工程材料 习题及答案

工程材料作业答案作业1 材料结构基础1.实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷?它们对性能有什么影响?实际金属晶体存在点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。

（1）点缺陷使周围晶格发生畸变，提高晶体内能量，降低电导率，提高强度；（2）线缺陷越多，其运动越困难，材料的强度、硬度越高，脆性越大，塑性越差；（3）面缺陷越多，晶粒越细，强度越高，塑性也越好；（4）体缺陷：孔洞影响材料的力学、光学、热学性能；裂纹影响材料的力学性能；夹杂影响材料的力学、光学、电学性能。

2.金属常见的3种晶体结构是什么？画出结构示意图。

（1）体心立方（bcc）（2）面心立方（fcc）（3）密排六方（hcp）3.按价键结构对材料进行分类，简述各类材料的性能特点。

种类价键结构性能特点金属材料金属键有光泽、塑性、导电、导热、较高强度和刚度无机非金属材料离子键、共价键耐高温、高强、脆、无塑性高分子材料共价键、分子键密度小、热胀性大、耐磨耐腐、易老化复合材料取决于组成物结合键比强度和比模量搞、抗疲劳、高温减震性能好4.简述构成材料的5种化学键及其对一般性能的影响。

离子键，共价键，金属键，范德华力，氢键。

（1）离子键组成的离子晶体硬度高，强度高，脆性大，绝缘，塑性差；（2）由共价键组成的晶体熔点高，强度高，脆性大；（3）由金属键组成的金属有：a.良好的导电、导热性；b.良好的塑性变形能力；c.不透明、呈现金属光泽；d.电阻随温度升高而增大；（4）由分子键组成的材料熔点低、硬度低、绝缘；（5）有氢键的材料熔点沸点比分子晶体高。

5.简述钢的3种热力学平衡相。

（1）铁素体：碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体。

铁素体由于溶碳量小，力学性能与纯铁相似。

塑性、冲击韧性较好，强度、硬度较低；（2）奥氏体：碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体。

奥氏体的强度、硬度较低，但有良好的塑性；（3）渗碳体：铁碳组成的具有复杂斜方结构的间隙化合物。

渗碳体硬度高，塑性和韧性很低。

6.什么是钢的珠光体、屈氏体、索氏体、贝氏体、马氏体、残余奥氏体？珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。

性能介于铁素体和渗碳体之间，综合性能好；屈氏体：铁素体与渗碳体组成的片层更薄的珠光体；索氏体：片层铁素体与渗碳体的双相混合组织，其片层间距较小，碳在铁素体中无过度饱和；贝氏体：渗碳体与铁素体的机械混合物，高温转变及低温转变相异的组织，具有较高的强韧性配合；马氏体：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织；残余奥氏体：淬火未能转变成马氏体而保留到室温的奥氏体。

7.作图表示立方晶系中的(110）、(120)晶面和[211]、[120]晶向。

8.作图表示体心立方、面心立方和密排六方晶体中原子排列最密的面，在这些晶面上哪些方向是最高密度方向？图见课本P45中表3-1类型密排面 密排方向 BCC{110} <111> FCC{111} <110> HCP{0001} <1120>9. 在BCC 晶体中最高密排面是(110)。

确定BCC 晶体中(110)的面密度，然后把此数值与FCC 结构中密排面的面密度作比较。

1）BCC ＝222a ＝23216R2）FCC ＝243a ＝236R所以，FCC 面密度大于BCC 。

10. 已知α-Fe 的晶格常数a=2.87×10-10 m ，试求出α-Fe 的原子半径和致密度。

BCC ，103 1.24104R a m -==⨯，Ｋ＝e F N V V 晶胞＝68％ 11. 在常温下，己知铜的原子直径d=2.55×10-10 m ，求铜的晶格常数。

