工程材料课后题答案doc.docx
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工程材料课后题答案doc
.
第一章
6、实际金属晶体中存在哪些缺陷?
它们对性能有什么影响?
答:
点缺陷:
空位、间隙原子、异类原子。
点缺陷造成局部晶格畸变,使金属的电阻率、屈
服强度增加,密度发生变化。
线缺陷:
位错。
位错的存在极大地影响金属的机械性能。
当金属为理想晶体或仅含极少量位
错时,金属的屈服强度σs很高,当含有一定量的位错时,强度降低。
当进行形变加工时,
为错密度增加,σs将会增高。
面缺陷:
晶界、亚晶界。
亚晶界由位错垂直排列成位错墙而构成。
亚晶界是晶粒内的一种面
缺陷。
在晶界、亚晶界或金属内部的其他界面上,原子的排列偏离平衡位置,晶格畸变较大,位错
16-2
密度较大(可达10m以上)。
原子处于较高的能量状态,原子的活性较大,所以对金属中
的许多过程的进行,具有极为重要的作用。
晶界和亚晶界均可提高金属的强度。
晶界越多,晶粒越细,金属的塑性变形能力越大,塑性越好。
8、什么是固溶强化?
造成固溶强化的原因是什么?
答:
形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。
固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。
晶格畸变随溶质原子浓度的提高而增大。
晶格畸变增大位错运动的阻力,使金属的滑移变形变得更加困难,从而提高合金的强度和硬度。
9、间隙固溶体和间隙相有什么不同?
答:
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间隙
固溶体。
间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。
间隙固溶体的晶体结构与溶剂相
同。
间隙相是间隙化合物中的一种,其晶体结构不同于组成它的任意元素的晶体结构,一般
是较大金属元素的原子占据晶格的结点位置,半径较小的非金属元素的原子占据晶格的间隙
位置,晶体结构简单,间隙相一般具有高熔点、高硬度,非常稳定,是合金的重要组成相。
第二章
1、金属结晶的条件和动力是什么?
答:
液态金属结晶的条件是金属必须过冷,要有一定的过冷度。
液体金属结晶的动力是金属在液态和固态之间存在的自由能差(F)。
2、金属结晶的基本规律是什么?
答:
液态金属结晶是由生核和长大两个密切联系的基本过程来实现的。
液态金属结晶时,首
先在液体中形成一些极微小的晶体(称为晶核),然后再以它们为核心不断地长大。
在这些晶体长大的同时,又出现新的品核并逐渐长大,直至液体金属消失。
3、在实际应用中,细晶粒金属材料往往具有较好的常温力学性能,细化晶粒、提高金属材料使用性能的措施有哪些?
答:
(1)提高液态金属的冷却速度,增大金属的过冷度。
(2)进行变质处理。
在液态
金属中加入孕育剂或变质剂,增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大,以细化晶粒和改善组织。
(3)在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法。
(4)电磁搅拌。
将正
在结晶的金属置于一个交变的电磁场中,由于电磁感应现象,液态金属会翻滚起来,冲断正
在结晶的树枝状晶体的晶枝,增加了结晶的核心,从而可细化晶粒。
..
.
4、如果其他条件相同,试比较在下列铸造条件下铸件晶粒的大小。
(1)金属模浇注与砂模浇注;
(2)变质处理与不变质处理;(3)铸成薄件与铸成厚
件;(4)浇注时采用震动与不采用震动。
答:
(1)金属模浇注比砂模浇注,铸件晶粒小;
(2)变质处理比不变质处理,铸件晶粒小;
(3)铸成薄件比铸成厚件,铸件晶粒小;(4)浇注时采用震动比不采用震动,铸件晶粒小。
5、为什么钢锭希望尽量减少柱状晶区?
