第六章   空位与位错

本章的主要内容：

晶体中的缺陷，晶体缺陷的分类

晶体缺陷的形成

点缺陷：点缺陷的种类，点缺陷的形成，点缺陷的运动，点缺陷的平衡浓度，点缺陷对材料性能的影响

位错：位错理论的起源：理论切变强度，位错学说

位错的观察

位错基本类型及特征：刃型位错，螺型位错，混合位错

柏氏矢量：确定方法，柏氏矢量的模，实际晶体中的柏氏矢量，柏氏矢量的特性，位错密度

外力场中作用在位错线上的力

位错运动：滑移，攀移，派一纳力，混合位错的运动

位错的弹性性质：直螺错的应力场，直刃错的应力场，混合直位错的应力场

位错的应变能及位错线张力

位错间的交互作用：两根平行螺位错的交互作用，两根平行刃位错的交互作用，

位错的相互交截：螺型位错与螺型位错，刃错与刃错，螺错与刃错

位错的塞积

位错的增殖

实际晶体中的位错：单位位错，堆垛层错，不全位错：肖克莱，弗兰克不全位错

位错反应及汤普逊四面体

位错与溶质原子的交互作用：弹性交互作用，柯垂尔气团，克气团，静电交互作用

化学交互作用

1 填空

1 空位是热力学_______________的缺陷，而位错是热力学_____________的缺陷。

2 fcc晶体中单位位错（全位错）的柏氏矢量是_________________；bcc晶体中单位位错（全位错）的柏氏矢量是_________________;hcp晶体中单位位错（全位错）的柏氏矢量是_________________;fcc中Frank位错的柏氏矢量是___________。

3 一根柏氏矢量b=a/2<110>的扩展位错滑出晶体后，在晶体表面产生的台阶的高度为_____________________。

4 在某温度下，晶体中的空位数与点阵数的比值称为__________________。

2为位错线单位矢量，b为柏氏矢量，则b =0时为_______位错，b =b时为________________位错，b =-b时为______________位错。

5 三根右螺型位错线的正向都指向位错结点，则它们的柏氏矢量之和等于______。

6 设位错运动时引起晶体体积的变化为V，则V=0时为___________运动，V0时为______________运动。

7 在位错应变能公式E=Gb2Ln(r/r0)/4k中，对于刃型位错K等于_________，对螺型位错K等于_____________。

8 在简单立方晶体中，A、B两位错的滑移面和自由表面的交线如图1所示，则A为________型位错，B为_________型位错。

9 fcc晶体中单位位错的柏氏矢量是________________，肖克莱位错的柏氏矢量是____________，弗兰克位错的柏氏矢量是_______________。

10 单位体积中位错线总长度称为________________。

11螺型位错的应力场只有两个相等的_______应力分量，其表达式为________________________。

12简单立方晶体、fcc晶体、bcc晶体和hcp晶体中单位位错的柏氏矢量依次是_____________、_______________________、______________________。

13 通常把一个全位错分解为两个________________位错，中间夹一片层错的位错组态称为______________。

14 位错概念和位错模型首先是由_________________等人提出来的。

15 位错线和柏氏矢量如图所示，其中AB是___________位错，BC是__________位错，DE是________________位错。

16 对含刃位错的晶体施加垂直于多余半原子面的压应力有利于______攀移，施加拉应力有助于______攀移。

17 fcc晶体中单位位错的柏氏矢量是__________________，Shockley位错的柏氏矢量是__________，Frank位错的柏氏矢量是___________________。

18. 图1为ABC位错线，AB是_____________位错，BC是________________位错，在切应力作用下，AB_______________运动，BC向______________运动。

图1

19 作用在位错线上的力Fd=_________________________，这个力Fd与位错____________方向。

20 使弗兰克----瑞德源“动作”所需的临界切应力________________________________。

21 位错可定义为_____________________________________________________。

22 位错塞积时障碍物对领先位错的作用力大小为__________________________________。

23 在外加应力作用下，当位错在晶体中滑动时，刃型位错的运动方向与b_____________与________________________，与位错线_________________________________。

24 具有 结构的层错能 的金属容易进行交滑移，其滑移痕迹为__________________________________________。

2 选择

1 由于化学交互作用的结果，溶质原子在层错区的偏聚，称为____________。

A 克气团 铃木气团 柯垂耳气团

2 层错的边缘一定是________________。

A 肖克莱位错 弗兰克位错 不全位错

3 在fcc晶体中，位错反应_______________能进行。

Aa/3[111]        B   a/2[10-1]a/6[2-1-1]+a/6[11-2]

4 肖克莱位错具有螺型、刃型和混合型三种，它们能够_______________。

A 攀移 交滑移 沿滑移面滑移

5  晶体中点缺陷的存在，使电阻________。

A增大 减小 不变

6  把一根右螺型位错线的正方向反向，则此位错_______。

A变为左螺型位错 仍为右螺型位错

7  三个位错及其柏氏矢量如图所示，则b2与b1之和_________。

A大于b小于b等于b1

8  位错的应变能与其柏氏矢量__________成正比。

A  b              B    b2               C   b3

9  两刃型位错及其柏氏矢量如图所示，AB位错向下滑移与CD位错交割后，则________

 产生割阶 产生扭折 产生割阶   D    CD产生扭折

10  fcc晶体的（111）面按ABCBABCABC···顺序堆垛时，其中含有________。

 一片抽出型层错 一片插入型层错 一片抽出型和插入型层错

11  Shockley位错__________。

A只能滑移 只能攀移 既能滑移又能攀移

12  fcc晶体中，有根位错线的方向为[-110]，b=a/2[110]，则此位错_________。

A 不能滑移 能滑移 能交滑移

13  晶体中一位错环，柏氏矢量为b，在切应力作用下(  )

A扩大 缩小 不变

14  滑移线在(  )可观察到：

A光学显微镜 电子显微镜 肉眼

15  位于fcc晶格的（001）面上，l=[-110]，b=a/2[110]的位错（  ）

A能滑移 不能滑移 能交滑移

16  空位（  ）过程中重要作用。

A形变孪晶的形成 自扩散 交滑移

17  两根具有反向柏氏矢量的刃型位错，分别处于两个平行滑移面上（两滑移面相隔一个原子间距）相向运动后，在相遇处（  ）

A 相互抵消 形成一排空位 形成一排间隙原子

18  在一块晶体中有一根刃型位错P和一根相同长度的螺型位错Q，比较两者能量有(  )

