工程材料课后作业及答案讲解学习.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。工程材料课后作业及答案-作业：第一章1解释概念晶体结构：构成晶体的基元在三维空间的具体的规律排列方式。固溶体：溶质原子完全溶于固态溶剂中，并能保持溶剂元素的晶格类型的合金相。点缺陷：在空间三维方向上的尺寸很小，约为几个原子间距，又称零维缺陷。线缺陷：各种类型的位错，是指晶体中的原子发生了有规律的错排现象。面缺陷：晶界、亚晶界、相界、孪晶界、表面和层错都属于面缺陷。离子键：由于正离子和负离子间的库仑引力而形成的。共价键：共用价电子对产生的结合键叫共价键。金属键：贡献出价电子的原子成为正离子，与公有化的自由电子间产生静电作用而结合起来。这种结合力就叫做金属键。空间点阵：阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面，称为晶粒间界，简称晶界。位错：晶体中的原子发生的有规律的错排现象。2实际晶体中存在哪几类缺陷。P32(9)点缺陷包括空位，置换原子和间隙原子；线缺陷主要由位错组成，包括刃位错和螺位错；面缺陷包括外表面、相界、晶界、孪晶界和堆垛层错。3常见的金属晶格类型有哪几种？-Fe、-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn各属何种晶体结构？体心立方：-Fe、Cr、V面心立方：-Fe、Al、Cu、Ni密排六方：Mg、Zn第二章1理解下列术语和基本概念：组织组成物：显微组织中独立的组成部分。相：合金中具有同一聚集状态、相同的晶体结构，成分和性能均一，并由相界隔开的组成部分。碳钢：0.0218%<w(C)2.11%的铁碳合金。铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。铁素体：碳固溶于Fe(或Fe)中形成的间隙固溶体。奥氏体：相常称奥氏体,用符号A或表示,是碳在-Fe中的间隙固溶体,呈面心立方晶格。渗碳体：Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物,通常称为渗碳体。莱氏体：共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物,称莱氏体,以符号Ld表示珠光体：共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物,称珠光体,以符号P表示。过冷-纯金属的实际结晶温度总是低于其熔点，这种现象称为过冷。相图：是用图解的方法表示不同成分、温度下合金中相的平衡关系。变质处理：往液体金属中加入难熔的固态粉末(变质剂)，促进非均匀形核，细化晶粒。2默画Fe-Fe3C相图，填出各相区的平衡相，并分析含0.3%C、0.77%C、1.2%C合金的固态相变过程。Fe-Fe3C相图：略。成分为0.3%C的铁碳合金：GS线以上，完全为单相奥氏体；GS线以下，共析线以上，单相奥氏体中析出单相铁素体；共析线上剩余奥氏体发生共析反应，析出铁素体与渗碳体的机械混合物即珠光体；共析线以下相和组织不发生转变。室温组成相：FFe3C。室温组织组成物为F+P成分为0.77%C的铁碳合金：共析线以上，完全为单相奥氏体，共析线上奥氏体发生共析反应，析出铁素体与渗碳体的机械混合物即珠光体；共析线以下相和组织不发生转变。室温组成相：FFe3C。室温组织组成物为P。成分为1.2%C的铁碳合金：ES线以上，完全为单相奥氏体；ES线以下，共析线以上，单相奥氏体中析出二次渗碳体；共析线上剩余奥氏体发生共析反应，析出铁素体与渗碳体的机械混合物即珠光体；共析线以下相和组织不发生转变。室温组成相：FFe3C。组织组成物为Fe3CII+P。3比较下列名词(1)Fe3C、Fe3C、Fe3C、Fe3C共晶、Fe3C共析Fe3C是直接从液相中析出的一次渗碳体。Fe3C是指当温度低于碳在奥氏体中的溶解度曲线时，将从奥氏体中析出二次渗碳体。Fe3C是指当温度低于碳在铁素体中的溶解度曲线时，将从铁素体中析出三次渗碳体。