第六章
1. 试用多晶体的塑性变形过程说明金属晶粒越细强度越高、塑性越好的原因是什么？ 2.
答：由 Hall-Petch 公式可知，屈服强度σs 与晶粒直径平方根的倒数 d v2呈线性关系。 在多晶体中，滑移能否从先塑性变形的晶粒转移到相邻晶粒主要取决于在已滑移晶粒晶界附近的位错塞 积群所产生的应力集中能否激发相邻晶粒滑移系中的位错源，使其开动起来，从而进行协调性的多滑移。 由τ=nτ0知，塞积位错数目n越大，应力集中τ越大。位错数目n与引起塞积的晶界到位错源的距离成正比。晶粒越大，应力集中越大，晶粒小，应力集中小，在同样外加应力下，小晶粒需要在较大的外加应 力下才能使相邻晶粒发生塑性变形。 在同样变形量下，晶粒细小，变形能分散在更多晶粒内进行，晶粒内部和晶界附近应变度相差较小，引 起的应力集中减小，材料在断裂前能承受较大变形量，故具有较大的延伸率和断面收缩率。另外，晶粒 细小，晶界就曲折，不利于裂纹传播，在断裂过程中可吸收更多能量，表现出较高的韧性。
2.金属材料经塑性变形后为什么会保留残留内应力？研究这部分残留内应力有什么实际意义？ 金属材料经塑性变形后为什么会保留残留内应力？研究这部分残留内应力有什么实际意义？
答： 残余内应力存在的原因
1）塑性变形使金属工件或材料各部分的变形不均匀，导致宏观变形不均匀； 2）塑性变形使晶粒或亚晶粒变形不均匀，导致微观内应力；
3）塑性变形使金属内部产生大量的位错或空位，使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置，导致点阵畸变 内应力。
实际意义：可以控制材料或工件的变形、开裂、应力腐蚀；可以利用残留应力提高工件的使用寿命。
3.何谓脆性断裂和塑性断裂，若在材料中存在裂纹时，试述裂纹对脆性材料和塑性材料断裂过程中的影响。
答：塑性断裂又称为延性断裂，断裂前发生大量的宏观塑性变形，断裂时承受的工程应力大于材料的屈服强度。在塑性和韧性好的金属中，通常以穿晶方式发生塑性断裂，在断口附近会观察到大龄的塑性变形痕迹，如缩颈。
金属脆性断裂过程中，极少或没有宏观塑性变形，但在局部区域任然存在着一定的微观塑性变形。断裂时承受的工程应力通常不超过材料的屈服强度，甚至低于按宏观强度理论确定的许用应力，因此又称为低应力断裂。
在塑性材料中，断裂是胃口形成、扩大和连接的过程，在打的应力作用下，基体金属产生塑性变形后，在基体和非金属夹杂物、析出相粒子周围产生应力集中，使界面拉开，或使异相颗粒折断形成微孔。微孔扩大和链接也是基体金属塑性变形的结果。当微孔扩大到一定的程度，相邻微孔见的金属产生较大的塑性变形后就发生微观塑性失稳，就像宏观实验产生缩颈一样，此时微孔将迅速扩大，直至细缩成一线，最后由于金属与金属件的连线太少，不足以承载而发生断裂。
脆性材料中，由于断裂前既无宏观塑性变形，又无其他预兆，并且一旦开裂后，裂纹扩展迅速，造成整体断裂或河大的裂口，有时还产生很多碎片，容易导致严重事故。
4.何谓断裂韧度，它在机械设计中有何作用？
答：在弹塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强度因子即断裂韧度。它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆断的能力，是材料的力学性能指标。
5.分析回复和再结晶阶段空位与位错的变化及其对性能的影响。
答：回复可分为低温回复，中温回复以及高温回复。低温回复阶段主要是空位浓度明显降低。原因： 低温回复阶段主要是空位浓度明显降低。中温回复阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消， 此阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消，位错 密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。 密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。高温回复的主要机制为多边化。 多边化 由于同号刃型位错的塞积而导致晶体点阵弯曲， 由于同号刃型位错塞积而导致晶体点阵弯曲，在退火过程中 通过刃型位错的攀移和滑移， 通过刃型位错的攀移和滑移，使同号刃型位错沿垂直于滑移面的方向排列成小角度的亚晶界。此过程称为多边（形）化。 多晶体金属塑性变形时， 多晶体金属塑性变形时， 金属塑性变形时滑移通常是在许多互相交 截的滑移面上进行， 截的滑移面上进行，产生由缠结位错构成的胞状组织。因此，多边化后不仅 所形成的亚晶粒小得多， 而且许多亚晶界是由位错网组成的。