19  位错线受力方向处处垂直于位错线，在运动过程中是可变的，晶体做相对滑移的方向（  ）

A 随位错线运动方向而改变 始终同柏氏矢量方向一致 始终同外力方向一致。

20  冷加工金属回复时位错（  ）

A大量消失 增殖 重排

21  冷加工回复时位错（  ）

A 增殖 大量消失 重排

2第二相硬度不高、粒子不大时，位错主要通过（ ）

A 绕过机制 切割机制 热激活机制

3 判断

1 任何位错反应的发生，只需要判断其是否满足热力学条件即可。（  ）

2 一个位错环不可能处处都是螺位错，也不可能都是刃位错。（  ）

3 降低层错能的溶质原子与层错发生交互作用，使层错的宽度增大。（  ），难于束集（  ），交滑移容易（  ）。

4 柏氏矢量（b）的方向表示它与位错线的取向和位错的性质（  ），b的模量b表示位错线周围点阵畸变程度，即位错的强度（  ）；实际晶体中的b都是点阵矢量（  ），把b=单位点阵矢量的位错称为单位位错（  ）；b越大，位错的稳定性越高（  ）。

5  fcc晶体中的扩展位错都可束集和交滑移（  ）。

6  外力场作用在单位长度位错线上的力F= b（  ），此力垂直于位错线（  ），使位错产生滑移（  ）。

7  Frank位错、Lomer位错和面角位错对fcc金属的加工硬化起重要作用（  ）。

8  金属的层错能越高，越易产生扩展位错。（  ）

9  晶体中所有缺陷都会产生畸变，因而热力学上都是不稳定的。（  ）

10 刃型位错与螺型位错均可产生交滑移。（  ）

11  一条位错线，不管形状如何，均具有唯一的柏氏矢量。（  ）

12  孪生位错的柏氏矢量比单位位错小。（  ）

13 两平行位错的柏氏矢量垂直，则它们之间一定没有交互作用。（  ）

14  铝和铜层错能分别是200尔格/cm2和70尔格/cm2，切变模量分别为2655Kg/mm2和4405Kg/mm2，所以铝的扩散位错比铜的扩展位错宽。（  ）

15  螺型位错同刃型位错一样都存在多余半原子面。（  ）

16  位错是柏氏矢量不为零的晶体缺陷。（  ）

17  纯金属在热力学上实际上是不稳定的。（  ）

18  理想无缺陷金属在热力学上是稳定的。（  ）

19  金属的层错能越高，越易产生扩展位错。（  ）

20  晶体中所有缺陷都会产生畸变，因而热力学上都是不稳定的。（  ）

21  刃型位错与螺型位错均可产生交滑移。（  ）

22  位错受力方向都是晶体滑移方向。（  ）

23  金属在回复过程中会发生位错的攀移。（  ）

24  金属的强度和塑性都受位错运动的控制。（  ）

4 名词

空位的平衡浓度，位错，螺旋位错，混合位错，柏氏回路，位错密度，P-N力，割阶，扭折，位错反应，位错的线张力和作用在位错线上的力，扩展位错，不全位错，层错------层错能，位错增殖-------位错塞积，堆垛层错，弗兰克-瑞德位错源， 

奥罗万机制，科垂耳气团，面角位错，克气团，多边形化， 

位错与滑移线，单滑移与交滑移， 

5 问答

1 在fcc晶体的（-111）面上，全位错的柏氏矢量是哪些？如果它们是螺型位错，能在哪些面上滑移和交滑移？

2.  在Al（铝，fcc）单晶体中，若（1，1，1）面上有一位错b=a/2[1，0，-1]，与（1，1，-1）面上的位错b=a/2[0，11]发生反应时：

1  写出位错反应方程式，判断位错反应方向。

2 说明新位错的性质，是否可动。

3  在面心立方晶体中，（1，1，1）晶面和（1，1，-1）晶面上分别形成一个扩展位错

 （111）晶面：a/2[1，0，-1]a/6[2，-1，-1]+a/6[1，1，-2]

(11-1) 晶面：a/2[0，1，1]a/6[-1，2，1]+a/6[1，1，2]

两扩展位错在各自晶面上滑动时，求

（1）两领先位错能否发生反应，若能，求新位错柏氏矢量；

（2）分析新位错的组态性质。

4  试总结位错在材料中的作用和影响。

5  分析位错促进相变形核的主要原因。

6  如图2两螺型位错L1与L2，试在图上画出经过交截后位错L1的状态，并分析经过交截后位错L1的运动情况。

图3

图2

7  如图3所示，在简单立方晶体的（001）面上有一个方形位错环ABCD，其柏氏矢量b=a[100]， 为切应力：

1  指出位错环各段位错的类型和其中刃型部分多余半原子面的位置，

2  说明位错环在切应力 的作用下，各段位错线的运动方向，

3  写出单位长度位错线的受力公式，并说明此力与位错线的位向关系，

4  若位错环不变，b反向，则位错环怎样运动？

1切应力作用下，要使位错环稳定不动，其最小半径多大？

8晶体中，层错能的高低对层错的形成、扩展位错的宽度和扩展位错运动有何影响？ 

9  图4是简单立方晶体，其中PP’是原位错AB上的割阶，b为柏氏矢量，试问：

1’是正刃型或负刃型位错？并在图中标出其滑移面和多余半原子面的位置。

2若 PP’的长度只有1~2个原子间距（小割阶），原位错向左滑移时，在此割阶的后面是留下一串空位还是一串间隙原子？并说明原因。

图5

图4

10  何谓可动位错和固定位错？就fcc晶体中的可动位错和固定位错各举两个实例，它们在塑性变形时各起什么作用？

11  一个右螺型位错，把其位错线的正方向反向，是否会变成左螺型位错？为什么？

12  回答下列问题：

1  写出两平行螺型位错间的交互作用力公式，分别说明两个平行的同号和异号螺型位错间的交互作用力。

2  在一个刃型位错的应力场中，有一个与之平行的螺型位错，二者之间是否产生交互作用力？为什么？

13  在fcc晶体中，位错反应a/2[-110]a/6[-211]+a/6[-12-1]能否进行？写出反应后扩展位错宽度的表达式和式中各符号的含义；若反应前的a/2[-110]是刃位错，则反应后的扩展位错能进行何种运动？能在哪个晶面上进行运动？

