发布时间 : 星期二 文章材料科学基础-张代东-习题答案(2)更新完毕开始阅读142bc98ab0717fd5370cdc04
体的结构类型有关：滑移系甚多的面心立方和体心立方晶体能满足这个条件，故它们的多晶体具有很好的塑性；相反，密排六方晶体由于滑移系少，晶粒之间的应变协调性很差，所以其多晶体的塑性变形能力很低。
6-6 沿密排六方单晶体[0001]方向分别加拉伸力和压缩力。说明在两种情况下，形变的可能性及形变所采取的主要方式。
答：警惕受到外力作用时，不论外力方向、大小和作用方式如何，均可将其分解成垂直某一晶面的正应力与沿此晶面的切应力。只有外力引起的作用于滑移面上、沿滑移方向的分切应力达到某一临界值时，便会产生滑移；而正应力只能引起弹性变形，甚至断裂。
密排六方金属的滑移面是（0001），而[0001]方向的力在滑移面上的分切应力为零，所以单晶体不能滑移。拉伸时，单晶体可能产生的形变是弹性形变或随后的脆断；压缩时，在弹性形变后，可能有孪生。
6-7 试用位错理论解释低碳钢的屈服。举例说明吕德斯带队工业生产的影响及防止办法。 答：低碳钢的屈服现象可用位错理论说明。由于低碳钢是以铁素体为基的合金，铁素体中的碳（氮）原子与位错交互作用，总是趋于聚集在位错线受拉应力的部位以降低体系的畸变能，形成柯氏气团对位错起到“钉扎”作用，致使?s升高。而位错一旦挣脱气团的钉扎，便可在较小的应力下继续运动，这是拉伸曲线上又会出现下屈服点。已经屈服的试样，卸载后立即重新加载拉伸时，由于位错已经脱出气团的钉扎，所以不出现屈服点。但若卸载后，放置较长时间或稍经加热后，再进行拉伸时，由于熔质院子已通过热扩散又重新聚集到位错线周围形成气团，故屈服现象又会重新出现。
吕德斯带会使低碳薄钢板在冲压成型时使工件表面粗糙不平。解决办法可以根据应变时效原理，将钢板在冲压之前先进行一次微量冷轧（如1%~2%的压量下）工序，使屈服点消除，随后进行冲压成型；也可向钢中加入少量Ti、Al及C、N等形成化合物，以消除屈服点。
6-8什么是固溶强化？引起固溶强化的原因有哪些？
答：固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变,晶格畸变增大位错运动的阻力， 使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。
一般认为，固溶强化是由于多方面的作用引起的，包括： ①溶质原子与位错发生弹性交互作用，固溶体中的溶质原子趋向于在位错周围的聚集分布，称为溶质原子气团，也就是柯垂耳气团，它将对位错的运动起到钉扎作用，从而阻碍位错运动；
②静电交互作用，一般认为，位错周围畸变区的存在将对固溶体中的电子云分布产生影响。由于该畸变区应力状态不同。溶质原子的额外自由电子从点阵压缩区移向拉伸区，并使压缩区呈正电．而拉伸区呈负电，即形成了局部静电偶极。其结果导致电离程度不同的溶质离子与位错区发生短程的静电交互作用，溶质离子或富集于拉伸区或富集在压缩区均产生固溶强化。研究表明，在钢中这种强化效果仅为弹性交互作用的1/3—1/6，且不受温度影响。 ③化学交互作用（Suzuki），这与晶体中的扩展位错有关，由于层错能与化学成分相关，因此晶体中层错区的成分与其它地方存在一定差别，这种成分的偏聚也会导致位错运动受阻，而且层错能下降会导致层错区增宽，这也会产生强化作用。化学交互作用引发的固溶强化效果，较弹性交互作用低一个数量级，但由于其不受温度的影响，因此在高温形变中具有较重要的作用。
6-9 什么是变形织构，变形织构的特点是什么？
答：如同单晶形变时晶面转动一样，多晶体变形时，各晶粒的滑移也将使滑移面发生转
动，由于转动是有一定规律的，因此当塑性变形量不断增加时，多晶体中原本取向随机的各个晶粒会逐渐调整到其取向趋于一致，这样就使经过强烈变形后的多晶体材料形成了择优取向，即形变织构。
依据产生塑性变形的方式不同，形变织构主要有两种类型：丝织构和板织构。 丝织构主要是在拉拔过程中形成，其主要特征是各晶粒的某一晶向趋向于与拔丝方向平行，一般这种织构也就以相关方向表示。如铝拉丝为<111>织构，而冷拉铁丝为<110>织构；
