东南大学工程材料习题参考答案

工程材料习题参考答案


第一章.习题参考答案
1-1、名词解释
1、σb抗拉强度---金属材料在拉断前的最大应力，它表示材料对最大均匀塑性变形的抗力。
2、σs屈服强度----表示材料在外力作用下开始产生塑性变形的最低应力，表示材料抵抗微量塑性变形的能力。
3、σ0.2屈服强度----试样产生0.2%残余应变时的应力值为该材料的条件屈服。
4、δ伸长率----塑性的大小用伸长率δ表示。
5、HBS布氏硬度---以300Kg的压力F将直径D的淬火钢球压入金属材料的表层，经过规定的保持载荷时间后，卸除载荷，即得到一直径为d的压痕。
6、HRC洛氏硬度---是以120o 的金刚石圆锥体压头加上一定的压力压入被测材料，根据压痕的深度来度量材料的软硬，压痕愈深，硬度愈低。
7、σ﹣1（对称弯曲疲劳强度）---表示当应力循环对称时，光滑试样对称弯曲疲劳强度。
8、K1C （断裂韧性）---应力强度因子的临界值。
1-2、试分别讨论布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度适用及不适用于什么场合？
1、布氏硬度 适用于退火和正火态的黑色金属和有色金属工件，
不适用于太薄、太硬（﹥450HB）的材料。
2、洛氏硬度 适用于检测较薄工件或表面较薄的硬化层的硬度，
适用于淬火态的碳素钢和合金钢工件
不适用于表面处理和化学热处理的工件。
3、维氏硬度 适用于零件表面薄硬化层、镀层及薄片材料的硬度，
不适用于退火和正火及整体淬火工件。
第二章.习题参考答案
2-1、名词解释
晶体---指原子（原子团或离子）按一定的几何形状作有规律的重复排列的物体。
2、非晶体---组成物质的原子是无规律、无次序地堆聚在一起的物体。
3、单晶体---结晶方位完全一致的晶体。
4、多晶体---由多晶粒组成的晶体结构。
5、晶粒---每个小晶体具有不规则的颗粒状外形。
2-2、何谓空间点阵、晶格、晶体结构和晶胞？常用金属的晶体结构是什么？划出其晶胞，并分别计算起原子半径、配位数和致密度？
1、空间点阵---为了便于分析各种晶体中的原子排列及几何形状,通常把晶体中的原子假想为几何结点,并用直线从其中心连接起来,使之构成一个空间格子。
2、晶格---这种表示晶体中原子排列形式的空间格子。
晶胞---构成晶格的最基本的几何单元。
4、常用金属的晶体结构有：
体心立方晶格： 1）、原子半径 r = ;2）、 配位数＝8
3）、致密度 致密度＝＝
2×4/3πγ3 / a3＝2×4/3π（31/2 /4 a）3 / a3 ＝0﹒68
面心立方晶格:
1）、原子半径 r =21/2 /4 a
2）、配位数＝12

3）、致密度＝nu/v
＝4×4/3πγ3/ a3
＝4×4/3π（21/2 /4 a）3/ a3 ＝0﹒74
密排六方晶格:
1）、原子半径 r = 1/2a
2）、配位数＝12
3）、致密度＝nu/v
＝6×4/3πγ3 /3 a3×Sin600×C
＝π/23/2 ＝0﹒74
2-3. 何谓理想晶体和实际晶体?为什么单晶体呈各向异性而多晶体在大多数情况下没有各向异性现象?