答:
柱状是由外往里顺序结晶的,品质较致密。
但柱状品的接触面由于常有非金属夹杂或低熔点杂质而为弱面,在热轧、锻造时容易开裂,所以对于熔点高和杂质多的金届,例如铁、镍及其合金,不希望生成柱状晶。
6、将20kg纯铜与30kg纯镍熔化后慢冷至如图l—6温度T1,求此时:
①两相的化学成分;
②两相的质量比;③各相的质量分数;④各相的质量。
解:
①两相的化学成分L相成分:
ω(Ni);50%ω(Cu)=50%
②两相质量比:
合金成分:
ω(Ni)=80%ω(Cu)=20%
二相的质量比:
Qα/Qβ=(60-50)/(80-60)=0.5③各相的质量分数:
二相的质量分数:
ωα=(60-50)/(80-50)=33.3%
ωL=1-33.3%=66.7%
④各相的质量:
二相质量:
Qα=(20十30)×33.3%=16.65(kg)
QL=50一16.65=33.35(kg)
7、求碳质量分数为3.5%的质量为
10kg的铁碳合金从液态缓慢冷却到共晶温度
(但尚未发
生共晶反应)时所剩下的液体的碳质量分数及液体的质量。
解:
L中的碳质量分数:
w(C)=4.3%
L中的质量分数:
w(L)=(3.5-2.11)/(4.3-2.11)=63.5
%
L的质量:
QL=10×63.5%=6.35(kg)
8、比较退火状态下的45钢、T8钢、T12钢的硬度、强度和塑性的高低,简述原因。
答:
硬度:
45钢最低,T8
钢较高,T12钢最高。
因为退火状态下的
45钢组织是铁素体+珠
光体,T8钢组织是珠光体,
T12钢组织是珠光体+二次渗碳体。
因为铁素体硬度低,因此
45
钢硬度最低。
因为二次渗碳体硬度高,因此
T12钢硬度最高。
强度:
因为铁素体强度低,因此
45钢强度最低。
T8钢组织是珠光体,强度最高。
T12
钢中含有脆性的网状二次渗碳体,隔断了珠光体之间的结合,所以
T12钢的强度比T8钢要
低。
但T12钢中网状二次渗碳体不多,
强度降低不大,因此T12钢的强度比45钢强度要高。
塑性:
因为铁素体塑性好,因此
45钢塑性最好。
T12钢中含有脆性的网状二次渗碳体,
因此T12钢塑性最差。
T8钢无二次渗碳体,所以
T8钢塑性较高。
9、同样形状的两块铁碳合金,其中一块石退火状态的
15钢,一块是白口铸铁,用什么简便
方法可迅速区分它们?
答:
因为退火状态的15钢硬度很低,白口铸铁硬度很高。
因此可以用下列方法迅速区分:
..
.
(1)两块材料互相敲打一下,有印痕的是退火状态的15钢,没有印痕的是白口铸铁。
(2)用锉刀锉两块材料,容易锉掉的是退火状态的15钢,不容易锉掉的是白口铸铁。
(3)用硬度计测试,硬度低的是退火状态的15钢,硬度高的是白口铸铁。
10、为什么碳钢进行热锻、热轧时都要加热到奥氏体区?
答:
因为奥氏体是面心立方晶格,其滑移变形能力大,钢处于奥氏体状态时强度较低,塑性
较好,因此锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。
11、下列零件或工具用何种碳钢制造:
手锯钢条、普通螺钉、车床主轴。
答:
手锯锯条用T10钢制造。
普通螺钉用Q195钢、Q215钢制造。
车床主轴用45钢制造。
12、为什么细晶粒钢强度高,塑性、韧性也好?