14  螺旋位错的能量公式为Es=Gb2Ln(R/r0)/4。若金属材料亚晶尺寸为R=10-3~10-4cm，r0约为10-8cm。（1）试估算Es（2）估算Al中长度为1个柏氏矢量的螺型位错割阶的能量，b=a/2{101}，a=2.8A

15  分析下列反应能够进行的原因

1  a/2[10-1]a/6[11-2]+a/6[2-1-1]

2  求上述两肖克莱不全位错扩展宽度d。

3  计算出两扩展位错间的作用力。

16  图5所示方向相同的两个平行刃型位错，位于平行滑移面上，相距h，问：

1  为何值时，这两个位错在滑移方向上作用力为零。

3值在何范围两位错相互吸引？

要使两位错在各自滑移面上相向运动需要施加多大切应力？方向如何？

2  要使两位错在各自滑移面上反向运动，需施加多大切应力？方向如何？

  图示的两个平行刃型位错位于平行的滑移面上，若方向相反，问：=45O，=90O时在方向上两个位错间相互作用力为多少？

18  图6所示fcc结构两个相交的滑移面(111)和(11-1)，其上柏氏矢量分别为a/2[10-1]和a/2[011]的位错，当层错能不高时，两个全位错分解为扩展位错。

1  写出（111）与（111）两个滑移面上两全位错所分解为肖克莱不全位错的两个反应式。

2  如果两扩展位错运动，当它们在两个滑移面交线AB相遇时，两领先不全位错将发生如下反应：

a/6[2-1-1]+a/6[-121]a/6[110]

 分析a/6[110]为何类型位错，能否自由滑移，对加工硬化有何作用。

图6

19  平衡空位浓度与温度有何关系？高温淬火对低温扩散速度有何影响？

20设AB为一混合位错，其位错线方向与柏氏矢量方向如图7所示，试画出B点处的刃型位错分量，并说明它是正刃型位错还是负刃型位错？

1

图8

图7

21  Fcc晶体可动滑移系为（11-1）[-110]

1．指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量，并说明之。

2．如果滑移是由纯刃位错引起的，试指出位错线的方向。

3．如滑移是由纯螺旋位错引起的，试指出位错线方向。

如该滑移系上作用一大小为0.7MPa的切应力，试计算单位刃型位错和单位螺型受力大小和方向。A=0.2nm

22  试说明：

1  汇集在晶内任意一点的各位错线，其柏氏矢量之和为零。

2  螺型位错的应力场是径向对称的。

23  分析位错与空位，间隙原子之间各种可能的相互作用与转化，并指出在哪些实际过程中发生？

25  两螺型位错，其中一个含一对扭折，另一个含一对割阶，如图8所示：

1．在图上标明扭折与割阶，指出其柏氏矢量方向。

2．若图面为fcc的（111）面，试分析，这对位错线段，哪一对比较容易通过自身滑移消失？

3．含割阶的螺型位错，在滑移时怎样造成空位。

24在一个刃型位错附近放置另一个刃型位错，其位置如图9所示（I，II，III，IV，V位置），两刃型位错同号，问它们在滑移面上受力方向如何？

图9

27  铜单晶（fcc）三维位错网络结点之间平均距离为D：

1．计算位错增殖所需应力

2．如此应力决定材料剪切强度，为达到u/100的强度值，D值多大。

已知：u=50MPa           a=0.36nm

28  从以下各点详细比较刃型位错与螺型位错：

（1）位错线与柏氏矢量的关系 （2）位错进行滑移与攀移运动

（3）位错周围的应力场 （4）位错的交割

（5）与晶界的关系 （6）应力场的对称性

29  分析FCC[-101]晶向上一个单位位错，可与[12-1]晶向上的一个肖克莱不全位错合成一个弗兰克不全位错。

1 求合成弗兰克不全位错的柏氏矢量。

2 这合成位错能否滑移，为什么？

3 从能量上分析这个反应能否进行？

30  写出下列位错可滑移面，并指出是何种类型位错？

1  B1=[00-1]位错线的运动方向为[110]

2  B2=1/6[11-2]位错线的走向为[-101]

31  在面心立方晶体中把两个平行且同号的单位螺型位错从相距100nm推近到3nm需做多少功？已知：a=0.3nm，G=7×107Pa

32  图10所示的某fcc晶体中的两个扩展位错其可动性有何差别？各能进行何种运动，并作简要说明。

图10

 33.  在柏氏矢量为b的位错I的应力场中，存在位错II，其柏氏矢量为b2，如图11，位错I，II均为刃型位错，问：位错I的应力场中哪一个应力分量使位错II滑移，哪一个应力分量使位错II攀移，写出其受力表达式（不考虑位错运动时所受阻力）。

II 

图12

图11

34  某fcc晶体的滑移系为(11-1)[-110]，回答如下问题：

1．引起滑移的单位柏氏矢量，并说明。

2．如滑移是纯刃型位错引起的，指出位错线方向。

3．滑移时位错线运动方向。

4．如滑移系作用的切应力为 ，写出单位刃型位错线受力大小与方向。

35  已知铜的空位形成能为1.1eV，问从27 升温到1000 时空位浓度增加多少倍（取A=1）

36  判断图12示三条相互平行位错线L1，L2和L3性质异同之处。已知：b1=b2=b3  (夹角1=2=3)

第七章   金属冷变形

本章主要内容：

晶体的变形过程：弹性变形，塑性变形，断裂，应力—应变曲线

单晶体的塑性变形：滑移：滑移线，滑移系，交滑移，多系滑移，滑移的位错解释

临界分切应力，拉伸和压缩时晶体的转动

其它变形方式：孪生，扭析

单晶体的应力—应变曲线

多晶体的塑性变形：晶粒取向的影响，晶界的影响

晶粒大小对材料性能的影响：Hall-Petch公式，高温强度

单相固溶体合金的变形：固溶强化，屈服现象，应变时效

复相合金的变形：第二相的影响

塑性变形中金属的组织，性能变化：组织变化，加工硬化，内应力，织构

金属及合金强化的位错解释：Cottroll气团，位错的相互交截，带割阶的位错运动，Lomer-Cottrell位错，加工硬化的位错解释，绕过机制（Orowan机制），切过机制

