金屬學與熱處理習題及參考解
一、論述四種強化的強化機理、強化規律及強化方法。
1、 形變強化
形變強化：隨變形程度的增加，材料的強度、硬度公升高，塑性、韌性下降的現象叫形變強化或加工硬化。
機理：隨塑性變形的進行，位錯密度不斷增加，因此位錯在運動時的相互交割加劇，結果即產生固定的割階、位錯纏結等障礙，使位錯運動的阻力增大，引起變形抗力增加，給繼續塑性變形造成困難，從而提高金屬的強度。
規律：變形程度增加，材料的強度、硬度公升高，塑性、韌性下降，位錯密度不斷增加，根據公式δσ=αbgρ1/2 ，可知強度與位錯密度（ρ）的二分之一次方成正比，位錯的柏氏向量（b）越大強化效果越顯著。
方法：冷變形（擠壓、滾壓、噴丸等）。
形變強化的實際意義（利與弊）：形變強化是強化金屬的有效方法，對一些不能用熱處理強化的材料可以用形變強化的方法提高材料的強度，可使強度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金屬均勻變形，使工件或半成品的成形成為可能，如冷拔鋼絲、零件的沖壓成形等；形變強化還可提高零件或構件在使用過程中的安全性，零件的某些部位出現應力集中或過載現象時，使該處產生塑性變形，因加工硬化使過載部位的變形停止從而提高了安全性。另一方面形變強化也給材料生產和使用帶來麻煩，變形使強度公升高、塑性降低，給繼續變形帶來困難，中間需要進行再結晶退火，增加生產成本。
2、 固溶強化
隨溶質原子含量的增加，固溶體的強度硬度公升高，塑性韌性下降的現象稱為固溶強化。強化機理：一是溶質原子的溶入，使固溶體的晶格發生畸變，對滑移面上運動的位錯有阻礙作用；二是位錯線上偏聚的溶質原子形成的柯氏氣團對位錯起釘扎作用，增加了位錯運動的阻力；三是溶質原子在層錯區的偏聚阻礙擴充套件位錯的運動。
所有阻止位錯運動，增加位錯移動阻力的因素都可使強度提高。
固溶強化規律：①在固溶體溶解度範圍內，合金元素的質量分數越大，則強化作用越大；②溶質原子與溶劑原子的尺寸差越大，強化效果越顯著；③形成間隙固溶體的溶質元素的強化作用大於形成置換固溶體的元素；④溶質原子與溶劑原子的價電子數差越大，則強化作用越大。
方法：合金化，即加入合金元素。
3、第二相強化
鋼中第二相的形態主要有三種，即網狀、片狀和粒狀。
①網狀特別是沿晶界析出的連續網狀fe3c，降低的鋼機械效能，塑性、韌性急劇下降，強度也隨之下降；
②第二相為片狀分布時，片層間距越小，強度越高，塑性、韌性也越好。符合σs=σ0＋ks0-1/2的規律，s0 片層間距。
③第二相為粒狀分布時，顆粒越細小，分布越均勻，合金的強度越高，符合的規律，λ粒子之間的平均距離。第二相的數量越多，對塑性的危害越大；
④片狀與粒狀相比，片狀強度高，塑性、韌性差；
⑤沿晶界析出時，不論什麼形態都降低晶界強度，使鋼的機械效能下降。
第二相無論是片狀還是粒狀都阻止位錯的移動。
方法：合金化，即加入合金元素，通過熱處理或變形改變第二相的形態及分布。
4、細晶強化
細晶強化：隨晶粒尺寸的減小，材料的強度硬度公升高，塑性、韌性也得到改善的現象稱為細晶強化。
細化晶粒不但可以提高強度又可改善鋼的塑性和韌性，是一種較好的強化材料的方法。
機理：晶粒越細小，位錯塞集群中位錯個數（n）越小，根據，應力集中越小，所以材料的強度越高。