FCC ，d 2a 24=，a=3.61×10-10 m 12. 固溶体和金属化合物在结构和性能上有什么区别？结构：固溶体晶格类型与溶剂的晶格类型类似，金属化合物晶格类型与成分和含量有关。

性能：固溶体性能与溶剂接近，且晶格畸变能升高使塑性变形困难，提高了强度和硬度。

金属化合物熔点高，硬度大，脆性大，有金属性质。

13. 什么是金属的同素异构转变？以纯铁为例说明金属的同素异构转变。

金属在固态下由于温度的变化发生晶格类型的转变，称为金属的同素异构转变。

液态纯铁在1538℃结晶为体心立方的σ-Fe ，继续冷却到1394℃时由体心立方晶格的σ-Fe 转变为面心立方晶格的γ-Fe ，再冷却到912℃又转变为体心立方的σ-Fe 。

作业2 材料力学性能1.加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。

淬透性：钢淬火后获得马氏体组织的能力。

主要取决于钢中合金元素的种类及含量。

淬硬性：淬火后钢表面能达到的最高硬度。

主要取决于钢的含碳量。

球化退火：使钢中碳化物球化的退火工艺。

再结晶退火：将冷变形后金属加热至再结晶温度以上100~200 ︒C，适当保温使金属发生再结晶，以消除加工硬化的退火工艺。

回火：将淬火钢件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后空冷的热处理工艺。

正火：将钢完全奥氏体化，保温后空冷。

正火后钢的强度、韧性、硬度比退火高。

退火：将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后进行缓慢冷却，使金属内部组织达到或接近平衡状态的热处理工艺。

淬火：将钢加热到临界温度（亚共析钢为Ac3+30~50 ︒C；过析钢为Ac1+30~50 ︒C）以上，保温一定时间后以较快的冷却速度冷却，获得马氏体或下贝氏体的热处理工艺。

时效：合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造、锻造后，在较高的温度放置或室温下其性能、形状、尺寸随时间而变化的热处理工艺。

目的：消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能；实质：从过饱和固溶体中析出许多非常细小的沉淀物颗粒(一般是金属化合物，也可能是过饱和固溶体中的溶质原子在许多微小地区聚集)，形成一些体积很小的溶质原子富集区。

