1、工程材料习题 1、 抗拉强度 ： 是材料在破断前所能承受的最大应力。 屈服强度 ：是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力。 塑性： 是指材料在载荷作用下，产生永久变形而不破坏的能力 韧性： 材料变形时吸收变形力的能力 硬度： 硬度是衡量材料软硬程度的指标，材料表面抵抗更硬物体压入的能力。 刚度： 材料抵抗弹性变形的能力。 疲劳强度 ：经无限次循环而不发生疲劳破坏的最大应力。 冲击韧性 ：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。 断裂韧性 ：材料抵抗裂纹扩展的能力。 2 、材料的弹性模量与塑性无关。 3 、四种不同 材料的应力应变曲线，试比较抗拉强度，屈服强度，刚度和塑性。 由大到小的顺序，抗拉强度
2、： 2 、 1 、 3 、 4 。屈服强度： 1 、 3 、 2 、 4 。刚度： 1 、 3 、 2 、 4 。塑性： 3 、 2 、 4 、 1 。 4、常用的硬度测试方法有几种？这些方法测出的硬度值能否进行比较？ 布氏、洛氏、维氏和显微硬度。由于各种硬度测试方法的原理不同，所以测出的硬度值不能直接进行比较。 5、以下工件应该采用何种硬度试验法测定其硬度？ （ 1）锉刀：洛氏或维氏硬度 （ 2）黄铜轴套：布氏硬度 （ 3）供应 状态的各种碳钢钢材：布氏硬度 （ 4）硬质合金刀片：洛氏或维氏硬度 （ 5）耐磨工件的表面硬化层：显微硬度 6、反映材料承受冲击载荷的性能指标是什么？不同条件下测得
3、的这些指标能否进行比较？怎样应用这些性能指标？ 冲击功或冲击韧性。 由于冲击功或冲击韧性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，所以不同条件下测得的这种指标不能进行比较。冲击韧性是一个对成分、组织、结构极敏感的参数，在冲击试验中很容易揭示出材料中的某些物理现象，如晶粒粗化、冷脆、热脆和回火脆性等，故目前常用冲击试验来检验 冶炼、热处理以及各种加工工艺的质量。此外，不同温度下的冲击试验可以测定材料的冷脆转变温度。同时，冲击韧性对某些零件（如装甲板等）抵抗少数几次大能量冲击的设计有一定的参考意义。 7、疲劳破坏时怎样形成的？提高零件疲劳寿命的方法有哪些？ 产生疲劳断裂
4、的原因一般认为是由于在零件应力集中的部位或材料本身强度较低的部位，如原有裂纹、软点、脱碳、夹杂、刀痕等缺陷，在交变应力的作用下产生了疲劳裂纹，随着应力循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，使零件承受载荷的有效面积不断减小，当减小到不能承受外加载荷的作用时，零件即发生突 然断裂。 可以通过以下途径来提高其疲劳抗力。改善零件的结构形状以避免应力集中；提高零件表面加工光洁度；尽可能减少各种热处理缺陷 (如脱碳、氧化、淬火裂纹等 )；采用表面强化处理，如化学热处理、表面淬火、表面喷丸和表面滚压等强化处理，使零件表面产生残余压应力，从而能显著提高零件的疲劳抗力。 8、断裂韧性是表示材料何种性能的指标？为什么
5、要在设计中要考虑这些指标？ 断裂韧性表示材料抵抗裂纹扩展的能力。 断裂韧性的实用意义在于：只要测出材料的断裂韧性 ，用无损探伤法确定零件中实际存在的缺陷尺寸，就可以 判断零件在工作过程中有无脆性开裂的危险；测得断裂韧性和半裂纹长度后 ,就可以确定材料的实际承载能力。所以，断裂韧性为设计、无损伤探伤提供了定量的依据。 1、 晶体 ：物质的质点（分子，原子或离子）在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质的晶体 非晶体 ：是指组成物质的质点不呈空间有规则周期性排列的的固体。 晶格 ：表示晶体中原子排列形式的空间格子叫做晶格 晶胞 ：从晶格中确定一个最基本的几何单元来表达其排列形式的特征，组成晶
