金属学与热处理练习题答案

第一章金属的晶体结构

马氏体沉淀硬化不锈钢，它是美国ARMCO钢公司在1949年发表的，其特点是强度高，耐蚀性好,易焊接，热

处理工艺简单，缺点是延韧性和切削性能差，这种马氏体不锈钢与靠间隙元素碳强化的马氏体钢不同,它除靠

马氏体相变外并在它的基体上通过时效处理析出金属间化合物来强化。正因为如此而获得了强度高的优点,

但延韧性却差。

1,试用金属键的结合方式，解释金属具有良好的导电性、正的电阻温度系数、导热性、塑性和金属光泽

等基本特性.

答：（1）导电性：在外电场的作用下，自由电子沿电场方向作定向运动。

（2）正的电阻温度系数：随着温度升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍作用也加大，

即金属的电阻是随温度的升高而增加的。

（3）导热性：自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能。

（4）延展性：金属键没有饱和性和方向性，经变形不断裂。

（5）金属光泽：自由电子易吸收可见光能量，被激发到较高能量级，当跳回到原位时辐射所吸收能量，从

而使金属不透明具有金属光泽。

2、填空：

1）金属常见的晶格类型是面心立方、体心立方、密排六方。

2）金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽主要是因为金属原子具有金属键的结合方式。

3）物质的原子间结合键主要包括金属键、离子键和共价键三种。

4）大部分陶瓷材料的结合键为共价键。

5）高分子材料的结合键是范德瓦尔键。

6）在立方晶系中，某晶面在x轴上的截距为2,在y轴上的截距为1/2；与z轴平行，则该晶面指数为

（（140））.

7）在立方晶格中，各点坐标为：A（1,0,1）,B（0,1,1）,C（1,1,1/2）,D（l/2,1,1/2）,那么AB

晶向指数为（-110）,0C晶向指数为（221）,0D晶向指数为（121）o

8）铜是（面心）结构的金属，它的最密排面是（111）。

9）a-Fe、丫-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn中属于体心立方晶格的有（a-Fe、Cr、V）,属于

面心立方晶格的有（丫-Fe、Al、Cu、Ni）,属于密排六方晶格的有（Mg,Zn）。

3、判断

1）正的电阻温度系数就是指电阻随温度的升高而增大。（V）

2）金属具有美丽的金属光泽，而非金属则无此光泽，这是金属与非金属的根本区别。（X）

3）晶体中原子偏离平衡位置，就会使晶体的能量升高，因此能增加晶体的强度。（V）

4）在室温下，金属的晶粒越细,则其强度愈高和塑性愈低。（X）

5）实际金属中存在着点、线和面缺陷，从而使得金属的强度和硬度均下降。（X）

6）体心立方晶格中最密原子面是{110},原子排列最密的方向也是<111>.（对）

7）面心立方晶格中最密的原子面是{111},原子排列最密的方向是（对）

8）纯铁加热到912.C时将发生a-Fe向丫-Fe的转变，体积会发生膨胀。（错）

9）晶胞是从晶格中任意截取的一个小单元。（错）

10）纯铁只可能是体心立方结构，而铜只可能是面心立方结构。（错）

4、选择题

D金属原子的结合方式是（c）

A.离子键B共价键C金属键D分子键

2）晶态金属的结构特征是（B）

A近程有序排列B远程有序排列

C完全无序排列D部分有序排列

3）正的电阻温度系数是指（B）

A随温度增高导电性增大的现象B随温度降低电阻下降的现象

C随温度升高电阻减少的现象D随温度降低电阻升高的现象

4）金属键的一个基本特征是（A）

A.没有方向性B.具有饱和性

C.具有择优取向性D.没有传导性。

5）晶体中的位错属于（D）

A,体缺陷B点缺陷C面缺陷D.线缺陷

6）亚晶界的结构是（B）

A.由点缺陷堆集而成B由位错垂直排列成位错墙面构成

C由晶界间的相互作用构成D由杂质和空位混合组成

7）多晶体具有（C）

A.各向同性B各向异性C伪各向同性D伪各向异性

一、标出下图中给定晶面和晶向的指数。

标出00'A'A、00'B'B、0DC'的晶面指数和标出给定晶向的指数：B'D、BB，、OD'。

A

答：00,A'A晶面指数，求CPB'B即可。

截距分别为：8,1,8,

倒数后得晶面指数：（010）y

B

z

00'B，B的晶面指数，求DD，E，E

即可。

截距分别为：-1/2,1/2,8,倒

数、求整后，得晶面指数为：

(I10)

0DC,的晶面指数，求PFO'即可。

截距分别为：1/2,-1,1,倒数后，得晶面

指数为：(2I1)

标出晶向的指数：B'D、BB'、06

B'D：-1/2,0,-1-[102]

BB'：0,0,~[001]

OD'：1/2,1,…[122]

B

X

二、在立方晶胞中画出以下晶面或晶向：（231）（102）（110）[013][111]

3、在体心立方晶胞中画出一个最密排方向并标明晶向指数；再画出过该方向的两个不同的低

指数（简单）晶面，写出对应的晶面指数。

[Hi]

