作业解答

作业解答参考第一章习题1-1什么叫金属材料的力学性能？金属材料的力学性能包括哪些方面？答：金属材料抵抗外力作用所显示的性能。1、刚度：材料抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。2、强度抗拉强度b—材料断裂前承受的最大应力。屈服强度s—材料产生微量塑性变形时的应力。条件屈服强度0.2—残余塑性变形为0.2%时的应力。疲劳强度-1—无数次交变应力作用下不发生破坏的最大应力。3、塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标为、。4、硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为HB、HRC、HV。5、冲击韧度：材料抵抗冲击破坏的能力。指标为αk.材料的使用温度应在冷脆转变温度以上。6、断裂韧性：材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指标为K1C。1-4什么是硬度？指出测定金属硬度常用的方法和各自的优缺点。答：材料抵抗局部塑性变形的能力称为硬度。常用的方法有：布氏硬度法、洛氏硬度法和维氏硬度法。布氏法的优点是测定结果较准确，缺点是压痕大，不适于成品的检验。洛氏硬度法的优点是操作简单，压痕小，测量范围大，可用于成品及薄件的检验；缺点是由于压痕小，对内部组织粗大和硬度不均匀的材料，测量结构分散度大，重复性差，因而不能适用于粗大、不均匀组织材料的硬度测定，测量结果与不及布氏硬度试验准确。维氏硬度所用载荷较小，压痕深度浅，适用于测量薄零件的表面硬度化层、金属镀层及薄片金属的硬度，这是布氏硬度和洛氏硬度所不及的。此外，因压头是金刚石角锥、载荷可调范围大，故对软、硬材料均适用，测定范围为0～1000HV。第二章习题2-1名词解释：晶体、晶格、晶胞、致密度、相、固溶体、塑性变形、滑移、孪生、回复、再结晶。答：1、晶体——原子或分子在空间呈长程有序、周期性规则排列的物质称为晶体。2、晶格——将晶体中的原子抽象成质点，用一些假想的空间直线将质点连接起来所构成的空间格架，称为晶格3、晶胞——从晶格中取出一个反映点阵几何特征的最小几何单元，称为晶胞。4、致密度——晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比，称为致密度。用K表示，K越大越致密。5、相——在合金中具有相同的物理和化学性能，并与该系统的其它部分有界面分开的物质部分，称为相，如液固相共存系统中的液相和固相。6、固溶体——合金组元通过相互溶解形成一种成分和性能均匀且结构与组元之一相同的固相称为固溶体，与固溶体晶格相同的组元为溶剂（含量多），其它组元为溶质（含量少）。7、塑性变形——金属材料在外力作用下产生变形，当外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。8、滑移——是晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分发生相对滑动，称为滑移。9、孪生——晶体在切应力作用下，其一部分将沿一定的晶面（孪晶面）产生一定角度的切变，称为孪生。10、回复——把经冷变形的金属加热时，在显微组织发生改变前，所发生的一些亚结构的改变过程称为回复。11、再结晶——变形金属加热到较高温度时，由于原子的活动能力增强，在晶格畸变较严重处，使晶粒中位错密度降低，产生一些位向与变形晶粒不同的、内部缺陷较少的等轴小晶粒，这些小组晶粒不断地向外扩展长大。原先破碎、被拉长的晶粒全部被新的等轴小晶粒所取代。这一过程称为再结晶。2-3单晶体与多晶体有何差别？为什么单晶体具有各向异性的性质，而多晶体则无各向异性的性质？答：单晶体是一块晶体内部的晶格位向完全一致的晶体。而多晶体是由许多位向不同的微小的单晶体（即晶粒）组成的多晶体。换言之，多晶体是由单晶体构成，各晶体的位向是不同的。单晶体由于各方向上的原子密度不同，故不同方向上的物理、化学和力学性能不同，即具有各向异性。由于多晶体是由许多位向不同的晶粒所构成，各位向不同的晶粒可以互相抵消或补充，故多晶体则无各向异性的性质。