金屬學與熱處理習題答案

第一章習題

1.作圖表示出立方晶系(123)、(0-1-2),(421)等晶面和［-102］、［-211］、［346］等晶

向

3.某晶體的原子位于正方晶格的節點上，其晶格常數a=b#c,c=2/3a?今有一晶面在X、Y、

Z坐標軸上的截距分別是5個原子間距，2個原子間距和3個原子間距，求該晶面的晶面參

數。

解：設X方向的截距為5a,Y方向的截距為2a,則Z方向截距為3c=3X2a/3=2a,取截距的

倒數，分別為

l/5a,l/2a,l/2a

化為最小簡單整數分別為2,5,5

故該晶面的晶面指數為(255)

4.體心立方晶格的晶格常數為a,試求出(100)、(110)、(111)晶面的晶面間距，并指

出面間距最大的晶面

解：(100)面間距為a/2,(110)面間距為J2a/2,(111)面間距為J3a/3

三個晶面晶面中面間距最大的晶面為(110)

7.證明理想密排六方晶胞中的軸比c/a=1.633

證明：理想密排六方晶格配位數為12,即晶胞上底面中心原子與其下面的3個位于晶

胞內的原子相切，成正四面體，如圖所示

則0D=c/2,AB=BC=CA=CD=a

因AABC是等邊三角形，所以有OC=2/3CE

由于(BC)2=(CE)2+(BE)2

V32V3V3

CE=----a,0C=—X-------------a

則2323

有(CD)2=(OC)2+(1/2C)2,即

(CD)2=(—c)2=(a):

32

因止匕c/a=d8/3=1.633

8.試證明面心立方晶格的八面體間隙半徑為r=0.414R

解：面心立方八面體間隙半徑r=a/2-d2a/4=0.146a

面心立方原子半徑R=?2a/4,則a=4RA/2,代入上式有

R=0.146X4R/A/2=0.414R

9.a)設有一剛球模型，球的直徑不變，當由面心立方晶格轉變為體心立方晶格時，試計算

其體積膨脹。b)經X射線測定，在912'C時y-Fe的晶格常數為0.3633nm,a-Fe的晶格

常數為0.2892nm,當由Y-Fe轉化為a-Fe時，求其體積膨脹，并與a)比較，說明其差別

的原因。

解：a)令面心立方晶格與體心立方晶格的體積及晶格常數分別為V面、V踢與a面、a

體，鋼球的半徑為r,由晶體結構可知，對于面心晶胞有

4r」2a面,a面=242/2r,V面=(a面)3=(2收)3

對于體心晶胞有

4r=d3a體，a體=443/3r,V體=(a體)3=(4^3/3r)3

則由面心立方晶胞轉變為體心立方晶胞的體積膨脹AV為

△V=2XV體-V面=2.Old

B)按照晶格常數計算實際轉變體積膨脹△\，實，有

△Vs=2AV體-V面=2x(0.2892)3-(0.3633)3=0.000425nm3

實際體積膨脹小于理論體積膨脹的原因在于由Y-Fe轉化為a-Fe時,Fe原子的半徑發

生了變化，原子半徑減小了。

10.已知鐵和銅在室溫下的晶格常數分別為0.286nm和0.3607nm,求lcm3中鐵和銅的原子

數。

解：室溫下Fe為體心立方晶體結構，一個晶胞中含2個Fe原子，Cu為面心立方晶體結構,

一個晶胞中含有4個Cu原子

lcm3=102Inm3

令lcm3中含Fe的原子數為NFe，含Cu的原子數為Nc”室溫下一個Fe的晶胞題解

為VFe，一個Cu晶胞的體積為Vcu，則

221318

NFe=107VFe=lO/(O.286)=3.5xlO

Ncu=102l/VCU=102I/(0.3607)3=2.8X1018

IL一個位錯環能不能各個部分都是螺型位錯或者刃型位錯，試說明之。

解：不能，看混合型位錯

13.試計算｛110｝晶面的原子密度和口11］晶向原子密度。

解：以體心立方｛110｝晶面為例

｛110｝晶面的面積S=ax42a

｛110｝晶面上計算面積S內的原子數N=2

貝｛110｝晶面的原子密度為P=N/S=72a-2

［111］晶向的原子密度P=2/Y3a

15.有一正方形位錯線，其柏式矢量如圖所示，試指出圖中各段線的性能，并指出任性位錯

額外串排原子面所在的位置。

DC、AB段為螺型位錯

AD段額外半原子面垂直直面向里

BC段額外半原子面垂直直面向外

第二章習題

1.證明均勻形核時，形成臨界晶粒的AGk與其體積V之間的關系為AGk=V/2AG,.

