工程材料复习题样本.doc

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考试时间 5月2日上午3, 4节
考试复习题
1. 画出常见的金属晶体三种晶格, 在每种晶格中画出一个密排方向和一个密排面, 写出晶向指数和晶面指数。
2. 金属根据溶质原子位置分类的固溶体的基本类型, 简述固溶强化的基本原理。
3．何谓金属间化物, 其性能特点如何?
4. 何谓金属的金相组织, 一般的金相组织的组成是什么?
5. 画出完整的铁-碳( 6.69%) 平衡相图, 写出铁素体、 钢、 铸铁的成分范围。
6．普通碳钢和合金钢相比, 工程使用性能上存在哪些不足?
7 .简述单晶体材料塑性变形的两种( 滑移、 孪生) 机理, 画出孪晶结构示意图。
8.简述金属在塑性变形过程中的组织结构变化, 如何消除变形组织而形成均匀等轴组织?
9.简述钢的退火处理种类及作用, 正火处理作用。
10.简述钢的淬火处理目的和回火处理目的。
11．描述钢淬火形成马氏体后, 在随后的回火过程中, 随回火温度增加钢的组织转变结果。
12.如何提高钢的淬透性?
13.简述渗碳钢的用途和热处理组织。
14.简述铝合金固溶和时效处理的作用和目的, 简述第二相弥散强化机理。
15. 简述钛的性能特点、 晶体结构和本课程中描述的钛合金的种类和用途。
16. 简述简单硅铝明系铸造铝合金变质处理的目的和方法。
17. 简述不锈钢成分组成及各组分作用。
18. 什么是热塑性塑料, 什么是热固性塑料?
19. 简述陶瓷的生产过程及制造质量评价指标。
20. 简述树脂基碳纤维增强复合材料的复合原则。
21. 画出双金属片温度开关( 常闭) 简图, 说明工作原理。
22. 简述低碳钢无宏观缺陷的光滑拉伸试样断口形貌和形成原因。

2. 金属根据溶质原子位置分类的固溶体的基本类型, 简述固溶强化的基本原理。
答: 金属根据溶质原子位置分类的固溶体的基本类型为置换固溶体和间隙固溶体, 置换固溶体中溶质原子部分取代溶剂原子位置形成的固溶体; 溶质原子进入溶剂原子的晶格间隙形成间隙固溶体。
固溶体中溶质原子的存在, 形成晶格畸变, 造成位错运动阻力增加, 强化的结果为固溶体的强度提高, 溶质原子的比例提高, 强化效果提高。

3．何谓金属间化物, 其性能特点如何?
答: 金属与金属、 金属与准金属形成的化合物。金属间化物的结构不同于组成它的组员结构, 一般由离子键和共价键方式连接。具有高硬度、 高熔点、 低韧性等性能特点。
4. 何谓金属的金相组织, 一般的金相组织的组成是什么?
答: 将一小块金属材料用金相砂纸磨光后进行抛光, 然后用侵蚀剂侵蚀, 即获得一块金相样品。在金相显微镜下观察, 能够看到金属材料内部的微观形貌。这种微观形貌称做显微组织(简称组织)。
组织由数量、 形态、 大小和分布方式不同的各种相组成。
5. 画出完整的铁-碳( 6.69%) 平衡相图, 写出铁素体、 钢、 铸铁的成分范围。

0-0.0218 铁素体( 铁) 0.0218-2.11 钢 2.11-6.69 铸铁

6．普通碳钢和合金钢相比, 工程使用性能上存在哪些不足?
答: 碳钢的在性能上主要有以下几方面的不足:
    (1) 淬透性低  一般情况下, 碳钢水淬的最大淬透直径只有10 mm～20 mm。
    (2) 强度和屈强比较低  如普通碳钢Q235钢的σs为235 MPa, 而低合金结构钢Q345( 16Mn) 的σs则为360 MPa以上。40钢的σs /σb仅为0.43, 而合金钢35CrNi3Mo的σs /σb高达0.74。
    (3) 回火稳定性差 碳钢在进行调质处理时, 为了保证较高的强度需采用较低的回火温度, 这样钢的韧性就偏低; 为了保证较好的韧性, 采用高的回火温度时强度又偏低, 因此碳钢的综合机械性能水平不高。
    (4) 不能满足特殊性能的要求 碳钢在抗氧化、 耐蚀、 耐热、 耐低温、 耐磨损以及特殊电磁性等方面往往较差, 不能满足特殊使用性能的需求。