4、分别画出立方晶系晶胞内的（110）、（112）晶面和（110）、（111）晶向。

5、画出立方晶系中（111）面、（435）面。写出立方晶系空间点阵

特征。

立方晶系中（111）面、（435）面如右图所示。

立方晶系空间点阵特征是点阵参数有如下关系：

a=b=c,a=B=Y=90°。也可用具有哪类对称元素表示，

若有四个三次转轴，则对应立方点阵。

三、已知铜原子直径为0.256nm,试计算Imm，铜中的原子数以及Cu的晶格常数。

答：a==1.414X0.256=0.362（nm）

Imn?中的原子数为：

1/a3X4=4/（0.362X10）=8.43X1019（个）

四、已知铁的原子量为55.85,1g铁有多少个原子？计算1g铁在室温和1000℃

时各有多少个晶胞？

答:原子数：6.023X10234-55.85=1.08X1022（个）

室温时铁为体心立方结构，单位晶胞中有2个原子，故1g铁中含5.4

X10"个晶胞

1000℃时为面心立方结构，单位晶胞中有4个原子，故1g铁中含2.7

XIO?1个晶胞

五、Ni的晶体结构为面心立方，其原子半径为r=0.1243nm,已知Ni的原子

量为58.69,试求Ni的晶格常数和密度。

4r4x0.1243

=0.3516(wn)

