《金屬學(xué)與熱處理》(第二版)課后習(xí)題答案

第一章習(xí)題

1作圖表示出立方晶系（123）、（0?1?2）、（421）等晶面和[-102]

[-211]>[346]等晶向

8.試證明面心立方晶格的八面體間隙半徑為r=0.414R

解：面心立方八面體間隙半徑r=a/2-V2a/4=0.146a

面心立方原子半徑R如〃貝Pa=4R/V2代入上式有

R=0.146X4R/V2=0.414R

10已知鐵和銅在室溫下的晶格常數(shù)分別為0.286nm和0.3607nm,求

lcm3中鐵和銅的原子數(shù)。

解：室溫下Fe為體心立方晶體結(jié)構(gòu)，一個(gè)晶胞中含2個(gè)Fe原子，

Cu為面心立方晶體結(jié)構(gòu)，一個(gè)晶胞中含有4個(gè)Cu原子

lcm3=102inm3

令lcm3中含F(xiàn)e的原子數(shù)為NF?,含Cu的原子數(shù)為Neu,室溫下一

個(gè)Fe的晶胞題解為VFe,一個(gè)Cu晶胞的體積為V皿貝S

NFe=1021/VFe=1021/(0.286)3=3.5xl018

Ncu=102i/V3=1021/(0.3607)3=2.8X1018

11一個(gè)位錯(cuò)環(huán)能不能各個(gè)部分都是螺型位錯(cuò)或者刃型位錯(cuò)，試說(shuō)明之。

解：不能，因?yàn)槲诲e(cuò)環(huán)上各點(diǎn)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向是不一樣的，而柏氏矢

量的方向是確定的。

15?有一正方形位錯(cuò)線，其柏式矢量如圖所示，試指出圖中各段線的性能,

并指出任性位錯(cuò)額外串排原子面所在的位置。

AD、BC段為刃型位錯(cuò);

DC、AB段為螺型位錯(cuò)

AD段額外半原子面垂直直面向里

BC段額外半原子面垂直直面向外

第二章習(xí)題

1?證明均勻形核時(shí)，形成臨界晶粒的△Gk與其體積V之間的關(guān)系

(1)

為^Gk=V/2AGv

證明：由均勻形核體系自由能的變化

可知，形成半徑為n的球狀臨界晶粒，自由度變化為

W—斗咖。+忸9

(2)

對(duì)(2)進(jìn)行微分處理，有

4*

d(AG)」I|L*〃啖J<f(4nr/^y)

K此

0="KrkSGx3+4心口x2'即<7二

32⑶

將(3)帶入(1),有

AGt=-VAGv+AAS

(4)

V=八=八s

由于，即3V=rkS(5)

將(5)帶入(4)中，則有

3VV

AGk=-VAGv+—AG,=-AG.

匚

2?如果臨界晶核是邊長(zhǎng)為a的正方形，試求其△Gk和a的關(guān)系

為什么形成立方晶核的△Gk比球形晶核要大?

3為什么金屬結(jié)晶時(shí)一定要有過冷度，影響過冷度的因素是什么，固

態(tài)金屬融化時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)過熱，為什么？

答：由熱力學(xué)可知，在某種條件下，結(jié)晶能否發(fā)生，取決于固相的自由度是

否低于液相的自由度，即？G二GS?GLvO;只有當(dāng)溫度低于理論結(jié)晶溫

度Tm時(shí)，固態(tài)金屬的自由能才低于液態(tài)金屬的自由能，液態(tài)金屬才能自

發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬，因此金屬結(jié)晶時(shí)一定要有過冷度。影響過冷度的因

素：影響過冷度的因素：1）金屬的本性，

金屬不同，過冷度大小不同；2）金屬的純度，金屬的純度越高，過

冷度越大；3）冷卻速度，冷卻速度越大，過冷度越大。固態(tài)金屬熔

化時(shí)會(huì)出現(xiàn)過熱度。原因：由熱力學(xué)可知，在某種條件下，熔化能否發(fā)生，

取決于液相自固態(tài)金屬熔化時(shí)會(huì)出現(xiàn)過熱度。原因：由度是否低于固相的

自由度，即？G二GL-GSvO;只有當(dāng)溫度高于理論結(jié)晶溫度Tm時(shí)，液態(tài)