答:
多晶体中,由于晶界上原子排列不很规则,阻碍位错的运动,使变形抗力增大。
金属晶粒越细,晶界越多,变形抗力越大,金属的强度就越大。
多晶体中每个晶粒位向不一致。
一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软位向),另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)。
在发生滑移时,软位向晶粒先开始。
当位错在晶界受阻逐渐堆积时,其他
晶粒发生滑移。
因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形,变形分散在材料各处。
晶粒越细,金属的变形越分散,减少了应力集中,推迟裂纹的形成和发展,使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形,从而使金属的塑性提高。
由于细晶粒金属的强度较高、塑性较好,所以断裂时需要消耗较大的功,因而韧性也较好。
因此细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。
13、与单晶体的塑性变形相比较,说明多晶体塑性变形的特点。
答:
①多晶体中,由于晶界上原子排列不很规则,阻碍位错的运动,使变形抗力增大。
金属晶粒越细,品界越多,变形抗力越大,金属的强度就越大。
②多晶体中每个晶粒位向不一致。
一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方
向(称晶粒处于软位向),另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)。
在发生滑移时,软位向晶粒先开始。
当位错在晶界受阻逐渐堆积时,其他
晶粒发生滑移。
因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形,变形分散在材料各处。
晶粒越细,金属的变形越分散,减少了应力集中,推迟裂纹的形成和发展,使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形,因此使金属的塑性提高。
14、金属塑性变形后组织和性能会有什么变化?
答:
金属发生塑性变形后,晶粒发生变形,沿形变方向被拉长或压扁。
当变形量很大时,晶
粒变成细条状(拉伸时),金属中的夹杂物也被拉长,
形成纤维组织。
金属经大的塑性变形时,
由于位错的密度增大和发生交互作用,
大量位错堆积在局部地区,并相互缠结,形成不均匀
的分布,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块,
而在晶粒内产生亚晶粒。
金属塑性变形
到很大程度(70%以上)时,由于晶粒发生转动,使备品粒的位向趋近于一致,
形成特殊的择
优取向,这种有序化的结构叫做形变织构。
金属发生塑性变形,随变形度的增大,金属的强度和硬度显著提高。
塑性和韧性明显下
降。
这种现象称为加工硬化,也叫形变强化。
另外,由于纤维组织和形变织构的形成,使金属的性能产生各向异性。
..
.
15、在图1—7所示的晶面、晶向中,哪些是滑移面?
哪些是滑移方向?
图中情况能否构成滑
移系?
答:
(a)FCC:
(101)晶面不是滑移面,[110]晶向是滑移方向,但两者不能构成滑移系。
(b)FCC:
(111)晶面是滑移面,其上的[110]晶向也是滑移方向,两者能构成滑移系。
(c)BCC:
(111)晶面不是滑移面,其上的[101]晶向不是滑移方向,两者不能构成滑移系。
(d)BCC:
(110)晶面是滑移面,晶向也是滑移方向,但不在(110)晶面上,故两者不能
构成滑移系。
16、用低碳钢钢板冷冲压成形的零件,冲压后发现各部位的硬度不同,为什么?
答:
主要是由于冷冲压成形时,钢板形成零件的不同部位所需发生的塑性变形量不同,因而
加工硬化程度不同所造成。
17、已知金属钨、铅的熔点分别为3380℃和327℃,试计算它们的最低再结晶温度,并分析
钨在9000C加丁、铅在室温加丁时各为何种加工?
答:
金属的最低再结晶温度为:
T再=(0.35~0.4)T熔点
对金属钨:
T熔点=273十3380=3653K
T再=(0.35~0.4)T熔点=l279~146lK=1006~l188℃
在900℃对金属钨进行加工,略低于其最低再结晶温度,应属冷加工。
对金属铅:
T熔点=273十327=600K
T再=(0.35~0.4)T熔点=210~240K=-63~-33℃
在室温(如23℃)对金属铅进行加工,明显高于其最低再结晶温度的上限-33℃,应属热加
工。
18、何谓临界变形度?
