江苏大学金属学原理复习题

南昌大学2017年攻读博士学位研究生入学考试试题

题集

考试科目：金属学原理考试时间：月日（注：特别提醒所有答案一律写在答题纸上，直接写在试题或草稿纸上的无效！）

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形核功：要形成一个临界晶核，必须获得像△G*这样一部分能量，所以称△G*为临界形核功，简称形核功。

晶胚：液态金属中，时聚时散的小晶团称为晶胚

临界晶核：在r＝r*时，粒子处于临界状态，因此半径r*的晶核叫做临界晶核。

动态过冷度：能保证凝固速度大于熔化速度的过冷度称为动态过冷度。

粗糙界面：在固、液两相之间的界面以微观来看是高低不平的，存在几个原子层厚度的过渡层，在过渡层中约有半数的位置为固相原子所占据。

光滑表面：在光滑界面以上为液相，以下为固相，液、固两相截然分开，固相的表面为基本完整的原子.

伪共晶：不是共晶成分的合金而得到完全共晶的组织叫伪共晶。

不平衡共晶：在不平衡凝固条件下，合金冷却到共晶温度以下时仍有少量液体存在，剩余液相的成分达到共晶成分而发生共晶转变，由此产生不平衡共晶。

离异共晶：在先共晶相数量较多，而共晶体数量甚少的情况下，共晶体中与先共晶相相同的那一相将依附于已有的粗大先共晶相长大，并把先共晶体中的另一部分推向最后

凝固的边界处，从而使共晶组织的特征消失，这种两相分离的共晶称为离异共晶。反应扩散：通过扩散而产生新相的现象被称为反应扩散

成分过冷：固溶体结晶时，尽管实际温度分布不变，但液固界面前沿液相中溶质分布发生变化，液相的熔点也随着变化，这种由于液相成分改变而形成的过冷称为成分过冷。平衡分配系数：达到平衡时，固相线成分也液相线成分之比。

区域熔炼：对于k＜1的合金，溶质富集于末端，始端得到提纯，对于k＞1合金，溶质富集于始端，末端得到提纯。（利用稳态凝固产生宏观偏析的原理进行金属提炼的办

法）

有效分配系数：结晶过程中固体在相界处的浓度和此时余下液体的平均浓度之比。

直线法则：在一定温度下，三元合金两相平衡合金的成分点和两个平衡相的成分点必然位于成分三角形内的同一条直线上，这一规律称为直线法则。

重心法则：当三元合金在一定温度下处于三相平衡时，合金的成分点为3个平衡相的成分点组成的三角形的质量重心，由此称之为重心定律。

连接线：两个平衡相的成分存在着对应的关系，连接对应成分点的直线叫连接线。

单变量线：三元系统中，平衡相的成分随温度变化的空间曲线。

临界分切应变：滑移系统开动所需最小份切应力。

单滑移：外力作用下，当只有一个滑移系统上的分切应力最大并且达到了临界切应力时，系统中只有一个滑移系开动，这种滑移叫做单滑移。

复滑移：由于晶体的转动，使拎一个滑移系参加滑移，从而形成双华谊，多组滑移系参加滑移，称为复滑移。

交滑移：两个或两个以上的滑移面沿同一个滑移方向进行交替滑移的过程，称为交滑移。

孪生：晶体受力后，以产生孪晶的方式进行的切变过程叫孪生。

加工硬化：随着变形程度的增加，强度和硬度升高，塑性和韧性下降，此现象就是加工硬化。形变织构：金属和合金塑性变形时，由于各晶粒的转动，当形变量很大时，各晶粒的取向会大致趋于一致，形变中的这种组织状态叫做形变织构。

位错点阵阻力：位错在晶体中运动，每隔一个原子间距必然越过一个能垒，因此位错本身受到一种阻力，称为点阵阻力。

纤维组织：当形变量很大时，各晶粒已辨别不出来，而呈现纤维状的条纹，称为纤维组织。再结晶：经冷变形的金属，在足够高的温度地下加热时，通过新晶粒重新形核和长大，以无畸变的新晶核逐渐取代变形晶粒的过程。