1、理想晶体----是原子按一定规则排列的单晶体，内部晶体方位完全一致，且完好无损的，具有各向异性。
2．答：实际晶体为多晶体，由许多不同位向的小晶粒组成，且有许多晶体缺陷，如点缺陷（空位、溶质原子），线缺陷（位错），面缺陷（晶界等），具有伪各向同性。
3、单晶体呈各向异性是由于单晶体在不同晶向上的原子密度不同，在不同方向上的原子结合力不同，因而其弹性模量也不同，显示出各向异性。
多晶体在大多数情况下没有各向异性现象,因为多晶体是由大量彼此位向不同的晶粒组成，多晶体中各个晶粒的位向紊乱，其各向异性显示不出来，结果使多晶体呈现各向同性或称伪无向性。
2-4、何谓同素异晶转变？试以铁为例说明之？
答：同素异晶转变是一种金属具有两种或两种以上的晶体结构，把这种金属的不同晶体结构改变的现象。p18 如铁在结晶之后继续冷却时，会发生结构的变化，从一种晶格转变为另一种晶格 δ-Fe 1394℃ γ-Fe 921℃ α-Fe 。
2-5、在实际晶体中存在着哪几类缺陷？
答：在实际晶体中存在着：1.点缺陷（空位、溶质原子）2、线缺陷（位错：刃型位错和螺型位错）3、面缺陷（晶界、亚晶界等）
2-10、为什么金属结晶时一定要有过冷度？冷却速度与过冷度的关系是什么？
答：在平衡温度处，液体与晶体处于动平衡状态，此时，液体的结晶速度与晶体的熔化速度相等。也就是当金属处于平衡温度时，金属不能进行有效的结晶过程。要使结晶进行，则必须将液体冷至低于平衡温度。晶体总是在过冷的情况下结晶的，因此过冷是金属结晶的必要条件，所以，金属结晶时一定要有过冷度。冷却速度与过冷度的关系是冷却速度愈大，过冷度也愈大。
2-13、晶粒大小对金属性能有何影响？细化晶粒方法有哪些？
答：在一般情况下,晶粒愈小,则金属的强度.塑性和韧性愈好.细化晶粒是提高金属性能的重要途径之一，晶粒愈细，强度和硬度愈高，同时塑性韧性愈好。细化晶粒方法有：增大过冷度； 2.变质处理； 3.附加振动或搅动等方法；
第三章.习题参考答案
3-1、塑性变形的基本方式有几种？塑性变形的的物理本质是什么？
答：塑性变形的基本方式有：滑移和孪生。
塑性变形的的物理本质：滑移和孪生共同产生的塑性

变形。
滑移是晶体的一部分相对另一部分做整体刚性移动。孪生是在切应力的作用下，晶体的一部分相对另一部分沿着一定的晶面（孪生面）产生一定角度的切变
3-2、为什么金属的实际强度要比理论强度低得多？详细说明之。
答：这是因为实际金属晶体存在着各种晶体缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷。
3-4、加热对冷变形金属的组织和性能有何影响？
答：当对变形金属进行加热时，其组织和性能将发生回复、再结晶和晶粒长大的变化过程。
回复阶段:变形金属的强度.硬度与塑性等变化不大,但内应力.电阻等明显降低.
3-7.怎样区分冷加工和热加工？为什么锻件比铸件的力学性能好？热加工会造成哪些组织缺陷？
答：金属的冷加工和热加工的界限是以金属的再结晶温度来区分的。
锻件：经过热塑性变形把粗大的柱状晶和枝晶击碎并形成等柱细晶组织，改善力学性能。还可将铸态金属中的疏松、气孔、微裂纹，经热塑性变形被压实或焊合，从而使组织致密，性能提高。所以，锻件比铸件的力学性能好。热加工会造成纤维组织缺陷：
经热塑性变形后，金属中的非金属夹杂物沿着变形的流动方向破碎和拉长，并沿着被拉的金属晶粒的界面分布，形成纤维组织（流线），使金属的性能具有明显的各向异性。再结晶
后:变形组织.性能完全消失,而硬度.强度显著下降,塑性韧性明显提高,内应力基本消除,
金属恢复到变形前的性能.再结晶后如果形成粗大的晶粒,使金属的力学性能显著降低.
