工程材料基础答案

工程材料基础答案工程材料基础答案 工程材料基础 课程习题答案Edit byLevel10vehicle engineeringclass two 邓洪达于盗版抄袭 欢迎继续山寨侵权 From piratedcopy wele tocontinue thestronghold ofinfringement第一章材料的基本结构与性能1 工程材料按照性质 不同或用途不同 如何进行分类 page绪论 答按性质分类1 金属 黑色 有色 材料 2 无机非金属材料 3 高分子 高聚物 材料 4 复合材料 按用途分类1 结构材料 2 功能材料 2 各种结合键有何特点 其所构成的物质有何性能特点 材料的性 能主要取决于哪些因素 page5 6 答离子键结合力较强 较高的熔点 硬度 弹性模量 以及较低的热膨胀系数和较低的导 热系数 不导电性 熔融态导电性 较低的密度 共价键结合力很强 电子不能自由运动 饱和性 方向性 较高的熔点 硬度 弹性模量和低的热膨胀系数以及不导电性 较低的密度 金属键无饱和性 无方向性 较好的导电和导热性 较高的密度 范德华健静电力 诱导力 色散力 没有方向性和饱和性 结合力小 氢键具有方向性和饱和性 结合力比范德华健要强 性能取决于1 组成材料的原子 离子 或分子之间的结合键类型 2 组成材料的原子 离子或分子在三维空间的堆积排列状态 即材 料的微观结构 3 材料的微观组织 即材料中同种或异种原子 离子或分子所形成 的各种聚集体的形貌 大小及其分布等 3 金属材料 陶瓷材料 高分子材料在结构和性质上的主要差别是 什么 page7 答材料类型结合键熔点弹性模量强度和硬度塑性和韧 性导电和导热性耐热性耐蚀性其他金属材料以金属键为主较高较高 较高良好或较差良好较高一般密度大热膨胀系数较大陶瓷材料离子 键或共价键高高抗拉强度较低 抗压强度和硬度高差绝缘导热性差 高高密度小热膨胀系数小高分子材分子内为共价较低较低较低变化 大绝缘导热较低高密度小热膨胀料键 分钟间为分子键性差系数大 易老化4 何谓晶体 晶体结构 晶格 晶胞和非晶体 page8 答晶 体指其构成原子或离子 分子在三维空间呈现出周期性规则堆积排 列的固体 晶体结构不同晶体中的原子或离子 分子排列的规则往往不同 将 晶体中原子或离子 分子具有的自有特征的规则排列称为该晶体的 晶体结构 晶格对于由原子或离子构成的金属和无机非金属而言 可将其构成 原子或离子视为质点 将这些分布于三维空间的质点按一定的规则 以直线相连便构成由质点和直线形成的三维空间格子 称其为晶格 晶胞将按照一定的规则从晶体中取出的能够完全反应晶体原子或离 子排列规则的最小晶体单元称为晶胞 非晶体指其构成原子或离子 分子在三维空间呈现无规则堆积排列 的固体 5 布拉菲点阵有多少种 描述其几何特征的参数是什么 page9 答 14种 abc 表示xyz轴的晶胞棱长 表示各坐标轴之间的夹角 立方晶系 简单立方 体心立方 面心立方 四方晶系 简单四 方 体心四方 菱方晶系 简单菱方 六方晶系 简单六方 正交晶系 简单正交 低心正交 体心正交 面心正交 单 斜晶系 简单单斜 底心单斜 三斜晶系 简单三斜 5 何谓晶面 晶面族 晶向 晶向族 如何确定晶面和晶向指数 page10 11 答晶面在晶格中 任意取至少三个原子便可构成一个平 面 这种由原子构成的平面称为晶面 晶面族将这些原子排列完全相同 仅仅是空间位向不同的晶面称为 一个晶面族 晶向在晶格中 任意取至少两个原子便可构成一个晶体中的方向 将这种由一列原子构成的方向称为晶向 晶向族将这些原子排列完全相同 仅是空间位向不同的晶向称为一 个晶向族 确定晶面指数 在晶格中 选取晶胞的一个顶点为原点 以晶胞的三 条棱为坐标轴建立坐标系 在晶胞中找出所要标识晶面与各坐标轴的相交点 确定需标识晶面 在各坐标轴上的截距 取各截距的倒数 将各截距倒数按对应的xyz轴的顺序排列 并以公约数化为最小整 数后 置于圆括号内 确定晶向指数 在晶格中 以晶胞的一个顶点为原点 以晶胞的三条 棱为为坐标轴建立坐标系 找出需标识晶向在各坐标轴上的投影 将各投影按xyz轴的顺序排列 并以公约数化为最小整数后 置于 方括号内 6 体心 面心 密排六方晶体结构有何特点 page18 19 答体心立 方晶体结构晶胞常数a b c 晶胞内原子个数 2 致密度 0 68 面心立方晶体结构a b c 晶胞内原子个数 4 致密度 0 74 密排六方晶体结构晶胞内原子个数 6 c a 1 633时 致密度 0 74 7 何谓单晶体和多晶体 为什么单晶体具有各向异性 而多晶体往 往没有各向异性 page11 答单晶体晶体中的原子完全按照一种规 则排列 且原子规则排列的空间取向完全一致 则该晶体称为单晶 体 