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工程材料及其成形技术基础第一章 工程材料的结构与性能1-1 说明金属键，离子键，共价键的区别和联系？答：区别：（1）.金属键是金属正离子与自由电子间的静电引力作用,形成金属整体的一种结合方式,其作用有1.使金属显示出良好的导电性;2.使金属具有良好的导热性;3.金属具有正的电阻温度系数;4.使金属显示出良好的塑性;5.使金属具有光泽. （2）.离子键:当正电性金属原子与负电性非金属原子接触时,前者失去最外层电子变成正离子,后者获得电子变成负离子,正,负离子由于静电引力而相互结合成化合物,这种相互作用就称为离子键.离子键有较强的结合力,因此,离子化合物的熔点,沸点,硬度很高,热膨胀系数很小. （3）.共价键:当两个相同的原子或两种不同的原子相互作用时,原子间以形成公用价电子对而结合,这种结合方式称为共价键.共价键结合极为牢固,共价晶体具有高的熔点,硬度,不是导体. 联系:以离子键和共价键强度最强,金属键次之,实际上,只有一种结合键的材料并不多见,大多数材料往往是几种键的混合结合,而以一种结合键为主.1-4 单晶体与多晶体有何差别?为什么单晶体具有各向异性,而多晶体则无各向异性? 答:差别:结晶方位完全一致的晶体称为单晶体,在单晶体中,所有晶胞均呈现相同的位向,故单晶体具有各向异性. 由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体. 原因:在单晶体中,所有晶胞均呈现相同的位向,故单晶体具有各向异性.而因为在多晶体中各个晶粒的位向紊乱,其各向同性,这种现象也称为伪无向性.1-5 何谓点缺陷?对性能有何影响?答:(1).点缺陷是一种在三维空间各个方向上尺寸都很小,尺寸范围约为一个或几个原子间距的缺陷,包括空位,间隙原子,置换原子等. (2).由于晶格点缺陷的出现,可促成周围的原子发生靠拢或撑开的现象,从而造成晶格畸变.晶格畸变使材料的强度,硬度和电阻率增加以及其他力学,物理,化学性能的改变.1-6 何谓刃型位错?位错密度对材料的力学性能有何影响?答:(1).在晶体内的半原子面EFGH就像刀刃一样,使位于ABCD面的上下两部分晶体沿着EF线产生了原子错排. (2).随着位错密度的增高,材料的强度将会显著增加,所以提高位错密度是金属强化的重要途径之一.1-7 主要区别:1置换固溶体与间隙固溶体答:置换固溶体系指溶质原子取代部分溶剂原子而占据着晶格的结点位置所形成的固溶体.溶质原子在溶剂晶格中的分布一般是任意的,无规则的,有时在特定的情况下,溶质原子和溶剂原子会各占据晶格中的一定位置. 间隙固溶体若溶质原子不是占据晶格结点位置而是分布在晶格间隙所形成的固溶体.当溶质元素与溶剂元素的原子直径比D质/D剂0.59时才能形成间隙固溶体.2相组成物与组织组成物答:组织组成物是由合金中各相的形态所构成的. 相组成物是铁素体,奥氏体,渗碳体.1-8 置换原子与间隙原子的固溶强化效果哪一个大些?为什么?答:在同等条件下,间隙固溶体所产生的固溶强化效果要远远大于置换固溶体. 在固溶体中,溶质原子的溶入将会造成晶格畸变,并随着溶质原子浓度的增加,晶格畸变增大,从而导致固溶体的强度和硬度升高,其他性能也发生变化,这种现象称为固溶强化.1-10 陶瓷的典型组织由哪几部分构成?它们对陶瓷性能各起什么作用?答:(1).由晶相,玻璃相,气相组成 (2).晶相:陶瓷的力学,物理,化学性能主要取决于主晶相,陶瓷中的晶相主要有硅酸盐,氧化物和非氧化物. 玻璃相:其主要作用是将分散的晶相粘结在一起,抑制晶粒长大及填充气孔使陶瓷致密等 气相:它常以孤立状态分布在玻璃相中,或以细小气孔存在于晶界或晶内.气孔使组织致密性下降,产生应力集中,导致力学性能降低,脆性增加,并使介电损耗增大,抗电击穿强度下降.