3-8．共析钢珠光体组成相F和Fe3C相对量(重要补充)
F＝×100%＝(6.69－0.77)/6.69×100%＝88%，Fe3C＝1－88%＝12%
第四章、 二元合金
4-1、名词解释
1、置换固溶体---是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体。
2、间隙固溶体---溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体。
3、正常价化合物---是指符合一般化合物的原子价规律的化合物,它们是由在周期表上相距
较远.电化学性相差较大的元素组成。
4、电子化合物---是第一族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元素形成的化合物,它们不遵循原子价规律,但是有一定的电子浓度。
5、间隙化合物--由过渡族金属元素与原子半径较小的C.N.H.B等非金属元素形成的化合物。
6、渗碳体---是钢铁中一种最重要的具有复杂结构的间隙化合物，碳原子直径与铁原子直
径之比为0.61。 P35 渗碳体---C与Fe的化合物。
7、合金渗碳体---渗碳体具有复杂的斜方晶格，其中铁原子可以部分地被其他金属原子所置换，形成以渗碳体为基的固溶体。P36
8、相图---是一种简明的示意图，它清楚地表明了合金系中各种相的平衡条件以

及相与相之间的关系。
9、共晶转变---成分为E点的液相Le同时结晶出两种成分和结构都不相同的固相αM＋βN 这种转变称为共晶转变。
10、共析转变---从一个固相中同时析出成分和晶体结构完全不同两种新相的转变过程。
11、杠杆定律--- ＝，可见液、固两相的相对量的关系，如同力学中的杠杆定律，称此式为杠杆定律。
12、晶内偏析---在一个晶粒内化学成分不均匀的现象。
13、比重偏析---因比重不同而造成化学成分不均匀的现象。
14、包晶偏析---由于包晶转变不能充分进行而产生化学成分不均匀的现象。
15、组织组成物---在显微镜下能清楚地区别一定形态特征的组成部分,该组成部分称为组织组成物。
第五章、 铁碳合金
5-1、名词解释
1、铁素体---C在α﹣Fe中的固溶体。用F或α表示。
2、奥氏体---C在γ﹣Fe中的间隙固溶体。用A或γ表示。
3、珠光体---共析转变产物是铁素体F和渗碳体Fe3C的机械混合物.用符号P表示。
4、Fe3CⅡ---含碳量﹥0.77%的合金，在1148℃冷却到727℃的过程中，合金沿γ晶界析出
的Fe3C ，呈网状分布。
5、Fe3CⅢ--一般铁碳合金由727℃冷却到室温时，将由铁素体析出渗碳体.
6、Fe3C--对于过共晶白口铁，当合金冷却至1148℃时，开始从液相中结晶出先共晶渗碳体.
7、Ac1。Ac3、Acm----是碳钢在极缓慢地加热或冷却时的转变温度.
5-3、试计算珠光体中相组成物中的百分比？
F＝S‘K‘/QK‘×100% ＝(6.69－0.77)/6.69×100%＝88%
Fe3C＝QS’/QK’×100%＝12%.
5-5、在碳钢中Mn以何种形式存在？对钢的性能有何影响？
答：1、Mn的大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，使铁素体强化。
2、一部分Mn溶入Fe3C中，形成合金渗碳体(Fe Mn)3C 。
3、Mn使珠光体含量增加，细化珠光体，提高钢的强度。
5-6、在碳钢中Si以何种形式存在？对钢的性能有何影响？
答： 1、大部分Si能溶于铁素体中，使铁素体强化，使钢σb 增加.HB.增加 δ下降. aK下降。2、少部分Si存在于硅酸盐夹杂中。
5-7、碳钢中的P、S对钢的性能有何影响？
答： P是一种有害元素，会使钢产生冷脆。
S是在炼钢时由矿石、燃料带进钢中， S不溶于铁，而以FeS的形式存在， FeS与Fe生成
低熔点（985℃）的共晶体（二元共晶）， FeS、FeO和Fe还生成低熔点（944℃）的三元共
晶体,会使钢产生热脆.
