工程材料基础复习题-学生用

习题与思考题

1. 解释下列名词的函义：

晶体，非晶体；晶格，晶胞；晶格常数，致密度；晶面指数，晶向指数；点缺陷，线缺陷，面缺陷，位错；单晶体，多晶体；固溶体、金属间化合物、固溶强化；结合键。

2. 金属键、离子键、共价键及分子键结合的材料其性能有何特点。

3. 常见的金属晶体结构有哪几种 ?简述它们的晶体结构及特点（晶格常数、晶胞原子数、原子半径、配位数和致密度的不同）

4、如图立方晶系，写出面OBC’、ODD’O’的晶面指数和OB、OD晶向指数（AD=1/2AB）。

5. 画出立方晶格中 (110) 晶面与 (111) 晶面。并画出在晶格中和 (110) 、 (111) ；那个晶面和晶向原子排列比较密.

6. 为什么单晶体具有各向异性 ? 而多晶体在一般情况下不显示各向异性 ?

7. 实际金属晶体中存在那些晶体缺陷，对性能有什么影响。

8. 固溶体可分为几种类型 ? 形成固溶对合金有何影响 ?

习题与思考题

1 、下列名词的涵义：

过冷度、晶核形核率 (N)、生长速率 (G)、凝固、结晶、；变质处理；合金、组元、相、相图；枝晶偏析、相组成物、组织组成物。

2 、何谓共晶反应、包晶反应和共析反应 ? 试比较三种反应的异同点。

3 、二元匀晶相图、共晶相图与合金的机械性能、物理性能和工艺性能存在什么关系 ?

4 、金属结晶的基本规律是什么 ? 晶核的形核率和生长速率受到哪些因素的影响 ?

5 、在铸造生产中，采取哪些措施控制晶粒大小？如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小。

金属模浇注和砂模浇注；高温浇注与低温浇注；浇注时采用震动与不采用震动。

6. 根据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点。

7 、共晶相图、包晶相图和共析相图分析

8 、为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金？为什么要进行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金 ?

习题与思考题

1 、解释下列名词：

(1) 滑移； (2) 再结晶、二次再结晶与再结晶温度； (3) 热加工与冷加工；（4）加工硬化；（ 5 ）回复；（ 6 ）再结晶；（ 7 ）织构；

2 、用手来回弯折一根铁丝时，开始感觉省劲，后来逐渐感到有些费劲，最后铁丝被弯断。试解释过程演变的原因？

4 、为什么细晶粒钢强度高，塑性、韧性也好？

5 、冷塑性变形对金属组织和性能有何影响？

6 、金属的再结晶温度受哪些因素的影响 ?

8 、试述纤维组织的形成及其对材料性能的影响。

10 、热加工对金属组织和性能有何影响？钢材在热加工（如锻造）时，为什么不产生加工硬化现象？

11 、如图所示，用细棒料压制的齿轮毛胚和直接用粗料毛胚（于齿轮外径相等）来加工成齿轮，试问用哪种方法制造出的齿轮质量好 ? 为什么 ?

1.名词解释：

晶体：原子（或分子、离子）在三维空间中有规则的周期性重复排列的物质称为晶体，否则为非晶体。

晶格：为了表征空间点阵的几何规律，人为地将阵点用一系列相互平行的直线连接起来形成空间格架，这种假想的格架在晶体学上就称为晶格。

晶胞：构成晶格的最基本单元称为晶胞。

晶格常数：每种金属在一定温度时有其特有的晶胞尺寸，可用晶格常数来衡量。（对立方晶系，a=b=c,α=β=γ=90°，故晶格常数只需用晶胞的棱边长度a一个数值表示）致密度：把金属晶体中的原子看作是直径相等的刚球，原子排列的密集程度可以用刚球所占空间的体积百分数来表示，称为致密度。

晶面指数：晶面指数是表示晶体中点阵平面的指数，由晶面与三个坐标轴的截距值的倒数所决定。

晶向指数：晶向指数是表示晶体中原子排列方向的指数，由晶向上阵点的坐标值决定。

点缺陷：偏离区域在三维空间的各个方向上的尺度均很小，约为一个或几个原子间距，因此也称为零维缺陷，如空位、间隙原子、杂质原子等。

线缺陷：偏离区域在二个空间方向的尺度很小，在另一个方向的尺度较大，也称为一维缺陷，如错位。

面缺陷：偏离区域在一个空间方向的尺度很小，在另两个方向的尺度较大，也称为二维缺陷，如晶界、相界、堆垛层错等。

2.

