金属学与热处理考试题

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遵
守 考 试 纪 律 注
意 行 为 规 范
哈尔滨工业大学（威海） 2012/2013 学年秋季学期
金属学及热处理A 试题卷（A ）参考答案
考试形式（开、闭卷）： 闭卷 答题时间： 120 （分钟） 本卷面成绩占课程成绩 80 %
一、名词解释（每题2分，共40分）
1. 固溶体：一种或多种溶质原子溶入主组元(溶剂组元)的晶格中且仍保持溶剂组元晶格类型的一类固态物质。

2. 晶胞：晶格最小的空间单位。

一般为晶格中对称性最高、体积最小的某种平行六面体。

3. 结构起伏：熔体中原子的热运动和相互作用力导致的原子团分布不均匀现象。

4. 枝晶偏析：合金以树枝状凝固时，枝晶干中心部位与枝晶间的溶质浓度明显不同的成分不均匀现象。

5. 珠光体：奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。

6. 滑移：晶体相邻部分在切应力作用下沿一定晶体学平面和方向的相对移动。

是金属晶体塑性变形的主要方式。

7. 细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。

8. 回复：经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变之前所发生的某些亚结构和性能的变化过程。

9. 惯析面：固态相变时新相往往沿母相的一定晶面优先形成，该晶面被称为惯析面。

10. 球化退火：将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温一段时间，然后缓慢冷却到略低于Ar1的温度，并停留一段时间，使组织转变完成，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。

11. 时效强化：合金元素经固溶处理后，获得过饱和固溶体。

在随后的室温放置或低温加热保温时，第二相从过饱和固溶体中析出，引起强度，硬度以及物理和化学性能的显著变化，这一过程被称为时效强化。

12. 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。

13. 三次渗碳体：从铁素体F中析出的渗碳体叫三次渗碳体
14. 超塑性：超塑性是指材料在一定的内部条件和外部条件下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。

15. 淬透性：表示钢在一定条件下淬火时获得淬硬层（马氏体层）深度。

它是衡量各个不同钢种接受淬火能力的重要指标之一。

16. 中温回火：回火温度范围为350-500摄氏度，回火后的组织为回火屈氏体
17. 刚度：机械零件或构件抵抗弹性变形的能力。

18. 调质：淬火加高温回火的综合热处理工艺。

19. 软位向：滑移时临界分切应力中取向因子取极大值对应的屈服强度最低叫软位向。

20. 下贝氏体：当过冷奥氏体的温度下降到350至230℃范围时，所形成的产物叫下贝氏体，是由含碳过饱和的片状铁素体和其内部沉淀的碳化物组成的机械混合物。

二、简答题（每题6分，共24分）
1. 影响置换固溶体固溶度的因素有哪些？
答：影响固溶度的因素很多，主要包括以下几方面：
(1)组元的晶体结构类型。

晶体结构类型相同时组元间形成无限固溶体的必要条
件。

溶质与溶剂晶格结构相同则固溶度大，反之较小。

(2)原子尺寸因素。

从晶体稳定的观点看，相互替代的原子或离子尺寸愈接近，
则固溶体愈稳定。

在其他条件相同的情况下，原子半径差小时，有利于形成溶解度较大的固溶体。

(3)电负性。

只有电负性相近的元素才有可能有大的溶解度。

(4)电子浓度因素。

在研究IB族贵金属（Cu基、Ag基、Au基等）固溶体时，
发现在尺寸因素比较有利的情况下，溶质的原子价越高，则其在Cu、Ag、Au中的溶解度越小。

溶质原子价的影响实质上是由电子浓度所决定的。

2. 简述滑移与孪生的异同，比较它们在塑形变形过程中的作用？
答：滑移：一部分晶体沿滑移面相对于另一部分晶体作切晶体作切变，切变时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍；滑移面两侧晶体位向不变；滑移所造成的台阶经抛光后，即使侵蚀也不会重现；滑移是一种不均匀切变，它只集中在某一些晶面上大量进行，而各滑移带之间的晶体并没发生滑移。

与之相对应，孪生主要区别如下：
孪生：一部分晶体沿孪晶面相对于另一部分晶体作切晶变，切变时原子移动距离不是孪生方向原子间距的整数倍；孪生面两边晶体位向不同，成镜面对称；孪晶经抛光后仍能显现，孪生改变晶体取向；孪生是一种均匀切变，即在切变区内，与孪晶面平行的每一层原子面均相对于其比邻晶面沿孪生方向位移
了一定距离。