第六章
?6-1、奥氏体的形成过程可分为哪几个阶段？影响奥氏体形成过程的因素有哪些？
答：奥氏体的形成过程可分为：
奥氏体晶核的形成与长大 2、残余渗碳体的溶解 3、奥氏体的均匀化
影响奥氏体形成过程的因素有：
1）、加热温度 2）、加热速度 3）、原始组织 4）、碳及合

金元素
6-3、过冷奥氏体的转变产物有哪几种类型？比较这几种转变类型的异同点。
答： 1、过冷奥氏体的转变产物有三种类型：珠光体转变；贝氏体转变；马氏体转变
过冷奥氏体转变类型相同点：在转变过程中要发生晶格的重构，通过形核和长大来完成。
3、 过冷奥氏体转变类型不同点：
1）、珠光体转变是扩散型转变。
2）、贝氏体转变时只发生碳原子的扩散，铁原子不扩散，贝氏体转变是半扩散型转变。
3）、马氏体转变是无扩散型转变。
6-4、钢材的退火、正火、淬火、回火应用在什么场合？热处理后形成的组织是什么？
答：3、热处理后形成的组织和应用
1）、退火 p72完全退火组织： F＋P组织 应用：亚共析钢和合金钢铸、锻件
球化退火组织：球化体或球状珠光体 .应用：过共析钢或合金工具钢
去应力退火应用：组织未发生改变. 铸件、锻件、焊接件、冷冲压件
2）、正火 正火组织： 索氏体组织 应用:低碳钢、低碳合金钢
3）、淬火 淬火组织：马氏体 应用：碳钢、合金钢零件
6-5、淬透性与淬透层深度、淬硬性有哪些区别？影响淬透性因素有哪些？
答：1、淬透性与淬透层深度、淬硬性的区别：
淬透性是钢在淬火时获得马氏体的能力，它是钢材本身固有的属性。淬透性的好坏与含碳
量和合金元素有关。
淬硬性是钢淬火后，马氏体所能达到的最高硬度。淬硬性主要取决于加热时溶入奥氏体中
的含碳量，而合金元素没有明显的影响。
淬透层深度是淬火工件表面至半马氏体区（马氏体与非马氏体组织各占一半的地方）距离。
影响淬透性因素有：临界冷却速度Vk 。
影响临界冷却速度的因素:钢的化学成分,特别是合金元素及含量。
6-6、化学热处理的基本过程是什么？常用的化学热处理方法有哪些？各自的目的是什么？
答：1、化学热处理的基本过程是：分解；吸收；扩散
2、常用的化学热处理方法有：钢的渗碳；钢的渗氮；碳氮共渗
钢的渗碳目的：
增加工件表面的碳含量,提高工件表面的硬度和耐磨性，同时保持心部有良好的韧性。
钢的渗氮目的：
向钢的表层渗入氮原子，以提高工件表层的硬度、耐磨性、疲劳强度及耐蚀性
碳氮共渗目的：增加表面碳、氮含量,提高工件表面耐磨性,疲劳强度和耐蚀性。比单一
的渗碳、渗氮具有更高的性能。
6-9.某齿轮要求齿面高硬度、耐磨,而心部具有一定的韧性,拟采用下列材料和热处理工艺:
(1) 、45钢调质; (2) 、45钢高频淬火、低温回火; (3) 、T8钢整体淬火、中温回火;
(4) 、20钢渗碳淬火、低温回火;试从所达到的力学性能、热处理工艺的简繁、成本

高低等几个方面加以比较.
答:(1) 、45钢调质,得回火索氏体,性能达不到齿轮要求.
(2) 、45钢高频淬火、低温回火,表面为中碳回火马氏体,心部韧性偏高,性能达不到齿轮
要求.
(3) 、T8钢整体淬火、中温回火,齿轮整体为回火屈氏体,齿轮的表面和心部性能都达不到要求.
(4) 、20钢渗碳淬火、低温回火,表面为高碳马氏体,心部韧性很好,符合齿轮性能要求. 20钢成本低,选择(4)的材料和热处理工艺.
