1、1. 解释冷变形金属加热时回复、再结晶的过程及特点。答：冷变形金属加热时，各自特点如下：1） 回复过程的特征：回复过程组织不发生变化，仍保持变形状态伸长的晶粒；回复过程使变形引起的宏观一类应力全部消除，微观二类应力大部分消除；回复过程中一般力学性质性能变化不大，硬度、强度仅稍有降低，塑形稍有提高，某些物理性能有较大变化，电阻率显著降低，密度增大；变形储能在回复阶段部分释放。2） 再结晶过程的特征：组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒；力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧降低，塑性提高，恢复至变形前的状态；变形储能在再结晶过程中全部释放，三类应力（点阵畸变）清除，位错密度降低；3）
2、晶粒长大过程的特征：晶粒长大；引起一些性能变化，如强度、塑性、韧性下降；伴随晶粒长大，还发生其他结构上的变化，如再结晶织构。2. 再结晶：经过塑性变形的金属，在重新加热过程中，当温度高于再结晶温度后，形成低缺陷密度的新晶粒，使其强度等性能恢复到变形前的水平，但其相结构不变的过程。3. 简述形变金属在加热时的回复和再结晶过程及其组织与性能的变化：答：经过塑性变形的金属在加热过程中将依次发生回复和再结晶过程，在温度低于再结晶温度时，主要发生点缺陷的浓度的降低，内应力的消除，位错组态的改变，光学显微组织没有变化；此时，强度、硬度、塑性等力学性能基本不变，但电阻下降明显。达到或超过再结晶温度后，将在原
3、来变形晶粒内形成低缺陷密度的新晶粒，晶粒基本呈等轴状，此时，强度等力学性能和物理性能迅速恢复到变形前的水平。4. 动态再结晶：再结晶温度以上变形和再结晶同时进行的现象。5. 简述冷变形后金属回复及再结晶退火对材料组织和性能变化的规律，说明哪些地方可能是再结晶优先形核的地点，指出再结晶、结晶、固态相变之间的主要区别。答：随退火温度的升高或退火时间的延长，形变组织重点位错纠缠结演变为亚晶，亚晶进行合并长大；在形变不均匀区内发生再结晶形核及长大，等轴晶取代形变长条晶粒；随后是晶粒正常长大。在性能上，强度、硬度下降，电阻下降；塑性、韧性提高。这些过程在再结晶阶段比回复阶段更显著。优先形核地点为：原始晶
4、界、形变时形成的新大角晶界处或通过亚晶长大而逐步形成的大角晶界、第二相粒子附近等。再结晶只是一种组织变化，没有结构变化，驱动力是形变储能；结晶是非晶态的液相、气相或固态非晶体中形成晶体的过程；固态相变是固/ 固相的结构变化。后两者的驱动力都是化学自由能差。6. 何为晶粒生长与二次结晶？简述造成二次再结晶的原因和防止二次再结晶的方法。答：晶粒生长是无应变的材料在热处理时，平均晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。在坯体内晶粒尺寸均匀地生长，晶粒生长时气孔都维持在晶界上或者晶界交汇处。二次再结晶是少数巨大晶粒在细晶消耗时的一种异常长大过程，是个别晶粒的异常生长。二次再结晶时气孔被包裹到晶
5、粒内部，二次再结晶还与原料粒径有关。造成二次再结晶的原因：原料粒径不均匀，烧结温度偏高，烧结速率太快。防止二次再结晶的方法：控制烧结温度、烧结时间，控制原料粒径的均匀性，引入烧结添加剂。7. 重结晶、再结晶和二次再结晶的本质区别：答：重结晶固态情况下，物质由一种结构转变为另一种结构，即同素异构反应。再结晶将冷压力加工以后的金属加热到一定温度后，在变形的组织中重新产生新的无畸变的等轴晶粒，性能恢复到冷压力加工前的软化状态的过程。二次再结晶指结晶退火后的金属在更高温度或更长时间的保温下，会有极少数晶粒迅速吞并其他晶粒而长大，结果整个金属由少数比再结晶后晶粒大几十倍甚至上百倍的特大晶粒所组成的现象。