多晶体晶体中虽然原子排列的规则完全相同 但晶体中不同部分之 间的原子规则排列的空间取向存在明显不同 则称其为多晶体 对于单晶体 由于沿着其不同晶向上的原子排列密度往往不同 导 致沿不同晶向上晶体的物理 力学等性质出现差异 将这种沿晶体 不同方向性质不同的现象称为晶体的各向异性 对于由众多晶粒组成的多晶体 由于其各个晶粒的空间位向呈随机 分布 因此沿多晶体任意方向测出的性质均为各晶粒沿不同方向性 质的平均值 所以在一般情况下 多晶体没有明显的各向异性 但当由于某些原因如大变形量的塑性变形 使多晶体内各晶粒的空 间取向趋于一致时 多晶体也可表现出各向异性 7 何谓点缺陷 线缺陷 位错 和面缺陷 他们在晶体中存在形式 有哪些 page12 17 答点缺陷晶体中一类三维空间尺度都很小的晶体缺陷 空位 间隙原子 线缺陷晶体中一类二维空间很小 而在一维空间尺度上较长的晶体 缺陷 通常称其为位错 正 负 刃型位错 左 右 螺型位错 混合型位错 面缺陷晶体中一类一维空间很小 而在二维空间尺度上较长的晶体 缺陷 晶界 亚晶界 相界面 表面 8 位错的运动形式有哪些 阻碍位错运动的因素有哪些 page14 16 答刃型位错的运动形式有滑移和攀移两种 螺型位错的运动形式只有滑移 晶体结合键强度越高 点缺陷 线缺陷密度越大 面缺陷的总面积 以及第二相粒子的数量越多 对位错运动的阻碍越大 9 溶质原子与位错之间的相互作用对溶质原子在晶体中的分布有何 影响 对位错的运动有何影响 答P21溶剂晶格中溶入其他异类原子 形成固溶体后 固溶原子产生的畸变应力场会与位错的畸变应力场 相互作用 使间隙固溶原子以及尺寸大于溶剂原子的置换固溶原子 趋于分布于位错附近的拉应力区 使尺寸小于溶剂原子的置换固溶 原子趋向分布于位错附近的压应力去 以此降低晶格畸变能 当晶体中位错因外力作用运动时 将改变位错与固溶原子所形成的 上述低畸变能状态 使晶体的畸变能增加 增加的畸变能需要通过 增大外力来提供 表现为使位错运动 也即使晶体塑性变形更为困 难 从而使晶体的强度较无固溶原子时得到提高 10 点缺陷和位错对晶体的强度 硬度 塑性 韧性 电阻率等有何 影响 page13 16 答点缺陷一般情况下 点缺陷数量的增加将提高 材料的强度 降低材料的塑性和金属的导电性以及耐蚀性等 位错通常 晶体材料在室温下的塑性变形主要是由位错滑移所引起 的 位错密度极低时表现出高强度 密度过高时也会表现出较高的强度 存在适当密度的位错时 晶体最易塑性变形而具有较低的强度 11 非晶态材料的原子排列有何特点 其是否处于稳定状态 page1 7 18 答将组成原子或离子 分子等处于无规则排列的固态物质称为 非晶态 其构成原子 离子或分子规则排列时的能量体系比非规则排列时的 体系能量低时 才有可能以晶体形式存在 另一个前提是驱动力必须大于阻力 由于非晶态不是能量最低的状态 因此 非晶态金属内部原子的能 量高于晶态金属 属于亚稳定状态 12 晶体中有哪些面缺陷 为什么表面易吸附其他物质 答面缺陷有 晶界 亚晶界 相界面 表面等也被视为晶体的面缺陷 晶体表面具有表面能 因而将会自发的吸附外来原子或分子以降低 表面能 13 何谓合金 合金中相 组织的概念是什么 答把由两种或两种以 上的金属与金属或金属与非金属所形成的具有金属特性的物质称为 合金 将化学结构 物理状态 晶体结构和性质相同 均一 且有明显界 面与其他不同部分分隔开的部分称为一个相 合金中的组织指用金相分析的方法 在合金内部看见的有关晶体或 晶粒大小 方向 形状 排列状况等组成关系的构造情况 14 何谓固溶体 其晶体结构与其组元有何关系 答在固态下 原子 数量较少的组元原子以类似于溶液的方式溶解在原子数量较多的组 元内 形成所谓固溶体 在固溶体中 将原子数量占多数的组元称为溶剂 原子数量少的组 元称为溶质 15 何谓置换固溶体 间隙固溶体 无限固溶体和有限固溶体 答置 换固溶体溶质原子占据溶剂原子应占位置的固溶体 间隙固溶体溶质原子占据晶格间隙位置的固溶体 无限固溶体溶质与溶剂原子可以以任意比例互溶 即溶解度没有限 度的固溶体 有限固溶体溶质原子溶解度有一定限度的固溶体 16 纯金属与其固溶体相比 哪一个强度更高 为什么 答固溶体 强度更高 因为当晶体中位错因外力作用运动时 将改变位错与固溶原子所形 成的低畸变能状态 使晶体的畸变能增加 增加的畸变能需要通过 增大外力来提供 表现为使位错运动 也即使晶体塑性变形更为困 难 从而使晶体的强度较无固溶原子时得到提高 17 何谓金属间化合物 其晶体结构与其组元有何关系 答由金属 组元原子与其他组元原子相互作用形成具有金属特性的化合物 称 为金属间化合物 其晶体结构复杂 且不同于其组元的晶体结构 18 常见金属间化合物有哪几种 