證明：由均勻形核體系自由能的變化

AG=—VAGy+dS(1)

可知，形成半徑為琮的球狀臨界晶粒，自由度變化為

AG*=--K/;AG,+4兀「「。

(2)

對(2)進行微分處理，有

4i

,（△G），（一3兀八AGJ?,（47cz■」/）

血片dq

0=--兀乙;AGx3+4兀/ax2,即。=—

32（3）

將（3）帶入（1）,有

△Gk=-VAGv+皂Js

2（4）

V=3*=”

由于33,即3v=rkS（5）

將（5）帶入（4）中，則有

3VV

=

AGk=-VAGv^——AGt—AGr

2.如果臨界晶核是邊長為a的正方形，試求其AGk和a的關系。為什么形成立方晶核

的AGk比球形晶核要大？

32

iil-IW：AG=-VAGv+aS="aAGv+6ao

I二式做微分處理，有0=-3a2AG-Fl2ao*貝ij<5=—aAG

v4v

?

因U匕AGk=—a'AGv-t--aAGv6a-=—aAGv

當形成球型品核時

△G*=--TTrAG+47Tr，O,貝U有O=,貝|J

32

2

AG?：=——HrWAGVv+4兀/A;=二兀匚KAG,V

當形成立方必核時

AG=—aAG,4-6a0，則有G=°°。',貝ll

4

AG；=-aAG+6a/-='a「AG、

kv44."2

液態金屬固定，b值就固定不變了，所以0=%包工=但工，則右

42

^k=2rk,代入AG：、一qNG,+6a/=^n/AG,,貝！J

42

△G；=4屋△￡,又

AGr=17Cr；AGv,所以

AG?>AGf

3.為什么金屬結晶時一定要有過冷度，影響過冷度的因素是什么，固態金屬融化時是否會出

現過熱，為什么？

答：由熱力學可知，在某種條件下，結晶能否發生，取決于固相的自由度是否低于液相的自

由度，即？G=GS-GL<0；只有當溫度低于理論結晶溫度Tm時，固態金屬的自由能才低于

液態金屬的自由能，液態金屬才能自發地轉變為固態金屬，因此金屬結晶時一定要有過冷

度。影響過冷度的因素：影響過冷度的因素：1）金屬的本性，金屬不同，過冷度大小不

同；2）金屬的純度，金屬的純度越高，過冷度越大；3）冷卻速度，冷卻速度越大，過冷

度越大。固態金屬熔化時會出現過熱度。原因：由熱力學可知，在某種條件下，熔化能否

發生，取決于液相自固態金屬熔化時會出現過熱度。原因：由度是否低于固相的自由度，

即？G=GL-GS<0；只有當溫度高于理論結晶溫度Tm時，液態金屬的自由能才低于固態

金屬的自由能，固態金屬才能自發轉變為液態金屬，因此金屬熔化時一定要有過熱度。

4.試比較均勻形核和非均勻形核的異同點。

相同點：均勻形核與非均勻形核具有相同的臨界晶核半徑，非均勻形核的臨界形核功也

等于三分之一.

