有一正方形位错线,其柏式矢量如图所示,试指出图中各段线的 性能,并指出任性位错额外串排原子面所在的位置。D b A B C AD、BC 段为刃型位错; DC、AB 段为螺型位错 AD 段额外半原子面垂直直面向里 BC 段额外半原子面垂直直面向外 第二章 3.为什么金属结晶时一定要有过冷度[1],影响过冷度的因素是什么,固 态金属融化时是否会出现过热[2],为什么?答:由热力学可知,在某种条件下,结晶能否发生,取决于固相的自 由度是否低于液相的自由度,即 ?G =GS-GL<0;只有当温度低于理 论结晶温度 Tm 时,固态金属的自由能才低于液态金属的自由能, 液态 金属才能自发地转变为固态金属,因此金属结晶时一定要有过 冷度。 影响过冷度的因素: 影响过冷度的因素:1)金属的本性, 金属不同,过冷度大小不同;2)金属的纯度,金属的纯度越高, 过 冷度越大;3)冷却速度,冷却速度越大,过冷度越大。 固态金属熔 化时会出现过热度[3]。原因:由热力学可知,在某种条件下,熔化能否 发生,取决于液相自 固态金属熔化时会出现过热度。原因: 由度是 否低于固相的自由度,即 ?G = GL-GS<0;只有当温度高于理论结晶 温度 Tm 时,液态金属的自 由能才低于固态金属的自由能,固态金 属才能自发转变为液态金属,因此金属熔化时一定要有过热度。4.试比较均匀形核和非均匀形核的异同点。相同点:均匀形核与非均匀形核具有相同的临界晶核半径,非均 匀形核的临界形核功也等于三分之一 . 不同点:非均匀形核要克服的位垒比均匀形核的小得多,在相变 的形核过程通常都是非均匀形核优先进行。 核心总是倾向于以使其总 的表面能和应变能最小的方式形成, 因而析出物的形状是总应变能和 总表面能综合影响的结果。5.说明晶体成长形状与温度梯度的关系(1)在正的温度梯度下生长的界面形态: 光滑界面结晶的晶体,若无其它因素干扰,大多可以成长为以密 排晶面为表面的晶体,具有规则的几何外形。粗糙界面结构的晶体,在正的温度梯度下成长时,其界面为平行于熔点等温面的平直界面, 与散热方向垂直,从而使之具有平面状的长大形态,可将这种长大方 式叫做平面长大方式。 (2) 在负的温度梯度下生长的界面形态粗糙界面的晶体在负的 、 温度梯度下生长成树枝晶体。主干叫一次晶轴或一次晶枝。其它的叫 二次晶或三次晶。对于光滑界面的物质在负的温度梯度下长大时,如 果杰克逊因子α 不太大时可能生长为树枝晶, 如果杰克逊因子α 很大 时,即使在负的温度梯度下,仍有可能形成规则形状的晶体。6.简述三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点形成原因:1)表层细晶区:低温模壁强烈地吸热和散热,使靠 近模壁的薄层液体产生极大地过冷[4], 形成原因 形成原 模壁又可作 为非均匀形核的基底,在此一薄层液体中立即产生大量的晶核,并同 时向各个方向生长。 晶核数目多,晶核很快彼此相遇,不能继续生 长,在靠近模壁处形成薄层很细的等轴晶粒区。 2) 柱状晶区: 模壁温度升高导致温度梯度变得平缓; 过冷度小, 不能生成新晶核,但利于细晶区靠近液 相的某些小晶粒长大;远离 界面的液态金属过热,不能形核;垂直于模壁方向散热最快,晶体择 优生 长。 3)中心等轴晶区:柱状晶长到一定程度后,铸锭中部开始形核 长大---中部液体温度大致是均匀的, 每个晶粒的成长在各方向上接近 一致,形成等轴晶。 性能特点:1)表层细晶区:组织致密,力学性能好;2)柱状晶区:组织较致密,存在弱面,力学性 能有方向性; 3)中心等轴晶区:各晶粒枝杈搭接牢固,无弱面,力学性能无 方向性。7.为了得到发达的柱状晶区应采用什么措施,为了得到发达的等轴晶 区应采取什么措施?其基本原理如何?答:为了得到发达的柱状晶区应采取的措施:1)控制铸型的冷 却能力,采用导热性好与热容量大的铸型 为了得到发达的柱状晶区 应采取的措施: 材料,增大铸型的厚度,降低铸型的温度。2)提高 浇注温度或浇注速度。3)提高熔化温度。基本原理:1) 铸型冷却能力越大,越有利于柱状晶的生长。2)提高浇注温度或浇 注速度, 使温度梯 度增大, 有利于柱状晶的生长。 熔化温度越高, 3) 液态金属的过热度越大,非金属夹杂物溶解得越多, 非均匀形核数 目越少,减少了柱状晶前沿液体中的形核的可能,有利于柱状晶的生 长。 为了得到发达的等轴晶区应采取的措施: 为了得到发达的等轴 晶区应采取的措施:1)控制铸型的冷却能力,采用导热性差与热容 量小的铸型材 等轴晶区应采取的措施 料,增大铸型的厚度,提高铸 型的温度。2)降低浇注温度或浇注速度。3)降低熔化温度。 基本原理: 基本原理:1)铸型冷却能力越小,越有利于中心等 轴晶的生长。2)降低浇注温度或浇注速度,使温 度梯度减小,有利 于等轴晶的生长。3)熔化温度越低,液态金属的过热度越小,非金 属夹杂物溶解得 越少,非均匀形核数目越多,增加了柱状晶前沿液 体中的形核的可能,有利于等轴晶的生长。 第三章 1.在正温度梯度下,为什么纯金属凝固时不能呈树枝状生长,而固溶 体合金却能呈树枝状成长?