工程材料基础知识课后习题答案

⼯程材料基础知识课后习题答案

第⼀章⼯程材料基础知识参考答案1．⾦属材料的⼒学性能指标有哪些？各⽤什么符号表⽰？它们的物理意义是什么？

答：常⽤的⼒学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等。

强度是指⾦属材料在静荷作⽤下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的性能。强度常⽤材料单位⾯积所能承受载荷的最⼤能⼒（即应⼒σ，单位为Mpa）表⽰。

塑性是指⾦属材料在载荷作⽤下，产⽣塑性变形（永久变形）⽽不被破坏的能⼒。⾦属塑性常⽤伸长率δ和断⾯收缩率ψ来表⽰：

硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能⼒，是衡量材料软硬程度的指标，是⼀个综合的物理量。常⽤的硬度指标有布⽒硬度（HBS、HBW）、洛⽒硬度（HRA、HRB、HRC等）和维⽒硬度（HV）。

以很⼤速度作⽤于机件上的载荷称为冲击载荷，⾦属在冲击载荷作⽤下抵抗破坏的能⼒叫做冲击韧性。冲击韧性的常⽤指标为冲击韧度，⽤符号αk表⽰。

疲劳强度是指⾦属材料在⽆限多次交变载荷作⽤下⽽不破坏的最⼤应⼒称为疲劳强度或疲劳极限。疲劳强度⽤σ–1表⽰，单位为MPa。2．对某零件有⼒学性能要求时，⼀般可在其设计图上提出硬度技术要求⽽不是强度或塑性要求，这是为什么？

答：这是由它们的定义、性质和测量⽅法决定的。硬度是⼀个表征材料性能的综合性指标，表⽰材料表⾯局部区域内抵抗变形和破坏的能⼒，同时硬度的测量操作简单，不破坏零件，⽽强度和塑性的测量操作复杂且破坏零件，所以实际⽣产中，在零件设计图或⼯艺卡上⼀般提出硬度技术要求⽽不提强度或塑性值。3．⽐较布⽒、洛⽒、维⽒硬度的测量原理及应⽤范围。

答：（1）布⽒硬度测量原理：采⽤直径为D的球形压头，以相应的试验⼒F压⼊材料的表⾯，经规定保持时间后卸除试验⼒，⽤读数显微镜测量残余压痕平均直径d，⽤球冠形压痕单位表⾯积上所受的压⼒表⽰硬度值。实际测量可通过测出d值后查表获得硬度值。

布⽒硬度测量范围：⽤于原材料与半成品硬度测量，可⽤于测量铸铁；⾮铁⾦属（有⾊⾦属）、硬度较低的钢（如退⽕、正⽕、调质处理的钢）

（2）洛⽒硬度测量原理：⽤⾦刚⽯圆锥或淬⽕钢球压头，在试验压⼒F 的作⽤下，将压头压⼊材料表⾯，保持规定时间后，去除主试验⼒，保持初始试验⼒，⽤残余压痕深度增量计算硬度值，实际测量时，可通过试验机的表盘直接读出洛⽒硬度的数值。常⽤洛⽒硬度的试验条件和应⽤范围

（3）维⽒硬度测量原理：与布⽒硬度相似。采⽤相对⾯夹⾓为136o⾦刚⽯正四棱锥压头，以规定的试验⼒F压⼊材料的表⾯，保持规定时间后卸除试验⼒，⽤正四棱锥压痕单位表⾯积上所受的平均压⼒表⽰硬度值。

维⽒硬度应⽤：可测量较薄的材料和渗碳、渗氮等表⾯硬化层。4．晶体和⾮晶体的本质区别是什么？单晶体为什么具有各向异性？答：原⼦呈规则排列的物质称为晶体，晶体具有固定的熔点，呈现规则的外形，并具有各向异性特征；原⼦呈不规则排列的物质称为⾮晶体，⾮晶体没有固定的熔点，具有各向同性的特征。

因为单晶体的物体整个物体就是⼀个单⼀结构的巨⼤晶粒，所以具有各项异性。5．实际晶体存在哪些缺陷？对材料性能有何影响？

答：按缺陷的⼏何形态，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和⾯缺陷三种。

点缺陷是指长、宽、⾼⽅向尺⼨都很⼩的缺陷。在晶体中由于点缺陷的存在，使周围原⼦间的作⽤⼒失去平衡，其周围原⼦向缺陷处靠拢或被撑开，从⽽导致晶格发⽣歪扭，这种现象称为晶格畸变。晶格畸变会使⾦属的强度和硬度提⾼。

线缺陷是指在⼀个⽅向上的尺⼨很⼤，另两个⽅向上尺⼨很⼩的⼀种缺陷，主要是指各种类型的位错。位错的存在对⾦属的⼒学性能有很⼤的影响，例如冷变形加⼯后的⾦属，由于位错密度的增加，强度明显提⾼。

