第一章 金属及合金的晶体结构

一、名词解释：

1．晶体：原子（分子、离子或原子集团）在三维空间做有规则的周期性重复排列的物质。 2．非晶体：指原子呈不规则排列的固态物质。 3．晶格：一个能反映原子排列规律的空间格架。 4．晶胞：构成晶格的最基本单元。 5． 单晶体：只有一个晶粒组成的晶体。

6．多晶体：由许多取向不同，形状和大小甚至成分不同的单晶体（晶粒）通过晶界结合在一起的聚合体。

7．晶界：晶粒和晶粒之间的界面。

8． 合金：是以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。

9． 组元：组成合金最基本的、独立的物质称为组元。 10． 为相。 11．

组织：用肉眼观察到或借助于放大镜、显微镜观察到的相的形态及分布的图象统称相：金属中具有同一化学成分、同一晶格形式并以界面分开的各个均匀组成部分称

为组织。 12．

固溶体：合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、结构上与组元之一相同的固相。

二、填空题：

1．晶体与非晶体的根本区别在于原子（分子、离子或原子集团）是否在三维空间做有规则的周期性重复排列。

2．常见金属的晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格三种。 3．实际金属的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。

4．根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。

5．置换固溶体按照溶解度不同，又分为无限固溶体和有限固溶体。

6．合金相的种类繁多，根据相的晶体结构特点可将其分为固溶体和金属化合物两种。 7． 同非金属相比，金属的主要特征是良好的导电性、导热性，良好的塑性，不透明，有光泽，正的电阻温度系数。

8． 金属晶体中最主要的面缺陷是晶界和亚晶界。

9． 位错两种基本类型是刃型位错和螺型位错，多余半原子面是刃型位错所特有的。 10．

在立方晶系中，｛120｝晶面族包括(120)、(120)、(102)、(102)、(210)、 (210)、 (201)、

(201)、(012)、(012)、(021)、(021)、等晶面。 11．

点缺陷有空位、间隙原子和置换原子等三种；属于面缺陷的小角度晶界可以用亚晶界来描述。

三、判断题：

1．固溶体具有与溶剂金属相同的晶体结构。（√）

2． 因为单晶体是各向异性的，所以实际应用的金属材料在各个方向上的性能也是不相同的。（×）

3．金属多晶体是由许多位向相同的单晶体组成的。（×）

4．因为面心立方晶格的配位数大于体心立方晶格的配位数，所以面心立方晶格比体心立方晶格更致密。（√）

5．在立方晶系中，原子密度最大的晶面间的距离也最大。（√） 6．金属理想晶体的强度比实际晶体的强度稍强一些。（×） 7．晶体缺陷的共同之处是它们都能引起晶格畸变。（√）

四、选择题：

1．组成合金中最基本的，能够独立存在的物质称为：（b）

a．相；b．组元；c．合金。 2．正的电阻温度系数的含义是：（b）

a．随温度升高导电性增大；b．随温度降低电阻降低；c．随温度增高电阻减小。 3．晶体中的位错属于：（c）

a．体缺陷；b．面缺陷；c．线缺陷；d．点缺陷。 4．亚晶界是由：（b）

a．点缺陷堆积而成；b．位错垂直排列成位错墙而构成；c．晶界间的相互作用构成。 5．在面心立方晶格中，原子密度最大的晶向是：（b） a．<100>；b．<110>；c．<111>。

6．在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是：（b） a．｛100｝；b．｛110｝；c．｛111｝。 7．α-Fe和γ-Fe分别属于什么晶格类型：（b）

a．面心立方和体心立方； b．体心立方和面心立方；

c．均为面心立方； d．均为体心立方 8．固溶体的晶体结构与 相同。（a）

a．溶剂； b．溶质； c．其它晶型。 9．间隙相的性能特点是：（c）

a．熔点高，硬度低； b．硬度高，熔点低；c．硬度高，熔点高

五、问答题：

1．常见的金属晶格类型有哪几种？

回答要点：

1）体心立方晶格；其晶胞是一个立方体，在立方体的八个顶角和中心各有一个原子。 2）面心立方晶格；其晶胞是一个立方体，在立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子。

3）密排六方晶格；其晶胞是一个立方六柱体，在六方柱体的各个角上和上下底面中心各排列着一个原子，在顶面和底面间还有三个原子。

2．金属化合物具有什么样的性能特点？

回答要点：熔点高、硬度高、脆性大。

3．指出下面四个晶面和四个晶向的指数填写在对应的括号内。

z (100) (110) (112) (111) A: [100] C F A D B: [110] y C: [201] D: [111] B x 4．标出图2-1中给定的晶面指数与晶向指数：

晶面OO′A′A、OO′B′B、OO′C′C、OABC、AA′C′C、AA′D′D；晶向OA、OB、OC、OD、OC′、OD′。

答：晶面OO′A′A：（010）；晶面OO′B′B：（110）； 晶面OO′C′C：（100）；晶面OABC：（001）； 晶面AA′C′C：（110）；晶面AA′D′D：（210）。 晶向OA：[100]；晶向OB：[110]； 晶向OC：[010]；晶向OD：[120]； 晶向OC′：[011]；晶向OD′：[122]。

5．在立方晶胞中标出以下晶面和晶向：

晶面DEE′ D′：（210）；

晶面DBC′：（111）or （1 1 1） 晶向D′ E′：[120]； 晶向C′ D：[011]。

第二章 金属及合金的相图

一、名词解释：

1． 枝晶偏析：固溶体合金结晶时，如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多。结果造成在一个晶粒内化学成分分布不均，这种现象称为枝晶偏析或晶内偏析。 2． 中间相：金属化合物也叫中间相，是不同组元间发生相互作用，形成了不同于任一组元的具有独特原子排列和性质的新相，这种新相可以用分子式来大致表示其组成，但这种分子式不一定符合传统化学价的概念。