6、格的这种最基本的几何单元。叫做晶胞 晶格常数 ：晶胞的各边尺寸 a， b， c叫做晶 格常数 致密度 ：致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。 晶面指数 ：表示晶面的符号叫做晶面指数 晶向指数 ：表示晶向的符号叫做晶向指数 晶体的各向异性 ：由于晶体中不同晶面和晶向上原子的密度不同，因此在晶体上不同晶面和晶向上原子结合力就不同，从而在不同晶面和晶向上显示出不同的性能。 点缺陷 :是指在晶体中形成的空位和间隙原子 面缺陷 :其特征是在一个方向尺寸上很小，另外两个方向上扩展很大，也称二维缺陷，晶界、相界、孪晶界和堆垛层错都属于面缺陷。 线缺陷 :晶格中一部分晶体相对另一部分晶体局部滑移，已
7、滑移部分的交 界线为位错线，即线缺陷。 亚晶界 :相邻亚晶粒之间的界面称为亚晶界。 位错 : 晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移。已滑移部分和未滑移部分的交界线成为位错 亚晶粒 ：是实际金属晶体中，一个晶粒的内部，其晶格位向并不是像理想晶体那样完全一致，而是存在许多尺寸更小，位向差也很小的小晶块，它们相互镶嵌成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒。 单晶体 : 当一块晶体内部位向完全一致时。我们称这块晶体为单晶体 多晶体 :由许多彼此位向不同的晶粒组成的晶体结构成为多晶体 固溶体 : 当合金由液态结晶为固态时，组成元素间会像合 金溶液那样相互溶解。形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其他元
8、素原子的新相，成为固溶体 金属间化合物 : 凡是由相当程度的金属键结合，并具有明显金属特性的化合物，成为金属化合物 固溶强化 ：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度，硬度升高的现象叫做固溶强化 结合键 :是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小，结合键分为化学键和物理键两大类，化学键包括金属键、离子键和共价键；物理键即范德华力。 2、 金属键，离子键，共价键及分子键结合的材料其性能有何特点？ 金属键，大量自由电子，良好导电导热性，又因金属 键的饱和性无方向性，结构高度对，故有良好的延展性。 离子键，正负离子的较强电吸引，导致高硬度，高熔点，高脆性，因无自由电子，固态导电性差。 共
9、价键，通过共用电子对实现搭桥联系，键能高，高硬度，高熔点，高介电性。 分子键，因其结合键能低，低熔点，低强度，高柔顺性。 3、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有什么特点？ -Fe， -Fe， Cr， V ， -Fe， Cu， Ni， Pb ， Mg， Zn 各属何种晶体结构？ 有体心立方，面心立方，密排六方三种， 体心立方晶格的晶胞通常只用一个晶格常数 a 表示， 它的每个角上和晶胞中心都排列一个原子，面心立方晶格也只用一个晶格常数表示，它的每个角上和晶胞的六个面的中心都排列一个原子。密排六方晶格有两个晶格常数，一个是柱体的高度 c，另一个是六边形的边长 a，它的每个角上和
10、下，下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中心还有三个原子。 -Fe， -Fe， Cr， V 属体心， -Fe， Cu， Ni， Pb 属面心， Mg， Zn 属密排六方。 4、已知 Fe 的原子直径为 2.54*10-10m，求 Fe 的晶格常数。并计算 1mm3Fe 中的原子数。 由 3/4a=r 有 a=（ 2.54*10-10/2） /3/4=2.933*10 -10（ m）故 -Fe 的晶格常数为 2.933*10-10m。 1mm3中 -Fe 的原子数 （ 1*10-3） 3*2/（ 2.933*10-10） 3 =7.927*1019 个。 5、注意晶面指数与晶向指数的求法： 晶
11、面对各轴的截距，倒数，比例 晶向在原点引出，随意一点坐标，比例 6、画出立方晶格中（ 110）晶面与（ 111）晶面。并画出在晶格中和（ 110）（ 111）晶面上原子排列情况完全相同而空间位向不同的几个晶面。 7、为什么单晶体具有各 向异性？而多晶体在一般情况下不显示各向异性？ 这是因为单晶体在各个晶面和晶向上原子排列密度是有差异的，所以在晶体中不同晶面和晶向上原子结合力不同，从而在不同晶面和晶向上显示出晶体的各向异性。 而多晶体是由众多细小的晶粒所构成的集合体，各个晶粒的晶轴取向是随机分布的。这样，通常测出多晶体的性能在各个方向上表示是不同晶粒的平均性能，所以不显示各向异性的。 8、试比较
