【正文】 1 《 工程材料 》 復(fù)習(xí)思考題 參考 答案 06 級(jí)用 第一章 材料的性能 1. 如圖 1 所示，為五種材料的應(yīng)力 應(yīng)變曲線： a 45 鋼、 b鋁青銅、 c 35 鋼、 d硬鋁、 e 純銅。 試問(wèn)：（ 1）當(dāng)外加應(yīng)力為 35MPa 時(shí)，各材料處于什么狀態(tài)？ （ 2）有一用 35 鋼制做的軸，使用中發(fā)現(xiàn)彈性變形較大。如改用 45 鋼制作該軸，能否減少?gòu)椥宰冃危? 答：（ 1）從圖中可以看出，當(dāng)外加應(yīng)力為 35MPa 時(shí)： a 45 鋼為彈性狀態(tài)； b 鋁青銅、 c 35 鋼、d 硬鋁均處在強(qiáng)化階段，即為加工硬化狀態(tài)； e 純銅已被拉斷。 （ 2）否，從圖中可以看出， 45 鋼與 35 鋼 的彈性模 量是相同的，即它們抵抗彈性變形的能力是相同的。 2. 設(shè)計(jì)剛性好的零件，應(yīng)根據(jù)何種指標(biāo)選擇材料？采用何種材料為宜？ 答：應(yīng)根據(jù)彈性模量 E 的大小來(lái)選材，應(yīng)選擇 E 值大的材料，如陶瓷材料、黑色金屬材料等。 3. 常用的硬度方法有哪幾種？其應(yīng)用范圍如何？這些方法測(cè)出的硬度值能否進(jìn)行比較？ 答： 實(shí)際常使用的硬度試驗(yàn)方法有：布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度三種。三種硬度試驗(yàn)值有大致的換算關(guān)系，機(jī)械、機(jī)械工藝或金屬材料的手冊(cè)上面一般都有換算關(guān)系表。 布氏硬度 ： 布氏硬度 的使用上限是 HB450，適用于測(cè)定 硬度較低的金屬材料，如 退火、正火、調(diào) 質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。 洛氏硬度 ： 是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的硬度測(cè)量的方法，因?yàn)椴僮骱?jiǎn)便、迅速，可以直接讀出硬度值， 缺點(diǎn) 是 因壓痕小，對(duì)材料有偏析及組織不均勻的情況，測(cè)量結(jié)果分離度大，再現(xiàn)性較差 。 洛氏硬度 有 A、 B、 C 等幾種標(biāo)尺，其中 C 標(biāo)尺（即 HRC）用的最多 ， 該 硬度有效范圍是 2067(相當(dāng)于 HB230700)，適用于測(cè)定 硬度較高的金屬材料，如 淬火鋼及調(diào)質(zhì)鋼。 2 維氏硬度 ： 試驗(yàn)時(shí)加載的壓力小，壓入深度淺，對(duì)工件損傷小。特別適用于測(cè)量零件的表面淬硬層及經(jīng)過(guò)表面化學(xué)處理的硬度，精度比布氏、洛氏硬度精確。但是維氏硬度的試驗(yàn)操作較麻煩，一般在生產(chǎn)上很少使用，多用于實(shí)驗(yàn)室及科研方面。 4. 圖 2 為三種不同材料的拉伸曲線（試樣尺寸相同），試比較這三種材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和塑性的大小，并指出屈服強(qiáng)度的確定方法。 答： 抗拉強(qiáng)度： 2 〉 1 〉 3； 屈服強(qiáng)度： 3 〉 2； 塑性： 3 〉 2 〉 1； 屈服強(qiáng)度的確定方法： 3 可以直接得到， 2 可以通過(guò)測(cè)量產(chǎn)生 %的塑變來(lái)確定，即得到σ ， 1 沒(méi)有明顯的塑性變形，所以無(wú)屈服強(qiáng)度，只有抗拉強(qiáng)度。 5. 有一碳鋼制支架剛度不足，有人要用熱處理方法；有人要另選合金鋼；有人要改變零件載面形狀解決。哪種方法 合理？為什么？ 答：改變零件載面形狀的方法合理 。