1、2020 屆材料科學(xué)基礎(chǔ)經(jīng)典習(xí)題(后附詳細(xì)答案)1 設(shè)計(jì)一種實(shí)驗(yàn)方法，確定在一定溫度( T ) 下再結(jié)晶形核率N 和長(zhǎng)大線速度G (若N和G都隨時(shí)間而變)。2金屬鑄件能否通過(guò)再結(jié)晶退火來(lái)細(xì)化晶粒?3固態(tài)下無(wú)相變的金屬及合金，如不重熔，能否改變其晶粒大小?用什么方法可以改變?4說(shuō)明金屬在冷變形、回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大各階段晶體缺陷的行為與表現(xiàn)，并說(shuō)明各階段促使這些晶體缺陷運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力是什么。5將一鍥型銅片置于間距恒定的兩軋輥間軋制，如圖7 4 所示。(1) 畫(huà)出此銅片經(jīng)完全再結(jié)晶后晶粒大小沿片長(zhǎng)方向變化的示意圖；(2) 如果在較低溫度退火，何處先發(fā)生再結(jié)晶?為什么?6 圖 7 5 示出。 黃銅在

2、再結(jié)晶終了的晶粒尺寸和再結(jié)晶前的冷加工量之間的關(guān)系。圖中曲線表明，三種不同的退火溫度對(duì)晶粒大小影響不大。這一現(xiàn)象與通常所說(shuō)的“退火溫度越高，退火后晶粒越大”是否有矛盾?該如何解釋?7 .假定再結(jié)晶溫度被定義為在1 h內(nèi)完成95%再結(jié)晶的溫度，按阿QnQg累尼烏斯（Arrhenius）方程，N= N0exp（ RT ） , G= Gexp（ RT）可以 知道，再結(jié)晶溫度將是 G和向的函數(shù)。（1） 確定再結(jié)晶溫度與G, N0, Q, Q的函數(shù)關(guān)系；（2） 說(shuō)明NO, G, Q, Q的意義及其影響因 素。8 .為細(xì)化某純鋁件晶粒，將其冷變形 5%后于650c退火1 h,組織 反而粗化；增大冷變形量至

3、80%,再于650c退火1 h,仍然得到粗 大晶粒。試分析其原因，指出上述工藝不合理處，并制定一種合理的 晶粒細(xì)化工藝。9 .冷拉銅導(dǎo)線在用作架空導(dǎo)線時(shí)（要求一定的強(qiáng)度）和電燈花導(dǎo)線 （要求韌性好）時(shí)，應(yīng)分別采用什么樣的最終熱處理工藝才合適 ？10 .試比較去應(yīng)力退火過(guò)程與動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有何不同。從顯微組織上如何區(qū)分動(dòng)、靜態(tài)回復(fù)和動(dòng)、靜態(tài)再結(jié)晶？11 .某低碳鋼零件要求各向同性，但在熱加工后形成比較明顯的帶狀 組織。請(qǐng)?zhí)岢鰩追N具體方法來(lái)減輕或消除在熱加工中形成帶狀組織的 因素12為何金屬材料經(jīng)熱加工后機(jī)械性能較鑄造狀態(tài)為佳13燈泡中的鎢絲在非常高的溫度下工作，故會(huì)發(fā)生顯著的晶粒長(zhǎng)大。當(dāng)形

4、成橫跨燈絲的大晶粒時(shí)，燈絲在某些情況下就變得很脆，并會(huì)在因加熱與冷卻時(shí)的熱膨脹所造成的應(yīng)力下發(fā)生破斷。試找出一種能延長(zhǎng)鎢絲壽命的方法。13. Fe-Si鋼(Wsi為0.03)中，測(cè)量得到 MnSlt子的直徑為0.4mm 每1 mrm內(nèi)的粒子數(shù)為2X105個(gè)。計(jì)算MnS對(duì)這種鋼正常熱處理時(shí)奧 氏體晶粒長(zhǎng)大的影響( 即計(jì)算奧氏體晶粒尺寸) 。15 判斷下列看法是否正確。(1) 采用適當(dāng)?shù)脑俳Y(jié)晶退火，可以細(xì)化金屬鑄件的晶粒。(2) 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶僅發(fā)生在熱變形狀態(tài)，因此， 室溫下變形的金屬不會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。(3) 多邊化使分散分布的位錯(cuò)集中在一起形成位錯(cuò)墻，因位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)的疊加，使點(diǎn)陣畸變?cè)龃蟆?4)