回复：经冷变形的金属加热时，显微组织改变前所产生的某些亚结构和性能变化的阶段。动态回复：在热变形过程中发生的回复称为动态回复。

动态再结晶：再结晶温度以上变形和再结晶同时进行的现象。

二次再结晶：当变形程度很大时或在较高温度下某些晶粒异常长大。

多边化：由于冷变形后同号刃型位错在滑移面上塞积而引起点阵轻微弯曲，在退火过程中，通过刃型为错的攀移和滑移，使同号位错沿着垂直于滑移面的方向排列或小角度

晶界的过程。

储存能：金属塑性变形时，外力所做的的功除了转换为热量外有一小部分被保留在金属内部的能量。

流线：在热加工过程中铸态金属的偏析、夹杂物、第二相等逐渐沿变形方向延伸，在经侵蚀的宏观磨面上会出现流线。

热加工：形变时发生动态再结晶。

温加工：形变时发生动态回复。

冷加工：形变时发生加工硬化。

滑移系：晶体中一个滑移面及该面上一个滑移方向的组合。

退火孪晶：在退货过程中形成的孪晶被称为退火孪晶。

1. 分析5.6%Cu合金和5.7%Cu合金在平衡凝固和快速冷却不平衡结晶时室温组织特点。5.6%Cu合金平衡结晶时室温组织为α+θⅡ，快冷不平衡结晶时室温组织还出现少量非平衡共晶组织（α+θ）共晶体，（常以离异共晶组织形态出现）；5.7%Cu合金平衡结晶时室温组织为α+θⅡ+（α+θ）共晶体，快冷不平衡结晶时室温组织中出现离异共晶。

2.图为一连铸坯低倍组织照片，说明各晶区的名称及成因；若想得到更多的等轴晶粒，可采用哪些方法或措施？

晶区组织：表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区。

细晶区的形成：主要是液体金属浇入锭模后，冷模壁的作用而产生强烈的过冷，且模壁促

进非均匀形核。

柱状晶区形成：在细晶区的形成过程中，因为模壁温度不断升高，使得细晶区前沿液体的

过冷度减小，形核变得困难或者说基本上不形核了，此时就在细晶的基础上逐渐长大。由于热量的散发垂直于模壁，因此晶体的生长也就沿着与散热相反方向作定向凝固形成柱状晶。

中心等轴晶区的形成：主要是由于铸锭中心的液体存在着大量的籽晶，这些籽晶在成分过

冷的作用下，形成核心而长大，形成中心等轴晶。

慢的冷速、低的浇注温度、均匀散热、变质处理和应用物理方法等，可扩大等轴晶区。3. 简述再结晶与二次再结晶的驱动力，并如何区分冷、热加工？动态再结晶与静态再结晶后的组织结构的主要区别是什么？

再结晶通常是指经冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过新晶核的形成及长大，以无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒的过程。它的驱动力是储存能；再结晶完成后继续升高温度或延长保温时间，少数晶粒突发性的不均匀长大，叫二次再结晶。它的驱动力是界面能。冷加工：形变时发生加工硬化；热加工：形变时发生动态再结晶。

组织结构的区别：静态再结晶组织晶粒大小均匀，易形成退火孪晶；动态再结晶晶粒大小很不均匀，晶粒呈现不规则的凹凸状，很难形成退火孪晶。

4.位错理论解释屈服与应变时效。

（1）位错要从气团里挣脱出来需要较大的力，这就形成了上屈服点，而一旦挣脱之后，位错的运动就比较容易了，因此有应力降落，出现下屈服点和水平台。

（2）当位错大量增殖后，在维持一定的应变速率是，流体应变就要降低，造成曲服降落。当卸载后立即重新加载，由于位错已经挣脱出气团的钉孔，故不出现屈服点。若卸载后放置长时间或强时效则溶质原子已经通过扩散而重新聚集到位错周围而形成气团，屈服现象重现。

