《金属材料与热处理》综合训练知识点训练解答大学期末复习资料Word文档格式.docx

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一、填空题

1、金属的结晶是指由原子不规则排列的近程有序，转变为原子规则排列的晶体过程。

2、纯金属的冷却曲线是用热分析法测定的。

冷却曲线的纵坐标表示温度，横坐标表示冷却时间。

3、金属的理论结晶温度和金属的实际结晶温度之差称为过冷度。

4、过冷度的大小与冷却速度有关，冷速越快，金属的实际结晶温度越，过冷度也就越大。

5、金属的结晶过程是由形核和长大两个基本过程组成的。

6、细化晶粒的根本途径是控制结晶时的形核率及长大速度。

7、纯金属结晶的特点是结晶总是在一定的温度下才能进行，并且结晶的整个过程是在恒温下进行的。

8、金属结晶时，形核率越大，晶体长大速度越小，单位体积内的晶核就越多，晶粒就越细。

二、判断题

（√）1、金属的实际结晶温度均低于理论结晶温度。

（×

）2、金属结晶时过冷度越大，结晶后晶粒越粗。

（√）3、一般说，晶粒越细小，金属材料的力学性能越好。

（√）4、同素异构转变过程也遵循晶核形成与长大的规律。

）5、金属发生同素异构转变时要放出热量，转变是在恒温下进行的。

（√）6、纯金属具有固定的熔点。

）7、晶粒越粗的金属材料其力学性能越好。

）8、工业上使用的金属材料一般都是单晶体。

）9、理论结晶温度总是低于实际结晶温度，这一现象称为过冷现象。

（√）10、金属的结晶过程总是先产生晶核，而后晶核长大这两个基本过程组成。

）11、金属在一定范围内，随着过冷度的减小所形成的晶粒越细小，故生产中可通过适当减小过冷度的方法来达到细化晶粒的目的。

）12、凡由液态到固态的过程都称为结晶。

）13、金属结晶时，过冷度越小，结晶后的晶粒也越小。

（√）14、纯金属的结晶过程总是在恒温下进行。

）15、液态金属结晶时，冷却速度越快，理论结晶温度越低，过冷度越大。

三、选择题

1、多晶体是由许多原子排列位向不同的（C）组成。

A、晶格B、晶胞C、晶粒D、亚晶粒

2、金属结晶时实际结晶温度总是（B）理论结晶温度。

A、等于B、低于C、高于D、不知道

3、铸造生产中，由砂型铸造改为金属铸模是利用（C）细化晶粒的事例

A、变质处理B、机械振动C、增大过冷度D、电磁搅拌

四、简答题

1、常用的细化晶粒的方法有那些？

有什么依据？

常用的细化晶粒的方法有：

控制过冷度，依据是过冷度影响到形核率和晶体的长大速度。

孕育处理，增加形核率而细化晶粒的方法

振动、搅拌处理

在液态金属结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、机械搅拌、电磁搅拌等方法，使得先形成的树枝晶破碎，成为更多结晶晶核，从而增加形核率而细化晶粒。