金屬的自由能才低于固態(tài)金屬的自由能，固態(tài)金屬才能自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)金

屬，因此金屬熔化時(shí)一定要有過熱度。

4試比較均勻形核和非均勻形核的異同點(diǎn)。

相同點(diǎn)：均勻形核與非均勻形核具有相同的臨界晶核半徑，非均

勻形核的臨界形核功也等十三分之一.

不同點(diǎn)：非均勻形核要克服的位壘比均勻形核的小得多，在相變的形

核過程通常都是非均勻形核優(yōu)先進(jìn)行。核心總是傾向于以使其總的表面能

和應(yīng)變能最小的方式形成，因而析出物的形狀是總應(yīng)變能和總表面能綜合影

響的結(jié)果。

5說(shuō)明晶體成長(zhǎng)形狀與溫度梯度的關(guān)系

（1）、在正的溫度梯度下生長(zhǎng)的界面形態(tài)：

光滑界面結(jié)晶的晶體，若無(wú)其它因素干擾，大多可以成長(zhǎng)為以密排晶

面為表面的晶體，具有規(guī)則的幾何外形。粗糙界面結(jié)構(gòu)的晶體，在正的溫度

梯度下成長(zhǎng)時(shí)，其界面為平行于熔點(diǎn)等溫面的平直界面，與散熱方向垂直，

從而使之具有平面狀的長(zhǎng)大形態(tài)，可將這種長(zhǎng)大方式叫做平面長(zhǎng)大方式。

（2）、在負(fù)的溫度梯度下生長(zhǎng)的界面形態(tài)粗糙界面的晶體在負(fù)的

溫度梯度下生長(zhǎng)成樹枝晶體。主干叫一次晶軸或一次晶枝。其它的叫二次

晶或三次晶。對(duì)于光滑界面的物質(zhì)在負(fù)的溫度梯度下長(zhǎng)大時(shí)，如果杰克遜

因子a不太大時(shí)可能生長(zhǎng)為樹枝晶，如果杰克遜因子a很大時(shí)，即使在負(fù)的

溫度梯度下，仍有可能形成規(guī)則形狀的晶體。

6簡(jiǎn)述三晶區(qū)形成的原因及每個(gè)晶區(qū)的性能特點(diǎn)

形成原因：1）表層細(xì)晶區(qū)：低溫模壁強(qiáng)烈地吸熱和散熱，使靠近模壁

的薄層液體產(chǎn)生極大地過冷，加上型壁可以作為非均勻形核

的基底，在此一薄層液體中立即產(chǎn)生大量的晶核，并同時(shí)向各個(gè)方向生

長(zhǎng)。晶核數(shù)目多，晶核很快彼此相遇，不能繼續(xù)生長(zhǎng)，在靠近模壁處形成薄

層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。

2）柱狀晶區(qū)：模壁溫度升高導(dǎo)致溫度梯度變得平緩；過冷度小，不

能生成新晶核，但利于細(xì)晶區(qū)靠近液相的某些小晶粒長(zhǎng)大；遠(yuǎn)離界面的液

態(tài)金屬過熱，不能形核；垂直于模壁方向散熱最快，晶體攔優(yōu)生長(zhǎng)。

3）中心等軸晶區(qū)：柱狀晶長(zhǎng)到一定程度后，鑄錠中部開始形核長(zhǎng)大一

中部液體溫度大致是均勻的，每個(gè)晶粒的成長(zhǎng)在各方向上接近一致，形成等

軸晶。

性能特點(diǎn)：1）表層細(xì)晶區(qū)：組織致密，力學(xué)性能好；

2）柱狀晶區(qū)：組織較致密，存在弱面，力學(xué)性能有方向性；

3）中心等軸晶區(qū)：各晶粒枝杈搭接牢固，無(wú)弱面，力學(xué)性能無(wú)方向

性。

7為了得到發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)應(yīng)米用什么措施，為了得到發(fā)達(dá)的等軸晶區(qū)應(yīng)

