工程材料1,2章作業(yè).doc

工程材料作業(yè)第一章1.常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有哪些？答：常見金屬晶體結(jié)構(gòu)：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格2.配位數(shù)和致密度可以用來說明哪些問題？答：用來說明晶體中原子排列的緊密程度。晶體中配位數(shù)和致密度越大，則晶體中原子排列越緊密。3.晶面指數(shù)和晶向指數(shù)有什么不同？答：晶向是指晶格中各種原子列的位向，用晶向指數(shù)來表示，確定晶向指數(shù)的方法和步驟如下： 選定任一結(jié)點(diǎn)作為空間坐標(biāo)原點(diǎn)，通過坐標(biāo)原點(diǎn)引一條平行所求晶向的直線； 求出該直線上任一點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)值、； 把這三個(gè)坐標(biāo)值、按比例化為最小整數(shù)u、v、w，再將u、v、w不加標(biāo)點(diǎn)寫入 內(nèi)，就得到晶向指數(shù)的一般形式uvw。；晶面是指通過晶體中原子中心的平面，用晶面指數(shù)來表示，就是用晶面（或者平面點(diǎn)陣）在三個(gè)晶軸上的截?cái)?shù)的倒數(shù)的互質(zhì)整數(shù)比來標(biāo)記。確定晶面指數(shù)的方法和步驟如下： 選定不在所求晶面上的晶格中的任一個(gè)結(jié)點(diǎn)為空間坐標(biāo)原點(diǎn)，以晶格的三條棱邊為坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)a、b、c分別作為相應(yīng)坐標(biāo)軸上的度量單位； 計(jì)算出所求晶面在各坐標(biāo)軸上的截距，并取截距的倒數(shù)； 將這三個(gè)截距的倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)h、k、l，再將h、k、l不加標(biāo)點(diǎn)寫入( )內(nèi)，就得到晶面指數(shù)的一般形式（hkl）。如(100)、(010)、(111)、等。4.實(shí)際晶體中的點(diǎn)缺陷，線缺陷和面缺陷對金屬性能有何影響？答：如果金屬中無晶體缺陷時(shí)，通過理論計(jì)算具有極高的強(qiáng)度，隨著晶體中缺陷的增加，金屬的強(qiáng)度迅速下降，當(dāng)缺陷增加到一定值后，金屬的強(qiáng)度又隨晶體缺陷的增加而增加。因此，無論點(diǎn)缺陷，線缺陷和面缺陷都會(huì)造成晶格崎變，從而使晶體強(qiáng)度增加，晶體缺陷破壞了晶體的完整性，使晶格畸變、能量增高、金屬的晶體性質(zhì)發(fā)生偏差，對金屬性能有較大的影響。同時(shí)晶體缺陷的存在還會(huì)增加金屬的電阻，降低金屬的抗腐蝕性能。5.產(chǎn)生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金屬加工中有什么利弊？答：加工硬化的產(chǎn)生原因是，金屬在塑性變形時(shí)，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯(cuò)的纏結(jié)，使晶粒拉長、破碎和纖維化，產(chǎn)生許多細(xì)碎的亞晶粒。而亞晶粒隨著晶粒的拉賬而拉賬，同時(shí)晶粒破碎和位錯(cuò)密度的提高使得金屬塑性和韌性下降而強(qiáng)度和硬度提高的的現(xiàn)象。加工硬化在一定程度上可以提高金屬強(qiáng)度和硬度；金屬的加工硬化現(xiàn)象會(huì)給金屬的進(jìn)一步加工帶來困難，導(dǎo)致后續(xù)加工工藝?yán)щy，需退火處理。6.劃分冷加工和熱加工的主要條件是什么？答：結(jié)晶溫度。在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形加工是冷加工，在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形加工是熱加工。7. 與冷加工比較，熱加工給金屬件帶來的益處有哪些？答：a.熱加工可使金屬中的氣孔、裂紋、疏松焊合，從而使其致密度得以提高。b.熱加工可使金屬中的枝晶和柱狀晶破碎細(xì)化，從而使其機(jī)械性能提高。c.