工程材料1,2章作业.doc

工程材料作业第一章1.常见的金属晶体结构有哪些？答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格2.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。晶体中配位数和致密度越大，则晶体中原子排列越紧密。3.晶面指数和晶向指数有什么不同？答：晶向是指晶格中各种原子列的位向，用晶向指数来表示，确定晶向指数的方法和步骤如下： 选定任一结点作为空间坐标原点，通过坐标原点引一条平行所求晶向的直线； 求出该直线上任一点的三个坐标值、； 把这三个坐标值、按比例化为最小整数u、v、w，再将u、v、w不加标点写入 内，就得到晶向指数的一般形式uvw。；晶面是指通过晶体中原子中心的平面，用晶面指数来表示，就是用晶面（或者平面点阵）在三个晶轴上的截数的倒数的互质整数比来标记。确定晶面指数的方法和步骤如下： 选定不在所求晶面上的晶格中的任一个结点为空间坐标原点，以晶格的三条棱边为坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应坐标轴上的度量单位； 计算出所求晶面在各坐标轴上的截距，并取截距的倒数； 将这三个截距的倒数按比例化为最小整数h、k、l，再将h、k、l不加标点写入( )内，就得到晶面指数的一般形式（hkl）。如(100)、(010)、(111)、等。4.实际晶体中的点缺陷，线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响？答：如果金属中无晶体缺陷时，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，晶体缺陷破坏了晶体的完整性，使晶格畸变、能量增高、金属的晶体性质发生偏差，对金属性能有较大的影响。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。5.产生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金属加工中有什么利弊？答：加工硬化的产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，产生许多细碎的亚晶粒。而亚晶粒随着晶粒的拉账而拉账，同时晶粒破碎和位错密度的提高使得金属塑性和韧性下降而强度和硬度提高的的现象。加工硬化在一定程度上可以提高金属强度和硬度；金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难，导致后续加工工艺困难，需退火处理。6.划分冷加工和热加工的主要条件是什么？答：结晶温度。在再结晶温度以下的塑性变形加工是冷加工，在再结晶温度以上的塑性变形加工是热加工。7. 与冷加工比较，热加工给金属件带来的益处有哪些？答：a.热加工可使金属中的气孔、裂纹、疏松焊合，从而使其致密度得以提高。b.热加工可使金属中的枝晶和柱状晶破碎细化，从而使其机械性能提高。c.热加工可使金属中的枝晶偏析、夹杂物和第二相等沿塑性变形方向被拉长，形成纤维组织的流线，使得金属的力学性能具有方向性，使纵向的强度、塑性和韧性显著大于横向，进而提高零件的使用寿命。8.什么是异质成核和均质成核？他们对铸件结晶和晶粒大小有什么影响？答：均质形核依靠液态金属本身在过冷条件下形成晶核（自发形核）；异质形核金属原子依附于固态杂质微粒的表面形成晶核（非自发形核）；在实际生产过程中，异质形核和均质形核同时存在，但是异质形核更为重要，往往起到了优先和主导的作用。所以，实际金属凝固结晶的过冷度T都不会超过20，而由于形成的晶粒越多，生成的晶粒就越细，故过冷度的大小会影响到晶粒的大小和粗细。所以，所以，均质形核和异质形核会阻碍晶粒的细化。9.何谓过冷度？它对冷却速度和铸件晶粒大小有什么影响？答：a.过冷度degree of under cooling 熔融金属平衡状态下的相变温度与实际相变温度的差值。纯金属的过冷度等于其熔点与实际结晶温度的差值。b.冷却速度越大，则过冷度也越大。过冷度增大，F大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。