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1 材料科学基础材料科学基础 A A 习题习题 第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶 1、某金属轴类零件在使用过程中发生了过量的弹性变形，为减小该零件的弹性变形，拟采取 以下措施： （1）增加该零件的轴径。 （2）通过热处理提高其屈服强度。 （3）用弹性模量更大的金属制作该零件。 问哪一种措施可解决该问题，为什么？ 答：增加该零件的轴径，或用弹性模量更大的金属制作该零件。产生过量的弹性变形是 因为该金属轴的刚度太低，增加该零件的轴径可减小其承受的应力，故可减小其弹性变形； 用弹性模量更大的金属制作该零件可增加其抵抗弹性变形的能力，也可减小其弹性变形。 2、有铜、铝、铁三种金属，现无法通过实验或查阅资料直接获知他们的弹性模量，但关于这 几种金属的其他各种数据可以查阅到。请通过查阅这几种金属的其他数据确定铜、铝、铁三 种金属弹性模量大小的顺序（从大到小排列） ，并说明其理由。 答：金属的弹性模量主要取决于其原子间作用力，而熔点高低反映了原子间作用力的大 小，因而可通过查阅这些金属的熔点高低来间接确定其弹性模量的大小。据熔点高低顺序， 此几种金属的弹性模量从大到小依次为铁、铜、铝。 3、 下图为两种合金 A、 B 各自的交变加载-卸载应力应变 曲线 （分别为实线和虚线） ， 试问那一种合金作为减振材 料更为合适，为什么？ 答：B 合金作为减振材料更为合适。因为其应变滞 后于应力的变化更为明显， 交变加载-卸载应力应变回线 包含的面积更大，即其对振动能的衰减更大。 4、对比晶体发生塑性变形时可以发生交滑移和不可以发生交滑移，哪一种情形下更易塑性变 形，为什么？ 答：发生交滑移时更易塑性变形。因为发生交滑移可使位错绕过障碍继续滑移，故更易 塑性变形。 5、当一种单晶体分别以单滑移和多系滑移发生塑 性变形时，其应力应变曲线如下图，问 A、B 中哪 一条曲线为多系滑移变形曲线，为什么？ 答：A 曲线为多系滑移变形曲线。这是因为多 A B 应 力 应变 A B 2 滑移可导致不同滑移面上的位错相遇，通过位错反应形成不动位错，或产生交割形成阻碍位 错运动的割阶，从而阻碍位错滑移，因此其应力-应变曲线的加工硬化率较单滑移高。 6、为什么晶体通过滑移塑性变形时，滑移总是沿着晶体中的原子密排面和密排方向进行？ 答：晶体中原子密排面之间的面间距最大，原子面之间的键合力最弱，而在原子密排面 上沿原子密排方向原子偏离其平衡位置位移至相邻平衡位置的阻力最小，故晶体的滑移总是 沿着晶体中的原子密排面和密排方向进行。 7、某金属板经过较大的冷轧塑性变形后，发现其力学性能出现各向异性，试问其原因为何？ 答：其原因可能有二：一是形成了织构组织，二是沿变形方向出现了纤维组织。 8、某钢板经热轧后，发现其力学性能出现各向异性，试问其原因为何？又问分别沿金属板热 轧变形伸长方向和垂直于该方向，金属板的力学性能有何特点？ 答：这是因为沿轧制方向形成了流线。沿轧制金属板伸长方向拉伸强度高、塑性好，沿 垂直于金属板伸长方向的剪切强度高、塑性较差。 9、为什么对于多晶材料，在其塑性变形时，其微观塑性变形不均匀？ 答：这是因为在多晶体中，各晶粒的空间位向不同，使各晶粒相对于外加应力发生滑移 变形的“软” 、 “硬”取向不同，导致各晶粒发生滑移变形的先后、变形量大小不同，从而使 多晶材料的微观塑性变形不均匀。 10、细化晶粒对金属的屈服强度和塑性有何影响，为什么？ 答：细化晶粒将提高金属的屈服强度，这是因为细化晶粒将增加可阻碍位错滑移的晶界 的总面积，从而增大位错滑移的阻力，故提高金属的强度。细化晶粒可改善金属的塑性，这 是因为细化晶粒可使微观塑性变形更为均匀，降低晶界处因位错塞积造成的应力集中，从而 阻碍微观裂纹的萌生，延迟断裂的发生。 