用熱處理方法和另選合金鋼都不合理，因?yàn)榱慵膭偠热Q于二個(gè)方面：一是材料的彈性模量，另一個(gè)是零件的載面形狀，而材料的彈性模量是相對(duì)穩(wěn)定的力學(xué)性能指標(biāo)外（即這一指標(biāo)對(duì)材料的組織狀態(tài)不敏感），用熱處理方法無(wú)法改變，對(duì)于同一合金系當(dāng)成分改變時(shí)，材料的彈性模量也不變化。 6. 在圖樣上，為什么只用硬度來(lái)表示對(duì)機(jī)件的力學(xué)性能要求 ? 答： ① 硬度試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單易行 ； ② 無(wú)損于零件 ； L0 圖 1 變形量 Δ L 載荷P 圖 2 L0 3 ③ 是綜合 性的力學(xué)性能指標(biāo)，即 它具有代表性，通過(guò)它可以間接了解其它力學(xué)性能指標(biāo)。 第二 章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 1．解釋下列名詞 點(diǎn) 缺陷，線缺陷，面缺陷， 位錯(cuò)， 單晶體，多晶體，過(guò)冷度，自發(fā)形核，非自發(fā)形核，變質(zhì)處理，變質(zhì)劑 ，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（重結(jié)晶）。 答： 點(diǎn)缺陷：原子排列不規(guī)則的區(qū)域在空間三個(gè)方向尺寸都很小，主要指空 位 間隙原子、置換原子等。 線缺陷：原子排列的不規(guī)則區(qū) 域 在空間一個(gè)方向上的尺寸很大，而在其余兩個(gè)方向上的尺寸很小。如位錯(cuò)。 面缺陷：原子排列不規(guī)則的區(qū)域在空間兩個(gè)方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小 。如晶界和亞晶界。 位錯(cuò)： 晶體中在兩排原子面之間多出不完整的原子面的現(xiàn)象。 位錯(cuò)可認(rèn)為是晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體的局部滑移而造成?；撇糠峙c未滑移部分的交界線即為位錯(cuò)線。如果相對(duì)滑移的結(jié)果上半部分多出一半，多余半原子面的邊緣好像插入晶體中的一把刀的刃口，故稱“刃型位錯(cuò)”。 單晶體：如果一塊晶體，其內(nèi)部的晶格位向完全一致， 則 稱這塊晶體為單晶體。 多晶體：由多種晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)稱為“多晶體”。 過(guò)冷度：實(shí)際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之差稱為過(guò)冷度。 自發(fā)形核：在一定條件下，從液態(tài)金屬中直接產(chǎn)生，原子呈規(guī)則 排列的結(jié)晶核心。 非自發(fā)形核：是液態(tài)金屬依附在一些未溶顆粒表面所形成的晶核。 變質(zhì)處理：在液態(tài)金屬結(jié)晶前，特意加入某些難熔固態(tài)顆粒，造成大量可以成為非自發(fā)晶核的固態(tài)質(zhì)點(diǎn)，使結(jié)晶時(shí)的晶核數(shù)目大大增加，從而提高了形核率，細(xì)化晶粒，這種處理方法即為變質(zhì)處理。 變質(zhì)劑：在澆注前所加入的難熔雜質(zhì)稱為變質(zhì)劑。 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（重結(jié)晶）：金屬的晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化而改變的現(xiàn)象。 4 ？α Fe 、γ Fe 、 Al 、 Cu 、 Ni 、 Pb 、 Cr 、 V 、 Mg、Zn 各屬何種晶體結(jié)構(gòu)？ 