金属学实验讲义

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1、金属学作业第二章：金属及合金的晶体结构一、复习思考题 二、习题一、复习思考题1. 概念：晶胞、单晶体、多晶体、晶粒、刃型位错、螺型位错、固溶体、金属间化合物 2空间点阵与晶体点阵有何区别？试举例说明。3. 晶体中的位错属于哪种缺陷？4. 在体心立方晶格中原子密度最大的晶面和晶向分别是什么？在面心立方晶格中原子密度 最大的晶面和晶向分别是什么？5. 晶体与非晶体最根本的区别是什么？6. 晶体中的缺陷类型有哪几种？举例说明。7. 已知面心立方晶格的晶格常数为a,试求出(100)、(110)和(111)晶面的面间距，并 指出面间距最大的晶面。8. 体心立方晶格的晶格常数为a,试求出(100)、(11

2、0)和(111)晶面的面间距，并指出 面间距最大的面。9在晶体中有一平面环状位错线，请问此位错环能否各部分都是刃型位错？或各部分都是 螺型位错？为什么？10在一个简单立方的二维晶体中，画出一个正刃型位错和一个负刃型位错，并 (1)用柏氏回路求出正、负刃型位错的柏氏矢量；( 2 )若将正、负刃型位错反向时，其柏氏矢量是否也随之反向；(3) 具体写出该柏氏矢量的大小和方向；(4) 求出此两位错的柏氏矢量和。二、习题1说明间隙固溶体和间隙化合物的异同点。2. 常见的金属化合物有哪几类？它们各有何特点？Mg2Si、ZnS、Fe3C、VC、Cu31Sn8等 是哪种类型的化合物？3. 碳可以溶入铁中而形成

3、间隙固溶体，试分析是a -Fe还是Y -Fe能溶入较多的碳，为什么？4. 作图表示出立方晶系的(123)、(112)、(421)、( 231)晶面和210、111、346、110 晶向。5. 试计算体心立方晶格的100、 110、 111晶面的原子面密度和、 、 晶向的原子线密度，并指出其中最密面和最密方向。6. 固溶体和化合物在结构、性能方面有什么差异？7. 常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数各有什么特点？ a -Fe、 Y -Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种晶体结构？8. 已知a -Fe的晶格常数a=2.87X10-10m， Y -Fe的晶格常数

4、a= 3.64X10-10m,试求出a -Fe 和Y -Fe的原子半径和致密度。9. 在立方晶系的一个晶胞中画出(111)和(112)晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。10. 求下列晶面的晶面间距，并指出晶面间距最大的晶面：(1) 已知室温下a -Fe的点阵常数为0.286nm,分别求出(100), (110), (123) 的晶面间距。(2) 已知916C时丫 -Fe的点阵常数为0.365nm，分别求出(100),(111), (112)的晶面间距。11、纯金属中溶入另一组元后（假设不会产生新相）会带来哪些微观结构上的变 化？这些变化如何引起性能上的变化？二、基本概念组织，相，位错，刃型位错

5、，螺型位错，金属键，固溶体，金属化合物，晶 胞，空间点阵，配位数，晶带，晶格，界面能，表面能第三章纯金属的结晶一、复习思考题指出下列各题错误之处，并更正1. 在任何温度下，液态金属中出现的最大结构起伏都是晶胚2. 在任何过冷度下，液态金属中出现的最大结构起伏都是晶核。3所谓临界晶核，就是体系自由能的减少完全补偿表面自由能增加时的晶胚大小。4. 在液态金属中，凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核，但是只要有足够的能 量起伏提供形核功，还是可以成核。5. 为生产一批厚薄悬殊的砂型铸件，且要求均匀的晶粒度，则只要在工艺上采取加形核剂 就可以满足。6. 非均匀成核总是比均匀成核容易，因为前者是以

6、外加质点为结晶核心，不像后者那样形 成界面，而引起自由能的增加。7. 在研究某金属细化晶粒工艺时，主要寻找那些熔点低，且与该金属晶格常数相近的形核 剂，其形核的催化效能最高。8. 纯金属生长时，无论液/固界面呈粗糙或光滑型，其液相原子都是一个一个地沿着固相面 的垂直方向连接上去。9. 无论温度分布如何，常用纯金属生长都是呈树枝状界面。10. 人们是无法观察到极纯金属的树枝状生长过程，所以树枝状的生长形态仅仅是一种推理。11. 纯金属结晶呈垂直方式生长时，其界面时而光滑，时而粗糙，交替生长。12. 从宏观上观察，若液/固界面是平直的称为光滑界面结构，若是呈金属锯齿形的称为粗 糙界面结构。13.