板织构主要是在轧板时形成，其主要特征为各晶粒的某一晶面和晶向趋向于与轧面和轧向平行，一般这种织构也就以相关面和方向表示。如冷轧黄铜的{110},<112>织构。
实际上，无论形变进行的程度如何，各晶粒都不可能形成完全一致的取向。 形变织构的出现会使得材料呈现一定程度的各向异性，这对材料的加工和使用都会带来一定的影响。如加工过程中的“制耳”现象就是我们所不希望出现的；而变压器用硅钢片的(100)[001]织构由于其处于最易磁化方向，则是我们所希望的。 6-10 加工硬化的本质是什么？
答：加工硬化的实质在于位错运动受阻。在实际材料中有许多位错运动的障碍，最主要的是：a.其他位错；b.晶界和亚晶界；c.溶质原子；d.第二相微粒；e.表面膜。其中b、c、d障碍分别对应于细晶强化、固溶强化和第二相强化（包括沉淀强化及弥散强化）。对于纯金属单晶体而言，上述三种障碍位错运动的障碍都不存在，但仍能出现加工硬化现象，因此可以认为，其他位错对运动位错的阻碍是产生加工硬化的根本原因。
第7章 习题解答
7-1冷变形后金属在加热时，其组织哪几种变化？
答：冷变形后金属在加热时，其组织会发生变化，根据观察可以将这个过程分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段：回复是指新的无畸变晶粒出现前所产生的亚结构和性能变化的阶段，在金相显微镜中无明显变化；再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；而晶粒长大是指再结晶结束后晶粒的长大过程。
7-2伴随着回复、再结晶和晶粒长大过程的进行，冷变形金属的组织发生了变化，金属的性能也会发生相应的哪些变化？ 答：（一）强度与硬度的变化
回复阶段的硬度变化很小，约占总变化的1/5，而再结晶阶段则下降较多。可以推断，强度具有与硬度相似的变化规律。上述情况主要与金属中的位错密度及组态有关，即在回复阶段时，变形金属仍保持很高的位错密度，而发生再结晶后，则由于位错密度显著降低，故强度与硬度明显下降。 （二）电阻率的变化
变形金属的电阻率在回复阶段巳表现明显的下降趋势。这是因为电阻是标志晶体点阵对电子在电场作用下定向运动的阻力，由于分布在晶体点阵中的各种点缺陷(空位、间隙原子等)对电阻的贡献远大于位错的作用，故回复过程中变形金属的电阻下降明显，说明该阶段点缺陷密度发生了显著的减小。 （三）密度的变化
变形金属的密度在再结晶阶段发生急剧增高的原因主要是再结晶阶段中位错密度显著降低所致。
（四）内应力的变化
金属经塑性变形所产生的第一类内应力在回复阶段基本得到消除，而第二、三类内应力只有通过再结晶方可全部消除。
除了上述性能的变化以外，冷塑性金属加热时性能的转变还包括以下几种： （五）亚晶粒尺寸：在回复的前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在后期，尤其在接近再结晶时，亚晶粒尺寸就显著增大。 （六）储存能的释放：当冷变形金属加热到足以引起应力松弛的温度时，储能就被释放出来。回复阶段时各材料释放的储存能量均较小，再结晶晶粒出现的温度对应于储能释放曲线的高峰处。
7-3 回复过程有哪些特点？
答：从动力学曲线可以发现，回复过程具有以下特点： ①回复过程在加热后立刻开始，没有孕育期；
②回复开始的速率很大，随着时间的延长，逐渐降低，直至趋于零； ③加热温度越高，最终回复程度也越高；
④变形量越大，初始晶粒尺寸越小，都有助于加快回复速率。 7-4 简述回复机制？
答：回复过程中发生的组织结构变化以及变化程度主要决定于回复温度。回复阶段的加热温度不同，回复过程的机制也存在差异。随着温度由低到高，冷变形金属所发生的回复主要与三种不同的缺陷运动方式有关 （一）低温回复
变形金属在较低温度下加热时所发生的回复过程称为低温回复。这一阶段的回复主要涉及点缺陷（即空位）的变化。此时因温度较低，原子活动能力有限，一般局限于点缺陷的运动，通过空位迁移至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，使冷变形过程中形成的过饱和空位浓度下降，即空位浓度力求趋于平衡以降低能量。对点缺陷敏感的电阻率此时会发生明显下降。