采取什么措施？其基本原理如何？

答：為了得到發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)應(yīng)米取的措施:E控制鑄型的冷

卻能力，采用導(dǎo)熱性好與熱容量大的鑄型為了得到發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)

應(yīng)采取的措施：材料，增大鑄型的厚度，降低鑄型的溫度，2）提高澆注溫

度或澆注速度。3）提高熔化溫度。基本原理：基本原理：1）鑄型冷卻能

力越大，越有利于柱狀晶的生長(zhǎng)。2）提高澆注溫度或澆

注速度，使溫度梯度增大，有利于柱狀晶的生長(zhǎng)。3）熔化溫度越高，液態(tài)

金屬的過熱度越大，非金屬夾雜物溶解得越多，非均勻形核數(shù)

目越少，減少了柱狀晶前沿液體中的形核的可能，有利于柱狀晶的生長(zhǎng)。

為了得到發(fā)達(dá)的等軸晶區(qū)應(yīng)米取的措施：為了得到發(fā)達(dá)的等軸

晶區(qū)應(yīng)采取的措施：1）控制鑄型的冷卻能力，采用導(dǎo)熱性差與熱容量小的

鑄型材等軸晶區(qū)應(yīng)采取的措施料，增大鑄型的厚度，提高鑄型的溫度。

2）降低澆注溫度或澆注速度。3）降低熔化溫度。

基本原理：基本原理：1）鑄型冷卻能力越小，越有利于中心等軸晶

的生長(zhǎng)。2）降低澆注溫度或澆注速度，使溫度梯度減小，有利于等軸晶的

生長(zhǎng)。3）熔化溫度越低，液態(tài)金屬的過熱度越小，非金屬夾雜物溶解得越

少，非均勻形核數(shù)目越多，增加了柱狀晶前沿液體中的形核的可能，有利于

等軸晶的生長(zhǎng)。

第三章習(xí)題

1在正溫度梯度下，為什么純金屬凝固時(shí)不能呈樹枝狀生長(zhǎng)，而固溶體合金

卻能呈樹枝狀成長(zhǎng)？

純金屬凝固時(shí)，要獲得樹枝狀晶體，必需在負(fù)的溫度梯度下；在正的

溫度梯度下，只能以平面狀長(zhǎng)大。而固溶體實(shí)際凝固時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生成分過

