当高温液体浇入铸模后，液体受到强烈冷却获得很大过冷，又由于模具是非均匀形核的有利位置，因而在模壁表面上产生大量晶核，这些晶核迅速长大至相互接触，便形成了表层细晶区。
细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小，生核速率降低，此时长大的速度受到的影响较小。晶核优先与散热最快方向的反方向平行长大，形成柱状晶区。
中心等轴晶的形成，一是柱状晶在生长过程中由于锭模内液体的对流，树枝被打碎悬浮在液体中，在铸模中心的温度过冷到熔点以下时得以任意生长。另一个原因是随着凝固过程的进行铸模中心的温度梯度越来越平缓，合金很容易产生成分过冷，大的成分过冷范围，是柱状晶停止生长，前方可能产生一些新的晶核。
第四章 金属的塑性变形及再结晶
4-1为什么室温下金属的晶粒越细，强度硬度越高，塑性与韧性也越好？
晶界是阻碍位错运动的，而各晶粒位向不同，互相约束，也阻碍晶粒的变形。因此，金属的晶粒愈细，其晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈多，对塑性变形的抗力也愈大。因此，金属的晶粒愈细强度愈高。同时晶粒愈细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的变形量便可分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，而不致造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产生和发展。因此，塑性，韧性也越好。
4-2用手来回玩着一根铁丝时，开始感觉省劲，后来逐渐感觉有些费劲，最后铁丝被折断，试解释该过程演变的原因。
不断来回折的过程使铁丝产生了塑性变形，开始时发生的是可恢复的弹性变形，后来发生的是永久变形，故铁丝会发生断裂，这个过程中铁丝发生了形变强化，当变形量很大时，金属出现各向异性；第二，不断折的过程中产生了位错塞积，使铁丝的屈服强度增大。
4-3什么是加工硬化？其产生的原因是什么？加工硬化在工程上带来哪些利弊？
金属在再结晶温度以下进行塑性变形，变形后硬度、强度升高，塑性、韧性降低的现象称为应变硬化，或加工硬化。
原因：（1）位错密度剧增；（2）晶粒破碎，晶界增多，造成晶界强化；（3）
吸收、存储部分变形能，有残余应力存在。
金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难，如钢板在冷轧过程中会越轧越硬，以致最后轧不动。另一方面人们可以利用加工硬化现象，来提高金属强度和硬度，如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度的。加工硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因素。如冷拉钢丝拉过模孔的部分，由于发生了加工硬化，不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔的部分，这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。 4-4冷变形对金属组织和性能有何影响？
①晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性，如纵向的强度和塑性远大于横向等；②晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化，即随着变形量的增加，强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降；③织构现象的产生，即随着变形的发生，不仅金属中的晶粒会被破碎拉长，而且各晶粒的晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动，转动结果金属中每个晶粒的晶格位向趋于大体一致，产生织构现象；④冷压力加工过程中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间的变形不均匀，金属内部会形成残余的内应力，这在一般情况下都是不利的，会引起零件尺寸不稳定。
4-5金属在冷塑性变形过程中产生哪几种残余应力？残余应力对材料产生哪些影响？
金属在冷塑性变形过程中会产生残余压应力和残余拉应力。残余应力会导致工件或材料在实际应用过程中产生开裂、变形、扭曲等，应该予以退火处理消除之。
4-6用冷拔铜丝做导线，冷拔后应如何处理？为什么？
应进行退火处理，由于温度升高原子的能动性增加，即原子的扩散能力提高，而回复阶段只是消除了由于冷加工应变能产生的残余内应力，大部分应变能仍然存在，变形的晶粒仍未恢复原状。所以，随着保温时间加长，新的晶粒核心便开始形成并长大成小的等轴晶粒，这就是再结晶的开始。随着保温时间的加长或温度的升高，再结晶部分愈来愈多，直到原来的晶粒全部被新的小晶粒所代替。进一步保温或升温，新晶粒尺寸开始增大，这就是晶粒长大现象。
4-7金属再结晶温度受那些因素的影响？能否通过再结晶退火来消除粗大铸造组
