材料科学基础课后答案一、室温下枪弹击穿一铜板和铅板，试分析长期保持后二板弹孔周围组织的变化及原因 解答：枪弹击穿为快速变形，可以视为冷加工，铜板和铅板再结晶温度分别为远高于室温和 室温以下故铜板可以视为冷加工，弹孔周围保持变形组织 铅板弹孔周围为再结晶组织四、试比较去应力退火过程与动态回复过程位错运动有何不同？从显微组织上如何区分动、 静态回复和动、静态再结晶？ 解答：去应力退火过程中，位错攀移与滑移后重新排列，高能态转变为低能态，动态回复过 程是通过螺型位错的交滑移和刃型位错的攀移使得异号位错相互抵消，保持位错增殖率与消 失率之间动态平衡从显微组织上，静态回复可以看到清晰亚晶界，静态再结晶时形成等轴晶粒，动态回复形成 胞状亚结构，动态再结晶时形成等轴晶，又形成位错缠结，比静态再结晶的晶粒细小 五、讨论在回复和再结晶阶段空位和位错的变化对金属的组织和性能所带来的影响 回复可分为低温回复、中温回复、高温回复低温回复阶段主要是空位浓度明显降低中温 回复阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消，位错密度有所降低，但降幅不大 所以力学性能只有很少恢复高温回复的主要机制为多边化多边化由于同号刃型位错的塞 积而导致晶体点阵弯曲，通过刃型位错的攀移和滑移，使同号刃型位错沿垂直于滑移面的方 向排列成小角度的亚晶界。
此过程称为多边化多晶体金属塑性变形时滑移通常是在许多互 相交截的滑移面上进行，产生由缠结位错构成的胞状组织因此，多边化后不仅所形成的亚 晶粒小得多，而且许多亚晶界是由位错网组成的对性能影响：去除残余应力，使冷变形的金属件在基本保持应变硬化状态的条件下，降低其 内应力，以免变形或开裂，并改善工件的耐蚀性再结晶是一种形核和长大的过程，靠原子 的扩散进行冷变形金属加热时组织与性能最显著的变化就是在再结晶阶段发生的特点： a组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒；b力学性能发生急剧变化，强度、 硬度急剧下降，应变硬化全部消除，恢复到变形前的状态c变形储能在再结晶过程中全部释 放三类应力（点阵畸变）变形储能在再结晶过程中全部释放七、在生产中常常需要通过某些转变过程来控制金属的晶粒度为了适应这一要求，希望建 立一些计算晶粒度的公式若令 d 代表转变完成后晶粒中心之间的距离，并假定试样中转 变量达95%作为转变完成的标准，则根据约翰逊-梅厄方程，符合下式：d =常数（G/N'）i/4式 中，N'为形核率；G为生长率设晶粒为立方体，求上式中的常数解答：根据J-M方程及题意，有O.95 = 1-exp[（-nN'G3t04）/3],所以有 ln0.05= - （nN'G3t 4）/3， 所以 L=[9/nN'G3]i/4OO设再结晶完成后单位体积内晶粒数目为Nv，N二（1—x）Nro dt二丄二（2）*（上）3：V （ ） o 2Nt 16n Go式中，x为再结晶体积分数，取值为0 — 1.0,简化运算取平均值0.5,则再结晶后一个晶粒 体积为1/Nv，而晶粒平均直径d* （1/Nv ） i/3,以k'代表晶粒体积形状系数，则Nv k'c3 =4]- 13d = [k '(2)打16兀八、一楔形板坯经过冷轧后得到厚度均匀的板材，如图, 若将该板材加热到再结晶温度以上退火后，整个板材均 发生再结晶。
试问该板材的晶粒大小是否均匀？为什 么？假若该板材加热到略高于再结晶温度退火，试问再 结晶先从哪一端开始？为什么？答：晶粒大小不均匀，随着楔子的进入，其变 形度逐渐增大，其晶粒度大小随变形情况的变 化如图所示，当变形量小时，晶粒仍保持原状， 这是由于变形小，畸变能小，不足以引起再结 晶，所以晶粒大小没有变化当达到临界变形 度时，得到特别大的晶粒，当超过这个临界变 形度后，则变形越大，晶粒越细，当变形度达 到一定程度后，再结晶晶粒基本保持不变，当 变形度再大时，可能会出现二次结晶，导致晶 粒重新粗化变形越大，冷变形储存能量越高，越容易再结晶因此，在较低温度退火，在较宽处先发生 再结晶九、如果把再结晶温度定义为1小时内能够有95%的体积发生转变的温度，它应该是形核 率N‘和生长率G的函数N‘与G都服从阿夫瑞米方程：N' =N0exp (-QN/kT), G=G0exp (-Q/kT)试由方程 t0.95=[2・84/N'G3]i/4导出再结晶温度计算公式，式中只包含NQg> Qn等项，t0.95代表完成再结晶所需时间解答：根据J-M方程及题意，有0.95 = 1-exp[(-nN'G3t04)/3],所以有 t0 95=[2.84/N'G3]i/4或 N'G3 = k=常数带入 N'与 G 的表达式，N0G03exp [-(Qn + 3Qg)/RT 再)]=k可得到：T 再=(Qn + 3Qg)/ Rin ( N0G03/ k) = k'(QN + 3QG)N。