不同點：非均勻形核要克服的位壘比均勻形核的小得多，在相變的形核過程通常都是非

均勻形核優先進行。核心總是傾向于以使其總的表面能和應變能最小的方式形成，因而析出

物的形狀是總應變能和總表面能綜合影響的結果。

5.說明晶體成長形狀與溫度梯度的關系

（1）、在正的溫度梯度下生長的界面形態：

光滑界面結晶的晶體，若無其它因素干擾，大多可以成長為以密排晶面為表面的晶體，

具有規則的幾何外形。粗糙界面結構的晶體，在正的溫度梯度下成長時，其界面為平行于熔

點等溫面的平直界面，與散熱方向垂直，從而使之具有平面狀的長大形態，可將這種長大方

式叫做平面長大方式。

（2）、在負的溫度梯度下生長的界面形態粗糙界面的晶體在負的溫度梯度下生長成樹枝

晶體。主干叫一次晶軸或一次晶枝。其它的叫二次晶或三次晶。對于光滑界面的物質在負的

溫度梯度下長大時，如果杰克遜因子a不太大時可能生長為樹枝晶，如果杰克遜因子a很大

時.，即使在負的溫度梯度下，仍有可能形成規則形狀的晶體。

6.簡述三晶區形成的原因及每個晶區的性能特點

形成原因：1）表層細晶區：低溫模壁強烈地吸熱和散熱，使靠近模壁的薄層液體產生

極大地過冷，形成原因形成原模壁又可作為非均勻形核的基底，在此一薄層液體中立即

產生大量的晶核，并同時向各個方向生長。晶核數目多，晶核很快彼此相遇，不能繼續生

長，在靠近模壁處形成薄層很細的等軸晶粒區。

2）柱狀晶區：模壁溫度升高導致溫度梯度變得平緩；過冷度小，不能生成新晶核，但

利于細晶區靠近液相的某些小晶粒長大；遠離界面的液態金屬過熱，不能形核；垂直于模

壁方向散熱最快，晶體擇優生長。

3）中心等軸晶區：柱狀晶長到一定程度后，鑄錠中部開始形核長大一中部液體溫度大

致是均勻的，每個晶粒的成長在各方向上接近一致，形成等軸晶。

性能特點：1）表層細晶區：組織致密，力學性能好；

2）柱狀晶區：組織較致密，存在弱面，力學性能有方向性；

3）中心等軸晶區：各晶粒枝杈搭接牢固，無弱面，力學性能無方向性。

7.為了得到發達的柱狀晶區應采用什么措施，為了得到發達的等軸晶區應采取什么措施？其

基本原理如何？

答：為了得到發達的柱狀晶區應采取的措施：1）控制鑄型的冷卻能力，采用導熱性好

與熱容量大的鑄型為了得到發達的柱狀晶區應采取的措施：材料，增大鑄型的厚度，降低

鑄型的溫度。2）提高澆注溫度或澆注速度。3）提高熔化溫度。基本原理：基本原理：1）

鑄型冷卻能力越大，越有利于柱狀晶的生長。2）提高澆注溫度或澆注速度，使溫度梯度增

大，有利于柱狀晶的生長。3）熔化溫度越高，液態金屬的過熱度越大，非金屬夾雜物溶解

得越多，非均勻形核數目越少，減少了柱狀晶前沿液體中的形核的可能，有利于柱狀晶的

生長。

為了得到發達的等軸晶區應采取的措施：為了得到發達的等軸晶區應采取的措施：1）

控制鑄型的冷卻能力，采用導熱性差與熱容量小的鑄型材等軸晶區應采取的措施料?，增大

鑄型的厚度，提高鑄型的溫度。2）降低澆注溫度或澆注速度。3）降低熔化溫度。

基本原理：基本原理：1）鑄型冷卻能力越小，越有利于中心等軸晶的生長。2）降低

澆注溫度或澆注速度，使溫度梯度減小，有利于等軸晶的生長。3）熔化溫度越低，液態金

屬的過熱度越小，非金屬夾雜物溶解得越少，非均勻形核數目越多，增加了柱狀晶前沿液

體中的形核的可能，有利于等軸晶的生長。

第三章習題

1.在正溫度梯度下，為什么純金屬凝固時不能呈樹枝狀生長，而固溶體合金卻能呈樹枝狀成

長？

純金屬凝固時，要獲得樹枝狀晶體，必需在負的溫度梯度下；在正的溫度梯度下，只能

