工程材料 习题及答案

工程材料作业答案
作业1 材料结构基础
1.实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷?它们对性能有什么影响?
实际金属晶体存在点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。

（1）点缺陷使周围晶格发生畸变，提高晶体内能量，降低电导率，提高强度；
（2）线缺陷越多，其运动越困难，材料的强度、硬度越高，脆性越大，塑性越差；
（3）面缺陷越多，晶粒越细，强度越高，塑性也越好；
（4）体缺陷：孔洞影响材料的力学、光学、热学性能；
裂纹影响材料的力学性能；
夹杂影响材料的力学、光学、电学性能。

2.金属常见的3种晶体结构是什么？画出结构示意图。

（1）体心立方（bcc）
（2）面心立方（fcc）
（3）密排六方（hcp）
3.按价键结构对材料进行分类，简述各类材料的性能特点。

种类价键结构性能特点
金属材料金属键有光泽、塑性、导电、导热、较高强度和刚度无机非金属材料离子键、共价键耐高温、高强、脆、无塑性
高分子材料共价键、分子键密度小、热胀性大、耐磨耐腐、易老化
复合材料取决于组成物结合键比强度和比模量搞、抗疲劳、高温减震性能好
4.简述构成材料的5种化学键及其对一般性能的影响。

离子键，共价键，金属键，范德华力，氢键。

（1）离子键组成的离子晶体硬度高，强度高，脆性大，绝缘，塑性差；
（2）由共价键组成的晶体熔点高，强度高，脆性大；
（3）由金属键组成的金属有：a.良好的导电、导热性；
b.良好的塑性变形能力；
c.不透明、呈现金属光泽；
d.电阻随温度升高而增大；
（4）由分子键组成的材料熔点低、硬度低、绝缘；
（5）有氢键的材料熔点沸点比分子晶体高。

5.简述钢的3种热力学平衡相。

（1）铁素体：碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体。

铁素体由于溶碳量小，力学性能与纯铁相似。

塑性、冲击韧性较好，强度、硬度较低；
（2）奥氏体：碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体。

奥氏体的强度、硬度较低，但有良好的塑性；（3）渗碳体：铁碳组成的具有复杂斜方结构的间隙化合物。

渗碳体硬度高，塑性和韧性很低。

6.什么是钢的珠光体、屈氏体、索氏体、贝氏体、马氏体、残余奥氏体？
珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。

性能介于铁素体和渗碳体之间，综合性能好；
屈氏体：铁素体与渗碳体组成的片层更薄的珠光体；
索氏体：片层铁素体与渗碳体的双相混合组织，其片层间距较小，碳在铁素体中无过度饱和；
贝氏体：渗碳体与铁素体的机械混合物，高温转变及低温转变相异的组织，具有较高的强韧性配合；
马氏体：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织；
残余奥氏体：淬火未能转变成马氏体而保留到室温的奥氏体。

7.作图表示立方晶系中的(110）、(120)晶面和[211]、[120]晶向。

8.作图表示体心立方、面心立方和密排六方晶体中原子排列最密的面，在这些晶面上哪些方向是
最高密度方向？
图见课本P45中表3-1
类型
密排面 密排方向 BCC
{110} <111> FCC
{111} <110> HCP
{0001} <1120>
9. 在BCC 晶体中最高密排面是(110)。

确定BCC 晶体中(110)的面密度，然后把此数值与FCC 结构
中密排面的面密度作比较。

1）BCC ＝
222a ＝23216R
2）FCC ＝
243a ＝236R
所以，FCC 面密度大于BCC 。

10. 已知α-Fe 的晶格常数a=2.87×10-10 m ，试求出α-Fe 的原子半径和致密度。

BCC ，103 1.24104R a m -==⨯，Ｋ＝e F N V V 晶胞
＝68％ 11. 在常温下，己知铜的原子直径d=2.55×10-10 m ，求铜的晶格常数。

FCC ，d 2a 24
=，a=3.61×10-10 m 12. 固溶体和金属化合物在结构和性能上有什么区别？
结构：固溶体晶格类型与溶剂的晶格类型类似，金属化合物晶格类型与成分和含量有关。