12、 -Fe 与 -Fe 晶格的原子排列紧密程度和容碳能力。 -Fe 的原子排列密度为 0.68， -Fe 的原子排列密度为 0.74， 由于 -Fe 的晶格间隙较大，所以， -Fe 的渗碳能力大于 -Fe。 9、金属的晶体结构由面心立方转变为体心立方时，其体积变化如何？为什么？ 体积会膨胀，这是因为 -Fe 的体心致密度小于 -Fe。 10、实际金属晶体中存在那些晶体缺陷，对性能有什么影响？ 有点缺陷（空位、间隙原子），是金属中原子扩散的主要方式之一，对热处理过程很重要 线缺陷（位错）金属晶体中的位错线往往大量存在，相互连接呈网状分布 面缺陷（晶界、亚晶界）会引起晶格能量的提高，并使金属的物理化
13、学和机械性能发生显著地变化。 一般来说，缺陷密度越 高，位错滑移阻力越大，材料强度、硬度越高，塑性、韧性越低。 11、简述固溶体和金属间化合物在晶体结构与机械性能方面的区别。 固溶体形成的是一种在某种元素的晶格结构中包含有其他元素原子的新相，金属间化合物是由相当程度的金属间结合，并具有明显金属特性的化合物。 固溶体的强度 韧性和塑性之间能有较好的配合，所以对综合机械性能要求较高的结构材料，金属化合物通常能提高合金的强度，硬度和耐磨性，会降低塑性和韧性。 12、固溶体可分为几种类型？形成固溶体后对合金的性能有什么影响？为什么？ 两种。置换型和间隙型。 形成固溶 体后，由于溶质原子造成的晶格畸变，
14、固溶体会产生所谓固溶强化现象，即强度、硬度上升，塑性、韧性下降。电阻率逐渐升高，导电性逐渐下降，磁矫顽力升高等等。 固溶强化的产生是由于溶质原子融入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而使位错移动时所收到的阻力增大的缘故。 13、金属间化合物有几种类型？它们在钢中起什么作用？ 有正常价化合物（离子化合物、共价化合物），电子化合物和间隙化合物。正常价化合物和电子化合物在合金中一般可作为强化相。能提高钢的强度，硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。间隙化合物起细化晶粒的作用 14、 高分子化合物在结构上有哪些特点？ 1.一般高分子化合物的分子量都十分巨大， 2.。高分子化合物的分子是由许许多多结构相同
15、的链节所组成。 3 组成高分子链的所有原子之间的结合键都属共价键 15、陶瓷材料的主要键性有哪些？各有什么特点？ 主要键型有离子键与共价键的混合键，构成陶瓷的的是晶相，玻璃相，气相 晶相：由某些固溶体或化合物组成，晶向常常不止一个，而是多相多晶体 玻璃相：非晶态的低熔点固体相 气相：陶瓷内孔隙中的气体 晶相分类及特点：氧化物的特点是较大的氧离子紧密堆积（如六角紧密堆积和立方紧密堆积），较小的正离 子则填充它们的孔隙内。数目相等的氧离子和金属离子组成的氧化物结构（如 MgO， CaO 等）属简单的面心立方晶格，当两种离子的数目不等时，则可形成其他类的晶体结构。 常见的含氧酸盐为硅酸盐，特点是不论
16、何种硅酸盐，硅总是在四个氧离子形成的四面体的中心，形成（ SiO4）四面体。四面体之间又都以共有顶点氧离子相互连接起来。 1、解释下列名词的涵义： 过冷度，晶核形核率 N，生长速率 G，凝固，结晶，自由能差 F；变质处理，变质剂；合金，组元，相，相图；机械混合物；枝晶偏析，比重偏析，相组成物，组织组成物 ；平衡状态，平衡相。 答： 过冷度： 实际结晶温度与理论结晶温度之间的温度差叫过冷度； 晶核形核率 N：单位时间，单位体积液态金属中生成的晶核数目（晶核形核数目s mm3）； 生长速率 G：表示晶核形成过程和晶体生长过程的快慢 (单位时间内晶核长大的线长度mms）； 凝固： 物质从液态到固态的
