第一章材料的性能 11什么是金属材料的力学性能？金属材料的力学性能包含哪些方面？ 所谓力学性能，是指材料抓抗外力作用所显示的性能。力学性能包括强度刚 度硬度塑性韧性和疲劳强度等 1-2什么是强度？在拉伸试验中衡量金属强度的主要指标有哪些？他们在工程应 用上有什么意义？ 强度是指材料在外力作用下，抓抗变形或断裂的能力。在拉仲试验中衡量金 属强度的主要指标有屈服强度和抗拉强度。 屈服强度的意义在于：在一般机械零件在发生少量塑性变形后，零件精度降 低或其它零件的相对配合受到影响而造成失效，所以屈服强度就成为零件设计 时的主要依据之一。 抗拉强度的意义在于：抗拉强度是表示材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。 脆性材料在拉仲过程中，一般不产生颈缩现象，因此，抗拉强度就是材料的断裂 强度，它表示材料抓抗断裂的能力。抗拉强度是零件设计时的重要依据之一。 13什么是塑性？在拉伸试验中衡量塑性的指标有哪些？ 塑性是指材料在载荷作用下发生水久变形而又不破坏其完整性的能力。拉仲 试验中衡量塑性的指标有延仲率和断面收缩率。 1-4什么是硬度？指出测定金属硬度的常用方法和各自的优缺点。 硬度是指材料局部抵抗使物压入其表面的能力。生产中测定硬度最常用的 方法有是压入法，应用较多的布氏硬度洛氏硬度和维氏硬度等试验方法， 布氏硬度试验法的优点：因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测试材料 的平均硬度，故实验结果较精确，特别适用于测定灰铸铁轴承合金等具有粗大经 理或组成相得金属材料的硬度：压痕较大的另一个优点是试验数据稳定，重复性 强。其缺点是对不同材料需要换不同直径的压头和改变试验力，压痕直径的测量 也比较麻烦：因压痕大，不以测试成品和薄片金属的硬度。 洛氏硬度试验法的优点是：操作循序简便，硬度值可直接读出：压痕和较小， 可在工件上进行试验：采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属厚薄不一的式样 的使度，因而广泛用于热处理质量检验。其缺点是：因压痕较小，对组织比较粗
大且不均匀的材料，测得的结果不够准确：此外，用不同标尺测得的硬度值彼此 没有联系，不能直接进行比较。 维氏硬度试验法的优点是：不存在布氏硬度试验时要求试验力与压头直径之 间满足所规定条件的约束，也不洛氏使度试验是不同标尺的使度无法统一的弊 端，硬度值较为精确。唯一缺点是硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进 行计算或查表，因此工作效率比洛氏硬度低得多。 15在下面几种情况下，该用什么方法来测试硬度？写出硬度符号。 (1)检查锉刀、钻头成品硬度：(2)检查材料库中钢村使度：(3)检查薄壁工 件的硬度或工件表面很薄的硬化层：(4)黄钥轴套：(5)硬质合金刀片： (1)检查锉刀、钻头成品硬度采用洛氏使度试验来测定，硬度值符号HRC。 (2)检查材料库中钢材硬度采用布氏硬度试验来测定，硬度值符号HBW (3)检查薄壁工件的硬度或工件表面很薄的使化层硬度采用洛氏使度试验 来测定，硬度值符号HRC。 (4)黄铜轴套硬度采用布氏使度试验来测定，使度值符号HBW。 (5)硬质合金刀片采用洛氏使度试验米测定，使度值符号HRC。 1-6什么是冲击韧性？取指标有什么应用意义？ 冲击韧性是指金属材料在冲击力作用下，抵抗破坏的能力。 冲击韧性K代表了在指定温度下，材料在缺口和冲击载荷共同作用下脆化 的趋势及其程度，是一个对成分、组织、结构极敏感的参数。一般把冲击韧性值 ax低的材料称为脆性材料，把冲击韧性值aK高的称为韧性材料。 1-7为什么疲劳断裂对机械零件有很大的潜在危险？交变应力与重复应力有什么 区别？试举出一些零件在工作中分别存在着两种应力的例子。 疲劳断裂与静载荷作用下得断裂不同，无论是脆性材料还是塑性材料，疲劳 断裂都是突然发生的脆性断裂，而且往往工作应力低于其屈服强度，固有很大的 危险性。 随时间做周期性变化的应力称为交变应力，应力每重复变化一次的过程成为 一个应力循环。常见的循环应力有以下几种：()对称交变应力，如火车轴的弯 曲对称交变应力，曲轴的扭转交变应力。(2)脉动应力，如齿轮齿根的循环弯曲 应力：轴承应力则为循环脉动压应力。（③）波动应力，如发动机缸盖螺栓的循环