织，为什么？
（1）温度：加热温度越高，再结晶速度越快，产生一定体积分数的再结晶组织需要的时间越短。
（2）变形程度：变形程度越大，储能越多，再结晶驱动力越大，因此变形程度越大，再结晶速度越快。
（3）材料的纯度：微量的溶质原子对再结晶影响巨大。溶质或杂质原子偏聚在位错和晶界处，对位错的运动和晶界的迁移起阻碍作用，因此不利于再结晶，使再结晶温度升高。
（4）原始晶粒尺寸：原始晶粒越细或者退火时间增长都会降低在结晶温度。 （5）第二相粒子：粒子较粗大，间距较远——促进再结晶，粒子细小，间距小——阻碍再结晶。
4-8热变形对金属组织和性能有何影响？钢材在热加工（如锻造时）为什么不产生加工硬化现象？
金属与合金在再结晶温度以上进行的塑性变形，称为热变形或热加工。 （1）改善铸造组织缺陷：铸造组织往往含有缩松、气孔等缺陷，热变形时被压合消除；铸态组织(晶粒)粗大，通过变形和再结晶变成细小的等轴晶；改善铸态组织中的成分偏析，提高成分均匀性。以上这些都对提高力学性能有利。因此，材料经热变形后，虽然没有应变硬化，但力学性能明显提高。
（2）形成纤维组织，出现各向异性：由于铸态组织中的夹杂物多分布在晶界处，热变形时被拉长或打碎成为链状，都是沿变形方向呈纤维状分布。这些夹杂物很稳定，再结晶时仍能保留下来，纤维组织使材料呈现各向异性。
（3）带状组织的形成：带状组织也使材料具有各向异性，并且破坏材料的切削性能，应避免和消除。
（4）热变形后的晶粒变化：终止热变形时的温度、总变形量和热变形后的冷却速度，决定了热变形后晶粒的大小。合理控制这些因素，就可以得到细小的晶粒，从而获得高的力学性能。采用低的终止变形温度，大的变形量，快的冷却速度，可以得到细小的晶粒。
金属的热变形可看成是两个过程的组合：一方面它像冷加工那样发生晶粒的伸长与加工硬化；另一方面又发生了回复和再结晶过程，又形成了等轴晶粒消除
了加工硬化。
4-9 在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬。随后如果在室温放置一段时间后再进行弯折，铅板又像最初一样柔软，这是什么原因？（已知铅的熔点为328℃） 小于再结晶温度的加工称为冷加工；大于再结晶温度的加工称为热加工。
热加工也有加工硬化现象，但由于处于再结晶温度以上，硬化的同时发生了再结晶而使材料软化，即消除了加工硬化现象，故热加工最终结果，材料并不存在加工硬化。经计算：T铅再＝－33℃
所以，室温下弯折属于热加工，消除了加工硬化。
第五章 钢的热处理
5-1说明亚共析钢、共析钢、过共析钢奥氏体化的过程。
把实际加热时发生的相变临界温度用Ac1、Ac3、Accm表示，而冷却时的临界温度用Ar1、Ar3、Arcm表示。
共析钢加热时组织转变。在实际加热条件下，当温度达到或以上时，珠光体转变为奥氏体。奥氏体的形成是通过形核与晶核长大来实现的，其基本过程可分为四步。（1）奥氏体形核。奥氏体晶核首先在铁素体相界面处形成。（2）奥氏体长大。形成的奥氏体晶核依靠Fe、C原子的扩散，同时向铁素体和渗碳体两个方向长大，直至铁素体消失。（3）残余渗碳体溶解。在奥氏体形成的过程中，铁素体首先消失，残余的渗碳体随着加热和保温时间的延长，不断溶入奥氏体，直到全部消失。（4）奥氏体成分的均匀化。刚形成的奥氏体其中碳浓度是不均匀的，在原渗碳体处C的质量分数较高，而原铁素体处C的质量分数较低，只有在继续加热和保温过程中，通过C原子的扩散，才能使奥氏体中C的质量分数趋于均匀，形成成分较为均匀的奥氏体。
亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢的相似，不同的是，在室温下它们的平衡组织中除珠光体外，还有先共析相存在，当它们被加热到Ac1以上时，首先是其中的珠光体转变为奥氏体（这一过程与共析钢相同），而此时还有先共析相（铁素体或渗碳体）存在，要得到单一的奥氏体，必须提高加热温度，对亚共析钢来说，加热温度超过Ac3后，先共析铁素体才逐渐转变为奥氏体；对共析钢来说，加热温度超过Arcm后，先共析渗碳体才会全部溶解到奥氏体中去。
5-2以共析钢为例，说明将其奥氏体化后立即随炉冷却、空气中冷却、油中冷却和水中冷却，各得到什么组织？力学性能有何差异？（如图：温度上限为MS线，冷速下限为Vk）
① 当冷却速度V＜VK/时，冷却曲线与珠光体转变开始线相交便发生??P，与终了线相交时，转变便告结束，形成全部的珠光体。
② 当冷速VK/＜V＜VK时，冷却曲线只与珠光体转变开始线相交，而不再与转变终了线相交，但会与中止线相交，这时奥氏体只有一部分转变为珠光体。冷却曲线一旦与中止线相交就不再发生转变，只有一直冷却到Ms线以下才发生马氏体转变。并且随着冷速 V 的增大，珠光体转变量越来越少，而马氏体量越来越多。
③ 当冷速V＞VK 时，冷却曲线不再与珠光体转变开始线相交，即不发生??P，而全部过冷到马氏体区，只发生马氏体转变。此后再增大冷速，转变情况不再变化。由上面分析可见，VK 是保证奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷速，称为“上临界冷速”，通常也