
1.38×1023 J/K，系数A=1。计算可得27 （300K）时空位浓度C1＝1.7×1013，627 时空位浓度为C2
CAexp（C23.258108－
＝5.54×105，故从27 升温到627 时空位浓度增加C1倍。
6 解答：两平行同号刃型位错之间滑移面上的受力：
Gbbx（x2y2）Fx22（1）（x2y2），G为切弹性模量，b，b为两刃型位错的柏氏矢量，ν为泊松比。
故位置1位错受斥力，位置2位错处于亚稳平衡，偏离该位置则远离或运动到与原点处位错垂直的地方。位置3处第二个位错处于与原点处位错垂直的上方，处于稳定态。
7、解答：位错是晶体中的缺陷，对材料有许多重要影响。 1） 对变形影响。通过位错运动完成塑性变形；
2） 对性能影响，与第二相粒子，通过切过或绕过机制强化材料，冷加工中位错密度增加也能强化材料，
或通过形成科垂尔气团强化材料，以及位错运动中相互交截，或形成割阶、面角位错等使材料强化； 3） 对再结晶中的晶核形成机制有影响； 是优先扩散通道。
第七章 金属塑性变形
一 名词
固溶强化：固溶体中的溶质原子溶入基体金属后使合金变形抗力提高，应力－应变曲线升高，塑性下降的现象；
应变时效：具有屈服现象的金属材料在受到拉伸等变形发生屈服后，在室温停留或低温加热后重新拉伸又出现屈服效应的情况；
孪生：金属塑性变形的重要方式。晶体在切应力作用下一部分晶体沿着一定的晶面（孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另外一部分晶体作均匀的切变，使相邻两部分的晶体取向不同，以孪晶面为对称面形成镜像对称，孪晶面的两边的晶体部分称为孪晶。形成孪晶的过程称为孪生；
临界分切应力：金属晶体在变形中受到外力使某个滑移系启动发生滑移的最小分切应力；
变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构。
二 问答
1 简答：纯金属变形主要借助位错运动，通过滑移和孪生完成塑性变形，开动滑移系需要临界切应力，
晶体中还会发生扭转；单相合金的基本变形过程与纯金属的基本过程是一样的，但会出现固溶强化，开动滑移系需要临界切应力较大，还有屈服和应变时效现象。
2 简答：滑移时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍，孪生时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍；滑移时滑移面两边晶体的位向不变，而孪生时孪生面两边的晶体位向不同，以孪晶面形成镜像对称；滑移时需要的临界分切应力小，孪生开始需要的临界分切应力很大，孪生开始后继续切变时需要的切应力小，故孪生一般在滑移难于进行时发生。
3 简答：1）α的滑移系为{110}<111>，相的常见滑移系为{111}<110>，相的常见滑移系为（0001）<1120>。
2）它们单晶变形时应力-应变曲线示意图如图。
典型的面心立方单晶体的加工硬化曲线可以分为三个阶段。当切应力达到晶体的临界分切应力时，其应力-应变曲线近似为直线，称为易滑移阶段，此时加工硬化率很小，滑移线细长，分布均匀；随后加工硬化率显著增加，称为线性硬化阶段，滑移系在几组相交的滑移系上发生，位错彼此交截，滑移线较短；第三阶段称为抛物线硬化阶段，加工硬化随应变增加而减少，出现许多碎断滑移带，滑移带端部出现交滑移痕迹。 多晶体加工硬化曲线一般不出现易滑移的第一阶段，而加工硬化率明显高于单晶体。
4 简答：冷加工纤维组织是纯金属和单相合金在冷塑性变形时和变形度很大的条件下，各晶粒伸长成纤维状；带状组织是复相合金在冷塑性变形和变形度大的条件下第二相被破碎或伸长，沿变形方向成带状分布而形成的；变形织构是金属和合金在在冷塑性变形时晶粒发生择优取向而形成的。
上述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构都使材料的性能具有方向性，即在各个方向上的性能不均，对使用性能有不良影响，但少数金属材料，如用作变压器的硅钢片，各向异性能更好满足使用要求。
5 简答：金属材料经热加工后机械性能较铸造态好的主要原因是热加工时的高温、大变形量使气泡、疏松和微裂纹得到机械焊合，提高了材料的致密性，消除了铸造缺陷，同时改善夹杂物和脆性相的形态、大小和分布，使枝晶偏析 程度减弱，合金成分均匀性提高，热加工中形成合理的加工流线，热加工还可使金属显微组织细化，这些都可以提高金属材料的性能。
6 简答：金属材料经冷加工后，强度增加，硬度增加，塑性降低的现象称为加工硬化。产生加工硬化的各种可能机制有滑移面上平行位错间的交互作用的平行位错硬化理论，以及滑移面上位错与别的滑移面上位错林切割产生割阶的林位错强化理论。