p=4.__________4x58.69________

。-8323

，xNA(3.516X10)X6,023X10

七、问答题

1、简述金属晶体中缺陷的类型

答：按尺寸可分为：点缺陷，如溶质、杂质原子、空位；线缺陷，如位错；面缺陷，如各

种晶界、相界、表面等；体缺陷，如孔洞、气泡等。体缺陷对材料性能是绝对有害的。

2、什么是点阵参数?正方晶系和立方晶系的空间点阵特征是什么？

答:点阵参数是描述点阵单胞几何形状的基本参数，由六个参数组成，即三个边长a、b、c和

它们之间的三个夹角a、B、丫。

正方晶系的点阵参数特征是aWbWc,a=p=y=90°

立方晶系的点阵参数特征是a=b=c,a=p=y=90°

3、什么是晶面族？｛111｝晶面族包含哪些晶面？

答：晶体中原子或分子排列相同的晶面的组合称为晶面族。因对称关系，这些面往往不止一

种。立方系｛111｝晶面族包括(111)、(111)四个。

4、面心立方结构和密排六方结构金属中的原子堆垛方式和致密度是否有差异?请加以说明。

答：FCC和HCP均按ABCABC方式堆垛；致密度也都是0.74。

5、根据缺陷相对于晶体尺寸和其影响范围的大小，缺陷可以分为哪几类?简述这几类缺陷的

特征。

答：点缺陷：沿三个方向的尺寸很小，溶质原子、间隙原子、空位。

线缺陷：沿两个方向的尺寸很小，第三个方向上的尺寸很大，甚至可贯穿整个晶体，指位

错。

面缺陷：沿一个方向上的尺寸很小，另两个方向上的尺寸很大，如晶界，相界。

体缺陷：在三个方向上的尺寸都较大，但不是很大，如第二相粒子，显微空洞。

6、点缺陷(如间隙原子或代位原子)和线缺陷(如位错)为何会发生交互作用？这种交互作用如

何影响力学性能？

答：点缺陷产生畸变，使局部能量提高，附近有弹性应变场；位错也是如此，但位错周围不

同位置应力场状态不同，有的为压应力，有的为拉应力；点缺陷会聚集到位错上使应变能降

低，使系统的能量下降，吸附溶质的位错是一种稳定组态；此时位错被钉扎而难以运动，使

强度提高，会产生上下屈服点效应。

7、单相金属或合金各晶粒间的界面一般称之为晶界，通常晶界又分为小角度晶界和大角度晶

界两大类，试问：划分为两类晶界的依据是什么？并讨论构成小角度晶界的结构模型。

答：依据是按界面两侧晶粒间的取向差，＜10°的称小角度晶界，＞10°的称大角度晶界。小

角度晶界的结构模型是位错模型，比如对称倾转晶界用一组平行的刃位错来描述。

8、讨论晶体结构和空间点阵之间的关系。

答、两者之间的关系可用“空间点阵+基元=晶体结构”来描述。空间点阵只有14种，基元可

以是无穷多种，因而构成的具体的晶体结构也是无穷多种。

9、叙述常见的金属晶体中的内外界面。

答、它们包括晶界、相界、表面、挛晶界、层错。

晶界是同种晶粒之间的交界面；相界是结构、成分不同的相间的交界面；表面是晶体与

大气或外界接触的界面；李晶界是发生挛生后产生的新界面，是特殊的大角晶界，可是共格

的或半共格的；低能层错是单相晶体内因堆垛顺序反常变化后出现的新界面，也是低能界面,

与李晶界能量相近。

10、简述刃型位错和螺型位错的重要特征。

答：刃型位错的重要特征：

①刃型位错有一额外半原子面

②位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中有正应力也有切应变，对于正刃型

位错，滑移面之上晶格受到压应力，滑移面上受到拉应力，负刃型位错正好相反

③位错线与晶体的滑移方向相垂直。位错线运动的方向垂直于位错线。

④刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直。

螺型位错的重要特征：

①螺型位错没有额外半原子面

②位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中只有切应变，没有正应力

③位错线与晶体的滑移方向相平行。位错线运动的方向垂直于位错线。

④螺型位错的柏氏矢量与其位错线相平行。

名词解释：

1、金属键：自由电子与原子核之间静电作用产生的键合力。

2、位错：是晶体内的一种线缺陷，其特点是沿一条线方向原子有规律地发生错排；这种缺陷

用一线方向和一个柏氏矢量共同描述。

3、点阵畸变：在局部范围，原子偏离其正常的点阵平衡位置，使点阵产生弹性畸变，称为点

阵畸变。

4、柏氏矢量：描述位错特征的一个重要矢量，它集中反映了位错区域内畸变总量的大小和方

向；也是位错扫过后晶体相对滑动的量。

5、刃型位错和螺型位错模型:将晶体上半部切开，插入半个晶面，再粘合起来；这样，在相

当于刃端部位为中心线的附近一定范围，原子发生有规则的错动。其特点是上半部受压，下

半部受拉。这与实际晶体中的刃位错造成的情景相同，称刃型位错模型。同样，将晶体的前

半部切开，以刃端为界使左右两部分沿上下发生一个原子间距的相对切变，再粘合起来，这

时在已切动和未切动交界线附近，原子错动情况与真实的螺位错相似，称螺型位错模型。

第二章纯金属的结晶

（一）填空题

1.金属结晶两个密切联系的基本过程是形核和长大。

2在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为罩晶_，通常把金属从一种结构的固态

向另一种结构的固态的转变称为相变。

3.当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是增加非均质形核的形核率来细化晶粒