17、转变过程统称为凝固； 结晶： 通过凝固形成晶体结构，可称为结晶； 自由能： 物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外做功的这一部分能量叫做自由能； 自由能差 F； 液体结晶时，其温度低于理论结晶温度，造成液体与晶体间的自由能差（ F=F 液 -F 晶 ） 变质处理： 在液态金属结晶前，加入一些细小的变质剂使金属结晶时的晶核形核率 N增加或生长速率 G 降低，这种细化晶粒的方法，称为变质处理； 变质剂： 能够使物质变质的其它物质叫做变质剂 合金： 合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素经一定方法所组成的具有金属特性的物质； 组元： 通常把组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的
18、物质称为组元； 相： 指在没有外力作用下，物理、化学性质完全相同，成分相同的均匀物质的聚焦态。 相图： 用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或 平衡图。 机械混合物： 通过共晶或共析反应形成的混合物叫机械混合物。 枝晶偏析： 固溶体的结晶一般是按树枝状方式成长的，这就使先结晶的枝干成分与后结晶的分枝成分不同，由于这种偏析呈树枝状分布，故又称枝晶偏析； 比重偏析 ：亚共晶或过共晶合金结晶时，若初晶的比重与剩余液相的比重相差很大时，则比重小的初晶将上浮，比重大的初晶将下沉。这种由于比重不同而引起的偏析，称为比重偏析或区域偏析； 相组成物 ：有三种，铁素体，奥氏体，渗碳体
19、； 组织： 通常把在镜像显微镜下观察到的具有某种形貌或形态特征的部分，称为组织； 组织组成物 ： 由相组成物组成的物质，也可以是单一相够成。 平衡状态物质达到的一种稳定的状态。： 平衡相： 指在合金系中，达到平衡状态时，相对质量和相的浓度不再改变的参与或相变过程的各相。 2、技术结晶的基本规律是什么？晶核的形核率和生长速率受到哪些因素的影响？ 答：金属洁净的基本规律是形核与长大。 受到过冷度的影响，随着过冷度的增大，晶核的形核率和成长率都增大，但形成率的增长率比成长率的增长快；同时外来难溶杂质以及振动和搅拌的方法也会增大形核率。 3、在铸造生产中，采取哪些措施控制晶粒大小？如果其他条件相同，试
20、比 较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小。 （ 1）、金属模浇注和砂模浇注； （ 2）、高温浇注与低温浇注； （ 3）。浇注时采用震动与不采用震动； 答：铸造生产中，控制晶粒大小的措施有： 1）、增加过冷度， 2）、孕育处理（变质处理）， 3）、附加振动等。 （ 1）金属模铸件晶粒小， （ 2）低温浇注的晶粒小， （ 3）采用振动的晶粒小。 4、何谓共晶反应、包晶反应和共析反应？试比较三种反应的异同点。 答：共晶反应：指一定成分的液体合金，在一定温度下，同时结晶出成分和晶格均不相同的两种晶体的反应。 包晶反应：指 一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一种固相的反应过程。 共析反应：有特定成
21、分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具有一定晶体结构的固相反应。 共同点：反应都是在恒温下发生，反应物和产物都是具有特定成分的相，都处于三相平衡状态。 不同点：共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应；共析是一种固相在恒温下生成两种固相的反应；而包晶反应是一种液相与一种固相在恒温下生成另一种固相的反应。 5 、现有 A 、 B 两元素组成 如图 所示的二元匀晶相图，试分析以下几种说法是否正确 ? 为什么 ? （ l ）形成二元匀晶相图的 A 和 B 两个组元的晶格类型可以不同，但原子大小一定要相等。 （ 2 ） K 合金结晶过程中，由于固相成分随固相线变化，故已结晶出来的固溶
22、体中含 B 量总是高于原液相中含 B 量。 （ 3 ）溶体合金按匀晶相图进行结晶时，由于不同温度下结晶出来的固溶体成分和剩余液相成分都不相同，故在平衡状态下固溶体的成分是不均匀的。 答：（ 1） 错 （ 2）对：在同一温度下做温度线，分别与固液相交于一点，过交点，做垂直线可以看出与固相线交点处 B 含量冥想高于另一点。 （ 3）错：虽然结晶出来成份不同，但平衡液体中成份是平衡的。 6、分析部分 Mg-Cu 相图 ( 如图所示 ) ： (1) 填入各区域的组织组成物和相组成物，在各区域中是否会有纯 Mg 相存在 ? 为什么 ? (2) 求出 30%Cu 合金冷却到 500 、 400 时各相的成
