工程材料基础知识-课后习题答案

第一章工程材料基础知识参考答案1．金属材料的力学性能指标有哪些？各用什么符号表示？它们的物理意义是什么？答：常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等。强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的性能。强度常用材料单位面积所能承受载荷的最大能力（即应力σ，单位为Mpa）表示。塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形（永久变形）而不被破坏的能力。金属塑性常用伸长率δ和断面收缩率ψ来表示：硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬程度的指标，是一个综合的物理量。常用的硬度指标有布氏硬度（HBS、HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度（HV）。以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。冲击韧性的常用指标为冲击韧度，用符号αk表示。疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。疲劳强度用σ–1表示，单位为MPa。2．对某零件有力学性能要求时，一般可在其设计图上提出硬度技术要求而不是强度或塑性要求，这是为什么？答：这是由它们的定义、性质和测量方法决定的。硬度是一个表征材料性能的综合性指标，表示材料表面局部区域内抵抗变形和破坏的能力，同时硬度的测量操作简单，不破坏零件，而强度和塑性的测量操作复杂且破坏零件，所以实际生产中，在零件设计图或工艺卡上一般提出硬度技术要求而不提强度或塑性值。3．比较布氏、洛氏、维氏硬度的测量原理及应用范围。答：（1）布氏硬度测量原理：采用直径为D的球形压头，以相应的试验力F压入材料的表面，经规定保持时间后卸除试验力，用读数显微镜测量残余压痕平均直径d，用球冠形压痕单位表面积上所受的压力表示硬度值。实际测量可通过测出d值后查表获得硬度值。布氏硬度测量范围：用于原材料与半成品硬度测量，可用于测量铸铁；非铁金属（有色金属）、硬度较低的钢（如退火、正火、调质处理的钢）（2）洛氏硬度测量原理：用金刚石圆锥或淬火钢球压头，在试验压力F的作用下，将压头压入材料表面，保持规定时间后，去除主试验力，保持初始试验力，用残余压痕深度增量计算硬度值，实际测量时，可通过试验机的表盘直接读出洛氏硬度的数值。常用洛氏硬度的试验条件和应用范围硬度符号压头类型总试验力F/N（kgf）硬度范围应用举例HRA120o金刚石圆锥588.4(60)20~88硬质合金、碳化物、浅层表面硬化钢等HRBφ1.588mm淬火钢球980.7(100)20~100退火、正火钢，铝合金、铜合金、铸铁HRC120o金刚石圆锥1471(150)20~70淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢（3）维氏硬度测量原理：与布氏硬度相似。采用相对面夹角为136o金刚石正四棱锥压头，以规定的试验力F压入材料的表面，保持规定时间后卸除试验力，用正四棱锥压痕单位表面积上所受的平均压力表示硬度值。维氏硬度应用：可测量较薄的材料和渗碳、渗氮等表面硬化层。4．晶体和非晶体的本质区别是什么？单晶体为什么具有各向异性？答：原子呈规则排列的物质称为晶体，晶体具有固定的熔点，呈现规则的外形，并具有各向异性特征；原子呈不规则排列的物质称为非晶体，非晶体没有固定的熔点，具有各向同性的特征。因为单晶体的物体整个物体就是一个单一结构的巨大晶粒，所以具有各项异性。5．实际晶体存在哪些缺陷？对材料性能有何影响？答：按缺陷的几何形态，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。点缺陷是指长、宽、高方向尺寸都很小的缺陷。在晶体中由于点缺陷的存在，使周围原子间的作用力失去平衡，其周围原子向缺陷处靠拢或被撑开，从而导致晶格发生歪扭，这种现象称为晶格畸变。晶格畸变会使金属的强度和硬度提高。线缺陷是指在一个方向上的尺寸很大，另两个方向上尺寸很小的一种缺陷，主要是指各种类型的位错。位错的存在对金属的力学性能有很大的影响，例如冷变形加工后的金属，由于位错密度的增加，强度明显提高。