2、纯金属结晶时，其冷却曲线为什么有一段水平线？

金属结晶过程中，如果结晶潜热的释放恰好补偿了向周围环境散失的热量，则会导致温度保持不变，在冷却曲线上出现水平线部分。

3、纯金属结晶的条件有哪些？

纯金属结晶的条件有：

结晶的热力学条件：

具备过冷度。

结晶的结构条件：

相起伏。

结晶的能量条件：

能量起伏。

4、结晶的形核方式有那些？

各有什么特点？

结晶的形核方式有均质形核和异质形核两种。

均质形核也称为自发形核或均匀形核，这种形核方式是由金属自身的原子按照一定的晶体结构排列形成的晶核。

这个晶核只有达到一定尺寸才能够长大为晶体，这个一定尺寸的晶核称为临界晶核，也就是说，只有晶胚的尺寸大于临界晶核，才能够称为晶核。

异质形核也称为非自发形核或非均匀形核，这种形核方式是由金属的原子依附于外来固体的表面，按照一定的晶体结构排列形成的晶核。

异质形核的临界晶核尺寸与均质形核没有什么不同，但是由于依附于外来固体的表面，因此形核所需的表面能可以减少，因此，同等条件下，异质形核比均质形核要容易的多。

所需要的过冷度也小，人们常常利用这一点来控制形成晶体的大小。

实际金属往往是不纯净的，内部总含有这样或那样的杂质。

杂质（包括型壁）的存在能够促进晶核依附在其表面上形成，减少表面能，有效降低形核阻力。

所以在实际金属的结晶过程中，均质形核和异质形核是同时存在的，但主要按异质形核的方式进行。

5、细化晶粒的方法有哪些？

各适用于哪些情况？

控制晶粒大小的方法原则上就是控制形核率和长大速度。

利用细化晶粒的方法来提高金属材料强度的方法称为细晶强化。

1、控制过冷度：

过冷度影响到形核率和晶体的长大速度。

过冷度越大，形核率越大，晶体的长大速度也越大，但是过冷度对两者的影响程度不同，随着过冷度的增大，形核率的增加速度比长大速度增加的快一些，总的结果是晶粒细化。

冷却速度越大，过冷度越大，实际生产中往往通过控制冷却速度来控制过冷度，从而控制形核率和长大速度，最终控制晶粒的大小。

2、孕育处理：

在炼钢、铸钢以及铸铁中，孕育处理是向液体金属中添加少量物质，促进液体金属内部形成异质形核，从而增加形核率而细化晶粒的方法，这些少量的添加物称为孕育剂。

对于非铁合金，习惯于采用变质处理这个术语。

例如，在铸铁生产中加入硅铁合金、硅钙合金；

在铝合金中加入钠盐等等都是这个方法的实际应用。

3、振动、搅拌处理：

另外由于外部给液体金属增加了能量，也促进了晶核的形成。

4、相变细化：

对于固态金属的晶粒细化，上面几种方法就不能够使用了，这时，可以通过利用金属在固态下发生相变的方法来细化晶粒，因为只要发生相变，就会有新相晶核的形成与长大过程，控制这个过程，就能够细化固态金属的晶粒，一些热处理工艺能够细化晶粒就是利用了相变细化原理。

当然，相变细化的前提是该金属必须有同素异构转变。

5、塑性变形细化：

对于没有同素异构转变的固态金属，可以通过塑性变形细化晶粒，塑性变形可以迫使原有的晶粒发生破碎和变形，形成亚结构，从而细化了晶粒，当冷变形金属在加热的时候，发生再结晶，通过控制再结晶也可以细化晶粒。

工业上面的锻造和冷塑性变形后的再结晶退火都是这个细化晶粒方法的应用。

模块四合金的相结构（P53）

1、名词解释：

合金：

是指由金属元素与其它元素结合，形成具有金属特性的物质。

组元：

是指组成合金的最基本的、独立的物质

相：

是指物质中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态、同一性质并以界面互相分开的、均匀的组成部分。

组织：

合金中不同形状、大小、数量和分布不同的相，组合而成的综合体

固溶强化：

通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度增加的强化方法

弥散强化：

当金属化合物呈细小颗粒状均匀分布在固溶体基体上时，使合金的强度、硬度和耐磨性得到明显提高的现象。

固溶体：

合金中的组元间在固态下溶解而形成的均匀相

金属化合物：

合金中当溶质的含量超过其溶解度时，形成的晶格类型和性能完全不同于其组元并具有金属特性的新相。

2、固溶体有哪几种类型？

固溶体与化合物有何区别？

根据不同的分类方法，固溶体有不同的类型：

根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置，固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两类。