7 .简述单晶体材料塑性变形的两种( 滑移、 孪生) 机理, 画出孪晶结构示意图。
答: 滑移特点:
( 1) 滑移只能在切应力作用下才会发生, 不同金属产生滑移的最小切应力(称滑移临界切应力)大小不同。钨、 钼、 铁的滑移临界切应力比铜、 铝的要大。 ( 2) 滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动,而是经过位错的运动来实现的。 ( 3) 由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量, 因此晶体发生的总变形量一定是这个方向上的原子间距的整数倍。 ( 4) 滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)进行。

2. 孪生
在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)发生切变的变形过程称孪生。孪生只在滑移很难进行的情况下才发生。而滑移系较少的密排六方晶格金属如镁、 锌、 镉等, 则比较容易发生孪生。

8.简述金属在塑性变形过程中的组织结构变化, 如何消除变形组织而形成均匀等轴组织?
塑性变形对金属组织结构的影响 
    ( 1) 晶粒发生变形  金属发生塑性变形后,晶粒沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时, 晶粒变成细条状(拉伸时), 金属中的夹杂物也被拉长, 形成纤维组织。  

 变形前后晶粒形状变化示意图 
    ( 2) 亚结构形成 金属经大的塑性变形时, 由于位错的密度增大和发生交互作用, 大量位错堆积在局部地区, 并相互缠结, 形成不均匀的分布, 使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块, 而在晶粒内产生亚晶粒。  

　 金属经变形后的亚结构
     ( 3) 形变织构产生  金属塑性变形到很大程度(70%以上)时, 由于晶粒发生转动, 使各晶粒的位向趋近于一致, 形成特殊的择优取向, 这种有序化的结构叫做形变织构。

变形后的金属在较高温度加热时, 由于原子扩散能力增大, 被拉长( 或压扁) 、 破碎的晶粒经过重新生核、 长大变成新的均匀、 细小的等轴晶。这个过程称为再结晶。

9.简述钢的退火处理种类及作用, 正火处理作用。
将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度, 保温一定时间, 然后缓慢冷却( 一般为随炉冷却) , 以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。
钢的退火分为完全退火、 等温退火、 球化退火、 扩散退火和去应力退火等。
碳钢各种退火和正火工艺规范示意图
1. 完全退火
完全退火又称重结晶退火, 是把钢加热至Ac3以上20 ℃～30 ℃, 保温一定时间后缓慢冷却(随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却), 以获得接近平衡组织的热处理工艺。完全退火一般用于亚共析钢。 　　
完全退火的目的在于, 经过完全重结晶, 使热加工造成的粗大、 不均匀的组织均匀化和细化, 以提高性能; 或使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织, 以降低硬度, 改进切削加工性能。由于冷却速度缓慢, 还可消除内应力。
2. 等温退火
等温退火是将钢件加热到高于Ac3 (或Ac1 ) 的温度, 保温适当时间后, 较快地冷却到珠光体区的某一温度, 并等温保持, 使奥氏体等温转变, 然后缓慢冷却的热处理工艺。
等温退火的目的与完全退火相同, 能获得均匀的预期组织; 对于奥氏体较稳定的合金钢, 可大大缩短退火时间。
3. 球化退火
球化退火为使钢中碳化物球状化的热处理工艺。目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化( 退火前正火将网状渗碳体破碎) , 以降低硬度, 改进切削加工性能; 并为以后的淬火作组织准备。球化退火主要用于共析钢和过共析钢。
过共析钢球化退火后的显微组织为在铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体。球化退火的加热温度略高于Ac1。球化退火需要较长的保温时间来保证二次渗碳体的自发球化。保温后随炉冷却。
4. 扩散退火
为减少钢锭、 铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性, 将其加热到略低于固相线( 固相线以下100 ℃～200 ℃) 的温度, 长时间保温( 10 h～15 h) , 并进行缓慢冷却的热处理工艺, 称为扩散退火或均匀化退火。
　　扩散退火后钢的晶粒很粗大, 因此一般再进行完全退火或正火处理。
5. 去应力退火
为消除铸造、 锻造、 焊接和机加工、 冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火, 称为去应力退火。去应力退火是将钢件加热至低于Ac1的某一温度(一般为500 ℃～650 ℃), 保温后随炉冷却, 这种处理能够消除约50%～80%的内应力, 不引起组织变化。

