高等金屬學(xué)參考

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上2008研究生入學(xué)考試金屬學(xué)一、 名詞解釋?zhuān)海ū绢}16分，每個(gè)名詞2分）1、倒易點(diǎn)陣 2、拓?fù)涿芘畔?、金屬間化合物 4、共析相變5、晶內(nèi)鐵素體 6、形變誘導(dǎo)析出7、焊接熱影響區(qū) 8、延遲斷裂二、三、 寫(xiě)出如下關(guān)系式并標(biāo)注相關(guān)參量：（本題16分，每小題4分）1、 晶粒細(xì)化強(qiáng)化的Hall-Petch關(guān)系式。2、 球形核心均勻形核的臨界形核功。3、 位錯(cuò)滑移的P-N力表述式。4、 相律表述式。四、 通常采用的硫化錳在奧氏體中的平衡固溶度積公式分別為： 式中：Mn、S分別為處于固溶態(tài)的釩、氮元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，T為絕對(duì)溫度。請(qǐng)分別計(jì)算傳統(tǒng)低碳鋼（0.60%Mn-0.04%S）

2、和低合金潔凈鋼（1.20%Mn-0.005%S）中硫化錳完全進(jìn)入固溶態(tài)的溫度，分別計(jì)算980達(dá)到平衡時(shí)鋼中平衡固溶的錳、硫元素的量以及平衡析出或未溶的MnS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。錳、硫的原子量分別為54.9380、32.06。從動(dòng)力學(xué)方面考慮，硫化錳的有效析出溫度一般比全固溶溫度低250左右，而1200以上溫度析出的硫化物尺寸多在m甚至10m以上而1100以下溫度析出的硫化物尺寸多在100nm以下。根據(jù)計(jì)算結(jié)果說(shuō)明傳統(tǒng)低碳鋼中硫化錳主要屬于夾雜物而在潔凈鋼中則可能變?yōu)橛欣牡诙唷＃ū绢}24分，全固溶溫度分別為2分共4分，平衡固溶的錳、硫元素的量各3分共12分，未溶MnS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)各2分共4分，分析解釋

3、4分）五、 金屬材料中位錯(cuò)的滑移是導(dǎo)致其發(fā)生塑性變形的最重要機(jī)制，而阻止位錯(cuò)滑移則可提高材料的屈服強(qiáng)度。請(qǐng)根據(jù)位錯(cuò)與各種顯微缺陷的相互作用分別分析固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化（加工硬化）、晶粒細(xì)化強(qiáng)化、第二相沉淀強(qiáng)化（Orowan機(jī)制）的機(jī)理并給出相應(yīng)的強(qiáng)化增量計(jì)算式。（本題20分，每類(lèi)顯微缺陷相互作用分析2.5分、強(qiáng)化增量關(guān)系式2.5分）六、晶粒細(xì)化是鋼鐵材料中最為重要的強(qiáng)韌化方式，請(qǐng)分別寫(xiě)出鋼材屈服強(qiáng)度及冷脆轉(zhuǎn)折溫度與晶粒尺寸之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，并由此分析當(dāng)?shù)吞间撲摬木Я３叽缬?0m（傳統(tǒng)鋼材生產(chǎn)）細(xì)化到5m（細(xì)晶鋼）時(shí)其屈服強(qiáng)度可能提高的MPa數(shù)及冷脆轉(zhuǎn)折溫度可能降低的度數(shù)。列出4種以上鋼中晶粒細(xì)化

4、的工藝。（本題12分，關(guān)系式分別為2分共4分，計(jì)算各2分共4分，晶粒細(xì)化工藝4分）2008年研究生入學(xué)考試金屬學(xué)參考答案一、名詞解釋?zhuān)?1、倒易點(diǎn)陣：根據(jù)倒易規(guī)則把正點(diǎn)陣的晶面轉(zhuǎn)換為倒空間的陣點(diǎn)，由此得到的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。2、拓?fù)涿芘畔啵壕w結(jié)構(gòu)主要取決于不同尺寸的兩種（或多種）原子的相對(duì)尺寸，原子排列拓?fù)鋵W(xué)規(guī)律而高度密排的一類(lèi)金屬間化合物。3、金屬間化合物：晶體結(jié)構(gòu)主要由電負(fù)性、尺寸元素或電子濃度因素等決定的由金屬與金屬或金屬與類(lèi)金屬之間形成的化合物。4、共析相變：一種在恒溫下發(fā)生的可逆相變：冷卻時(shí)由一固相同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)（或兩個(gè)以上）固相的復(fù)相混合物，加熱時(shí)則由兩個(gè)（或兩個(gè)以上）固相的混合物同

5、時(shí)生成一個(gè)具有確定成分的固體相。5、晶內(nèi)鐵素體：在奧氏體晶粒內(nèi)部的第二相界面處或形變帶處形核長(zhǎng)大而形成的先共析鐵素體。6、形變誘導(dǎo)析出：形變后存在于基體相中所形變儲(chǔ)能促使第二相沉淀析出相變明顯加速進(jìn)行，使第二相沉淀析出溫度比平衡溫度升高和使沉淀析出量比平衡析出量增大的現(xiàn)象。7、焊接熱影響區(qū)：金屬焊縫兩側(cè)在焊接過(guò)程中其組織和性能發(fā)生明顯變化的區(qū)域。8、延遲斷裂：材料所受應(yīng)力低于其靜載斷裂強(qiáng)度，但由于應(yīng)力腐蝕、疲勞、蠕變等方面的原因，經(jīng)一定時(shí)間后發(fā)生的斷裂。二、FCC晶體：BCC晶體：-鐵為FCC晶體，-鐵BCC晶體，由計(jì)算結(jié)果可得，盡管FCC點(diǎn)陣比BCC點(diǎn)陣更致密，但其間隙較為集中，其八面體間隙