各有何特点 金属间化合物可以 由金属与金属 金属与非金属构成 其晶体结构复杂 且不同于其 组元的晶体结构 由于存在离子键或共价键 金属间化合物具有较高的硬度和熔点 较大的脆性 同时 由于具有部分离子键 金属间化合物具有一定的金属特性 由于为化合物 金属间化合物的成分可用分子式来表示 但由于有 些金属间化合物本身作为一个组元还可以溶解构成该化合物的组元 原子或其他原子 形成所谓二次固溶体 因此 这些金属间化合物 的成分又可以在一定的范围内变化 21页 19 固溶体和金属间化合物对合金的力学性能有何影响 固溶体使 晶体的强度较无固溶原子时得到提高 强度提高的幅度随固溶原子 数量的增加而增大 该现象称为固溶强化 金属间化合物也可以提高材料的硬度和强度 是金属材料中普遍应 用的重要强化相 21页 20 何谓同素异构 同分异构现象 构成元素相同但具有不同晶体 结构的现象称为同素异构现象 有些化合物分子式相同 但组成原子可以排列成不同的晶体或分子 结构 此现象称为同分异构现象 22页 21 何谓陶瓷 其主要组成相有哪些 其性能取决于什么相 陶瓷 属于无机非金属材料 无机非金属材料是指化学组成主体为无机化合物和非金属元素单质 的一类材料 晶体相 玻璃相 气孔也称气相 其中晶体相是决定陶瓷性能的主 要因素 22 为什么陶瓷中位错的密度低于金属中 且陶瓷中位错的滑移系 少于金属中 由于陶瓷主要是以结合力强的离子键或共价键结合 所以在陶瓷中形成点缺陷 位错等晶体缺陷所需要的能量远高于金 属中 似的陶瓷中点缺陷 位错形成较为困难 其密度显著低于金 属中 23页 23何谓高聚物 构成高聚物分子的原子之间以何种结合键 相连 高聚物分子之间以何种结合键相连 高分子化合物 也成聚 合物或高聚物 是由许多相同且结构简单的基本结构单元通过共价 键重复连接而成的高分子链 共价键 范德华键或氢键 24页 24 为什么高聚物在高温下易软化 答线性 高分子链间无化学键连接 分子间可相对移动 从而使由其所形成 的高分子材料在溶剂中能够溶解 有良好的弹性和塑性 加热可熔 化 具有热塑性 25 何谓高聚物的结构单元 高聚物大分子链有哪几种几何形态 其 几何形态与高聚物的力学性质有什么关系 答结构单元组成一个高 分子的基本结构单元 3种 线性高分子 支链型高分子 交联型高分子 线性高分子有良好的弹性和塑性 支链型的支链使高分子材料的密 度 弹性 强度下降 交联型高分子有良好的尺寸稳定性 强度较 高 但塑性低 脆性大 26 为什么高分子可以呈现卷曲状态 答由于热运动 高分子链的构 象时刻在改变 27 何谓高聚物的聚集态结构 答是指高分子聚集在一起所形成的几 何结构 28 高分子材料的结晶度对高分子材料的硬度 强度 密度 耐热性 塑性 弹性等有何影响 答高分子聚合物的结晶度越高 则其硬 度 强度 密度 耐热性等越高 而塑性 弹性越低 29 何谓复合材料 其主要组成有哪些 答复合材料是由两种以上物 理 化学性质不同的物质经人工复合所形成的多相材料 主要相分为两类 一类是构成复合材料基本并黏结其他各相形成复合材料形状的连续 相 称其为基体相 另一类是在复合材料中起改善或调节复合材料力学 物理或化学性 能作用的复合相 第二章材料的基本性能 1 材料的强度指标有哪些 其含义是何 答强度指标有屈服强度 抗拉强度 疲劳强度 高温强度等 2 何为材料的刚度 弹性模量对于材料来讲具有什么应用意义 答 弹性模量 E 是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标 工程上将其称 为材料的刚度 弹性模量是工程材料重要的性能参数 从宏观角度来说 弹性模量 是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度 从微观角度来说 则是 原子 离子或分子之间键合强度的反映 凡影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模量 如键合方式 晶 体结构 化学成分 微观组织 温度等 因合金成分不同 热处理状态不同 冷塑性变形不同等 金属材料 的杨氏模量值会有5 或者更大的波动 但是总体来说 金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性 能指标 合金化 热处理 纤维组织 冷塑性变形等对弹性模量 的影响较小 温度 加载速率等外在因素对其影响也不大 所以一 般工程应用中都把弹性模量作为常数 3 影响金属 陶瓷 高分子材料弹性模量的最主要因素有哪些 答 金属几乎无影响 陶瓷陶瓷纤维组织中存在的气孔会对陶瓷的弹性模量产生影响 高分子弹性模量对其祖师结构变化非常敏感 4 材料的塑性指标有哪些 