共晶产物中的渗碳体称之为Fe3C共晶，而共析产物中的渗碳体称之为Fe3C共析。(2)-Fe、铁素体-Fe为纯铁的一种同素异构体，而铁素体即相也称铁素体,用符号F或表示,是碳在-Fe中的间隙固溶体。(3)共晶转变、共析转变共晶转变是指一定成分的液态在一定温度(共晶温度)下同时析出两种成分的固溶体。共析转变是指由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相。4说明含碳量对钢的组织与性能的影响。碳钢在室温下的平衡组织皆由铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)两相组成。随着含碳量的增加，碳钢中铁素体的数量逐渐减少，渗碳体的数量逐渐增多，从而使得组织按下列顺序发生变化：FF+PPP+Fe3CII随着含碳量升高，钢的强度、硬度增加，塑性下降。当钢中的含碳量超过1.0%以后，钢的硬度继续增加，而强度开始下降，这主要是由于脆性的二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析出所致。5。P51第1题金属结晶的基本规律是：是晶核的不断形成和晶核不断长大的过程。冷却速度越大，过冷度越大。6P51第2题在一个枝晶范围内成分不均匀的现象叫枝晶偏析，或晶内偏析。在实际生产条件下，一般冷却速度都较快，固溶体中原子扩散过程不能充分进行。因此先结晶的枝晶主轴含高熔点组元较多，后结晶的分枝含低熔点组元较多。通常把具有晶内偏析的合金加热到高温进行长时间的保温，使合金元素进行充分的扩散来消除枝晶偏析，这种处理为扩散退火。7.P51第4题镇静钢：钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝粉进行充分脱氧，使钢液在凝固时不析出一氧化碳，因而没有沸腾现象而得名。沸腾钢：钢液在浇注前仅用锰脱氧，脱氧很不充分，钢液在凝固过程中碳和氧发生反应产生大量的一氧化碳，使钢液沸腾，因而得名。镇静钢的宏观组织：表层细晶粒区，柱状晶粒区，中心等轴晶粒区以及致密的沉积锥体组成。沸腾钢的宏观组织：表层细晶粒区，柱状晶粒区，中心等轴晶粒区以及大量的气泡组成。第三章1理解下列术语和基本概念弹性模量：材料在弹性变形阶段，应力与应变成正比关系，两者的比值称为弹性模量。屈服强度：屈服时所对应的应力。抗拉强度：试样能承受最大载荷除以试样原始截面积所得的应力。塑性：断裂前材料发生塑性变形的能力。伸长率：一种塑性指标，即试样拉伸过程中的伸长量与原始长度的比值。显微硬度：维氏硬度的一种，用来测量组织中某一相的硬度。冲击韧性：冲击功与试样缺口处截面积的比值。屈服-在拉伸过程中，出现载荷不增加而试样还继续伸长的现象称为屈服。强度：材料在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。塑性：断裂前材料发生塑性变形的能力。第五章1.理解重要的术语和基本概念形变强化：金属材料经塑性变形后，其强度和硬度升高，塑性和韧性下降，这种现象称为形变强化（加工硬化）。滑移：在切应力作用下，一部分晶体相对于另一部分沿着某一晶面和晶向发生相对滑动，这种变形方式称为滑移，滑移系：一个滑移面和其上的一个滑移方向组合成一个滑移系。临界分切应力：晶体的滑移是在切应力作用下进行，而且只有当外力在某一滑移系中的应力达到一定的临界值时，在这一滑移系上晶体才发生滑移，称该临界值为滑移的临界分切应力。取向因子：临界分切应力中的coscos称为取向因子孪生：当金属晶体滑移变形难以进行时，其塑性变形还可能以生成孪晶的方式进行，称为孪生。纤维组织：金属经塑性变形时，沿着变形方向晶粒被拉长。当变形量很大时，晶粒难以分辨，而呈现出一片如纤维丝状的条纹，称之为纤维组织。形变织构：随着变形的发生，还伴随着晶粒的转动。在拉伸时晶粒的滑移面转向平行于外力的方向，在压缩时转向垂直于外力方向。故在变形量很大时，金属中各晶粒的取向会大致趋于一致，这种由于变形而使晶粒具有择优取向的组织叫形变织构。回复：在回复阶段，由于温度升高，金属的屈服强度下降，在内应力的作用下将发生局部塑性变形，从而使第一内应力得以消除。