金属学复习

名词解释

1.间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，形成具有简单晶体结构的间隙型化合物

2.间隙化合物：当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时，形成复杂晶体结构的间隙型化合物

3.固溶体：在固态下合金中组元相互溶解而形成的均匀固相

4.配位数：晶体结构中，与任一原子最近邻并且等距的原子数

5.致密度：致密度=单位晶胞中原子所占有的体积/单位晶胞体积

6.金属键：金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合

7.空间点阵：抽象的几何点在三维空间规则排列的队列

8.多晶型性：当外界条件（主要指温度和压力）改变时，元素的晶体结构可以发生转变，把金属的这种性质称为多晶型性

9.形核功：形成临界晶核必须获得的能量

10.晶胚：在温度降到熔点以下时，在液态金属中存在结构起伏，瞬时存在的有序原子集团

11.临界晶核：半径为r*的晶核

12.动态过冷度：能保证凝固速度大于熔化速度的过冷度

13.粗糙界面：从微观上高低不平，有几个原子厚的过渡层，过渡层中约50%的位置占有原子的界面称为粗糙界面

14.光滑界面：液固界面处截然分开，固相表面为基本完整的原子密排面，所以从微观上看是光滑的界面称为光滑界面

15.伪共晶：不平衡的结晶条件下，成分在共晶点附近的合金全部转变成共晶组织，这种非共晶成分的共晶组织称为伪共晶

16.不平衡共晶：由于固相线偏离平衡位置，不但冷到固相线上凝固不能结束，甚至冷到共晶温度以下还有少量液相残留，最后这些液相转变为共晶体，形成所谓的不平衡共晶组织

17.离异共晶：有共晶反应的合金中，如果成分离共晶点较远，由于初晶相数量较多，共晶相数量很少，共晶中与初晶相同的那一相会依附初晶长大，另外一个相单独分布于晶界处，使得共晶组织的特征消失，这种两相分离的共晶称为离异共晶

18.上坡扩散：原子由低浓度向高浓度出扩散的现象

19.均匀化退火：将钢加热到略低于固相线温度，长时间保温（10-15h），然后随炉冷却，以使钢的化学成分和组织均匀化

20.反应扩散：通过扩散而形成新相的现象

21.柯肯达尔效应：扩散偶中由于扩散系数不同而引起对接面移动的现象

22.自扩散：不伴随浓度变化，与浓度梯度无关的只发生在纯金属和均匀固溶体中的扩散

23.互扩散：伴随有浓度变化，与异类原子浓度差有关的发生在异类原子之间的相互扩散

24.成分过冷：由于液相成分改变而形成的过冷

25.平衡分配系数：在一定温度下，固—液两平衡相中溶质浓度的比值ko称为溶质的平衡分配系数，ko=Cs/CL

26.区域熔炼：利用正常凝固的原理将棒料从一端顺序地进行局部熔化，使溶质杂质富集到右端，反复进行这样的操作以达到使金属棒一端提纯的技术

27.有效分配系数：ke=结晶过程中固体在相界处的浓度/此时余下液体的平均浓度

28.直线法则：在一定温度下，当某三元系合金处于两相平衡时，合金的成分点与平衡相的成分点必定在同一直线上，且合金的成分点位于两平衡相的成分点之间，该规律称为直线法则

