1、金属材料考研专业课历年真题汇总（含部分答案）一 名词解释：1.晶体：材料在固态下原子或分子在空间呈有序排列。金属一般均为晶体。2.位错：晶体中的线缺陷就是各种类型的位错。位错是晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律的律动的一种特殊结构组态。3.过冷度：金属结晶前，温度连续下降，当液态金属冷却到理论结晶温度时，并未开始结晶，而是需要继续冷却到理论结晶温度以下的某一温度，液体才开始结晶。金属的理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。金属不同，过冷度大小也不同；金属纯度越大，过冷度越大；金属相同且纯度相同时，冷却速度越大，则过冷度越大，即实际结晶温度越低。4.变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核
2、剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶粒的方法。5.伪共晶：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也可能得到全部共晶组织，这种共晶组织称为伪共晶。6.偏析：合金中成分的不均匀分布。根据固溶体合金不平衡结晶时的组织变化可以知道，固溶体合金不平衡结晶的结构是使先后从液相中结晶出的固相成分不同，再加上冷速较快，不能使成分扩散均匀，结果就使每个晶粒内部的化学成分很不均匀。先结晶的部分含高熔点组元较多，后结晶的部分含低熔点组元较多，从而在浓度上存在着差别，这种化学成分不均匀的现象称为偏析。7.铁素体与奥氏体：铁素体：碳在-Fe中的间隙固溶体。为体心立方结构奥氏体：碳在-Fe中的间隙固溶
3、体。为面心立方结构。8.淬透性：是表征材料淬火时获得马氏体的能力的特性。是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力，其大小以钢在一定条件下淬火获得的淬透层深度和硬度分布来表示。9：回火脆性：钢在一定的温度范围内回火时，其冲击韧性显著下降，这种脆化现象叫做钢的回火脆性。10球化退火工艺：球化退火是使钢中碳化物球化而进行的退火工艺。主要用于共析钢，过共析钢和合金工具钢，其目的是降低硬度，均匀组织，改善切削加工性，并为淬火做组织准备。将钢加热到Ac1以上20-30，保温一段时间，然后缓慢冷却，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。11合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼
4、或烧结，或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。12.再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度或者保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶粒，位错密度显著降低，性能也发生显著变化，并恢复到冷变形前的水平。这个过程叫做再结晶。13. 相：合金中结构相同，成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。14. 滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分作相对的滑动。15.金属键：失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。16.成分过冷：由于界面前沿液相中的成分差别引起的过冷度叫做成分过冷。17.非平衡结晶：在实际冷却条件下合金以较大速度冷却
5、，偏离平衡条件的结晶过程。19.枝晶偏析：也就是晶内偏析，是在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象，由于固溶体晶体通常呈树枝状，使枝干和枝间的化学成分不同，所以又称枝晶偏析。19.回复：冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前所产生的某些亚结构和性能的变化过程。20.热处理：将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却下来，让其获得所需要的组织结构和性能的一种热加工工艺。21.淬硬性：指淬成马氏体可能得到的硬度。22.热应力：工作在加热（或冷却）时，由于不同部位的温度差异，导致热胀（或冷缩）的不一致所引起的应力称为热应力。23.组织应力：由于工作不同部位组
