材料科学基础(材料科学基础第二版课后答案)

 

一、室温下枪弹击穿一铜板和铅板，试分析长期保持后二板弹孔周围组织的变化及原因。

解答：枪弹击穿为快速变形，可以视为冷加工，铜板和铅板再结晶温度分别为远高于室温和室温以下。

故铜板可以视为冷加工，弹孔周围保持变形组织

铅板弹孔周围为再结晶组织。

四、试比较去应力退火过程与动态回复过程位错运动有何不同？从显微组织上如何区分动、静态回复和动、静态再结晶？

解答：去应力退火过程中，位错攀移与滑移后重新排列，高能态转变为低能态，动态回复过程是通过螺型位错的交滑移和刃型位错的攀移使得异号位错相互抵消，保持位错增殖率与消失率之间动态平衡。

从显微组织上，静态回复可以看到清晰亚晶界，静态再结晶时形成等轴晶粒，动态回复形成胞状亚结构，动态再结晶时形成等轴晶，又形成位错缠结，比静态再结晶的晶粒细小。

五、讨论在回复和再结晶阶段空位和位错的变化对金属的组织和性能所带来的影响。

回复可分为低温回复、中温回复、高温回复。低温回复阶段主要是空位浓度明显降低。中温回复阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消，位错密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。高温回复的主要机制为多边化。多边化由于同号刃型位错的塞积而导致晶体点阵弯曲，通过刃型位错的攀移和滑移，使同号刃型位错沿垂直于滑移面的方向排列成小角度的亚晶界。此过程称为多边化。多晶体金属塑性变形时滑移通常是在许多互相交截的滑移面上进行，产生由缠结位错构成的胞状组织。因此，多边化后不仅所形成的亚晶粒小得多，而且许多亚晶界是由位错网组成的。

对性能影响：去除残余应力，使冷变形的金属件在基本保持应变硬化状态的条件下，降低其内应力，以免变形或开裂，并改善工件的耐蚀性。再结晶是一种形核和长大的过程，靠原子的扩散进行。冷变形金属加热时组织与性能最显著的变化就是在再结晶阶段发生的。特点：a组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒；b力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧下降，应变硬化全部消除，恢复到变形前的状态c变形储能在再结晶过程中全部释放。三类应力（点阵畸变）变形储能在再结晶过程中全部释放。

七、在生产中常常需要通过某些转变过程来控制金属的晶粒度。为了适应这一要求，希望建立一些计算晶粒度的公式。若令d代表转变完成后晶粒中心之间的距离，并假定试样中转变量达95%作为转变完成的标准，则根据约翰逊-梅厄方程，符合下式：d =常数(G/N’)1/4。式中，N’为形核率；G为生长率。设晶粒为立方体，求上式中的常数。

解答：根据J-M方程及题意，有

0.95＝1-exp[(-πN’G3t04) /3]，所以有

一、室温下枪弹击穿一铜板和铅板，试分析长期保持后二板弹孔周围组织的变化及原因。

解答：枪弹击穿为快速变形，可以视为冷加工，铜板和铅板再结晶温度分别为远高于室温和室温以下。

故铜板可以视为冷加工，弹孔周围保持变形组织

铅板弹孔周围为再结晶组织。

四、试比较去应力退火过程与动态回复过程位错运动有何不同？从显微组织上如何区分动、静态回复和动、静态再结晶？

解答：去应力退火过程中，位错攀移与滑移后重新排列，高能态转变为低能态，动态回复过程是通过螺型位错的交滑移和刃型位错的攀移使得异号位错相互抵消，保持位错增殖率与消失率之间动态平衡。

从显微组织上，静态回复可以看到清晰亚晶界，静态再结晶时形成等轴晶粒，动态回复形成胞状亚结构，动态再结晶时形成等轴晶，又形成位错缠结，比静态再结晶的晶粒细小。

五、讨论在回复和再结晶阶段空位和位错的变化对金属的组织和性能所带来的影响。

回复可分为低温回复、中温回复、高温回复。低温回复阶段主要是空位浓度明显降低。中温回复阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消，位错密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。高温回复的主要机制为多边化。多边化由于同号刃型位错的塞积而导致晶体点阵弯曲，通过刃型位错的攀移和滑移，使同号刃型位错沿垂直于滑移面的方向排列成小角度的亚晶界。此过程称为多边化。多晶体金属塑性变形时滑移通常是在许多互相交截的滑移面上进行，产生由缠结位错构成的胞状组织。因此，多边化后不仅所形成的亚晶粒小得多，而且许多亚晶界是由位错网组成的。

