西南交通大学远程教育学院《材料工程》复习题答案

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答：晶粒大小对材料的性能有很大影响，细小的晶粒可改善材料的强度、韧性和塑
性，细晶强化是钢强韧化的重要手段。
0.2%和 0.6%的碳钢加热到 860℃，均为完全奥氏体化，其奥氏体中的含碳量分
别为 0.2%和 0.6%，由于奥氏体中 C%↑→ 晶粒长大↑，故含碳量为 0.6%的碳钢
奥氏体晶粒易粗大。
7、 述 P、S、T、B 上、B 下、M 的形态特征
答：P、S、T——铁素体和渗碳体相间分布呈层片状，片层间距 P＞S＞T；
B 上——碳化物分布在过饱和碳的铁素体片间呈羽毛状；
B 下——碳化物分布在针状的过饱和碳的铁素体片上；
M——低碳 M 呈板条状，高碳 M 呈针状（竹叶状）
8、 试比较 S 和 S’、M 和 M’在形成条件、金相形态与性能上的主要区别。
C%：奥氏体中 C%↑→ 晶粒长大↑；但碳化物%↑→晶粒长大↓ 碳化物形成元素：细化晶粒→本质细晶钢 Mn 、P 促进长大 6、 研究奥氏体晶粒大小有何意义？将含碳量分别为 0.2%和 0.6%的碳钢加热到 860℃，保温相同时间，使奥氏体均匀化，问哪一种钢奥氏体晶粒易粗大？为什 么？
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绪论 2、材料可怎样加以分类？ 答：材料可按其化学键特点加以分类：金属材料、无机非金属材料（陶瓷材料）、高 分子材料、复合材料。材料还可按其应用特点加以分类：结构材料、功能材料 第二章 金属材料的力学性能 2、画出退火的低碳钢的拉伸图，并根据拉伸图说明金属拉伸时的变形和断裂过程。 答：分为四个阶段： 阶段 I（oab）——弹性变形阶段 oa 段：直线阶段 ab 段：极微量塑性变形 阶段 II（bcd）段——屈服变形 阶段 III（dB）段——均匀塑性变形阶段 阶段 IV(BK) 段——局部集中塑性变形（颈缩) 3、金属弹性模量的大小主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力 学性能指标？ 答：弹性模量与原子间相互作用力有关，决定于金属原子本性和晶格类型，故与 其 组 织 变 化 无 关 ， 与 热 处 理 状 态 无 关 ， 是一个对组织不敏感的力学性能指标。 4、何谓金属材料疲劳？疲劳极限的定义？ 答：金属材料疲劳——金属材 料 承 受 交 变 循 环 应 力 和 应 变 长 期 作 用 ，由 于 积 累 损 伤而引起断裂的现象。 疲劳极限——在 疲 劳 试 验 中 ， 试 样 经 无 限 次 应 力 循 环 仍 不 发 生 疲 劳 断 裂 所 对 应 的最大应力。 第三章 金属的结构 1、 α-Fe、Al、Cu、Zn 各属何种晶体结构？ 答：α-Fe—bcc；Al—fcc；Cu—fcc；Zn—hcp。 2、 实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？举例说明它们对性能有哪些影响？ 答：点缺陷——空位、置换原子、间隙原子；线缺陷——位错（刃型、螺型）；面缺 陷——晶界、亚晶界、表面。 晶体缺陷对晶体的性能有很大影响。 特别是对那些结构敏感的性能，如屈服强度、 断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等；另外晶体缺陷还与扩散、相变、塑性变形、 再结晶、氧化、烧结等有密切关系。 如：晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断地产生与复合才不停地由一处向另 一处运动，这就是晶体中原子的自扩散，是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧 结等物理化学过程的基础。面缺陷处原子的扩散能力强，因此面缺陷对固态相变、 表面化学热处理、蠕变、烧结等物理化学过程有影响。对电阻率、磁导率等物理性 能有强烈的影响。 又如：金属的塑性变形是借助位错的运动实现的，因此金属的强度与塑性等力学性 能均与位错有密切关系。任何阻碍位错运动的因素可能提高金属的强度，晶界阻碍 位错的运动引起位错的塞积，晶粒细化可以提高多晶体金属的强度。异类合金原子 （以置换原子、间隙原子存在）与位错交互作用会引起固溶强化效应；间隙原子和 位错的交互作用是形成金属屈服现象的重要原因。 3、 在常温下，已知铜的原子直径为 2.55×10-10m，求铜的晶格常数。 答：常温下铜为 fcc 结构，原子直径 2d=21/2a，a=3.61×10-10m 4、 什么是过冷度？为什么金属结晶时一定要有过冷度？