冷，當(dāng)成分過冷區(qū)足夠大時(shí)，固溶體就會(huì)以樹枝狀長(zhǎng)大。

2何謂合金平衡相圖，相圖能給出任一條件下的合金顯微組織嗎？

合金平衡相圖是研究合金的工具，是研究合金中成分、溫度、組織和

性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。其中二元合金

相圖表示二元合金相圖表示在平衡狀態(tài)下，合金的組成

相或組織狀態(tài)與溫度、成分、壓力之間關(guān)系的簡(jiǎn)明圖解。平衡狀態(tài)：合金的

成分、質(zhì)量份數(shù)不再隨時(shí)間而變化的一種狀態(tài)。合金的極緩

慢冷卻可近似認(rèn)為是平衡狀態(tài)。

三元合金相圖是指獨(dú)立組分?jǐn)?shù)為3的體系，該體系最多可能有四個(gè)自

由度，即溫度、壓力和兩個(gè)濃度項(xiàng)，用三維空間的立體模型已不足以表示這

種相圖。若維持壓力不變，則自由度最多等于3,其相圖

可用立體模型表示。若壓力、溫度同時(shí)固定，則自由度最多為2,可

用平面圖來(lái)表示。通常在平面圖上用等邊三角形（有時(shí)也有用直角坐標(biāo)表

示的）來(lái)表示各組分的濃度C

不能，相圖只能給出合金在平衡條件下存在的合金顯微組織

4.何謂成分過冷？成分過冷對(duì)固溶體結(jié)晶時(shí)晶體長(zhǎng)大方式和鑄錠組織有何影

響？

在固溶體合金凝固時(shí)，在正的溫度梯度下，由于固液界面前沿液相中

的成分有所差別，導(dǎo)致固液界面前沿的熔體的溫度低于實(shí)際液相線溫度，從

而產(chǎn)生的過冷稱為成分過冷。

這種過冷完全是由于界面前沿液相中的成分差別所引起的。溫度

梯度增大，成分過冷減小。成分過冷必須具備兩個(gè)條件：第一

是固~液界面前沿溶質(zhì)的富集而引起成分再分配；第二是固?液界面前

方液相的實(shí)際溫度分布，或溫度分布梯度必須達(dá)到一定的值。

對(duì)合金而言?其凝固過程同時(shí)伴隨著溶質(zhì)再分配，液體的成分始終處于

變化當(dāng)中-液體中的溶質(zhì)成分的重新分配改變了相應(yīng)的固液平衡溫度?這種

關(guān)系有合金的平衡相圖所規(guī)定。利用"成分過冷"判斷合金微觀的生長(zhǎng)過

程。

第四章習(xí)題

1分析分析3C=0?2%,WC=0?6%,WC=L2%的鐵碳合金從液態(tài)平衡冷卻

到室溫的轉(zhuǎn)變過程。

3c=0.2%;L---L+8—8AY(1495度)一丫+L—Y—a+Y—

Y—a(727度)-a+Fe3C;(丫二人，@士;下同)

3c=0.6%:L—Y+L—Y——a+Y-Y—a(727度)—a+Fe3C;

3c=1.2%:L—丫+L—丫—Fe3C+丫—丫?—a(727度)—a

+Fe3C;

室溫下相組成物的相對(duì)含量：

3c=0.2%，滲碳體相對(duì)含量二(0.2-0.02)76.67%,余量鐵素體

3c=0.6%，滲碳體相對(duì)含量二(0.6-0.02)/6.67%,余量鐵素體

3c=1.2%滲碳體相對(duì)含量二(1.2-0.02)/6.67%余量鐵素體

室溫下組織組成物的相對(duì)含量：

3c=0.2%，珠光體相對(duì)含量二(0.2-0.02)/0.77%,余量鐵素體

3c=0.6%，珠光體相對(duì)含量二(0.6-0.02)/0.77%,余量鐵素體

3c=1.2%,滲碳體相對(duì)含量二(1.2-0.77)/6.67%,余量珠光體

2分析3c=3.5%、3c=4.7%的鐵碳合金從液態(tài)到室溫的平衡結(jié)晶過

程，畫出冷卻曲線和組織轉(zhuǎn)變示意圖，并計(jì)算室溫下的組織組成物和相

組成物

解：下圖表示303.5%%的鐵碳合金從液態(tài)到室溫的平衡結(jié)晶過程:

下圖表示3c=4.7%的鐵碳合金從液態(tài)到室溫的平衡結(jié)晶過程:

3計(jì)算鐵碳合金中二次滲碳體和三次滲碳體最大可能含量。

答：鐵碳合金中二次滲碳體即Fe3Cn的最大可能含量產(chǎn)生在

2.11%C的鐵碳合金中，因此

(FesCn)max二(2.11-0.77)/(6.69-0.77)xl00%=22.64%

三次滲碳體即"C的可能最大含量在0.0218%C的鐵碳合金中，因此

(FQCim)max(0.0218-0.006)/(6.69-0.006)xl00%=0.24%

4?分別計(jì)算萊氏體中共晶滲碳體、二次滲碳體、共析滲碳體的含量。

解：在萊氏體中，

Feme%=(4.3-2.11)/(6.69-2.11)*100%=47.8%

共品

FesCn%=[(6.69-4.3)/(6.69-2.11)]*[(2.11-0.77)/

(6.69-0.77)]*100%=11.8%

Fe3c%=[(6.69-4.3)/(6.69-2.11)-11.8%]*[(0.77-0.0218)/

共折

(6.69-0.0218)]*100%=4.53%

5?為了區(qū)分兩種弄混的鋼，工人分別將A、B兩塊碳素鋼試樣加熱至

850c保溫后緩冷，金相組織分別為：A試樣的先共析鐵素體面積

為41.6%,珠光體面積為58.4%;B試樣的二次滲碳體面積為7.3%,珠光

體面積為92.7%;設(shè)鐵素體和滲碳體的密度相同，鐵素體的含碳量為零，

求A、B兩種碳素鋼的含碳量。

解：這兩個(gè)試樣處理后都是得到的平衡態(tài)組織，首先判斷A試

樣為亞共析鋼，根據(jù)相圖杠桿原理列出方程如下：(0.77?X)/(0.77?

0.0218)=41.6%這樣得至UX=45.0%,大概是45鋼的成分范圍。

同理B試樣為過共析鋼(6.69?X)/(6.69?0.77)=92.7%;X=1.2%,大概

是T12鋼的范圍，當(dāng)然相應(yīng)地還可以利用杠桿的另外一端來(lái)求了。6利用

Fe-Feq相圖說(shuō)明鐵碳合金的成分、組織和性能的關(guān)系。

從相組成物的情況來(lái)看，鐵碳合金在室溫下的平衡組織均由鐵素體和滲

碳體組成，當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為零時(shí)，合金全部由鐵素體所組成，隨著碳質(zhì)量分

數(shù)的增加，鐵素體的量呈直線下降，到W,為6.69%時(shí)降

為零，相反滲碳體則由零增至100%

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化不僅引起鐵素體和滲碳體相對(duì)量的變化，而且兩相

相互組合的形態(tài)即合金的組織也將發(fā)生變化，這是由于成分的變化引起不同

性質(zhì)的結(jié)晶過程，從而使相發(fā)生變化的結(jié)果，由圖3?35可見，隨碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

的增加，鐵碳合金的組織變化順序?yàn)椋?/p>

FTF+FeCATF+PAPAP+Fe3GAP+FeCn+LeALeALe+Fe

aaCi

wvO.0218%時(shí)的合金組織全部為鐵素體，w=0.77%時(shí)全部為珠光體，

CC

w=4.3%時(shí)全部為萊氏體，w=6.69%時(shí)全部為滲碳體，在上述碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)之

CC

間則為組織組成物的混合物；而且，同一種組成相，由于生成條件不同，雖

然相的本質(zhì)未變，但其形態(tài)會(huì)有很大的差異。如滲碳體，當(dāng)w<0.0218%

C

時(shí)，三次滲碳體從鐵素體中析出，沿晶界呈小片狀分布；經(jīng)共析反應(yīng)生成的

共析滲碳體與鐵素體呈交替層片狀分布；從奧氏體中析出的二次滲體則以網(wǎng)

狀分布于奧氏體的晶界；共晶滲碳

體與奧氏體相關(guān)形成，在萊氏體中為連續(xù)的基體，比較粗大，有時(shí)呈

魚骨狀；從液相中直接析出的一次滲碳體呈規(guī)則的長(zhǎng)條狀?？梢姡煞值淖?/p>

化，不僅引起相的相對(duì)量的變化，而且引起組織的變化，從而

混購(gòu)fstrwItu摟口錚牧

4

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過接.甘口憤

1）切削加工性能

鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)切削加工性能有一定的影響。低碳鋼的平衡結(jié)晶組

織中鐵素體較多，塑性、韌性很好，切削加工時(shí)產(chǎn)生的切削熱較尢容易黏

刀，而且切屑不易折斷，影響表面粗糙度，因此，切削加工性能不好；高碳

鋼中滲碳體較多，硬度較高，嚴(yán)重磨損刀具，切削性能也不好；中碳鋼中鐵

素體與滲碳體的比例適當(dāng)，硬度與塑性也比較適中，切削加工性能較好。一

般說(shuō)來(lái)，鋼的硬度在170250HBW寸切削加工性能較好。

2）壓力加工性能

金屬壓力加工性能的好壞主要與金屬的鍛造性有關(guān)。金屬的鍛造性是指金屬

在壓力加工時(shí)能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。鋼的鍛造性主要與碳質(zhì)量分