二、 正火
钢材或钢件加热到Ac3(对于亚共析钢)和Accm(对于过共析钢)以上30 ℃～50 ℃, 保温适当时间后, 在自由流动的空气中均匀冷却的热处理称为正火。正火后的组织: 亚共析钢为F+S, 共析钢为S, 过共析钢为S+Fe3CII。
正火的目的是使钢的组织正常化, 亦称常化处理, 一般应用于以下方面:
1．作为最终热处理
正火能够细化晶粒, 使组织均匀化, 减少亚共析钢中铁素体含量, 使珠光体含量增多并细化, 从而提高钢的强度、 硬度和韧性。
2．作为预先热处理
截面较大的合金结构钢件, 在淬火或调质处理( 淬火加高温回火) 前常进行正火, 以消除魏氏组织和带状组织, 并获得细小而均匀的组织。对于过共析钢可减少二次渗碳体量, 并使其不形成连续网状, 为球化退火作组织准备。
3. 改进切削加工性能

10.简述钢的淬火处理目的和回火处理目的。
答: 将钢加热到相变温度以上( 亚共析钢为Ac3以上30 ℃～50 ℃; 共析钢和过共析钢为Ac1以上30 ℃～50 ℃) , 保温一定时间后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。
回火: 钢件淬火后, 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, 将其加热到Ac1以下某一温度, 保温一定时间, 然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火
1．低温回火
回火温度为150 ℃～250 ℃。在低温回火时, 从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片( Fe2.4C), 马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体, 但量不多可忽略。因此亚共析钢低温回火后组织为回火马氏体(回火M)。过共析钢低温回火后组织为回火马氏体＋碳化物＋残余奥氏体。
低温回火的目的是降低淬火应力, 提高工件韧性, 保证淬火后的高硬度(一般为58 HRC～64 HRC)和高耐磨性。主要用于处理各种高碳钢工具、 模具、 滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件。
2．中温回火
回火温度为350 ℃～500 ℃, 得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织, 叫做回火屈氏体(回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态, 渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。 回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度, 同时也具有一定的韧性, 硬度一般为35 HRC～45 HRC。主要用于处理各类弹簧。
3. 高温回火
回火温度为500 ℃～650 ℃, 得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织, 称回火索氏体(回火S)。

11．描述钢淬火形成马氏体后, 在随后的回火过程中, 随回火温度增加钢的组织转变结果。
见上题

12.如何提高钢的淬透性?
钢接受淬火时形成马氏体的能力叫做钢的淬透性。
影响淬透性的因素:
(1) 碳含量 在碳钢中, 共析钢的临界冷速最小, 淬透性最好; 亚共析钢随碳含量减少, 临界冷速增加, 淬透性降低; 过共析钢随碳含量增加, 临界冷速增加, 淬透性降低。
(2) 合金元素 除钴以外, 其余合金元素溶于奥氏体后, 降低临界冷却速度, 使C曲线右移, 提高钢的淬透性, 因此合金钢往往比碳钢的淬透性要好。
(3) 奥氏体化温度 提高奥氏体化温度, 将使奥氏体晶粒长大、 成分均匀, 可减少珠光体的生核率, 降低钢的临界冷却速度, 增加其淬透性。
(4) 钢中未溶第二相 钢中未溶入奥氏体中的碳化物、 氮化物及其它非金属夹杂物, 可成为奥氏体分解的非自发核心, 使临界冷却速度增大, 降低淬透性。
钢材经调质处理后, 淬透性好的钢棒整个截面都是回火索氏体, 机械性能均匀, 强度高, 韧性好, 而淬透性差的钢心部为片状索氏体+铁素体, 只表层为回火索氏体, 心部强韧性差。