6、位置的尺寸與基體原子尺寸的比值最大，因而可容納的間隙固溶原子的數(shù)量明顯要大，故間隙固溶原子C在-鐵中的固溶度明顯大于在-鐵中的固溶度。三、寫(xiě)出如下關(guān)系式并標(biāo)注相關(guān)參量：1、晶粒細(xì)化強(qiáng)化的Hall-Petch關(guān)系式。式中：為晶體強(qiáng)度，i為不包括晶粒細(xì)化強(qiáng)化作用的基礎(chǔ)強(qiáng)度，D為晶粒尺寸，k為比例系數(shù)。2、球形核心均勻形核的臨界形核功。式中：G*為臨界形核功，為新相界面能，GV為單位體積形核自由能。3、位錯(cuò)滑移的P-N力表述式。式中：P為位錯(cuò)滑移的臨界分切應(yīng)力即P-N力，G為切變彈性模量，為泊松比，a為滑移面間距，b為位錯(cuò)柏格斯矢量的絕對(duì)值即密排方向原子間距。4、相律表述式。F=C-+2式中：F為自

7、由度數(shù)目，C為相所含的組元數(shù)，為平衡相數(shù)目。四、0.60%Mn-0.04%S鋼：全固溶溫度為聯(lián)立求解下兩式可計(jì)算出980固溶的Mn、S：由此可得：Mn0.，S0.未溶MnS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：1.2%Mn-0.005%S鋼：全固溶溫度為：聯(lián)立求解下兩式可計(jì)算出980固溶的Mn、S：由此可得：Mn1.，S0.未溶MnS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：由此，如果再考慮到沉淀析出相變的動(dòng)力學(xué)，即硫化錳的有效析出溫度一般需要250左右的過(guò)冷度，則傳統(tǒng)低碳鋼0.60%Mn-0.04%S鋼中MnS主要在1230溫度附近析出，其尺寸較為粗大，成為鋼中的夾雜物；而低合金潔凈鋼1.20%Mn-0.005%S鋼中MnS主要在1080溫度附近

8、析出，該溫度由于處于鋼材軋制溫度范圍因而將發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)析出從而得到較為細(xì)小的MnS顆粒，可在一定程度上起到有益的作用。五、點(diǎn)缺陷如空位、溶質(zhì)原子與滑移位錯(cuò)相遇時(shí)將釘扎在位錯(cuò)線(xiàn)上，位錯(cuò)滑移的進(jìn)一步進(jìn)行必須或者掙脫釘扎或者攜帶點(diǎn)缺陷一起移動(dòng)，這都將使位錯(cuò)滑移困難從而導(dǎo)致材料強(qiáng)度提高。通常情況下強(qiáng)度增量正比于點(diǎn)缺陷的量：，式中M為M元素固溶原子的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，kM為強(qiáng)化系數(shù)。線(xiàn)缺陷主要是林位錯(cuò)，滑移位錯(cuò)與林位錯(cuò)交截時(shí)將產(chǎn)生不可滑移的割階，使得進(jìn)一步的滑移受阻從而提高材料強(qiáng)度。強(qiáng)度增量正比于位錯(cuò)密度的二分之一次方：，式中為位錯(cuò)密度，G為基體的切變彈性模量，b為位錯(cuò)的柏格斯矢量，為比例系數(shù)。面缺陷主要為晶

9、界，由于晶粒間存在位向差，位錯(cuò)滑移時(shí)不能直接通過(guò)晶界，必須使相鄰晶粒內(nèi)相應(yīng)滑移面上的位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)才能使位錯(cuò)滑移過(guò)程持續(xù)，由此使材料強(qiáng)度提高。強(qiáng)度增量可用Hall-Petch關(guān)系式表述：，式中D為晶粒尺寸，k為比例系數(shù)。體缺陷為各種第二相，滑移位錯(cuò)遇到第二相后，或者切過(guò)第二相顆粒（切過(guò)機(jī)制）或者圍繞第二相彎曲繞過(guò)留下一位錯(cuò)圈（Orowan機(jī)制），這將使位錯(cuò)滑移阻力增大從而使材料強(qiáng)度提高。在Orowan機(jī)制下，強(qiáng)度增量可表述為：，式中f為第二相的體積分?jǐn)?shù)，d為第二相顆粒的平均尺寸。六、晶粒細(xì)化強(qiáng)化的Hall-Petch關(guān)系式。式中：為晶體強(qiáng)度，i為不包括晶粒細(xì)化強(qiáng)化作用的基礎(chǔ)強(qiáng)度，D為晶粒尺寸，k為

10、比例系數(shù)，低碳鋼屈服強(qiáng)度的比例系數(shù)約為17.4MPamm1/2。晶粒細(xì)化韌化的關(guān)系式：式中：TC為冷脆轉(zhuǎn)折溫度，D為晶粒尺寸，T0、a、b、B均為相應(yīng)的常數(shù)，低碳鋼中比例系數(shù)b約為11.5mm1/2。鋼材晶粒尺寸為20m時(shí)，D-1/2為7.071 mm-1/2；鋼材晶粒尺寸為5m時(shí)，D-1/2為14.142 mm-1/2；故晶粒尺寸由20m細(xì)化到5m時(shí)，鋼的屈服強(qiáng)度大致可提高17.4MPamm1/2×7.071 mm-1/2=123MPa，而冷脆轉(zhuǎn)折溫度可降低約11.5mm1/2×7.071 mm-1/2=81。鋼中細(xì)化晶粒的主要原理是通過(guò)相變或再結(jié)晶使晶粒重新形核而細(xì)化，

