高等金属学参考

共2页第1页2008研究生入学考试金属学一、名词解释：（本题16分，每个名词2分）1、倒易点阵2、拓扑密排相3、金属间化合物4、共析相变5、晶内铁素体6、形变诱导析出7、焊接热影响区8、延迟断裂二、三、写出如下关系式并标注相关参量：（本题16分，每小题4分）1、晶粒细化强化的Hall-Petch关系式。2、球形核心均匀形核的临界形核功。3、位错滑移的P-N力表述式。4、相律表述式。四、通常采用的硫化锰在奥氏体中的平衡固溶度积公式分别为：log{[][]}5.0211625/MnST式中：[Mn]、[S]分别为处于固溶态的钒、氮元素的质量百分数，T为绝对温度。请分别计算传统低碳钢（0.60%Mn-0.04%S）和低合金洁净钢（1.20%Mn-0.005%S）中硫化锰完全进入固溶态的温度，分别计算980℃达到平衡时钢中平衡固溶的锰、硫元素的量以及平衡析出或未溶的MnS的质量分数。锰、硫的原子量分别为54.9380、32.06。从动力学方面考虑，硫化锰的有效析出温度一般比全固溶温度低250℃左右，而1200℃以上温度析出的硫化物尺寸多在μm甚至10μm以上而1100℃以下温度析出的硫化物尺寸多在100nm以下。根据计算结果说明传统低碳钢中硫化锰主要属共2页第2页于夹杂物而在洁净钢中则可能变为有利的第二相。（本题24分，全固溶温度分别为2分共4分，平衡固溶的锰、硫元素的量各3分共12分，未溶MnS的质量分数各2分共4分，分析解释4分）五、金属材料中位错的滑移是导致其发生塑性变形的最重要机制，而阻止位错滑移则可提高材料的屈服强度。请根据位错与各种显微缺陷的相互作用分别分析固溶强化、位错强化（加工硬化）、晶粒细化强化、第二相沉淀强化（Orowan机制）的机理并给出相应的强化增量计算式。（本题20分，每类显微缺陷相互作用分析2.5分、强化增量关系式2.5分）六、晶粒细化是钢铁材料中最为重要的强韧化方式，请分别写出钢材屈服强度及冷脆转折温度与晶粒尺寸之间的经验关系式，并由此分析当低碳钢钢材晶粒尺寸由20μm（传统钢材生产）细化到5μm（细晶钢）时其屈服强度可能提高的MPa数及冷脆转折温度可能降低的度数。列出4种以上钢中晶粒细化的工艺。（本题12分，关系式分别为2分共4分，计算各2分共4分，晶粒细化工艺4分）2008年研究生入学考试金属学参考答案一、名词解释：1、倒易点阵：根据倒易规则把正点阵的晶面转换为倒空间的阵点，由此得到的空间点阵结构。2、拓扑密排相：晶体结构主要取决于不同尺寸的两种（或多种）原子的相对尺寸，原子排列拓扑学规律而高度密排的一类金属间化合物。3、金属间化合物：晶体结构主要由电负性、尺寸元素或电子浓度因素等决定的由金属与金属或金属与类金属之间形成的化合物。4、共析相变：一种在恒温下发生的可逆相变：冷却时由一固相同时转变为两个（或两个以上）固相的复相混合物，加热时则由两个（或两个以上）固相的混合物同时生成一个具有确定成分的固体相。5、晶内铁素体：在奥氏体晶粒内部的第二相界面处或形变带处形核长大而形成的先共析铁素体。共2页第3页6、形变诱导析出：形变后存在于基体相中所形变储能促使第二相沉淀析出相变明显加速进行，使第二相沉淀析出温度比平衡温度升高和使沉淀析出量比平衡析出量增大的现象。7、焊接热影响区：金属焊缝两侧在焊接过程中其组织和性能发生明显变化的区域。8、延迟断裂：材料所受应力低于其静载断裂强度，但由于应力腐蚀、疲劳、蠕变等方面的原因，经一定时间后发生的断裂。二、FCC晶体：rrrrar414.0)222(21)221（＝八面体rrrrar225.0224343＝四面体BCC晶体：rrrrar155.0)234(21)221（＝八面体rrrrar291.0344545＝四面体γ-铁为FCC晶体，α-铁BCC晶体，由计算结果可得，尽管FCC点阵比BCC点阵更致密，但其间隙较为集中，其八面体间隙位置的尺寸与基体原子尺寸的比值最大，因而可容纳的间隙固溶原子的数量明显要大，故间隙固溶原子C在γ-铁中的固溶度明显大于在α-铁中的固溶度。