面缺陷是指在两个方向上的尺寸很大，第三个方向上的尺寸很小而呈面状的缺陷。面缺陷的主要形式是各种类型的晶界，它是多晶体中晶粒之间的界面。晶界的存在，使晶格处于畸变状态，在常温下对金属塑性变形起阻碍作用。所以，金属的晶粒愈细，则晶界愈多，对塑性变形的阻碍作用愈大，金属的强度、硬度愈高。6．解释下列名词：固溶体、金属化合物、机械混合物、相、平衡相图。答：合金由液态转变为固态时，一组元的晶格中溶入另一种或多种其他组元而形成的均匀相称为固溶体。金属化合物是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，其晶体结构一般比较复杂，而且不同于任一组成元素的晶体类型。两种或两种以上的相按一定质量百分数组合成的物质称为机械混合物。在合金中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分称为相。合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。7．纯金属结晶与合金结晶有什么异同？答：相同点：都是金属原子从不规则排列过渡到规则排列的过程。不同点：1、合金的结晶不一定在恒温下进行；2、合金在不同的温度范围内会存有不同数量的相，且各相的成分有时也会变化；3、同一合金系，因成分不同，其组织也不同，即便是同一成分的合金，其组织也会随温度的不同而发生变化。8．分析纯金属冷却曲线上出现“过冷现象”和“平台”的原因。说明过冷度对晶粒细化的影响。答：在实际的生产中，金属右液体结晶为固体时，冷却速度都是相当快的，金属实际的结晶温度Tn总是低于理论结晶温度T0，这种现象称为“过冷现象”。冷却曲线出现平台的原因，是由于金属结晶过程中会释放出结晶潜热，补偿了向外界散失的热量，使温度不随冷却时间的增长而下降，直到金属结晶终了后，温度又重新下降。增加过冷度，使金属结晶时形成的晶核数目增多，则结晶后获得细晶。可通过提高金属凝固时的冷却速度方法增加过冷度。9．什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？答：固溶强化是多种元素形成固溶体，都将破坏原子的规则排列，使晶格发生畸变，晶格畸变导致变形抗力增加，使固溶体的强度增加，所以获得固溶体可提高合金的强度、硬度，这种现象称为固溶强化。10．晶粒的大小对材料力学性能有哪些影响？用哪些方法可使液态金属结晶时获得细晶粒？答：金属结晶后的晶粒大小对金属的力学性能影响很大。一般情况下，晶粒愈细小，金属的强度和硬度愈高，塑性和韧性也愈好。工业生产中，为了获得细晶粒组织，常采用以下方法：（1）增大过冷度增加过冷度，使金属结晶时形成的晶核数目增多，则结晶后获得细晶。可通过提高金属凝固时的冷却速度方法增加过冷度。（2）进行变质处理变质处理是在浇注前向液态金属中人为地加入少量被称为变质剂的物质，以起到晶核的作用，使结晶时晶核数目增多，从而使晶粒细化。（3）采用振动处理金属结晶时，对金属液附加机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，使生长中的枝晶破碎，而破碎的枝晶尖端又可起晶核作用，增加了晶核数目，达到细化晶粒的目的。11．什么叫铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体？试从碳含量、相组成等方面分析其特点。答：铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用符号F或α表示，体心立方晶格。奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号A或γ表示，面心立方晶格。渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物，用化学分子式Fe3C表示，它的碳质量分数wc=6.69%，熔点为1227℃。铁素体与渗碳体的共析混合物，称为珠光体，用符号P表示。奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称为莱氏体，用符号Ld表示。12．什么是匀晶转变、共晶转变？答：材料从液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应称为共晶转变，所生成的两相混合物（层片相间）称为共晶体。