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機械工程材料思考題參考答案第一章金屬的晶體結構與結晶1．解釋下列名詞點缺陷，線缺陷，面缺陷，亞晶粒，亞晶界，刃型位錯，單晶體，多晶體，過冷度，自發形核，非自發形核，變質處理，變質劑。 點缺陷：原子排列不規則的區域在空間
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機械工程材料
思考題參考答案
第一章 金屬的晶體結構與結晶
1．解釋下列名詞
點缺陷，線缺陷，面缺陷，亞晶粒，亞晶界，刃型位錯，單晶體，多晶體，
過冷度，自發形核，非自發形核，變質處理，變質劑。
答：點缺陷：原子排列不規則的區域在空間三個方向尺寸都很小，主要指空位間隙原子、置換原子等。
線缺陷：原子排列的不規則區域在空間一個方向上的尺寸很大，而在其餘兩個方向上的尺寸很小。如位錯。
面缺陷：原子排列不規則的區域在空間兩個方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。如晶界和亞晶界。
亞晶粒：在多晶體的每一個晶粒內，晶格位向也並非完全一致，而是存在著許多尺寸很小、位向差很小的小晶塊，它們相互鑲嵌而成晶粒，稱亞晶粒。
亞晶界：兩相鄰亞晶粒間的邊界稱為亞晶界。
刃型位錯：位錯可認為是晶格中一部分晶體相對於另一部分晶體的局部滑移而造成。滑移部分與未滑移部分的交界線即為位錯線。如果相對滑移的結果上半部分多出一半原子面，多餘半原子面的邊緣好像插入晶體中的一把刀的刃口，故稱「刃型位錯」。
單晶體：如果一塊晶體，其內部的晶格位向完全一致，則稱這塊晶體為單晶體。
多晶體：由多種晶粒組成的晶體結構稱為「多晶體」。
過冷度：實際結晶溫度與理論結晶溫度之差稱為過冷度。
自發形核：在一定條件下，從液態金屬中直接產生，原子呈規則排列的結晶核心。
非自發形核：是液態金屬依附在一些未溶顆粒表面所形成的晶核。
變質處理：在液態金屬結晶前，特意加入某些難熔固態顆粒，造成大量可以成為非自發晶核的固態質點，使結晶時的晶核數目大大增加，從而提高了形核率，細化晶粒，這種處理方法即為變質處理。
變質劑：在澆注前所加入的難熔雜質稱為變質劑。
2.常見的金屬晶體結構有哪幾種？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、 Pb 、 Cr 、 V 、Mg、Zn 各屬何種晶體結構？
答：常見金屬晶體結構：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；
α－Fe、Cr、V屬於體心立方晶格；
γ－Fe 、Al、Cu、Ni、Pb屬於面心立方晶格；
Mg、Zn屬於密排六方晶格；
3.配位數和緻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。晶體中配位數和緻密度越大，則晶體中原子排列越緊密。
4.晶面指數和晶向指數有什麼不同？
答：晶向是指晶格中各種原子列的位向，用晶向指數來表示，形式為；晶面是指晶格中不同方位上的原子面，用晶面指數來表示，形式為。
5.實際晶體中的點缺陷，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，通過理論計算具有極高的強度，隨著晶體中缺陷的增加，金屬的強度迅速下降，當缺陷增加到一定值後，金屬的強度又隨晶體缺陷的增加而增加。因此，無論點缺陷，線缺陷和面缺陷都會造成晶格崎變，從而使晶體強度增加。同時晶體缺陷的存在還會增加金屬的電阻，降低金屬的抗腐蝕性能。
6.為何單晶體具有各向異性，而多晶體在一般情況下不顯示出各向異性？
答：因為單晶體內各個方向上原子排列密度不同，造成原子間結合力不同，因而表現出各向異性；而多晶體是由很多個單晶體所組成，它在各個方向上的力相互抵消平衡，因而表現各向同性。
7.過冷度與冷卻速度有何關系？它對金屬結晶過程有何影響？對鑄件晶粒大小有何影響？