按溶解度的不同，固溶体可以分为无限固溶体和有限固溶体。

根据溶质原子进入溶剂晶格类型的位置是否有规律性，又分为有序固溶体和无序固溶体。

固溶体保持着溶剂的晶格类型，而不管溶质原来是什么晶格类型，而化合物的晶格类型和性能完全不同于其组元。

3、什么是固溶强化？

有何实际意义？

（与名词解释重复建议去掉）

4、什么是弥散强化？

5、相与组织的关系是怎样的？

合金中不同形状、大小、数量和分布不同的相，组合而成的综合体称为组织。

组织是相的综合。

在金属或合金中，由于形成条件的不同，各种相将以不同的数量、形状、大小互相组合，因而形成不同的组织。

如果形成组织的是由一个相构成，称为单相组织，如果是由两个或两个以上的相构成，则称为多相组织

6、金属化合物有什么性能？

化合物具有高硬度、高脆性和熔点，

7、纯金属与合金有哪些区别？

合金与组成它们的纯金属相比，合金除具有更高的力学性能外，有的还可能具有强磁性、耐蚀性等特殊性能。

同时，还可以通过调节它们的组成比例，来获得一系列性能各不相同的合金，用来满足工业生产中提出的各种不同的需求。

8、固溶体与金属化合物对材料性能有何影响？

固溶体通过固溶强化来提高金属材料力学性能，并且通过适当控制固溶体中溶质的含量，在显著提高金属材料强度的同时，仍能保持材料具有较高的塑性和韧性。

而化合物通过弥散强化来提高合金材料的强度、硬度以及耐磨性提高，但会使材料的塑性和韧性降低。

模块五合金的结晶（P86）

一、填空题

1.合金状态图又称为相图或平衡图，它表示平衡状态下温度、成分、状态之间关系的图解。

2.二元合金状态图的基本类型有匀晶相图、共晶相图和包晶相图。

3.共晶状态图可分为共晶和共析两类。

4.包晶转变是指在一定温度下，已结晶的固相与剩余的一定成分的液相生成的一种新的固相的转变。

二、判断题

1.合金状态图是表示平衡条件下，合金的性能、温度和成分之间的关系图解。

（×

）

2.由共晶转变所获得的两相混合物称为共晶体。

（√）

3.共析转变在固态下进行，比共晶转变内应力小。

）

4.合金是由成分、结构都相同的同种晶粒组成的，其组织是同一相。

5.合金状态图的水平线是三相共存线。

（√）

6.二元共晶状态图共晶线以下的组织组成物就是相组成物。

（×

1.具有二元匀晶相图的合金，固态下的组织一定是（C）。

A.间隙固溶体B.置换固溶体C.无限固溶体D.有限固溶体

2.恒温下，由一个固相同时形成两个固相的转变称为（C）。

A.匀晶转变B.共晶转变C.共析转变D.包晶转变

3.在发生L→α+β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γ→α+β刚结束时，其组成相为（C）。

A.γ+α+βB.α+βC.（α+β）

5、一个合金的组织为α+βⅡ+（α+β），其相组成物为（A）。

A.α、βB.α、βⅡ、（α+β）C.α、β、βⅡ

1.二元合金状态图有哪些类型?

画出示意图。

有匀晶相图、共晶相图和包晶相图三种基本类型。

示意图（略）

2.设A、B两组元在液态时互相溶解，在固态时形成共晶，共晶成分中B质量分数为30%，A组元在B组元中有限溶解，溶解度在共晶温度时为15%，在室温时为10%，B组元在A组元中不能溶解，A组元比B组元熔点高，画出合金相图并填出各区域的相组成物和组织组成物，分析B质量分数分别为12%、20%、30%、50%的合金结晶过程及组织。

A、B两组元相图如图示。

①（12%B）合金结晶过程：

①合金从液相L开始冷却，冷却到1点时，开始结晶出纯A，1～2不断结晶出A，使得剩余的液相中含A量下降，含B量增加，液相成分沿着TAE线变化，当冷却到2点时，剩余液相发生共晶转变：