29.重心法则：如果合金在某一温度处于三相平衡，合金成分点位于由三个平衡相成分点组成共轭三角形的重心位置，这就是重心法则

30.连接线：三元系截面图中液相线上液相成分点和其对应的固相线上固相成分点的连线

31.单变量线：三元系空间模型中随着温度的变化三个平衡相的成分点形成三条空间曲线，称为单变量线

32.滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向的组合

33.临界分切应力：能引起滑移或孪生所需要的最小分切应力

34.复滑移：由于晶体的转动，使另一个滑移系参加滑移，从而形成双滑移﹑多组滑移系参加滑移的过程

35.交滑移：两个或两个以上的滑移面沿同一滑移方向进行交替滑移的过程

36.双交滑移：如果交滑移后的位错再转回与原滑移面平行的滑移面上继续运动，则称为双交滑移

37.孪生：晶体的一部分沿一定晶面（孪晶面）和晶向发生切变

38.加工硬化：随着变形程度的增加，强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象

39.变形织构：多晶材料因塑性变形后的晶粒取向偏离非随机分布状态所形成的组织

40.位错点阵阻力：位错移动受到的阻力

41.回复：冷变形金属在加热温度较低时，金属中的一些点缺陷和位错的迁移，

使晶格畸变逐渐减小，内应力逐渐降低的过程

42.再结晶：冷变形金属的加热温度高于回复阶段以后，当温度继续升高时，由于原子活动能力增大，金属的显微组织发生明显的变化，由破碎拉长或压扁的晶粒变为均匀细小的等轴晶粒的过程

43.动态回复：热加工过程中，由于变形温度高于再结晶温度，因而在变形的同时伴随着回复的过程

44.动态再结晶：热加工过程中，由于变形温度高于再结晶温度，因而在变形的同时伴随着再结晶的过程

45.二次再结晶：再结晶完成后晶粒长大随温度的升高或时间的增长而不连续不均匀地长大，称为二次再结晶

46.多边化：指由于冷变形后，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，通过刃型位错的攀移与滑移，使同号刃型位错沿着垂直于滑移面的方向排列成小角度亚晶界的过程

47.储存能：冷塑变时，外力所作的功尚有一小部分储存在形变金属内部，这部分能量称为储存能

48.退火孪晶：某些面心立方金属和合金﹑如铜及铜合金，镍及镍合金和奥氏体不锈钢等，冷变形后再结晶退火，其晶粒中会产生的一种孪晶

49.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，这种组织称为流线

50.全位错：柏氏矢量等于（或整数倍）点阵矢量的位错

51.不全位错：柏氏矢量小于点阵矢量的位错

52.单位位错：柏氏矢量为一个点阵矢量的位错

53.固定位错：将面心立方完整晶体沿{1 1 1}原子层间剖开，抽去半原子平面或插入半原子平面就形成了层错，这样形成的层错就是固定层错

54.面角位错：形成于两个{1 1 1}面之间的面角上，由三个不全位错和两片层错所构成的位错组态

55.扩展位错：两个不全位错和中间的层错带所组成的位错组态

56.柯氏气团：金属内部存在的大量位错线，在刃型位错线附近经常会吸附大量的异类溶质原子（大小不同吸附的位置有差别）,形成柯氏气团

57.铃木气团：当溶质原子偏聚在层错附近，使其浓度大于基体中浓度时，即形成铃木气团

58.应变时效：在塑性变形时或变形后，在室温或适当加热时，导致间隙固溶原子在位错线上的偏聚使合金的强度和硬度升高并往往导致不连续屈服重新出现的现象

59.位错密度：单位体积中所包含位错线的总长度

60.层错：由于某种原因，原子排列不按正常次序生长，这样使原子层产生了错排

1、总结思考间隙固溶体、间隙相和间隙化合物。

答：（1）间隙固溶体是当溶质原子比较小时，如碳、氢、硼等，他们进入溶剂的晶格空隙而形成的固溶体。溶质原子溶入后，固溶体的点阵都将发生畸变，从而使固溶体的强度硬度增加，塑性韧性降低（2）间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，形成具有简单晶体结构的间隙型化合物。间隙相具有极高的硬度和熔点，但很脆，具有明显金属性，因为他们中的原子结合既有共价结合又有金属结合的性质。间隙相是合金钢中的主要强化相之一。（3）间隙化合物：当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时，形成复杂晶体结构的间隙型化合物。合金钢中常遇到的间隙化合物有：m3c/m7c3/m23c6型，m6c型通常多元，即两种以上的金属元素m’、m”与c组合而成。M’如fe、co、ni、m”为mo、w等元素。

