贵州大学金属学与热处理原理.pdf

1、静应力下，材料塑形变形方式是什么，从理论上解释滑移和孪生在常温和低温下金属的塑性变形主要通过滑移方式进行，此外， 还有孪生等其他方式滑移是晶体在切应力的作用下, 晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面 )上的一定方向(滑移方向 )相对于另一部分发生滑动滑移只能在切应力作用下才会发生, 不同金属产生滑移的最小切应力(称滑移临界切应力)大小不同钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动, 而是通过位错的运动来实现的在切应力作用下,一个多余半原子面从晶体一侧到另一侧运动, 即位错自左向右移动时, 晶体产生滑移由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量 , 因此晶体发生的总变形量一定是这个方向上的原子间距的整数倍滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面 )和其上密度最大的晶向(密排方向 )进行 , 这是由于密排面之间、密排方向之间的间距最大，结合力最弱而面与面之间的距离却最大，即密排晶面之间的原子间结合力最弱，滑移阻力最小， 因而最易于滑移所以滑移面为该晶体的密排面， 滑移方向为该面上的密排方向一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。

如体心立方晶格中，(110) 和[111]即组成一个滑移系滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大，所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好金属塑性的好坏，不只是取决于滑移系的多少，还与滑移面上院原子的密排程度和滑移方向的数目等因素有关孪生在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面 )和晶向 (孪生方向)发生切变的变形过程发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶孪晶与未变形部分晶体原子分布形成对称孪生所需的临界切应力比滑移的大得多孪生只在滑移很难进行的情况下才发生体心立方晶格金属(如铁 )在室温或受冲击时才发生孪生而滑移系较少的密排六方晶格金属如镁、锌、镉等, 则比较容易发生孪生2、影响屈服强度的因素有哪些，请举例说明屈服强度是指材材料开始产生宏观塑性变形时的应力对于屈服现象明显的材料，屈服强 度就屈服点的应力—屈服值；对于屈服现象不明显的材料，通常将应力-应变曲线上以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%残留变形的应力作为屈服强度，符号为σ0.2 或σs屈服强度通常用作固体材料力学机械性质的评价指标，是材料的实际使用极限。

影响屈服强度的内在因素有：1.金属本性及晶格类型——纯金属单晶体的屈服强度由位错运动时所受的阻力决定这些阻力有晶格阻力和位错间交互作用产生的阻力之分其中晶格力与位错宽度和柏氏矢量有关，而两者又与晶体结构有关位错间交互产生的阻力包括平行位错间交互产生的阻力和运动位错与林位错交互产生的阻力用公式表示：T=α Gb/L,式中 α 为比例系数，又因为密度ρ 与1/L2 成正比，因此，T=αGbρ1/2 ，由此可见，密度增加，屈服强度也随之增加2.晶粒大小和亚结构——晶粒大小的影响是晶界影响的反映，减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目， 减小晶粒内位错塞积群的长度，将使屈服强度提高许多金属与合金的屈服强度与晶粒大小的关系均符合霍尔佩奇公式σs=σj+kyd-1/2, 式中， σ j 是位错在基体金属中运动的总阻力，亦称摩擦阻力，它决定于晶体结构和位错密度；ky 是度量晶界对强化贡献大小的钉扎常数，或表示滑移带端部的应力集中系数；d 为晶粒平均尺寸亚晶界的作用和晶界类似，也阻碍位错的运动3.溶质元素——纯金属中融入溶质原子形成间隙型或置换型固溶合金将会显著提高屈服强度，此即为固溶强化这主要是由于溶质原子和溶剂原子直径不同，在溶质周围形成了晶格畸变应力场，该应力场产生交互作用，使位错运动受阻，从而提高屈服强度。

