2025年金相大会理论题库及答案

2025年金相大会理论题库及答案1.简述金相学的核心研究对象及主要研究手段。答：金相学核心研究对象是金属及合金的内部组织结构（包括相组成、晶粒尺寸、形态、分布及缺陷等）与其性能之间的内在联系。主要研究手段包括：光学显微镜（OM）观察、扫描电子显微镜（SEM）形貌分析、电子背散射衍射（EBSD）晶体学取向表征、透射电子显微镜（TEM）微结构解析，以及X射线衍射（XRD）物相鉴定等，结合试样制备（切割、镶嵌、研磨、抛光、腐蚀）技术实现组织可视化。2.解释“相”与“组织”的区别与联系。答：“相”是指材料中具有相同化学成分、晶体结构和物理性能的均匀连续部分，是微观结构的基本组成单元（如铁碳合金中的铁素体（α-Fe）、渗碳体（Fe₃C））；“组织”则是材料中不同相的形态、尺寸、分布及相互组合的宏观或微观特征（如珠光体是铁素体与渗碳体的层片状交替组织）。联系在于组织由相构成，相的种类、数量和排列方式直接决定组织特征。3.列举金属试样制备过程中“研磨”与“抛光”的关键区别及操作要点。答：区别：研磨以去除宏观变形层和划痕为目的，使用粗磨料（如SiC砂纸，粒度180-800），通过机械磨削作用减小表面粗糙度；抛光则以消除研磨残留的细微划痕为目标，使用细磨料（如Al₂O₃或SiO₂悬浮液，粒度≤1μm），通过机械-化学作用获得无划痕的镜面表面。操作要点：研磨需控制压力均匀，每道砂纸研磨方向与前一道垂直，确保彻底去除上一道划痕；抛光时需保持磨盘转速（150-300rpm）和试样压力适中，避免过热导致表层组织变形（如奥氏体不锈钢的机械孪晶），抛光后立即清洗防止腐蚀产物残留。4.铁碳合金中，平衡冷却条件下，亚共析钢（含碳量0.3wt%）的室温组织组成及各相质量分数如何计算？答：室温组织为铁素体（α）+珠光体（P）。根据杠杆定律，铁素体质量分数：(0.77-0.3)/(0.77-0.0218)≈61.7%；珠光体质量分数：1-61.7%≈38.3%（注：0.0218为铁素体最大溶碳量，0.77为共析点含碳量）。5.说明电解腐蚀与化学腐蚀的适用场景及原理差异。答：电解腐蚀适用于高硬度、难腐蚀材料（如不锈钢、镍基合金）或需要选择性显示特定相的情况；原理是通过外加电场使试样作为阳极发生电化学溶解，不同相因电极电位差异溶解速率不同，从而显示组织。化学腐蚀适用于常规金属（如碳钢、铝合金），原理是利用腐蚀剂与材料中不同相的化学活性差异（如铁素体比渗碳体更易被硝酸酒精腐蚀），通过选择性溶解或着色显示组织。6.如何通过金相观察区分钢中的上贝氏体与下贝氏体？答：上贝氏体（形成于350-550℃）呈羽毛状，由平行排列的铁素体板条间分布断续的渗碳体组成，板条较宽（约0.5-1μm），在光学显微镜下易观察到；下贝氏体（形成于250-350℃）呈针状或竹叶状，铁素体针内部有与针长轴成55°-60°的碳化物析出，针体较细（约0.1-0.3μm），需在SEM下观察碳化物取向方可明确区分。7.铝合金时效过程中，如何通过金相分析判断是否达到峰值时效？答：峰值时效时，铝合金（如6061）的析出相（如β''相）尺寸细小（<10nm）、分布均匀，与基体共格，此时合金硬度/强度最高。金相观察需结合TEM：欠时效时析出相未完全形成（如仅有GP区），TEM下可见无析出带（PFZ）较宽；过时效时析出相粗化（如β'相），PFZ变窄，晶界析出物粗大连成链状，导致强度下降。光学显微镜下可观察到过时效试样经Keller试剂腐蚀后，晶界腐蚀加深，晶粒内部因析出相粗化显示更清晰的衬度差异。8.简述扫描电子显微镜（SEM）在金相分析中的优势及典型应用。答：优势：分辨率高（可达1-10nm），景深大（可观察三维形貌），可结合能谱仪（EDS）进行微区成分分析，适用于断口形貌、第二相分布、晶界析出物等细节观察。典型应用：①分析钢铁中的夹杂物类型（如硫化物、氧化物）及尺寸分布；②观察铝合金时效析出相的形态（如片状、球状）；③研究不锈钢晶间腐蚀的晶界特征（如贫铬区宽度）；④表征高温合金中γ'相（Ni₃Al）的立方度及分布均匀性。9.解释“带状组织”的形成原因及对材料性能的影响，如何通过金相检验判定带状组织级别？答：形成原因：钢在热轧/锻造过程中，枝晶偏析（如碳、锰元素）沿变形方向延伸，冷却时先共析铁素体与珠光体呈条带状交替分布。