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《金属学》作业

第二章：金属及合金的晶体结构

一、复习思考题 二、习题 一、复习思考题

1.概念：晶胞、单晶体、多晶体、晶粒、刃型位错、螺型位错、固溶体、金属间化合物 2．空间点阵与晶体点阵有何区别？试举例说明。 3.晶体中的位错属于哪种缺陷？

4.在体心立方晶格中原子密度最大的晶面和晶向分别是什么？在面心立方晶格中原子密度最大的晶面和晶向分别是什么？

5.晶体与非晶体最根本的区别是什么？ 6.晶体中的缺陷类型有哪几种？举例说明。

7．已知面心立方晶格的晶格常数为a，试求出（100）、（110）和（111）晶面的面间距，并指出面间距最大的晶面。

8．体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（100）、（110）和（111）晶面的面间距，并指出面间距最大的面。

9．在晶体中有一平面环状位错线，请问此位错环能否各部分都是刃型位错？或各部分都是螺型位错？为什么？

10．在一个简单立方的二维晶体中，画出一个正刃型位错和一个负刃型位错，并 （1）用柏氏回路求出正、负刃型位错的柏氏矢量；

（2）若将正、负刃型位错反向时，其柏氏矢量是否也随之反向； （3）具体写出该柏氏矢量的大小和方向； （4）求出此两位错的柏氏矢量和。 二、习题

1．说明间隙固溶体和间隙化合物的异同点。

2．常见的金属化合物有哪几类？它们各有何特点？Mg2Si、ZnS、Fe3C、VC、Cu31Sn8等是哪种类型的化合物？ 3．碳可以溶入铁中而形成间隙固溶体，试分析是α-Fe还是γ-Fe能溶入较多的碳，为什么？ 4．作图表示出立方晶系的（123）、（112）、（421）、（231）晶面和[210]、[111]、[346]、[110]晶向。

5．试计算体心立方晶格的{100}、{110}、{111}晶面的原子面密度和<100>、<110>、<111>晶向的原子线密度，并指出其中最密面和最密方向。 6.固溶体和化合物在结构、性能方面有什么差异？

7. 常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数各有什么特点？α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种晶体结构？

8. 已知α-Fe的晶格常数a=2.87×10-10 m， γ-Fe的晶格常数a= 3.64×10-10 m，试求出α-Fe和γ-Fe的原子半径和致密度。

9. 在立方晶系的一个晶胞中画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。

10. 求下列晶面的晶面间距，并指出晶面间距最大的晶面： （1）已知室温下α-Fe的点阵常数为0.286nm，分别求出（100），（110），（123）的晶面间距。

（2）已知916℃时γ-Fe的点阵常数为0.365nm，分别求出（100），（111），（112）的晶面间距。

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11、纯金属中溶入另一组元后（假设不会产生新相）会带来哪些微观结构上的变化？这些变化如何引起性能上的变化？ 三、基本概念

组织，相，位错，刃型位错，螺型位错，金属键，固溶体，金属化合物，晶胞，空间点阵，配位数，晶带，晶格，界面能，表面能

第三章 纯金属的结晶

一、复习思考题

指出下列各题错误之处，并更正

1．在任何温度下，液态金属中出现的最大结构起伏都是晶胚 2．在任何过冷度下，液态金属中出现的最大结构起伏都是晶核。

3．所谓临界晶核，就是体系自由能的减少完全补偿表面自由能增加时的晶胚大小。

4．在液态金属中，凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核，但是只要有足够的能量起伏提供形核功，还是可以成核。

5．为生产一批厚薄悬殊的砂型铸件，且要求均匀的晶粒度，则只要在工艺上采取加形核剂就可以满足。

6．非均匀成核总是比均匀成核容易，因为前者是以外加质点为结晶核心，不像后者那样形成界面，而引起自由能的增加。

7．在研究某金属细化晶粒工艺时，主要寻找那些熔点低，且与该金属晶格常数相近的形核剂，其形核的催化效能最高。

8．纯金属生长时，无论液/固界面呈粗糙或光滑型，其液相原子都是一个一个地沿着固相面的垂直方向连接上去。

9．无论温度分布如何，常用纯金属生长都是呈树枝状界面。 10．人们是无法观察到极纯金属的树枝状生长过程，所以树枝状的生长形态仅仅是一种推理。 11．纯金属结晶呈垂直方式生长时，其界面时而光滑，时而粗糙，交替生长。