性能：固溶体性能与溶剂接近，且晶格畸变能升高使塑性变形困难，提高了强度和硬度。

金属
化合物熔点高，硬度大，脆性大，有金属性质。

13. 什么是金属的同素异构转变？以纯铁为例说明金属的同素异构转变。

金属在固态下由于温度的变化发生晶格类型的转变，称为金属的同素异构转变。

液态纯铁在1538℃结晶为体心立方的σ-Fe ，继续冷却到1394℃时由体心立方晶格的σ-Fe 转变
为面心立方晶格的γ-Fe ，再冷却到912℃又转变为体心立方的σ-Fe 。

作业2 材料力学性能
1.加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的
现象。

淬透性：钢淬火后获得马氏体组织的能力。

主要取决于钢中合金元素的种类及含量。

淬硬性：淬火后钢表面能达到的最高硬度。

主要取决于钢的含碳量。

球化退火：使钢中碳化物球化的退火工艺。

再结晶退火：将冷变形后金属加热至再结晶温度以上100~200 ︒C，适当保温使金属发生再结晶，以消除加工硬化的退火工艺。

回火：将淬火钢件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后空冷的热处理工艺。

正火：将钢完全奥氏体化，保温后空冷。

正火后钢的强度、韧性、硬度比退火高。

退火：将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后进行缓慢冷却，使金属内部组织达到或接近平衡状态的热处理工艺。

淬火：将钢加热到临界温度（亚共析钢为Ac3+30~50 ︒C；过析钢为Ac1+30~50 ︒C）以上，保温一定时间后以较快的冷却速度冷却，获得马氏体或下贝氏体的热处理工艺。

时效：合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造、锻造后，在较高的温度放置或室温下其性能、形状、尺寸随时间而变化的热处理工艺。

目的：消除工件的内应力，稳定组
织和尺寸，改善机械性能；实质：从过饱和固溶体中析出许多非常细小的沉淀物颗
粒(一般是金属化合物，也可能是过饱和固溶体中的溶质原子在许多微小地区聚集)，
形成一些体积很小的溶质原子富集区。

冲击韧性：材料抵抗冲击载荷的能力。

辨析题
1.晶体的塑性变形都通过滑移进行，滑移系越多，塑性变形越容易进行。

( F )
塑性变形的基本形式为滑移和孪生。

2.淬火的前提是获得完全奥氏体组织。

( F )
过共析钢淬火不用完全奥氏体化。

3.室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。

( F )
金属晶粒越细，则强度越高、塑性也越高。

4.金属铸件可以通过再结晶退火来细化晶粒。

( F )
将冷加工挤碎、压扁、拉长的晶粒，通过加热，使其原子活化然后得到晶粒的恢复。

这一退火工艺叫再结晶退火。

再结晶退火不能达到细化晶粒的目的。

5.钢的碳含量越高，其M s越高，淬火后残余奥氏体量也越多。

(F )
钢的碳含量越高，其M s越低。

6.提高钢的淬硬性的有效方法是添加适当的合金元素。

(F )
钢的淬硬性主要与含碳量有关。

7.随时效时间的延长，合金的强度提高、塑性下降。

( F )
时间过长，产生过时效，材料内部的析出相开始长大，间距变大，宏观表现为材料得强度降低，塑韧性有所提高。

8.奥氏体不锈钢可采用淬火提高强度。

( F )
奥氏体不锈钢中含有N，Ni，无法在淬火后得到马氏体，故而奥氏体不锈钢淬火后硬度不能提高；
奥氏体不锈钢提高强度的主要方法有：表面渗碳、渗氮。

9.经退火后再高温回火的钢，能得到回火索氏体组织，具有良好的综合机械性能。

( F )
淬火后高温回火，能得到回火索氏体组织。

退火后不能进行高温回火。

10.表面淬火既能改变钢的表面组织，也能改善心部的组织和性能。

( F )
不能改变心部的组织。

问答题
1.画出典型塑性材料的静拉伸应力～应变曲线，简述该曲线反应出的材料的力学性能?
1）应力应变成直线关系的最高限在P
点，称为比例极限，此阶段（OP）服从
胡克定律，材料是线弹性的；
应力超过P点后，应力应变不再是
直线，但卸载拉力后变形仍可完全消失，
称为弹性变形阶段（OE），此阶段最高限
为E点；
应力超过E点增加到某个数值（C
点）时，应变明显增加，应力略下降后
轻微波动，波动的最高和最低点称上、
下屈服极限，其中下屈服极限（S点）较
稳定，通常将下屈服极限称为屈服极限。