11、同時(shí)應(yīng)減小高溫保持時(shí)間或采用第二相釘扎晶界來(lái)抑制晶粒長(zhǎng)大，相應(yīng)的工藝技術(shù)有：再結(jié)晶控制軋制、未再結(jié)晶控制軋制（形變誘導(dǎo)鐵素體相變）、高溫穩(wěn)定的第二相阻止晶粒長(zhǎng)大、循環(huán)相變、大形變量低溫變形再結(jié)晶（如等通道擠壓等）、快加熱工藝（如感應(yīng)加熱熱處理等）。2009年研究生入學(xué)考試金屬學(xué)六、 名詞解釋?zhuān)海ū绢}16分，每個(gè)名詞2分）1、孿晶 2、合金3、金屬間化合物 4、包晶相變5、Goss織構(gòu) 6、形變誘導(dǎo)相變7、二次再結(jié)晶 8、Orowan機(jī)制七、 奧氏體-鐵素體相變的位向關(guān)系為, 912平衡相變溫度下奧氏體和鐵素體的點(diǎn)陣常數(shù)分別為0.36468nm和0.29008nm.。請(qǐng)寫(xiě)出立方晶系晶面間距和晶向

12、夾角的計(jì)算公式；請(qǐng)計(jì)算二者相變時(shí)配合晶面的晶面間距，并分析解釋其采取上述位向關(guān)系的原因；請(qǐng)計(jì)算配合方向的夾角，并分析解釋上述位向關(guān)系中采用接近平行符號(hào)而不采用完全平行符號(hào)的原因。（本題12分，晶面間距與夾角公式各1分共2分，晶面間距及晶向夾角計(jì)算結(jié)果4分，分析解釋各3分共6分）八、 寫(xiě)出如下關(guān)系式并標(biāo)注相關(guān)參量：（本題16分，每小題4分）1、 晶粒細(xì)化強(qiáng)化的Hall-Petch關(guān)系式。2、 純金屬的再結(jié)晶開(kāi)始溫度與熔點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。3、 單位長(zhǎng)度螺位錯(cuò)線(xiàn)的彈性應(yīng)變能。4、 相變動(dòng)力學(xué)Avrami方程。九、 通常采用的各種微合金碳氮化物在奧氏體中的平衡固溶度積公式分別為：lgTi ·N=

13、0.32-8000/T，lgNb ·N=2.80-8500/T， lgV ·N=3.63-8700/T，lgTi ·C=2.75-7000/T，lgNb ·C=2.96-7510/T，lgV ·C=6.72-9500/T，式中：M、C、N分別為處于固溶態(tài)的微合金元素、碳、氮元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，T為絕對(duì)溫度。各種微合金碳氮化物在奧氏體中的固溶度積隨溫度的變化見(jiàn)圖。均熱溫度下未溶的微合金碳氮化物可以有效阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大；終軋道次大形變量變形時(shí)在奧氏體中形變誘導(dǎo)析出的微合金碳氮化物將對(duì)形變奧氏體的再結(jié)晶過(guò)程產(chǎn)生明顯的阻礙作用從而適合于采用未再結(jié)晶控制

14、軋制工藝，反之則適合于采用再結(jié)晶控制軋制工藝。典型低合金高強(qiáng)度鋼的碳含量為0.10，氮含量為0.0045，鈮加入量約為0.035，釩加入量約為0.08，鈦加入量約為0.02。請(qǐng)分別計(jì)算均熱溫度1200（1473K）、終軋溫度850（1123K）溫度下不同微合金碳化物或氮化物的平衡固溶度積。并由此解釋微鈦處理鋼可有效控制均熱態(tài)奧氏體晶粒長(zhǎng)大、鈮微合金鋼適宜采用未再結(jié)晶控制軋制工藝、釩微合金鋼適宜采用再結(jié)晶控制軋制工藝的主要原因。（本題24分，固溶度積每個(gè)0.5分共6分，三個(gè)實(shí)際問(wèn)題的分析解釋各6分共18分）十、 金屬材料中位錯(cuò)的滑移是導(dǎo)致其發(fā)生塑性變形的最重要機(jī)制，而阻止位錯(cuò)滑移則可提高材料的屈

15、服強(qiáng)度。請(qǐng)根據(jù)位錯(cuò)與各種顯微缺陷的相互作用分別分析固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化（加工硬化）、晶粒細(xì)化強(qiáng)化、第二相沉淀強(qiáng)化（Orowan機(jī)制）的機(jī)理并給出相應(yīng)的強(qiáng)化增量計(jì)算式。（本題20分，每類(lèi)顯微缺陷相互作用分析2.5分、強(qiáng)化增量關(guān)系式2.5分）六、晶粒細(xì)化是鋼鐵材料中最為重要的強(qiáng)韌化方式，請(qǐng)寫(xiě)出鋼材屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式（Hall-Petch關(guān)系式），并由此分析計(jì)算當(dāng)?shù)吞间撲摬木Я３叽缬?0m（傳統(tǒng)鋼材生產(chǎn)）細(xì)化到5m（細(xì)晶鋼）時(shí)其屈服強(qiáng)度可能提高的MPa數(shù)。列出4種以上鋼中晶粒細(xì)化的工藝。（本題12分，關(guān)系式2分，比例系數(shù)值2分，計(jì)算4分，晶粒細(xì)化工藝4分）2009年研究生入學(xué)考試金屬學(xué)