⾯缺陷是指在两个⽅向上的尺⼨很⼤，第三个⽅向上的尺⼨很⼩⽽呈⾯状的缺陷。⾯缺陷的主要形式是各种类型的晶界，它是多晶体中晶粒之间的界⾯。晶界的存在，使晶格处于畸变状态，在常温下对⾦属塑性变形起阻碍作⽤。所以，⾦属的晶粒愈细，则晶界愈多，对塑性变形的阻碍作⽤愈⼤，⾦属的强度、硬度愈⾼。6．解释下列名词：固溶体、⾦属化合物、机械混合物、相、平衡相图。

答：合⾦由液态转变为固态时，⼀组元的晶格中溶⼊另⼀种或多种其他组元⽽形成的均匀相称为固溶体。

⾦属化合物是合⾦中各组元间发⽣相互作⽤⽽形成的具有⾦属特性的⼀种新相，其晶体结构⼀般⽐较复杂，⽽且不同于任⼀组成元素的晶体类型。

两种或两种以上的相按⼀定质量百分数组合成的物质称为机械混合物。

在合⾦中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分称为相。

合⾦相图是⽤图解的⽅法表⽰合⾦系中合⾦状态、温度和成分之间的关系。7．纯⾦属结晶与合⾦结晶有什么异同？

答：相同点：都是⾦属原⼦从不规则排列过渡到规则排列的过程。

不同点：1、合⾦的结晶不⼀定在恒温下进⾏；2、合⾦在不同的温度范围内会存有不同数量的相，且各相的成分有时也会变化；3、同⼀合⾦系，因成分不同，其组织也不同，即便是同⼀成分的合⾦，其组织也会随温度的不同⽽发⽣变化。8．分析纯⾦属冷却曲线上出现“过冷现象”和“平台”的原因。说明过冷度对晶粒细化的影响。

答：在实际的⽣产中，⾦属右液体结晶为固体时，冷却速度都是相当快的，⾦属实际的结晶温度T n总是低于理论结晶温度T0，这种现象称为“过冷现象”。

冷却曲线出现平台的原因，是由于⾦属结晶过程中会释放出结晶潜热，补偿了向外界散失的热量，使温度不随冷却时间的增长⽽下降，直到⾦属结晶终了后，温度⼜重新下降。

增加过冷度，使⾦属结晶时形成的晶核数⽬增多，则结晶后获得细晶。可通过提⾼⾦属凝固时的冷却速度⽅法增加过冷度。9．什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？

答：固溶强化是多种元素形成固溶体，都将破坏原⼦的规则排列，使晶格发⽣畸变，晶格畸变导致变形抗⼒增加，使固溶体的强度增加，所以获得固溶体可提⾼合⾦的强度、硬度，这种现象称为固溶强化。10．晶粒的⼤⼩对材料⼒学性能有哪些影响？⽤哪些⽅法可使液态⾦属结晶时获得细晶粒？

答：⾦属结晶后的晶粒⼤⼩对⾦属的⼒学性能影响很⼤。⼀般情况下，晶粒愈细⼩，⾦属的强度和硬度愈⾼，塑性和韧性也愈好。⼯业⽣产中，为了获得细晶粒组织，常采⽤以下⽅法：

（1）增⼤过冷度增加过冷度，使⾦属结晶时形成的晶核数⽬增多，则结晶后获得细晶。可通过提⾼⾦属凝固时的冷却速度⽅法增加过冷度。

（2）进⾏变质处理变质处理是在浇注前向液态⾦属中⼈为地加⼊少量被称为变质剂的物质，以起到晶核的作⽤，使结晶时晶核数⽬增多，从⽽使晶粒细化。

（3）采⽤振动处理⾦属结晶时，对⾦属液附加机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，使⽣长中的枝晶破碎，⽽破碎的枝晶尖端⼜可起晶核作⽤，增加了晶核数⽬，达到细化晶粒的⽬的。11．什么叫铁素体、奥⽒体、渗碳体、珠光体和莱⽒体？试从碳含量、相组成等⽅⾯分析其特点。答：铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，⽤符号F或α表⽰，体⼼⽴⽅晶格。

奥⽒体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,⽤符号A或γ表⽰，⾯⼼⽴⽅晶格。

渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的⾦属化合物，⽤化学分⼦式Fe3C表⽰，它的碳质量分数w c=6.69%，熔点为1227℃。

铁素体与渗碳体的共析混合物，称为珠光体，⽤符号P表⽰。

奥⽒体与渗碳体的共晶混合物，称为莱⽒体，⽤符号Ld表⽰。12．什么是匀晶转变、共晶转变？

答：材料从液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。

由⼀种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应称为共晶转变，所⽣成的两相混合物（层⽚相间）称为共晶体。13．根据Fe-Fe3C相图分析w c=0.45%和w c=1%的碳素钢从液态缓慢冷却⾄室温的组织转变过程及室温组织。

