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《工程材料》复习思考题参考答案06级用第一章材料的性能1.如图1所示，为五种材料的应力-应变曲线：a45钢、b铝青铜、c35钢、d硬铝、e纯铜。试问：（1）当外加应力为35MPa时，各材料处于什么状态？（2）有一用35钢制做的轴，使用中发现弹性变形较大。如改用45钢制作该轴，能否减少弹性变形？答：（1）从图中可以看出，当外加应力为35MPa时：a45钢为弹性状态；b铝青铜、c35钢、d硬铝均处在强化阶段，即为加工硬化状态；e纯铜已被拉断。（2）否，从图中可以看出，45钢与35钢的弹性模量是相同的，即它们抵抗弹性变形的能力是相同的。2.设计刚性好的零件，应根据何种指标选择材料？采用何种材料为宜？答：应根据弹性模量E的大小来选材，应选择E值大的材料，如陶瓷材料、黑色金属材料等。3.常用的硬度方法有哪几种？其应用范围如何？这些方法测出的硬度值能否进行比较？答：实际常使用的硬度试验方法有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。三种硬度试验值有大致的换算关系，机械、机械工艺或金属材料的手册上面一般都有换算关系表。布氏硬度：布氏硬度的使用上限是HB450，适用于测定硬度较低的金属材料，如退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。洛氏硬度：是工业生产中最常用的硬度测量的方法，因为操作简便、迅速，可以直接读出硬度值，缺点是因压痕小，对材料有偏析及组织不均匀的情况，测量结果分离度大，再现性较差。洛氏硬度有A、B、C等几种标尺，其中C标尺（即HRC）用的最多，该硬度有效范围是20-67(相当于HB230-700)，适用于测定硬度较高的金属材料，如淬火钢及调质钢。维氏硬度：试验时加载的压力小，压入深度浅，对工件损伤小。特别适用于测量零件的表面淬硬层及经过表面化学处理的硬度，精度比布氏、洛氏硬度精确。但是维氏硬度的试验操作较麻烦，一般在生产上很少使用，多用于实验室及科研方面。4.图2为三种不同材料的拉伸曲线（试样尺寸相同），试比较这三种材料的抗拉强度、屈服强度和塑性的大小，并指出屈服强度的确定方法。答：抗拉强度：2〉1〉3；屈服强度：3〉2；塑性：3〉2〉1；屈服强度的确定方法：3可以直接得到，2可以通过测量产生0.2%的塑变来确定，即得到σo.2，1没有明显的塑性变形，所以无屈服强度，只有抗拉强度。5.有一碳钢制支架刚度不足，有人要用热处理方法；有人要另选合金钢；有人要改变零件载面形状解决。哪种方法合理？为什么？答：改变零件载面形状的方法合理。用热处理方法和另选合金钢都不合理，因为零件的刚度取决于二个方面：一是材料的弹性模量，另一个是零件的载面形状，而材料的弹性模量是相对稳定的力学性能指标外（即这一指标对材料的组织状态不敏感），用热处理方法无法改变，对于同一合金系当成分改变时，材料的弹性模量也不变化。6.在图样上，为什么只用硬度来表示对机件的力学性能要求?答：①硬度试验方法简单易行；②无损于零件；L0图1变形量ΔL载荷P图2L0③是综合性的力学性能指标，即它具有代表性，通过它可以间接了解其它力学性能指标。第二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，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，同素异构转变（重结晶）。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。位错：晶体中在两排原子面之间多出不完整的原子面的现象。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，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。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。同素异构转变（重结晶）：金属的晶体结构随温度变化而改变的现象。2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe、γ-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；α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格；γ－Fe、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格；Mg、Zn属于密排六方晶格；3.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。4.为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。5.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：①冷却速度越大，则过冷度也越大。②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。③过冷度增大，ΔF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。6.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：①金属结晶的基本规律是形核和晶核按树枝状长大。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。7.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：①加快冷却速度：用金属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。②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。③机械振动、搅拌。8.从原子结合的观点看，金属、陶瓷和高分子材料有何主要区别？在性能上有何表现？答：金属材料以金属键结合，金属键没有方向性和饱和性，金属晶体中，自由电子弥漫在整个体积中，称为电子云，它就象“胶水”一样把金属的原子（或离子）连结在一起，金属的原子（或离子）处在相同的环境中，当外力作用使晶体发生滑移时，滑移面两侧的原子（或离子）仍能通过自由电子结合，所以具有良好的延展性（即塑性）；自由电子在电场作用下容易定向迁移，自由电子受到光的作用容易在不同能级间跃迁，所以金属具有良好的导电性和金属光泽。陶瓷材料是通过共价键和离子键结合的，这两种键都要求离子之间的价电子方位是确定的，当外力作用使晶体滑移时，就会破坏离子之间的价电子方位，造成离子之间的分离，所以陶瓷材料不具有延展性，又因这两种键的结合力大，无自由电子，宏观上表现为材料的熔点、强度、硬度很高，而脆性大，绝缘性好。高分子材料具有长分子链构，分子链中的离子靠共价键结合，而分子链之间是靠分子键（包括氢键）结合，分子键属于物理键（金属键、共价键和离子键属于化学键），其结合力比化学键小1~2个数量级，所以高分子材料的强度、硬度低，弹性模量小；由于长分子链在外力作用下可以伸直和卷曲，所以弹性变形量大。第三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，纤维组织，变形强化，细晶强化。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的压力加工。冷加工：在再结晶温度以下进行的压力加工。纤维组织：经过一定塑性变形后，金属组织（特别是晶界上存在的杂质）沿变形方向的流线分布叫纤维组织。变形强化：即利用加工硬化有利的一面：经过一定塑性变形来增加金属的强度、硬度的方法。细晶强化：通过细化晶粒达到提高金属材料的强度、硬度迅速、塑性、韧性的方法。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：①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，而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬化”现象。②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再结晶及时消除。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：①晶粒沿变形方向拉长，产生纤维组织，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