塑性对于材料有何重要意义 答断后伸 长率和断面收缩率 良好的塑性使其能承受各种塑性加工成型 塑性是塑性加工成型的 重要指标量 同时 金属材料的塑性变形能力可提高其使用安全性 防止发生脆 性断裂 因为塑性变形课使过载应力得到松弛 5 何为材料的硬度 常用的测试材料硬度的方法有哪些 其适用范 围如何 答硬度是表征材料软硬程度的一种性能 其物理意义随试 验方法不同而不同 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 P35 6 材料受冲击的能力用何性能指标表示 温度对材料的耐冲击性能 有何影响 答冲击韧度 多数材料的耐冲击性能随温度下降而减少 这就是低温脆性 也称 为 冷脆 7 何谓断裂韧性 有何实际意义 断裂韧性又称断裂韧度 是断裂 力学中提出的表征材料抵抗裂纹失稳扩展能力的韧性指标 实际意义为零构件的设计和使用提供了一个重要的安全性指标 根据材料K IC的大小 可判断裂纹体在一定工作应力下会否发生裂纹失稳扩展 而引起的断裂 也可根据工作应力来确定允许存在的最大裂纹尺寸 8 何谓疲劳断裂 零构件在交变应力长期作用下 即使最大工作应 力值低于材料的屈服强度 也有可能发生突然断裂 9 何谓材料的蠕变 产生机制是什么 蠕变材料在长时间高温 恒 应力作用下产生塑性变形的现象 产生机理很复杂 其中 高温促 使原子活动能力增强而引起晶界在应力作用下产生滑动是重要原因 之一 10 何谓黏弹性 有何实际应用意义 黏弹性在弹性范围内快速加 载或卸载后 随时间延长产生附加弹性应变的现象 11 耐磨性主要取决于哪些因素 材料成分 表层硬度 硬化层深 度 摩擦系数 弹性模量 摩擦副的相对性质等 12 何谓电极化现象 压电现象 电致紧缩现象 电极化在电场作 用下材料中的原子或分子的正 负电荷中心分离 形成偶极子 这 种偶极子连同材料中原有的永久偶极子一起沿电场方向排列 材料 就被电极化了 压电某些介电材料受外力作用时产生极化从而在两端形成电势 电致紧缩某些介电材料在电场作用下发生极化时会引起材料尺寸发 生明显变化 13 根据对外加磁场的反应 可将物质分为哪几类 各有什么特点 答 P44 1 抗磁性物质 抗磁性物质的X0 3 反铁磁性物质 反铁磁性物质的X 0 反铁磁性的特征表现为在某温度Tn 涅耳点 一下 物质中磁矩分层排列 同一层中磁矩平行且同向 相邻两层 的磁矩大小相等但反向排列 互相抵消 4 铁磁性物质 铁磁性物质的X 0 且数值很大 其磁矩在外磁场作用下很容易沿外磁场方向排列产生与外磁场同向 且很强的磁化强度 5 亚铁磁性物质 亚铁磁性物质的X 0 显著高于顺磁性 这类物质中的磁矩与反铁磁性类似 也因自发磁化分层反向排列 但反向排列的磁矩大小并不相等 所以不能完全抵消 保留有静磁 矩 14 什么是硬磁材料和软磁材料 答 P45 将磁化饱和和并去除外 磁场后剩磁很低的材料称为软磁材料 将剩磁很高并可长期保持的 材料称为硬磁材料 15 何谓物质的特征光谱 答一定元素发出的光 或通过某种元素 的光 在光谱上显出特定的亮色带或暗带 16 如何防止材料的电化学腐蚀 答保持材料周围环境的干燥 降 低水气的含量 而且应该让材料在氧含量低的环境中工作 避免与 酸性物质接触 17 如何提高金属材料的抗氧化能力 答 P47 金属表面形成致密 的氧化物层 牢固的覆盖在金属表面上 于是就形成了一层保护层 使氧气不能再与金属接触 这样就阻止了金属的继续氧化 提高 了金属零部件的抗氧化性能 18 什么是材料的工艺性能 其有何重要意义 答材料的工艺性能 是指材料承受各种加工 处理的能力 1 铸造性能指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能 主要包 括流性能 充满铸模能力 收缩性 铸件凝固时体积收缩的能力 偏析指化学成分不均性 2 焊接性能指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法 把两个 或两个以上金属材料焊接到一起 接口处能满足使用目的的特性 3 顶气段性能指金属材料能承授予顶锻而不破裂的性能 4 冷弯性能指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能 弯曲程度一般用弯曲角度 外角 或弯心直径d对材料厚度a的比 值表示 a愈大或d a愈小 则材料的冷弯性愈好 5 冲压性能金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力 在常温进行冲压叫冷冲压 检验方法用杯突试验进行检验 6 锻造性能金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能 