工程材料及成型技术基础吕广庶张元明著课后习题答案.docx

1、工程材料及成型技术基础吕广庶张元明著课后习题答案工程材料及成型技术基础吕广庶张元明著课后习题答案Document number SA80SAB-SAA9SYT-SAATC-SA6UT-SA18工程材料复习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

2、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：山多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。过冷度：实际结晶温

3、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，使结晶时的晶核数口大大增加，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a-Fe、丫 - 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；a Fe、Cr V属于体心立方晶格；

4、Y -Fe、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“T；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) O5.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，通过理论讣算具有极高的强度，随着晶体中缺陷的增 力口，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度乂随晶体缺陷的 增加而增加。因此

5、，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

6、子的扩散能力减弱。过冷度增大，AF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，结晶发生困难。&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，釆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

7、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H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、硕度迅速增加；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，只是在晶内发生点缺陷的消失以及位错 的迁移等变化，因此，这时金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化不 大，

8、而只是使内应力及电阻率等性能显着降低。此阶段为回复阶段。再结晶：被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能力，使晶粒的外形开 始变化。从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒形状相 似，晶格类型相同，把这一阶段称为“再结晶”。热加工：将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行压力加工。冷加工：在再结晶温度以下进行的压力加工。2.产生加工硬化的原因是什么加工硬化在金属加工中有什么利弊答：随着变形的增加，晶粒逐渐被拉长，直至破碎，这样使各晶粒都破碎成细碎的 亚晶粒，变形愈大，晶粒破碎的程度愈大，这样使位错密度显着增加；同时细 碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长。因此，随着变形量的增加，山于晶

9、粒 破碎和位错密度的增加，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即强度和硬度显着 提高，而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬化”现象。金属的加工硬化现象 会给金属的进一步加工带来困难，如钢板在冷轧过程中会越轧越硬，以致最后 轧不动。另一方面人们可以利用加工硬化现象，来提高金属强度和硬度，如冷 拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度的。加工 硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因素。如冷拉钢丝拉过模孔的部 分，山于发生了加工硬化，不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔的部 分，这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。3.划分冷加工和热加工的主要条件是什么答：主要是再结晶温度。在再结晶温度以

10、下进行的压力加工为冷加工，产生加工硕化 现象；反之为热加工，产生的加工硬化现象被再结晶所消除。4.与冷加工比较，热加工给金属件带来的益处有哪些答：（1）通过热加工，可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得以提高。（2） 通过热加工，可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，机械 性能提高。（3） 通过热加工，可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变，使它 们沿着变形的方向细碎拉长，形成热压力加工“纤维组织”（流线），使纵向 的强度、塑性和韧性显着大于横向。如果合理利用热加工流线，尽量使流线与 零件工作时承受的最大拉应力方向一致，而与外加切应力或冲击力相垂直，可 提高零件使用寿

11、命。5.为什么细晶粒钢强度高，窠性，韧性也好答：晶界是阻碍位错运动的，而各晶粒位向不同，互相约束，也阻碍晶粒的变形。因 此，金属的晶粒愈细，其晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈 多，对塑性变形的抗力也愈大。因此，金属的晶粒愈细强度愈高。同时晶粒愈 细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的变形量便可分散在更多的晶 粒中发生，产生较均匀的变形，而不致造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产 生和发展。因此，塑性，韧性也越好。6.金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化 答：晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性，如纵向的强度和塑性远大于横向 等；晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化

12、，即随着变形量的增加，强度和 硬度显着提高，而塑性和韧性下降；织构现象的产生，即随着变形的发生，不 仅金属中的晶粒会被破碎拉长，而且各晶粒的晶格位向也会沿着变形的方向同时 发生转动，转动结果金属中每个晶粒的晶格位向趋于大体一致，产生织构现象； 冷压力加工过程中山于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间的 变形不均匀，金属内部会形成残余的内应力，这在一般悄况下都是不利的，会引 起零件尺寸不稳定。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

13、，要继续变形就必须增大外力，因此提高了金属的强度。8.已知金属鹤、铁、铅、锡的熔点分别为3380C、15389、3279、232QC,试计算 这些金属的最低再结晶温度，并分析钩和铁在1100-c下的加工、铅和锡在室温(20-C)下的加工各为何种加工答：T 丹;钩 T 沪* (3380+273) -273=1188. 2C;铁 T 沪* (1538+273)- 273=451. 4C;铅 Tw=* (327+273) -273二-33C;锡 TR=* (232+273)- 273二-71C.由于鹄T再为1188.2C1100C,因此属于热加工；铁T円为451. 4C 1100C,因此属于冷加工；

14、铅丁刃为-33C20C,属于冷加工；锡丁刃为-71 a-Fe ）转变时，其体积如何变化答：因为Y-Fe和a - Fe原子排列的紧密程度不同，Y-Fe的致密度为74%, a - Fe 的致密度为68%,因此一块质量一定的铁发生（Y-Fe -a-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（FesC）,珠光体（P）,莱氏体（Ld）它 们的结构、组织形态、性能等各有何特点答：铁素体（F）:铁素体是碳在a-Fe中形成的间隙固溶体，为体心立方晶格。11于碳在a-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

15、体是碳在7卡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，故碳在了一以中的溶解度较大。有很好的塑性。渗碳体（Fe）：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）:山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）:山奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。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。山于渗碳体很 脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。C合金相图有何作用在生产

16、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：尸+ %C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佔汁铸造性能的好 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

17、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 + Fe.C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。山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、G 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：C：共晶点1148C %C,在这一点上发生共晶转变，反应式：Lc-AE+Fe3C , 当冷到1148C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一一莱氏体（Z）t （

18、役+ Fe.C）E：碳在y-Fe中的最大溶解度点1148C %CG： a-Fey-Fe 同素异构转变点（A3） 912C 0%CH：碳在6-Fe中的最大溶解度为1495C %CJ：包晶转变点1495C %C在这一点上发生包晶转变，反应式：Lb +6/ o A,当冷却到1495C时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相 5反应生成具有J点成分的固相A。N： y-Fed-Fe同素异构转变点（AQ 1394C 0%CP：碳在a-Fe中的最大溶解度点%C 727CS：共析点727C %C在这一点上发生共析转变，反应式：AoFp+Fc， 当冷却到727C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

19、素 体和渗碳体的两相混合物一一珠光体P （坊+ Fe.c ）ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，乂称Acid温度线，随温度的降低，碳在奥 化体中的溶解度减少，多余的碳以形式析出，所以具有紅的钢冷却到Acm线与PSK线之间时的组织A + Fe3Cn ,从A中析出的Fe.C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As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：碳在铁素体中的洛解度曲线，随温度的降低，碳在铁素体中的洛解度减少，多余的碳以屁3形式析出，从F中析出的陀2称为三次渗碳体Fe.Cu,由于铁素体含碳很少，析出的&（山很少，一般忽略

20、，认为从727C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比0坊+斤2,产物（P） 珠光体，含碳量在的铁碳合金冷却到727C时都有共析转变发生。6.简述Fe-Fe,C相图中三个基本反应：包晶反应，共晶反应及共析反应，写出反应 式，标出含碳量及温度。答：共析反应：冷却到727C时具有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。包晶反应：冷却到 1495C时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相8反应主成具有 J点成分的固相A。+ 叫 丫共晶反应：U48C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。 1147a Y+ 3C7.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：含有的铁碳合金。口 口铁：含大于%C的铁碳合金。碳素钢中亚共析钢的组织山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