3． 固溶强化：通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象。

4． 脱溶反应：α’ →α+β，式中α’是亚稳定的过饱和固溶体，β是稳定的或亚稳定的脱溶物，α是一个更稳定的固溶体，晶体结构和α’一样，但其成分更接近平衡状态。 5． 包晶偏析：包晶转变的产物β相包围着初生相α，使液相与α相隔开，液相和α相中原子之间的相互扩散必须通过β相，这就导致了包晶转变的速度往往是极缓慢的。实际生产中的冷速较快，包晶反应所依赖的固体中的原子扩散往往不能充分进行，导致生成的β固溶体中发生较大的偏析，称之为包晶偏析。

二、填空题：

1． 固溶体的强度和硬度比溶剂的强度和硬度 高 。 2． Cu-Ni合金进行塑性变形时，其滑移面为 {111} 。 3． 固溶体出现枝晶偏析后，可用扩散退火加以消除。 4． 以电子浓度因素起主导作用而生成的化合物称电子化合物。

5． 共晶反应式为Ld←→αc+βe，共晶反应的特点是发生共晶反应时三相共存，它们各自的成分是确定的，反应在恒温下平衡的进行。

三、判断题：

1． 间隙固溶体一定是无限固溶体。（×）

2． 间隙相不是一种固溶体，而是一种金属间化合物。（√）

3． 平衡结晶获得的20%Ni的Cu-Ni合金比40%的Cu-Ni合金的硬度和强度要高。（×） 4． 在共晶相图中，从L中结晶出来的β晶粒与从α中析出的βⅡ晶粒具有相同的晶体结构。（√）

5． 一个合金的室温组织为α+βⅡ+（α+β），它由三相组成。（×）

四、选择题：

1． 在发生L→α+β共晶反应时，三相的成分：（b）

a．相同； b．确定； c．不定。

2． 共析成分的合金在共析反应γ→α+β刚结束时，其组成相为：（d）

a．γ+α+β； b．γ+α； c．γ+β； d．α+β 3． 一个合金的组织为α+βⅡ +（α+β），其组织组成物为:（b）

a． α、β； b．α、βⅡ 、（α+β）； c． α、β、βⅡ 。 4． 具有匀晶型相图的单相固溶体合金：（b）

a．铸造性能好； b．锻压性能好； c．热处理性能好； d．切削性能好 5． 二元合金中，共晶成分的合金：（a）

a．铸造性能好； b．锻造性能好； c．焊接性能好； d．热处理性能好

五、问答题：

1． 熟悉Pb-Sn二元合金相图，

1）分析几类成分的合金的平衡结晶过程；画出室温平衡组织式意图；标上各组织组成物。

2）熟悉杠杠定律在合金组织组成物的相对量计算中的运用。 2． （略）

第三章 金属与合金的结晶

一、名词解释：

1． 结晶：纯金属或合金由液体转变为固态的过程。

2． 重结晶：也叫二次结晶，是金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程，改变了晶体结构。

3． 过冷度：理论结晶温度（T0）和实际结晶温度（T1）之间存在的温度差。 4． 变质处理：在浇注前向金属液中加入少量变质剂促进形核的处里工艺。

二、填空题：

1． 金属结晶时，冷却速度越快，实际结晶温度就越低，过冷度越大。

2． 纯金属的结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，这两个过程是形核和长大。 3． 当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是促进形核，细化晶粒。

4． 液态金属结晶时，结晶过程的推动力是自由能差（△F）降低，阻力是自由能增加。 5． 能起非自发生核作用的杂质，必须符合结构相似、尺寸相当的原则。 6． 过冷度是指理论结晶温度与实际结晶温度之差，其表示符号为△T。 7． 过冷是结晶的必要条件。

8． 细化晶粒可以通过增加过冷度、添加变质剂和附加振动等途径实现。 9． 典型铸锭结构的三个晶区分别为：表面细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区。

三、判断题：

1． 纯金属的结晶过程是一个恒温过程。（√） 2． 液态金属只有在过冷条件下才能够结晶。（√） 3． 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（×） 4． 室温下，金属晶粒越细，则强度越高，塑性越低。（×）

5． 金属由液态转变成固态的结晶过程，就是由短程有序状态向长程有序状态转变的过程。（√）

6． 纯金属结晶时，生核率随冷度的增加而不断增加。（×）

7． 当晶核长大时，随过冷度增大，晶核的长大速度增大。但当过冷度很大时，晶核长大的速度很快减小。（√）

8． 当过冷度较大时，纯金属晶体主要以平面状方式长大。（×）

9． 当形成树枝状晶体时，枝晶的各次晶轴将具有不同的位向，故结晶后形成的枝晶是一个

多面体。（×） 10．

在工程上评定晶粒度的方法是在放大100倍的条件，与标准晶粒度图作比较，级数

越高，晶粒越细。（√） 11．

过冷度的大小取决于冷却速度和金属的本性。（√）

四、选择题：

1． 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将：（b） a．越高；b．越低；c．越接近理论结晶温度。 2． 为细化晶粒，可采用：（b）

a．快速浇注；b．加变质剂；c．以砂型代金属型。

3． 实际金属结晶时，通过控制生核速率N和长大速度G的比值来控制晶粒大小，在下列情况下获得细小晶粒：（a）

a． N/G很大时；b．N/G很小时；c．N/G居中时。

4． 纯金属结晶过程处在液-固两相平衡共存状态下，此时的温度将比理论结晶温度：（b）

a．更高； b．更低； c；相等； d．高低波动 5． 液态金属结晶时，（c）越大，结晶后金属的晶粒越细小。

a．形核率N； b．长大率G； c．比值N／G； d．比值G／N

五、问答题：

1． 金属结晶的必要条件是什么？过冷度与冷却速度有何关系？

回答要点：过冷是金属结晶的必要条件。过冷度越大，冷却速度越快。 2． 简述纯金属的结晶过程。

回答要点：纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段内发生的。它是异构不断形成晶核和晶核不断长大的过程。当温度降至结晶温度时，液态金属中某些部位的原子首先有规则的排列成细小的晶体，成为晶核，也称自发晶核。另外，某些外来的难熔质点也可充当晶核，形成非自发晶核，随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，与此同时，又有新的晶核形成、长大，直至金属液全部凝固。凝固结束后，各个晶核长成的晶粒彼此接触。 3． 试画出纯金属的冷却曲线，分析曲线中出现“平台”的原因。

