961材料科學(xué)基礎(chǔ)答案

1、1.為什么室溫下金屬晶粒越細(xì)強(qiáng)度，硬度越高，塑性韌性也越好？答：金屬晶粒越細(xì)，晶界面積越大，位錯(cuò)障礙越多，需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，金屬塑性變形的抗力越高，從而導(dǎo)致金屬?gòu)?qiáng)度和硬度越高。金屬的晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，同時(shí)參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，推遲了裂紋的形成和擴(kuò)展，使得在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。在強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加的情況下，金屬在斷裂前消耗的功增大，因而其韌性也比較好。因此，金屬的晶粒越細(xì)，其塑性和韌性

2、也越好。2.冷塑性變形金屬產(chǎn)生加工硬化的原因？隨變形量增加，空密度增加。④由于晶粒由有利位向而發(fā)生幾何硬化，因此使變形抗力增加。?隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化，亞晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作用。?答：①晶體內(nèi)部存在位錯(cuò)源，變形時(shí)發(fā)生了位錯(cuò)增值，隨變形量增加，位錯(cuò)密度增加。由于位錯(cuò)之間的交互作用，使變形抗力增加。3.某廠用冷拉鋼絲繩吊運(yùn)出爐熱處理工件去淬火，鋼絲繩的承載能力遠(yuǎn)超過(guò)工件的質(zhì)量，但在工件的運(yùn)送過(guò)程中鋼絲繩發(fā)生斷裂，試分析其原因？答：冷拉

3、鋼絲繩是利用熱加工硬化效應(yīng)提高其強(qiáng)度的，在這種狀態(tài)下的鋼絲中晶體缺陷密度增大，強(qiáng)度增加，處于加工硬化狀態(tài)。在淬火的溫度下保溫，鋼絲將發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大過(guò)程，組織和結(jié)構(gòu)恢復(fù)軟化狀態(tài)。在這一系列變化中，冷拉鋼絲的加工硬化效果將消失，強(qiáng)度下降，在再次起吊時(shí)，鋼絲將被拉長(zhǎng)，發(fā)生塑性變形，橫截面積減小，強(qiáng)度將比保溫前低，所以發(fā)生斷裂。4細(xì)化晶粒方法1.在澆注過(guò)程中：1）增大過(guò)冷度；2）加入變質(zhì)劑；3）進(jìn)行攪拌和振動(dòng)等。2.在熱軋或鍛造過(guò)程

4、中：1)控制變形度；2)控制熱軋或鍛造溫度。3.在熱處理過(guò)程中：控制加熱和冷卻工藝參數(shù)利用相變重結(jié)晶來(lái)細(xì)化晶粒。4.對(duì)冷變形后退火態(tài)使用的合金：1)控制變形度；2)控制再結(jié)晶退火溫度和時(shí)間5、試說(shuō)明滑移，攀移及交滑移的條件，過(guò)程和結(jié)果，并闡述如何確定位錯(cuò)滑移運(yùn)動(dòng)的方向。解答：滑移：切應(yīng)力作用、切應(yīng)力大于臨界分切應(yīng)力；臺(tái)階攀移：純?nèi)形诲e(cuò)、正應(yīng)力、熱激活原子擴(kuò)散；多余半原子面的擴(kuò)大與縮小交滑移：純螺位錯(cuò)、相交位錯(cuò)線(xiàn)的多個(gè)滑移面；位錯(cuò)增殖位錯(cuò)

5、滑移運(yùn)動(dòng)的方向，外力方向與b一致時(shí)從已滑移區(qū)→未滑移區(qū)。相反，從未滑移區(qū)→已滑移區(qū)。6將經(jīng)過(guò)大量冷塑性變形（70%以上）的純金屬長(zhǎng)棒一端浸入冷水中，另一端加熱至接近熔點(diǎn)的高溫（如0.9Tm），過(guò)程持續(xù)一小時(shí)，然后完全冷卻，作出沿棒長(zhǎng)度的硬度分布曲線(xiàn)（示意圖），并作簡(jiǎn)要說(shuō)明。如果此金屬為純鐵時(shí)，又會(huì)有何情況出現(xiàn)？例題解答：（I）TT再，回復(fù)，硬度略下降（II）再結(jié)晶硬度下降較大（III）晶粒長(zhǎng)大進(jìn)一步下降沿棒長(zhǎng)度的硬度分布曲線(xiàn)示意如圖。在

6、整個(gè)棒的長(zhǎng)度上，由于溫度不同，經(jīng)歷了回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大三個(gè)過(guò)程。（I）TT再，僅發(fā)生回復(fù)，硬度略下降；（II）發(fā)生再結(jié)晶，硬度下降較大，且隨溫度的升高，同樣1小時(shí)完成再結(jié)晶的體積百分?jǐn)?shù)增大，硬度隨之降低；（III）晶粒長(zhǎng)大，晶界對(duì)位錯(cuò)的阻礙較小，故硬度進(jìn)一步下降。若純金屬為純鐵，因純鐵有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，在上述情況下，由于到達(dá)一定溫度會(huì)發(fā)生重結(jié)晶而使晶粒細(xì)化，故在第（III）區(qū)域后會(huì)有硬度回升的第（IV）區(qū)。7.金屬中常見(jiàn)的細(xì)化晶粒的措

