清华大学-—工程材料综合题答案修订..doc

第一章6、实际金属晶体中存在哪些缺陷？它们对性能有什么影响？答：点缺陷：空位、间隙原子、异类原子点缺陷造成局部晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，密度发生变化线缺陷：位错位错的存在极大地影响金属的机械性能当金属为理想晶体或仅含极少量位错时，金属的屈服强度σs很高，当含有一定量的位错时，强度降低当进行形变加工时，为错密度增加，σs将会增高面缺陷：晶界、亚晶界亚晶界由位错垂直排列成位错墙而构成亚晶界是晶粒内的一种面缺陷在晶界、亚晶界或金属内部的其他界面上，原子的排列偏离平衡位置，晶格畸变较大，位错密度较大（可达1016m-2以上）原子处于较高的能量状态，原子的活性较大，所以对金属中的许多过程的进行，具有极为重要的作用晶界和亚晶界均可提高金属的强度晶界越多，晶粒越细，金属的塑性变形能力越大，塑性越好8、什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？ 答：形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变晶格畸变随溶质原子浓度的提高而增大晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度9、间隔固溶体和间隔相有什么不同？答：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。

间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中间隙固溶体的晶体结构与溶剂相同第二章1、金属结晶的条件和动力是什么?答：液态金属结晶的条件是金属必须过冷，要有一定的过冷度液体金属结晶的动力是金属在液态和固态之间存在的自由能差(ΔF)2、金属结晶的基本规律是什么?答：液态金属结晶是由生核和长大两个密切联系的基本过程来实现的液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体(称为晶核)，然后再以它们为核心不断地长大在这些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液体金属消失3、在实际应用中，细晶粒金属材料往往具有较好的常温力学性能，细化晶粒、提高金属材料使用性能的措施有哪些？答：（1） 提高液态金属的冷却速度，增大金属的过冷度 （2） 进行变质处理在液态金属中加入孕育剂或变质剂，增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，以细化晶粒和改善组织3） 在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法 （4） 电磁搅拌将正在结晶的金属置于一个交变的电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加了结晶的核心，从而可细化晶粒4、如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下铸件晶粒的大小。

1）金属模浇注与砂模浇注； （2）变质处理与不变质处理； （3）铸成薄件与铸成厚件； （4）浇注时采用震动与不采用震动答：（1）金属模浇注比砂模浇注，铸件晶粒小； （2）变质处理比不变质处理，铸件晶粒小；（3）铸成薄件比铸成厚件，铸件晶粒小；（4）浇注时采用震动比不采用震动，铸件晶粒小5、为什么钢锭希望尽量减少柱状晶区?答：柱状是由外往里顺序结晶的，品质较致密但柱状晶的接触面由于常有非金属夹杂或低熔点杂质而为弱面，在热轧、锻造时容易开裂，所以对于熔点高和杂质多的金属，例如铁、镍及其合金，不希望生成柱状晶6、将20kg纯铜与30 kg纯镍熔化后慢冷至如图l—6温度T1，求此时： ①两相的化学成分；②两相的质量比； ③各相的质量分数； ④各相的质量解：①两相的化学成分L相成分：ω(Ni)；50％ ω(Cu)＝50％②两相质量比：合金成分：ω(Ni)=80% ω(Cu)=20% 二相的质量比：Qα/Qβ=(60-50)/(80-60)=0.5③各相的质量分数二相的质量分数：ω（α）=（60-50）/（80-50）=33.3% ω（L）=1-33.3%=66.7%④各相的质量。

二相质量：Qα＝(20＋30)×33.3％＝16.65(kg)QL＝50－16.65＝33.35(kg)7、求碳质量分数为3.5％的质量为10kg的铁碳合金从液态缓慢冷却到共晶温度(但尚未发生共晶反应)时所剩下的液体的碳质量分数及液体的质量解：L中的碳质量分数：w(C)＝4.3％L中的质量分数: w (L)=(3.5-2.11)/(4.3-2.11)=63.5％L的质量：QL＝10×63.5％＝6.35(kg)8、比较退火状态下的45钢、T8钢、T12钢的硬度、强度和塑性的高低，简述原因答：硬度：45钢最低，T8钢较高，T12钢最高因为退火状态下的45钢组织是铁素体+珠光体，T8钢组织是珠光体，T12钢组织是珠光体+二次渗碳体因为铁素体硬度低，因此45钢硬度最低因为二次渗碳体硬度高，因此T12钢硬度最高 强度：因为铁素体强度低，因此45钢强度最低T8钢组织是珠光体，强度最高T12钢中含有脆性的网状二次渗碳体，隔断了珠光体之间的结合，所以T12钢的强度比T8钢要低但T12钢中网状二次渗碳体不多，强度降低不大，因此T12钢的强度比45钢强度要高 塑性：因为铁素体塑性好，因此45钢塑性最好。