13.简述渗碳钢的用途和热处理组织。
主要用于制造汽车、 拖拉机中的变速齿轮, 内燃机上的凸轮轴、 活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损, 同时又承受较大的交变载荷, 特别是冲击载荷
合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗碳后直接淬火, 再低温回火。
    热处理后, 表面渗碳层的组织为合金渗碳体+回火马氏体+少量残余奥氏体组织, 硬度为60 HRC～62 HRC。心部组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关, 完全淬透时为低碳回火马氏体, 硬度为40 HRC～48 HRC; 多数情况下是屈氏体、 回火马氏体和少量铁素体, 硬度为25 HRC～40 HRC。心部韧性一般都高于700 kJ/m2。

14.简述铝合金固溶和时效处理的作用和目的, 简述第二相弥散强化机理。
(1) 固溶处理
将合金加热到 单相 相区, 经保温获得单相 固溶体后迅速水冷, 可在室温得到过饱和的 固溶体, 这种处理方式称固溶处理。
(2) 时效
固溶处理后得到的组织是不稳定的, 有分解出强化相过渡到稳定状态的倾向。在室温下放置或低温加热时, 弥散析出第二相, 强度和硬度会明显升高。这种现象称为时效或时效硬化。
弥散强化机理: 位错绕过机理, 位错切过机理;
位错绕过弥散相而留下位错环, 提高位错运动阻力;
位错切破弥散相, 形成新的表面, 提高位错运动阻力;

金属强化的原因: 提高位错运动阻力!

位错切过机理:

15. 简述钛的性能特点、 晶体结构和本课程中描述的钛合金的种类和用途。
钛及钛合金具有密度小、 质量轻、 比强度高、 耐高温、 耐腐蚀以及良好低温韧性等优点, 用于航空、 航天、 船舶等军事领域和抗腐蚀压力容器领域等。根据使用状态的组织, 钛合金可分为三类: α钛合金、 β钛合金和( α＋β) 钛合金。牌号分别以TA、 TB、 TC加上编号来表示。

16. 简述简单硅铝明系铸造铝合金变质处理的目的和方法。
简单硅铝明ZAlSi12(ZL102)  w(Si)10%～13% 
铸造后几乎全部得到共晶体组织(α+Si), 具有优良的铸造性能(熔点低、 流动性好、 收缩小)。     在一般情况下, ZAlSi12(ZL102)的共晶体由粗针状硅晶体和α 固溶体构成, 强度和塑性都较差。
浇铸前向合金液中加入占合金重量2%～3%的变质剂(常见钠盐混合物: 2/3NaF+1/3NaCl)以细化合金组织, 目的: 提高形核率, 细化硅形态。显著提高合金的强度及塑性。这种处理方法即是变质处理。

