工程材料复习题纲
一、名词概念解释
晶格——用以描述晶体中原子排列规则的空间结构称为晶格
晶胞——从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，这个最小的几何单元为晶胞。晶面——在晶格中，由一系列原子做组成的平面称为晶面。
晶向——任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。
均匀形核——晶核在均匀液相中由液相的一些原子集团直接形成，不受杂质粒子或外表面的影响。
非均匀形核——在液相依附杂质或表面形成晶核。过冷——纯金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度。
过冷度——理论结晶温度与实际开始结晶温度之差。形核率——单位时间单位体积液相中形成的晶核数目。
长大速度——单位时间内晶体表面沿其法线方向向前推进的距离。
平面长大——液、固界面始终保持平直的表面向液相中长大。
枝晶长大——在负的温度梯度条件下，如果晶体表面有一晶芽凸出，必然伸到前面过冷度较大的液相中，它的生长速度立即增大，比周围晶体更快地长大和分枝。
滑移——在外力的作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对位移。
孪生——当晶体在切应力的作用下发生孪生变形时，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分晶体做均匀切变，在切变区域内，与孪晶面平行的每层原子的切变量与它距孪晶面的距离成正比，并不是原子间距的整数倍。
纤维组织——金属与合金经塑性变形，在外力作用下，随着金属外形的变化，其内部的晶粒形状也会发生变化，晶粒沿变形方向拉长、压扁，当变形量很大时，各晶粒将会被拉长成细条状或纤维状，晶界变得模糊不清，此时，金属的性能也将会具有明显的方向性，如纵向的强度和塑性远大于横向。
加工硬化——随着塑性变形程度的增加，金属的强度增加，而塑性、韧性下降，产生加工硬化。
回复——当加热温度不高时，原子的活动能力不大，故显微组织无明显变化，冷变形金属的晶粒外形仍存在，力学性能变化不大，电阻率显著减小，微观内应力显著降低。
再结晶——冷变形金属加热到一定温度后，由于原子获得更大活动能力，显微组织发生明显变化，在原来的变形组织中重新产生了新的等轴晶粒，加工硬化现象消除，力学性能和物理性能恢复到变形前的水平。合金——两种或两种以上的金属，或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。
组元——组成合金最基本、最独立的物质。
相——具有一定的晶体结构和性质，具有均匀的化学成分。
固溶体——溶质原子溶入固态的溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成的相。
金属化合物——合金组元按一定比例发生相互作用而形成的一种新相。
过冷奥氏体——共析钢过冷到A1温度以下，奥氏体在热力学上处于不稳定状态，在一定条件下会发生分解转变，这种在A1以下存在且不稳定的、将要发生转变的奥氏体。
残余奥氏体——奥氏体向马氏体的转变是不完全的，即使冷却到Mf点以下，也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，这部分的奥氏体称为残余奥氏体。
珠光体——α和Fe3C的机械混合物。
索氏体、托氏体——过冷奥氏体向珠光体转变时，随转变温度的降低，原子扩散能力下降，当温度高时，原子扩散容易，能作较远距离移动而形成较厚的铁素体和渗碳体片，反之，则片层较薄。根据珠光体中铁素体和渗碳体的片层间距，把珠光体型分为三种，即珠光体、索氏体和托氏体。
贝氏体——过冷奥氏体在C曲线“鼻尖”至Ms之间温度范围的等温转变产物。
马氏体——碳在α-Fe中的过饱和固溶体。
临界冷却速度——Vk
退火——将钢加热到临界点以上或以下，保温后缓慢冷却，获得以珠光体为主的组织的热处理工艺。
正火——将钢加热到Ac3或Accm以上30~50摄氏度，保温后在空气中冷却，得到以索氏体为主的组织的热处理工艺。
淬火——将钢加热到Ac3或Ac1以上30~50摄氏度，保温后快速冷却，获得以马氏体或下贝氏体为主的组织的热处理工艺。
淬硬性——指钢在正常淬火条件下其马氏体所能达到的最高硬度。
回火——将淬火钢加热到AC1以下的某一温度保温后进行冷却的热处理工艺。
回火马氏体——回火温度为150~250℃，回火组织。回火托氏体——回火温度为350~500℃，回火组织。回火索氏体——回火温度为500~650℃，回火组织。热硬性——是指钢在较高温度下，仍能保持较高硬度的性能。
回火稳定性——淬火钢对回火过程中发生的各种软化倾向（如马氏体的分解，碳化物的析出与铁素体的再结晶）的抵抗能力。
时效强化——消除铸件中的内应力。
自然时效——将铸件长时间置于室温环境下消除应力。人工时效——将铸件置于530~620度，保温2~6h随炉缓冷至200度以下出炉空冷。
二、思考题
2、画出下列立方晶系的晶面及晶向。
（100）、（110）、（111）及【100】、【110】、【111】
3、位错的定义是什么？了解三种基本位错的模型及特点。
位错：晶体中已滑移与未滑移的边界线。螺型位错、刃型位错、混合位错
4、何为晶体缺陷？金属中存在哪些晶体缺陷？
晶体缺陷：在实际晶体中，总是不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域，分为点缺陷、线缺陷、面缺陷。
5、怎样确定位错的柏氏矢量？柏氏矢量的物理意义是什么?