应力。(4)不对称交变应力，如汽车，拖拉机和飞机零件在运行工作时因道路或 云层的变化，其变动应力呈随机变化。 第二章材料的结构 2-1:1g铁在室温和1000℃时各含有多少个晶胞？(Fe的相对原子质量56) 在室温：铁为体心立方结构，每个晶胞中的原子数为2个，所以1g铁含有的 品胞数为水6兮，品心， 1 1000℃时：铁为面心立方结构，每个品胞中的原子数为4个，所以1g铁含有的 晶胞数为N6×号N,224N, 2-2在立方晶格中，画出下列晶向和晶面指数：(111)，(110)，(211)(-111)，111， 1101,112,-111. 2-3求面心立方晶体中112晶向上的原子间距 d=√(a2+(√2/2a)2=√(3/2)a 2-4单晶体和多晶体有何差别？为什么单晶体具有各向异性，多晶体具有各项同 性？ 单晶体是由原子排列位向或方式完全一致的晶格组成的：多晶体是由很多个 小的单晶体所组成的，每个晶粒的原子位向是不同的。√ 因为单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。 2-5简述实际金属晶体和理想晶体在结构与性能上的主要差异。 理想晶体中原子完全为规则排列，实际金属晶体由于许多因素的影响， 使这些原子排列受到干扰和破坏，内部总是存在大量缺陷。 如果金属中无品体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随者品体中 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，线缺陷和血缺陷都会造成晶 格崎变，从而使品体强度增加。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。 2-6简述间隙固溶体和间隙化合物的异同点。 间隙同溶体和间隙化合物都是溶质原子嵌入晶格间隙形成的。 间隙固溶体的晶体结构与溶剂的结构相同，而间隙化合物的晶体结构不同于 组成它的任一组元，它是以分子式来表示其组成。 2-7有两种乙烯和丙烯的共聚物，其组成相同，但其中一种在是温室时是橡胶状 的，温度一直降低值约70时才变硬：而另一种是温室时却是硬而韧又不透明的 材料。试解释他们在结构上的区别。 高聚物在不同温度下有三种力学状态：玻璃态、高弹态、粘流态。 前者在室温下是橡胶态，-0℃时变硬，说明其玻璃态转变温度T约为-70℃ 2-8陶瓷的典型组织由哪几部分组成？他们对陶瓷性能各起什么作用？ 陶瓷材料是多相多晶材料，其结构中同时存在：晶体相（晶相）、玻璃相、 气相，各组成相的结构、数量、形态、大小及分布决定了陶瓷的性能。 晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用，晶相的结合键 为：离子键、共价键、混合键：且晶体缺陷还可加速陶瓷的烧结扩散过程，影响 陶瓷性能：陶瓷晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。 玻璃相在陶瓷中的作用是：将分散的晶体粘结起来，填充品体之间的空隙， 提高晶体的致密度：降低烧成温度，加快烧结过程：阻止晶体转变，抑制晶体长 大并填充气孔间隙：获得一定程度的玻璃特性。但玻璃相对陶瓷的强度、介电性 能、耐热耐火性能是不利的。 气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔。它能使陶瓷强度降低、介电损耗增大，电 击穿强度下降，绝缘性降低 第三章材料的凝固与结晶 31为什么金属结晶时必须过冷？ 由热力学第二定律可知：在等温等压条件下，过程自动进行的方向总是向着 系统自由能降低的方向。即△G=GS-GL<0:只有当温度低于理论结晶温度Tm 时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态金属才能自发地转变为固 态金属，因此金属结品时一定要有过冷度