2、过冷(1)金属种类的不同，过冷度的打小也不同（2）金属的纯度越高，则过冷度越大（3）过冷度的大小在上述因素确定后取决于冷却速度，冷去速度越低则过冷度越大，实际结晶温度越低。

3、金属凝固的热力学条件：液态金属要结晶，其结晶温度一定要低于理论结晶温度tm，即要有一定的过冷度，此时的固态金属的自由能低于液态金属的自由能，两者的自由能之差构成了金属结晶的驱动力。

4、均匀形核的条件：（1）过冷（2）必须同时具备尺寸条件和能量条件r>=r*/ΔG*靠能量起伏补偿

5、形核率受形核率因子和原子扩散的几率因子控制。

6、控制细化晶粒的办法：(1)加大冷却速度和过冷能力来控制过冷度，则N/G 越大，所以晶粒越细小，但这种方法适合小件和薄件（2）变质处理，在液态金属中加入形核剂，在液态金属中形成大量基底，起非自发形核的作用，促进形核，抑制长大，从而达到细化晶粒，改善性能的目的。（3）振动作用：在液态金属结晶时，采用机械振动，超声波振动或电磁搅拌的处理办法。一、输入能量，提升形核功，促进形核。二、碎化大晶体，相当于提供形核剂，提供基底，提升形核率。

7、影响扩散的因素

（1）温度：温度越高，原子的振动能就越大，使原子的迁移几率增大，还会使

金属内部的空位浓度升高，这些都有利于扩散。

（2）固体的类型：间隙固溶体中溶质原子的扩散激活能一般比置换固溶体小，所以扩散速度比置换型溶质原子快得多。

（3）晶体结构：1.致密度越小的晶体越利于扩散2.结构不同引发的浓度差也不同，扩撒速度也不一样3.对称性低的晶体扩散各向异性相当明显。

（4）晶体缺陷、浓度、合金元素、应力也会影响，比较复杂

8、枝晶偏析的因素：（1）冷却速度越大，扩散进行越充分，则偏析程度越大（2）合金的结晶温度范围越大，则成分偏析的范围越大

9、影响成分过冷的因素：（1）合金的液相线越陡（m越大），合金含溶质浓度C0越大，液体的扩散系数D越小，k0<1时，k0越小;k0>1时，k0越大，则成分过冷倾向越大（2）液相中实际温度分布越平缓（G越小），凝固速度（R）越快，成分过冷倾向越大。

10、影响铸锭组织的因素主要看柱状晶与等轴晶的分布情况与晶粒的大小（1）快速冷却，高的浇铸温度，方向性散热有利于柱状晶向的发展（2）慢速冷却，低的浇铸温度，均匀散热，变质处理和应用物理方法，有利于等轴晶区的发展。

11、籽晶从何而来：(1)对流溶液将与模璧分离的细晶卷入锭中心而成为大量籽晶（2）由于枝杆重熔而漂浮到柱状晶前沿，成为中心籽晶（3）由于表面形核下沉而成为籽晶。

12、用位错理论解释屈服和应变时效

答：Cottrell首相用溶质原子和位错的弹性交互作用，形成气团（柯氏气团）来解释低碳钢的屈服和应变时效。Cottrell气团就指碳原子偏聚于韧性位错的下方，碳原子有“钉扎”位错，使位错不易运动。位错要运动，只有从气团中挣扎出来，摆脱碳原子的钉扎。（1）Cottrell认为位错要从气团中挣脱出来，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，因此有应力降落，出现下屈服点和水平台。（2）应变时效：在塑性变形时或变形后，在室温或适当加热时，导致间隙固溶原子在位错线上的偏聚使合金的强度和硬度升高并往往导致不连续屈服重新出现的现象。当卸载后立即重新加载，由于位错原子已经挣脱出气团的钉扎，故不出现屈服点；如果卸载后放置较长时间或经时效效应则溶质原子已经通过扩散而重新偏聚到位错周围形成了气团，故屈服现象有重复出现。