答：①冷卻速度越大，則過冷度也越大。②隨著冷卻速度的增大，則晶體內形核率和長大速度都加快，加速結晶過程的進行，但當冷速達到一定值以後則結晶過程將減慢，因為這時原子的擴散能力減弱。③過冷度增大，ΔF大，結晶驅動力大，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，但過冷度過大，對晶粒細化不利，結晶發生困難。
8.金屬結晶的基本規律是什麼？晶核的形成率和成長率受到哪些因素的影響？
答：①金屬結晶的基本規律是形核和核長大。②受到過冷度的影響，隨著過冷度的增大，晶核的形成率和成長率都增大，但形成率的增長比成長率的增長快；同時外來難熔雜質以及振動和攪拌的方法也會增大形核率。
9.在鑄造生產中，採用哪些措施控制晶粒大小？在生產中如何應用變質處理？
答：①採用的方法：變質處理，鋼模鑄造以及在砂模中加冷鐵以加快冷卻速度的方法來控制晶粒大小。②變質處理：在液態金屬結晶前，特意加入某些難熔固態顆粒，造成大量可以成為非自發晶核的固態質點，使結晶時的晶核數目大大增加，從而提高了形核率，細化晶粒。③機械振動、攪拌。
第二章 金屬的塑性變形與再結晶
1．解釋下列名詞：
加工硬化、回復、再結晶、熱加工、冷加工。
答：加工硬化：隨著塑性變形的增加，金屬的強度、硬度迅速增加；塑性、韌性迅速下降的現象。
回復：為了消除金屬的加工硬化現象，將變形金屬加熱到某一溫度，以使其組織和性能發生變化。在加熱溫度較低時，原子的活動能力不大，這時金屬的晶粒大小和形狀沒有明顯的變化，只是在晶內發生點缺陷的消失以及位錯的遷移等變化，因此，這時金屬的強度、硬度和塑性等機械性能變化不大，而只是使內應力及電阻率等性能顯著降低。此階段為回復階段。
再結晶：被加熱到較高的溫度時，原子也具有較大的活動能力，使晶粒的外形開始變化。從破碎拉長的晶粒變成新的等軸晶粒。和變形前的晶粒形狀相似，晶格類型相同，把這一階段稱為「再結晶」。
熱加工：將金屬加熱到再結晶溫度以上一定溫度進行壓力加工。
冷加工：在再結晶溫度以下進行的壓力加工。
2．產生加工硬化的原因是什麼？加工硬化在金屬加工中有什麼利弊？
答：①隨著變形的增加，晶粒逐漸被拉長，直至破碎，這樣使各晶粒都破碎成細碎的亞晶粒，變形愈大，晶粒破碎的程度愈大，這樣使位錯密度顯著增加；同時細碎的亞晶粒也隨著晶粒的拉長而被拉長。因此，隨著變形量的增加，由於晶粒破碎和位錯密度的增加，金屬的塑性變形抗力將迅速增大，即強度和硬度顯著提高，而塑性和韌性下降產生所謂「加工硬化」現象。②金屬的加工硬化現象會給金屬的進一步加工帶來困難，如鋼板在冷軋過程中會越軋越硬，以致最後軋不動。另一方面人們可以利用加工硬化現象，來提高金屬強度和硬度，如冷拔高強度鋼絲就是利用冷加工變形產生的加工硬化來提高鋼絲的強度的。加工硬化也是某些壓力加工工藝能夠實現的重要因素。如冷拉鋼絲拉過模孔的部分，由於發生了加工硬化，不再繼續變形而使變形轉移到尚未拉過模孔的部分，這樣鋼絲才可以繼續通過模孔而成形。
3．劃分冷加工和熱加工的主要條件是什麼？
答：主要是再結晶溫度。在再結晶溫度以下進行的壓力加工為冷加工，產生加工硬化現象；反之為熱加工，產生的加工硬化現象被再結晶所消除。
4．與冷加工比較，熱加工給金屬件帶來的益處有哪些？
答：（1）通過熱加工，可使鑄態金屬中的氣孔焊合，從而使其緻密度得以提高。
（2）通過熱加工，可使鑄態金屬中的枝晶和柱狀晶破碎，從而使晶粒細化，機械性能提高。
（3）通過熱加工，可使鑄態金屬中的枝晶偏析和非金屬夾雜分布發生改變，使它們沿著變形的方向細碎拉長，形成熱壓力加工「纖維組織」（流線），使縱向的強度、塑性和韌性顯著大於橫向。如果合理利用熱加工流線，盡量使流線與零件工作時承受的最大拉應力方向一致，而與外加切應力或沖擊力相垂直，可提高零件使用壽命。
5．為什麼細晶粒鋼強度高，塑性，韌性也好？
答：晶界是阻礙位錯運動的，而各晶粒位向不同，互相約束，也阻礙晶粒的變形。因此，金屬的晶粒愈細，其晶界總面積愈大，每個晶粒周圍不同取向的晶粒數便愈多，對塑性變形的抗力也愈大。因此，金屬的晶粒愈細強度愈高。同時晶粒愈細，金屬單位體積中的晶粒數便越多，變形時同樣的變形量便可分散在更多的晶粒中發生，產生較均勻的變形，而不致造成局部的應力集中，引起裂紋的過早產生和發展。因此，塑性，韌性也越好。