金属键离子键共价键分子键氢键

材料性能良好的导

电性、导热

性、具有正

的电阻温

度系数、良

好的塑性、

不透明、具

有金属光

泽、金属之

间的相互

溶解能力

硬度高、强

度大、热膨

胀系数小、

常温下导电

性很差、高

温下易于导

电（融融状

态下）、脆性

较大、

塑性很差、硬

度高、脆性大、

熔点高、沸点

高、挥发性低、

结构比较稳

定、导电能力

较差

稳定性很差（对物理性能影

响大）对结构相

似的同系物，分

子间存在氢键，

会使其熔点、沸

点显著升高；但

若分子内生成氢

键，则熔点、沸

点会降低；若分

子间生成氢键，

会增大粘度。

6.

晶体的各向异性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同；多晶体正是由于晶粒在空间方位上排列无规则，整

体表现出各向同性。

7.

实际金属中存在的晶体缺陷类型：点缺陷、线缺陷、面缺陷。晶体缺陷对金属的许多性能有着极重要的影响，材料的烧结和固相的反应以及金属的塑性变形等都和晶体中缺陷的存在

有关。

8.

按溶质原子在金属溶剂晶格中的位置：置换固溶体、间隙固溶体

按溶质原子在金属溶剂中的溶解度：有限固溶体、无限固溶体

按溶质原子在金属溶剂中的相对分布情况：有序固溶体、无序固溶体

固溶体的形成使合金硬度、强度增加，而韧性、塑性下降。电阻率提高、导电率下降、磁矫顽力增加、良好的抗化学腐蚀性能（单相均匀的固溶体）。

3.

晶体结构 晶格常数 晶胞原子数

原子半径

配位数 致密度 面心立方（fcc ）

金属原子分布在立方晶胞的八个角上和六个面的中心 a=b=c, α=β=γ=90°（fcc 中晶

格常数只用a

一个数值表示） 4

r=

12

K==

体心立方（bcc ）

金属原子分布在立方晶胞的八个角上和立方体的体心

a=b=c, α

=β=γ=90°

2

r=

8 0.68

密排立方（hcp ）

金属原子分布在六方晶胞的十二个角上以及上下两底面的中心和两底面之间的三个均匀分布的间隙里

六方底面的边长a 和六方棱柱的高c ，c/a 成为轴比，对于理性密排六方晶胞，其轴比

=1.633

6

12 0.74

1. 名词解释：

过冷度：熔融金属平衡状态下的相变温度与实际相变温度的差值（实际结晶温度总是低于理论

结晶温度的现象称为“过冷现象”）。

晶核形核率(N)：单位时间、单位体积中所形成的晶核数。 生长速率(G)：

凝固：材料由液态转变为固态的过程称为凝固。 结晶：晶体材料由液态转变为固态的过程称为结晶。

变质处理：变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使

它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒。

合金：由两种火两种以上的金属元素，或金属与非金属元素所组成的具有金属特性的物质。 组元：组成体系的每一种能独立存在的物质称为组元或组分、成分。

相：相是一个宏观均匀的部分，同一相中各点的物理性质和化学性质相同。

相图：相图，也称相态图、相平衡状态图，是用来表示相平衡系统的组成与一些参数（如温度、

压力）之间关系的一种图。

枝晶偏析：在具有一定凝固温度范围、能够形成固溶体的合金中，由于非平衡凝固所造成的先

后凝固的晶枝间的成分不均匀的现象。 相组成物：

组织组成物：

2.

3.

机械性能、物理性

能

工艺性能

匀晶相图A.由于固溶强化，随着溶质

组元含量的增加，其强度

与硬度提高，呈曲线关系

变化。

B.而固溶体合金的电阻率

与成分之间的关系也呈

曲线变化。

单相固溶体的合金，浇铸时合

金流动性差，浇铸时不能充满

铸型，凝固后形成许多分散的

缩孔，此类合金不宜制作铸

件。但此类合金的塑性较好，

具有良好的压力加工性能（锻

造性能好）。

共晶相图A.相图两端均为固溶体，其

性能与合金成分之间呈

曲线关系。

B.相图中间部分为两相机

械混合物，合金的强度、

硬度、电阻率与成分呈直

线关系。

C.但两相十分细密时，合金

的强度、硬度将偏离直线

关系而出现峰值。

纯组元和共晶成分的合金流

动性好，缩孔集中，铸造性能

好。

相图中液相线和固相线之间的距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量有利（结晶区间越小，流动性越好）。

4.