2）屈服强度σs，静拉伸过程中开始产生塑性变形时的应力；
抗拉强度σb，静拉伸过程中试样断裂前的最大应力；
断裂强度σk，静拉伸过程中试样断裂时的应力。

2.简述材料低应力脆断的几种可能情况。

疲劳断裂：材料在周期性交变载荷作用下,产生低应力脆断；
回火脆断：材料回火时产生的回火脆性；
材料出现断裂、磨损、腐蚀现象可能发生低应力脆断
3.硬度反应的是材料的什么性能？常见硬度测试方法有哪些？硬度测试有哪些优点？
材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。

常见测试方法有：布氏硬度计，洛氏硬度计，维氏硬度计
优点：a.制样简单，设备便宜
b.不留下明显损伤
c.可大致预测其他力学性能
4.材料的强化方式有哪些，简述其原理？
形变强化：位错增殖、缠结
细晶强化：晶界对位错的阻碍作用
固溶强化：晶体点阵畸变形成的弹性应力场阻碍位错运动
弥散强化（时效强化）：第二相颗粒阻碍位错运动
相变强化：不同组织有不同的性能（金属材料热处理）
金属材料表面强化技术：表面淬火、表面化学热处理、表面合金化等。

5.简述退火、正火、淬火和回火对组织结构和性能的影响。

退火：改善锻件、轧材的切削加工性，提高塑性，降低硬度；改善化学成分偏析和组织不均匀性，减少固溶于钢中的有害气体，消除零件的内应力和加工硬化效应；为进一步淬火作
组织准备。

正火：消除网状渗碳体（过共析钢），细化晶粒，消除内应力；
最终热处理：w c=0.4~0.7%的钢件可在正火态下使用，具备良好的综合机械性能；
代替完全退火：w c<0.4的中低碳钢；
改善铸件晶粒度，消除组织不均匀性。

淬火：淬火后获得马氏体组织（除了等温淬火后得到下贝氏体），使材料强度、硬度提高，产生较大的内应力
回火：降低脆性、减少内应力、促进不稳定的淬火马氏体和残余奥氏体转变。

淬火钢回火过程组织变化：M分解，碳化物析出、聚集长大，残余A转变。

6.钢经淬火后，为什么一般要及时进行回火，回火后钢的力学性能为什么主要决定于回火温度而
不是冷却速度？
钢淬火后，存在很大的内应力，容易导致变形甚至开裂。

淬火后组织为淬火马氏体和残余奥氏体，这种组织不稳定，会在一定条件下发生转变。

故要及时进行回火。

7.正火与退火的主要区别是什么？生产中应如何选择正火与退火？
正火是加热后空冷，退火是加热后炉冷（缓慢冷却）。

正火得到的珠光体片层较细，强度硬度更高。

正火与退火均可时，使用正火。

对性能要求不高的普通工件，可以选用正火。

要得到特定
的组织结构选用退火。

8.回火的目的是什么，常用的回火操作有哪几种？
降低脆性、减少内应力、促进不稳定的淬火马氏体和残余奥氏体转变。

低温回火，中温回火，高温回火
9.什么是钢的调质处理？
淬火后高温回火所得到回火索氏体组织的复合热处理为调质。

10.简述钢的表面强化技术。

表面淬火：火焰加热、感应加热、接触加热、激光加热表面淬火
表面化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属、表面合金化等
作业3 常用金属材料
3. 优质碳素钢结构的牌号如何表示？碳素渗碳钢、碳素调质钢、碳素弹簧钢常指哪些牌号，其性能与用途各有何区别？
优质碳素结构钢的牌号以平均碳的质量分数的万分数表示，如08钢、45钢。