以平面狀長大。而固溶體實際凝固時，往往會產生成分過冷，當成分過冷區足夠大時，固溶

體就會以樹枝狀長大。

2.何謂合金平衡相圖，相圖能給出任一條件下的合金顯微組織嗎？

合金平衡相圖是研究合金的工具，是研究合金中成分、溫度、組織和性能之間關系的理

論基礎，也是制定各種熱加工工藝的依據。

其中二元合金相圖表示二元合金相圖表示在平衡狀態下，合金的組成相或組織狀態與溫度、

成分、壓力之間關系的簡明圖解。平衡狀態：合金的成分、質量份數不再隨時間而變化的一

種狀態。合金的極緩慢冷卻可近似認為是平衡狀態。

三元合金相圖是指獨立組分數為3的體系，該體系最多可能有四個自由度，即溫度、壓

力和兩個濃度項，用三維空間的立體模型已不足以表示這種相圖。若維持壓力不變，則自由

度最多等于3,其相圖可用立體模型表示。若壓力、溫度同時固定，則自由度最多為2,可

用平面圖來表示。通常在平面圖上用等邊三角形（有時也有用直角坐標表示的）來表示各組分

的濃度。

不能，相圖只能給出合金在平衡條件下存在的合金顯微組織

4.何謂成分過冷？成分過冷對固溶體結晶時晶體長大方式和鑄錠組織有何影響？

在固溶體合金凝固時，在正的溫度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所

差別，導致固液界面前沿的熔體的溫度低于實際液相線溫度，從而產生的過冷稱為成分

過冷。

這種過冷完全是由于界面前沿液相中的成分差別所引起的。溫度梯度增大，成分過冷減

小。成分過冷必須具備兩個條件:第一是固~液界面前沿溶質的富集而引起成分再分配;

第二是固~液界面前方液相的實際溫度分布，或溫度分布梯度必須達到一定的值。

對合金而言，其凝固過程同時伴隨著溶質再分配，液體的成分始終處于變化當中，液體

中的溶質成分的重新分配改變了相應的固液平衡溫度，這種關系有合金的平衡相圖所規定。

利用“成分過冷”判斷合金微觀的生長過程。

第四章習題

1.分析分析3c=0.2%,wc=0.6%,wc=1.2%的鐵碳合金從液態平衡冷卻到室溫的轉變過程。

3c=0.2%:L—L+8—6-*y(1495度)---y+L—y—-a+Y—-Y-a(727度)---a

+Fe3C;(Y=A,a=F;下同)

3c=0.6%:L—y+L—y—-a+丫—-y-*a(727度)---a+Fe3C;

3c=1.2%:L—y+L—yFe3C+yy-a(727度)---a+Fe3C;

室溫下相組成物的相對含量：

3c=0.2%,滲碳體相對含量=(020.02)/6.67%，余量鐵素體

3c=0.6%,滲碳體相對含量=(0.6-0.02)/6.67%，余量鐵素體

3c=1.2%滲碳體相對含量=(120.02)/6.67%，余量鐵素體

室溫下組織組成物的相對含量：

3C=O.2%,珠光體相對含量=(020.02)/0.77%,余量鐵素體

3c=0.6%,珠光體相對含量=(0.6-0.02)/0.77%，余量鐵素體

3c=1.2%,滲碳體相對含量=(1.2-0.77)/6.67%，余量珠光體

2.分析3c=3.5%、3c=4.7%的鐵碳合金從液態到室溫的平衡結晶過程，畫出冷卻曲線和組

織轉變示意圖，并計算室溫下的組織組成物和相組成物。

1700

1538

1500

6-

1394

1300

1OO

912

9OO

P'

700

50()

，60

。0203.0—.&。小覷669

叱(％)

Y/A：奧氏體區；CI/F,鐵素體區；L：液相區；

Fe3C/Cm：陵碳體區；6：國溶體區

解：下圖表示3c=3.5%%的鐵碳合金從液態到室溫的平衡結晶過程:

3.計算鐵碳合金中二次滲碳體和三次滲碳體最大可能含量。

答：鐵碳合金中二次滲碳體即Fe3c”的最大可能含量產生在2.11%C的鐵碳合金中，因

此

(Fe3cII)max=(2.11-0.77)/(6.69-0.77)xl00%=22.64%

三次滲碳體即Fe3cm的可能最大含量在0.0218%C的鐵碳合金中，因此

(Fe3Cm)—(0.0218-0.006)/(6.69-0.006)xl00%=0.24%

4.分別計算萊氏體中共晶滲碳體、二次滲碳體、共析滲碳體的含量。

解：在萊氏體中，

Fe3c共晶%=(4.3-2.11)/(6.69-2.11)*100%=47.8%

Fe3cli%=[(6.69-4.3)/(6.69-2.11)]*[(2.11-0.77)/(6.69-0.77)]*100%=11.8%

Fe3c燦i%=[(6.69-4.3)/(6.69-2.11)-11.8%]*[(0.77-0.0218)/(6.69-0.0218)]*100%=4.53%

5.為了區分兩種弄混的鋼，工人分別將A、B兩塊碳素鋼試樣加熱至850'C保溫后緩冷，金

相組織分別為：A試樣的先共析鐵素體面積為41.6%,珠光體面積為58.4%；B試樣的

二次滲碳體面積為7.3%,珠光體面積為92.7%；設鐵素體和滲碳體的密度相同，鐵素體的

含碳量為零，求A、B兩種碳素鋼的含碳量。

解：這兩個試樣處理后都是得到的平衡態組織，首先判斷A試樣為亞共析鋼，根據相

圖杠桿原理列出方程如下：(0.77-X)/(0.77-0.0218)=41.6%這樣得到X=45.0%,大概是45

鋼的成分范圍。

同理B試樣為過共析鋼(6.69-X)/(6.69-0.77)=92.7%；X=1.2%,大概是T12鋼的范圍，當

然相應地還可以利用杠桿的另外一端來求了。

6.利用Fe-FeC3相圖說明鐵碳合金的成分、組織和性能的關系。

從相組成物的情況來看，鐵碳合金在室溫下的平衡組織均由鐵素體和滲碳體組成，當碳

質量分數為零時，合金全部由鐵素體所組成，隨著碳質量分數的增加，鐵素體的量呈直線下

降，到%為6.69%時降為零,相反滲碳體則由零增至100%。

碳質量分數的變化不僅引起鐵素體和滲碳體相對量的變化,而且兩相相互組合的形態即

合金的組織也將發生變化，這是由于成分的變化引起不同性質的結晶過程，從而使相發生變

化的結果，由圖3-35可見，隨碳質量分數的增加，鐵碳合金的組織變化順序為：

F—F+Fe3CnLF+PfPfP+FeaCn-FesCii+Le-Le—>Le+Fe3cl

%〈0.0218%時的合金組織全部為鐵素體，％=0.77%時全部為珠光體，%=4.3%時全部為萊

氏體，修=6.69%時全部為滲碳體，在上述碳質量分數之間則為組織組成物的混合物；而且，

同一種組成相，由于生成條件不同，雖然相的本質未變，但其形態會有很大的差異。如滲碳

體，當限<0.0218%時，三次滲碳體從鐵素體中析出，沿晶界呈小片狀分布；經共析反應生

成的共析滲碳體與鐵素體呈交替層片狀分布;從奧氏體中析出的二次滲體則以網狀分布于奧

氏體的晶界；共晶滲碳體與奧氏體相關形成，在萊氏體中為連續的基體，比較粗大，有時呈

魚骨狀；從液相中直接析出的一次滲碳體呈規則的長條狀。可見，成分的變化，不僅引起相

的相對量的變化，而且引起組織的變化，從而對鐵碳合金的性能產生很大的影響。

1）切削加工性能

鋼中碳質量分數對切削加工性能有一定的影響。低碳鋼的平衡結晶組織中鐵素體較多，

塑性、韌性很好，切削加工時產生的切削熱較大，容易黏刀，而且切屑不易折斷，影響表面

