机械工程材料课后习题答案.docx

1、机械工程材料课后习题答案机械工程材料 思考题参考答案 第一章 金属的晶体结构与结晶1解释下列名词点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体，过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。 答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如位错。面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。如晶界和亚晶界。亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们相互

2、镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。 过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。变质处理：在液

3、态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。 2.常见的金属晶体结构有哪几种？-Fe 、- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、 Pb 、 Cr 、 V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；Fe、Cr、V属于体心立方晶格； 1Fe 、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格； Mg、Zn属于密排六方晶格；3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。晶

4、体中配位数和致密度越大，则晶体中原子排列越紧密。 4.晶面指数和晶向指数有什么不同？答：晶向是指晶格中各种原子列的位向，用晶向指数来表示，形式为 uvw ；晶面是指晶格中不同方位上的原子面，用晶面指数来表示，形式为 hkl 。5.实际晶体中的点缺陷，线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响？答：如果金属中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随着晶体中缺陷的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。因此，无论点缺陷，线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变，从而使晶体强度增加。同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻，降低金属的抗腐蚀性能。6.为何单晶体具有各向异性，而

5、多晶体在一般情况下不显示出各向异性？答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。7.过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？答：冷却速度越大，则过冷度也越大。随着冷却速度的增大，则晶体内形核率和长大速度都加快，加速结晶过程的进行，但当冷速达到一定值以后则结晶过程将减慢，因为这时原子的扩散能力减弱。过冷度增大，F大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶

6、发生困难。8.金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？答：金属结晶的基本规律是形核和核长大。受到过冷度的影响，随着过冷度的增大，晶核的形成率和成长率都增大，但形成率的增长比成长率的增长快；同时外来难熔杂质以及振动和搅拌的方法也会增大形核率。9.在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？在生产中如何应用变质处理？答：采用的方法：变质处理，钢模铸造以及在砂模中加冷铁以加快冷却速度的方法来控制晶粒大小。变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒。机械振动、搅拌。第二章 金属

7、的塑性变形与再结晶1解释下列名词：加工硬化、回复、再结晶、热加工、冷加工。答：加工硬化：随着塑性变形的增加，金属的强度、硬度迅速增加；塑性、韧性迅速下降的现象。回复：为了消除金属的加工硬化现象，将变形金属加热到某一温度，以使其组织和性能发生变化。在加热温度较低时，原子的活动能力不大，这时金属的晶粒大小和形状没有明显的变化，只是在晶 7分析加工硬化对金属材料的强化作用？答：随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割、位错缠结加剧，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力的增加。这样，金属的塑性变形就变得困难，要继续变形就必须增大外力，因此提高了金属的强度。 8已知金属钨、铁、铅、

8、锡的熔点分别为3380、1538、327、232，试计算这些金属的最低再结晶温度，并分析钨和铁在1100下的加工、铅和锡在室温（20）下的加工各为何种加工？ 答：T再=0.4T熔；钨T再=0.4*（3380+273）-273=1188.2;铁T再=0.4*（1538+273）-273=451.4; 铅T再=0.4*（327+273）-273=-33; 锡T再=0.4*（232+273）-273=-71.由于钨T再为1188.21100，因此属于热加工；铁T再为451.41100，因此属于冷加工；铅T再为-3320，属于冷加工；锡T再为-7120，属于冷加工。9在制造齿轮时，有时采用喷丸法（即将

9、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：高速金属丸喷射到零件表面上，使工件表面层产生塑性变形，形成一定厚度的加工硬化层，使齿面的强度、硬度升高。第三章 合金的结构与二元状态图1解释下列名词：合金，组元，相，相图；固溶体，金属间化合物，机械混合物；枝晶偏析，比重偏析；固溶强化，弥散强化。 答：合金：通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。 相：在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均称之为相。 相图：用来表示合金系中各个合金的

10、结晶过程的简明图解称为相图。固溶体：合金的组元之间以不同的比例混合，混合后形成的固相的晶格结构与组成合金的某一组元的相同，这种相称为固溶体。金属间化合物：合金的组元间发生相互作用形成的一种具有金属性质的新相，称为金属间化合物。它的晶体结构不同于任一组元，用分子式来表示其组成。机械混合物：合金的组织由不同的相以不同的比例机械的混合在一起，称机械混合物。枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较 多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。比重偏析：比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起的。如果先共晶相与溶液之

11、间的密度差别较大，则在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液体中上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致，产生比重偏析。固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。弥散强化：合金中以固溶体为主再有适量的金属间化合物弥散分布，会提高合金的强度、硬 3度及耐磨性，这种强化方式为弥散强化。2指出下列名词的主要区别： 1）置换固溶体与间隙固溶体；答：置换固溶体：溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固溶体称置换固溶体。间隙固溶体：溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体。2）相组成物与组织组成物；相组成物：合金的基本组成相。