柏氏矢量：即可以表示位错的性质，也可以表示晶格畸变的大小和方向。
6、结晶的热力学条件是什么？
结晶的热力学条件是：具有一定的过冷度
7、晶粒大小对金属力学性能有何影响？怎样控制铸件晶粒大小？实际生产中常用什么有效方法获得细晶粒？细晶粒金属具有较高的综合力学性能，即强度、硬度、产塑性及韧性都比较好。因此，生产上对控制金属材料的晶粒大小相当重视，如采取必要的措施来细化晶粒。一般工业上广泛采用变质处理的方法——加入形合剂，以细化晶粒。
方法：增加过冷度、变质处理、振动
8、简述铸锭的典型组织及缺陷。
铸锭的典型组织：表层细晶区；柱状晶区；中心等轴晶区
缺陷：缩孔；气孔；夹杂物
9、为什么金属晶粒越细，强度越高，塑性与韧性也愈好？
由于晶界上存在这晶格畸变，阻碍位错的运动，因为在室温下对金属材料的塑性变形其阻碍作用，在宏观上表现为使金属材料具有更高的强度和硬度，显然，晶粒越细，金属材料的强度和硬度越高。同样，晶粒越细，裂纹传播（扩展）所消耗的能量越多，裂纹在不同位向的晶粒中传播越困难，金属的断裂韧性越好。
10、金属经塑性变形后会造成哪几种残余内应力？
宏观内应力、微观内应力、点阵畸变
11、再结晶后的晶粒大小主要取决于什么因素？
（1）加热温度与时间：加热温度越高，时间越长，晶粒就越大
（2）变形度：临界变形度以下，只有部分晶粒破碎，而另一部分则不变形，此时晶粒不均匀长大，大晶粒吞并小晶粒，所以晶粒粗化；当变形量超过临界变形度后，随着变形量的增加，晶粒破碎的程度越大，再结晶后的晶粒越细。
（3）原始晶粒尺寸和均匀度：当变形度一定时，原始材料的晶粒度越均匀，则再结晶后的晶粒越细。
（4）合金元素及杂质：一方面增加变形金属的储存能，一方面阻碍晶界的运动，一般起细化晶粒的作用
12、试分析钢材在热变形加工（如锻造时），为什么不出现硬化现象？
由于热加工是在高于再结晶温度以上的塑性变形过程，所以因塑性变形引起的硬化过程和回复再结晶软化两个相反过程几乎同时存在，这时的回复再结晶是边加工便发生的，因此不存在加工硬化现象。
13、在匀晶相图上证明杠杆定律 P58
14、指出铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体的符号、定义及特点。
铁素体：α碳在α-Fe中形成的固溶体，强度和硬度低，而塑性和韧性好。
奥氏体：γ碳在γ-Fe中形成的固溶体，强度硬度较低，而塑性韧性较高。
渗碳体：铁与碳的稳定化合物，Fe3C，硬度高，但脆性大，塑性差。
珠光体：共析转变的产物，片层状的渗碳体与铁素体的机械混合物，用P表示，珠光体有较高的综合机械性能莱氏体：Ld γ和Fe3C的混合物。脆性的,硬度高,耐磨性好
15、默画出Fe-Fe3C相图，标出各点温度及含碳量。
16、写出Fe-Fe3C相图的三个基本反应式，注明反应温度、各相含碳量
17、随含碳量的增加，渗碳体的数量、分布、形态如何变化？
随着含碳量的增加，三次渗碳体沿铁素体晶界呈片状析出，降低铁的塑性和韧性；二次渗碳体呈网状或针状分布，一次渗碳体呈长条状。
18、加热时，共析钢奥氏体的形成经历哪几个基本过程？
奥氏体形核；奥氏体长大；残余奥氏体的溶解；奥氏体成分的均匀化
19、珠光体、贝氏体、马氏体组织各有哪几种基本类型？它们在形成条件、组织形态和性能方面有何特点？
珠光体：（珠光体、索氏体、托氏体）铁素体和渗碳体的片层机械混合物，三者之间并无本质区别，片层越薄，强度和硬度越高，塑性和韧性也略有改善。
贝氏体：上贝氏体550~350℃，呈羽毛状，铁素体片较宽，碳化物较粗且不均匀地分布在铁素体条间，所以它的脆性较大，强度较低、下贝氏体350~Ms黑针状，针状的铁素体有较高的过饱和度，其亚结构是高密度位错，同时细小的碳化物均匀地，高度弥散低分布在铁素体片内，因此它除了具有较高的强度和硬度外，还具有良好的塑性和韧性。
