清华大学工程材料综合题答案.docx

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清华大学工程材料综合题答案

第一章

6、实际金属晶体中存在哪些缺陷？

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机械性能。

当金属为理想晶体或仅含极少量位错时，金属的屈服强度σs很高，当含有一定量的位错时，强度降低。

当进行形变加工时，为错密度增加，σs将会增高。

面缺陷：

晶界、亚晶界。

亚晶界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，所以对金属中的许多过程的进行，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。

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提高而增大。

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、间隔固溶体和间隔相有什么不同？

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。

第二章

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（ΔF）。

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，又出现新的品核并逐渐长大，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：

（1）提高液态金属的冷却速度，增大金属的过冷度。

（2）进行变质处理。

在液态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。

（3）在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法。

（4）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。

（1）金属模浇注与砂模浇注；

（2）变质处理与不变质处理；（3）铸成薄件与铸成厚件；（4）浇注时采用震动与不采用震动。

答：

（1）金属模浇注比砂模浇注，铸件晶粒小；

（2）变质处理比不变质处理，铸件晶粒小；

（3）铸成薄件比铸成厚件，铸件晶粒小；（4）浇注时采用震动比不采用震动，铸件晶粒小。

5、为什么钢锭希望尽量减少柱状晶区?

答：

柱状是由外往里顺序结晶的，品质较致密。

但柱状品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届，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l—6温度T1，求此时：

①两相的化学成分；

②两相的质量比；③各相的质量分数；④各相的质量。

解：

①两相的化学成分L相成分：

ω（Ni）；50％ω（Cu）＝50％

②两相质量比：

合金成分：

ω（Ni）=80%ω（Cu）=20%

二相的质量比：

Qα/Qβ=（60-50）/（80-60）=0.5

③各相的质量分数

二相的质量分数：

ω（α）=（60-50）/（80-50）=33.3%

ω（L）=1-33.3%=66.7%

④各相的质量。

二相质量：

Qα＝（20十30）×33.3％＝16.65（kg）

QL＝50一16.65＝33.35（kg）

7、求碳质量分数为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质量分数及液体的质量。

解：

L中的碳质量分数：

w（C）＝4.3％

L中的质量分数:

w（L）=（3.5-2.11）/（4.3-2.11）=63.5％

L的质量：

QL＝10×63.5％＝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，其中一块石退火状态的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：

（1）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。

（2）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。

（3）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、下列零件或工具用何种碳钢制造：

手锯钢条、普通螺钉、车床主轴。

答：

手锯锯条用T10钢制造。

普通螺钉用Q195钢、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，从而使金属的塑性提高。

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：

①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，品界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。

②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，形成不均匀的分布，使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块，而在晶粒内产生亚晶粒。

金属塑性变形到很大程度（70％以上）时，由于晶粒发生转动，使备品粒的位向趋近于一致，形成特殊的择优取向，这种有序化的结构叫做形变织构。

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。

另外，由于纤维组织和形变织构的形成，使金属的性能产生各向异性。

15、在图1—7所示的晶面、晶向中，哪些是滑移面?

哪些是滑移方向?

图中情况能否构成滑移系?

答：

（a）FCC：

（101）晶面不是滑移面，[110]晶向是滑移方向，但两者不能构成滑移系。

（b）FCC：

（111）晶面是滑移面，其上的[110]晶向也是滑移方向，两者能构成滑移系。

（c）BCC：

（111）晶面不是滑移面，其上的[101]晶向不是滑移方向，两者不能构成滑移系。

（d）BCC：

（110）晶面是滑移面，晶向也是滑移方向，但不在（110）晶面上，故两者不能构成滑移系。

16、用低碳钢钢板冷冲压成形的零件，冲压后发现各部位的硬度不同，为什么?

答：

主要是由于冷冲压成形时，钢板形成零件的不同部位所需发生的塑性变形量不同，因而加工硬化程度不同所造成。

17、已知金属钨、铅的熔点分别为3380℃和327℃，试计算它们的最低再结晶温度，并分析钨在9000C加丁、铅在室温加丁时各为何种加工?

答：

金属的最低再结晶温度为：

T再＝（0.35～0.4）T熔点

对金属钨：

T熔点＝273十3380＝3653K

T再＝（0.35～0.4）T熔点＝l279～146lK＝1006～l188℃

在900℃对金属钨进行加工，略低于其最低再结晶温度，应属冷加工。

对金属铅：

T熔点＝273十327＝600K

T再＝（0.35～0.4）T熔点＝210～240K＝－63～－33℃

在室温（如23℃）对金属铅进行加工，明显高于其最低再结晶温度的上限－33℃，应属热加工。

18、何谓临界变形度?

分析造成临界变形度的原因。

答：

塑性变形后的金属再进行加热发生再结晶，再结晶后晶粒大小与预先变形度有关。

使品粒发生异常长大的预先变形度称做临界变形度。

金属变形度很小时，因不足以引起再结晶，晶粒不变。

当变形度达到2％～10％时，金属中少数晶粒变形，变形分布很不均匀，所以再结晶时生成的晶核少，晶粒大小相差极大，非常有利于晶粒发生吞并过程而很快长大，结果得到极粗大的晶粒。

19、在制造齿轮时，有时采用喷丸处理（将金属丸喷射到零件表面上），使齿面得以强化。

试分析强化原因。

答：

喷丸处理时，大量的微细金属丸被喷射到零件表面上，使零件表层发生一定的塑性变形，因而对零件表面产生了加工硬化效应，同时也在表面形成残余压应力，有助于提高零件的疲劳强度。

20、再结晶和重结晶有何不同？

答：

再结晶是指冷变形（冷加工）的金属加热到最低再结晶温度以上，通过原子扩散，使被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新形核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶，同时消除加工硬化现象，使金属的强度和硬度、塑性和韧性恢复至变形前的水平。

对钢而言，再结晶温度低于共析温度727℃，因此不会发生晶体结构类型的转变。

有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等。

这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。

金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变，也叫做重结晶。

重结晶也是一个通过原子扩散进行的形核、长大过程，但同时发生晶格结构类型的转变。

21、热轧空冷的45钢钢材在重新加热到超过临界点后再空冷下来时，组织为什么能细化?