因此,应力求降低气孔的大小和数量,并使气孔均匀分布.若要求陶瓷材料密度小,绝缘性好时,则希望有一定量气相存在.1-11 高聚物的分子结构有几种?各有何特征及性能特点?答:(1).有大分子链的形态,大分子的聚集态结构 (2).大分子链的形态 特征:虽然高聚物的分子量很大,但其化学组成往往比较简单,通常是由 C,H,N,O,Si等元素构成,其中碳原子之间通过共价键结合而成的碳链高分子是最重要的高聚物. 性能特点:大分子链的组成不同,高聚物的性能就不同.聚乙烯的性能软而韧,如果以苯环取代链节中的一个氢原子,就成了硬而脆的聚苯乙烯.可见,化学组成是高聚物结构的基础. 大分子的聚集态结构 特征:高分子材料内部大分子链之间的几何排列方式,也称为超分子结构. 性能特征:晶态与非晶态影响高聚物的性能.结晶使分子排列紧密,分子间作用力增大,所以使高聚物的密度,强度,硬度,刚度,熔点,耐热性,耐化学性,抗液性及气体透过性等性能有所提高,而依赖链运动的有关性能,如弹性,塑性和韧性较低.1-13 在什么条件下应用布氏硬度试验比洛氏硬度试验好?答:测定结果较准确,不是成品检验时1-15 解释(1)压电现象 答:对于某些介电材料,当它的尺寸被迫变化时,材料会发生极化,从而形成电势和电场,具有这种可逆行行为的介电材料称为压电体.压电效应用于各种换能器. (2)电致伸缩现象 答:极化作用可以使材料的尺寸发生变化,这种效应叫做电致伸缩. (3).铁电效应 答:当材料在电场中发生极化时,若电场取消后材料仍保持某种剩余极化,这种效应称为铁电效应,这种材料称为铁电体. (4).磁畴 答:磁畴是材料中磁偶极子一致排列的区域.即使没有外磁场的作用,在铁磁材料的晶粒中也存在一种有磁畴组成的亚结构.在从未受到过磁场作用的铁磁材料中,磁畴的方向是无规律的,作为整体来说,其净磁化强度为零.第二章 金属材料的凝固与固态相变2-8 何谓铁素体,奥氏体,渗碳体,珠光体,莱氏体?它们的结构,组织形态,性能等各有何特点?答:(1).铁素体:碳在-Fe中的间隙固溶体,称为铁素体,常用符号F或表示.由于体心立方晶格的间隙很小,因此其溶碳能力差,在600摄氏度时仅溶碳0.0057%,200摄氏度只能溶碳710的-7次方%.铁素体的强度差,硬度低,塑性好. (2).奥氏体:碳在-Fe中的间隙固溶体,称为奥氏体,常用符号A或表示.由于面心立方晶格的间隙较大,因此奥氏体的溶碳能力较强,在1148摄氏度时可溶碳2.11%.奥氏体力学性能与溶碳量及晶粒大小有关,一般说奥氏体也是一种硬度较低而塑性较高的固溶体.常作为各类钢的加工状态. (3).渗碳体:碳与铁的化合物,叫渗碳体,含碳量为6.69%.渗碳体的硬度高,约为800HB,极脆,塑性几乎等于零,熔点为1227摄氏度.由于碳在-Fe中的溶解度很小,所以在常温下,碳在铁碳合金中主要是以渗碳体形式存在. (4).珠光体:共析转变产物称为珠光体,用P表示.珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物,它是铁碳合金特别是各类钢的基本组织(或组织组成物)之一,具有良好的综合机械性能,是工业用钢中的常见组织. (5).莱氏体:共晶转变产物称为高温莱氏体,用Ld表示.莱氏体是奥氏体和渗碳体两相的机械混合物,也是铸铁中的一种基本结构或组织组成物.当高温莱氏体冷至共析温度以下时,其中的奥氏体将转变为珠光体和渗碳体,此时,莱氏体称为低温莱氏体.2-12 简述加热温度和保温时间对钢的奥氏体晶粒尺寸及其冷却后的组织和性能的影响.答:提高加热温度会加速奥氏体的形成,这是由于温度提高会使碳原子的扩撒能力加强.加热速度的增大,可使转变终了温度提高和转变温度范围扩大,并缩短奥氏体的形成时间.继续提高加热温度或在当前温度下保温更长时间,将会发生奥氏体晶粒长大的现象.钢在加热时所形成的奥氏体实际晶粒大小,对冷却后的钢的组织和性能有很大的影响.