金属材料与热处理课后习题参考答案

《金属材料与热处理》部分习题参考答案模块一金属的力学性能综合训练——课题1强度与塑性1.解释下列名词（略）2.说明下列力学性能指标的意义（略）3.低碳钢拉伸试验的基本过程：低碳钢在拉伸力作用下的表现过程可分为弹性变形阶段、屈服阶段、均匀塑性变形阶段、缩颈（集中塑性变形阶段）和断裂阶段。1）完全弹性变形阶段：拉伸力在Fp以下阶段（Op段），试样在受力时发生变形，在此阶段中拉伸力和伸长量成正比例关系，卸除拉伸力后变形能完全恢复，该阶段为完全弹性变形阶段。2）屈服阶段当所加的拉伸力F超过Fe后，拉伸力不增大或变化不大，试样仍继续伸长，开始出现明显的塑性变形。曲线上出现平台或锯齿（曲线ess′段），3）均匀塑性变形阶段在曲线的s′b段，拉伸力增大，伸长沿整个试样长度均匀进行，继而进入均匀塑性变形阶段。同时随着塑性变形的不断增加，试样的变形抗力也逐渐增加，产生形变强化，这个阶段是材料的强化阶段。4）颈缩和断裂阶段在曲线的最高点（b点），达到最大拉伸力Fb时，试样再次产生不均匀的塑性变形，变形主要集中于试样的某一局部区域，该处横截面积急剧减小，结果就形成了所谓“缩颈”现象。随着缩颈处截面不断减小，承载能力不断下降，到k点时，试样发生断裂。4.弹性极限在工程上的实际意义：材料受到外力时，几乎所有的弹性元件在工作时都不允许产生微小的塑性变形，只允许在弹性范围内工作。制造这类工件的材料应以能保持弹性变形按正比例变化的最大抗力作为失效抗力指标。屈服强度工程意义：屈服强度可以理解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。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。传统的设计方法，对于韧性材料以屈服强度为标准。抗拉强度工程意义：抗拉强度的物理意义是韧性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。铸铁等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，特别是对脆性材料而言。5.断后伸长率和断面收缩率的工程意义：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。任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显然，断后伸长率（δ）与断面收缩率（ψ）越大，发生的塑性变形量越大，也就是材料的塑性越好。塑性好的金属材料可以发生大量塑性变形而不破坏，便于通过各种压力加工方法（锻造、轧制、冷冲压等）获得形状复杂的零件或构件。综合训练——课题2硬度1.（略）2.见电子教案3.（1）（8）HV；（2）RC；（3）（4）（6）HB（5）HV或HR4.在一定条件下，HB与HRC可以查表互换。其心算公式可大概记为：1HRC≈1/10HB，因此不能说甲比乙硬度高。综合训练——课题3冲击韧性与疲劳极限1.解释下列名词（略）2.（1）Ak：冲击能量，即冲断试样所需要的能量，或试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击能量。（2）AkU：U形缺口试样的冲击能量。（3）AkV：V形缺口试样的冲击能量（4）ak：试样缺口处的横截面积S去除AkU和AkV，可得到材料的冲击韧度指标。（5）σ-1：材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下测定的，对称弯曲疲劳极限。（6）σr（N）：规定循环周次不发生疲劳断裂的最大循环应力值，称为条件疲劳极限，又称为疲劳强度。3.脆性大的材料：木材、陶瓷、玻璃。韧性好的材料：低碳钢、铝合金、纯金属，橡胶。4.金属的疲劳：金属材料在受到交变应力或重复循环应力时往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。