纯金属凝固时,要获得树枝状晶体,必需在负的温度梯度下;在 正的温度梯度下,只能以平面状长大。而固溶体实际凝固时,往往会 产生成分过冷,当成分过冷区足够大时,固溶体就会以树枝状长大。2.何谓合金平衡相图,相图能给出任一条件下的合金显微组织吗?合金平衡相图是研究合金的工具,是研究合金中成分、温度、组 织和性能之间关系的理论基础,也是制定各种热加工工艺的依据。 其中二元合金相图表示二元合金相图表示在平衡状态下, 合金的组成 相或组织状态与温度、成分、压力之间关系的简明图解。平衡状态: 合金的成分、质量份数不再随时间而变化的一种状态。 合金的极缓 慢冷却可近似认为是平衡状态。 三元合金相图是指独立组分数为 3 的体系, 该体系最多可能有四 个自由度,即温度、压力和两个浓度项,用三维空间的立体模型已不 足以表示这种相图。若维持压力不变,则自由度最多等于 3,其相图 可用立体模型表示。若压力、温度同时固定,则自由度最多为 2,可 用平面图来表示。通常在平面图上用等边三角形(有时也有用直角坐 标表示的)来表示各组分的浓度。 不能,相图只能给出合金在平衡条件下存在的合金显微组织 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?在固溶体合金凝固时,在正的温度梯度下,由于固液界面前 沿液相中的成分有所差别,导致固液界面前沿的熔体的温度低于 实际液相线温度,从而产生的过冷称为成分过冷。 这种过冷完全是由于界面前沿液相中的成分差别所引起的。 温度 梯度增大,成分过冷减小。 成分过冷必须具备两个条件:第一是固~液界面前沿溶质的富集而引起成分再分配; 第二是固~液界面前 方液相的实际温度分布,或温度分布梯度必须达到一定的值。 对合金而言,其凝固过程同时伴随着溶质再分配,液体的成分始 终处于变化当中, 液体中的溶质成分的重新分配改变了相应的固液平 衡温度,这种关系有合金的平衡相图所规定。利用“成分过冷”判断 合金微观的生长过程。第四章 1.分析ω c=0.2%,wc=0.6%,wc=1.2%的铁碳合金从液态平衡冷却 到室温的转变过程。 ω c=0.2%: L---L+δ ---δ →γ (1495 度)---γ +L---γ ----α +γ ----γ →α (727 度)---α +Fe3C; (γ =A,α =F;下同) ω c=0.6%: L---γ +L---γ ----α +γ ----γ →α (727 度)---α +Fe3C; ω c=1.2%: L---γ +L---γ ----Fe3C+γ ----γ →α (727 度)---α +Fe3C; 室温下相组成物的相对含量: ω c=0.2%,渗碳体相对含量=(0.2-0.02)/6.67 %,余量铁素体 ω c=0.6%,渗碳体相对含量=(0.6-0.02)/6.67 %,余量铁素体 ω c=1.2% 渗碳体相对含量=(1.2-0.02)/6.67 %,余量铁素体 室温下组织组成物的相对含量: ω c=0.2%,珠光体相对含量=(0.2-0.02)/0.77%,余量铁素体 ω c=0.6%,珠光体相对含量=(0.6-0.02)/0.77 %,余量铁素体 ω c=1.2%,渗碳体相对含量=(1.2-0.77)/6.67 %,余量珠光体 2.分析ω c=3.5%、ω c=4.7%的铁碳合金从液态到室温的平衡结晶过 程, 画出冷却曲线和组织转变示意图, 并计算室温下的组织组成物和 相组成物。 解:下图表示ω c=3.5%%的铁碳合金从液态到室温的平衡结晶过程: 下图表示ω c=4.7%的铁碳合金从液态到室温的平衡结晶过程: 3.计算铁碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大可能含量。答:铁碳合金中二次渗碳体即 Fe3CⅡ的最大可能含量产生在 2.11%C 的铁碳合金中,因此 (Fe3CⅡ)max=(2.11-0.77)/(6.69-0.77)x100%=22.64% 三次渗碳体即 Fe3CⅢ的可能最大含量在 0.0218%C 的铁碳合金中, 因此 (Fe3CⅢ)max(0.0218-0.006)/(6.69-0.006)x100%=0.24%4.分别计算莱氏体中共晶渗碳体、二次渗碳体、共析渗碳体的含量。 解:在莱氏体中, Fe3C 共晶%=(4.3-2.11)/(6.69-2.11)*100%=47.8% Fe3CⅡ%=[(6.69-4.3)/(6.69-2.11)]*[(2.11-0.77)/ (6.69-0.77)]*100%=11.8% Fe3C 共析%=[(6.69-4.3)/(6.69-2.11)-11.8%]*[(0.77-0.0218)/ (6.69-0.0218)]*100%=4.53%5.为了区分两种弄混的钢,工人分别将 A、B 两块碳素钢试样加热至 850 ℃保温后缓冷, 金相组织分别为: A 试样的先共析铁[5]素体面积 为 41.6%, 珠光体面积为 58.4%;B 试样的二次渗碳体面积为 7.3%, 珠光体面积为 92.7%; 设铁素体和渗碳体的密度相同,铁素体的含碳 量为零, 求 A、B 两种碳素钢的含碳量。