力 第三章金属材料的塑性变形 1 何谓塑性变形 晶体塑性变形的主要方式有哪些 答 P49 材 料由外力引起的不可恢复的永久变形称为塑性变形 金属单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生两种机制进行 2 何谓晶体的滑移系 组成滑移系的滑移面和滑移方向有何特点 答滑移面和滑移方向的组合被称为滑移系 滑移面通常为晶体中的原子密排面 而滑移方向通常为晶体中原子 最密排方向 3 金属晶体中滑移系的多少对金属的塑性有何影响 答晶体的滑移 系数目越多 其塑性越好 4 何谓分切应力和临界分切应力 何谓 软取向 和 硬取向 答分切应力多晶体中 各晶粒在滑移面上沿滑移方向所受到的实际 切应力分量 临界分切应力当切应力达到某临界值时使晶面两侧的晶体产生相对 滑动从而产生塑性形变的分切应力 软取向某些取向合适的晶粒在滑移面和滑移方向上所收的分切应力 可能满足临界应力条件而优先产生位错运动被引起晶体滑移 这样 的晶粒取向被称为 软取向 硬取向一些晶粒由于取向的原因沿滑移面和滑移方向上的切应力还 没有达到发生滑移的临界应力条件 这些晶粒暂时还不能产生滑移 变形 这样的晶粒取向被称为 硬取向 分切应力和临界分切应力书上没明确定义 P51 5 多晶体中晶粒取向对晶体塑性变形有和影响 答晶粒取向的 不同使多晶体的塑性变形表现出很大的微观不均匀性 6 晶界对晶体塑性有何影响 答晶界的存在是塑性变形抗力提高 表现出强化效果 7 为什么细化晶粒可以提高金属强度 并改善金属的塑性和韧性 答利用细化晶粒可以增加晶粒的数量 使处于软取向的晶粒更多 分布更均匀 从而使塑性变形过程中 各晶粒变形的先后 变形量 的大小 变形的分布更为接近和均匀 从而可推迟裂纹的萌生 延 缓材料的断裂 改善材料的塑性 书上只有塑性 没提到韧性 P52 3 8晶粒大小对材料的高温抗蠕变性能有何影响 答晶粒大小对蠕变过 程也有很大影响 在低温时晶界强度比晶粒高 晶界和晶粒强度随 温度升高而降低 但晶界强度降低比晶粒快 所以到一定高温时 晶界强度反而比晶粒低 存在一个等强温度或 温度范围 低于此温度范围细晶粒材料蠕变强度较高 高于此温度范围则粗晶 粒材料蠕变强度较高 高温蠕变时 晶界要产生显著的滑动 见范性形变 晶界滑动在 材料的蠕变变形中总是占有较大的比例 温度愈高 晶粒愈小 晶 界滑动引起的变形比例也愈大 所以 在高温下 细晶材料的蠕变速率总是比粗晶高 3 9金属中第二相粒子大小 数量对塑变变形有何影响 答位错滑移是 塑形变形的一种 当位错在晶体中华裔遭遇第二相粒子时会受其阻碍 这种阻碍的大小取决于第二相粒子的性质 大小和数量 对于较硬 不易变形的第二相粒子 粒子数量越多 粒径越小 其 阻碍位错滑移的作用越强 对于较软 易变形的第二相粒子 粒子 数量越多 粒径越大 其阻碍位错滑移的作用越强 P523 10何谓形变强化 其机理是什么 答形变强化 即加工硬化 金属 进行冷变形时 随着变形程度的增加 其强度和硬度会逐渐增大 而塑形却会逐渐降低 这种现象被称为加工硬化或冷作硬化 其产生机理主要与位错有关 塑性变形引起金属中位错及点缺陷密度增加 使位错间的相互缠结 和钉扎作用 点缺陷对位错的钉扎作用增强 导致位错进一步滑移 更为困难 若要使塑性变形继续进行 则必须增加外力以克服位错滑移的阻力 这就形成了加工硬化现象 P543 11塑性变形后 金属的内部组织 性能有何主要变化 答 1 组织晶粒发生滑移 产生位错 而在切应力作用下 其一部分将 沿一定的晶面 孪晶面 产生一定角度的切变产生孪晶 从而使晶粒拉 长 破碎和纤维化 内部产生了残余应力等 2 性能使金属的强度和硬度升高 塑性和韧性降低 从而使其相关 的机械性能发生改变 百度3 12塑性变形可产生哪些残余应力 残余应力有何危害和可利用之处 如何消除残余应力 答塑性变形会产生三种残余应力第一类残余 应力 也称宏观残余应力 第二类残余应力 也称微观残余应力 第三类残余应力 也称点阵畸变 残余应力的存在往往会降低工件的承载能力 使工件的尺寸和形状 发生彼岸花 降低工件的耐蚀性 工业生产中常用去应力退货的热处理工艺消除工件中的残余应力 有时也可利用残余应力 如利用便面残余压应力可在一定程度上抑 制表面疲劳裂纹萌生 提高材料疲劳强度 P543 13经冷塑性变形的金属在加热到一定温度时 其组织和性能会发生 哪些主要变化 为什么 答1 热加工能使铸态金属中的气孔 疏松 微裂纹焊合 提高金属的致密度 减轻甚至消除树枝晶偏析和改 善夹杂物 第二相的分布等 提高金属的机械性能 特别是韧性和 塑性 2 热加工能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶 