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(1)判断位错线上各段的类型。
(2)在平行于柏氏矢量
和
ˊ的切应力作用下,两条位错线的滑移特征有何差异?
(3)哪一条位错线容易在(111)面上滑移运动而消失,为什么?
1.10判断下列位错反应能否进行:
在一个简单立方的二维晶体中,画出一个正刃型位错和一个负刃型位错。
(1)用柏氏回路求出正负刃型位错的柏氏矢量。
(2)若将正负刃型位错反向时,其柏氏矢量是否也随之改变?
1.12证明理想密排六方晶胞中的轴比
。
1.13已知碳原子半径为0.077nm,在720℃时α-Fe原子半径为0.125nm,在1148℃时γ-Fe原子半径为0.129nm,通过计算证明碳在γ-Fe中的溶解度大于α-Fe中的溶解度。
1.14碳和氮在γ—Fe中的最大固溶度(摩尔分数)分别为xC=8.9%,xN=10.3%。
已知C、N原子均位于八面体间隙,试分别计算八面体间隙被C、N原子占据的百分数。
第二章合金的相结构及相图
2.1金属Ag和Al都是面心立方结构,而且原子半径相近,DAg=0.288nm,DAl=0.286nm,但却不能形成无限固溶体,为什么?
2.2下列合金相各属于什么类型?
指出其结构特点。
铁素体、奥氏体、渗碳体、Mg2Si。
2.3说明间隙固溶体与间隙化合物有什么异同?
2.4根据下列实验数据绘出概略的二元共晶相图:
组元A的熔点为1000℃,组元B的熔点为700℃;
ωB=25%的合金在500℃结晶完毕,并由73.33%的先共晶α相和26.67%的(α+β)共晶体组成;
ωB=50%的合金在500℃结晶完毕后,则由40%的先共晶α相和60%的(α+β)共晶体组成,而此合金中的α相总量为50%。
2.5根据下列条件绘制A—B二元相图。
已知A—B二元相图中存在一个液相区(L)和七个固相区(α、β、γ、δ、μ、ε、ξ),其中α、β、γ、δ、μ是以纯组元为基的固溶体,ε、ξ是以化合物为基的固溶体(中间相),ε相中含B量小于ξ相中含B量。
相图中存在11个特定温度,其中T1、T4分别为纯组元A和B的熔点,T2、T7、T10为同素异构转变温度,T3为熔晶转变温度,T5为包晶转变温度,T6为共晶转变温度,T8为共析转变温度,T9、T10为包析转变温度,并设T1﹥T2﹥T3﹥‥‥﹥T11。
2.6根据Fe—Ti相图回答下列问题:
(1)指出相图中各水平线的三相平衡转变类型,并写出它们的反应式。
(2)画出ωTi=60%的铁钛合金的冷却曲线示意图,并说明冷却过程中所发生的转变。
(3)求出此合金室温下组织组成物的重量百分数和相组成物的重量百分数。
2.7假定需要用ωZn=30%的Cu—Zn合金和ωSn=10%Sn的Cu—Sn合金制造尺寸、形状相同的铸件,参照Cu—Zn和Cu—Sn二元合金相图,回答下述问题:
(1)哪种合金的流动性更好?
(2)哪种合金形成缩松的倾向更大?
(3)哪种合金的热裂倾向更大?
(4)哪种合金的偏析倾向更大?
2.8分析ωC=0.2%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的转变过程,绘出冷却曲线和组织示意图,说明各阶段的组织,并分别计算室温下相组成物和组织组成物的相对量。
2.9计算ωC=3%的铁碳合金室温下莱氏体的相对量,组织中珠光体的相对量,组织中共析渗碳体的相对量。
2.10试画出Pb—Sn—Sb三元系成分三角形,回答下列问题:
(1)在成分三角形内标注出成分为20%Pb—20%Sn—60%Sb和30%Pb—30%Sn—40%Sb合金的成分点。
(2)已知温度为180℃时,10%Pb—40%Sn—50%Sb合金的平衡组织中包含β、γ、δ三个相,它们的成分分别为5%Pb—50%Sn—45%Sb、3%Pb—40%Sn—57%Sb和65%Pb—15%Sn—20%Sb,求该合金在上述温度下三个平衡相的重量百分数。
根据三元共晶相图的投影图,回答下列问题:
(1)分析合金a、b、c、d、E、O1、O2、O3、O4的凝固过程(用冷却曲线表示),写出其室温组织组成物和相组成物。
(2)求合金c三相共晶转变刚结束时的相组成物相对含量。
(3)求合金b室温下相组成物相对含量。
(4)该相图有几个三相平衡区?