熱加工可使金屬中的枝晶偏析、夾雜物和第二相等沿塑性變形方向被拉長，形成纖維組織的流線，使得金屬的力學(xué)性能具有方向性，使縱向的強(qiáng)度、塑性和韌性顯著大于橫向，進(jìn)而提高零件的使用壽命。8.什么是異質(zhì)成核和均質(zhì)成核？他們對鑄件結(jié)晶和晶粒大小有什么影響？答：均質(zhì)形核依靠液態(tài)金屬本身在過冷條件下形成晶核（自發(fā)形核）；異質(zhì)形核金屬原子依附于固態(tài)雜質(zhì)微粒的表面形成晶核（非自發(fā)形核）；在實(shí)際生產(chǎn)過程中，異質(zhì)形核和均質(zhì)形核同時(shí)存在，但是異質(zhì)形核更為重要，往往起到了優(yōu)先和主導(dǎo)的作用。所以，實(shí)際金屬凝固結(jié)晶的過冷度T都不會(huì)超過20，而由于形成的晶粒越多，生成的晶粒就越細(xì)，故過冷度的大小會(huì)影響到晶粒的大小和粗細(xì)。所以，所以，均質(zhì)形核和異質(zhì)形核會(huì)阻礙晶粒的細(xì)化。9.何謂過冷度？它對冷卻速度和鑄件晶粒大小有什么影響？答：a.過冷度degree of under cooling 熔融金屬平衡狀態(tài)下的相變溫度與實(shí)際相變溫度的差值。純金屬的過冷度等于其熔點(diǎn)與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值。b.冷卻速度越大，則過冷度也越大。過冷度增大，F(xiàn)大，結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力大，形核率和長大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N與G的比值，晶粒變細(xì)，但過冷度過大，對晶粒細(xì)化不利，結(jié)晶發(fā)生困難。10.進(jìn)行細(xì)晶強(qiáng)化的措施有哪些？答：a.增加過冷度形核率N，長大速率G都隨過冷度T的增加而增大。T越大，NG越大。使單位體積中的晶粒數(shù)目越多，故晶粒越細(xì)化。b.變質(zhì)處理在液態(tài)金屬結(jié)晶前，加入一些細(xì)小的變質(zhì)劑，使結(jié)晶時(shí)的形核率N增加或降低長大速率G，這種方法稱為變質(zhì)處理。c.附加振動(dòng)振動(dòng)能使液態(tài)金屬在鑄模中運(yùn)動(dòng)，造成枝晶破碎，破碎的枝晶尖端又可起晶核作用。d.對于冷變形的金屬可以通過控制變形度，退火溫度來細(xì)化晶粒。11.鎮(zhèn)靜鋼錠和沸騰鋼錠的缺陷有哪些？答：鎮(zhèn)靜鋼的宏觀組織是由細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)、等軸晶區(qū)組成。此外，鎮(zhèn)靜鋼還有縮孔、疏松、氣泡、成分偏析等缺陷。沸騰鋼的疏松、氣泡、成分偏析等缺陷比鎮(zhèn)靜鋼嚴(yán)重，力學(xué)性質(zhì)也不如鎮(zhèn)靜鋼。12.固溶體與金屬間化合物在結(jié)構(gòu)與性能上有什么主要差別？答：a.固溶體：在固態(tài)下，合金的組元相互溶解而形成的均勻固相。固溶體是指溶質(zhì)原子溶入金屬溶劑的晶格中所組成的合金相。兩組元在液態(tài)下互溶，固態(tài)也相互溶解，且形成均勻一致的物質(zhì)。形成固溶體時(shí)，含量大者為溶劑，含量少者為溶質(zhì)；溶劑的晶格即為固溶體的晶格。置換固溶體和間隙固溶體：間隙固溶體中的溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格的間隙之中；置換固溶體中的溶質(zhì)原子取代部分溶劑原子而占據(jù)晶格點(diǎn)位置。影響固溶體類型的主要因素是原子半徑、晶格類型和電化學(xué)特性。非金屬元素如碳、氮、氫、硼、氧等作為溶質(zhì)在合金中形成間隙固溶體。置換固溶體在溶質(zhì)原子直徑較大時(shí)形成正畸變（晶格常數(shù)增加），原子較小時(shí)形成負(fù)畸變（晶格常數(shù)減?。欢g隙固溶體的晶格都形成正畸變。晶格畸變起到固溶強(qiáng)化的作用：增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，滑移變形變困難，塑性和韌性下降，強(qiáng)度和硬度提高。b.金屬間化合物或中間相：組成合金的A、B兩組元除可以形成固溶體外，還有可能產(chǎn)生晶格類型和特性完全不同于任一組元的新固相。