回答要点：曲线中出现“平台”是因为在结晶过程中放出的结晶潜热与散失的热量平衡，因而结晶过程是在同一个温度下进行的。

4． 金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长速度受到哪些因素的影响？

回答要点：金属由液体转变为固体的过程，实质上就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程。晶核的形成率受△T和杂质的影响，成长速度受△T的影响。

5． 在实际应用中，细晶粒金属材料往往具有较好的常温力学性能，试从过冷度对结晶基本过程的影响，分析细化晶粒、提高金属材料使用性能的措施

回答要点：由于过冷度越大，晶粒越细，因而能增加过冷度的措施均有利于细化晶粒，主要是增加冷却速度。

6． 如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下铸件晶粒的大小：

1） 金属模浇注与砂型浇注； 答：金属模浇注比砂型浇注晶粒细小。 2） 变质处理与不变质处理； 答：变质处理晶粒细小。 3） 铸成薄件与铸成厚件； 答：铸成薄件的晶粒细小。

4） 浇注时采用震动与不采用震动； 答：浇注时采用振动的晶粒较细小。 7． 为什么钢锭希望尽量减少柱状晶区？

回答要点：柱状晶区具有方向性，使金属存在各向异性，且存在弱面部夹杂及低熔点杂质富集于晶面，降低了金属的性能。

8．试叙述匀晶系不平衡结晶条件下将产生什么组织，分析其形成条件、形成过程和组织特征。

第四章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图

一、名词解释：

1． 铁素体：碳溶解于??Fe中形成的间隙固溶体。

2． 渗碳体：是铁与碳形成的质量分数为6.69%的金属化合物。 3． 奥氏体：碳溶解于??Fe中形成的间隙固溶体。 4． 珠光体：是由铁素体与渗碳体组成的机械化合物。 5． 莱氏体：奥氏体与渗碳体的混合物为莱氏体。

6． α-Fe：铁在不同的温度范围具有不同的晶体结构，即具有同素异构转变，温度低于912℃时，Fe呈体心立方晶格，称为“α-Fe”。

7． Fe－Fe3C相图：是表示在极缓慢冷却的条件下，不同化学成分的铁碳合金组织状态随温度变化的图形。是人类经过长期生产实践以及大量科学实验后总结出来的。

8． 同素异构转变：一些金属，在固态下随温度或压力的改变,还会发生晶体结构变化，即由一种晶格转变为另一种晶格的变化，称为同素异构转变。

二、填空题：

1． 根据含碳量和室温组织的不同，钢可分为三种，分别为亚共析钢、共析钢、过共析钢。 2． 分别填出下列铁碳合金基本组织的符号，铁素体：F(α) ，奥氏体：A(?)，珠光体：P，渗碳体：Fe3C，高温莱氏体：Ld ，低温莱氏体：Ld′。

3． 在铁碳合金基本组织中属于固溶体的有铁素体或（奥氏体） ，属于金属化合物的渗碳体 ，属于机械混合物的有珠光体和莱氏体。

4． 一块纯铁在912℃发生α-Fe→γ-Fe转变时，体积将发生收缩。 5． F的晶体结构为体心立方；A的晶体结构为面心立方。

6． 共析成分的铁碳合金室温平衡组织是珠光体，其组成相是铁素体和渗碳体。

7． 用显微镜观察某亚共析钢，若估算其中的珠光体含量为80%，则此钢的碳含量为61.6%。

三、判断题：

1． 所有金属都具有同素异构转变现象。（×）

2． 碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，称为奥氏体。（×） 3． 纯铁在780°C时为体心立方晶格的??Fe。（×）

4． 金属化合物的特性是硬而脆，莱氏体的性能也是硬而脆故莱氏体属于金属化合物。（×）

5． 铁素体的本质是碳在α-Fe中的间隙相。（×） 6． 20钢比T12钢的碳含量要高。（×）

7． 在退火状态（接近平衡组织），45钢比20钢的硬度和强度都高。（√）

8． 在铁碳合金平衡结晶过程中，只有Wc=0.77%的共析钢才能发生共析反应。（×）

四、选择题：

1． Fe?Fe3C相图上的共析线是（d），共晶线是（b）。 a．ABCD； b．ECF； c．HJB； d．PSK。 2． 碳的质量分数为（b）％的铁碳合金称为共析钢。