2-7什么叫刃型位错？说明位错密度对材料力学性能的影响？答：刃型位错就是在晶体中某一平面列或若干平面列的原子发生某种有规律的错排，称为刃型位错。位错会引起晶格畸变，位错的存在使晶体强度降低，但当位错大量产生后，强度反而提高。生产上常用增加位错的办法对金属进行强化，但强化后其塑性有所降低。2-9什么叫加工硬化？其产生原因是什么？加工硬化在工程上带来哪些利弊？答：金属在发生塑性变形时，随着冷变形量的增加，金属的强度和硬度提高，而塑性和韧性下降，这种现象称为加工硬化。产生原因是位错密度增大所致。塑性变形导致亚结构细化，位错密度大增加，从而位错与位错之间的距离越来越小，晶格畸变程度也急剧增大，加之位错的交互作用加剧，使位错运动阻力增大，引起变形抗力增加，表现为强度的提高。加工硬化有利于金属进行均匀的塑性变形。金属已变形部分→不继续变形→在未变形的部分进行塑性变形→变形均匀化。加工硬化是强化金属材料的重要手段之一。加工硬化也有某不利的一面，它会使金属的塑性降低，变形抗力增加，给金属进一步变形加工带来困难。2-10冷拨钢丝制作导线时，冷拨之后应如何处理？为什么？答：应进行“去应力退火”。因为冷拨钢丝经过冷塑性变形后，会产生加工硬化，也会产生残余应力。由于加工硬化，弹性极限得到很大提高，将冷拉钢卷成弹簧后，为了保留加工硬化，使弹簧具有高的弹性极限，所以，在冷卷后，进行一次230～300°C的去应力退火。以消除残余内应力，提高疲劳强度稳定形状和尺寸。2-11热加工对金属组织和性能有何影响？钢材在热变形加工时为什么不出现硬化现象？答：热加工对金属组织和性能的影响1、改善钢锭和钢坯的组织和性能。热变形加工后，铸态金属中的气孔、缩孔以及小裂纹被焊合，压实，材料的致密度增加。热加工可使铸态金属中的粗大晶粒破碎，使晶粒细化，组织均匀。由于在温度和压力作用下的扩散速度加快，因而钢锭中的偏析可以部分地消除，使其成分比较均匀。这些变化使金属材料的性能明显提高。2、形成锻造流线锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒工链状分布；塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布。即称为流线。它会使金属材料的性能呈现出明显各向异性，拉伸时沿着流线伸长方向（纵向）具有较好的力学性能，垂直流线方向的力学性能较差。钢材在热变形加工时，不会出现硬化现象。因为热加工在塑性变形时产生的加工硬化和组织变化，会被随即而来的再结晶消除，形成缺陷较少的等轴晶粒。2-12金属塑性变形造成哪几种残余应力？它的对机械零件可能产生哪些影响？答：（1）宏观残余内应力（第一类内应力）工件由于其各部分塑性变形不均匀而造成的在宏观范围内互相平衡的内应力称为宏观残余应力，又称为第一类内应力。它有害一面：宏观残余内应力与外应力叠加会降低工件的承载能力。或引起工件的变形。宏观残余内应力是有害的，应予以消除。可利用的一面：生产上，也可利用它。如工件采用滚压或喷丸处理后，将工件表层产生压应力，使其疲劳强度显著提高。（2）晶间内应力（第二类内应力）由于多晶体的各晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀而形成的微观内应力称为晶间内应力，又称微观内应力或第二类内应力。有害的一面：它会使工件内部产生显微裂纹，甚至使工件破裂，同时它促使金属产生应力腐蚀。（3）晶格畸变应力（第三类内应力）金属经过塑性变形后，产生了大量位错及空位等缺陷，使晶体中的部分原子偏离了原来的平衡位置，造成了晶格畸变。晶格畸变所引起的附加内应力，称为晶格畸变应力，又称第三类内应力。有利的一面：在塑性变形中，第三类内应力是使金属强化的主要原因，也是变形金属的主要内应力；它是金属塑性变形的主因。保留第三类应力，也就是保留加工硬化。有害的一面：会使金属的塑性降低，变形抗力增加，给金属进一步变形加工带来困难。使钢板发生翘曲，零件在切削加工后所发生的变形也大；使金属的耐腐等性能降低。有利的一面：可以使金属材料强化，即硬度和强度提高。也可使金属材料产生均匀的塑性变形。