4.第二相——工程上的金属材料，其显微组织一般是多相的第二相对屈服强度的影响与质点本身在金属材料屈服变形过程中能否变形有很大关系据此可将第二相质点分为不可变形和可变形的两类根据位错理论，位错线只能绕过不可变形的第二相质点，为此，必须克服弯曲位错的线张力不可变形第二相质点的金属材料，其屈服强度与流变应力就决定于第二相质点之间的间距 对于可变形的第二相质点，位错可以切过，使之同基体一起变形，由此也能提高屈服强度第二相的强化效果还与其尺寸、形状、 数量和分布以及第二相与基体的强度、塑性相应硬化特性、 两相间的晶体学配合和界面能等因素有关在第二相体积比相同的情况下，长形质点显著影响位错运动，因而具有此种组织的金属材料，其屈服强度就比球状的高综上所述， 表征金属微量塑性变形抗力的屈服强度是一个对成分、组织极其敏感的力学性能指标，受许多内在因素的影响，改变合金成分或热处理工艺可使屈服强度产生明显变化影响屈服强度的外在因素有：1.温度——一般升高温度金属材料的屈服强度降低，但是，金属材料晶体结构不同，其变化趋势也不一样比如，bcc 金属的屈服强度具有强烈的温度效应2.应变速率——拉伸时，加载速度增大，应变速率增大，金属材料的强度将会增加。

这 主要是因为， 任何一种金属都有自己塑性变形的传播速度，如果加载速度大于它本身的塑性传播速度， 必然会导致屈服点的提高这是因为加载速度太快，外力方向的晶面转动不充分，滑移在试样的生长、 扩展过程中就会受阻，在宏观上表现为起始塑性变形的抗力提高此为，随着形变硬化的产生， 自发消除硬化的回复无法进行，而形变硬化又会阻碍形变的继续发展，因此要达到所需的残余形变，就必须继续增大外力，这也表现为起始塑性变形抗力的提高3.应力状态——应力状态对金属材料屈服强度的影响也很重要切应力分量愈大，愈有利于材料的塑性变形，屈服强度就越低，所以扭转比拉伸的屈服强度低，拉伸要比弯曲的屈服强度低， 同应力状态下材料屈服强度不同，并非是材料性质变化，而是材料在不同条件下表现的力学行为不同而已我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度3、为什么金属晶体原子排列是规则的，为什么有结合力？当大量金属原子结合成固体时，为使固态金属具有最低的能量，以保持其稳定状态，大量原子之间也必须保持一定的平衡距离这就是固态金属中的原子趋于规则排列的重要原因如果试图从固态金属中把某个原子从平衡位置拿走，就必须对他做工，以克服周围原子对它的作用力。

显然，这个要被拿走的原子周围近邻的原子数越多，所需要做的功便越大由此可见，原子周围最近邻的原子数越多，原子之间的结合能（势能）越低能量最低的状态是最稳定的状态，而任何系统都有自发从高能状态向低能状态转化的趋势因此， 常见金属中的原子总是自发地趋于最紧密的排列，以保持最稳定的状态4、为什么金属有导体半导体和非导体之分？固体能够导电是固体中的电子在外场作用下做定向运动的结果.从能带理论看 ,是电子从一个能级跃迁到另一个能级上去对于满带,其中能级已被电子占满,在外电场的作用下满带中的电子并不形成电流,对导电没有贡献.对于被电子部分占满的能带,在外电场的作用下,电子可以从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去,形成了电流 ,起导电作用 金属中 ,由于组成金属的原子中的价电子占据的能级是部分占满的,所以金属是良好的导体. 半导体与非导体类似,下面都是已被电子占满的满带,中间是禁带 ,上面是空带 .所以在热力学零度时 ,在外电场的作用下并不导电.当外界条件变化时,就有少量电子被激发到空带上去,在外场作用下就会参与导电.而绝缘体只是禁带宽度太大,激发电子需要很大的能量,在通常温度下 ,激发上去的电子很小,导电性差。