a．0.0218%； b．0.77%； c．2.11%； d．4.3%。 3． 亚共析钢冷却到PSK线时，要发生共析转变，由奥氏体转变成（a）。

a．珠光体； b．铁素体； c．莱氏体。

4． 奥氏体为（b）晶格，渗碳体为（c）晶格，铁素体为（a）晶格。

a．体心立方； b．面心立方； c．密排六方。 5． 珠光体是由（c）组成的机械混合物。

a．铁素体和奥氏体； b．奥氏体和渗碳体； c．铁素体和渗碳体。 6． 奥氏体是：（a）

a．碳在γ-Fe中的间隙固溶体； b．碳在α-Fe中的间隙固溶体；

c．碳在α-Fe中的有限固溶体。 7． 珠光体是一种：（b）

a．单相固溶体； b．两相混合物； c．Fe与C的混合物。 8． T10钢的含碳量为：（b）

a．0.10%； b．1.0%； c．10%。 9． 铁素体的机械性能特点是：（c）

a．强度高、塑性好、硬度低； b．强度低、塑性差、硬度低；

c．强度低、塑性好、硬度低。 10．

不适宜进行锻造的铁碳合金有：（c）

a． 亚共析钢； b．共析钢； c．亚共晶白口铁。 11．

铁素体的机械性能特点是：（c）

a．具有良好的硬度与强度； b 具有良好的综合机械性能； c．具有良好的塑性和韧性； d．具有良好的切削性和铸造性

12． 二次渗碳体是从：（c）

a．钢液中析出的； b．铁素体中析出的； c．奥氏体中析出的； d．莱氏体中析出的 13．

三次渗碳体是从：（b）

a．钢液中析出的； b．铁素体中析出的； c 奥氏体中析出的； d．珠光体中析出的 14．

纯铁在912℃以下的晶格类型是：（c）

a．密排六方晶格； b．面心立方晶格； c．体心立方晶格； d．简单立方晶格 15．

在下述钢铁中，切削性能较好的是：（b）

a．工业纯铁； b．45； c．白口铁； d．T12A 16．

建筑用钢筋宜选用：（b）

a．低碳钢； b．中碳钢； c．高碳钢； d．工具钢 17．

装配工使用的锉刀宜选用：（c）

a．低碳钢； b．中碳钢； c．高碳钢； d．过共晶白口铁

五、问答题：

1. 什么是金属的同素异构转变？试以纯Fe为例分析同素异构转变过程。

回答要点：金属在固态下，随温度的变化而发生晶格类型改变的现象称为同素异构转变。 2. 铁碳合金在固态下的基本组织有哪几种？

回答要点：有5种，铁素体、奥氏体和渗碳体都是单相组织，珠光体、莱氏体则是两相混合组织。

3. 简述含碳量为0.45%和1.2%的铁碳合金从液态冷却到室温的结晶过程。

回答要点：含碳量为0.45%到1.2%的铁碳合金可分为三个部分： 1）含碳量为0.45%到0.77%，室温组织为F+P； 2）含碳量为0.77%时，室温组织为P；

3）含碳量为0.77%到1.2%时，室温组织为P+ Fe3 C。

4. 默画出按“组织组成物”填写的Fe?Fe3C相图。Fe?Fe3C相图在合金工艺性能的应用具体表现在哪几个方面？

回答要点：1）铸造工艺方面；2）锻造工艺方面；3）焊接工艺方面；4）热处理工艺方面；5）切削性能方面。

5. 对某一碳钢（平衡状态）进行相分析，得知其组成相为80%F和20tC3，求此钢的成分及其硬度。

提示：用杠杆定理计算。

6. 如图为Fe-Fe3C相图，分析Wc=0.45%合金的结晶过程，画出其冷却曲线示意图，并标出各温度阶段的转变式。计算其室温平衡组织中各组织组成物的相对量，并画出室温显微平衡组织示意图，标注出其中组织组成物的名称。

回答要点：（1）结晶过程分析： 1点以上为液相，1点开始析出δ，2点开始发生包晶转变，即L+δ=γ，2-3点之间从液相中析出γ直至3点，3点到4点没有组织变化，均为γ，4点开始从γ中析出α直至5点，5点开始发生共析转变，即γ=α+Fe3C，得到P，5点以下可认为没发生其它变化。则最终室温平衡组织为：α+P。

（2）示意图：

（3）组织组成物相对量：

Wα=(0.77-0.45)/(0.77-0.0218)=42.77%， Wp=(0.45-0.0218)/(0.77-0.0218)=57.23%。

7. 用冷却曲线表示各成分范围的铁碳合金的平衡结晶过程，画出室温组织示意图，标上组织组成物，计算室温平衡组织中组成相和组织组成物的相对质量。

（略）

8. 10㎏含3.5%C的铁碳合金从液态缓慢冷却到共晶温度（但尚未发生共晶反应）时所剩下的液体的成分及重量。

回答要点：成分为：3.5%C；重量为10kg。

9. 同样状态的两块铁碳合金，其中一块是15钢，一块是白口铸铁，用什么简便方法可迅速区分它们？

答：可用尖锤敲击，易敲出坑的是15钢等方法。

10. 为什么碳钢进行热锻、热轧时都加热到奥氏体区？

回答要点：因为奥氏体（A）的塑性好。

附加思考题：

1. 比较退火状态（近平衡组织）下的45钢、T8钢、T12钢的硬度、强度和塑性的高低，

简述原因。 （略） 2.

说出Q235A，15，45，65，T8，T12等钢的钢类、含碳量，各举出一个应用实例。 （略）

3. 下列零件或工具用何种碳钢制造：手锯锯条、普通螺钉、车床主轴。

手锯锯条：碳素工具钢（T12） 普通螺钉：低碳钢（35钢） 车床主轴：中碳钢（45钢）

第五章 金属及合金的塑性变形

一、名词解释：

1. 滑移：晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移

方向)相对于另一部分发生滑动的过程。

2. 临界分切应力：晶体开始滑移时，在该滑移面上的滑移方向上所需要的切应力?C称为临

界分切应力

3. 取向因子：晶体滑移变形时，满足τ＝σcosλcos?＝?C，令 ?＝cosλcos?，称之为取向因子 4. 滑移系统：一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系统，简称滑移系。 5. 多滑移和交滑移：两个或多个滑移系交替或同时进行滑移（外力在几个滑移系上的分切

应力同时达到临界值）称为多系滑移，将出现几组交叉的滑移带；两个或多个滑移系同时沿着一个滑移方向的滑移称为交滑移，将出现曲折或波纹状的滑移带。

6. 孪生：在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶向(孪生方

向)发生切变的变形过程。

7. 软取向和硬取向：当滑移面法线方向、滑移方向与外力轴三者共处一个平面，当??45?，

? ?45?时，?＝cosλcos?＝1/2，此取向最有利于滑移，即以最小的拉应力就能达到滑移所需的分切应力，称此取向为软取向；当外力与滑移面平行或垂直时（??90?或????），则?S→∞，晶体无法滑移，称此取向为硬取向。

