工程材料课后习题答案

1.7、常用哪几种硬度试验？如何选用p18？硬度试验的优点何在p11？

硬度试验有以下优点：

试验设备简单，操作迅速方便；

试验时一般不破坏成品零件，因而无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程材料和各种尺寸的零件；

硬度作为一种综合的性能参量，与其它力学性能如强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，由此可按硬度估算强度而免做复杂的拉伸实验（强韧性要求高时则例外）；

材料的硬度还与工艺性能之间有联系，如塑性加工性能、切削加工性能和焊接性能等，因而可作为评定材料工艺性能的参考；

硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，故可用来检验原材料和控制冷、热加工质量。

（提示：设备简单；试样方便（无需专门加工）；在一定范围可与力学性能、工艺性能建立联系；工程中常用）

第2章材料的组成和内部结构特征。

思考题与习题p55

2.7在铁碳合金中主要的相是哪几个？两个最主要的恒温反应是什么？其生成的组织是什么？它们的性能有什么特点？

答：铁碳合金相图中共有五个基本相，即液相l、铁素体相f、高温铁素体相δ、奥氏体相a及渗碳体相fe3c。

在ecf水平线（1148℃）发生共晶转变l4.3 a2.11+fe3c。

转变产物为渗碳体基体上分布着一定形态、数量的奥氏体的机械混合物（共晶体），称为莱氏体，以符号“ld”表示，性能硬而脆。

在ps**（727℃）发生共析转变a0.77 f0.0218+fe3c。

转变产物为铁素体基体上分布着一定数量、形态的渗碳体的机械混合物（共析体），称为珠光体，以符号“p”表示。珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。

2.9 根据铁碳相图对铁碳合金进行分类，试分析不同铁碳合金成分、室温平衡组织及性能之间关系。

答：由fe—c相图可将铁碳合金分为以下几类：

工业纯铁：wc≤0.0218组织为f+fe3ciii

亚共析钢：0.0218%②钢共析钢：wc=0.77组织为珠光体p(f+fe3c)

过共析钢：0.77%亚共晶（白口）铸铁：2.11%③（白口）铸铁共晶（白口）铸铁：wc=4.3%，组织为ld (a+ fe3c)或ld＇

过共晶（白口）铸铁：4.3%由f和fe3c两相构成的铁碳合金的室温平衡组织，随着含碳量的增加其变化规律为：

f（+少量fe3ciii）→f+p→p→p+ fe3cii（网状）→p+ fe3cii+ld’ →ld’ →ld’+fe3ci

随着含碳量的增加，组织组成发生相应的变化，硬度增加，塑韧性降低；强度的变化是先增加后降低，大约在含碳量为0.9%时为最大值。合金中组织的不同引起的性能差异很大，这与fe3c的存在形式密切相关，当他与f（基体）构成片层状的p组织时，合金的强度和硬度均随含碳量增加而增加，而当fe3c以网状分布在晶界上时，不仅使塑韧性降低，也使强度降低；当fe3c以粗大形态存在时（ld’或fe3ci），塑韧性和强度会大大降低。

2.11 从铁一碳相图的分析中回答：

1）随碳质量百分数的增加，硬度、塑性是增加还是减小？

答：随着含碳量的增加，硬度增加，塑韧性降低；因为随含碳量增加fe3c数量越来越多。

2）过共析钢中网状渗碳体对强度、塑性的影响怎样？

答：对基体产生严重的脆化，使强度和塑性下降。

3）钢有塑性而白口铁几乎无塑性？

答：钢是以塑韧的f为基体，而白口铁是以硬脆的fe3c为基体，所以钢有塑性，而白口铁几乎无塑性。

4）哪个区域熔点最低？哪个区域塑性最好？

答：共晶白口铸铁熔点最低。a区塑性最好。

2.13 根据fe-fe3c相图，说明产生下列现象的原因：

1）含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高；

答：因为钢的硬度随含碳量的增加而增加。

2）在室温下含碳量0.8%的钢其强度比含碳量1.2%的钢强度高；

答：含碳量超过0.9%后，fe3c以网状分布在晶界上，从而使钢的强度大大下降。

3）低温莱氏体的塑性比珠光体的塑性差；

答：因为低温莱氏体是由共晶fe3c、fe3cii和珠光体组成，因此比起但纯的珠光体来说，其塑性要差。

4）在1100℃，含碳量0.4%的钢能进行锻造，含碳量4.0%的生铁不能锻造；

答：因为在1100℃，含碳量0.4%的钢处于a单相区，而含碳量4.0%的生铁处于a+ fe3cii+ld’；

5）钢铆钉一般用低碳钢制成；

答：钢铆钉需要有良好的塑韧性，另外需要兼有一定的抗剪切强度，因而使用低碳钢制成；

6）钳工锯0.8%c、1.0%c、1.2%c等钢材比锯0.1%c、0.2%c钢材费力，锯条容易磨损；

答：0.8%c、1.0%c、1.2%c中的含碳量高，组织中的fe3c的含量远比0.1%c、0.2%c钢中的含量高，因此比较硬，比较耐磨；

7）钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于铸造成型；

答：铸铁的熔点低，合金易熔化、铸造过程易于实施；钢的含碳量比铸铁低，通过加热可进入单相固溶体区，从而具有较好的塑性、较低的变形抗力，不易开裂，因此适宜于压力加工成形。