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。

5.

提高冷却速率（增大过冷度）；孕育处理（形核剂）；振动处理

铸件晶粒大小比较：金属模浇注＜砂模浇注；高温浇注＞低温浇注；震动＜不震动

6.

典型的铸锭结晶组织一般可分为表层细等轴晶粒区、柱状晶粒区、中心粗等轴晶粒区等三层不同特征的晶区。金属铸锭中的细等轴晶粒区，显微组织比较致密，室温下力学性能最高；柱状晶粒区的组织较致密，不易产生疏松等铸造缺陷；铸锭的中心粗等轴晶粒区的结晶时没有择优取向，不存在脆弱的交界面，不同方向上的晶粒彼此交错，其力学性能比较均匀，虽然其强度和硬度低，但塑性和韧性良好。

7. 略

8.

由于共晶合金或纯金属的熔点较低，且是恒温转变，所以流动性好，凝固后易形成集中缩孔，致密度高，故铸造合金宜选择共晶成分或接近共晶成分。

固溶体的强度较低、塑性好、变形均匀，故单相固溶体合金的压力加工性较好。而两相混合物因其强度不同、变形不均匀，且变形大时两相界面也易开裂，如果存在脆性的中间相时对压力加工更为不利，故压力加工合金通常是选取单相固溶体或接近单相固溶体的合金。

1.名词解释：

滑移：滑移是晶体的两部分之间沿着一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）而发生的一种相对切变。（这种切变不改变晶体的点阵类型和晶体位向，只是在晶体表面出现了一系列的台阶状的痕迹）

再结晶：变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长（或被压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的、细小的等轴晶，这个过程称为再结晶。（再结晶是指

无畸变的等轴新晶粒逐渐取代变形晶粒的过程）

二次再结晶：再结晶结束后正常长大被抑制而发生的少数晶粒异常长大的现象。

再结晶温度：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度。

热加工和冷加工：金属塑性变形的加工方法有热加工和冷加工两种。热加工和冷加工不是根据变形时是否加热来区分，而是根据变形时的温度处于再结晶温度以上还是以下来划分的。加工硬化：金属冷加工变形后，随塑性变形程度的增加，材料的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性显著下降。这一现象称为加工硬化。

回复：所谓回复是指冷塑性变形金属加热时，尚未发生光学显微组织变化前（即再结晶前）所产生的亚结构与性能变化的过程。

织构：在塑性变形中，晶体要发生转动。随变形度的增加，各晶粒的滑移面和滑移方向都要向主变形方向转动，逐渐使多晶体中原来的任意位向在空间上呈现一定程度相同的取向。变形晶体中的这种择优取向，称为变形织构。（多晶体金属或合金内诸晶粒的晶体学位向趋于一致的组织。）

2.

折一根铁丝时，开始感觉省劲，后来逐渐感到有些费劲，是由于在外力的作用下，铁丝在发生塑性变形时，位错密度增加，位错间的交互作用增强，相互缠结，造成位错运动阻力的增大，引起塑性变形抗力提高，塑性和韧性下降，另一方面由于晶粒破碎细化，使金属的强度和硬度提高，产生了所谓加工硬化(或冷作硬化)现象，金属的加工硬化，给进一步加工带来困难，所以后来逐渐感到有些费劲。再进一步变形时，由于金属的强度和硬度提高，塑性和韧性下降，很快铁丝就因为疲劳而发生断裂。

4.

晶界是阻碍位错运动的，而各晶粒位向不同，互相约束，也阻碍晶粒的变形。因此，金属的晶粒愈细，其晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈多，对塑性变形的抗力也愈大。因此，金属的晶粒愈细强度愈高。同时晶粒愈细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的变形量便可分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，而不致造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产生和发展。因此，塑性，韧性也越好。

5.

①晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性，如纵向的强度和塑性远大于横向等；②晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化，即随着变形量的增加，强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降；③织构现象的产生，即随着变形的发生，不仅金属中的晶粒会被破碎拉长，而且各晶粒的晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动，转动结果金属中每个晶粒的晶格位向趋于大体一致，产生织构现象；④冷压力加工过程中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间的变形不均匀，金属内部会形成残余的内应力，这在一般情况下都是不利的，会引起零件尺寸不稳定。

6.

(1)预先的变形程度. 变形程度愈大,金属畸变能愈高,向低能量状态变化的倾向也愈大,因此再结

晶温度愈低.