加工硬化在实际生产中用来控制和改变金属材料的性能，特别是对不能热处理强化的合金和纯金属尤为重要，可以进行热处理强化的合金，加工硬化可以进一步提高材料的强度；加工硬化是实现某些工件和半成品加工成型的主要因素；加工硬化也会带来塑性降低，使变形困难的影响，还会使材料在使用过程中尺寸不稳定，易变形，降低材料耐蚀性。
7 简答：可有8个滑移系同时产生滑移（可以通过计算fcc的滑移系与[001]方向的夹角得到此结果）。开
动其中一个滑移系至少要施加的拉应力为
9 简答：第二相在冷塑性变形过程中的作用一般是提高合金强度，但还取决于第二相的种类数量颗粒大小形状分布特点及与基体结合界面结构等，对塑性变形影响复杂。第二相强度高于基体但有一定塑性，其尺寸、含量与基体基本接近，则合金塑性是两相的变形能力平均值。第二相硬、脆，合金变形只在基体中进行，第二相基本不变形；第二相均匀、弥散分布在固溶体基体上，可以对合金产生显著强化作用。
10 简答：织构由晶粒择优取向形成，变形织构对再结晶织构形成有主要影响，织构造成材料性能各向异性。各向异性在不同情况需要避免或利用。织构控制可以通过控制合金元素的种类和含量、杂质含量、变形工艺（如变向轧制）和退火工艺等多种因素的配合。
11 简答：金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化主要有晶粒被拉长，形成纤维组织，冷变形程度很高时，位错密度增高，形成位错缠结和胞状组织，发生加工硬化，，变形金属中出现残余应力，金属在单向塑性变形时出现变形织构。
k0.791.93(MN/m 2)coscos0.41
12 简答： 1）屈服现象是由溶质原子与位错交互作用产生气团产生的，在外力作用下使位错挣脱溶质原子的钉扎，材料出现屈服现象，曲线2在位错脱离钉扎后溶质原子来不及重新聚集形成气团，故无屈服现象；曲线3在出现屈服后时效再加载，溶质原子可以重新聚集形成气团，故又出现屈服现象；
2）屈服现象使金属材料在拉伸和深冲过程中变形不均匀，造成工件表面不平整。可以通过加入与溶质原子形成稳定化合物的其它元素，减少间隙溶质原子含量，减少气团，消除或减轻屈服现象，或在深冲之前进行比屈服伸长范围稍大的预变形，使位错挣脱气团的钉扎，然后尽快深冲。
13 简答：根据霍尔—配奇公式：s0kd1112，则按照题意有：
111000k（）22500k（）2464和，可以解得0＝50，k＝25，故可求得当d=1/16mm时，根1（）2据霍尔—配奇公式求得s＝50＋25×16＝150 MNm-2
1第八章 回复与再结晶
1 名词
变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构；
再结晶织构是具有变形织构的金属经过再结晶退火后出现的织构，位向于原变形织构可能相同或不同，但常与原织构有一定位向关系。
再结晶全图：表示冷变形程度、退火温度与再结晶后晶粒大小的关系（保温时间一定）的图。
冷加工与热加工：再结晶温度以上的加工称为热加工，低于再结晶温度又是室温下的加工称为冷加工。
带状组织：多相合金中的各个相在热加工中可能沿着变形方向形成的交替排列称为带状组织；
加工流线：金属内部的少量夹杂物在热加工中顺着金属流动的方向伸长和分布，形成一道一道的细线；
动态再结晶：低层错能金属由于开展位错宽，位错难于运动而通过动态回复软化，金属在热加工中由温度和外力联合作用发生的再结晶称为动态再结晶。
临界变形度：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。
二次再结晶：某些金属材料经过严重变形后在较高温度下退火时少数几个晶粒优先长大成为特别粗大的晶粒，周围较细的晶粒逐渐被吞掉的反常长大情况。
退火孪晶：某些面心立方金属和合金经过加工和再结晶退火后出现的孪晶组织。 2 问答
1 简答：再结晶是一种组织转变，从变形组织转变为无畸变新晶粒的过程，再结晶前后组织形态改变，晶体结构不变；固态相变时，组织形态和晶体结构都改变；晶体结构是否改变是二者的主要区别。
2 简答：变形度较小时以晶界弓出机制形核，变形度大的高层错能金属以亚晶合并机制形核，变形度大的低层错能金属以亚晶长大机制形核。
冷变形度很小时不发生再结晶，晶粒尺寸基本保持不变，在临界变形度附近方式再结晶晶粒特别粗大，超过临界变形度后随变形度增大，晶粒尺寸减少，在很大变形度下，加热温度偏高，少数晶粒发二次再结晶，使部分晶粒粗化。
3 简答：灯泡中W丝在高温下工作，晶粒长大后在热应力作用下破断，延长钨丝寿命的方法可以加入第二相质点阻止晶粒在加热时长大，如加入ThO2颗粒；或在烧结中使制品中形成微细的空隙也可以抑制晶粒长大，如加入少量K、Al、Si等杂质，在烧结时汽化形成极小的气泡。
4 简答： 户外用的架空铜导线要求一定的强度可以进行回复退火，只去应力，保留强度；户内电灯用花线可以进行再结晶退火，软化金属，降低电阻率。
5 简答：1）纯铝经90%冷变形后在70 ，150 ，300 保温后空冷的组织示意图如图。
