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辅助教材答案
习题参考答案
第一章工程材料的结构与性能
1.解释名词
1）金属材料——含有金属元素，并且原子间结合键为金属键的材料。
2）高分子材料——由大分子化合物组成、大分子内为共价键结合、大分子之间为分子键结合起来的材料。
3）陶瓷材料——一种或多种金属元素与一种非金属元素相互之间以离子键或共价键结合起来的材料。
4）晶体——原子（粒子或分子）在三维空间有规则的周期性重复排列的物质。
5）晶格——用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。
6）晶胞——能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。
7）致密度——晶胞中所包含的原子所占的体积与该晶胞体积之比。
8）单晶体——在整个晶粒内部晶格方位完全一致的晶体。
9）多晶体——由多个在空间位向不同、外形不规则的晶粒组成的晶体。
10）晶粒——晶格方位完全一致，并与其他部分有界面分开的小晶体。
11）亚晶粒——一个晶粒内部位向有很小差异的部分。
12）晶界——晶粒与晶粒之间的接触界面。
13）位错——晶粒内原子平面的一种错排。
14）空位——在晶格中，没有原子的节点。
15）间隙原子——位于晶格间隙之中的原子。
16）组元——组成合金的独立的最基本的单元。
17）合金——由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。
18）相——在金属或合金中，成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。
19）固溶体——合金组元通过溶解形成一种成分与性能均匀、且晶体结构与组元之一相同的固相。
20）金属间化合物——合金组元相互作用形成的性格类型与特性完全不同于任一组元的固相。
21）组织——金属内部的微观形貌，可用金相显微镜或电子显微镜进行观察。
22）固溶强化——通过形成固溶体使合金的强度和硬度提高的现象。
23）玻璃态——在高分子化合物中，大分子链在空间呈无规则排列的状态，也称非晶态。
24）高弹态——高聚物表现为柔软而富有弹性，具有橡胶特性的一种状态。
25）玻璃相——在陶瓷材料中，处于非晶体状态的物质。
26）拉伸强度——试样在拉断前承受的最大应力值。
27）伸长率——试样拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比。
28）冲击吸收能量——在冲击试验中，试样一次冲断所吸收的能量。
29）硬度——材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。
2.填空题
1）金属材料高分子材料陶瓷材料复合材料
2）晶体中原子（离子或分子）规则排列非晶体中原子（离子或分子）无规则排列
3）点缺陷线缺陷面缺陷面缺陷大高好
4）42
5）高
6）{111}{110}<110><111>
7）4664
8）力学性能物理性能化学性能力学性能物理性能或化学性能
9）屈服强度抗拉强度伸长率断面收缩率
10）晶态部分晶态非晶态
11）玻璃态高弹态粘流态
12）低高低
13）硬度高耐热性高脆性大
14）比强度高比模量高韧性好
3.是非题
1）F2）F3）R4）F5）F6）F7）R8）F9）F
10）F11）R
4.选择正确答案
1）B2）B3）C4）B5）A6）D7）C
5.综合分析题
30）有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种晶体结构。
γ-Fe,Al,Cu,Ni,Pb——面心立方晶格；α-Fe,Cr,V——体心立方晶格
Mg,Zn——密排六方晶格
31）略
32）
晶格类型
晶胞内平均原子数
r和a的关系
晶格致密度