數(shù)及組織有關(guān)，低碳鋼的鍛造性較好，隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鍛造性逐漸

變差。由于奧氏體具有良好的塑性，易于塑性變形，鋼加熱到高溫獲得單相

奧氏體組織時(shí)可具有良好的鍛造性。白口鑄鐵無(wú)論在低溫或高溫，其組織都

是以硬而脆的滲碳體為基體，鍛造性很差，不允許進(jìn)行壓力加工。

3）鑄造性能

隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼的結(jié)晶溫度間隔增大，先結(jié)晶形成的樹枝晶

阻礙未結(jié)晶液體的流動(dòng)，流動(dòng)性變差。鑄鐵的流動(dòng)性要好于鋼，隨碳質(zhì)量分

數(shù)的增加，亞共晶白口鐵的結(jié)晶溫度間隔縮小，流動(dòng)性隨之提圖；過共晶白

口鐵的流動(dòng)性則隨之降低；共晶白口鐵的結(jié)晶溫度最低，又是在恒溫下結(jié)

晶，流動(dòng)性最好。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋼的收縮性也有影響，一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)澆注溫

度一定時(shí)，隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼液溫度與液相線溫度差增加，液態(tài)收

縮增大；同時(shí).，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鋼的凝固溫度范圍變寬，凝固收縮增大，

出現(xiàn)縮孔等鑄造缺陷的傾向增大。此外，鋼在結(jié)晶時(shí)的成分偏析也隨碳質(zhì)量

分?jǐn)?shù)的增加而增大。7.Fe?FeQ相圖有哪些應(yīng)用，又有哪些局限性

答：鐵一滲碳體相圖的應(yīng)用：

1）在鋼鐵選材方法的應(yīng)用；

2）在鑄造工藝方法的應(yīng)用；

3）在熱鍛、熱軋、熱鍛工藝方法的應(yīng)用；

4）在熱處理工藝方法的應(yīng)用。

滲碳體相圖的局限性：

1）只反映平衡相.而非組織；

2）只反映鐵二元合金中相的平衡；

3）不能用來(lái)分析非平衡條件下的問題

第五章習(xí)題

1?試在A、B、C成分三角形中，標(biāo)出注下列合金的位置:

1)3，3c=10%,其余為A

c=10%

；A

2)3，3c=15%,其余為

c=20%

9

A

3)3,3c=15%,其余為

c=30%

A

4)3c=20%,3c=30%,其余為

5)3c=40%,A和B組元的質(zhì)量比為1:4;

6)3A=30%,A和B組元的質(zhì)量比為2:3;

解：6)設(shè)合金含B組元為WB,含C組元為WC,貝PWB/WC=2/3

WB+WC=l?30%可求WB=42%,WC=28%O

2?在成分三角形中標(biāo)注P(3A=70%>3B=20%、3C=10%);Q

(3A=30%、3B=50%、3C=20%)；N(3A=30%、3B=10%、

3C=60%)合金的位置，然后將5kgP合金、5kgQ合金和lOkgN合

金熔合在一起，試問新合金的成分如何？

解：設(shè)新合金的成分為3新A、3新B、3新c,則有

3新A=(5X3PA+5X3QA+10X3NA)/(5+5+10)=(5X70%+5X30%+10

X30%)/20=40.0%;

3新B=(5X3PA+5X3QA+1()X3NA)/(5+5+l0)=(5X20%+5X

50%+10X10%)/20=22.5%;

A=40.0%、B=22.5%、C=37.5%<

Jc=(5X3PA+5X3°A+10X3NA)/(5+5+10)=(5X10%+5X

20%+10X60%)/20=37.5%;

所以，新合金的成分為：3新3新3新

第六習(xí)題

1.

