金属学与热处理原理崔忠圻第三版课后题全部答案.docx
《金属学与热处理原理崔忠圻第三版课后题全部答案.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《金属学与热处理原理崔忠圻第三版课后题全部答案.docx(25页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第一章 金属与合金的晶体结构 1. 金属键:贡献出价电子的原子,则变成正离子,沉浸在电子云中,它们依靠运动于其间的公有化的自由电 子的静电作用而结合起来,这种结合叫做金属键,它没有饱和性和方向性。 根据金属键的本质,金属具有以下特性: 1导电性:在外加电场的作用下,金属中的自由电子能够沿着电场方向定向运动,形成电流,从而有良 好的导电性; 2导热性:自由电子的运动和正离子的振动使金属具有良好的导热性; 3正电阻温度系数:当温度升高时,正离子或原子本身振动的振幅加大,可阻碍电子的通过,使电阻升 高,即表现为正电阻温度系数; 4金属光泽:自由电子很容易吸收可见光的能量,而被激发到较高的能级,当它跳
2、回到原有能级时,就 把吸收的可见光能量重新辐射出来,从而金属不透明,具有金属光泽; 5延展性:金属键没有饱和性和方向性,故金属的两部分发生相对位移时,金属正离子始终被包围在电 子云中,即仍继续保持着金属键合,这样,金属就能经受变形而不断裂,具有延展性。 2.由双原子作用模型图,R0相当于原子的平衡位置,任 何对平衡位置的偏离,都会收到一个力(吸引力或排斥力) 的作用,促使其回到平衡位置。(此外原子间的最大结合力不 是出现在平衡位置,而是在R1位置,这个结合力与金属的理 论抗拉强度相对应。)在吸引力的作用下把远处的原子移近所 做的功能使原子的势能更低(为负值),当原子移至平衡位置 R0时,其结合
3、能达到最低值,此时原子的势能最低、最稳定 任何对R0的偏移,都会使原子的势能增加,从而使原子处于 不稳定状态,原子就有力图回到低能状态,即回到平衡距离 的倾向。将上述双原子作用模型加以推广,不难理解,当大 量金属原子结合成固体时,为使固态金属具有最低的能量, 以保持其稳定状态,原子之间也必须保持一定的平衡距离, 这边是固态金属中原子趋于规则排列的重要原因。如果试图 从固态金属中把某个原子从平衡位置拿走,就必须对它做功 以克服周围原子对它的作用力。这个要被拿走的原子周围邻 近的原子数越多,原子间的结合能就越低,能量越低的状态 是最稳定的状态,而任何系统都有自发从高能状态向低能状 态转化的趋势。因
4、此,常见金属的原子总是自发地趋于紧密的排列。 4. 晶体结构:晶体结构是指晶体中的质点(原子、离子、分子或原子集团)的具体排列情况,也就是晶体中的这 些质点在三维空间有规律的周期性的重复排列方式; 晶格:为了方便起见,常人为地将阵点用直线连接起来形成空间格子,称之为晶格。 晶胞:为了简便起见,可以从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来分析阵点的排列的规律 性,这个最小的几何单元成为晶胞。 8.-2.52% 9.(112)(211)(121)(-112)(1-12)(-11-2)(2-11)(21-1)(-211)(-121)(1-21)(12-1)12个晶面 10. 11. 多晶
5、型转变:大部分金属只有一种晶体结构,但也有少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种的晶体结 构,当外界条件(如温度、压强)改变时,金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变。 -8.1% 12. 晶带:平行于或相交于同一直线的一组晶面叫做一个晶带。 晶带轴:晶带中平行于或相交于的那条直线叫做晶带轴。 13.(1-211)(-3211)(-1-122) 14.组元:组成合金的最基本的、独立的物质称为组元,一般来说,组元是组成合金的元素,也可以是稳定的化合物; 相:指的是合金中同一聚集状态,结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。 固溶体:合金的组元之间以不同的
6、比例相互混合,混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同, 这种固相叫做固溶体。 固溶体的结构:固溶体仍保持着溶剂的晶格类型,但若与纯组元相比,结构还是了变化: 1晶格畸变:由于溶质与溶剂的原子大小不同,因而形成固溶体时,必然在溶质原子附近引起局部的晶格畸 变,这种畸变的大小可以通过晶格常数的变化反映出来。对置换固溶体,当溶质原子大于溶剂原子时,晶格常 数变大,反之相反,形成间隙固溶体时,晶格常数随着溶质原子的溶入加大; 2偏聚和有序:溶质原子在固溶体中的分布,总是在一定程度上偏离完全无序状态,存在着分布不均。当同 种原子的结合力大于一种原子结合力时,溶质原子倾向于成群地聚集在一起,