体心立方晶格
2
0.68
面心立方晶格
4
0.74
密排立方晶格
6
0.74
33）通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。
造成固溶强化的原因是：
（a）溶质原子的溶入使得溶剂晶格发生畸变。
（b）晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移更加困难，从而提高合金的强度和硬度。
34）主要有点缺陷（间隙原子、置换原子、空位）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界和相界）三种。
它们对金属性能的主要影响是：
提高强度和硬度，降低塑性和韧性。
35）合金中的相是指成分相同、结构相同的区域，不关心其外观形貌。
合金中的组织是指具有特定形貌特征的不同相的组合体，强调的是不同相的数量、尺寸、分布、形貌等参数。
36）原子半径：
37）致密度：
38）支架的刚度为ES，其中E为碳钢的弹性模量，S为支架的截面积。
解决方法：
（a）增加支架的截面积S（因为碳钢的弹性模量基本相同，并且是热处理不敏感参量，所以无法改变弹性模量E）
（b）改用弹性模量E更高的材料（如碳纤维）。
39）（a）锉刀和表面硬化后的耐磨工件，用洛氏硬度计测量其洛氏硬度HRC；（b）硬质合金刀片，用维氏硬度计测量其维氏硬度HV；（b）普通灰铸铁，用布氏硬度计测量其布氏硬度HB。
第二章金属的结晶与二元合金相图
1.名词解释
40）结晶——物质由液态转变为晶态（固态）的过程称为结晶
41）过冷度——金属或合金在结晶过程中，理论结晶温度与实际结晶温度的差值。
42）自发生核——依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部自发长出结晶核心的现象。
43）非自发生核——依附与金属液体中未溶的固态杂质表面而形成晶核的现象。
44）晶粒度——表示晶粒大小的一组整数数字，数字越大晶粒越细。
45）变质处理——一种在液态金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织的工艺方法。
46）枝晶偏析——在匀晶合金结晶过程中，由于快冷造成在一个晶粒内化学成分分布不均匀的现象。
47）共晶反应——由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应。
48）组织组成物——合金组织中那些具有确定本质，一定形成机制的特殊形态的组成部分。
49）同素异构转变——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。
50）α-Fe——具有体心立方晶格Fe的晶体。
51）铁素体——碳在α-Fe中的间隙固溶体。
52）珠光体——由共析反应形成的铁素体与渗碳体的共析混合物。
53）奥氏体——碳在γ-Fe中的间隙固溶体。
54）二次渗碳体——从奥氏体中析出的渗碳体。
55）莱氏体——由共晶反应形成的奥氏体与渗碳体的共晶混合物。
56）低温莱氏体——在727℃以下莱氏体存在的一种形式，由珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体组成。
2.填空题
1）形核长大
2）
温度恒定，三相成分固定，生成相的相对比例固定。
3）细化结晶后的晶粒尺寸
4）理论结晶温度与实际结晶温度之差必要
5）增加过冷度变质处理搅拌和振动
6）表面细小等轴晶区中间（发达的）柱状晶心部粗大等轴晶区
7）扩散退火
8）F（铁素体）和Fe3C（渗碳体）两相的共析混合物
9）Fe和C形成的间隙化合物
10）缩小
11）体心立方面心立方
12）P（珠光体）F（铁素体）相和Fe3C（渗碳体）相
13）6.69%（K点）4.3%（C点）2.11%（E点）
14）0.77×80%＝61.6%
3.是非题
