金属学及热处理习题参考答案.docx

1、金属学及热处理习题参考答案第一章 金属及合金的晶体结构一、名词解释：1 晶体：原子（分子、离子或原子集团）在三维空间做有规则的周期性重复排列的物质。2 非晶体：指原子呈不规则排列的固态物质。3 晶格：一个能反映原子排列规律的空间格架。 4 晶胞：构成晶格的最基本单元。5 单晶体：只有一个晶粒组成的晶体。6 多晶体：由许多取向不同，形状和大小甚至成分不同的单晶体（晶粒）通过晶界结合在一起的聚合体。7 晶界：晶粒和晶粒之间的界面。8 合金：是以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。9 组元：组成合金最基本的、独立的物质称为组元。10 相：金属中具有同一化学成分、

2、同一晶格形式并以界面分开的各个均匀组成部分称为相。11 组织：用肉眼观察到或借助于放大镜、显微镜观察到的相的形态及分布的图象统称为组织。12 固溶体：合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、结构上与组元之一相同的固相。二、填空题：1 晶体与非晶体的根本区别在于原子（分子、离子或原子集团）是否在三维空间做有规则的周期性重复排列。2 常见金属的晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格三种。3 实际金属的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。4 根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。5 置换固溶体按照溶解度不同，又分为无限固溶体和有限固溶体。6

3、合金相的种类繁多，根据相的晶体结构特点可将其分为固溶体和金属化合物两种。7 同非金属相比，金属的主要特征是良好的导电性、导热性，良好的塑性，不透明，有光泽，正的电阻温度系数。8 金属晶体中最主要的面缺陷是晶界和亚晶界。9 位错两种基本类型是刃型位错和螺型位错，多余半原子面是刃型位错所特有的。10 在立方晶系中，120晶面族包括(120)、(120)、(102)、(102)、(210)、 (210)、 (201)、 (201)、(012)、(012)、(021)、(021)、等晶面。11 点缺陷有空位、间隙原子和置换原子等三种；属于面缺陷的小角度晶界可以用亚晶界来描述。三、判断题：1 固溶体具有

4、与溶剂金属相同的晶体结构。（）2 因为单晶体是各向异性的，所以实际应用的金属材料在各个方向上的性能也是不相同的。（）3 金属多晶体是由许多位向相同的单晶体组成的。（）4 因为面心立方晶格的配位数大于体心立方晶格的配位数，所以面心立方晶格比体心立方晶格更致密。（）5 在立方晶系中，原子密度最大的晶面间的距离也最大。（）6 金属理想晶体的强度比实际晶体的强度稍强一些。（）7 晶体缺陷的共同之处是它们都能引起晶格畸变。（）四、选择题：1 组成合金中最基本的，能够独立存在的物质称为：（b）a相；b组元；c合金。2 正的电阻温度系数的含义是：（b） a随温度升高导电性增大；b随温度降低电阻降低；c随温度

5、增高电阻减小。3 晶体中的位错属于：（c） a体缺陷；b面缺陷；c线缺陷；d点缺陷。4 亚晶界是由：（b） a点缺陷堆积而成；b位错垂直排列成位错墙而构成；c晶界间的相互作用构成。5 在面心立方晶格中，原子密度最大的晶向是：（b） a；b；c。6 在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是：（b） a100；b110；c111。7 -Fe和-Fe分别属于什么晶格类型：（b） a面心立方和体心立方； b体心立方和面心立方；c均为面心立方； d均为体心立方8 固溶体的晶体结构与 相同。（a）a溶剂； b溶质； c其它晶型。9 间隙相的性能特点是：（c）a熔点高，硬度低； b硬度高，熔点低；c硬度高，熔

6、点高五、问答题：1 常见的金属晶格类型有哪几种？回答要点：1）体心立方晶格；其晶胞是一个立方体，在立方体的八个顶角和中心各有一个原子。2）面心立方晶格；其晶胞是一个立方体，在立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子。3）密排六方晶格；其晶胞是一个立方六柱体，在六方柱体的各个角上和上下底面中心各排列着一个原子，在顶面和底面间还有三个原子。2 金属化合物具有什么样的性能特点？回答要点：熔点高、硬度高、脆性大。3 指出下面四个晶面和四个晶向的指数填写在对应的括号内。(110) (112) (111) (100) A: 100 B: 110 C: 201 D: 111 4 标出图2-1中给定的晶面指

