湖南大学金属学复试题集

如 C，H，N，B 等可与金属元素（主要是过渡族金属）形成间隙相或间隙化合物。这主要取决于非金属（X） 和金属（M）原子半径的比值 rx/rm,当 rx/rm<0.59 时，形成具有简单晶体结构的相，称为间隙相；当
rx/rm>0.59 时，形成具有复杂晶体结构的相，通常称为间隙化合物。
类别 间隙固溶体 结构特点 保持溶剂的点阵类型
两者的差异见下表：
力学性能特点 强度、硬度比溶剂高，但总体看强度硬度依然很低， 而 塑性、韧性较好
其点阵类型不同于组成它 间隙化合物 的任一组元 （2011）简述固溶体和中间相的区别。 类别 成分 溶质浓度可在固溶度范围内 固溶体 变化 成分固定或在一定范围内波 中间相 动，可用化学分子式表示 组成它的任一组元
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（09）共格界面：当两相在某种晶面上具有相同的原子分布方式及相近的原子间距时，两相的晶格在界面 上能够相互衔接，一一对应，这种界面称为共格界面。 （补充）半共格界面： 若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完全的 一一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能力，这时界面上两相原子部分地保持 匹配，这样的界面称为半共格界面。 （补充）非共格界面：完全没有共格关系的界面称为非共格界面。 （09,10,11,12）柯垂耳气团（又称柯氏气团） ：间隙原子与位错线进行弹性交互作用时，间隙原子将在位 错线附近聚集，形成小原子集团，称为柯氏气团。 （补充试题）铃木气团：层错与溶质原子发生交互作用，使层错附近溶质原子浓度不同于基质内溶质原子 浓度，这种现象称为铃木现象。当溶质原子偏聚在层错附近，使其浓度大于基体中浓度时，即形成铃木气 团。 二、简答题（每题 8 分） （09,12）简要分析韧型位错和螺型位错的异同点。 答：刃型位错和螺型位错的异同点：①刃型位错位错线垂直于柏氏矢量， 螺型位错位错线平行于柏氏矢量； ②刃型位错柏氏矢量平行于滑移运动方向，螺型位错柏氏矢量垂直于滑移运动方向；③刃型位错可作攀移 运动且只有一个滑移面，螺型位错只可作滑移运动但有无数个滑移面；④两者都可以用柏氏矢量表示。 （2010）在 FCC 中，下列位错反应能否进行？指出其中三个位错的性质类型，反应后产生的位错是否在滑 移面上运动？ a/2[10-1]+a/6[-121] a/3[11-1]
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第六章 金属及合金的凝固 均匀形核 形核 非均匀形核 液态金属结晶的两个过程 （同时并进） 长大 粗燥界面：呈平面状长大形状 在正的温度梯度下 纯金属凝固时的生长形态 在正的温度梯度下 光滑界面：有的出现树枝状长大特征，有的仍保持小台 阶状长大形态 一、名词解释（每题 5 分） （09）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。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。 （09,11,12）伪共晶：在不平衡凝固条件下，成分在共晶点附近的亚共晶和过共晶合金凝固后可能形成全 部的共晶组织，称为伪共晶。 （补充）离异共晶：有共晶反应的合金中，如果成分离共晶点较远，由于初晶相数量较多，共晶相数量很 少，共晶中与初晶相同的那一相会依附初晶长大，另外一个相单独分布于晶界处，使得共晶组织的特征消 失，这种两相分离的共晶称为离异共晶。 （补充）均匀形核：金属结晶时的形核方式之一，是在金属液体中依靠自身的结构均匀自发地形核。 （补充）非均匀形核：金属结晶时的形核方式之一，是依靠外来杂质所提供的固相界面非自发、不均匀地 形核。 二、简答题（每题 8 分） （09,12)枝晶生长是实际金属最常见的生长方式。在何种条件下，纯金属长大后会得到树枝晶？ 答：在负的温度梯度下，对于粗燥界面结构的金属晶体，以树枝状方式生长，得到树枝晶。 （2009）结合凝固理论，简要说明细化铸件晶粒的基本途径。 （或问：液态金属在结晶时如何细化晶粒？） 答：主要有以下途径： 1、增加过冷度。可以提高结晶的驱动力，降低临界形核功，减小临界晶核半径，增加形核率。 2、形核剂的作用。由于实际的凝固都为非均匀形核，为了提高形核率，可在溶液凝固之前加入能作为非 均匀形核基底的人工形核剂。
（在 FCC 中主要两种）
滑移
弗兰克不全位错（不能滑移，只能攀移）
