机械工程材料课后习题答案1.pdf
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1、机 械 工 程 材 料 思 考 题 参 考 答 案 第 一 章 金 属 的 晶 体 结 构 与 结 晶 1.解 释 下 列 名 词 点 缺 陷，线 缺 陷，面 缺 陷，亚 晶 粒，亚 晶 界，刃 型 位 错，单 晶 体，多 晶 体，过 冷 度，自 发 形 核，非 自 发 形 核，变 质 处 理，变 质 剂。答：点 缺 陷：原 子 排 列 不 规 则 的 区 域 在 空 间 三 个 方 向 尺 寸 都 很 小，主 要 指 空 位 间 隙 原 子、置 换 原 子 等。线 缺 陷：原 子 排 列 的 不 规 则 区 域 在 空 间 一 个 方 向 上 的 尺 寸 很 大，而 在 其 余 两 个 方
2、向 上 的 尺 寸 很 小。如 位 错。面 缺 陷：原 子 排 列 不 规 则 的 区 域 在 空 间 两 个 方 向 上 的 尺 寸 很 大，而 另 一 方 向 上 的 尺 寸 很 小。如 晶 界 和 亚 晶 界。亚 晶 粒：在 多 晶 体 的 每 一 个 晶 粒 内，晶 格 位 向 也 并 非 完 全 一 致，而 是 存 在 着 许 多 尺 寸 很 小、位 向 差 很 小 的 小 晶 块，它 们 相 互 镶 嵌 而 成 晶 粒,称 亚 晶 粒。亚 晶 界：两 相 邻 亚 晶 粒 间 的 边 界 称 为 亚 晶 界。刃 型 位 错：位 错 可 认 为 是 晶 格 中 一 部 分 晶 体 相
3、对 于 另 一 部 分 晶 体 的 局 部 滑 移 而 造 成。滑 移 部 分 与 未 滑 移 部 分 的 交 界 线 即 为 位 错 线。如 果 相 对 滑 移 的 结 果 上 半 部 分 多 出 一 半 原 子 面，多 余 半 原 子 面 的 边 缘 好 像 插 入 晶 体 中 的 一 把 刀 的 刃 口，故 称“刃 型 位 错”。单 晶 体：如 果 一 块 晶 体，其 内 部 的 晶 格 位 向 完 全 一 致，则 称 这 块 晶 体 为 单 晶 体。多 晶 体：由 多 种 晶 粒 组 成 的 晶 体 结 构 称 为“多 晶 体 过 冷 度：实 际 结 晶 温 度 与 理 论 结 晶 温
4、 度 之 差 称 为 过 冷 度。自 发 形 核：在 一 定 条 件 下，从 液 态 金 属 中 直 接 产 生，原 子 呈 规 则 排 列 的 结 晶 核 心。非 自 发 形 核：是 液 态 金 属 依 附 在 一 些 未 溶 颗 粒 表 面 所 形 成 的 晶 核。变 质 处 理：在 液 态 金 属 结 晶 前，特 意 加 入 某 些 难 熔 固 态 颗 粒，造 成 大 量 可 以 成 为 非 自 发 晶 核 的 固 态 质 点，使 结 晶 时 的 晶 核 数 目 大 大 增 力 口，从 而 提 高 了 形 核 率，细 化 晶 粒，这 种 处 理 方 法 即 为 变 质 处 理。变 质 剂
5、：在 浇 注 前 所 加 入 的 难 熔 杂 质 称 为 变 质 剂。2.常 见 的 金 属 晶 体 结 构 有 哪 几 种？a-Fe、丫-F e、A l、C u、N i、P b、C r、V、M g、Z n 各 属 何 种 晶 体 结 构？答：常 见 金 属 晶 体 结 构：体 心 立 方 晶 格、面 心 立 方 晶 格、密 排 六 方 晶 格；a-Fe、Cr V 属 于 体 心 立 方 晶 格；Y-F e、Al、Cu、Ni、P b 属 于 面 心 立 方 晶 格；M g、Z n 属 于 密 排 六 方 晶 格；3.配 位 数 和 致 密 度 可 以 用 来 说 明 哪 些 问 题？答：用 来