16、參考答案一、名詞解釋?zhuān)?1、孿晶：以共格界面相連接、晶體學(xué)取向成鏡面對(duì)稱(chēng)的一對(duì)晶體。2、合金：由兩種或多種化學(xué)組分構(gòu)成的由金屬基固溶體或化合物組成的具有金屬性的材料。3、金屬間化合物：晶體結(jié)構(gòu)主要由電負(fù)性、尺寸元素或電子濃度因素等決定的由金屬與金屬或金屬與類(lèi)金屬之間形成的化合物。4、包晶相變：一種在恒溫下發(fā)生的可逆相變，冷卻時(shí)由液相和一種或多種先凝固的固相共同轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新的固相，加熱時(shí)則由一固相同時(shí)生成一個(gè)液相和一種或多種固體相。5、Goss織構(gòu)：立方點(diǎn)陣金屬多晶體形變?cè)俳Y(jié)晶后形成的110<001>型織構(gòu)。6、形變誘導(dǎo)相變：形變后存在于母相中的形變儲(chǔ)能促使相變明顯加速進(jìn)行，使冷卻相

17、變的實(shí)際發(fā)生溫度比平衡相變溫度升高、使新相生成量比平衡量增大、使新相生成時(shí)間縮短的現(xiàn)象。7、二次再結(jié)晶：再結(jié)晶完成后繼續(xù)保溫過(guò)程中發(fā)生的反常晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象。8、Orowan機(jī)制：位錯(cuò)滑移遇到第二相顆粒阻礙時(shí)，位錯(cuò)線(xiàn)通過(guò)弓出而繞過(guò)第二相顆粒并在第二相顆粒周?chē)粝乱晃诲e(cuò)環(huán)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制。二、立方晶系晶面間距的計(jì)算公式為：晶向夾角的計(jì)算公式為：奧氏體（111）晶面間距為：鐵素體（011）晶面間距為：二者之間相差很小，配合良好，且均為最密排晶面，而其他晶面間的配合均存在明顯的晶面間距差別，因而相變時(shí)優(yōu)先采用該配合關(guān)系。立方晶系與方向（它們均為在（111）晶面上的密排方向）的夾角為：立方晶系與方向（它們均

18、為在（011）晶面上的密排方向）的夾角為：二者之間存在一定的角度差，相變過(guò)程中需要相應(yīng)的密排方向進(jìn)行一定的變形來(lái)相互適應(yīng)，因而晶向間的位向關(guān)系并非完全平行，大致相差5.26º。若配合晶面也發(fā)生一定的變形來(lái)相互適應(yīng)，則可使該角度差減小。實(shí)際觀測(cè)的晶面配合平行關(guān)系相差約1º，晶向配合平行關(guān)系相差約2.5º，均不是嚴(yán)格的平行關(guān)系。三、寫(xiě)出如下關(guān)系式并標(biāo)注相關(guān)參量：1、晶粒細(xì)化強(qiáng)化的Hall-Petch關(guān)系式。式中：為晶體強(qiáng)度，i為不包括晶粒細(xì)化強(qiáng)化作用的基礎(chǔ)強(qiáng)度，D為晶粒尺寸，k為比例系數(shù)。2、純金屬的再結(jié)晶開(kāi)始溫度與熔點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。式中：Tr為再結(jié)晶開(kāi)始溫度，Tm為熔

19、點(diǎn)，單位為K。3、單位長(zhǎng)度螺位錯(cuò)線(xiàn)的彈性應(yīng)變能。式中：Ee為單位長(zhǎng)度螺位錯(cuò)線(xiàn)的彈性應(yīng)變能，G為切變彈性模量， b為位錯(cuò)柏格斯矢量的絕對(duì)值，R為位錯(cuò)外截止半徑，r為位錯(cuò)內(nèi)截止半徑。4、相變動(dòng)力學(xué)Avrami方程。式中：X為相變體積分?jǐn)?shù)，t為相變時(shí)間，n為時(shí)間指數(shù)，K為比例系數(shù)。四、1200時(shí)：TiN=7.743×10-6 NbN=0. VN=0.TiC=0. NbC=0. VC=1.8646850時(shí)：TiN=1.571×10-7 NbN= 1.702×10-5 VN= 7.636×10-5TiC=3.286×10-4 NbC=0. VC=0.12

20、00時(shí)，氮含量為0.0045，主要考慮難溶的氮化物的固溶情況，則最大固溶鈦量為7.743×10-6/0.0045=0.00172，最大固溶鈮量為0./0.0045=0.2378，最大固溶釩量為0./0.0045=1.176。因此，微鈦處理鋼中氮化鈦基本未固溶而仍保持為細(xì)小的顆粒，可有效控制均熱態(tài)奧氏體晶粒長(zhǎng)大；鈮、釩微合金鋼則由于氮化鈮、氮化釩均已完全固溶，不可能阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大。850時(shí)，碳含量為0.10，主要考慮易溶的碳化物的固溶情況，則最大固溶鈦量為3.286×10-4/0.1=0.，最大固溶鈮量為0./0.1=0.，最大固溶釩量為0./0.1=0.18219，即鈦