8. 几何软化和几何硬化：滑移时不仅滑移面发生转动，而滑移方向也逐渐改变,滑移面上的

分切应力也随之改变。因为?=?=45o时，分切应力最大，故经滑移转动后，若?角趋近于45o，则分切应力逐渐增大，滑移越来越容易，称为几何软化；若?角远离45o，则滑移越来越困难，称为几何硬化。

9. 弗兰克-瑞德位错源：两个节点被钉扎的位错线段在外力的作用下不断弯曲弓出后，互相

邻近的位错线抵消后产生位错，原被钉扎错位线段恢复到原状，不断重复产生新位错的，这个不断产生新位错、被钉扎的位错线即为弗兰克-瑞德位错源。

10. 细晶强化：由于晶界上原子排列不规则, 阻碍位错的运动,使变形抗力增大。金属晶粒越

细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大，这就是细晶强化的机理。 11. 霍尔佩奇（Hall-Petch）经验公式： s ? ? 0 ? Kd ? 1 2 ，用来定量描述细晶强化。式中：σS?－屈服强度；σ0－常数，相当于单晶屈服强度；d －多晶体各晶粒的平均直径；K －晶界对强度影响程度的常数，与晶界结构有关，而与温度的关系不大。

12. 加工硬化：金属发生塑性变形，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和

韧性明显下降，这种现象称为加工硬化，也称形变强化。

13. 纤维组织：金属发生塑性变形后，其外形尺寸的改变是内部晶粒变形的总和，晶粒沿形

变方向被拉长或压扁(拉伸或扎制时) ，当变形量很大时，所形成类似纤维状形貌的组织。 14. 形变织构：与单晶体一样，多晶体在塑性变形时也伴随着晶体的转动过程，故当变形量

很大（70%以上）时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整其取向而彼此趋于一致，这种由于塑性变形导致晶粒具有择优取向的组织叫做“形变织构”。

二、填空题：

1． 加工硬化现象是指随变形度的增大，金属强度和硬度显著提高而塑性和韧性显著下降的现象。

2． 加工硬化的结果，使金属对塑性变形的抗力增大，造成加工硬化的根本原因是位错密度提高，变形抗力增大。 3． 滑移的实质是位错的运动。

4． 金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生。

5． 多晶体的塑性变形过程比单晶体更为复杂，其两个主要因素是不同晶粒位向和晶界。

三、判断题：

1． 金属结晶后，晶粒越粗大，其力学性能越好。（×）

2． 在体心立方晶格中，滑移面为｛110｝×6，而滑移方向为〈111〉×2，所以滑移系为12。（√）

3． 滑移变形不会引起金属晶体结构的变化。（√）

4． 因为B．C．C晶格与F．C．C晶格具有相同数量的滑移系，所以两种晶体的塑性变形能力完全相同。 （×）

5． 孪生变形所需要的切应力要比滑移变形时所需的小得多。（×）

四、选择题：

1． 多晶体金属的晶粒越细小，则其:（a）

a．强度越高、塑性越好； b．强度越低、塑性越差； c．强度越高、但塑性变差； d．强度越低、但塑性较好。 2． 能使单晶体产生塑性变形的应力为：（b） a．正应力；b．切应力；c．复合应力。 3． 面心立方晶格的晶体在受力时的滑移方向：（b）

a．〈111〉；b．〈110〉；c．〈100〉。

4． 体心立方与面心立方晶格具有相同数量的滑移系，但其塑性变形能力是不同的，其原因是面心立方晶格的滑移方向较体心立方晶格的滑移方向：（b） a．少；b．多；c．相等。 5． 加工硬化使：（a）

a．强度增大，塑性降低； b．强度增大，塑性增大；

c．强度减小，塑性增大； d．强度减小，塑性降低。

五、问答题：

1． 晶粒大小对金属力学性能有何影响？常用的细化晶粒的方法有哪些？

回答要点：晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性就越好。 细化晶粒的方法：1）增加过冷度；2）变质处理；3）附加振动。

2． 晶格结构分别为密排六方、体心立方、面心立方的Zn、α-Fe、Cu的塑性在通常情况下不同，说明谁好谁差并解释产生的主要原因。

回答要点：Zn为密排六方晶格，α-Fe为体心立方晶格，Cu 为面心立方晶格，所以Zn的塑性最差，α-Fe其次，Cu的塑性最好。因为密排六方晶格的滑移系最少，而体心立方晶格与面心立方晶格虽然滑移系相同，但前者的滑移方向较多，因而塑性最好。 3． 说明滑移变形与孪生变形的主要区别。

（略，详见教材P93）。

4． 为什么细晶粒钢强度高，塑性、韧性也好？

回答要点：1）晶粒越细，强度硬度逾高，这是因为晶粒越小，单位面积上晶粒的数量越多，晶界的总面积越大，因晶界变形的抗力较大，所以整个金属的强度水平较高。

2）晶粒越细，塑性韧性逾好，这是因为晶粒数愈多，金属的总变形量可分布在更多的晶粒内，晶粒间的变形不均匀性减小，使塑性较好；晶界的影响较大，晶粒内部和晶界附近的变形量差减小，晶粒变形也较均匀，所以减小了应力集中，推迟了裂纹的形成和发展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形。

3）因细晶粒金属的强度较高，塑性较好，所以断裂时需要消耗较大的功，故韧性较好。 5． 用低碳钢板冷冲压形成的零件，冲压后发现各部位的硬度不同，为什么？如何解决？

回答要点：变形较大的地方硬度高，因产生了加工硬化现象，可用再结晶退火方法解决。 6． 阐述多相合金的塑形变形的机理。

提示：按第二相粒子可变形与否，分别以绕过和切过两种机制讨论之。

第六章 金属与合金的回复与再结晶

一、名词解释：

1. 回复：指冷塑性变形的金属在加热时，在显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）

所产生的某些亚结构和性能的变化过程。

2. 再结晶：是指冷变形金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生无畸变的

新等轴晶粒，而性能也发生明显的变化，并恢复到冷变形之前状态的过程。

3. 临界变形度：使晶粒发生异常长大的变形度(2～10%)称作临界变形度。生产上应尽量避免在临界变形度范围内进行塑性加工变形。

4. 热加工：在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工。 5. 冷加工：在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工。