6、 说 明 晶 体 中 原 子 排 列 的 紧 密 程 度。晶 体 中 配 位 数 和 致 密 度 越 大，则 晶 体 中 原 子 排 列 越 紧 密。4.晶 面 指 数 和 晶 向 指 数 有 什 么 不 同？答：晶 向 是 指 晶 格 中 各 种 原 子 列 的 位 向，用 晶 向 指 数 来 表 示，形 式 为，传 向；晶 面 是 指 晶 格 中 不 同 方 位 上 的 原 子 面，用 晶 面 指 数 来 表 示，形 式 为（股/）。5.实 际 晶 体 中 的 点 缺 陷，线 缺 陷 和 面 缺 陷 对 金 属 性 能 有 何 影 响？答：如 果 金 属 中 无 晶 体 缺 陷 时，通 过
7、 理 论 计 算 具 有 极 高 的 强 度，随 着 晶 体 中 缺 陷 的 增 加，金 属 的 强 度 迅 速 下 降，当 缺 陷 增 加 到 一 定 值 后，金 属 的 强 度 又 随 晶 体 缺 陷 的 增 加 而 增 加。因 此，无 论 点 缺 陷，线 缺 陷 和 面 缺 陷 都 会 造 成 晶 格 崎 变，从 而 使 晶 体 强 度 增 加。同 时 晶 体 缺 陷 的 存 在 还 会 增 加 金 属 的 电 阻，降 低 金 属 的 抗 腐 蚀 性 能。6.为 何 单 晶 体 具 有 各 向 异 性，而 多 晶 体 在 一 般 情 况 下 不 显 示 出 各 向 异 性？答：因 为 单
8、 晶 体 内 各 个 方 向 上 原 子 排 列 密 度 不 同，造 成 原 子 间 结 合 力 不 同，因 而 表 现 出 各 向 异 性；而 多 晶 体 是 由 很 多 个 单 晶 体 所 组 成，它 在 各 个 方 向 上 的 力 相 互 抵 消 平 衡，因 而 表 现 各 向 同 性。7.过 冷 度 与 冷 却 速 度 有 何 关 系？它 对 金 属 结 晶 过 程 有 何 影 响？对 铸 件 晶 粒 大 小 有 何 影 响？答：冷 却 速 度 越 大，则 过 冷 度 也 越 大。随 着 冷 却 速 度 的 增 大，则 晶 体 内 形 核 率 和 长 大 速 度 都 加 快，加 速 结
9、 晶 过 程 的 进 行，但 当 冷 速 达 到 一 定 值 以 后 则 结 晶 过 程 将 减 慢，因 为 这 时 原 子 的 扩 散 能 力 减 弱。过 冷 度 增 大,A F 大，结 晶 驱 动 力 大，形 核 率 和 长 大 速 度 都 大，且 N 的 增 加 比 G 增 加 得 快，提 高 了 N 与 G 的 比 值，晶 粒 变 细，但 过 冷 度 过 大，对 晶 粒 细 化 不 利，结 晶 发 生 困 难。8.金 属 结 晶 的 基 本 规 律 是 什 么？晶 核 的 形 成 率 和 成 长 率 受 到 哪 些 因 素 的 影 响？答：金 属 结 晶 的 基 本 规 律 是 形 核
10、 和 核 长 大。受 到 过 冷 度 的 影 响，随 着 过 冷 度 的 增 大，晶 核 的 形 成 率 和 成 长 率 都 增 大，但 形 成 率 的 增 长 比 成 长 率 的 增 长 快；同 时 外 来 难 熔 杂 质 以 及 振 动 和 搅 拌 的 方 法 也 会 增 大 形 核 率。9.在 铸 造 生 产 中，采 用 哪 些 措 施 控 制 晶 粒 大 小？在 生 产 中 如 何 应 用 变 质 处 理？答：采 用 的 方 法：变 质 处 理，钢 模 铸 造 以 及 在 砂 模 中 加 冷 铁 以 加 快 冷 却 速 度 的 方 法 来 控 制 晶 粒 大 小。变 质 处 理：在 液
