物理冶金学考试题

物理冶金学考试题（2012年6月11日）一、名词解释（每小题5分，共30分）1.固溶体一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态晶体。2.共析转变两种以上的固相新相，从同一固相母相中一起析出，而发生的相变，称为共析转变3.成分过冷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。4.钢的淬火将钢件加热到奥氏体化温度并保持一定时间，然后以大于临界冷却速度冷却，以获得非扩散型转变组织，如马氏体、贝氏体和奥氏体等的热处理工艺。5.柯肯达尔效应柯肯达尔效应（kirkendalleffect）原来是指两种扩散速率不同的金属在扩散过程中会形成缺陷，现已成为中空纳米颗粒的一种制备方法。可以作为固态物质中一种扩散现象的描述。6.加工硬化金属材料在再结晶温度以下塑性变形时，由于晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，使金属的强度和硬度升高，塑性和韧性降低的现象，称加工硬化或冷作硬化。二、简答题（任选四题，每小题10分，共40分）1.在一个简单立方晶胞内画出一个（110）晶面和一个[112]晶向。2.为什么钢淬火后要回火？回火后组织和性能有哪些变化？淬火钢存在内应力，性能很脆，回火可以提高韧性、强度等。低温回火下具有高硬度、高耐磨性和较好的韧性中温回火提高弹性极限，具有较好的屈服强度淬火加高温回火又称调质处理，强度高，塑性和韧性也较好（一）马氏体的分解从室温到200℃左右范围内回火时，马氏体中一部分过饱和的碳以及细小的ε-碳化物（FexC或Fe2.4C）形式析出，并分布在马氏体基体上，使马氏体中的含碳量下降，体心正方的正方度c/a减小（即过饱和程度降低），使马氏体热处理的脆性下降，硬度稍降。此时组织为过饱和程度稍低的马氏体和极细小的ε-碳化物组成的混合组织，称为“回火马氏体组织”，M回。ε-碳化物：是一非平衡相，使向Fe3C转变的过渡相。（二）残余奥氏体的转变约在200-300℃，马氏体继续分解的同时，残余奥氏体也发生转变，变成了下贝氏体组织。此时主要组织仍是回火马氏体，但由于加热温度较高，马氏体的过饱和程度进一步降低，组织的硬度降低，塑性提高。由于残余奥氏体转变为硬度较高的下贝氏体，因此钢的硬度下降不大。此时组织为“回火马氏体+下贝氏体”（三）渗碳体形成和铁素体恢复约在300-400℃之间，α固溶体中过饱和的热处理碳逐渐析出，ε-碳化物转变为稳定的较小的Fe3C颗粒，α固溶体中的含碳量几乎达到平衡成分，故马氏体变成铁素体（c/a≈1），体心正方晶格变成体心立方晶格，此时组织为“铁素体与弥散在其中的细粒状渗碳体的混合物”,称为“回火屈氏体”，T回。（四）渗碳体的聚集长大和铁素体的再结晶约在400-650℃之间，渗碳体不断聚集长大，内应力与晶格歪扭完全消除，组织是由铁素体和球化的渗碳体所组成的混合物，称为“回火索氏体”，S回。此时，碳固溶强化作用消失，强度取决于Fe3C质点的尺寸和弥散度。回火温度越高，渗碳体质点越大，弥散读越低，强度越低。回火热处理索氏体组织具有良好的综合机械性能，即强、韧兼备。若继续升温到650℃以上，渗碳体继续粗化，组织变为强度更低的球状珠光体组织，综合机械性能下降，一般不用。3.推导均质形核纯金属凝固过程中临界晶核半径与过冷度的关系。解答：液态金属结晶时，均匀形核时临界晶核半径rK与过冷度△T关系为TLTrmm2，临界形核功△GK等于223316TLTGmmk。异质形核时固相质点可作为晶核长大，其临界形核功较小，kmmkGTLTG4coscos323164coscos3232233*，θ为液相与非均匀形核核心的润湿角。形核率与过冷度的关系为：]exp[）（kTGkTGCNkA，其中N为形核率，C为常数，ΔGA、ΔGk分别表示形核时原子扩散激活能和临界形核功。在通常工业凝固条件下形核率随过冷度增大而增大。4.浓度差会引起扩散，扩散是否总是从高浓度处向低浓度处进行？为什么？扩散是由于梯度差所引起的，而浓度差只是梯度差的一种。当另外一种梯度差，比如应力差的影响大于浓度差，扩散则会从低浓度向高浓度进行。5.画出一个典型共晶相图，并且画出各个特征相区域的成分吉布斯自由能曲线示意图。三、论述题（任选一题，每小题30分，共30分）1.材料强化的主要方法、原理及工艺实现途径。第4页2.固态相变的主要特点。固态相变的特点固态相变有以下主要特征：由于生成相与母相之间比容不同,或由于共格面上原子错配度较大而产生应变能。这种应变能是固态相变的阻力，也会影响相变进程及生成相的形状。固态相变时，往往首先产生形核功最小的亚稳相，再演变为平衡的稳定相。相变时晶核优先在晶体缺陷处形成。生成相与母相之间存在着一定的结晶学取向关系，因为这种关系能降低界面能，使相变沿阻力最小的途径进行。晶核长大有两种方式，一是改组式，二是移位式。前者需要原子的扩散，后者则不要。由于固态下原子扩散困难，故由扩散控制的固态相变，其转变速率很慢，且受温度影响很大。3.塑性变形对材料组织和性能的影响。第28页