工程材料习题与辅导第4版第一二章答案主编朱张校姚可夫主编.doc

第1章 材料的结构与性能特点1.1 教 学 指 导1. 教学要求本章重点阐明金属材料的晶体结构，简要阐述晶体缺陷和合金的结构，一般介绍金属材料的组织及性能。简要阐述高分子材料的结构与性能，一般介绍陶瓷材料的结构与性能。2. 教学目标学生应重点掌握金属材料的晶体结构，熟悉晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。熟悉高分子材料的结构与性能。一般了解陶瓷材料的结构与性能。3. 教学建议 (1) 晶体结构部分应重点阐明三种常见金属的晶体结构及特点。 (2) 学生在学习时对“晶面指数及晶向指数的确定”部分的内容会感到困难。要求学生多练多画，掌握常见的晶面和晶向的表示方法。 (3) 简要阐述高分子材料的大分子链结构与聚集态，结合工程、生活实际归纳高分子材料的性能特点。 (4) 建议本章学时： 89 学时。1.2 习题参考答案1. 解释名词致密度、晶体的各向异性、刃型位错、柏氏矢量、固溶体、固溶强化、金属化合物、组织、组织组成物、疲劳强度、断裂韧性、单体、链节、热塑性、热固性、柔性、玻璃态、高弹态、粘流态答: 致密度: 晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数). 晶体的各向异性: 在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能是不同的。这种性质叫做晶体的各向异性。刃型位错: 在金属晶体中，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面。这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。这种线缺陷称刃型位错。柏氏矢量: 首先指定位错线的方向。右手拇指指向位错线方向，四指弯曲，回绕位错线作一回路，每个方向上经过的原子个数相同，回路不能闭合。连接起始点至终点得一矢量，该矢量称为柏氏矢量，用b表示。它可以反映该位错的性质。固溶体: 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。固溶体晶格与溶剂的晶格相同。固溶强化: 固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。晶格畸变随溶质原子浓度的增高而增大。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。金属化合物: 合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物，或称中间相。组织: 材料内部所有的微观组成总称显微组织(简称组织)。组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成。组织组成物: 合金组织中具有确定本质、一定形成机制的特殊形态的组成部分。组织组成物可以是单相，或是两相混合物。疲劳强度: 当交变应力低于一定值时,试样可以经受无限周期循环而不发生疲劳破坏，此应力值称为材料的疲劳极限，亦叫疲劳强度。断裂韧性: 材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性，用临界应力场强度因子KIC表示。单体: 组成高分子化合物的低分子化合物称做单体。链节: 由许多结构相同的基本单元重复连接构成大分子链，组成大分子链的这种结构单元称为链节。热塑性: 聚合物可以通过加热和冷却的方法，使聚合物重复地软化（或熔化）和硬化（或固化）的性能。热固性: 聚合物加热加压成型固化后，不能再加热熔化和软化，称为热固性。柔性: 在拉力作用下，呈卷曲状或线团状的线型大分子链可以伸展拉直，外力去除后，又缩回到原来的卷曲状和线团状。这种能拉伸、回缩的性能称为分子链的柔性。玻璃态: 在Tg温度以下，在受外力作用下，高聚物链段进行瞬时的微量伸缩和微小的键角变化。外力一经去除，变形旋即消失；此时高聚物变形量小，而弹性模量较高，变形符合胡克定律，应变与应力成直线关系，并在瞬时达到平衡。高聚物的这种状态叫做无定形的玻璃态。高弹态: 在Tg温度以上，Tf温度以下，高聚物受力时，卷曲链沿外力方向舒展拉伸，产生很大的弹性变形，外力去除后，分子链又逐渐回缩到原来的卷曲状态，弹性变形消失；高聚物表现为柔软而富弹性，具有橡胶的特性。此时高聚物变形量很大，而弹性模量较低，外力去除后变形可以回复，弹性是可逆的。高聚物的这种状态叫高弹态。粘流态: 温度高于Tf后，高聚物受力后，变形迅速发展，弹性模量很快下降，开始产生粘性流动，变形已变为不可逆。高聚物的这种状态叫粘流态。2. 填空题 (1) 同非金属相比，金属的主要特性是（良好的导电性和导热性。正的电阻温度系数。金属不透明并呈现特有的金属光泽。金属具有良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好) . (2) 晶体与非晶体结构上最根本的区别是（晶体中原子(离子或分子)规则排列。非晶体中原子(离子或分子)无规则排列) . (3) 在立方晶系中，120晶面族包括（ (120) 、 (102) 、 (012) 、 (021) 、 (210) 、 (201) 、 (120) 、 (102) 、 (012) 、 (021) 、 (210) 、 (201) ）等晶面。 (4) -Fe的一个晶胞内的原子数为（4个) . (5) 高分子材料大分子链的化学组成以（C、H、O）为主要元素，根据组成元素的不同，可分为三类，即（碳链大分子) 、 (杂链大分子）和（元素链大分子) . (6) 大分子链的几何形状主要为（线型) 、 (支化型）和（体型) 。热塑性聚合物主要是（线型和支化型）分子链，热固性聚合物主要是（体型）分子链。 (7) 高分子材料的凝聚状态有（晶态) 、 (部分晶态）和（非晶态）三种。 (8) 线型非晶态高聚物在不同温度下的三种物理状态是（玻璃态) 、 (高弹态）和（粘流态) . (9) 与金属材料比较，高分子材料的主要力学性能特点是强度（低) 、弹性（高) 、弹性模量（低）等。 (10) 高分子材料的老化，在结构上是发生了（降解）和（交联) . 3. 选择正确答案 (1) 晶体中的位错属于： (c) a. 体缺陷 b. 面缺陷 c. 线缺陷 d. 点缺陷 (2) 在面心立方晶格中，原子密度最大的晶向是： (b)a. 100b. 110c. 111d. 120 (3) 在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是： (b) a. 100b. 110c. 111d. 120 (4) 固溶体的晶体结构: (a)a. 与溶剂相同b. 与溶质相同c. 与溶剂、溶质都不同d. 与溶剂、溶质都相同 (5) 间隙相的性能特点是： (c)a. 熔点高、硬度低b. 硬度高、熔点低c. 硬度高、熔点高d. 硬度低、熔点低 (6) 线型非晶态高聚物温度处于TgTf之间时的状态是： (d)a. 玻璃态，表现出高弹性 b. 高弹态，表现出不同弹性 c. 粘流态，表现出非弹性d. 高弹态，表现出高弹性 (7) 高聚物的粘弹性指的是： (a)a. 应变滞后于应力的特性b. 应力滞后于应变的特性c. 粘性流动的特性d. 高温时才能发生弹性变形的特性 (8) 高聚物受力变形后所产生的应力随时间而逐渐衰减的现象叫： (c) a. 蠕变 b. 柔顺性 c. 应力松弛 d. 内耗 (9) 热固性塑料与热塑性塑料比较，耐热性： (b)a. 较低b. 较高c. 相同d. 不能比较 (10) 高分子材料中结合键的主要形式是： (c)a. 分子键与离子键b. 分子键与金属键c. 分子键与共价键d. 离子键与共价键4. 综合分析题 (1) 在立方晶胞中画出（110) 、 (120）晶面和、20 晶向。解: 见图1-1. 图 1-1 (2) -Fe、Al、Cu、Ni、V、Mg、Zn各属何种晶体结构？答: -Fe、V是体心立方晶格。Al、Cu、Ni是面心立方晶格。Mg、Zn是密排六方晶格。 (3) 画出体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格中原子最密的晶面和晶向。解: 见图1-2. 图 1-2 (4) 已知 -Fe的晶格常数a=2.8710-10m，试求出-Fe的原子半径和致密度。解: r原子=34a=342.8710-101.2410-10(m)43r3原子2a3=4334a32a30.68=68% (5) 在常温下,已知铜原子的直径d=2.5510-10m，求铜的晶格常数。解: r原子=24a12d原子=24a122.5510-10=24aa3.6010-10(m) (6) 实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？答: 点缺陷： 空位、间隙原子、异类原子。点缺陷造成局部晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，密度发生变化。线缺陷： 位错。位错的存在极大地影响金属的力学性能。当金属为理想晶体或仅含极少量位错时，金属的屈服强度s很高，当含有一定量的位错时，强度降低。当进行形变加工时，位错密度增加，s将会增高。面缺陷： 晶界、亚晶界。面缺陷是由位错垂直排列成位错墙而构成。亚晶界是晶粒内的一种面缺陷。 在晶界、亚晶界或金属内部的其他界面上，原子的排列偏离平衡位置，晶格畸变较大，位错密度较大(可达1016m-2以上)，原子处于较高的能量状态，原子的活性较大，所以对金属中许多过程的进行，具有极为重要的作用。晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多，晶粒越细，金属的塑性变形能力越大，塑性越好。 (7) 一晶体中有一个位错环abcdea（见图1-3俯视图）。说明各段位错各是什么性质的位错，若是刃型位错，说明半原子面的位置。图 1-3答: ab段为右螺型位错。bc段为刃型位错，半原子面过bc线且垂直于纸面，在纸面外。cd段为混合位错。de段为左螺型位错。ea段为刃型位错，半原子面过ea线且垂直于纸面，在纸面里。 (8) 什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？答: 形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。晶格畸变随溶质原子浓度的增高而增大。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。 (9) 间隙固溶体和间隙相有什么不同？答: 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。