2）纯铝试样强度、硬度以70 退火后最高，150 退火试样的强度、硬度次之，300 保温后强度、硬度最低，而塑性则以70 退火后最低，150 退火试样的居中，300 保温后塑性最好；
工业纯金属的再结晶温度一般可用T再＝（0.3~0.4）T熔估计，故纯铝的再结晶温度为100左右，在70℃保温合金只是发生回复，显微组织仍保持加工状态，强度。硬度最高，塑性差，组织为纤维组织；150 加热发生再结晶，强度、硬度下降，塑性好，300 保温后发生晶粒长大，强度、硬度进一步下降，塑性很好。
7 简答：可计算得到三种纯金属的再结晶温度大约为纯钛：550℃，纯铝：100℃，纯铅低于0℃。金属的轧制开坯温度要在再结晶温度以上进行，故工业纯钛、纯铝和纯铅铸锭的轧制开坯温度可分别取200℃，800℃，室温即可。
开坯后在室温轧制，铅的塑性最好，铝的塑性也较好，钛的塑性最差。在室温下纯铝和纯铅可以连续轧制，并获得很薄的带材，但纯钛不能继续轧制，要获得很薄的带材需要在再结晶温度以上反复进行轧制。 8 简答：晶粒大小对金属材料的室温力学性能可用Hall－Petch公式s0kd描述，晶粒越细小，材料强度越高；高温下由于晶界产生粘滞性流动，发生晶粒沿晶界的相对滑动，并产生扩散蠕变，晶粒太细小金属材料的高温强度反而降低。
生产中可以通过选择合适的合金成分获得细小晶粒，利用变质处理，振动、搅拌，加大过冷度等措施细化铸锭晶粒，利用加工变形细化晶粒，合理制订再结晶工艺参数控制晶粒长大。
9 简答： 固溶强化，细晶强化，加工硬化，第二相强化，相变（热处理）强化等。
10 简答： 固溶强化的可能位错机制主要是溶质原子气团对位错的钉扎，增加了位错滑移阻力。如溶质原子与位错的弹性交互作用的科垂尔气团和斯诺克气团，溶质原子与扩展位错交互作用的铃木气团使层错宽度增加，位错难于束集，交滑移困难；溶质原子形成的偏聚和短程有序，位错运动通过时破坏了偏聚和短程有序使得能量升高，增加位错的阻力，以及溶质原子与位错的静电交互作用对位错滑移产生的阻力使材料强度升高。
弥散强化也是通过阻碍位错运动强化材料，如位错绕过较硬、与基体非共格第二相的Orowan机制和切割较软、与基体共格的第二相粒子的切割机制。
产生加工硬化的各种可能机制有滑移面上平行位错间的交互作用的平行位错硬化理论，以及滑移面上位错与别的滑移面上位错林切割产生割阶的林位错强化理论。
12第九章 表面与界面
1 名词
正吸附：材料表面原子处于结合键不饱和状态，以吸附介质中原子或晶体内部溶质原子达到平衡状态，当溶质原子或杂质原子在表面浓度大于在其在晶体内部的浓度时称为正吸附；
晶界能：晶界上原子从晶格中正常结点位置脱离出来，引起晶界附近区域内晶格发生畸变，与晶内相比，界面的单位面积自由能升高，升高部分的能量为晶界能；
小角度晶界：多晶体材料中，每个晶粒之间的位向不同，晶粒与晶粒之间存在界面，若相邻晶粒之间的位向差在10°～2°之间，称为小角度晶界；
晶界偏聚：溶质原子或杂质原子在晶界或相界上的富集，也称内吸附，有因为尺寸因素造成的平衡偏聚和空位造成的非平衡偏聚。
2 问答
1 简答： 复合材料由颗粒或纤维与基体构成，存在大量界面。按照显微结构，其界面层可以区分为基体与复合物的机械固体啮合结合、形成化学反应的化合层结合、形成完全或部分固溶体的结合几种情况。结合层的结合面体积分数越大，结合层强度越高，基体与复合物之间的结合键力越大，结合强度越高。
2 简答： 晶界具有晶界能，容易发生溶质原子和杂质原子的晶界偏聚，是原子易扩散通道，晶界在加热时会发生迁移，晶界是相变等优先形核的地方，晶界易受腐蚀，晶界增多在室温下强化材料，在高温下弱化材料强度，晶界处易于析出第二相，晶界容易使位错塞积，造成应力集中，晶界上原子排列混乱。
3 简答：一般金属的晶界能与晶粒位向差有关，并随位向差增大而增大，小角度晶界的晶界能小于大角
－
度晶界的晶界能，但大角度晶界能一般可以看成常数，约为（5～6）×105J/cm2。
5 简答： 影响晶界迁移的因素主要有界面能、溶质原子、第二相质点数量、尺寸和温度。界面能降低是
晶界迁移的驱动力，与晶界曲率半径成反比，与界面的表面能成正比，因此大角度晶界迁移率总是大于小角度晶界的迁移率；溶质原子阻碍晶界迁移；第二相质点数量越多、尺寸越小对晶界的迁移阻碍作用越大，温度越高晶界迁移越快。
第十章 原子扩散
1 简答： 影响扩散的因素主要有温度，温度越高，扩散越快；晶体缺陷如界面、晶界位错容易扩散；不同致密度的晶体结构溶质原子扩散速度不一样，低致密度的晶体中溶质原子扩散快，各向异性也影响溶质原子扩散；在间隙固溶体中溶质原子扩散容易；扩散原子性质与基体金属性质差别越大，扩散越容易；一般溶质原子浓度越高，扩散越快；加入其它组元与溶质原子形成化合物阻碍其扩散。
2 解答：Ni为fcc结构，一个晶胞中的原子个数为4，依题意有：