13．根据Fe-Fe3C相图分析wc=0.45%和wc=1%的碳素钢从液态缓慢冷却至室温的组织转变过程及室温组织。略14．试分析晶内偏析产生的原因。答：合金在结晶过程中，只有在极其缓慢冷却条件下原子才才具有充分扩散的能力，固相的成分才能沿固相线均匀变化。但在实际生产条件下，冷却速度较快，原子扩散来不及充分进行，导致先后结晶出的固相成分存在差异，这种晶粒内部化学成分不均匀现象称为枝晶偏析。15．简述碳的质量分数对铁碳合金性能的影响。答：室温下铁碳合金由铁素体和渗碳体两个相组成。铁素体为软、韧相；渗碳体为硬、脆相。当两者以层片状组成珠光体时，则兼具两者的优点，即珠光体具有较高的硬度、强度和良好的塑性、韧性。随碳的质量分数增加，强度、硬度增加，塑性、韧性降低。当wc大于1.0%时，由于网状Fe3CⅡ出现，导致钢的强度下降。为了保证工业用钢具有足够的强度和适宜的塑性、韧性，其wc一般不超过1.3%～1.4%。wc大于2.11%的铁碳合金(白口铸铁)，由于其组织中存在大量渗碳体，具有很高硬度，但性脆，难以切削加工，已不能锻造，故除作少数耐磨零件外，很少应用。16．铁碳合金相图有哪些用处？答：在钢铁材料选用方面的应用；在铸造工艺方面的应用；在热锻、热轧工艺方面的应用；在热处理工艺方面的应用17．塑性变形和弹性变形有什么不同？答：弹性变形是在物体受到外力时,其内部只存在晶格变形而无位移，外力消失后，晶格复位，物体形状也随之复原塑性变形是受外力后，其内部不単有晶格变形而且产生晶格移位，外力消失后,晶格不能复位,物体形状也不能复原。18．什么叫加工硬化？加工硬化是怎样产生的？加工硬化在生产中有哪些利弊？答：在冷变形过程中，随着金属材料变形量的逐渐增加，抗拉强度逐渐增大，延伸率明显下降。这种金属的强度和硬度随变形量增大而增加，塑性和韧性下降的现象称之为加工硬化现象，也叫形变强化。产生加工硬化的根本原因是金属材料在塑性变形时位错密度不断增加。金属的塑性变形主要是通过位错运动来实现的，如果位错运动受阻，金属的塑性变形就难以进行。随着塑性变形的进行，位错在运动时可通过各种机制发生增殖使位错密度不断增加，各种位错在运动中会频繁相遇，位错间相互作用加剧，出现位错纠结等现象，使位错的运动阻力增大，要使位错持续不断运动，即塑性变形不断进行，就必须增大外力，从而引起塑性变形抗力增加；而塑性变形抗力的增加，有进一步加剧位错运动的阻力，使位错在晶体中发生塞积，这又造成位错密度的增加加快。这样，金属的塑性变形就变得愈发困难，继续变形就必须增大外力，因此提高了金属的强度。金属的加工硬化现象，对金属材料的使用有非常重要的实际意义。首先，它是提高金属强度的重要方法，尤其那些不能用热处理强化的材料，加工硬化更为重要，如纯金属、某些铜合金等。其次，加工硬化现象的存在有利于金属塑性变形加工的变形均匀性。但是，加工硬化在工业生产中也有不利的方面。由于金属材料塑性的降低，给其进一步冷塑变形带来了困难，进一步变形需要更大的动力。有时由于塑性过低，机械变形会导致金属开裂。为了消除加工硬化现象，需要进行再结晶退火处理。19．形变内应力使由哪些方面造成的？试举例说明内应力的有利和有害之处。答：经过塑性变形，外力对金属所做的功，约90%以上在使金属变形的过程中变成了热，使金属的温度升高，随后散掉；部分功转化为内应力残留于金属中，使金属的内能增加。残余的内应力就是指平衡于金属内部的应力，它主要是金属在外力的作用下所产生的内部变形不均匀而引起的。根据残余的内应力的作用范围分为三类。第一类内应力，又称宏观内应力。它是由于金属材料各部分变形不均匀而造成的宏观范围内的残余应力。它是整个物体范围内处于平衡的力，当除去它的一部分后，这种力的平衡就会遭到破坏，会立即产生变形。第二类内应力，又称微观残余应力。它是平衡于晶粒之间的内应力或亚晶粒之间的内应力。是由于晶粒之间的内应力或亚晶粒之间变形不均匀引起的。此应力在某些局部地区可达到很大数值，致使工件在不大的外力下产生裂纹，并导致断裂。第三类内应力，又称点阵畸变、晶格畸变。其作用范围很小，只是在晶界、滑移面等附近不多的原子群范围内维持平衡。他是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。变形金属中储存能的绝大部分（80%～90%）用于形成点阵畸变。这部分能量提高