23、分和重量百分比。 (3) 画出 30%Cu 合金自液相冷到室温的冷却曲线，并注明各阶段的相与相变过程。 答：（ 1）不会，应为 Mg 与 Gu 发生化学反应 （ 2 ） ！ （ 3） 7 、二元匀晶相图、共晶相图与合金的机械性能、物理性能和工艺性能存在什么关系 ? 答： 8 、为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金？为什么要进行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金 ? 答： 因为共晶体在恒温下进行结晶，同时熔点又最低，具有较好的流动性，在结晶时易形成集中缩孔，铸件的致密度好，所以常选用接近共晶成份的合金。 因为单相固溶体通过选择适当的组成元素和适量的组成关系，可以是合金获得较纯 金属高得多
24、的强度和硬度，并保持较高的塑性和韧性，具有良好的压力加工性能。 9 、已知组元 A （熔点 700 ）与 B （熔点 600 ）在液态无限互溶；在固态 400 时 A 溶于 B 中的最大溶解度为 20% ，室温时为 10% ，而 B 却不溶于 A ；在 400 时，含 30%B 的液态合全发生共晶反应，现要求： (1) 绘制 A-B 合金相图，并标注各区域的相组成物和组织组成物； (2) 分析 15%A 、 50%A 、 80%A 合金的结晶过程，并确定室温下相组成物及组织组成物的对量 ； 1、 解释下列名词 一次渗碳体： 由液相中直接析出来的渗碳体 二次渗碳体： 从 A中析出的 Fe3C称为
25、二次渗碳体 三次渗碳体： 从 F中析出的 Fe3C称为三次渗碳体 共晶渗碳体： 经共晶反应形成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体 共析渗碳体： 经共析反应形成的渗碳体即珠光体中的渗碳体 铁素体： 碳在 a-Fe中形成的间隙固溶体 奥氏体： 碳在 y-Fe中形成的间隙固溶体 珠光体： 由铁素体和渗碳体组成的共析混合物 莱氏体： Ld 是由奥氏体和渗碳体组成的共晶混合物 Ld(P+Fe3Cii+Fe3 C)是树枝状的珠光体分布在共晶渗碳体的基体上 热脆： S 在钢中以 FeS 形式存在， FeS 会与 Fe 形成低熔点共晶，当钢材在 1000-1200 压力加工时，会沿着这些低熔点共晶体的边界开裂，钢材将
26、变得极脆，这种脆性现象称为热脆 冷脆： P 使室温下的钢的塑性、韧性急剧下降，并使钢的脆性转化、温度有所升高。使钢变脆，称为冷脆 2 简述 Fe3C 相图 中的三个基本反应：包晶反应、共晶反应及共析反应，写出反应式，注出含碳量和温度。 共析反应：冷却到 -727 时具有 S 点成分的奥氏体中同时折出具有 P 点，成分的铁素体和渗碳体的两相混合物 r0.77(727 )F0.0218+Fe3C6.69 包晶反应：冷却到 1495 时具有 B 点成分的液相与具有 H 点成分的固相 反应生成具有 J点成分的固相 A L0.77+0.09（ 1495 ） r0.16 共晶反应： 1148 时具有 C
27、点成分的液体中同时结晶出具有 E 点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物 L4.3（ 1148 ） r2.11+Fe3C6.69 3、画出 Fe-Fe 3 C 相图，并进行以下分析： (1) 标注出相图中各区域的组织组成物和相组成物； (2) 分析 0.4%C 亚共析钢的结晶过程及 其在室温下组织组成物与相组成物的相对重量； (2) 4 、现有两种铁碳合金 ( 退火状态 ) ；其中一种合金的显微组织为珠光体占 80% ，铁素体占 20% ；另一种合金的显微组织为珠光体占 94% ，二次渗碳体占 6% ，问这两种合金各属于那一类合金 ? 其含碳量各为多少 ? 5 、根据 Fe-Fe 3 C 相图；计算： (1) 室温下，含碳 0.6% 的钢中铁素体和珠光体各占多少 ? (2) 室温下，含碳 1.2% 的钢中珠光体和二次渗碳体各占。多少 ? (3) 铁碳含金中，二次渗碳体和三次渗 碳体的最大百分含量。