对性能影响：去除残余应力，使冷变形的金属件在基本保持应变硬化状态的条件下，降低其内应力，以免变形或开裂， 保持应变硬化状态的条件下，降低其内应力，以免变形或开裂， 并改善工件的耐蚀性。 并改善工件的耐蚀性。
再结晶是一种形核和长大的过程，靠原子的扩散进行。 冷变形金属加热时组织与性能最显著的变化就是在再结晶阶段发生的。特点： 1）、组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒； 2）、力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧下降， 应变硬化全部消除，恢复到变形前的状态3）、变形储能在再结晶过程中全部释放。三类应力（点阵畸变） 、变形储能在再结晶过程中全部释放。
对性能影响： 强度迅速下降， 强度迅速下降，塑性迅速升高。冷变形金属在加热过程中性能随温度升高而变化， 冷变形金属在加热过程中性能随温度升高而变化，在再结晶阶段发生突变。
第八章
1.何谓扩散，固态扩散有哪些种类？
答：扩散是物质中原子（或分子）的迁移现象，是物质传输的一种方式。
固态扩散根据扩散过程是否发生浓度变化可以分为自扩散和异扩散；根据扩散是否与浓度梯度的方向相同可分为上坡扩散和下坡扩散；根据扩散过程是否出现新相可分为原子扩散和反应扩散。
2.何谓上坡扩散和下坡扩散?试举几个实例说明之。
上坡扩散是沿着浓度升高的方向进行扩散，即由低浓度向高浓度方向扩散，使浓度发生两级分化。例如奥氏体向珠光体转变的过程中，碳原子由浓度较低的奥氏体向浓度较高的渗碳体扩散，就是上坡扩散。
下坡扩散就是沿着浓度降低的方向进行的扩散，使浓度趋于均匀化，例如铸件的均匀化退火、渗碳等过程都是下坡扩散。
3.固态金属中要发生扩散必须满足哪些条件。
固态金属要发生扩散，必须满足： 1）扩散要有驱动力 2）扩散原子要固溶 3）温度要足够高 4）时间要足够长
4.铸造合金均匀化退火前的冷塑性变形对均匀化过程有何影响?是加速还是减缓? 为什么。
塑性变形有细化晶粒的作用，使均匀扩散原子迁移的距离缩短，所以应该是加速， 因为1）内能提高；2）粗大的枝晶被打碎，扩散距离缩短，扩散过程加快。.
九、钢的热处理原理
重点内容：冷却时转变产物（P、B、M）的特征、性能特点、热处理的概念。
基本内容：等温、连续C-曲线。奥氏体化的四个过程；碳钢回火转变产物的性能特点。
热处理：将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却下来，让其获得所需要的组织结构和性能的一种热加工工艺。
转变产物（P、B、M）的特征、性能特点：片状P体，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好；粒状P体，Fe3C颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高。第二相的数量越多，对塑性的危害越大；片状与粒状相比，片状强度高，塑性、韧性差；上贝氏体为羽毛状，亚结构为位错，韧性差；下贝氏体为黑针状或竹叶状，亚结构为位错，位错密度高于上贝氏体，综合机械性能好；低碳马氏体为板条状，亚结构为位错，具有良好的综合机械性能；高碳马氏体为片状，亚结构为孪晶，强度硬度高，塑性和韧性差。
等温、连续C-曲线。
十、钢的热处理工艺
重点内容：退火、正火的目的和工艺方法； 淬火和回火的目的和工艺方法。
基本内容：淬透性、淬硬性、热应力、组织应力、回火脆性、回火稳定性、过冷奥氏体的概念。淬火加热缺陷及其防止措施。
热应力：工件在加热(或冷却)时，由于不同部位的温度差异，导致热胀(或冷缩)的不一致所引起的应力称为热应力。
组织应力：由于工件不同部位组织转变不同时性而引起的内应力。 淬透性：是表征钢材淬火时获得马氏体的能力的特性。 可硬性：指淬成马氏体可能得到的硬度。
回火稳定性：淬火钢对回火时发生软化过程的抵抗能力。
回火脆性：钢在一定的温度范围内回火时，其冲击韧性显著下降，这种脆化现象叫做钢的回火脆性。
过冷奥氏体：在临界温度以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。
