高等金属学期末作业

北京工业大学wangyan1．位错在金属晶体中运动可能受到哪些阻力?答：晶体点阵阻力，位错之间的相互作用力，固溶体中的溶质原子造成的晶格畸变引起的阻力，弥散的第二相对位错运动造成的阻力（沉淀相颗粒和晶体晶格错配应力场产生的阻力），相界对位错的阻力，自由表面对位错的作用。2.合金体系中存在不同的球状沉淀粒子时，如果在一定温度下保温，则小粒子溶解，大粒子长大，其驱动力是什么？小粒子是如何溶解，大粒子又是如何长大？粒子平均半径如何随时间变化？答：粗化过程驱动力是界面能的降低。当沉淀相越小，其中每个原子分到的界面能越多，化学势越高，与它处于平衡的母相中的溶质原子浓度越高，即c（r2）c(r1)。由此可见，在大粒子r1和小粒子r2之间的基体中存在浓度梯度，因此必然有一个扩散流，在浓度梯度的作用下，大粒子通过吸收基体中的溶质而不断长大，小粒子则要不断溶解、收缩，放出溶质原子来维持这个扩散流。所以出现了大粒子长大、小粒子溶解的现象。粒子长大速度：母相溶质原子扩散：新相长大速度：求解：粒子长大速度讨论①rr时，dr/dt0,半径小于r的粒子溶解。②rr时，dr/dt0,半径大于r的粒子长大。③r=2r时，dr/dt为最大值,粒子长大速度最快。④粗化过程中，小粒子溶解，大粒子长大，粒子总数减小，r增加。小粒子溶解更快。温度T升高，扩散系数D增大，使dr/dt增大。所以当温度升高，大粒子长大更快，小粒子溶解更快。3．24dcJRDdR2244drdcrRDdtdR2()11()DMCdrdtRTrrr北京工业大学wangyan4．5.（1）用塑性变形位错理论说明金属材料的晶粒越细小，其强度越高原因。（2）应用位错理论导出金属材料宏观屈服强度σs与晶粒直径d之间的关系。（3）结合工程实际应用举3例说明细化金属材料晶粒的方法及工艺原理。（1）粗大晶粒晶界处塞积位错数目多，形成较大的应力场能够使相邻晶粒内的位错源启动，使变形继续；相反，细小晶粒的晶界处塞积的位错数目少，要使变形继续，须施加更大的外部作用力，从而体现了细晶对材料强化的作用。（2）位错在晶界塞积应力场造成临近晶粒变形位错塞积条数n塞积位错集中切应力τp设晶界相邻晶粒位错开动所需切应力τg由集中应力τp提供，此时若已引起晶粒全面滑移，外加切应力达到临近切应力，则：令则用拉应力表示则为：（3）（1）结晶过程中的晶粒细化：提高结晶过冷度；机械振动；加入形核剂（也称孕育剂、变质剂）；降低浇注温度、采用金属铸型；铸铁、铸造铝合金变质处理孕育处理；连铸连轧（2）变形加工过程中的晶粒细化：冷加工变形量、再结晶退火温度、加热速度；热加工中的晶粒细化。采用低的变形终止温度、大的最终变形量、快的冷却速度获得细小晶粒。（3）热处理过程中的晶粒细化：加热温度、加热时间控制；加热方法选取（感应加热、三束加热）；采用循环加热及奥氏体逆相变方法；形变热处理；冷却过程中的晶粒控制（钢的正火处理）6．用马氏体相变理论说明（1）钢中马氏体具有高强度原因（2）马氏体相变产生形状记忆效应原因及条件（3）马氏体相变增韧（4）马氏体相变诱导塑性。aklnGb2()ipaKdnGb2()cigpKdGbgsGbkK12ciskd12siKd北京工业大学wangyan答（1）马氏体转变时，在晶格内造成晶格缺陷密度很高的亚结构，如板条马氏体中高密度的位错、片状马氏体中的孪晶等，这些缺陷都阻碍位错的运动，使得马氏体强化。这就是相变强化。（2）形状记忆效应被记忆的是母相的形状。只有逆转变使形变完全消除时才能看到合金的记忆效应。马氏体同母相间界面的移动体现为马氏体本身的长大和收缩，两者均以相界移动的方式产生形变，这种界面的反向移动容易实现原来位相的完全恢复，而产生形状记忆效应。条件：应力诱发马氏体的逆转变滞后，以至当外加应力降低至零时，仍不能完全逆转变，这时剩余的马氏体可通过加热使之逐渐发生逆转变，使宏观应变恢复。（3）ZrO2四方相向ZrO2单斜相转变是马氏体相变，具有明显的应力诱发特征。通过合金化或减小粒子尺寸，使Ms点降低或低至室温，存在于基体相中的亚稳四方相ZrO2颗粒受裂纹前端应力诱发向单斜相的ZrO2转变。其体积膨胀吸收了主裂纹扩展的能量，提高断裂韧性。（4）在一些高强度亚稳奥氏体钢中，马氏体相变使塑性增加。这是由于单向拉压等应力状态促使马氏体相变，母相奥氏体变形增加马氏体形核位置，应力诱发与应变诱发马氏体，使转变在Ms~Md拉伸过程形成，可防止颈缩。7.请举三例说明提高金属材料强韧性的研究方向。答：1.马氏体与奥氏体复合组织采用适当方法控制残留奥氏体稳定性，使残留奥氏体在回火时不分解，而在塑性变形诱导下转变为马氏体，形成马氏体与奥氏体复合组织，既保留了马氏体的高强度有保留了奥氏体的韧塑性，可大幅提高钢的塑性和韧性。2.纳米孪晶结构能够显著提高材料的强度而不损失其塑性与韧性：纳米孪晶材料的高强度、高塑性和高加工硬化能力均源于位错与高密度孪晶界面的有效交互作用。塑性变形时，随孪晶片层减小，孪晶内部可塞积位错数量减少，位错穿过孪晶界所需外力强化材料。同时，位错与孪晶界反应在孪晶界上形成大量位错并在孪晶界上滑移、塞积、增殖，从而实现加工硬化，韧化材料。3.引入拉伸孪晶可同时提高合金强度和塑性：拉伸孪生可以倾转晶体取向，影响位错滑移，可以分割晶粒，对组织进行细化，从而起到阻碍位错滑移，提高材料强韧化的效果。