7、形成许多偏聚区;当异种原子的 结合力大于同种原子时,溶质原子通常在小范围内按一定的规则有序排列,称为短程有序; 3有序固溶体:具有短程有序的固溶体,当温度低于某一温度时,可能使溶质和溶剂原子在整个晶体中都按 一定的顺序排列起来,形成有序固溶体。由于溶质原子和溶剂原子在晶格中占据着确定的位置,因而发生有序 化转变会引起晶格类型的改变。严格说,有序固溶体实质上更接近于金属化合物。当无序固溶体转变成有序固 溶体时,性能发生突变,硬度和脆性显著增加,塑性和电阻明显降低。 置换固溶体:溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体称为置换固溶体。 影响置换固溶体溶解度因素: 1原子尺寸因素:组元间的半
8、径越相近,即r越小,则固溶体的固溶度越大;r越大,固溶度越小有利于 大量固溶的原子尺寸因素r不超过(14%15%); 2电负性:溶质原子核溶剂原子的电负性相差越大,即两者的化学亲和力越大时,它们往往倾向形成比较稳 定金属化合物,即使形成固溶体,固溶度往往也较小; 3电子浓度因素:溶质元素的原子价与固溶体的固溶度之间有一定关系,由于元素的原子价的影响实质上时 电子浓度决定的,故电子浓度影响着固溶度:公式 上式Va、Vb分别为溶剂和溶质的原子价,X为溶剂B的摩尔分数。一定的金属晶体结构的单位体积中能容纳的 价电子数有一定限度,超过这个限度会引起结构不稳定甚至变化,故此固溶体的电子浓度有一极限值。(
9、fcc为 1.36,bcc为1.48)元素的原子价越高,则其固溶度越小。 4晶体结构因素:溶剂与溶质的晶体结构类型是否相同,是其能否形成无限固溶体的必要条件。如果组元的 晶体结构不同,只能形成有限固溶体。即使组元晶体结构相同但是不能形成无限固溶体,其溶解度也将大于晶 格类型不同的组元间的溶解度。 以上4个要素都有利时所形成的固溶体固溶度可能较大,甚至无限固溶体。但上述四个要素只是形成固溶体的必要 条件。此外,温度越高,固溶度越大。 15. 固溶强化:在固溶体中,随着溶质浓度的增加,固溶体的强度、硬度提高,而塑韧性有所下降的现象称为固溶 强化。 由于间隙原子造成的晶格畸变比置换固溶体要大得多,所
10、以间隙固溶体的强化效果要好。 16. 间隙相:过渡族金属能与原子甚小的非金属形成化合物,当非金属原子半径与金属原子半径比值小于0.59时, 形成的化合物具有比较简单的晶体结构,称为间隙相; 间隙相与间隙固溶体之间有着本质的区别,间隙相是一种化合物,它具有与其组元完全不同的晶体结构,而间隙 固溶体则保持溶剂组元的晶格类型; 间隙相的非金属原子半径与金属半径比小于0.59且具有较简单的结构,而间隙化合物的非金属原子与金属原子 半径比大于0.59且结构比较复杂。此外,间隙相一般比间隙化合物硬度更高,更稳定。 17. Ag、Al都具有面心立方晶体结构,如果Ag、Al在固态下形成无限固溶体,则必须是置换
11、固溶体,影响置换 固溶体的四个因素:原子半径、电负性、电子浓度、晶体结构。Ag、Al的原子半径相差不大、电负性相差不大,晶 体结构都为面心立方晶体,这三个因素都比较有利,但是面心立方结构单位体积能容纳的价电子数有一定限度,超 过这个限度就会引起结构的不稳定甚至改变,故而有电子浓度有一定的限度。AL的化合价位+3(很大),只需溶入 相对较少的AL就能达到极限电子浓度,即溶解度有一定限度,不能形成无限固溶体。 18. P107 19. 晶体结构:固溶体保持着溶剂组元的晶格类型,此外固溶体结构还会发生如下变(晶格畸变;偏聚与有序; 有序固溶体); 金属化合物晶结构不同于任一组元,是合金组元间发生相互
12、作用形成的新相; 机械性能:固溶体相对来说塑韧性较好,硬度低;金属化合物硬而脆。 20. 点缺陷都会造成晶格畸变,对金属的性能产生影响,如使屈服强度升高、电阻增大、体积膨胀等等;此外,点 缺陷的存在将加速扩散,因而凡是与扩散有关的相变、化学热处理、高温下的塑性变形和断裂等等,都与空位和间 隙原子的存在和运动有关系。 21. 刃形位错:设有一简单立方晶体,某一原子面在晶体内部中断,这个原子平面中断处的边缘就是一个刃形位错, 犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开,沿切口硬插入一额外半原子面一样,将刃口处的原子列称为刃形位错 线。 螺形位错:一个晶体的某一部分相对于其它部分发生滑移,原子平面沿着一
13、根轴线盘旋上升,每绕轴线一周,原 子面上升(下降)一个晶面间距。在中央轴线(即位错线)附近的原子是按螺旋型排列的,这种位错称为螺形位错。 各种间隙原子核尺寸较大的置换原子,它们的应力场是压应力,因此在正刃形位错的上半部分的应力相同,二者 互相排斥;但与下半部分应力相反,二者互相吸引。所以这些点缺陷大多易于被吸收而跑到正刃形位错的下半部分 或者负刃形位错的上半部分聚集起来。对于尺寸较小的置换原子,则易于聚集于刃形位错的另一半受压应力的地方。 正因为如此,刃形位错往往总是携带者大量的溶质原子,形成所谓的“柯氏气团”。这样一来,就会使位错的晶格畸 变降低,同时使位错难以运动,造成金属的强化。 22.