略14．试分析晶内偏析产⽣的原因。

答：合⾦在结晶过程中，只有在极其缓慢冷却条件下原⼦才才具有充分扩散的能⼒，固相的成分才能沿固相线均匀变化。但在实际⽣产条件下，冷却速度较快，原⼦扩散来不及充分进⾏，导致先后结晶出的固相成分存在差异，这种晶粒内部化学成分不均匀现象称为枝晶偏析。15．简述碳的质量分数对铁碳合⾦性能的影响。

答：室温下铁碳合⾦由铁素体和渗碳体两个相组成。铁素体为软、韧相；渗碳体为硬、脆相。当两者以层⽚状组成珠光体时，则兼具两者的优点，即珠光体具有较⾼的硬度、强度和良好的塑性、韧性。随碳的质量分数增加，强度、硬度增加，塑性、韧性降低。当w c⼤于 1.0%时，由于⽹状 Fe3CⅡ出现，导致钢的强度下降。为了保证⼯业⽤钢具有⾜够的强度和适宜的塑性、韧性，其w c⼀般不超过 1.3%～1.4%。w c⼤于 2.11%的铁碳合⾦(⽩⼝铸铁)，由于其组织中存在⼤量渗碳体，具有很⾼硬度，但性脆，难以切削加⼯，已不能锻造，故除作少数耐磨零件外，很少应⽤。16．铁碳合⾦相图有哪些⽤处？

答：在钢铁材料选⽤⽅⾯的应⽤；在铸造⼯艺⽅⾯的应⽤；在热锻、热轧⼯艺⽅⾯的应⽤；在热处理⼯艺⽅⾯的应⽤17．塑性变形和弹性变形有什么不同？

答：弹性变形是在物体受到外⼒时,其内部只存在晶格变形⽽⽆位移，外⼒消失后，晶格复位，物体形状也随之复原塑性变形是受外⼒后，其内部不単有晶格变形⽽且产⽣晶格移位，外⼒消失后,晶格不能复位,物体形状也不能复原。18．什么叫加⼯硬化？加⼯硬化是怎样产⽣的？加⼯硬化在⽣产中有哪些利弊？

答：在冷变形过程中，随着⾦属材料变形量的逐渐增加，抗拉强度逐渐增⼤，延伸率明显下降。这种⾦属的强度和硬度随变形量增⼤⽽增加，塑性和韧性下降的现象称之为加⼯硬化现象，也叫形变强化。

产⽣加⼯硬化的根本原因是⾦属材料在塑性变形时位错密度不断增加。⾦属的塑性变形主要是通过位错运动来实现的，如果位错运动受阻，⾦属的塑性变形就难以进⾏。随着塑性变形的进⾏，位错在运动时可通过各种机制发⽣增殖使位错密度不断增加，各种位错在运动中会频繁相遇，位错间相互作⽤加剧，出现位错纠结等现象，使位错的运动阻⼒增⼤，要使位错持续不断运动，即塑性变形不断进⾏，就必须增⼤外⼒，从⽽引起塑性变形抗⼒增加；⽽塑性变形抗⼒的增加，有进⼀步加剧位错运动的阻⼒，使位错在晶体中发⽣塞积，这⼜造成位错密度的增加加快。这样，⾦属的塑性变形就变得愈发困难，继续变形就必须增⼤外⼒，因此提⾼了⾦属的强度。

⾦属的加⼯硬化现象，对⾦属材料的使⽤有⾮常重要的实际意义。⾸先，它是提⾼⾦属强度的重要⽅法，尤其那些不能⽤热处理强化的材料，加⼯硬化更为重要，如纯⾦属、某些铜合⾦等。其次，加⼯硬化现象的存在有利于⾦属塑性变形加⼯的变形均匀性。

但是，加⼯硬化在⼯业⽣产中也有不利的⽅⾯。由于⾦属材料塑性的降低，给其进⼀步冷塑变形带来了困难，进⼀步变形需要更⼤的动⼒。有时由于塑性过低，机械变形会导致⾦属开裂。为了消除加⼯硬化现象，需要进⾏再结晶退⽕处理。19．形变内应⼒使由哪些⽅⾯造成的？试举例说明内应⼒的有利和有害之处。

答：经过塑性变形，外⼒对⾦属所做的功，约90%以上在使⾦属变形的过程中变成了热，使⾦属的温度升⾼，随后散掉；部分功转化为内应⼒残留于⾦属中，使⾦属的内能增加。残余的内应⼒就是指平衡于⾦属内部的应⼒，它主要是⾦属在外⼒的作⽤下所产⽣的内部变形不均匀⽽引起的。根据残余的内应⼒的作⽤范围分为三类。