11、 态 金 属 结 晶 前，特 意 加 入 某 些 难 熔 固 态 颗 粒，造 成 大 量 可 以 成 为 非 自 发 晶 核 的 固 态 质 点，使 结 晶 时 的 晶 核 数 目 大 大 增 加，从 而 提 高 了 形 核 率，细 化 晶 粒。机 械 振 动、搅 拌。第 二 章 金 属 的 塑 性 变 形 与 再 结 晶 1.解 释 下 列 名 词：加 工 硬 化、回 复、再 结 晶、热 加 工、冷 加 工。答：加 工 硬 化：随 着 塑 性 变 形 的 增 加，金 属 的 强 度、硬 度 迅 速 增 加；塑 性、韧 性 迅 速 下 降 的 现 象。回 复：为 了 消 除 金 属 的 加 工
12、 硬 化 现 象，将 变 形 金 属 加 热 到 某 一 温 度，以 使 其 组 织 和 性 能 发 生 变 化。在 加 热 温 度 较 低 时，原 子 的 活 动 能 力 不 大，这 时 金 属 的 晶 粒 大 小 和 形 状 没 有 明 显 的 变 化，只 是 在 晶 内 发 生 点 缺 陷 的 消 失 以 及 位 错 的 迁 移 等 变 化，因 此，这 时 金 属 的 强 度、硬 度 和 塑 性 等 机 械 性 能 变 化 不 大，而 只 是 使 内 应 力 及 电 阻 率 等 性 能 显 著 降 低。此 阶 段 为 回 复 阶 段。再 结 晶：被 加 热 到 较 高 的 温 度 时，原
13、 子 也 具 有 较 大 的 活 动 能 力，使 晶 粒 的 外 形 开 始 变 化。从 破 碎 拉 长 的 晶 粒 变 成 新 的 等 轴 晶 粒。和 变 形 前 的 晶 粒 形 状 相 似，晶 格 类 型 相 同，把 这 一 阶 段 称 为“再 结 晶”。热 加 工：将 金 属 加 热 到 再 结 晶 温 度 以 上 一 定 温 度 进 行 压 力 加 工。冷 加 工：在 再 结 晶 温 度 以 下 进 行 的 压 力 加 工。2.产 生 加 工 硬 化 的 原 因 是 什 么？加 工 硬 化 在 金 属 加 工 中 有 什 么 利 弊？答：随 着 变 形 的 增 加，晶 粒 逐 渐 被
14、拉 长，直 至 破 碎，这 样 使 各 晶 粒 都 破 碎 成 细 碎 的 亚 晶 粒，变 形 愈 大，晶 粒 破 碎 的 程 度 愈 大，这 样 使 位 错 密 度 显 著 增 加；同 时 细 碎 的 亚 晶 粒 也 随 着 晶 粒 的 拉 长 而 被 拉 长。因 此，随 着 变 形 量 的 增 加，由 于 晶 粒 破 碎 和 位 错 密 度 的 增 加，金 属 的 塑 性 变 形 抗 力 将 迅 速 增 大，即 强 度 和 硬 度 显 著 提 高，而 塑 性 和 韧 性 下 降 产 生 所 谓“加 工 硬 化”现 象。金 属 的 加 工 硬 化 现 象 会 给 金 属 的 进 一 步 加
15、工 带 来 困 难，如 钢 板 在 冷 轧 过 程 中 会 越 轧 越 硬，以 致 最 后 轧 不 动。另 一 方 面 人 们 可 以 利 用 加 工 硬 化 现 象，来 提 高 金 属 强 度 和 硬 度，如 冷 拔 高 强 度 钢 丝 就 是 利 用 冷 加 工 变 形 产 生 的 加 工 硬 化 来 提 高 钢 丝 的 强 度 的。加 工 硬 化 也 是 某 些 压 力 加 工 工 艺 能 够 实 现 的 重 要 因 素。如 冷 拉 钢 丝 拉 过 模 孔 的 部 分，由 于发 生 了 加 工 硬 化，不 再 继 续 变 形 而 使 变 形 转 移 到 尚 未 拉 过 模 孔 的 部 分
