哈尔滨工业大学2013年工程硕士《金属学与热处理原理》考题及答案.docx

哈尔滨工业大学2013年工程硕士金属学及热处理考题及答案一、 空间点阵与晶体结构有何关系？（15分）答: （1）晶体结构：晶体中原子（或离子、分子、原子集团）在三维空间中有规律的周期性的重复排列方式。 实际存在的晶体结构是无限的。（2）空间点阵： 将构成晶体的实际质点抽象为纯粹的几何阵点，这种阵点有规则地周期性重复排列所形成的空间几何图形即称为空间点阵。空间点阵只有14种类型。（3）晶体结构与空间点阵的区别： 具有相同点阵但不同晶体结构，具有相同晶体结构但点阵不同。二、 已知纯铜滑移系的临界分切应力为1MPa，若使（111）晶面上的位错沿101方向滑移，需要在001方向上施加的最小应力是多少？（15分）答: 设需要在001方向上施加的最小应力为，在 （111）晶面上的分切应力为，则有 =coscos已知纯铜滑移系的临界分切应力k=1MPa，所以= /coscos=k /coscos=1.732 MPa三、 影响再结晶温度的因素有哪些？在生产中如何控制再晶晶粒的大小？（15分）答：影响再结晶温度的因素主要有：（1）变形程度：金属冷变形程度增大，储存能提高，再结晶驱动力增大，再结晶温度降低。（2）金属纯度：金属中的杂质或合金元素能阻碍位错运动和晶界迁移，所以金属纯度越高，再结晶温度越低。（3）原始晶粒尺寸：原始晶粒尺寸细小，变形抗力较大，冷变形后金属储存能较高，再结晶温度较低。（4）加热时间和加热速度：加热时间增加，再结晶温度降低；加热速度提高，再结晶温度提高。控制再晶晶粒的大小的方法（1）变形程度：变形量很小时，不发生再结晶。变形量达到一定程度时（一般为210），再结晶晶粒特别粗大。这样的变形度称为临界变形度。原因：变形量小，再结晶核心少，生长速度却很大。大于临界变形度后，晶粒尺寸随变形量的增加而下降。（2）原始晶粒尺寸：原始晶粒尺寸细小，再结晶形核位置增多，再结晶晶粒细小。（3）杂质与合金元素：杂质与合金元素提高变形抗力和储存能，阻碍晶界移动，细化再结晶晶粒。（4）变形温度：变形温度越高，回复程度越大，储存能越小，再结晶晶粒越粗大。（5）退火温度：在退火保温时间一定时，再结晶退火温度越高，再结晶晶粒越大。四、 试述Al-4%Cu的过饱和固溶体合金在190时效脱溶过程及相应力学性能变化规律。（15分）答: （1） G.P.区的形成。Cu原子通过扩散，形成的薄片状的Cu原子富集区，称为G.P.区。富Cu薄片平行于母相的100晶面，并与母相完全共格。由于Cu原子半径比Al原子半径小，薄片两侧的Al原子塌向富Cu薄片，造成弹性畸变，导致合金的硬度升高。 （2）过渡相”的形成。随时效温度的升高或延长，Cu原子进一步扩散， G.P.区长大，Cu原子和Al原子发生有序化转变，形成较为稳定的” 相。”相圆片周围将产生比G.P.区更大的弹性畸变区，”相的成分接近CuAl2 。”相的形成使合金的硬度进一步提高。（3）过渡相的形成。随着时效过程的进展，片状”相周围与基体部分失去共格联系转变为 相。开始出现 相时，合金的硬度达到最大值，以后随着 相增多硬度下降。（4）平衡相的形成， 相进一步长大，共格关系破坏， 相形成独立的平衡相，称为相。相的形成、聚集和长大将导致合金的硬度进一步下降，称为过时效。五、 以平衡组织状态的共析钢为例，1) 画出示意图说明共析钢热处理加热阶段奥氏体形成过程；（10分）2) 画出共析钢等温冷却转变曲线示意图，并标出对应临界冷却速度和获得下贝氏体转变组织的工艺曲线。（10分）答：1）加热过程中奥氏体转变过程可分为四步进行：（1）奥氏体的形核。奥氏体晶核通常优先在珠光体的铁素体与渗碳体的相界面上形成，相界面越多，奥氏体晶核越多。（2）奥氏体的长大。奥氏体晶核形成后，它的一侧与渗碳体相接，另一侧与铁素体相接。随着铁素体的转变（铁素体区域的缩小），以及渗碳体的溶解（渗碳体区域缩小），奥氏体不断向其两侧的原铁素体区域及渗碳体区域扩展长大，直至铁素体完全消失，奥氏体彼此相遇，形成一个个的奥氏体晶粒。（3）剩余渗碳体的溶解。铁素体完全消失后，随着保温时间延长或继续升温，“剩余渗碳体”全部溶入奥氏体，奥氏体的成分达到共析成分。（4）奥氏体成分的均匀化。即使渗碳体全部溶解，奥氏体内的碳浓度仍不均匀，原渗碳体区域形成的奥氏体含碳量偏高，继续保温时间延长或继续升温，让碳原子充分扩散，奥氏体成分才可能均匀。影响转变速度的因素：加热温度、原始组织、化学成分2）共析钢等温冷却转变曲线示意图A1线-钢的临界点，Ms线-马氏体转变开始温度，Mf线-马氏体转变终了温度，两C曲线，左侧一条为过冷奥氏体转变开始线、右侧一条为过冷奥氏体转变终了线。A1线以上奥氏体稳定区。Ms线至Mf线之间的区域为马氏体转变区，过冷奥氏体冷却至Ms线以下将发生马氏体转变。过冷奥氏体转变开始线与过冷奥氏体转变终了线之间的区域为过冷奥氏体转变区，在该区域冷奥氏体向珠光体或贝氏体转变。在过冷奥氏体转变终了线右侧的区域为过冷奥氏体转变产物区。六、1) 说明细晶强化的概念，强化机理、强化规律；（10分）2) 针对气缸总结细化晶粒的工艺方法。（10分）答：1）细晶强化金属的晶粒越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好。 强化机理、强化规律：在多晶体中，滑移能否从先塑性变形的晶粒转移到相邻晶粒主要取决于在已滑移晶粒晶界附近的位错塞积群所产生的应力集中能否激发相邻晶粒滑移系中的位错源，使其开动起来，从而进行协调性的多滑移。由=n0知，塞积位错数目n越大，应力集中越大。位错数目n与引起塞积的晶界到位错源的距离成正比。晶粒越大，应力集中越大，晶粒小，应力集中小。在同样外加应力下，小晶粒需要在较大的外加应力下才能使相邻晶粒发生塑性变形。在同样变形量下，晶粒细小，变形能分散在更多晶粒内进行，晶粒内部和晶界附近应变度相差较小，引起的应力集中减小，材料在断裂前能承受较大变形量，故具有较大的延伸率和断面收缩率。另外，晶粒细小，晶界就曲折，不利于裂纹传播，在断裂过程中可吸收更多能量，表现出较高的韧性。2） 细化晶粒的工艺方法：（1）控制过冷度，在一般金属结晶