(2)原始晶粒大小. 金属原始晶粒越小,则变形的抗力越大,变形后储存的能量较高,再结晶温度则

较低.

(3)金属的纯度及成分. 金属的化学成分对再结晶温度的影响比较复杂.当金属中含有少量元素,

特别是高熔点元素时,常会阻碍原子扩散或晶界的迁移,而使再结晶温度升高.如纯铁的再结晶温度约为450℃,加入少量碳变成钢时,其再结晶温度提高至500～650℃.在钢中再加入少量的W,Mo,V等,还会更进一步提高再结晶温度.当合金元素含量较高时,可能提高也可能降低再结晶温度,这要看合金元素对基体金属原子扩散速度比对再结晶形核时的表面能的影响而定.有利于原子扩散和降低表面能的则降低再结晶温度;反之,则升高再结晶温度.

(4)加热速度和保温时间. 再结晶过程需要有一定时间才能完成,故加热速度的增加会使再结晶推

迟到较高温度才发生;而保温时间延长,原子扩散充分,可使再结晶过程在较低温度下完成.

8.

塑性变形后晶粒的外形沿着变形方向被压扁或拉长,形成细条状或纤维状,晶界变得模糊不清,且随变形量增大而加剧.这种组织通常叫做"纤维组织".纤维组织的形成,使金属的性能具有方向性,纵向的强度和塑性高于横向.晶粒破碎和位错密度增加,使金属的强度和硬度提高,塑性和韧性下

降,产生了所谓加工硬化(或冷作硬化)现象.

10.

热加工虽然不致引起加工硬化,但仍能使金属的组织和性能发生显著的变化:

(一)可使钢中的气孔焊合,分散缩孔压实,从而使材料的致密度增加.

(二)可使钢中的粗大枝晶和柱状晶破碎,从而使晶粒细化,机械性能提高.

(三)可使钢中的各种夹杂物沿着变形方向伸长(塑性夹杂物如FeS和细碎脆性夹杂物如氧化物等),

但晶粒通过再结晶变成细等轴晶,而夹杂物却被保留下来,形成了"纤维组织",在宏观试样上呈现为条状(塑性夹杂物)和链状(脆性夹杂物).这种组织使钢的机械性能有了方向性,在沿着纤维的方向上(纵向)具有较高的机械性能,而且在垂直纤维方向上(横向)性能较低。

钢材在热加工(如锻造)时,加工温度处于其再结晶温度以上,即使发生加工硬化,也会通过再结晶而消除,故不产生加工硬化。

11.

综合题

1.

2. 缺陷类型：点缺陷、线缺陷、面缺陷

对性能的影响：如果金属中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随着晶体中缺陷的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。因此，无论点缺陷，线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变，从而使晶体强度增加。同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻，降低金属的抗腐蚀性能。

3. a.提高冷却速率:增大过冷度，使金属结晶时形成的晶核数目增多，则结晶后获得细晶粒组织。

b.孕育处理：在浇注前向液态金属中人为地加入少量形核剂，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。

c.振动处理：在金属结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、电磁振动等方法，向液相输入振

动能使形核率提高，同时使正在长大的晶体折断、破碎，也能增加晶核数目，从而细化晶粒。

4.

5.

纯金属以枝晶形式长大，除了需要过冷条件外，还必须在负温度梯度下才能实现。

枝晶的长大过程，即在负温度梯度下，固体表面上的偶然凸起可深入到过冷度较大的液体中，因而得到更有利的生长条件。此时固体表面形成了一些向液体内部伸长的晶轴，在这些晶轴的侧面，由于结晶潜热的释放又会造成负温度梯度的分布，于是在这些晶轴上又会出现新的分枝。

人们将早期生长的晶轴称一次晶轴，在一次晶轴侧面生长出的晶轴称为二次晶轴，以此类推。

这样不断地枝上生枝，同时，各级晶轴又不断地长大，直到它们相互接触，晶轴间液相耗尽，形成一个充实的树枝状晶体为止。

补充：

位错：位错是晶体中最常见的线缺陷，他是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。

单晶体：单晶体是原子排列规律相同，晶格位向一致的晶体。

多晶体：多晶体是由很多具有相同排列方式但位向不一致的很多小晶粒组成的晶体。

固溶体：固溶体是溶质原子融入金属溶剂中所形成的合金相。（合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体）

金属间化合物：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物，或称中间相。

固溶强化：当溶质元素含量很少时，固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含量的增多，会使金属的强度和硬度升高，这种现象称为固溶强化。

结合键：原子间的结合力。