4.液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是控制过冷度、加入结构类型相同的形核

剂、振动、搅动

5.金属冷却时的结晶过程是一个人热过程。

6.液态金属的结构特点为长程无序，短程有序。

7.如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的细小高温浇注的铸件晶粒

比低温浇注的粗大，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的细小，薄铸件的晶粒比厚铸

件细小。

8.过冷度是金属相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，即平衡相变温度与该

实际转变温度之差。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越.细小。

9,固态相变的驱动力是新、旧两相间的自由能差。

10、金属结晶的热力学条件为金属液必须过冷。

1k金属结晶的结构条件为在过冷金属液中具有尺寸较大的相起伏，即晶坯o

12、铸锭的宏观组织包括外表面细晶区、中间等轴晶区和心部等轴晶区。

（二）判断题

1凡是由液态金属冷却结晶的过程都可分为两个阶段。即先形核，形核停止以后，便发生长

大，使晶粒充满整个容积。（X）

2.凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（X）

3.近代研究表明：液态金属的结构与固态金属比较接近，而与气态相差较远。（V）

4.金属由液态转变成固态的过程，是由近程有序排列向远程有序排列转变的过程。（V）

5.当纯金属结晶时，形核率随过冷度的增加而不断增加。（X）P41+7

6.在结晶过程中，当晶核成长时，晶核的长大速度随过冷度的增大而增大，但当过冷度很大

时，晶核的长大速度则很快减小。（J）P53图2-33

7.金属结晶时，冷却速度愈大，则其结晶后的晶粒愈细。（V）P5312

8.所有相变的基本过程都是形核和核长大的过程。（V）

9.在其它条件相同时，金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的铸件晶粒更细（J）

10.在其它条件相同时，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的铸件晶粒更细。（X）

11.在其它条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更细。（v）

12.金属的理论结晶温度总是高于实际结晶温度。（V）

14.在实际生产条件下，金属凝固时的过冷度都很小（＜20C）,其主要原因是由于非均匀形核

的结果。（J）

15.过冷是结晶的必要条件，无论过冷度大小，均能保证结晶过程得以进行。（X）

（三）选择题

1液态金属结晶的基本过程是A

A.边形核边长大B.先形核后长大

C.自发形核和非自发形核D.枝晶生长

2.液态金属结晶时，C越大,结晶后金属的晶粒越细小。

A.形核率NB.长大率GC.比值N/GD.比值G/N

3.过冷度越大，则a

A.N增大、G减少，所以晶粒细小B.N增大、G增大，所以晶粒细小

CN增大、G增大，所以晶粒粗大D.N减少、G减少，所以晶粒细小

4.纯金属结晶时，冷却速度越快，则实际结晶温度将其o

A.越高B越低C.越接近理论结晶温度D.没有变化

5.若纯金属结晶过程处在液一固两相平衡共存状态下，此时的温度将比理论结晶温度C

P353

A.更高B.更低C；相等D.高低波动

6.在实际金属结晶时，往往通过控制N/G比值来控制晶粒度。在下列情况下将获得

粗大晶粒。

A.N/G很大B.N/G很小C.N/G居中D.N/G=l

（四）、问答题

1、为什么金属结晶时必须过冷？P35-36影响过冷度的因素有哪些？P33：

2、简述晶体成长形状与温度梯度的关系P49-51

3、晶粒大小对金属性能有何影响?如何细化晶粒？P52-54

4、相同过冷度下比较均匀形核与非均匀形核的临界半径、临界形核功、临界晶核体积，哪个

大？

5、简述连铸坯三晶区形成原因及性能特点。

6、获得更多等轴晶的措施有哪些？

7、简述凝固过程的宏观特征，叙述凝固过程中晶体成长的机理。

凝固时宏观特征是：要有一定的过冷度，会放出明显的结晶潜热。

成长机理有三种：连续式成长、二维形核及借助台阶侧向生长、借螺旋位错生长。

8、叙述钢锭或连铸坯中常见的宏观组织缺陷，消除或改善方法。

宏观缺陷有：宏观偏析（如正常偏析、反常偏析、比重偏析）和带状组织以及缩孔、疏松、

气泡等。严格讲，也包括三晶区的组织不均匀性。

宏观缺陷（化学不均匀性、物理不均匀性和组织不均匀性）往往是相互联系的，一般希望

尽可能多而细的中心等轴晶，可采用加孕育剂、加大冷速、加强液体运动（如电磁搅拌、机械

搅拌）等方法，细化晶粒，消除柱状晶，这样与柱状晶/枝状晶区相伴随的宏观偏析和缩孔、

气泡也就明显改善了。

第三章二元合金的相结构与结晶

一、填空题

1合金的定义是两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或其它方法结合而成的具

有金属特性的物质。

2.合金中的组元是指组成合金最基本的、能独立存在的物质。

3.固溶体的定义是合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一

