材料科学基础-张代东-习题答案.doc

第1章 习题解答
1-1 解释下列基本概念
金属键，离子键，共价键，范德华力，氢键，晶体，非晶体，理想晶体，单晶体，多晶体，晶体结构，空间点阵，阵点，晶胞，7个晶系，14种布拉菲点阵，晶向指数，晶面指数，晶向族，晶面族，晶带，晶带轴，晶带定理，晶面间距，面心立方，体心立方，密排立方，多晶型性，同素异构体，点阵常数，晶胞原子数，配位数，致密度，四面体间隙，八面体间隙，点缺陷，线缺陷，面缺陷，空位，间隙原子，肖脱基缺陷，弗兰克尔缺陷，点缺陷的平衡浓度，热缺陷，过饱和点缺陷，刃型位错，螺型位错，混合位错，柏氏回路，柏氏矢量，位错的应力场，位错的应变能，位错密度，晶界，亚晶界，小角度晶界，大角度晶界，对称倾斜晶界，不对称倾斜晶界，扭转晶界，晶界能，孪晶界，相界，共格相界，半共格相界，错配度，非共格相界（略）
1-2 原子间的结合键共有几种？各自特点如何？
答：原子间的键合方式及其特点见下表。
类 型
特 点
离子键
以离子为结合单位，无方向性和饱和性
共价键
共用电子对，有方向性键和饱和性
金属键
电子的共有化，无方向性键和饱和性
分子键
借助瞬时电偶极矩的感应作用，无方向性和饱和性
氢 键
依靠氢桥有方向性和饱和性

1-3 问什么四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型？
答：如下图所示，底心四方点阵可取成更简单的简单四方点阵，面心四方点阵可取成更简单的体心四方点阵，故四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型。

1-4 试证明在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直。
证明：根据晶面指数的确定规则并参照下图，（hkl）晶面ABC在a、b、c坐标轴上的截距分别为、、，，，；根据晶向指数的确定规则，[hkl]晶向。
利用立方晶系中a=b=c，的特点，有

由于L与ABC面上相交的两条直线垂直，所以L垂直于ABC面，从而在立方晶系具有相同指数的晶向和晶面相互垂直。
c
a
b
c/l
b/k
a/h
(hkl)面
L=ha+kb+lc
C
B
A

1-5 面心立方结构金属的[100]和[111]晶向间的夹角是多少？{100}面间距是多少？
答：设[100]和[111]晶向间的夹角为φ，则

[100]和[111]晶向间的夹角为arccos，即54.7°。
对面心立方点阵，因{100}存在附加面，其晶面间距

1-6 写出FCC、BCC、HCP、（c/a=1.633）晶体的密排面、密排面间距、密排方向、密排方向最小单位长度。
答：见下表。
晶体结构
密排面
密排面间距
密排方向
密排方向最小单位长度
FCC
{111}

<110>

BCC
{110}

<111>

HCP
{0001}

a

1-7 试计算体心立方铁受热而变为面心立方铁时出现的体积变化。在转变温度下，体心立方铁的点阵参数是2.863埃，而面心立方铁的点阵参数是3.591埃。
答：铁从体心立方点阵转变为面心立方点阵时，其体积的变化

这表明铁在加热时出现收缩。

1-8 计算900℃时每立方米的金中空位的数量。已知金的空位形成能为1.568×10-19 J，密度为19.32 g/cm3，原子量为196.9（g/mol）。
答：先计算 的金中含有原子位置的数量

第2章 习题解答
2-1 解释下列基本概念
凝固，结晶，近程有序规则排列，显微组织，晶粒度，过冷度，自由能，体积自由能，结构起伏，能量起伏，均匀形核，非均匀形核，临界形核半径，临界形核功，形核率，长大速率，接触角，活性质点，变质处理，光滑界面，粗糙界面，温度梯度，树枝状结晶（枝晶），细晶粒区，柱状晶粒区、等轴状晶粒区，铸锭缺陷，定向凝固，急冷凝固，准晶（略）
2-2 什么是晶胚？金属结晶时晶胚转变成晶核需满足哪些条件？
答：在液态金属中，每一瞬间都会涌现出大量尺寸各异的结构起伏，不同尺寸的结构起伏就是形核的胚芽，称作晶胚。在一定的过冷度条件下，晶胚尺寸的晶胚，才能引起系统自由能变化降低，同时系统内部能量起伏能够补偿表面能升高部分的晶胚才有可能转变成晶核。
2-3 若在液态金属中形成一个半径为的球形晶核，证明临界形核功与临界晶核体积之间的关系为。
证明：因为根据式（2-10）和式（2-12）
而临界晶核体积可写成

