第一章 工程材料根底知识 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屡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，表示材料外表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．比拟布氏、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压入材料的外表，经规定保持时间后卸除试验力，用读数显微镜测量剩余压痕平均直径d，用球冠形压痕单位外表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，将压头压入材料外表，保持规定时间后，去除主试验力，保持初始试验力，用剩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
硬度符号 | 压头类型 | 总试验力 F/N〔kgf〕 | 硬度范围 | 应用举例 |
HRA | 120o金刚石圆锥 | 588.4(60) | 20~88 | 硬质合金、碳化物、浅层外表硬化钢等 |
HRB | φ1.588mm淬火钢球 | 980.7(100) | 20~100 | 退火、正火钢，铝合金、铜合金、铸铁 |
HRC | 120o金刚石圆锥 | 1471(150) | 20~70 | 淬火钢、调质钢、深层外表硬化钢 |
| 韧性有什么用 |
〔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压入材料的外表，保持规定时间后卸除试验力，用正四棱锥压痕单位外表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、渗氮等外表硬化层。
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：原子呈规那么排列的物质称为晶体，晶体具有固定的熔点，呈现规那么的外形，并具有各向异性特征；原子呈不规那么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，那么晶界愈多，对塑性变形的阻碍作用愈大，金属的强度、硬度愈高。
6．解释以下名词：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
一般比拟复杂，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那么排列过渡到规那么排列的过程。
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Tn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，那么结晶后获得细晶。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，都将破坏原子的规那么排列，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，那么结晶后获得细晶。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参加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，到达细化晶粒的目的。
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wc=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响称为共晶转变，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wc=0.45%和wc=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。
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