1）F2）F3）R4）R5）R6）F7）R8）F9）F10）F11）F
4.选择正确答案
1）B2）B3）B4）B5）B6）A7）B8）C9）C
5.综合分析题
57）
冷却曲线见右图。
纯金属在结晶时，液态金属在凝固成固态金属过程中，由于放出结晶潜热，并且放出热量等于散出的热量，结果表现为温度不随时间的变化而变化。
凝固结束后，固态金属冷却，温度逐步降低。
即，结晶过程中，温度不变。
所以，纯金属冷却线有一段水平的“平台”。
58）金属结晶的基本规律是：
（a）首先需要一个过冷度；（b）然后是晶核的形成和晶核的长大。
影响形核与长大的主要因素有：
（a）过冷度。
过冷度越大，形核与长大速度越大；（b）难熔杂质的影响。
难溶杂质越多，非自发形核越多；（c）振动和搅拌。
振动和搅拌能够增加晶核的数量。
59）晶粒越细，材料的强度、硬度、塑性和韧性均有提高。
随过冷度增大，形核率N、长大速率G均先增大后减小。
而晶粒大小受N/G的影响，在当过冷度小于30℃时，过冷度增加→→N/G增加→→晶粒细化。
细化晶粒的具体措施：
提高过冷度，加入变质剂，振动和搅拌。
60）（a）金属型铸件晶粒细小；（b）变质处理后铸件晶粒细小；（c）铸成薄壁件铸件晶粒细小；（d）浇注时振动铸件晶粒细小。
61）柱状晶的性能有各向异性，纵向性能好，横向性能差，钢锭在热加工时容易在横向开裂。
62）略，参见教材相关内容。
63）（a）液相：
50%Ni，α：
80%Ni；
（b）
；
（c）液相：
，α相：
；
（d）液相：
66.7%×50kg=33.3kg，α相：
33.3%×50kg=16.7kg
64）（a）存在的相：
（1）区为L+γ；
（2）区为γ+β；（3）区为α+β
（b）组织：
（4）区为β+αⅡ+（α+β）；5区为β+αⅡ
（c）匀晶转变：
L→γ；匀析转变：
γ→α和γ→β；共析反应：
γ→（α+β）
饱和析出：
α→βⅡ和β→αⅡ
65）冷却曲线、室温组织示意图如下：
组成相的相对质量：
组织组成物的相对质量：
66）液体的成分：
wC=4.3%；液体的重量：
67）强度：
45钢＜T8钢＞T12钢；原因：
T8钢的珠光体含量多于45钢，T12钢有网状渗碳体。
硬度：
45钢＜T8钢＜T12钢；原因：
钢中碳含量越高，渗碳体越多，所以硬度越高。
塑性：
45钢＞T8钢＞T12钢。
原因：
钢中碳含量越高，渗碳体越多，所以塑性越差。
第三章钢的热处理
1.名词解释
1）本质晶粒度——钢加热到930℃±10℃、保温8小时、冷却后测得的晶粒度。
2）临界冷却速度——过冷奥氏体全部转变为马氏体组织的最小冷却速度。
3）马氏体——碳在α-Fe中的过饱和间隙固溶体。
4）贝氏体——碳化物（渗碳体）分布在碳过饱和的两相混合物。
5）淬透性——钢接受淬火时形成马氏体的能力。
6）淬硬性——钢淬火后能够达到的最高硬度。
7）调质处理——钢淬火后然后在高温进行回火的热处理工艺。
8）回火脆性——钢在250-350℃和500-600℃两个温度区间回火后,钢的冲击韧度明显下降的现象。
9）球化退火——使钢中碳化物球状化的热处理工艺。
2.填空题
68）奥氏体形核奥氏体晶核长大Fe3C（渗碳体）的溶解奥氏体的成分均匀化
69）均为铁素体和渗碳体片层状混合组织片层间距不同
70）羽毛状竹叶状
71）多了一条先析出铁素体或渗碳体相的析出曲线
72）板条马氏体针状马氏体板条马氏体
73）末端淬火法
74）右小
75）加热保温冷却
76）Ac3+30℃~50℃亚共析
77）使Fe3C（渗碳体）球化共析钢和过共析钢
78）Ac3+30℃~50℃Ac1+30℃~50℃
79）低多
80）小
81）第一类（不可逆）第二类（可逆）
82）去除应力，调整组织，提高性能低低
83）活性原子的产生活性原子的吸收活性原子的扩散
3.是非题
1）F2）F3）R4）R5）F6）F7）F8）F9）F10）R11）F12）F
4.选择正确答案