16、，这 样 钢 丝 才 可 以 继 续 通 过 模 孔 而 成 形。3.划 分 冷 加 工 和 热 加 工 的 主 要 条 件 是 什 么？答：主 要 是 再 结 晶 温 度。在 再 结 晶 温 度 以 下 进 行 的 压 力 加 工 为 冷 加 工，产 生 加 工 硬 化 现 象；反 之 为 热 加 工，产 生 的 加 工 硬 化 现 象 被 再 结 晶 所 消 除。4.与 冷 加 工 比 较，热 加 工 给 金 属 件 带 来 的 益 处 有 哪 些？答：(1)通 过 热 加 工，可 使 铸 态 金 属 中 的 气 孔 焊 合，从 而 使 其 致 密 度 得 以 提 高。(2)通 过 热 加
17、 工，可 使 铸 态 金 属 中 的 枝 晶 和 柱 状 晶 破 碎，从 而 使 晶 粒 细 化,机 械 性 能 提 高。(3)通 过 热 加 工，可 使 铸 态 金 属 中 的 枝 晶 偏 析 和 非 金 属 夹 杂 分 布 发 生 改 变,使 它 们 沿 着 变 形 的 方 向 细 碎 拉 长，形 成 热 压 力 加 工“纤 维 组 织”(流 线),使 纵 向 的 强 度、塑 性 和 韧 性 显 著 大 于 横 向。如 果 合 理 利 用 热 加 工 流 线，尽 量 使 流 线 与 零 件 工 作 时 承 受 的 最 大 拉 应 力 方 向 一 致，而 与 外 加 切 应 力 或 冲 击
18、力 相 垂 直，可 提 高 零 件 使 用 寿 命。5.为 什 么 细 晶 粒 钢 强 度 高，塑 性，韧 性 也 好？答：晶 界 是 阻 碍 位 错 运 动 的，而 各 晶 粒 位 向 不 同，互 相 约 束，也 阻 碍 晶 粒 的 变 形。因 此，金 属 的 晶 粒 愈 细，其 晶 界 总 面 积 愈 大，每 个 晶 粒 周 围 不 同 取 向 的 晶 粒 数 便 愈 多，对 塑 性 变 形 的 抗 力 也 愈 大。因 此，金 属 的 晶 粒 愈 细 强 度 愈 高。同 时 晶 粒 愈 细，金 属 单 位 体 积 中 的 晶 粒 数 便 越 多，变 形 时 同 样 的 变 形 量 便 可
19、分 散 在 更 多 的 晶 粒 中 发 生，产 生 较 均 匀 的 变 形，而 不 致 造 成 局 部 的 应 力 集 中，引 起 裂 纹 的 过 早 产 生 和 发 展。因 此，塑 性，韧 性 也 越 好。6.金 属 经 冷 塑 性 变 形 后，组 织 和 性 能 发 生 什 么 变 化？答：晶 粒 沿 变 形 方 向 拉 长，性 能 趋 于 各 向 异 性，如 纵 向 的 强 度 和 塑 性 远 大 于 横 向 等；晶 粒 破 碎，位 错 密 度 增 加，产 生 加 工 硬 化，即 随 着 变 形 量 的 增 加，强 度 和 硬 度 显 著 提 高，而 塑 性 和 韧 性 下 降；织 构
20、现 象 的 产 生,即 随 着 变 形 的 发 生，不 仅 金 属 中 的 晶 粒 会 被 破 碎 拉 长，而 且 各 晶 粒 的 晶 格 位 向 也 会 沿 着 变 形 的 方 向 同 时 发 生 转 动，转 动 结 果 金 属 中 每 个 晶 粒 的 晶 格 位 向 趋 于 大 体 一 致，产 生 织 构 现 象；冷 压 力 加 工 过 程 中 由 于 材 料 各 部 分 的 变 形 不 均 匀 或 晶 粒 内 各 部 分 和 各 晶 粒 间 的 变 形 不 均 匀，金 属 内 部 会 形 成 残 余 的 内 应 力，这 在 一 般 情 况 下 都 是 不 利 的，会 引 起 零 件 尺
