工程材料及热工艺课后习题答案

材料工程及热工艺（陈培里版）课后习题答案

第二章

2、金属具有哪些特性？请用金属键结合的特点予以说明。答案要点：

特性：好的导电、导热性能，好的塑性；强度、硬度有高有低，熔点有高有低，但机械行业常用那些好的综合力学性能（强度、硬度、塑性、韧性）、好的工艺性能的材料；金属键：由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。在金属晶格中，自由电子作穿梭运动，它不专属于某个金属原子而为整个金属晶体所共有。在外电场作用下，自由电子定向运动，产生电流，即导电。这种结构，很容易温度变化时，金属原子与电子的振动很容易一个接一个传递，即导热。当金属晶体受外力作用而变形时，尽管原子发生了位移，但自由电子的连接作用并没变，金属没有被破坏，故金属晶体有较好的塑性、韧性。因为金属键的结合强度有高有低，故金属的强度、硬度、熔点有高有低。

6、实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对力学性能有何影响？答案要点：

存在着点缺陷（空位、间隙原子、置换原子），线缺陷（位错），面缺陷（晶界、亚晶界）。点缺陷引起晶格畸变，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。

线缺陷很少时引起各项力学性能均下降，当位错密度达一定值后，随位错密度升高，强度、硬度升高，塑性、韧性下降，机械制造用材中位错密度基本均大于这一值。面缺陷的影响力：晶界越多(即晶粒越细)，四种机能均升高。

7、晶体的各向异性是如何产生的？为何实际晶体一般都显示不出各向异性？答案要点：因为理想晶体中原子作规则排列，不同方向的晶面与晶向的原子密度不同，导致不同方向的原子面的面间距、原子列的列间距不同，即不同方向的原子间的作用力不同，也就体现出各向异性。实际晶体常为多晶体，各种晶面、晶向沿各个方向的分布机率均等，所以各向同性。

第三章

1、从滑移的角度阐述为什么面心立方金属比体心立方和密排六方金属的塑性好？答案要点：

塑性变形的实质是滑移面上的位错沿滑移方向滑移造成的，而滑移面是晶体中的密排面，滑移方向是密排方向。一个滑移面与一个滑移方向组成一个滑移系，滑移系越多位错滑移可能性越大，在滑移系相同时，滑移方向越多，滑移可能性越大。在三大晶体中，面心立方与体心立方滑移系相等（为12个），大于密排立方的（3个），但面心立方的滑移方向（3个）比体心立方的(2个)多，所以面心立方金属比体心立方和密排六方金属的塑性好。

4、说明冷变形对金属的组织与性能的影响。答案要点：对组织的影响：出现纤维组织，位错密度增加，出现碎晶、晶格畸变增大，出现织构现象等。对性能的影响：产生内应力，强度、硬度升高，塑性、韧性下降（即加工硬化），性能出现各向异性。

6、冷加工与热加工的主要区别是什么？热加工对金属的组织与性能有何影响？答案要点：

冷加工与热加工的主要区别是：前者在再结晶以下温度进行，后者在再结晶温度以上进行。热加工对组织与性能的影响：可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或柱状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。

7、在金属的冷、热加工，如何才能获得细小的晶粒组织？答案要点;

冷加工时：产生合理的变形量，（大于临界变形量，小于产生织构的变形量），进行合理的再结晶退火。

热变形时：以较大锻造比进行锻造，反复墩拔，然后以合理的退火或正火工艺进行处理。

8、产生加工硬化的原因是什么？说明加工硬化在生产中的利弊？答案要点：原因为：位错密度的增加、碎晶的出现、晶格畸变的增加，这些因素导致位错滑移阻力增大，从而强度、硬度升高，塑性、韧性降低。生产中的“利”：可以强化材料，对于不能用热处理方法强化的又有较好塑性的材料（如一些铝合金、铜合金）是很好的强化方法。“弊”因为塑性、韧性下降了，给需要产生大变形来成形的工艺带来不便，如拉深成型时，变形量过大时需要穿插工序间的再结晶退火。

9、金属的晶粒度对其性能有怎样的影响？答案要点：

细晶的晶界多，位错滑移阻力大，故强度、硬度高，又因细晶组织晶粒多，各个方向的滑移面与滑移方向也多，位错滑移的可能性增大，并且晶粒之间的协调变形能力也增大，故塑性、韧性也增大。

