工程材料课后答案.doc

1、1-2 什么是强度？在拉伸试验中衡量金属强度的主要指标有哪些？他们在工程应用上有什么意义？强度是指材料在外力作用下，抵抗变形或断裂的能力。在拉伸试验中衡量金属强度的主要指标有屈服强度和抗拉强度。 屈服强度的意义在于：在一般机械零件在发生少量塑性变形后，零件精度降低 或其它零件的相对配合受到影响而造成失效，所以屈服强度就成为零件设计时的主要依据之一。 抗拉强度的意义在于：抗拉强度是表示材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。脆性材料在拉伸过程中，一般不产生颈缩现象，因此，抗拉强度就是材料的断裂强度，它表示材料抵抗断裂的能力。抗拉强度是零件设计时的重要依据之一。1-4 什么是硬度？指出测定金属硬度的常用方

2、法和各自的优缺点。硬度是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。 生产中测定硬度最常用的方法有是压入法，应用较多的布氏硬度洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。布氏硬度试验法的优点：因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测试材料的平均硬度，股实验结果较精确，特别适用于测定灰铸铁轴承合金等具有粗大经理或组成相得金属材料的硬度；压痕较大的另一个优点是试验数据稳定，重复性强。其缺点是对不同材料需要换不同直径的压头和改变试验力，压痕直径的测量也比较麻烦；因压痕大，不以测试成品和薄片金属的硬度。洛氏硬度试验法的优点是：操作循序简便，硬度值可直接读出；压痕和较小，可在工件上进行试验；采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属

3、厚薄不一的式样的硬度，因而广泛用于热处理质量检验。其缺点是：因压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的结果不够准确；此外，用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接进行比较。维氏硬度试验法的优点是：不存在布氏硬度试验时要求试验力与压头直径之间满足所规定条件的约束，也不洛氏硬度试验是不同标尺的硬度无法统一的弊端，硬度值较为精确。唯一缺点是硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，因此工作效率比洛氏硬度低得多。1-5 在下面几种情况下，该用什么方法来测试硬度？写出硬度符号。 （1）检查锉刀、钻头成品硬度；（2）检查材料库中钢材硬度；（3）检查薄壁工件的硬度或工件表面很薄的硬化层

4、；（4）黄铜轴套；（5）硬质合金刀片；（1）检查锉刀、钻头成品硬度采用洛氏硬度试验来测定，硬度值符号 HRC。（2）检查材料库中钢材硬度采用布氏硬度试验来测定，硬度值符号 HBW。（3）检查薄壁工件的硬度或工件表面很薄的硬化层硬度采用洛氏硬度试验来测定，硬度值符号 HRC。（4）黄铜轴套硬度采用布氏硬度试验来测定，硬度值符号 HBW。（5）硬质合金刀片采用洛氏硬度试验来测定，硬度值符号 HRC。1-6 什么是冲击韧性？a K 指标有什么应用意义？冲击韧性是指金属材料在冲击力作用下，抵抗破坏的能力。冲击韧性 aK 代表了在指定温度下，材料在缺口和冲击载荷共同作用下脆化的趋势及其程度，是一个对成分

5、、组织、结构极敏感的参数。一般把冲击韧性值 aK 低的材料称为脆性材料，值高的称为韧性材料。1-7 为什么疲劳断裂对机械零件有很大的潜在危险？交变应力与重复应力有什么区别？试举出一些零件在工作中分别存在着两种应力的例子。疲劳断裂与静载荷作用下得断裂不同，无论是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂都是突然发生的脆性断裂，而且往往工作应力低于其屈服强度，固有很大的危险性。2-1： 1g 铁在室温和 1000时各含有多少个晶胞？（Fe 的相对原子质量 56）在室温：铁为体心立方结构，每个晶胞中的原子数为 2 个，所以 1g 铁含有的晶胞数为 N= =5612AN1000时: 铁为面心立方结构，每个晶胞中的

6、原子数为 4 个，所以 1g 铁含有的晶胞数为 N= =42-4 单晶体和多晶体有何差别？为什么单晶体具有各向异性，多晶体具有各项同性？单晶体是由原子排列位向或方式完全一致的晶格组成的；多晶体是由很多个小的单晶体所组成的，每个晶粒的原子位向是不同的。 因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。2-5 简述实际金属晶体和理想晶体在结构与性能上的主要差异。理想晶体中原子完全为规则排列，实际金属晶体由于许多因素的影响，使这些原子排列受到干扰和破坏，内部总是存在大量缺陷。 如果金属