12、组织组成物：合金显微组织中的独立组成部分。 3下列元素在-Fe 中形成哪几种固溶体? Si、C、N、Cr、Mn答：Si、Cr、Mn形成置换固溶体；C、N形成间隙固溶体。 4试述固溶强化、加工强化和弥散强化的强化原理,并说明三者的区别.答：固溶强化：溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时受到阻力增大。弥散强化：金属化合物本身有很高的硬度，因此合金中以固溶体为基体再有适量的金属间化合物均匀细小弥散分布时，会提高合金的强度、硬度及耐磨性。这种用金属间化合物来强化合金的方式为弥散强化。加工强化：通过产生塑性变形来增大位错密度，从而增大位错运动阻力，引起塑性变形抗力的增加，提高合金

13、的强度和硬度。区别：固溶强化和弥散强化都是利用合金的组成相来强化合金，固溶强化是通过产生晶格畸变，使位错运动阻力增大来强化合金；弥散强化是利用金属化合物本身的高强度和硬度来强化合金；而加工强化是通过力的作用产生塑性变形，增大位错密度以增大位错运动阻力来强化合金；三者相比，通过固溶强化得到的强度、硬度最低，但塑性、韧性最好，加工强化得到的强度、硬度最高，但塑韧性最差，弥散强化介于两者之间。5固溶体和金属间化合物在结构和性能上有什么主要差别？答：在结构上：固溶体的晶体结构与溶剂的结构相同，而金属间化合物的晶体结构不同于组成它的任一组元，它是以分子式来表示其组成。在性能上：形成固溶体和金属间化合物都

14、能强化合金，但固溶体的强度、硬度比金属间化合物低，塑性、韧性比金属间化合物好，也就是固溶体有更好的综合机械性能。6. 何谓共晶反应、包晶反应和共析反应?试比较这三种反应的异同点.答：共晶反应：指一定成分的液体合金，在一定温度下，同时结晶出成分和晶格均不相同的两种度限度，于是从固溶体中析出二次相A，因此晶体的反应。 最终显微组织：+A包晶反应：指一定成分的固相与一定成分的液相作 相组成物: +A用，形成另外一种固相的反应过程。 A=（90-80/90）*100%=11%=1-A%=89% 共析反应：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具有一定晶体结 45%A合金如图：构的固

15、相的反应。 合金在1点以上全部为液相，冷至1点时开始从共同点：反应都是在恒温下发生，反应物和产物都是液相中析出固溶体，此时液相线成分沿线BE具有特定成分的相，都处于三相平衡状态。 变化，固相线成分沿BD线变化，当冷至2点时，不同点：共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相液相线成分到达E点，发生共晶反应，形成（A+）的反应；共析反应是一种固相在恒温下生成共晶体，合金自2点冷至室温过程中，自中析出两种固相的反应；而包晶反应是一种液相与二次相A，因而合金室温组织：一种固相在恒温下生成另一种固相的反应。 A + +(A+ ) 相组成物 :A+ 7二元合金相图表达了合金的哪些关系？ 组织：A=（70-5

16、5）/70*100%=21% =1- A答：二元合金相图表达了合金的状态与温度和成分之间的=79%关系。 A+=（70-55）/(70-40）*100%=50%8在二元合金相图中应用杠杆定律可以计算什么？ 相：A=（90-55）/90*100%=50% =1-A%=50% 答：应用杠杆定律可以计算合金相互平衡两相的成分和相80%A合金如图：对含量。 合金在1点以上全部为液相，冷至1点时开始从9. 已知A（熔点 600）与B(500) 在液态无限互溶；液相中析出A，此时液相线成分沿AE线变化，冷在固态 300时A溶于 B 的最大溶解度为 30% ，室温时至2点时，液相线成分到达点，发生共晶反应，

17、为10%，但B不溶于A；在 300时，含 40% B 的液态合形成(A+)共晶体，因而合金的室温组织：A+(A+) 金发生共晶反应。现要求：1）作出A-B 合金相图； 相组成物：A+2）分析 20% A,45%A,80%A 等合金的结晶过程，并确定组织：A=（40-20）/40*100%=50% 室温下的组织组成物和相组成物的相对量。 A+=1-A%=50%答：（1）相： A=（90-20）/90*100%=78%=1-A%=22%10某合金相图如图所示。 （2）20%A合金如图：合金在1点以上全部为液相，当冷至1点时，开始从液相中析出固溶体，至2点结束，23点之间合金全部由固溶体所组成，但当