6、织转变不同时性而引起的内应力。24.回火稳定性：淬火钢对回火时发生软化过程的抵抗能力。25.加工硬化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化26. 本质晶粒度：晶粒度是晶粒大小的度量，一般以单位面积内晶粒的个数或每个晶粒的平均面积与平均直径来描述晶粒大小。27. 固溶体：合金的组元之间以不同比例相互混合后形成的固相，其晶体结构与组成合金的某一组元的相同，这种相就称为固溶体。溶质原子溶入溶剂中所形成的均匀的结晶相。28.强度：材料抵抗变形或破坏的能力。29.形变织构：由于金属塑性变形使晶粒具有择优取向的组织。（择优取向：多晶体在塑性变形时伴随着晶体的转动
7、过程，所以当变形量很大时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整其取向而彼此趋于一致的现象。）30.珠光体：共析转变的产物称为珠光体，是铁素体与渗碳体组成的混合物。31.同素异构转变：在固态下，由同一元素从一种晶体结构转变为另一种晶体结构时发生的转变。32扩散：物质中原子（或分子）的迁移现象，是物质传输的一种方式。33.降解性：34高分子链的构象35.Ac1：在加热时，珠光体转变为奥氏体的温度。 Ac3：在加热时，铁素体转变为奥氏体的温度。Accm：在加热时，渗碳体转变为奥氏体的温度。Ar1：在冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度。Ar3：在冷却时，奥氏体转变为铁素体的温度。Arcm：在冷却时，
8、奥氏体转变为渗碳体的温度。二 晶面，晶向面心立方，体心立方金属晶体结构配位数，致密度，八面体，四面体间隙：晶体类型晶胞中的原子数配位数致密度体心立方2868%面心立方41274%晶格类型面心立方体心立方间隙类型正四面体正八面体四面体扁八面体间隙个数84126原子半径rA间隙半径rB晶向指数、晶面指数标定：晶面指数求法：建立坐标求截距取倒数化整加（）晶面指数作法：建立坐标取倒数求截距连线，画剖面线晶向指数的求法：定原点建立坐标求坐标化最小整数加 晶向指数的作法：定原点建立坐标以hkl中最大数字作为分母，化为小于或等于1的分数，作出重点始、终点连线历年真题：画出面心立方(FCC)和体心立方(BCC
9、)的全部滑移系。 画出立方晶系下列晶面或晶向：三 相图知识铁碳相图。钢的含碳量对平衡组织及结晶过程的影响：相组织与组织组成的区别典型钢在相图上的位置：如，10钢，40钢，60钢，T12钢。杠杆定律及应用。组织组成物及相组成物的计算。例，含碳0.4%碳钢的结晶过程经过了匀晶转变，包晶转变，匀晶转变，单相冷却，同素异晶转变，共析转变等。其室温组织相对量为：铁素体%=（0.8%-0.4%）/0.8%=50% 珠光体%=1-50%=50%历年真题：1 画出铁碳合金相图，并标注所有的成分和温度。写出铁碳合金相图中所有的三相反应式，并标注反应温度、反应物和生成物的成分。标出各相的含碳量。2 画出20钢、4
10、0钢、60钢、亚共析钢、过共析钢的典型平衡组织示意图。叙述10钢、40钢、60钢、T12钢的平衡结晶过程，计算这些钢的室温组织相对量。计算在共析反应温度时，珠光体中铁素体与渗碳体的相对量。3 在铁碳合金中，渗碳体有哪些不同的存在形式？它们的形成温度范围和析出方式有何不同？4 有一铁碳合金，不知其成分，将其退火后发现其组织为珠光体+网状渗碳体，其中渗碳体约占面积的10%，该合金的含碳量有多少？5 有一铁碳合金，不知其成分，经金相检验发现其显微组织为珠光体+铁素体，其中铁素体占75%左右，试求出该合金的含碳量。6 计算含碳3.0%的铁碳合金中共晶渗碳体、二次渗碳体和共析渗碳体的相对量。7 计算含0
11、.6%碳的亚共析钢在室温下的平衡组织中铁素体与渗碳体的相对量及先共析铁素体与珠光体的相对量。8 有A、B两批钢材，不知其成分，经加热到奥氏体区缓慢冷却后，在显微镜下观察发现，A的显微组织为铁素体+珠光体，其中铁素体与珠光体各占50%；B的纤维组织为网状渗碳体+珠光体，其中渗碳体约占7.3%。试计算A、B钢材的含碳量。五 钢的种类典型零件的材料，成分，热处理工艺及组织：例：齿轮、连杆、弹簧、滚动轴承、车刀、锉刀、冷冲压模具、机床床身。1.齿轮：20CrMnTi，渗碳钢，C%=0.2%,Cr%1.5%,Ti=微量，预备处理是正火，最终热处理是渗碳后淬火加低温回火，其最终组织为表层是回火马氏体，心部