L→（A+β）转变为（A+β），2点以下将从共晶体β相中析出AⅡ，由于依附于A长大且量少，不易观察，故最后的组织为：

A+（A+β）。

②（20%B）合金结晶过程：

②合金与①合金类似，从液相L开始冷却，冷却到1点时，开始结晶出纯A，1～2不断结晶出A，使得剩余的液相中含A量下降，含B量增加，液相成分沿着TAE线变化，当冷却到2点时，剩余液相发生共晶转变，转变为A+β，2点以下将从共晶体β相中析出AⅡ，由于依附于A长大且量少，不易观察，最后的组织为：

②合金与①合金唯一的不同是共晶体的含量高。

③（30%B）合金结晶过程：

③合金是共晶合金，从液相L开始冷却，冷却到E点时，发生共晶转变：

L→（A+β）转变为共晶体（A+β），继续冷却，将从共晶体β相中析出AⅡ，由于依附于A长大且量少，不易观察，故最后的组织为：

（A+β）。

④（50%B）合金结晶过程：

④合金从液相L开始冷却，冷却到1点时，开始结晶出β相，1～2不断结晶出β相，使得剩余的液相中含B量下降，含A量增加，液相成分沿着TBE线变化，当冷却到2点时，剩余液相发生共晶转变，转变为（A+β），2点以下将从β相中析出AⅡ，故最后的组织为：

β+AⅡ+（A+β）。

3.共晶转变、共析转变和包晶转变有哪些相同点和不同点?

相同点：

相变都是在恒温下进行的，都是确定成分的相发生相变生成确定成分的相，在相图中都是一条水平线。

不同点：

共晶转变是一个液相同时生成两个固相，共析转变是一个固相同时生成两个固相，包晶转变是一个液相与一个固相反应，生成一个固相。

4.共晶组织和初晶的形态有哪些?

共晶组织形态有层片状、点状、发射状、螺旋状等。

初晶形态一般是树枝状或有规则的外形。

5.在合金相图的三相水平线上相和组织是否能用杠杆定律来计算，为什么?

不能，因为杠杆定律只适用于两相共存区。

6.某合金相图如图5-46所示。

（1）试标注①～④空白区域中存在相的名称。

（2）指出此相图包括哪几种转变类型。

（3）说明合金Ⅰ的平衡结晶过程及室温下的显微组织。

（1）①～④空白区域中存在相的名称分别为：

①L+γ两相共存区，②γ与β两相共存区，③α与β两相共存区，④β与αⅡ两相共存区。

（2）此相图包括上面的匀晶转变和下面的共析转变两种类型。

（3）合金Ⅰ的平衡结晶过程：

1点以上为液相，冷却到1点开始发生匀晶转变，1～2点液相不断减少固溶体相不断增多，2点结束完全转变为固溶体γ相，2～3温度下降而γ相不变，3点开始发生同素异构转变，转变为α相，3～4点γ相不断转变为α相，4点结束，完全转变为α相，4～5点温度下降α相不变，5点由于超出B在A中的溶解度，将会析出βⅡ相，故室温下的显微组织为α+βⅡ。

7.绘制Fe-Fe3C相图，并说明各主要特性点和特征线的意义。

（略）

8.铁碳合金的基本相有哪些?

它们各有何特点?

铁碳合金的基本相有铁素体、奥氏体和渗碳体，代表符号分别为F、A、Fe3C（Cem）。

其中铁素体是碳在α-Fe中形成的固溶体，含碳量范围0~0.0218%，强度硬度低，塑性韧性好。

奥氏体是碳在γ-Fe中形成的固溶体，含碳量范围0~0.0218%，强度硬度低，塑性韧性好。

渗碳体是铁与碳形成的化合物，含碳量为6.69%，强度低、硬度高，脆性大、塑性韧性极差。

9.随着钢中碳质量分数的增加，钢的力学性能有何变化?