6．金屬經冷塑性變形後，組織和性能發生什麼變化？
答：①晶粒沿變形方向拉長，性能趨於各向異性，如縱向的強度和塑性遠大於橫向等；②晶粒破碎，位錯密度增加，產生加工硬化，即隨著變形量的增加，強度和硬度顯著提高，而塑性和韌性下降；③織構現象的產生，即隨著變形的發生，不僅金屬中的晶粒會被破碎拉長，而且各晶粒的晶格位向也會沿著變形的方向同時發生轉動，轉動結果金屬中每個晶粒的晶格位向趨於大體一致，產生織構現象；④冷壓力加工過程中由於材料各部分的變形不均勻或晶粒內各部分和各晶粒間的變形不均勻，金屬內部會形成殘余的內應力，這在一般情況下都是不利的，會引起零件尺寸不穩定。
7．分析加工硬化對金屬材料的強化作用？
答：隨著塑性變形的進行，位錯密度不斷增加，因此位錯在運動時的相互交割、位錯纏結加劇，使位錯運動的阻力增大，引起變形抗力的增加。這樣，金屬的塑性變形就變得困難，要繼續變形就必須增大外力，因此提高了金屬的強度。
8．已知金屬鎢、鐵、鉛、錫的熔點分別為3380℃、1538℃、327℃、232℃，試計算這些金屬的最低再結晶溫度，並分析鎢和鐵在1100℃下的加工、鉛和錫在室溫（20℃）下的加工各為何種加工？
答：T再=0.4T熔；鎢T再=[0.4*（3380+273）]-273=1188.2℃; 鐵T再=[0.4*（1538+273）]-273=451.4℃; 鉛T再=[0.4*（327+273）]-273=-33℃; 錫T再=[0.4*（232+273）]-273=-71℃.由於鎢T再為1188.2℃＞1100℃，因此屬於熱加工；鐵T再為451.4℃＜1100℃，因此屬於冷加工；鉛T再為-33℃＜20℃，屬於冷加工；錫T再為-71＜20℃，屬於冷加工。
9．在製造齒輪時，有時採用噴丸法（即將金屬丸噴射到零件表面上）使齒面得以強化。試分析強化原因。
答：高速金屬丸噴射到零件表面上，使工件表面層產生塑性變形，形成一定厚度的加工硬化層，使齒面的強度、硬度升高。
第三章 合金的結構與二元狀態圖
1．解釋下列名詞：
合金，組元，相，相圖；固溶體，金屬間化合物，機械混合物；枝晶偏析，比重偏析；固溶強化，彌散強化。
答：合金：通過熔煉，燒結或其它方法，將一種金屬元素同一種或幾種其它元素結合在一起所形成的具有金屬特性的新物質，稱為合金。
組元：組成合金的最基本的、獨立的物質稱為組元。
相：在金屬或合金中，凡成分相同、結構相同並與其它部分有界面分開的均勻組成部分，均稱之為相。
相圖：用來表示合金系中各個合金的結晶過程的簡明圖解稱為相圖。
固溶體：合金的組元之間以不同的比例混合，混合後形成的固相的晶格結構與組成合金的某一組元的相同，這種相稱為固溶體。
金屬間化合物：合金的組元間發生相互作用形成的一種具有金屬性質的新相，稱為金屬間化合物。它的晶體結構不同於任一組元，用分子式來表示其組成。
機械混合物：合金的組織由不同的相以不同的比例機械的混合在一起，稱機械混合物。
枝晶偏析：實際生產中，合金冷卻速度快，原子擴散不充分，使得先結晶出來的固溶體合金含高熔點組元較多，後結晶含低熔點組元較
多，這種在晶粒內化學成分不均勻的現象稱為枝晶偏析。
比重偏析：比重偏析是由組成相與溶液之間的密度差別所引起的。如果先共晶相與溶液之間的密度差別較大，則在緩慢冷卻條件下凝固時，先共晶相便會在液體中上浮或下沉，從而導致結晶後鑄件上下部分的化學成分不一致，產生比重偏析。
固溶強化：通過溶入某種溶質元素形成固溶體而使金屬的強度、硬度升高的現象稱為固溶強化。
彌散強化：合金中以固溶體為主再有適量的金屬間化合物彌散分布，會提高合金的強度、硬度及耐磨性，這種強化方式為彌散強化。
2．指出下列名詞的主要區別：
1）置換固溶體與間隙固溶體；
答：置換固溶體：溶質原子代替溶劑晶格結點上的一部分原子而組成的固溶體稱置換固溶體。
間隙固溶體：溶質原子填充在溶劑晶格的間隙中形成的固溶體，即間隙固溶體。
2）相組成物與組織組成物；
相組成物：合金的基本組成相。
組織組成物：合金顯微組織中的獨立組成部分。
3．下列元素在α-Fe 中形成哪幾種固溶體?