在Ni/MgO界面镍板一侧的Ni的浓度CNi为100%，每cm3中Ni原子个数为：
－
NNi/MgO=(4原子/晶胞)/(3.6×108cm3)=8.57×1022原子/cm3，
在Ta/MgO界面Ta板一侧的Ni的浓度0%，这种扩散属于稳态扩散，可以利用菲克第一定律求解。 故浓度梯度为dc/dx＝（0－8.57×1022原子/cm3）/（0.05cm）＝－1.71×1024原子/（cm3.cm）， 则Ni原子通过MgO层的扩散通量：
－
J＝－D（dc/dx）=－9×1012cm2/s×(－1.71×1024原子/（cm3.cm）) =1.54×1013Ni原子/（cm2.s)
每秒钟在2×2cm2的面积上通过MgO层扩散的Ni原子总数N为 N＝J×面积＝[1.54×1013Ni原子/（cm2.s)]×4cm2=6.16×1013Ni原子/s。
N总原子数，故 每秒钟从界面扩散走的Ni原子体积
－
V＝（6.16×1013Ni原子/s）/（8.57×1022原子/cm3）＝0.72×109cm3/s， 用厚度d表示在该面积中每秒扩散的Ni原子为
－－
d＝V/面积＝（0.72×109cm3/s）/（2×2cm2）＝1.8×1010cm/s， 也就是说要将1mm厚的Ni层扩散掉，所需时间t为：
－
t＝（1mm）/（1.8×1010cm/s）＝556000秒＝154小时。
3 解答：1）渗碳情况符合菲克第二定律的特殊解的应用条件，可以利用菲克第二定律进行解决。
CSCXXerf（）CC4Dt0菲克第二定律特殊解公式：S
其中依题意有Cs＝1.2，C0=0.1，Cx=0.45，x=0.2。
VN扩散走的原子0.11.20.450.2erf ()0.68erf（）Dt 4Dt，即：带入上式，则有1.20.1
0.10.71从表10－1可以得出误差函数值，有Dt ，Dt＝(0.1/0.71)2=0.0198cm2。
任何满足Dt＝0.0198cm2关系的工艺均可，由于扩散与温度、时间有关，
D=D0exp(-Q/RT)，带入C在Fe中的D0＝0.23，激活能Q＝32900cal/mol， D=0.23exp(-32900cal/mol/1.987（cal/mol.K）T)=0.23exp(-16558/T)，
0.0198(cm2) 0.0861t-16588D (cm2 .s )exp()22
T 因此由Dt＝(0.1/0.71)=0.0198cm，渗碳时间与渗碳温度的关系为：
故可以列出一些典型的渗碳温度与时间如下：
T＝900℃=1173K，则t=116174s=32.3h； T＝1000℃=1273K，则t=36360s=10.7h； T＝1100℃=1373K，则t=14880s=4.13h； T＝1200℃=1473K，则t=6560s=1.82h。
可以根据上述温度与时间的关系，考虑合金相变和加热炉、生产效率进行合理选择，一般以1000℃左右较为合适。
2）在渗碳温度和其它条件不变的情况下，要求渗碳深度增加一倍，由1）可知有关系
1.20.450.4erf（）1.20.14Dt存在，可以解得t＝42.7h；
4 简答：由于反应扩散的原因，试样中不能出现两相区，故试样从表面到心部的组织最外层为α相，靠里层为γ相，心部不受脱碳影响为α相和γ相。
5 简答：1）渗碳在-Fe中进行而不在-Fe中进行，渗碳温度要高于727 ，是因为-Fe中最大碳溶解度（质量分数）为0.0218％，对于碳含量大于0.0218％的钢铁，渗碳时零件中碳浓度梯度为0，渗碳无法进行；而且由于温度低，扩散系数小，渗碳缓慢。在-Fe中进行则可获得较高的表层碳浓度梯度，温度也高，可使渗碳顺利进行。
2）渗碳温度高于1100 会使钢板的晶粒长大，降低其机械性能。
6 简答：1）在有限的时间内不可能使枝晶偏析完全消失，
2）冷加工可以促进均匀化过程；经过冷加工后枝晶被破碎，缩短了枝晶间距。
7 简答： 原子扩散在材料中的影响包括晶体凝固时形核、长大；合金的成分过冷；成分均匀化，包晶反应非平衡凝固时保留高温组织的特点，固态相变时的形核，晶界形核、晶界运动、晶界偏聚、高温蠕变，氧化，焊接，化学热处理（渗C、N等），粉末冶金，涂层等各方面。
8 解答：上坡扩散是扩散过程中扩散元素从低浓度向高浓度出扩散；如各种溶质原子气团的形成和共析反应产物的形成均为上坡扩散。
9 简答：间隙固溶体中溶质原子在间隙中发生间隙扩散，在置换式固溶体中发生原子与空位交换实现扩散的空位机制。
第五章 铁碳相图习题参考答案
一、解释下列名词
答：1、铁素体：碳溶入α
－Fe中形成的间隙固溶体。
奥氏体：碳溶入γ－Fe中形成的间隙固溶体。
渗碳体：铁与碳形成的具有复杂晶体结构的金属化合物。 珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 莱氏体：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