数字后面加F的为沸腾钢，数字后面加Mn的为较高含锰量的钢。

15钢至25钢，常作为碳素渗碳钢，30钢至50钢称为碳素调质钢，55钢至65钢称为碳素弹簧钢。

碳素渗碳钢强度较低而塑性韧性较好，适于制造强度要求不高但要求有一定塑性的零件，经渗碳淬火后可获得表层硬度高而心部韧性好的性能。

碳素调质钢的强度、硬度、塑性、韧性等力学性能的配合较好，尤其是经过调质后具有优良的综合力学性能。

碳素弹簧钢强度高而塑性低，经热处理后有很高的弹性极限，常用于制造各种弹性零件。

4.碳素工具钢的牌号如何表示？其成分和性能与结构钢有何区别，常用于制造哪些类型的工具？
碳素工具钢的牌号由“碳”字汉语拼音字首T加一组表示平均含碳量的千分数的数字表示，如T8。

碳素工具钢含碳量较高，一般为0.65％～1.35％，碳素工具钢必须经热处理后使用，淬火及低温回火后碳素工具钢的硬度可大于62HRC，随着含碳量的增加，热处理后钢的耐磨性提高，塑性韧性降低，碳素工具钢淬透性不高，通常只用于制造小截面的刃具和模具，工作温度不超过180℃。

6. 合金钢中的主要合金元素有哪些？哪些元素属强碳化物形成元素？特殊碳化物对合金钢的性能有哪些影响？
主要有Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、Si、Ti、W、V、S、P等。

Ti、W、V、Mo属于强碳化合物形成元素。

特殊碳化物的结构不同于渗碳体，合金元素与碳之间有很强的亲和力，他们的最大特点是熔点高和硬度高，稳定性很好，加热时不易聚集长大，并能够阻止奥氏体晶粒长大。

8．合金结构钢可按热处理及用途分为几个钢种？各钢种的化学成分、热处理及性能有何不同？
合金结构钢可分为工程结构钢和机器结构钢。

工程结构钢包括低合金结构钢和造船用钢，锅炉
用钢，机器结构钢包括合金调质钢，合金渗碳钢，滚动轴承钢，合金弹簧钢，易切钢。

低合金结构钢的含碳量Wc<0.2%，合金元素质量分数总量小于3%，锰是其主要合金元素，磷、铜用于抵抗腐蚀、低合金钢一般不进行热处理，在热轧正火态使用。

造船用钢和锅炉用钢专用于船舶和锅炉制造，造船用钢含磷量不能太低，同时要求焊接工艺性良好，锅炉用钢含硅量不能太低，含碳量也不能太高。

合金调质钢属于中碳钢，Wc=0.30%~0.50%，含有较多的锰。

铬、硅、镍等合金元素，含少量钼、钨、钒等辅助元素。

组织为回火索氏体，具有优良的综合力学性能。

合金渗碳钢含碳Wc=0.10%~0.25%，主要合金元素有铬、镍、锰、硼。

辅助合金元素有钼、钨、钒、钛等强碳化合物形成元素。

合金弹簧钢碳的质量分数Wc=0.5%~0.7%，一类弹簧钢含锰、硅比较多，另一类含铬、钒较多。

滚动轴承钢Wc=0.90%~1.10%，主要合金元素为铬。

主要热处理工艺有正火、球化退火、不完全淬火、低温回火、冷处理、去应力退火等。

易切钢的主要合金元素是硫，延长刀具寿命，降低工件表面粗糙度值。

11. 工具钢应该具备哪些基本性能？合金工具钢与碳素工具钢的基本性能有哪些区别？
对不同的工具钢，有不同的性能及工艺要求，其中，刃具钢要求有高硬度、高耐磨性和红硬性，还要有适当的强度和韧性。

冷作模具钢必须具有高强度、高硬度、高耐磨性和足够的韧性。

热作模具钢还需要有良好的抗热疲务性、导热性和一定的抗氧化性能。

量具钢应具有高硬度高耐磨性，一定的强度和韧性。

合金工具钢比碳素工具钢淬透性好，韧性好，抗热疲劳，易淬火开裂等特点。

13.对冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢的性能要求有何不同？冷作模具钢和热作模具钢为什么含碳量不同？
冷作模具钢要求具有高的强度、硬度、耐磨性和韧性，硬度应达到58~62HRC，热作模具钢要求具有良好的热疲劳性能，高温强度、高温冲击韧性、导热性、回火稳定性和淬透性。

