金属学试验讲义

1、金属学作业第二章：金属及合金的晶体结构一、复习思考题 二、习题一、复习思考题.概念：晶胞、单晶体、多晶体、晶粒、刃型位错、螺型位错、固溶体、金属间化合物.空间点阵与晶体点阵有何区别？试举例说明。.晶体中的位错属于哪种缺陷？.在体心立方晶格中原子密度最大的晶面和晶向分别是什么？在面心立方晶格中原子密度 最大的晶面和晶向分别是什么？.晶体与非晶体最根本的区别是什么？.晶体中的缺陷类型有哪几种？举例说明。.已知面心立方晶格的晶格常数为a,试求出（100）、（110）和（111）晶面的面间距，并指出面间距最大的晶面。.体心立方晶格的晶格常数为a,试求出（100）、（110）和（111）晶面的面间距，并

2、指出面间距最大的面。.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？.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。二、习题.说明间隙固溶体和间隙化合物的异同点。.常见的金属化合物有哪几类？它们各有何特点？Mg2Si、ZnS、Fe3C、VC、Cu31Sn8等是哪种类型的化合物？.碳可以溶入铁中而形成间隙固溶体，试分析是a -Fe还是丫 -Fe能溶入较多的碳

3、，为什么？.作图表示出立方晶系的（123）、（112）、（421）、（231）晶面和210、111、346、110晶向。.试计算体心立方晶格的 100、110、111晶面的原子面密度和 100、110、111 晶向的原子线密度，并指出其中最密面和最密方向。.固溶体和化合物在结构、性能方面有什么差异？.常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数各有什么特点？a-Fe、丫-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种晶体结构？.已知a-Fe的晶格常数a=2.87X10-10 m, 丫-Fe的晶格常数a= 3.64x 10-10 m,试求出a -Fe 和丫 -Fe的原子半径和

4、致密度。.在立方晶系的一个晶胞中画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。.求下列晶面的晶面间距，并指出晶面间距最大的晶面：（1）已知室温下a-Fe的点阵常数为0.286nm,分别求出（100） , （110） , （123） 的晶面间距。（2）已知916c时丫-Fe的点阵常数为0.365nm,分别求出（100） , （111）, （112）的晶面间距。11、纯金属中溶入另一组元后（假设不会产生新相）会带来哪些微观结构上的变 化？这些变化如何引起性能上的变化？三、基本概念组织，相，位错，刃型位错，螺型位错，金属键，固溶体，金属化合物，品 胞，空间点阵，配位数，晶带，晶格，界面

5、能，表面能第三章 纯金属的结晶一、复习思考题指出下列各题错误之处，并更正.在任何温度下，液态金属中出现的最大结构起伏都是晶胚.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。.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。.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。.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。.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。.在研究某金属细化晶粒工艺时，主要寻找那

6、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。.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。.无论温度分布如何，常用纯金属生长都是呈树枝状界面。.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。.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。.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。.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。.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

7、过冷度大。二、习题.试比较过冷度、动态过冷度及临界过冷度的区别。.分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。.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？.试分析单晶体形成的基本条件。.已知铜的熔点为1083c，结晶潜热为1.88 X109J/m3,液固界面的界面能为0.144 J/m2。 试计算铜在853 c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？.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A G与临界晶核体积 V间的关系为A G=V/2 A G.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。.设液体结晶时，形成边长为a的立方体晶核。已知均匀

8、形核的单位固液界面能b和固液单位体积自由能差 A G,推导出临界晶核边长 a*和临界晶核形成功 AGo.从能量的角度，分析指出结晶过程的阻力是什么？动力是什么？.简述三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点。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。第四章二元合金的结晶及相图一、复习思考题指出下列各题错误之处，并更正。.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。.固溶体合金无论平衡或非平衡结晶过程中，液/周界面上液相成分沿着液相平 均成分线变化；固相成分沿着周相平均成分线变化。.根据相律计算，在匀晶相图中的两相区内，其自

9、由度为2,即温度与成分都可以独立改变。.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。.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。.固溶体核长大的过程，就是液相与固相内出现“平衡一一不平衡一一平衡一一 不平衡,，”的反复发展过程。.当固溶体合金液相快速冷却至液、周两相区内某一温度，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。.固溶体合金圆棒顺序结晶过程中， 液/周界面推进的速度越快，则棒中宏观偏 析越严重。.平均分配系数取决于液相线与固相线的

10、水平距离。因此，合金的成分越靠近匀晶相图的两端，就越小。.将固溶体合金棒反复多次“熔化一凝固”，并采用定向快速凝固的方法，可以有效地提纯金属。.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。.亚共晶合金的典型平衡组织为初生相 +共品相。.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。.具有包品转变的合金，室温的相组成物为a + B,其中B相均是包品转变产物。.具有包品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。.纯金属和固溶体的铸态组织一样，都具有等轴晶粒。二、习题.试比较共晶转变、包晶转变、共

11、析转变与匀晶转变的异同.在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能成树枝状成长，而固溶体合金却 能成树枝状成长？.有两个形状、尺寸均相同的 Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的含银量 Wi=90% 另一个铸件的Wi=50%铸件自然冷却。问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什 么？找出消除偏析的措施。.何谓成分过冷？成分过冷对固溶体结晶时晶体长大方式和铸锭组织有何影 响？三、讨论题1.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、包品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？第五章 铁碳相图及铁碳合金的结晶一、复习思考题指