2、Fe3CⅠ ：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。
Fe3CⅡ：从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。 Fe3CⅢ：从铁素体中析出的Fe3C称为三次渗碳体。 共析Fe3C ：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称
为共析渗碳体。
共晶Fe3C：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为
共晶渗碳体。
3、钢：含碳量大于0.00218%，小于2.11%的铁碳合金。 白口铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。
二、填空题
1、常温平衡状态下，铁碳合金基本相有铁素体（F）、渗碳体（Fe3C）等 两 个。
2、Fe－Fe3C相图有4个单相区，各相区的相分别是 液相（L）、δ相、铁素体（F）、奥氏体（A）。 3、Fe－Fe3C 相图有 三 条水平线，即HJB、ECF和PSK线，它们代表的反应分别是包晶反应、共晶反应和共析反应。
4、工业纯铁的含碳量为≤0.0218%，室温平衡组织为F+ Fe3CⅢ。
5、共晶白口铁的含碳量为4.3%，室温平衡组织P占40.37%，Fe3C共晶占47.82%，Fe3CⅡ占11.81%。 6、一钢试样，在室温平衡组织中，珠光体占60%，铁素体占40%，该钢的含碳量为0.4707。 7、钢的组织特点是高温组织为奥氏体（A），具有良好的 塑、韧 性，因而适于热加工成形。 8、白口铸铁的特点是液态结晶都有共晶转变，室温平衡组织中都有莱氏体，因而适于通过铸造成形。 三、简答题
1、为什么γ-Fe 和α- Fe 的比容不同？一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时，其体积如何变化？
答：因为γ-Fe和α- Fe原子排列的紧密程度不同，γ-Fe的致密度为74%，α- Fe的致密度为68%，因此一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时体积将发生膨胀。
2、铁素体（F），奥氏体（A），渗碳体（Fe3C），珠光体（P），莱氏体（Ld）的结构、组织形态、性能等各有何特点？
答：铁素体结构为体心立方晶格。由于碳在α-Fe中的溶解度`很小，它的性能与纯铁相近。塑性、韧性好，强度、硬度低。它在钢中一般呈块状或片状。
奥氏体（A）结构为面心立方晶格。因其晶格间隙尺寸较大，故碳在γ-Fe中的溶解度较大。有很
好的塑性。
渗碳体（Fe3C）具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于
零。在钢中以片状存在或网络状存在于晶界。在莱氏体中为连续的基体，有时呈鱼骨状。
珠光体（P）为铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体呈层片状。珠光体有较高的强
度和硬度，但塑性较差。
莱氏体（Ld）为奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏
体呈颗粒状分布在渗碳体基体上。由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。
3、Fe-Fe3C合金相图有何作用？在生产实践中有何指导意义？又有何局限性？
答：⑴碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用，各种热加工工艺的制订以及工艺废品原因的分析等方面都有重要指导意义。
⑵为选材提供成分依据：铁碳相图描述了铁碳合金的组织随含碳量的变化规律，合金的性能决定
于合金的组织，这样根据零件的性能要求来选择不同成分的铁碳合金；
为制定热加工工艺提供依据：对铸造，根据相图可以找出不同成分的钢或铸铁的熔点，确定铸造
温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏。对于锻造：根据相图可以确定锻造温度。对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性；对热处理：铁碳相图更为重要，如退火、正火、淬火的加热温度都要参考铁碳相图加以选择。
⑶由于铁碳相图是以无限缓慢加热和冷却的速度得到的，而在实际加热和冷却通常都有不同程度
的滞后现象。
4、画出 Fe-Fe3C 相图，指出图中 S 、C 、E 、P、N 、G 及 GS 、SE 、PQ 、PSK 各
