哈工大金屬學(xué)與熱處理原理初試經(jīng)典試題

第三章

什么是成分過冷？畫圖說明成分過冷是如何形成的？（以固相中無集中，液相中只有集中

而無對流攪拌的狀況為例說明）并說明成分過冷對晶體長大方式及鑄錠組織的影響。

成分過冷：實質(zhì)是液相成分變化引起過冷狀況發(fā)生變化。異分結(jié)晶必定導(dǎo)致溶質(zhì)在

液、固相中的濃度變化，而固溶體的平衡結(jié)晶溫度則隨合金成分的不同而變化，

進而引起過冷狀況變化。自己把圖畫上（共五個）

假設(shè)液態(tài)金屬中僅集中，即集中不能充分進行。由圖（a）結(jié)晶的固相成分總是低于平

衡成分C。，故將溶質(zhì)排到界面前沿，由于不能充分集中，便在界面處產(chǎn)生溶質(zhì)濃度梯度薄

層。結(jié)合圖（c）（d）,固溶體平衡結(jié)晶溫度隨溶質(zhì)濃度的變化而變化。將實際溫度分布

（b）與平衡結(jié)晶溫度分布（e）疊加，便在固液界面前肯定范圍的液相中消失了過冷區(qū)域。

平衡結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度之差為過冷度，這個過冷度是由于液相中成分變化引起的，

故稱為成分過冷。

成分過冷對晶體長大方式的影響：隨著成分過冷的增大，固溶體晶體由平面狀向胞狀、樹

枝狀的形態(tài)進展

成分過冷對鑄錠組織的影響：固溶體合金的鑄錠組織也是由表層細晶區(qū)、柱狀晶區(qū)、中心

等軸晶區(qū)組成。當(dāng)溶質(zhì)含量固定時，隨著G的增加成分過冷區(qū)下降，鑄錠組織由等軸晶向

柱狀晶進展；當(dāng)G固定時，隨著濃度的增加，成分過冷區(qū)增大，鑄錠組織由柱狀晶向等軸

晶過度，有利于等軸晶形成。（注：液相中的溫度梯度G越小，成長速度R和溶質(zhì)的濃

度C。越大，則有利于形成成分過冷。）

第四章

試述鐵碳合金平衡組織中鐵素體和滲碳體的形態(tài)、特征和數(shù)量對合金組織和性能的影響。

從奧氏體中析出的鐵素體一般呈塊狀，而經(jīng)共析反應(yīng)生成的珠光體中的鐵素體，由于同

滲碳體要相互制約，呈交替層片狀。而滲碳體由于生成的條件不同，使其形態(tài)變得非常筒單。

當(dāng)w（C尸0.0218%時，三次滲碳體從鐵素體中析出，沿晶界呈小片狀分布。共析滲碳體是經(jīng)

共析反應(yīng)生成的，與鐵素體呈交替層片狀，而從奧氏體中析出的二次滲碳體，則以網(wǎng)絡(luò)狀分

布于奧氏體的晶界。共晶滲碳體是與奧氏體相關(guān)形成的，在萊氏體中為連續(xù)的基體，比較粗

大，有時呈魚骨狀。一次滲碳體是從液相中直.接形成的，呈規(guī)章的長條狀。隨含碳量的增加,

鐵碳合金的組織變化挨次為

鐵素體是軟韌相，滲碳體是強硬相。隨含碳量增加，滲碳體漸漸增多，鐵素體漸漸削

減，合金硬度提升，塑性、韌性下降；強度先提升，當(dāng)w（C）=l%時強度達到最大值，之后

隨含碳量增加，強度漸漸減小，這是由于w（C）＞l%時，脆性的二次滲碳體于晶界形成連續(xù)

的網(wǎng)絡(luò)，使鋼的脆性大大增加。進行拉伸試驗時簡單沿二次滲碳體處產(chǎn)生早期裂紋并進展至

斷裂，使強度下降。

因此，為了保證工業(yè)上使用的鐵碳合金具有適當(dāng)?shù)乃苄院晚g性，合金中滲碳體相的數(shù)