6、三者的区别与联系：重结晶发生相变过程，再结晶和二次再结晶没有相变过程；重结晶和再结晶是形核与长大的过程，而二次再结晶只是长大的过程。发生重结晶的驱动力为新旧两相自由能差，再结晶为储存能，二次再结晶为界面能。再结晶后强度、硬度下降而塑韧性提高，二次再结晶后材料的强度、塑性、韧性都会下降。8. 结晶、重结晶和再结晶三者在概念上有何区别。答：结晶指物质由液态变为晶体固态的相变过程。重结晶指在固态情况下，物质由一种结构转变为另一种结构，即同素异构反应。再结晶将冷压力加工以后的金属加热到一定温度后，在变形的组织中重新产生新的无畸变的等轴晶粒，性能恢复到冷加工前的软化状态的过程。三者的区别与联系：结晶发生
7、相变，重结晶发生固态相变过程，再结晶没有。但它们全部都有形核与核长大的过程。结晶发生的驱动力是液固两相的界面能差，重结晶的驱动力为新旧两相的自由能差，而再结晶为储存能。再结晶后强度硬度下降而塑性和韧性提高，重结晶后材料的强度、塑性、韧性都会改善。9. 户外用的架空铜导线（有一定的强度）和户内电灯用花线，在加工之后可否采用相同的最终热处理工艺？为什么？答：不能采用相同工艺。户外架空导线要求一定强度，一般用回复退火消除应力同时保留一定强度，户内花线需要易于变形和高的导电性能，可以采用再结晶退火使之软化，获得高的导电性能。10. 有人将工业纯铝在室温下进行大变形量轧制，制得一批薄片试样，所测得的室温
8、强度表明试样呈冷加工状态；然后将其他试样加热到 100放置 12 天，再冷却后测得其s室温强度比 明显降低。试验者差得工业纯铝的再结晶温度 为 150，所以排除了s RT发生再结晶的可能性。请解释上述现象，并说明如何证明你的设想。答：将大变形量轧制后的工业纯铝加热到 100、保温 12d 后其室温强度明显下降的可能原因是由于工业纯铝已经发生了再结晶过程。试验者查得的 TR150，是指在 1h 内完成再结晶的温度。而金属在大量冷变形后，即使在较低于 TR 的退火温度，只要保温足够的时间，同样可以发生再结晶。所以，工业纯铝变形后在 100加热、保温 12d 完全有可能已完成再结晶过程。证明上述设想
9、：观察薄片试样的金相组织，如果是等轴晶粒，则可确认完成再结晶。11. 就你所学知识讨论：在某一基体金属材料（如纯铜）引入弥散分布颗粒后，其塑性变形、再结晶过程以及强度所发生的变化。答：在单相纯铜中引入弥散分布第二相颗粒后，其塑性变形、再结晶过程和强度都会发生一系列变化：1）对塑性变形过程，由于颗粒的引入，导致塑性变形的位错运动受阻，可能在颗粒附近塞积（普通颗粒） ，也可能切过颗粒（颗粒非常小） ；2）在再结晶过程中，如果颗粒尺寸较大，则会起到促进再结晶作用，如果颗粒尺寸很小，则会起到阻碍再结晶的作用；3）由于弥散颗粒对位错有阻碍作用，因此可以使得材料得到强化。其强化效果受颗粒的尺寸、分布、种类
10、以及基体的结合有关，颗粒尺寸越细、含量越高，其强化效果越好。12. 概述冷形变金属加热时发生再结晶的条件、形核机制、过程及再结晶的作用。答：冷形变金属的变形量必须大于临界变形量后，并在再结晶温度以上加热时才能发生再结晶。其再结晶的机制是通过形成无畸变的新晶核和该晶核的长大，来降低形变时造成的晶体缺陷的增加和储存能的升高；具体形核机制有亚晶合并、亚晶长大和原晶界突出三种。再结晶的作用是消除加工硬化和残余内应力，使变形金属的性能恢复到变形前的水平，显微组织发生彻底改变；而且通过正确控制再结晶的加热温度和保温时间，还可达到细化晶粒的目的。13. 简要分析静态回复与静态再结晶对冷形变加工金属材料的作用
11、。答：1）静态回复由于加热温度较低或保温时间较短，可使冷形变后产生加工硬化的金属材料的点缺陷密度大大降低，电阻率有所下降，第一类内应力大部分得到消除，但基本上保留了冷形变所产生的加工硬化效果，所以在实际生产中对要保留冷形变硬化效果的金属材料，常采用回复处理。2）静态再结晶由于加热温度较高或保温时间较长，可使冷形变后产生加工硬化的金属材料通过对形核和长大重新软化，即组织和性能基本上恢复到冷形变前的状态，所以在实际生产中，对进行大量冷形变的金属材料，可用再结晶退火作为中间工艺，以便保证能继续进行冷形变加工。另外也可以通过再结晶退火进行细化晶粒。14. 解释冷变形金属加热时回复、再结晶的过程及特点。
