961材料科学基础答案

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1、1. 为什么室温下金属晶粒越细强度，硬度越高，塑性韧性也越好？答：金属晶粒越细，晶界面积越大，位错障碍越多，需要协调的具有不同位向的晶粒越多，金属塑性 变形的抗力越高，从而导致金属强度和硬度越高。金属的晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，同时参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，推迟了 裂纹的形成和扩展，使得在断裂前发生较大的塑性变形。在强度和塑性同时增加的情况下，金属在断裂前 消耗的功增大，因而其韧性也比较好。因此，金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越好。2. 冷塑性变形金属产生加工硬化的原因？随变形量增加，空密度增加。由于晶粒由有利位向而发生几何硬化，因此使变形抗力增加。随变形 量增加，亚结构细

2、化，亚晶界对位错运动有阻碍作用。答：晶体内部存在位错源，变形时发生了位错增 值，随变形量增加，位错密度增加。由于位错之间的交互作用，使变形抗力增加。3. 某厂用冷拉钢丝绳吊运出炉热处理工件去淬火，钢丝绳的承载能力远超过工件的质量，但在工件的 运送过程中钢丝绳发生断裂，试分析其原因？答：冷拉钢丝绳是利用热加工硬化效应提高其强度的，在这种状态下的钢丝中晶体缺陷密度增大，强 度增加，处于加工硬化状态。在淬火的温度下保温，钢丝将发生回复、再结晶和晶粒长大过程，组织和结 构恢复软化状态。在这一系列变化中，冷拉钢丝的加工硬化效果将消失，强度下降，在再次起吊时，钢丝 将被拉长，发生塑性变形，横截面积减小，强

3、度将比保温前低，所以发生断裂。4细化晶粒方法1在浇注过程中：1）增大过冷度；2）加入变质剂；3）进行搅拌和振动等。2. 在热轧或锻造过程中：1）控制变形度；2）控制热轧或锻造温度。3. 在热处理过程中：控制加热和冷却工艺参数利用相变重结晶来细化晶粒。4. 对冷变形后退火态使用的合金：1）控制变形度；2）控制再结晶退火温度和时间5、试说明滑移，攀移及交滑移的条件，过程和结果，并阐述如何确定位错滑移运动的方向。解答： 滑移：切应力作用、切应力大于临界分切应力 ；台阶 攀移：纯刃位错、正应力、热激活原子扩散；多余半原子面的扩大与缩小 交滑移：纯螺位错、相交位错线的多个滑移面；位错增殖位错滑移运动的方

4、向，外力方向与b一致时从已滑移区-未滑移区。相反，从未滑移区-已滑移区。6将经过大量冷塑性变形（70%以上）的纯金属长棒一端浸入冷水中，另一端加热至接近熔点的高 温（如0.9Tm）,过程持续一小时，然后完全冷却，作出沿棒长度的硬度分布曲线（示意图），并作简要 说明。如果此金属为纯铁时，又会有何情况出现？例题解答：（ I） TT 再，回复，硬度略下降（II）再结晶硬度下降较大（III）晶粒长大 进一步下降沿棒长度的硬度分布曲线示意如图。在整个棒的长度上，由于温度不同，经历了回复、再 结晶和晶粒长大三个过程。（I）TT 再，仅发生回复，硬度略下降；（II）发生再结晶，硬度下降较大，且随温度的升高，

5、同样1小时完成再结晶的体积百分数增大，硬 度随之降低；（III ）晶粒长大，晶界对位错的阻碍较小，故硬度进一步下降。 若纯金属为纯铁，因纯铁有同素异构转变，在上述情况下，由于到达一定温度会发生重结晶而使晶粒 细化，故在第（III）区域后会有硬度回升的第（IV）区。7. 金属中常见的细化晶粒的措施有哪些？为什么常温下金属材料为什么晶粒越细小，不仅强度越高， 而且塑性和韧性也越好例题解答： 细化晶粒方法：（1）铸态使用的合金：合理控制冶铸工艺，如增大过冷度、加入变质剂、进行搅拌和振动等。（2）对热轧或冷变形后退火态使用的合金：控制变形度、再结晶退火温度和时间。（3）对热处理强化态使用的合金：控制加