所以

2-4 如果结晶时形成的晶胚是边长为的正方体，求临界晶核边长和临界形核功，并与球形晶核进行比较。
解：根据式（2-8）

有
对求导有

令则

代入有

与球形晶核临界形核功比较

也就是说球形晶核的临界形核功仅为立方晶核的一半，球形晶核更容易存在。
2-5 已知：铝的熔点为993K，结晶潜热为1.836×109J/m3，液固界面比表面能为93mJ/m2，当过冷度为1℃和10℃时，试计算：
（1）从液态向固态转变时单位体积自由能变化；
（2）临界形核半径和临界形核功，并比较随过冷度增大它们的变化关系；
（3）若结晶时铝的晶格常数为2.8nm，求临界晶核中的原子个数。
解：（1），时：（J/m3）
时：（J/m3）
（2）时：，
（J）
时：

临界形核半径减小10倍，临界形核功则减小100倍
（3）铝为面心立方晶格，单位晶胞中有4个原子，其晶胞体积为：
（m3）
因临界晶核体积，所以
时：临界晶核中原子数 （个）
时：临界晶核中原子数（个）
2-6 试比较均匀形核与非均匀形核的异同。
答：均匀形核指在均匀单一的母相中形成新相结晶核心的过程；非均匀形核指新相结晶核心依附于母相中外来质点表面优先形成的过程。
二者系统自由能变化都满足，系统能量降低时形成晶核。
临界形核半径相同，临界形核功大小与接触角有关，与质点形貌相关。
均匀形核形核率较小。
2-7 分析晶体生长形态与温度梯度的关系？
答：晶体生长的形态取决于固-液界面的微观结构和界面前沿液相中的温度分布情况。
（1）在正温度梯度条件下生长的界面形态一般为平面状界面
对于光滑界面，界面向前推移时，以二维或缺陷长大方式向液体中平行推进，长大台阶平面多为晶体学晶面，若无其它因素干扰，多成长为以密排晶面为表面的具有规则外形的晶体。
对于粗糙界面，晶体成长时界面只能随着液体的冷却而均匀一致地向液相推移，与散热方向垂直的每一个垂直长大的界面一旦局部偶有突出，便进入低于临界过冷度甚至熔点以上的温度区域，生长即刻停止。所以，液固界面也近似保持平行平面，使其具有平面状长大形态。
（2）在负温度梯度条件下生长的界面形态一般为枝晶界面
这种温度梯度条件下，由于界面前沿液体中的过冷度不断增大，成长时如果界面的某一局部发展较快而偶有突出，则其将伸入到过冷度更大的液体中，从而使生长速度加快。这样，晶体在生长时界面形态像树枝一样，先长出主晶轴（一次晶轴），再长出分枝晶轴（二次晶轴、三次晶轴……）。每一个枝晶随着结晶和液体的补充最终长成一个晶粒，结晶完成后晶体一般不表现规则外形。
具有光滑界面的晶体物质在负温度梯度下的生长方式，也有树枝状结晶倾向，并与杰克逊因子有关：值不太大时，以枝晶为主，有时带有小平面特征；值较大时，则形成规则形状晶体的可能性大。
2-8 控制晶粒大小或细化晶粒的主要途径有哪些？
答：主要有三种途径（1）增加过冷度，形核率和长大速度均与过冷度有关，在一般金属结晶的过冷度范围内，形核率的增长率大于长大速度的增长率，因此，随着过冷度增加，增大，晶粒的数目增多，晶粒细化。增加过冷度方法在实际应用中主要是提高液态金属的冷却速度，可以通过改变铸造条件来实现，如降低浇注温度、提高铸型的吸热和散热能力等，像在铸件生产中采用金属型或石墨型代替砂型、采用可水冷型、局部加冷铁等，都可有效增加过冷度以细化晶粒。（2）变质处理，浇注前有意向液态金属中加入形核剂，促进形成大量非均匀晶核或用以抑制晶核长大速度以细化晶粒、改善组织，在工业生产中得到了广泛的应用。（3）振动和搅拌，对液态金属附加振动或搅拌，一方面加快散热提高冷却速度，促使晶核形成；另一方面根据金属结晶枝晶特点，产生冲击力，使成长中的枝晶破碎，形核率增加，从而使晶粒细化。
2-9 分析金属铸锭组织的基本构成与特点？
答：金属铸锭的宏观组织通常由三个晶粒区所构成，即外表层的细晶粒区，中间的柱状晶粒区和心部的等轴状晶粒区。铸锭中存在的晶粒区的数目和其相对厚度可以改变。
表层细晶粒区的形核数量与模壁的非均匀形核能力和模壁处所能达到的过冷度有关。晶粒细小，组织致密，有较好的力学性能。但由于细晶区通常很薄，故对整个铸锭性能的影响较小。
柱状晶粒区形成的外因是散热的方向性，内因是晶体生长的择优取向（晶轴位向）。所形成的柱状晶粒位向都是一次晶轴方向，特点是组织致密，在宏观性能上显示出各向异性。
中心等轴状晶粒区是液态金属趋于均匀冷却的状态，在各个方向上的长大速率差不多相等。等轴晶的晶粒长大时相互交叉，无明显脆弱面，性能不具有方向性，裂纹不易扩展，生产上主要通过增加液态金属中的形核率来实现。
2-10 晶体缺陷与铸锭缺陷有何不同？
答：晶体缺陷是相对于理想单晶体原子在构成晶体物质时晶格内部原子尺度的排列位置缺陷，分为点缺陷、线缺陷和面缺陷（答定义）。铸锭缺陷是存在于晶体晶格之外的物体中的体积缺陷，包括缩孔、疏松、气孔及夹杂物等。
2-11 单晶体形成需要何种条件？
答：单晶体形成首先要在金属熔体中形成一个单晶核，严格防止另外形核。在生长过程中绝对要避免液—固界面不稳定而生出晶胞或柱晶，故液—固界面前沿的熔体应处于过热状态，结晶过程的结晶潜热只能通过生长着的晶体导出。定向凝固满足上述热传输的要求，只要恰当的控制液—固界面前沿熔体的温度和结晶速率，就可以得到高质量的单晶体。
2-12 分析金属急冷凝固技术与常规结晶规律之间的关系。（从冷却速度、形核、长大、晶体结构特点等方面来分析，略）