12、是托氏体。20CrNi，渗碳钢，C%=0.170.23%,Cr%0.701.00% Ni%=1.001.40% 2.连杆：40Cr，调质钢，C%=0.4%,Cr%1.5%，预备热处理是退火，最终热处理是淬火加高温回火，其最终组织是回火索氏体。45钢，调质钢，C%=0.45%，3.弹簧：65Mn，弹簧钢，C%=0.65%, Mn %1.5%，预备热处理是退火，最终热处理是淬火加中温回火，其最终组织是回火托氏体。（60Si2Mn C%=0.60%, Mn %1.5% 60钢 C%=0.6%60Si2Mn C%=0.60%, Mn %1.5% Si%=1.5%-2.5% 4.滚动轴承：GCr15，滚
13、动轴承钢，C%=1.0%,Cr%=1.5%，预备热处理是球化退火，最终热处理是淬火加低温回火，其最终组织是回火马氏体。GCr18 Cr%=1.8%5.车刀：W18Cr4V，高速钢，W%=17.518.5%,Cr%=3.54.5%,V%1.0%,Cr%=11.512.5%，Mo%、V%1.0%，Cr%=11.5-13% 8.机床床身：HT250，灰口铸铁，浇注后不进行热处理。9.热冲压模具：5CrMnMo 热作模具钢 C%=0.3-0.6%，Cr%=0.6-0.9%，Mn=0.25-0.6%，Mo=0.15-0.30% 预备热处理是退火，最终热处理是淬火加高温回火，最终组织是回火索氏体。10.Q
14、235 碳素结构钢 工程结构用钢六 简答题1.过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程，从热力学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。根据Rk1/r 可知当过冷度T为零的临界晶核半径Rk为无穷大，临界形核功（G1/T2）也为无穷大。临界晶核半径Rk与临界形核功为无穷大时，无法形核，所以液态金属不能结晶，晶体的成长也需要过冷度，所以液态金结晶需要过冷度。2.金属塑形变性后的组织与性能：组织：显微组织出现纤维组织，杂质沿变形方向拉长为细带状或粉碎成链状，光学显微镜分辨不清晶粒和杂质。亚结构细化，出现形变织构。性能：材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降；比电阻增加，导电
15、系数和电阻温度系数下降，抗腐蚀能力降低等。3.塑性变形后的金属随加热温度的升高会发生的一些变化：显微组织经过回复、再结晶、晶粒长大三个阶段由破碎的或纤维组织转变成等轴晶粒，亚晶尺寸增大；储存能降低，内应力松弛或被消除；各种结构缺陷减小；强度、硬度降低，塑形、韧性提高；电阻下降，应力腐蚀倾向显著减小。4.冷变形会使金属材料内部形成哪些内应力？这些内应力是如何形成的？它们的作用范围有多大？对金属材料的性能有和影响？三种内应力:1) 第一类内应力（宏观内应力）。由于不同部位变形不均匀造成，作用范围大。2) 第二类内应力（微观内应力）。由于不同晶粒之间变形不均匀造成，作用范围在几个晶粒之间。3) 第三
16、类内应力（晶格畸变）。由于晶体缺陷大量增加造成，作用范围在原子尺度。 影响：材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降；比电阻增加，导电系数和电阻温度系数下降，抗腐蚀能力降低等。5.转变产物（P、B、M）特征，性能特点：片状P体，片层间间距越小，强度越高，塑形、韧性也越好；粒状P体，Fe3C颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高。第二相的数量越多，对塑性的危害越大；片状与粒状相比，片状强度高，塑形、韧性差；上贝氏体为羽毛状，亚结构为位错，韧性差；下贝氏体为黑针状或竹叶状，亚结构为位错，位错密度高于上贝氏体，具有良好的综合机械性能；低碳马氏体为板条状，亚结构为位错，具有良好的机械性能；高碳马氏体为片状
17、，亚结构为孪晶，强度硬度高，塑形和韧性差。6.淬透性及影响因素：主要取决于临界冷却速度的大小。临界冷却速度主要取决于过冷奥氏体的稳定性。影响因素有：化学成分影响（主要是含碳量）；奥氏体颗粒大小；奥氏体均匀程度；钢的原始组织；部分其他元素。例：合金元素的影响，Cr的作用。例：45钢和40Cr钢，哪个钢种的淬透性更好？为什么？40Cr钢淬透性更高。钢的淬透性是表征材料淬火时获得马氏体的能力的特性。只有淬火时冷却速度大于临界冷却速度时，工件才能获得马氏体，所以临界冷却速度越低，越容易获得马氏体，淬透性越好。Cr的加入使C曲线右移，过冷奥氏体更加稳定，临界淬火速度变小，在一定条件下更容易获得马氏体，淬