細晶強化的強化規律：晶界越多，晶粒越細，根據霍爾-配奇關係式σs=σ0＋kd-1/2 晶粒的平均直（d）越小，材料的屈服強度（σs）越高。
細化晶粒的方法：結晶過程中可以通過增加過冷度，變質處理，振動及攪拌的方法增加形核率細化晶粒。對於冷變形的金屬可以通過控制變形度、退火溫度來細化晶粒。
可以通過正火、退火的熱處理方法細化晶粒；在鋼中加入強碳化物物形成元素。
二、改善塑性和韌性的機理
晶粒越細小，晶粒內部和晶界附近的應變度差越小，變形越均勻，因應力集中引起的開裂的機會也越小。晶粒越細小，應力集中越小，不易產生裂紋；晶界越多，易使裂紋擴充套件方向發生變化，裂紋不易傳播，所以韌性就好。
提高或改善金屬材料韌性的途徑：① 儘量減少鋼中第二相的數量；② 提高基體組織的塑性；③ 提高組織的均勻性；④ 加入ni及細化晶粒的元素；⑤ 防止雜質在晶界偏聚及第二相沿晶界析出。
三、fe—fe3c相圖，結晶過程分析及計算
1. 分析含碳0.53～0.77％的鐵碳合金的結晶過程，並畫出結晶示意圖。
①點之上為液相l；①點開始l→γ；②點結晶完畢；②～③點之間為單相γ；
③點開始γ→α轉變；④點開始γ→ p共析轉變；室溫下顯微組織為α+ p。
結晶示意圖：
2. 計算室溫下亞共析鋼（含碳量為）的組織組成物的相對量。
組織組成物為α、p，相對量為：
或3. 分析含碳0.77～2.11％的鐵碳合金的結晶過程。
①點之上為液相l；①點開始l→γ；①～②之間為l+γ；②點結晶完畢；②～③點之間為單相γ；③點開始γ→fe3c轉變；④點開始γ→ p共析轉變；室溫下顯微組織為p + fe3c。
結晶過程示意圖。
4. 計算室溫下過共析鋼（含碳量為）的組織組成物的相對量。
組織組成物為p、fe3cⅱ，相對量為：
或5. 分析共析鋼的結晶過程，並畫出結晶示意圖。
①點之上為液相l；①點開始l→γ；②點結晶完畢；②～③點之間為單相γ；③點γ→ p共析轉變；室溫下顯微組織為p。
結晶示意圖：
6. 計算含碳3.0%鐵碳合金室溫下組織組成物及相組成物的相對量。
含碳3.0%的亞共晶白口鐵室溫下組織組成物為p、fe3cⅱ，相對量為：
相組成物為f、fe3c，相對量為：
7. 相圖中共有幾種滲碳體？說出各自的**及形態。
相圖中共有五種滲碳體: fe3cⅰ、fe3cⅱ 、fe3cⅲ 、fe3c共析、fe3c共晶 ；
fe3cⅰ：由液相析出，形態連續分布（基體）； fe3cⅱ：由奧氏體中析出，形態網狀分布； fe3cⅲ：
由鐵素體中析出，形態網狀、短棒狀、粒狀分布在鐵素體的晶界上；fe3c共析：奧氏體共析轉變得到，片狀；fe3c共晶：液相共晶轉變得到，粗大的條狀。
8. 計算室溫下含碳量為合金相組成物的相對量。
相組成物為α、fe3c，相對量為：
9. fe3c的相對量：
當x=6.69時fe3c 含量最高，最高百分量為：
10. 過共析鋼中fe3cⅱ 的相對量：
當x=2.11時fe3cⅱ含量最高，最高百分量為：
11. fe3cⅲ 的相對量計算：
當x=0.0218時fe3cⅲ含量最高，最高百分量為：
12. 共析滲碳體的相對百分量為：
13. 共晶滲碳體的相對百分量為：
14. 說出奧氏體與鐵素體的異同點。
相同點：都是鐵與碳形成的間隙固溶體；強度硬度低，塑性韌性高。
不同點：鐵素體為體心結構，奧氏體麵心結構；鐵素體最高含碳量為0.0218%， 奧氏體最高含碳量為2.