21、和鈮均已可大量沉淀析出為碳化鈦或碳化鈮，而釩則仍然基本保持為固溶狀態(tài)，考慮到鈦已在高溫下就主要以氮化鈦形式析出，因而在該溫度下碳化鈮（碳氮化鈮）的形變誘導(dǎo)析出將對(duì)形變奧氏體的再結(jié)晶過(guò)程產(chǎn)生明顯的作用，因此，鈮微合金鋼適宜采用未再結(jié)晶控制軋制工藝，而釩微合金鋼則適宜采用再結(jié)晶控制軋制工藝。五、點(diǎn)缺陷如空位、溶質(zhì)原子與滑移位錯(cuò)相遇時(shí)將釘扎在位錯(cuò)線(xiàn)上，位錯(cuò)滑移的進(jìn)一步進(jìn)行必須或者掙脫釘扎或者攜帶點(diǎn)缺陷一起移動(dòng)，這都將使位錯(cuò)滑移困難從而導(dǎo)致材料強(qiáng)度提高。通常情況下強(qiáng)度增量正比于點(diǎn)缺陷的量：，式中M為M元素固溶原子的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，kM為強(qiáng)化系數(shù)。線(xiàn)缺陷主要是林位錯(cuò)，滑移位錯(cuò)與林位錯(cuò)交截時(shí)將產(chǎn)生不可滑移的割

22、階，使得進(jìn)一步的滑移受阻從而提高材料強(qiáng)度。強(qiáng)度增量正比于位錯(cuò)密度的二分之一次方：，式中為位錯(cuò)密度，G為基體的切變彈性模量，b為位錯(cuò)的柏格斯矢量，為比例系數(shù)。面缺陷主要為晶界，由于晶粒間存在位向差，位錯(cuò)滑移時(shí)不能直接通過(guò)晶界，必須使相鄰晶粒內(nèi)相應(yīng)滑移面上的位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)才能使位錯(cuò)滑移過(guò)程持續(xù)，由此使材料強(qiáng)度提高。強(qiáng)度增量可用Hall-Petch關(guān)系式表述：，式中D為晶粒尺寸，k為比例系數(shù)。體缺陷為各種第二相，滑移位錯(cuò)遇到第二相后，或者切過(guò)第二相顆粒（切過(guò)機(jī)制）或者圍繞第二相彎曲繞過(guò)留下一位錯(cuò)圈（Orowan機(jī)制），這將使位錯(cuò)滑移阻力增大從而使材料強(qiáng)度提高。在Orowan機(jī)制下，強(qiáng)度增量可表述為：，式

23、中f為第二相的體積分?jǐn)?shù)，d為第二相顆粒的平均尺寸。六、晶粒細(xì)化強(qiáng)化的Hall-Petch關(guān)系式。式中：為晶體強(qiáng)度，i為不包括晶粒細(xì)化強(qiáng)化作用的基礎(chǔ)強(qiáng)度，D為晶粒尺寸，k為比例系數(shù)，低碳鋼屈服強(qiáng)度的比例系數(shù)約為17.4MPamm1/2。鋼材晶粒尺寸為20m時(shí)，D-1/2為7.071 mm-1/2；鋼材晶粒尺寸為5m時(shí)，D-1/2為14.142 mm-1/2；故晶粒尺寸由20m細(xì)化到5m時(shí)，鋼的屈服強(qiáng)度大致可提高17.4MPamm1/2×7.071 mm-1/2=123MPa。鋼中細(xì)化晶粒的主要原理是通過(guò)相變或再結(jié)晶使晶粒重新形核而細(xì)化，同時(shí)應(yīng)減小高溫保持時(shí)間或采用第二相釘扎晶界來(lái)抑制晶

24、粒長(zhǎng)大，相應(yīng)的工藝技術(shù)有：再結(jié)晶控制軋制、未再結(jié)晶控制軋制（形變誘導(dǎo)鐵素體相變）、高溫穩(wěn)定的第二相阻止晶粒長(zhǎng)大、循環(huán)相變、大形變量低溫變形再結(jié)晶（如等通道擠壓等）、快加熱工藝（如感應(yīng)加熱熱處理等）。2010年研究生入學(xué)考試金屬學(xué)十一、 名詞解釋?zhuān)海ū绢}16分，每個(gè)名詞2分）1、亞穩(wěn)相 2、逆轉(zhuǎn)變奧氏體3、電子化合物 4、共析相變5、立方織構(gòu) 6、形變誘導(dǎo)相變7、應(yīng)變硬化指數(shù) 8、Orowan機(jī)制十二、 請(qǐng)分別計(jì)算FCC晶體和BCC晶體點(diǎn)陣的四面體間隙和八面體間隙位置的尺寸（間隙可容納的最大剛球尺寸與晶體點(diǎn)陣剛球尺寸的相對(duì)比值），并由此解釋間隙固溶原子C在-鐵中的固溶度明顯大于在-鐵中的固溶度。

25、（本題14分，間隙尺寸每個(gè)2分共8分；-鐵和-鐵的晶體結(jié)構(gòu)各1分共2分；解釋固溶度差別4分）十三、 回答問(wèn)題：（本題16分，每小題4分）1、 寫(xiě)出14種布拉菲點(diǎn)陣的名稱(chēng)。2、 寫(xiě)出晶粒細(xì)化強(qiáng)化的Hall-Petch關(guān)系式并標(biāo)注相關(guān)參量。3、 寫(xiě)出塑性流變階段的Hollomon關(guān)系式并標(biāo)注相關(guān)參量。4、 寫(xiě)出相變動(dòng)力學(xué)Avrami方程并標(biāo)注相關(guān)參量。十四、 VC和VN在奧氏體中的平衡固溶度積公式分別為：lgV ·C=6.72-9500/T，lgV ·N=3.63-8700/T，式中：V、C、N分別為處于固溶態(tài)的釩元素、碳、氮元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，T為絕對(duì)溫度。低合金高強(qiáng)度鋼的碳含