3-2为什么金属结晶时常以枝晶方式长大？ 在不平衡凝固过程中，固相中溶质浓度分布不均匀，凝固结束时，晶体中成 分也不均匀，即有成分偏析现象。而当成分过冷很大时，同溶体晶体以树枝状生 长时，先结晶的枝晶主干溶质浓度低，枝晶外围部分溶质浓度高，形成树枝状偏 析。 3-3常用的管路焊锡为成分w(Pb=50%)、w(Sn=50%)的Pb-Sn合金。若该合金 以及慢速度冷却至室温，求合金显微组织中相组成物和组织组成物的相对量。 65 w L+a 1+ 10 图3-1Pb-Sn合金相图 图3-2w(Pb-50%)Pb-Sn合金室温组织 由相图（图3-1）可知，成分为wPb-50%)、w(Sn=50%)的Pb-Sn合金（亚 共晶合金)以慢速度冷却至室温时发生的结晶过程为：先进行匀晶转变（亿→，匀 晶转变剩余的液相再进行共晶转变，极慢冷却至室温后形成的组织为先共晶周溶 体a和共晶组织(a+)。由于a固溶体的溶解度随温度变化较大，所以先共晶固 溶体a中有点状I析出（图3-2）。 相组成：先共晶a相的相对量为：1-(50-19.2)61.9-19.2)72.13% 共晶组织中的a相占全部合金的相对量：(97.5-6.1.90 (97.5-19.2)*72.13%=32.82% 共晶组织中的B相相对量为1-32.82%67.18% 3-4请根据图3.44分析解答下列问题： (1)分析合金1、2的平衡结晶过程，并会出冷却曲线： (2)说明室温下1、2的相和组织是什么，并计算相和组织的相对含量： (3)如果希望得到的组织为：共晶组织和5%的B初，求该合金的成分
解(1)(2)： 合金的冷却曲线如图3-3所示。 L→a 2 a-Bn 3 o 图3-3合金I的冷却曲线 其结晶过程为： 1以上，合金处于液相： 1-2时，L→a,L和α的成分分别沿液相线和固相线变化，到达2时，全部凝固 完毕： 2时，为单相a: 2-3时，a一→Bm。a→B室温下，1合金由两个相组成，即a和B相，其相对量为 Ma-(0.90-0.20)/(0.90-0.05)*100%=82% MB=1-Ma=18% I合金的组织为a+Bm,其相对量与组成物相同。 Ⅱ合金的冷却曲线如图3-4所示
2 L-u+B 可 图3-4合金Ⅱ的冷却曲线 其结晶过程如下： 1以上，合金处于均匀的液相： 12时，进行匀晶转变L→B 2时，两相平衡共存，L050一B00: 2~2时，剩余液相发生共晶反应： L0.50=0.20+0.9% 23时，发生脱溶转变，Q一m 室温下，Ⅱ合金由两个相组成，即α相和B相，其相对量为： Mc(0.90-0.80)/0.90-0.05)*100%=12% MB=1-Ma=88% Ⅱ合金的组织为：B十(a+B):组织组成物的相对量为： mgn(0.80-0.50)/(0.90-0.50)*100%=75% m(a+p1共m=1-m邺初25% 解(3)： 设合金的成分为WB=x,由题意知： mg(x-0.50)/(0.90-0.50)*100%=5% 所以x0.52,即该合金成分为wB0.52. 3-5画出相图，标出相区及各主要点的成分和温度，并回答下列问题：
(1)45、60、T12钢的室温平衡组织分别是什么？它们从高温平衡冷却到室温要 经过哪些转变？ 45钢 室温平衡组织：铁素体α+珠光体P 冷却过程：匀晶转变L0.45一L0.53+8,包晶转变L0.53+8→y0.45,同素 异晶转变y0.45一a+y0.77,共析转变y0.77→(a+Pc3C). 60钢 室温平衡组织：铁素体α+珠光体P 冷却过程：匀晶转变L0.60一L0.53+δ，包晶转变L0.53+8→v0.60,同素 异晶转变y0.60一a+y0.77,共析转变y0.77一(a+Fc3C. T12钢 室温平衡组织：珠光体P+渗碳体FC,C 冷却过程：过共析钢在液态到室温的冷却过程中，首先进行匀晶转变，形 成单相固溶体：当温度到达ES线以下时，过饱和的固溶体？ 中析出渗碳体（二次渗碳体F3C),奥氏体y的成分变到共 析点S0.77%C):共析转变0.77一(a+Fe3C),形成珠光体P. (2)画出纯铁45钢T12钢的室温平衡组织，并标注其中的组织。 45 图3-345钢的室温平衡组织（铁素体α+珠光体P)