1  填空

1  Hcp金属的滑移系是由___________________________________所组成。

2  单晶滑移时临界分切应力公式为_______________________。

3  金属材料的性能出现方向性，可能时由下列组织结构产生，__________________，________________，____________________。

4  孪生时发生均匀切变的那个晶面称为_____________，切变的方向称为_____________。

5  bcc晶体（011）面上的滑移方向是____________和______________，（-101）面上的滑移方向是______________和____________________。

6  单晶体试样拉伸时，其滑移面向着与拉伸轴_________的方向转动，压缩时滑移面朝着与压力轴___________的方向转动。

7  Fcc晶体滑移面是____________________，滑移方向是__________________，共有_______________个滑移系，当拉伸轴沿[001]方向时具有__________个等效滑移系。

8  在常温下，Mg晶体的滑移面是_________，滑移方向是______________，-Fe的滑移面是____________，滑移方向是_______________________。

9  多晶体塑性变形时，由于___________________和_____________的影响，其变形阻力比单晶体大。

10  丝织构用_________________表示。

11  在一般条件下进行塑性变形时锌中易出现__________________________，铅中易出现______________________________。

12  体心立方金属的滑移系是______________________，共有______________个。

13多晶体塑性变形主要特点是：______________________和____________________________

14  滑移系的取向因子等于零时，则为____________。

A 软取向 硬取向

15  冷塑性变形时，_________金属易出现孪晶。

A   fcc             B  bcc              C  hcp

16  硬性第二相对金属材料强韧性较为有利的形态和分布是________。

A呈网状分布在基体相的晶界上 以细小点状分布在基体上

C呈针状或片状分布在基体上

2  判断

1  冷变形形成了变形织构，再结晶时一定会形成再结晶织构。（  ）

2  晶体的滑移和孪生都是位错运动的结果。（  ）

3  孪生开始时所需要的临界分切应力比滑移的临界分切应力小（  ）。

4  某滑移系的取向因子越大，其临界分切应力也越大（  ）。

5  滑移面两边晶体的位向一致（  ）

6  金属材料中的织构都是有害的（  ）。

9  单相合金中的层错和孪晶界都是共格界面。（  ）

10  金属中残余应力总是有害的。（  ）

11  既能提高强度，又能降低其脆性的手段是固溶强化。（  ）

12  第二相含量越多，半径越小，则对晶界迁移阻力越大。（  ）

13  晶粒大小对s的影响比对b的影响。（  ）

A 显著 较弱 不显著

3 名词

固溶强化，时效强化，应变时效，弥散强化，吕德斯带，带状组织，临界分切应力

断裂机制（微孔聚集型），变形织构

4 问答

1  单相合金的冷塑性变形与纯金属的室温塑性变形相比，有何特点。

（纯：滑移系，扭转，位错运动，临界切应力。单相：还出现固溶强化，应变时效，屈服。）

2  试解释典型的面心立方单晶体的加工硬化曲线，并比较与多晶体加工硬化曲线的差别。

3  试说明合金的塑性变形特点。

4  总结层错能在位错运动和冷、热加工中所起的作用。

5  简述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构的成因，它们有何不同，对金属材料性能有何影响。（纤维：加工，晶粒拉长，加工硬化。织构：位向一致，各向异性。）

6  为什么金属材料经热加工后机械性能较铸造态好。（消除缺陷，流线，组织细化。）

7  试结合金属单晶体、多晶体、单相合金及复相合金，总结塑性变形过程中的强化机制。

8  试指出单晶体的Cu与-Fe中易滑移面的晶面与晶向，并分别求它们的滑移面间距，滑

移方向上的原子间距及点阵阻力，已知泊松比为=0.3,GCu=48300MPa，G-Fe=81600MPa.

9  试证明FCC和BCC金属在发生孪生变形时的切应变为0.707a。

10  何为加工硬化？列出产生加工硬化的各种可能机制。（不必说明），加工硬化现象在工业上有哪些作用？

11  铝单晶体拉伸时，其力轴为[001]，一个滑移系的临界分切应力为0.79MN/m2，取向因子COSCOS=0.41,试问有几个滑移系可同时产生滑移？开动其中一个滑移系至少要施加多大的拉应力？

12  简要说明第二相在冷塑性变形过程中的作用。

13  讨论织构的利弊及控制方法。

14  叙述金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化。

15  试述提高金属塑性的措施？简述理由。

16  铜丝两端固定从200 冷却到0 产生内应力有多大？已知铜的热膨胀系数=1.5×10-6/ ，弹性模量E=1.103×1011Pa

17  为什么供深冲用黄铜带材，晶粒太粗遇晶粒过细均不行。

18  图1所示低碳钢的三条拉伸曲线，试回答下列三个问题：

A  塑性变形

B  去载后立即再行加载

C  去载后时效后再加载。

1  解释图示三曲线的屈服现象及B，C中屈服点上升的原因。

2  屈服现象对提高金属强度有何实际意义。

3  屈服现象对冲压制件表面质量有何不利影响。

图1

19  退火纯Fe，其晶粒尺寸d=1/4mm时，其屈服点s=100MNm-2；d=1/mm时s=250MNm-2。d=1/16mm时，根据霍尔-----配奇公式求其s为多少？