6、热和冷却工艺参数利用相变重结晶来细化晶粒。 常温下金 属材料的晶粒越细，不仅强度、硬度越高，而且塑性、韧性也越好。原因是：材料在外力作用下发生塑性 变形时，通常晶粒中心区域变形量较大，晶界及其附近区域变形量较小。因此在相同外力作用下，（1）大 晶粒的位错塞积所造成的应力集中促使相邻的晶粒发生塑性变形的机会比小晶粒大得多，小晶粒的应力集 中小，则需要在较大的外加应力下才能使相邻的晶粒发生塑性变形；（2）细小晶粒的晶粒内部和晶界附近 的变形量较小，且变形均匀，相对来说，因应力集中引起开裂的机会少，着使得在断裂之前承受较大的变 形量，表现为有较高的塑性。8 材料的强化方法有哪些？分析他们的本质上的异

7、同点材料常用的强化方式：固溶强化、沉淀（析出）强化、弥散强化、细晶强化、形变强化、相变强化。（1）固溶强化是由于溶质原子造成了点阵畸变，其应力场将与位错应力场发生弹性交互作用、化学交互 作用和静电交互作用，并阻碍位错运动。是通过合金化对材料进行的最基本的强化方法。（2）沉淀（析出）强化是通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出细小弥散、均匀分布的第二相微粒， 第二相与位错相互作用；(3) 弥散强化是通过粉末冶金方法加入细小弥散、均匀分布的硬质第二相形成复相，第二相阻碍 位错运动，起强化作用。(4) 细晶强化一一霍尔佩奇公式；细晶强化是唯一的使材料的强度和塑性同时提高的强化方法。(5) 加工(形变)

8、强化一一塑性形过程中，位错发生增值，位错密度升高，导致形变胞的形成和不断 细化，对位错的滑移产生巨大的阻碍作用，可使金属的变形抗力显著升高。(6) 相变强化一一相变时新相和母相具有不同组织结构，在相变过程中形成大量的晶体缺陷。9 在室温下对 Pb 板进行弯折，越弯越硬，但如果放置一段时间再进行弯折， Pb 板又像最初一样柔软， 这是为什么？ (Tm(Pb)=327C)例题解答：在室温下对Pb板进行弯折，越弯越硬，发生了加工硬化。如果放置一段时间再进行弯折，Pb板又像最初一样柔软，已发生了回复和再结晶。因T再=04Tm(Pb) =04 (327+273)273 = 33C。10. 钢丝绳吊工件，

9、随工件放入1OOOC炉中加热，加热完毕，吊出时绳断原因？例题解答：冷加工-加工硬化-钢丝绳的硬度和强度T-承载能力高-加热-发生再结晶-硬度和强度超过承 载能力-钢丝绳断裂11 单滑移是指只有一个滑移系进行滑移。滑移线呈一系列彼此平行的直线。这是因为单滑移仅有 一组.多滑移是指有两组或两组以上的不同滑移系同时或交替地进行滑移。它们的滑移线或者平行，或者相 交成一定角度。这是因为一定的晶体结构中具有一定的滑移系，而这些滑移系的滑移面之间及滑移方向之 间都交滑移是指两个或两个以上的滑移面沿共同的滑移方向同时或交替地滑移。它们的滑移线通常为折线 或波纹状。只是螺位错在不同的滑移面上反复T展”的结果。

10、2.7 在铁碳合金中主要的相是哪几个？两个最主要的恒温反应是什么？其生成的组织是什么？它们的 性能有什么特点？答：铁碳合金相图中共有五个基本相，即液相L、铁素体相F、高温铁素体相6、奥氏体相A及渗碳体 相 Fe3C。在ECF水平线(1148C)发生共晶转变L4.3 A2.11+Fe3C。转变产物为渗碳体基体上分布着一定形态、 数量的奥氏体的机械混合物(共晶体)，称为莱氏体，以符号一Ld表示，性能硬而脆。在PSK线(727C )发生共析转变A0.77 FO.O218+Fe3C。转变产物为铁素体基体上分布着一定数量、 形态的渗碳体的机械混合物(共析体)，称为珠光体，以符号一P表示。珠光体的强度较高

11、，塑性、韧性和 硬度介于渗碳体和铁素体之间。2.9 根据铁碳相图对铁碳合金进行分类，试分析不同铁碳合金成分、室温平衡组织及性能之间关系。 答 由 FeC 相图可将铁碳合金分为以下几类：工业纯铁：wC0.0218%， 组织为F+Fe3CIII亚共析钢： 0.0218%wC0.77%， 组织为 F+P(F+Fe3C)共析钢：wC=0.77%,组织为珠光体P(F+Fe3C)过共析钢：0.77%wC2.11%,组织为P+ Fe3CII (网状)亚共晶(白口)铸铁：2.11%wC4.3%，组织为P+ Fe3CII+ Ld共晶(白口)铸铁：wC=4.3%，组 织为 Ld (A+ Fe3C)或 Ld过共晶(