18、透层深度变深，淬透性提高。10球化退火工艺：球化退火是使钢中碳化物球化而进行的退火工艺。主要用于共析钢，过共析钢和合金工具钢，其目的是降低硬度，均匀组织，改善切削加工性，并为淬火做组织准备。将钢加热到Ac1以上20-30，保温一段时间，然后缓慢冷却，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。例：T10钢制造的锉刀，采用的退火工艺为920退火，正确吗？会出现什么问题？答：不正确，T10钢的C%=1.0%，是过共析钢，机加工前应先球化退火，若加热到920会在晶界析出网状二次渗碳体且晶粒变得粗大，机加工易沿网状二次渗碳体形成裂纹。在随后的淬火加热时，网状二次渗碳体并未完全消除，淬火后极大
19、的淬火应力使其在硬脆的二次渗碳体处开裂，其中晶粒粗大也是产生淬火应力的原因之一。因此，煅后必须进行球化退火获得粒状珠光体。8材料强化方法。例：金属材料主要的强化手段有哪些？简述其中三种强化手段的机理。金属材料有四种强化手段：形变强化，固溶强化，第二相强化，细晶强化。形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。机理：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。固溶强化：随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬
20、度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。第二相强化：第二相强化机理：由塑性较好的固溶体基体及其上分布的硬脆的第二相所组成的多相合金。由于其第二相的存在而引起的强化，叫做第二相强化。强化的主要原因是由于弥散细小的第二相离粒子与位错的交互作用，阻碍了位错的运动，从而提高了合金的塑性变形抗力。有两种强化机制：1.位错绕过第二相粒子（弥散强化
21、）。2.位错且过第二相粒子（沉淀强化）。细晶强化：随晶粒尺寸的减小，材料的强度硬度升高，塑性、韧性也得到改善的现象称为细晶强化。机理：晶粒越细小，位错塞集群中位错个数（n）越小，根据，应力集中越小，所以材料的强度越高。简述金属材料固溶强化的形成机理及其对性能的影响。固溶强化：随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素
22、都可使强度提高。影响：材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降；比电阻增加，导电系数和电阻温度系数下降，抗腐蚀能力降低等。塑性变形对金属材料的性能有何影响？加工硬化产生的机理是什么？影响：1) 加工硬化。随着变形程度的增加，金属的强度，硬度增加，而塑性、韧性下降。2) 比电阻增加，导电系数和电阻温度系数下降，抗腐蚀能力降低等。机理：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。9.金属材料固溶强化的形成机理及强化规律机理：一是在固溶体中溶质与溶剂的原子半径
23、差所引起的弹性畸变，与位错之间产生的弹性交互作用，对在滑移面上的运动着的位错有阻碍作用。二是在位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作用。规律：1.在固溶体的溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大。2.溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越大，则造成的晶格畸变越大，因而强化效果越大。3.形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素。4.溶质原子与溶剂原子的价电子数相差越大，则强化作用越大。10.滑移的本质晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分作相对的滑动叫做滑移。滑移的本质是位错的移动。11. 影响再结晶的主要因素性能的变化规律1.再结晶退火温度：退火温度越高，再结晶后的