间隙固溶体的晶体结构与溶剂相同。由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度，非常稳定。它们的合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。 (10) 说明洛氏硬度的测试原理。答: 先后在金刚石压头(或钢球压头)上施加两个载荷(预载荷P0和总载荷P)，使压头压入金属表面。总载荷P为预载荷P0和主载荷P1之和。卸去主载荷P1后，测量其残余压入深度h来计算洛氏硬度值。残余压入深度h越大，表示材料硬度越低，实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小，洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。 (11) 简介冲击弯曲试验的试验方法和冲击韧度的计算方法。答: 材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧度，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。在冲击试验机上，使处于一定高度的摆锤自由落下，将具有一定形状和尺寸的冲击试样冲断，测得试样冲击吸收功，用符号Ak表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积S0，即得到材料的冲击韧度ak. ak=AkS0式中: ak为冲击韧度(J/m2);Ak为冲击吸收功(J);S0为试样缺口处截面积(m2). (12) 设有一很大的板件，内有一长为2mm的贯通裂纹，受垂直裂纹面的外力拉伸，当所加应力达到720MPa时裂纹扩展，求该板材料的断裂韧性。Y=解: 很大的板件内有贯通裂纹，受垂直裂纹面的外力拉伸时裂纹尖端的应力场大小可用应力场强度因子KI来描述。KI=Ya(MN/m3/2)式中： 为外加应力(MPa);a为裂纹的半长(m). 裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强度因子即为临界应力场强度因子（KIC) ，即断裂韧性。所以该板材料的断裂韧性为KIC=KI=Ya(MN/m3/2)=7202210-3=40.3(MN/m3/2) (13) 简述高聚物大分子链的结构和形态，它们对高聚物的性能有何影响？答: 高聚物大分子链的结构主要有线型、支化型和体型三类： 线型分子链： 各链节以共价链连接成线型长链分子，像一根长线，呈卷曲状或线团状； 支化型分子链： 在主链的两侧以共价链连接相当数量的长短不一的支链，其形状有树枝形、梳形、线团形； 体型(网型或交联型): 分子链在线型或支化型分子链之间，沿横向通过链节以共价键连接起来，形成的三维(空间)网状大分子。线型和支化型分子链构成的聚合物统称线型聚合物，具有高弹性和热塑性，可以通过加热和冷却的方法，重复地软化（或熔化）和硬化（或固化），例如涤纶、尼龙、生橡胶等。体型分子链构成的聚合物称为体型聚合物，具有较高的强度和热固性，加热加压成型固化后，不能再加热熔化和软化，例如酚醛树脂、环氧树脂、硫化橡胶等。 (14) 说明晶态聚合物与非晶态聚合物性能上的差别，并从材料结构上分析其原因。答: 聚合物的性能与其聚集态有密切的关系，晶态聚合物，由于分子链排列规则而紧密，分子间吸引力大，分子链运动困难，故其熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性和抗熔性等性能好；非晶态聚合物，由于分子链无规则排列，分子链的活动能力大，故其弹性、伸长率和韧性等性能好。 (15) 高聚物的强度为什么低？答: 高聚物的强度平均为100MPa，比金属低得多。高聚物的强度由分子链上的化学键和分子链间的分子键相互作用构成。由于分子键较弱，因此高聚物的强度较低。虽然其理论强度约为其弹性模量的1/10，但是实际强度仅及理论强度的1/10001/100，这是因为其结构中存在缺陷，如微裂纹、空洞、气孔、杂质、结构的松散性和不均匀性等，这些是应力集中的地方和薄弱点，造成高聚物的强度较低。 (16) 何谓高聚物的老化？说明老化的原因，提出改进高聚物抗老化能力的措施。答: 老化是指高聚物在长期使用和存放过程中，由于受各种因素的作用，性能随时间不断恶化，逐渐丧失使用价值的过程。其主要表现： 对于橡胶为变脆，龟裂或变软，发粘；对于塑料是褪色，失去光泽和开裂。老化的原因主要是分子链的结构发生了降解或交联。改进高聚物抗老化能力的措施主要有： 表面防护； 改进高聚物的结构，消除结构上的弱点，提高稳定性； 加入防老化剂，消除高聚物中产生的游离基，抑制其链式反应，阻碍分子链的降解或交联。 (17) 说明塑料在减摩、耐磨性方面的特点。答: 大多数塑料对金属和对塑料的摩擦因数值一般在0.20.4范围内，但有一些塑料的摩擦因数很低。例如，聚四氟乙烯对聚四氟乙烯的摩擦因数只有0.04，几乎是所有固体中最低的。塑料的另一优点是磨损率低，原因是其自润滑性能较好，消音、吸振能力强。在无润滑和少润滑的摩擦条件下，塑料的耐磨、减摩性能是金属材料无法比拟的。 (18) 画出高聚物大分子链的三种形态。解: 见图1-4. 图 1-4 (19) 画出线型非晶态高聚物的变形随温度变化的曲线。解: 见图1-5. 图 1-5 (20) 陶瓷的典型组织由哪几种相组成？