（二）中温回复
变形金属在中等温度下加热时所发生的回复过程称为中温回复。这一阶段回复除点缺陷的运动以外，位错也会发生运动并重新分布。此时因温度升高，原子活动能力也增强，除点缺陷运动外，位错也被激活，在内应力作用下开始滑移，部分异号位错发生抵消，因此位错密度略有降低。 （三）高温回复
变形金属在较高温（～0.3Tm）下，变形金属的回复机制主要与位错的攀移运动有关。这时同一滑移面上的同号刃型位错在本身弹性应力场作用下，还可能发生攀移运动，最终通过滑移和攀移使得这些位错从同一滑移面变为在不同滑移面上竖直排列的位错墙，如图7.5所示，以降低总畸变能。
7-5 金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒？ 答：再结晶退火必须用于经冷塑性变形加工的材料，其目的是改善冷变形后材料的组织和性，能。再结晶退火的温度较低，一般都在临界点以下。如果对铸件采用再结晶退火，其组织不会发生相变，也没有形成新晶核的驱动力（如冷变形储存能等），所以不会形成新晶粒，也就不能细化晶粒。
7-6 固态下无相变的金属及合金，如不重熔，能否改变其晶粒大小？用什么方法改变？ 答：能。可以通过冷变形而后进行再结晶退火的方法。
7-7 为细化某纯铝件晶粒，将其冷变形5%后于650℃退火1h，组织反而粗化；增大冷变形量至80%后，再于650℃退火1h，仍然得到粗大晶粒。试分析其原因，指出上述工艺不合理处，并制定一种合理的晶粒细化工艺。
答：前种工艺，由于铝件变形处于临界变形度下，故退火时可形成个别再结晶核心，最终晶粒极为粗大；而后种工艺，是由于进行再结晶退火时的温度选择不合理（温度过高），如果
按T再T再?T熔估算，则再结晶温度等于100℃，所以再结晶温度不超过200℃合适。由于采用630℃退火1h，所以晶粒仍然粗大。
综上分析，在80%变形量的条件下，采用150℃退火1h，则可使晶粒细化。
7-8 冷拉铜导线在用作架空导线时（要求一定的强度）和电灯花导线（要求韧性好）时，应分别采用什么样的最终热处理工艺才合适？ 答：前者采用去应力退火（低温退火）；后者采用再结晶退火（高温退火）。
7-9 试比较去应力退火过程与动态回复过程位错运动有何不同?从显微组织上如何区分动、静态回复和动、静态再结晶？
答：去应力退火过程中，位错通过攀移和滑移重新排列，从高能态转变为低能态；动态回复过程中，则是通过螺位错的交滑移和刃位错的攀移，使异号位错相互抵消，保持位错增殖率与位错消失率之间的动态平衡。
从显微组织上观察，静态回复时可见到清晰的亚晶界，静态再结晶时形成等轴晶粒；而动态回复时形成胞状亚结构，动态再结晶时等轴晶中又形成位错缠结胞，比静态再结晶晶粒要细。 7-10 某低碳钢零件要求各向同性，但在热加工后形成比较明显的带状组织。请提出几种具体方法来减轻或消除在热加工中形成带状组织的因素。 答：一是不在两相区变形；二是减少夹杂元素含量；三是采用高温扩散退火，消除元素偏析。对已经出现带状组织的材料，在单相区加热、正火处理，则可以消除或改善。
第8章 习题解答
8-1 解释下列基本概念
自扩散，互扩散，间隙扩散，空位扩散，下坡扩散，上坡扩散，稳态扩散，非稳态扩散，扩散系数，柯肯达尔效应，体扩散，表面扩散，晶界扩散 8-2 什么是扩散激活能，简述扩散激活能的实验测试方法。
答：扩散系数D与温度间的关系可由阿雷尼乌斯方程D?D0exp(?Q/RT)，其中Q被称为扩散激活能，即扩散过程中原子迁移至临近位置所必需克服的能垒，常用J/mol为单位。实验方法：由实验值确定 lnD与1/T的关系，如果两者呈线性关系，则lnD-1/T图中的直线斜率为-Q/R值，代入R值即可求得扩散激活能Q。 8-3扩散的机制主要有哪几种？
答：（1）扩散的交换机制。原子几乎是刚性球体，一对原子交换位置时，相邻原子必须让出适当的空间，势必引起附近的晶格发生强烈的畸变，需要的扩散激活能很大，此机制很难出现。
（2）扩散的间隙机制发生在间隙式固溶体中尺寸较小的C、N、H、B、O等溶质原子在固溶体中从一个间隙位置跳到其邻近的另一个间隙位置时发生间隙扩散