分析造成临界变形度的原因。
答:
塑性变形后的金属再进行加热发生再结晶,再结晶后晶粒大小与预先变形度有关。
使品
粒发生异常长大的预先变形度称做临界变形度。
金属变形度很小时,因不足以引起再结
晶,晶粒不变。
当变形度达到2%~10%时,金属中少数晶粒变形,变形分布很不均匀,所以再结晶时生成的晶核少,晶粒大小相差极大,非常有利于晶粒发生吞并过程而很快长大,结果得到极粗大的晶粒。
19、在制造齿轮时,有时采用喷丸处理(将金属丸喷射到零件表面上),使齿面得以强化。
试分析强化原因。
答:
喷丸处理时,大量的微细金属丸被喷射到零件表面上,使零件表层发生一定的塑性变形,因而对零件表面产生了加工硬化效应,同时也在表面形成残余压应力,有助于提高零件的疲劳强度。
..
.
20、再结晶和重结晶有何不同?
答:
再结晶是指冷变形(冷加工)的金属加热到最低再结晶温度以上,通过原子扩散,使被拉长(或压扁)、破碎的晶粒通过重新形核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶,同时消除加工硬化现象,使金属的强度和硬度、塑性和韧性恢复至变形前的水平。
对钢而言,再结晶温度低于共析温度727℃,因此不会发生晶体结构类型的转变。
有些金属在固态下,存在两种或两种以上的晶格形式,如铁、钴、钛等。
这类金属在冷
却或加热过程中,其晶格形式会发生变化。
金属在固态下随温度的改变,由一种晶格转变为另一种晶格的现象,称为同素异构转变,也叫做重结晶。
重结晶也是一个通过原子扩散进行的形核、长大过程,但同时发生晶格结构类型的转变。
21、热轧空冷的
45钢钢材在重新加热到超过临界点后再空冷下来时,组织为什么能细化
?
答:
热轧空冷的
45钢在室温时组织为铁素体十索氏体。
重新加热到临界点以上,组织转变
为奥氏体。
奥氏体在铁素体和渗碳体的界面处形核。
由于索氏体中铁素体、渗碳体的层片细、
薄,因此奥氏体形核数目多,奥氏体晶粒细小。
奥氏体再空冷下来时,
细小的奥氏体晶粒通
过重结晶又转变成铁素体十索氏体,此时的组织就比热轧空冷的
45钢组织细,达到细化和
均匀组织的目的。
23、试述马氏体转变的基本特点。
答:
过冷A转变为马氏体是低温转变过程,转变温度在
MS~Mf,之间,其基本特点如下:
(1)过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变。
铁和碳原子都不进行扩散。
马氏体就是碳
α-Fe中的过饱和固溶体。
过饱和碳使
α-Fe的晶格发生很大畸变,产生很强的固溶强化。
(2)马氏体的形成速度很快。
奥氏体冷却到
MS以下后,无孕育期,瞬时转变为马氏体。
(3)马氏体转变是不彻底的。
总要残留少量奥氏体。
奥氏体中的碳质量分数越高,则
MS、
M和越低,残余
A质量分数越高。
M、M越低,残余A质量分数越高。
f
S
f
(4)马氏体形成时体积膨胀,在钢中造成很大的内应力,严重时导致开裂。
24、试比较索氏体和回火索氏体、
马氏体和回火马氏体之间的形成条件、
组织形态与性能上
的主要区别。
答:
索氏体是钢的过冷奥氏体在高温转变温度
(620
℃左右)等温转变或在正火条件下形成的
主要组织。
索氏体为层片状组织,
即片状渗碳体平行分布在铁素体基体上。
回火索氏体是钢
经调质处理(淬火+高温回火)后形成的,淬火马氏体在高温回火条件下过饱和的碳原子全部
脱溶析出为粒状渗碳体、自身转变为铁索体,即回火索氏体是细小的粒状渗碳体弥散的分布
在铁素体基体上。
由于粒状渗碳体比片状渗碳体对于阻止断裂过程的发展有利,
所以在碳及
合金元素质量分数相同时,索氏体和回火索氏体两者硬度相近,
但是回火索氏体的强度、
韧
性、塑性要好得多。
马氏体是钢淬火后的主要组织,
低碳马氏体为板条状、高碳马氏体为针状。
马氏体存在
有内应力,容易产生变形和开裂。
马氏体是不稳定的,在工作中会发生分解,导致零件尺寸
发生变化。
高碳马氏体硬而脆,韧性很低。
回火马氏体是淬火马氏体经低温回火形成的。
回
火马氏体由极细的ε碳化物和低过饱和度的
α固溶体组成,低碳回火马氏体是暗板条状,
高
碳回火马氏体是黑针状。
回火马氏体和马氏体相比,内应力小、韧性提高,同时保持了马氏
体的高硬度和高耐磨性。
25、马氏体的本质是什么?