答: 陶瓷的典型组织由晶体相、玻璃相和气相组成。其中晶体相是陶瓷的主要相，决定陶瓷的基本性能；玻璃相起粘结剂的作用；气相是陶瓷组织中残留的孔洞，极大地破坏其力学性能。 (21) 为什么陶瓷的实际强度比理论强度低得多？指出影响陶瓷强度的因素和提高强度的途径。答: 陶瓷的实际强度比理论强度低得多的原因是其组织中存在晶界，晶界对其强度的破坏作用很大。因为晶界上存在晶粒间的局部分离或空隙，晶界上原子间键被拉长、键强度被削弱，相同电荷离子的靠近产生斥力、可能造成微裂纹。影响陶瓷强度的主要因素是晶界的存在，同时受陶瓷组织的致密度、杂质和其他各种缺陷的影响也很大，另外陶瓷强度对应力状态特别敏感。消除晶界的不良作用是提高陶瓷强度的基本途径，同时通过一定工艺提高陶瓷组织的致密度、减少气孔率、减少缺陷、细化组织等可使陶瓷强度接近理论值。第2章 金属材料组织和性能的控制第2章 金属材料组织和性能的控制2.1 教 学 指 导1. 教学要求 本章阐述金属材料组织和性能的影响因素及其控制方法，包括纯金属的结晶、合金的结晶、金属的塑性加工、钢的热处理、钢的合金化、表面技术等内容。简要阐述纯金属结晶的条件和结晶过程，同素异构转变，细化铸态金属晶粒的措施。简要阐述发生匀晶反应的合金的结晶过程和发生共晶反应的合金的结晶过程。重点阐明铁碳相图、典型铁碳合金的平衡结晶过程。简要阐述铁碳合金的成分-组织-性能关系。简要阐述金属塑性变形的微观机制、塑性变形对金属组织和性能的影响，以及再结晶对金属组织和性能的影响。重点阐明钢的热处理原理和热处理工艺（退火、正火、淬火、回火、表面热处理和化学热处理），一般介绍钢的热处理新技术。简要阐述合金元素在钢中的作用，合金元素对钢的热处理、钢的力学性能、工艺性能的影响。一般介绍电刷镀、热喷涂、气相沉积、激光表面改性等新技术。2. 教学目标本章是工程材料课程的重点。学生应重点掌握以下内容： 铁碳相图，典型铁碳合金的平衡结晶过程，杠杆定律，铁碳合金的成分-组织-性能关系。过冷奥氏体的等温转变 (C曲线）, 过冷奥氏体的连续冷却转变，钢的淬透性、淬硬性。退火、正火、淬火、回火、表面热处理和化学热处理等热处理工艺。熟悉纯金属、合金的结晶，金属的塑性加工、再结晶对金属组织和性能的影响规律。熟悉合金元素在钢中的作用，合金元素对钢的热处理、钢的力学性能的影响。表面技术部分作一般了解。3. 教学建议 (1) 本章阐述的金属材料组织与性能的影响因素和规律，是工程材料学的基本理论基础。本章是课程的重点，需要扎扎实实地学习好，掌握金属材料组织与性能的主要影响因素和规律，为后面学习金属材料知识打好基础。 (2) 本章内容多，安排的教学学时应多一些。本章中有一些难点和重点，要求着重理解。可以安排几次讨论。 (3) 若有条件，组织学生参观机械厂、热处理厂，以便对金属材料的生产和加工过程有所了解。理论联系实际，学习效果会更好。 (4) 指导学生浏览相关网站，收集材料生产和加工新技术有关资料，拓宽知识面。 (5) 建议本章学时： 810 学时。2.2 习题参考答案1. 解释名词 过冷度、非自发形核、变质处理、铁素体、珠光体、滑移、加工硬化、再结晶、滑移系、本质晶粒度、球化退火、马氏体、淬透性、淬硬性、调质处理、回火稳定性、二次硬化、回火脆性、CVD、激光相变硬化答: 过冷度: 理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度，用 T表示。非自发形核: 金属结晶时，杂质的存在常常能够促进晶核在其表面上形成。这种依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核。变质处理: 在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织的方法。铁素体: 碳在-Fe中的间隙固溶体,呈体心立方晶格。珠光体: 奥氏体发生共析反应的产物,是铁素体与渗碳体的共析混合物。滑移: 滑移是晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动。滑移是晶体内部位错在切应力作用下产生滑移运动的结果。加工硬化: 金属发生塑性变形，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化，也叫形变强化。产生加工硬化的原因是： 金属发生塑性变形时，位错密度增加，位错间的交互作用增强，相互缠结，造成位错运动阻力的增大，引起塑性变形抗力提高。另一方面，由于亚晶界增多，使强度得以提高。再结晶: 塑性变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。这个过程称为再结晶。变形金属进行再结晶后，强度和硬度明显降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除，此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。滑移系: 晶体中一个滑移面与其上的一个滑移方向称为一个滑移系。本质晶粒度: 钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向用本质晶粒度来表示。钢加热到 (93010) 、保温8h、冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。