7、数与晶向指数：晶面OOAA、OOBB、OOCC、OABC、AACC、AADD；晶向OA、OB、OC、OD、OC、OD。答：晶面OOAA：（010）；晶面OOBB：（110）；晶面OOCC：（100）；晶面OABC：（001）；晶面AACC：（110）；晶面AADD：（210）。晶向OA：100；晶向OB：110；晶向OC：010；晶向OD：120；晶向OC：011；晶向OD：122。5 在立方晶胞中标出以下晶面和晶向：晶面DEE D：（210）；晶面DBC：（111）or （1 1 1）晶向D E：120；晶向C D：011。第二章 金属及合金的相图一、名词解释：1 枝晶偏析：固溶体合金结晶时

8、，如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多。结果造成在一个晶粒内化学成分分布不均，这种现象称为枝晶偏析或晶内偏析。2 中间相：金属化合物也叫中间相，是不同组元间发生相互作用，形成了不同于任一组元的具有独特原子排列和性质的新相，这种新相可以用分子式来大致表示其组成，但这种分子式不一定符合传统化学价的概念。3 固溶强化：通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象。4 脱溶反应： +，式中是亚稳定的过饱和固溶体，是稳定的或亚稳定的脱溶物，是一个更稳定的固溶体，晶体结构和一样，但其成分更接近平衡状态。5 包晶偏析

9、：包晶转变的产物相包围着初生相，使液相与相隔开，液相和相中原子之间的相互扩散必须通过相，这就导致了包晶转变的速度往往是极缓慢的。实际生产中的冷速较快，包晶反应所依赖的固体中的原子扩散往往不能充分进行，导致生成的固溶体中发生较大的偏析，称之为包晶偏析。二、填空题：1 固溶体的强度和硬度比溶剂的强度和硬度 高 。2 Cu-Ni合金进行塑性变形时，其滑移面为 111 。3 固溶体出现枝晶偏析后，可用扩散退火加以消除。4 以电子浓度因素起主导作用而生成的化合物称电子化合物。5 共晶反应式为Ldc+e，共晶反应的特点是发生共晶反应时三相共存，它们各自的成分是确定的，反应在恒温下平衡的进行。三、判断题：1

10、 间隙固溶体一定是无限固溶体。（）2 间隙相不是一种固溶体，而是一种金属间化合物。（）3 平衡结晶获得的20%Ni的Cu-Ni合金比40%的Cu-Ni合金的硬度和强度要高。（）4 在共晶相图中，从L中结晶出来的晶粒与从中析出的晶粒具有相同的晶体结构。（）5 一个合金的室温组织为+（+），它由三相组成。（）四、选择题：1 在发生L+共晶反应时，三相的成分：（b） a相同； b确定； c不定。2 共析成分的合金在共析反应+刚结束时，其组成相为：（d） a+； b+； c+； d+3 一个合金的组织为+ +（+），其组织组成物为:（b） a 、； b、 、（+）； c 、 。4 具有匀晶型相图的单相

11、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5 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热处理性能好五、问答题：1 熟悉Pb-Sn二元合金相图，1）分析几类成分的合金的平衡结晶过程；画出室温平衡组织式意图；标上各组织组成物。 2）熟悉杠杠定律在合金组织组成物的相对量计算中的运用。2 （略）第三章 金属与合金的结晶一、名词解释：1 结晶：纯金属或合金由液体转变为固态的过程。2 重结晶：也叫二次结晶，是金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程，改变了晶体结构。3 过冷度：理论结晶温度（T0）和实际结晶温度（T1）之间存

12、在的温度差。4 变质处理：在浇注前向金属液中加入少量变质剂促进形核的处里工艺。二、填空题：1 金属结晶时，冷却速度越快，实际结晶温度就越低，过冷度越大。2 纯金属的结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，这两个过程是形核和长大。3 当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是促进形核，细化晶粒。4 液态金属结晶时，结晶过程的推动力是自由能差（F）降低，阻力是自由能增加。5 能起非自发生核作用的杂质，必须符合结构相似、尺寸相当的原则。6 过冷度是指理论结晶温度与实际结晶温度之差，其表示符号为T。7 过冷是结晶的必要条件。8 细化晶粒可以通过增加过冷度、添加变质剂和附加振动等途径实现。9 典型

