第1章習題解答1-1解釋下列基本概念金屬鍵，離子鍵，共價鍵，范德華力，氫鍵，晶體，非晶體，理想晶體，單晶體，多晶體，晶體結構，空間點陣，陣點，晶胞，7個晶系，14種布拉菲點陣，晶向指數(shù)，晶面指數(shù)，晶向族，晶面族，晶帶，晶帶軸，晶帶定理，晶面間距，面心立方，體心立方，密排立方，多晶型性，同素異構體，點陣常數(shù)，晶胞原子數(shù)，配位數(shù)，致密度，四面體間隙，八面體間隙，點缺陷，線缺陷，面缺陷，空位，間隙原子，肖脫基缺陷，弗蘭克爾缺陷，點缺陷的平衡濃度，熱缺陷，過飽和點缺陷，刃型位錯，螺型位錯，混合位錯，柏氏回路，柏氏矢量，位錯的應力場，位錯的應變能，位錯密度，晶界，亞晶界，小角度晶界，大角度晶界，對稱傾斜晶界，不對稱傾斜晶界，扭轉(zhuǎn)晶界，晶界能，孿晶界，相界，共格相界，半共格相界，錯配度，非共格相界（略）1-2原子間的結合鍵共有幾種？各自特點如何？答：原子間的鍵合方式及其特點見下表。類型特點離子鍵以離子為結合單位，無方向性和飽和性共價鍵共用電子對，有方向性鍵和飽和性金屬鍵電子的共有化，無方向性鍵和飽和性分子鍵借助瞬時電偶極矩的感應作用，無方向性和飽和性氫鍵依靠氫橋有方向性和飽和性1-3問什么四方晶系中只有簡單四方和體心四方兩種點陣類型？答：如下圖所示，底心四方點陣可取成更簡單的簡單四方點陣，面心四方點陣可取成更簡單的體心四方點陣，故四方晶系中只有簡單四方和體心四方兩種點陣類型。1-4試證明在立方晶系中，具有相同指數(shù)的晶向和晶面必定相互垂直。證明：根據(jù)晶面指數(shù)的確定規(guī)則并參照下圖，（hkl）晶面ABC在a、b、c坐標軸上的截距 a bc ab ac ac分別為、、，AB，AC，BC；根據(jù)晶向指數(shù)的確定規(guī)hk l hk hl kl則，[hkl]晶向Lhakblc。利用立方晶系中a=b=c，90的特點，有abLAB(hakblc)()0hkacLAC(hakblc)()0hl由于L與ABC面上相交的兩條直線垂直，所以L垂直于ABC面，從而在立方晶系具有相同指數(shù)的晶向和晶面相互垂直。ccabc/lb/ka/h(hkl)面L=ha+kb+lcCBA1-5面心立方結構金屬的[100]和[111]晶向間的夾角是多少？{100}面間距是多少？答：設[100]和[111]晶向間的夾角為φ，則uuvvww 100 3cos 12 12 12 u2v2w2u2v2w2 100-7試計算體心立方鐵受熱而變?yōu)槊嫘牧⒎借F時出現(xiàn)的體積變化。在轉(zhuǎn)變溫度下，體心立方鐵的點陣參數(shù)是2.863埃，而面心立方鐵的點陣參數(shù)是3.591埃。答：鐵從體心立方點陣轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎近c陣時，其體積的變化-7試計算體心立方鐵受熱而變?yōu)槊嫘牧⒎借F時出現(xiàn)的體積變化。在轉(zhuǎn)變溫度下，體心立方鐵的點陣參數(shù)是2.863埃，而面心立方鐵的點陣參數(shù)是3.591埃。答：鐵從體心立方點陣轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎近c陣時，其體積的變化 1 1 1 2 2 2[100]和[111]晶向間的夾角為arccos3/.591322.863.591322.8633V%100%1.34%對面心立方點陣，因{100}存在附加面，其晶面間距 1 a a d {100}2.8633這表明鐵在加熱時出現(xiàn)收縮。-8計算900℃時每立方米的金中空位的數(shù)量。已知金的空位形成能為1.568×10-19J，密度h22.8633這表明鐵在加熱時出現(xiàn)收縮。-8計算900℃時每立方米的金中空位的數(shù)量。已知金的空位形成能為1.568×10-19J，密度1-6寫出FCC、BCC、HCP、（c/a=1.633）晶體的密排面、密排面間距、密排方向、密排方向最小單位長度。答：見下表。晶體結構 密排面 密排面間距 密排方向 密排方向最小單位長度332FCC {111} a <110> a 3 2BCC {110} a2a2<111>3 2 21HCP {0001} a 1120 a2為19.32g/cm3，原子量為196.9（g/mol）。答：先計算的金中含有原子位置的數(shù)量N6.023102319.32106NA A 196.9 5.91028(原子位置/m3)QNNexp(V) V kT1.5681019 (5.911028)exp[ ]1.38102311733.671024(空位/m3)第2章習題解答2-1解釋下列基本概念凝固，結晶，近程有序規(guī)則排列，顯微組織，晶粒度，過冷度，自由能，體積自由能，結構起伏，能量起伏，均勻形核，非均勻形核，臨界形核半徑，臨界形核功，形核率，長大速率，接觸角，活性質(zhì)點，變質(zhì)處理，光滑界面，粗糙界面，溫度梯度，樹枝狀結晶（枝晶），細晶粒區(qū)，柱狀晶粒區(qū)、等軸狀晶粒區(qū)，鑄錠缺陷，定向凝固，急冷凝固，準晶（略）2-2什么是晶胚？