它的硬度为什么很高?
为什么高碳马氏体的脆性大?
答:
马氏体的本质:
马氏体是碳在
α-Fe中的过饱和固溶体。
..
.
由于过饱和的间隙碳原子造成晶格的严重畸变,
形成强烈的应力场并与位错发生强烈的交互
作用产生固溶强化。
马氏体转变时在晶体内造成晶格缺陷密度很高的亚结构
(板条状马氏体
的高密度位错,片状马氏体的微细孪晶)
阻碍位错运动,提高了马氏体的硬度(马氏体相变
强化)。
马氏体形成后,碳及合金元素向位错或其他缺陷扩散偏聚析出,钉扎位错,使位错
难以运动(马氏体时效强化)。
因此马氏体的硬度很高。
高碳马氏体由于碳的过饱和度大,
晶格严重畸变,淬火应力大,同时存在孪晶结构和高密度
显微裂纹,所以脆性大,塑性、韧性极差。
26、为什么钢件淬火后一般不直接使用。
需要进行回火
?
答:
钢件淬火后,为了消除内应力并获得所要求的组织和性能,
必须将其加热到Acl以下的
某一温度,保温一定时间进行回火处理。
这是因为:
第一,淬火后得到的是性能很脆的马氏
体组织,并存在内应力,容易产生变形和开裂;第二,淬火马氏体和残余奥氏体都是不稳定
组织,在工作中会发生分解,会导致零件尺寸的变化,而这对精密零件是不允许;第三,为
了获得要求的强度、硬度、塑性和韧性,以满足零件的使用要求。
27、直径为6mm的共析钢小试样加热到相变点
Al以上
30℃,用图1—9所示的冷却曲线进行冷却,
试分析所
得到的组织,说明各属于什么热处理方法。
答:
a:
马氏体十残余奥氏体,单介质淬火
(水冷)。
b:
马氏体十残余奥氏体,分级淬火。
c:
屈氏体十马氏体十残余奥氏体,双介质淬火。
d:
下贝氏体,等温淬火。
e:
索氏体,正火。
f:
珠光体,退火。
g:
珠光体,等温退火。
28、调质处理后的40钢齿轮,经高频感应加热后的温度分布如图1-10所示。
试分析高频感
应加热水淬后,轮齿由表面到中心各区(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)的组织。
答:
加热到Ⅲ区的部分,加热温度丁低于相变临界点
温度Ac1,不发生相变。
水冷后40钢齿轮仍保持调质
处理后的铁素体基体十粒状渗碳体(回火索氏体)组
织,但是高于原调质处理的回火温度的部分中,粒状
渗碳体变得较粗大。
加热到Ⅲ区的部分组织为:
回火
索氏体。
加热到Ⅱ区的部分,加热温度为人Ac3>T>Ac1
“出现了部分奥氏体,所以加热时Ⅱ区部分的组织
为:
铁素体十奥氏体。
水冷后Ⅱ区部分的组织为:
铁
素体+马氏体。
加热到I区的部分,加热温度T>Ac3,已经完
全奥氏体化,所以加热时I区部分的组织为:
奥氏体。
水冷后I区部分的组织为:
马氏体。
29、确定下列钢件的退火方法,并指出退火目的及退火后的组织。
⑴经冷轧后的钢板,要求降低硬度;⑵ZG35的铸造齿轮;⑶改善T12钢的切削加工性能。
..