答：常 見(jiàn)金屬晶體結(jié)構(gòu)：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格 ； α－ Fe、 Cr、 V 屬于體心立方晶格 ； γ－ Fe 、 Al、 Cu、 Ni、 Pb 屬于面心立方晶格 ； Mg、 Zn 屬于密排六方晶格 ； ，線缺陷和面缺陷對(duì)金屬性能有何影響？ 答：如果金屬中無(wú)晶體缺陷時(shí)，通過(guò)理論計(jì)算具有極高的強(qiáng)度，隨著晶體中缺陷的增加，金屬的強(qiáng)度迅速下降，當(dāng)缺陷增加到一定值后，金屬的強(qiáng)度又隨晶體缺陷的增加而增加。因此，無(wú)論點(diǎn)缺陷，線缺陷和面缺陷都會(huì)造成晶格崎變，從而使晶體強(qiáng)度增加。同時(shí)晶體缺陷的存在還會(huì)增加金屬的電阻，降低金 屬的抗腐蝕性能。 ，而多晶體在一般情況下不顯示出各向異性？ 答：因?yàn)閱尉w內(nèi)各個(gè)方向上原子排列密度不同，造成原子間結(jié)合力不同，因而表現(xiàn)出各向異性；而多晶體是由很多個(gè)單晶體所組成，它在各個(gè)方向上的力相互抵消平衡，因而表現(xiàn)各向同性。 ？它對(duì)金屬結(jié)晶過(guò)程有何影響？對(duì)鑄件晶粒大小有何影響？ 答： ① 冷卻速度越大，則過(guò)冷度也越大。 ② 隨著冷卻速度的增大，則晶體內(nèi)形核率和長(zhǎng)大速度都加快，加速結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行，但當(dāng)冷速達(dá)到一定值以后則結(jié)晶過(guò)程將減慢，因?yàn)檫@時(shí)原子的擴(kuò)散能力減 弱。 ③ 過(guò)冷度增大，Δ F 大，結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力大，形核率和長(zhǎng)大速度都大，且N 的增加比 G 增加得快，提高了 N 與 G 的比值，晶粒變細(xì)，但過(guò)冷度過(guò)大，對(duì)晶粒細(xì)化不利，結(jié)晶發(fā)生困難。 ？晶核的形成率和成長(zhǎng)率受到哪些因素的影響？ 答： ① 金屬結(jié)晶的基本規(guī)律是形核和 晶 核 按樹枝狀 長(zhǎng)大。 ② 受到過(guò)冷度的影響，隨著過(guò)冷度的增大，晶核的形成率和成長(zhǎng)率都增大，但形成率的增長(zhǎng)比成長(zhǎng)率的增長(zhǎng)快；同時(shí)外來(lái)難熔雜質(zhì)以及振動(dòng)和攪拌的方法也會(huì)增大形核率。 ，采用哪些措施控制晶粒大??？在生產(chǎn)中如何應(yīng)用變質(zhì)處理？ 5 答： ① 加快冷卻速度：用金屬 模鑄造以及在砂模中加冷鐵以加快冷卻速度的方法來(lái)控制晶粒大小。 ② 變質(zhì)處理：在液態(tài)金屬結(jié)晶前，特意加入某些難熔固態(tài)顆粒，造成大量可以成為非自發(fā)晶核的固態(tài)質(zhì)點(diǎn)，使結(jié)晶時(shí)的晶核數(shù)目大大增加，從而提高了形核率，細(xì)化晶粒。 ③機(jī)械振動(dòng)、攪拌。 ，金屬、陶瓷和高分子材料有何主要區(qū)別？在性能上有何表現(xiàn)？ 答：金屬材料以金屬鍵結(jié)合， 金屬鍵沒(méi)有方向性和飽和性， 金屬晶體中，自由電子彌漫在整個(gè)體積中， 稱為電子云，它就象 “膠水”一樣把 金屬的原子（或離子） 連結(jié)在一起，金屬的原子（或離子） 處在 相同的環(huán)境中，當(dāng)外力作用使晶體發(fā)生滑移時(shí)，滑移面兩側(cè)的 原子（或離子） 仍能 通過(guò) 自由電 子結(jié)合，所以具有良好的延展性（即塑性）； 自由電子 在電場(chǎng)作用下容易定向遷移， 自由電子 受到光的作用 容易在不同能級(jí) 間躍遷 ，所以金屬具有良好的導(dǎo)電性和金屬光澤。 