金屬結晶時晶胚轉(zhuǎn)變成晶核需滿足哪些條件？答：在液態(tài)金屬中，每一瞬間都會涌現(xiàn)出大量尺寸各異的結構起伏，不同尺寸的結構起伏就是形核的胚芽，稱作晶胚。在一定的過冷度條件下，晶胚尺寸rr的晶胚，才能引起系統(tǒng)自由能變化降低，同時系統(tǒng)內(nèi)部能量起伏能夠補償表面能升高部分的晶胚才有可能轉(zhuǎn)變成晶核。2-3若在液態(tài)金屬中形成一個半徑為r的球形晶核，證明臨界形核功G與臨界晶核1體積V之間的關系為GVG。 2 V2 163證明：因為根據(jù)式（2-10）r和式（2-12）G G 3G2 V V而臨界晶核體積可寫成4Vr334233G V 3233G32GGVV所以1GVG2-4如果結晶時形成的晶胚是邊長為a正與球形晶核進行比較。解：根據(jù)式（2-8）GGVSV有Ga3G6a2V對a求導有G'3a2G12aV令G'0則4 a GV代入Ga3G6a2有V 43 42 G G6 GV G323G2 V V V與球形晶核臨界形核功比較163G 3G21 球 VG 323 62G2 立 V也就是說球形晶核的臨界形核功僅為立方晶核的一半，球形晶核更容易存在。2-5已知：鋁的熔點為993K，結晶潛熱為1.836×109J/m3，液固界面比表面能為93mJ/m2，當過冷度為1℃和10℃時，試計算：從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時單位體積自由能變化；臨界形核半徑和臨界形核功，并比較隨過冷度增大它們的變化關系；（3）若結晶時鋁的晶格常數(shù)為2.8nm，求臨界晶核中的原子個數(shù)。T解：（1）GL，T1時：G1.97106（J/m3） V mT VmT10時：G1.97107（J/m3）V22T （2）T1時：r m9.45108(m)94.5nm， G LT V m163163T2 G m3.471015（J）3G23L2T2 V m22TT10時：r m9.45109(m)9.45nm G LT V m163163T2G m3.4710173G23L2T2 V m臨界形核半徑減小10倍，臨界形核功則減小100倍（3）鋁為面心立方晶格，單位晶胞中有4個原子，其晶胞體積為：a32.810103（m3）4因臨界晶核體積Vr3，所以34 13 a34 1T1時：臨界晶核中原子數(shù)nr346.44108（個）T10時：臨界晶核中原子數(shù)nr346.44105（個） 3 a32-6試比較均勻形核與非均勻形核的異同。答：均勻形核指在均勻單一的母相中形成新相結晶核心的過程；非均勻形核指新相結晶核心依附于母相中外來質(zhì)點表面優(yōu)先形成的過程。二者系統(tǒng)自由能變化都滿足GGVS，系統(tǒng)能量降低時形成晶核。V臨界形核半徑相同，臨界形核功大小與接觸角有關，與質(zhì)點形貌相關。均勻形核形核率較小。2-7分析晶體生長形態(tài)與溫度梯度的關系？答：晶體生長的形態(tài)取決于固-液界面的微觀結構和界面前沿液相中的溫度分布情況。在正溫度梯度條件下生長的界面形態(tài)一般為平面狀界面對于光滑界面，界面向前推移時，以二維或缺陷長大方式向液體中平行推進，長大臺階平面多為晶體學晶面，若無其它因素干擾，多成長為以密排晶面為表面的具有規(guī)則外形的晶體。對于粗糙界面，晶體成長時界面只能隨著液體的冷卻而均勻一致地向液相推移，與散熱方向垂直的每一個垂直長大的界面一旦局部偶有突出，便進入低于臨界過冷度甚至熔點Tm以上的溫度區(qū)域，生長即刻停止。所以，液固界面也近似保持平行平面，使其具有平面狀長大形態(tài)。在負溫度梯度條件下生長的界面形態(tài)一般為枝晶界面這種溫度梯度條件下，由于界面前沿液體中的過冷度不斷增大，成長時如果界面的某一局部發(fā)展較快而偶有突出，則其將伸入到過冷度更大的液體中，從而使生長速度加快。這樣，晶體在生長時界面形態(tài)像樹枝一樣，先長出主晶軸（一次晶軸），再長出分枝晶軸（二次晶軸、三次晶軸……）。每一個枝晶隨著結晶和液體的補充最終長成一個晶粒，結晶完成后晶體一般不表現(xiàn)規(guī)則外形。具有光滑界面的晶體物質(zhì)在負溫度梯度下的生長方式，也有樹枝狀結晶傾向，并與杰克遜因子有關：值不太大時，以枝晶為主，有時帶有小平面特征；值較大時，則形成規(guī)則形狀晶體的可能性大?？刂凭Я４笮』蚣毣Я５闹饕緩接心男?？答：主要有三種途徑（1）增加過冷度，形核率和長大速度均與過冷度有關，在一般金屬結晶的過冷度范圍內(nèi)，形核率的增長率大于長大速度的增長率，因此，隨著過冷度增加，Nv增大，晶粒的數(shù)目增多，晶粒細化。增加過冷度方法在實際應用中主要是提高液態(tài)金屬的冷卻速度，可以通過改變鑄造條件來實現(xiàn)，如降低澆注溫度、提高鑄型的吸熱和散熱能力等，像在鑄件生產(chǎn)中采用金屬型或石墨型代替砂型、采用可水冷型、局部加冷鐵等，都可有效增加過冷度以細化晶粒。