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1《工程材料》复习思考题1．解释下列名词机械性能、强度、刚度、硬度、晶格、晶粒、位错、亚晶界、金属化合物、铁素体、渗碳体、变形织构、热处理、本质晶粒度、渗碳处理。过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。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。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。再结晶：冷作金属材料被加热到较高的温度时，原子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”。冷加工：在再结晶温度以下进行的压力加工。相：在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均称之为相。相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图。固溶体：合金的组元之间以不同的比例混合，混合后形成的固相的晶格结构与组成合金的某一组元的相同，这种相称为固溶体。枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。比重偏析：比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起的。如果先共晶相与溶液之间的密度差别较大，则在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液体中上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致，产生比重偏析。固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。弥散强化：合金中以固溶体为主再加上适量的金属间化合物弥散分布，会提高合金的强度、硬度及耐磨性，这种强化方式为弥散强化。珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物。索氏体：在650～600℃温度范围内形成层片较细的珠光体。屈氏体：在600～550℃温度范围内形成片层极细的珠光体。贝氏体：过饱和的铁素体和渗碳体组成的混合物。马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体。奥氏体:碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体.残余奥氏体：M转变结束后剩余的奥氏体。退火：将工件加热到临界点以上或在临界点以下某一温度保温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度（炉冷、坑冷、灰冷）进行冷却的一种热处理操作。正火：将工件加热到Ac3或Accm以上30～80℃，保温后从炉中取出在空气中冷却。淬火：将钢件加热到Ac3或Ac1以上30～50℃，保温一定时间，然后快速冷却（一般为油冷或水冷），从而得马氏体的一种操作。回火：将淬火钢重新加热到A1点以下某一温度，保温一定时间后，冷却到室温的一种操作。冷处理：把冷到室温的淬火钢继续放到深冷剂中冷却，以减少残余奥氏体的操作。时效处理：为使二次淬火层的组织稳定，在110~150℃经过6~36小时的人工时效处理，以使组织稳定。淬火临界冷却速度（Vk）：淬火时获得全部马氏体组织的最小冷却速度。淬透性：钢在淬火后获得淬硬层深度大小的能力。淬硬性：钢在淬火后获得马氏体的最高硬度。重结晶：由于温度变化，引起晶体重新形核、长大，发生晶体结构的改变，称为重结晶。调质处理：淬火后的高温回火。2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe、γ-Fe、Mg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属于体心立方晶格；γ－Fe属于面心立方晶格；Mg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。同时晶体缺陷还会增加金属的电阻，降低抗腐蚀性能。25.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核长大。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。6.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。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。7．产生加工硬化的原因是什么？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，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，随着变形量增加，由于晶粒破碎和位错密度增加，金属的塑性变形抗力将迅速增大，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。8．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，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，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。9．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。10．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，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；④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。11．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。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：高速金属丸喷射到零件表面上，使工件表面层产生塑性变形，形成一定厚度的加工硬化层，使齿面的强度、硬度升高。14．试述固溶强化、加工强化和弥散强化的强化原理,并说明三者的区别.答：固溶强化：溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时受到阻力增大。弥散强化：金属化合物本身有很高的硬度，因此合金中以固溶体为基体再有适量的金属间化合物均匀细小弥散分布时，会提高合金的强度、硬度及耐磨性。这种用金属间化合物来强化合金的方式为弥散强化。加工强化：通过产生塑性变形来增大位错密度，从而增大位错运动阻力，引起塑性变形抗力的增加，提高合金的强度和硬度。区别：固溶强化和弥散强化都是利用合金的组成相来强化合金，固溶强化是通过产生晶格畸变，使位错运动阻力增大来强化合金；弥散强化是利用金属化合物本身的高强度和硬度来强化合金；而加工强化是通过力的作用产生塑性变形，增大位错密度以增大位错运动阻力来强化合金；三者相比，通过固溶强化得到的强度、硬度最低，但塑性、韧性最好，加工强化得到的强度、硬度最高，但塑韧性最差，弥散强化介于两者之间。16.铁素体（F）,奥氏体（A），渗碳体（Fe3C），珠光体（P）,莱氏体（Ld）的结构、组织形态、性能等各有何特点？答：铁素体（F）：铁素体是碳在α-Fe中形成的间隙固溶体，体心立方晶格。性能与纯铁相近，塑性、韧性好，强度、硬度低。它在钢中一般呈块状或片状。奥氏体（A）：奥氏体是碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体，面心立方晶格。因其晶格间隙尺寸较大，故碳在γ-Fe中的溶解度较大，有很好的塑性。渗碳体（Fe3C）：铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。在钢中3以片状存在或网络状存在于晶界。在莱氏体中为连续的基体，有时呈鱼骨状。珠光体（P）：由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体呈层片状。珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。莱氏体（Ld）：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体基体上。由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。17.Fe-Fe3C合金相图有何作用？在生产实践中有何指导意义？有何局限性？答：①碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用，各种热加工工艺的制订以及工艺废品原因的分析等方面都有重要指导意义。②为选材提供成分依据：Fe-Fe3C相图描述了铁碳合金的组织随含碳量的变化规律，合金的性能决定于合金的组织，这样根据零件的性能要求来选择不同成分的铁碳合金，为制定热加工工艺提供依据。对铸造，根据相图可以找出不同成分的钢或铸铁的熔点，确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏。对于锻造，根据相图可确定锻造温度。对焊接，根据相图分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性。对热处理，如退火、正火、淬火的加热温度都要参考铁碳相图加以选择。③由于铁碳相图是以无限缓慢加热和冷却的速度得到的，而在实际加热和冷却通常都有不同程度的滞后现象。18.指出Fe-Fe3C图中S、C、E、P、N、G及GS、SE、PQ、PSK各点、线的意义，并标出各相区的相组成物和组织组成物。答:C：共晶点1148℃4.30%C，在这一点上发生共晶转变，反应式：CFeALcE3，当冷到1148℃时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物——莱氏体CFeALeE3E：碳在Fe中的最大溶解度点1148℃2.11%CG：FeFe同素异构转变点（A3）912℃0%CH：碳在Fe中的最大溶解度为1495℃0.09%CJ：包晶转变点1495℃0.17%C在这一点上发生包晶转变，反应式：JHBAL当冷却到1495℃时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相δ反应生成具有J点成分的固相A。N：FeFe同素异构转变点（A4）1394℃0%CP：碳在Fe中的最大溶解度点0.0218%C727℃S：共析点727℃0.77%C在这一点上发生共析转变，反应式：cFeFAps3，当冷却到727℃时从具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物——珠光体P（cFeFp3）ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm温度线，随温度的降低，碳在奥化体中的溶解度减少，多余的碳以CFe3形式析出，所4以具有0.77%～2.11%C的钢冷却到Acm线与PSK线之间时的组织ⅡCFeA3，从A中析出的CFe3称为二次渗碳体。GS线：不同含碳量的奥氏体冷却时析出铁素体的开始线称A3线，GP线则是铁素体析出的终了线，所以GSP区的显微组织是AF。PQ线：