AA1538℃L+AIIIIIIIVVVI1227℃D2.11％EG912℃PQF+Fe3CIIIA+FS0.77％P+FPP+Fe3CIIP+Ld+Fe3CIILd′Ld′+Fe3CIA+Fe3CIIA+Ld+Fe3CII727℃CLdL+Fe3CI4.3％Ld+Fe3CIK点、线的意义，并标出各相区的相组成物和组织组成物。
答：C：共晶点1148℃ 4.30%C，在这一点上发生共晶转变，反应式：
F0.0218％LcAEFe3C，当冷到
图2-13 Fe－Fe3C相图1148℃时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物——莱氏体
LeAEFe3C
E：碳在Fe中的最大溶解度点1148℃ 2.11%C G：FeFe同素异构转变点（A3）912℃ 0%C H：碳在Fe中的最大溶解度为1495℃ 0.09%C
J：包晶转变点1495℃ 0.17%C 在这一点上发生包晶转变，反应式：
LBHAJ当冷却到
1495℃时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相δ反应生成具有J点成分的固相A。
N：FeFe同素异构转变点（A4）1394℃ 0%C P：碳在Fe中的最大溶解度点 0.0218%C 727℃
S：共析点727℃ 0.77%C 在这一点上发生共析转变，反应式：
AsFpFe3c，当冷却到727℃
时从具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物——珠光体P（
FpFe3c）
ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm温度线，随温度的降低，碳在奥化体中的溶解度减少，多余的碳以
Fe3C形式析出，所以具有0.77%～2.11%C的钢冷却到Acm线与PSK线之间时的组织
AFe3CⅡ，从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。
GS线：不同含碳量的奥氏体冷却时析出铁素体的开始线称A3线，GP线则是铁素体析出的终了线，所以GSP区的显微组织是FA。
PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线，随温度的降低，碳在铁素体中的溶解度减少，多余的碳以式析出，从F中析出的
Fe3C形
Fe3C称为三次渗碳体Fe3CⅢ，由于铁素体含碳很少，析出的Fe3CⅢ很少，一般
忽略，认为从727℃冷却到室温的显微组织不变。
PSK线：共析转变线，在这条线上发生共析转变
ASFPFe3C，
产物（P）珠光体，含碳量在0.02～
6.69%的铁碳合金冷却到727℃时都有共析转变发生。
5、简述 Fe-Fe3C 相图中三个基本反应：包晶反应，共晶反应及共析反应，写出反应式，标出含碳量及温度。
答：共析反应：冷却到727℃时具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和渗碳体的两相
混合物。γ
0.8
æ727F0.02+Fe3C6.69
包晶反应：冷却到1495℃时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相δ反应生成具有J点成分的
固相A。 L0.5+δ
0.1
æ1495γ
0.16
共晶反应：1148℃时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物。
γL4.31147æ2.14
+ Fe3C6.69
6、亚共析钢、共析钢和过共析钢的组织有何特点和异同点。
答：亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成。其中铁素体呈块状。珠光体中铁素体与渗碳体呈片状分布。共析钢的组织由珠光体所组成。过共析钢的组织由珠光体和二次渗碳体所组成，其中二次渗碳体在晶界形成连续的网络状。
共同点：钢的组织中都含有珠光体。
不同点：亚共析钢的组织是铁素体和珠光体，共析钢的组织是珠光体，过共析钢的组织是珠光体和二次渗碳体。
7、分析含碳量分别为0.60%、0.77%、1.0% 的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织。 答：0.77%C:在1～点间合金按匀晶转变结晶出A，在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。冷到3点时
（727℃），在恒温下发生共析转变，转变结束时全部为珠光体P，珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体，当温度继续下降时，珠光体中铁素体溶碳量减少，其成分沿固溶度线PQ变化，析出三次渗碳体Fe3CIII，它常与共析渗碳体长在一起，彼此分不出，且数量少，可忽略。室温时组织P。