20  沿密排六方单晶的[0001]方向分别加拉伸力和压缩力，说明在这两种情况下，形变的可能性及形变所采取的主要方式。

21  画出fcc单晶体金属的- 曲线示意图，它将单晶体塑性变形分为几个阶段？并用位错理论进行解释。

22  A-B二元系中，A晶体结构是bcc，B晶体结构是fcc，A与B形成相，其晶体结构是hcp：

1  指出，三个相的滑移系。

2  绘出它们单晶变形时应力-应变曲线，略加解释。

23  钨丝中气泡密度增，可提高拉伸强度，这是因为气泡可阻碍位错运动，试分析：

1  气泡阻碍位错运动的机制；

2  切应力总增值为多少？

24  原始组织为细晶粒的低碳钢C=0.1%，拉伸应变至=6%时卸载，其拉伸曲线如图示。绘出下列两种情况的--%曲线，并扼要说明：

1  卸载后立即重新加载继续拉伸使之塑性变形。

2  卸载后室温时效后继续拉伸使之塑性变形。

25  铜单晶（a=0.36nm）在[112]方向加拉伸应力，拉伸应力为2.5×105Pa，此条件下：

1  取向因子最大的滑移系有哪几个？

2  计算其分切应力多大？

26  一种合金材料，有稳定第二相，其体积分数为2×10-2，第二相平均尺寸为5×10-4mm，现供货要求材料晶粒直径不大于1mm，试问能否达到要求（设第二相和基体界面能不因取向而变化）。

27  何谓临界分切应力定律？哪些因素影响临界分切应力大小？

第八章   回复与再结晶

本章主要内容：

冷变形金属加热时的变化：形核，再结晶，晶粒长大，性能变化

回复：回复时组织变化，回复动力学，回复的用途

再结晶：再结晶形核机制，再结晶动力学，再结晶温度，再结晶后晶粒大小，

再结晶退火：软化，再结晶织构

再结晶后晶粒的长大：正常长大，反常长大

金属的热变形：动态回复，动态再结晶，热变形对金属材料组织性能影响，超塑性

1 填空

1  再结晶全图是表示______________，_____________与_______________关系的立体图。

2  金属板材深冲时，形成制耳是由于__________________________________。

3  宏观内应力可通过____________退火基本消除，而微观内应力必通过____________退火才能完全消除。

4  热加工是指加热温度___________________的加工。

5  在热加工过程中，高层错能金属的主要软化机制是________________，低层错能金属的主要软化机制是_____________________。

6  再结晶的驱动力是______________________，再结晶后晶粒长大的驱动力是_________________________。

7  消除加工硬化的热处理方法是________________________。

8  通常根据_________________温度来划分冷加工和热加工。

2  选择

1  经冷变形的金属在随后进行退火时，若退火温度越高，时间越长，则晶粒（  ）

A 越细 越大 不变

2  晶粒长大的基本原因是（  ）

A晶粒细小 热激活 界面能减小

3  二次再结晶是（  ）

A相变过程 组织变化过程 某些晶粒特别长大过程

4  户外架空导线要求强度于导电性均好，故采用(  )

A 再结晶退火处理 回复退火处理

5  铝合金的再结晶温度随冷变形程度增大而(  )

A降低 升高 不变

6  二次再结晶是（  ）

A 相变过程 形核长大过程 某些晶粒特别长大现象

7  二次再结晶和一次再结晶一样均需要形核。（  ）

8  所有纯金属材料的最低再结晶温度为0.35~0.4Tm（  ）。

9  再结晶温度是一个(       )

A 物理常数 有条件的参数 不是物理常数

3 判断

1  再结晶后晶粒长大时，大角度晶界比小角度晶界容易移动（ ），平直晶界比弯曲晶界容易迁移（  ）。

2  层错能越高的金属，越难出现动态再结晶。（  ）

3  再结晶过程经过形核与长大，因此也是相变过程。（  ）

4  固态下无相变金属与合金只能采用重熔办法改变其晶粒度。（  ）

5  所有金属热加工时都会发生动态再结晶。（  ）

6  经冷变形成型的铜火炉，即使长期加热使用也不会发生任何变化。（  ）

7  固溶合金元素不仅阻碍形核，对长大也起阻碍作用。（  ）

8  动态回复和动态再结晶都起提高金属热加工延性的作用（  ）

9  所有金属在常温进行塑性变形都属于冷加工（  ）。

4 名词

变形织构与再结晶织构，再结晶全图，冷加工与热加工，动态再结晶，临界变形度，

二次再结晶，加工流线，退火孪晶，动态回复，

变形孪晶--------退火孪晶，变形织构-------再结晶织构，回复，再结晶形核

5 问答

1  再结晶与二次再结晶有何区别？

2  微晶超塑性变形后，合金的显微组织有何特征？

3  铜的熔点为1083 ，在冷变形后的工业纯铜板上取三个试样，第一个试样加热到200 ，第二个试样加热到500 ，第三个试样加热到800 ，各保温一小时，然后空冷。试画出各试样热处理后的显微组织示意图，说明它们在强度和塑性方面的区别及原因。

4  再结晶与固态相变有何区别？在再结晶过程中金属的性能发生哪些变化？

5  金属晶体塑性变形时，滑移和孪生有何主要区别？

6  简述金属冷变形度的大小对再结晶形核机制和再结晶晶粒尺寸的影响。

7  灯泡中W丝在高温下工作，发生显著晶粒长大性能变脆，在热应力作用下破断，试找出两种延长钨丝寿命的方法？

8  今有铜基多元合金，其高温为fcc结构单相，480 -200 为+两相，200 以下为（++）三相，性脆。问如何通过冷变形——热处理以控制其组织为（+）微双相，试定工艺方案？并简述理由？

9  画出下面显微组织示意图

1  经严重冷变形后单相合金组织

2  该合金经回复退火后的组织

3  该合金经再结晶退火处理后的组织

10  户外用的架空铜导线（要求一定的强度）和户内电灯用花线，在加工之后可否采用相同的最终热处理工艺？为什么？（回复，只去应力，保留强度；再结晶退火：软化）

11  制定一种测定再结晶温度的方案。

12  何谓再结晶全图，举例说明它在生产中的实际应用。

13  再结晶后晶粒大小与G、N有关。D=k(G/N)1/4，大多数金属材料s与d符合霍尔—配奇方程，s=o+Kyd-1/2，试提出三条措施，提高固态金属的屈服强度。简述理由。

14  图1所示合金锭块为楔形，冷加工成厚度一致的板材。

1）  绘出冷加工板材高温退火后，沿长条截面上微观组织图。

2） 将1材料分段剪条测定其强度，硬度，发现性能不均。分析原因何在。

3） 如要性能均匀一致应采取哪些措施。

图1

16  将再结晶温度定义为加热一小时内转变量达95%的温度，已知获得95%转变量所需时间t0.95为：t0.95=[2.85/(NG3)]1/4式中N，G分别为再结晶的形核率与长大速率。G=Goe-Qo/RT， N=Noe-Qn/RT