Ti2 图3-4T12钢的室温平衡组织（珠光体P+渗碳体FCC) (3)计算室温下45钢T12钢的平衡组织中相组成和组织组成物的相对量。 应用杠杆定律计算45钢中铁素体a和味光体P的相对量，选择a+y二相 区，共析温度727℃。 0.77-0.45 2.=0.7-0.0218 42.77% 0.45-0.0218 0.-077-00218-57.23% T12钢的Q。=(2.11-1.2)/(2.11-0.0218)=33.9% Qp=1-33.9%-66.1% (4)计算铁碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大的相对量， WFC3cm=(2.11-0.77)/6.69-0.8)*100%-23% WFe3Cm=0.02/6.69*100%=33% 二次渗碳体的最大百分含量为22.6%，三次渗碳体的最大百分含量为0.33% (5)应用相图解释下列现象： ①钢柳丁一般用低碳钢合成： 钢柳丁一般要求具有良好的塑性和韧性，所以钢柳丁一般要求用低碳钢合成。 ②绑扎物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物时却用钢丝绳(60 钢65钢70刚等组成)： 亚共析钢（碳的质量分数在0.0218%~0.77%）室温下的组织为铁素体加珠 光体，低碳钢丝（碳的质量分数在0.0218%~0.25%）组织中铁素体的比例大， 所以低碳钢丝塑性、韧性好，绑扎物件时，易于操作：而60钢、65钢、70钢等
组织中珠光体的量多，所以强度，适于作起重机吊重物用的钢丝绳。 ③T8钢的强度高于T12钢的强度。 强度>T12钢，因为强度是一个组织敏感量，当含碳量超过0.9%以后，二 次渗碳体呈网状分布，将珠光体分割开，因此强度下降。 3-6现有两种铁碳合金，其中一种合金的显微组织中珠光体量占75%，铁素体量 占25%：另一种合金的显微，组织中珠光体量占92%，二次渗碳体量占8%， 这两种合金各属于哪一类合金？其含碳量各为多少？ 答：第一种是亚共析钢，含碳量为0.0218%到0.77%之间，后面一种是过共 析钢碳含量为0.77%到2.11%。 37现有形状尺寸完全相同的4块平衡状态的铁碳合金，他们的含碳量分别为 w(C)0.2%、w(C)0.4%、w(C)=1.2%、w(C)=3.5%,根据你所学的知识，可 用那些办法来区别他们？ 答：第一种：根据金相实验铁碳相图来区别它们：含碳量分别为(C)0.2% 的铁碳合金金相中全部是单相的α相.而含碳量分别为w(C)0.4%的铁碳合金金 相由a相和珠光体(P)相组成：而含碳量分别为w(C)=1.2%的铁碳合金金相由 味光体(P)相和二次渗碳体组成：而含碳量分别为(C)3.5%的铁碳合金金相 主要由变态莱氏体(Ld)相和一次渗碳体相组成。 第二种：随着含碳量的增加，铁碳合金的硬度随之增加，分别测试其硬度， 按照其硬度大小可得其含碳量的大小， 3-8简述晶粒大小对金属力学性能的影响，并列举几种实际生产中细化铸造晶粒 的方法。 晶粒大小对金属力学性能和工艺性能有很大影响。在一般情况下，晶粒 愈细小，金属的强度、塑性、韧性及抗疲劳能力愈好，所以，细化晶粒是强 化金属材料的最重要途径之一。为了细化铸件晶粒以改善其性能，常采用以 下方法：增加过冷度：进行变质处理（孕育处理）：振动和搅拌。 39说明金属实际凝固时，铸锭的3种宏观组织的形成机制。 铸锭或铸件的凝固组织通常分为表层细品区，柱状品生长区和中心等轴品三 个部分