球化退火: 球化退火为使钢中碳化物球状化的热处理工艺。目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（球化退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备。球化退火主要用于共析钢和过共析钢，球化退火后的显微组织为在铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体。球化退火的加热温度略高于Ac1。球化退火需要较长的保温时间来保证二次渗碳体的自发球化。保温后随炉冷却。马氏体: 马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体。淬透性: 钢接受淬火时形成马氏体的能力叫做钢的淬透性。钢的淬透性可用末端淬火法测定。淬透性表示方法：J-d 淬透性主要取决于合金元素的种类和合金元素质量分数。淬硬性: 钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性。淬硬性主要决定于M的碳质量分数。调质处理: 淬火加高温回火称为调质处理。回火稳定性: 淬火钢对回火过程中发生的各种软化倾向（如马氏体的分解、碳化物的析出与长大和铁素体再结晶等）的抵抗能力。二次硬化: 含有Mo、W、V等碳化物形成元素的合金钢，在回火过程中由于碳化物的弥散析出，其硬度不是随回火温度升高而单调降低，而是到某一温度(约400)后反而开始增大，并在另一更高温度(一般为550左右)达到峰值，这就是回火过程的二次硬化现象。二次硬化也可以由回火时冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火所引起。回火脆性: 回火过程中出现的冲击韧性降低的现象称为回火脆性。在250400回火时韧性下降，由此产生的脆性称为第一类回火脆性(又称低温回火脆性)；在450600回火时韧性再次降低，由此产生的脆性称为第二类回火脆性(又称高温回火脆性). CVD: 即化学气相沉积。利用气态化合物(或化合物的混合物)在基体受热表面发生化学反应，并在该基体表面生成固态沉积物的过程。例如，气相的TiCl4与N2和H2在受热钢的表面形成TiN，在钢的表面得到耐磨抗蚀层。激光相变硬化: 即激光淬火。高能密度的激光束照射工件，使其需要硬化的部位瞬时吸收光能并立即转化成热能，温度急剧上升，形成奥氏体，而工件基本仍处于冷态与加热区之间有极高的温度梯度。一旦停止激光照射，加热区因急冷而实现工件的自冷淬火。获得超细化的隐晶马氏体组织。2. 填空题 (1) 结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，这两个过程是（生核）和 (长大) . (2) 当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是（增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，使金属的晶粒细化) . (3) 液态金属结晶时，结晶过程的推动力是（金属液态和固态之间存在的自由能差（F) ) ，阻力是（建立液、固界面所需要的表面能A0) . (4) 过冷度是指（理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差) ，其表示符号为（T) . (5) 典型铸锭结构的三个晶区分别为（细等轴晶区) 、 (柱状晶区）和（粗等轴晶区) . (6) 固溶体的强度和硬度比溶剂的强度和硬度（高) . (7) 固溶体出现枝晶偏析后，可用（扩散退火）加以消除。 (8) 一合金发生共晶反应，液相L生成共晶体(+)。共晶反应式为（L(+) ，共晶反应的特点是（恒温进行，三相共存，三相成分确定) . (9) 一块纯铁在912发生-Fe-Fe转变时，体积将(缩小). (10) 珠光体的本质是(铁素体与渗碳体的共析混合物). (11) 在铁碳合金室温平衡组织中，含Fe3CII最多的合金成分点为(E点)，含Le最多的合金成分点为(C点). (12) 用显微镜观察某亚共析钢，若估算其中的珠光体体积分数为80%，则此钢的碳的质量分数为（0.62%) . (13) 钢在常温下的变形加工称为（冷）加工，而铅在常温下的变形加工则称为（热）加工。 (14) 造成加工硬化的根本原因是（位错密度增加，位错间的交互作用增强，相互缠结，造成位错运动阻力的增大) . (15) 滑移的本质是（晶体内部位错在切应力作用下发生滑移运动的结果) . (16) 变形金属的最低再结晶温度与熔点的关系是（T再=(0.350.4)T熔点) . (17) 再结晶后晶粒度的大小主要取决于（加热温度）和（预先变形度) . (18) 在过冷奥氏体等温转变产物中，珠光体与屈氏体的主要相同点是（都为铁素体和渗碳体的机械混合物，渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上) ，不同点是（珠光体转变温度较高，渗碳体层间距较大。屈氏体转变温度较低，渗碳体层间距较小) . (19) 用光学显微镜观察，上贝氏体的组织特征呈（羽毛）状，而下贝氏体则呈（黑色针）状。 (20) 马氏体的显微组织形态主要有（板条马氏体) 、 (针状马氏体）两种，其中（板条马氏体）的韧性较好。 (21) 钢的淬透性越高，则其C曲线的位置越（靠右) ，说明临界冷却速度越（小) . (22) 马氏体是一种（铁）磁相，在磁场中呈现磁性；而奥氏体是一种（顺）磁相，在磁场中无磁性。 (23) 球化退火加热温度略高于Ac1，以便保留较多的（未溶碳化物粒子）或较大的奥氏体中的（碳浓度分布的不均匀性) ，促进球状碳化物的形成。 (24) 球化退火的主要目的是（使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化，以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备) ，它主要适用于（共析钢和过共析）钢。 (25) 亚共析钢的正常淬火温度范围是（Ac3以上3050) ，过共析钢的正常淬火温度范围是（Ac1以上3050) . (26) 淬火钢进行回火的目的是（为了消除内应力、尺寸稳定并获得所要求的组织和性能) ，回火温度越高，钢的强度与硬度越（小) . (27) 合金元素中，碳化物形成元素有（Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti) . (28) 促进晶粒长大的合金元素有（Mn、P、B) . (29) 除（Co) 、 (Al）外，几乎所有的合金元素都使Ms、Mf点下降，因此淬火后相同碳质量分数的合金钢比碳钢相比，残余奥氏体（要多) ，使钢的硬度（下降) . (30) 一些含有合金元素（Mn、Cr、Ni）的合金钢，容易产生第二类回火脆性，为了消除第二类回火脆性，可采用（回火后快冷）和（加入适当Mo或W) . (31) 在电刷镀时，工件接直流电源（负）极、镀笔接直流电源（正）极，可以在工件表面获得镀层。 (32) 利用气体导电(或放电)所产生的（等离子弧）作为热源进行喷涂的技术叫等离子喷涂。3. 是非题 (1) 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。 (错) (2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。 (错) (3) 在实际金属和合金中，自发生核常常起着优先和主导的作用。 (错) (4) 当形成树枝状晶体时，枝晶的各次晶轴将具有不同的位向，故结晶后形成的枝晶是一个多晶体。 (错) (5) 晶粒度级数的数值越大，晶粒越细。 (对) (6) 平衡结晶获得的Ni质量分数为20%的Cu-Ni合金比Ni质量分数为40%的Cu-Ni合金的硬度和强度要高。(错) (7) 一个合金的室温组织为+II +(+),它由三相组成。(错) (8) 铁素体的本质是碳在-Fe中的间隙相。(错) (9) 20钢比T12钢的碳质量分数要高。(错) (10) 在退火状态（接近平衡组织）45钢比20钢的塑性和强度都高。(对) (11) 在铁碳合金平衡结晶过程中，只有碳质量分数为4.3%的铁碳合金才能发生共晶反应。(错) (12) 滑移变形不会引起金属晶体结构的变化。 (对) (13) 因为BCC晶格与FCC晶格具有相同数量的滑移系，所以两种晶体的塑性变形能力完全相同。 (错) (14) 孪生变形所需要的切应力要比滑移变形时所需的小得多。 (错) (15) 金属铸件可以通过再结晶退火来细化晶粒。 (错) (16) 再结晶过程是有晶格类型变化的结晶过程。 (错) (17) 重结晶退火就是再结晶退火。 (错) (18) 渗碳体的形态不影响奥氏体化形成速度。 (错) (19) 马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体。当奥氏体向马氏体转变时，体积要收缩。 (错) (20) 当把亚共析钢加热到Ac1和Ac3之间的温度时，将获得由铁素体和奥氏体构成的两相组织，在平衡条件下，其中奥氏体的碳质量分数总是大于钢的碳质量分数。 (对) (21) 当原始组织为片状珠光体的钢加热奥氏体化时，细片状珠光体的奥氏体化速度要比粗片状珠光体的奥氏体化速度快。 (对) (22) 当共析成分的奥氏体在冷却发生珠光体转变时，温度越低，其转变产物组织越粗。 (错) (23) 在碳钢中，共析钢的淬透性最好。 (对) (24) 高合金钢既具有良好的淬透性，也具有良好的淬硬性。 (错) (25) 经退火后再高温回火的钢，能得到回火索氏体组织，具有良好的综合力学性能。 (错) (26) 调质得到的回火索氏体和正火得到的索氏体形貌相似，渗碳体形态一样。 (错) (27) 在同样淬火条件下，淬透层深度越大，则钢的淬透性越好。 (对) (28) 感应加热过程中，电流频率越大，电流渗入深度越小，加热层也越薄。 (对) (29) 表面淬火既能改变钢的表面组织，也能改善心部的组织和性能。 (错) (30) 所有的合金元素都能提高钢的淬透性。 (错) (31) 合金元素Mn、Ni、N可以扩大奥氏体区。 (对) (32) 合金元素对钢的强化效果主要是固溶强化。 (错) (33) 60Si2Mn钢比T12和40钢有更好的淬透性和淬硬性。 (错) (34) 所有的合金元素均使Ms、Mf下降。 (错) (35) 电弧喷涂技术可以在金属表面喷涂塑料。 (错) (36) 气相沉积技术是从气相物质中析出固相并沉积在基材表面的一种表面镀膜技术。 (对) 4. 选择正确答案 (1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将： (b)a. 越高 b. 越低 c. 