量不應(yīng)過多。

第六章

多晶體塑性變形特點？

1、不同時性：只有處在有利位向（取向因子最大）的晶粒的滑移系才能首先開動

2、不勻稱性：每個晶粒的變形量各不相同，而且由于晶界的強度高于晶內(nèi)，使得每一個晶

粒內(nèi)部的變形也是不勻稱的。

3、協(xié)調(diào)性：多晶體的塑性變形是通過各晶粒的多系滑移來保證相互協(xié)調(diào)性。依據(jù)理論推算,

每個晶粒至少需要有五個獨立滑移系。注：由協(xié)調(diào)性可知，滑移系較多的體心、面心立方

通過多滑移表現(xiàn)出良好的塑性，而密排六方金屬滑移系少，晶粒間協(xié)調(diào)性差，故塑性變形力

量低。

試用多晶體塑性變形過程說明純金屬晶粒越細、強度越高、塑性越好的緣由？1993、

1997室溫變形時，由于晶界強度高于晶內(nèi)，所以晶粒越細，單位體積內(nèi)所含晶界越多，強

化效果越好。由Hall-Petch公式，。s=。0+Kd（-l/2）,晶粒直徑d越小，os就越高，這就

是細晶強化。多晶休的每個晶粒都處在其他晶粒的包圍之中，變形不是孤立的，要求接近的

晶粒相互協(xié)作，協(xié)調(diào)已經(jīng)發(fā)生塑性變形的晶粒的外形的轉(zhuǎn)變。塑變一開頭就必需是多系滑移。

晶粒越細小，變形協(xié)調(diào)性越好，塑性也就越好。此外，晶粒越細小，位錯塞積引起的應(yīng)力集

中越不嚴峻，可?以減緩裂紋的萌生，曲折的晶界不利于裂紋的擴展，有利于強度和塑性的提

符］0

塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)與性能的影響？1996、2006

組織結(jié)構(gòu)：1.形成纖維組織2.形成變形織構(gòu)

3.亞結(jié)構(gòu)的細化：隨著變形量的增加，位錯交織纏結(jié)，在晶粒內(nèi)形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，叫形變

胞4.點陣畸變嚴峻：金屬在塑性變形中產(chǎn)生大量點陣缺陷（空位、間隙原子、位錯等），使

點陣中的一部分原子偏離其平衡位置，而造成的晶格畸變。

性能：1、各向異性：形成了顯微組織和變形織構(gòu)。

2、形變強化：變形過程口位錯密度提升，導(dǎo)致形變胞的不斷形成和細化，對位錯的猾移產(chǎn)

生巨大的阻礙作用，使金屬的變形抗力顯著提升。

3、使金屬耐腐蝕性下降。

塑性變形后的金屬隨著加熱溫度的提升和時間的延長，可能會發(fā)生組織性能變化規(guī)律（說

明冷變形金屬在加熱過程中各階段組織與性能的變化。）

回復(fù)：①性能變化不大：強度下降較少，塑性、韌性有所提高：②組織無明顯變化，晶粒

仍保持纖維狀或扁平狀。

再結(jié)晶：①性能變化：性能恢復(fù)到冷變形前狀態(tài)；②組織變化：碎化的、拉長的或壓扁的晶

粒變成勻稱細小的等軸晶粒③結(jié)構(gòu)變化：晶格扭曲畸變消逝，內(nèi)應(yīng)力消逝。晶粒長大：發(fā)