7、中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随着晶体中缺陷的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。因此，无论点缺陷，线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变，从而使晶体强度增加。同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻，降低金属的抗腐蚀性能。2-6 简述间隙固溶体和间隙化合物的异同点。间隙固溶体和间隙化合物都是溶质原子嵌入晶格间隙形成的。 间隙固溶体的晶体结构与溶剂的结构相同，而间隙化合物的晶体结构不同于组成它的任一组元，它是以分子式来表示其组成。2-7 有两种乙烯和丙烯的共聚物，其组成相同，但其中一种在是温室时是橡胶状的，温度一直降低值约-70 时才变硬；而另

8、一种是温室时却是硬而韧又不透明的材料。试解释他们在结构上的区别。高聚物在不同温度下有三种力学状态：玻璃态、高弹态、粘流态。前者在室温下是橡胶态，-70时变硬，说明其玻璃态转变温度 Tg 约为-702-8 陶瓷的典型组织由哪几部分组成？他们对陶瓷性能各起什么作用？陶瓷材料是多相多晶材料，其结构中同时存在：晶体相（晶相） 、玻璃相、气相，各组成相的结构、数量、形态、大小及分布决定了陶瓷的性能。晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用，晶相的结合键为：离子键、共价键、混合键；且晶体缺陷还可加速陶瓷的烧结扩散过程，影响陶瓷性能；陶瓷晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧

9、结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝固时形成的。将分散的晶相粘结在一起；降低烧结温度；抑制晶相的晶粒长大；填充气孔。气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔。它能使陶瓷强度降低、介电损耗增大，电击穿强度下降，绝缘性降低。3-1 为什么金属结晶时必须过冷？由热力学第二定律可知：在等温等压条件下，过程自动进行的方向总是向着系统自由能降低的方向。金属在过冷的条件下，那些处于能量较低状态的原子集团就可能成为自发形核的晶胚，这是结晶的必要阶段。所以结晶的热力学条件是有一定的过冷度。3-2 为什么金属结晶时常以枝晶方式长大？在不平衡凝固过程中，固相中溶质浓度分布不均匀，凝固结束时，晶体中成分也

10、不均匀，即有成分偏析现象。而当成分过冷很大时，固溶体晶体以树枝状生长时，先结晶的枝晶主干溶质浓度低，枝晶外围部分溶质浓度高，形成树枝状偏析。3-3 常用的管路焊锡为成分 w(Pb=50%)、w(Sn=50%) 的 Pb-Sn 合金。若该合金以及慢速度冷却至室温，求合金显微组织中相组成物和组织组成物的相对量。图 3-1 Pb-Sn 合金相图 图 3-2 w(Pb=50%)Pb-Sn 合金室温组织由相图（图 3-1）可知，成分为 w(Pb=50%)、w(Sn=50%) 的 Pb-Sn 合金（亚共晶合金）以慢速度冷却至室温时发生的结晶过程为：先进行匀晶转变(L ), 匀晶转变剩余的液相再进行共晶转变

11、。极慢冷却至室温后形成的组织为先共晶固溶体 和共晶组织( +)。由于 固溶体的溶解度随温度变化较大，所以先共晶固溶体 中有点状 II 析出（图 3-2） 。相组成：先共晶 相的相对量为：1-（50-19.2）/(61.9-19.2)=72.13%共晶组织中的 相占全部合金的相对量：45.5%*72.13%=32.82%共晶组织中的 相相对量为 1-32.82%=67.18%3-4 请根据图 3.44 分析解答下列问题：（1） 分析合金 1、2 的平衡结晶过程，并会出冷却曲线；（2） 说明室温下 1、2 的相和组织是什么，并计算相和组织的相对含量；（3） 如果希望得到的组织为：共晶组织和 5%的

12、 初，求该合金的成分。解（1） （2）：合金的冷却曲线如图 3-3 所示。L1 L2 3tT0图 3-3 合金 I 的冷却曲线其结晶过程为：1 以上，合金处于液相；12 时， L，L 和 的成分分别沿液相线和固相线变化，到达 2 时，全部凝固完毕；2 时，为单相 ；23 时， II。 室温下，I 合金由两个相组成，即 和 相，其相对量为M=(0.90-0.20)/(0.90-0.05)*100%=82%M=1- M=18%I 合金的组织为 +II,其相对量与组成物相同。II 合金的冷却曲线如图 3-4 所示。L2， L+L 初2，L 初2 tT0图 3-4 合金 II 的冷却曲线其结晶过程如下