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答：实验证明，纯金属液体被冷却到熔点 Tm（理论结晶温度）时保温，无论保温 多长时间结晶都不会进行，只有当温度明显低于 Tm 时，结晶才开始。也就是说， 金属要在过冷 (Undercooled)的条件下才能结晶。理论结晶温度与实际结晶温度的 差值即为过冷度。 从结晶热力学分析：结晶驱动力为体系的自由能差ΔG≤0，结晶阻力为结晶出的新 生液固界面能。当温度 T>Tm 时，ΔG>0，液相稳定；当温度 T=Tm 时，ΔG=0， 液固平衡状态；当温度 T<Tm 时，ΔG<0, 固相稳定。因此，只有当 T<Tm 时，体 系才获得可以克服其结晶阻力的驱动力。
答：
形成条件
金相形态
性能特点
S 正火
铁素体和渗碳体相间分布呈细层片状 S’的强度、硬度、韧
S’ 淬火+高温回火 细小弥散的渗碳体粒分布在铁素体基 性、塑性均高于 S
体（等轴晶）上
M 淬火
低碳 M 呈板条状，高碳 M 呈针状（竹 M’保持了 M 的高硬
10、滑移的本质是什么？试分析低碳钢塑性变形后及再结晶退火后性能变化的原因。 答：滑移的本质是滑移面上位错的运动。
低碳钢塑性变形后会出现加工硬化，即强度、硬度提高，塑性、韧性下降，是 因为随着变形度的增加，位错大量增殖→位错相互作用→位错运动阻力加大→变形 抗力↑；
经再结晶退火后，低碳钢加工硬化消除力学性能恢复，即强度、硬度下降，塑 性、韧性提高，是因为无形变的再结晶晶粒的形成，位错密度大幅度降低→变形抗 力↓；
钢由较软的铁素体和较硬的渗碳体组成，随着含碳量的提高，钢中渗碳体的量 提高，因此硬度提高。
2) 在室温平衡状态下，含碳量为 0.8%的钢比含碳量为 1.2%的钢强度高； 钢的强度是典型的对组织敏感的性能指标，细密相间的两相组织珠光体具有较 高的强度，因此提高珠光体的比例可改善钢的强度，而连续分布在原奥氏体晶界上 的二次渗碳体将降低钢的强度。0.8%的钢中珠光体的比例高于 1.2%的钢，同时 1.2% 的钢含有更多的二次渗碳体，故 0.8%的钢比 1.2%的钢强度高。 3) 室温下莱氏体比珠光体塑性差； 室温下莱氏体 Fe3C+P，即珠光体分布渗碳体相的基底上，而渗碳体基底的脆性 极大，莱氏体表现为脆性的，几乎不能塑性变形。 5、奥氏体晶粒大小受哪些因素影响？ 答：a. 加热工艺：加热温度↑，保温时间↑，→ 晶粒长大↑ b. 钢的成分——合金化：
力是金属变形储存能（晶格畸变能），未进行冷变形的金属不存在再结晶的驱动 力。 4、金属塑性变形后组织和性能有哪些变化？ 答：①晶粒形貌及结构变化——晶粒变形（拉长或压扁）形成纤维组织（组织），出 现各向异性；形变↑ → 位错密度↑（１０６ → １０１１-１２）→位错缠结→ 胞壁 →亚晶，形成形变亚结构。 ②形变织构产生——金属塑性变形到很大程度（70%）时，由于晶粒发生转动， 使各晶粒的位向趋于一致，形成特殊的择优取向，即形变织构产生，出现各向异 性。 ③加工硬化（形变硬化）——随着变形度的增加，位错大量增殖→位错相互作用
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但再结晶退火后低碳钢的强度、硬度、塑性、韧性均高于塑性变形前的低碳钢， 是因为再结晶退火后形成的再结晶晶粒小于塑性变形前的晶粒，细晶强化作用造成 强度、硬度、塑性、韧性的提高。
第五章 铁碳合金相图及钢的热处 2、现有两种铁-碳合金，其中一种合金的显微组织中珠光体量占 75%，铁素体量占