疲劳断裂的特点：由于疲劳的应力比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前，均没有明显的塑性变形，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢扩展到临界尺寸时突然发生的。由于断裂前没有明显的预兆，故疲劳断裂危险性极大。宏观断口一般可明显地分为三个区域，即疲劳源，疲劳裂纹扩展区和瞬间断裂区。疲劳源多在机件的表面处。模块二金属的晶体结构综合训练——课题1金属的晶体结构1.（略）2.金属实际晶体中存在点缺陷、线缺陷和面缺陷三种晶体缺陷。这些缺陷对金属性能的影响如下：1）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。2）线缺陷形成位错对金属的机械性能影响很大，位错极少时，金属强度很高，位错密度越大，金属强度也会提高。3）面缺陷晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高，金属塑变的能力越大，塑性越好。总之，随着三种晶体缺陷量的增加，材料的强度硬度增加。随着点、线缺陷量的增加，材料的塑性韧性下降，而随着面缺陷量的增加，塑性和韧性反而提高。3.金属中常见的晶体结构有：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种。综合训练——课题2合金的相结构1（略）2.固溶体根据溶质在溶剂中所占据的位置不同分为：间隙固溶体和置换固溶体。固溶体与化合物的区别是：1）固溶体的晶格结构保持了溶剂的晶格结构，化合物的晶格结构不同于任何一种组元。2）化合物的硬度高而脆，熔点高，通常不做为主相，而作为强化相。模块三金属的结晶综合训练——课题1纯金属的结晶1.纯金属结晶时出现的现象：1）结晶在恒温下进行（结晶平台）；2）有一定的过冷度。2.金属形核的方式有：自发形核（均质形核）和非自发形核（异质形核）两种。金属通常以非自发形核为主要形核方式。（需能量小）晶粒的形态通常为树枝晶。3.金属结晶的条件：1）有一定的过冷度，过冷度不为零时结晶成为自发过程；2）结构条件（结构起伏），有与固态金属相同原子排列的原子团体，此原子团在某一时刻存在，另一时刻可能消失，这种原子团成为结晶的基础；3）能量条件，规则排列的原子团并不能都成为结晶的核心，只有尺寸大到一定程度才能成为核心，此时当原子团处于能量峰值就成为核心，当其处于低谷时就会融化。4.影响晶粒大小的因素是形核率（N）和长大速度（G）。形核率提高的比长大速度更快，即N/G增大时，晶粒更细小。5.晶粒大小对金属力学性能的影响：晶粒越细小，金属材料的强度、硬度、塑性和韧性越高。细化晶粒的原理：(1)晶粒细化，增加了晶界，位错移动变得困难，因此强度提高，从而硬度也提高；(2)塑性提高是因为晶粒细小了使其塑性变形量可分配给更多的晶粒，从而可使金属承受更大的塑性变形量；(3)韧性提高是因为晶粒细小了，裂纹扩展的路程变长了，消耗的功就变大了，即冲击能量就提高了，韧性便提高了。细化晶粒的措施（1）提高过冷度；（2）变质处理；（3）附加震动、搅拌。6.同素异晶转变：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称为同素异晶转变。同素异晶转变与金属的结晶相同点：1）过程都包括形核与长大两过程2）且都在恒温下进行3）同时都是相变。不同点：同素异晶转变是固态下的相变；而纯金属的结晶是液态向固态转变的相变。综合训练——课题2合金的结晶1.（1）B（2）B（3）B2.（1）①L+x②x+β③α+β④α+x（2）x和α的同素异晶转变；共晶转变（3）合金Ⅰ的平衡结晶过程：当温度在1点以上为液态金属；当温度下降到1点时，有x固溶体晶核出现，随着温度的下降L相的量不断减少，固溶体x的量不断增加，当温度降到2点，全部为x固溶体；温度在2-3之间是单相x固溶体；温度下降到3点，固溶体x开始向α转变，温度继续下降，x的量不断减少，α的量不断增加，当温度降到4点全部转变为α固溶体；温度在4-5之间是单相α固溶体；当温度下降到5点，α固溶体中的B组元达到饱和，温度低于5点，从α固溶体中析出βⅡ，温度不断下降βⅡ的量不断增多，α固溶体的量不断减少。合金Ⅰ到室温下的组织为α+βⅡ。3.共晶组织的形态有：层片状、点状、放射状、针状、螺旋状等。