12、出下列各题错误之处，并更正：.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。. 727c是铁素体与奥氏体的同素异构转变温度。. Fe-Fe3c相图上的G点是a相与丫相的同素异构转变温度。.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品转变产物。.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。.在Fe-Fe3c系合金中，只有含碳量低于 0.0218%勺合金，平衡结晶的组织中 才有三次渗碳体存在。. Fe-Fe3c相图中的GS线也是碳在奥氏体中的溶解度曲线。.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

13、析转变。.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。.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、Fe3CH、Fe3Cm、Fe3c共析及 Fe3c共晶。.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。圉丛1姮11. 1工，广，中组织.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 。.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。.图

14、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。.在观察亚共品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。二、习题1.作含碳 0.2%ffl的冷去曲线，绘制 1496C、1494C、912C、750C 725c及 20 c下的组织示意图。2,厚20mmi勺共析钢板在强脱碳性气体中加热至 930c和780c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o.试说明铁碳合金平衡组织中各类渗碳体的形成条件、存在形式与显微组织特 征。.试利用冷却曲线分析含碳量0.3

15、%亚共析钢平衡组织的形成过程。若已知亚共 析组织中先共析铁素体含量为 90%试确定该钢的大致含碳量。.试分析在一个含碳量2.0%的铁碳合金试样组织中出现少量莱氏体的原因。.(1)画出铁碳相图，标出各区的组织组成物；(2)分析20号、45号、T12、共析钢的平衡结晶过程及室温组织，并画出室温平衡组织示意图，标出各组织组成物；(3)根据杠杆定律，计算各组织组成物的相对重量。三、讨论题冷却速度对合金组织有着重要的影响，今要使钢：晶粒得到细化；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？四、概念a -Fe、铁素体、珠光体、奥氏体、金属键、离子键、共价键、极化键、位错、过

16、冷度、相律期中测验一、解释名词a-Fe、铁素体、珠光体、奥氏体二、填空题. 一块纯铁在912c发生a -Fe一 丫 -F群专变时，体积将. F的晶体结构为 ; A的晶体结构为 。.共析成分的铁碳合金室温平衡组织是 ,其组成相.用显微镜观察某亚共析钢，若估算其中的珠光体含量为80%,则此钢的碳含量 为 0三、是非题1.铁素体的本质是碳在a-Fe中的间隙相。. 20钢比T12钢的碳含量要高。. Fe3C与Fe3Cn的形态与晶体结构均不相同。.在退火状态(接近平衡组织)，45钢比20钢的硬度和强度都高。.在铁碳合金平衡结晶过程中，只有成分为 4.3%C的铁碳合金才能发生共晶反 应。四、选择正确答案.

17、奥氏体是：a.碳在丫-Fe中的间隙固溶体；b.碳在a-Fe中的间隙固溶体；c.碳 在a -Fe中的有限固溶体。.珠光体是一种：a.单相固溶体；b.两相混合物；c. Fe与C的化合物。. T10钢的含碳量为:a. 0.10%; b. 1.0%; c. 10%。.铁素体的机械性能特点是：a.强度高、塑性好、硬度低；b.强度低、塑性差、 硬度低；c.强度低、塑性好、硬度低。五、综合题(1)画出铁碳相图，标出各区的组织组成物；(2)分析20号、45号、T12、共析钢的平衡结晶过程及室温组织，并画出室温平衡组织示意图，标出各组织组成物；(3)根据杠杆定律，计算各组织组成物的相对重量。第七、八章 金属的塑

18、性变形及回复与再结晶、概念 滑移，滑移系，弹性变形，塑性变形，加工硬化，回复，再结晶，热加工，再结 晶温度，二次再结晶二、简述题.在再结晶核心的长大和再结晶后的晶粒正常长大过程中，晶界移动的驱动力 各是什么？品界移动的方向各有什么不同？.分别指出金属的冷变形量、再结晶温度及金属原始晶粒尺寸对金属再结晶后 的晶粒大小有何影响，并说明产生这种影响的原因。.画图并叙述形变过程中位错的增殖机制。.简述形变金属在退火过程中显微组织、储存能及力学性能的变化。.说明使多晶体晶粒细化能使材料的强度提高、塑性增加的原因。.什么是形变织构？什么是再结晶织构？.冷变形金属加热发生低温回复、中温和高温回复时晶体内部发生了什么变 化？.与单晶体的塑性变形相比较，说明多晶体塑性变形的特点。.什么是上屈服点和下屈服点？如何避免上屈服点和下屈服点的出现？分析吕 德斯带形成的原因。.回复处理能使金属材料的组织结构和力学性能发生哪些变化？这种变化有何 实际意义。第九章固态相变1.什么是相、相变和相图？2,简述相变的几种分类方法和种类。3.试述如何通过相变改变钢铁材料的性能。4,简述固态相变的主要特征。5,固态相变的阻力是哪几项？6.金属固态相变有哪些主要特征。7,什么叫固溶体的脱溶？说明连续脱溶和不连续脱溶在脱溶过程中母相成分变 化的特点。8