屈服載252184148174273525

荷山620

U角/8372.548.530.51765

62

(°)

入角/25.53466374.882.5

26

(°)

T1

k8.688X2.132X2.922X3.633X3.088X

105106106106106

cos入;0.1100.2700.3700.4600.391().13()

coi-0.262

u

計(jì)算方法Tk=cscos入cu=F/Acos入cos

4試用多晶體的塑性變形過程說(shuō)明金屬晶粒越細(xì)強(qiáng)度越高、塑性越

好的原因是什么？

答：由HalLPetch公式可知，屈服強(qiáng)度Cs與晶粒直徑平方根的倒數(shù)d

呈線性關(guān)系。在多晶體中，滑移能否從先塑性變形的晶粒

轉(zhuǎn)移到相鄰晶粒主要取決于在已滑移晶粒晶界附近的位錯(cuò)塞積群所

產(chǎn)生的應(yīng)力集中能否激發(fā)相鄰晶?；葡抵械奈诲e(cuò)源，使其開動(dòng)起來(lái)，從而

進(jìn)行協(xié)調(diào)性的多滑移。由T二nT知，塞積位錯(cuò)數(shù)目n越大，

應(yīng)力集中T越大。位錯(cuò)數(shù)目n與引起塞積的晶界到位錯(cuò)源的距離成正

比。晶粒越大，應(yīng)力集中越大，晶粒小，應(yīng)力集中小，在同樣外加應(yīng)力下，

小晶粒需要在較大的外加應(yīng)力下才能使相鄰晶粒發(fā)生塑性變形。在同樣變形

量下，晶粒細(xì)小，變形能分散在更多晶粒內(nèi)進(jìn)行，晶粒內(nèi)部和晶界附近應(yīng)變

度相差較小，引起的應(yīng)力集中減小，材料

在斷裂前能承受較大變形量，故具有較大的延伸率和斷面收縮率。另外，晶

粒細(xì)小，晶界就曲折，不利于裂紋傳播，在斷裂過程中可吸收更多能量，表

現(xiàn)出較高的韌性。

6滑移和攣生有何區(qū)別，試比較它們?cè)谒苄宰冃芜^程的作用。

答：區(qū)別：

1）滑移：一部分晶體沿滑移面相對(duì)于另一部分晶體作切變，切變時(shí)原

子移動(dòng)的距離是滑移方向原區(qū)別：區(qū)別子間距的整數(shù)倍；李生：一部分晶

體沿李生面相對(duì)于另一部分晶體作切變，切變時(shí)原子移動(dòng)的距離不是攣生

方向原子間距的整數(shù)倍；

2）滑移：滑移面兩邊晶體的位向不變；攣生：攣生面兩邊的晶體的位

向不同，成鏡面對(duì)稱；

3）滑移：滑移所造成的臺(tái)階經(jīng)拋光后，即使再浸蝕也不會(huì)重現(xiàn)；攣

生：由于攣生改變了晶體取向，因此李生經(jīng)拋光和浸蝕后仍能重現(xiàn)；

4）滑移：滑移是一種不均勻的切變，它只集中在某些晶面上大

量的進(jìn)行，而各滑移帶之間的晶體并未發(fā)生滑移；攣生：攣生是一種

均勻的切變，即在切變區(qū)內(nèi)與攣生面平行的每一層原子面均相對(duì)于其毗鄰晶

面沿李生方向位移了一定的距離。

作用：晶體塑性變形過程主要依靠滑移機(jī)制來(lái)完成的；李生對(duì)塑性變

形的貢獻(xiàn)比滑移小得多，但攣生改變了部分晶體的空間取向，使原來(lái)處于不

利取向的滑移系轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌挠欣∠?，激發(fā)晶體滑移。

7.試述金屬塑性變形后組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，闡明加工硬化在機(jī)械零

構(gòu)件生產(chǎn)和服役過程中的重要試述金屬塑性變形后組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)