（2）變質(zhì)處理，澆注前有意向液態(tài)金屬中加入形核劑，促進形成大量非均勻晶核或用以抑制晶核長大速度以細化晶粒、改善組織，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。（3）振動和攪拌，對液態(tài)金屬附加振動或攪拌，一方面加快散熱提高冷卻速度，促使晶核形成；另一方面根據(jù)金屬結晶枝晶特點，產(chǎn)生沖擊力，使成長中的枝晶破碎，形核率增加，從而使晶粒細化。分析金屬鑄錠組織的基本構成與特點？答：金屬鑄錠的宏觀組織通常由三個晶粒區(qū)所構成，即外表層的細晶粒區(qū)，中間的柱狀晶粒區(qū)和心部的等軸狀晶粒區(qū)。鑄錠中存在的晶粒區(qū)的數(shù)目和其相對厚度可以改變。表層細晶粒區(qū)的形核數(shù)量與模壁的非均勻形核能力和模壁處所能達到的過冷度有關。晶粒細小，組織致密，有較好的力學性能。但由于細晶區(qū)通常很薄，故對整個鑄錠性能的影響較小。柱狀晶粒區(qū)形成的外因是散熱的方向性，內(nèi)因是晶體生長的擇優(yōu)取向（晶軸位向）。所形成的柱狀晶粒位向都是一次晶軸方向，特點是組織致密，在宏觀性能上顯示出各向異性。中心等軸狀晶粒區(qū)是液態(tài)金屬趨于均勻冷卻的狀態(tài)，在各個方向上的長大速率差不多相等。等軸晶的晶粒長大時相互交叉，無明顯脆弱面，性能不具有方向性，裂紋不易擴展，生產(chǎn)上主要通過增加液態(tài)金屬中的形核率來實現(xiàn)。晶體缺陷與鑄錠缺陷有何不同？答：晶體缺陷是相對于理想單晶體原子在構成晶體物質(zhì)時晶格內(nèi)部原子尺度的排列位置缺陷，分為點缺陷、線缺陷和面缺陷（答定義）。鑄錠缺陷是存在于晶體晶格之外的物體中的體積缺陷，包括縮孔、疏松、氣孔及夾雜物等。單晶體形成需要何種條件？答：單晶體形成首先要在金屬熔體中形成一個單晶核，嚴格防止另外形核。在生長過程中絕對要避免液—固界面不穩(wěn)定而生出晶胞或柱晶，故液—固界面前沿的熔體應處于過熱狀態(tài)，結晶過程的結晶潛熱只能通過生長著的晶體導出。定向凝固滿足上述熱傳輸?shù)囊?，只要恰當?shù)目刂埔骸探缑媲把厝垠w的溫度和結晶速率，就可以得到高質(zhì)量的單晶體。分析金屬急冷凝固技術與常規(guī)結晶規(guī)律之間的關系。（從冷卻速度、形核、長大、晶體結構特點等方面來分析，略）第5章習題解答5-1解釋下列基本概念及術語濃度三角形，直線法則，重心法則，共軛線，共曲面，共軛三角形，蝴蝶形變化規(guī)律，單變量線，液相面，固相面，溶解度曲面，四相平衡轉(zhuǎn)變溫度，投影圖，垂直截面圖和等溫截面圖。5-2杠桿定律與重心法則有什么關系？在三元相圖的分析中怎樣用杠桿定律和重心法則。

合金②成分位于液相面Ae1Ee3A和Ce2Ee3C兩液相面的交線e3E上，因此隨溫度的降低，先發(fā)生二元共晶轉(zhuǎn)變L→α+γ，隨溫度繼續(xù)降低，直至結晶完畢，溫度繼續(xù)降低，由于合金②成分位于L→α+γ二元共晶轉(zhuǎn)變結束面以下，在α+β+γ三相區(qū)三棱柱側(cè)面，α和γ對組元A、B、C均超過溶解度極限，要析出第二項，α→β+γ，γ→α+β。合金②的室溫組ⅡⅡⅡⅡ織為：二元共晶（α+γ）+α+β+γⅡⅡⅡ第6章習題解答6-1影響屈服強度的因素有哪些？答：影響屈服強度的內(nèi)在因素有：結合鍵、組織、結構、原子本性。如將金屬的屈服強度與陶瓷、高分子材料比較可看出結合鍵的影響是根本性的。從組織結構的影響來看，可以有四種強化機制影響金屬材料的屈服強度，這就是：(1)固溶強化；(2)形變強化；(3)沉淀強化和彌散強化；(4)晶界和亞晶強化。沉淀強化和細晶強化是工業(yè)合金中提高材料屈服強度的最常用的手段。在這幾種強化機制中，前三種機制在提高材料強度的同時，也降低了塑性，只有細化晶粒和亞晶，既能提高強度又能增加塑性。影響屈服強度的外在因素有：溫度、應變速率、應力狀態(tài)。隨著溫度的降低與應變速率的增高，材料的屈服強度升高，尤其是體心立方金屬對溫度和應變速率特別敏感，這導致了鋼的低溫脆化。應力狀態(tài)的影響也很重要。雖然屈服強度是反映材料的內(nèi)在性能的一個本質(zhì)指標，但應力狀態(tài)不同，屈服強度值也不同。我們通常所說的材料的屈服強度一般是指在單向拉伸時的屈服強度。6-2簡述金屬材料的斷裂方式及特征？答：金屬在應力的作用下分為兩部分的現(xiàn)象稱為斷裂。金屬材料的斷裂一般可以分為延性斷裂和脆性斷裂兩種，有時二者兼有。金屬的延性斷裂是在進行了大量塑性變形后發(fā)生的，其特征是裂紋擴展緩慢，斷口呈杯錐狀。而脆性斷裂則剛好相反，一般都是沿著特定的鏡面（又稱為解理面）進行，裂紋的擴展迅速。1．延性斷裂延性斷裂的特征是斷裂前產(chǎn)生了明顯的宏觀塑性變形，故容易引起人們的注意，其產(chǎn)生的破壞性影響小于脆性斷裂。