粗糙度，因此，切削加工性能不好；高碳鋼中滲碳體較多，硬度較高，嚴重磨損刀具，切削

性能也不好；中碳鋼中鐵素體與滲碳體的比例適當，硬度與塑性也比較適中，切削加工性能

較好。一般說來，鋼的硬度在170?250HBW時切削加工性能較好。

2）壓力加工性能

金屬壓力加工性能的好壞主要與金屬的鍛造性有關。金屬的鍛造性是指金屬在壓力加工

時能改變形狀而不產生裂紋的性能。鋼的鍛造性主要與碳質量分數及組織有關，低碳鋼的鍛

造性較好，隨著碳質量分數的增加，鍛造性逐漸變差。由于奧氏體具有良好的塑性，易于塑

性變形，鋼加熱到高溫獲得單相奧氏體組織時可具有良好的鍛造性。白口鑄鐵無論在低溫或

高溫，其組織都是以硬而脆的滲碳體為基體，鍛造性很差，不允許進行壓力加工。

3）鑄造性能

隨著碳質量分數的增加，鋼的結晶溫度間隔增大，先結晶形成的樹枝晶阻礙未結晶液體

的流動，流動性變差。鑄鐵的流動性要好于鋼，隨碳質量分數的增加，亞共晶白口鐵的結晶

溫度間隔縮小，流動性隨之提高；過共晶白口鐵的流動性則隨之降低；共晶白口鐵的結晶溫

度最低，又是在恒溫下結晶，流動性最好。碳質量分數對鋼的收縮性也有影響，一般說來，

當澆注溫度一定時，隨著碳質量分數的增加，鋼液溫度與液相線溫度差增加，液態收縮增大;

同時，碳質量分數增加，鋼的凝固溫度范圍變寬，凝固收縮增大，出現縮孔等鑄造缺陷的傾

向增大。此外，鋼在結晶時的成分偏析也隨碳質量分數的增加而增大。

7.Fe-FeG相圖有哪些應用，又有哪些局限性

答：鐵一滲碳體相圖的應用：

1）在鋼鐵選材方法的應用；

2）在鑄造工藝方法的應用；

3）在熱鍛、熱軋、熱鍛工藝方法的應用；

4）在熱處理工藝方法的應用。

滲碳體相圖的局限性：

1）只反映平衡相，而非組織；

2）只反映鐵二元合金中相的平衡；

3）不能用來分析非平衡條件下的問題

第五章習題

1.試在A、B、C成分三角形中，標出注下列合金的位置：

1)3c=10%,3c=10%，其余為A；

2)3c=20%,3c=15%,其余為A；

3)3c=30%,3c=15%,其余為A；

4)3c=20%,3c=30%,其余為A；

5)3c=40%,A和B組元的質量比為1:4；

6)3A=30%,A和B組元的質量比為2:3；

解：6)設合金含B組元為WB,含C組元為WC,則WB/WC=2/3WB+WC=l?30%可

求WB=42%,WC=28%。

2.在成分三角形中標注P(3A=70%、3B=20%、3c=10%)；Q(3A=30%、aB=50%、

3c=20%)；N(3A=30%、3B=10%、3c=60%)合金的位置，然后將5kgp合金、5kgQ

合金和10kgN合金熔合在一起，試問新合金的成分如何？

解：設新合金的成分為3新A、3新B、3新C，則有

SiPN

wA=(5XG)A+5X?QA+10XG>A)/(5+5+10)=(5X70%+5X30%+10X30%)/20=40.0%;

N

3新B=(5X3PA+5X3QA+10XWA)/(5+5+10)=(5X20%+5X50%+10X10%)/20=22.5%;

3新c=(5X3PA+5XaQA+10X3NA)/(5+5+10)=(5X10%+5X20%+10X60%)/20=37.5%;

所以，新合金的成分為：3晨=40.0%、3,=22.5%、3%=37.5%。

第六習題

屈服載荷620252184148174273525

/N

6角/8372.56248.530.51765

(0)

入角/25.5263466374.882.5

(°)