系，意義。

答：關(guān)系:

隨著塑性變形程度的增加，位錯(cuò)密度不斷增大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增力口，金

屬的強(qiáng)度、硬度增加，而關(guān)系：關(guān)系塑性、韌性下降。

重要意義：1）提高金屬材料的強(qiáng)度；

2）是某些工件或半成品能夠加工成形的重要因素；

3）提高零件或構(gòu)件在使用過程中的安全性。

8金屬材料經(jīng)塑性變形后為什么會(huì)保留殘留內(nèi)應(yīng)力？研究這部分殘留內(nèi)應(yīng)力

有什么實(shí)際意義？金屬材料經(jīng)塑性變形后為什么會(huì)保留殘留內(nèi)應(yīng)力？研究這

部分殘留內(nèi)應(yīng)力有什么實(shí)際意義？

答：殘余內(nèi)應(yīng)力存在的原因

1）塑性變形使金屬工件或材料各部分的變形不均勻，導(dǎo)致宏觀變形不

均勻；

2）塑性變形使晶?；騺喚ЯＷ冃尾痪鶆?，導(dǎo)致微觀內(nèi)應(yīng)力；

3）塑性變形使金屬內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)或空位，使點(diǎn)陣中的一

部分原子偏離其平衡位置，導(dǎo)致點(diǎn)陣畸變內(nèi)應(yīng)力。

實(shí)際意義：可以控制材料或工件的變形、開裂、應(yīng)力腐蝕；可以利用殘

留應(yīng)力提高工件的使用壽命。

9何謂脆性斷裂和塑性斷裂，若在材料中存在裂紋時(shí)，試述裂紋對(duì)脆

性材料和塑性材料斷裂過程中的影響。

答：塑性斷裂又稱為延性斷裂，斷裂前發(fā)生大量的宏觀塑性變形，斷裂

時(shí)承受的工程應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度。在塑性和韌性好的金屬中，通常以

穿晶方式發(fā)生塑性斷裂，在斷口附近會(huì)觀察到大齡的塑性變形痕跡，如縮

頸。

金屬脆性斷裂過程中，極少或沒有宏觀塑性變形，但在局部區(qū)域任然存

在著一定的微觀塑性變形。斷裂時(shí)承受的工程應(yīng)力通常不超過材料的屈服強(qiáng)

度，甚至低于按宏觀強(qiáng)度理論確定的許用應(yīng)力，因此又稱為低應(yīng)力斷裂。

在塑性材料中，斷裂是胃口形成、擴(kuò)大和連接的過程，在打的應(yīng)力作

用下，基體金屬產(chǎn)生塑性變形后，在基體和非金屬夾雜物、析出

相粒子周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，使界面拉開，或使異相顆粒折斷形成微孔。微孔

擴(kuò)大和鏈接也是基體金屬塑性變形的結(jié)果。當(dāng)微孔擴(kuò)大到一定的

程度，相鄰微孔見的金屬產(chǎn)生較大的塑性變形后就發(fā)生微觀塑性失穩(wěn)，就像

宏觀實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生縮頸一樣，此時(shí)微孔將迅速擴(kuò)大，直至細(xì)縮成

一線，最后由于金屬與金屬件的連線太少，不足以承載而發(fā)生斷裂。

脆性材料中，由于斷裂前既無(wú)宏觀塑性變形，又無(wú)其他預(yù)兆，并且一旦

開裂后，裂紋擴(kuò)展迅速，造成整體斷裂或河大的裂口，有時(shí)還產(chǎn)生很多碎

片，容易導(dǎo)致嚴(yán)重事故。

*0何謂斷裂韌度，它在機(jī)械設(shè)計(jì)中有何作用？

答：在彈塑性條件下，當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子增大到某一臨界值，裂

紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致材料斷裂，這個(gè)臨界或失穩(wěn)擴(kuò)展的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子即斷

裂韌度。它反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展即抵抗脆斷的能力，是材料的力學(xué)性

能指標(biāo)。

第七章習(xí)題