金屬間化合物或中間相：由組成合金的A、B兩組元產(chǎn)生的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新固相，類型主要有正常價(jià)化合物、電子化合物、間隙化合物。正常價(jià)化合物：分子式嚴(yán)格遵守化合價(jià)規(guī)律的化合物，由電負(fù)性相差較大的兩種原子構(gòu)成，可用明確的分子式表示，如MnS、ZnS、AlP等。正常價(jià)化合物的特點(diǎn)是脆性大、硬度高。電子化合物：不遵守化合價(jià)規(guī)律氮按一定電子濃度組成的化合物，電子濃度是化合物的價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之比。例如：CuZn，Cu價(jià)電子數(shù)1，Zn價(jià)電子數(shù)2，原子數(shù)2，(1+2)/23/2。電子化合物的特性是具有明顯的金屬特性、熔點(diǎn)和硬度較高、塑性較差，是有色合金中的重要強(qiáng)化相。間隙化合物：過渡金屬原子與原子半徑較小的非金屬元素碳、氮、氫、硼、氧等形成的化合物。當(dāng)原子半徑之比（非/金）0.59時(shí)，形成具有簡單晶格的間隙化合物（間隙相），如W2C、TiC、TiN、CrN、ZrC、NbC等，可顯著提高合金的耐磨性、紅硬性和熱強(qiáng)性。當(dāng)原子半徑之比（非/金）0.59時(shí)，形成具有復(fù)雜晶格的間隙化合物，如Fe3C（滲碳體）、Cr7C3、WC、Fe2B等。金屬間化合物一般具有硬度和熔點(diǎn)高、性脆的特性。工程中的合金常以固溶體為主，輔以金屬間化合物彌散分布，以提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。這種強(qiáng)化方式稱為彌散強(qiáng)化或第二相質(zhì)點(diǎn)硬化，是合金鋼和有色金屬的重要強(qiáng)化手段。13、總結(jié)細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的異同點(diǎn)。答：其共同點(diǎn)是都是通過一定的方法提高金屬的強(qiáng)度、韌性、塑性、耐磨性等方面。滿足使用要求。不同點(diǎn)是：1,固溶強(qiáng)化是通過固溶在晶格間的原子引起的畸變應(yīng)力使錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)阻力增大來阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng). 2.細(xì)晶強(qiáng)化是通過晶體內(nèi)部的晶界來阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 3,彌散強(qiáng)化一般是通過分散在金屬晶體內(nèi)部的硬質(zhì)相來阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，利用金屬化合物本身的高強(qiáng)度和硬度來強(qiáng)化合金。14、二元合金相圖表達(dá)了合金的那些關(guān)系答：它表示在極緩慢的冷卻速度下合金狀態(tài)隨溫度和化學(xué)成分的變化關(guān)系，比如合金系中不同成分合金同溫度下由哪些平衡相(或組織)組成，以及合金相之間平衡關(guān)系的圖形。根據(jù)合金相圖，不僅可以看到不同成分的合金在室溫下平衡組織，而且還可以了解它以極緩慢冷卻速度冷卻到室溫所經(jīng)歷的各種相變過程，同時(shí)相圖還能預(yù)測合金性能的變化規(guī)律。15、在二元合金相圖中應(yīng)用杠桿定律可以計(jì)算什么？答：杠桿定律可以用來計(jì)算處于兩相平衡的二元合金中每個(gè)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，它也可以用來估算二元合金在接近平衡狀態(tài)下，不同組織組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。即計(jì)算合金相互平衡兩相的成分和相對含量、16、何謂勻晶反應(yīng)、共晶反應(yīng)和包晶反應(yīng)？答：晶體材料從高溫液相冷卻下來的凝固轉(zhuǎn)變產(chǎn)物包括多相混合物晶體和單相固溶體兩種，其中由液相結(jié)晶出單相固溶體的過程稱為勻晶反應(yīng)。