5.位错理论解释单晶体的应力---应变曲线。

Θ=dτ/dt加工硬化系数

第一阶段:切应力达到晶体的临界分切应力是，一个滑移系开动，阻力小，硬化效应小；第二阶段:滑移在几组相交的滑移面中发生，位错交割，增殖塞积相继发生，位错运动阻力加大；

第三阶段：应力进一步提高，滑移障碍将逐渐克服，交滑移进行变形，Θ下降，抛物线硬化阶段，动态回复所致。

6.化学交互作用强化合金原因。

溶质原子在扩展位错的层错区聚集以降低层错能，形成铃木气团。

（1）扩展位错运动时层错必须跟着运动，但由于层错内外溶质原子浓度不同故增加了扩展位错运动阻力；

（2）当其他位错与扩张位错相交时，在交割前，扩展位错必须先簇集成全位错，但溶质原子在偏聚层错区增加了位错的宽度，使扩展位错难束集，也不发生交滑移，易绕过障碍从而提高合金强度。

7.位错绕过、切过质点强化机制异同。

（1）同：都与第二相粒子的体积分数和尺寸大小有关。强化效果都随着体积分数的增大而增大；

（2）异：绕过：随第二相粒子尺寸减小而增大

切过：随第二相粒子尺寸增大而增大

8.加工硬化

加工硬化：材料在变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、韧性明显下降的现象称为加工硬化

原因：塑性变形是通过位错的运动来实现的，位错运动一旦受阻，塑性变形就难以进行，要继续进行变形只有增加外力。

分析：变形过程中，位错沿滑移面运动，各种位错会频繁相遇，发生一系列复杂的交割作用，出现位错的缠结等等现象，使位错的运动受阻，位错源不断发出的位错不能顺利地移出晶体，发生位错塞积，造成位错密度的逐渐增大。变形量越大，位错密度就越大，变形的抗力也越就大。随着位错密度的升高，位错之间的平均距离减小，它们之间的相互干扰和交互作用进一步增强，因而强度和硬度也就越来越大。

加工硬化在生产上的意义（优缺点）：

利：1强化金属的重要途径（通过冷加工控制产品的最后性能）；

2提高材料的使用安全性（某些零件在工作过程中表面不断硬化，以提高耐冲击、耐磨损性能）；

3材料加工成形的保证（冷加工成型）。

弊：1 加工过程中变形阻力提高，动力消耗大；

2 使材料变硬、变脆，故加工过程中需要多次中间退火；

3 脆断危险性提高。

对物理、化学性能的影响

1导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；

2结构缺陷增多，扩散加快；

3化学活性提高，腐蚀加快

9.经塑性变形后材料的显微组织变化.

晶粒形状的变化

（1）出现了大量的滑移带和孪晶带。

（2）晶粒形状发生了变化。随变形度增大，等轴状晶粒—→扁平晶粒—→纤维组织。纤维组织的分布方向是材料流变伸展方向。

（3）当金属中组织不均匀，如有枝晶偏析或夹杂物时，塑性变形使这些区域长，这在后序的热加工或热处理过程中会出现带状组织，随变形度增大，位错密度迅速增大。

形变织构

( 1)形变织构：是晶粒在空间上的择优取向

（2）类型及特征

?丝织构：各晶粒的某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）

?板织构：各晶粒的某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平行于主变形方向。（轧制时形成）

形变织构的产生

变形织构：金属晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每个晶粒有各向异性，所以宏观性能表现出各向同性。但是当金属经受大量(70%以上)的一定方向的变形之后，由于晶粒的转动造成晶粒取向趋于一致，形成了晶体的“择优取向”，即某一晶面在某个方向出现的几率明显高于其他方向。金属大变形后形成的这种有序化结构叫做变形织构，它使金属材料表现出明显的各向异性。

形成原因：滑移塑性变形时伴随晶粒的转动，造成各晶粒的滑移面或滑移方向趋于平行外力方向。

变形织构的影响

对工程应用的影响：在大多数情况下是不利的，如有织构的金属板材冲制筒形零件时，由于不同方向上塑性的差别较大，深冲之后零件的边缘不齐出现“制耳”现象；另外在不同方向上变形不同，制成的零件的硬度和壁厚会不均匀，等等。但织构有时也能带来