12、白口)铸铁： 4.3%wC6.69%， 组织为 Ld + Fe3CI由F和Fe3C两相构成的铁碳合金的室温平衡组织,随着含碳量的增加其变化规律为：F(+少量Fe3CIII) 一F+PPP+ Fe3CII (网状)P+ Fe3CII+Ld Ld Ld+Fe3CI随着含碳量的增加，组织组成发生相应的变化，硬度增加，塑韧性降低；强度的变化是先增加后降低， 大约在含碳量为0.9%时为最大值。合金中组织的不同引起的性能差异很大，这与Fe3C的存在形式密切相 关，当他与F (基体)构成片层状的P组织时，合金的强度和硬度均随含碳量增加而增加，而当Fe3C以网 状分布在晶界上时，不仅使塑韧性降低，也使强度降低

13、；当Fe3C以粗大形态存在时(Ld或Fe3CI)，塑 韧性和强度会大大降低。2.11 从铁一碳相图的分析中回答：(1) 随碳质量百分数的增加，硬度、塑性是增加还是减小？答：随着含碳量的增加，硬度增加，塑韧性降低；因为随含碳量增加Fe3C数量越来越多。(2) 过共析钢中网状渗碳体对强度、塑性的影响怎样？答：对基体产生严重的脆化，使强度和塑性下降。( 3)钢有塑性而白口铁几乎无塑性？答：钢是以塑韧的F为基体，而白口铁是以硬脆的Fe3C为基体，所以钢有塑性，而白口铁几乎无塑 性。( 4)哪个区域熔点最低？哪个区域塑性最好？答：共晶白口铸铁熔点最低。A区塑性最好。2.13根据Fe-Fe3C相图，说明产

14、生下列现象的原因：(1) 含碳量为 1.0%的钢比含碳量为 0.5%的钢硬度高； 答：因为钢的硬度随含碳量的增加而增加。（2）在室温下含碳量 0.8%的钢其强度比含碳量 1.2%的钢强度高；答：含碳量超过0.9%后，Fe3C以网状分布在晶界上，从而使钢的强度大大下降。（3）低温莱氏体的塑性比珠光体的塑性差；答：因为低温莱氏体是由共晶 Fe3C、Fe3CII 和珠光体组成，因此比起但纯的珠光体来说，其塑性要差。（4）在1100C，含碳量0.4%的钢能进行锻造，含碳量4.0%的生铁不能锻造；答：因为在1100C，含碳量0.4%的钢处于A单相区，而含碳量4.0%的生铁处于A+ Fe3CII+Ld；（

15、 5）钢铆钉一般用低碳钢制成；答：钢铆钉需要有良好的塑韧性，另外需要兼有一定的抗剪切强度，因而使用低碳钢制成；（6）钳工锯0.8%C、1.0%C、1.2%C等钢材比锯0.1%C、0.2%C钢材费力，锯条容易磨损；答：0.8%C、1.0%C、1.2%C中的含碳量高，组织中的Fe3C的含量远比0.1%C、0.2%C钢中的含量高， 因此比较硬，比较耐磨；（7）钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于铸造成型；答：铸铁的熔点低，合金易熔化、铸造过程易于实施；钢的含碳量比铸铁低，通过加热可进入单相固 溶体区，从而具有较好的塑性、较低的变形抗力，不易开裂，因此适宜于压力加工成形。第3章 工程材料成形过程中的行为与性能变化思考题与习题 P813、金属晶粒大小对机械性能有什么影响？如何控制晶粒的大小？ P67P68答：机械工程中应用的大多数金属材料是多晶体。同样的金属材料在相同的变形条件下，晶粒越细， 晶界数量就越多，晶界对塑性变形的抗力越大，同时晶粒的变形也越均匀，致使强度、硬度越高，塑性、 韧性越好。因此，在常温下使用的金属材料，一般晶粒越细越好。晶粒度的大小与结晶时的形核率N和长大速度G有关。形核率越大，在单位体积中形成的晶核数就越 多，每个晶粒长大的空间就越小，结晶结束后获得的晶粒也就越细小。同时，如果晶体的长大速度越小， 则在晶体长大的过程中可能形成的