26、量通常為0.10%，釩微合金鋼采用轉(zhuǎn)爐煉鋼時(shí)的氮含量為0.0040%，而V-N微合金鋼的氮含量可達(dá)到0.020%左右，其釩含量通常均在0.10%左右。請(qǐng)根據(jù)VN的固溶度積公式簡(jiǎn)單計(jì)算850時(shí)平衡固溶的V、N量及平衡析出的VN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，根據(jù)VC的固溶度積公式簡(jiǎn)單計(jì)算850時(shí)平衡固溶的V、C量及平衡析出的VC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由此分析解釋釩微合金鋼不可能通過(guò)應(yīng)變誘導(dǎo)析出而V-N微合金鋼有可能通過(guò)應(yīng)變誘導(dǎo)析出阻止形變奧氏體再結(jié)晶的原因。（本題16分，固溶度計(jì)算公式2分，每個(gè)1分共6分，析出相質(zhì)量分?jǐn)?shù)3個(gè)共3分，實(shí)際問(wèn)題的分析解釋5分）十五、 畫(huà)出Fe-Fe3C二元相圖，標(biāo)注出各特征點(diǎn)的溫度和成分，標(biāo)注出

27、各相區(qū)內(nèi)的相，寫(xiě)出三個(gè)三相平衡反應(yīng)的反應(yīng)式，分析ZG35鋼從液態(tài)緩慢冷卻過(guò)程中的組織變化。（本題24分，11個(gè)特征點(diǎn)(不包括Q、K點(diǎn))、12個(gè)單相和雙相區(qū)、坐標(biāo)軸各0.5分共12分，三個(gè)三相平衡反應(yīng)的反應(yīng)式各2分共6分，ZG35鋼組織變化分析6分）六、原子擴(kuò)散距離S可由下式大致估算：S=（Dt）1/2，式中D為元素?cái)U(kuò)散系數(shù)，t為擴(kuò)散時(shí)間。置換固溶元素W在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)為0.51exp(-/RT)，在鐵素體中的擴(kuò)散系數(shù)為2.0exp(-/RT)，間隙固溶元素C在鐵素體中的擴(kuò)散系數(shù)為0.0062exp(-80000/RT)，其中R為摩爾氣體常數(shù)8.31441J/(mol·K)，T為絕

28、對(duì)溫度，而擴(kuò)散系數(shù)的單位為cm2/s。1450均勻化退火時(shí)需要置換固溶原子擴(kuò)散距離大于枝晶尺寸0.1mm，請(qǐng)估算所需要的擴(kuò)散時(shí)間；而合金碳化物在鐵素體中析出時(shí)需要擴(kuò)散距離約0.1m，請(qǐng)估算600保溫沉淀時(shí)所需的擴(kuò)散時(shí)間；滲碳體在鐵素體中析出時(shí)需要擴(kuò)散距離1m，請(qǐng)估算200保溫沉淀時(shí)所需的擴(kuò)散時(shí)間。（本題14分，計(jì)算式2分，三個(gè)時(shí)間計(jì)算各2分共6分，分析解釋6分）2010年研究生入學(xué)考試金屬學(xué)參考答案一、名詞解釋?zhuān)?1、亞穩(wěn)相：確定溫度及壓力條件下自由能并非相對(duì)最低但在一定條件下可穩(wěn)定存在的相，具有在合適的動(dòng)力學(xué)條件下轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂赡芨偷姆€(wěn)定相的趨勢(shì)。2、逆轉(zhuǎn)變奧氏體：A1溫度以下，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R

29、氏體或鐵素體是自由能降低的正轉(zhuǎn)變，而在適當(dāng)?shù)臈l件下由馬氏體或鐵素體轉(zhuǎn)變得到的奧氏體稱(chēng)為逆轉(zhuǎn)變奧氏體。3、電子化合物：晶體結(jié)構(gòu)主要由電子濃度因素決定的由金屬與金屬或金屬與類(lèi)金屬之間形成的化合物。4、共析相變：一種在恒溫下發(fā)生的可逆相變，冷卻時(shí)由一種固相同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚧旌系膬煞N以上新的固相，加熱時(shí)則由兩種以上固相同時(shí)生成一種固相。5、立方織構(gòu)：立方點(diǎn)陣金屬多晶體形變及再結(jié)晶后形成的100<001>型織構(gòu)。6、形變誘導(dǎo)相變：形變后存在于母相中的形變儲(chǔ)能促使相變明顯加速進(jìn)行，使冷卻相變的實(shí)際發(fā)生溫度比平衡相變溫度升高、使新相生成量比平衡量增大、使新相生成時(shí)間縮短的現(xiàn)象。7、應(yīng)變硬化指數(shù)：多