并通过再结晶 获得等轴细晶粒 而使金属的机械性能全面提高 但这与热加工的变形量和加工终了温度关系很大 一般来说变形量 应大些 加工终了温度不能太高 3 热加工能使金属中残存的枝晶偏析 可变形夹杂物和第二相沿金 属流动方向被拉长 形成纤维组织 或称 流线 使金属的机械 性能特别是塑性和韧性具有方向性 纵向上的性能显著大于横向上 的 因此热加工时应力求工件流线分布合理 百度3 14何谓回复 再结晶 对应于回复 再结晶过程 冷变形金属的组 织和性能将相应发生何种变化 答回复冷变形金属在低温加热时 其显微组织无可见变化 但其物理 力学性能却部分恢复到冷变形 前的过程 其组织变化纤维组织仍为纤维状 无可见变化 性能变化强度 硬度略有下降 塑形略有提高 再结晶冷变形金属被加热到适当温度时 在变形组织内部新的无畸 变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒 而使形变强化效应完全消除的过程 其组织变化变形晶粒通过形核长大 逐渐转变为新的无畸变的等轴 晶粒 其性能变化强度 硬度明显下降 塑形明显提高 百度 P 5615 何谓再结晶温度 当温度足够高时 金属原子获得更多能量 将发生再结晶 金属能够发生再结晶的最低温度称为金属的最低再结晶的最低再结 晶温度 它与金属的熔点T熔存在关系T再 0 4T熔 16 冷变形金属发生回复 再结晶的驱动力是什么 回复发生的驱 动力是变形储存能的下降 再结晶发生的驱动力是金属中变形储存 能的释放 17 金属的形变强化还有何利弊 如何利用和消除形变强化 1 产生加工硬化 产生残余应力 出现各向异性 物理化学性能的 变化 2 通过加工硬化可以是金属材料在使用状态下获得高的承载能力 在冷冲压 冷挤压 冷轧制等加工过程中获得高的尺寸精度和良好 的表面质量 加工硬化也会给金属加工带来困难 造成生产效率的降低和生产成 本的提高 残余应力的存在往往会降低工件的承载能力 使工件的尺寸和形状发生变化 降低工件的耐蚀性 生产中常用去应力退火的热处理工艺消除工件中的残余应力 各向异性会使零件边缘出现制耳现象 发生物理 化学性能的变化会使金属密度下降 化学活性增加 造 成耐蚀性下降 18 为什么在高温下 金属的晶粒会长大 在高温下 晶粒的边界 会向相邻的晶粒中迁移 把相邻晶粒晶格中的原子排列的位向调整 成与这个晶粒本身的位向相同 表现为相邻晶粒逐渐被该晶粒 吞 并 而合成为一个大晶粒 19 何谓冷变形和热变形 为什么往往将金属加热到高温进行塑性 变形 1 冷变形是在金属最低再结晶温度一下进行变形 热变形是指在最 低再结晶温度以上进行的变形 2 金属的塑性加工常常在高温下采用完全热变形 这样能以较小的 能量获得较大的变形 并且可以获得均匀 致密的组织和力学性能 优良的产品 20 金属塑性变形时形成的纤维组织对金属力学性能有何影响 纤 维组织的存在对金属的力学性能 特别是冲击韧度有一定影响 21 对金属进行加工时 应如何考虑纤维组织的分布 1 零件工作 时的正应力方向与纤维方向应一致 切应力方向与纤维方向垂直2 纤维的分布与零件的外形轮廓应相符合 而不被切断22 何谓金属的 塑性加工性能 其用何种指标加以衡量 金属在外力作用下 能稳 定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力 指标为伸长率 和断面收缩率 23 影响塑性加工性能的 主要因素有哪些 如何影响 化学成分以钢为例 C 塑性 P S N等杂质 塑性 金相组织单相组织塑性优于多相 细晶粒的塑性优于粗晶粒 变形温度一般规律是温度 塑性 但由绝对零度上升到熔点时出 现低温 中温 高温区脆性 塑性 变形速度决定于设备的工作速度 一般是变形速度 塑性 变形速度 温度效应 变形体温度 尤其对冷变形影响较 大 结果在变形体内产生附加内应力 塑性 变形区 质量 薄 板出现折皱 24 为什么陶瓷材料不易塑性变形而且表现为脆性材料 陶瓷材料主 要以共价键和离子键键合 共价键具有方向性 使晶体具有较高的 抗晶格畸变 阻碍位错的能力 离子键晶体结构的方向性虽然不明显 但滑移系受原子密排面和密 排方向的限制 还受静电作用力的限制 其实际可动滑移系较少 同时 陶瓷材料因制备其内部不可避免地存在气孔 微裂纹 使得 绝大多数陶瓷材料在室温下进行拉伸或弯曲时均不产生明显的塑性 变形 其应力应变曲线呈现出脆性断裂的特征 第四章材料的凝固与二元合金相图1 什么是凝固 什么是结晶 什 么是结晶过冷度 结晶的驱动力是什么 凝固是指物质由液转变为 固相的过程 当物质由液相经凝固转变为原子或分子呈规则排列的晶体时 该凝 固过程便称为结晶 结晶过冷度为理论结晶温度和实际结晶温度的差 