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→位错运动阻力加大→变形抗力↑→其强度、硬度提高，塑性、韧性下降。 ④形成残余内应力（第一类、第二类、第三类） 5、在热加工过程中，金属能否产生加工硬化？试分析原因。 答：在热加工过程中，金属塑性变形与金属动态再结晶过程同时进行，金属不产生 加工硬化。 6、为何细晶粒钢强度高，塑性、韧性也好？ 答：晶粒小→晶界面积大→变形抗力大→强度大；晶粒小→单位体积晶粒多→变形 分散→相邻晶粒不同滑移系相互协调；晶粒小→晶界多→不利于裂纹的传播→断 裂前承受较大的塑性变形。因此晶粒细化→强度、硬度提高，塑性、韧性提高； 细晶粒钢强度高，塑性、韧性也好。 7、与单晶体相比，多晶体塑性变形有何特点？ 答：与单晶体相比，多晶体塑性变形还要受晶界和晶粒位向的影响。晶界一方面是 滑移的主要障碍；另一方面通过晶界自身变形→协调变形→以维持相邻晶粒变形 保持连续；因此导致细晶强化。处于不同位向的晶粒，作用在滑移面上的切应力 不同，只有滑移面上的切应力大于临界切应力的晶粒能够变形；同时变形的晶粒 发生转到，导致变形的晶粒及其相邻晶粒位向的改变，达到可变形晶粒的位向条 件，分批进行变形。 8、试画出体心立方、面心立方和密排六方晶体的一组滑移系，并分析其对金属塑性 的影响。 答：滑移系数目↑，材料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑,（滑移方向的作用大于 滑移面的作用）。因此 FCC 和 BCC 的滑移系为 12 个，HCP 为 3 个；FCC 的滑 移方向多于 BCC。金属塑性： Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）
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9、已知钨和铅的熔点分别为 3380˚C 和 327˚C，试问钨在 1100˚C 加工、铅在室温加 工各为何种加工？
答：纯金属的再结晶温度：TR=0.4-0.35Tm(K) 钨的再结晶温度：钨 TR=0.4-0.35Tm(K)=1461-1278(K)；钨在 1100˚C 加工为冷
加工 铅的再结晶温度：铅 TR=0.4-0.35Tm(K)=240-210(K)；铅在室温加工为冷加工
25%；另一种合金的显微组织中珠光体量占 92%，二次渗碳体量占 8%。这两种 合金各属于哪一类合金？其含碳量各为多少？ 答：第一种合金属于亚共析钢，P%=（X-0.0218）/（0.77-0.0218）=75%，求出 X=0.54，含碳量为 0.54%。 第二种合金属于过共析钢，P%=（6.69-X）/（6.69-0.77）=92%，求出 X=1.24， 含碳量为 1.24%。 3、 现有形状、尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们的碳含量分别为 0.2%，0.4%， 1.2%，3.5%的合金。根据你所学的知识，可有哪些方法区别它 们？ 答：测量四块合金的硬度，其硬度随含碳量增加而升高。 观察四块合金的金相，0.2%和 0.4%的合金均为亚共析钢，其组织为珠光体+铁 素体，珠光体的量随含碳量增加而增加；1.2%的合金为过共析钢，其组织为珠 光体+二次渗碳体；3.5%的合金为亚共晶白口铁，其组织为珠光体+二次渗碳体+ 低温莱氏体。 观察四块合金与砂轮磨出的火花，随着含碳量的增加，流线数量和爆花数量都急 剧增多，碳含量超过 0.8%以后，增多的趋势逐渐缓和。 4、 根据铁碳相图解释下列现象： 答： 1) 含碳量 1.0%的钢比含碳量 0.5%的钢硬度高；
5、 过冷度与冷却速度有什么关系？它对金属结晶后的晶粒大小有什么影响？ 答：液态金属的冷却速度越快，结晶所需的过冷度越大。过冷度△ T↑，N↑↑，G ↑——N/G 增大，晶粒细化。
6、 列举几种实际生产中采用的细化铸造晶粒的方法。 答：①提高过冷度：过冷度△ T↑，N↑↑，G↑——N/G 增大，晶粒细化；②变质 处理：在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改 善组织。③振动，搅拌等 第四章 金属的塑性变形 2、再结晶晶粒大小和哪些因素有关。 答：①温度：T↑—D↑—↑晶界迁移—晶粒长大↑；
②预变形度：预变形度＜临界变形度时，无明显影响 预变形度＝临界变形度时，再结晶将出现异常粗大晶粒 预变形度＞临界变形度时，预变形度↑— 再结晶驱动力↑— 再
结晶形核率↑— 晶粒尺寸↓， 当预变形度很大时，出现形变织构，再结晶将出现异常粗大晶粒。
3、未进行冷变形的金属加热时，能否发生回复和再结晶，为什么？ 答：未进行冷变形的金属加热时，不发生回复和再结晶。因为回复和再结晶的驱动