三、写出如下关系式并标注相关参量：1、晶粒细化强化的Hall-Petch关系式。2/1ikD式中：σ为晶体强度，σi为不包括晶粒细化强化作用的基础强度，D为晶粒尺寸，k为比例系数。2、球形核心均匀形核的临界形核功。3*2V163GG式中：ΔG*为临界形核功，σ为新相界面能，ΔGV为单位体积形核自由能。3、位错滑移的P-N力表述式。P22exp[]1(1)Gab式中：τP为位错滑移的临界分切应力即P-N力，G为切变弹性模量，ν为泊松比，a为滑移面间距，b为位错柏格斯矢量的绝对值即密排方向原子间距。共2页第4页4、相律表述式。F=C-φ+2式中：F为自由度数目，C为相所含的组元数，φ为平衡相数目。四、0.60%Mn-0.04%S钢：全固溶温度为A11625/{5.02log(0.60.04)}1750.8K1477.8T℃联立求解下两式可计算出980℃固溶的[Mn]、[S]：5.0211625/(980273)[][]10MnS0.6[]54.9380.04[]32.06MnS由此可得：[Mn]＝0.531634079，[S]＝0.00010390914未溶MnS的质量分数：MnS{(0.60.04)[][]}%0.108262%wMnS1.2%Mn-0.005%S钢：全固溶温度为：A11625/{5.02log(1.20.005)}1605.3K1332.3T℃联立求解下两式可计算出980℃固溶的[Mn]、[S]：5.0211625/(980273)[][]10MnS1.2[]54.9380.005[]32.06MnS由此可得：[Mn]＝1.19151145，[S]＝0.00004636266未溶MnS的质量分数：MnS{(1.20.005)[][]}%0.013442187%wMnS由此，如果再考虑到沉淀析出相变的动力学，即硫化锰的有效析出温度一般需要250℃左右的过冷度，则传统低碳钢0.60%Mn-0.04%S钢中MnS主要在1230℃温度附近析出，其尺寸较为粗大，成为钢中的夹杂物；而低合金洁净钢1.20%Mn-0.005%S钢中MnS主要在1080℃温度附近析出，该温度由于处于钢材轧制温度范围因而将发生应变诱导析出从而得到较为细小的MnS颗粒，可在一定程度上起到有益的作用。五、点缺陷如空位、溶质原子与滑移位错相遇时将钉扎在位错线上，位错滑移的进一步进行必须或者挣脱共2页第5页钉扎或者携带点缺陷一起移动，这都将使位错滑移困难从而导致材料强度提高。通常情况下强度增量正比于点缺陷的量：M[]kM，式中[M]为M元素固溶原子的质量百分数，kM为强化系数。线缺陷主要是林位错，滑移位错与林位错交截时将产生不可滑移的割阶，使得进一步的滑移受阻从而提高材料强度。强度增量正比于位错密度的二分之一次方：1/22Gb，式中ρ为位错密度，G为基体的切变弹性模量，b为位错的柏格斯矢量，α为比例系数。面缺陷主要为晶界，由于晶粒间存在位向差，位错滑移时不能直接通过晶界，必须使相邻晶粒内相应滑移面上的位错源开动才能使位错滑移过程持续，由此使材料强度提高。强度增量可用Hall-Petch关系式表述：1/2kD，式中D为晶粒尺寸，k为比例系数。体缺陷为各种第二相，滑移位错遇到第二相后，或者切过第二相颗粒（切过机制）或者围绕第二相弯曲绕过留下一位错圈（Orowan机制），这将使位错滑移阻力增大从而使材料强度提高。在Orowan机制下，强度增量可表述为：1/2/fd，式中f为第二相的体积分数，d为第二相颗粒的平均尺寸。六、晶粒细化强化的Hall-Petch关系式。2/1ikD式中：σ为晶体强度，σi为不包括晶粒细化强化作用的基础强度，D为晶粒尺寸，k为比例系数，低碳钢屈服强度的比例系数约为17.4MPa∙mm1/2。