写出各自的单变量线。
2根据Fe—Cr—C三元相图在1150℃的等温截面图,回答下列问题:
(1)指出Fe—12%Cr—0.2%C、Fe—12%Cr—2%C和Fe—10%Cr—3%C合金在1150℃时的平衡相。
(2)计算Fe—10%Cr—3%C合金在1150℃时各平衡相的相对含量。
Fe—Cr—C三元系1150℃等温截面图
3根据ωSi=%的Fe—C—Si三元相图的垂直截面图,回答下列问题:
(1)分析ωC=0.2%的合金从液态到室温的平衡结晶过程。
若将此合金加热到1000℃,这时的相组成如何?
(2)分析ωC=%的合金从液态到室温的平衡结晶过程。
ωSi=2.4%的Fe—C—Si三元系垂直截面图
4三元合金与二元合金的比较:
(1)三元合金的匀晶转变与二元合金的匀晶转变有何区别?
(2)三元合金的共晶转变与二元合金的共晶转变有何区别?
5根据近似的Pb—Sb二元合金相图,回答问题:
(1)若用铅锑合金制造轴瓦,要求其组织为在共晶体基体上分布有相对量为5%的Sb作为硬质点,试求该合金的成分。
(2)已知Pb的硬度为3HB,Sb的硬度为30HB,试求出上述合金的硬度。
第三章金属材料的凝固
3.1
(1)设均匀形核时,晶核为球形,试证明临界形核功∆Gk与临界晶核体积Vc的关系为:
(2)设非均匀形核时形成球冠形晶核,试推导临界形核功∆Gk与临界晶核体积Vc之间的关系。
均匀形核时,如果晶核是边长为a的正方体,试求出其临界形核功∆Gk与a之间的关系。
为什么形成立方体晶核的∆Gk比球形晶核要大?
3.3试比较均匀形核与非均匀形核的异同。
3.4试分析纯金属的生长形态与温度梯度的关系。
3.5已知铜的熔点Tm=1083℃×
103J/cm3,比表面能σ×
10-5J/cm2。
(1)试计算铜在853℃均匀形核时的临界晶核半径。
(2)已知铜的原子量为63.5,密度为/cm3,求临界晶核中的原子数。
3.6已知液态纯镍在过冷度为319℃时发生均匀形核。
设临界晶核半径为1nm,纯镍的熔点为1726K,熔化热∆Hm=18075J/mol,摩尔体积Vs=3/mol。
试计算纯镍的液—固界面能和临界形核功。
3.7A—B二元相图如图所示,今将ωB=40%的合金棒在固相中无扩散、液相中溶质完全混合、液—固界面平面推进的条件下进行不平衡凝固,试回答下列问题(忽略成分变化引起的体积变化):
(1)求该合金的k0值和ke值。
(2)凝固始端固相的成分。
(3)利用上述凝固条件下的溶质分布方程,确定共晶体占L长铸件的体积百分数,示意画出合金棒中溶质B的浓度分布曲线和显微组织分布图。
(4)如果完全平衡凝固时,用杠杆定律确定共晶体的百分数,对比分析两种计算结果。
(5)若合金棒ωB=5%,回答(3)(4)结果。
3.8根据凝固理论,试述细化晶粒的基本途径。
3.9铸锭组织有何特点?
第四章金属材料的变形
4.1画出铜晶体的一个晶胞,在晶胞上指出:
(1)发生滑移的一个晶面。
(2)在这一晶面上发生滑移的一个方向。
(3)滑移面上的原子密度与{001}等其它晶面相比有何差别?
(4)沿滑移方向的原子间距与其它方向相比有何差别?
4.2试结合多晶体的塑性变形过程,说明金属晶粒越细,其强度越高、塑性越好的原因是什么?