13、解释化学相互作用能强化合金的原因。

答：化学相互作用：溶质原子在扩展位错的层错区聚集以降低层错能，形成铃木集团。强化原因（1）扩展位错运动时，层错必须跟着运动，但由于层错内外

溶质原子的浓度不同，因而增加了扩展位错的运动阻力。（2)当其他位错与扩展位错相交时，在交割前，扩展位错必须先来集成全位错，但溶质原子在层错区偏聚层加了层错的宽度，使扩展位错难以束集也不易发生交滑移而绕过障碍，从而提高了合金的。

14、试说明碳为什么在奥氏体状态下进行而不在铁素体体状态下进行？

答： （1）奥氏体的溶碳能力大于铁素体(2)奥氏体高温形成相有利于原子的扩散<主要因素>（3）铁素体的结构大于奥氏

含0.85%c 的普碳钢加热到900℃在空气中保温1小时后，外层碳浓度降到零。假如要求零件外层的碳浓度为0.8%，表面应车去多少深度？（D=1.1×10-7cm2/s ）

解：c=0.8%；c1 =0；c2 =0.85%

x=0.053cm

生产中常用的渗碳可视为半无限长棒来考虑。此时c1为渗碳表面的碳浓度；c2为钢的原始碳浓度。 无限长棒

半无限长棒

870℃渗碳需用多少时间才能获得927℃渗碳10小时的渗层厚度？已知：D870=7.99×10-12 m2/s D927=16.1×10-11 m2/s

解：∵ x870 = x927 t=10h

14、扩散系数D 的实质是什么？它和跳动频率有什么联系？

经过推导，D=d2Pг。对于一定的晶体结构来说，扩散系数D 与跳动频率г成正比。如果用跳动频率衡量原子的扩散能力，那么扩散系数的大小就反应了原子扩散的速度，这就是扩散系数的物理实质。

15、回复与再结晶时性能的变化.

(1)回复阶段：显微组织无明显变化，力学性能变化不大，仅有某些物理性能发生了较为显著的变化（电阻），内应力基本消除。

(2)再结晶阶段：组织彻底重新改变，性能发生了剧烈的变化（恢复到冷变形前的水平），内应力完全消除。

16、回复的机制

ａ低温回复(0.1＜TH ＜0.3）主要是由于塑性变形所产生的过量空位消失的结果。??? ??-++=Dt x erf c c c c C 2222121()??? ??--=Dt x erf c c c C 2211h D D t 15.2010870

927870=?=

其消失至少有下列几种可能：（1）空位迁移到金属的表面或晶界而消失。（2）空位与塑性变形产生的间隙原子复合而消失。（3）空位与位错发生交互作用而消失。

ｂ中温回复(0.3＜TH ＜0.5）其主要机制是位错滑移导致位错重新组合，以及异号位错会聚而互相抵消。

ｃ高温回复（ TH ＞0.5）高温回复机制为多边化。

17,试讨论配位数与致密度的异同？

配位数：指晶体结构中与任一原子最近邻并且等距的原子数，配位数约大，则原子排列的紧密程度越高。

致密度：若把金属晶体中的原子视为直径相等的钢球，原子排列的紧密程度可以用钢球所占空间的体积百分数来表示。

相同点：都是表示晶胞中原子排列的紧密程度的参数。

不同点：配位数是一种定性的表示方法，配位数越大，则原子排列的紧密程度越高，致密度是一种定量的表示方法。

18，金刚石结构属于什么点阵？每个晶胞所占原子数为多少？原子半径、配位数、致密度为多少？

1.两个面心立方点阵沿着体对角线方向相对位移了体对角线长度的1/4后构成的（金刚石属于立方晶系、面心立方点阵。

2.8*1/8+6*1/2+4=8个。

3.配位数4 点阵参数a=0.3599 致密度0.34 原子半径√3/8a

扩散通量，与该截面处的浓度梯度呈正比关系。其表达方程为：

在应用扩散第一定律时，扩散系数D 仅随温度而变化，与合金的浓度无关。必须指出：该定律只适用稳态扩散问题

dx

dc D J -=

1.含0.85%c 的普碳钢加热到900℃在空气中保温1小时后，外层碳浓度降到零。假如要求零件外层的碳浓度为0.8%，表面应车去多少深度？（D=1.1×10-7cm2/s ）