陶瓷材料是通過(guò)共價(jià)鍵和離子鍵結(jié)合的，這兩種鍵都要求離子之間的價(jià)電子方位是確定的，當(dāng)外力作用使晶體滑移時(shí) ，就會(huì)破壞離子之間的價(jià)電子方位，造成離子之間的分離，所以陶瓷材料 不具有延展性，又因這兩種鍵的結(jié)合力大，無(wú)自由電子，宏觀上表現(xiàn)為材料的熔點(diǎn)、強(qiáng)度、硬度很高，而脆性大，絕緣性好 。 高分子材料具有長(zhǎng)分子鏈構(gòu) ，分子鏈中的離子靠共價(jià)鍵結(jié)合，而分子鏈之間是靠分子鍵（包括氫鍵）結(jié)合，分子鍵屬于物理鍵（金屬鍵、共價(jià)鍵和離子鍵屬于化學(xué)鍵），其結(jié)合力比化學(xué)鍵小 1~2 個(gè)數(shù)量級(jí)，所以高分子材料的強(qiáng)度、硬度低 ， 彈性模量小 ； 由于長(zhǎng)分子鏈在外力作用下可以 伸直和卷曲，所以彈性變形量大。 第三 章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶 1．解釋下列名詞： 加工硬化、回復(fù)、再結(jié)晶、熱加工、冷加工 ，纖維組織，變形強(qiáng)化，細(xì)晶強(qiáng)化。 答：加工硬化：隨著塑性變形的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度迅速增加；塑性、韌性迅速下降的現(xiàn)象。 回復(fù)： 為了消除金屬的加工硬化現(xiàn)象，將變形金屬加熱到某一溫度，以使其組織和性能發(fā) 6 生變化。在加熱溫度較低時(shí)，原子的活動(dòng)能力不大，這時(shí)金屬的晶粒大小和形狀沒(méi)有明顯的變化，只是在晶內(nèi)發(fā)生點(diǎn)缺陷的消失以及位錯(cuò)的遷移等變化，因此，這時(shí)金屬的強(qiáng)度、硬度和塑性等機(jī)械性能變化不大，而只是使內(nèi)應(yīng)力及電阻率等性能顯著降低。此階段為回復(fù)階段。 再結(jié)晶：被加熱到較高的溫度時(shí)，原子也具有較大的活動(dòng)能力，使晶粒的外形開(kāi)始變化。從破碎拉長(zhǎng)的晶粒變成新的等軸晶粒。和變形前的晶粒形狀相似，晶格類型相同，把這一階段稱為“再結(jié)晶”。 熱加工： 將金屬加熱 到再結(jié)晶溫度以上一定溫度進(jìn)行 的 壓力加工。 冷加工：在 再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的壓力加工。 纖維組織：經(jīng)過(guò)一定塑性變形后，金屬組織（特別是晶界上存在的雜質(zhì)）沿變形方向的流線分布叫纖維組織。 變形強(qiáng)化：即利用加工硬化有利的一面：經(jīng)過(guò)一定塑性變形來(lái)增加金屬的強(qiáng)度、硬度的方法。 細(xì)晶強(qiáng)化：通過(guò)細(xì)化晶粒達(dá)到提高金屬材料的強(qiáng)度、硬度迅速、塑性、韌性的方法。 2．產(chǎn)生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金屬加工中有什么利弊？ 答： ① 隨著變形的增加，晶粒逐漸被拉長(zhǎng)，直至破碎，這樣使各晶粒都破碎成細(xì)碎的亞晶粒，變形愈大，晶粒破碎的程度 愈大，這樣使位錯(cuò)密度顯著增加；同時(shí)細(xì)碎的亞晶粒也隨著晶粒的拉長(zhǎng)而被拉長(zhǎng)。因此，隨著變形量的增加，由于晶粒破碎和位錯(cuò)密度的增加，金屬的塑性變形抗力將迅速增大，即強(qiáng)度和硬度顯著提高，而塑性和韌性下降產(chǎn)生所謂“加工硬化”現(xiàn)象。 ② 金屬的加工硬化現(xiàn)象會(huì)給金屬的進(jìn)一步加工帶來(lái)困難，如鋼板在冷軋過(guò)程中會(huì)越軋?jiān)接?，以致最后軋不?dòng)。