影响：导致材料力学性能各向异性（纵向塑性优于横向），焊接性能下降，易产生裂纹。判定方法：按GB/T13299-1991《钢的显微组织评定方法》，在100倍光学显微镜下观察，根据铁素体与珠光体的带状分布程度分为1-5级（1级：无明显带状；5级：带状连续且清晰）。10.简述电子背散射衍射（EBSD）技术在金相分析中的核心功能及数据处理参数。答：核心功能：①晶体取向测量（可获得极图、反极图）；②晶粒尺寸与形状分析（基于取向差>15°的晶界定义）；③相鉴定（通过晶体结构匹配）；④应变分析（基于KAM（KernelAverageMisorientation）值）。数据处理参数：步长（决定空间分辨率，通常0.1-10μm）、置信度指数（CI>0.1为有效数据）、晶界角度阈值（通常2°-15°为小角度晶界，>15°为大角度晶界）。11.如何通过金相观察区分马氏体与回火马氏体？答：马氏体（未回火）在光学显微镜下呈针状（板条马氏体为平行束状，片状马氏体为针状交叉），经3%硝酸酒精腐蚀后颜色较深，无明显析出物；回火马氏体（150-250℃回火）中碳化物（ε-碳化物）以极细颗粒析出，分布于马氏体针内部，腐蚀后颜色变浅，针状轮廓模糊，高倍下可见微区衬度差异（需SEM观察碳化物）。12.简述非金属夹杂物的分类（按GB/T10561-2005）及评级方法。答：分类：A类（硫化物，塑性，沿轧制方向延伸）、B类（氧化铝，脆性，呈棱角状）、C类（硅酸盐，半塑性，呈短条状或串珠状）、D类（球状氧化物，圆形或近似圆形）、DS类（单颗粒球状夹杂物，直径≥13μm）。评级方法：在100倍下，按夹杂物的长度（A、B、C类）或直径（D、DS类）及数量，对照标准图谱评定级别（如A类细系1.0级表示长度≤120μm的夹杂物数量符合标准）。13.说明奥氏体不锈钢晶间腐蚀的金相检测方法（如草酸电解腐蚀法）的原理及判定标准。答：原理：草酸（10%）电解腐蚀时，晶界贫铬区（因Cr与C结合形成Cr₂₃C₆）电极电位低于基体，优先溶解，形成沟槽；未敏化试样晶界无贫铬区，腐蚀后呈均匀的“无特征”组织。判定标准（GB/T4334-2020）：在100倍下观察腐蚀形貌：①无晶间腐蚀（表面为均匀的滑移线或孪晶线）；②轻度晶间腐蚀（晶界轻微腐蚀，呈断续沟槽）；③严重晶间腐蚀（晶界连续沟槽，晶粒边界清晰可见）。14.钛合金（如TC4）的典型金相组织有哪些？如何通过热处理调控其组织？答：典型组织：①等轴组织（α相呈等轴状，β相分布于晶界，塑性好）；②双态组织（等轴α相+片状α相，强韧性匹配佳）；③片状组织（α相呈片状，β相为薄层，强度高但塑性低）。热处理调控：β区淬火（>β转变温度）得到全片层组织；α+β区退火（<β转变温度）得到等轴或双态组织；β区退火后时效可细化片层间距，提高强度。15.简述高温合金中γ'相（Ni₃Al）的金相特征及对性能的影响。答：金相特征：γ'相为面心立方结构，与γ基体（Ni基固溶体）共格，通常呈立方状或球状，尺寸0.05-1μm（细小弥散分布时强化效果最佳）。影响：γ'相是高温合金的主要强化相，通过共格畸变阻碍位错运动，提高高温强度；粗化（过时效）后共格性破坏，强化效果下降，高温持久性能降低。16.如何制备多孔金属材料的金相试样？需注意哪些问题？答：制备步骤：①切割（低速金刚石锯，避免孔壁变形）；②镶嵌（使用低粘度树脂（如环氧树脂）真空渗透，确保孔隙填充完全）；③研磨（减小压力，避免树脂脱落）；④抛光（短时间轻抛，防止孔边树脂倒角）；⑤腐蚀（选择对基体选择性强的腐蚀剂，避免腐蚀树脂）。注意问题：孔隙填充不全会导致研磨时磨料嵌入，影响观察；树脂与基体硬度差异大时，抛光易产生“浮雕”效应，需调整抛光时间和压力。17.解释“离异共晶”的形成条件及金相特征。答：形成条件：当合金成分偏离共晶点较远（如亚共晶或过共晶合金），或冷却速率极慢时，先共晶相大量析出，剩余液相量少，共晶反应仅在局部发生，共晶组织被先共晶相分割。金相特征：共晶中的一相（如铁碳合金中的渗碳体）依附于先共晶相（如奥氏体）生长，形成不连续的块状或短棒状组织，而非典型的层片状共晶。18.简述激光熔覆层的金相分析要点。