对性能影响：去除残余应力，使冷变形的金属件在基本保持应变硬化状态的条件下，降低其内应力，以免变形或开裂，并改善工件的耐蚀性。再结晶是一种形核和长大的过程，靠原子的扩散进行。冷变形金属加热时组织与性能最显著的变化就是在再结晶阶段发生的。特点：a组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒；b力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧下降，应变硬化全部消除，恢复到变形前的状态c变形储能在再结晶过程中全部释放。三类应力（点阵畸变）变形储能在再结晶过程中全部释放。

七、在生产中常常需要通过某些转变过程来控制金属的晶粒度。为了适应这一要求，希望建立一些计算晶粒度的公式。若令d代表转变完成后晶粒中心之间的距离，并假定试样中转变量达95%作为转变完成的标准，则根据约翰逊-梅厄方程，符合下式：d =常数(G/N’)1/4。式中，N’为形核率；G为生长率。设晶粒为立方体，求上式中的常数。

解答：根据J-M方程及题意，有

0.95＝1-exp[(-πN’G3t04) /3]，所以有

一、室温下枪弹击穿一铜板和铅板，试分析长期保持后二板弹孔周围组织的变化及原因。

解答：枪弹击穿为快速变形，可以视为冷加工，铜板和铅板再结晶温度分别为远高于室温和室温以下。

故铜板可以视为冷加工，弹孔周围保持变形组织

铅板弹孔周围为再结晶组织。

四、试比较去应力退火过程与动态回复过程位错运动有何不同？从显微组织上如何区分动、静态回复和动、静态再结晶？

解答：去应力退火过程中，位错攀移与滑移后重新排列，高能态转变为低能态，动态回复过程是通过螺型位错的交滑移和刃型位错的攀移使得异号位错相互抵消，保持位错增殖率与消失率之间动态平衡。

从显微组织上，静态回复可以看到清晰亚晶界，静态再结晶时形成等轴晶粒，动态回复形成胞状亚结构，动态再结晶时形成等轴晶，又形成位错缠结，比静态再结晶的晶粒细小。

五、讨论在回复和再结晶阶段空位和位错的变化对金属的组织和性能所带来的影响。

回复可分为低温回复、中温回复、高温回复。低温回复阶段主要是空位浓度明显降低。中温回复阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消，位错密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。高温回复的主要机制为多边化。多边化由于同号刃型位错的塞积而导致晶体点阵弯曲，通过刃型位错的攀移和滑移，使同号刃型位错沿垂直于滑移面的方向排列成小角度的亚晶界。此过程称为多边化。多晶体金属塑性变形时滑移通常是在许多互相交截的滑移面上进行，产生由缠结位错构成的胞状组织。因此，多边化后不仅所形成的亚晶粒小得多，而且许多亚晶界是由位错网组成的。

对性能影响：去除残余应力，使冷变形的金属件在基本保持应变硬化状态的条件下，降低其内应力，以免变形或开裂，并改善工件的耐蚀性。再结晶是一种形核和长大的过程，靠原子的扩散进行。冷变形金属加热时组织与性能最显著的变化就是在再结晶阶段发生的。特点：a组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒；b力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧下降，应变硬化全部消除，恢复到变形前的状态c变形储能在再结晶过程中全部释放。三类应力（点阵畸变）变形储能在再结晶过程中全部释放。

七、在生产中常常需要通过某些转变过程来控制金属的晶粒度。为了适应这一要求，希望建立一些计算晶粒度的公式。若令d代表转变完成后晶粒中心之间的距离，并假定试样中转变量达95%作为转变完成的标准，则根据约翰逊-梅厄方程，符合下式：d =常数(G/N’)1/4。式中，N’为形核率；G为生长率。设晶粒为立方体，求上式中的常数。

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八、一楔形板坯经过冷轧后得到厚度均匀的板材，如图，若将该板材加热到再结晶温度以上退火后，整个板材均发生再结晶。试问该板材的晶粒大小是否均匀？为什么？假若该板材加热到略高于再结晶温度退火，试问再结晶先从哪一端开始？为什么？

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答：晶粒大小不均匀，随着楔子的进入，其变形度逐渐增大，其晶粒度大小随变形情况的变化如图所示，当变形量小时，晶粒仍保持原状，这是由于变形小，畸变能小，不足以引起再结晶，所以晶粒大小没有变化。当达到临界变形度时，得到特别大的晶粒，当超过这个临界变形度后，则变形越大，晶粒越细，当变形度达到一定程度后，再结晶晶粒基本保持不变，当变形度再大时，可能会出现二次结晶，导致晶粒重新粗化。

冰箱在送至家里以后，静放两小时以后才可以衔接电源运用，这么在运输过程中存在于管道中的制冷剂等物质发生的气泡渐渐不见，在各个部件中散布均匀后试用商品的质量才有非常好的确保，功用才干非常好的表现。冰箱长时间不必，出于安全的思考还要去掉密封条，这么小孩子进去也不会出现被夹住的不良后果。