10、工业生产上如何才能获得细小的晶粒组织？答案要点：

铸造时得细晶：增大冷却速度、增加外来晶核、震动搅拌等。冷变形时得细晶：合理的变形度，合理的再结晶退火工艺。

锻造时得细晶：合理的锻造温度、较大的变形量，合理的退火/正火工艺。

11、什么是均匀形核与非均匀形核？实际发生的主要是哪一种？答案要点：均匀形核：液态金属原子在过冷到一定条件时，自发聚集按金属固有的排列规律排列而形成的小结晶核心。

非均匀形核：液态金属原子依附于某些固态杂质颗粒而形成的结晶核心。实际发生的主要是非均匀形核。

12、什么是金属结晶时的过冷度？过冷度对金属铸锭晶粒大小有何影响？答案要点：

过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。

实际生产中通常为过冷度越大，结晶趋动力越大，形核率越大，晶粒越细。

14、合金化强化金属的方法有哪几种？答案要点：

主要有固溶强化与第二相强化。

15、总结合金的四种基本强化方式的异同点，金属强化的本质是什么？答案要点：

四种强化方法是：冷变形强化（加工硬化），细晶强化，合金强化（包括固溶强化和第二相强化），热处理强化。

相同点：四种强化均为增大位错的滑移阻力。

不同点：冷变形强化是因位错密度增大、碎晶的出现使晶格畸变增大，从而使位错滑移阻力

增大；细晶强化是因晶界增多，位错滑移阻力增大；合金强化是因溶质原子的溶入晶格畸变增大或第二相对位错线的钉扎而导致位错滑移阻力增大；热处理强化是因形成细晶，或过饱和组织引起较大晶格畸变而使位错滑移阻力增大。金属强化的本质：位错运动阻力增大。

16、什么是热处理？影响热处理质量的主要因素是什么？答案要点：

热处理：是将金属在固态下加热至一定温度，保温一定时间，以一定的速度冷却至室温，来改变其内部组织结构，以获得所需性能的一种加工工艺。影响热处理的主要因素是：加工温度、保温温度、冷却速度。

17、钢奥氏体基本过程是什么?基本规律是什么？为什么在奥氏体转变结束时还有不溶解的渗碳体？答案要点：基本过程：加热至AC1时，1）、在F与Fe3C相界面形成A的晶核；2）、A晶粒的长大；3）、剩余Fe3C的溶入；4）A成分的均匀；5）、对于过共析与亚共析钢，温度继续升高时有先共析相的溶入，直至完全相变温度转变为单一的A。

因渗碳体的成分与结构与A都相差很大，导致A向F中长大的速度大于向渗碳体中的长大速度，所以在奥氏体转变结束时还有不溶解的渗碳体。

18、奥氏体的晶粒度是怎样影响钢的性能？如何控制奥氏体的晶粒大小？答案要点：

组织具有遗传性，高温下奥氏体的晶粒粗大所得的室温组织的晶粒也相应粗大，所以就会影响到钢的性能。

主要通过控制加热温度与保温时间来控制A晶粒的大小。

19、钢件为什么能进行各种各样的热处理？答案要点：

因为刚在固态下有相变，加热至A化后可通过不同的冷却速度获得不同的不同的非平衡组织，从而可得到不同的性能。

20、钢奥氏体化后的组织转变有几种？是什么？答案要点：

有三种。是P型组织，B型组织，M型组织。

21、什么是珠光体、贝氏体、马氏体？它们的组织及性能有何特点？答案要点：

珠光体：由层片状的F与Fe3C相隔排列而成的一种组织，根据粗细的不同分为P（500倍下可区分层片）、S（800~1000倍下可区分层片）、T（10000倍以上才可区分层片）。

贝氏体：碳素体基体上分布着断续的短棒状渗碳体（光镜下呈羽毛状组织）为上贝氏体。铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体（光镜下呈竹叶状组织）为下贝氏体。马氏体：过饱和的A固溶体。珠光体、贝氏体、马氏体依次形成温度降低，组织变细、偏离平衡程度增大，强度硬度增加，塑性韧性降低。

22、碳的质量分数超过0.6%以后，马氏体的强度、硬度的变化趋于平缓，为什么高于0.6%的碳钢还广泛使用？马氏体强化的主要原因是什么？答案要点：

谈的质量分数超过0.6%的钢往往是工具钢，需要有好的耐磨性能，淬火温度为AC1+30~50，使其保留未溶的碳化物提高耐磨性能，碳含量越高，未溶碳化物越多，耐磨性能越好，所以?? 马氏体强化的主要原因是固溶强化。

23、什么是C曲线？影响C曲线的因素有哪些? 答案要点：

表示奥氏体急速冷却到临界点A1以下在各不同温度下的保温过程中转变量与转变时间的关