解：c=0.8%；c1 =0；c2 =0.85%

x=0.053cm

渗碳问题：

2.一块纯铁在920℃渗碳10小时，表层碳浓度为1.3%C ，扩散系数 D=1.5×10—11m2/s ，已知β=0.735误差函数e r f （β）=0.7，试求：

(1)β=0.735时渗碳层深度x

(2)β=0.735时渗碳层深度x 处碳浓度。

解：（1）x/2√Dt=0.735 x=1.1cm

(2)（Cs-Cx ）/(Cs-Co)=erf （x/2√Dt ）

(1.3%-Cx)/1.3%=0.7 Cx=0.39%

枝晶间距越小，扩散系数越大，则均匀化所需时间就越短。 高斯解描述的对象是：原始扩散物质分布集中于一个小区域的扩散过

程。

高斯解的适用对象是：扩散过程中扩散元素质量保持不变，其值为M 。扩散开始时扩散元素集中在表面，好像一层薄膜。

一个溶质原子至少必须具有相当于△Gm 的超额能量，才能实现跳动。 那么，在N 个原子中到底有多少个这样的原子实现跳动呢？ 根据Maxwell-Bolzman 定律，原子具有足够能量而进行跳动的几率为： 空位扩散必须满足：

t

k Dt k Dt k x ===2??? ??-=KT G N n ex p

1 扩散原子的近邻不断出现空位。

2 扩散原子具有足够的自由能。

此时D=Doexp-（△Ev+△E）/KT

为什么间隙溶质原子的扩散比置换溶质原子的扩散快得多

答：通过空位迁移而实现的置换扩散的扩散激活能比间隙扩散的要大。因为它是由两部分能量组成：原子跳动激活能和空位形成能。

什么是柯肯达尔效应？柯肯达尔实验结果说明了什么问题？若铜-铝组成的互扩散偶发生扩散时，界面标志物会向哪个方向移动？

答：这种扩散偶中由于扩散系数不同而引起对接面移动的现象称为柯肯达尔效应。柯肯达尔效应直接否定了置换式固溶体扩散的换位机制，支持了空位机制。

柯肯达尔效应还说明，在扩散系统中，每一组元都有自己的扩散系数。向铝方向移动（低熔点和空位的亲和力大，原子向低熔点物质靠近）为什么会发生上坡扩散呢？

答：因为F= - du/dx 。F即为推动原子扩散的化学力，它指向化学位下降的方向。正是由于化学位梯度产生的化学力驱使原子产生迁移，从而使整个系统的自由能降低。

例：将一块纯铁置于渗碳介质中加热至800℃，并长时间保温，使碳原子充分向纯铁中扩散。请在C—x图中标出渗碳层内所形成的相。

为什么金属原子在晶界上的扩散比晶内快得多？

原子沿着位错线进行扩散要比在整齐的晶体内部扩散容易，所以把位错看作“管道”，原子沿着这些“管道”扩散就快得多。冷加工使合金内部位错密度大量增加，则原子的扩散速度也明显增加。

1 将一批齿轮进行渗碳，每炉500件。在900℃渗10小时可以达到规定的深度。假定在900℃渗碳每炉每小时生产成本为1000元，而在1000℃渗碳为1500元。问在哪一温度渗碳成本较低？已知Q=32900cal/mol，R=1.987cal。

D1/D2=Doerf-（Q/900R）/Doerf-(Q/1000R)=0.22

C1-Co/C1-C2=erf(x/2√D1t1)=erf（x/2√D2t2）

D1t1=D2t2 D1/D2=t1/t2=0.22

t2=t1x0.22

900℃时1000t1 1000℃时1500x0.22t1=330t1