30、晶體材料應(yīng)變硬化階段真應(yīng)力與真應(yīng)變符合Hollomon關(guān)系式=Kn，其中n稱(chēng)為應(yīng)變硬化指數(shù)，主要表征材料發(fā)生均勻塑性變形的能力。8、Orowan機(jī)制：位錯(cuò)滑移遇到第二相顆粒阻礙時(shí)，位錯(cuò)線(xiàn)通過(guò)弓出而繞過(guò)第二相顆粒并在第二相顆粒周?chē)粝乱晃诲e(cuò)環(huán)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制。三、回答問(wèn)題：1、簡(jiǎn)單三斜、簡(jiǎn)單單斜、底心單斜、簡(jiǎn)單正交、底心正交、體心正交、面心正交、簡(jiǎn)單六方、簡(jiǎn)單菱方、簡(jiǎn)單正方、體心正方、簡(jiǎn)單立方、體心立方、面心立方2、式中：為晶體強(qiáng)度，i為不包括晶粒細(xì)化強(qiáng)化作用的基礎(chǔ)強(qiáng)度，D為晶粒尺寸，k為比例系數(shù)。3、 式中：為真應(yīng)力，為真應(yīng)變，K為應(yīng)變硬化系數(shù)，n為應(yīng)變硬化指數(shù)。4、式中：X為相變體積分?jǐn)?shù)，t為

31、相變時(shí)間，n為時(shí)間指數(shù)，K為比例系數(shù)。四、850時(shí)：VN= 7.636×10-5 VC=0.釩微合金鋼中wV×wC=0.1×0.1=0.01，小于0.，表明釩、碳元素均完全處于固溶態(tài)，即V=0.1，C=0.1，析出VC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wVC=0。釩微合金鋼中wV×wN=0.1×0.004=0.0004，大于0.，釩氮微合金鋼更大。故需要聯(lián)立求解下兩式可計(jì)算出釩微合金鋼中850固溶的V、N：可解得：V=0.08859，N=0.而析出的VN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wVC=0.1-0.08859+0.004-0.=0.01455。聯(lián)立求解下兩式可計(jì)算出釩氮微合金鋼中85

32、0固溶的V、N：可解得：V=0.03516，N=0.而析出的VN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wVC=0.1-0.03516+0.02-0.=0.08267。釩微合金鋼中大部分釩仍然保持為固溶狀態(tài)，再加上動(dòng)力學(xué)方面的問(wèn)題限制了碳氮化釩的析出，因此，釩微合金鋼不可能通過(guò)應(yīng)變誘導(dǎo)析出來(lái)阻止形變奧氏體再結(jié)晶。而在釩氮微合金鋼中，大約三分之二的釩可有效析出，因而在一定程度上可通過(guò)應(yīng)變誘導(dǎo)析出來(lái)阻止形變奧氏體再結(jié)晶。五、727溫度，0.77%2.11%4.30%0.0218%1148143265C, %14950.09%0.52%0.17%9121394153812276.69L三個(gè)三相平衡反應(yīng)式：1、1495： -鐵素體

33、(0.09%C)+L液相(0.52%C)A奧氏體(0.17%C)2、1148： L液相(4.3%C)A奧氏體(2.11%C)+Fe3C3、727： A奧氏體(0.77%C)鐵素體(0.0218%C)+Fe3CZG35為碳含量0.35%的碳鋼，1520以上為液態(tài)鐵水，冷卻到1520以下時(shí)開(kāi)始析出部分-鐵素體，冷卻至1495時(shí)，-鐵素體與液態(tài)鐵水發(fā)生包晶反應(yīng)生成奧氏體，一直到820左右均保持單相奧氏體組織，820以下開(kāi)始析出先共析鐵素體，冷卻至727時(shí)剩余的奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)生成珠光體（鐵素體與滲碳體的混合物），一直到室溫均保持鐵素體加滲碳體的組織。6、擴(kuò)散系數(shù)：W在奧氏體中1450： D=0.5

34、1exp(-/8.31441/1723)=2.895×10-9cm2/sW在鐵素體中600： D=2.0exp(-/8.31441/873)=3.821×10-15cm2/sC在鐵素體中200： D=0.0062exp(-80000/8.31441/473)=9.076×10-12cm2/s由S= (Dt)1/2可推得：t=S2/D含w的合金鋼均勻化退火時(shí)：t=0.12mm2/(2.895×10-9cm2/s)=3.454×104s含w的合金碳化物析出時(shí)：t=0.00012mm2/3.821×10-15cm2/s=2.617×

35、;104s滲碳體析出時(shí)：t=0.0012mm2/9.076×10-12cm2/s=1.102×103s由估算結(jié)果可知，即使在高達(dá)1450的溫度下要使偏析的W元素完全均勻化也需要10小時(shí)左右的時(shí)間，若均勻化退火溫度偏低則需要更長(zhǎng)的保溫時(shí)間。同樣，含w的合金碳化物在鐵素體中沉淀析出時(shí)也需要很長(zhǎng)的保溫時(shí)間及較高的高溫回火溫度（時(shí)效溫度）。滲碳體析出時(shí)由于僅涉及碳元素的擴(kuò)散，擴(kuò)散速率很大，即使在200的低溫，也能在20分鐘以?xún)?nèi)完成。2011年研究生入學(xué)考試金屬學(xué)十六、 名詞解釋?zhuān)海ū绢}16分，每個(gè)名詞2分）1、形變孿晶 2、面心立方點(diǎn)陣3、逆轉(zhuǎn)變奧氏體 4、共晶相變5、上坡擴(kuò)散 6