斷裂時的工作應力高于材料的屈服強度。延性斷裂的斷口多為纖維狀或剪切狀，具有剪切唇和韌窩特征。根據(jù)研究表明，大多數(shù)面心立方金屬如Cu、Al、Au、Ni及其固溶體的斷裂都屬于延性斷裂。2．脆性斷裂脆性斷裂的特征是斷裂前沒有明顯的宏觀塑性變形。很多金屬及其合金都以脆性的方式進行斷裂。脆性斷裂通常沿著特定的晶面（解理面）進行，作用的應力垂直于解理面。很多具有密排六方結構的金屬，由于其滑移系數(shù)的數(shù)目有限而進行脆性斷裂，如鋅單晶體在垂直于（0001）面承受高應力時，就會發(fā)生脆性斷裂；此外，很多體心立方金屬如鐵、鉬、鎢燈，在低溫或高應變率條件下也會發(fā)生脆性斷裂。脆性斷裂的特點是：材料的工作應力低于其屈服強度；脆斷的裂紋源多從材料內(nèi)部的宏觀缺陷處開始；溫度越低，脆斷的傾向越大；斷口平齊光亮，與正應力垂直，斷口常呈人字紋或放射花樣。由脆性斷裂引起的事故如美國油船船體斷裂沉沒、澳大利亞鐵橋斷裂等。6-3解釋滑移和孿生的概念及其特征，滑移和孿生的異同點。答：滑移是指在切應力的作用下，晶體的一部分沿一定晶面和晶向，相對于另一部分發(fā)生相對移動的一種運動狀態(tài)。孿生是晶體塑性變形的另一種常見方式，是指在切應力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面（孿生面）和一定的晶向（孿生方向）相對于另一部分發(fā)生均勻切變的過程?；坪蛯\生的異同點有：相同點：宏觀上，都是切應力作用下發(fā)生的剪切變形；微觀上，都是晶體塑性變形的基本形式，是晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對另一部分的移動過程；兩者都不會改變晶體結構；從機制上看，都是位錯運動結果。不同點：滑移不改變晶體的位相，孿生改變了晶體位向；滑移是全位錯運動的結果，而孿生是不全位錯運動的結果；滑移是不均勻切變過程，而孿生是均勻切變過程；滑移比較平緩，應力應變曲線較光滑、連續(xù)，孿生則呈鋸齒狀；兩者發(fā)生的條件不同，孿生所需臨界分切應力值遠大于滑移，因此只有在滑移受阻情況下晶體才以孿生方式形變；滑移產(chǎn)生的切變較大（取決于晶體的塑性），而孿生切變較小，取決于晶體結構。6-4影響臨界分切應力的主要因素是什么？答：臨界分切應力作為表示晶體屈服實質(zhì)的一個物理量，不隨試樣的取向而變化，s只取決于晶體內(nèi)部的實際狀態(tài)。的大小既與晶體的類型、純度及溫度等因素有關，還與s該晶體加工和處理狀態(tài)、變形速度以及滑移系類型因素有關。比如，除少數(shù)金屬如Fe、Ni的略大外，大多數(shù)金屬的1MPa，比按理想晶體所計算出的數(shù)值小3~4個數(shù)量級。s s由比如滑移系較多的面心立方或體心立方金屬，其塑性一般大于滑移系較少的六方金屬，但是在三向等拉伸的受力條件下，由于不產(chǎn)生切應力，即使塑性很好的材料也可以不發(fā)生塑性變形而脆斷；反之，一些塑性較低的材料，如果給予合適的受力條件，使晶體只產(chǎn)生單純的切應力或主要為切應力，而正應力很?。ㄈ鐢D壓成型法），則可以使塑性顯著增大。6-5簡述晶粒位向?qū)Χ嗑w塑性變形的影響？答：晶粒位向?qū)Χ嗑w塑性變形的影響，主要表現(xiàn)在各晶粒變形過程中的相互制約和協(xié)調(diào)性。當外力作用于多晶體時，由于晶體的各向異性，位向不同的各個晶體所受應力并不一致，而作用在各晶粒的滑移系上的分切應力更因晶粒位向不同而相差很大，因此各晶粒并非同時開始變形，處于有利位向的晶粒首先發(fā)生滑移，處于不利方位的晶粒卻還未開始滑移。而且，不同位向晶粒的滑移系取向也不相同，滑移方向也不相同，故滑移不可能從一個晶粒直接延續(xù)到另一晶粒中。但多晶體中每個晶粒都處于其他晶粒包圍之中，它的變形必然與其鄰近晶粒相互協(xié)調(diào)配合，不然就難以進行變形，甚至不能保持晶粒之間的連續(xù)性，會造成空隙而導致材料的破裂。為了使多晶體中各晶粒之間的變形得到相互協(xié)調(diào)與配合，每個晶粒不只是在取向最有利的單滑移系上進行滑移，而必須在幾個滑移系其中包括取向并非有利的滑移系上進行，其形狀才能相應地作各種改變。理論分析指出，多晶體塑性變形時要求每個晶粒至少能在5個獨立的滑移系上進行滑移。這是因為任意變形均可用，，，，，xx yy zz xy yzV6個應變分量來表示，但塑性變形時，晶體的體積不變(0)，故zx Vxxyyzz只有5個獨立的應變分量，每個獨立的應變分量是由一個獨立滑移系來產(chǎn)生的?？梢?，多晶體的塑性變形是通過各晶粒的多系滑移來保證相互間的協(xié)調(diào)，即一個多晶體是否能夠塑性變形，決定于它是否具備有5個獨立的滑移系來滿足各晶粒變形時相互協(xié)調(diào)的要求。這就與晶體的結構類型有關：滑移系甚多的面心立方和體心立方晶體能滿足這個條件，故它們的多晶體具有很好的塑性；相反，密排六方晶體由于滑移系少，晶粒之間的應變協(xié)調(diào)性很差，所以其多晶體的塑性變形能力很低。