好处，制造变压器铁芯的硅钢片，利用织构可大提高变压器的效率。

防止措施：织构形成后很难消除，工业生产中为了避免织构，较大的变形量往往通过几次变形来完成，并进行中间退火

10.一块纯锡板被子弹穿透，分析弹孔周围的组织变化

由于锡再结晶温度低，当子弹打入Sn板后，变形的同时发生回复再结晶，弹孔周围变形最大，远离弹孔时变形较小，以至消失。再结晶时晶粒的长大规律：变形量小时，晶粒尺寸与原始尺寸相同，当变形大到某一程度时，再结晶晶粒特别粗大，然后再结晶随变形量的增大而减小。

11.再结晶与二次再结晶驱动力？冷热变形后组织结构的主要区别？

驱动力：1是储存能，2是界面能

区别：冷变形形成形变织构，晶粒呈同向的条带状；热变形由于温度高于再结晶现象，发生回复再结晶，为等轴晶。

12.再结晶晶粒尺寸的影响因素。

（1）变形度：变形量小，不足已发生再结晶，晶粒尺寸不变；

当变形量超过临界时，变形越大，晶粒越细小

（临界变形度：再结晶后得到特别粗大晶粒的变形程度）

（2）退火温度：温度越高，晶粒越粗

13.二次再结晶（晶粒异常长大）

条件：正常晶粒长大过程被分散相粒子，织构等强烈阻碍，能长大晶粒数目少，使晶粒大小相差悬殊。尺寸差别大，大吞小，大的长得更快，最后形成大小极不均匀的组织。

14.冷塑性变形对合金组织结构、力学性能、物理化学性能、体系能量的影响。

（1）a形成纤维组织，晶粒沿变形方向拉长

B形成胞状亚结构

C形成形变织构

（2）造成加工硬化

（3）电阻率上升，电阻温变系数、导磁率、导热系数下降，金属扩散过程加速，腐蚀速度加快

（4）A冷变形产生大量缺陷引起点阵畸变，畸变能上升

B晶粒间变形不均匀、工件各部分变形不均匀引起微观、宏观内应力，这两部分都为储存能，前者为主

15.为什么晶体滑移总发生原子最密集面，并且沿着最密集的晶向进行？

因为只有在最密排晶面之间的面间距及最密排晶向之间的原子间距才最大，原子结合力也最弱，所以在最小的切应力下便能引起它们的相对滑移。

16.形变孪晶和退火孪晶形成机制有何不同，说明他们的显微组织特征

（1）形变孪晶是金属通过孪生的方式进行塑性变形而形成的组织，孪生是一个发生在晶体内部的均匀切变过程，切变区的宽度较小，在金相显微镜下一般呈带状，且变形孪晶通常在一个晶粒内部。（2）退火孪晶是经过冷塑性变形并再结晶退火后形成需要产生堆垛层错，这种层错是在晶界迁移过程中形成的，在金相显微镜下一般为平直界面的片状孪晶。

17.细化晶粒的方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌

铸锭三个晶区：表面细晶区、柱状晶区、中心等轴区

18.影响再结晶的主要因素：

（1）在结晶的退火温度：退火温度越高（保温时间一定时）再结晶的晶粒越粗大

（2）冷变形量：一般冷变形量越大，完成再结晶的温度越低，变形量达到一定程度后，完成再结晶的温度趋于恒定。

（3）原始晶粒尺寸：原始晶粒越细，再结晶晶粒也越细。

（4）微量溶质与杂质原子：一般起均匀化细化晶粒的作用。

（5）第二相粒子，粗大的第二相有利于再结晶，弥散分布的细小的第二相粒子不利于再结晶。

（6）形变温度：形变温度越高，再结晶温度越高，晶粒粗化。

（7）加热温度：加热速度过快或过慢，逗可能使再结晶温度升高。