孪晶界 小角度晶界： 晶粒位相差小于 10 °的晶界 1.晶界 大角度晶界：晶粒位相差大于 10 °的晶界。 亚晶界 共格界面 面缺陷 2.相界 半共格界面 非共格界面 3.表面 一、名词解释（每题 5 分） （09,10,12）扩展位错：一个全位错分解为两个或多个不全位错，期间以层错带相连，这个过程称为位错 的扩展，形成的缺陷体系称为扩展位错。 （2011）面角位错：在 fcc 晶体中两个不同的、相互截交的{111}面交线附近还可以通过不同面上的位错扩 展和在交线上的反应而生成一个复杂的不可动体系，称为面角位错 （2010）交滑移：在晶体中，出现两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移，这种滑移 称为交滑移。交滑移必须是纯螺型位错，因其滑移面不受限制。 （补充）位错反应：有几个位错合成为一个新位错或由一个位错分解为几个新位错的过程称为位错反应。
第一章 晶体学基础 二、简答题（每题 8 分） （2010）在面心立方晶胞内标注其滑移系。 答：参考下表，图略。
晶体结构 滑移面 滑移方向
FCC
{111}
<110>
第二章 金属及合金的晶体结构 一、名词解释（每题 5 分） （ 2011 ）间隙化合物：间隙化合物指由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属 元素形成的金属化合物。 （ 2012 ）金属间化合物：金属和金属之间，类金属和金属原子之间以共价键形式结合生成的化合物 总称为金属间化合物，由于金属间化合物在合金相图中处于相图的中间位置，故也称为中间相。 二、简答题（每题 8 分） （2009)简要说明间隙固溶体与间隙化合物在晶体结构和力学性能方面的差异。 答：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。 原子半径较小的非金属元素
b3 垂直于该晶面，故不能滑移。
（2011）简述扩展位错的主要性质。在 FCC 晶体中，层错能的高低对扩展位错的宽度和扩展位错运动有何 影响？ 答：主要性质： （1）位于{111}面上，由两条平行的肖克莱分位错中间夹着一片层错区组成。 （2）柏氏矢量 b=b1+b2=1/2<110>,b1 和 b2 分别是两条肖克莱分位错的柏氏矢量，它们的夹角为 60°。 （3）组成扩展位错的两个肖克莱分位错由于交互作用而必然处于相互平行的位置。 （4）扩展位错可以是刃型、螺型或混合型，取决于 b 和肖克莱分位错的相对取向。 （5）一般情况下，扩展位错不能交滑移（螺型）和攀移（刃型） ，但位错束集后，可做相应的交滑移和攀
答： （1）位错反应的几何条件：b1 +b2 = (1/2-1/6)a+2b/6+(-1/2+1/6)c=1a/3+1b/3-1c/3=a/3[11-1] 能量条件： （√2a/2)²+(√6a/2)²=a²/2+a²/6=2a²/3>a²/3 满足位错反应的几何条件和能量条件，反应可以进行。 （2） b1 为全位错 （单位位错） ， b2 为肖克莱不全位错， b3 为弗兰克不全位错。 面心立方金属的滑移面为{111}，
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移。 层错能的影响：层错能越低，扩展位错越宽，在变形和退火时易产生孪晶；层错能越高，变形和退火时， 扩展位错越窄，易束集，易产生交滑移，易出现胞状组织。 （金属学 P124) 三、论述题（每题 15 分） （2010）论述金属晶体的缺陷类型和这些缺陷对金属性能的影响。 答：主要类型有：点缺陷、线缺陷（主要表现为位错） ，面缺陷。 点缺陷对金属性能的影响：使金属电阻增大；使金属的密度下降；过饱和的点缺陷可提高金属的屈服强度； 空位对于金属以扩散为基本过程的许多现象有重要的影响，特别是在高温条件下，例如高温氧化、烧结、 表面化学热处理，以及均匀化退火等等。 位错对金属材料性能的影响主要有：金属的塑性变形是通过位错的运动实现的，因此金属材料的强化手段 可以通过改变材料中的位错数量来实现；合金中位错与溶质原子发生作用形成柯氏气团造成屈服现象和应 变时效，位错是第二相形核的择优场所，通常第二相在位错处可以优先形核长大；刃型位错可以看成是一 个管道，可以加速扩散速度。 面缺陷使得金属晶体的强度、硬度增加。 第四章 固体中的扩散 一、名词解释（每题 5 分） （2010）反应扩散：伴随有化学反应而形成新相的扩散称为反应扩散。 （2012）柯肯达尔效应：在置换式固溶体的扩散过程中，由于两组元扩散系数不同而造成界面向低熔点组 元一侧漂移的现象称为柯肯达尔效应。 二、简答题（每题 8 分） （2009）从扩散的角度考虑，如何提高钢件渗碳的效率。 答：1、升高温度 2、加入渗碳剂 3、提高钢件内外碳元素的浓度差 4、增加钢件所受应力 （补充试题）画图并叙述形变过程中位错增殖的机制。 答：为错的增殖机制主要是弗兰克-瑞德增殖机制，如图所示（图略，见金属学 P119） 。滑移面上一个在 A、 B 两点被钉扎的位错 AB，在应力τ作用下弓出(状态 2） ，弓出到状态 3 时，下面相邻两部分反号
