西南交大机械学院工程材料第二章作业

第二章作业。

1.名词解释：晶体变质处理固溶处理。

答：晶体：原子（离子或分子）在三维空间有规则的周期性重复排列的物体称为晶体。

变质处理：向合金液中加入某种用于控制合金相或非金属夹杂物生长形态的微量元素的熔体处理工艺方法。

固溶处理：材料或工件加热至适当温度并保温足够时间，使可溶相充分溶解，然后快速冷却到室温以获得过饱和固溶体的热处理工艺。

2.分别确定体心立方(bcc)与面心立方(fcc)的最密排面和最密排方向。

体心立方的最密排面：

1 晶面指数为的晶面原子排列：晶面原子密度=4x0.25/a2=1/a2

2 晶面指数为的晶面原子排列：晶面原子密度=(4x0.25+1)/a2=1.4/a2

3 晶面指数为的晶面原子排列：晶面原子密度=3/(6x30.5x0.5a2)=0.58/a2

综上：体心立方的最密排面：；

体心立方的最密排方向：

1 晶向指数为的晶面原子排列：晶向原子密度=2×1/2/a=1/a

2 晶向指数为的晶面原子排列：晶向原子密度=2×1/2/20.5a=0.7/a

3 晶向指数为的晶面原子排列：晶向原子密度=(2×1/2+1)/30.5a=1.16/a

综上：体心立方的最密排方向：；

面心立方的最密排面：

1 晶面指数为的晶面原子排列：晶面原子密度= (4×1/4+1)/a2=2/a2

2 晶面指数为的晶面原子排列：晶面原子密度=(4×0.25+2×0.5)/20.5a2=1.4/a2

3 晶面指数为的晶面原子排列：晶面原子密度=(3×0.5+3×1/6)/(0.5×30.5a2)=2.3/a2

综上：面心立方的最密排面：；

面心立方的最密排方向：

1 晶向指数为的晶面原子排列：晶向原子密度=2×0.5/a2=1/a

2 晶向指数为的晶面原子排列：晶向原子密度=(2×0.5+1)/20.5a=1.4/a

3 晶向指数为的晶面原子排列：晶向原子密度=2×0.5/30.5a=0.58/a

综上：面心立方的最密排方向：

3.金属发生结晶过程的热力学条件是什么？什么是过冷现象？过冷度对晶粒度的影响如何？

答：金属发生结晶过程的热力学条件：液态金属中原子团为金属结晶提供结构条件；液固界面取得动态过冷度，为金属结晶提供了长大条件；当tn 过冷现象：

结晶时，实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。在一定压力下，当液体的温度已低于该压力下液体的凝固点，而液体仍不凝固的现象叫液体的过冷现象。

过冷度对晶粒度的影响：从金属的结晶过程可知，一定体积的液态金属中，若成核速率n越大，晶粒越多、越细小；晶体长大速度g越快，则晶体越粗。成核速率和长大速度与过冷度密切相关。

随着过冷度的增加，形和速率和长大速度均会增加。但是当过冷度超过一定值后，成核速率和长大速度都会下降，这是因为液态金属结晶时成核和长大，都要原子扩散才能进行。当温度太低的时候，原子扩散能力减弱了，因而成核速率和长大速度都降低。

对于液态金属，一般不会得到如此大的过冷度，所以，随着过冷度的增加，成核速率和长大速度都会增大，但前者的增大更快，因而比值n/g也增大，结果使得晶粒细化。

4. 为什么室温下钢的晶粒越细，强度、硬度越高，塑性、韧性也越好？结晶过程中，怎样获得细小的晶粒？

答：室温下钢的晶粒越细，强度、硬度越高，塑性、韧性也越好的原因：金属的晶粒越细，晶界总面积越大，需要协调的具有不同位向的晶粒越多，其塑性变形的抗力便越大，表现出强度越高。

另外金属晶粒越细，在外力作用下，有利于滑移和能参与滑移的晶粒数目也越多。由于一定的形变量会由更多的晶粒分散承担，不致造成局部的应力集中，从而推迟了裂纹的产生，即使发生的塑性变形量很大也不致断裂，表现出塑性提高。在强度和塑性同时提高的情况下，金属在断裂前要消耗较大量的功，因而其韧性也比较好。

获得细小的晶粒的方法：

1 增大金属的过冷度：成核速率与长大速度均与过冷度有着密切关系，随着过冷度的增加，形核速率与长大速度均会增大。

2 变质处理：即在液态金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织。变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大。

3 振动：在金属结晶的过程中采用机械振动，超声波振动等方法，可以破碎正在长大的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得更小的晶粒。

4 电磁搅拌：将正在结晶的金属置于一个交变的电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加了结晶的核心，从而可以细化晶粒。

5. 若pb-sn共晶图（见教材）中iv曲线sn含量为80%, 请画出其冷却曲线与组织转变示意图，并计算室温条件下，相和组织的相对含量。