4.3试述金属经塑性变形后组织结构与性能之间的关系,阐明加工硬化在机械零构件生产和服役过程中的重要意义。
4.4对铁单晶,当拉力轴沿[110]方向,问施加应力为50MPa时,在(101)面上的[11
]方向分切应力是多少?
如果τc=31.1MPa,需要施加多大的拉应力?
4.5已知纯铜的{111}[
10]滑移系的临界切应力τc为1MPa,问:
(1)要使(
11)面上产生[101]方向的滑移,则在[001]方向上应施加多大的应力?
(2)要使(
11)面上产生[110]方向的滑移呢?
4.6什么是单滑移、多滑移和交滑移?
三者滑移线的形貌各有何特征?
4.7已知ωZn=30%的黄铜在400℃恒温下,完成再结晶需要1h,而在390℃完成再结晶需要2h,试计算:
(1)再结晶的激活能是多少?
(2)在420℃恒温下完成再结晶需要多少时间?
4.8有人将工业纯铝在室温下进行大变形量轧制,使成薄片试样,所测得的强度表明试样呈冷加工状态。
然后将试样加热到100℃放置12天,冷却后再测其强度,有明显降低。
试验者查得工业纯铝的再结晶温度为150℃,所以他排除了发生再结晶的可能性。
你如何解释这一现象,如何证明你的设想是对的。
4.9纯铁经冷轧后拟用作一定温度下之构件,若在使用过程中发生了50%的再结晶,就可认为强度明显下降而不能继续使用。
(1)现已测得该材料的再结晶动力学曲线如图所示,如果欲使该构件的工作寿命为100000s,则其最高使用温度为多少?
(2)如欲延长构件在该温度下的工作寿命,以纯铁为基可以采取哪些措施?
纯铁的再结晶动力学曲线
4.10已知铁的熔点为1538℃,铜的熔点为1083℃,试估算铁和铜的最低再结晶温度。
并选定其再结晶退火温度。
9-4试比较贝氏体转变与珠光体转变和马氏体转变的异同。
答:
贝氏体转变:
是在珠光体转变温度以下马氏体转变温度以上过冷奥氏体所发生的中温转变。
与珠光体转变的异同点:
相同点:
相变都有碳的扩散现象;
相变产物都是铁素体+碳化物的机械混合物不同点:
贝氏体相变奥氏体晶格向铁素体晶格改组是通过切变完成的,珠光体相变是通过扩散完成的。
与马氏体转变的异同点(可扩展):
晶格改组都是通过切变完成的;
新相和母相之间存在一定的晶体学位相关系。
不同点:
贝氏体是两相组织,马氏体是单相组织;
贝氏体相变有扩散现象,可以发生碳化物沉淀,而马氏体相变无碳的扩散现象。
9-5简述钢中板条马氏体和片状马氏体的形貌特征和亚结构,并说明它们在性能上的差异。
答:
板条马氏体的形貌特征:
其显微组织是由成群的板条组成。
一个奥氏体晶粒可以形成几个位向不同的板条群,板条群由板条束组成,而一个板条束内包含很多近乎平行排列的细长的马氏体板条。
每一个板条马氏体为一个单晶体,其立体形态为扁条状。
在这些密集的板条之间通常由含碳量较高的残余奥氏体分割开。
板条马氏体的亚结构:
高密度的位错,这些位错分布不均匀,形成胞状亚结构,称为位错胞。
片状马氏体的形貌特征:
片状马氏体的空间形态呈凸透镜状,由于试样磨面与其相截,因此在光学显微镜下呈针状或竹叶状,而且马氏体片互相不平行,大小不一,越是后形成的马氏体片尺寸越小。
片状马氏体周围通常存在残留奥氏体。
片状马氏体的亚结构:
主要为孪晶,分布在马氏体片的中部,在马氏体片边缘区的亚结构为高密度的位错。
板条马氏体与片状马氏体性能上的差异:
马氏体的强度取决于马氏体板条或马氏体片的尺寸,尺寸越小,强度越高,这是由于相界面阻碍位错运动造成的。
马氏体的硬度主要取决于其含碳量。
