天大金属材料学第19讲真题.docx

第19讲考研真题解析—简答天津大学研究生院2001年招收硕士生入学试题三简答1推到出均匀形核时临界晶核半径rk的公式，并简述其物理意义答：以晶胚为球形为例，半径为r,单位体积自由能为AG,晶胚单位面积表面能为o,则体系总自由能的变化为AG=-AGv4 n r3/3+ o 4 n r2A界面吉布斯自由能晶胚 / |体积吉布斯自、由能图6-5晶核半径与的关系公式第一项使得体系自由能降低，第二项表面能恒为正值，使得体系自由能升高， 在每一个过冷度下，晶核有一临界尺寸rk,当小于临界尺寸时，生成的晶胚使得 体系自由能升高，因而不稳定，要溶解掉当r大于rk时方能使得体系自由能降 低，因此是稳定的，可以进一步长大，只有r大于或者等于临界尺寸的晶体才能 成为晶核临界形核尺寸有以下计算过程得出：公式两边对r求微分，再令左式 为0即可最后得到rk=-2/AGk,带入式子AG=-AGv4 n r3/3+ □ 4 n r2 可以得到AGk=Ak/3 这就是说，临界晶核形成功等于表面能的 1/3，这意味着形成临界晶核时，液， 固两相体积自由能差值只能补偿表面能的 2/3,而另外的 1/3 则靠系统自身存在 的能量起伏来补偿2 试着分析在正的温度梯度下为什么固熔体合金可以呈树枝状方式成长而纯金 属则得不到树枝状晶答：在界面附近液体的凝固温度并不是固定不变的,而是温度上升,然而在 Te 与实际温度梯度交接的范围内,液体都是可以凝固的,这种凝固不是由于热的过 冷引起的,而是由于固溶体合金在凝固过程中界面前沿的液体成分有变化而产生 了一个过冷区,称为成分过冷。

这表明在正的温度梯度下,固溶体合金在有成分 过冷的情况下,晶体会以树枝状方式生长而纯金属在正的温度梯度下,热传导只能通过固相散除,铸件的温度主要受熔比 潜热的散热快慢所控制,过冷度中有一小部分温度是为了提供转变驱动力的需 要,而大部分是为了散除融化潜热使得晶体尽快生长,再者,液固界面力图垂直 于热流方向,界面为一平面,晶面为一低指数平面,稳定的向前推进,正温度梯 度下,平面式推进,而在负温度梯度下,才会出现树枝状生长3 讨论含碳量对铁碳合金平衡组织及力学性能的影响答：(1)含碳量对平衡组织的影响在不同成分的铁碳合金室温组织中,组织组成物的相对量或组成相得相对量如图5-63 所示钢白 口 铁titO过共析钢亚乂阳白11祷铁'蒔口口铸歌^c = O.I 成分及组択特征3218%wc = 0.77^ % 高温固态组织为 单相固溶体1 = 用『刁 4.3% ^（.= 0.69%纽织中詁规葉氏体e+F®C i+P计 Pf P+F 內 C j f P+F®C i +Ld 3刖 JLJ +Fe3C 】另外了，平衡组织由铁素体和渗碳体两相组成，当碳含量为零时，合金为单一的铁素体，随含碳量的增加，铁素体直线下降；当渗碳体由零增加至百分百时，形态也会发生变化，如图：（薄片状）-共新Fe3CC层片状）*F创C.（网状》f共晶F电C ｛连续基休）〜 Fe3Ct （粗大片状人 t（2）含碳量对力学性能的影响铁素体强度硬度低，塑性好，渗碳体脆而硬，亚共析钢随着含碳量增加，珠光体 数量逐渐增多，强度，硬度上升，塑性，韧性下降；此后随着含碳量升高，出现 二次渗碳体，当含碳量达到1%后，二次渗碳体将呈连续网状分布，使得钢的脆性大大增加，塑性 强度都大大降低。