12、答：冷变形金属加热时，各自特点如下：1） 回复过程的特征：回复过程组织不发生变化，仍保持变形状态伸长的晶粒；回复过程使变形引起的宏观一类应力全部消除，微观二类应力大部分消除；回复过程中一般力学性质性能变化不大，硬度、强度仅稍有降低，塑形稍有提高，某些物理性能有较大变化，电阻率显著降低，密度增大；变形储能在回复阶段部分释放。2） 再结晶过程的特征：组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒；力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧降低，塑性提高，恢复至变形前的状态；变形储能在再结晶过程中全部释放，三类应力（点阵畸变）清除，位错密度降低；3） 晶粒长大过程的特征：晶粒长大；引起一些性能变化，如强
13、度、塑性、韧性下降；伴随晶粒长大，还发生其他结构上的变化，如再结晶织构。15. 公式 的物理意义是什么？试比较间隙扩散和置换扩散两者的 D 表达式的区PaD2别。答：公式表明：扩散系数 D 与两个晶面的垂直距离 a、溶质原子从一个晶面跳向另一个晶面的概率 、原子跳动频率 成正比。对间隙扩散： ，其中， 为溶质原子发生跳动时所需的额外KTEoe/E内能。对置换扩散： ，其中， 为原子跳动激活能，voe/)(空位形成能。vE16. 何为本征扩散和非本征扩散？并讨论两者之间的区别。答：本征扩散：是指空位来源于晶体的本征热缺陷而引起的迁移现象。本征扩散的活化能是有空位形成能和质点迁移能两部分组成，高温
14、时以本征扩散为主。非本征扩散：是由不等价杂质离子的掺杂造成空位，由此而引起的迁移现象。非本征扩散的活化能只包含质点迁移能，低温时以非本征扩散为主。17. 置换扩散和间隙扩散的扩散系数有何不同？答：间隙扩散系数与空位浓度无关，而置换扩散系数与空位浓度有关。一般地，空隙扩散系数大于置换扩散系数。18. 上坡扩散：溶质原子向浓度梯度相反方向迁移，即从低浓度区流向高浓度区19. 解释常用的扩散机制。有两种激活能分别为 和molkJE/7.831的扩散，观察温度从 25升高到 600时对这两种扩散的影响，并molkJE/8251对结果做出评述。答：常用的扩散机制有空位机制和间隙机制。两种激活能分别为和
15、的扩散在温度从 25升高到 600时，由lkJ/7.31 molkJE/8512得：当温度从 298K 提高到 873K 时，扩散速率 D 分别提高)exp(0RtQD和 倍，显示出温度对扩散速率的重要影响。激活能越大，扩散速率96.4285.对温度的敏感性越大。20. 举例说明材料的基本强化形式有哪些，并说明其中三种的强化机制。答：通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料强度的方法，称为材料的强化。其强化基本形式有：固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化等。这些强化方式总的来说是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度弥散的质点或不均匀性（如偏聚）等
16、，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高材料强度。固溶强化：无论是代位原子或是填隙原子，在条件合适的情况下，都可能发生原子偏聚而形成气团。对代位点阵来说，当溶质原子比溶剂原子的直径大时，溶质原子有富集在刃型位错受胀区的趋向；反之，富集于受压区。填隙原子则总是向受胀区富集。这种靠扩散在位错附近富集的现象，称为柯氏气团。柯氏气团对位错有钉扎作用，从而使强度提高。沉淀强化和弥散强化：过饱和固溶体随温度下降或在长时间保温过程中（时效）发生脱溶分解。时效过程往往很复杂，如铝合金在时效过程中先产生 GP 区，继而析出过渡相（ 和 ） ，最后形成热力学稳定的平衡相（ ） 。细小的沉淀物分散于基体之中， 阻碍着