退火的目的：均匀钢的化学成分及组织；细化晶粒；调整硬度，改善钢的成形及切削加工性能；消除内应力和加工硬化；为淬火做好组织准备。
正火的目的：改善钢的切削加工性能；细化晶粒，消除热加工缺陷；消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火；提高普通结构零件的机械性能。
十一、工业用钢
重点内容：材料强化方法；钢的分类和编号。
基本内容：常用合金元素在钢中的主要作用。材料韧化的方法、钢的化学成分、金相组织热处理工艺和机械性能之间的关系。
合金钢：在碳钢的基础上有意地加入一种或几种合金元素，使其使用性能和工艺性能得以提高的以铁为基的合金即为合金钢。
一、论述四种强化的强化机理、强化规律及强化方法。
1、形变强化
形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。
机理：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。
规律：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，根据公式Δσ=αbGρ1/2 ，可知强度与位错密度（ρ）的二分之一次方成正比，位错的柏氏矢量（b）越大强化效果越显著。
方法：冷变形（挤压、滚压、喷丸等）。 形变强化的实际意义（利与弊）：形变强化是强化金属的有效方法，对一些不能用热处理强化的
材料可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形等；形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。另一方面形变强化也给材料生产和使用带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低，给继续变形带来困难，中间需要进行再结晶退火，增加生产成本。
2、固溶强化
随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。强化机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。
固溶强化规律：①在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大；②溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，强化效果越显著；③形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；④溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大，则强化作用越大。
方法：合金化，即加入合金元素。 3、第二相强化
钢中第二相的形态主要有三种，即网状、片状和粒状。
①网状特别是沿晶界析出的连续网状Fe3C，降低的钢机械性能，塑性、韧性急剧下降，强度也随之下降；
②第二相为片状分布时，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好。符合σs=σ0＋KS0-1/2的规律，S0 片层间距。
③第二相为粒状分布时，颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高，符合的规律，λ粒子之间的平均距离。第二相的数量越多，对塑性的危害越大；
④片状与粒状相比，片状强度高，塑性、韧性差；
⑤沿晶界析出时，不论什么形态都降低晶界强度，使钢的机械性能下降。 第二相无论是片状还是粒状都阻止位错的移动。
方法：合金化，即加入合金元素，通过热处理或变形改变第二相的形态及分布。 4、细晶强化
细晶强化：随晶粒尺寸的减小，材料的强度硬度升高，塑性、韧性也得到改善的现象称为细晶强化。
细化晶粒不但可以提高强度又可改善钢的塑性和韧性，是一种较好的强化材料的方法。
机理：晶粒越细小，位错塞集群中位错个数（n）越小，根据，应力集中越小，所以材料的强度越高。
细晶强化的强化规律：晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式σs=σ0＋Kd-1/2 晶粒的平均直（d）越小，材料的屈服强度（σs）越高。