7、实际金属结晶时，形核率随着过冷度的增加而增加，超过某一值后，出现相反的变化。14. 纯金属在结晶时，晶体长大所需要的动态过冷度有时还比形核所需要的临界过冷度大。二、习题1. 试比较过冷度、动态过冷度及临界过冷度的区别。2. 分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。3. 什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？4. 试分析单晶体形成的基本条件。5. 已知铜的熔点为1083C,结晶潜热为1.88X109J/m3,液固界面的界面能O为0.144 J/m2。 试计算铜在853C凝固时（均匀形核）的临界晶核半径？并计算临界晶核中有多少个铜原 子？6. 在液态中形成一个半径为r的球形晶核时，证明

8、临界形核功G与临界晶核体积V间的k关系为 G =V/2A Gkv7 .简述纯金属晶体长大的机制及其与固/液界面微观结构的关系。&设液体结晶时，形成边长为a的立方体晶核。已知均匀形核的单位固液界面能O和固液单 位体积自由能差厶G，推导出临界晶核边长a*和临界晶核形成功 G*。V9. 从能量的角度，分析指出结晶过程的阻力是什么？动力是什么？10. 简述三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点。三、讨论题今欲获得全部为细等轴晶粒的铸件，你知道有哪些方法？并请说出各种方法的基本原理。第四章 二元合金的结晶及相图一、复习思考题 指出下列各题错误之处，并更正。1固溶体晶粒内的枝晶偏析，由于主轴与枝间的成分不同

9、，所以整个晶粒不是 一个相。2固溶体合金无论平衡或非平衡结晶过程中，液/固界面上液相成分沿着液相平 均成分线变化；固相成分沿着固相平均成分线变化。3根据相律计算，在匀晶相图中的两相区内，其自由度为 2，即温度与成分都 可以独立改变。4在共晶线上利用杠杆定律可以计算出共晶体的重量百分数，而共晶线属于三 相区，所以杠杆定律不仅适用于两相区，也适用于三相区。5任何合金在不平衡结晶时，总是先结晶的固溶体晶轴含高熔点组元较多，而 后结晶的固溶体枝间含低熔点组元较多。6固溶体核长大的过程，就是液相与固相内出现“平衡不平衡平衡 不平衡”的反复发展过程。7当固溶体合金液相快速冷却至液、固两相区内某一温度，并保

10、持一定的时间 后，再缓慢冷至室温，仍可以获得平衡状态的组织。8固溶体合金圆棒顺序结晶过程中，液/固界面推进的速度越快，则棒中宏观偏 析越严重。9平均分配系数取决于液相线与固相线的水平距离。因此，合金的成分越靠近 匀晶相图的两端，就越小。10将固溶体合金棒反复多次“熔化凝固”，并采用定向快速凝固的方法，可 以有效地提纯金属。11厚薄不均匀的 Ni-Cu 合金铸件，结晶后薄处易形成树枝状组织，而厚处易形 成胞状组织。12亚共晶合金的典型平衡组织为初生相+共晶相。13在不平衡结晶条件下，靠近共晶线端点内侧的合金比外侧的合金易于形成离 异共晶组织。14.具有包晶转变的合金，室温的相组成物为a +p，其

11、中p相均是包晶转变 产物。15具有包晶转变合金的室温组织中，不平衡结晶状态比平衡结晶状态的初生相 总是偏多。16纯金属和固溶体的铸态组织一样，都具有等轴晶粒。二、习题1试比较共晶转变、包晶转变、共析转变与匀晶转变的异同。2. 在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能成树枝状成长，而固溶体合金却 能成树枝状成长？3有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的含镊量W =90%,Ni 另一个铸件的 W =50%，铸件自然冷却。问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什 么？找出消除偏析的措施。4何谓成分过冷？成分过冷对固溶体结晶时晶体长大方式和铸锭组织有何影 响？三、讨 论 题1. 由于实际操