变形越大，冷变形储存能量越高，越容易再结晶。因此，在较低温度退火，在较宽处先发生再结晶。

九、如果把再结晶温度定义为1小时内能够有95%的体积发生转变的温度，它应该是形核率N‘和生长率G的函数。N‘与G都服从阿夫瑞米方程：

N’ =N0exp (-QN/kT)，G=G0exp (-QG/kT)。试由方程t0.95=[2.84/N’G3]1/4导出再结晶温度计算公式，式中只包含N0、G0、QG、QN等项，t0.95代表完成再结晶所需时间。

解答：根据J-M方程及题意，有

0.95＝1-exp[(-πN’G3t04) /3]，所以有t0.95=[2.84/N’G3]1/4

或 N’G3＝k＝常数

带入N’与G的表达式，N0G03 exp [-(QN＋3QG）/RT再)] ＝k

可得到：T再 ＝(QN＋3QG）/ Rln（ N0G03 / k）＝ k’(QN＋3QG）

N0、G0为Arrhenius方程中常数，QG为再结晶形核激活能，QN为再结晶晶粒长大激活能。

QG、QN主要受变形量、金属成分、金属纯度与原始晶粒大小影响。

变形量大于5％后， QG、QN大约相等。高纯金属， QG大致与晶界自扩散激活能相当。

（题公式有误t3 t4）

十、今有工业纯钛、铝、铅等几种铸锭，试问应如何选择它们的开坯轧制温度？开坯后，如果将它们在室温(20℃)再进行轧制，它们的塑性孰好孰差？为什么？这些金属在室温下是否都可以连续轧制下去？如果不能，又应采取什么措施才能使之轧成很薄的带材？

注：(1) 钛的熔点为1672℃，在883℃以下为密排六方结构，α相；在883℃以上为体心立方结构，β相。(2) 铝的熔点为660.37℃，面心立方结构；(3) 铅的熔点为327.502℃，面心立方结构

解答要点：开坯轧制温度时要塑性好，故必须再结晶温度以上，

依据工业纯金属起始再结晶温度与熔点之间关系：

T再= (0.3~0.4)T熔

颈椎病是老年人的常见病。随着气温降低，昼夜温差大，很多人不注意患病部位保暖，增加了颈腰椎病发病的危险。

取T再= 0.4T熔 ，故钛T再=0.4×（1672+273）＝778K＝505 ℃

铝T再=0.4×（660+273）＝373K=100 ℃

铅T再=0.4×（327+273）＝240K=-33 ℃

通常可以在此基础上增加100～200 ℃，故可以选择钛开坯轧制温度900 ℃（此时为bcc结构）

铝开坯轧制温度200 ℃ －300 ℃左右，铅开坯轧制温度为室温

开坯后，在室温(20℃)进行轧制，塑性铅好，铝次之，钛差，铅，铝在室温下可以连续轧制下去，钛不能，应采取再结晶退火才能使之轧成很薄的带材

十一、由几个刃型位错组成亚晶界，亚晶界取向差为0.057°。设在多边化前位错间无交互作用，试问形成亚晶后，畸变能是原来的多少倍？由此说明，回复对再结晶有何影响？

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说明多边化使得位错能量降低，减少了储存能，使得再结晶驱动力减少

十二、已知锌单晶体的回复激活能为20000J/mol，在-50℃温度去除2%的加工硬化需要13天；若要求在5分钟内去除同样的加工硬化需要将温度提高多少？

解答要点：根据回复动力学，回复量R（即题中去除量）与回复时间t和回复温度T，回复激活能Q有关系：

lnt=α+Q/RT 可得： lnt1－ lnt2=Q/RT1-Q/RT2，

即t1/ t2=exp(Q/RT1-Q/RT2)=exp[Q/R(1/T1-1/T2)] 带入t1=13d＝18720min，t2＝5，T1=223K，求T2 即18720/5=exp[20000/8.314(1/223-1/T2)]，

T2＝938K＝665 ℃ (题数据有误，Zn的熔点为420 ℃)

十三、已知含WZn=0.30的黄铜在400℃的恒温下完成再结晶需要1h，而在390℃完成再结晶需要2h，试计算在420℃恒温下完成再结晶需要多少时间？

解答：由lnt=α+Q/RT，可得：

lnt1=α+Q/RT1

lnt2=α+Q/RT2

ln（t1/ t2）=Q/R(1/T1-1/T2)，求得Q、α后可解t=0.26h

十四、纯锆在553℃和627℃等温退火至完成再结晶分别需要40h和1h，试求此材料的再结晶激活能。

解答：由lnt=α+Q/RT，可得：

lnt1=α+Q/RT1 lnt2=α+Q/RT2

ln（t1/ t2）=Q/R(1/T1-1/T2)，求得Q＝3.08×105J/mol可解

造成洗衣机不脱水的原因众多，可以根据不同的原因进行针对性的处理。