越接近理论结晶温度 (2) 为细化铸造金属的晶粒，可采用： (b)a. 快速浇注b. 加变质剂c. 以砂型代金属型 (3) 在发生L(+)共晶反应时，三相的成分： (b)a. 相同b. 确定c. 不定 (4) 共析成分的合金在共析反应(+)刚结束时，其组成相为： (b)a. 、b. 、c. (+) (5) 奥氏体是： (a)a. 碳在-Fe中的间隙固溶体b. 碳在-Fe中的间隙固溶体c. 碳在-Fe中的有限固溶体 (6) 珠光体是一种： (b)a. 单相固溶体b. 两相混合物c. Fe与C的化合物 (7) T10钢的碳质量分数为： (b)a. 0.1%b. 1.0%c. 10% (8) 铁素体的力学性能特点是： (c) a. 强度高、塑性好、硬度低b. 强度低、塑性差、硬度低c. 强度低、塑性好、硬度低 (9) 面心立方晶格的晶体在受力变形时的滑移面是： (b)a. 100b. 111c. 110 (10) 体心立方晶格的晶体在受力变形时的滑移方向是： (b)a. 100b. 111c. 110 (11) 变形金属再结晶后： (d)a. 形成等轴晶，强度增大b. 形成柱状晶，塑性下降c. 形成柱状晶，强度升高d. 形成等轴晶，塑性升高 (12) 奥氏体向珠光体的转变是： (a) a. 扩散型转变b. 非扩散型转变c. 半扩散型转变 (13) 钢经调质处理后获得的组织是： (c) a. 回火马氏体b. 回火屈氏体c. 回火索氏体 (14) 共析钢的过冷奥氏体在550350的温度区间等温转变时,所形成的组织是： (c) a. 索氏体b. 下贝氏体c. 上贝氏体 d. 珠光体 (15) 若合金元素能使C曲线右移,钢的淬透性将： (b) a. 降低b. 提高c. 不改变 d. 降低还是提高不确定 (16) 马氏体的硬度取决于： (c) a. 冷却速度b. 转变温度c. 碳质量分数 (17) 淬硬性好的钢： (b) a. 具有高的合金元素质量分数b. 具有高的碳质量分数c. 具有低的碳质量分数 (18) 对形状复杂、截面变化大的零件进行淬火时,应选用： (a) a. 高淬透性钢b. 中淬透性钢c. 低淬透性钢 (19) 直径为10mm的40钢的常规淬火温度大约为： (b) a. 750b. 850c. 920 (20) 直径为10mm的40钢在常规淬火温度加热后水淬后的显微组织为： (a) a. 马氏体b. 铁素体+马氏体c. 马氏体+珠光体 (21) 完全退火主要适用于： (a) a. 亚共析钢b. 共析钢c. 过共析钢 (22) 钢的回火处理是在： (c) a. 退火后进行b. 正火后进行c. 淬火后进行 (23) 20钢的渗碳温度范围是： (c) a. 600650b. 800820c. 900950d. 10001050 (24) 钢的淬透性主要取决于: (c) a. 钢的碳质量分数b. 冷却介质c. 钢中合金元素种类和质量分数 (25) 钢的淬硬性主要取决于: (a) a. 钢的碳质量分数b. 冷却介质c. 钢中合金元素种类和质量分数5. 综合分析题 (1) 金属结晶的条件和动力是什么？答: 液态金属结晶的条件是金属必须过冷，要有一定的过冷度。液体金属结晶的动力是金属在液态和固态之间存在的自由能差（F) . (2) 金属结晶的基本规律是什么？答: 液态金属结晶是由生核和长大两个密切联系的基本过程来实现的。液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体（称为晶核），然后再以它们为核心不断地长大。在这些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液体金属消失。 (3) 在实际应用中，细晶粒金属材料往往具有较好的常温力学性能，细化晶粒、提高金属材料使用性能的措施有哪些？答: 提高液态金属的冷却速度,增大金属的过冷度。变质处理；在液体金属中加入孕育剂或变质剂，增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，以细化晶粒和改善组织。在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法；电磁搅拌，将正在结晶的金属置于一个交变的电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加了结晶的核心，从而可细化晶粒。 (4) 如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下铸件晶粒的大小： 砂模浇注与金属模浇注； 变质处理与不变质处理； 铸成厚件与铸成薄件； 浇注时采用振动与不采用振动。答: 砂模浇注比金属模浇注，铸件晶粒大。变质处理比不变质处理，铸件晶粒小。铸成厚件比铸成薄件，铸件晶粒大。浇注时采用振动比不采用振动，铸件晶粒小。 (5) 为什么钢锭希望尽量减少柱状晶区？图 1-6答: 柱状是由外往里顺序结晶的，晶质较致密。但柱状晶的接触面由于常有非金属夹杂或低熔点杂质而为弱面，在热轧、锻造时容易开裂，所以对于熔点高和杂质多的金属，例如铁、镍及其合金，不希望生成柱状晶。 (6) 将20kg纯铜与30kg纯镍熔化后慢冷至如图1-6温度T1,求此时： 两相的化学成分； 两相的质量比； 各相的质量分数； 各相的质量。