11、细化晶粒是否总能提高晶体的强度，为什么？ 答：细化晶粒不一定总能提高晶体的强度。这是因为在高温下，晶界滑动是产生蠕变的 重要机制，若细化晶粒则增加晶界总面积，此将促进蠕变的发生。 12、对于铝合金和镁合金，哪一个的塑性加工性能更好，为什么？ 答：铝合金的塑性加工性能更好。因为铝合金为面心立方晶体结构，镁合金为密排六方 晶体结构，由于面心立方晶体结构中的滑移系多于密排六方晶体结构，其塑性变形过程中， 各晶粒之间变形的协调性更好，使得其塑性变形能力更强，故其塑性加工性能更好。 3 13、某滑移面上一个位错源开动释放出的位错在晶界处形成位错塞积群对该位错源的开动有 何影响，为什么？ 答：该位错塞积群对位错源的开动具有阻碍作用。因为该位错塞积群中的位错与位错源 释放出的位错都是同号位错，位错之间存在排斥力，故位错塞积群形成的应力场对位错源的 开动具有阻碍作用。 14、何谓应变时效？ 答：(见教材) 15、如相图所示，有两种成分不同的合金，问： （1）对于合金和合金，哪一种合金的强度更高， 为什么？ （2）在合金和合金中，分别有哪几种强化机制在 起作用？ 答：合金的强度更高。因为合金为单一固溶 体， 其中的强化机制为固溶强化， 而合金中除存在 固溶体外，还存在与形成的共析组织，共析组织 具有细晶强化的作用， 同时， 在共析温度以下析出的 与也产生第二相强化， 因此使合金中同时存在固溶 强化和细晶强化、第二相强化三种强化机制，故合金的强度更高。 16、何谓加工硬化，其主要机制是什么？ 答：随着塑性变形量的增加，材料强度不断提高的现象称为加工硬化。其主要机制有二： 一是位错强化，二是塑性变形过程中，各变形晶粒逐渐从“软取向”转向“硬取向” ，使得晶 粒塑性变形更为困难。 17、为什么密排六方金属单晶的应力应变曲线第一阶段（易滑移阶段）较面心立方金属单晶 的更长？ 答：密排六方金属单晶中滑移系少，不易产生多系滑移，从而不易产生因不同滑移面上 位错之间的交割和位错反应而形成的对位错滑移的阻碍，故其应力应变曲线第一阶段（易滑 移阶段）较长。 18、获得细晶超塑性的基本必要条件是什么？ 答：获得细晶超塑性的基本必要条件是： （1）变形必须在高温下进行； （2）变形必须以 低的应变速率进行； （3）变形金属必须具有两相细晶组织。 + + + + + + A A B B 4 19、单纯的孪生和扭折对晶体塑性变形量的贡献如何，其对塑性变形的延续有何意义？ 答：单纯的孪生和扭折对塑性变形量的贡献不大，但其可改变晶体中晶粒的取向，使得 原处于不利于塑性变形取向的晶粒转至利于塑性变形的取向， 使得晶体的塑性变形得以延续。 20、为什么陶瓷材料塑性变形能力很差，且其拉伸强度远远低于其压缩强度？ 答：由于陶瓷材料为离子键或共价键结合，导致其滑移系少、位错滑移阻力大，同时陶 瓷材料的制备工艺导致其中存在微观裂纹，在受力时易在裂纹前端产生应力集中促进裂纹扩 展，故陶瓷材料塑性变形能力很差。陶瓷材料的拉伸强度远远低于其压缩强度是因为拉应力 会在陶瓷中微裂纹的前端产生强烈的应力集中，促进裂纹扩展，致使陶瓷提前断裂。而压应 力则不会。 21、为提高高温合金的蠕变强度，从其成分设计上可采取什么样的措施，为什么？ 答：为提高高温合金的蠕变强度，在合金成分设计上可采取加入高熔点元素的措施。因 为高温下合金的原子扩散能力越强，越易发生蠕变。加入高熔点元素可提高原子扩散的激活 能，阻碍原子的扩散，故可提高合金的蠕变强度。 22、作为电线使用的铜导线是通过冷拉拔而成形，问为什么在对铜线冷拉拔后要将其加热进 行退火处理？ 答：因为铜线经冷拉拔后，其中的点缺陷浓度高，此导致铜线导电性能下降。经退火处 理后，铜线中点缺陷密度下降，导电性能可得到提高。 23、影响再结晶速率的主要因素有哪些？影响再结晶温度的主要因素有哪些？ 答： （见教材） 24、在室温下，使一块金属板料从左至右发生不均匀塑性变形，即从左至右，塑性变形量逐 渐增大。