13、铸锭结构的三个晶区分别为：表面细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区。三、判断题：1 纯金属的结晶过程是一个恒温过程。（）2 液态金属只有在过冷条件下才能够结晶。（）3 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（）4 室温下，金属晶粒越细，则强度越高，塑性越低。（）5 金属由液态转变成固态的结晶过程，就是由短程有序状态向长程有序状态转变的过程。（）6 纯金属结晶时，生核率随冷度的增加而不断增加。（）7 当晶核长大时，随过冷度增大，晶核的长大速度增大。但当过冷度很大时，晶核长大的速度很快减小。（）8 当过冷度较大时，纯金属晶体主要以平面状方式长大。（）9 当形成树枝状晶体时，枝晶的各次晶轴将具有不同的位

14、向，故结晶后形成的枝晶是一个多面体。（）10 在工程上评定晶粒度的方法是在放大100倍的条件，与标准晶粒度图作比较，级数越高，晶粒越细。（）11 过冷度的大小取决于冷却速度和金属的本性。（）四、选择题：1 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将：（b） a越高；b越低；c越接近理论结晶温度。2 为细化晶粒，可采用：（b） a快速浇注；b加变质剂；c以砂型代金属型。3 实际金属结晶时，通过控制生核速率N和长大速度G的比值来控制晶粒大小，在下列情况下获得细小晶粒：（a） a N/G很大时；bN/G很小时；cN/G居中时。4 纯金属结晶过程处在液-固两相平衡共存状态下，此时的温度将比理论结晶温度

15、：（b）a更高； b更低； c；相等； d高低波动5 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N； b长大率G； c比值NG； d比值GN五、问答题：1 金属结晶的必要条件是什么？过冷度与冷却速度有何关系？回答要点：过冷是金属结晶的必要条件。过冷度越大，冷却速度越快。2 简述纯金属的结晶过程。回答要点：纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段内发生的。它是异构不断形成晶核和晶核不断长大的过程。当温度降至结晶温度时，液态金属中某些部位的原子首先有规则的排列成细小的晶体，成为晶核，也称自发晶核。另外，某些外来的难熔质点也可充当晶核，形成非自发晶核，随着时间的推移，已形成的晶核不

16、断长大，与此同时，又有新的晶核形成、长大，直至金属液全部凝固。凝固结束后，各个晶核长成的晶粒彼此接触。3 试画出纯金属的冷却曲线，分析曲线中出现“平台”的原因。回答要点：曲线中出现“平台”是因为在结晶过程中放出的结晶潜热与散失的热量平衡，因而结晶过程是在同一个温度下进行的。4 金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长速度受到哪些因素的影响？回答要点：金属由液体转变为固体的过程，实质上就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程。晶核的形成率受T和杂质的影响，成长速度受T的影响。5 在实际应用中，细晶粒金属材料往往具有较好的常温力学性能，试从过冷度对结晶基本过程的影响，分析细化晶粒、提高金

17、属材料使用性能的措施回答要点：由于过冷度越大，晶粒越细，因而能增加过冷度的措施均有利于细化晶粒，主要是增加冷却速度。6 如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下铸件晶粒的大小：1） 金属模浇注与砂型浇注； 答：金属模浇注比砂型浇注晶粒细小。2） 变质处理与不变质处理； 答：变质处理晶粒细小。3） 铸成薄件与铸成厚件； 答：铸成薄件的晶粒细小。4） 浇注时采用震动与不采用震动； 答：浇注时采用振动的晶粒较细小。7 为什么钢锭希望尽量减少柱状晶区？回答要点：柱状晶区具有方向性，使金属存在各向异性，且存在弱面部夹杂及低熔点杂质富集于晶面，降低了金属的性能。8试叙述匀晶系不平衡结晶条件下将产生什么组织

18、，分析其形成条件、形成过程和组织特征。第四章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图一、名词解释：1 铁素体：碳溶解于中形成的间隙固溶体。2 渗碳体：是铁与碳形成的质量分数为%的金属化合物。3 奥氏体：碳溶解于中形成的间隙固溶体。4 珠光体：是由铁素体与渗碳体组成的机械化合物。5 莱氏体：奥氏体与渗碳体的混合物为莱氏体。6 -Fe：铁在不同的温度范围具有不同的晶体结构，即具有同素异构转变，温度低于912时，Fe呈体心立方晶格，称为“-Fe”。7 FeFe3C相图：是表示在极缓慢冷却的条件下，不同化学成分的铁碳合金组织状态随温度变化的图形。是人类经过长期生产实践以及大量科学实验后总结出来的。8 同素异构转