12．从宏观上观察，若液/固界面是平直的称为光滑界面结构，若是呈金属锯齿形的称为粗糙界面结构。

13．实际金属结晶时，形核率随着过冷度的增加而增加，超过某一值后，出现相反的变化。 14．纯金属在结晶时，晶体长大所需要的动态过冷度有时还比形核所需要的临界过冷度大。 二、习题

1．试比较过冷度、动态过冷度及临界过冷度的区别。 2．分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。

3．什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？ 4．试分析单晶体形成的基本条件。 5．已知铜的熔点为1083℃，结晶潜热为1.88×109J/m3，液固界面的界面能σ为0.144 J/m2。试计算铜在853℃凝固时（均匀形核）的临界晶核半径？并计算临界晶核中有多少个铜原子？

6．在液态中形成一个半径为r的球形晶核时，证明临界形核功ΔGk与临界晶核体积V间的关系为ΔGk=V/2ΔGv

7．简述纯金属晶体长大的机制及其与固/液界面微观结构的关系。 8.设液体结晶时，形成边长为a的立方体晶核。已知均匀形核的单位固液界面能σ和固液单

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位体积自由能差ΔGv，推导出临界晶核边长a和临界晶核形成功ΔG。 9. 从能量的角度，分析指出结晶过程的阻力是什么？动力是什么？ 10. 简述三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点。

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三、讨 论 题

今欲获得全部为细等轴晶粒的铸件，你知道有哪些方法？并请说出各种方法的基本原理。

第四章 二元合金的结晶及相图

一、复习思考题

指出下列各题错误之处，并更正。

1．固溶体晶粒内的枝晶偏析，由于主轴与枝间的成分不同，所以整个晶粒不是一个相。

2．固溶体合金无论平衡或非平衡结晶过程中，液/固界面上液相成分沿着液相平均成分线变化；固相成分沿着固相平均成分线变化。

3．根据相律计算，在匀晶相图中的两相区内，其自由度为2，即温度与成分都可以独立改变。

4．在共晶线上利用杠杆定律可以计算出共晶体的重量百分数，而共晶线属于三相区，所以杠杆定律不仅适用于两相区，也适用于三相区。

5．任何合金在不平衡结晶时，总是先结晶的固溶体晶轴含高熔点组元较多，而后结晶的固溶体枝间含低熔点组元较多。 6．固溶体核长大的过程，就是液相与固相内出现“平衡——不平衡——平衡——不平衡??”的反复发展过程。

7．当固溶体合金液相快速冷却至液、固两相区内某一温度，并保持一定的时间后，再缓慢冷至室温，仍可以获得平衡状态的组织。

8．固溶体合金圆棒顺序结晶过程中，液/固界面推进的速度越快，则棒中宏观偏析越严重。

9．平均分配系数取决于液相线与固相线的水平距离。因此，合金的成分越靠近匀晶相图的两端，就越小。

10．将固溶体合金棒反复多次“熔化—凝固”，并采用定向快速凝固的方法，可以有效地提纯金属。

11．厚薄不均匀的Ni-Cu合金铸件，结晶后薄处易形成树枝状组织，而厚处易形成胞状组织。

12．亚共晶合金的典型平衡组织为初生相+共晶相。

13．在不平衡结晶条件下，靠近共晶线端点内侧的合金比外侧的合金易于形成离异共晶组织。

14．具有包晶转变的合金，室温的相组成物为α+β，其中β相均是包晶转变产物。

15．具有包晶转变合金的室温组织中，不平衡结晶状态比平衡结晶状态的初生相总是偏多。

16．纯金属和固溶体的铸态组织一样，都具有等轴晶粒。 二、习题

1．试比较共晶转变、包晶转变、共析转变与匀晶转变的异同。

2. 在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能成树枝状成长，而固溶体合金却能成树枝状成长？

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3.有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的含镊量WNi=90%，另一个铸件的WNi=50%，铸件自然冷却。问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。

4.何谓成分过冷？成分过冷对固溶体结晶时晶体长大方式和铸锭组织有何影响？

三、讨 论 题

1.由于实际操作中金属液体的凝固往往很难保证按平衡凝固进行，那么，对于分别具有匀晶、共晶、包晶相图的非平衡凝固过程是如何进行的？你认为可能会出现哪些缺陷？如何防止或克服这些缺陷？

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