1）B2）A3）C4）A5）B6）C7）B8）C9）B
10）A11）B12）A13）BA14）C15）A16）A17）C18）C
5.综合分析题
84）A1—共析转变临界温度Ac1—加热时共析转变临界温度
Ac3—加热时F转变成A的临界温度Accm—加热时二次渗碳体转变成A的临界温度
Ar1—冷却时共析转变临界温度Ar3—冷却时A转变成F的临界温度
85）一、相同点：
它们的晶体结构相同，是同一种相
二、不同点：
存在的温度范围不同，稳定性不同。
（a）奥氏体仅存在于A1、A3、Acm线温度以上，是稳定相。
（b）过冷奥氏体仅存在于A1温度以下、Ms温度以上，C曲线开始转变线左侧，是亚稳相，随着时间的推移最终要转变成珠光体或贝氏体或马氏体组织。
（c）残余奥氏体仅存在于Ms温度以下，与马氏体组织并存，是亚稳相，在100℃~400℃加热，会发生分解。
86）（a）加热温度；（b）保温时间；（c）钢的成分
87）见教材C曲线图。
主要影响因素：
（a）合金元素种类及含量；（b）碳含量
88）一、相同点：
都是过冷奥氏体转变过程中转变温度与转变时间的关系曲线。
二、不同点：
（a）位置不一样，连续转变曲线在等温转变曲线右下方。
（b）连续转变曲线没有贝氏体类型的组织转变。
89）钢的淬火临界冷却速度是指钢淬火时获得全马氏体组织必须具有的最小冷却速度，它由C曲线的位置决定，主要影响因素为钢中合金元素种类及含量和碳含量。
临界冷却速度愈小，钢的淬透性愈大。
90）细片状珠光体好。
原因：
（a）细片状珠光体转变速度快；（b）细片状珠光体可能获得较细的奥氏体晶粒。
91）发生A→F+P重结晶，F和P均需重新形核与长大。
92）见教材相关内容。
93）一、形成条件：
索氏体——过冷奥氏体在650℃~600℃转变获得的组织
回火索氏体——钢淬火形成的马氏体再经高温回火获得的组织
屈氏体——过冷奥氏体在600℃~550℃转变获得的组织
回火屈氏体——钢淬火形成的马氏体再经中温回火获得的组织
马氏体——钢淬火后（冷却速度大于临界冷却速度）形成的组织
回火马氏体——钢淬火形成的马氏体再经低温回火获得的组织
二、金相形态：
索氏体——细片状铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）相互交替排列
回火索氏体——细小的渗碳体（Fe3C）颗粒均匀分布在铁素体（F）的基体上
屈氏体——极细片状铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）相互交替排列
回火屈氏体——高度弥散的渗碳体（Fe3C）分布在针状铁素体（F）的基体上
马氏体——呈针状或板条状
回火马氏体——保留了马氏体的基本形态，但颜色稍微变暗。
三、性能：
索氏体——较高的强度和硬度，良好的塑性和韧性。
回火索氏体——强度高、硬度高、塑性好，具有优良的综合机械性能
屈氏体——强度和硬度高于索氏体，塑性和韧性优于索氏体。
回火屈氏体——有较高的强度（特别是较高的弹性极限和屈服强度）和硬度，
具有一定的塑性和韧性度。
马氏体——硬度高，但是塑性和韧性较差。
回火马氏体——硬度较马氏体有所下降，但仍具有高的硬度，韧性较马氏体
有所提高。
94）马氏体的本质是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。
高硬度的原因是高饱和碳的强烈的固溶强化作用。
脆性主要是由于马氏体中有大的组织应力造成的。
95）联系：
都是反映钢淬火后是否获得马氏体的难易程度。
区别：
淬透性是反映钢接受淬火时形成马氏体的能力，淬透层深度是反映钢淬火后从表面到心部所获得的马氏体的深度，是钢淬透性大小的具体表现。
96）a.M+残余A，单介质（水）淬火b.M+残余A，分级淬火
c.T+M+残余A，单介质（油）淬火d.下贝氏体，等温淬火
e.S，正火f.P，退火g.P，等温退火
97）对于亚共析钢，退火与正火的加热温度相同，主要区别是冷却速度不同：