试问从左至右，金属板的硬度如何变化？经再结晶退火后，所形成的再结晶晶粒大 小从左至右如何变化？为什么？ 答：从左至右，金属板的硬度增大，因为随着从左至右塑性变形量逐渐增大，加工硬化 增强。经再结晶退火后，所形成的再结晶晶粒大小从左至右逐渐减小，因为随着从左至右塑 性变形量逐渐增大，金属板中的储存能增加，也即再结晶的驱动力增大，再结晶形核率增加， 使再结晶晶粒尺寸减小。 25、晶粒长大和再结晶晶核长大的驱动力有何不同,为什么织构会阻碍晶粒的长大？ 答：晶粒长大的驱动力为晶界能的降低，再结晶晶核长大的驱动力为储存能的降低。织 构组织中各晶粒之间的位相差小，其晶界能相对于正常晶粒组织的晶界能较低，故使其晶界 迁移率较低，从而阻碍晶粒的长大。 5 26、对于冷变形量相同，但含镍量分别为 3%和 9%的铜镍合金而言，将二者加热至 550保温 使其完成再结晶的体积分数均达到 50%，问哪一种铜镍合金所需的时间更长，为什么？ 答：含镍量为 9%的铜镍合金所需的再结晶时间更长。因为铜镍合金为完全固溶体，固 溶原子对晶界的迁移有阻碍作用，含镍量为 9%的铜镍合金中固溶的镍含量更高，因而此合金 中镍原子对再结晶过程中晶界的迁移阻碍更大，故使其再结晶所需的时间更长。 27、为什么升高再结晶退火温度将使金属的再结晶临界变形量减小？ 答：升高再结晶退火温度将使金属原子的扩散能力增强，使再结晶更易发生，故使再结 晶开始发生的临界变形量减小。 第六章第六章 凝固凝固 1、为什么结晶的完成需要过冷度？ 答：只有当存在结晶过冷度时，物质体系以固态形式存在的能量才低于以液态形式存在 的能量，结晶才能够彻底的完成，所以结晶的完成需要过冷度。 2、为什么非均匀形核比均匀形核要容易？ 答：非均匀形核较均匀形核所产生的阻碍结晶进行的表面能更少一些，故非均匀形核比 均匀形核要容易。 3、利用金属凝固过程细化晶粒的主要手段有哪几种，它们各自通过何种机理使晶粒细化？ 答：利用金属凝固过程细化晶粒的主要手段有： （1）增大凝固过冷度，其通过提高结晶 驱动力来提高结晶形核率，从而细化晶粒； （2）采用变质处理，其通过非均匀形核来提高结 晶形核率，从而细化晶粒； （3）机械搅拌和振动凝固中的液相，其通过破碎液相中已形成的 晶粒，使之成为结晶晶核来细化晶粒。 4、合金凝固时，为了获得细小的晶粒尺寸，往往增加结晶过冷度以提高形核率，问是否过冷 度越大，结晶形核率越高，为什么？ 答：不是过冷度越大，结晶形核率越高，因为形核需要液相中的原子进行扩散，当过冷 度过大时，原子几乎不能扩散，不能形成晶体，液相凝固后获得非晶。 5、在同等凝固条件下，若结晶液相附着于相同材质的固相基底发生非均匀形核，问对于下面 两种分别具有下凹和外凸表面形状的固体，液相金属是附着于下凹表面或是外凸表面更有利 于非均匀形核，为什么？ A B 晶核晶核 晶核晶核 6 答：液相金属附着于下凹表面更有利于非均匀形核。因为对于一定的过冷度，结晶临界 晶核半径一定，且结晶液相对于相同的非均匀形核附着基底，润湿角相同。对于相同的临界 晶核半径和润湿角，当液相金属附着于下凹表面形核时所需的晶核原子数较液相金属附着于 外凸表面形核更少，故其更有利于形核。 6、为提高金属结晶时的形核率，往往向液态金属中加入一定量的高熔点的固体颗粒形核剂以 促进非均匀形核。问当向液态金属中加入的固体颗粒形核剂分别为金属颗粒和陶瓷颗粒时， 加入哪种形核剂对提高结晶形核率的效果更好，为什么？ 答：向液态金属中加入金属颗粒形核剂对提高形核率的效果更好。因为金属颗粒形核剂 与结晶金属同为金属键，二者的性质更为接近，液态金属更易附着于金属颗粒形核剂表面形 成非均匀形核。 7、何谓有效过冷度？ 答： （见教材） 8、何谓凝固时正的温度梯度和负的温度梯度？在正的温度梯度和负的温度梯度下，纯金属晶 体分别以何种方式向液相中推移长大，为什么？ 