36、、烘烤硬化7、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 8、輕金屬十七、十八、 寫(xiě)出如下關(guān)系式并標(biāo)注相關(guān)參量：（本題16分，每小題4分）1、 晶粒細(xì)化強(qiáng)化的Hall-Petch關(guān)系式。2、 純金屬的再結(jié)晶開(kāi)始溫度與熔點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。3、 多晶體材料加工硬化的流變應(yīng)力與應(yīng)變量的Hollomon關(guān)系式。4、 相變動(dòng)力學(xué)Avrami方程。十九、 通常采用的TiC與NbC在鐵素體中的平衡固溶度積公式分別為：lgTi ·C=4.40-9575/T，lgNb ·C=3.90-9930/T，式中：Ti、Nb、C分別為處于固溶態(tài)的Ti、Nb、C元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，T為絕對(duì)溫度。Ti、Nb、C元素的原子量分別為47.867

37、、92.9064、12.011。典型的IF鋼的碳含量為0.005，為了固定間隙固溶原子，往往加入超理想化學(xué)配比的Ti或Nb，通常的鈦加入量約為0.03，鈮加入量約為0.04。請(qǐng)計(jì)算為固定碳得到無(wú)間隙原子鋼所需要的最低鈦加入量或最低鈮加入量。而近年來(lái)發(fā)展的BH鋼為了獲得烘烤硬化強(qiáng)度增量，需要在冷軋退火時(shí)使35ppm的碳回溶。請(qǐng)分別計(jì)算退火溫度800（1073K）時(shí)含鈦鋼與含鈮鋼的平衡固溶C和Ti或C和Nb。由于冷軋后退火時(shí)間不能太長(zhǎng)，實(shí)際回溶碳量大致在平衡固溶碳量的一半至三分之二之間波動(dòng)；此外，鋼中不可避免要存在部分氮原子，而鈦與氮的化學(xué)親和力遠(yuǎn)大于鈮與氮的化學(xué)親和力；由計(jì)算結(jié)果解釋鈮鈦復(fù)合鋼比

38、單獨(dú)含鈦的鋼可獲得較穩(wěn)定的烘烤硬化增量的主要原因。（本題24分，固定間隙固溶原子計(jì)算4分，固溶度計(jì)算公式4分，固溶度計(jì)算結(jié)果8分，實(shí)際問(wèn)題的分析解釋8分）二十、 金屬材料中位錯(cuò)的滑移是導(dǎo)致其發(fā)生塑性變形的最重要機(jī)制，而阻止位錯(cuò)滑移則可提高材料的屈服強(qiáng)度。請(qǐng)根據(jù)位錯(cuò)與各種顯微缺陷的相互作用分別分析固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化（加工硬化）、晶粒細(xì)化強(qiáng)化、第二相沉淀強(qiáng)化（Orowan機(jī)制）的機(jī)理并給出相應(yīng)的強(qiáng)化增量計(jì)算式。（本題20分，每類(lèi)顯微缺陷相互作用分析2.5分、強(qiáng)化增量關(guān)系式2.5分）六、請(qǐng)分析亞穩(wěn)組織形成的原因及獲得亞穩(wěn)組織對(duì)提高材料性能的機(jī)理（本題12分，形成原因6分，提高性能機(jī)理6分）2011年

39、研究生入學(xué)考試金屬學(xué)參考答案一、名詞解釋?zhuān)?1、形變孿晶：塑性形變過(guò)程中當(dāng)位錯(cuò)滑移受阻礙時(shí)在應(yīng)力集中處萌發(fā)的孿晶，其均勻切變是由不全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)形成，可以用位錯(cuò)的極軸機(jī)制進(jìn)行解釋?zhuān)珺CC及HCP金屬中容易出現(xiàn)。2、面心立方點(diǎn)陣：14種布拉菲空間點(diǎn)陣的一種，由立方體的8個(gè)頂點(diǎn)和6個(gè)表面中心點(diǎn)位置構(gòu)成點(diǎn)陣晶胞。4、共晶相變：一種在恒溫下發(fā)生的可逆相變：冷卻時(shí)由一液相同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)（或兩個(gè)以上）固相的復(fù)相混合物，加熱時(shí)則由兩個(gè)（或兩個(gè)以上）固相的混合物同時(shí)生成一個(gè)具有確定成分的液體相。5、上坡擴(kuò)散：?jiǎn)蜗嗑鶆虻墓倘荏w發(fā)生調(diào)幅分解反應(yīng)時(shí)，溶質(zhì)由濃度低的地方向濃度高的地方擴(kuò)散，產(chǎn)生成分的偏聚而不是成分的均勻

40、化，最終形成兩種濃度不同的固溶體，這種擴(kuò)散現(xiàn)象稱(chēng)為上坡擴(kuò)散。6、烘烤硬化：在100200的溫度范圍內(nèi)發(fā)生的微量間隙固溶原子重新釘扎位錯(cuò)從而使材料屈服強(qiáng)度升高的現(xiàn)象，汽車(chē)面板用BH鋼中廣泛采用。7、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：經(jīng)加工變形的高能量金屬晶體在變形過(guò)程中就重新組成具有相同晶體結(jié)構(gòu)的無(wú)應(yīng)變晶粒的過(guò)程。8、輕金屬：密度小于5Mg/m3的金屬，常用的有Al、Mg、Ti等及其合金。三、寫(xiě)出如下關(guān)系式并標(biāo)注相關(guān)參量：1、晶粒細(xì)化強(qiáng)化的Hall-Petch關(guān)系式。 式中：為晶體強(qiáng)度，i為不包括晶粒細(xì)化強(qiáng)化作用的基礎(chǔ)強(qiáng)度，D為晶粒尺寸，k為比例系數(shù)。2、純金屬的再結(jié)晶開(kāi)始溫度與熔點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。TR0.4Tm 式中：TR為再結(jié)晶