14、 晶体的面缺陷包括晶体的外表面(表面或自由界面)和内界面两类,其中内界面又有晶界、亚晶界、孪晶界、 堆垛层错和相界等。 影响表面能的因素: 晶界的特性:晶界的不稳定性:由于晶界上的原子或多或少的偏离了其平衡位置,因而就会或多或少的具有界 面能或晶界能,晶界能越高,晶界越不稳定。在温度较高时,会发生晶粒长大和晶界平直化; 晶界会发生内吸附现象:由于晶界能存在,当金属中存在能降低界面能的异类原子时,这些原子就会向晶界偏聚, 即内吸附现象;相反,能提高界面能的异类原子会向晶粒内部聚集,即反内吸附; 晶界存在晶格畸变,因而在室温下对金属的塑性变形起着阻碍作用,在宏观上使金属材料具有更高的强度和硬度。
15、晶粒越细,金属材料的强度和硬度越高。 由于界面能的存在,使晶界的熔点低于晶粒内部,且易于腐蚀和氧化。晶界(上空位)位错等缺陷多)扩散速度 较快,故在发生相变时,新相晶核往往首先在晶界形成。 23 . A:右螺;B:左螺;C:负刃;D:正刃;E混合 第二章 纯金属的结晶 1.过冷现象:金属结晶时实际结晶温度低于理论结晶温度的现象叫做过冷现象; 过冷度:金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差称为过冷度; 近程有序:在金属液体的微小范围内,存在着紧密接触规则排列的原子集团,称为近程有序; 远程有序:在晶体中大范围的原子是紧密接触规则排列的,称为远程有序; 结构起伏:液态金属中近程有序的原子集团
16、处于瞬时出现、瞬时消失、此起彼伏、变化不断的状态之中,这种 不断变化着的近程有序原子集团称为结构起伏; 能量起伏:在液态金属中,系统的自由能值得是宏观平均能量。但在各微观区域内的自由能并不一样,有的微 区高,有的微区低,即各微区的能量也处在彼此起伏、变化不定的状态。这种微区内暂时偏离平衡能量的现象称为 能量起伏; 均匀形核:液相中各个区域出现新相晶核的几率是相同的,这种形核方式称为均匀形核; 形核功:形成临界晶核时,体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3,还有1/3的表面能没有得到补偿,需要 对形核作功,故称Gk=1/3Sk为形核功; 临界形核半径:当rrk时,随着晶胚r增大,系统自由能增加,
17、这种晶胚不能成为稳定的晶核,当rrk时, 随着晶胚r增大,系统的自由能下降,这样的晶胚可以自发地长成稳定的晶核,当r=rk =时,这种晶胚既可能消失, 也可能长大称为稳定的晶核,因此把rk称为临界形核半径; 活性质点:在非均匀形核中,固态杂质和晶核(晶体)界面满足点阵匹配原理(结构相似、尺寸相当),就可能 对形核起到催化作用,它本身就是良好的形核剂,或称为活性质点。 变质处理:在浇注前往液态金属中加入形核剂(又称变质剂),促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒的处理方 式称为变质处理; 变质剂:变质剂又称形核剂,能够提供核心,促进金属液体非均匀形核的物质; 形核率:指单位时间单位体积液体中形成的形
18、核数目,用N表示,单位为cm-3s-1; 生长线速度:在螺形位错长大机制中,台阶各处沿着晶体表面向前移动的线速度称为生长线速度,台阶各处沿晶 体表面向前移动的线速度相等. 2. 物质总是力求自由能最低的状态,当温度小于Tm时,固态金属的自由能低于液态金属的自由能,两相自由能之 差构成了金属结晶的驱动力,该驱动力的大小Gv=,当过冷度T为零时,驱动力Gv为零,液固两相具有同样的 稳定性,不会发生结晶。只有当液态金属有一定的过冷度,结晶的驱动力才大于零,液体金属才会结晶。故。 冷却速度越大,过冷度越大。 3. 结晶过程的普遍规律:都要经历形 核与长大的过程。微观过程: 4. 结构起伏:液态金属中近