1  导出再结晶温度TR与Go，No，Qo，Qn的函数关系式。

2  说明变形程度，原始晶粒大小，金属纯度如何影响再结晶温度。

17  大角度晶界和共格晶界哪一个阻挡位错运动较为有效？ 

18  钨板在1100 加工变形，锡板在室温加工变形，它们组织和性能会怎样变化？

19  试对比分析冷轧铝板和热轧铝板在组织、性能方面的特点及形成原因。

20  今有工业纯钛铅铝两种铸锭，试问如何选择它们的轧制开坯温度？开坯后，将它们在室温（20℃）进行轧制，它们的塑性谁好谁坏？为什么？它们在室温下可否连续轧制下去？钛、铅、铝分别怎样才能轧成很薄的带材？

 已知：1工业纯金属的再结晶温度T再=（0.3-0.4）T熔

         2   钛熔点1672℃，883℃以下为hcp，883℃以上为bcc；

 铝熔点为660℃，fcc结构（面心立方）；

 铅熔点为327℃，fcc结构（面心立方）。

21  纯金属冷轧材，拟做一定温度下使用器件。若在使用中发生50%的再结晶，则认为强度明显下降，而不能继续使用。

1  根据该材料的再结晶动力学曲线（如图所示）确定材料工作寿命为10000分钟，其最高使用温度为多少？

2  欲延长该器件在该温度下的工作寿命克采取哪些措施。

22  Cu-Ag5%合金，为进一步提高其机械性能，决定通过冷变形---再结晶来减小晶粒尺寸，请设计方案求最佳变形工艺与热处理规程，使晶粒尺寸最小，说明要控制哪些变数？怎样确定最佳值？

23  含碳0.2%的钢，经90%冷变形后，取三块试样分别加热到200 ，650 ，950 ，各保温一小时后空冷。分析所得显微组织，并画出示意图。

24  何谓再结晶织构，对其利弊面各举一实例。

25  简单解释概念：再结晶时晶粒长大与再结晶后晶粒长大。

26  如何从显微组织上区分静动态回复和静动态再结晶，并绘出示意图表示之。

27  要使一纯铁板材硬度沿长度方向逐渐降低，试设计达到此目的的两种实验方案，并分析其可行性。

（1）形变金属只要加热到再结晶温度以上，不论保温时间长短，都能发生再结晶。

（2）所以金属热加工，都会发生动态再结晶。

（3）金属材料中的残余应力都是有害的。

（4）层错能越高的金属，越易出现动态再结晶，退火时越难以出现退火孪晶。

28  画出金属材料的再结晶温度与冷变形度的关系曲线，并作简要说明。

29  实现微晶超塑性变形应具备哪些基本条件？

30  有块硬度均匀的退火态铜板，冷冲成零件后，发现各部分硬度不均，其原因何在？采用什么方法才能使其硬度均匀。

31  金属材料在热塑性变形后组织、性能变化有哪些？

32  说明细晶强化的位错机理，指出通过冷变形、再结晶退火获得细晶的有效措施，及获得大晶粒的措施？

33  绘出下列应力-------应变曲线，并对曲线变化做简要解释。

单晶FCC(Cu)，HCP(Mg) 应力-------应变曲线

单相间隙固溶体应力-----应变曲线

纯铜多晶应力-----应变曲线

低层错能金属在热加工温度应力----应变曲线

34  提出五条提高金属材料强度的措施，并用位错理论简要解释。

35  试说明晶粒大小对金属材料室温及高温力学性能的影响，在生产中如何控制材料的晶粒度。

36  如何提高固溶体合金的强度

  固溶，细晶，加工硬化，第二相，相变（热处理）等。

37  试用位错理论解释弥散强化的原因？

38  用位错理论解释加工硬化的原因。

23  试用位错理论解释固溶强化，弥散强化，以及加工硬化的原因。

39  用位错理论解释固溶体合金为什么比其溶剂金属具有较高的强度。

40  试用位错理论解释固溶强化的原因？

41  根据位错理论对如下产品提出可能采取的强化机制：

家用铜器件，铝器件；灯泡钨丝；架空导线；铆钉；载重钢板

42  分析以下各式意义：

（1）s=o+Kyd-1/2

(2) d=Kr/f

(3) d=ktn

(4) d=k[G/N]1/4

并用位错理论对（1），（2）式加以解释。针对各式分别说明如何控制工艺条件来细化晶粒与提高屈服强度。

4说明晶粒大小对金属室温强度和塑性的影响，可采用那些方法改变固态金属的晶粒大小？

44  冷变形铜制件，在一定温度下使用，如果制件完成50%的再结晶，则认为强度低了。

1  计算该铜制件在130 工作时的使用寿命。

计算公式：V=Aexp(  )式中t0.5为完成50%再结晶所需的时间A=1012  R/R=1.5×104K

2  如要延长该制件工作寿命，应采取哪些措施。

45  冷变形金属与合金退火时组织和性能如何变化？

46  位错对金属材料变形及性能的影响。

（缺陷；完成塑性变形；切过、绕过机制；缺陷密度影响强度；

Cottrell气团、Suzuki气团；位错交截，位错反应；影响形核）

47  “滑移带”、“退火孪晶”、“抛光残留磨痕”在金相分析时如何区别？。

第九章   表面与界面

本章主要内容：

固体表面：表面的分类，

晶体的平衡形状与结构的关系

晶体的生长形状

表面吸附与分凝：物理吸附，化学吸附，分凝

晶界：晶界分类，晶界模型，小角晶界的位错模型，大角晶界的模型

晶界的表面张力和晶界能，晶界迁移，晶界上少量第二相的形貌，晶界平衡偏聚

亚晶界

孪晶界

相界：共格相界，非共格相界

晶态固体的表面与界面实例：薄膜材料：制备，性质，用途

复合材料：概念，分类，增强体，复合效应，增强原理，界面结合类型，界面对性能影响

耐火材料的生产：粉备，固相反应，烧结

1 判断

1  Fcc金属结晶时，晶核表面是{111}面的可能性最大。（  ）

2  位错等缺陷吸附在晶界上称为内吸附。（  ）

3  晶界偏聚可用均匀化退火消除。（  ）

4  晶界迁移是晶粒长大的基本过程。（　）

2  填空

1  两相邻晶粒位向差小于10o的晶界称为____________晶界，大于10o的晶界叫做__________晶界

3 名词

正（内）吸附，层错能与界面能，小角度晶界，晶界偏析