再结晶：冷变形的金属加热到一定温度，组织和性能会发生一系列的变化，其中在变形组织的基体上产生新的无畸变的晶核，并迅速长大形成等轴晶粒，逐渐取代全部变形组织的阶段。热加工：在再结晶温度以上进行的压力加工称为热加工。冷加工：在再结晶温度以下进行的压力加工称为冷加工。固溶强化：溶质原子溶入金属基体而形成固溶体，使金属的强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降的现象。沉淀强化(时效强化)：通过过饱和固溶体沉淀形成第二相微粒产生的强化。弥散强化：第二相微粒通过粉末冶金法加入并起强化作用，称之为弥散强化。固溶处理：当组元B含量大于Bo的合金加热到略低于固相线的温度，保温一定时间，使B组元充分溶解后，取出快速冷却，则B组元来不及沿CD线析出，而形成亚稳定的过饱和固溶体，这种处理称为固溶处理时效：经固溶处理的合金在室温或一定温度下加热保持一定时间，使过饱和固溶体趋于某种程度的分解，这种处理称为时效。细晶强化：细化晶粒提高强度的方法。形变强化：金属塑性变形后，强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象。第二相强化：第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中，产生的强化作用。2.工程材料的基本强化方法有那些？形变强化，固溶强化，第二相强化（包括沉淀强化和弥散强化），细晶强化第六章1.理解重要的术语和基本概念奥氏体：碳固溶于Fe中形成的间隙固溶体。晶粒度-晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。残余奥氏体：钢淬火至室温未转变的奥氏体。珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物。索氏体：只有在800倍以上光学显微镜下观察才能分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态。屈氏体：在光学显微镜下已很难分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态。马氏体：碳在-Fe中的过饱和间隙固溶体。贝氏体-是铁素体和渗碳体的混合物。回火马氏体-当回火温度在100200时，马氏体开始发生部分分解，钢的组织由有一定过饱和度的固溶体和与其有共格关系的碳化物所组成，这种组织称为回火马氏体回火屈氏体：在300400之间,由碳化物转变成与基体无共格关系的颗粒状渗碳体。这一阶段转变完成后,钢的组织由饱和的针状相和细小粒状的渗碳体组成，这种组织称为回火屈氏体。回火索氏体：当回火温度超过400以上后，在回火过程中也发生回复和再结晶过程。相由针状或板条状转变成无应变的、等轴状新晶拉。同时渗碳体发生聚集和长大，有一定程度的粗化。这一阶段转变完成后,钢的组织由等轴的相和粗粒状渗碳体组成，称为回火索氏体。退火：钢加热到一定温度，保温后缓慢冷却的热处理工艺。正火：将钢件加热到Ac3或Accm以上（Ac3或Accm3050），保温一定时间后，在空气中冷却得到索氏体或屈氏体（细片状珠光体)组织的热处理工艺。正火与退火的明显差异是正火冷却速度稍快。球化退火：使片状珠光体转变为球状珠光体的退火。淬火：是将钢件加热到Ac1或Ac3以上保温一定时间后，快速冷却得到马氏体（或下贝氏体）组织的热处理工艺。回火：将淬火钢加热到Ac1以下某温度保温后冷却的热处理。调质处理：淬火+高温回火处理。淬透性：钢淬火获得马氏体的能力。固溶处理：加热形成固溶体，然后快冷使溶质来不及析出而形成过饱和固溶体的处理。Ms：过冷奥氏体向马氏体转变的开始温度。2.掌握碳钢在加热、冷却以及回火时的组织转变。共析钢加热过程中奥氏体形成的四个步骤；碳钢冷却过程中按温度从高到低分为珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。回火过程中四个阶段的组织变化：马氏体分解、残余奥氏体转变、碳化物的转变以及基体相的回复、再结晶和碳化物的聚集长大。3、说明钢中马氏体的常见形态，亚结构以及力学性能特点。