10.进行细晶强化的措施有哪些？答：a.增加过冷度形核率N，长大速率G都随过冷度T的增加而增大。T越大，NG越大。使单位体积中的晶粒数目越多，故晶粒越细化。b.变质处理在液态金属结晶前，加入一些细小的变质剂，使结晶时的形核率N增加或降低长大速率G，这种方法称为变质处理。c.附加振动振动能使液态金属在铸模中运动，造成枝晶破碎，破碎的枝晶尖端又可起晶核作用。d.对于冷变形的金属可以通过控制变形度，退火温度来细化晶粒。11.镇静钢锭和沸腾钢锭的缺陷有哪些？答：镇静钢的宏观组织是由细晶区、柱状晶区、等轴晶区组成。此外，镇静钢还有缩孔、疏松、气泡、成分偏析等缺陷。沸腾钢的疏松、气泡、成分偏析等缺陷比镇静钢严重，力学性质也不如镇静钢。12.固溶体与金属间化合物在结构与性能上有什么主要差别？答：a.固溶体：在固态下，合金的组元相互溶解而形成的均匀固相。固溶体是指溶质原子溶入金属溶剂的晶格中所组成的合金相。两组元在液态下互溶，固态也相互溶解，且形成均匀一致的物质。形成固溶体时，含量大者为溶剂，含量少者为溶质；溶剂的晶格即为固溶体的晶格。置换固溶体和间隙固溶体：间隙固溶体中的溶质原子分布于溶剂晶格的间隙之中；置换固溶体中的溶质原子取代部分溶剂原子而占据晶格点位置。影响固溶体类型的主要因素是原子半径、晶格类型和电化学特性。非金属元素如碳、氮、氢、硼、氧等作为溶质在合金中形成间隙固溶体。置换固溶体在溶质原子直径较大时形成正畸变（晶格常数增加），原子较小时形成负畸变（晶格常数减小）；而间隙固溶体的晶格都形成正畸变。晶格畸变起到固溶强化的作用：增加位错运动的阻力，滑移变形变困难，塑性和韧性下降，强度和硬度提高。b.金属间化合物或中间相：组成合金的A、B两组元除可以形成固溶体外，还有可能产生晶格类型和特性完全不同于任一组元的新固相。金属间化合物或中间相：由组成合金的A、B两组元产生的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新固相，类型主要有正常价化合物、电子化合物、间隙化合物。正常价化合物：分子式严格遵守化合价规律的化合物，由电负性相差较大的两种原子构成，可用明确的分子式表示，如MnS、ZnS、AlP等。正常价化合物的特点是脆性大、硬度高。电子化合物：不遵守化合价规律氮按一定电子浓度组成的化合物，电子浓度是化合物的价电子数与原子数之比。例如：CuZn，Cu价电子数1，Zn价电子数2，原子数2，(1+2)/23/2。电子化合物的特性是具有明显的金属特性、熔点和硬度较高、塑性较差，是有色合金中的重要强化相。间隙化合物：过渡金属原子与原子半径较小的非金属元素碳、氮、氢、硼、氧等形成的化合物。当原子半径之比（非/金）0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物（间隙相），如W2C、TiC、TiN、CrN、ZrC、NbC等，可显著提高合金的耐磨性、红硬性和热强性。当原子半径之比（非/金）0.59时，形成具有复杂晶格的间隙化合物，如Fe3C（渗碳体）、Cr7C3、WC、Fe2B等。金属间化合物一般具有硬度和熔点高、性脆的特性。工程中的合金常以固溶体为主，辅以金属间化合物弥散分布，以提高合金的强度、硬度和耐磨性。这种强化方式称为弥散强化或第二相质点硬化，是合金钢和有色金属的重要强化手段。13、总结细晶强化、固溶强化和弥散强化的异同点。答：其共同点是都是通过一定的方法提高金属的强度、韧性、塑性、耐磨性等方面。满足使用要求。不同点是：1,固溶强化是通过固溶在晶格间的原子引起的畸变应力使错位运动阻力增大来阻止位错的运动. 2.细晶强化是通过晶体内部的晶界来阻止位错的运动 3,弥散强化一般是通过分散在金属晶体内部的硬质相来阻止位错的运动，利用金属化合物本身的高强度和硬度来强化合金。14、二元合金相图表达了合金的那些关系答：它表示在极缓慢的冷却速度下合金状态随温度和化学成分的变化关系，比如合金系中不同成分合金同温度下由哪些平衡相(或组织)组成，以及合金相之间平衡关系的图形。根据合金相图，不仅可以看到不同成分的合金在室温下平衡组织，而且还可以了解它以极缓慢冷却速度冷却到室温所经历的各种相变过程，同时相图还能预测合金性能的变化规律。