17、位错运动而产生强化作用，这就是“沉淀强化”或“时效强化 ”。加工硬化：冷变形金属在塑性变形过程中形成大量位错，这些位错部分称为不可动位错，从而导致其对可动位错的阻力增大，引起材料继续变形困难，形成加工硬化或形变硬化。21. 对金属材料而言，在材料中引入细小弥散分布的第二相颗粒是强化材料的重要方式，请根据所学知识，从位错运动的角度解释其原因。答：弥散第二相其强化机理主要是通过位错绕过机制和位错切过机制进行强化。当第二相为不可变形颗粒时，与位错之间的斥力较大，位错以奥罗万机制绕过第二相颗粒，每通过一个位错就会在第二相颗粒周围留下一个位错环，使后续位错绕过第二相颗粒的阻力不断增大。该强化效果在第二相
18、颗粒体积分数一定时，随颗粒半径的减小强化效果增大。当第二相为可变形颗粒时，与位错之间的斥力较小，在外力作用下滑动位错将切过第二相颗粒，使新增界面积增加，界面能升高，以及产生反相畴界、割阶，引起原子错排等都将使位错运动阻力增大实现强化。22. 什么是时效处理？说明通过时效处理产生强化的原因。实际应用过程中，为消除时效强化可采用什么处理方法？为什么？答：过饱和固溶体的脱溶过程处理为时效处理。在过饱和固溶体脱溶过程中，初始形成亚稳态析出相与母相保持共格或半共格界面。如果析出相粒子具有很高强度，将使滑移运动位错发生弯曲并包绕第二相粒子留下位错环，将增加位错线长度，并且第二相粒子及位错环加大对后续运动位
19、错的阻力，产生第二相强化。如果析出相粒子可发生形变，将产生新的相界面，使析出相与基体相之间共格（或半共格）界面遭到破坏；滑移面产生错配，可能使有序排列遭到破坏。综上，宏观产生强化。通过时效回归处理或者重新固溶体处理可以使时效强化现象消失。因为伴随着时效回归处理或者重新固溶体处理沉淀脱溶产生的第二相重新溶入固溶体之中。当沉淀析出相已经为稳定相时，只能采用固溶处理。23. 请以 Al-4.5%Cu 合金为例，说明 130时效过程（组织转变）及性能（硬度）变化。（2010.材料物理 第 4 题）答：铝合金淬火后得到过饱和固溶体，之后加热保温，固溶体内会依次析出 GP区， 、 和 相。GP 区的形成会
20、使材料的硬度增加（第一个时效峰） ，长时间时效，GP 区溶解，硬度下降。 的形成使得硬度继续增加（第二个时效峰） 。当 全 部溶解转化为 和 转化为 后，硬度开始下降。（脱溶惯序）平 衡区 3210GP其中，GP 区是铜原子富集区； GP 区、 、 为四方结构亚稳相，圆盘状，沿基体的100面析出，具有共格/半共格界面，与基体存在特定的取向关系； 、平 衡为平衡相，不规则形状。提高时效温度，脱溶加快，但过饱和度减少，相变驱动力减少，可能导致直接析出平衡相 ，时效强化能力减弱；时效温度过低则情况相反，达到最佳性能的时间过长。24. 请以 Al-4%Cu 合金为例，说明 190时效过程（组织转变）及
21、性能（硬度）变化。答：时效开始时基体中先析出 亚稳相，该片状的惯习面与基体共格，这时亚稳相通过阻碍位错滑移使材料硬度提高。随着时效时间延长， 逐渐消失，并由 亚稳相取代。当时效继续延长， 会产生粗化，其结果使粒子间距增加，硬化效果减弱，从而使材料硬度下降。25. 影响晶态固体中原子扩散的因素有哪些？并加以简单说明。答：1）温度：温度越高，扩散系数越大，扩散速度越快。2）晶体结构及固溶体类型：致密度较小的晶体结构中扩散激活能较小，扩散易于进行；对称性较低的晶体结构，扩散系数的各向异性显著；间隙固溶体中的扩散激活能远小于置换固溶体，扩散容易进行。3）第三组元：根据加入的第三组元的性质不同，有的促进
22、扩散，有的阻碍扩散。4）晶体缺陷：沿晶界的扩散系数远大于体扩散系数；沿位错管道扩散时扩散激活能较小，因而位错加速扩散。26. 铝合金的时效：答：铝合金在经过高温固溶处理后，迅速冷却形成过饱和固溶体，并在随后的加热保温过程中析出亚稳相的过程。27. 说明马氏体相变的主要特征。1） 无扩散性。马氏体相变时无需原子的扩散，没有原子的混合与再混合过程。新相M 与母相 A 的化学成分完全相同。2） 切变性。具体表现在：相变的协调一致性：A M(FCC-BCC)。通过原子的整体协调运动（切变） ，晶体结构从 FCC 变为 BCC。原子的移动距离小于原子间距离；表面浮凸效应。 在经过抛光的表面，若发生马氏体