塑料模具刚要求具有良好的强度，韧性等力学性能，良好的硬度可调节性，良好的抛光性，表面加工性好，易于焊补。

热作模具钢Wc=0.30%~0.60%,来保证良好的强度和韧性的配合，冷作模具钢要求较高的硬度、强度、含碳量较高。

16. 灰铸铁的抗拉强度为什么比钢低？提高灰铸铁强度的途径是什么？
一般灰铸铁的抗拉强度最有中碳结构钢的1/3左右，这是因为存在片状石墨的缘故。

片状石墨明显减少金属基体的有效面积，基本利用率只有50%左右，降低了承载能力。

常见的热处理有：消除内应力退火，孕育处理，合金化。

19. 球墨铸铁的强度为什么比灰铸铁高？灰铸铁一般不采用热处理方法提高强度，而球墨铸铁则常通过热处理提高强度，为什么？
因为球墨铸铁中石墨呈球状，球状石墨对基体的削弱作用减小，基体强度利用率可达80%~90%。

热处理不能改变石墨的形态，仅仅改变基体组织，所以热处理对改变灰铸铁的强度效果甚微，而可以改变球墨铸铁的基体组织，改变其强度。

20. 下列牌号合金称什么钢种？各种元素的质量分数是多少？常用的处理方法是什么？
牌号钢种元素质量分数热处理方法
Q235 碳素结构钢 C 0.15%~0.25% 不进行热处理45 优质碳素结构钢 C 0.45%左右调质
65Mn 优质碳素结构钢 C 0.65%左右
Mn 1%左右调质，表面淬火，低温回火
T8 碳素工具钢 C 0.8%左右球化退火，淬火，低
温回火
16Mn 低合金结构钢 C 0.16%左右
Mn 1%左右
正火
20CrMnTi 合金渗碳钢 C 0.20%左右Cr Mn
Ti 1%左右
渗碳，淬火
40Cr 合金调质钢 C 0.40%左右Cr 1%
左右调质，低温回火，表面淬火
60Si2Mn 合金弹簧钢C0.60%左右Si2%左
右Mn1%左右
淬火中温回火
GCr15 滚动轴承钢C1%左右Cr1.5%左
右正火球化退火不完全淬火低温回火
ZGMn13 高锰钢C1%左右Mn13%左
右
水韧处理
1Cr18Ni9Ti 耐蚀钢中的奥氏体钢C0.1%左右Cr 18%
左右Ni8%左右
Ti1%左右
固溶
1Cr13 耐蚀钢中的马氏体钢C0.1%左右Cr13%左
右
退火淬火回火
Cr12Mov 珠光体耐热钢C1%左右Cr12%左
右Mo1%左右V1%
左右球化退火淬火低温回火
5CrNiMo 热水模具钢 C 0.5%左右Cr Ni
Mo 均1%左右
退火调质低温回火
W18Cr4V 高速钢C1%左右W 18%左
右
Cr4%左右V1%左右
淬火退火回火
3Cr2Mo 塑料模具钢C0.3%左右Cr 2%左
右Mo1%左右
退火调质
9SiCr 低合金刃具钢C0.9%左右Si Cr1%
左右
淬火低温回火
24. 形变铝合金有几种？其性能各有何特点？哪些可热处理强化？哪些不可以？各适用制造什么类型的零件？
包括防锈铝合金，硬铝合金，超硬铝合金，锻铝合金。

防锈铝合金不可热处理强化，常用于制造焊接油箱、油管、冲压件、铆钉等零件。

铝锰合金抗蚀能力强，且有固溶强化作用，铝镁合金固溶强化作用更强，密度更小，还可焊接。

硬铝合金可时效强化，耐腐蚀性差，常用于制造铆钉，中等强度的结构件。

超硬铝合金可热处理时效强化，强度比其他铝合金高，但耐蚀性差。

锻造铝合金加热至一定温度时有良好的塑性，经淬火及人工时效后又有较好的力学性能，使用于制造要求强度高的大型复杂锻件或模锻件。