13、：1 以上，合金处于均匀的液相；12 时，进行匀晶转变 L 初 ；2 时，两相平衡共存，L 0.50=0.90；22， 时，剩余液相发生共晶反应：L0.50=0.20+0.9023 时，发生脱溶转变， 室温下，II 合金由两个相组成，即 相和 相，其相对量为：M=(0.90-0.80)/(0.90-0.05)*100%=12%M=1- M=88%II 合金的组织为： 初 +（+） 共晶 ；组织组成物的相对量为：m 初 =(0.80-0.50)/(0.90-0.50)*100%=75%m（+）共晶 =1- m 初 =25%解(3) ：设合金的成分为 wB=x，由题意知：m 初 =(x-0.50)

14、/(0.90-0.50)*100%=5%所以 x=0.52，即该合金成分为 wB=0.52.3-5 画出相图，标出相区及各主要点的成分和温度，并回答下列问题：（1）45、60、T12 钢的室温平衡组织分别是什么? 它们从高温也太平衡冷却到室温要经过哪些转变？ 45 钢室温平衡组织： 铁素体 + 珠光体 P冷却过程：匀晶转变 L0.45 L0.53+ ，包晶转变 L0.53 + 0.45，同素异晶转变 0.45 + 0.77，共析转变 0.77 ( +Fe3C)。60 钢 室温平衡组织：铁素体 + 珠光体 P冷却过程：匀晶转变 L0.60 L0.53+ ，包晶转变 L0.53 + 0.60，同素

15、异晶转变 0.60 + 0.77，共析转变 0.77 ( +Fe3C)。T12 钢室温平衡组织：珠光体 P + 渗碳体 Fe3C冷却过程：过共析钢在液态到室温的冷却过程中，首先进行匀晶转变，形成单相固溶体 ；当温度到达 ES 线以下时，过饱和的固溶体 中析出渗碳体（二次渗碳体 Fe3CII） ，奥氏体 的成分变到共析点S(0.77%C)；共析转变 0.77 ( +Fe3C)，形成珠光体 P。（2）画出纯铁 45 钢 T12 钢的室温平衡组织，并标注其中的组织。图 3-3 45 钢的室温平衡组织（铁素体 + 珠光体 P）图 3-4 T12 钢的室温平衡组织（珠光体 P + 渗碳体 Fe3C）（3

16、）计算室温下 45 钢 T12 钢的平衡组织中相组成和组织组成物的相对量。应用杠杆定律计算 45 钢中铁素体 和珠光体 P 的相对量，选择 + 二相区，共析温度 727C。 T12 钢的 Q=(2.11-1.2)/ (2.11-0.0218)=33.9%QP=1-33.9%=66.1%（4）计算鉄碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大的相对量。WFe3C =(2.14-0.8)/(6.69-0.8)*100%=23% W Fe3C =0.02/6.69*100%=33%二次渗碳体的最大百分含量为 22.6%，三次渗碳体的最大百分含量为 0.33%（5）应用相图解释下列现象：钢柳丁一般用低碳钢合成；

17、钢柳丁一般要求具有良好的塑性和韧性，所以钢柳丁一般要求用低碳钢合成。绑扎物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝） ，而起重机吊重物时却用钢丝绳（60 钢 65 钢 70 刚等组成） ；亚共析钢（碳的质量分数在 0.0218%0.77%）室温下的组织为铁素体加珠光体，低碳钢丝（碳的质量分数在0.0218%0.25% ）组织中铁素体的比例大，所以低碳钢丝塑性、韧性好，绑扎物件时，易于操作；而 60 钢、65 钢、70 钢等组织中珠光体的量多，所以强度，适于作起重机吊重物用的钢丝绳。T8 钢的强度高于 T12 钢的强度。强度T12 钢，因为强度是一个组织敏感量，当含碳量超过 0.9%以后，二次渗碳体呈网状分布

18、，将珠光体分割开，因此强%23.57018.74.4.P度下降。3-6 现有两种鉄碳合金，其中一种合金的显微组织中珠光体量占 75%，铁素体量占 25%；另一种合金的显微，组织中珠光体量占 92%，二次渗碳体量占 8%，这两种合金各属于哪一类合金？其含碳量各为多少？答：第一种是亚共析钢，含碳量为 0.0218%到 0.77%之间，后面一种是过共析钢碳含量为 0.77%到 2.11%。3-7 现有形状 尺寸完全相同的 4 块平衡状态的鉄碳合金，他们的含碳量分别为 w(C)=0.2%、w(C)=0.4%、 w(C)=1.2% 、w(C)=3.5%。根据你所学的知识，可用那些办法来区别他们？答：第一