5、举例说明位错对金属强度、塑形变形、扩散和相变都有显著影响，为什么？金属材料的强度与位错在材料受到外力的情况下如何运动有很大的关系如果位错运动受到的阻碍较小， 则材料强度就会较高实际材料在发生塑性变形时，位错的运动是比较复杂的，位错之间相互反应、位错受到阻碍不断塞积、材料中的溶质原子、第二相等都会阻碍位错运动，从而使材料出现加工硬化因此，要想增加材料的强度就要通过诸如:细化晶粒 (晶粒越细小晶界就越多，晶界对位错的运动具有很强的阻碍作用)、有序化合金、第二相强化、固溶强化等手段使金属的强度增加以上增加金属强度的根本原理就是想办法阻碍位错的运动在金属及合金中，扩散既可以在晶内进行，也可以沿外表面、晶界、相界及位错线进行原子沿位错线的扩散比整齐晶体的内部扩散要容易些位错线是晶格畸变的管道，并相互联通， 形成网络 原子沿着位错管道的扩散激活能还不到晶格扩散激活能的一半，因此位错加速晶体中的扩散过程位错密度增加， 会使晶体中的扩散速度加快例如冷加工后金属中的扩散速度比退火金属中的大，位错的影响是一个因素位错可以促进相变如：位错可以诱发马氏体相变在不受外力作用时，位错的应变区不能诱发马氏体形核；位错在马氏体的长大过程可以被继承，并可促进马氏体的进一步长大;在相变的驱动下，位错可逐渐运动。

应力诱发马氏体首先在位错芯附近形核,长大过程中先形成蝶状马氏体,位错芯位于两翼相交处.随后位错多余半原子面的中部也发生了马氏体形核.在拉应力、热运动和系统内应力等因素共同作用下,不同取向的马氏体在长大过程中可以逐渐转化和合并.位错降低了应力诱发马氏体形核的激活能,而且在相变中起到了形状应变的塑性协调作用. 阻碍位错的运动在相变的过程中可以产生相变强化马氏体相变时发生了不均匀的切变，产生了大量的位错马氏体中的碳原子钉扎位错引起固溶强化6、八面体间隙，7、四面体间隙，8、晶粒度，多晶体内的晶粒大小9、单晶体，是指样品中所含分子(原子或离子 )在三维空间中呈规则、周期排列的一种固体 状态若一块晶体只由一个晶核长成，只有一个晶粒10、多晶体：指的是原子在整个晶体中不是按统一的规则排列的，无一定的外形，其物理性质在各个方向都相同11、加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高.而塑性和韧性降低的现象，又称冷作硬化12、45 钢在 780，860，1000 度加热水冷后组织和性能有何不同钢在 780 度加热后得到细小的奥氏体晶粒和保留少量的渗碳体质点，水冷后得到隐晶马氏体和其上均匀分布的粒状碳化物，从而不但使钢具有更高的强度、硬度和耐磨性， 而且也具有较好的韧性。

钢在860 度加热水冷后的组织是获得铁素体+马氏体双相组织，即可保证钢的一定强度，有可保证刚具备良好的塑性、韧性和冲压成型性钢在1000 度加热水冷后得到粗片状马氏体，使钢的脆性增大13、为什么合金钢油淬，碳钢水淬淬火冷却时， 要保证获得马氏体组织，必须使奥氏体以大于马氏体临界冷却速度冷却，而快速冷却会产生很大淬火应力，导致钢件的变形与开裂因此， 淬火工艺中最重要的一个问题是既能获得马氏体组织，又要减小变形、防止开裂常用冷却介质：目前应用最广泛的淬火冷却介质是水和油实际生产中，使用的冷却介质较多，到目前为止，尚未找到一种介质，能完全符合理想淬火冷却速度的要求水具有较强烈的冷却能力，用作奥氏体稳定性较小的碳钢的淬火，水冷却介质最为合适油的冷却能力比水小，因此，生产中用油作冷却介质，只适用于过冷奥氏体稳定性较大的合金钢淬火淬火过程中产生的内应力有:相变应力和热应力.碳钢的过冷奥氏体稳定性比较低,只有用水淬(冷却能力强 )才能保证它有足够的冷却速度,以避免发生奥氏体提前分解而得不到马氏体.而合金钢一般过冷奥氏体稳定性比较大,用油淬就足以保障马氏体转变的发生,如果用水淬的话会导致钢的内应力过大而引起工件开裂报废 ,用油淬冷却速度较慢,热应力也较小一般不会引起工件开裂报废14、为什么热应力表层是压应力，心部是压应力（见金属学与热处理哈工大崔忠圻版283-284）15、回火脆性（第一第二、低温高温）哪个可逆。

见金属学与热处理哈工大崔忠圻版275）16、为什么zr 和 C的结合强度高于Mn 因为 zr 为强碳化物形成元素，与碳有极强的亲和力，只要有足够的碳，就能形成碳化物，仅在缺少碳的情。