结晶的驱动力是液相和固相状态之间的自由能差 2 非晶体和晶体的凝固有何不同 晶体的凝固是物质由液相经凝固 转变为原子或分子呈规则排列的晶体的过程 而非晶体的凝固只是 一个材料黏度极度增大的过程 3 结晶由哪两个基本过程组成 影响结晶后结晶大小的因素有哪些 金属的结晶包含固相形核固相长大两个过程 影响晶粒长大的因 素包括升降温度 时间以及气氛 4 结晶形核有那些方式 那一种形核方式更易形核 为什么 均匀 形核和非均匀形核两种方式 非均匀方式更易形核 若形成具有相同曲率半径的晶核 非均匀形 核所导致的界面能增量小于均匀形核 所需克服的 界面能形核障 碍 低于均匀形核 从而使非均匀形核所需要的过冷度小于均匀形 核 也就较均匀形核更容易 5 晶核的长大方式有哪些 纯金属是在正的温度梯度和负的温度梯 度下各以什么方式长大 平面状长大和树枝状长大 纯金属在正的温度梯度下是以平面状方式长大 在负的温度梯度下 是以树枝状方式长大 6 何为成分过冷 其产生原因是什么 合金结晶时先形成的孤星张 高熔点组元的含量总是高于未结晶的液相 使得合金长大时将向附 近的液相排出较多的低熔点组元 从而使晶核附近的液相成分呈梯 状分布 这将导致在晶核附近一定范围的液相中 离晶核的固 液界面越远 液相理论结晶温度越高的现象 这种现象就是成分过 冷现象 7 合金在正的温度梯度和负的温度梯度下各可能通过什么方式长大 为什么 在正的温度梯度下 当合金结晶晶核附近存在成分过冷 区时 晶核将以树枝状方式长大 在负的温度下梯度下也将以树枝状方式长大 8 影响晶核形核率和长大率的因素主要有那些 如何影响 过冷 度金属结晶时过冷度越大 则其由液相转变为固相的驱动力越大 在一定的过冷度范围内 增大过冷度将提高结晶形核率和晶核长大 率 非均匀形核当液相中存在大量不熔固相质点时 可诱发明显的非 均匀形核 促使液相在较小的过冷度下便开始结晶 同时 大量的非均匀形核还可显著提高结晶形核率 从而促使结晶 过程的完成 9 如何控制结晶后晶粒大小 金属的晶粒大小有何重要性 在金属 结晶的过程中 提高形核率和降低晶核长大率有利于降低晶粒的尺 寸 金属结晶后的晶粒大小对金属的性能有显著影响 如晶粒越细小 金属表现出强度越高 塑性越好 10 热力学平衡是何含义 所谓平衡相 状态 图 热力学平衡热力 学平衡实际上包括了热平衡 力学平衡 相平衡和化学平衡 1 热平衡指体系的各部分没有热的传递 2 力学平衡指体系的各部分没有因力的作用而变生形变 3 相平衡体系中不会发生新相的生成和旧相的消失 4 化学平衡体系中不会发生净的化学反应过程 平衡相图反映物质体系在不同外界条件下处于平衡状态时 其存在 的形式及内部组成相的种类 成分及相对数量的图 11 固溶体结晶有何特点 固溶体结晶特 结晶在一个温度范围内完 成选分结晶结晶出的固相与共存液相的成分不同 结晶过程中固相和液相的成分不断变化 先凝固固相中高熔点组元 的百分比高于未凝固液相 平衡凝固时 充分扩散使凝固结束后各晶粒内成分相同 12 何谓晶内 枝晶 偏析 若合金的冷却过程较快 其在高温下停 留时间较短 则晶粒内部的成分不均匀性将被保留下来 这种晶粒 内部的成分不均匀的现象称为晶内偏析 当晶粒为枝状晶时 也称 枝晶偏析 13 何谓匀晶 共晶 包晶 共析转变 匀晶转变如对成分为C的合 金 当其从液态冷却至温度T1时 合金开始发生结晶 液相中首先 会结晶出极少量的固相 这种从液相中直接结晶出一种固相的转变 称为匀晶转变 二元共晶转变 一定温度 共晶温度 下 由一定成分 共晶成分 的液相中同时结晶出两种一定成分的固相的转变 包晶转变在恒定温度下 由一种确定成分的液相与一种确定成分的 固相相互作用而生成另一种具有确定成分的固相的转变称为包晶转 变 共析转变 一定温度 共析温度 下 由一定成分 共析成分 的固 相中同时析出两种一定成分的固相的转变 14 匀晶 共晶 包晶 共析相图中典型成分合金冷却过程的相变和 组织变化有何不同 详见P71 P77 匀晶转变共晶转变L E C D 包晶转变L c p D共析合金 c a b 析 析15 如何 利用相图来大致判断合金的性能 P77 P78第三节所有内容 16 何谓铁素体 渗碳体 奥氏体 珠光体 一次渗碳体 二次渗碳 体 三次渗碳体 铁素体 相是碳溶解于 Fe中形成的间隙固溶体 也称铁素体 用符号 或F表示 渗碳体Fe3C是Fe与C形成的一种具有复杂结构的间隙化合物 通常称 为渗碳体 奥氏体 相是碳溶解于 Fe中形成的间隙固溶体 也称奥氏体 用符号 或A表示 珠光体共析转变生成 和Fe3C机械混合物称为珠光体 用符号P表示 一次渗碳体由液相中结晶出的Fe3C称为一次渗碳体 以Fe3C 表示 二次渗碳体含碳量大于0 77 的Fe Fe3C合金自1148 