7、施有哪些？為什么常溫下金屬材料為什么晶粒越細(xì)小，不僅強(qiáng)度越高，而且塑性和韌性也越好例題解答：細(xì)化晶粒方法：（1）鑄態(tài)使用的合金：合理控制冶鑄工藝，如增大過(guò)冷度、加入變質(zhì)劑、進(jìn)行攪拌和振動(dòng)等。（2）對(duì)熱軋或冷變形后退火態(tài)使用的合金：控制變形度、再結(jié)晶退火溫度和時(shí)間。（3）對(duì)熱處理強(qiáng)化態(tài)使用的合金：控制加熱和冷卻工藝參數(shù)利用相變重結(jié)晶來(lái)細(xì)化晶粒。常溫下金屬材料的晶粒越細(xì)，不僅強(qiáng)度、硬度越高，而且塑性、韌性也越好。原因是：材料在外力作用下發(fā)生

8、塑性變形時(shí)，通常晶粒中心區(qū)域變形量較大，晶界及其附近區(qū)域變形量較小。因此在相同外力作用下，（1）大晶粒的位錯(cuò)塞積所造成的應(yīng)力集中促使相鄰的晶粒發(fā)生塑性變形的機(jī)會(huì)比小晶粒大得多，小晶粒的應(yīng)力集中小，則需要在較大的外加應(yīng)力下才能使相鄰的晶粒發(fā)生塑性變形；（2）細(xì)小晶粒的晶粒內(nèi)部和晶界附近的變形量較小，且變形均勻，相對(duì)來(lái)說(shuō)，因應(yīng)力集中引起開(kāi)裂的機(jī)會(huì)少，著使得在斷裂之前承受較大的變形量，表現(xiàn)為有較高的塑性。8材料的強(qiáng)化方法有哪些？分析他們的本質(zhì)

9、上的異同點(diǎn)材料常用的強(qiáng)化方式：固溶強(qiáng)化、沉淀（析出）強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化、相變強(qiáng)化。(1)固溶強(qiáng)化是由于溶質(zhì)原子造成了點(diǎn)陣畸變，其應(yīng)力場(chǎng)將與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生彈性交互作用、化學(xué)交互作用和靜電交互作用，并阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。是通過(guò)合金化對(duì)材料進(jìn)行的最基本的強(qiáng)化方法。（2）沉淀（析出）強(qiáng)化是通過(guò)過(guò)飽和固溶體的時(shí)效處理而沉淀析出細(xì)小彌散、均勻分布的第二相微粒，第二相與位錯(cuò)相互作用；（2）在室溫下含碳量0.8%的鋼其強(qiáng)度比含碳量1.2%的鋼

10、強(qiáng)度高；答：含碳量超過(guò)0.9%后，F(xiàn)e3C以網(wǎng)狀分布在晶界上，從而使鋼的強(qiáng)度大大下降。（3）低溫萊氏體的塑性比珠光體的塑性差；答：因?yàn)榈蜏厝R氏體是由共晶Fe3C、Fe3CII和珠光體組成，因此比起但純的珠光體來(lái)說(shuō)，其塑性要差。（4）在1100℃，含碳量0.4%的鋼能進(jìn)行鍛造，含碳量4.0%的生鐵不能鍛造；答：因?yàn)樵?100℃，含碳量0.4%的鋼處于A單相區(qū)，而含碳量4.0%的生鐵處于AFe3CIILd’；（5）鋼鉚釘一般用低碳鋼制成；答

11、：鋼鉚釘需要有良好的塑韌性，另外需要兼有一定的抗剪切強(qiáng)度，因而使用低碳鋼制成；（6）鉗工鋸0.8%C、1.0%C、1.2%C等鋼材比鋸0.1%C、0.2%C鋼材費(fèi)力，鋸條容易磨損；答：0.8%C、1.0%C、1.2%C中的含碳量高，組織中的Fe3C的含量遠(yuǎn)比0.1%C、0.2%C鋼中的含量高，因此比較硬，比較耐磨；（7）鋼適宜于通過(guò)壓力加工成形，而鑄鐵適宜于鑄造成型；答：鑄鐵的熔點(diǎn)低，合金易熔化、鑄造過(guò)程易于實(shí)施；鋼的含碳量比鑄鐵低，通