为什么?

随着钢中碳质量分数的增加，钢的硬度一直增加，塑性韧性一直下降，强度先增加后下降，于大约0.9%处达到最大值。

这是因渗碳体第二相强化导致的。

渗碳体量越多，分布越均匀，影响越大。

10.以你接触到的生产实际为例，说明铁碳合金相图在机械制造业中的作用以及钢铁材料的应用。

11.某金属仓库，由于保管不当，使钢材混杂，不知道钢材的碳质量分数，但知道该仓库里都是由一堆堆碳钢分别放置的，现从某一堆钢材中抽出一根，经过金相检验，发现该堆钢材是退火状态，其中铁素体含量占82%，珠光体含量占18%，试计算该钢材的碳质量分数，并判别是多少号钢?

由题目可知，该钢的组织是由铁素体+珠光体组成，故属于亚共析钢。

假设该钢的含碳量为C%，根据杠杆定律可知：

即：

C%=0.156476≈0.156%，相当于碳素钢15#钢。

12.画出铁碳合金相图，并根据铁碳合金相图说明下列现象:

（1）碳质量分数为1%的钢比碳质量分数为0.5%的钢硬度高。

（2）碳质量分数为0.6%的钢比碳质量分数为1.2%的钢强度高。

（3）越靠近共晶成分的铁碳合金铸造性能越好。

（1）钢的含碳量越高，含有的渗碳体就多，而渗碳体是一个硬度高的相，故而碳质量分数为1%的钢硬度高。

（2）因为碳质量分数为1.2%的钢其渗碳体呈网状分布大大降低了其强度。

（3）越靠近共晶成分的铁碳合金其熔点越低，加热到同样的液态温度，其流动性就越好，因此，铸造性能越好。

13.如图5-47所示为Fe-Fe3C相图左下部局部图，回答下列问题:

（1）指出1、2、3临界温度线的意义及代号。

（2）指出a、b、c、d相区的平衡相。

（3）虚线为碳质量分数为0.40%的铁碳合金，试计算此合金中的室温平衡组织中组织组成物和相组成物的相对含量各是多少?

（1）1线是GS线，代号为A3线，其意义是：

加热时铁素体转变为奥氏体的终了线，冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。

2线是ES线，代号为Acem线，其意义是：

碳在奥氏体中的溶解度曲线。

3线是PSK线，代号A1线，其意义是：

铁碳合金发生共析转变线。

（2）a：

A或γ或奥氏体相。

b：

F+A或α+γ。

c：

α+Fe3C或F+Fe3C。

D：

γ+Fe3C或A+Fe3C。

（3）组织组成物：

此为亚共析钢，组织为F+P，根据杠杆定律：

，WP=1-WF=1-49.5%=50.5%

相组成物：

所有的铁碳合金均由F+Fe3C组成，根据杠杆定律：

，

《金属材料与热处理》综合训练知识点训练解答

模块一金属的力学性能（P24）

1.回答下列问题:

（1）何谓金属的物理性能和化学性能?

物理性能是指金属在固态下所表现出的一系列物理现象。

如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等。

化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能，如耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。

（2）何谓金属的密度、熔点、导热性、导电性、耐腐蚀性、抗氧化性及化学稳定性?

密度是单位体积物质的质量，用符号ρ表示，单位为kg/m。

熔点是指金属由固态熔化为液态时的温度。

导热性是指在其内部或相互接触的物体之间存在温差时，热量从高温部分到低温部分或从高温物体到低温物体的移动能力，用热导率λ表示，单位为W/（m·

K）。

导电性是指金属传导电流的能力称为导电性，常用电导率γ表示，单位为S/m。

耐腐蚀性是指金属材料在常温下抵抗氧气、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力。

抗氧化性是指金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。

化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。

（3）什么是工艺性能?

常用的工艺性能有哪些?