23、转变，在切变时，将产生表面浮凸效应。这是由于点阵形变在转变区域中产生形状改变；惯习面。M 总是在母相的特定晶面上析出，伴随着 M 相变的切变，一般与此晶面平行，此晶面为基体与 M 相所共有，称为惯习面；新相与母相之间存在确定晶体学位向关系。两种著名的取向关系（钢的 M 相变） ，即 K-S 关系和西山关系。实际材料的马氏体转变，一般与上述关系存在几度的偏差。3） 马氏体相变时伴随有点阵畸变。4） 马氏体转变存在开始温度 MS 和终了温度 Mf（或 Mz） 。28. 何谓马氏体相变？并简述马氏体相变的结晶学特征。答：晶体在外加应力的作用下通过晶体的一个分立体积的剪切作用，以极其迅速的速度进行的相
24、变称为马氏体相变，马氏体相变是固态相变的基本形式之一。马氏体相变的结晶学特征有：相变时新相与母相之间具有严格的取向关系，靠切变维持共格关系，并存在一个惯习面，在相变前后保持既不扭曲变形也不旋转的状态，在宏观上是连续的。29. 马氏体高强度、高硬度的原因：答：1）马氏体的晶体结构为体心正方，不具备位错易动的密排滑移面，因而位错不易滑移。2）铁素体通常只含有 0.03%的碳原子，而马氏体中的含碳量和材料本身的含碳量相同，因此马氏体中有大量过饱和的碳原子，固溶强化是马氏体硬度高的主要机制之一。3）不论是板条状马氏体的板条还是片状马氏体的片条都很细小，晶界强化机制也起很大作用。4）马氏体转变时，在晶体
25、内部造成晶格缺陷密度的亚结构，板条状马氏体的高密度位错网、片状马氏体的微细孪晶都将阻碍位错运动，从而通过相变引起强化。5）马氏体形成后，碳及合金元素的原子向位错或其他晶体缺陷处扩散偏聚或析出，钉扎位错，使位错难以运动，通过时效强化提高马氏体的硬度、强度。30. 马氏体的强化要素有哪些？请详细说明马氏体的强度和韧性与其含碳量、组织形态及亚结构的关系。答：马氏体的强化要素有碳原子的间隙固溶体强化作用；C 原子团簇对位错的钉扎作用；C 原子进入马氏体晶体结构的扁八面体中心，造成非对称点阵膨胀（形成畸形变偶极应力场） ，产生的强烈的间隙固溶强化作用；晶界、位错、孪晶的强化作用。马氏体的强度和韧性与其含
26、碳量、组织形态及亚结构密切相关。铁碳合金中，含碳量 1.0%，形成片状马氏体，具有孪晶亚结构，强度高，但塑性和韧性差； 0.3%G，并使两者差距增大，晶粒才会被细化。2）变质处理。即在浇注前向金属液中添加变质剂，以促进非均匀形核增加晶核数量来细化晶粒；3）振动、搅拌。振动和搅拌能向液体中输入额外能量以提供核功，促进形核，另一方面能使已结晶的晶体在流体冲击下而碎化，增加核心数量。51. 分析加工硬化、细晶强化、固溶强化与第二相强化在本质上有什么异同。答：相同点：都是位错运动受阻，增加了位错滑动的阻力，使得材料得到强化。不同点：1）加工硬化：位错塞积、林位错阻力和形成割阶消耗外力所做的功为其可能机
27、制；2）细晶强化：增加了晶界，增加了位错塞积的范围；3）固溶强化：溶质原子沿位错聚集并钉扎错位；4）第二相强化：分散的强化相颗粒迫使位错切过或绕过强化相颗粒而额外做功都是分散相强化的位错机制。52. 什么是置换固溶体？影响置换固溶体固溶度的因素有哪些？形成无限固溶体的条件是什么？答：溶质分子取代溶剂原子，并保持溶剂结构的合金相的称为置换固溶体。影响因素有：原子尺寸；晶体结构；电负性；电子浓度。两组元晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件。53. 简述原子间四种结合键各自的特点，并从结合键的角度讨论金属的力学性质。类型 作用力来源 键强 形成晶体的力学性能特点离子键 正负离子间的库伦引力 最强 硬度高，强度大，脆性大共价键相邻原子价电子各处于相反的自选状态，原子核间的库伦引力强 硬度高，强度大，脆性大金属键 自由电子气与正离子之间的库 仑引力 较强 塑性变形能力好，强韧性 高二次键 原子与分子间由诱导或永久电 弱 硬度低，塑性、韧性好