第七章
7-1、名词解释：
1、合金钢---为了改善钢的组织与性能,在非合金钢的基础上有意识地加入一些合金元素后所获得的钢种。P98
2、合金元素--为合金化目的而加入且含量在一定范围的元素。
3、二次硬化--当含W.Mo.Ti含量高的淬火钢，在500～600℃温度范围回火时，其硬度并不降低，反而升高,把这种在回火时硬度升高的现象。
4、回火脆性--合金钢淬火后，在某一温度范围回火时，出现脆化的现象。
7-2、合金钢与碳钢相比，具有哪些特点？
答：碳钢的缺点：1.淬透性低 2.强度低,屈强比低3.回火稳定性差 4.不具备某些特殊性能
7-3、钢中有哪些常存杂质？它们对钢的性能有何影响？
答：钢中常存杂质有：P和S. P是一种有害元素，会使钢产生冷脆
S是在炼钢时由矿石、燃料带进钢中，S不溶于铁，而以FeS的形式存在， FeS与Fe生成低熔点（985℃）的共晶体（二元共）， FeS、FeO和Fe还生成低熔点（944℃）的三元共晶体,会使钢产生热脆。
7-5、合金元素对淬火钢的回火转变有何影响？
答：1、提高钢的回火稳定性 2、产生二次硬化 3、回火脆性
7-8.拖拉机的变速齿轮,材料为20CrMnTi,要求齿面硬度58～64HRc,分析说明采用什么热处理工艺才能达到这一要求?
答: 20CrMnTi 调质＋920℃渗碳淬火＋180℃回火能达到拖拉机的变速齿轮的性能要求.
调质:满足心部具有足够的强度和韧性,即综合性能好.
渗碳淬火＋低温回火:使齿面具有高的含碳量,并且获得高碳低合金的回火马氏体.能满足齿面的硬度要求.
7-9.高速钢淬火后为什么需要进行三次回火?在560℃是否是调质处理?为什么?
答:高速钢淬火后,残余奥氏体的量达到20%～30%,三次回火促使残余奥氏体发生转变.
在560℃进行三次回火,一方面从马氏体中沉淀析出细小分散的W2C、MoC、VC, 形成”弥散
硬化”.另一方面从残余奥氏体中析出合金碳化物,降低残余奥氏体中合金的浓度,是Ms点
上升,当随后冷却时,残余奥氏体转变成马氏体,产生”二次淬火”.回火后组织为回火马氏
体＋合金碳化物＋少量残余奥氏体.在560℃回火不是调质处理.
7-11.某机床齿轮选用45钢制作,其加工工艺路线如下:
下料 锻造 热处理1 机械加工1 热处

理2 机械加工2
试说明各热处理和机械加工的名称.
答:热处理1: 为正火或调质处理工艺; 机械加工1: 粗加工;
热处理2: 渗碳淬火＋低温回火 机械加工2: 精加工
第八章
8-1、石墨的存在对铸铁的性能有哪些影响？
答：石墨的形态:具有六方晶格，原子呈层状排列，原子呈分子键结合，结合力较弱。石墨的存在对铸铁的性能影响有:
1).收缩率减少:铸铁在凝固冷却过程中析出比容较大的石墨，使铸铁的收缩率减少。
2).切削加工性良好:由于石墨片分割了基体，从而使铸铁切削容易脆断，使铸铁切削加工性良好。
3).优良的减摩性:由于石墨本身的润滑作用，以及当它从基体中掉落后所遗留下的孔洞具有存油的作用的原因.
4).良好的消振性:由于石墨组织松软，能吸收振动，使其具有良好的消振性。
5).低的缺口敏感性:石墨片相当于许多裂纹，使铸铁具有低的缺口敏感性。
6).抗拉强度、塑性和韧性不如钢:石墨片看成铸铁中一些微裂纹，裂纹不仅分割了基体，而且在尖端处还会产生应力集中的原因.