马氏体：板条马氏体，呈细长的扁棒状，存在高密度位错，碳量低，形成温度高，会产生“自回火”现象，碳化物析出均匀，具有高硬度还具有良好的塑性和韧性；针状马氏体呈针状，存在大量孪晶，硬度高，但脆性大
20、画出共析钢TTT曲线，指出各线、各区的物理意义
21、何为淬火临界冷却速度Vk？Vk的大小受什么因素影响？
临界冷却速度：获得全部马氏体组织的最小冷却速度
影响因素：化学成分和奥氏体化条件的影响
22、试述退火、正火、淬火、回火的目的，熟悉它们在零件加工工艺路线中的位置。
退火：细化晶粒，提高力学性能；改善切削加工型；消除残余内应力；为最终热处理作准备。
正火：预先热处理，获得合适硬度，改善切削加工型；消除过共析钢的网状二次渗碳体；消除魏氏组织，细化晶粒，消除内应力；为最终热处理作准备。
淬火：与回火配合，赋予工件最终使用性能。
回火：降低脆性，减少内应力；获得最终使用性能；稳定工件尺寸；改善切削加工性能。
23、常用的淬火方法有哪几种，说明他们的主要特点和应用范围。
（1）单介质淬火——碳钢、合金钢，操作简单，易实现机械化
（2）双介质淬火——淬火条件理想，单操作复杂
（3）分级淬火——减小内应力，降低了变形和开裂的倾向，但只适用于小尺寸工件
（4）等温淬火——具有良好的综合力学性能，多用于形状复杂和要求高的小零件
（5）局部淬火——要求局部硬化的工件
（6）冷处理——硬而耐磨的精密零件
24、常用的回火操作有哪几种？指出各种回火操作得到的组织。
低温回火：回火马氏体
中温回火：回火托氏体
高温回火：回火索氏体
25、写出下列零件的加工工艺路线、各热处理工序的作用及所获组织。
（1）45钢机床主轴，要求整体综合力学性能良好。
（2）
改善切削加工性能，为后续热处理做好组织准备
索氏体+少量铁素体或珠光体+少量铁素体
获得综合的力学性能，回火索氏体+少量铁素体
提高表明硬度，表层：回火马氏体+心部回火索氏体
26、试比较碳钢及合金钢的性能、用途及优缺点。
碳钢——价格低廉，容易加工；但淬透性低，回火稳定性差，基本相软弱，因而应用受到限制（主要用于制造各种结构件和机器零件）
合金钢——高的强度及韧性，较高的屈强比，高的淬透性和回火稳定性，良好的抗氧化能力和低温冲击韧度，高的耐磨性及特殊的电磁性能（用于制造桥梁、车辆、锅炉、油罐、建筑结构和化工容器等）
27、那些属于碳化物形成元素？一般强碳化物形成元素对钢的回火稳定性有何影响？
Mn、Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等为碳化物形成元素，强碳化物形成元素，由于对碳原子的扩散产生阻碍作用，使马氏体的分解速度减慢，即增加回火抗力，提高回火稳定性。
28、合金元素在钢中的作用如何？常用的合金元素有哪些？
（1）合金元素对钢中基本相的影响
形成固溶体、形成碳化物
（2）合金元素对相图的影响
扩大奥氏体区——Ni、Mn、Co、C、N、Cu
缩小奥氏体区——Cr、V、Mo、Ti、Al、Si、B、Nb、Ta
（3）合金元素对热处理过程的影响
（4）合金元素对加热转变的影响
除Co外，当Me→γ时，
1.使“C曲线”右移，淬透性↑
2.甚至使“C曲线”分离，或只有P转变，或只有B转变。
除Co、Al外，大部分合金元素使Ms↓。凡使Ms降低的合金元素，均使钢淬火后残余奥氏体量A’↑。
29、根据铸铁中碳的存在形式及石墨形态，可将铸铁分成几类？
碳的存在形式——白口铸铁、灰铸铁、麻口铸铁