17. 简述不锈钢成分组成及各组分作用。
不锈钢是指在大气和一般介质中具有很高耐腐蚀性的钢种。
不锈钢在石油、 化工、 原子能、 宇航、 海洋开发、 国防工业和一些尖端科学技术及日常生活中都得到广泛应用, 例如化工装置中的各种管道、 阀门和泵, 热裂设备零件, 医疗手术器械, 防锈刃具和量具等。
对不锈钢的性能要求最主要的是耐蚀性。另外, 制作工具的不锈钢还要求高硬度、 高耐磨性; 制作重要结构零件时, 要求高强度; 某些不锈钢则要求有较好的加工性能。
2. 成分特点
(1) 碳含量 耐蚀性要求愈高, 碳含量应愈低。大多数不锈钢的碳质量分数为0.1%～0.2%。对碳质量分数要求较高( 0.85%～0.95%) 的不锈钢应相应地提高铬含量。
(2) 加入最主要的合金元素铬 铬能提高钢基体的电极电位。随铬含量的增加, 钢的电极电位急剧升高。铬在氧化性介质( 如水蒸气、 大气、 海水、 氧化性酸等) 中极易钝化, 生成致密的氧化膜、 使钢的耐蚀性大大提高。
(3) 加入镍  可获得单相奥氏体组织, 显著提高耐蚀性; 或形成奥氏体+铁素体组织, 经过热处理, 提高钢的强度。
    (4) 加入钼、 铜等  Cr在非氧化性酸( 如盐酸、 稀硫酸和碱溶液等) 中的钝化能力差, 加入Mo、 Cu等元素, 可提高钢在非氧化性酸中的耐蚀能力。
    (5) 加入钛、 铌等  Ti、 Nb能优先同碳形成稳定碳化物, 使Cr保留在基体中, 避免晶界贫铬, 从而减轻钢的晶界腐蚀倾向。
    (6) 加入锰、 氮等  部分代镍以获得奥氏体组织, 并能提高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性。
1Cr18Ni9Ti

18. 什么是热塑性塑料, 什么是热固性塑料?
根据树脂在加热和冷却时所表现的性质, 可分为热塑性塑料和热固性塑料。
　　1. 热塑性塑料
加热时软化并熔融, 可塑造成形, 冷却后即成型并保持既得形状, 而且该过程可重复进行。这类塑料有聚乙烯、 聚丙烯、 聚苯乙烯、 聚酰胺(尼龙)、 聚甲醛、 聚碳酸脂等。这类塑料加工成形简便, 具有较高的机械性能, 但耐热性和刚性比较差。
　　2. 热固性塑料
初加热时软化, 可塑造成形, 但固化后再加热将不再软化,也不溶于溶剂。这类塑料有酚醛、 环氧、 氨基、 不饱和聚酯等。它们具有耐热性高, 受压不易变形等优点, 但机械性能不好。

19. 简述陶瓷的生产过程及制造质量评价指标。
工程陶瓷的生产过程如下:
    ( 1) 原料制备  将矿物原料经拣选、 粉粹后配料、 混合、 磨细得到坯料。
    ( 2) 坯料成形  将坯料加工成一定形状和尺寸并有一定机械强度和致密度的半成品。包括可塑成形( 如传统陶瓷) , 注浆成形( 如形状复杂、 精度要求高的普通陶瓷) 和压制成形( 如特种陶瓷和金属陶瓷) 。
    ( 3) 烧成与烧结  干燥后的坯料加热到高温, 进行一系列的物理、 化学变化而成瓷的过程。烧成是使坯件瓷化的工艺( 1250℃～1450℃) ; 烧结是指烧成的制品开口气孔率极低、 而致密度很高的瓷化过程。
    衡量陶瓷的质量指标有原料的纯度和细度、 坯料混合均匀性、 成形密度及均匀性、 烧成或烧结温度、 炉内气氛、 升降温速度等。

20. 简述树脂基碳纤维增强复合材料的复合原则。
纤维增强复合材料的复合原则
( 1) 纤维增强相是主要承载体, 应有高的强度和模量, 且高于基体材料;
( 2) 基体相起粘接剂作用, 应对纤维相有润湿性, 基体相应有一定塑性和韧性;
( 3) 纤维增强相和基体相两者之间结合强度应适当。结合力过小, 受载时容易沿纤维和基体间产生裂纹; 结合力过高, 会使复合材料失去韧性而发生危险的脆性断裂;
( 4) 基体与增强相的热膨胀系数不能相差过大;
( 5) 纤维相必须有合理的含量、 尺寸和分布;
( 6) 两者间不能发生有害的化学反应。