第5章 习题解答
5-1解释下列基本概念及术语
    浓度三角形，直线法则，重心法则，共轭线，共曲面，共轭三角形，蝴蝶形变化规律，单变量线，液相面，固相面，溶解度曲面，四相平衡转变温度，投影图，垂直截面图和等温截面图。
5-2杠杆定律与重心法则有什么关系？在三元相图的分析中怎样用杠杆定律和重心法则。
答：所谓杠杆定律与重心法则的基础都是质量守恒定律。在发生相转变的过程中，对于由反应相和生成相构成的封闭体系，质量守恒定律成立。杠杆定律和重心法则分别是在三元系发生两相平衡转变或三相（包括四相）平衡转变时，质量守恒定律的具体体现，两者具有等价关系。
由于质量守恒定律本省并要求反应相处于一定平衡关系，而相图是合金体系相平衡关系的图解。三元相图的等温截面反映了特定温度下的平衡相关系，在确定了相平衡转变时各平均相成分点后即可在等温截面图上利用杠杆定律或重心法则计算参加反应的各相相对量。三元线图的垂直截面图只是某一特定垂直于浓度三角形的截面与三元相图的交线图，图中曲线并不反映平衡转变时各平衡相的成分点的相互关系，因此不能用杠杆定律和重心法则进行定量分析。
5-3三元合金的匀晶转变和共晶转变与二元合金的匀晶转变和共晶转变有何区别？
答：由于多了一个组元，三元合金比二元合金多了一个自由度。在压力恒定的情况下，对于匀晶转变二元合金的自由度等于1。因此只有温度一个自由变量，二元匀晶转变过程中（L+α两相区内），任一给定温度下，液相与α相成分由液相线和固相线唯一确定。三元匀晶转变有2个自由度，因此在平衡转变过程中L相与α相成分不能单纯用几何法确定，只有L、α相中任何一相的平衡成分确定的情况下，才有可能确定另一相的平衡成分。在平衡状态下L相与α相的平衡成分点分别构成液相面与固相面，给定的合金发生匀晶转变过程中，所有共轭线在浓度三角形上的投影形成“蝴蝶形”花样。
对于二元合金的共晶转变，L→α+β自由度为0，共晶平衡转变只能在确定的共晶转变TE下进行，且转变过程中反应相L和生成相α、β相平衡成分是确定的。对于三元合金，其两相共晶转变L→α+β，L→α+γ，L→γ+β有一个自由度，因此，三元合金的两相共晶可在一定温度范围内进行，转变过程中参加反应的3个平衡相成分是确定的，三元系中的三相共晶转变L→α+β+γ的自由度为0，所以平衡转变只能在确定的三相共晶转变温度下进行，且所有反应相成分也是确定的。
5-4右图为固态有限互溶三元共晶相图的投影图，请回答下列问题：
（1）指出三个液相面的投影区；
（2）指出e3E线和E点表示的意义；
（3）分析合金N的平衡结晶过程。
答:(1) Ae1Ee3A、 Be2Ee1B、 Ce3Ee2C
(2) e3E线：α与γ的共晶线， E点：三元（四相）共晶点。
(3) N点合金：LèLàγèLàβ+γè Làα+β+γ
5-5 Al-Cu-Mg系是航空工业上广泛应用的三元合金系,下图是Al-Cu-Mg三元相图富Al一角的液相面投影图。在所示的成分范围内,共有4个液相单变量线的交叉点,它们代表4个四相平衡反应，分别写出反应类型。
答：
1点:(三进)
2点:(二进一出)
3点:(二进一出)
4点:(三进)
5-6下图是含13%Cr的Fe-C-Cr三元相图的垂直截面图。图中,C1、C2、C3分别代表(Cr,Fe)7C3、(Cr,Fe)23C6、(Fe,Cr)3C碳化物。在13Cr%的垂直截面中,有8个两相区(L+δ、L+ g 、L+C1、g +α、g +C1、g +C2、α+C1、α+C2)、8个三相区和3条代表四相反应的水平线。试判断L+ g +C1、a+ g +C1 和a+ g +C2三个三相区的反应类型。
答：在垂直截面上,典型的三相区呈曲边三角形,但有时也会呈现不规则四边形,在此情况下,可根据其相邻区之间的互相转变关系进行分析推断。如图中的L+g+C1三相区为四边形,它的上顶点与液相区相连,其左上方和右上方分别与L+g和L+C1两相区连接,而下方则与g+C1两相区连接,说明合金冷却经过该三相区后,液相L消失,而g相和C1相生成,故L+g+C1三相区属共晶型转变三相平衡区:
a+g+C1三相区与上述情况情况不同，它不与单相区相连,其上下方分别与(g+C1)、(a+C1) 两相区连接,说明合金冷却经过该区之后,g相消失,a相随之生成。而C1相由于在三个相区中都存在,故难以直接判断其存在形式。但根据碳在g-Fe与a-Fe中的溶解度差别,当时,将有碳化物析出,即C1也是生成相,所以, a+g+C1三相区属于共析转变型三相平衡区。
同理,可以推断:a+g+C2三相区属共析型转变三相平衡区。
在g+C2+C1三相区中,其右上方为g+C1两相区,而左下方为g+C2两相区,说明合金在该区冷却时,C1相消失,C2相生成,据此可以判断,该区为包析转变三相平衡区:
5-7同上题，试判断3条代表四相反应的水平线的反应类型。
在三条四相平衡等温线中,795oC等温线截取到4个三相区,且等温线上下方各分布有两个三相区, 说明其属于第II类四相平衡反应。而其左上、左下方分别为(a+g++C2)和(a+C1+C2)三相区，说明合金在该区冷却时，g相消失而C1相生成；其右上、右下方分别为(g+C1+C2)和(a+g++C1)三相区，说明合金在该区冷却时，C2相消失而a相生成。显然，在等温线上方消失的两个相为反应相,而在等温线下方出现的两个相则为生成相。因此，在795oC等温线上进行的是四相平衡包共析转变。。对于1175oC和760oC等温线，其反应式分别为