4在生产中，钢渗碳总是在奥氏体状态下进行而不是在铁素体状态下进行，试从 两方面说明理由答：1）在生产中，温度较高，因此扩散系数比较大，可以获得较大的扩散速度2）在较高温度下，奥氏体的C溶解度可以达到2.11%，铁素体的C溶解度仅为0.0218，扩散系数随着C浓度的增加而增加，所以渗碳钢总是在A状态下进行, 而不是在铁素体下进行2002三问答题1 一铜片置于间距恒定的两轧制滚轮间（1）此铜片经过完全再结晶后晶粒大小 沿片方向情况（2）如果再较低温度下退火，何处先发生再结晶，为什么？如图 所示答：（1）晶粒大小随着片长逐渐延长而变小2）变形程度较大的先发生再结晶因为变形程度越小，开始结晶的温度就越 咼，以为着临界变形度随着退火温度的升咼而减小2为什么结晶必须要有过冷度？答:这个题目连续出了两年，答此题主要抓住从热力学因素上来讲 液相转变为固相时，由于两者自由焓不同，当降低到某一温度时，固相自由焓等 于液相自由焓，此时这个温度叫做理论转变温度，但是往往温度降低到理论转变 温度以下时，金属才能结晶，因此，理论转变温度和实际转变温度的差值叫做过 冷度，由于固液相自由焓差与过冷度之间有线性关系，而两相自由焓差是结晶的 驱动力，因此结晶必须有过冷度2003二 简答题1 什么是晶胞? 描述晶胞需要哪些晶格常数？ 答：构成晶格的最小单元叫做晶胞 为了描述晶胞的形状和大小，在建立坐标轴时通常以晶胞上的某一个阵点为原 点，以该晶胞上过原点的三个棱边为坐标轴，以该晶胞上过原点的三个棱边为左 边轴x y z,则晶胞的形状和大小既可以由着三个棱边的长度a b c和夹角 等六个 参数表示出来2 为什么碳原子在奥氏体中比在铁素体中的扩散系数大,钢的渗碳处理应该在哪 种状态下进行？答：因为扩散在晶体结构不太紧密的金属晶格中比较容易一些,奥氏体是面心立 方结构,而铁素体是体心立方结构,很显然,碳原子应该在铁素体中容易扩散一 些,但是,在实际生产中,由于温度比较高,扩散速度比较快,扩散速度随着碳 浓度的增加而增加,碳含量使得奥氏体点阵畸变加剧,使得碳的扩散变得更容易 一些。

3 以二元匀晶相图为例,说明在非平衡冷却条件下合金组织中发生偏析的原因, 出现后该如何消除？则厶一一^3讥%)图5-1$匀晶系合金的不平衡结晶答：原子在也太重的扩散速度远大于在固体中的扩散并使得液体组成成分完全均 匀，而原子在固相内来不及扩散，实际生产中，冷却速度比较大，达到某一温度 时，扩散过程尚未来得及充分进行，所以不可能按照想吐所示的温度和成分的平 衡变化规律进行，因此，非平衡凝固的固相的平均成分线和平衡结晶的固相线出 现了偏离，冷却越快，偏离程度越大，这种不平衡结晶使得先结晶部分与后结晶 部分成分出现了差异，不平衡结晶的部分富含高熔点组元，后结晶的部分富含低 熔点组元为了降低晶内偏析造成的成分不同，一般进行均匀化退火来消除4什么是三兀合金相图的重心法则？他能解决问题是什么？答：处于三相平衡的合金，其成分点必须位于共轭三角形的中心位置，而且三个 平衡相之间有如下关系： 合金在某一温度下处于三相共存状态，在此温度下三个平衡相的质量分数可以由 重心法则求出5 冷变形加工对金属材料组织和性能的影响，冷加工金属在随后的加热过程中组 织和性能有如何变化？答：对组织的影响：变形量很大时，晶界变得模糊不清，晶体内部会出现各项异 性，出现形变织构对性能的影响：随着变形的增加，金属的屈服强度和抗拉强度在不断地提高，特别是屈服强度升高的很快，导致屈强比增大，塑性降低 冷加工金属在随后的加热过程中会经历回复与再结晶的过程. 回复过程中性能的变化：电阻率降低，宏观应力去除，微观应力残存。