答：要点：①界面结合特征（是否存在未熔合、气孔或裂纹）；②熔覆层组织梯度（顶部为等轴晶，中部为柱状晶，底部为外延生长的细晶）；③第二相分布（如碳化物、硼化物的形态及尺寸）；④元素扩散（通过EDS线扫描分析熔池与基体间的元素过渡区宽度）；⑤残余应力（通过EBSD观察晶界取向差分布，判断应力集中区域）。19.如何通过金相观察区分钢中的魏氏组织与珠光体？答：魏氏组织（形成于高温快冷条件）由针状或片状铁素体（或渗碳体）从奥氏体晶界向晶内生长，铁素体针之间夹角约60°或120°，针体较粗（>2μm），周围可能伴随少量珠光体；珠光体为层片状铁素体与渗碳体交替排列，片层间距随冷却速率减小而增大（0.1-1μm），在光学显微镜下呈细层状或羽毛状（粗片珠光体）。20.说明铝合金中“过烧”的金相特征及判定方法。答：过烧特征：①晶界熔化（出现复熔球，即圆形或椭圆形的低熔点共晶产物）；②晶界变宽，严重时晶粒分离；③三角晶界处出现熔化孔洞。判定方法：经Keller试剂（1%HF+1.5%HCl+2.5%HNO₃+95%H₂O）腐蚀后，在500倍下观察，若晶界存在复熔球或熔化孔洞，即可判定为过烧（参考GB/T3246.1-2012《变形铝及铝合金制品组织检验方法》）。21.简述透射电子显微镜（TEM）在金相分析中的独特优势及样品制备要求。答：优势：分辨率可达0.1nm，可观察原子尺度的结构（如位错、层错、析出相界面），结合电子衍射可确定相的晶体结构及取向关系。样品制备要求：①薄膜样品厚度<100nm（通过双喷电解减薄或离子减薄制备）；②对于陶瓷或硬脆材料，需先机械减薄至50μm，再离子减薄；③避免样品污染（如碳污染），减薄后需快速转移至电镜腔室。22.解释“晶界腐蚀”与“穿晶腐蚀”的区别及金相观察特征。答：晶界腐蚀（沿晶腐蚀）：腐蚀优先沿晶界进行，晶界处成分（如不锈钢的贫铬区）或组织（如析出相）与晶粒内部不同，导致腐蚀速率差异；金相特征为晶粒边界被腐蚀成沟槽，严重时晶粒脱落（如不锈钢晶间腐蚀）。穿晶腐蚀：腐蚀穿过晶粒内部，与晶粒取向、晶体缺陷（如位错）或第二相分布有关；特征为腐蚀路径呈直线或折线穿晶，常见于铝合金的应力腐蚀开裂（SCC）。23.如何通过金相分析判断钢的脱碳层深度？答：方法：①显微硬度法：沿截面从表面向内部测量硬度，脱碳层（铁素体增多）硬度低于基体；②组织法：表面脱碳层为全铁素体（完全脱碳）或铁素体+珠光体（部分脱碳），与内部原始组织（如珠光体+铁素体）有明显界限。测量时在50倍下，从表面到组织/硬度突变处的距离即为脱碳层深度（按GB/T224-2008《钢的脱碳层深度测定法》）。24.简述镁合金金相试样制备的特殊注意事项。答：注意事项：①镁化学活性高，切割时需用冷却液（如无水乙醇）防止氧化；②研磨时避免过热（镁燃点低），采用低速（<300rpm）、小压力；③抛光宜用SiO₂水悬浮液（pH=10-11），避免酸性抛光剂导致表面腐蚀；④腐蚀剂选择（如4%硝酸酒精易导致过腐蚀，推荐使用乙酸-苦味酸溶液：2.5ml乙酸+1g苦味酸+5ml水+92.5ml乙醇），腐蚀时间<10s，防止晶粒边界过度溶解。25.说明铁素体不锈钢中σ相的形成条件及金相检测方法。答：形成条件：在475-850℃长时间加热（如焊接热影响区），铁素体（δ-Fe）分解为σ相（FeCr，体心四方结构）和富铬α'相，σ相硬而脆，导致材料韧性下降。检测方法：①金相观察：σ相呈针状或块状，经Kalling试剂（1gCuCl₂+25mlHCl+25ml乙醇）腐蚀后呈亮白色（铁素体呈暗灰色）；②结合XRD或EDS：σ相含Cr量约45-50wt%，高于铁素体（约17-20wt%）。26.如何通过金相分析评估冷轧钢板的再结晶程度？答：评估方法：①组织观察：未再结晶区为拉长的变形晶粒（带状组织），部分再结晶区为变形晶粒与等轴再结晶晶粒共存，完全再结晶区为均匀等轴晶粒；②晶粒尺寸统计：再结晶晶粒尺寸通常大于变形晶粒；③硬度测试：再结晶后硬度下降（变形储能释放）；④EBSD取向分析：变形晶粒内部取向差大（KAM值高），再结晶晶粒内部取向差小（KAM值低）。27.简述复合材料（如碳纤维/环氧树脂）的金相制备要点及组织观察内容。答：制备要点：①切割（低速金刚石锯，避免纤维断裂或树脂分层）；②镶嵌（真空渗透低粘度树脂，确保纤维与基体结合界面无间隙）；③研磨（逐步减薄，避免纤维拔出）；④抛光（使用软抛光盘+细磨