生二次再結(jié)晶：①晶粒變得特殊粗大②性能惡化。

再結(jié)晶溫度：經(jīng)過大量變形（＞70%）的金屬在約lh的時間保溫時間內(nèi)，能夠完成再結(jié)晶

（再結(jié)晶體積分數(shù)＞95%）的最低加熱溫度。

再結(jié)晶的溫度及影響因素（1）金屬冷變形量越大，再結(jié)晶溫度越低；

（2）金屬純度越高再結(jié)晶溫度越低

（3）金屬的原始晶粒尺T越細，再結(jié)晶溫度越低

（4）加熱時間和加熱速度：延長退火加熱保溫時間，可降低再結(jié)晶溫度：提高加熱速度，

會使再結(jié)晶溫度提升。

影響再結(jié)晶晶粒大小的因素

1、變形程度2、原始晶粒尺寸3、雜質(zhì)與合金元素4、變形溫度5、再結(jié)晶退火溫度

臨界變形度及其在工業(yè)生產(chǎn)中的意義（臨界變形度對金屬再結(jié)晶后組織和性能的影響）

①當(dāng)變形品很小時，由于儲存能很小，不足以引起再結(jié)晶，故晶粒度不轉(zhuǎn)變②當(dāng)變形曷達到

某一數(shù)值（2%-10%）時，再結(jié)晶的晶粒特殊粗大，這樣的變形度稱為臨界變形度③隨變

形量增加，儲存能增大，導(dǎo)致再結(jié)晶形核率和長大速度都增加，但形核率增加得更快，使再

結(jié)晶后晶粒變細④當(dāng)變形度達到肯定程度后，再結(jié)晶晶粒大小基本保持不變⑤當(dāng)變形量大于

70%以后，金屬內(nèi)部產(chǎn)生織構(gòu)，再結(jié)晶晶粒簡單長大。

故生產(chǎn)中應(yīng)避開在臨界變形度范圍內(nèi)進行加工，以免再結(jié)晶晶粒粗大。

熱加工（在再結(jié)晶溫度以上進行塑性變形）對金屬組織與性能的影響？1994、2004、

20051.改善鑄錠和鋼坯的組織通過熱加工可以使鋼的組織缺陷得到明顯改善，使材料性能

明顯提高。a.焊合氣孔和疏松，增加致密度；b.打碎粗大晶粒及粗大夾雜物，使之勻稱分布；

c.消退部分偏析，使化學(xué)成分較勻稱。

2.形成纖維組織：在熱加工過程中鑄態(tài)金屬的偏析、夾雜物、其次相、晶界等漸漸沿變形

方向延展，在宏觀工件上勾畫出?個個線條，這種組織也稱為纖維組織。金屬中纖維組織的

形成使其機械性能呈現(xiàn)出各向異性，沿著流線方向比垂直于流線方向具有較高的機械性能。

在制定熱加工工藝時，必需合理掌握流線方向的分布狀況，盡量使流線方向與應(yīng)力方向全都。

3.形成帶狀組織：復(fù)相合金中的各個相，在熱加工時沿著變形方向交替地呈帶狀分布，這

種組織稱為帶狀組織。帶狀組織使金屬材料的機械性能產(chǎn)生方向性，特殊是橫向的塑性韌性

明顯降低，使材料的切削性能惡化。

4.晶粒大?。赫５臒峒庸た梢允咕Я＜毣?、勻稱，以提高材料的性能。但晶粒能否細化

取決于變形量、熱加工溫度、尤其是終鍛（軋）溫度及鍛（軋）后冷卻等因素。增大變形量,

有利于獲得細晶粒，但要避開在臨界變形度范圍內(nèi)加工；變形量不要過大090%）,變形溫

度不要太高，否則引起二次再結(jié)晶，造成晶粒特別粗大；合理掌握終鍛（軋）溫度。

優(yōu)質(zhì)冷拔鋼絲1100°C斷裂的緣由？

冷拔鋼絲由于有加工硬化，故其強度較高，承載力量較強，當(dāng)共被紅熱的鄂板加熱的時

候，當(dāng)溫度提升到再結(jié)晶溫度以上，會發(fā)生再結(jié)晶，使得強度下降，不能承受鄂板重量，故

會發(fā)生斷裂。區(qū)分以下幾個概念：

結(jié)晶：金屬從液相轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的過程（有相變）

重結(jié)晶：從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的過程（有相變）

再結(jié)晶：當(dāng)冷變形金屬的加熱溫度高于回復(fù)溫度時,在變形組織的基體上產(chǎn)生無畸變的晶核，