石墨形态——普通灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁
30、什么样的合金才能时效强化？
时效强化是指在固溶了合金元素以后，在常温或加温的条件下，使在高温固溶的合金元素以某种形式析出（金属间化合物之类），形成弥散分布的硬质质点，对位错切过造成阻力，使强度增加，韧性降低。相应的操作就是常温时效和高温时效处理。
固溶强化就是合金元素在基体金属晶格中存在使晶格产生畸变，位错运动阻力加大。通常也是强度增加，韧性降低。与时效强化相比，可以是单相的，而时效一定多相。
31、纯铜能否通过热处理方法加以强化，为什么？要提高其强度应采取什么手段？
不能，合金化
32、机械零件选材应主要考虑哪些基本原则？
1、材料的力学性能
2、材料的工艺性能
3、材料的经济性
三、填空题
1、晶胞中原子排列的紧密程度，可以用致密度和配位数两个参数来衡量。
2、常见的金属晶格类型有体心立方、面心立方、密排六方三种，这三种金属晶格中，面心立方、密排六方晶格的原子排列是最紧密的。
3、刃型位错的柏氏矢量与位错线互相垂直，螺型位错的柏氏矢量与位错线互相平行。
4、与理想晶体比较，实际金属的晶体结构是多晶体晶体，而且存在缺陷。
5、晶格常数为a的面心立方晶胞，其原子数为 4 ，原子半径为√2/4a ，配位数为 12 ，致密度为0.74。
6、金属结晶时的冷却速度越快，结晶后的晶粒越小，其强度越高，塑性和韧性高。
7、对晶核的形成和长大来说，过冷度是驱动力，过冷是必须条件。
8、变形金属在加热时，会发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的变化。
9、热加工“纤维组织”使金属力学性能具有明显各向异性，纵向的强度、塑性、韧性优于横向。
10、按溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两类。
11、二元合金相图中，最多可有 3 相平衡共存，在相图中表现为直线
12、工业纯铁的含碳量为<0.0218，室温平衡组织为铁素体+三次渗碳体。
13、一钢试样，在室温平衡组织中，珠光体占60%，铁素体占40%，该钢的含碳量为。
14、碳钢中的常存杂质有Si、Mn，其中S和P是有害元素，因为P会引起冷脆，S会引起热脆。
15、碳钢的质量，主要依据S、P 含量来区分。
16、刚加热时的各临界温度分别用、和表示；冷却时的各冷却温度分别用、和表示。
17、加热时，奥氏体的形成速度主要受到加热条件、原始组织和化学成分。
18、珠光体、索氏体、托氏体均属层片状的铁素体和渗碳体的机械混合物，其差别在于片层厚度。
19、马氏体的组织形态主要有两种基本类型，一种为板条马氏体，是由含碳量<0.2的母相奥氏体形成，其亚结构是位错；另一种为针状马氏体，是由含碳量>1.0的母相奥氏体形成，其亚结构是孪晶。
20、根据共析钢相变过程中原子的扩散情况，珠光体转变属扩散型转变，贝氏体属半扩散型转变，马氏体属于非扩散型转变。
21、淬火钢在150~250℃回火称为低温回火。
22、以45钢制造的机床传动齿轮，预先热处理应采用正火处理，使其整体获得索氏体组织，最终热处理采用淬火+回火处理，使其表面获得回火索氏体组织，以满足使用性能要求。
23、通常采用等温淬火方式以获得下贝氏体为主的组织。
24、Ni、Mn、C、N、Cu等元素能扩大 Fe-Fe3C相图的γ区，使临界点A4 上升 ,A3 下降。
25、含Cr、Mn的结构合金钢淬火后在550~600℃回火后，将出现第二类回火脆性。
26、铸铁与钢比较，其成分区别主要是含碳和硅量较高，且杂质元素磷和硫含量较多。
27、化学成分和冷却条件是影响铸铁石墨化的主要因素。