18、合金冷到3点以下，由于固溶体的浓度超过了它的溶解4 1）试标注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）说明合金的平衡结晶过程及室温下的显微组织。 答：(1)：L+ : + : +(+) : + (2)匀晶转变；共析转变(3)合金在1点以上全部为液相,冷至1点时开始从液相中析出固溶体至2点结束,23点之间合金全部由固溶体所组成,3点以下,开始从固溶体中析出固溶体,冷至4点时合金全部由固溶体所组成,45之间全部由固溶体所组成,冷到5点以下,由于固溶体的浓度超过了它的溶解度限度,从中析出第二相固溶体,最终得到室稳下的显微组织: +11有形状、尺寸相同的两个 Cu-Ni 合金

19、铸件，一个含 90% Ni ，另一个含 50% Ni,铸后自然冷却，问哪个铸件的偏析较严重？ 答：含 50% Ni的Cu-Ni 合金铸件偏析较严重。在实际冷却过程中，由于冷速较快，使得先结晶部分含高熔点组元多，后结晶部分含低熔点组元多，因为含 50% Ni的Cu-Ni 合金铸件固相线与液相线范围比含 90% Ni铸件宽，因此它所造成的化学成分不均匀现象要比含 90% Ni的Cu-Ni 合金铸件严重。第四章 铁碳合金1何谓金属的同素异构转变？试画出纯铁的结晶冷却曲线和晶体结构变化图。答：由于条件（温度或压力）变化引起金属晶体结构的转变，称同素异构转变。答：铁素体（F）：铁素体是碳在 Fe中形成的

20、间隙固溶体，为体心立方晶格。由于碳在 Fe中的溶解度很小，它的性能与纯铁相近。塑性、韧性好，强度、硬度低。它在钢中一般呈块状或片状。 奥氏体（A）：奥氏体是碳在 Fe中形成的间隙固溶体，面心立方晶格。因其晶格间隙尺寸较大，故碳在 Fe中的溶解度较大。有很好的塑性。 渗碳体（Fe3C）：铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。在钢中以片状存在或网络状存在于晶界。在莱氏体中为连续的基体，有时呈鱼骨状。珠光体（P）：由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体呈层片状。珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。莱氏体（Ld）：由奥氏体和渗碳体组

21、成的机械混合物。在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体基体上。由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。4.Fe-Fe3C合金相图有何作用？在生产实践中有何指导意义？又有何局限性？答：碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用，各种热加工工艺的制订以及工艺废品原因的分析等方面都有重要指导意义。为选材提供成分依据：F Fe3C相图描述了铁碳合金的组织随含碳量的变化规律，合金的性能决定于合金的组织，这样根据零件的性能要求来选择不同成分的铁碳合金；为制定热加工工艺提供依据：对铸造，根据

22、相图可以找出不同成分的钢或铸铁的熔点，确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏。对于锻造：根据相图可以确定锻造温度。对焊接： 根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性；对热处理：F Fe3C相图更为重要，如退火、正火、淬火的加热温度都要参考铁碳相图加以选择。由于铁碳相图是以无限缓慢加热和冷却的速度得到的，而在实际加热和冷却通常都有不同程度的滞后现象。5.画出 Fe-Fe3C 相图，指出图中 S 、C 、E 、P、N 、G5 2为什么-Fe 和- Fe 的比容不同？一块质量一定的铁发生（-Fe -Fe ）转变时，其体积如何变化？ 答：因为-Fe

23、和- Fe原子排列的紧密程度不同，-Fe的致密度为74%,- Fe的致密度为68%，因此一块质量一定的铁发生（-Fe -Fe ）转变时体积将发生膨胀。3.何谓铁素体（F）,奥氏体（A），渗碳体（Fe3C），珠光体（P）,莱氏体（Ld）？它们的结构、组织形态、性能等各有何特点？ 及 GS 、SE 、PQ 、PSK 各点、线的意义，并标出各相区的相组成物和组织组成物。 答: 变，反应式：As Fp Fe3c，当冷却到727时从具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物珠光体P（Fp Fe3c）ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm温度线，随温度的降低，碳在奥化体中

24、的溶解度减少，多余的碳以Fe3C形式析出，所以具有0.77%2.11%C的钢冷却到Acm线与PSK线之间时的组织A Fe3C，从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。GS线：不同含碳量的奥氏体冷却时析出铁素体的开始线称A3线，GP线则是铁素体析出的终了线，所以GSP区的显微组织是F A。PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线，随温度的降低，碳在铁素体中的溶解度减少，多余的碳以Fe3C形式析出，从F中析出的Fe3C称为 C：共晶点1148 4.30%C，在这一点上发生共晶转变，反应式：Lc AE Fe3C，当冷到1148时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物莱氏体 Le