6-6沿密排六方單晶體[0001]方向分別加拉伸力和壓縮力。說明在兩種情況下，形變的可能性及形變所采取的主要方式。答：警惕受到外力作用時，不論外力方向、大小和作用方式如何，均可將其分解成垂直某一晶面的正應力與沿此晶面的切應力。只有外力引起的作用于滑移面上、沿滑移方向的分切應力達到某一臨界值時，便會產(chǎn)生滑移；而正應力只能引起彈性變形，甚至斷裂。密排六方金屬的滑移面是（0001），而[0001]方向的力在滑移面上的分切應力為零，所以單晶體不能滑移。拉伸時，單晶體可能產(chǎn)生的形變是彈性形變或隨后的脆斷；壓縮時，在彈性形變后，可能有孿生。6-7試用位錯理論解釋低碳鋼的屈服。舉例說明呂德斯帶隊工業(yè)生產(chǎn)的影響及防止辦法。答：低碳鋼的屈服現(xiàn)象可用位錯理論說明。由于低碳鋼是以鐵素體為基的合金，鐵素體中的碳（氮）原子與位錯交互作用，總是趨于聚集在位錯線受拉應力的部位以降低體系的畸變能，形成柯氏氣團對位錯起到“釘扎”作用，致使升高。而位錯一旦掙脫氣團的釘扎，便可s在較小的應力下繼續(xù)運動，這是拉伸曲線上又會出現(xiàn)下屈服點。已經(jīng)屈服的試樣，卸載后立即重新加載拉伸時，由于位錯已經(jīng)脫出氣團的釘扎，所以不出現(xiàn)屈服點。但若卸載后，放置較長時間或稍經(jīng)加熱后，再進行拉伸時，由于熔質(zhì)院子已通過熱擴散又重新聚集到位錯線周圍形成氣團，故屈服現(xiàn)象又會重新出現(xiàn)。呂德斯帶會使低碳薄鋼板在沖壓成型時使工件表面粗糙不平。解決辦法可以根據(jù)應變時效原理，將鋼板在沖壓之前先進行一次微量冷軋（如1%~2%的壓量下）工序，使屈服點消除，隨后進行沖壓成型；也可向鋼中加入少量Ti、Al及C、N等形成化合物，以消除屈服點。6-8什么是固溶強化？引起固溶強化的原因有哪些？答：固溶體隨著溶質(zhì)原子的溶入晶格發(fā)生畸變,晶格畸變增大位錯運動的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高合金的強度和硬度。這種通過形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。一般認為，固溶強化是由于多方面的作用引起的，包括：①溶質(zhì)原子與位錯發(fā)生彈性交互作用，固溶體中的溶質(zhì)原子趨向于在位錯周圍的聚集分布，稱為溶質(zhì)原子氣團，也就是柯垂耳氣團，它將對位錯的運動起到釘扎作用，從而阻礙位錯運動；②靜電交互作用，一般認為，位錯周圍畸變區(qū)的存在將對固溶體中的電子云分布產(chǎn)生影響。由于該畸變區(qū)應力狀態(tài)不同。溶質(zhì)原子的額外自由電子從點陣壓縮區(qū)移向拉伸區(qū)，并使壓縮區(qū)呈正電．而拉伸區(qū)呈負電，即形成了局部靜電偶極。其結果導致電離程度不同的溶質(zhì)離子與位錯區(qū)發(fā)生短程的靜電交互作用，溶質(zhì)離子或富集于拉伸區(qū)或富集在壓縮區(qū)均產(chǎn)生固溶強化。研究表明，在鋼中這種強化效果僅為彈性交互作用的1/3—1/6，且不受溫度影響。③化學交互作用（Suzuki），這與晶體中的擴展位錯有關，由于層錯能與化學成分相關，因此晶體中層錯區(qū)的成分與其它地方存在一定差別，這種成分的偏聚也會導致位錯運動受阻，而且層錯能下降會導致層錯區(qū)增寬，這也會產(chǎn)生強化作用。化學交互作用引發(fā)的固溶強化效果，較彈性交互作用低一個數(shù)量級，但由于其不受溫度的影響，因此在高溫形變中具有較重要的作用。6-9什么是變形織構，變形織構的特點是什么？答：如同單晶形變時晶面轉(zhuǎn)動一樣，多晶體變形時，各晶粒的滑移也將使滑移面發(fā)生轉(zhuǎn)動，由于轉(zhuǎn)動是有一定規(guī)律的，因此當塑性變形量不斷增加時，多晶體中原本取向隨機的各個晶粒會逐漸調(diào)整到其取向趨于一致，這樣就使經(jīng)過強烈變形后的多晶體材料形成了擇優(yōu)取向，即形變織構。依據(jù)產(chǎn)生塑性變形的方式不同，形變織構主要有兩種類型：絲織構和板織構。絲織構主要是在拉拔過程中形成，其主要特征是各晶粒的某一晶向趨向于與拔絲方向平行，一般這種織構也就以相關方向表示。如鋁拉絲為<111>織構，而冷拉鐵絲為<110>織構；板織構主要是在軋板時形成，其主要特征為各晶粒的某一晶面和晶向趨向于與軋面和軋向平行，一般這種織構也就以相關面和方向表示。如冷軋黃銅的{110},<112>織構。實際上，無論形變進行的程度如何，各晶粒都不可能形成完全一致的取向。形變織構的出現(xiàn)會使得材料呈現(xiàn)一定程度的各向異性，這對材料的加工和使用都會帶來一定的影響。如加工過程中的“制耳”現(xiàn)象就是我們所不希望出現(xiàn)的；而變壓器用硅鋼片的(100)[001]織構由于其處于最易磁化方向，則是我們所希望的。