《金属材料与热处理》复习资料

1《金属材料与热处理》复习思考题参考答案第一章金属的力学性能1．解释下列名词金属的力学性能，弹性极限，载荷，应力，强度，硬度，塑性。答：金属的力学性能：是指金属在外力作用下所表现出来的性能。弹性极限：是指金属材料在外力作用下，只发生弹性变形而不发生塑性变时所能承受的最大应力。载荷：是指金属材料在加工及使用过程中所受到的各种外力。其符号用F表示。应力：指单位面积上的内应力。强度：是指金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力，是工程技术上重要的力学性能指标。硬度：材料抵抗局部变形特别是塑性变性压痕或划痕的能力。塑性：是金属材料断裂前产生塑性变形的能力。2、什么是金属的疲劳？简述疲劳断裂的特点。答：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。2第二章金属的晶体结构1．解释下列名词点缺陷，线缺陷，面缺陷，晶体，晶格，晶胞，单晶体，晶粒，晶界，合金，组亓，相，固溶体，金属化合物。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。晶体：是指组成物质的原子或分子在空间排列是有规则、有序排列的物体。晶格：把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格架称为晶格。晶胞：构成晶格的最基本单元。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。晶粒：多晶体中的每个外形不规则的、呈颗粒状的小晶体称为晶粒。晶界：晶粒与晶粒之间的分界线称为晶界。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。组亓：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元相：在纯金属或合金中，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。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3构与组成合金的某一组元的相同，这种相称为固溶体。金属化合物：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。2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe、γ-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；α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格；γ－Fe、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格；Mg、Zn属于密排六方晶格；3.实际金属晶体中存在哪几种缺陷？这些缺陷对金属性能有何影响？答：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。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，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。4.金属中常见的晶体结构有哪几种？答：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5.固溶体有哪几种类型？固溶体与化合物有何区别？答：间隙固溶体固溶体根据溶质在溶剂中所占据的位置不同分为和置换固溶体。固溶体与化合物的区别是：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4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。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。第三章纯金属的结晶1．解释下列名词：机械混合物；枝晶偏析。答：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。2.金属形核的方式有几种？通常金属结晶时形核的主要方式是哪一种？晶粒的形态如何？答：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.影响晶粒大小的因素有哪些？如何影响晶粒大小？答：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。4.什么叫同素异晶转变？其转变与纯金属的结晶有何异同？5答：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。5．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。组织组成物：合金显微组织中的独立组成部分。6．固溶体和金属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：形成固溶体和金属化合物都能强化合金，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。7.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6格均不相同的两种晶体的反应。包晶反应：指一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另外一种固相的反应过程。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，具有一定晶体结构的固相的反应。共同点：反应都是在恒温下发生，反应物和产物都是具有特定成分的相，都处于三相平衡状态。不同点：共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应；共析反应是一种固相在恒温下生成两种固相的反应；而包晶反应是一种液相与一种固相在恒温下生成另一种固相的反应。8．二元合金相图表达了合金的哪些关系？答：二元合金相图表达了合金的状态与温度和成分之间的关系。9．在二元合金相图中应用杠杆定律可以计算什么？答：应用杠杆定律可以计算合金相互平衡两相的成分和相对含量。10.在相图中三相水平线处相和组织是否能用杠杆定律来计算，为什么？答：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。11．某合金相图如图所示，回答下列问题。1）试标注①—④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Ⅰ的平衡结晶过程及室温下的显微组织。7答：(1)①：L+γ②:γ+β③:β+(α+β)④:β+αⅡ(2)匀晶转变；共析转变(3)合金①在1点以上全部为液相,冷至1点时开始从液相中析出γ固溶体至2点结束,2～3点之间合金全部由γ固溶体所组成,3点以下,开始从γ固溶体中析出α固溶体,冷至4点时合金全部由α固溶体所组成,4～5之间全部由α固溶体所组成,冷到5点以下,由于α固溶体的浓度超过了它的溶解度限度,从α中析出第二相β固溶体,最终得到室温下稳定的显微组织:α+βⅡ12．有形状、尺寸相同的两个Cu-Ni合金铸件，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。13.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8小有何影响？答：①冷却速度越大，则过冷度也越大。②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。③过冷度增大，ΔF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。14.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：①金属结晶的基本规律是形核和核长大。②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。15.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：①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。②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。③机械振动、搅拌。第四章铁碳合金1.选择题：（1）下列组织中塑性最好的是（A）。A.铁素体B.珠光体C.渗碳体莱氏体（2）Fe—Fe3C相图上所形成的共析线是（C），共晶线是（A）。A.ECF线B.ACD线C.PSK线2.判断题：9（1）渗碳体中碳的质量分数是6.69%。（√）（2）碳溶于α—Fe中所形成的间隙固溶体为奥氏体。（×）（3）共析转变是在恒温下进行的。（√）3．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。4.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？答：铁素体（F）：铁素体是碳在Fe中形成的间隙固溶体，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。10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。5.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：①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