5-8 利用下图分析2Cr13（wc=0.002,wCr=0.13）不锈钢的凝固过程及组织组成物。
答：T1~T2 L→α
T2~T3 L+ α →γ
T3~T4 α → γ
T4~T5 γ
T5~T6 γ→C3
T6~T7 γ →（α+C3）共
< T7 α→ C3Ⅲ
室温组织： （α+C3）共＋C3
5-9根据所示Fe-W-C三元系的低碳部分的液相面的投影图，试标出所有四相反应。
答：四相反应如下：
2755～2400℃时：L+W5C3→WC+W2C，其液相成分变温线的温度走向如图所示：
    ～2400℃时：L+ W2C→WC+W，
    ～1700℃时：L+ WC+ W→M6C
    ～1500℃时：L+ W→M6C+Fe3W2
    1380℃时：L+ Fe3W2→M6C+α
    1335℃时：L+α→γ+ M6C
    ～1200℃时：L+ M6C→WC+γ
    1085℃时：L→γ+Fe3C+ WC
5-10 某三元合金K在温度为t1时分解为B组元和液相，两个相的相对量WB/WL=2。已知合金K中A组元和C组元的重量比为3，液相含B量为40%，试求合金K的成分。
答：K合金成分为：15%A、80%B、5%C。
5-11已知A、B、C三组元固态完全不互溶，成分为80％A、10％B、10％C的O合金在冷却过程中将进行二元共晶反应和三元共晶反应，在二元共晶反应开始时，该合金液相成分(a点)为60％A、20％B、20％C，而三元共晶反应开始时的液相成分(E点)为50％A、10％B、40％C。
(a) 试计算A初％、(A+B)%和(A+B+C)%的相对量。
(b) 写出图中I和P合金的室温平衡组织。
答：a) A初％=50%
(A+B)%= 50% ´=25%
(A+B+C)%= L% ´25%
(b)Ⅰ合金：B+（A+B+C）共晶
P合金：（B+C）共晶+（A+B+C）共晶
5-12 成分为40%A、30%B和30%C的三元系合金在共晶温度形成三相平衡，三相成分如下：
液相
50%A
40%B
10%C
α相
85%A
10%B
5%C
β相
10%A
20%B
70%C
计算液相、α相和β相各占多少分数？
答：(a) 液相分数=
α相分数=
β相分数=100%-57.4%-10%=32.6%
5-13 根据图中的合金X，在四相反应前为Q+R+U三相平衡，四相反应后为U+Q+V三相平衡。试证明该反应为R→Q+U+V类型反应。
答：如图所示，X成分的合金经过四相平衡温度时会发生如下反应：
R+U+Q →U+V+Q
反应前U相和Q相的相对量为（用重心定理在ΔQRU上计算）： U%=×100%
Q%=×100%
反应后U相和Q相的相对量为（用重心定理在ΔQUV上计算）：
U’%=×100%
Q’%=×100%
显然，反应后Ｕ相和Ｑ相的量都增加，故为生成相；同时，反应前后Ｒ相从有到无，故为反应相；Ｖ相从无到有，也为生成相。所以这一反应可以简化为Ｒ→Ｑ＋Ｕ＋Ｖ。同理，在四相平面所包含的任一部分都可以证明经过四相平衡温度时会发生Ｒ→Ｑ＋Ｕ＋Ｖ反应。
5-14 根据图中的合金X，在四相反应前为Q+R+U三相平衡，四相反应后为U+Q+V三相平衡。试证明该反应为R+Q→U+V类型反应。
答：如图所示，X成分的合金经过四相平衡温度时会发生如下反应：
R+U+Q →U+V+Q
反应前U相和Q相的相对量为（用重心定理在ΔQRU上计算）：
U%=×100%
Q%=×100%
反应后U相和Q相的相对量为（用重心定理在ΔQUV上计算）：
U’%=×100%
Q’%=×100%
显然，反应后Ｑ相的量减少，故为反应相；Ｕ相的量增加，故为生成相；同时，反应前后Ｒ相从有到无，故为反应相；Ｖ相从无到有，故为生成相；所以这一反应可以简化为Ｒ＋Ｑ→Ｕ＋Ｖ。同理，在四相平面所包含的任一部分都可以证明经过四相平衡温度时会发生Ｒ＋Ｑ→Ｕ＋Ｖ反应。
5-15右下图是在固态下有限互溶的A-B-C三元合金相图的投影图（A、B、C三组元附近对应α、β、γ单相区），试分析合金①、②的平衡结晶过程，并写出室温下的组织。
答：1）合金①的平衡结晶过程：
合金①成分位于液相面Ce2Ee3C上，由液态开始冷却时，随温度的降低，首先发生匀晶转变L→γ，随温度降低进入L+β+γ三相区，发生二元共晶转变L→β+γ，随温度的继续降低，L逐渐减少，β和γ增多，直至完全转变为β+γ。继续冷却β相对组元C及γ相对组元B的溶解度逐渐降低，析出二次相，β→γⅡ、γ→βⅡ。合金①的室温组织为：初晶γ+二元共晶（β+γ）+βⅡ+γⅡ
2）合金②的平衡结晶过程：
合金②成分位于液相面Ae1Ee3A和Ce2Ee3C两液相面的交线e3E上，因此随温度的降低，先发生二元共晶转变L→α+γ，随温度继续降低，直至结晶完毕，温度继续降低，由于合金②成分位于L→α+γ二元共晶转变结束面以下，在α+β+γ三相区三棱柱侧面，α和γ对组元A、B、C均超过溶解度极限，要析出第二项，α→βⅡ+γⅡ，γ→αⅡ+βⅡ。合金②的室温组织为：二元共晶（α+γ）+αⅡ+βⅡ+γⅡ