包晶反應(yīng)是在結(jié)晶過程先析出相進(jìn)行到一定溫度后新產(chǎn)生的固相大多包圍在已有的舊固相周圍生成。在一定溫度 下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)都不相同的新固相的轉(zhuǎn)變過程稱為共晶反應(yīng)第二章 1什么是鐵素體、奧氏體和滲碳體，其性能有何特點(diǎn)和差異？答：鐵素體（用F或者表示） 碳溶于-Fe中形成的體心立方晶格的間隙固溶體，金相顯微鏡下為多邊形晶粒。鐵素體中碳的溶解度很小，在室溫中時(shí)小于0.008%，在727。C時(shí)也只有0.0218%。鐵素體的強(qiáng)度和硬度低、塑性好，力學(xué)性能與純鐵相似。鐵素體在770。C以下具有磁性。奧氏體（用A或者表示） 碳溶于-Fe中形成的面心立方晶格的間隙固溶體，金相顯微鏡下為規(guī)則的多邊形晶粒。奧氏體中碳的溶解度很大，在727。C時(shí)有0.77%，1148。C時(shí)溶解度最大，達(dá)到2.11%。奧氏體的強(qiáng)度和硬度不高，塑性好，容易壓力加工。奧氏體沒有磁性。滲碳體 即是Fe3C相，含碳量為6.69%，它是一種復(fù)雜鐵碳間隙化合物。滲碳體的硬度很高，強(qiáng)度極低，脆性非常大，對鐵碳合金的力學(xué)性能有很大影響。2什么是萊氏體和珠光體，其性能和組織有何特點(diǎn)？共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是奧氏體與滲碳體的共晶混合物，稱萊氏體，用Le表示。由奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。在萊氏體中，滲碳體是連續(xù)分布的相，奧氏體呈顆粒狀分布在滲碳體基體上。由于滲碳體很脆，所以萊氏體是塑性很差的組織。共析反應(yīng)的產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的共析混合物，稱珠光體，用P表示。由鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。鐵素體和滲碳體呈層片狀。珠光體有較高的強(qiáng)度和硬度，但塑性較差。3Fe-Fe3C合金相圖有何作用？（1）可作為鋼鐵選材的成分依據(jù)工程設(shè)計(jì)中對服役的金屬材料有不同的要求。相圖描述了鐵碳合金的組織隨含碳量的變化規(guī)律，合金的性能決定于合金的組織，這樣根據(jù)零件的性能要求來選擇不同成分的鐵碳合金（2）作為鋼鐵熱加工（鑄、鍛、熱處理）的工藝依據(jù)鑄鐵工藝可以根據(jù)Fe-Fe3C合金相圖確定不同成分材料的熔點(diǎn)，制定澆注溫度和工藝；根據(jù)相圖液相線和固相線之間的距離估計(jì)鑄件質(zhì)量，距離越小，鑄造性能越好。鍛造工藝可以根據(jù)Fe-Fe3C合金相圖去頂鍛造溫度。（3）對制定熱處理（例如退火、正火、淬火等）的依據(jù)4亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼的組織有何特點(diǎn)和異同點(diǎn)？亞共析鋼的組織由鐵素體和珠光體所組成。其中鐵素體呈塊狀。珠光體中鐵素體與滲碳體呈片狀分布。共析鋼的組織由珠光體所組成。過共析鋼的組織由珠光體和二次滲碳體所組成，其中二次滲碳體在晶界形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀。共同點(diǎn)：鋼的組織中都含有珠光體。不同點(diǎn)：亞共析鋼的組織是鐵素體和珠光體，共析鋼的組織是珠光體，過共析鋼的組織是珠光體和二次滲碳體。5.一種鋼材中含有15%珠光體和85%鐵素體，請計(jì)算鋼中的含碳量，并確定它是亞共析鋼還是過共析鋼。解：由杠桿定律得：W=85%=(0.77-WC)/(0.77-0.02)*100%解得：WC=0.1325%所以根據(jù)此含碳量得此鋼為亞共析鋼。6.一種鋼材中含有88%珠光體和12%二次滲碳體，請計(jì)算鋼中的含量，并確定它是亞共析鋼還是過共析鋼。解：由杠桿定律有：Wp=88%=(2.11-WC)/(2.11-0.77)*100%解得：WC=0.9308%所以根據(jù)含碳量得此鋼為過共析鋼。7.計(jì)算Fe-1.4%C合金在700下各個(gè)相及其組分的數(shù)量成分。解：含碳量為1.4%的合金屬于過共