退火为炉冷，冷速缓慢；正火为空冷，冷速较快。
在生产中，如果条件允许，尽可能用正火。
对于共析钢和过共析钢，退火与正火的主要区别是：
（a）加热温度不同，球化退火温度为Ac1+30℃~50℃，正火温度为Accm+30℃~50℃；（b）冷却速度不同，退火为炉冷，冷速缓慢；正火为空冷，冷速较快。
球化退火用于预备热处理，正火用于消除网状渗碳体。
98）（a）再结晶退火；目的：
消除加工硬化，降低硬度；组织：
F+P
（b）去应力退火；目的：
去除铸造应力；组织：
F+P
（c）重结晶退火；目的：
细化晶粒组织；组织：
F+P
（d）球化退火；目的：
降低硬度，改善机加工性能；组织：
球状珠光体
99）45钢的临界淬火直径为10mm所以热轧棒材在水中能够淬透。
45钢的Ac3=780℃
温度室温组织
700℃F+P（S）（原始组织）
760℃F+M
840℃M（细小）
1100℃M（粗大）
100）含碳量1.2%的钢的Accm=810℃
（a）900℃；（b）900℃；（c）900℃；（d）900℃；（e）780℃，可以减少残余奥氏体的含量，提高淬火后钢的硬度。
101）（a）淬火温度：
Ac3+30℃~50℃；回火温度：
高温回火；组织：
回火S
（b）淬火温度：
Ac3+30℃~50℃；回火温度：
中温回火；组织：
回火T
（c）淬火温度：
Accm+30℃~50℃；回火温度：
低温回火；
组织：
回火M+二次渗碳体+残余A
102）（a）热处理
（1）：
名称：
球化退火
目的：
a.降低硬度，便于机加工；b.为淬火做组织准备
热处理
（2）：
名称：
淬火+低温回火
目的：
a.淬火是为了获得高硬度马氏体；b.低温回火是为了在保持高硬度的前提下，提高车刀的韧性。
（b）Accm+30℃~50℃淬火+200℃低温回火；组织：
回火M+二次渗碳体+残余A；
硬度HRC60左右
103）碳质量分数为0.2%钢的Ac1=855℃，碳质量分数为1.0%钢的Accm=800℃
（a）表面：
P+网状二次Fe3C心部：
F+P
（b）表面：
回火M+残余A（较多）心部：
回火M
（c）表面：
回火M+残余A心部：
F（少量）+回火M
（d）表面：
回火M+二次Fe3C+残余A（较少）心部：
F（较多）+回火M
104）Ⅰ：
M；Ⅱ：
M+F；Ⅲ：
回火索氏体
第四章工程材料
1.名词解释
1）合金化——在碳钢中加入一定的合金元素，形成合金钢的过程。
2）回火稳定性——淬火钢在回火时，抵抗强度、硬度下降的能力。
3）二次硬化——含有大量W，V，Mo等碳化物形成元素的钢，大约在500℃～600℃回火时，析出大量高度弥散的合金碳化物，让钢仍然保持高的硬度的现象。
4）热硬性（红硬性）——在合金工具钢中，大约在500℃~600℃时，仍然具有高硬度的现象。
5）石墨化——铸铁中碳原子析出形成石墨的过程。
6）石墨化退火——对白口铸铁在A1~共晶温度之间进行长时间退火获得可锻铸铁的热处理工艺。
7）固溶处理——将有色金属加热到单相固溶体相区，然后快速冷却获得单相过饱和固溶体的热处理工艺。
8）时效——对经固溶处理后的合金，在室温放置或在低温加热，让其强度和硬度明显升高的热处理工艺。
9）黄铜——以锌为主要合金化元素的铜合金。
10）锡青铜——以锡为主要合金化元素的铜合金。
11）热塑性塑料——可以反复塑化成形的塑料。
12）热固性塑料——塑化成形后，加热不再软化，无法重新塑化成形的塑料。
13）特种陶瓷——主要以人工合成原料制作的陶瓷材料。
14）玻璃钢——一种以树脂为粘接剂的玻璃纤维增强的复合材料。
2.填空题
105）低合金钢（合金元素<5%）中合金钢（合金元素5%~10%）高合金钢（合金元素>10%）
106）AlCo下降残余奥氏体量下降
107）Cr、Ni、Mn增大冷却速度加入Mo、W
108）Co减小增加
109）低合金刃具钢低速刀具
热作模具钢热锻模
热作模具钢压铸模
合金调质钢轴、连杆