第6章 习题解答

6-1 影响屈服强度的因素有哪些？
答：影响屈服强度的内在因素有：结合键、组织、结构、原子本性。如将金属的屈服强度与陶瓷、高分子材料比较可看出结合键的影响是根本性的。从组织结构的影响来看，可以有四种强化机制影响金属材料的屈服强度，这就是：(1)固溶强化；(2)形变强化；(3)沉淀强化和弥散强化；(4)晶界和亚晶强化。沉淀强化和细晶强化是工业合金中提高材料屈服强度的最常用的手段。在这几种强化机制中，前三种机制在提高材料强度的同时，也降低了塑性，只有细化晶粒和亚晶，既能提高强度又能增加塑性。
影响屈服强度的外在因素有：温度、应变速率、应力状态。随着温度的降低与应变速率的增高，材料的屈服强度升高，尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化。应力状态的影响也很重要。虽然屈服强度是反映材料的内在性能的一个本质指标，但应力状态不同，屈服强度值也不同。我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。
6-2简述金属材料的断裂方式及特征？
答：金属在应力的作用下分为两部分的现象称为断裂。金属材料的断裂一般可以分为延性断裂和脆性断裂两种，有时二者兼有。金属的延性断裂是在进行了大量塑性变形后发生的，其特征是裂纹扩展缓慢，断口呈杯锥状。而脆性断裂则刚好相反，一般都是沿着特定的镜面（又称为解理面）进行，裂纹的扩展迅速。
1．延性断裂
延性断裂的特征是断裂前产生了明显的宏观塑性变形，故容易引起人们的注意，其产生的破坏性影响小于脆性断裂。断裂时的工作应力高于材料的屈服强度。延性断裂的断口多为纤维状或剪切状，具有剪切唇和韧窝特征。根据研究表明，大多数面心立方金属如Cu、Al、Au、Ni及其固溶体的断裂都属于延性断裂。
2．脆性断裂
脆性断裂的特征是断裂前没有明显的宏观塑性变形。很多金属及其合金都以脆性的方式进行断裂。脆性断裂通常沿着特定的晶面（解理面）进行，作用的应力垂直于解理面。很多具有密排六方结构的金属，由于其滑移系数的数目有限而进行脆性断裂，如锌单晶体在垂直于（0001）面承受高应力时，就会发生脆性断裂；此外，很多体心立方金属如铁、钼、钨灯，在低温或高应变率条件下也会发生脆性断裂。脆性断裂的特点是：材料的工作应力低于其屈服强度；脆断的裂纹源多从材料内部的宏观缺陷处开始；温度越低，脆断的倾向越大；断口平齐光亮，与正应力垂直，断口常呈人字纹或放射花样。由脆性断裂引起的事故如美国油船船体断裂沉没、澳大利亚铁桥断裂等。
6-3 解释滑移和孪生的概念及其特征，滑移和孪生的异同点。
答：滑移是指在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向，相对于另一部分发生相对移动的一种运动状态。
孪生是晶体塑性变形的另一种常见方式，是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪生面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另一部分发生均匀切变的过程。
滑移和孪生的异同点有：
相同点：
宏观上，都是切应力作用下发生的剪切变形；
微观上，都是晶体塑性变形的基本形式，是晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对另一部分的移动过程；
两者都不会改变晶体结构；
从机制上看，都是位错运动结果。
不同点：
滑移不改变晶体的位相，孪生改变了晶体位向；
滑移是全位错运动的结果，而孪生是不全位错运动的结果；
滑移是不均匀切变过程，而孪生是均匀切变过程；
滑移比较平缓，应力应变曲线较光滑、连续，孪生则呈锯齿状；