相同的固相称之为固溶体。

4.Cr、V在Y-Fe中将形成置换固溶体。C、N则形成间隙固溶体。

5.和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要小些。

6.当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的高熔点组元。

7.共晶反应的特征是在同一温度下，由一定成分的液相转变成成分一定的两个固相（三相

共存）。在共晶点处凝固温度最低。其反应式为L（液）-a（固）+B（固,

8.匀晶反应的特征是结晶出的晶体与母相化学成分不同（异分结晶），结晶在一定的温度范

围内进行,其反应式为L-a

9.共析反应的特征是在同一温度下，由一定成分的固相转变成成分一定的两个固相（三相共

存）。在共析点处析出温度最低。,其反应式为Y•（a+B）共析体。

10.合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为置换和间隙，按原子溶入量可以分为有限和

无限

11.合金的相结构有固溶体和金属化合物两种,前者具有较高的塑韧性能,适合于做

基体相;后者有较高的硬度性能,适合于做强化相

12.看图4—1,请写出反应式和相区：

ABC包晶线；DEF共晶线；GHI共析线；

①L+a；@g+y；（3）a；④Y+0；⑤L+Y；⑥L+6；

图4-1

13.相的定义是指合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分,组织

的定义是在显微镜下能清楚地区分开的独立组成部分。

14.间隙固溶体的晶体结构与渣剂相同，而间隙相的晶体结构与强制不同。

15,同分凝固（结晶）的定义纯金属结晶时，所结晶出的固相成分与液相成分完全一样的

结晶。

异分凝固（结晶）的定义固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分不同的结晶。

16.接近共晶成分的合金，其铸造性能较好:但要进行压力加工的合金常选用固溶体的

合金。

17."根据图4-2填出：

水平线反应式Y=6+a；有限固溶体B、a无限固溶体Y。

液相线凸ABEG

18.共晶组织的一般形态是层片状、棒状、球状、针状、螺旋状、蛛网状、放射状。

19、偏析的定义合金中化学成分的不均匀性。

20、正温度梯度下，随成分过冷程度增大分别形成平面晶、胞状晶和树枝晶。

21、为消除晶内偏析和离异共晶，工业上广泛应用均匀化退火方法。

22、连续脱溶的含义随新相生成，母相成分连续地由过饱和态转变到饱和态。

23、中间相的定义合金组元间相互作用所形成的、与纯组元结构不同的相，在相图的中间区

域。

二、判断题

1.共晶反应和共析反应的反应相和产物都是相同的。（X）

2.铸造合金常选用共晶或接近共晶成分的合金，要进行塑性变形的合金常选用具有单相固

溶体成分的合金。（V）

3.置换固溶体可能形成无限固溶体，间隙固溶体只可能是有限固溶体。（J）

4.合金中的固溶体一般说塑性较好，而金属化合物的硬度较高。（J）

5.共晶反应和共析反应都是在一定浓度和一定温度下进行的。（V）

6.共晶点成分的合金冷却到室温下为单相组织。（X）

7.初生晶和次生晶的晶体结构是相同的。（V）

8.根据相图，我们不仅能够了解各种合金成分的合金在不同温度下所处的状态及相的相对

量，而且还能知道相的大小及其相互配置的情况。（义）

9.亚共晶合金的共晶转变温度与共晶合金的共晶转变温度相同。（V）

10.过共晶合金发生共晶转变的液相成分与共晶合金成分是一致的。（V）

11.固溶体合金的匀晶结晶需要在一定的温度范围内进行。（J）

12、杠杆定律只适用于二元相图的两相区。（V）P7E5

13、高温下已达到饱和的有限固溶体，当冷却至低温时，固溶度降低，析出其他相.（J）

14、固溶体强硬度较纯金属高。（V）

15、铸造性能取决于结晶区间：液固相线之间距离越大，铸造性能越差。（J）

16、二元相图中，相邻相区中的相数只相差一个（点接触除外）。（V）

三、选择题

1.固溶体的晶体结构是A

A.溶剂的晶型B.溶质的晶型C复杂晶型D.其他晶型

2金属化合物的特点是C

A.高塑性B.高韧性C高硬度D.高强度

3.当匀晶合金在较快的冷却条件下结晶时将产生

A.匀晶偏析B比重偏C.枝晶偏析D.区域偏析

4.当二元合金进行共晶反应时，其相组成是C

A.由单相组成B两相共存C三相共存D.四相组成

5.当共晶成分的合金在刚完成共晶反应后的组织组成物为_

A.a+BB.（a+L）C.（a+B）D.L+a+p

6.具有匀晶型相图的单相固溶体合金,B

A.铸造性能好B.锻压性能好C热处理性能好D.切削性能好

7.二元合金中，共晶成分的合金A

A.铸造性能好B锻造性能好C焊接性能好D.热处理性能好

8.共析反应是指上

A.液相一固相i+固相nB固相f固相i+固相n

c.从一个固相内析出另一个固相D从一个液相中析出另一个固相

9.共晶反应是指A

A.液相一固相1+固相HB固相一固相i+固相II

C.从一个固相内析出另一个固相D从一个液相中析出另一个固相

10.固溶体和它的纯金属组元相比D。

A.强度高，塑性也高些B强度低，但塑性高些

C强度低，塑性也低些D强度高，但塑性低些

四、计算题：

1.一个二元共晶反应如下：L(W(B)=75%)-a(W(B)=15%)+8(W(B)=95%)