钢中马氏体的形态很多，其中板条马氏体和片状马氏体最为常见。板条马氏体的亚结构主要为高密度的位错，片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量。片状马氏体硬度高，脆性较大，而板条马氏体有相当高的塑、韧性。4说明马氏体具有高硬度和高强度的原因。a.固溶强化:过饱和的间隙原子碳在相晶格中造成晶格的正方畸变，形成一个很强的应力场，该应力场与位错交互作用对位错产生钉扎，阻碍了位错的滑移。b.相变强化:奥氏体通过切变方式转变成马氏体，在晶体内产生大量的晶格缺陷，如位错、孪晶、层错等，这些缺陷都将阻碍位错的运动，增加了滑移阻力。c.时效强化:马氏体转变以后要进行回火处理，碳和其它合金元素的原子会向位错线等缺陷处扩散而产生偏聚，使位错难以运动，从而造成马氏体的强化。d.晶界强化:马氏体相变形成的板条和片对原奥氏体晶粒有分割作用，使晶界增多，阻碍位错的运动。第七章1.重要概念：红硬性：钢在受热条件下仍能保持足够硬度和切削能力的特性。二次淬火：每次回火冷却时发生残余奥氏体向马氏体转变的现象二次硬化：回火时形成特殊碳化物，弥散分布提高硬度的现象。灰口铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解而得到。2.碳素钢按含碳量不同分为低碳钢、中碳钢和高碳钢；一般钢的供应状态有退火态和正火态两种。按正火态组织将钢分为珠光体类、贝氏体类、马氏体类及奥氏体类。按退火态（即平衡态）组织将钢分为亚共析钢、共析和过共析钢。3.何谓调质钢？它应具备哪些性能？为何含碳量为中碳？调质钢中常加入哪些合金元素？说明其热处理特点及最终组织。调质钢是经过淬火加高温回火处理而使用的钢。它应具备的性能为：(1)高的屈服强度；(2)良好的韧性塑性；(3)局部表面有一定耐磨性；(4)较好的淬透性。常加入合金元素为Cr、Ni、Mn、Si。低碳钢韧性很好，但强度低；而高碳钢则有较高强度，但韧性差。只有中碳在调质处理后能达到强韧性的最佳配合。最终热处理为调质处理。最终组织是回火索氏体4何谓渗碳钢？含碳量通常是多少？为什么？合金元素为何不能过多？渗碳钢为何采用低温回火？渗碳钢即需要渗碳表面强化的钢，根据上述的性能要求，这类钢成分上一般是低碳或低碳合金结构钢。渗碳钢“外硬里韧”的力学性能可通过选择低含碳量钢并经过渗碳后满足，提高含碳量在提高材料的强度、硬度的同时，会降低材料的韧性。合金元素含量过高会降低渗碳钢的淬透性，而且过多的合金元素将在渗碳层中产生许多块状碳化物，引起表面脆性。低温回火时，马氏体部分分解，析出与基体共格的e碳化物，材料具有很高的硬度与耐磨性，在保持高硬度、高耐磨性的同时，低温回火可以降低残余应力和脆性，提高韧性。5.弹簧钢的含碳量通常是多少？选择低碳是否可以，为什么？以60Si2Mn为例，说明用它制造热成型弹簧的热处理工艺和热处理后的组织。0.6%C左右或0.55%0.7%，不可以，因为低碳钢强度特别是屈服强度太低，不能满足弹簧的使用要求。60Si2Mn弹簧钢热处理工艺为淬火中温回火，组织为回火屈氏体。6用GCr15钢制造轴承，其加工工艺路线如下：锻造预备热处理粗加工淬火+冷处理低温回火磨削去应力回火，试说明预备热处理的工艺名称和作用；并给出淬火温度和回火温度，说明最终热处理后获得什么显微组织？冷处理有何目的？低温回火的目的？去应力回火的目的是什么？预备热处理的工艺名称：正火+球化退火；正火的目的是细化组织并消除锻造缺陷；球化退火的目的是降低硬度便于切削加工，同时为最终热处理做好准备工作。淬火温度840±10，回火温度150-160，最终热处理后获得显微组织是M回+细小弥散的碳化物+A(少量)冷处理的目的：减少A（使残余奥氏体转变为马氏体）低温回火的目的：消除内应力，提高韧性，稳定组织和尺寸。去应力回火的目的是稳定尺寸并消除磨削应力7.重要的机器零件用优质结构钢主要有渗碳钢、调质钢、弹簧钢和轴承钢。