24、晶粒越粗大；2.冷变形量：一般冷变形量越大，完成再结晶的温度越低，变形量达到一定程度后，完成再结晶的温度趋于一定；3.原始晶粒尺寸：原始晶粒越细，再结晶晶粒也越细；4.微量溶质与杂质原子，一般均起细化晶粒的作用；5.第二相粒子，粗大的第二相粒子有利于再结晶，弥散分布的细小的第二相粒子不利于再结晶；6.形变温度，形变温度越高，再结晶温度越高，晶粒粗化；7.加热速度，加热速度过快或过慢，都可能使再结晶温度升高。12. 退火，正火，淬火，回火的目的和工艺方法退火：将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以达到接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。目的：均匀钢的化学成
25、分及组织；细化晶粒；调整硬度，改善钢的成形及切削加工性能；消除内应力和加工硬化；为淬火做好组织准备。工艺方法：完全退火，均匀化退火，不完全退火，球化退火，再结晶退火，去应力退火。正火：将钢加热到Ac3(或Accm)以上适当温度，保温以后在空气中冷却得到珠光体类组织。目的：改善钢的切削加工性能；细化晶粒，消除热加工缺陷；消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火；提高普通结构零件的机械性能。淬火：将钢加热到临界点Ac3或Ac1以上一定温度，保温以后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）。目的：提高工具、渗碳零件和其它高强度耐磨机器零件等的硬度、强度和耐磨性；结构钢通过淬火和回火之后获得
26、良好的综合机械性能；此外，还有很少数的一部分工件是为了改善钢的物理和化学性能。工艺方法：单液淬火法；中断淬火法(双淬火介质淬火法)；喷射淬火法；分级淬火法；等温淬火法。回火：将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方式冷却到室温的工艺过程。目的：减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足各种用途工件的性能要求。工艺方法：低温回火，中温回火，高温回火。13. 淬火加热缺陷及其防止措施：缺陷：工件加热时由于内外温差导致热胀冷缩不一致而发生变形或开裂现象。防止措施：选择适当的淬火加热温度。淬火加热温度根据钢的相变点来
27、确定。对亚共析钢，一般选用淬火加热温度为Ac3(3050)，过共析钢则为Ac1(3050) ，合金钢一般比碳钢加热温度高。确定淬火加热温度时，尚应考虑工件的形状、尺寸、原始组织、加热速度、冷却介质和冷却方式等因素。在工件尺寸大、加热速度快的情况下，淬火温度可选得高一些。另外，加热速度快，起始晶粒细，也允许采用较高加热温度。14.等温连续C曲线。T8钢的等温转变曲线。指出曲线冷却后的转变组织是什么。15.冷加工和热加工的主要区别是什么？当把纯铅铸锭在室温下经多次轧制称薄板时，需不需要进行中间退火？为什么？（铅熔点：327C）热加工：再结晶温度以上的加工过程。冷加工：再结晶温度以下的结晶过程。需要
28、。由于热加工过程中产生动态回复再结晶，即金属内部同时进行着加工硬化与恢复再结晶软化两个相反的过程，而冷加工只有加工硬化为过程，所以热加工后的工件不需要再进行再结晶退火，而冷加工由于有大量的塑形变形一般需要再结晶退火。16.简述铸锭三区的形成机制。表面细晶区：当高温液体倒入铸模后，结晶先从模壁开始，靠近模壁一层的液体产生极大的过冷，加上模壁可以作为非均质形核的基底，因此在此薄层中立即形成大量的晶核，并同时向各个方向生长，形成表面细晶区。柱状晶区：在表面细晶区形成的同时，铸模温度迅速升高，液态金属冷却速度减慢，结晶前沿过冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散热最快，因而晶体沿相反方向生长成柱状
29、晶。中心等轴晶区：随着柱状晶的生长，中心部位的液体实际温度分布区域平缓，由于溶质原子的重新分配，在固液界面前沿出现成分过冷，成分过冷区的扩大，促使新的晶核形成长大形成等轴晶。由于液体的流动使表面层细晶一部分卷入液体之中或柱状晶的枝晶被冲刷脱落而进入前沿的液体中作为非自发生核的籽晶。17.细化晶粒的方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌。18.分析枝晶偏析产生的原因及其防止方法。枝晶偏析原因：固溶体合金不平衡结晶的结果，使前后从液相中结晶出的固相成分不同，再加上冷速较快，不能使成分扩散均匀，结果就使每个晶粒内部的化学成分很不均匀，先结晶部分含高熔点的组元较多，后结晶的部分含低熔点的组元较多，在晶粒内部存在着浓度差别，由于固溶体晶体通常呈树枝状，使枝干和枝间的化学成分不同，所以又称枝晶偏析。防治方法：工业生产上广泛应用均匀化退火或扩散退火的方法；合理控制冷却速度。