12、過(guò)加熱可進(jìn)入單相固溶體區(qū)，從而具有較好的塑性、較低的變形抗力，不易開(kāi)裂，因此適宜于壓力加工成形。第3章工程材料成形過(guò)程中的行為與性能變化思考題與習(xí)題P813、金屬晶粒大小對(duì)機(jī)械性能有什么影響？如何控制晶粒的大??？P67～P68答：機(jī)械工程中應(yīng)用的大多數(shù)金屬材料是多晶體。同樣的金屬材料在相同的變形條件下，晶粒越細(xì)，晶界數(shù)量就越多，晶界對(duì)塑性變形的抗力越大，同時(shí)晶粒的變形也越均勻，致使強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越好。因此，在常溫下使用的金屬

13、材料，一般晶粒越細(xì)越好。晶粒度的大小與結(jié)晶時(shí)的形核率N和長(zhǎng)大速度G有關(guān)。形核率越大，在單位體積中形成的晶核數(shù)就越多，每個(gè)晶粒長(zhǎng)大的空間就越小，結(jié)晶結(jié)束后獲得的晶粒也就越細(xì)小。同時(shí)，如果晶體的長(zhǎng)大速度越小，則在晶體長(zhǎng)大的過(guò)程中可能形成的晶粒數(shù)目就越多，因而晶粒也越小。細(xì)化晶粒的方法有：1）增大過(guò)冷度——提高形核率和長(zhǎng)大速度的比值，使晶粒數(shù)目增大，獲得細(xì)小晶粒；2）加入形核劑——可促進(jìn)晶核的形成，大大提高形核率，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的；3）機(jī)械

14、方法——用攪拌、振動(dòng)等機(jī)械方法迫使凝固中的液態(tài)金屬流動(dòng)，可以使附著于鑄型壁上的細(xì)晶粒脫落，或使長(zhǎng)大中的樹(shù)枝狀晶斷落，進(jìn)入液相深處，成為新晶核形成的基底，因而可以有效地細(xì)化晶粒。6.室溫下，對(duì)一根鐵絲進(jìn)行反復(fù)彎曲—拉直試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)一定次數(shù)后，鐵絲變得越來(lái)越硬，試分析原因。如果將這根彎曲—拉直試驗(yàn)后的鐵絲進(jìn)行一定溫度的加熱后，待冷至室溫，然后再試著彎曲，發(fā)現(xiàn)又比較容易彎曲了，試分析原因。答：鐵絲進(jìn)行反復(fù)彎曲—拉直的過(guò)程是塑性變形的過(guò)程，在經(jīng)過(guò)

15、一定次數(shù)后鐵絲產(chǎn)生了加工硬化，因此強(qiáng)度硬度越來(lái)越高；若進(jìn)行一定溫度的加熱后，變形的鐵絲發(fā)生了回復(fù)再結(jié)晶，加工硬化消除，硬度降低，所以又比較容易彎曲了。7、什么是金屬的回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程？回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程中金屬的組織性能發(fā)生了哪些變化？P75答：回復(fù)：塑性變形后的金屬加熱時(shí)，開(kāi)始階段由于加熱溫度不高，原子獲得的活動(dòng)能力較小，只能進(jìn)行短距離的擴(kuò)散，金屬的顯微組織仍保持纖維組織，力學(xué)性能也不發(fā)生明顯的變化。在這一階段內(nèi)，原子的短距離擴(kuò)散使晶體在

16、塑性變形過(guò)程中產(chǎn)生的晶體缺陷減少，晶格畸變大部分消除，材料中的殘余應(yīng)力基本消除，導(dǎo)電性和抗腐蝕能力也基本恢復(fù)至變形前的水平。再結(jié)晶：把經(jīng)歷回復(fù)階段的金屬加熱到更高溫度時(shí)，原子活動(dòng)能力增大，金屬晶粒的顯微組織開(kāi)始發(fā)生變化，由破碎的晶粒變成完整的晶粒，由拉長(zhǎng)的纖維狀晶粒轉(zhuǎn)變成等軸晶粒。這種變化經(jīng)歷了兩個(gè)階段，即先在畸變晶粒邊界上形成無(wú)畸變晶核，然后無(wú)畸變晶核長(zhǎng)大，直到全部轉(zhuǎn)化為無(wú)畸變的等軸晶粒。該過(guò)程無(wú)相變發(fā)生，也為原子擴(kuò)散導(dǎo)致的形核、長(zhǎng)大

17、過(guò)程，因此稱(chēng)為再結(jié)晶。金屬在再結(jié)晶過(guò)程中，由于冷塑性變形產(chǎn)生的組織結(jié)構(gòu)變化基本恢復(fù)，力學(xué)性能也隨之發(fā)生變化，金屬的強(qiáng)度和硬度下降，塑性和韌性上升，加工硬化現(xiàn)象逐漸消失，金屬的性能重新恢復(fù)至冷塑性變形之前的狀態(tài)。8、什么是加工硬化？試述金屬在塑性變形中發(fā)生加工硬化的原因？試分析加工硬化的利與弊。P74答：加工硬化：金屬在塑性變形過(guò)程中，隨著變形程度增加，強(qiáng)度、硬度上升，塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)加工硬化（也叫形變強(qiáng)化）。加工硬化的原因：金