两者发生的条件不同，孪生所需临界分切应力值远大于滑移，因此只有在滑移受阻情况下晶体才以孪生方式形变；
滑移产生的切变较大（取决于晶体的塑性），而孪生切变较小，取决于晶体结构。
6-4 影响临界分切应力的主要因素是什么？
答：临界分切应力作为表示晶体屈服实质的一个物理量，不随试样的取向而变化，只取决于晶体内部的实际状态。的大小既与晶体的类型、纯度及温度等因素有关，还与该晶体加工和处理状态、变形速度以及滑移系类型因素有关。比如，除少数金属如Fe、Ni的略大外，大多数金属的，比按理想晶体所计算出的数值小3~4个数量级。由比如滑移系较多的面心立方或体心立方金属，其塑性一般大于滑移系较少的六方金属，但是在三向等拉伸的受力条件下，由于不产生切应力，即使塑性很好的材料也可以不发生塑性变形而脆断；反之，一些塑性较低的材料，如果给予合适的受力条件，使晶体只产生单纯的切应力或主要为切应力，而正应力很小（如挤压成型法），则可以使塑性显著增大。
6-5 简述晶粒位向对多晶体塑性变形的影响？
答：晶粒位向对多晶体塑性变形的影响，主要表现在各晶粒变形过程中的相互制约和协调性。
当外力作用于多晶体时，由于晶体的各向异性，位向不同的各个晶体所受应力并不一致，而作用在各晶粒的滑移系上的分切应力更因晶粒位向不同而相差很大，因此各晶粒并非同时开始变形，处于有利位向的晶粒首先发生滑移，处于不利方位的晶粒却还未开始滑移。而且，不同位向晶粒的滑移系取向也不相同，滑移方向也不相同，故滑移不可能从一个晶粒直接延续到另一晶粒中。但多晶体中每个晶粒都处于其他晶粒包围之中，它的变形必然与其邻近晶粒相互协调配合，不然就难以进行变形，甚至不能保持晶粒之间的连续性，会造成空隙而导致材料的破裂。为了使多晶体中各晶粒之间的变形得到相互协调与配合，每个晶粒不只是在取向最有利的单滑移系上进行滑移，而必须在几个滑移系其中包括取向并非有利的滑移系上进行，其形状才能相应地作各种改变。理论分析指出，多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能在5个独立的滑移系上进行滑移。这是因为任意变形均可用，，，，，6个应变分量来表示，但塑性变形时，晶体的体积不变()，故只有5个独立的应变分量，每个独立的应变分量是由一个独立滑移系来产生的。可见，多晶体的塑性变形是通过各晶粒的多系滑移来保证相互间的协调，即一个多晶体是否能够塑性变形，决定于它是否具备有5个独立的滑移系来满足各晶粒变形时相互协调的要求。这就与晶体的结构类型有关：滑移系甚多的面心立方和体心立方晶体能满足这个条件，故它们的多晶体具有很好的塑性；相反，密排六方晶体由于滑移系少，晶粒之间的应变协调性很差，所以其多晶体的塑性变形能力很低。
6-6 沿密排六方单晶体[0001]方向分别加拉伸力和压缩力。说明在两种情况下，形变的可能性及形变所采取的主要方式。
答：警惕受到外力作用时，不论外力方向、大小和作用方式如何，均可将其分解成垂直某一晶面的正应力与沿此晶面的切应力。只有外力引起的作用于滑移面上、沿滑移方向的分切应力达到某一临界值时，便会产生滑移；而正应力只能引起弹性变形，甚至断裂。
密排六方金属的滑移面是（0001），而[0001]方向的力在滑移面上的分切应力为零，所以单晶体不能滑移。拉伸时，单晶体可能产生的形变是弹性形变或随后的脆断；压缩时，在弹性形变后，可能有孪生。
6-7 试用位错理论解释低碳钢的屈服。举例说明吕德斯带队工业生产的影响及防止办法。