(1)求w(B)=50%的合金完全凝固时初晶a与共晶(a十B)的重量百分数，以及共晶体中a

相与B相的重量百分数；

⑵若已知显微组织中B初晶与(a+B)共晶各占一半，求该合金成分。

解：(1)亚。初=(75-50)/(75-15)=41.67%

W(。十B)共晶=(50-15)/(75-15)=58.33%

Wa=(95-50)7(95-15)=56.25%

WB共=(50-15)/(95-15)=43.75%

W&共=56.25%-41.67%=14.58%

(2)设合金成分为x,贝

Wp初=(x-75)/(95-75)=50%-*x=85%

即：w(B)=85%

2.按照下面给出的条件，示意画出二元合金的相图，并填出各区域的相组成物和组织组成

物。再根据相图画出合金的硬度与成分的关系曲线。已知A、B组元在液态时无限互溶,

在固态时能形成共晶，共晶成分为W（B）=35%。A组元在B组元中有限固溶，溶解度在共

晶温度时为15%,在室温时为10%；B组元在A组元中不能溶解。B组元比A组元的硬

度高。

3、讨论：Pb-Sn合金相图如下所示：（1）试标出各区域的组织；（2）指出组织中含最多和最少

的成分；（3）指出组织中含共晶体（a+B）最多和最少的成分，（4）指出最容易和最不容易

产生枝晶偏析的成分；（5）含30%Sn的Pb-Sn合金在183℃刚结束共晶反应时和室温时，各

具有何种相构成与组织构成？

五、问答题

1、简述铸锭的宏观偏析。P92-93

答：宏观偏析分：正常偏析、反常偏析和比重偏析。

正常偏析：指按合金的分配系数（设ko<l）,先析出的含溶质低，后凝固的含溶质多。

因铸锭尺寸大，由表面到中心成分不均匀，偏析出现在宏观尺度上，称宏观偏析。

反常偏析：仍遵守分配系数关系，只是形成大量枝晶后，富集溶质的液相会沿枝晶间

的通道逆向反流到先凝固的铸锭表面附近，造成由表面到中心成分分布的反常。

比重偏析：是凝固时，固相与液相比重不同，而沉积或漂浮，从而造成铸锭下端与上

端成分的不均匀，也是宏观尺度。

2、对比纯金属与固溶体结晶过程的异同，分析固溶体结晶过程的特点。P33P73

3、什么是固溶体?影响固溶度的原因有哪些？固溶体与其纯溶剂组元相比，其结构、力学性能

和物理性能发生了哪些变化？

答：固溶体：溶质原子以原子态溶人溶剂点阵中组成的单一均匀固体；溶剂的点阵类型被保

留。

影响固溶度的因素有：

（1）原子尺寸因素。当溶剂、溶质原子尺寸相对大小△rV±15%时，才有大的固溶度。

（2）负电性因素。溶剂、溶质的负电性差越小固溶度越大。

（3）电子浓度因素。有两方面的含义：一是原子价效应，即同一溶剂金属，溶质的原子

价越高，固溶度越小；二是相对价效应，即高价溶质溶人溶剂的固溶度低于低价溶质的情况。

特点是：固溶体中有点阵畸变（强度、硬度会提高）而造成点阵常数变化；出现原子偏聚

或有序化，甚至形成有序固溶体。

固溶体的结构变化：点阵畸变，点阵常数变化，偏聚及短程有序，甚至形成有序固溶体。

力学性能变化：硬度、强度提高，塑性下降。物理性能变化：电阻加大，导电率下降。

4、何谓相图?相图能说明哪些问题?实际生产中有何应用价值？P69

5、何谓杠杆定律?它在二元合金系中可以解决什么问题？P71

6、为什么固溶体合金结晶时成分间隔和温度间隔越大则流动性不好，分散缩孔大、偏析严重

以及热裂倾向大？P105

7、简述二元系中共晶反应、包晶反应和共析反应的特点，并计算其各相平衡时的自由度。

答：共晶反应：是液相同时凝固出两个不同成分的固相，两固相相互配合生长，一般长成片

层状。

共析与共晶相似，只是母相是固相，即一个固相同时生成另两个不同成分的固相。

包晶反应：是液相与一个固相反应生成另一个固相，新生成的固相包住原有的固相，反应需

要固相中的扩散，速度较慢。

这三种反应出现时，自由度都是0,即三相成分固定，温度也固定。

8、无论置换固溶体还是间隙固溶体都会引起强度升高，试分析其原因。

答：一是溶质原子的溶入使晶格畸变，阻碍滑移面上位错运动。

二是位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作用，形成“柯氏气团”对位错起钉扎作用。

第四章铁碳合金

一、填空题

1.渗碳体的晶体结构是正交晶系，按其化学式铁与碳原子的个数比为

2.当一块质量一定的纯铁加热到912c温度时,将发生a-Fe向丫-Fe的转变，此时体积

将发生收缩。

3.共析成分的铁碳合金平衡结晶至室温时，其相组成物为a和Fe7C,组织成物为

P。

4.在生产中，若要将钢进行轧制或锻压时，必须加热至丫相区。

5.当铁碳合金冷却时.发生共晶反应的反应式为1代与YE+Fe£,其反应产物在室温下被称

为变态莱氏体。

6.在退火状态的碳素工具钢中，T8钢比T12钢的硬度J氐。

7.当W(C)=0.77%—2.11%间的铁碳合金从高温缓冷至ES线以下时，将从奥氏体中析

出FeaM,其分布特征是网状。

8.在铁碳合金中，含三次渗碳体最多的合金成分点为P点(C=0.0218%),含二次渗碳体最

多的合金成分点为E点(C=2.11%)。

9.奥氏体是工在Fe中的固溶体,它的晶体结构是面心立方。

10.铁素体是C在Fe中的固溶体,它的晶体结构是体心立方。

11.渗碳体是C和Fe形成的金属间化合物。

12.珠光体是铁素体和Fe3c的机械混合物。

13.莱氏体是奥氏体和Fe3c_的机械混合物，而变态莱氏体是珠光体和Fe£的

机械混合物。

图4-1

14.在Fe—Fe3C相图中，有一次Fe3c、共晶Fe3c、二次Fe：C、共析Fe3c、

三次Fe3c五种渗碳体,它们各自的形态特征分别是呈长条状、粗大的连续基体(或

呈鱼骨状)、沿晶粒状或网络状分布、层片状、小片状。

15.钢中常存杂质元素有P、S、Si、Mn等,其中S使钢产生热脆，P使

钢产生冷脆。

18.纯铁在不同温度区间的同素异晶体有(写出温度区间)1538C~1394c为体心立方6铁素

佳、1394℃~912℃为面心立方丫奥氏体、912℃以下为体心立方a铁素体。

19.碳钢按相图分为亚共析钢、共析钢、过共析钢；按W(C)分为(标出W(C)

范围)0.0218%~0.77%、0.77%、0.77%~2.11%。

10.在铁一渗碳体相图中，存在着四条重要的线，请说明冷却通过这些线时所发生的转变并

指出生成物。ECF水平线共晶转变、莱氏体;PSK水平线共析转变、珠光体;ES线疆

溶转变、奥氏体+渗碳体；GS线同素异构转变、铁素体。

21标出Fe—Fe3c相图(图4—3)中指定相区的相组成物：

①Y,②Y+a,③a,④丫+Fe3c,⑤P+Fe3c_。

22.铁碳合金的室温显微组织由铁素体和渗碳体两种基本相组成。

23.若退火碳钢试样中先共析铁素体面积为41.6%,珠光体的面积为58.4%,则其W退尸0.457%。

(0.77-x)/(0.77-0.0218)=0.416

24.若退火碳钢试样中二次渗碳体面积为7.3%,珠光体的面积为92.7%,则其W(C)=1.2%。(x-0.77)

/(6.69-0.77)=0.073

二、判断题

1.在铁碳合金中，含二次渗碳体最多的成分点为W(C)：4.3%的合金。(X)

2.在铁碳合金中，只有共析成分点的合金在结晶时才能发生共析反应，形成共析组织。(X)

3.退火碳钢的塑性与韧性均随W(C)的增高而减小。而硬度与强度则随W(C)的增高而不断增高。

(X)在C=l%抗拉强度最高

4.在铁碳合金中，渗碳体是一个亚稳相，而石墨才是一个稳定相。(V)