5、凡是經(jīng)過(guò)冷變形后再結(jié)晶退火的金屬，晶粒都可得到細(xì)化。(5) 某鋁合金的再結(jié)晶溫度為320，說(shuō)明此合金在320以下只能發(fā)生回復(fù)，而在320以上一定發(fā)生再結(jié)晶。(6) 20#鋼的熔點(diǎn)比純鐵的低，故其再結(jié)晶溫度也比純鐵的低。(7) 回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大三個(gè)過(guò)程均是形核及核長(zhǎng)大過(guò)程，其 驅(qū)動(dòng)力均為儲(chǔ)存能。(8) 金屬的變形量越大，越容易出現(xiàn)晶界弓出形核機(jī)制的再結(jié)晶方 式。(9) 晶粒正常長(zhǎng)大是大晶粒吞食小晶粒，反常長(zhǎng)大是小晶粒吞食大 晶粒。(10) 合金中的第二相粒子一般可阻礙再結(jié)晶，但促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大。(11) 再結(jié)晶織構(gòu)是再結(jié)晶過(guò)程中被保留下來(lái)的變形織構(gòu)。(12) 當(dāng)變形量較大、變形較均勻時(shí)，再結(jié)晶

6、后晶粒易發(fā)生正常長(zhǎng)大，反之易發(fā)生反常長(zhǎng)大。(13) 再結(jié)晶是形核長(zhǎng)大過(guò)程，所以也是一個(gè)相變過(guò)程。答案1 .可用金相法求再結(jié)晶形核率 N和長(zhǎng)大線速度G具體操作：（1） 測(cè)定N:把一批經(jīng)大變形量變形后的試樣加熱到一定溫度 （丁） 后保溫，每隔一定時(shí)間t,取出一個(gè)試樣淬火，把做成的金相樣品在 顯微鏡下觀察，數(shù)得再結(jié)晶核心的個(gè)數(shù) N得到一組數(shù)據(jù)（數(shù)個(gè)）后作 N-1圖，在N-1曲線上每點(diǎn)的斜率便為此材料在溫度丁下保溫不同 時(shí)間時(shí)的再結(jié)晶形核率No（2）測(cè)定G:將（1）中淬火后的一組試樣進(jìn)行金相觀察，量每個(gè)試樣（代 表不同保溫時(shí)間）中最大晶核的線尺寸D,彳DIt圖，在DHt曲線 上每點(diǎn)的斜率便為了溫度下保

7、溫不同時(shí)間時(shí)的長(zhǎng)大線速度 G2 .再結(jié)晶退火必須用于經(jīng)冷塑性變形加工的材料，其目的是改善冷 變形后材料的組織和性能。再結(jié)晶退火的溫度較低，一般都在臨界點(diǎn) 以下。若對(duì)鑄件采用再結(jié)晶退火，其組織不會(huì)發(fā)生相變，也沒(méi)有形成 新晶核的驅(qū)動(dòng)力（如冷變形儲(chǔ)存能等），所以不會(huì)形成新晶粒，也就不 能細(xì)化晶粒。3 .能。可經(jīng)過(guò)冷變形而后進(jìn)行再結(jié)晶退火的方法。4 .答案如附表2.5所不附表2.5冷變形金屬加熱時(shí)晶體缺陷的行為缺陷表現(xiàn)、物理變化晶體缺陷的行為缺陷運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力冷加工變形時(shí)主要的形變方式是 滑移，由于滑移，晶體中空位和 位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)分布不均勻切應(yīng)力作用回復(fù)空位擴(kuò)散、集聚或消失；位錯(cuò)密 度降低，位錯(cuò)相互