Si、C、N、Cr、Mn
答：Si、Cr、Mn形成置換固溶體；C、N形成間隙固溶體。
4．試述固溶強化、加工強化和彌散強化的強化原理,並說明三者的區別.
答：固溶強化：溶質原子溶入後，要引起溶劑金屬的晶格產生畸變，進而位錯運動時受到阻力增大。
彌散強化：金屬化合物本身有很高的硬度，因此合金中以固溶體為基體再有適量的金屬間化合物均勻細小彌散分布時，會提高合金的強度、硬度及耐磨性。這種用金屬間化合物來強化合金的方式為彌散強化。
加工強化：通過產生塑性變形來增大位錯密度，從而增大位錯運動阻力，引起塑性變形抗力的增加，提高合金的強度和硬度。
區別：固溶強化和彌散強化都是利用合金的組成相來強化合金，固溶強化是通過產生晶格畸變，使位錯運動阻力增大來強化合金；彌散強化是利用金屬化合物本身的高強度和硬度來強化合金；而加工強化是通過力的作用產生塑性變形，增大位錯密度以增大位錯運動阻力來強化合金；三者相比，通過固溶強化得到的強度、硬度最低，但塑性、韌性最好，加工強化得到的強度、硬度最高，但塑韌性最差，彌散強化介於兩者之間。
5．固溶體和金屬間化合物在結構和性能上有什麼主要差別？
答：在結構上：固溶體的晶體結構與溶劑的結構相同，而金屬間化合物的晶體結構不同於組成它的任一組元，它是以分子式來表示其組成。
在性能上：形成固溶體和金屬間化合物都能強化合金，但固溶體的強度、硬度比金屬間化合物低，塑性、韌性比金屬間化合物好，也就是固溶體有更好的綜合機械性能。
6. 何謂共晶反應、包晶反應和共析反應?試比較這三種反應的異同點.
答：共晶反應：指一定成分的液體合金，在一定溫度下，同時結晶出成分和晶格均不相同的兩種晶體的反應。
包晶反應：指一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另外一種固相的反應過程。
共析反應：由特定成分的單相固態合金，在恆定的溫度下，分解成兩個新的，具有一定晶體結構的固相的反應。
共同點：反應都是在恆溫下發生，反應物和產物都是具有特定成分的相，都處於三相平衡狀態。
不同點：共晶反應是一種液相在恆溫下生成兩種固相的反應；共析反應是一種固相在恆溫下生成兩種固相的反應；而包晶反應是一種液相與一種固相在恆溫下生成另一種固相的反應。
7．二元合金相圖表達了合金的哪些關系？
答：二元合金相圖表達了合金的狀態與溫度和成分之間的關系。
8．在二元合金相圖中應用杠桿定律可以計算什麼？
答：應用杠桿定律可以計算合金相互平衡兩相的成分和相對含量。
9. 已知A（熔點 600℃）與B(500℃) 在液態無限互溶；在固態 300℃時A溶於 B 的最大溶解度為 30% ，室溫時為10%，但B不溶於A；在 300℃時，含 40% B 的液態合金發生共晶反應。現要求：
1）作出A-B 合金相圖；
2）分析 20% A,45%A,80%A 等合金的結晶過程，並確定室溫下的組織組成物和相組成物的相對量。
答：（1）
（2）20%A合金如圖①：
合金在1點以上全部為液相，當冷至1點時，開始從液相中析出α固溶體，至2點結束，2～3點之間合金全部由α固溶體所組成，但當合金冷到3點以下，由於固溶體α的濃度超過了它的溶解度限度，於是從固溶體α中析出二次相A，因此最終顯微組織：α+AⅡ
相組成物: α+A
A=（90-80/90）*100%=11% α=1-A%=89%
45%A合金如圖②：
合金在1點以上全部為液相，冷至1點時開始從液相中析出α固溶體，此時液相線成分沿線BE變化，固相線成分沿BD線變化，當冷至2點時，液相線成分到達E點，發生共晶反應，形成（A+α）共晶體，合金自2點冷至室溫過程中，自中析出二次相AⅡ，因而合金②室溫組織：
AⅡ+α+(A+α) 相組成物:A+α
組織：AⅡ=（70-55）/70*100%=21% α=1- AⅡ=79%
A+α=（70-55）/(70-40）*100%=50%
相：A=（90-55）/90*100%=50% α=1-A%=50%