马氏体的塑性和韧性主要取决于马氏体的亚结构。
差异性:
片状马氏体强度高、塑性韧性差,其性能特点是硬而脆。
板条马氏体同时具有较高的强度和良好的塑韧性,并且具有韧脆转变温度低、缺口敏感性和过载敏感性小等优点。
9-6试述钢中典型的上、下贝氏体的组织形态、立体模型并比较它们的异同。
上贝氏体的组织形态、立体模型:
在光学显微镜下,上贝氏体的典型特征呈羽毛状。
在电子显微镜下,上贝氏体由许多从奥氏体晶界向晶内平行生长的条状铁素体和在相邻铁素体条间存在的断续的、短杆状的渗碳体组成。
其立体形态与板条马氏体相似呈扁条状,亚结构主要为位错。
下贝氏体的组织形态、立体模型:
在光学显微镜下,下贝氏体呈黑色针状。
在电子显微镜下,下贝氏体由含碳过饱和的片状铁素体和其内部析出的微细ε-碳化物组成。
其立体形态与片状马氏体一样,也是呈双凸透镜状,亚结构为高密度位错。
异同点:
都是铁素体和碳化物的机械混合物,组织亚结构都是高密度的位错。
组织形态不同,立体模型不同,铁素体和碳化物的混合方式不同。
9-8简述碳钢的回火转变和回火组织。
碳钢的回火转变过程及回火组织:
1、马氏体中碳原子的偏聚,组织为淬火马氏体+残留奥氏体,与淬火组织相同2、马氏体分解,组织为回火马氏体+残留奥氏体3、残留奥氏体转变,组织为回火马氏体4、碳化物的转变,组织为回火托氏体5、渗碳体的聚集长大和α相的回复、再结晶,组织为回火索氏体。
9-9比较珠光体、索氏体、托氏体和回火珠光体、回火索氏体、回火托氏体的组织和性能。
组织比较:
珠光体:
片状铁素体+片状渗碳体,片间距0.6-1μm,形成温度:
A1-650℃。
索氏体:
片状铁素体+片状渗碳体,片间距0.25-0.3μm,形成温度:
650-600℃。
托氏体:
片状铁素体+片状渗碳体,片间距0.1-0.15μm,形成温度:
600℃以下。
以上三类珠光体是由过冷奥氏体直接转变而得。
回火索氏体:
将淬火钢经高温回火后得到的回复或再结晶了的α相和粗粒状渗碳体的机械混合物称为回火索氏体。
回火托氏体:
将淬火钢经中温回火后得到的由针状α相和无共格联系的细粒状渗碳体组成的机械混合物称为回火托氏体。
通过以上分析,可以看到以上珠光体组织主要区别在于碳化物的形状不同,可以分为片状珠光体和粒状珠光体两类组织。
性能比较:
1、与片状珠光体相比,粒状珠光体的硬度和强度较低,塑性和韧性较好。
2、在相同硬度条件下,片状珠光体和粒状珠光体抗拉强度相近,但粒状珠光体的屈服强度、塑性、韧性等性能都优于片状珠光体组织。
3、粒冷珠光体的冷变形性能、可加工性能以及淬火工艺性能都比片状珠光体好。
9-18如何把含碳0.4%的退火碳钢处理成:
1、在大块游离铁素体和铁素体基体上分布着细球状碳化物;
2、铁素体基体上分布着细球状碳化物。
第1种组织热处理工艺:
球化退火:
由于是退火亚共析钢,其原始组织为块状先共析铁素体加片状珠光体,因此只需加珠光体中的片状渗碳体处理成球状渗碳体。
可以将退火碳钢加热至AC1-AC3之间保温,保留先共析块状铁素体和部分未溶渗碳体质点,得到碳含量不均匀的奥氏体组织,然后在Ar1以下较高温度保温球化,获得在大块游离铁素体和铁素体基体上分布着细球状碳化物的组织。
第2种组织热处理工艺:
调质:
将退火碳钢加热到AC3温度以上完全奥氏体化,淬火成马氏体,再将马氏体组织加热到一定温度回火使马氏体分解、析出细粒状渗碳体,得到铁素体基体加细球状渗碳体组织。
7-1用冷拔铜丝线制作导线,冷拔之后应如何如理,为什么?