第三章习题3-1解释下列名词：过冷度、非自发成核、同素异构、同分异构、平衡、相图。答：1、过冷度：理论再结晶温度To与实际结晶温度Tn之差称为过冷度，即：ΔT=To－Tn。2、非自发成核：实际金属往往是不纯净的，内部总含有这样或那样的外来杂质。杂质的存在常常能够促进晶核在其表面上的形成，这种依附于杂质而生成晶核的过程称为非自发成核。3、同素异构：孪生——晶体在切应力作用下，其一部分将沿一定的晶面（孪晶面）产生一定角度的切变，称为孪生。4、同分异构：把化学成分相同，而组成原子排列成不同的分子结构称为同分异构。5、平衡：是指在合金中参与结晶或相变过程的各相之间的相对质量和相对浓度不再改变时的状态。6、相图：是表达温度、成分和相之间的关系，以及合金系中不同成分合金在不同温度下，由哪些相组成以及这些相之间平衡关系的图形。3-5为什么材料一般希望获得细晶粒？细化晶粒的方法有哪些？答：在一般情况下，晶粒愈小，金属的强度、塑性和韧度就愈好。所以工程上，使晶粒细化是提高金属力学性能的最重要的途径之一。细化晶粒的方法有：提高金属的过冷度和进行变质处理。因为提高金属的过冷度使生核速率N和长大速度G的比值也增大，结果使晶粒细化。在液态金属中加入孕育剂或变质剂，以增加异质核心的数量，从而细化晶粒和改善组织。3-6已知A（熔点650°C）与B（熔点560°C）二组元在液态时无限互溶；320°C时，A溶于B的最大溶解度为31%，室温时为12%，但B不溶于A；在320°C时，含42%B的液态合金发生共晶反应，要求：（1）作A-B合金相图；（2）分析A为25%合金的结晶过程。答：（1）作A-B合金相图，如下图L+αAα+Aα（2）图中红线为25%A的成分线。当温度在1点以上时，全部为液相L；当温度下降在1~2点之间时，液相L中析出α固相，当温度下降至2点~3点之间时，L相全部转变为α相。当温度下降到3点时，α相中析出A相，一直到室温，最终组织为：α+A。3-7有A、B两组元，其熔点TB＞TA，组成二组元匀晶相图，试分析以下说法是否正确，为什么？（1）A、B两组元的晶格类型可以不同，但原子大小一定相等。（2）其中任一合金K，在结晶过程中由于固相成分沿固相线变化，故结晶出来的固溶体中的含B量始终高于原液相中的含B量。（3）固溶体合金按匀晶相图平衡结晶时，由于不同温度下结晶出来的固溶体成分和剩余液相成分都不相同，所以固溶体的成分是不均匀的。答：（1）错误。因为A、B两组元能组成匀晶相图，说明两组元在液态时为无限互溶，在固态度时也无限互溶。能形成无限固溶体时，两组元的原子半径相接近，不一定相等，而两组元的晶格类型可以相同，也可以不同。（2）正确。因为A、B两组元，其熔点TB＞TA，在结晶过程中由于固相成分沿固相线变化，相图中的固相线与液相线都是由左下向右上，故结晶出来的固溶体中的含B量始终高于原液相中的含B量。（3）错误。因为固溶体合金按匀晶相图平衡结晶时，由于不同温度下结晶出来的固溶体成分和剩余液相成分是变化的，最后，由于原子的运动，固溶体的成分是均匀的。第4章习题4-1试画出Fe-Fe3C相图，填出各相区的组织，说明图中的主要点、线的意义。答：（Fe-Fe3C相图中包晶部分可以不画出，此图见下面的图）C：共晶点1148℃4.30%C，在这一点上发生共晶转变，反应式：CFeALcE3，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CFeALeE3；E：碳在Fe中的最大溶解度点1148℃2.11%C；G：FeFe同素异构转变点（A3）912℃0%C；H：碳在Fe中的最大溶解度为1495℃0.09%C；J：包晶转变点1495℃0.17%C在这一点上发生包晶转变，反应式：JHBAL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δ反应生成具有J点成分的固相A；N：FeFe同素异构转变点（A4）1394℃0%C；P：碳在Fe中的最大溶解度点0.0218%C727℃；S：共析点727℃0.77%C在这一点上发生共析转变，反应式：cFeFAps3，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（cFeFp3）；E