8-2、影响铸铁性能的因素有哪些？
答：影响铸铁性能的因素是铸铁的化学成分和铸铁的冷却速度。
8-3、如何选择灰铸铁的退火工艺？
答：1.消除内应力的退火（人工时效）：将铸件缓慢升温至500～600℃，经4～8小时的保温，再缓慢冷却下来。2.改善切削加工性的退火（消除局部白口的软化退火）：将铸件加热到850～900℃，保温2～5小时，使Fe3C分解，然后随炉缓冷至400～500℃，而后出炉空冷
8-4、黑心可锻铸铁的退火工艺过程如何？
答：黑心可锻铸铁的退火工艺是要进行第一、二阶段的石墨化过程。
第一阶段的石墨化过程：把白口铁加热到900～1000℃，经一定时间，使铸态的奥氏体＋渗
碳体组织转变为奥氏体＋团絮状石墨组织。
第二阶段的石墨化过程：从高温逐步降温，在共析转变温度范围（750～720℃），使共析渗
碳体（可能出现的二次渗碳体）充分分解，缓慢冷却,并最终获得铁素体＋团絮状石墨组织。
8-6、球墨铸铁的性能有何特点？
答：球墨铸铁具有灰铸铁的一系列优点，如良好的铸造性能，减摩性，可切削性及缺口敏感性等。
球墨铸铁的疲劳强度大致与中碳钢相似，耐磨性甚至还优于表面淬火钢。
球墨铸铁通过合金化和热处理，还可获得具有下贝氏体、马氏体、屈氏体、索氏体和奥氏体等组织。
第九章
9-1、名词解释
形变铝合金----成分小于Al-Me合金相图中的Dˊ的合金在加热时能形成单相固溶体α，这种合金塑性好，适于压力加工的合金
铸造铝合金---成分大于Al-Me合金相图中的Dˊ点的合金，具有低熔点共晶组织（α＋θ

）流动性好，适于铸造，但塑性低，不适于压力加工的合金
3、时效强化---淬火后铝合金随时间延长而发生强化现象的铝合金。
4、硅铝明---Al-Si系铸造铝合金称为硅铝明。
变质处理---浇铸前向合金中加入2/3NaF＋1/3NaCl混合物的变质剂,加入量为合金重量的2～3%.
6、黄铜---Cu-Zn系合金称为黄铜。
7、青铜--- Cu-Sn系合金称为青铜。
8、轴承合金---是指制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的合金。
9-2、不同铝合金可通过哪些途径达到强化的目的？
答：能热处理的铝合金如Al-Cu系合金可通过时效强化达到强化的目的。
如硬铝、超硬铝、锻造铝合金可通过热处理强化。热处理不能强化的铝合金，如Al-Mn、
Al-Mg可通过冷变形方法提高其强度。
9-3、硅铝明的成分特点是什么？铸造性能如何？能否直接浇注？为什么？
1).硅铝明的成分特点:含硅为（11%～13%）Si，成分在共晶点附近。铸造后几乎全部是由
粗大针状硅晶体和α固溶体组成的共晶组织。
2).铸造性能:流动性好，熔点低，热裂倾向小，但粗大针状硅晶体的存在会严重降低合金
的力学性能。
3).不能直接浇注，浇注前进行“变质处理”，在合金液中加入2/3NaF＋1/3NaCL混合物的
变质剂，加入量为合金重量的2%～3%。变质处理后，共晶点移向右下方，使合金处于亚共晶相区，合金中的初晶硅消失，共晶硅由粗针变成细小点状，并产生初晶α相。显著提高合金的性能。
9-4、何谓黄铜的“季裂”，如何预防“季裂”？
答：季裂---当含Zn量＞7%,特别是＞20%时，黄铜经冷加工后，由于有残余应力存在，在
潮湿的大气或海水中，尤其在含有氨的环境中，容易产生应力腐蚀开裂的现象。
预防“季裂”措施:冷加工后黄铜进行低温退火250～300℃保温1～3h空冷，消除内应力，
可预防“季裂”。
9-5、单相黄铜、双相黄铜有何异同？
答：Cu-Zn系合金称为黄铜。单相黄铜、双相黄铜的相同点：塑性好，可进行热加工。
单相黄铜、双相黄铜的不同点：单相黄铜塑性好，可进行冷、热加工。
双相黄铜，其退火态组织为α＋β。由于室温下β相很脆，故不适于冷变形，需加热至有
序化温度以上，使βˊ转变为无序β相后，便具有良好的塑性，因此可进行加工变形。
9-6、何谓轴承合金？轴承合金的组织特征是什么？
答：轴承合金是指制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的合金。轴承合金的组织特征：在软的基体上分布着硬的质点或在硬的基体上分布着软质点组织。