8说出下列钢号的类别，用途和成分(1) T10工具（刃具）钢，1%C，车刀(2) 40Cr调质钢，0.4%C，1%Cr，轴类(3) Cr12冷作模具钢，1.42.3%C，12%Cr，硅钢片冲模(4) 60Si2Mn弹簧钢，0.6%C，2%Si，1%Mn，弹簧(5) 4Cr13不锈钢，0.4%C，13%Cr，医疗器械(6) 16Mn普低钢；0.16%C，1%Mn；船舶(7) 20CrMnTi渗碳钢；0.2%C，1%Cr，1%Mn，1%Ti；齿轮(8) GCr15轴承钢；1%C，1.5%Cr；轴套(9) 65Mn弹簧钢；0.65%C，1%Mn；弹簧(10) 3Cr13不锈钢；0.3%C，13Cr；医疗机械(11)20Cr渗碳钢，0.2C，1Cr，机床齿轮、齿轮轴、蜗杆等（12）40CrNiMo调质钢，0.4C，1Cr，1Ni，1Mo，飞机发动机轴等（13）W18Cr4V高速钢，制造车刀等，1.0%C，18%W，4%，1%V。（14）42Mn2B调质钢，0.42C，2Mn，1B，主轴等。(15)20CrMnTi渗碳钢，制造齿轮等，0.2%C，1%Cr，1%Mn，1%Ti。（16）12CrNi3A渗碳钢，制造齿轮等，0.12%C，1%Cr，3%Ni，A-优质。9说明W18Cr4V高速钢的用途，最终热处理工艺规范如何？为何采用高温加热淬火？570°C多次回火的目的是什么？为什么具有高的红硬性？制造切削刀具(车刀、铣刀、钻头等)。最终热处理工艺规范为淬火加5703次回火。高温加热淬火保证有足够碳化物溶入奥氏体，使奥氏体固溶碳和合金元素含量高，淬透性非常好。570°C多次回火的目的是保证充分消除应力，减少残余奥氏体数量，稳定组织。因为高速钢中加入W、Mo、Cr、V元素，提高钢的回火稳定性、具有二次硬化效应，使得高速钢具有高的红硬性。10Cr保护不锈钢表面的机理是什么？为使不锈钢生锈，铁中需要多少重量百分数的Cr？铬不但提高铁素体电位，形成致密氧化膜，且在一定成分下也可获得单相铁素体组织。根据n/8定律，为使不锈钢不锈，铁中需要13%重量百分数Cr。11.与钢相比，铸铁化学成分有何特点？铸铁作为工程材料有何特点？碳含量>2.11%为铸铁。许多优良的使用性能和工艺性能，略。12指出下列材料的类别，数字意义(1)HT350灰口铸铁，最低抗拉强度350MPa。(2) KTH30006铁素体基体可锻铸铁，最低抗拉强度300MPa，最低延伸率6%。(3) QT400-18球墨铸铁，最低抗拉强度400MPa，最低延伸率18%。(4)HT200灰口铸铁（灰铁），最低抗拉强度200MPa（5）KTZ55004珠光体基体可锻铸铁，最低抗拉强度550MPa，最低延伸率4%（6）QT900-25球墨铸铁，屈服强度（sb）³900Mpa，d%³2513.T10钢淬火和回火温度分别为多少？最终热处理后获得由哪些组成物组成的显微组织？(4分)淬火温度为760780回火温度为1502501 显微组织为：回火马氏体+二次渗碳体+残余奥氏体第八章铝合金和钢铁材料在强化方式上有什么不同？为什么？铝合金通常是采用时效强化，在高温固溶处理后，再进行低温时效处理使第二相粒子弥散析出对合金进行强化。钢铁材料通常采用淬火强化，在高温奥氏体化后，淬火处理得到马氏体，因马氏体强度高使材料得到强化。因为铝合金没有同素异构转变，淬火后得不到马氏体，所以不能采用淬火工艺进行强化；钢铁材料有同素异构转变，可以采用淬火工艺获得马氏体进行强化。2铝合金的固溶处理，时效处理（包括自然时效、人工时效）对材料组织性能有什么影响？铝合金零件的加工和应用中如何利用或避免这种影响？固溶处理后（淬火）得到的组织是不稳定的，有分解出强化相过渡到稳定状态的倾向；铝合金的强度和硬度不高，且有良好的塑性，可以进行一定的压力加工。在室温下放置或低温加热即时效后，强度和硬度会明显升高。3说明下列材料的类别、成分、特性和用途：LF21，LY12，H70，ZQSn5-5-5,TC4(1)ZL111铝硅基铸造铝合金（2）ZL102铝硅基铸造铝合金（3）H68普通黄铜，含锌32%（4）H65普通黄铜，H黄铜，6565铜，散热器，螺钉等（5）BMn40-1.5白铜，含镍40%，含锰1.5%，仪表零件。（6）LY12硬铝合金，LY硬铝，12编号，飞机结构制造材料，如螺旋浆叶片、螺栓、飞机翼肋等。（7）LF21：防锈铝(8)ZQSn5-5-5铸造锡青铜-