11%，鐵素體是由奧氏體直接轉變或由奧氏體發生共析轉變得到，奧氏體是由包晶或由液相直接析出的；存在的溫度區間不同。
15. 說出二次滲碳體與共析滲碳體的異同點。
相同點：都是滲碳體，成份、結構、效能都相同。
不同點：**不同，二次滲碳體由奧氏體中析出，共析滲碳體是共析轉變得到的；形態不同二次滲碳體成網狀，共析滲碳體成片狀；對效能的影響不同，片狀的強化基體，提高強度，網狀降低強度。
16. 舉例說明成分、組織與機械效能之間的關係
如亞共析鋼。亞共析鋼室溫下的平衡組織為f＋p，f的強度低，塑性、韌性好，與f相比p強度硬度高，而塑性、韌性差。隨含碳量的增加，f量減少，p量增加（組織組成物的相對量可用槓桿定律計算）。
所以對於亞共析鋼，隨含碳量的增加，強度硬度公升高，而塑性、韌性下降。
17. 說明三個恆溫轉變，畫出轉變特徵圖
包晶轉變(lb＋δhγj)含碳量0.09％～0.53％範圍的鐵碳合金，於hjb水平線(1495℃)均將通過包晶轉變，形成單相奧氏體。
共晶轉變(lcγe＋fe3c)含碳放2.11％一6.69％範圍的鐵碳合金，於ecf平線上(1148℃)均將通過共晶轉變，形成奧氏體和滲碳體兩相混合的共晶體，稱為菜氏體(ld)。
共析轉變(γs αp＋fe3c)；含碳雖超過0．02％的鐵碳合金，於psk水平線上(727℃)均將通過共析轉變，形成鐵素體和滲碳體兩相混合的共析體，稱為珠光體（p）。
轉變特徵圖
包晶轉變：
共晶轉變：
共析轉變：
各點成分為（c%）：b：0.
53 ；h：0.09；j：
0.17；c：4.
3；e：2.11 s：
0.77；p：0.
0218。
18. 說出fe -fe3c相圖中室溫下的顯微組織
工業純鐵(<0.0218％c)室溫組織：α
亞共析鋼（0.0218％～0.77％c）室溫組織： p＋α；
共析鋼：0.77％c；室溫組織：p
過共析鋼：0.77％～2.11％c室溫組織：p＋ fe3cⅱ
亞共晶白口鐵：2.11％～4.30％c；室溫組織：
共晶白口鐵：4.30％c；室溫組織：
過共晶白口鐵：4.30％～6.69％c。室溫組織：
四、晶面指數與晶向指數
1）、標出圖①、圖②中晶面的晶面指數及圖③中所示晶向(ab，oc)的晶向指數。
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yy a o b y
***012）
aboc：[101]
2）、標出圖①、圖②中晶面的晶面指數及圖③中所示晶向(ac，ob )的晶向指數。
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金屬學與熱處理複習總結
晶向指數 uvw 晶向族 晶面指數 hkl 晶面族 六方晶系晶向指數 uvw u 2u v 3，v 2v u 3，t u v w w uvtw 空間點陣和晶體點陣 為便於了解晶體中原子排列的規律性，通常將實體晶體結構簡化為完整無缺的理想晶體。若將其中每個院子抽象為純幾何點，即可得到乙個由無數幾何點組...
金屬學與熱處理章節重點總結
第1章金屬和合金的晶體結構 1.1金屬原子的結構特點 最外層的電子數很少，一般為1 2個，不超過3個。金屬鍵的特點 沒有飽和性和方向性 結合力 當原子靠近到一定程度時，原子間會產生較強的作用力。結合力 吸引力 排斥力結合能 吸引能 排斥能 課本圖1.2 吸引力 正離子與負離子 電子雲 間靜電引力，長...
金屬學熱處理大題
何謂固溶強化？置換固溶體和間隙固溶體的強化效果哪個大？為什麼？答 固溶強化 在固溶體中，隨著溶質濃度的增加，固溶體的強度 硬度提高，而塑性 韌性有所下降的現象。間隙固溶體的強化效果大於置換固溶體的強化效果。原因 溶質原子與溶劑原子的尺寸差別越大，所引起的晶格畸變也越大，強化效果越好。間隙固溶體晶格畸...