3. 试推导球状晶核在液相中形成时的临界形核半径及形核功？
答：σππ23434
r G r G V +∆=∆
令
0=∆dr
G
d 可得：临界形核半径V c G r ∆-=σ2 将r c 代入G ∆中可得临界形核功
2
3
)
(316V c G G ∆=∆πσ
4. 简述不同温度下的回复机制？
答：(1)低温回复：主要涉及点缺陷的运动，空位或间隙原子移动到晶界或为错处消失。

空位与间隙原子的相遇复合，空位集结形成空位对或空位片，使点缺陷密度大大下降。

(2)中温回复：随温度升高，原子活动能力增强，位错可以在滑移面上滑移或交滑移，使异号位错相遇相消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合，使亚晶规整化。

(3)高温回复：原子活动能力进一步增强，位错除滑移外，还可攀移，主要机制是多变化。

三、计算题（第一题10分，第二题12分，共22分）
1. 画出纯铜晶体的一个晶胞并完成下列工作：
（1）计算其致密度。

答：铜具有面心立方结构，其晶胞如右图所示
致密度K=
（2）求（121）与（100）决定的晶带轴与（001）和（111）所决定的晶带轴
所构成的晶面的晶面指数。

(121)晶面与(100)晶面的晶带轴为[01-2]; (001)晶面与(111)晶面的晶带轴为[-110];
[01-2]晶带轴与[-110]晶带轴所构成的晶面的晶面指数为(221)
2. 绘制铁碳平衡相图并标出图中各区相组成；写出包晶反应、共晶反应、共析反应的反应式并注明反应温度。

试分析含碳量为0.40wt.%的铁碳合金冷却时的组织转变过程并计算钢中组织组成物（先共析铁素体和珠光体）和相组成物（铁素体和渗碳体）的相对含量。

答：铁碳平衡相图如下图所示
其中：包晶反应： 1495°C
共晶反应： 1148°C 共析反应： 727°C
74.0)42(34434
43
3
33
1=⨯=⨯=a a a r V nV ππC Fe L E C 3+→γC Fe P S 3+→αγJ H B L γδ→+
含碳量为0.40wt.%的铁碳合金冷却时的组织转变过程如下: 首先发生匀晶转变从液相中析出δ 固溶体，冷却至1495°C 时发生包晶转变形成奥氏体，但由于钢中的含碳量大于0.17%，所以包晶转变结束后仍有液相存在，这些残余的液相在随后的冷却过程中继续结晶成奥氏体；单相的奥氏体在冷却过程中在晶界上开始析出铁素体，随温度的不断降低先共析铁素含量逐渐增加，当温度降至727°C 时，发生共析反应形成珠光体，最终该钢在室温下的组织由先共析铁素体和珠光体所组成。

钢中组织组成物的相对含量如下：
%5.49%1000218
.077.040.077.0=⨯--=αω
%5.50%5.491=-=P ω
钢中相组成物的相对含量如下：
%3.94%1000218
.069.640.069.6=⨯--=αω
%7.5%3.9413
=-=C Fe ω
L+Fe 3C
四、论述题（每题14分，共14分）
普通车床的主轴要求具备较好的综合力学性能，一般选用中碳合金钢40Cr （0.4%C）制造，加工工艺路线如下：锻造→正火→切削加工→淬火→回火→精磨→装配：
1.若不经正火工艺，会对零件的组织与性能产生什么影响？
2.淬火加热的临界温度应如何选择？淬火得到什么组织？
3.选择什么温度回火？与淬火组织相比，回火组织的性能有什么变化？
4.在不考虑成本的前提下，要想进一步提高轴颈表面的耐磨性，请你推荐其他的强化方法并简述理由？
答：
1. 因40Cr钢经锻造后呈现纤维状锻造组织，由于加工硬化导致材料硬度升高，
不利于后续的切削加工。

2. 淬火加热温度一般选取Ac3或Ac1以上一定温度，然后以大于临界淬火速
度冷却，经淬火后得到的组织为马氏体或贝氏体组织。

3. 由于40Cr钢属于中碳钢且用于车床主轴，故淬火后应选择在500~650°C进
行高温回火，及调质处理以获得强度、塑形和韧性均较好的综合机械性能。

与淬火组织相比，高温回火后的组织为回火索氏体。

4. 在不考虑成本的前提下，通过以下途径可以提高轴颈表面的耐磨性：表面
淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铬、热喷涂、离子注入以及激光表面改性等。