4 选择

1  界面能最低的相界是（  ）

A 共格界面 小角度晶界 孪晶界

2  金属表面自由能随其结合键能而变，所以（  ）

A 高熔点金属的表面自由能比低熔点金属高

B 表面自由能是各向同性的

C 表面自由能与温度无关。

5  问答

1  试说明界面对材料性能及变形的影响。

2  试述晶界的特性。

晶界能，偏聚，扩散通道，迁移，形核，易腐蚀，强化及弱化，第二相形状，位错塞积，应力集中，结构。

3将两块垂直放置，相距d=2x10-4m的钢板在1000 进行银焊，求银液上升高度h。银在1000 时的表面张力＝0.923J/m2，银的密度=10.5g/mm3

4  分析晶界偏析对合金的组织转变和性能的影响？

5  分析小角度晶界，大角度晶界，共格界面以及孪晶界界面能的大小。

6  分析第二相质点数量尺寸对晶界移动的阻碍作用。

7  对铝试样观察发现，晶粒内部位错密度为5×1013m-2，如亚晶粒间的角度为５o，试估算界面上的位错间距和亚晶粒的平均尺寸，已知bAl=2×10-10m，并假定所有位错均在亚晶界上且亚晶为正六边形。

第十章   原子扩散

本章主要内容：

扩散第一定律

扩散第二定律，第二定律的解及应用实例

柯肯达尔效应

扩散的微观机理：扩散机制，高扩散率通道

扩散热力学：驱动力，反应扩散

影响扩散的因素

扩散的应用实例

1 填空

1  扩散系数的单位是_____________________________________________，扩散系数D的物理意义是__________________________________。

2  上坡扩散是指_______________________________________________，反应扩散是指______________________________________________。

3  扩散系数与温度之间关系的表达式为_____________________________________。

4  三元系的扩散层中不可能出现_____________________混合区。

5  空位扩散需具备的条件是（1）_________________，（2）______________。间隙扩散需具备的条件是_________________________。

6  互扩散系数D______________________________________。

7  置换式固溶体晶内扩散的主要机制是_____________，而间隙固溶体晶内扩散的主要机制是_________________。

8  扩散驱动力_____________________，再结晶驱动力_______________________，晶粒长大驱动力_______________________。

9  扩散第一定律表达式____________________________，扩散第二定律表达式___________________________。

10  扩散通量J的单位是____________________。

2  判断

1  金属的自扩散激活能等于（  ）

A空位形成能和迁移激活能的总和 空位的形成能 空位的迁移能

2  晶界扩散比晶内扩散速率（ ）

A  大 小 相等

3  固溶体中扩散的驱动力是___________。

 温度梯度 组元的浓度梯度 组元的化学势剃度

4  扩散通量J的大小，是指单位时间内通过任何截面的流量。（  ）

5  氮在奥氏体中溶解度大，表明氮在奥氏体中扩散速度比铁素体中快。（  ）

6  如图1（AB二元相图），有一合金III ，从T1温度淬火至室温，然后再加热至T2温度时效，在时效时所产生的扩散过程，其(         )

A 2G/C2>2G/C2=2G/C2<0

图1

7  上坡扩散J与dc/dx方向（  ）：A一致， 相反， 垂直

8  扩散系数D只决定于晶体结构。（  ）

9  氮在奥氏体中溶解度大，表明氮在奥氏体中扩散速度比在铁素体中快。（  ）

10  扩散永远是由高浓度向低浓度方向进行。（  ）

11  反应扩散只受反应速度控制。（　　）

12  可以说扩散定律实际上只有一个。（  ）

13  扩散通量J的大小，是指单位时间内通过任何截面的流量。（  ）

14  扩散第一定律仅适用于稳态扩散。（  ）

15  扩散激活能越大，扩散速度越快。（  ）

16  只要合金中存在浓度梯度就一定会发生扩散。（  ）

17  纯铁在渗碳过程的扩散中，铁原子的扩散是不可忽略的。（  ）

18  间隙溶质原子的扩散系数，低于置换溶质原子的扩散系数。（  ）

3 名词

扩散通道，反应扩散，克肯达尔效应，间隙扩散，扩散激活能

化学势梯度，扩散通量，上坡扩散和下坡扩散，扩散系数

4 问答

1  简要说明影响扩散系数的因素。

2  已知碳在奥氏体中扩散系数D=2×10-5exp(-140×103/RT)m2/s，问

1计算在927℃时碳在奥氏体中的扩散系数。

2在９２７ 时使试样1mm处深度处碳浓度达到０.５％所需时间。

已知试样为纯铁，R=8.314J/mol.k，由相图知在９２７ 时碳在奥氏体中最大溶解度为１.３％，误差函数如表

X/2√Dt与erf(x/2√Dt)的对应值

1  在有限时间内能否使枝晶偏析完全消失？为什么？

2  将此合金均匀化退火前进行冷加工，对均匀化过程是加速还是无影响？说明理由。

4  原子扩散在材料中的应用

 （晶体凝固时形核、长大；合金的成分过冷；成分均匀化，包晶组织的特点，固态相变时的形核（晶界形核、晶界运动、晶界平直、晶界偏聚、马氏体转变、高温蠕变），氧化，焊接，化学热处理（渗C、N等），粉末冶金，涂层。）

5  对0.1%C的钢进行渗碳，渗碳时钢件表面碳浓度保持为1.2%C，若要求在其表面下2mm处渗碳后碳含量为0.45%，已知D=2×10-11m2/s，R=8.314J/mol.k，求