6-10加工硬化的本質(zhì)是什么？答：加工硬化的實質(zhì)在于位錯運動受阻。在實際材料中有許多位錯運動的障礙，最主要的是：a.其他位錯；b.晶界和亞晶界；c.溶質(zhì)原子；d.第二相微粒；e.表面膜。其中b、c、d障礙分別對應于細晶強化、固溶強化和第二相強化（包括沉淀強化及彌散強化）。對于純金屬單晶體而言，上述三種障礙位錯運動的障礙都不存在，但仍能出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，因此可以認為，其他位錯對運動位錯的阻礙是產(chǎn)生加工硬化的根本原因。第7章習題解答7-1冷變形后金屬在加熱時，其組織哪幾種變化？答：冷變形后金屬在加熱時，其組織會發(fā)生變化，根據(jù)觀察可以將這個過程分為回復、再結晶和晶粒長大三個階段：回復是指新的無畸變晶粒出現(xiàn)前所產(chǎn)生的亞結構和性能變化的階段，在金相顯微鏡中無明顯變化；再結晶是指出現(xiàn)無畸變的等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的過程；而晶粒長大是指再結晶結束后晶粒的長大過程。7-2伴隨著回復、再結晶和晶粒長大過程的進行，冷變形金屬的組織發(fā)生了變化，金屬的性能也會發(fā)生相應的哪些變化？答：（一）強度與硬度的變化回復階段的硬度變化很小，約占總變化的1/5，而再結晶階段則下降較多?？梢酝茢啵瑥姸染哂信c硬度相似的變化規(guī)律。上述情況主要與金屬中的位錯密度及組態(tài)有關，即在回復階段時，變形金屬仍保持很高的位錯密度，而發(fā)生再結晶后，則由于位錯密度顯著降低，故強度與硬度明顯下降。電阻率的變化變形金屬的電阻率在回復階段巳表現(xiàn)明顯的下降趨勢。這是因為電阻是標志晶體點陣對電子在電場作用下定向運動的阻力，由于分布在晶體點陣中的各種點缺陷(空位、間隙原子等)對電阻的貢獻遠大于位錯的作用，故回復過程中變形金屬的電阻下降明顯，說明該階段點缺陷密度發(fā)生了顯著的減小。密度的變化變形金屬的密度在再結晶階段發(fā)生急劇增高的原因主要是再結晶階段中位錯密度顯著降低所致。內(nèi)應力的變化金屬經(jīng)塑性變形所產(chǎn)生的第一類內(nèi)應力在回復階段基本得到消除，而第二、三類內(nèi)應力只有通過再結晶方可全部消除。除了上述性能的變化以外，冷塑性金屬加熱時性能的轉(zhuǎn)變還包括以下幾種：亞晶粒尺寸：在回復的前期，亞晶粒尺寸變化不大，但在后期，尤其在接近再結晶時，亞晶粒尺寸就顯著增大。儲存能的釋放：當冷變形金屬加熱到足以引起應力松弛的溫度時，儲能就被釋放出來?；貜碗A段時各材料釋放的儲存能量均較小，再結晶晶粒出現(xiàn)的溫度對應于儲能釋放曲線的高峰處?；貜瓦^程有哪些特點？答：從動力學曲線可以發(fā)現(xiàn)，回復過程具有以下特點：①回復過程在加熱后立刻開始，沒有孕育期；②回復開始的速率很大，隨著時間的延長，逐漸降低，直至趨于零；③加熱溫度越高，最終回復程度也越高；④變形量越大，初始晶粒尺寸越小，都有助于加快回復速率。簡述回復機制？答：回復過程中發(fā)生的組織結構變化以及變化程度主要決定于回復溫度?；貜碗A段的加熱溫度不同，回復過程的機制也存在差異。隨著溫度由低到高，冷變形金屬所發(fā)生的回復主要與三種不同的缺陷運動方式有關低溫回復變形金屬在較低溫度下加熱時所發(fā)生的回復過程稱為低溫回復。這一階段的回復主要涉及點缺陷（即空位）的變化。此時因溫度較低，原子活動能力有限，一般局限于點缺陷的運動，通過空位遷移至晶界、位錯或與間隙原子結合而消失，使冷變形過程中形成的過飽和空位濃度下降，即空位濃度力求趨于平衡以降低能量。對點缺陷敏感的電阻率此時會發(fā)生明顯下降。中溫回復變形金屬在中等溫度下加熱時所發(fā)生的回復過程稱為中溫回復。這一階段回復除點缺陷的運動以外，位錯也會發(fā)生運動并重新分布。此時因溫度升高，原子活動能力也增強，除點缺陷運動外，位錯也被激活，在內(nèi)應力作用下開始滑移，部分異號位錯發(fā)生抵消，因此位錯密度略有降低。（三）高溫回復變形金屬在較高溫（～0.3T）下，變形金屬的回復機制主要與位錯的攀移運動有關。這時同一滑移面上的同在本身彈性應力場作用下，還可能發(fā)生攀移運動，最終通過滑移和攀移使得這些位錯從同一滑移面變?yōu)樵诓煌泼嫔县Q直排列的位錯墻，如圖7.5所示，以降低總畸變能。金屬鑄件能否通過再結晶退火來細化晶粒？答：再結晶退火必須用于經(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。再結晶退火的溫度較低，一般都在臨界點以下。如果對鑄件采用再結晶退火，其組織不會發(fā)生相變，也沒有形成新晶核的驅(qū)動力（如冷變形儲存能等），所以不會形成新晶粒，也就不能細化晶粒。固態(tài)下無相變的金屬及合金，如不重熔，能否改變其晶粒大??？用什么方法改變？答：能?？梢酝ㄟ^冷變形而后進行再結晶退火的方法。