组织变化：基本没有变化再结晶性能变化：加工硬化消除，强度降低，塑性升高 组织变化：拉长的变形晶粒变为新的等轴晶粒20041 三种常见的金属晶体结构是什么，并列举出几种具有上述晶体结构的实际金属答：最常见的金属通常具有面心立方，体心立方和密排六方三种晶体结构，其中FCC 常见的金属有 Al，Ni，Cu；BCC 常见的金属有 V，Cr，Nb；HCP 的金属 有 Mg， Zn， Be2 纯金属结晶过程中均匀形核与转变相关的能量有哪两种？他们的影响是什 么？答：能量有两种，界面吉布斯自由能和体积吉布斯自由能界面自由能使得体系能量升高，体积吉布斯自由能使得体系能量降低3 描述金属晶界的结构，为什么金相观察时易于观察到晶界？为什么形核及析出 相长大容易在晶界发生？ 答：金属的晶界一般为大角度晶界，晶界相当于晶粒之间的过度层，是仅有 2-3 个原子层厚的薄层，虽然存在规则位置，但是总的来说，原子排列相对无序，也 较稀疏，金相观察时，首先需要浸湿，晶界处的腐蚀速度比基体更快一些，会出 现很多腐蚀坑形核及析出相长大容易在晶界发生的原因：1 晶界处能量高，提供能量补偿；2 结构因素，相变有结构转变，所以晶界的大角度结构满足相变；3 原子排列比较 无序，有利于原子扩散，在形核时有利于形成新相4 按照结构区分固溶体有哪两种类型，形成条件是什么？什么样的固溶体有可能 形成无限固溶体，形成固溶体对合金的性能有什么影响？原因是什么？答：可分为间隙固溶体和置换固溶体置换固溶体是溶质原子进入溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体，溶质原子不占据 晶格的正常位置；间隙固溶体是溶质原子占据溶剂晶格某些接点位置所形成的固 溶体置换固溶体可能形成无限固溶体，当且只在尺寸因素，电负性差和电子浓度，晶 体结构四个因素均有利时，才会形成无限固溶体。

无论是置换固溶体还是间隙固溶体均能引起固溶体的硬度、强度升高，对置换式 固溶体，溶质原子与溶剂原子的尺寸差别愈大，溶质原子的浓度越高，强化效果 也就越大2005二 问答题1 说明影响变形金属再结晶后晶粒度大小的因素和原因答：再结晶后晶粒大小主要决定于变形程度，变形程度越大，再结晶后的晶粒越 细1）在给定温度下发生再结晶需要一个最小变形量，为临界变形度，低于此变形 度，不能再结晶2）变形度越小，开始再结晶的温度就越高 3）再结晶后大小主要决定与变形程度变形量越大再结晶后的晶粒越细4）微量杂质元素可明显的升高再结晶温度或者推迟再结晶过程的进行2 碳在铁素体及奥氏体中的扩散系数为什么存在很大的区别？答：前因为扩散在晶体结构不太紧密的金属晶格中比较容易一些，奥氏体是面心 立方结构，而铁素体是体心立方结构，很显然，碳原子应该在铁素体中容易扩散 一些，但是，在实际生产中，由于温度比较高，扩散速度比较快，扩散速度随着 碳浓度的增加而增加，碳含量使得奥氏体点阵畸变加剧，使得碳的扩散变得更容 易一些4.8天津大学2008 年招收硕士研究生入学试题三、问答题1、为什么非均匀形核与均匀形核容易进行？答：前面又答案2、按溶质原子在溶剂晶格中所占位置，固溶体可分为哪几种类型？并指出他们 的本质区别？答：可分为置换固溶体和间隙固溶体两种置换固溶体是溶质原子进入溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体，溶质原子不占据 晶格的正常位置；间隙固溶体是溶质原子占据溶剂晶格某些接点位置所形成的固 溶体置换固溶体可能形成无限固溶体，当且只在尺寸因素，电负性差和电子浓度，晶 体结构四个因素均有利时，才会形成无限固溶体。

无论是置换固溶体还是间隙固溶体均能引起固溶体的硬度、强度升高，对置换式 固溶体，溶质原子与溶剂原子的尺寸差别愈大，溶质原子的浓度越高，强化效果 也就越大3、碳在铁素体及奥氏体中的扩散系数为什么存在很大的区别？答：前因为扩散在晶体结构不太紧密的金属晶格中比较容易一些，奥氏体是面心 立方结构，而铁素体是体心立方结构，很显然，碳原子应该在铁素体中容易扩散 一些，但是，在实际生产中，由于温度比较高，扩散速度比较快，扩散速度随着 碳浓度的增加而增加，碳含量使得奥氏体点阵畸变加剧，使得碳的扩散变得更容 易一些4、滑移和挛晶的变形机制有什么不同？答：1）发生滑移后，晶体表面出现滑移线和台阶，但挛晶表面依然平整的2） 大量的塑性变形是通过滑移出现的3） 挛晶引起晶体位相变化，而滑移不会4） 挛晶是原子连续切边的结果，滑。