0.60% C：合金在1～2间按匀晶转变结晶出A，在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。冷到3点时开始析出F，3～4点A成分沿GS线变化，铁素体成分沿GP线变化，当温度到4点时，奥氏体的成分达到S点成分（含碳0.77%），便发生共析转变，形成珠光体，此时，原先析出的铁素体保持不变，称为先共析铁素体，其成分为0.0218%C，所以共析转变结束后，合金的组织为先共析铁素体和珠光体，当温度继续下降时，铁素体的溶碳量沿PQ线变化，析出三次渗碳体，同样Fe3CIII量很少，可忽略。所以含碳0.40%的亚共析钢的室温组织为：F+P
1.0% C：合金在1～2点间按匀晶转变结晶出奥氏体，2点结晶结束，合金为单相奥氏体，冷却到3点，开始从奥氏体中析出二次渗碳体Fe3CII，Fe3CII沿奥氏体的晶界析出，呈网状分布，3-4间Fe3CII不断析出，奥氏体成分沿ES线变化，当温度到达4点（727℃）时，其含碳量降为0.77%，在恒温下发生共析转变，形成珠光体，此时先析出的Fe3CII保持不变，称为先共析渗碳体，所以共析转变结束时的组织为先共析二次渗碳体和珠光体，忽略Fe3CIII。室温组织为二次渗碳体和珠光体。
8、指出下列名词的主要区别：
一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体与共析渗碳体。 答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。 二次渗碳体：从A中析出的
Fe3C称为二次渗碳体。 Fe3C称为三次渗碳体Fe3CⅢ。
三次渗碳体：从F中析出的
共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。 共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。 9、根据 Fe-Fe3C 相图，计算：
⑴室温下，含碳 0.6% 的钢中珠光体和铁素体各占多少； ⑵室温下，含碳 1.2% 的钢中珠光体和二次渗碳体各占多少； ⑶铁碳合金中，二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量。
答：⑴Wp=(0.6-0.0218)/(0.77-0.0218)*100%=77.28% WF=1-77.28%=22.72%
⑵Wp=(2.11-1.2)/(2.11-0.77)*100%=69.91% WFe3CⅡ=1-69.91%=30.09% ⑶WFe3CⅡ=(2.11-0.77)/(6.69-0.77)*100%=22.64% W Fe3CⅢ=0.0218/6.69*100%=0.33%
10、某工厂仓库积压了许多碳钢（退火状态），由于钢材混杂，不知道钢的化学成分，现找出其中一根，经金相分析后，发现其组织为珠光体+铁素体，其中铁素体占 80% ，问此钢材的含碳量大约是多少？
答：由于组织为珠光体+铁素体，说明此钢为亚共析钢。 Wα=80%=(0.77-WC)/(0.77-0.0218)*100% WC=0.17%
11、对某退火碳素钢进行金相分析，其组织的相组成物为铁素体+渗碳体（粒状），其中渗碳体占 18% ，
问此碳钢的含碳量大约是多少？
答： WFe3CⅡ=18% =( WC-0.0218)/(6.69-0.0218)*100% WC=1.22%
12、对某退火碳素钢进行金相分析，其组织为珠光体+渗碳体（网状），其中珠光体占 93% ，问此碳钢的含碳量大约为多少？
答：Wp=93% =(2.11- WC)/(2.11-0.77)*100%=70% WC=0.86%
13、计算含碳量为1.4%C的铁碳合金在700℃下各个相及其组分数量和成分。
答：含1.4%C铁碳合金属于过共析钢，其组织为珠光体+二次渗碳体，相为铁素体和渗碳体。 珠光体：Wp=(2.11-1.4)/(2.11-0.77)*100%=50% 二次渗碳体：WFe3CⅡ=1-50%=50%
铁素体：Wα=（6.69-1.4）/（6.69-0.0218）*100%=79.33% 渗碳体：WFe3C=1-79.33%=20.67% 14、根据 Fe-Fe3C 相图，说明产生下列现象的原因： ⑴含碳量为 1.0% 的钢比含碳量为 0.5% 的钢硬度高； ⑵在室温下，含碳 0.8% 的钢其强度比含碳 1.2% 的钢高；
⑶在 1100℃，含碳 0.4% 的钢能进行锻造，含碳 4.0% 的生铁不能锻造；
⑷绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却用钢丝绳（用含碳量为0.60% 、 0.65% 、 0.70%、 0.75% 等钢制成）。