G0为Arrhenius方程中常数，Qg为再结晶形核激活能，Qn为再结晶晶粒长大激活能Qg、Qn主要受变形量、金属成分、金属纯度与原始晶粒大小影响变形量大于5%后，Qg、Qn大约相等高纯金属，Qg大致与晶界自扩散激活能相当 (题公式有误t3 t4)十、今有工业纯钛、铝、铅等几种铸锭，试问应如何选择它们的开坯轧制温度？开坯后，如 果将它们在室温(20°C)再进行轧制，它们的塑性孰好孰差？为什么？这些金属在室温下是否 都可以连续轧制下去？如果不能，又应采取什么措施才能使之轧成很薄的带材？注: (1)钛的熔点为1672C，在883C以下为密排六方结构，a相；在883C以上为体心立 方结构，B相⑵铝的熔点为660.37C，面心立方结构；⑶铅的熔点为327.502C，面心 立方结构 解答要点：开坯轧制温度时要塑性好，故必须再结晶温度以上, 依据工业纯金属起始再结晶温度与熔点之间关系：T 再=(0.3~°.4)T 熔取 T = 0.4T ，故钛 T =0.4x (1672+273)=778K=505 C 再 熔 再铝 T =0.4x (660+273)=373K=100 C再铅 T =0.4x (327+273)=240K=-33 C再通常可以在此基础上增加100〜200 °C,故可以选择钛开坯轧制温度900 °C (此时为bcc结 构)铝开坯轧制温度200 C —300 C左右，铅开坯轧制温度为室温 开坯后，在室温(20°C)进行轧制，塑性铅好，铝次之，钛差，铅，铝在室温下可以连续轧制下去，钛不能，应采取再结晶退火才能使之轧成很薄的带材十一、由几个刃型位错组成亚晶界，亚晶界取向差为0.057°。
设在多边化前位错间无交互作 用，试问形成亚晶后，畸变能是原来的多少倍？由此说明，回复对再结晶有何影响？ 解答要点：单位长度位错能量 w二 Gb2 ln R4兀(1 -y) r0r0为位错中心半径，R为位错应力场作用最大范围，取r0=b = 10-8cm, R= 10-4cm 多边化前， Gb 2 10-4 Gb2w = ln = ln1041 4 兀(1 -y) 10-8 4 兀(1 -y)多边化后，R=D=b/e = 10-8/10-3 = 10-5 (0 化为弧度=0.057x2n/360 =9.95x10-4 =10-3)Gb2 10-5 Gb2w = ln = ln1032 4 兀(1 -y) 10 -8 4 兀(1 -y)故 W2/W1=ln103/ln104=0.75 说明多边化使得位错能量降低，减少了储存能，使得再结晶驱动力减少十二、已知锌单晶体的回复激活能为20000J/mol,在-50°C温度去除2%的加工硬化需要13 天；若要求在5分钟内去除同样的加工硬化需要将温度提高多少？解答要点：根据回复动力学，回复量R (即题中去除量)与回复时间t和回复温度T，回复 激活能 Q 有关系：lnt=a+Q/RT 可得：InJ— lnt2=Q/RT2-Q/RT2， 即切 t2=exp(Q/RT1-Q/RT2)=exp[Q/R(1/T1-1/T2)] 带入 t】=13d = 18720min，t2 = 5, T】=223K,求 T2 即 18720/5=exp[20000/8.314(1/223-1/T2)]，T2 = 938K=665 C (题数据有误，Zn的熔点为420 C)十三、已知含WZn=0.30的黄铜在400C的恒温下完成再结晶需要1h,而在390C完成再结 晶需要2h,试计算在420C恒温下完成再结晶需要多少时间？解答：由Int=a+Q/RT，可得：Int]=a+Q/RT]Int2=a+Q/RT2In (切 t2)=Q/R(1/T]-1/T2),求得 Q、a 后可解 t=0.26h 十四、纯锆在553C和627C等温退火至完成再结晶分别需要40h和1h,试求此材料的再结 晶激活能。
解答：由Int=a+Q/RT，可得：Int1=a+Q/RT1 Int2=a+Q/RT2In (t/12)=Q/R(1/T]-1/T2),求得 Q=3.08x105j/moI 可解 十五、Fe-Si钢(为0・03)中，测量得到MnS粒子的直径为0・4pm,每mm2内的粒子数为2x105 个计算MnS对这种钢正常热处理时奥氏体晶粒长大的影响(即计算奥氏体晶粒尺寸) 解答：设单位体积内MnS粒子的个数为N (1/mm3),已知单位面积内MnS粒子的个数N va =2x105个，粒子的直径d=0.4ym根据定量金相学原理：Na = d叫，MnS 体积分数 e=nd3 N /6= nd2 N /6=0.0167va这种钢正常热处理时由于MnS粒子的作用，奥氏体晶粒长大极限尺寸D . =4r/3e = 16ym。