Tk8.688X2.132X2.922X3.633X3.088X

105106106106106

cosXcos60.1100.2700.3700.4600.391-0.2620.130

計算方法Tk=。s?cosXcos。=F/Acos入cos@

4.試用多晶體的塑性變形過程說明金屬晶粒越細強度越高、塑性越好的原因是什么？

答：由Hall-Petch公式可知，屈服強度CS與晶粒直徑平方根的倒數d、2呈線性關系。

在多晶體中，滑移能否從先塑性變形的晶粒轉移到相鄰晶粒主要取決于在已滑移晶粒晶界附

近的位錯塞積群所產生的應力集中能否激發相鄰晶粒滑移系中的位錯源，使其開動起來，

從而進行協調性的多滑移。由T=nto知，塞積位錯數目n越大，應力集中T越大。位錯數目

n與引起塞積的晶界到位錯源的距離成正比。晶粒越大，應力集中越大，晶粒小，應力集中

小，在同樣外加應力下，小晶粒需要在較大的外加應力下才能使相鄰晶粒發生塑性變形。在

同樣變形量下，晶粒細小，變形能分散在更多晶粒內進行，晶粒內部和晶界附近應變度相差

較小，引起的應力集中減小，材料在斷裂前能承受較大變形量，故具有較大的延伸率和斷

面收縮率。另外，晶粒細小，晶界就曲折，不利于裂紋傳播，在斷裂過程中可吸收更多能

量，表現出較高的韌性。

6.滑移和李生有何區別，試比較它們在塑性變形過程的作用。

答：區別：

1）滑移：一部分晶體沿滑移面相對于另一部分晶體作切變，切變時原子移動的距離是

滑移方向原區別：區別子間距的整數倍；李生：一部分晶體沿李生面相對于另一部分晶

體作切變，切變時原子移動的距離不是攣生方向原子間距的整數倍；

2）滑移：滑移面兩邊晶體的位向不變；攣生：孚生面兩邊的晶體的位向不同，成鏡面

對稱；

3）滑移：滑移所造成的臺階經拋光后，即使再浸蝕也不會重現；李生：由于攣生改變了

晶體取向，因此攣生經拋光和浸蝕后仍能重現；

4）滑移：滑移是一種不均勻的切變，它只集中在某些晶面上大量的進行，而各滑移帶

之間的晶體并未發生滑移；季生：攣生是一種均勻的切變，即在切變區內與攣生面平行的

每一層原子面均相對于其毗鄰晶面沿攣生方向位移了一定的距離。

作用：晶體塑性變形過程主要依靠滑移機制來完成的；李生對塑性變形的貢獻比滑移

小得多，但攣生改變了部分晶體的空間取向，使原來處于不利取向的滑移系轉變為新的有

利取向，激發晶體滑移。

7.試述金屬塑性變形后組織結構與性能之間的關系，闡明加工硬化在機械零構件生產和服役

過程中的重要試述金屬塑性變形后組織結構與性能之間的關系，意義。

答：關系：

隨著塑性變形程度的增加，位錯密度不斷增大，位錯運動阻力增加，金屬的強度、硬

度增加，而關系：關系塑性、韌性下降。

重要意義：I）提高金屬材料的強度；

2）是某些工件或半成品能夠加工成形的重要因素；

3）提高零件或構件在使用過程中的安全性。

8.金屬材料經塑性變形后為什么會保留殘留內應力？研究這部分殘留內應力有什么實際意

義？金屬材料經塑性變形后為什么會保留殘留內應力？研究這部分殘留內應力有什么實

際意義？

答：殘余內應力存在的原因

1）塑性變形使金屬工件或材料各部分的變形不均勻，導致宏觀變形不均勻；

2）塑性變形使晶粒或亞晶粒變形不均勻，導致微觀內應力；

3）塑性變形使金屬內部產生大量的位錯或空位，使點陣中的一部分原子偏離其平衡

位置，導致點陣畸變內應力。

實際意義：可以控制材料或工件的變形、開裂、應力腐蝕；可以利用殘留應力提高工件

的使用壽命。

9.何謂脆性斷裂和塑性斷裂，若在材料中存在裂紋時，試述裂紋對脆性材料和塑性材料斷裂

過程中的影響。

答：塑性斷裂又稱為延性斷裂，斷裂前發生大量的宏觀塑性變形，斷裂時承受的工程應

力大于材料的屈服強度。在塑性和韌性好的金屬中，通常以穿晶方式發生塑性斷裂，在斷口