19、程有序的原子集团处于瞬时出现、瞬时消失、此起彼伏、变化不断的状态之中,这种 不断变化着的近程有序原子集团称为结构起伏。 与T关系:每一温度下出现的尺寸最大的相起伏有一极大值rmax,T越大,即温度越低,rmax越大,反之越小。 5. 假设过冷液体中出现一个晶胚,则它的出现会引起体积自由能的变化(由于是过冷液体,故此值为负,是结 晶的驱动力)和表面能的变化(此项总是正值,阻碍结晶)假设出现一个半径为r的球状晶胚,则G=-r3Gv+4 r2,临界晶核半径出现在该项的极大值处,即G,=-4r2Gv+8r=0得临界晶核rk=; 因为rk=且Gv= ,将后项带入前项得rk= 临界形核功Gk是G=-r3G
20、v+4r2最大值处G的值,有数学知识知,该最大值出现在对应于临界晶核 半径对应的极大值点处,将rk=入G=-r3Gv+4r2中得Gk=Sk(式中Sk为临界晶核的表面积) 均匀形核条件:结构起伏、能量起伏;晶胚尺寸大于临界形核半径;金属液体的过冷度大于临界过冷度(最大 晶胚半径刚好等于临界晶核半径时的过冷度为临界过冷度) 形核率N=N1N2,式中N1为受形核功影响的形核率因子,N2为受原子扩散能力影响的形核率因子;当过冷度不大 时,原子有足够的扩散能力,此时的形核率主要受N1因素的影响,过冷度越大,形核功越小,形核率越高,故形核 率随着过冷度的增加而增大,当超过极大值后,N2起主导作用,所以尽管
21、过冷度增加,形核功减小,但原子的扩散 越来越困难,故形核率又随着过冷度的增加而减小,当过冷度非常大时,形核率接近零。对于纯金属,在没达到一 定过冷度时,基本不形核,当温度下降到某一温度时,形核率急剧增加(称此温度为有效成核温度),并且,由于一 般金属的晶体结构简单,凝固倾向大,故形核率未达到最大值前已凝固完毕,看不到形核率下降的部分。 6. 非均匀形核条件:能量起伏、结构起伏;需要一定过冷度、晶胚尺寸大于临界晶核尺寸;因扩撒,故在一定温 度下进行。 7. P50 8. 接触角的大小取决于液体、晶核及固态杂质三者表面能的相对大小,当金属液体确定后,L便固定不变, 那么的大小只取决于L-的差值。从
22、上式可知,金属液体确定后,L不变,当L-的差值越 大,cos越接近1,越接近0,对非均匀形核促进效果越好;当晶核(晶体)与固态杂质的结构(原子排列的几 何状态、原子大小、原子间距等)越相似时,它们之间结构相似、尺寸相当,这样的异相质点可以促进非均匀形核。 9. 相同点 1)形核的驱动力和阻力相同; 2)临界晶核半径相等; 3)形成临界晶核需要形核功; 4)结构起伏 和能量起伏是形核的基础; 5)形核需要一个临界过冷度; 6)形核率在达到极大值之前,随过冷度增大而增加。 与均匀形核相比,非均匀形核的特点: 1)非均匀形核与固体杂质接触,减少了表面自由能的增加; 2)非均匀 形核的晶核体积小,形核
23、功小,形核所需结构起伏和能量起伏就小;形核容易,临界过冷度小; 3)非均匀形核时 晶核形状和体积由临界晶核半径和接触角共同决定;临界晶核半径相同时,接触角越小,晶核体积越小,形核越容 易; 4)非均匀形核的形核率随过冷度增大而增加,当超过极大值后下降一段然后终止;此外,非均匀形核的形核 率还与固体杂质的结构和表面形貌有关。 上式为非均匀形核时临界形核功,可知,当=时,非均匀形核相当于均匀形核,当在0180之间变化, 非均匀形核临界形核功恒小于均匀形核临界形核功,因此在较小的过冷度下,均匀形核还没开始,非均匀形核就可 能已经明显进行了,故非均匀形核往往要比均匀形核容易。 10. 假设该立方体晶胚
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 金属 热处理 原理 崔忠圻 第三 课后 全部 答案
限制150内