高教版配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

1、 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、 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。

3、 晶胞---构成晶格的最基本的几何单元。

4、 4、常用金属的晶体结构有：

体心立方晶格： 1）、原子半径 r =、 配位数＝8 a ;2）4

3）、致密度 致密度＝nuv24 3＝3

2×4/3πγ3 / a3＝2×4/3π（31/2 ）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。

5、 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)

S K ×100%＝(6.69－0.77)/6.69×100%＝88%，Fe3C＝1－88%＝12% QKF＝

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。

QaXK ＝，可见液、固两相的相对量的关系，如同力学中的KXQl11、杠杆定律---

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：

1、 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

1、 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

2、 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。

3、 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

4、 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

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,

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 机械加工 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

1、 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

2、 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。

5、 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。

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