19、变：一些金属，在固态下随温度或压力的改变,还会发生晶体结构变化，即由一种晶格转变为另一种晶格的变化，称为同素异构转变。二、填空题：1 根据含碳量和室温组织的不同，钢可分为三种，分别为亚共析钢、共析钢、过共析钢。2 分别填出下列铁碳合金基本组织的符号，铁素体：F() ，奥氏体：A()，珠光体：P，渗碳体：Fe3C，高温莱氏体：Ld ，低温莱氏体：Ld。3 在铁碳合金基本组织中属于固溶体的有铁素体或（奥氏体） ，属于金属化合物的渗碳体 ，属于机械混合物的有珠光体和莱氏体。4 一块纯铁在912发生-Fe-Fe转变时，体积将发生收缩。5 F的晶体结构为体心立方；A的晶体结构为面心立方。6 共析成分的铁

20、碳合金室温平衡组织是珠光体，其组成相是铁素体和渗碳体。7 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%。三、判断题：1 所有金属都具有同素异构转变现象。（）2 碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体，称为奥氏体。（）3 纯铁在780C时为体心立方晶格的。（）4 金属化合物的特性是硬而脆，莱氏体的性能也是硬而脆故莱氏体属于金属化合物。（）5 铁素体的本质是碳在-Fe中的间隙相。（）6 20钢比T12钢的碳含量要高。（）7 在退火状态（接近平衡组织），45钢比20钢的硬度和强度都高。（）8 在铁碳合金平衡结晶过程中，只有Wc=%的共析钢才能发生共析反应。（）四、选择题：1 相

21、图上的共析线是（d），共晶线是（b）。 aABCD； bECF； cHJB； dPSK。2 碳的质量分数为（b）的铁碳合金称为共析钢。 a%； b%； c%； d%。3 亚共析钢冷却到PSK线时，要发生共析转变，由奥氏体转变成（a）。a珠光体； b铁素体； c莱氏体。4 奥氏体为（b）晶格，渗碳体为（c）晶格，铁素体为（a）晶格。a体心立方； b面心立方； c密排六方。5 珠光体是由（c）组成的机械混合物。 a铁素体和奥氏体； b奥氏体和渗碳体； c铁素体和渗碳体。6 奥氏体是：（a） a碳在-Fe中的间隙固溶体； b碳在-Fe中的间隙固溶体；c碳在-Fe中的有限固溶体。7 珠光体是一种：（b

22、） a单相固溶体； b两相混合物； cFe与C的混合物。8 T10钢的含碳量为：（b） a%； b%； c10%。9 铁素体的机械性能特点是：（c） 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。10 不适宜进行锻造的铁碳合金有：（c） a 亚共析钢； b共析钢； c亚共晶白口铁。11 铁素体的机械性能特点是：（c）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12 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13 三次渗碳体是从：（b）a钢液中析出的

23、； b铁素体中析出的；c 奥氏体中析出的； d珠光体中析出的14 纯铁在912以下的晶格类型是：（c）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15 在下述钢铁中，切削性能较好的是：（b）a工业纯铁； b45； c白口铁； dT12A16 建筑用钢筋宜选用：（b）a低碳钢； b中碳钢； c高碳钢； d工具钢17 装配工使用的锉刀宜选用：（c）a低碳钢； b中碳钢； c高碳钢； d过共晶白口铁五、问答题：1. 什么是金属的同素异构转变？试以纯Fe为例分析同素异构转变过程。回答要点：金属在固态下，随温度的变化而发生晶格类型改变的现象称为同素异构转变。2. 铁碳合金在固态下的

24、基本组织有哪几种？回答要点：有5种，铁素体、奥氏体和渗碳体都是单相组织，珠光体、莱氏体则是两相混合组织。3. 简述含碳量为%和%的铁碳合金从液态冷却到室温的结晶过程。回答要点：含碳量为%到%的铁碳合金可分为三个部分：1）含碳量为%到%，室温组织为F+P；2）含碳量为%时，室温组织为P；3）含碳量为%到%时，室温组织为P+ Fe C。4. 默画出按“组织组成物”填写的相图。相图在合金工艺性能的应用具体表现在哪几个方面？回答要点：1）铸造工艺方面；2）锻造工艺方面；3）焊接工艺方面；4）热处理工艺方面；5）切削性能方面。5. 对某一碳钢（平衡状态）进行相分析，得知其组成相为80%F和20%FeC3