答：低碳钢的屈服现象可用位错理论说明。由于低碳钢是以铁素体为基的合金，铁素体中的碳（氮）原子与位错交互作用，总是趋于聚集在位错线受拉应力的部位以降低体系的畸变能，形成柯氏气团对位错起到“钉扎”作用，致使升高。而位错一旦挣脱气团的钉扎，便可在较小的应力下继续运动，这是拉伸曲线上又会出现下屈服点。已经屈服的试样，卸载后立即重新加载拉伸时，由于位错已经脱出气团的钉扎，所以不出现屈服点。但若卸载后，放置较长时间或稍经加热后，再进行拉伸时，由于熔质院子已通过热扩散又重新聚集到位错线周围形成气团，故屈服现象又会重新出现。
吕德斯带会使低碳薄钢板在冲压成型时使工件表面粗糙不平。解决办法可以根据应变时效原理，将钢板在冲压之前先进行一次微量冷轧（如1%~2%的压量下）工序，使屈服点消除，随后进行冲压成型；也可向钢中加入少量Ti、Al及C、N等形成化合物，以消除屈服点。
6-8什么是固溶强化？引起固溶强化的原因有哪些？
答：固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变,晶格畸变增大位错运动的阻力， 使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。
一般认为，固溶强化是由于多方面的作用引起的，包括：
①溶质原子与位错发生弹性交互作用，固溶体中的溶质原子趋向于在位错周围的聚集分布，称为溶质原子气团，也就是柯垂耳气团，它将对位错的运动起到钉扎作用，从而阻碍位错运动；
②静电交互作用，一般认为，位错周围畸变区的存在将对固溶体中的电子云分布产生影响。由于该畸变区应力状态不同。溶质原子的额外自由电子从点阵压缩区移向拉伸区，并使压缩区呈正电．而拉伸区呈负电，即形成了局部静电偶极。其结果导致电离程度不同的溶质离子与位错区发生短程的静电交互作用，溶质离子或富集于拉伸区或富集在压缩区均产生固溶强化。研究表明，在钢中这种强化效果仅为弹性交互作用的1/3—1/6，且不受温度影响。
③化学交互作用（Suzuki），这与晶体中的扩展位错有关，由于层错能与化学成分相关，因此晶体中层错区的成分与其它地方存在一定差别，这种成分的偏聚也会导致位错运动受阻，而且层错能下降会导致层错区增宽，这也会产生强化作用。化学交互作用引发的固溶强化效果，较弹性交互作用低一个数量级，但由于其不受温度的影响，因此在高温形变中具有较重要的作用。
6-9 什么是变形织构，变形织构的特点是什么？
答：如同单晶形变时晶面转动一样，多晶体变形时，各晶粒的滑移也将使滑移面发生转动，由于转动是有一定规律的，因此当塑性变形量不断增加时，多晶体中原本取向随机的各个晶粒会逐渐调整到其取向趋于一致，这样就使经过强烈变形后的多晶体材料形成了择优取向，即形变织构。
依据产生塑性变形的方式不同，形变织构主要有两种类型：丝织构和板织构。
丝织构主要是在拉拔过程中形成，其主要特征是各晶粒的某一晶向趋向于与拔丝方向平行，一般这种织构也就以相关方向表示。如铝拉丝为<111>织构，而冷拉铁丝为<110>织构；
板织构主要是在轧板时形成，其主要特征为各晶粒的某一晶面和晶向趋向于与轧面和轧向平行，一般这种织构也就以相关面和方向表示。如冷轧黄铜的{110},<112>织构。
实际上，无论形变进行的程度如何，各晶粒都不可能形成完全一致的取向。
形变织构的出现会使得材料呈现一定程度的各向异性，这对材料的加工和使用都会带来一定的影响。如加工过程中的“制耳”现象就是我们所不希望出现的；而变压器用硅钢片的(100)[001]织构由于其处于最易磁化方向，则是我们所希望的。
6-10 加工硬化的本质是什么？
答：加工硬化的实质在于位错运动受阻。在实际材料中有许多位错运动的障碍，最主要的是：a.其他位错；b.晶界和亚晶界；c.溶质原子；d.第二相微粒；e.表面膜。其中b、c、d障碍分别对应于细晶强化、固溶强化和第二相强化（包括沉淀强化及弥散强化）。对于纯金属单晶体而言，上述三种障碍位错运动的障碍都不存在，但仍能出现加工硬化现象，因此可以认为，其他位错对运动位错的阻碍是产生加工硬化的根本原因。