8、作用重新分布 (多邊化)彈性畸變能再結(jié)晶毗鄰低位錯(cuò)密度區(qū)晶界向高位錯(cuò)密度的晶粒擴(kuò)張。位錯(cuò)密度減少，育區(qū)降低，成為低畸變或無(wú)畸變區(qū)形變儲(chǔ)存能晶粒長(zhǎng)大彎曲界面向其曲率中心方向移 動(dòng)。微量雜質(zhì)原子偏聚在晶界區(qū) 域，對(duì)晶界移動(dòng)起拖曳作用。這 與雜質(zhì)吸附在位錯(cuò)中組成柯氏氣 團(tuán)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相似，影響了晶 界的活動(dòng)性晶粒長(zhǎng)大前后總的界面能差，而界面移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力是界面曲率5. (1)銅片經(jīng)完全再結(jié)晶后晶粒大小沿片長(zhǎng)方向變化示意圖如附圖2.22所示。由于銅片寬度不同，退火后晶粒大小也不同。最窄的一 端基本無(wú)變形，退火后仍保持原始晶粒尺寸；在較寬處，處于臨界變 形范圍，再結(jié)晶后晶粒粗大；隨寬度增大，變形度增大，退

9、火后晶粒 變細(xì)，最后達(dá)到穩(wěn)定值。在最寬處，變形量很大，在局部地區(qū)形成變 形織構(gòu)，退火后形成異常大晶粒。（2）變形越大，冷變形儲(chǔ)存能越高， 越容易再結(jié)晶。因此，在較低溫度退火，在較寬處先發(fā)生再結(jié)晶。6 .再結(jié)晶終了的晶粒尺寸是指再結(jié)晶剛完成但未發(fā)生長(zhǎng)大時(shí)的晶粒 尺寸。若以再結(jié)晶晶粒中心點(diǎn)之間的平均距離 d表征再結(jié)晶的晶粒大,“G二 d k 小，則d與再結(jié)形核率N及長(zhǎng)大線速度之間有如下近似關(guān)系：NN N0exp（ Qn_）, G G0exp（ Qn-）RTRT且由于Qn與Qg幾乎相等，故退火溫度對(duì)G/N比值的影響微弱，即晶粒大小是退火溫度的弱函數(shù)。故圖 中曲線中再結(jié)晶終了的晶粒尺寸與退火溫度關(guān)系不

10、大。再結(jié)晶完成以后，若繼續(xù)保溫，會(huì)發(fā)生晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程。對(duì)這一過(guò)程而言，退火溫 度越高，（保溫時(shí)間相同時(shí)）退火后晶粒越大。這是因?yàn)榫ЯｉL(zhǎng)大過(guò)程 是通過(guò)大角度晶界的移動(dòng)來(lái)進(jìn)行的。 溫度越高，晶界移動(dòng)的激活能就 越低，晶界平均遷移率就越高，晶粒長(zhǎng)大速率就越快，在相同保溫時(shí) 間下，退火后的晶粒越粗大，這與前段的分析并不矛盾。8 .前種工藝，由于鋁件變形處于臨界變形度下，故退火時(shí)可形成個(gè) 別再結(jié)晶核心，最終晶粒極為粗大，而后種工藝，是由于進(jìn)行再結(jié)晶 退火時(shí)的溫度選擇不合理（溫度過(guò)高），若按 T再= 0.4T熔估算，則T 再=100 C,故再結(jié)晶溫度不超過(guò)200c為宜。由于采用630c退火1 h, 故晶粒