.
答:
⑴再结晶退火。
退火目的:
消除加工硬化现象,恢复钢板的韧性和塑性。
再经晶退火
后的组织:
生成与钢板冷轧前晶格类型相同的细小、等轴晶。
冷轧钢板一般为低碳钢,
再结
晶退火后的组织为铁素体
+珠光体。
⑵完全退火。
退火目的:
通过完全重结晶,使铸造过程中生成的粗大、
不均匀的组织细化,
消除魏氏组织,以提高性能,同时消除内应力。
退火后的组织:
铁素体
+珠光体。
⑶球化退火。
退火目的:
使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化,以降低硬度,改善切
削加工性能,并为以后的淬火做组织准备。
退火后的组织:
球化体(铁素体基体
+球状渗碳
体)。
30、说明直径为6mm的45钢退火试样分别经下列温度加热:
700℃、760℃、840℃、1100℃,保温后在水中冷却得到的室温组织。
答:
加热到1100℃保温后水冷的组织:
粗大马氏体;
加热到840℃保温后水冷的组织:
细小马氏体;
加热到760℃保温后水冷的组织:
铁素体十马氏体;
加热到700℃保温后水冷的组织:
铁素体十珠光体。
31、两个碳质量分数为1.2%的碳钢薄试样,分别加热到780℃和900℃,保温相同时间奥氏体化后,以大于淬火临界冷却速度的速度冷却到室温。
试分析:
(1)哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大?
(2)哪个温度加热淬火后马氏体中碳质量分数较少?
(3)哪个温度加热淬火后残余奥氏体量较多?
(4)哪个温度加热淬火后未溶碳化物量较多?
答:
(1)加热温度高者奥氏体粗大,粗大奥氏体冷却后转变组织也粗大,因此加热到900℃
的试样淬火后马氏体晶粒较粗大。
(2)将试样加热到900℃时,其组织为单相奥氏体,奥氏体中的碳质量分数为1.2%。
将试
样加热到780℃时,其组织为奥氏体+渗碳体,由于有渗碳体,即一部分碳存在于渗碳体中,
奥氏体中的碳质量分数必然降低(奥氏体中的碳质量分数可用铁碳相图确定:
约为0.95%),
因此加热到780℃时的试样淬火后马氏体中的碳质量分数较少。
(3)奥氏体中碳质量分数越高,淬火后残余奥氏体量越多,因此加热到900℃的试样淬火
后残余奥氏体量较多。
(4)将试样加热到900℃时,其组织为单相奥氏体,淬火后组织为马氏体+残余奥氏体。
将试样加热到780℃时,其组织为奥氏体+渗碳体,淬火后组织为马氏体+渗碳体+残余奥氏体。
故加热到780℃的试样淬火后未溶碳化物量较多。
32、指出下列工件的淬火温度及回火温度,并说明回火后获得的组织。
(1)45钢小轴(要求综合性能好);
(2)60钢弹簧;(3)T12钢锉刀
答:
(1)45钢小轴经调质处理,综合性能好,其淬火温度为830~840℃(水冷),回火温度
为580~600℃。
回火后获得的组织为回火索氏体。
(2)60钢弹簧的淬火温度为840℃(油冷)回火温度为480℃。
回火后获得的组织为回火
屈氏体。
(3)T12钢锉刀的淬火温度为770~780℃(水冷),回火温度为160~180℃,回火后获得的组织为回火马氏体+二次渗碳体+残余奥氏体。
33、两根45钢制造的轴,直径分别为l0mm和100mm,在水中淬火后,横截面上的组织和
..
.
硬度是如何分布的?
答:
45钢制造的轴,直径为10mm时可认为基本淬透,横截面上外层为马氏体,中心为半
马氏体(还有屈氏体十上贝氏体)。
硬度基本均匀分布。
直径为100mm时,轴表面冷速大
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