冲击韧性：材料抵抗冲击载荷的能力。

辨析题1.晶体的塑性变形都通过滑移进行，滑移系越多，塑性变形越容易进行。

( F )塑性变形的基本形式为滑移和孪生。

2.淬火的前提是获得完全奥氏体组织。

( F )过共析钢淬火不用完全奥氏体化。

3.室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。

( F )金属晶粒越细，则强度越高、塑性也越高。

4.金属铸件可以通过再结晶退火来细化晶粒。

( F )将冷加工挤碎、压扁、拉长的晶粒，通过加热，使其原子活化然后得到晶粒的恢复。

这一退火工艺叫再结晶退火。

再结晶退火不能达到细化晶粒的目的。

5.钢的碳含量越高，其M s越高，淬火后残余奥氏体量也越多。

(F )钢的碳含量越高，其M s越低。

6.提高钢的淬硬性的有效方法是添加适当的合金元素。

(F )钢的淬硬性主要与含碳量有关。

7.随时效时间的延长，合金的强度提高、塑性下降。

( F )时间过长，产生过时效，材料内部的析出相开始长大，间距变大，宏观表现为材料得强度降低，塑韧性有所提高。

8.奥氏体不锈钢可采用淬火提高强度。

( F )奥氏体不锈钢中含有N，Ni，无法在淬火后得到马氏体，故而奥氏体不锈钢淬火后硬度不能提高；奥氏体不锈钢提高强度的主要方法有：表面渗碳、渗氮。

9.经退火后再高温回火的钢，能得到回火索氏体组织，具有良好的综合机械性能。

( F )淬火后高温回火，能得到回火索氏体组织。

退火后不能进行高温回火。

10.表面淬火既能改变钢的表面组织，也能改善心部的组织和性能。

( F )不能改变心部的组织。

问答题1.画出典型塑性材料的静拉伸应力～应变曲线，简述该曲线反应出的材料的力学性能?1）应力应变成直线关系的最高限在P点，称为比例极限，此阶段（OP）服从胡克定律，材料是线弹性的；应力超过P点后，应力应变不再是直线，但卸载拉力后变形仍可完全消失，称为弹性变形阶段（OE），此阶段最高限为E点；应力超过E点增加到某个数值（C点）时，应变明显增加，应力略下降后轻微波动，波动的最高和最低点称上、下屈服极限，其中下屈服极限（S点）较稳定，通常将下屈服极限称为屈服极限。

2）屈服强度σs，静拉伸过程中开始产生塑性变形时的应力；抗拉强度σb，静拉伸过程中试样断裂前的最大应力；断裂强度σk，静拉伸过程中试样断裂时的应力。

2.简述材料低应力脆断的几种可能情况。

疲劳断裂：材料在周期性交变载荷作用下,产生低应力脆断；回火脆断：材料回火时产生的回火脆性；材料出现断裂、磨损、腐蚀现象可能发生低应力脆断3.硬度反应的是材料的什么性能？常见硬度测试方法有哪些？硬度测试有哪些优点？材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。

常见测试方法有：布氏硬度计，洛氏硬度计，维氏硬度计优点：a.制样简单，设备便宜b.不留下明显损伤c.可大致预测其他力学性能4.材料的强化方式有哪些，简述其原理？形变强化：位错增殖、缠结细晶强化：晶界对位错的阻碍作用固溶强化：晶体点阵畸变形成的弹性应力场阻碍位错运动弥散强化（时效强化）：第二相颗粒阻碍位错运动相变强化：不同组织有不同的性能（金属材料热处理）金属材料表面强化技术：表面淬火、表面化学热处理、表面合金化等。

5.简述退火、正火、淬火和回火对组织结构和性能的影响。

退火：改善锻件、轧材的切削加工性，提高塑性，降低硬度；改善化学成分偏析和组织不均匀性，减少固溶于钢中的有害气体，消除零件的内应力和加工硬化效应；为进一步淬火作组织准备。

正火：消除网状渗碳体（过共析钢），细化晶粒，消除内应力；最终热处理：w c=0.4~0.7%的钢件可在正火态下使用，具备良好的综合机械性能；代替完全退火：w c<0.4的中低碳钢；改善铸件晶粒度，消除组织不均匀性。

淬火：淬火后获得马氏体组织（除了等温淬火后得到下贝氏体），使材料强度、硬度提高，产生较大的内应力回火：降低脆性、减少内应力、促进不稳定的淬火马氏体和残余奥氏体转变。

淬火钢回火过程组织变化：M分解，碳化物析出、聚集长大，残余A转变。

6.钢经淬火后，为什么一般要及时进行回火，回火后钢的力学性能为什么主要决定于回火温度而不是冷却速度？钢淬火后，存在很大的内应力，容易导致变形甚至开裂。

淬火后组织为淬火马氏体和残余奥氏体，这种组织不稳定，会在一定条件下发生转变。

故要及时进行回火。

7.正火与退火的主要区别是什么？生产中应如何选择正火与退火？正火是加热后空冷，退火是加热后炉冷（缓慢冷却）。

正火得到的珠光体片层较细，强度硬度更高。

正火与退火均可时，使用正火。

对性能要求不高的普通工件，可以选用正火。

要得到特定的组织结构选用退火。

8.回火的目的是什么，常用的回火操作有哪几种？降低脆性、减少内应力、促进不稳定的淬火马氏体和残余奥氏体转变。

低温回火，中温回火，高温回火9.什么是钢的调质处理？淬火后高温回火所得到回火索氏体组织的复合热处理为调质。

10.简述钢的表面强化技术。