19、种：根据金相实验铁碳相图来区别它们：含碳量分别为 w(C)=0.2%的鉄碳合金金相中全部是单相的 相。而含碳量分别为 w(C)=0.4%的鉄碳合金金相由 相和珠光体（P ）相组成；而含碳量分别为 w(C)=1.2%的鉄碳合金金相由珠光体（P ）相和二次渗碳体组成；而含碳量分别为 w(C)=3.5%的鉄碳合金金相主要由变态莱氏体（Ld）相和一次渗碳体相组成。第二种：随着含碳量的增加，铁碳合金的硬度随之增加，分别测试其硬度，按照其硬度大小可得其含碳量的大小。3-8 简述晶粒大小对金属力学性能的影响，并列举几种实际生产中细化铸造晶粒的方法。晶粒大小对金属力学性能和工艺性能有很大影响。在一般情况下，晶

20、粒愈细小，金属的强度、塑性、韧性及抗疲劳能力愈好，所以，细化晶粒是强化金属材料的最重要途径之一。为了细化铸件晶粒以改善其性能，常采用以下方法：增加过冷度；进行变质处理（孕育处理） ；振动和搅拌。3-9 说明金属实际凝固时，铸锭的 3 种宏观组织的形成机制。金属铸锭凝固时，由于表面和中心的结晶条件不同，其结构是不均匀的，整个体积中明显的分为三种晶粒状态区域：细等轴晶区、柱状晶区和粗等轴晶区。 （1）液体金属注入锭模时，由于锭模温度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核作用。结果，在金属的表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区。 （2）细晶区形成的同时，

21、锭模温度升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小，生核速率降低，但此时长大的速度受到的影响较小，结晶过程进行的方式主要是，优先长大方向与散热最快方向的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。 （3）随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于均匀化，散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来的杂质及从柱状晶上被冲下来的晶枝碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成粗大的等轴晶区。4-1 为什么室温下金属的晶粒越细，强度硬度越高，塑性与韧性也越好？晶界是阻碍位错运动的，而各晶粒位向不同，互相约束，也阻碍晶粒的变形。因此，金属的

22、晶粒愈细，其晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈多，对塑性变形的抗力也愈大。因此，金属的晶粒愈细强度愈高。同时晶粒愈细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的变形量便可分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，而不致造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产生和发展。因此，塑性，韧性也越好。4-2 用手来回玩着一根铁丝时，开始感觉省劲，后来逐渐感觉有些费劲，最后铁丝被折断，试解释该过程演变的原因。不断来回折的过程使铁丝产生了塑性变形，开始时发生的是可恢复的弹性变形，后来发生的是永久变形，故铁丝会发生断裂，这个过程中铁丝发生了形变强化，当变形量很大时，金属出现各向异性；第二，不断折的过

23、程中产生了位错塞积，使铁丝的屈服强度增大。 4-3 什么是加工硬化？其产生的原因是什么？加工硬化在工程上带来哪些利弊？金属在再结晶温度以下进行塑性变形，变形后硬度、强度升高，塑性、韧性降低的现象称为应变硬化，或加工硬化。原因：（1）位错密度剧增；（2）晶粒破碎，晶界增多，造成晶界强化；（3）吸收、存储部分变形能，有残余应力存在。金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难，如钢板在冷轧过程中会越轧越硬，以致最后轧不动。另一方面人们可以利用加工硬化现象，来提高金属强度和硬度，如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度的。加工硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因素。如冷

24、拉钢丝拉过模孔的部分，由于发生了加工硬化，不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔的部分，这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。4-4 冷变形对金属组织和性能有何影响？晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性，如纵向的强度和塑性远大于横向等；晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化，即随着变形量的增加，强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降；织构现象的产生，即随着变形的发生，不仅金属中的晶粒会被破碎拉长，而且各晶粒的晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动，转动结果金属中每个晶粒的晶格位向趋于大体一致，产生织构现象；冷压力加工过程中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间的变形不均匀，金属内部会形成残

25、余的内应力，这在一般情况下都是不利的，会引起零件尺寸不稳定。4-5 金属在冷塑性变形过程中产生哪几种残余应力？残余应力对材料产生哪些影响？金属在冷塑性变形过程中会产生残余压应力和残余拉应力。残余应力会导致工件或材料在实际应用过程中产生开裂、变形、扭曲等，应该予以退火处理消除之。4-6 用冷拔铜丝做导线，冷拔后应如何处理？为什么？应进行退火处理，由于温度升高原子的能动性增加，即原子的扩散能力提高，而回复阶段只是消除了由于冷加工应变能产生的残余内应力，大部分应变能仍然存在，变形的晶粒仍未恢复原状。所以，随着保温时间加长，新的晶粒核心便开始形成并长大成小的等轴晶粒，这就是再结晶的开始。随着保温时间的