15、在二元合金相图中应用杠杆定律可以计算什么？答：杠杆定律可以用来计算处于两相平衡的二元合金中每个相的质量分数，它也可以用来估算二元合金在接近平衡状态下，不同组织组成物的质量分数。即计算合金相互平衡两相的成分和相对含量、16、何谓匀晶反应、共晶反应和包晶反应？答：晶体材料从高温液相冷却下来的凝固转变产物包括多相混合物晶体和单相固溶体两种，其中由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶反应。包晶反应是在结晶过程先析出相进行到一定温度后新产生的固相大多包围在已有的旧固相周围生成。在一定温度 下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变过程称为共晶反应第二章 1什么是铁素体、奥氏体和渗碳体，其性能有何特点和差异？答：铁素体（用F或者表示） 碳溶于-Fe中形成的体心立方晶格的间隙固溶体，金相显微镜下为多边形晶粒。铁素体中碳的溶解度很小，在室温中时小于0.008%，在727。C时也只有0.0218%。铁素体的强度和硬度低、塑性好，力学性能与纯铁相似。铁素体在770。C以下具有磁性。奥氏体（用A或者表示） 碳溶于-Fe中形成的面心立方晶格的间隙固溶体，金相显微镜下为规则的多边形晶粒。奥氏体中碳的溶解度很大，在727。C时有0.77%，1148。C时溶解度最大，达到2.11%。奥氏体的强度和硬度不高，塑性好，容易压力加工。奥氏体没有磁性。渗碳体 即是Fe3C相，含碳量为6.69%，它是一种复杂铁碳间隙化合物。渗碳体的硬度很高，强度极低，脆性非常大，对铁碳合金的力学性能有很大影响。2什么是莱氏体和珠光体，其性能和组织有何特点？共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称莱氏体，用Le表示。由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体基体上。由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体，用P表示。由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体呈层片状。珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。3Fe-Fe3C合金相图有何作用？（1）可作为钢铁选材的成分依据工程设计中对服役的金属材料有不同的要求。相图描述了铁碳合金的组织随含碳量的变化规律，合金的性能决定于合金的组织，这样根据零件的性能要求来选择不同成分的铁碳合金（2）作为钢铁热加工（铸、锻、热处理）的工艺依据铸铁工艺可以根据Fe-Fe3C合金相图确定不同成分材料的熔点，制定浇注温度和工艺；根据相图液相线和固相线之间的距离估计铸件质量，距离越小，铸造性能越好。锻造工艺可以根据Fe-Fe3C合金相图去顶锻造温度。（3）对制定热处理（例如退火、正火、淬火等）的依据4亚共析钢、共析钢和过共析钢的组织有何特点和异同点？亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成。其中铁素体呈块状。珠光体中铁素体与渗碳体呈片状分布。共析钢的组织由珠光体所组成。过共析钢的组织由珠光体和二次渗碳体所组成，其中二次渗碳体在晶界形成连续的网络状。共同点：钢的组织中都含有珠光体。不同点：亚共析钢的组织是铁素体和珠光体，共析钢的组织是珠光体，过共析钢的组织是珠光体和二次渗碳体。5.一种钢材中含有15%珠光体和85%铁素体，请计算钢中的含碳量，并确定它是亚共析钢还是过共析钢。解：由杠杆定律得：W=85%=(0.77-WC)/(0.77-0.02)*100%解得：WC=0.1325%所以根据此含碳量得此钢为亚共析钢。6.一种钢材中含有88%珠光体和12%二次渗碳体，请计算钢中的含量，并确定它是亚共析钢还是过共析钢。解：由杠杆定律有：Wp=88%=(2.11-WC)/(2.11-0.77)*100%解得：WC=0.9308%所以根据含碳量得此钢为过共析钢。7.计算Fe-1.4%C合金在700下各个相及其组分的数量成分。解：含碳量为1.4%的合金属于过共