并快速長大成等軸晶粒，漸漸取代全部變形組織的過程。（不是相變過程，由于沒有新的組

織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，在相變重結(jié)晶溫度以下）

二次再結(jié)晶：晶粒長大時，加熱超過肯定溫度或保溫時間過長，少數(shù)晶粒吞并四周其它小晶

粒急劇長大，它的尺寸很大，而其他晶粒仍細小，最終小晶粒被大晶粒吞并，整個金屬的晶

粒都變得非常粗大，超過原始晶粒尺寸的上千倍，這種晶粒長大稱為特別晶粒長大或二次再

結(jié)晶。鋁的再結(jié)晶溫度為150°C

滑移：晶體的塑性變形是晶體的一部分相對于另一部分沿著某些晶面和晶向發(fā)生相對滑動

的結(jié)果，這種變形方式稱為滑移。

滑移面：原子排列最緊密的晶面：滑移方向：原子排列最密的晶向。

滑移系=一個滑移面+此面上的一個滑移方向其他條件相同時，面心立方結(jié)構(gòu)滑移系數(shù)目

最多，滑移面上原子密排程度最大，變形協(xié)調(diào)性最好，故塑性最好，密排六方結(jié)構(gòu)滑移系數(shù)

目太少，變形協(xié)調(diào)性最差，故塑性最差。

第七章

常溫下晶粒度對金屬性能有何影響？晶粒越細，金屬強度硬度越高，塑性韌性越好。試

總結(jié)細化晶粒的工藝方法有哪些？

1.鑄造工藝方法：①增加過冷度（僅適用于小型鑄件）；②變質(zhì)處理：促進大量非勻稱形

核；③震驚攪拌：外界輸入能量，供應(yīng)形核功；打碎枝晶，增加形核數(shù)目。

2.2.變形方法：塑性變形可通過再結(jié)晶細化晶粒

33熱處理方法：假如有相變，可采納熱處理細化晶粒。主要是掌握奧氏體化過程，對奧氏

體晶粒度的掌握：①掌握加熱溫度、加熱速度和保溫時間（采納快速加熱，短時保溫的方法）

②掌握含碳量，并且加入阻礙奧氏體晶粒長大的合金元素。

4.4.假如含較多合金元素，可通過其次相彌散分布細化晶粒。

5.5,包晶轉(zhuǎn)變可以細化晶粒：包晶轉(zhuǎn)變前形成大量細小化合物，起非勻稱形核作用，具有良

好的細化晶粒效果。

試述馬氏體相變的主要特征以及鋼中馬氏體具有高強度、高硬度的緣由？

固溶強化：過飽和的間隙原子C在a相晶格中造成正方畸變，形成劇烈的應(yīng)力場，與位錯

交互作用，阻礙位錯運動，從而提高馬氏體的硬度和強度。

相變強化：馬氏體轉(zhuǎn)變時造成晶格缺陷密度很高的亞結(jié)構(gòu)，這些缺陷都將阻礙位錯運動，

使馬氏體強化。

時效強化：C原子和合金元素原子向位錯及其他晶體缺陷處集中偏聚，或者以碳化物的形

式彌散析出，釘軋位錯，阻礙位錯運動，從而造成時效強化。

細晶強化：原A晶粒越細小，M板條束越細小，相界面越多，阻礙位錯運動，造成馬氏

體強化。

比較索氏體和回火索氏體在形成條件、組織形態(tài)與性能上的主要區(qū)分

索氏體回火索氏體

形成條件（650—600°C）過冷奧氏馬氏體高溫回火

體轉(zhuǎn)變

組織形態(tài)細片狀珠光體（等軸鐵素體基粒狀珠光體（多邊形鐵素體與

體上彌散的細顆粒狀滲碳粗粒狀滲碳體的機械混合物）

體。）

性能比回火索氏體硬度強度高，但具有強度、塑性和韌性都較好

是塑性韌性差，一般不用作成的綜合機械性能

品

比較屈氏體和回火屈氏體在形成條件、組織形態(tài)與性能上的主要區(qū)分

屈氏體回火屈氏體

形成條件過冷奧氏體轉(zhuǎn)變馬氏體中溫回火

組織形態(tài)極細的珠光體細片狀珠光體（針狀鐵素體與

細小的片狀或粒狀滲碳體的

機械混合物）

性能比回火屈氏體硬度強度高，塑高的彈性極限，強度、塑性、

性韌性不如回火屈氏體好韌性也較好

比較馬氏體和回火馬氏體在引診成條件、組織形態(tài)與性能上的主要區(qū)分

馬氏體回火馬氏體

形成條件較低溫度下，奧氏體快速冷卻馬氏體低溫回火

轉(zhuǎn)變

組織形態(tài)板條：扁條狀片狀：針狀或針狀鐵素體和彌散分布在馬

竹葉狀