T12钢中含有脆性的网状二次渗碳体，因此T12钢塑性最差T8钢无二次渗碳体，所以T8钢塑性较高9、同样形状的两块铁碳合金，其中一块是退火状态的15钢，一块是白口铸铁，用什么简便方法可迅速区分它们？ 答：因为退火状态的15钢硬度很低，白口铸铁硬度很高因此可以用下列方法迅速区分：（1）两块材料互相敲打一下，有印痕的是退火状态的15钢，没有印痕的是白口铸铁2）用锉刀锉两块材料，容易锉掉的是退火状态的15钢，不容易锉掉的是白口铸铁3）用硬度计测试，硬度低的是退火状态的15钢，硬度高的是白口铸铁10、为什么碳钢进行热锻、热轧时都要加热到奥氏体区？ 答：因为奥氏体是面心立方晶格，其滑移变形能力大，钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行11、下列零件或工具用何种碳钢制造：手锯钢条、普通螺钉、车床主轴答：手锯锯条用T10钢制造 普通螺钉用Q195钢、 Q215钢制造 车床主轴用45钢制造12、为什么细晶粒钢强度高，塑性、韧性也好？答：多晶体中，由于晶界上原子排列不很规则，阻碍位错的运动，使变形抗力增大金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大多晶体中每个晶粒位向不一致。

一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向（称晶粒处于软位向），另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大（称晶粒处于硬位向）在发生滑移时，软位向晶粒先开始当位错在晶界受阻逐渐堆积时，其他晶粒发生滑移因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形，变形分散在材料各处晶粒越细，金属的变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹的形成和发展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形，从而使金属的塑性提高 由于细晶粒金属的强度较高、塑性较好，所以断裂时需要消耗较大的功，因而韧性也较好因此细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段13、与单晶体的塑性变形相比较，说明多晶体塑性变形的特点答：① 多晶体中，由于晶界上原子排列不很规则，阻碍位错的运动，使变形抗力增大金属晶粒越细，品界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大② 多晶体中每个晶粒位向不一致一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软位向)，另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)在发生滑移时，软位向晶粒先开始当位错在晶界受阻逐渐堆积时，其他晶粒发生滑移因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形，变形分散在材料各处。

晶粒越细，金属的变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹的形成和发展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形，因此使金属的塑性提高14、金属塑性变形后组织和性能会有什么变化?答：金属发生塑性变形后，晶粒发生变形，沿形变方向被拉长或压扁当变形量很大时，晶粒变成细条状(拉伸时)，金属中的夹杂物也被拉长，形成纤维组织金属经大的塑性变形时，由于位错的密度增大和发生交互作用，大量位错堆积在局部地区，并相互缠结，形成不均匀的分布，使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块，而在晶粒内产生亚晶粒金属塑性变形到很大程度(70％以上)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，这种有序化的结构叫做形变织构金属发生塑性变形，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高塑性和韧性明显下降这种现象称为加工硬化，也叫形变强化另外，由于纤维组织和形变织构的形成，使金属的性能产生各向异性15、在图1—7所示的晶面、晶向中，哪些是滑移面?哪些是滑移方向?图中情况能否构成滑移系?答：(a)FCC：(101) 晶面不是滑移面，[110]晶向是滑移方向，但两者不能构成滑移系 (b)FCC：(111)晶面是滑移面，其上的[110]晶向也是滑移方向，两者能构成滑移系。

(c)BCC：(111)晶面不是滑移面，其上的[101]晶向不是滑移方向，两者不能构成滑移系d)BCC：(110)晶面是滑移面，晶向也是滑移方向，但不在(110)晶面上，故两者不能构成滑移系16、用低碳钢钢板冷冲压成形的零件，冲压后发现各部位的硬度不同，为什么?答：主要是由于冷冲压成形时，钢板形成零件的不同部位所需发生的塑性变形量不同，因而加工硬化程度不同所造成17、已知金属钨、铅的熔点分别为3380℃和327℃，试计算它们的最低再结晶温度，并分析钨在900℃加工、铅在室温加工时各为何种加工?答：金属的最低再结晶温度为：T再＝(0.35～0.4)T熔点对金属钨：T熔点＝273＋3380＝3653KT再＝(0.35～0.4)T熔点＝1279～1461K＝1006～1188℃在900℃对金属钨进行加工，略低于其最低再结晶温度，应属冷加工对金属铅：T熔点＝273＋327＝600KT再＝(0.35～0.4)T熔点＝210～240K＝-63～-33℃在室温(如23℃)对金属铅进行加工，明显高于其最低再结晶温度的上限-33℃，应属热加工18、何谓临界变形度?分析造成临界变形度的原因答：塑性变形后的金属再进行加热发生再结晶，再结晶后晶粒大小与预先变形度有关。

使晶粒发生异常长大的预先变形度称做临界变形度 金属变形度很小时，因不足以引起再结晶，晶粒不变当变形度达到2％～10％时，金属中少数晶粒变形，变形分布很不均匀，所以再结晶时生成的晶核少，晶粒大小相差极大，非常有利于晶粒发生吞并过程而很快长大，结果得到极粗大的晶粒19、在制造齿轮时，有时采用喷丸处理(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：喷丸处理时，大量的微细金属丸被喷射到零件表面上，使零件表层发生一定的塑性变形，因而对零件表面产生了加工硬化效应，同时也在表面形成残余压应力，有助于提高零件的疲劳强度20、再结晶和重结晶有何不同？答：再结晶是指冷变形（冷加工）的金属加热到最低再结晶温度以上，通过原子扩散，使被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新形核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶，同时消除加工硬化现象，使金属的强度和硬度、塑性和韧性恢复至变形前的水平对钢而言，再结晶温度低于共析温度727℃，因此不会发生晶体结构类型的转变 有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构。