11、仍然粗大。綜上分析，在80%變形量條彳下，采用150c退火 1 h ,則可使其晶粒細(xì)化。9 .前者采用去應(yīng)力退火（低溫退火）；后者采用再結(jié)晶退火（高溫退 火）。10 .去應(yīng)力退火過(guò)程中，位錯(cuò)通過(guò)攀移和滑移重新排列，從高能態(tài)轉(zhuǎn) 變?yōu)榈湍軕B(tài)；動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程中，則是通過(guò)螺位錯(cuò)的交滑移和刃位錯(cuò)的 攀移，使異號(hào)位錯(cuò)相互抵消，保持位錯(cuò)增殖率與位錯(cuò)消失率之間的動(dòng) 態(tài)平衡。從顯微組織上觀察，靜態(tài)回復(fù)時(shí)可見(jiàn)到清晰的亞晶界，靜態(tài) 再結(jié)晶時(shí)形成等軸晶粒；而動(dòng)態(tài)回復(fù)時(shí)形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 時(shí)等軸晶中又形成位錯(cuò)纏結(jié)胞，比靜態(tài)再結(jié)晶晶粒要細(xì)。11 .一是不在兩相區(qū)變形；二是減少夾雜元素含量；三是采用高溫?cái)U(kuò) 散退火，消

12、除元素偏析。對(duì)已出現(xiàn)帶狀組織的材料，在單相區(qū)加熱、 正火處理，則可予以消除或改善。12 .金屬材料在熱加工過(guò)程中經(jīng)歷了動(dòng)態(tài)變形和動(dòng)態(tài)回復(fù)及再結(jié)晶 過(guò)程，柱狀晶區(qū)和粗等軸晶區(qū)消失了，代之以較細(xì)小的等軸晶粒；原 鑄錠中許多分散縮孔、微裂紋等由于機(jī)械焊合作用而消失，顯微偏析 也由于壓縮和擴(kuò)散得到一定程度的減弱，故使材料的致密性和力學(xué)性 能（特別是塑性、韌性）提高。13 .可以在鴇絲中形成彌散、顆粒狀的第二相（如ThO）以限制晶粒長(zhǎng) 大。因?yàn)槿鬞hO的體積分?jǐn)?shù)為0,半徑為r時(shí)，晶粒的極限尺寸 R 4-3 （1 cos ） （a為接觸角）；若選擇合適的。和r,使R盡可能小, 即晶粒不再長(zhǎng)大。由于晶粒細(xì)化

13、將使燈絲脆性大大下降而不易破斷， 從而有效地延長(zhǎng)其壽命。15. （1）不對(duì)。對(duì)于冷變形（較大變形量）后的金屬，才能通過(guò)適當(dāng)?shù)?再結(jié)晶退火細(xì)化晶粒。（2）不對(duì)。有些金屬的再結(jié)晶溫度低于室溫， 因此在室溫下的變形也是熱變形，也會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。（3）不對(duì)。多邊化過(guò)程中，空位濃度下降、位錯(cuò)重新組合，致使異號(hào)位錯(cuò)互相抵消，位錯(cuò)密度下降，使點(diǎn)陣畸變減輕。(4) 不對(duì)。如果在臨界變形度下變形的金屬，再結(jié)晶退火后，晶粒反而粗化。(5) 不對(duì)。再結(jié)晶不是相變。因此，它可以在一個(gè)較寬的溫度范圍內(nèi)變化。(6) 不對(duì)。微量熔質(zhì)原子的存在(20#鋼中WC 0.002),會(huì)阻礙金屬的再結(jié)晶，從而提高其再結(jié)晶溫度。(7) 不對(duì)。只有再結(jié)晶過(guò)程才是形核及核長(zhǎng)大過(guò)程，其驅(qū)動(dòng)力是儲(chǔ)存能。(8) 不對(duì)。金屬的冷變形度較小時(shí)，相鄰晶粒中才易于出現(xiàn)變形不均勻的情況，即位錯(cuò)密度不同，越容易出現(xiàn)晶界弓出形核機(jī)制。(9) 不對(duì)。晶粒正常長(zhǎng)大，是在界面曲率作用下發(fā)生的均勻長(zhǎng)大；反常長(zhǎng)大才是大晶粒吞食小晶粒的不均勻長(zhǎng)大。(10) 不對(duì)。合金中的第二相粒子一般可阻礙再結(jié)晶，也會(huì)阻止晶粒長(zhǎng)大。(11) 不對(duì)。 再結(jié)晶織構(gòu)是冷變形金屬在再結(jié)晶( 一次，二次 ) 過(guò)程