26、加长或温度的升高，再结晶部分愈来愈多，直到原来的晶粒全部被新的小晶粒所代替。进一步保温或升温，新晶粒尺寸开始增大，这就是晶粒长大现象。4-7 金属再结晶温度受那些因素的影响？能否通过再结晶退火来消除粗大铸造组织，为什么？（1）温度：加热温度越高，再结晶速度越快，产生一定体积分数的再结晶组织需要的时间越短。（2）变形程度：变形程度越大，储能越多，再结晶驱动力越大，因此变形程度越大，再结晶速度越快。（3）材料的纯度：微量的溶质原子对再结晶影响巨大。溶质或杂质原子偏聚在位错和晶界处，对位错的运动和晶界的迁移起阻碍作用，因此不利于再结晶，使再结晶温度升高。（4）原始晶粒尺寸：其他条件相同时，原始晶粒越

27、细，冷变形抗力越大，变形后储存能越多，再结晶温度越低；同样变形度，原始晶粒越细，晶界总面积越大，可供再结晶形核的地方越多，形核率高，再结晶速度快。（5）第二相粒子：粒子较粗大，间距较远促进再结晶，粒子细小，间距小阻碍再结晶。4-8 热变形对金属组织和性能有何影响？钢材在热加工（如锻造时）为什么不产生加工硬化现象？金属与合金在再结晶温度以上进行的塑性变形，称为热变形或热加工。（1）改善铸造组织缺陷：铸造组织往往含有缩松、气孔等缺陷，热变形时被压合消除；铸态组织(晶粒) 粗大，通过变形和再结晶变成细小的等轴晶；改善铸态组织中的成分偏析，提高成分均匀性。以上这些都对提高力学性能有利。因此，材料经热变

28、形后，虽然没有应变硬化，但力学性能明显提高。（2）形成纤维组织，出现各向异性：由于铸态组织中的夹杂物多分布在晶界处，热变形时被拉长或打碎成为链状，都是沿变形方向呈纤维状分布。这些夹杂物很稳定，再结晶时仍能保留下来，纤维组织使材料呈现各向异性。（3）带状组织的形成：带状组织也使材料具有各向异性，并且破坏材料的切削性能，应避免和消除。（4）热变形后的晶粒变化：终止热变形时的温度、总变形量和热变形后的冷却速度，决定了热变形后晶粒的大小。合理控制这些因素，就可以得到细小的晶粒，从而获得高的力学性能。采用低的终止变形温度，大的变形量，快的冷却速度，可以得到细小的晶粒。4-9 在室温下对铅板进行弯折，越弯

29、越硬。随后如果在室温放置一段时间后再进行弯折，铅板又像最初一样柔软，这是什么原因？（已知铅的熔点为 328）小于再结晶温度的加工称为冷加工；大于再结晶温度的加工称为热加工。热加工也有加工硬化现象，但由于处于再结晶温度以上，硬化的同时发生了再结晶而使材料软化，即消除了加工硬化现象，故热加工最终结果，材料并不存在加工硬化。经计算：T 铅再33所以，室温下弯折属于热加工，消除了加工硬化。5-1 说明亚共析钢、共析钢、过共析钢奥氏体化的过程。把实际加热时发生的相变临界温度用 Ac1、 Ac3、 Accm 表示，而冷却时的临界温度用 Ar1、 Ar3、 Arcm 表示。共析钢加热时组织转变。在实际加热条

30、件下，当温度达到或以上时，珠光体转变为奥氏体。奥氏体的形成是通过形核与晶核长大来实现的，其基本过程可分为四步。 （1）奥氏体形核。奥氏体晶核首先在铁素体相界面处形成。 （2）奥氏体长大。形成的奥氏体晶核依靠 Fe、C 原子的扩散，同时向铁素体和渗碳体两个方向长大，直至铁素体消失。 （3）残余渗碳体溶解。在奥氏体形成的过程中，铁素体首先消失，残余的渗碳体随着加热和保温时间的延长，不断溶入奥氏体，直到全部消失。 （4）奥氏体成分的均匀化。刚形成的奥氏体其中碳浓度是不均匀的，在原渗碳体处 C 的质量分数较高，而原铁素体处 C 的质量分数较低，只有在继续加热和保温过程中，通过 C 原子的扩散，才能使奥氏体中 C 的质量分数趋于均匀，形成成分较为均匀的奥氏体。亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢的相似，不同的是，在室温下它们的平衡组织中除珠光体外，还有先共析相