晶粒细化韧化的关系式：1/21/2C0lnTTBDabD式中：TC为冷脆转折温度，D为晶粒尺寸，T0、a、b、B均为相应的常数，低碳钢中比例系数b约为11.5℃∙mm1/2。钢材晶粒尺寸为20μm时，D-1/2为7.071mm-1/2；钢材晶粒尺寸为5μm时，D-1/2为14.142mm-1/2；故晶粒尺寸由20μm细化到5μm时，钢的屈服强度大致可提高17.4MPa∙mm1/2×7.071mm-1/2=123MPa，而冷脆转折温度可降低约11.5℃∙mm1/2×7.071mm-1/2=81℃。钢中细化晶粒的主要原理是通过相变或再结晶使晶粒重新形核而细化，同时应减小高温保持时间或采用第二相钉扎晶界来抑制晶粒长大，相应的工艺技术有：再结晶控制轧制、未再结晶控制轧制（形变诱导铁素体相变）、高温稳定的第二相阻止晶粒长大、循环相变、大形变量低温变形再结晶（如等通道挤压等）、快加热工艺（如感应加热热处理等）。2009年研究生入学考试金属学六、名词解释：（本题16分，每个名词2分）共2页第6页1、孪晶2、合金3、金属间化合物4、包晶相变5、Goss织构6、形变诱导相变7、二次再结晶8、Orowan机制七、奥氏体-铁素体相变的位向关系为(011)~//(111),[111]~//[101],912℃平衡相变温度下奥氏体和铁素体的点阵常数分别为0.36468nm和0.29008nm.。请写出立方晶系晶面间距和晶向夹角的计算公式；请计算二者相变时配合晶面的晶面间距，并分析解释其采取上述位向关系的原因；请计算配合方向的夹角，并分析解释上述位向关系中采用接近平行符号而不采用完全平行符号的原因。（本题12分，晶面间距与夹角公式各1分共2分，晶面间距及晶向夹角计算结果4分，分析解释各3分共6分）八、写出如下关系式并标注相关参量：（本题16分，每小题4分）1、晶粒细化强化的Hall-Petch关系式。2、纯金属的再结晶开始温度与熔点的经验关系。3、单位长度螺位错线的弹性应变能。4、相变动力学Avrami方程。九、通常采用的各种微合金碳氮化物在奥氏体中的平衡固溶度积公式分别为：lg{[Ti]·[N]}=0.32-8000/T，lg{[Nb]·[N]}=2.80-8500/T，lg{[V]·[N]}=3.63-8700/T，lg{[Ti]·[C]}=2.75-7000/T，lg{[Nb]·[C]}=2.96-7510/T，lg{[V]·[C]}=6.72-9500/T，共2页第7页1000110012001300140015001E-71E-61E-51E-41E-30.010.1log{[Nb][N]}=2.80-8500/Tlog{[V][C]}=6.72-9500/Tlog{[Ti][C]}=2.75-7000/Tlog{[V][N]}=3.63-8700/Tlog{[Nb][C]}=2.96-7510/Tlog{[Ti][N]}=0.32-8000/TTemperature,K[M][C]or[M][N]式中：[M]、[C]、[N]分别为处于固溶态的微合金元素、碳、氮元素的质量百分数，T为绝对温度。各种微合金碳氮化物在奥氏体中的固溶度积随温度的变化见图。均热温度下未溶的微合金碳氮化物可以有效阻止奥氏体晶粒长大；终轧道次大形变量变形时在奥氏体中形变诱导析出的微合金碳氮化物将对形变奥氏体的再结晶过程产生明显的阻碍作用从而适合于采用未再结晶控制轧制工艺，反之则适合于采用再结晶控制轧制工艺。典型低合金高强度钢的碳含量为0.10％，氮含量为0.0045％，铌加入量约为0.035％，钒加入量约为0.08％，钛加入量约为0.02％。请分别计算均热温度1200℃（1473K）、终轧温度850℃（1123K）温度下不同微合金碳化物或氮化物的平衡固溶度积。并由此解释微钛处理钢可有效控制均热态奥氏体晶粒长大、铌微合金钢适宜采用未再结晶控制轧制工