第3章工程材料成形过程中的行为与性能变化。

思考题与习题p81

3、金属晶粒大小对机械性能有什么影响？如何控制晶粒的大小？p67～p68

答：机械工程中应用的大多数金属材料是多晶体。同样的金属材料在相同的变形条件下，晶粒越细，晶界数量就越多，晶界对塑性变形的抗力越大，同时晶粒的变形也越均匀，致使强度、硬度越高，塑性、韧性越好。

因此，在常温下使用的金属材料，一般晶粒越细越好。

晶粒度的大小与结晶时的形核率n和长大速度g有关。形核率越大，在单位体积中形成的晶核数就越多，每个晶粒长大的空间就越小，结晶结束后获得的晶粒也就越细小。同时，如果晶体的长大速度越小，则在晶体长大的过程中可能形成的晶粒数目就越多，因而晶粒也越小。

细化晶粒的方法有：

1）增大过冷度——提高形核率和长大速度的比值，使晶粒数目增大，获得细小晶粒；

2）加入形核剂——可促进晶核的形成，大大提高形核率，达到细化晶粒的目的；

3）机械方法——用搅拌、振动等机械方法迫使凝固中的液态金属流动，可以使附着于铸型壁上的细晶粒脱落，或使长大中的树枝状晶断落，进入液相深处，成为新晶核形成的基底，因而可以有效地细化晶粒。

4、金属铸锭通常由哪几个晶区组成？它们的性能特点如何？p69～p70

答：金属铸锭的宏观组织由由三个晶区组成的，由外至里分别是细等轴晶粒区、柱状晶粒区和中心等轴晶粒区。其性能特点如下：

1）表面细等轴晶区：晶粒细小，有较高的致密度，其力学性能也较好。但因其厚度太小，往往在随后的机械加工过程中去除，因而对铸锭总体性能的影响可以忽略不计。

2）柱状晶区：柱状晶区的各个晶粒平行地向中心长大，彼此互相妨碍，不能产生发达的分枝，结晶后的组织比较致密。但晶粒较粗大，晶粒间交界处容易聚集杂质形成脆弱区，受力时容易沿晶界开裂。

因此，柱状晶的力学性能具有较明显的各向异性。一般铸件中应尽量限制出现较大的柱状晶区。

3）中心等轴晶区：等轴晶的分枝比较发达，凝固后容易形成显微缩松，晶体致密度较低，但杂质元素在等轴晶间的分布比较均匀，不会出现明显的各向异性，铸锭晶间的缩松还可在后续的压力加工过程中焊合。因此，对于铸锭和一般使用条件下的铸件，希望获得等轴晶组织。

6.室温下，对一根铁丝进行反复弯曲—拉直试验，经过一定次数后，铁丝变得越来越硬，试分析原因。如果将这根弯曲—拉直试验后的铁丝进行一定温度的加热后，待冷至室温，然后再试着弯曲，发现又比较容易弯曲了，试分析原因。

答：铁丝进行反复弯曲—拉直的过程是塑性变形的过程，在经过一定次数后铁丝产生了加工硬化，因此强度硬度越来越高；若进行一定温度的加热后，变形的铁丝发生了回复再结晶，加工硬化消除，硬度降低，所以又比较容易弯曲了。

7、什么是金属的回复和再结晶过程？回复和再结晶过程中金属的组织性能发生了哪些变化？p75

答：回复：塑性变形后的金属加热时，开始阶段由于加热温度不高，原子获得的活动能力较小，只能进行短距离的扩散，金属的显微组织仍保持纤维组织，力学性能也不发生明显的变化。

在这一阶段内，原子的短距离扩散使晶体在塑性变形过程中产生的晶体缺陷减少，晶格畸变大部分消除，材料中的残余应力基本消除，导电性和抗腐蚀能力也基本恢复至变形前的水平。

再结晶：把经历回复阶段的金属加热到更高温度时，原子活动能力增大，金属晶粒的显微组织开始发生变化，由破碎的晶粒变成完整的晶粒，由拉长的纤维状晶粒转变成等轴晶粒。这种变化经历了两个阶段，即先在畸变晶粒边界上形成无畸变晶核，然后无畸变晶核长大，直到全部转化为无畸变的等轴晶粒。

该过程无相变发生，也为原子扩散导致的形核、长大过程，因此称为再结晶。金属在再结晶过程中，由于冷塑性变形产生的组织结构变化基本恢复，力学性能也随之发生变化，金属的强度和硬度下降，塑性和韧性上升，加工硬化现象逐渐消失，金属的性能重新恢复至冷塑性变形之前的状态。

8、什么是加工硬化？试述金属在塑性变形中发生加工硬化的原因？试分析加工硬化的利与弊。p74

答：加工硬化：金属在塑性变形过程中，随着变形程度增加，强度、硬度上升，塑性、韧性下降，这种现象称加工硬化（也叫形变强化）。

加工硬化的原因：金属变形过程主要是通过位错沿着一定的晶面滑移实现的。在滑移过程中，位错密度大大增加，位错间又会相互干扰相互缠结，造成位错运动阻力增加，同时亚晶界的增多，从而出现加工硬化现象。

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