12、作中金属液体的凝固往往很难保证按平衡凝固进行，那么，对于分 别具有匀晶、共晶、包晶相图的非平衡凝固过程是如何进行的？你认为可能会出 现哪些缺陷？如何防止或克服这些缺陷？第五章 铁碳相图及铁碳合金的结晶一、复习思考题 指出下列各题错误之处，并更正： 1铁素体与奥氏体的根本区别在于溶碳量不同，前者少而后者多。2. 727C是铁素体与奥氏体的同素异构转变温度。3. Fe-Fe3C相图上的G点是a相与Y相的同素异构转变温度。4. 在平衡结晶条件下，无论何种成分的碳钢所形成的奥氏体都是包晶转变产物。5. 在Fe-Fe3C系合金中，只有过共析钢的平衡结晶组织中才有二次渗碳体存在。6. 在Fe-Fe3C系合

13、金中，只有含碳量低于0.0218%的合金，平衡结晶的组织中 才有三次渗碳体存在。7. Fe-Fe3C相图中的GS线也是碳在奥氏体中的溶解度曲线。8. 凡是碳钢的平衡结晶过程都具有共析转变，而没有共晶转变；相反，对于铸 铁则只有共晶转变而没有共析转变。9. 无论何种成分的碳钢，随着含碳量的增加，组织中铁素体相对量减少，而珠 光体相对量不断增加。10. 在含碳4.3%共晶白口铸铁的显微组织中，白色的基体为Fe3C,其中包括Fe3CI、Fe3CII、Fe3CIII、Fe3C 共析及 Fe3C 共晶。11. 图4-1 (a)为过共析钢苦味酸钠浸蚀后的组织，白色为奥氏体晶粒，黑白 网状晶界为二次渗碳体。

14、停I乩1预1 1. 1 7, 13, 1 d中细如12. 图4-1 (b)组织为珠光体+铁素体，从图中定量关系可以看出，该钢属于60 钢(含 0.6%C)。13. 图4-1 (c)为含0.77%C的珠光体组织，图中显示渗碳体片密集程度不同， 凡是片层密集处则含碳量偏多，而疏稀处则含碳量偏少。14. 图4-1 (d)为亚共晶白口铸铁的室温组织，其中呈树枝状分布的组织为珠 光体，而莱氏体中小黑块为奥氏体。15. 在观察亚共晶白口铸铁组织时发现，在大块珠光体周围的莱氏体中(如图 4-29 (d)白色部分)含碳量偏高。二、习题1 作含碳0.2%钢的冷却曲线，绘制1496C、1494C、912C、750

15、C、725 C及 20 C下的组织示意图。2. 厚20mm的共析钢板在强脱碳性气体中加热至930C和780C两种温度，并长 时间保温，然后缓慢冷至室温，试画出钢板从表面至心部的组织示意图，并解释 之。3试说明铁碳合金平衡组织中各类渗碳体的形成条件、存在形式与显微组织特 征。4试利用冷却曲线分析含碳量0.3%亚共析钢平衡组织的形成过程。若已知亚共 析组织中先共析铁素体含量为 90%，试确定该钢的大致含碳量。5试分析在一个含碳量 2.0%的铁碳合金试样组织中出现少量莱氏体的原因。6. (1)画出铁碳相图，标出各区的组织组成物；(2) 分析20号、45号、T12、共析钢的平衡结晶过程及室温组织，并画出室温平 衡组织示意图，标出各组织组成物；(3) 根据杠杆定律，计算各组织组成物的相对重量。三、讨 论 题冷却速度对合金组织有着重要的影响，今要使钢：晶粒得到细化；产生良好 的时效强化效果。请问从冷却速度方面，你能想到什么办法来达到以上目的？四、概念a-Fe、铁素体、珠光体、奥氏体、金属键、离子键、共价键、极化键、位错、 过冷度、相律