工艺性能是指机器零件或工具在加工过程中，金属材料所表现出来的适应能力。

常用的工艺性能有铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性等。

（4）屈服强度、抗拉强度在工程上各有什么实际意义?

屈服强度为金属材料开始产生明显塑性变形的最小应力值，其实质是金属材料对初始塑性变形的抗力。

在生产实际中，绝大部分工程构件和机器零件在其服役过程中都处于弹性变形状态，不允许有明显的塑性变形产生。

屈服强度是工程技术上重要的力学性能指标之一，也是大多数工程构件和机器零件选材和设计的依据。

抗拉强度是试样在屈服阶段之后的最大应力，当材料无明显屈服时，是试验期间的最大应力。

抗拉强度是韧性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。

脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度。

断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也是工程设计和选材的主要指标。

（5）断后伸长率和断面收缩率这两个指标在工程上有什么实际意义?

根据断后伸长率和断面收缩率的相对大小，可以判断金属材料拉伸时是否形成缩颈。

若材料的断后伸长率大于或等于断面收缩率，则该材料只有均匀变形而无缩颈现象，是低塑性材料;

反之，则有缩颈现象，是高塑性材料。

断后伸长率（A）与断面收缩率（Z）越大，可以发生大量塑性变形而不破坏，工程构件或机械零件在使用过程中虽然不允许发生明显的塑性变形，但在偶尔过载时，塑性好的材料能在过载处产生塑性变形，由于产生形变强化使承载能力增加，而不至于突然断裂，因此比较安全。

（6）有甲、乙两个工件，甲工件硬度为230HBW，乙工件硬度为34HRC，是否说明甲工件比乙工件硬度高?

说明其原因。

甲工件硬度为布氏硬度230HBW，乙工件硬度为洛氏硬度34HRC，虽然230＞34，由于是不同的硬度测试方法，因此，不具有可比性，但是根据大量测试规律。

大约1HRC≈10HBW来看，乙工件硬度为34HRC的反而高。

2.通过金属物理性能的学习，试分析金属的导热性、热膨胀性对焊件质量的影响。

导热性好的金属散热性也好，在焊接加热时转移到焊件金属内部的热量损失多，热源的利用率低;

而导热性差的金属，虽然热量损失少，但焊件上的温度分布不均匀，温度差增大，会导致较大的焊接应力与变形。

熔焊时，由于热源对焊件进行局部加热，使焊件上的温度分布极不均匀，不均匀的加热温度造成焊件上出现不均匀的热膨胀，从而导致不均匀的变形和焊接应力，而且被焊材料的线膨胀系数越大，引发的焊接应力和变形就越大。

3.解释下列名词。

（1）刚度、屈服现象、强度、屈服强度、抗拉强度、塑性、断后伸长率、断面收缩率;

刚度是金属材料对弹性变形的抵抗能力，用材料弹性模量表示。

弹性模量值越大，则产生相同的弹性变形量需要的外力越大，弹性变形越困难，刚度越好。

屈服现象是指在承受的拉力不继续增大或稍微减小的情况下试样却继续伸长的现象。

屈服强度是金属材料开始产生明显塑性变形的最小应力值。

抗拉强度是试样在屈服阶段之后的最大应力，当材料无明显屈服时，是试验期间的最大应力。

塑性是金属材料在外力作用下，断裂前产生塑性变形的能力。

断后伸长率是指试样拉断后标距与原始标距的百分比。

断面收缩率是指试样拉断处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比

（2）冲击载荷、冲击吸收能量、疲劳、疲劳极限、磨损、耐磨性。

冲击载荷是指在很短时间内作用在金属材料上的载荷。

冲击吸收能量是指一次摆锤冲击试验中，冲断试样所需要的能量，即试样变形和断裂所消耗的功，用K表示，并用字母V和U表示缺口的几何形状，用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径，例如KV2表示V形缺口试样在2mm摆