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熔点较高、硬度高，而塑性、韧性差
结构特点 保持溶剂的点阵类 型 其点阵类型不同于
力学性能特点 强度、硬度比溶剂高，但总体看强度 硬度依然很低，而塑性、韧性较好
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ熔点较高、硬度高，而塑性、韧性差
（2012）固溶体的力学和物理性能和纯组元的性能有何差异？请定性的加以解释。 答：与纯组元相比，力学性能变化：硬度、强度提高，塑性、韧性下降，但综合力学性能优于纯金属。物 理性能变化：与纯金属相比，固溶体的电阻加大，导电率下降，耐蚀性也下降。 （补充问题）影响合金相形成的主要因素? 1、电化学因素（化学亲和力） 。如果组元之间的化学亲和力很强，则倾向于形成稳定的化合物，反之有利 于固溶体的形成。 2、原子尺寸因素。当两组元的原子半径差Δr<15~20%时，易形成置换式固溶体，当Δr>41%时，易形成 间隙式固溶体；形成化合物时，Δr 不同，也会形成不同类型的化合物。 3、电子浓度因素。一部分合金相的形成也受电子浓度因素控制。 第三章 晶体缺陷 滑移 刃型位错 攀移 位错的运动 螺型位错 交滑移 全位错 肖克莱不全位错（只能滑移，不能攀移） 实际晶体中的位错 不全位错
1%C 铁碳合金室温组织组成物为珠光体（P）和二次渗碳体 Fe3CII，其中二次渗碳体含量 Fe3CII=（1-0.77） /(6.69-0.77)*100%=3.89%，珠光体（P）的含量为 1-3.89%=96.11%。 （2010）根据铁碳合金状态图，指出二次渗碳体含量最多的合金成分点，并计算出该合金室温组织的百分 含量。 答：含碳 2.11%的合金二次渗碳含量最多。 该 合 金 室 温 组 织 为 珠 光 体 （ P ） 和 二 次 渗 碳 体 Fe3CII ， 其 中 二 次 渗 碳 体 含 量 Fe3CII= （ 2.11-0.77 ） /(6.69-0.77)*100%=22.64%，珠光体（P）的含量为 1-22.64%=77.36%。
相吸，并局部合并，完成一次位错增殖过程放出一位错环（状态 4） 。在应力τ作用下，继续 重复前面 1~4 过程。
三、计算论述题。
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（2011）说明扩散规律在冶金生产过程及热处理工艺中的具体应用。 见金属学 P160 第五章 合金相图 一、名词解释（每题 5 分） （补充试题）珠光体：铁碳合金共析转变的产物，是共析铁素体和共析渗碳体的层片状混合物。 二、简答题（每题 8 分） （2011）含 0.77%碳钢经平衡凝固后，其室温组织组成物是什么？相对含量是多少？ 答：其室温组成物是珠光体，即共析铁素体α和共析渗碳体 Fe3C，P 中α和 Fe3C 的相对含量可以通过杠杆定 律求得，即: α/Fe3C=(6.69-0.77)/(0.77-0.02)=7.87 （2012）求出珠光体中铁素体和渗碳体各占多少？如果合金组织中除了珠光体以外，还有 15%二次渗碳体， 求出合金成分。 答：根据杠杆定律可求珠光体中 铁素体α含量=（6.69-0.77)/(6.69-0.02)*100%=89% 渗碳体 Fe3C 的含量=1-89%=11% 设合金中含碳量为 X，则（X-0.77）/(6.69-0.77)*100%=15% 即，合金中含碳量为 1.66%，含铁量 98.34%。 三、论述题（每题 15 分） （2009）根据 Fe-Fe3C 相图，写出三大恒温反应转变式（注明转变类型、成分点和转变温度）并计算 1%C 铁碳合金室温组织组成物的相对含量。 答：HB 线 包晶转变 EF 线 共晶转变 PK 线 共析转变 L（0.53%C）+δ（0.09%C）γ（0.17%C） （1495℃） L（4.3%C）γ（2.11%C）+Fe3C（6.69%C） （1148℃） 共晶体称为莱氏体（Ld） γ（0.77%C）α（0.02%C）+Fe3C（6.69%C） （727℃） 共析体称为珠光体（P） 解得 X=1.66