二、填空题：

1． 变形金属的最低再结晶温度是指通常用经大变形量(70%以上)的冷塑性变形的金属，经一小时加热后能完全再结晶(＞95%的转变量)的最低温度为再结晶温度。 2． 钢在常温下的变形加工称为冷加工，而铅在常温下的变形加工称为热加工。

3． 影响再结晶开始温度的因素预变形度、金属的熔点、微量杂质和合金元素、加热速度、保温时间。

4． 再结晶后晶粒的大小主要取决于预变形度和加热温度。

5． 金属在塑性变形时所消耗的机械能，绝大部分(占90%)转变成热而散发掉。

6． 但有一小部分能量（约10%）是以增加金属晶体缺陷（空位和位错）和因变形不均匀而产生弹性应变的形式（残余应力）储存起来，这种能量我们称之为形变储存能。

7． 金属在热加工过程中，塑性变形使其发生加工硬化，由于加工温度高于再结晶温度，金属在塑性变形过程中同时发生回复(动态回复)与再结晶(动态再结晶)，使其发生软化。

三、判断题：

1． 金属的预先变形度越大，其开始再结晶的温度越高。（×）

2． 其它条件相同，变形金属的再结晶退火温度越高，退火后得到的晶粒越粗大。（√） 3． 金属铸件可以通过再结晶退火来细化晶粒。（×） 4． 热加工是指在室温以上的塑性变形加工。（×） 5． 再结晶能够消除加工硬化效果，是一种软化过程。（√） 6． 再结晶过程是有晶格类型变化的结晶过程。（×）

四、选择题：

1． 工业纯金属的最低再结晶温度可用下式计算：（b）

a．T再（℃）=0.4T熔（℃）； b．T再（K）=0.4T熔（K）； c．T再（K）=0.4T熔（℃）+273。

2． 变形金属再加热时发生的再结晶过程是一个新晶粒代替旧晶粒的过程，这种新晶粒的晶型是：（a）

a．与变形前的金属相同；b．与变形后的金属相同；c．形成新的晶型。 3． 再结晶后：（d）

a．形成等轴晶，强度增大； b．形成柱状晶，塑性下降；

c．形成柱状晶，强度升高； d．形成等轴晶，塑性升高。

五、简答题：

1． 已知金属钨、铁、铅、锡的熔点分别为3380℃，1528℃，327℃和232℃，试计算这些金属的最低再结晶温度，并分析钨和铁在1100下的加工，锡和铅在室温（20℃）下的加工各为何种加工？

（略，提示：根据T再（K）=0.4T熔（K）计算判断） 2． 何谓临界变形度？分析造成临界变形度的原因。

（略，详见教材P113）

3． 热加工对金属的组织和性能有何影响？钢材在热变形加工（如锻造）时，为什么不出现硬化现象？

回答要点：详见教材（P120）； 钢材在热变形加工（如锻造）时，塑性变形产生的加工硬化被随即发生的回复、再结晶的软化作用所消除，使金属不产生硬化。

6． 拉制半成品铜丝的过程如图5-15，试在图的下部绘出不同阶段的组织和性能的变化示意图，并加以适当解释。

（略）

7． 解释说明在室温下，对铅板进行变形，越弯越硬，而稍后再弯折，又像初时柔软现象。

回答要点：（1）首先出现加工硬化现象，（2）铅的再结晶温度低于室温，（3） 室温下加工也已经超过其再结晶温度，故产生再结晶而使铅板变软。

第八章 金属的固态相变原理

一、名词解释：

1. 实际晶粒度：某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度，它决定钢冷却后的组织和性能。

2. 马氏体：碳在α-Fe 中的过饱和间隙固溶体，具有很大的晶格畸变，强度很高。 3. 贝氏体：渗碳体分布在含碳过饱和的铁素体基体上或的两相混合物。根据形貌不同又可分为上贝氏体和下贝氏体。

二、填空题：

1． 钢加热时奥氏体形成是由形核；长大；剩余渗碳体的熔解；奥氏体的均匀化等四个基本过程所组成。

2． 在过冷奥氏体等温转变产物中，珠光体与屈氏体的主要相同点是都是渗碳体的机械混合物，不同点是层间距不同 ，珠光体较粗，屈似体较细。

3． 用光学显微镜观察，上贝氏体的组织特征呈羽毛状，而下贝氏体则呈针状。

4． 与共析钢相比，非共析钢C曲线的特征是C曲线靠左，亚共析钢左上部多一条先共析铁素体析出线，过共析钢多一条二次渗碳体析出线 。

5． 马氏体的显微组织形态主要有板条状、针状马氏体两种。其中板条状马氏体的韧性较好。 6． 高碳淬火马氏体和回火马氏体在形成条件上的区别是前者是在淬火中形成，后者在低温回火时形成，在金相显微镜下观察二者的区别是前者为竹叶形，后者为黑色针状。 7． 目前较普遍采用的测定钢的淬透性的方法是“端淬试验”即末端淬透性试验。

三、判断题：

1． 所谓本质细晶粒钢就是一种在任何加热条件下晶粒均不发生粗化的钢。（×）

2． 当把亚共析钢加热到Ac1和Ac3之间的温度时，将获得由铁素体和奥氏体构成的两相组织，在平衡条件下，其中奥氏体的碳含量总是大于钢的碳含量。（√）

3． 当原始组织为片状珠光体的钢加热奥氏体化时，细片状珠光体的奥氏体化速度要比粗片状珠光体的奥氏体化速度快。（√）

4． 当共亚析成分的奥氏体在冷却发生珠光体转变时，温度越低，其转变产物组织越粗。（×） 5． 贝氏体是过冷奥氏体中温转变产物，在转变过程中，碳原子能进行扩散，而铁原子不能进行扩散。（√）