5.白口铸铁在高温时可以进行锻造加工。（X）

6.因为磷使钢发生热脆，而硫使钢发生冷脆，故硫磷都是钢中的有害元素。（X）

7.在室温下，共析钢的平衡组织为奥氏体。（X）

8.纯铁加热到912℃时，将发生a-Fe一丫一Fe的转变，体积发生膨胀。（X）

9.铁碳合金中，一次渗碳体，二次渗碳体和三次渗碳体具有相同的晶体结构。（V）

10.在Fe—Fe3c相图中，共晶反应和共析反应都是在一定浓度和恒温下进行的。（V）

11.在Fe—Fe3c相图中，凡发生共晶反应的铁碳合金叫做白口铁；凡发生共析反应的铁碳合金叫做钢。

（J）

12珠光体是单相组织。（X）

13.白口铁是碳以渗碳体形式存在的铁，所以其硬度很高，脆性很大。（V）

14.W（C）=1.3%的铁碳合金加热到780℃时得到的组织为奥氏体加二次渗碳体。（V）

15.a-Fe是体心立方结构，致密度为68%,所以其最大溶碳量为32%。（X）

16.丫-Fe是面心立方晶格，致密为0.74,所以其最大溶碳量为26%。（X）

17.钢材的切削加工性随w（C）增加而变差。（X）

18.碳钢进行热压力加工时都要加热到奥氏体区。（X）

19.W（C）=1.0%的碳钢比W（C）=0.5%的碳钢硬度高。（V）

20.在室温下，w（C）=0.8%的退火碳钢的强度比W（C）=1.2%的退火碳钢高。（V）P121

21.钢钾钉一般用低碳钢制成。（V）

22.钳工锯T10、T12钢料时比锯10、20钢费力，且锯条容易磨钝。（V）

23.钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于通过铸造成形。（V）

24.工业纯铁的W（C）＜0.2%。（X）

25.工业纯铁的室温平衡组织为铁素体。（X）还有FeCm

26.汽车外壳用低碳钢板制造，而理发工具用碳素工具钢制造。（J）

27.退火碳钢W（C）接近1%时其强度极限最高。（V）P121

28.过共析钢由液态缓冷至室温所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相

同。（X）

（三）选择题

1.渗碳体属于

A间隙固溶体B间隙化合物C间隙相D正常化合物

2..6-Fe的晶型是A

A体心立方B面心立方C密排六方D简单立方

3.铁素体的机械性能特点是工

A具有良好的硬度与强度B具有良好的综合机械性能

C具有良好的塑性和韧性D具有良好的切削性和铸造性

4.W（C）=4.3%碳的铁碳合金具有

A良好的可锻性B良好的铸造性C良好的焊接性D良好的热处理性

5.建筑用钢筋宜选用A

A低碳钢B中碳钢C高碳钢D工具钢

6.装配工使用的锂刀宜选用

A低碳钢B.中碳钢C高碳钢D过共晶白口铁

7.纯铁在912C以下的晶格类型是工

A密排六方晶格B面心立方晶格C体心立方晶格D简单立方晶格

8.三次渗碳体是从B

A钢液中析出的B铁素体中析出的C奥氏体中析出的D珠光体中析出的

9.二次渗碳体是从C

A钢液中析出的B铁素体中析出的C奥氏体中析出的D莱氏体中析出的

10.在下述钢铁中，切削性能较好的是3

A工业纯铁B45C白口铁DT12A

四、名词解释

1、渗碳体：Fe3c为复杂晶体结构的间隙化合物，其硬度高，脆性大，塑性几乎等于零，硬脆

相，是钢中主要强化相。

2、铁素体：碳溶于a-Fe中所形成的间隙固溶体，铁素体仍保持a-Fe的体心立方晶格，由

于间隙小，溶碳极少，力学性能与纯铁相同，强度、硬度不高，具有良好的塑性，770℃以下

为铁磁性。

3、奥氏体：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体，仍保持丫-Fe的面心立方晶格，最高溶碳可

达2.11%,强度、硬度较高，塑性好，无磁性。

4、珠光体(P)：铁素体F与渗碳体Fe3c所形成的机械混合物(平均含碳量0.77%),综合

性能好。

5,莱氏体(Ld或Le)：奥氏体A与渗碳体Fe3c所形成的机械混合物(平均含碳量：4.3%),

具有硬而脆的性能。

五、问答与计算题

1、画出铁碳相图，标明相图中各特征点的温度与成分，写出相图中包晶反应、共晶反应与共

析反应的表达式。

答：包晶反应：L(0.53%C)+8-Fe(0.09%C)-y-Fe(0.17%C)

共晶反应：L(4.3%C)->y-Fe(2.ll%C)+Fe3c(6.69%C)

共析反应：y-Fe(0.77%C)~*a-Fe(0.0218%C)+Fe3c(6.69%C)