解: 两相的化学成分L相成分： w(Ni)=50%w(Cu)=50%相成分：w(Ni)=80%w(Cu)=20% 两相的质量比合金成分： w(Ni)=3020+30100%=60%w(Cu)=1-60%=40%二相质量比： QQL=60-5080-60=12 各相的质量分数二相的质量分数：w()=60-5080-50100%33.3%w(L)=1-33.3%=66.7% 各相的质量二相质量：Q=(20+30)33.3%=16.65(kg)QL=50-16.65=33.35(kg) (7) 求碳的质量分数为3.5%的质量为10kg的铁碳合金从液态缓慢冷却到共晶温度（但尚未发生共晶反应）时所剩下的液体的碳的质量分数及液体的质量。解: L中的碳质量分数： w(C)=4.3%L的质量分数： w(L)=3.5-2.114.3-2.11100%63.5%L的质量： QL=1063.5%=6.35(kg) (8) 比较退火状态下的45钢、T8钢、T12钢的硬度、强度和塑性的高低，简述原因。答: 硬度： 45钢最低，T8钢较高，T12钢最高。因为退火状态下的45钢组织是铁素体+珠光体，T8钢组织是珠光体，T12钢组织是珠光体+二次渗碳体。因为铁素体硬度低，因此45钢硬度最低。因为二次渗碳体硬度高，因此T12钢硬度最高。强度： 因为铁素体强度低，因此45钢强度最低。T8钢组织是珠光体，强度最高。T12钢中含有脆性的网状二次渗碳体，隔断了珠光体之间的结合，所以T12钢的强度比T8钢要低。但T12钢中网状二次渗碳体不多，强度降低不大，因此T12钢的强度比45钢强度要高。塑性： 因为铁素体塑性好，因此45钢塑性最好。T12钢中含有脆性的网状二次渗碳体，因此T12钢塑性最差。T8钢无二次渗碳体，所以T8钢塑性较高。 (9) 同样形状的两块铁碳合金，其中一块是退火状态的15钢，一块是白口铸铁，用什么简便方法可迅速区分它们？答: 因为退火状态的15钢硬度很低，白口铸铁硬度很高。因此可以用下列方法迅速区分： 两块材料互相敲打一下，有印痕的是退火状态的15钢，没有印痕的是白口铸铁。 用锉刀锉两块材料，容易锉掉的是退火状态的15钢，不容易锉掉的是白口铸铁。 用硬度计测试，硬度低的是退火状态的15钢，硬度高的是白口铸铁。 (10) 为什么碳钢进行热锻、热轧时都要加热到奥氏体区？答: 因为奥氏体是面心立方晶格，其滑移变形能力大，钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。 (11) 手锯锯条、普通螺钉、车床主轴分别用何种碳钢制造？答: 手锯锯条用T10钢制造。普通螺钉用Q195、Q215钢制造。车床主轴用45钢制造。 (12) 为什么细晶粒钢强度高，塑性、韧性也好？答: 多晶体中，由于晶界上原子排列不很规则，阻碍位错的运动，使变形抗力增大。金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。多晶体中每个晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软位向)，另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)。在发生滑移时，软位向晶粒先开始。当位错在晶界受阻逐渐堆积时，其他晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形，变形分散在材料各处。晶粒越细，金属的变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹的形成和发展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形，因此使金属的塑性提高。由于细晶粒金属的强度较高，塑性较好，所以断裂时需要消耗较大的功，因而韧性也较好。因此细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。 (13) 与单晶体的塑性变形相比较，说明多晶体塑性变形的特点。答: 多晶体中，由于晶界上原子排列不很规则，阻碍位错的运动，使变形抗力增大。金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。 多晶体中每个晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软位向)，另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)。在发生滑移时，软位向晶粒先开始。当位错在晶界受阻逐渐堆积时，其他晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形，变形分散在材料各处。晶粒越细，金属的变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹的形成和发展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形，因此使金属的塑性提高。 (14) 金属塑性变形后组织和性能会有什么变化？答: 金属发生塑性变形后，晶粒发生变形，沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒变成细条状(拉伸时)，金属中的夹杂物也被拉长，形成纤维组织。金属经大的塑性变形时，由于位错的密度增大和发生交互作用，大量位错堆积在局部地区，并相互缠结，形成不均匀的