6． 不论碳含量高低，马氏体的硬度都很高，脆性都很大。（×）

7． 在正常热处理加热条件下，随碳含量的增高，过共析钢的过冷奥氏体越稳定。（√） 8． 因为过冷奥氏体的连续冷却转变曲线位于等温转变曲线的右下方，所以连续冷却转变曲线的临界冷却速度比等温转变曲线的大。（×）

四、选择题：

1． 钢在淬火后获得的马氏体组织的粗细主要取决于：（b） a．奥氏体的本质晶粒度； b．奥氏体的实际晶粒度；

c．奥氏体的起始晶粒度 2． 奥氏体向珠光体的转变是：（a）

a．扩散型转变； b．非扩散型转变； c．半扩散型转变 3． 若合金元素能使C曲线右移，钢的淬透性将：（b） a．降低； b．提高； c．不改变

4． 若合金元素能使C曲线左移，钢的淬透性将：（a） a．降低； b．提高； c．不改变 5． 马氏体的硬度取决于：（c）

a．冷却速度； b．转变温度； c．碳含量

6． 在过冷奥氏体等温转变图的鼻尖处，孕育期最短，故：（b）

a．过冷奥氏体稳定性最好，转变速度最快； b．过冷奥氏体稳定性最差，转变速度最快； c．过冷奥氏体稳定性最差，转变速度最慢； d．过冷奥氏体稳定性最好，转变速度最慢

7． 钢进行奥氏体化的温度愈高，保温时间愈长则：（b）

a．过冷奥氏体愈稳定，C曲线愈靠左； b．过冷奥氏体愈稳定，C曲线愈靠右； c．过冷奥氏体愈不稳定，C曲线愈靠左； d．过冷奥氏体愈不稳定，C曲线愈靠右 8． 上贝氏体和下贝氏体的机械性能相比较：（d）

a．两者具有较高的强度和韧性； b．两者具有很低的强度和韧性； c．上贝氏体具有较高强度和韧性； d．下贝氏体具有较高强度和韧性

9． 过共析钢加热到Ac1一Accm之间时，则：（a）

a．奥氏体的w(C)小于钢的w(C)； b．奥氏体的w (C)大于钢的w(C)； c．奥氏体的w(C)等于钢的w(C)； d．无法判断两者w (C)的关系

五、简答题：

1. 奥氏体的起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度的含义及区别。

（略）

2. 奥氏体、过冷奥氏体、残余奥氏体的异同。

回答要点提示：冷却到A1线以下而又尚未转变的奥氏体称为过冷奥氏体；马氏体转变不能完全进行到底，冷却到MS线以下转变停止时仍未能转变的奥氏体称为残余奥氏体。 3. 说明共析钢C曲线各个区、各条线的物理意义，指出影响C曲线形状和位置的主要因素。

（略）

4. 注意比较共析钢过冷奥氏体等温转变曲线和连续转变曲线的异同点。

（略）

附加思考题：

1．指出影响奥氏体形成速度和奥氏体实际晶粒度的因素。

2．何谓钢的临界冷却速度？它的大小受哪些因素影响？它与钢的淬透性有何关系？

第九章 金属热处理工艺

一、名词解释：

1. 淬透性：淬透性是指在规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体组织的能力。 2. 淬硬性：淬硬性是指钢在理想的淬火条件下，获得马氏体所能达到的最高硬度。 3. 调质处理：淬火后高温回火的热处理工艺组合。

二、填空题：

1. 钢的淬透性越高，则其C曲线的位置越靠右，说明临界冷却速度越慢。 2. 钢的热处理工艺由加热、保温、冷却三个阶段所组成。

3. 利用Fe-C相图确定钢完全退火的正常温度范围是AC3+20 ~ 30℃，它只适应于亚共析钢。 4. 球化退火的主要目的是降低硬度，改善切削加工性，改善组织，提高塑性，它主要适用于共析钢、过共析钢的锻压件，结构钢的冷挤压件。

5. 钢的正常淬火温度范围，对亚共析钢是线以上AC3+30 ~ 50℃，对过共析钢是AC1+30 ~ 50℃。

6. 当钢中发生奥氏体向马氏体的转变时，原奥氏体中碳含量越高，则MS点越低，转变后的残余奥氏体量就越多。

7. 在正常淬火温度下，碳素钢中共亚析钢的临界冷却速度比共析钢和过共析钢的临界冷却速度都慢。

8. 钢的临界冷却速度与奥氏体化温度的关系是奥氏体化温度越高，临界冷却速度越慢。 9. 淬火钢进行回火的目的是消除内应力，获得所要求的组织与性能，回火温度越高，钢的强度与硬度越低。

10. 钢在回火时的组织转变过程是由马氏体分解，残余奥氏体分解，碳化物的转变，渗碳体的聚集长大等四个阶段所组成。

三、判断题：

1. 高合金钢既具有良好的淬透性，也具有良好的淬硬性。（×）

2. 经退火后再高温回火的钢，能得到回火马氏体组织，具有良好的综合机械性能。（×） 3. 钢的淬透性高，则其淬透层的深度也越大。（√）

4. 在正常加热淬火条件下，亚共析钢的淬透性随碳的增高而增大，过共析钢的淬透性随碳的增高而减小。（√）

5. 表面淬火既能改变钢的表面化学成分，也能改善心部的组织和性能。（×）

四、选择题：

1． 钢经调制处理后获得的组织是：（c）

a．回火马氏体； b．回火屈氏体； c．回火索氏体 2． 过共析钢的正常淬火加热温度是：（a）

a．Ac1+30℃-50℃； b．Ac3+30℃-50℃； c．Accm+30℃-50℃ 3． 影响碳钢淬火后残余奥氏体量的主要因素是：（b） a．钢材本身的碳含量； b．钢中奥氏体的碳含量；