金属界面通常为粗糙界面，亚金属和非金属通常为光滑界面，所以，金属-金属型的两相共晶组织大多为层片状或棒状，金属-非金属型的两相共晶组织大多为树枝状、针片状或骨骼状等。初晶的形态：如果是固溶体，一般的形态呈树枝状（包含组织的卵形相），若是亚金属和非金属（如Sb、Bi、Si等）或化合物（如Fe3C等），则一般具有较规则的外形。4.在相图中三相水平线处：在转变前后相和组织能用杠杆定律来计算，转变过程中不能。转变前后的相是两相，转变过程中为3相，杠杆定律只适用于两相区。5.Si量为56.5%的Mg-Si合金为共晶合金，计算共晶前相的相为单相L，含量为100%；共晶前组织的L组织，量为100%。共晶后的相Mg2Si和Si两相，其相对含量为：W（Mg2Si）=（100-56.2）/（100-36.8）×100%=69.3%W（Si）=1-W（Mg2Si）=1-69.3%=31.7%共晶后组织为(Mg2Si+Si)，量为100%。6.若要铸造某一工件，其所用合金材料的组元已确定，其组元含量确定方法：先找到此合金相图，然后再找出相图中固液相线距离较小的合金，即为铸造用合金。7.设α中B的最大溶解度为x，共晶合金成分为y，则（25%-x）/(y-25%)=26（2/3）/73(1/3)(1)(50%-x）/(y-50%)=60/40(2)由式（1）、（2）得：x=3.7%，y=80.9%β中B的最大溶解度为96.3%因此参考相图为：模块四铁碳合金综合训练——课题1铁碳合金的基本相与铁碳合金相图1.名词解释（略）2.选择题（1）A（2）C，A3.判断题（1）√（2）×（3）√4.分析问答题（1）略（2）铁碳合金的基本相有名称定义晶格结构碳含量性能F碳在α-Fe中形成的间隙固溶体体心立方溶碳能力低。727℃最大,wc=0.0218%；室温时,wc=0.0008%与纯铁相似，强度硬度低，塑性韧性好。δ=30～50%A碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体面心立方727℃时，wc=0.77%,1148℃时最大,wc=2.11%强度硬度不高,塑性韧性良好，δ=40～60%（3）答：绑扎物件需要的强度较低，低碳钢丝可满足要求；起重机吊重物的钢丝绳需要高强度，需含碳量较高的钢因此需60、65、70钢制成。综合训练——课题2典型铁碳合金的冷却过程及组织转变根据铁碳合金相图，回答问题：1.答：热轧和锻造需要材料的塑性良好，而当钢加热到1000℃以上才能得到塑性良好的奥氏体组织。2.答：在1100℃时碳含量为0.4%的钢的组织为A组织，塑性良好适合于锻造；含碳量为4.2%的铸铁在1100℃时组织为A+渗碳体，渗碳体是硬而脆的组织，锻造时易开裂因此不适合锻造。3.答：45钢在600℃时组织为F+P，750℃时组织为F+A，900℃时组织为A组织。4.答：70钢和T10钢属于高碳钢，硬度很高，20钢和30钢含碳量比70钢和T10钢低很多，因此硬度也低很多，锯条70钢和T10钢时易磨钝。5.答：略（见课本75-77页）综合训练——课题3碳含量对铁碳合金平衡组织和性能的影响•1.答：1）随着，HBS↑、σb↑；δ↓、Ak↓；由于钢在室温下有F和•Fe3C两相组成，F软而韧，Fe3C硬而脆，随Wc↑,F量↓，Fe3C↑。2）Wc=0.9%时，σb达到最高；Wc＞0.9%时，随Wc↑，σb↓；由于Fe3CⅡ成网状，使σb↓，因此，工业用钢的含碳量一般不超过1.3%。2.答：见1题的2）3.答：亚共析钢和亚共晶白口铸铁的相组成都为F和Fe3C两相；•亚共析钢的组织为F+P•亚共晶白口铸铁的组织为P+Fe3CⅡ+Ld′。4.答：方法一硬度由高到低Wc=4.5%,Wc=2.0%,Wc=0.2%方法二金相组织不同Wc=0.2%为F+PWc=2.0%为P+Fe3CⅡWc=4.5%为Ld′+一次Fe3C5.答：合金的固液相线间距越小，铸造性能越好，钢的结晶温度范围不为零，且含碳量大于0.25%的比小于0.25%的钢结晶温度宽；而含碳量为4.3%的铸铁结晶温度是恒温，结晶温度差为零，因此含碳量为4.3%Fe3C铁与碳生成的金属化合物复杂晶格结构wc=6.69%硬度很高,约800HBW,塑性和韧性