25、，求此钢的成分及其硬度。提示：用杠杆定理计算。6. 如图为Fe-Fe3C相图，分析Wc=%合金的结晶过程，画出其冷却曲线示意图，并标出各温度阶段的转变式。计算其室温平衡组织中各组织组成物的相对量，并画出室温显微平衡组织示意图，标注出其中组织组成物的名称。回答要点：（1）结晶过程分析： 1点以上为液相，1点开始析出，2点开始发生包晶转变，即L+=，2-3点之间从液相中析出直至3点，3点到4点没有组织变化，均为，4点开始从中析出直至5点，5点开始发生共析转变，即=+Fe3C，得到P，5点以下可认为没发生其它变化。则最终室温平衡组织为：+P。（2）示意图：（3）组织组成物相对量：W=，Wp=。7.

26、用冷却曲线表示各成分范围的铁碳合金的平衡结晶过程，画出室温组织示意图，标上组织组成物，计算室温平衡组织中组成相和组织组成物的相对质量。（略）8. 10含%C的铁碳合金从液态缓慢冷却到共晶温度（但尚未发生共晶反应）时所剩下的液体的成分及重量。回答要点：成分为：%C；重量为10kg。9. 同样状态的两块铁碳合金，其中一块是15钢，一块是白口铸铁，用什么简便方法可迅速区分它们？答：可用尖锤敲击，易敲出坑的是15钢等方法。10. 为什么碳钢进行热锻、热轧时都加热到奥氏体区？回答要点：因为奥氏体（A）的塑性好。附加思考题：1. 比较退火状态（近平衡组织）下的45钢、T8钢、T12钢的硬度、强度和塑性的高

27、低，简述原因。（略）2. 说出Q235A，15，45，65，T8，T12等钢的钢类、含碳量，各举出一个应用实例。（略）3. 下列零件或工具用何种碳钢制造：手锯锯条、普通螺钉、车床主轴。手锯锯条：碳素工具钢（T12）普通螺钉：低碳钢（35钢） 车床主轴：中碳钢（45钢）第五章 金属及合金的塑性变形一、名词解释：1. 滑移：晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动的过程。2. 临界分切应力：晶体开始滑移时，在该滑移面上的滑移方向上所需要的切应力 C称为临界分切应力3. 取向因子：晶体滑移变形时，满足coscos C，令 coscos ，

28、称之为取向因子4. 滑移系统：一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系统，简称滑移系。5. 多滑移和交滑移：两个或多个滑移系交替或同时进行滑移（外力在几个滑移系上的分切应力同时达到临界值）称为多系滑移，将出现几组交叉的滑移带；两个或多个滑移系同时沿着一个滑移方向的滑移称为交滑移，将出现曲折或波纹状的滑移带。6. 孪生：在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)发生切变的变形过程。7. 软取向和硬取向：当滑移面法线方向、滑移方向与外力轴三者共处一个平面，当 45 ， 45 时， coscos 1/2，此取向最有利于滑移，即以最小的拉应力就能达到滑移所需的分

29、切应力，称此取向为软取向；当外力与滑移面平行或垂直时（ 90 或 ），则 S，晶体无法滑移，称此取向为硬取向。8. 几何软化和几何硬化：滑移时不仅滑移面发生转动，而滑移方向也逐渐改变,滑移面上的分切应力也随之改变。因为 = =45时，分切应力最大，故经滑移转动后，若 角趋近于45，则分切应力逐渐增大，滑移越来越容易，称为几何软化；若 角远离45，则滑移越来越困难，称为几何硬化。9. 弗兰克-瑞德位错源：两个节点被钉扎的位错线段在外力的作用下不断弯曲弓出后，互相邻近的位错线抵消后产生位错，原被钉扎错位线段恢复到原状，不断重复产生新位错的，这个不断产生新位错、被钉扎的位错线即为弗兰克-瑞德位错源。10. 细晶强化：由于晶界上原子排列不规则, 阻碍位错的运动,使变形抗力增大。金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大，这就是细晶强化的机理。11. 霍尔佩奇（Hall-Petch）经验公式： ，用来定量描述细晶强化。式中：S屈服强度；0常数，相当于单晶