c．钢中碳化物的含量

4． 共析钢过冷奥氏体在550-350℃的温度区间等温转变时，所形成的组织是：（b） a．索氏体； b．下贝氏体； c．上贝氏体； d．珠光体 5． 淬硬性好的钢：（b）

a．具有高的合金元素含量； b．具有高的碳含量；

c．具有低的碳含量

6． 对形状复杂，截面变化大的零件进行淬火时，应选用：（a） a．高淬透性钢； b．中淬透性钢； c．低淬透性钢 7． 对形状复杂，截面变化大的零件进行淬火时，应采用：（b） a．水中淬火； b．油中淬火； c．盐水中淬火 8． 若要提高淬火时的淬硬层深度，应采取：（a）

a．选择高淬透性钢； b．增大工件的截面尺寸；

c．选用比较缓和的冷却介质

9． 45钢为得到回火马氏体组织，应进行：（c）

a．正火； b．淬火；c．淬火+低温回火；d．淬火+高温回火 10．

完全退火主要适用与：（a）

a．亚共析钢； b．共析钢； c．过共析钢 11．

扩散退火的目的是：（a）

a．消除和改善晶内偏析；b．消除冷塑性变形后产生的加工硬化；

c．降低硬度以便于加工 12．

钢的回火处理是在：（c）

a．退火后进行； b．正火后进行； c．淬火后进行 13．

通常钢的渗碳温度范围是：（c）

a．600-650℃； b．800-850℃； c．900-950℃； d．1000-1050℃

五、简答题：

1. T12钢加热到Ac1以上，用如图所示的a、b、c的三种方法冷却。 （1）a 和 c 是何种热处理工艺？

（2）a、b、c的三种方法冷却方式应得到的组织是什么？

回答要点 ：（1）a:分级淬火；c:等温淬火。 (2）a: M+Ar；b: 下B+M+Ar；c: 下B。

2. 如图所示为共析钢C曲线图，说出图中各冷却曲

线对应的热处理方法及其最终组织。

回答要点：a: 单介质水淬，马氏体+残余奥氏体；b: 分级淬火，马氏体+残余奥氏体；c: 单介质油淬，屈氏体+马氏体+残余奥氏体；d: 等温淬火，下贝氏体；e: 正火，索氏体；f: 完全退火，珠光体；g: 等温退火，珠光体。

附加思考题：

1． 加热使钢的组织完全转变为奥氏体时，原始组织是粗粒状珠光体为好，还是以细片状珠光体为好？为什么？

2． 简述各种淬火方法及其使用范围。

3． 用示意图表示珠光体、索氏体、屈氏体、上贝氏体、下贝氏体和马氏体在显微镜下的形态特征。

4． 试述马氏体转变的基本特点。

5． 马氏体的本质是什么？它的硬度为什么很高？是什么因素决定了它的脆性？ 6． 淬透性和淬透层深度有何联系与区别？影响钢件淬透层深度的主要因素是什么？ 7． 正火与退火的主要区别是什么？生产中应如何选择正火与退火？

8． 确定下列钢件的退火方法，并指出退火目的及退火后的组织：

1） 经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度；（再结晶退火。目的：使变形晶粒重新转变为等轴晶粒，以消除加工硬化现象，降低了硬 度，消除内应力。细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度以消除加工硬化现象。组织 ： 等轴晶的大量铁素体和少量珠光体。） 2） ZG35发铸造齿轮；（完全退火。经铸造后的齿轮存在晶粒粗大并不均匀现象，且存在残余内应力。因此退火 目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。组织：晶粒均匀细 小的铁素体和珠光体。

3） 锻造过热的60钢锻坯；（完全退火。由于锻造过热后组织晶粒剧烈粗化并分布不均匀，且存在残余内应力。因此 退火目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。组织：晶粒均 匀细小的少量铁素体和大量珠光体。）

4） 改善T12钢的切削加工性能。（球化退火。由于T12钢坯里的渗碳体呈片状，因此不仅硬度高，难以切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂。通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球 状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工性。组织：粒状珠光体和球状渗碳体。）

9． 两个碳含量为1.2%的碳钢薄试样，分别加热到780℃和900℃并保温相同时间奥氏体化后，以大于淬火临界冷却速度的冷却速度冷至室温。试分析：

1） 两个温度加热淬火后马氏体晶粒粗细的比较、马氏体碳含量比较、残余奥氏体数量比较、未溶碳化物数量比较；2）你认为哪个温度加热淬火合适？为什么？ 10．

指出下列工件的淬火及回火温度，并说明回火后获得的组织。

1） 45钢小轴（要求综合机械性能好）；（840℃淬＋500℃回，29HRC左右，回火索氏体；） 2） 60弹簧；（850℃淬＋380℃回，42HRC左右，回火屈氏体；） 3） T12钢锉刀（800℃淬＋200℃回，62HRC左右，回火马氏体。）。 11．

两根45钢制造的轴，直径分别为10㎜和100㎜，在水中淬火后，横截面上的组织

和硬度分布情况如何？ 12．

用T10钢制造形状简单的车刀，其工艺路线为：锻造－热处理－机加工—热处理—

磨削加工。写出其中热处理工序的名称及其作用。

（热处理1要进行球化退火或正火处理，作用是在机加工的时候好加工容易切削。热处理2应该做淬火+低温回火，使T10钢有一定的硬度，从而提高车刀的加工性能。） 13． 14．

试说明表面淬火、渗碳、氮化处理工艺在选用钢种、性能、应用范围等方面的区别。 低碳钢（0.2%C）小件经930℃，5h渗碳后，表面碳含量增至1.0%，试分析以下处

理后表面层和心部的组织：

1） 渗碳后慢冷；

2） 渗碳后直接水淬并低温回火；

3） 有渗碳温度预冷到820℃，保温后水淬，再低温回火；

4） 渗碳后慢冷至室温，再加热到780℃，保温后水淬，再低温回火。