金属学考试必考

金属学一、名词解释：（本题16分，每个名词2分）08:1、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。

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。

09: 1、孪晶：以共格界面相连接、晶体学取向成镜面对称的一对晶体。

2、合金：由两种或多种化学组分构成的由金属基固溶体或化合物组成的具有金属性的材料。

4、包晶相变：一种在恒温下发生的可逆相变，冷却时由液相和一种或多种先凝固的固相共同转变为一种新的固相，加热时则由一固相同时生成一个液相和一种或多种固体相。

5、Goss织构：立方点阵金属多晶体形变再结晶后形成的{110}<001>型织构。

6、形变诱导相变：形变后存在于母相中的形变储能促使相变明显加速进行，使冷却相变的实际发生温度比平衡相变温度升高、使新相生成量比平衡量增大、使新相生成时间缩短的现象。

7、二次再结晶：再结晶完成后继续保温过程中发生的反常晶粒长大现象。

8、Orowan机制：位错滑移遇到第二相颗粒阻碍时，位错线通过弓出而绕过第二相颗粒并在第二相颗粒周围留下一位错环的位错运动机制。

10: 1、亚稳相：确定温度及压力条件下自由能并非相对最低但在一定条件下可稳定存在的相，具有在合适的动力学条件下转变为自由能更低的稳定相的趋势。

2、逆转变奥氏体：A1温度以下，奥氏体转变为马氏体或铁素体是自由能降低的正转变，而在适当的条件下由马氏体或铁素体转变得到的奥氏体称为逆转变奥氏体。

3、电子化合物：晶体结构主要由电子浓度因素决定的由金属与金属或金属与类金属之间形成的化合物。

5、立方织构：立方点阵金属多晶体形变及再结晶后形成的{100}<001>型织构。

7、应变硬化指数：多晶体材料应变硬化阶段真应力σ与真应变ε符合Hollomon关系式σ=Kεn，其中n称为应变硬化指数，主要表征材料发生均匀塑性变形的能力。

11: 1、形变孪晶：塑性形变过程中当位错滑移受阻碍时在应力集中处萌发的孪晶，其均匀切变是由不全位错的运动形成，可以用位错的极轴机制进行解释，BCC及HCP金属中容易出现。

2、面心立方点阵：14种布拉菲空间点阵的一种，由立方体的8个顶点和6个表面中心点位置构成点阵晶胞。

4、共晶相变：一种在恒温下发生的可逆相变：冷却时由一液相同时转变为两个（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液体相。

5、上坡扩散：单相均匀的固溶体发生调幅分解反应时，溶质由浓度低的地方向浓度高的地方扩散，产生成分的偏聚而不是成分的均匀化，最终形成两种浓度不同的固溶体，这种扩散现象称为上坡扩散。

6、烘烤硬化：在100~200℃的温度范围内发生的微量间隙固溶原子重新钉扎位错从而使材料屈服强度升高的现象，汽车面板用BH钢中广泛采用。

7、动态再结晶：经加工变形的高能量金属晶体在变形过程中就重新组成具有相同晶体结构的无应变晶粒的过程。

8、轻金属：密度小于5Mg/m3的金属，常用的有Al、Mg、Ti等及其合金。

二2008，2010,2011、请分别计算FCC晶体和BCC晶体点阵的四面体间隙和八面体间隙位置的尺寸（间隙可容纳的最大刚球尺寸与晶体点阵阵点刚球尺寸的相对比值），并由此解释间隙固溶原子C在γ-铁中的固溶度明显大于在α-铁中的固溶度的原因。

（本题12分，间隙尺寸每个2分共8分；γ-铁和α-铁的晶体结构各1分共2分；解释固溶度差别2分）解：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。

二2009、奥氏体-铁素体相变的位向关系为(011)~//(111),[111]~//[101]αγαγ, 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） 解：立方晶系晶面间距的计算公式为：d =晶向夹角的计算公式为：cos θ=奥氏体（111）晶面间距为：1110.36468/0.21055nm d ==铁素体（011）晶面间距为：0110.20512nm d ==二者之间相差很小，配合良好，且均为最密排晶面，而其他晶面间的配合均存在明显的晶面间距差别，因而相变时优先采用该配合关系。

立方晶系[101]与[011]方向（它们均为在（111）晶面上的密排方向）的夹角为：cos 1/2,60θθ=== 立方晶系[111]与[111]方向（它们均为在（011）晶面上的密排方向）的夹角为：cos 1/3,70.53θθ===二者之间存在一定的角度差，相变过程中需要相应的密排方向进行一定的变形来相互适应，因而晶向间的位向关系并非完全平行，大致相差5.26 ۫º。

若配合晶面也发生一定的变形来相互适应，则可使该角度差减小。

实际观测的晶面配合平行关系相差约1º，晶向配合平行关系相差约2.5º，均不是严格的平行关系。

三2008、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。

2/1i -+=kD σσ 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*2V 163G G πσ∆=∆ 式中：ΔG *为临界形核功，σ为新相界面能，ΔG V 为单位体积形核自由能。

3位错滑移的P-N 力表述式。

P 22exp[]1(1)G a b πτνν=--- 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。

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。

三2009、写出如下关系式并标注相关参量：（本题16分，每小题4分）2纯金属的再结晶开始温度与熔点的经验关系。

r m (0.35~0.40)T T ≈ 式中：T r 为再结晶开始温度，T m 为熔点，单位为K 。

3单位长度螺位错线的弹性应变能。

2e ln()4Gb R E r π=式中：E e 为单位长度螺位错线的弹性应变能，G 为切变弹性模量， b 为位错柏格斯矢量的绝对值，R 为位错外截止半径，r 为位错内截止半径。

4相变动力学Avrami 方程。

1exp()n X Kt =--式中：X 为相变体积分数，t 为相变时间，n 为时间指数，K 为比例系数。

三2010、回答问题：（本题16分，每小题4分）1写出14种布拉菲点阵的名称。

简单三斜、简单单斜、底心单斜、简单正交、底心正交、体心正交、面心正交、简单六方、简单菱方、简单正方、体心正方、简单立方、体心立方、面心立方3写出塑性流变阶段的Hollomon 关系式并标注相关参量。

n K εσ= ，式中：σ为真应力，ε为真应变，K 为应变硬化系数，n 为应变硬化指数。

四2008、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/Mn S T ⋅=-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）解：0.60%Mn-0.04%S 钢：全固溶温度为A 11625/{5.02log(0.60.04)}1750.8K 1477.8T =-⨯=≈℃联立求解下两式可计算出980℃固溶的[Mn]、[S]：5.0211625/(980273)[][]10Mn S -+⋅=0.6[]54.9380.04[]32.06Mn S -=- 由此可得：[Mn]＝0.531634079，[S]＝0.00010390914未溶MnS 的质量分数：MnS {(0.60.04)[][]}%0.108262%w Mn S =+--=1.2%Mn-0.005%S 钢：全固溶温度为：A 11625/{5.02log(1.20.005)}1605.3K 1332.3T =-⨯=≈℃联立求解下两式可计算出980℃固溶的[Mn]、[S]：5.0211625/(980273)[][]10Mn S -+⋅=1.2[]54.9380.005[]32.06Mn S -=- 由此可得：[Mn]＝1.19151145，[S]＝0.00004636266未溶MnS 的质量分数：MnS {(1.20.005)[][]}%0.013442187%w Mn S =+--=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。