另一方面人們可以利用加工硬化現(xiàn)象，來(lái)提高金屬?gòu)?qiáng)度和硬度，如冷拔高強(qiáng)度鋼絲就是利用冷加工變形產(chǎn)生的加工硬化來(lái)提高鋼絲的強(qiáng)度的。加工硬化也是某些壓力加工工藝能夠?qū)崿F(xiàn)的重要因素。如冷拉鋼絲拉過(guò)模孔的部分 ，由于發(fā)生了加工硬化，不再繼續(xù)變形而使變形轉(zhuǎn)移到尚未拉過(guò)模孔的部分，這樣鋼絲才可以繼續(xù)通過(guò)?？锥尚?。 3．劃分冷加工和熱加工的主要條件是什么？ 7 答：主要是再結(jié)晶溫度。在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的壓力加工為冷加 工，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象；反之為熱加工，產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象被再結(jié)晶及時(shí) 消除。 4．與冷加工比較，熱加工給金屬件帶來(lái)的益處有哪些？ 答：（ 1）通過(guò)熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的氣孔焊合，從而使其致密度得以提高。 （ 2）通過(guò)熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的枝晶和柱狀晶破碎，從而使晶粒細(xì)化，機(jī)械性能提高。 （ 3）通過(guò)熱加工，可使鑄 態(tài)金屬中的枝晶偏析和非金屬夾雜分布發(fā)生改變，使它們沿著變形的方向細(xì)碎拉長(zhǎng)，形成熱壓力加工“纖維組織”（流線），使縱向的強(qiáng)度、塑性和韌性顯著大于橫向。如果合理利用熱加工流線，盡量使流線與零件工作時(shí)承受的最大拉應(yīng)力方向一致，而與外加切應(yīng)力或沖擊力相垂直，可提高零件使用壽命。 5．為什么細(xì)晶粒鋼強(qiáng)度高，塑性，韌性也好？ 答：晶界是阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的，而各晶粒位向不同，互相約束，也阻礙晶粒的變形。因此，金屬的晶粒愈細(xì)，其晶界總面積愈大，每個(gè)晶粒周圍不同取向的晶粒數(shù)便愈多，對(duì)塑性變形的抗力也愈大。因此， 金屬的晶粒愈細(xì)強(qiáng)度 愈高。同時(shí)晶粒愈細(xì)，金屬單位體積中的晶粒數(shù)便越多，變形時(shí)同樣的變形量 便 可分散在更多的晶粒中發(fā)生，產(chǎn)生較均勻的變形，而不致造成局部的應(yīng)力集中，引起裂紋的過(guò)早產(chǎn)生和發(fā)展。因此， 塑性，韌性也越好。 6．金屬經(jīng)冷塑性變形后，組織和性能發(fā)生什么變化？ 答： ① 晶粒沿變形方向拉長(zhǎng)， 產(chǎn)生纖維組織， 性能趨于各向異性，如縱向的強(qiáng)度和塑性遠(yuǎn)大于橫向等； ② 晶粒破碎，位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生加工硬化，即隨著變形量的增加，強(qiáng)度和硬度顯著提高，而塑性和韌性下降； ③ 織構(gòu)現(xiàn)象的產(chǎn)生，即隨著變形的發(fā)生，不僅金屬中的晶粒會(huì)被破碎拉長(zhǎng)，而且各晶粒的晶格 位向也會(huì)沿著變形的方向同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)果金屬中每個(gè)晶粒的晶格位向趨于大體一致，產(chǎn)生織構(gòu)現(xiàn)象； ④ 冷壓力加工過(guò)程中由于材料各部分的變形不均勻或 晶粒內(nèi)各部分和各晶粒間的變形不均勻，金屬內(nèi)部會(huì)形成殘余的內(nèi)應(yīng)力。 7．分