25、AE Fe3C E：碳在 Fe中的最大溶解度点1148 2.11%C三次渗碳体Fe3C，由于铁素体含碳很少，析出的Fe3C很少，一般忽略，认为从727冷却到室温的显微组织不变。PSK线：共析转变线，在这条线上发生共析转变AS FP Fe3C，产物（P）珠光体，含碳量在0.026.69%的铁碳合金冷却到727时都有共析转变发生。G： Fe Fe同素异构转变点（A3）9126.简述 Fe-Fe3C 相图中三个基本反应：包晶反应,共晶反0%C 应及共析反应，写出反应式，标出含碳量及温度。答：共析反应：冷却到727时具有S点成分的奥氏体中H：碳在 Fe中的最大溶解度为14950.09%C 同时析出具有

26、P点成分的铁素体和渗碳J：包晶转变点1495 0.17%C 在这一点上发体的两相混合物。生包晶转变，反应式：LB H AJ当冷却到1495时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相反应生成具有J点成分的固相A。N： Fe Fe同素异构转变点（A4）13940%CP：碳在 Fe中的最大溶解度点 727S：共析点727 0.77%C 在这一点上发生共析转 60.8 727 F0.02+Fe3C6.69包晶反应：冷却到1495时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相反应生成具有J点成分的固相A。 L0.5+0.1 1495 0.16 共晶反应：1148时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏

27、体和渗碳体的两相 混合物。 L4.3 11472.14+ Fe3C6.697.何谓碳素钢？何谓白口铁？两者的成分组织和性能有何差别？答：碳素钢：含有0.02%2.14%C的铁碳合金。白口铁：含大于2.14%C的铁碳合金。碳素钢中亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成，其中珠光体中的渗碳体以细片状分布在铁素体基体上，随着含碳量的增加，珠光体的含量增加，则钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。当含碳量达到0.8%时就是珠光体的性能。过共析钢组织由珠光体和二次渗碳体所组成，含碳量接近1.0%时，强度达到最大值，含碳量继续增加，强度下降。由于二次渗碳体在晶界形成连续的网络，导致钢的脆性增加。白口铁中由于其

28、组织中存在大量的渗碳体，具有很高的硬度和脆性，难以切削加工。8.亚共析钢、共析钢和过共析钢的组织有何特点和异同点。答：亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成。其中铁素体呈块状。珠光体中铁素体与渗碳体呈片状分布。共析钢的组织由珠光体所组成。过共析钢的组织由珠光体和二次渗碳体所组成，其中二次渗碳体在晶界形成连续的网络状。共同点：钢的组织中都含有珠光体。不同点：亚共析钢的组织是铁素体和珠光体，共析钢的组织是珠光体，过共析钢的组织是珠光体和二次渗碳体。9.分析含碳量分别为 0.20% 、 0.60% 、 0.80% 、 1.0% 的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织. 答：0.80%C:在1

29、2点间合金按匀晶转变结晶出A，在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。冷到3点时（727），在恒温下发生共析转变，转变结束时全部为珠光体P，珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体，当温度继续下降时，珠光体中铁素体溶碳量减少，其成分沿固溶度线PQ变化，析出三次渗碳体Fe3C，它常与共析渗碳体长在一起，彼此分不出，且数量少，可忽略。室温时组织P。0.60% C：合金在12点间按匀晶转变结晶出A，在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。冷到3点时开始析出F，3-4点A成分沿GS线变化，铁素体成分沿GP线变化，当温度到4点时，奥氏体的成分达到S点成分（含碳0.8%），便发生共析转变，形成珠光体，此时，原先析出的铁素体保持

30、不变，称为先共析铁素体，其成分为0.02%C，所以共析转变结束后，合金的组织为先共析铁素体和珠光体，当温度继续下降时，铁素体的溶碳量沿PQ线变化， 7析出三次渗碳体，同样Fe3C量很少，可忽略。所以含碳0.40%的亚共析钢的室温组织为：F+P1.0% C：合金在12点间按匀晶转变结晶出奥氏体，2点结晶结束，合金为单相奥氏体，冷却到3点，开始从奥氏体中析出二次渗碳体Fe3C，呈网状分布，3-4Fe3C沿奥氏体的晶界析出，间Fe3C不断析出，奥氏体成分沿ES线变化，当温度到达4点（727）时，其含碳量降为0.77%，在恒温下发生共析转变，形成珠光体，此时先析出的Fe3C保持不变，称为先共析渗碳体，所以共析转变结束时的组织为先共析二次渗碳体和珠光体，忽略Fe3C。室温组织为二次渗碳体和珠光体。10指出下列名词的主要区别：1）一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体与共析渗碳体；答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。二次渗碳体：从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。 三次渗碳体：从F中析出的Fe3C称为三次渗碳体Fe3C。共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。2） 热脆与冷脆。答：热脆：S在