同济大学工程材料课后习题答案(上海科学技术)

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1、工程材料复习思考题参考答案 第一章 金属的晶体结构与结晶 1.解释下列名词 点缺陷,线缺陷,面缺陷,亚晶粒,亚晶界,刃型位错,单晶体,多晶体, 过冷度,自发形核,非自发形核,变质处理,变质剂. 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. 亚晶粒:在多晶体的每一个晶粒内,晶格位向也并非完全一致,而是存在着许多尺寸很小,位向 差很小的小晶块,它们相互镶嵌

2、而成晶粒,称亚晶粒. 亚晶界:两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界. 刃型位错:位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成.滑移部分 与未滑移部分的交界线即为位错线.如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面,多余半原 子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口,故称“刃型位错“. 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. 多晶体:由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体“. 过冷度:实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度. 自发形核:在一定条件下,从液态金属中直接产生,原子呈规则排列的结晶核心. 非自发形核:是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核.

3、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,这种处理方法即为变 质处理. 变质剂:在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂. 2.常见的金属晶体结构有哪几种 -Fe ,- 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;-Fe,Cr,V 属于体心立方晶格; -Fe ,Al,Cu,Ni,Pb 属于面心立方晶格; Mg,Zn 属于密排六方晶格; 3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题 答:用来

4、说明晶体中原子排列的紧密程度.晶体中配位数和致密度越大,则晶体中原子排列越 紧密. 4.晶面指数和晶向指数有什么不同 答:晶向是指晶格中各种原子列的位向,用晶向指数来表示,形式为;晶面是指晶格中不同方位 上的原子面,用晶面指数来表示,形式为. 5.实际晶体中的点缺陷,线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响 答: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. 6.为

5、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. 7.过冷度与冷却速度有何关系 它对金属结晶过程有何影响 对铸件晶粒大小有何影响 答:冷却速度越大,则过冷度也越大.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.过冷度增大,F 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

6、 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. 8.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:金属结晶的基本规律是形核和核长大.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. 9.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: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.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

7、大大增加,从而提高了形核率,细化晶粒.机械振动, 搅拌. 第二章 金属的塑性变形与再结晶 1.解释下列名词: 加工硬化,回复,再结晶,热加工,冷加工. 答:加工硬化:随着塑性变形的增加,金属的强度,硬度迅速增加;塑性,韧性迅速下降的现象. 回复:为了消除金属的加工硬化现象,将变形金属加热到某一温度,以使其组织和性能发生变 化.在加热温度较低时,原子的活动能力不大,这时金属的晶粒大小和形状没有明显的变化,只 是在晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移等变化,因此,这时金属的强度,硬度和塑性等机 械性能变化不大,而只是使内应力及电阻率等性能显著降低.此阶段为回复阶段. 再结晶:被加热到较高的温度时,原

8、子也具有较大的活动能力,使晶粒的外形开始变化.从破碎 拉长的晶粒变成新的等轴晶粒.和变形前的晶粒形状相似,晶格类型相同,把这一阶段称为“再 结晶“. 热加工:将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行压力加工. 冷加工:在再结晶温度以下进行的压力加工. 2.产生加工硬化的原因是什么 加工硬化在金属加工中有什么利弊 答:随着变形的增加,晶粒逐渐被拉长,直至破碎,这样使各晶粒都破碎成细碎的亚晶粒,变形 愈大,晶粒破碎的程度愈大,这样使位错密度显著增加;同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长 而被拉长.因此,随着变形量的增加,由于晶粒破碎和位错密度的增加,金属的塑性变形抗力将 迅速增大,即强度和硬度显著提高,

9、而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬化“现象.金属的加 工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难,如钢板在冷轧过程中会越轧越硬,以致最后轧不 动.另一方面人们可以利用加工硬化现象,来提高金属强度和硬度,如冷拔高强度钢丝就是利 用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度的.加工硬化也是某些压力加工工艺能够实 现的重要因素.如冷拉钢丝拉过模孔的部分,由于发生了加工硬化,不再继续变形而使变形转 移到尚未拉过模孔的部分,这样钢丝才可以继续通过模孔而成形. 3.划分冷加工和热加工的主要条件是什么 答:主要是再结晶温度.在再结晶温度以下进行的压力加工为冷加工,产生加工硬化现象;反之为热加工,产生的加工硬化现象被