2、简述含碳量为0.35%钢的结晶过程和固态组织转变过程。

答：由液相先凝固出3铁素体，在1495c进行包晶反应，生成丫奥氏体；继续冷却，由剩余

的液相再次析出Y奥氏体，然后变成单相奥氏体。冷至约800℃,从丫奥氏体中析出先共析

a铁素体，在727℃进行共析反应，形成珠光体，最后得到铁素体加珠光体组织。

3、分析含碳量0.14%的铁碳合金的结晶过程。

答：含碳0.12%的钢，由液相冷却时，先形成6铁素体，固液相分别按相图上的固、液相

线成分变化，到1495℃包晶温度，部分进行包晶反应；新相丫奥氏体在已生成的6铁素体上

形核并向3铁素体和液相中生长。反应后是两相组织6铁素体+丫奥氏体。继续冷却得到单相

奥氏体。冷却到GS线时从丫奥氏体中析出先共析a铁素体，在727℃进行共析反应，形成珠

光体，最后得到铁素体加珠光体组织。

4、画出Fe-Fe3c相图，分析含碳量为1.lwt%(重量百分比)的铁碳合金从液相平衡凝固到室

温时的转变过程，画出组织转变示意图，并计算出室温时各组织的相对含量。

答、1.1%C的钢由液相冷却时先进入L+丫奥氏体两相区，形成枝晶或等轴状丫奥氏体，然后

进入奥氏体单相区；继续冷却到〜760C,沿晶界析出二次渗碳体，在777c剩余的奥氏体转

变为珠光体，最后的组织是珠光体+网状二次渗碳体，如图9-3所示。

一网状渗碳体

一珠光体

珠光体相对含量为:(6.67~1.1)/(6.69〜0.77)X100%=94.4%

网状渗碳体相对含量为:(1.1-0.77)/(6.69~0.77)X100%=5.6%

5、1)试画出含碳量为0.55%的铁碳合金金相显微组织示意图；

2)试分析含碳量分别为0.20%,0.45%,0.65%的铁碳合金在组织和力学性能上有何不同？

答：1)0.45%的铁碳合金金相显微组织示意图：

2)随含碳量T，F1,Fe3Cfo塑性、韧性下降，强度硬度T

6、说明含碳为1.9%的铁碳合金由液相缓冷到共析温度以下的组织变化过程及最终组织；计

算该合金二次渗碳体的最大重量百分量；再分别计算共析转变后合金中铁素体和珠光体组织

重量百分量。

答：液相冷却时，先形成先共晶奥氏体枝晶或等轴晶，直至凝固完毕。继续冷却时奥氏体枝

晶无变化，到渗碳体在奥氏体的溶解度曲线后，沿晶界析出少量二次渗碳体。到共析温度后,

剩余的奥氏体全部转变为珠光体，最后得到珠光体和少量网状二次渗碳体。

二次渗碳体的最大重量百分量：

W渗碳体=(1.9〜0.77)/(6.69~0.77)X100%=19.09%

共析转变后合金中铁素体重量百分量：

W铁素体=(6.69〜1.9)/(6.69-0.0218)X100%=71.84%

珠光体组织重量百分量：

W珠光体=(6.69〜1.9)/(6.69~0.77)X100%=80.91%

7、说明含2.9%C的铁碳合金由液相缓冷到共析温度以下的组织变化过程及最终组织。计算共

晶转变刚结束时先共晶奥氏体的重量百分量；再分别计算共析转变后合金中铁素体和全部的

珠光体组织重量百分量。

答：液相冷却时，先形成先共晶奥氏体枝晶，剩余的液相进行共晶转变形成莱氏体，凝固完

毕。继续冷却时奥氏体枝晶周围析出二次渗碳体，到共析温度后，奥氏体转变为珠光体，最

后得到枝晶状分布的珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体。

先共晶奥氏体重量百分量：

W奥氏体=(4.3—2.9)/(4.3—2.11)X100%=63.93%

共析转变后合金中铁素体组织的重量百分量：

W铁素体=(6.69—2.9)/(6.69—0.0218)X100%=56.82%

共析转变后合金中全部珠光体组织的重量百分量：

W珠光体=(6.69—2.9)/(6.69—0.77)X100%=64.02%

8、为什么钢的渗碳在奥氏体中进行而不在铁素体中进行？

答：丫-Fe即奥氏体中溶碳量为2.11临而a-Fe仅能溶解0.0218里碳；另丫-Fe为高温相，

D值大，所以在Y-Fe中渗碳。

9、一堆钢材由于混杂，不知道化学成分，现抽出一根进行金相分析，其组织为铁素体加珠光

体，其中珠光体的面积大约占40%,由于珠光体与铁素体的比容相近，可用显微组织中珠光

体与铁素体的面积百分数替代二者的重量百分数，试估算该钢材的含碳量。

10、已知珠光体的HBS=180,6=20%,铁素体的HBS=80,6=50%,试计算含碳量为

0.45%的碳钢的硬度和伸长率。（提示：合金的性能值大约是它的各组织组成物的性能值与它

的各组织组成物在合金中的含量的乘积和，或称为加权平均值）。

11、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、共析

渗碳体。

答：一次渗碳体（呈长条状）、二次渗碳体（沿晶粒状~网络状分布）、三次渗碳体（小片状）、

共晶渗碳体（连续集体或呈鱼骨状）、共析渗碳体（层片状）。

第五章金属及合金的塑性变形

（一）填空题

1.硬位向是指外力与滑移面平行或垂直，取向因子为零,其含义是无论Tk如何，OS均为无穷大，晶

体无法滑移。

2.从刃型位错的结构模型分析，滑移的实质是位错在切应力作用下沿滑移而逐步移动的结果。

3.由于位错的增殖性质,所以金属才能产生滑移变形，而使其实际强度值大大的低于理论强度值。

4.加工硬化现象是指随变形度增大，金属的强硬度显著增高而塑韧性明显下降的现象,加工硬化的结果使

金属对塑性变形的抗力增加，造成加工硬化的根本原因是位错密度大大增加。

5.影响多晶体塑性变形的两个主要因素是遍思、晶粒位向差。

6.金属塑性变形的基本方式是滑移和挛生，冷变形后金属的强度增加,塑性降低。

7.常温下使用的金属材料以细小晶粒为好,而高温下使用的金属材料以粗大晶粒为好。

8.面心立方结构的金属有12个滑移系，它们是4{111}X3V110〉。

9.体心立方结构的金属有12个滑移系，它们是6{110}。

10.密排六方结构的金属有二个滑移系，它们是1{0001}X3<M20>。

11.单晶体金属的塑性变形主要是切应力作用下发生的,常沿着晶体中密排面