答：凝固时，在液相中，若离固/液界面越远，温度越高，则为正的温度梯度，否则为负 的温度梯度。在正的温度梯度下，纯金属晶体以平面生长方式向液相中长大，这是因为固/ 液界面上的任何固相凸起都将导致凸起前沿液相中的结晶过冷度减小，使凸起生长变慢，从 而形成平面状生长。在负的温度梯度下，纯金属晶体以树枝状方式向液相中长大，这是因为 固/液界面上的任何固相凸起都将导致凸起前沿液相中的结晶过冷度增大，使凸起生长增速， 从而形成树枝状生长。 9、工业生产中，将熔炼后的液态金属浇注入铸型，使金属冷却凝固形成具有一定形状和尺 寸的铸件，该工艺称为铸造成型。观察发现铸件表层存在一层由很细金属晶粒组成的薄层， 而薄层下的金属晶粒则相对较粗大。问为什么铸件表层会存在一层细晶层？ 10、请通过查阅资料，回答何为半固态铸造工艺，其目的是什么？半固态铸造工艺应用了 第六章中的什么知识点？ 11、在电子产品生产中，利用金属（称为钎料）熔化后的凝固来将电子元件的金属引线与 电子线路板上的金属线路相焊接（连接） 。为了保证金属引线与线路板上金属线路焊接的可靠 性，往往在引线和金属线路上涂抹焊膏。请通过查阅资料说明在此焊膏的作用 7 第七章第七章 二元相图及其合金的凝固二元相图及其合金的凝固 1、图示为三种固溶体、在温度 T 时，各自的 成分-自由能曲线，问： （1）在温度 T 时，三种相能否共存，为什么？ （2）在温度 T 时，在什么成分范围内，哪两相可以共 存，为什么？ 2、为什么当合金非平衡凝固时会出现晶内偏析？ 答：由于凝固时的选分结晶，先凝固的固相中高熔点组元的浓度高于液相中高熔点组元 的浓度，使得先结晶固相中高熔点组元的浓度高于后结晶固相中高熔点组元的浓度。非平衡 凝固时，结晶形成的晶粒中原子不能充分扩散，使得先结晶的晶粒中心部位含高熔点组元的 浓度高于晶粒中后结晶部位的高熔点组元的浓度，从而形成晶内偏析。 3、为什么当 A、B 两组元在液态下可无限互溶，而在固态下只能有限互溶时，其凝固时可发 生共晶转变？ 答：当 A、B 两组元在液态下可无限互溶，而在固态下只能有限互溶时，对于有些成分的 合金， 4、二元合金中的包晶转变与三元合金中的共晶转变能否发生在一个温度区间内，为什么？ 答：根据相率，对于二元合金中的包晶转变，其包晶转变时的自由度=2-3+1=0，故其包 晶转变为恒温转变，不能发生在一个温度区间内。在三元合金中存在三相共晶转变和四相共 晶转变。三相共晶转变发生时的自由度=3-3+1=1，故该共晶转变为变温转变，能够发生在一 个温度区间内；四相共晶转变发生时的自由度=3-4+1=0，故该共晶转变为恒温转变，不能发 生在一个温度区间内。 5、A、B 两组元的熔点分别为 900C和 600C，若二者形成一种固溶体合金，问当该合金为 何种类型合金时，其熔点可在 900C和 600C之间？又二者形成的合金熔点有否可能低于 600C，为什么？ 答：当 A、B 两组元形成的固溶体合金为匀晶合金时，其熔点可在 900C和 600C之间； 当 A、B 两组元形成的合金为共晶合金时，合金熔点可低于 600C。 6、合金凝固时，在正的温度梯度下是否可以形成树枝状晶，为什么？ 答：合金凝固时，在正的温度梯度下可以形成树枝状晶。因为只要出现较大范围的成分 过冷，即可形成树枝状晶。 A B X1 X2 X3 8 7、简要回答下列问题 （1）请指出相图中所存在的化合物相及其类型（稳 定或不稳定化合物） 。 （2）写出相图中所有的恒温转变类型及转变式。 （3）写出合金在冷却过程中的组织组成物变化。 （4）请计算出合金在其共晶转变刚结束时共晶组 织中共晶 相的百分含量。 答： （1）相图中存在的化合物为和，为不稳定化合物，为稳定化合物。 （2）相图中的恒温转变类型为：包晶转变：L+；共晶转变：L+，L+。 （3）合金在冷却过程中的组织组成物变化为：LL+L+(+)(+)+ （4）合金在降温到达共晶温度且尚未发生共晶转变时的液相百分含量为 ab/ac，共晶转变 刚结束时，共晶组织中相的百分含量为 ac/ad，故此时合金中相的百分含量为（ab/ac） （ac/ad） 。 8、凝固速率、液相中原子的扩散系数、液相中的温度梯度、合金液相线的倾斜程度（k01） 对合金凝固时成分过冷的形成有何影响，为什么？ 答：凝固速率越快，固/液界面前沿液相中富集的溶质更来不及扩散至远处液相中，致使 固/液界面前沿液相中富集的溶质更多，故更易形成成分过冷；液相中原子扩散系数越小，固 /液界面前沿液相中富集的溶质更来不及扩散至远处液相中，致使固/液界面前沿液相中富集 的溶质更多，故更易形成成分过冷；液相中的温度梯度越小，液相的实际温度分布更易低于 由溶质不均匀分布所确定的液相凝固温度分布，故更易形成成分过冷；合金液相线的倾斜程 度越陡，越易形成成分过冷。 9、对于下列相图中的合金和合金，哪一种在凝固时 易于形成树枝状晶组织，为什么？ 为了减轻树枝状晶组 织，应提高凝固速度还是应降低凝固速度，为什么？ 答：由于发生凝固时，合金中结晶固相与对应液相 的溶质浓度差较合金更大，使得结晶固相向固/液界面 前沿液相中排出的溶质原子更多，固/液界面前沿液相中 更易出现因溶质原子富集造成的成分不均匀分布， 更易出 现成分过冷，故合金在凝固时更易形成树枝状晶组织。 L a a b b c c d d B A L 液相线 固相线 9 为了减轻树枝状晶组织，应降低凝固速度。因为降低凝固速度，可使固/液界面前沿液相中的 成分不均匀因溶质原子更长时间的扩散而得以减轻，从而减轻成分过冷，使得树枝状晶组织 得到抑制。 10、Fe-Fe3C 相图上的三条水平线各代表什么反应？P、S、E、C 各点有什么意义？ 答： （见教材） 11、在亚共析、共析、过共析钢和亚共晶、共晶、过共晶白口铸铁的平衡结晶冷却过程中， 其相变和组织变化过程如何？ 答： （见教材） 12、亚共析钢、共析钢、过共析钢各具有什么样的室温平衡组织（写出组织组成物）？ 答：亚共析钢的室温平衡组织为：+(+Fe3C)+ Fe3C； 共析钢的室温平衡组织为：(+Fe3C)+ Fe3C； 过共析钢的室温平衡组织为：Fe3C+(+Fe3C)+ Fe3C； 13、铁碳合金中网状渗碳体易在什么情况下形成，其对钢会产生何种危害，如何消除？ 答：当铁碳合金的含碳量大于共析成分时，若使其从共析温度以上缓慢冷却至共析温度 以下，则易形成网状渗碳体。网状渗碳体使钢变脆，可用正火的方法（即使其从共析温度以 上快冷至共析温度以下）消除。 14、含碳量对铁碳合金中渗碳体的量有何影响，对铁碳合金的硬度、塑性有何影响？ 答：含碳量增加，铁碳合金中渗碳体的量增加，铁碳合金的硬度增大、塑性下降。 15、含碳量对钢中珠光体的量有何影响，在基体组织相同的前提下，钢中珠光体的量对钢的 屈服强度有何影响？ 答：在亚共析钢中，随含碳量增加，珠光体的量增加，在过共析钢中，随含碳量增加， 珠光体的量减少。在基体组织相同的前提下，钢中珠光体的量增加，钢的屈服强度增加。 16、为什么要严格控制钢中硫和磷的含量？ 答：硫的存在易使钢产生热脆，磷的存在易使钢产生冷脆，故要严格控制钢中硫和磷的 含量。 17、合金凝固时，为了获得细小的晶粒尺寸，往往增加结晶过冷度以提高形核率，问是否总 是过冷度越大，形核率越高，为什么？ 答：不总是冷度越大，形核率越高。因为晶核的形成与原子的扩散有关，当过冷度过大时， 原子的扩散被抑制，使得晶核难以形成。 10 18、金属铸锭凝固时，由铸锭表面至心部可以形成哪几个组织特征不同的晶区？采用高的浇 注温度和定向散热有利于哪个晶区的形成，不利于那个晶区的形成？除最外层晶区外，剩余 晶区的组织致密性如何？ 答： （见教材） 19、下图为由 A、B 两组元组成但成分不同的两种匀晶合 金（B%=2%）和（B%=10%） ，问： （1）在显微组织完全相同的条件下，哪一种合