21、寸 不 稳 定。7.分 析 加 工 硬 化 对 金 属 材 料 的 强 化 作 用？答：随 着 塑 性 变 形 的 进 行，位 错 密 度 不 断 增 加，因 此 位 错 在 运 动 时 的 相 互 交割、位 错 缠 结 加 剧，使 位 错 运 动 的 阻 力 增 大，引 起 变 形 抗 力 的 增 加。这 样,金 属 的 塑 性 变 形 就 变 得 困 难，要 继 续 变 形 就 必 须 增 大 外 力，因 此 提 高 了 金 属 的 强 度。8.已 知 金 属 鸨、铁、铅、锡 的 熔 点 分 别 为 3380C、1538、327、232,试 计 算 这 些 金 属 的 最 低 再 结 晶
22、温 度，并 分 析 鸨 和 铁 在 1100C下 的 加 工、铅 和 锡 在 室 温(2 0 C)下 的 加 工 各 为 何 种 加 工？答：T 再=0.4T 熔；鸽 T 再=0.4*(3380+273)-273=1188.2;铁 T 再=0.4*(1538+273)-273=451.4;铅 T 再=0.4*(327+273)-273=-33;锡 丁 再 引。.#(232+273)-273=-71,由 于 鸨 T 再 为 U88.2C 1100,因 此 属 于 热 加 工；铁 T 再 为 451.4 1100,因 此 属 于 冷 加 工；铅 T 再 为-33 20,属 于 冷 加 工；锡 T
23、再 为-71V20,属 于 冷 加 工。9.在 制 造 齿 轮 时，有 时 采 用 喷 丸 法(即 将 金 属 丸 喷 射 到 零 件 表 面 上)使 齿 面 得 以 强 化。试 分 析 强 化 原 因。答：高 速 金 属 丸 喷 射 到 零 件 表 面 上，使 工 件 表 面 层 产 生 塑 性 变 形，形 成 一 定 厚 度 的 加 工 硬 化 层，使 齿 面 的 强 度、硬 度 升 高。第 三 章 合 金 的 结 构 与 二 元 状 态 图 1.解 释 下 列 名 词：合 金，组 元，相，相 图；固 溶 体，金 属 间 化 合 物，机 械 混 合 物；枝 晶 偏 析,比 重 偏 析；固
24、溶 强 化，弥 散 强 化。答：合 金：通 过 熔 炼，烧 结 或 其 它 方 法，将 一 种 金 属 元 素 同 一 种 或 几 种 其 它 元 素 结 合 在 一 起 所 形 成 的 具 有 金 属 特 性 的 新 物 质，称 为 合 金。组 元：组 成 合 金 的 最 基 本 的、独 立 的 物 质 称 为 组 元。相：在 金 属 或 合 金 中，凡 成 分 相 同、结 构 相 同 并 与 其 它 部 分 有 界 面 分 开 的 均 匀 组 成 部 分，均 称 之 为 相。相 图：用 来 表 示 合 金 系 中 各 个 合 金 的 结 晶 过 程 的 简 明 图 解 称 为 相 图。固
25、溶 体：合 金 的 组 元 之 间 以 不 同 的 比 例 混 合，混 合 后 形 成 的 固 相 的 晶 格 结 构 与 组 成 合 金 的 某 一 组 元 的 相 同，这 种 相 称 为 固 溶 体。金 属 间 化 合 物：合 金 的 组 元 间 发 生 相 互 作 用 形 成 的 一 种 具 有 金 属 性 质 的 新 相，称 为 金 属 间 化 合 物。它 的 晶 体 结 构 不 同 于 任 一 组 元，用 分 子 式 来 表 示 其 组 成。机 械 混 合 物：合 金 的 组 织 由 不 同 的 相 以 不 同 的 比 例 机 械 的 混 合 在 一 起，称 机 械 混 合 物。枝
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