冷却至727 的过程中 将因 中含碳量过饱和而 从中析出Fe3C 所析出的渗碳体为二次渗碳体 以Fe3C II表示 三次渗碳体碳质量分数大于0 0008 的Fe Fe3C合金自727 冷至室温的过程中 将从 中析出Fe3C 所析出的 渗碳体为三次渗碳体 以Fe3C III表示 17 Fe Fe3C相图上三条水平线各代表什么反应 P S E C各点有什么意 义 水平线HJB 包晶转变线 反映碳含量 质量浓度 在0 09 0 53 C H点与B点之间 的Fe Fe3C合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应 水平线ECF 共晶转变线 反映碳含量 质量浓度 在2 11 6 69 C E点与F点之间 的Fe Fe3C合金在平衡结晶过程中均发生共晶反应 水平线PSK 共析反应线 也称A1线 反映碳含量 质量浓度 在0 0218 6 69 C E点与F点之间 的Fe Fe3C合金在平衡结晶过程中均发生共析转变 P点代表碳在 中的最大溶解度 S点 共析点 反映具有S点成分的 在冷却到727 时将发生共析转 变 E点代表碳在 中的最大溶解度 C点 共晶点 反映C点成分的液态合金在冷却到1148 时将发生共 晶转变 18 在亚共析 共析 过共析钢和亚共晶 共晶 过共晶白口铸铁的 平衡结晶冷却过程中 其相变和组织变化过程如何 详见P82 P85 共析钢的平衡冷却L L s P p Fe3C P p Fe2C Fe 3CIII亚共析钢的平衡冷却L L p s p P p Fe3C P p Fe3C Fe3CIII过共析钢的平衡冷却L L Fe3 C II s Fe3C II P p Fe3C Fe3C II P Fe3C Fe3C III共晶白口铸铁的平衡冷却 L L d E Fe3C L d Fe3C Fe3C L d P Fe3C Fe3C L d P Fe3C Fe3C Fe3C 亚共晶白口铸铁的平衡冷却 L L Ld E Fe3C E Ld Fe3C Fe3C Ld P Fe3C Fe3C Ld P Fe3C Fe3C 过共晶白口铸铁的平衡冷却 L L F e3C Ld Fe3C Ld Fe3C Fe3C Ld Fe3C Fe3C Ld Fe3C F e3C Fe3C 19 写出室温下亚共析钢 共析钢 过共析钢的平衡组 织 包括相组成 五 组织组成物 共析钢室温下 共析钢的平衡组成相为 和Fe3C 若因量很少而忽略Fe3C III 则共析钢的平衡组织组成物为层片状的P 亚共析钢室温下 亚共析钢的平衡组成相为 和Fe3C 忽略量少的Fe3C III 则亚共析钢的平衡组织组成物为先共析 和P 过共析钢室温下 过共析钢的平衡组成相为 和Fe3C 忽略Fe3C III 其平衡组织为Fe3C II和P 20 网状渗碳体易在什么情况下产生 其对会产生何种危害 如何消 除 不同含碳量的所有Fe 合金 其室温下的组成相都为 应用杠杆定律进行的计算表明随着Fe 合金中含碳量的增加 合金中的 相对量逐渐减少 Fe3C的相对量 逐渐增加直至含碳量为6 69 时 合金完全由组成 在数量随合金含碳量增加的过程中 其形态也相应发生变化 由片 状 亚共析钢 共析钢以及含碳量低于1 的过共析钢中 转变为 网状 含碳量高于1 的过共析钢中 硬度逐渐增高 脆性逐渐增大 21 室温下 所有钢和白口铸铁的组成相是否相同 组织是否相同 其组织形貌各有何特点 不同 钢0 0218 含碳量 2 11 其中亚共析钢0 0218 含碳量 0 77 共 析钢 含碳量 0 77 过共析钢 0 77 含碳量 2 11 白口铸铁2 11 含碳量 6 69 其中 亚共晶白口铸铁2 11 含碳量 4 3 共晶白 口铸铁含碳量 4 3 过共晶白口铸铁 4 3 含碳量 6 69 不同 共析钢若因量很少而忽略 则共析钢的平衡组织组成物为层片装的P 亚共析钢平衡组织组成物为 和P 过共析钢室温下 过共析钢的平衡组成相为 和 忽略 其平衡组织为和P 共晶白口铸铁室温下共晶白口铸铁的平衡组成相为 和 忽略 其平衡组织组成物为和 亚共晶白口铸铁室温下亚共晶白口铸铁的平衡组成相为 和 忽略 其平衡组织组成物为 和P 过共晶白口铸铁平衡组织组成物为和 组织形貌见书上的图 22 含碳量对铁碳合金中渗碳体的量有何影响 对铁碳合金的力学性 能有何影响 应用杠杆定律进行的计算表明随着Fe 合金中含碳量的增加 合金中的 相对量逐渐减少 的相对量逐渐 增加直至含碳量为6 69 时 合金完由组成 随着含碳量增加 其中硬度高 脆性大的量相应增加 所以 合金 的硬度将逐渐增高 脆性逐渐增大 23 含碳量对钢中珠光体的量有何影响 钢中珠光体的量对钢的力学 性能有何影响 对于钢