低合金工具钢量规用具
冷作模具钢大型冲压模
碳素工具钢锉刀
低合金高强度钢桥梁
合金调质钢主轴
铸钢车轮
合金渗碳钢齿轮
合金弹簧钢弹簧
滚动轴承钢滚动轴承内外圈
铁素体不锈钢食品机械
马氏体不锈钢医疗器械
高速钢高速铣刀
奥氏体不锈钢耐酸容器
碳化物（渗碳体等）制作耐磨零件
110）碳化物（渗碳体等）制作耐磨零件
111）石墨机床床身等
112）团絮状凸轮轴、三通暖水管
113）球状曲轴、缸套
114）化学成分冷却速度
115）石墨呈球状
116）灰铁Rm≥200MPa
117）硅铁（75Si-Fe）
118）稀土镁（Re-Mg）
119）先获得白口铸铁，然后进行石墨化退火
120）塑料橡胶合成纤维
121）热塑性塑料热固性塑料
122）热塑性
123）天然橡胶合成橡胶
124）密封圈
125）坯料制备成形烧结
126）共价键离子键
127）粘土石英长石
128）树脂玻璃纤维热塑性玻璃钢热固性玻璃钢
129）金属树脂陶瓷
130）基体增强
3.是非题
1）F2）R3）F4）F5）F6）R7）F8）F9）F
10）F11）F12）F13）R14）F15）F16）F17）R18）R
19）F20）R21）F22）F23）F
4.选择正确答案
1）C2）A3）C4）A5）B6）C7）B8）B9）B
10）B11）C12）C13）B14）A15）B16）A17）C18）C19）D20）B21）D22）B23）B24）C25）D26）D
5.综合分析题
1）方法一：
敲击法，无变形容易断裂的为白口铸铁，有变形难断裂的为15钢。
方法二：
测量硬度法，硬度高的为白口铸铁，硬度低的为15钢。
2）
牌号
Q235A
15
45
65
T8
T12
钢类
普通碳素
结构钢
低碳钢
中碳钢
高碳钢
碳素工具钢
碳素工具钢
碳质量分数
低碳
0.15%
0.45%
0.65%
0.8%
0.12%
应用
螺钉
冲压板
小轴
弹簧
锤子
锉刀
3）（a）手锯锯条——T12，T13
（b）普通螺钉——Q195
（c）车床主轴——45钢
4）（a）Mn的固溶强化作用强；（b）Mn的价格便宜，成本低
5）（a）调质钢：
主要加入提高淬透性元素Mn，Si，Ni，Cr；部分加入W，Mo，阻止第二类回火脆性。
调质后可以获得优良的综合机械性能。
（b）渗碳钢：
主要加入提高淬透性元素Mn，Si，Ni，Cr；加入少量V，Ti，Nb等防止晶粒长大元素。
热处理后在表面获得高硬度，心部获得高的韧性。
6）（a）成分特点：
高碳，达到1.0%左右，甚至更高。
高合金化，加入大量强化碳化元素W和Mo，总量可达10%~20%。
（b）热处理特点：
高温淬火，淬火加热温度达到1200℃~1280℃。
高温多次回火，550℃~570℃三次回火。
（c）合金元素作用：
C，保证有足够的碳用来形成碳化物。
W和Mo，形成碳化物保证高速钢具有高的热硬性。
Cr和V，提高高速钢的耐磨性，同时阻止晶粒长大，细化晶粒。
7）以Ac1+30℃~50℃淬火，性能达不到要求。
因为这是大量的W和Mo没有溶解到A中，淬火后M中W和Mo的过饱和度低，难以在回火中析出足够量尺寸细小的W和Mo的碳化物，保证在560℃下高速钢具有高的热硬性。
实际淬火温度是1200~1280℃，能够让W和Mo基本溶解到中A中去。
在560℃三次回火，主要是让W和Mo的碳化物大量析出，大幅度降低残余奥氏体的含量，保证钢的热硬性。
8）20CrMnTi钢中的Ti主要是用来防止在渗碳过程中奥氏体晶粒的长大，保证渗碳后奥氏体仍具有细小的晶粒。
1Cr18Ni9Ti主要是让晶界处的碳优先与Ti结合形成碳化物，防止碳与Cr结合形成碳化物，造成晶界贫Cr区（晶间腐蚀），提高不锈钢的耐蚀性。
9）（a）淬透性：
20CrMnTi>40Cr>T8>65，理由：
合金钢的淬透性远大于碳素
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