為細化某純鋁件晶粒，將其冷變形5%后于650℃退火1h，組織反而粗化；增大冷變形量至80%后，再于650℃退火1h，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化工藝。答：前種工藝，由于鋁件變形處于臨界變形度下，故退火時可形成個別再結晶核心，最終晶粒極為粗大；而后種工藝，是由于進行再結晶退火時的溫度選擇不合理（溫度過高），如果按TTT估算，則再結晶溫度等于100℃，所以再結晶溫度不超過200℃合適。由于再再熔采用630℃退火1h，所以晶粒仍然粗大。綜上分析，在80%變形量的條件下，采用150℃退火1h，則可使晶粒細化。冷拉銅導線在用作架空導線時（要求一定的強度）和電燈花導線（要求韌性好）時，應分別采用什么樣的最終熱處理工藝才合適？答：前者采用去應力退火（低溫退火）；后者采用再結晶退火（高溫退火）。試比較去應力退火過程與動態(tài)回復過程位錯運動有何不同?從顯微組織上如何區(qū)分動、靜態(tài)回復和動、靜態(tài)再結晶？答：去應力退火過程中，位錯通過攀移和滑移重新排列，從高能態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軕B(tài)；動態(tài)回復過程中，則是通過螺位錯的交滑移和刃位錯的攀移，使異號位錯相互抵消，保持位錯增殖率與位錯消失率之間的動態(tài)平衡。從顯微組織上觀察，靜態(tài)回復時可見到清晰的亞晶界，靜態(tài)再結晶時形成等軸晶粒；而動態(tài)回復時形成胞狀亞結構，動態(tài)再結晶時等軸晶中又形成位錯纏結胞，比靜態(tài)再結晶晶粒要細。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?zhí)岢鰩追N具體方法來減輕或消除在熱加工中形成帶狀組織的因素。答：一是不在兩相區(qū)變形；二是減少夾雜元素含量；三是采用高溫擴散退火，消除元素偏析。對已經(jīng)出現(xiàn)帶狀組織的材料，在單相區(qū)加熱、正火處理，則可以消除或改善。第8章習題解答解釋下列基本概念自擴散，互擴散，間隙擴散，空位擴散，下坡擴散，上坡擴散，穩(wěn)態(tài)擴散，非穩(wěn)態(tài)擴散，擴散系數(shù)，柯肯達爾效應，體擴散，表面擴散，晶界擴散什么是擴散激活能，簡述擴散激活能的實驗測試方法。答：擴散系數(shù)D與溫度間的關系可由阿雷尼烏斯方程DDexp(Q/RT)，其中0Q被稱為擴散激活能，即擴散過程中原子遷移至臨近位置所必需克服的能壘，常用J/mol為單位。實驗方法：由實驗值確定lnD與1/T的關系，如果兩者呈線性關系，則lnD-1/T圖中的直線斜率為-Q/R值，代入R值即可求得擴散激活能Q。8-3擴散的機制主要有哪幾種？答：（1）擴散的交換機制。原子幾乎是剛性球體，一對原子交換位置時，相鄰原子必須讓出適當?shù)目臻g，勢必引起附近的晶格發(fā)生強烈的畸變，需要的擴散激活能很大，此機制很難出現(xiàn)。（2）擴散的間隙機制發(fā)生在間隙式固溶體中尺寸較小的C、N、H、B、O等溶質(zhì)原子在固溶體中從一個間隙位置跳到其鄰近的另一個間隙位置時發(fā)生間隙擴散（3）空位機制擴散。在置換固溶體中，一個原子在空位旁邊，它就可能跳進空位中，這個原子原來的位置變成空位，另外的鄰近原子占據(jù)新形成的空位，使空位繼續(xù)運動，這就是空位機制擴散。8-4以空位機制進行擴散時，原子每次跳動一次相當于空位反向跳動一次，并未形成新的空位，而擴散激活能中卻包含著空位形成能，此說法是否正確？請給出正確解釋。答：此說法不正確。固體中的宏觀擴散流不是單個原子定向跳動的結果，擴散激活能也不是單個原子遷：移時每一次跳動需越過的能壘，固體中原子的跳動具有隨機性質(zhì)，擴散流是固體中擴散物質(zhì)質(zhì)點(如原子，離子)隨機跳動的統(tǒng)計結果的宏觀體現(xiàn)，當晶體中的擴散以空位機制進行時，晶體中任何一個原子在兩個平衡位置之間發(fā)生跳動必須同時滿足兩個條件：該原子具有的能量必須高于某一臨界值?Gf，即原子跳動激活能，以克服阻礙跳動的阻力；該原子相鄰平衡位置上存在空位。根據(jù)統(tǒng)計熱力學理論，在給定溫度T下，晶體中任一原子的能量高于?Gf的幾率Pf，即晶體中能量高于?Gf的原子所占原子百分數(shù)為GPexp(f)f kT而晶體中的平衡空位濃度Cv，即任一原子平衡位置出現(xiàn)空位的幾率Pv，為GPexp(v)v kT顯然，某一瞬間晶體中原子發(fā)生一次跳動的幾率為 GG QPPPexp(f v)exp()f v kT RTP也等于該瞬間發(fā)生跳動原子所占的原子百分數(shù)其。中Q＝?Gf＋?Gv，就是空位擴散機制的擴散激活能。8-5影響原子擴散的因素有哪些？答：（1）溫度。溫度是影響擴散速率的最主要因素。溫度越高，原子熱激活能量越大，越易發(fā)生遷移，擴散系數(shù)越大。固溶體類型。不同類型的固溶體，原子的擴散機制是不同的。