答：⑴钢中随着含碳量的增加，渗碳体的含量增加，渗碳体是硬脆相，因此含碳量为 1.0% 的钢比含碳量为 0.5% 的钢硬度高。
⑵因为在钢中当含碳量超过1.0%时，所析出的二次渗碳体在晶界形成连续的网络状，使钢的脆性增加，导致强度下降。因此含碳 0.8% 的钢其强度比含碳 1.2% 的钢高。
⑶在 1100℃时，含碳 0.4% 的钢的组织为奥氏体，奥氏体的塑性很好，因此适合于锻造；含碳 4.0% 的生铁的组织中含有大量的渗碳体，渗碳体的硬度很高，不适合于锻造。
⑷绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选用低碳钢有很好的塑韧性，镀锌低碳钢丝；而起重机吊重物用钢丝绳除要求有一定的强度，还要有很高的弹性极限，而含碳量为0.60% 、 0.65% 、 0.70%、 0.75%的钢有高的强度和高的弹性极限。这样在吊重物时不会断裂。 四、选择题
1、质量一定的 γ-Fe转变为α-Fe时，体积( A )。 A、胀大； B、缩小； C、不变 2、碳在γ-Fe中的最大溶解度为( B )。
A、0.0218%； B、0.77%； C、2.11%； D、4.3% 3、渗碳体是一种具有复杂晶体结构的( B )。
A、间隙相； B、间隙化合物； C、间隙固溶体 4、铁碳合金在平衡结晶过程中，( C )。
A、只有含碳0.77% 的合金才有共析转变发生； B、只有含碳小于2.06% 的合金才有共析转变发生； C、含碳0.0218～6.69% 的合金都有共析转变发生
5、由( A )析出的渗碳体叫做三次渗碳体。 A、铁素体； B、奥氏体； C、液态金属 6、铁碳合金中，( C )组织为共晶反应产物。 A、铁素体； B、珠光体； C、莱氏体
7、平衡结晶时，凡含碳量( A )的铁碳合金，自1148℃冷至727℃时，均从奥氏体中析出二次渗碳体。
A、0.0218～6.69%； B、0.77～2.11% C、0.77～6.69% 8、一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体( B )。 A、晶体结构不同，组织形态相同； B、晶体结构相同，组织形态不同； C、晶体结构与组织形态都不同。
9、由于三次渗碳体的数量很少，故对( C )性能的影响可忽略不计。 A、工业纯铁； B、钢和铸铁； C、所有Fe-C合金
10、室温平衡状态下，钢中的碳绝大部分是以( B )形式存在于组织中。 A、铁素体； B、渗碳体； C、石墨碳
11、含碳量0.45% 的铁碳合金平衡结晶后，按相组成物计算，其中铁素体占( A )。 A、93.60%； B、42.77%； C、57.23% 12、钢的力学性能与( C )的数量、形态和分布有关。 A、铁素体； B、奥氏体； C、渗碳体
13、含碳1.2% 的铁碳合金平衡结晶时，727℃时的Fe3CⅡ量与冷至室温时的Fe3CⅡ量相比( )。 A、727℃时多； B、室温时多； C、一样多
14、平衡结晶时，从奥氏体中析出的Fe3CⅡ一般呈( C )状分布。 A、薄片； B、颗粒； C、网 五、判断题
( √ ) 1、奥氏体是C在γ-Fe中的间隙固溶体。
( √ ) 2、在室温平衡状态下，珠光体和莱氏体都是由F和Fe3C两种基本相组成的。 ( √ ) 3、亚共析钢室温组织中珠光体的数量随含碳量增加而增加。
( × ) 4、含碳量＜0.77% 的铁碳合金平衡结晶时，奥氏体转变成铁素体的转变温度随含碳量增加而升高。
( × ) 5、铁碳合金中的机械混合物，其强度、硬度都比其组成相高。
( √ ) 6、共晶反应发生于所有含碳量大于2.11% 而小于6.69% 的铁碳合金中。 ( √ ) 7、过共析钢平衡结晶时，从1148℃冷至727℃时，奥氏体的含碳量不断降低。 ( √ ) 8、平衡状态下，铁碳合金的强度和硬度随含碳量增加而提高。 ( √ ) 9、过共析钢的室温平衡组织由珠光体和二次渗碳体组成。
( √ ) 10、铁碳合金室温下平衡组织由铁素体和渗碳体组成。通常铁素体作为基体，而渗碳体作
为第二相。
( × ) 11、亚共析钢加热到AC1 ～AC3之间时，奥氏体的含碳量大于钢的含碳量。
( × ) 12、含碳量0.45% 的铁碳合金锻造时应加热到Fe-Fe3C相图中PSK线与GS线之间的温度范围。
( × ) 13、在Fe-Fe3C相图中，PQ线为碳在铁素体中的固溶线。
( × ) 14、在铁碳合金中，只有共析成分点的合金结晶时，才能发生共析转变，形成共析组织。 ( × ) 15、在缓冷至室温条件下，碳的质量分数为0.8%的钢比碳的质量分数为1.2%的钢硬度低。 ( × ) 16、共析钢由液态缓冷至室温时析出的二次渗碳体，在组织形态与晶体结构方面均与一次渗碳体不同。
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