10、再结晶所消除. 4.与冷加工比较,热加工给金属件带来的益处有哪些 答:(1)通过热加工,可使铸态金属中的气孔焊合,从而使其致密度得以提高. (2)通过热加工,可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎,从而使晶粒细化,机械性能提高. (3)通过热加工,可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变,使它们沿着变形的 方向细碎拉长,形成热压力加工“纤维组织“(流线),使纵向的强度,塑性和韧性显著大于横向.如 果合理利用热加工流线,尽量使流线与零件工作时承受的最大拉应力方向一致,而与外加切应 力或冲击力相垂直,可提高零件使用寿命. 5.为什么细晶粒钢强度高,塑性,韧性也好 答:晶界是阻碍位错运动的,而各晶

11、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. 6.金属经冷塑性变形后,组织和性能发生什么变化 答: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;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;织构现象的产生

12、,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;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. 7.分析加工硬化对金属材料的强化作用 答:随着塑性变形的进行,位错密度不断增加,因此位错在运动时的相互交割,位错缠结加剧,使 位错运动的阻力增大,引起变形抗力的增加.这样,金属的塑性变形就变得困难,要继续变形就 必须增大外力,因此提高了金属的强度. 8.已知金属钨,铁,铅

13、,锡的熔点分别为 3380,1538,327,232,试计算这些金属的最低再 结晶温度,并分析钨和铁在 1100下的加工,铅和锡在室温(20)下的加工各为何种加工 答:T 再=0.4T 熔;钨 T 再=0.4*(3380+273)-273=1188.2; 铁 T 再=0.4*(1538+273)-273=451.4; 铅 T 再=0.4*(327+273)-273=-33; 锡 T 再=0.4*(232+273)-273=-71.由于钨 T 再为 1188.21100,因此属于热加工;铁 T 再为 451.42.5%)以外的大多数合 金元素都使 C 曲线右移,使钢的淬透性增加,因此合金钢的淬透

14、性比碳钢好. 奥氏体化温度 温度愈高,晶粒愈粗,未溶第二相愈少,淬透性愈好. 26.钢的淬硬层深度通常是怎规定的 用什么方法测定结构钢的淬透性 怎样表示钢的淬透性 值. 答:为了便于比较各种钢的淬透性,常利用临界直径 Dc 来表示钢获得淬硬层深度的能力.所谓 临界直径就是指圆柱形钢棒加热后在一定的淬火介质中能全部淬透的最大直径. 对同一种钢 Dc 油 50),而心部具有良好的韧性(Ak40J),原采用 45 钢调质处理再在凸轮表面 进行高频淬火,最后低温回火,现因工厂库存的 45 钢已用完,只剩 15 钢,拟用 15 钢代替.试说 明: (1)原 45 钢各热处理工序的作用; (2)改用 15

15、 钢后,应按原热处理工序进行能否满足性能要求 为什么 (3)改用 15 钢后,为达到所要求的性能,在心部强度足够的前提下采用何种热处理工艺 答:(1)正火处理可细化组织,调整硬度,改善切削加工性;调质处理可获得高的综合机械性能和 疲劳强度;局部表面淬火及低温回火可获得局部高硬度和耐磨性. (2)不能.改用 15 钢后按原热处理工序会造成心部较软,表面硬,会造成表面脱落. (3)渗碳. 37.有甲,乙两种钢,同时加热至 1150 ,保温两小时,经金相显微组织检查,甲钢奥氏体晶粒度 为 3 级,乙钢为 6 级.由此能否得出结论:甲钢是本质粗晶粒钢,而乙钢是本质细晶粒钢 答:不能.本质晶粒度是在 9

16、3019,保温 38 小时后测定的奥氏体晶粒大小.本质细晶粒钢 在加热到临界点 Acl 以上直到 930晶粒并未显著长大.超过此温度后,由于阻止晶粒长大的 难溶质点消失,晶粒随即迅速长大.1150 超过 930,有可能晶粒随即迅速长大,所以不能的 出结论甲钢是本质粗晶粒钢,而乙钢是本质细晶粒钢. 38.为什么用铝脱氧的钢及加入少量 Ti , Zr , V , Nb, W 等合金元素的钢都是本质细晶粒钢 奥 氏体晶粒大小对转变产物的机械性能有何影响 答:铝脱氧及加入少量 Ti , Zr , V , Nb, W 等合金元素会形成高温难溶的合金化合物,在93019左右抑制了晶粒的长大.所以加入以上合金元素的钢都是本质细晶粒钢. 39.钢获得马氏体组织的条件是什么 与钢的珠光体相变及贝氏体相变比较,马氏体相变有何 特点 答:钢获得马氏体组织的条件是:钢从奥氏体状态快速冷却,来不及发生扩散分解而发生无扩散型的相变. 马氏体相变的特点为: (1)无