应采取回复退火(去应力退火)处理:
即将冷变形金属加热到再结晶温度以下某一温度,并保温足够时间,然后缓慢冷却到室温的热处理工艺。
原因:
铜丝冷拔属于再结晶温度以下的冷变形加工,冷塑性变形会使铜丝产生加工硬化和残留内应力,该残留内应力的存在容易导致铜丝在使用过程中断裂。
因此,应当采用去应力退火使冷拔铜丝在基本上保持加工硬化的条件下降低
其内应力(主要是第一类内应力),改善其塑性和韧性,提高其在使用过程的安全性
7-7一块纯锡板被枪弹击穿,经再结晶退火后,弹孔周围的晶粒大小有何特征,并说明原因。
弹孔周围晶粒大小特征:
晶粒大小随距弹孔的距离产生梯度变化,即距离弹孔距离越近晶粒越细,距离越远晶粒越大,并且在某一距离处(变形量处于临界变形量范围内),出现特别粗大晶粒组织。
1、锡板被枪弹击穿产生的弹孔相当于弹孔处产生了剧烈的冷塑性变形,且距离弹孔越近则变形越剧烈。
2、对冷塑性变形的金属进行再结晶退火,则冷变形的晶粒必然要发生再结晶,且再结晶后的晶粒大小与变形度密切相关,这是因为随着变形度的增加,形变储存能增加,再结晶驱动力增加,形核率N和晶粒长大线速度G同时增加,但G/N的比值减小,使再结晶的晶粒随变形度增加而变细。
3、然而,当变形度在某一临界变形度范围内(一般金属在2%-10%范围内),由于变形度不大,G/N的比值很大,使再结晶的晶粒特别粗大。
7-8某厂对高锰钢制碎矿机颚板进行固溶处理时,经1100℃加热后,用冷拔钢丝绳吊挂,由起重吊车送往淬火水槽。
行至途中,钢丝绳突然断裂。
这条钢丝绳是新的,事先经过检查,并无瑕疵。
试分析钢丝绳断裂原因。
由题述,该钢丝绳是冷拔而成,及结果冷塑性变形而成,必然产生了加工硬化现象。
由于颚板经过1100加热固溶处理,所以在吊运过程中,高温颚板对冷拔钢丝绳起到了加热作用,当钢丝绳温度超过其再结晶温度时,则会发生再结晶现象,导致钢丝绳强度显著下降,致使颚板重力对钢丝绳产生的应力超过了钢丝绳的强度,导致钢丝绳断裂。
7-9设有一楔形板坯结果冷轧后得到相同厚度的板材,然后进行再结晶退火,试问该板材的晶粒大小是否均匀?
不均匀原因:
1、对冷塑性变形的金属进行再结晶退火,则冷变形的晶粒必然要发生再结晶,且再结晶后的晶粒大小与变形度密切相关,这是因为随着变形度的增加,形变储存能增加,再结晶驱动力增加,形核率N和晶粒长大线速度G同时增加,但G/N的比值减小,使再结晶的晶粒随变形度增加而变细。
2、此外,当变形度在临界变形度范围内(一般金属在2%-10%范围内),由于变形度不大,G/N的比值很大,使再结晶的晶粒特别粗大。
3、由题述,是由厚度不一的楔形板冷变形成相同厚度的板材,则板材的不同位置的变形度必然不同,所以再结晶后的晶粒大小也必然不同。
7-10金属材料在热加工时为了获得细小晶粒组织,应该注意一些什么问题?
热加工是在高于再结晶温度以上的塑性变形过程,塑性变形引起的加工硬化和回复再结晶引起的软化几乎同时进行。
所以,在热加工时为了获得细小晶粒我觉得应该注意以下几点:
1、变形程度。
2、热加工的温度。
3、变形速度。
4、热加工后的冷却。
5、原始晶粒的大小。
6、在金属材料中加入适量的Al、Ti、V、Nb等碳、氮化物形成元素,析出弥散的第二相质点,可以有效地阻止高温下晶粒的长大。
7-11为获得细小的晶粒组织,应根据什么原则制订塑性变形及退火工艺?
塑性变形原则:
增大变形度,避开临界变形度范围,保证变形均匀性。
退火工艺原则:
降低再结晶退火温度,缩短再结晶退火保温时间。
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