附近會觀察到大齡的塑性變形痕跡，如縮頸。

金屬脆性斷裂過程中，極少或沒有宏觀塑性變形，但在局部區域任然存在著一定的微

觀塑性變形。斷裂時承受的工程應力通常不超過材料的屈服強度，甚至低于按宏觀強度理論

確定的許用應力，因此又稱為低應力斷裂。

在塑性材料中，斷裂是胃口形成、擴大和連接的過程，在打的應力作用下，基體金屬

產生塑性變形后，在基體和非金屬夾雜物、析出相粒子周圍產生應力集中，使界面拉開，或

使異相顆粒折斷形成微孔。微孔擴大和鏈接也是基體金屬塑性變形的結果。當微孔擴大到一

定的程度，相鄰微孔見的金屬產生較大的塑性變形后就發生微觀塑性失穩，就像宏觀實驗產

生縮頸一樣，此時微孔將迅速擴大，直至細縮成一線，最后由于金屬與金屬件的連線太少，

不足以承載而發生斷裂。

脆性材料中，由于斷裂前既無宏觀塑性變形，又無其他預兆，并且一旦開裂后，裂紋

擴展迅速，造成整體斷裂或河大的裂口，有時還產生很多碎片，容易導致嚴重事故。

10.何謂斷裂韌度，它在機械設計中有何作用？

答：在彈塑性條件下，當應力場強度因子增大到某一臨界值，裂紋便失穩擴展而導致材

料斷裂，這個臨界或失穩擴展的應力場強度因子即斷裂韌度。它反映了材料抵抗裂紋失穩擴

展即抵抗脆斷的能力，是材料的力學性能指標。

第七章習題

1.用冷拔銅絲制成導線，冷拔之后應如何處理，為什么？

答：冷拔之后應該進行退火處理。因為冷拔是在再結晶溫度以下進行加工，因此會引起

加工硬化，所以要通過回復再結晶，使金屬的強度和硬度下降，提高其塑性。

2.一塊厚純金屬板經冷彎并再結晶退火后，試畫出界面上的顯微組織示意圖。

加熱溫度或保M時間

3.已知W、Fe、Cu的熔點分別為3399℃、1538℃和1083℃,試估算其再結晶溫度。

解：T再=<jTm，其中。=0.35~0.4,取0=0.4,則W、Fe、Cu的再結晶溫度分別為3399c

X0.4=1359.6℃>1538℃X0.4=615.2℃和1083℃X0.4=433.2℃

4.說明以下概念的本質區別：

1）一次再結晶和二次再結晶；

2）再結晶時晶核長大和再結晶后晶粒長大。

解：1）再結晶：當退火溫度足夠高、時間足夠長時，在變形金屬或合金的顯微組織中，

產生無應變的新晶粒——再結晶核心。新晶粒不斷長大，直至原來的變形組織完全消失，金

屬或合金的性能也發生顯著變化，這一過程稱為再結晶。過程的驅動力也是來自殘存的形變

貯能。與金屬中的固態相變類似，再結晶也有轉變孕育期，但再結晶前后，金屬的點陣類型

無變化。

再結晶完成后，正常的晶粒應是均勻的、連續的。但在某些情況下，晶粒的長大只是少

數晶粒突發性地、迅速地粗化，使晶粒之間的尺寸差別越來越大。這種不正常的晶粒長大稱

為晶粒的反常長大。這種晶粒的不均勻長大就好像在再結晶后均勻細小的等軸晶粒中又重新

發生了再結晶，所以稱為二次再結晶。其發生的基本條件是正常晶粒長大過程被分散相粒子、

織構或表面熱蝕等所強烈阻礙，當一次再結晶組織被繼續加熱時,上述阻礙因素一旦被消除,

少數特殊晶界將迅速遷移，導致少數晶粒變大，而大晶粒界面通常是凹向外側的，因此在晶

界能的驅動下，大晶粒將繼續長大，直至相互接觸形成二次再結晶組織。二次再結晶為非形

核過程，不產生新晶核，而是以一次再結晶后的某些特殊晶粒作為基礎而長大的。

5.分析回復和再結晶階段空位與位錯的變化及其對性能的影響。

答：回復可分為低溫回復，中溫回復以及高溫回復。低溫回復階段主要是空位濃度明顯

降低?原因：低溫回復階段主要是空位濃度明顯降低。中溫回復階段由于位錯運動會導致

異號位錯合并而相互抵消，此階段由于位錯運動會導致異號位錯合并而相互抵消，位錯密

度有所降低，但降幅不大。所以力學性能只有很少恢復。