第7章 习题解答

7-1冷变形后金属在加热时，其组织哪几种变化？
答：冷变形后金属在加热时，其组织会发生变化，根据观察可以将这个过程分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段：回复是指新的无畸变晶粒出现前所产生的亚结构和性能变化的阶段，在金相显微镜中无明显变化；再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；而晶粒长大是指再结晶结束后晶粒的长大过程。
7-2伴随着回复、再结晶和晶粒长大过程的进行，冷变形金属的组织发生了变化，金属的性能也会发生相应的哪些变化？
答：（一）强度与硬度的变化
回复阶段的硬度变化很小，约占总变化的1/5，而再结晶阶段则下降较多。可以推断，强度具有与硬度相似的变化规律。上述情况主要与金属中的位错密度及组态有关，即在回复阶段时，变形金属仍保持很高的位错密度，而发生再结晶后，则由于位错密度显著降低，故强度与硬度明显下降。
（二）电阻率的变化
变形金属的电阻率在回复阶段巳表现明显的下降趋势。这是因为电阻是标志晶体点阵对电子在电场作用下定向运动的阻力，由于分布在晶体点阵中的各种点缺陷(空位、间隙原子等)对电阻的贡献远大于位错的作用，故回复过程中变形金属的电阻下降明显，说明该阶段点缺陷密度发生了显著的减小。
（三）密度的变化
变形金属的密度在再结晶阶段发生急剧增高的原因主要是再结晶阶段中位错密度显著降低所致。
（四）内应力的变化
金属经塑性变形所产生的第一类内应力在回复阶段基本得到消除，而第二、三类内应力只有通过再结晶方可全部消除。
除了上述性能的变化以外，冷塑性金属加热时性能的转变还包括以下几种：
（五）亚晶粒尺寸：在回复的前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在后期，尤其在接近再结晶时，亚晶粒尺寸就显著增大。
（六）储存能的释放：当冷变形金属加热到足以引起应力松弛的温度时，储能就被释放出来。回复阶段时各材料释放的储存能量均较小，再结晶晶粒出现的温度对应于储能释放曲线的高峰处。
7-3 回复过程有哪些特点？
答：从动力学曲线可以发现，回复过程具有以下特点：
①回复过程在加热后立刻开始，没有孕育期；
②回复开始的速率很大，随着时间的延长，逐渐降低，直至趋于零；
③加热温度越高，最终回复程度也越高；
④变形量越大，初始晶粒尺寸越小，都有助于加快回复速率。
7-4 简述回复机制？
答：回复过程中发生的组织结构变化以及变化程度主要决定于回复温度。回复阶段的加热温度不同，回复过程的机制也存在差异。随着温度由低到高，冷变形金属所发生的回复主要与三种不同的缺陷运动方式有关
（一）低温回复
变形金属在较低温度下加热时所发生的回复过程称为低温回复。这一阶段的回复主要涉及点缺陷（即空位）的变化。此时因温度较低，原子活动能力有限，一般局限于点缺陷的运动，通过空位迁移至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，使冷变形过程中形成的过饱和空位浓度下降，即空位浓度力求趋于平衡以降低能量。对点缺陷敏感的电阻率此时会发生明显下降。
（二）中温回复
变形金属在中等温度下加热时所发生的回复过程称为中温回复。这一阶段回复除点缺陷的运动以外，位错也会发生运动并重新分布。此时因温度升高，原子活动能力也增强，除点缺陷运动外，位错也被激活，在内应力作用下开始滑移，部分异号位错发生抵消，因此位错密度略有降低。
（三）高温回复
变形金属在