80%A合金如圖③：
合金在1點以上全部為液相，冷至1點時開始從液相中析出A，此時液相線成分沿AE線變化，冷至2點時，液相線成分到達點，發生共晶反應，形成(A+α)共晶體，因而合金③的室溫組織：A+ (A+α)
相組成物：A+α
組織：A=（40-20）/40*100%=50% A+α=1-A%=50%
相： A=（90-20）/90*100%=78% α=1-A%=22%
10．某合金相圖如圖所示。
1）試標注①—④空白區域中存在相的名稱；
2）指出此相圖包括哪幾種轉變類型；
3）說明合金Ⅰ的平衡結晶過程及室溫下的顯微組織。
答：(1)①：L+γ ②: γ+β ③: β+(α+β) ④: β+αⅡ
(2)勻晶轉變；共析轉變
(3)合金①在1點以上全部為液相,冷至1點時開始從液相中析出γ固溶體至2點結束,2～3點之間合金全部由γ固溶體所組成,3點以下,開始從γ固溶體中析出α固溶體,冷至4點時合金全部由α固溶體所組成,4～5之間全部由α固溶體所組成,冷到5點以下,由於α固溶體的濃度超過了它的溶解度限度,從α中析出第二相β固溶體,最終得到室穩下的顯微組織: α+βⅡ
11．有形狀、尺寸相同的兩個 Cu-Ni 合金鑄件，一個含 90% Ni ，另一個含 50% Ni,鑄後自然冷卻，問哪個鑄件的偏析較嚴重？
答：含 50% Ni的Cu-Ni 合金鑄件偏析較嚴重。在實際冷卻過程中，由於冷速較快，使得先結晶部分含高熔點組元多，後結晶部分含低熔點組元多，因為含 50% Ni的Cu-Ni 合金鑄件固相線與液相線范圍比含 90% Ni鑄件寬，因此它所造成的化學成分不均勻現象要比含 90% Ni的Cu-Ni 合金鑄件嚴重。
第四章 鐵碳合金
1．何謂金屬的同素異構轉變？試畫出純鐵的結晶冷卻曲線和晶體結構變化圖。
答：由於條件（溫度或壓力）變化引起金屬晶體結構的轉變，稱同素異構轉變。
2．為什麼γ-Fe 和α- Fe 的比容不同？一塊質量一定的鐵發生（γ-Fe →α-Fe ）轉變時，其體積如何變化？
答：因為γ-Fe和α- Fe原子排列的緊密程度不同，γ-Fe的緻密度為74%,α- Fe的緻密度為68%，因此一塊質量一定的鐵發生（γ-Fe →α-Fe ）轉變時體積將發生膨脹。
3.何謂鐵素體（F）,奧氏體（A），滲碳體（Fe3C），珠光體（P）,萊氏體（Ld）？它們的結構、組織形態、性能等各有何特點？
答：鐵素體（F）：鐵素體是碳在中形成的間隙固溶體，為體心立方晶格。由於碳在中的溶解度`很小，它的性能與純鐵相近。塑性、韌性好，強度、硬度低。它在鋼中一般呈塊狀或片狀。
奧氏體（A）：奧氏體是碳在中形成的間隙固溶體，面心立方晶格。因其晶格間隙尺寸較大，故碳在中的溶解度較大。有很好的塑性。
滲碳體（Fe3C）：鐵和碳相互作用形成的具有復雜晶格的間隙化合物。滲碳體具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近於零。在鋼中以片狀存在或網路狀存在於晶界。在萊氏體中為連續的基體，有時呈魚骨狀。
珠光體（P）：由鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。鐵素體和滲碳體呈層片狀。珠光體有較高的強度和硬度，但塑性較差。
萊氏體（Ld）：由奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。在萊氏體中，滲碳體是連續分布的相，奧氏體呈顆粒狀分布在滲碳體基體上。由於滲碳體很脆，所以萊氏體是塑性很差的組織。
4.Fe-Fe3C合金相圖有何作用？在生產實踐中有何指導意義？又有何局限性？
答：①碳鋼和鑄鐵都是鐵碳合金，是使用最廣泛的金屬材料。鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的重要工具，了解與掌握鐵碳合金相圖，對於鋼鐵材料的研究和使用，各種熱加工工藝的