奥氏体晶粒过大,会使冷去后的钢材强度,塑性和韧性下降,尤其是塑性和韧性下降更为显著.第四章 金属材料热处理4-1 钢材的退火,正火,淬火,回火的目的是什么?各种热处理加热温度范围和冷却方法如何选择?各应用什么场合?热处理后形成的组织是什么?答:目的:退火的目的:(1).降低硬度,改善切削加工性. (2).消除残余应力,稳定尺寸,减小变形与开裂倾向. (3).细化晶粒,调整组织,消除组织缺陷. 正火的目的:(1).对普通碳素钢,低合金钢和力学性能要求不高的结构件,可作为最终热处理. (2).对低碳素钢用来调整硬度,避免切削加工中粘刀现象,改善切削加工性. (3).对共析,过共析钢用来消除网状二次渗碳体,为球化退火做好组织上的准备. 淬火的目的:(1).使钢件获得马氏体和贝氏体组织,以提高钢的力学性能. 回火的目的:(1).消除或降低内应力,降低脆性,防止变形和开裂. (2).稳定组织,稳定尺寸和形状,保证零件使用精度和性能. (3).通过不同回火方法,来调整零件的强度,硬度,获得所需要的韧性和塑性. 加热温度范围和冷却方法 退火:(1).完全退火:钢加热到Ac3以上30-50摄氏度,保温一定时间后随炉冷却到500摄氏度以下,再出炉空冷. (2).球化退火:钢加热到Ac1以上10-30摄氏度,保温较长时间后以极其缓慢的速度冷却到600摄氏度以下,再出炉空冷. (3).扩散退火:一般在Ac3以上150-200摄氏度,长时间保温(10-15h)后随炉缓冷. (4).去应力退火:加热温度低于Ac1以下，一般为500-650摄氏度，充分保温后缓慢冷却至200摄氏度出炉空冷. 4-2 为什么要进行表面淬火?常用的表面淬火方法有哪些?各应用的场合?答:(1).原因:对于承受弯曲,扭转等交变载荷及冲击载荷并在摩擦条件下工作的零件,如齿轮,轴类等,不但要求表面有较高的强度,硬度,耐磨性,疲劳强度,还要要求零件心部有足够的塑性和韧性,以使零件的表面和心部实现良好的性能配合.普通热处理方法不能满足这些性能要求,生产上常用表面淬火的方法. (2).有感应加热表面淬火,火焰加热表面淬火等方法. (3).感应加热表面淬火:加热速度快,加热时间只需要几秒或几十秒,生产效率高.而且工件表面氧化脱碳少,变形小,工件表面质量高.由于表面层存在较大残余压应力,可提高工件疲劳强度.淬火加热温度及淬火层深度容易控制,便于实现机械化和自动化. 火焰加热表面淬火:火焰表面淬火零件的材料常用中碳钢及中碳合金结构钢(合金元素含量3%),还可以用于灰铸铁,合金铸铁进行表面淬火.火焰表面淬火方法设备简单,操作方便,成本低,适用于单件,小批量生产的大型零件和需要局部淬火及外型复杂的工具和零件.4-3 淬透性与淬透层深度,淬硬性有哪些区别?影响淬透性因素有哪些?答:(1).钢的淬透性是在规定的淬火条件下,决定钢材淬硬深度和硬度分布的特征.通常用在规定的淬火条件下(工件尺寸,淬火介质)所能获得的淬硬层深度来表示. 淬硬层深度是从淬硬的工作表面量至规定硬度值处的垂直距离. (2).钢的淬透性是用规定条件下获得淬硬层深度来表示的,钢的淬透性与淬硬层深度之间并不是同一个概念,钢的淬透性是钢材本身所固有的属性,它不受其他外部工艺条件的影响,而钢的淬硬层深度虽然取决于钢的淬透性,但规定条件如果改变,淬透性高的钢材淬硬深度不一定深.钢的淬透性是指钢在淬火时所能获得的最高硬度,淬硬性大小主要决定于马氏体的含碳量.马氏体含碳量越高则淬硬性越高.在马氏体含碳量相同的条件下,马氏体量越多,则淬硬性越高.淬硬性是反映钢材在淬火时的硬化能力.4-4 化学热处理的基本过程是什么?常用的化学热处理方法有哪些?各自的目的是什么?答:基本过程:(1)活性原子的产生 (2)活性原子的吸收 (3)活性原子的扩散 方法:渗碳,渗氮,碳氮共渗,渗硼,渗金属 目的:渗碳:为了增加钢件表面的含碳量和一定