間隙固溶體的擴散激活能一般均較小，例如，C，N等溶質(zhì)原子在鐵中的間隙擴散激活能比Cr，Al等溶質(zhì)原子在鐵中的置換擴散激活能要小得多，因此，鋼件表面熱處理在獲得同樣滲層濃度時，滲C，N比滲Cr或Al等金屬的周期短。晶體結構。晶體結構對擴散有影響，有些金屬存在同素異構轉(zhuǎn)變，當它們的晶體結構改變后，擴散系數(shù)也隨之發(fā)生較大的變化。例如鐵在912℃時發(fā)生-Fe-Fe轉(zhuǎn)變，-Fe的自擴散系數(shù)大約是-Fe的240倍。所有元素在-Fe中的擴散系數(shù)都比在-Fe中大，其原因是體心立方結構的致密度比面心立方結構的致密度小，原子較易遷移。（4）晶體缺陷。擴散物質(zhì)通?？梢匝厝N途徑擴散，即晶內(nèi)擴散、晶界擴散和表面擴散。若以QL，QS和QB分別表示晶內(nèi)、表面和晶界擴散激活能；DL，DS和DB分別表示晶內(nèi)、表面和晶界的擴散系數(shù)，則一般規(guī)律是：QL＞QB＞QS，所以DS＞DB＞DL。晶界、表面和位錯等對擴散起著快速通道的作用，這是由于晶體缺陷處點陣畸變較大，原子處于較高的能量狀態(tài)，易于跳躍，故各種缺陷處的擴散激活能均比晶內(nèi)擴散激活能小，加快了原子的擴散?；瘜W成分。不同金屬的自擴散激活能與其點陣的原子間結合力有關，因而與表征原子間結合力的宏觀參量，如熔點、熔化潛熱、體積膨脹或壓縮系數(shù)相關，熔點高的金屬的自擴散激活能必然大。應力的作用。如果合金內(nèi)部存在著應力梯度，那么，即使溶質(zhì)分布是均勻的，但也可能出現(xiàn)化學擴散現(xiàn)象。8-6Cu-Al組成的擴散偶發(fā)生擴散時，標志面會向哪個方向移動？答：Al的熔點低于Cu，說明其鍵能較Cu低，Cu原子在Al中的擴散系數(shù)要高于Al原子在Cu中的擴散系數(shù)，因此Al-Cu擴散偶在發(fā)生擴散時標志面會向Cu的一側(cè)移動。8-7鋼鐵滲氮溫度一般選擇在接近但略低于Fe-N系共析溫度（590℃），問什么？答：因為低于共析溫度，處于鐵素體區(qū)，氮在鐵素體區(qū)的擴散系數(shù)要大于其在奧氏體中的擴散系數(shù)，因此選擇在略低于共析溫度進行。8-8為什么鋼鐵零件滲碳溫度一般要選擇γ相區(qū)中進行？若不在γ相區(qū)進行會有原子間距差值的絕對值aa，絕對值越大，彈性應變能越大。通常用錯配度來表述：aaa當0.05時，相界面為共格界面；當0.250.05時，相界面為半共格界面；當0.25時就，相界面為非共格界面。彈性應變能也是相變時需要克服的阻力，也同樣影響著相變過程。在過冷度較小的情況下，可以形成非共格界面，若此時兩相比體積差較大，則新相形成薄片狀以降低應變能；如果比體積差較小，應變能作用不大，則新相可以形成粒狀以降低界面能。9-4試討論金屬晶體缺陷對其固態(tài)相變形核過程的影響。母相中存在的晶體缺陷如空位、位錯、層錯、晶界、相界等對固態(tài)相變起促進作用。由于晶格缺陷處存在有晶格畸變能，在缺陷處形核形成功減小。此外，晶體缺陷對原子遷移和新相生長也具有促進作用。一般來說，母相的晶體缺陷越多、晶粒越細，新相形核部位越多，相變速度也越快。晶界形核：由于現(xiàn)成界面的存在可以減少形核界面能，對形核起促進作用，新相和母相的界面只需部分重建且界面上原子擴散速率比晶內(nèi)快，所以新相晶核往往優(yōu)先在晶界處形成。位錯形核：固態(tài)下，金屬晶體中存在大量位錯缺陷，固態(tài)相變新相晶核沿畸變能較高的位錯線形核，使形核功減小?？瘴恍魏耍嚎瘴蝗毕輰υ拥倪w移擴散具有加速作用，降低了擴散激活能對新相形核具有促進作用。9-5簡述原子遷移對固態(tài)相變的影響。固態(tài)變相中，當新相和母相的化學成分不同時，相變必須通過原子的遷移擴散才能完成，此時固態(tài)擴散成為相變的控制因素。固態(tài)金屬中原子的擴散系數(shù)，即使在熔點附近也僅為液態(tài)的十萬分之一，所以固態(tài)相變的轉(zhuǎn)變速率很慢，可以有很大的過冷度。隨著相變溫度降低，過冷度增大，相變驅(qū)動力增大，形核率增高，相變速度加快；但當過冷度增大到一定程度，擴散成為相變的決定性因素，進一步增大過冷度，反而使得相變速度減小，甚至使原來的高溫相變被抑制，產(chǎn)生無擴散相變。例如，共析鋼從奧氏體平衡冷卻獲得珠光體組織屬擴散型相變，但在快速冷卻（如水冷）條件下發(fā)生無擴散相變則得到亞穩(wěn)的馬氏體組織。9-6對比金屬結晶，固態(tài)相變均勻形核時包括哪幾方面的能量變化？與金屬結晶相比，固態(tài)相變的均勻形核增加了彈性應變能一項，使形核的阻力增大。所以固態(tài)相變包括三方面的能量變化，一是體積自由能的降低，即原子由高自由能的母相轉(zhuǎn)變成低自由能新相上引起的系統(tǒng)自由能的降低；而是新相與母相之間產(chǎn)生相界面引起界面自由能升高；三是新相與母相之間會產(chǎn)生彈性變形，引起彈