（1）渗碳所需时间

（2）要将渗碳厚度增加1倍，问渗碳时间需延长多少？

X/2√Dt与erf(x/2√Dt)的对应值

1  铁—氧于1000 反应扩散后可生成哪些相？

2  绘出纯Fe板由外向里在温度1000℃扩散过程中扩散层的组织与氧浓度分布曲线。

3如要氧化层中不出现FeO，其加热温度控制在多少度。

4. 预测其显微组织图中有几种不同相及界面。

图3

图2

7  纯铁于850℃渗碳时，在渗碳层组织中为何不形成+两相区？

8碳在 -Fe中扩散时，Do=2.0×10-5cm2/sec，Q=140×103J/mol，R=8.314J/mol.k，试计算出927℃时碳在铁中的扩散系数。

9  把一块纯铁放在N（氮）原子供应充分的炉中，加热到T1温度进行渗N，经长时间保温后出炉冷却。试根据Fe-N相图（见图3）绘出铁的表层组织和N的浓度分布示意图。

10  Ni溶于-Fe，Pb不溶于-Fe，铁制品能否在较高温度下镀Ni或镀Pb？为什么？

11  碳在 -Fe中的扩散系数D927 =16.1×10-12m2/s，D870 =7.99×10-12m2/s，渗碳层的厚度和浓度一定，在927 渗碳时需要10小时，试计算在870 时渗碳时需要多少时间？

12  一块厚度为d的薄板，在T1温度下两侧的浓度分别保持为C1和C0（C1>C0）当扩散达到平衡后绘出a，b，c三条件下的C-X曲线，并回答问题d

a  扩散系数为常数；b  扩散系数随浓度增加而增加；c  扩散系数随浓度增加而减小；

d  求情况a距离高浓度一侧d/3处的浓度。

1讨论锌在铜中形成的固溶体的均匀化

1  已知Zn在Cu中扩散时D0=2.1x10-5m2/s，Q=171x103J/mol，求815 时Zn在Cu中的扩散系数；

2  若最大成分偏差为５％Zn，含Zn最低区与最高区的距离为0.1mm，试用方程式C=Cmsin(Z/l)exp(2Dt/l2)计算815 均匀化退火使最大成分偏差降至１％Zn所需时间；

3  铸造Cu-Zn均匀化退火前冷加工对均匀化过程有无影响？为什么？

15  试举出材料扩散的途径有哪些？

16  提出一种测定扩散系数D的方法。

17  将一块纯铁和一块共析钢(C=0.77%)对接固紧置于真空电炉740 下长时保温，试绘出成分变化曲线及组织图，并解释之。

18  将钢板浸入450 熔融锌中进行镀锌。

1  根据Fe-Zn相图指出450 下镀层由外至里包括哪几个单相区，画出Zn%-距离曲线。

2  450 时镀层中是否存在两相区？为什么？

20  在互扩散实验中，已知扩散时间t_200小时，标界移动量l_0.0144cm，互扩散系数D=10-7cm2/s，成分---距离曲线在标界面上斜率=2.0。A组元的原子百分浓度NA=0.4，求A和B两组元的扩散系数。

21  说明扩散规律在冶金生产过程及热处理工艺中具体应用。

22  渗碳为什么在-Fe中进行而不在-Fe中进行。

23  在870 和927 ，两种温度渗碳时，试解决如下问题：

1．计算碳在两种温度下在奥氏体中扩散系数的差值。

2．870 渗碳需用多长时间才能获得927 渗碳10小时的渗碳厚度。

24  一块用作承载重物的低碳钢板，为提高其表面硬度采用表面渗碳，试分析：

1．渗碳温度选择低于727 行否？为什么？

2．渗碳温度高于1100 会出现什么问题？

25  一置换式固溶体合金其空位迁移能为11KJ/mol，空位形成能为6KJ/mol，问：（1）在1100K的扩散系数与从1100K急冷却到800K时的扩散系数的比值是多大？（2）从1100K缓慢冷却到800K的扩散系数的比值多大。

26  何谓上坡扩散，举两个实例说明金属中上坡扩散现象。

27  已知铜在铝中扩散时DO=0.8×10-5m2/s，其扩散激活能Q=136×103J/mol.K，试计算27 和527 时扩散系数，并用所得数据讨论温度对扩散系数的影响。

28  纯Fe装入渗碳炉内进行渗碳

1  加热至740 保温一定时间后，画出渗碳层碳含量的分布曲线。

2  将该渗件取出放入真空炉内重新加热至740 并长时保温，达到平衡，画出其碳含量分布曲线。

3  在真空炉中升温至 ，长时保温，试画出达到平衡时碳含量分布曲线。

29  碳在奥氏体中扩散系数，可近似的用下式计算：

D=-2×10-5exp[-140×103/RT]m2/s，R=8.31J/mol.K

1．求927 下渗碳层深度（由表面含碳量为0.5%处）由1mm增至2mm，时间需要增加多少倍？

2．若给定时间要使渗碳层深度由1mm增加至2mm，需从927 增加多高温度？

30  一块存在枝晶偏析的合金锭，锯成尺寸相同的两块试样，其中一块经塑性变形后，厚度为原来的6/10，随后两试样同时加热均匀化处理，试分析：

（1）均匀化前冷变形对均匀化过程有无影响，理由何在？

（2）如果由影响，当经塑性变形试样浓度波动振幅下降为原来的1/10时，计算另一试样深度振幅下降了多少？

31  有一置换式固溶体合金，其扩散激活能为11KJ/mol，空位形成能为6KJ/mol，问：

1  在1100K的扩散系数与从1100急剧冷却到800K的瞬时扩散系数的比值多大？

2  在1100K扩散系数与从1100缓慢冷却到800K后的扩散系数的比值多大？

32  一钢锭，其中存在锰偏析，为使其成分偏析振幅降低到1%，所需均匀化退火时间为l=0.4672/d，为缩短均匀化时间，试问：

（1）铸造过程

（2）均匀化前的变形

（3）均匀化温度等方面，分析如何缩短均匀化时间。

3根据Fe-C相图问：

1  画出纯Fe在800 渗碳时渗碳铁棒成分—距离示意曲线。

2  若渗碳温度低于727 能否达到渗碳目的，为什么？

33一块厚度10毫米，含碳量0.77%的钢在强脱碳气氛中加热到800℃，然后缓慢冷却，试画出试样从表面到心部的组织示意图。下载本文