细化晶粒的方法：结晶过程中可以通过增加过冷度，变质处理，振动及搅拌的方法增加形核率细化晶粒。对于冷变形的金属可以通过控制变形度、退火温度来细化晶粒。可以通过正火、退火的热处理方法细化晶粒；在钢中加入强碳化物物形成元素。
二、改善塑性和韧性的机理
晶粒越细小，晶粒内部和晶界附近的应变度差越小，变形越均匀，因应力集中引起的开裂的机会也越小。晶粒越细小，应力集中越小，不易产生裂纹；晶界越多，易使裂纹扩展方向发生变化，裂纹不易传播，所以韧性就好。
提高或改善金属材料韧性的途径：① 尽量减少钢中第二相的数量；② 提高基体组织的塑性；③ 提高组织的均匀性；④ 加入Ni及细化晶粒的元素；⑤ 防止杂质在晶界偏聚及第二相沿晶界析出。
十五、简述位错与塑性、强度之间的关系。
位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。 晶体塑性变形的方式有滑移和孪晶，多数都以滑移方式进行。滑移的本质就是位错在滑移面上的运动，大量位错滑移的结果造成了晶体的宏观塑性变形。
位错滑移的结果造成了晶体的宏观塑性变形，使材料发生屈服，位错越容易滑移，强度越低，因此增加位错移动的阻力，可以提高材料的强度。溶质原子造成晶格畸变还可以与位错相互作用形成柯氏气团，都增加位错移动的摩擦阻力，使强度提高。晶界、相界可以阻止位错的滑移，提高材料的强度。所以细化晶粒、第二相弥散分布可以提高强度。
十六、论述钢的渗碳通常在奥氏体区（930～950℃）进行，而且时间较长的原因。
虽然碳原子在α-Fe比γ-Fe中扩散系数大（１分），但钢的渗碳通常在奥氏体区进行，因为可以获得较大的渗层深度。因为：①根据，，温度（T）越高，扩散系数（D）越大，扩散速度越快，温度越高原子热振动越激烈，原子被激活而进行迁移的几率越大，扩散速度越快；②温度高，奥氏体的溶碳能力大，1148℃时最大值可达2.11%，远比铁素体(727℃，0.0218%)大，③钢表面碳浓度高，浓度梯度大，扩散速度越快；④时间要足够长，只有经过相当长的时间才能造成碳原子的宏观迁移；
十七、与滑移相比孪晶有什么特点？
①孪晶是一部分晶体沿孪晶面对另一部分晶体做切变，切变时原子移动的距离不是孪晶方向原子间距的整数倍；②孪晶面两边晶体的位相不同，成镜面对称；③由于孪晶改变了晶体的取向，因此孪经晶抛光后仍能重现；④孪晶是一种均匀的切变。
十八、影响再结晶的主要因素有哪些？
①再结晶退火温度：退火温度越高（保温时间一定时），再结晶后的晶粒越粗大；②冷变形量：一般冷变形量越大，完成再结晶的温度越低，变形量达到一定程度后，完成再结晶的温度趋于恒定；③原始晶粒尺寸：原始晶粒越细，再结晶晶粒也越细；④微量溶质与杂质原子，一般均起细化晶粒的作用；⑤第二相粒子，粗大的第二相粒子有利于再结晶，弥散分布的细小的第二相粒子不利于再结晶；⑥形变温度，形变温度越高，再结晶温度越高，晶粒粗化；⑦加热速度，加热速度过快或过慢，都可能使再结晶温度升高。
十九、论述间隙原子、置换原子、位错、晶界对材料力学性能的影响。
间隙原子、置换原子与位错相互作用形成柯氏气团，柯氏气团增加位错移动的阻力；溶质原子造成晶格畸变，增加位错移动的摩擦阻力，使强度提高，这就是固溶强化的机理。晶界越多，晶粒越细，根据霍尔—配奇关系式σs=σ0＋Kd-1/2 晶粒的平均直径d越小，材料的屈服强度σs越高。晶粒越细小，晶粒内部和晶界附近的应变度差越小变形越均匀，因应力集中引起的开裂的机会也越小，塑性越好。晶粒越细小，应力集中越小，不易产生裂纹，晶界越多，易使裂纹扩展方向发生变化，裂纹不易传播，所以韧性就好。
位错密度越高，则位错运动时越易发生相互交割，形成割阶，造成位错缠结等位错运动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。根据公式?σ=abGρ1/2 ，位错密度（ρ）越大，强化效果越显著。
十八、合金元素Cr、Mn、Ni、强碳化物形成元素在钢中的主要作用是什么？
Cr在钢中的主要作用有：溶入基体，提高淬透性，固溶强化；形成第二相提高强度、硬度；含量超过13%时提高耐腐蚀性；在表面形成致密的氧化膜，提高抗氧化能力。Cr促进第二类回火脆性的发生。
Mn在钢中的主要作用有：溶入基体，提高淬透性，固溶强化；形成第二相提高强度、硬度；含量超过13%时形成奥氏体钢，提高耐磨性；消除硫的有害作用。Mn促进第二类回火脆性的发生，促进奥氏体晶粒的长大。