材料科学与工程导论课后习题答案(8)

2018-09-25 22:34

多晶型转变:有新相生成,驱动力是新旧两相体积自由能差,转变只需要很小的原子移动,但仍需破坏原先的结合键,使原子重排。

固溶与析出:固溶是将一个本来存在的相,溶解在母相中而使其消失,原子大量地扩散。 析出则是一个新相从过饱和固溶体中分离出来,同样需要原子的大量扩散。这两个反应是彼此相反的。

共析反应:冷却时反应将一个中间成分的单相变为两个相,这两个相的化学成分位于共析成分的两侧,需要原子的扩散。

马氏体转变与回火转变:

马氏体转变是由于一个或多个原子面相对于其相邻面的剪切而造成的多晶型变化,无扩散。马氏体的形成温度比共析温度低得多,转变时由于切变作用造成的,所有原子同时移动,且单个原子偏离它以前邻近原子的距离不大于十分之一纳米。 马氏体是体心正方结构,又硬又脆。

在温度低于共析温度时,只要有足够的时间,这种碳在Fe中的过饱和固溶体将继续向更稳定的铁素体和渗碳体转变:M(马氏体) α+渗碳体(回火马氏体)。这个过程工业上称为回火。

回火马氏体组织:在α相上分布这许多弥散的碳化物颗粒,其韧性比亚稳态马氏体高很多。

10.分析相变动力学曲线(C曲线)的形状特征,并分析其原因。

TTT曲线(C曲线):测定在不同温度时从转变开始到结束以及达到不同的转变量所经历的时间,作成“温度-时间-转变量”曲线,简称TTT曲线。 由于开始转变时量很小而不易确定,故通常以一定的转变量,例如1%作为转变开始转变线,而在其之前所经历的时间称为孕育期。当过冷度增大时,相变驱动力Δgv增加而扩系数D降低,当温度降低较少时,Δgv起主导作用,原子从旧相转变为新相的速率随过冷度增大而增大,当温度降低甚多时,由于D值显著减小,扩散因素占主导地位,从而转变速率随着过冷度增大而减小,因此在一居中温度转变速率最大,所以在C曲线上看到,在中间温度转变时间最短,速度最快。

11.分析等轴晶是如何形成的?其他形状晶粒有无可能形成?条件如何?

第八章 工程材料强化与韧化的主要途径

1.晶体和非晶体物质塑性变形的机理有什么不同? 材料在外力作用下发生变形,如果卸载后变形不能完全消失,这种不可恢复的变形就称为塑性变形。塑性变形的主要特点是,卸载后材料会留下一定的残余变形或永久变形;应力和应变不再成线性关系。

塑性变形分为晶体的塑性流动和非晶态物质的粘性流动,塑性流动的主要机理是滑移,滑移是原子面按照晶体学上有规律的方式相互滑动。粘性流动一般发生于流体,是原子或分子小集团自由置换其相邻集团的位置,非晶体材料也以粘性流动方式产生永久变形,而在晶体中

一般不存在这种调换的自由。

2.材料的理论强度与实际强度之间有什么差别?分析造成这种差别的原因。 晶体的实际强度就是实验测得的单晶体的临界分切应力,而理论强度则是按完整晶体刚性滑移模型计算出的强度。

按照完整晶体刚性滑移模型,晶体滑移时晶体各部分是作为刚体而相对滑动的,基于这一模型以及原子间作用力正弦近似假定,可以推导出使完整晶体滑移面上所有原子同时滑移的临界切应力,计算出完整晶体的剪切强度约为切变弹性模量的1/6,这是一个很大的数值;但是,只有无缺陷的完整晶体才能发生刚性滑移,即滑移面上所有原子将同时滑移,而实际晶体往往存在缺陷,因此,晶体的实际滑移过程并不是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移,这种实际滑移要比刚性滑移容易进行,从而造成晶体的实际强度远低于其理论强度。

3.分析位错与晶体强度的关系。

一种是要尽可能地减少晶体中的位错密度,使其接近于完整晶体,或者说制成无缺陷的完整晶体,使金属实际强度接近于理论强度;另一种是尽量增大晶体中的位错密度,并且尽可能地给运动着的位错设置阻碍,以及抑制位错源的活动。

4.Cu、Au等金属的屈服强度较低,而α—Fe、Cr等金属的强度较高,造成这种差别的主要原因是什么?

因为Cu、Au等金属是面心立方晶体,而α—Fe、Cr等金属是体心立方晶体,面心立方晶体的滑移方向多于体心立方晶体,所以位错在面心立方晶体上移动时受到的阻力较小,因此造成屈服强度上的差别。

5.指出晶体材料的基本强化途径。

冷变形强化、固溶强化、细晶强化、第二相强化、复合强化

6.比较固溶强化与第二相强化的机理有什么不同。

固溶强化:合金元素溶于金属基体中形成固溶体而使金属强度、硬度升高的现象,称为固溶强化。

机理:一是溶质原子的溶入使固溶体的晶格发生畸变,从而产生附加的应力场,阻碍位错的运动;二是溶质原子常常被吸附在位错线的附近,降低了位错的能量状态。 第二相强化:材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生强化的方法,称为第二相强化或分散强化。

机理:当移动的位错与第二相质点相遇时,受到质点的阻挡,位错线无法穿过这些硬质点,位错只有绕着它发生弯曲、随着外加应力的增大,位错线受阻部分的弯曲加剧,以至绕着粒子的位错线在左右两边相遇,于是正负号位错彼此抵消,形成包围粒子的位错环,位错线的其余部分则越过粒子继续移动。这样第二相硬颗粒构成了位错运动的阻碍,同时也增加了位错线的长度,从而提高了合金的屈服强度。此为绕过机制,有时位错线可以直接通过第二相,则称切割机制,也产生强化效果。

7.分析韧性断裂过程。发生韧性断裂后,断口形式与材料本身的性质有什么关系? 韧性断裂通常发生在具有良好的塑性和韧性的金属上,其断裂方式是穿晶断裂。在断裂部件上往往可以观察到大量的变形,包括颈缩现象。变形是在断裂之前发生的。通常,韧性断裂起因于单纯的过载,即材料受到了过高应力。

三个阶段:试样拉伸产生明显塑性变形之后,某处出现颈缩,由于缩颈的几何形状会引起三向拉应力,最大轴向拉应力位于试样中心,在此拉应力作用下,试样中心开始产生微孔;微孔在试样中心长大和聚合,从而在中心形成圆片状裂纹,这裂纹沿着垂直于拉应力作用的方向往外伸展;裂纹到试样边缘以大约和拉伸轴成45°的方向迅速扩展,直到最后剪切断开这最后阶段造成一个剪切唇,剪切唇与拉伸轴约呈45°,相应于剪切应力方向。

发生韧性断裂后形成的断口根据材料本身力学性能的不同有三种典型的断口形式:1)为纯度极高的纯铝拉伸时的断口,这是直到最后一点截面皆以颈缩的形式破断的纯颈缩断口;2)纯度不高的铜拉伸时的双杯型断口;3)低碳钢拉伸时常见的杯锥型断口;对于低强度的金属和合金,拉伸试件的断口往往表现为杯锥断口、双杯断口和纯破裂断口。

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