習(xí)題1（第一章力學(xué)性能）

1.塑性指標(biāo)在工程上有哪些實(shí)際意義？

塑性是指材料在破壞前所能產(chǎn)生的最大塑性變形能力。塑性好的材料可以順利地進(jìn)

行鍛壓、軋制等加工；在超載情況下不至突然斷裂而提高了工作安全性。

2.提高金屬材料的強(qiáng)度有什么實(shí)際工程意義？

材料抵抗變形和破壞的能力稱為強(qiáng)度，強(qiáng)度指標(biāo)的具體含義是材料單位面積」.所能

承受力的能力。強(qiáng)度的提高，意味著在同樣外力的情況下，材料的橫截面積可以減小，最

終可以節(jié)約材料，降低成本；同理，強(qiáng)度的提高，在相同橫截面積的情況下，材料承受外

力的能力提高了，可以用于要求更高、更重要的加工制造。

3.金屬疲勞斷裂有哪些特點(diǎn)？防止金屬疲勞斷裂的方法有哪些？

在交變力作用下，金屬會發(fā)生疲勞斷裂現(xiàn)象，材料抗疲勞斷裂的能力稱為疲勞強(qiáng)度。

疲勞強(qiáng)度是指在交變力作用卜，材料經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)血不斷裂的最大應(yīng)力值。這個最大

應(yīng)力值往往低于材料的屈服強(qiáng)度（如很多材料是其屈服強(qiáng)度的0.3?0.6倍），這說明交變

力比靜力具有更大的破壞性；其次，疲勞斷裂沒有明顯塑性變形的過程，突然斷裂具有更

大的危險性。

防止措施有：合理選材，減少氧化、脫碳、裂紋、夾雜等缺陷；改善零件結(jié)構(gòu)形狀：

減少開孔、挖槽、缺口等，盡量避免尖角和截面突變，避免引起應(yīng)力集中：降低零件

表面粗糙度，應(yīng)盡量減少刀痕、磨痕、擦傷、腐蝕等表面加工損傷；采用各種表面強(qiáng)

化處理如滲碳、滲氮、表面淬火、噴丸和滾壓等在材料表面形成?定深度的殘余反應(yīng)

力。

4.某廠購入一批40鋼，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)為：總L2340MPa,"m2

540MPa,Z云45%。驗(yàn)收時，取樣將其制成4=10mm的試樣做拉伸試驗(yàn),測得代L=3L4KN,

用N7.1KN?，斷后直徑請計(jì)算相關(guān)力學(xué)性能，判斷該批鋼材是否合格。

答：ReL=為計(jì)算得該材料總L=400MPa

So

Rin=怒計(jì)算得該材料面=600MPa

Z=5°-5?xl00%計(jì)算得該材料Z=46.7%

S。

1

可見：該批材料的跟九品.z實(shí)際值均大于材料的應(yīng)達(dá)指標(biāo)值，故：該批鋼材合格。

5.一批鋼制拉桿，工作時不允許產(chǎn)生明顯的塑性變形，最大工作應(yīng)力^v=350MPao今欲

選用某鋼制作該拉桿。現(xiàn)將該鋼制成面=10mm的標(biāo)準(zhǔn)拉抻試樣進(jìn)行拉抻試驗(yàn)，測得出=

21500N,扁=35100N,試判斷該鋼是否滿足使用要求？為什么？

計(jì)算得戊L^274MPa可見：總LV島ax

或：FmaxQ27475N可見：Fmax>FeL

故：該鋼不滿足使用要求。

6.下列材料或工件的硬度適宜哪種硬度測試法測量?

(1)鑄鐵發(fā)動機(jī)殼體HBK(2)金屬表面鍍層HV.

(3)退火鋼HRBW/HBW.(4)鉗工手錘HRC.

(5)大型銅錠HBW(6)鋼中的金屬化合物相HV.

(7)硬質(zhì)合金HRA.(8)高硬度鑄鐵11RC.

7.金屬常用的力學(xué)性能有：強(qiáng)度、硬度、塑彳L沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度，現(xiàn)有一沖裁彈簧墊

圈鋼板的小型冷作模具，請按該模具的使用情況，將其所要求的力學(xué)性能從高到低進(jìn)行排

序。

硬度、強(qiáng)度、沖擊韌性、疲勞抗力

習(xí)題2(第2章金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶)

1.常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有哪幾種？?-Fe、Y-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、

MgsZn各屬何種晶體結(jié)構(gòu)？

常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。

體心立方晶格：a-Fe、V、Cr

面心立方晶格：Y-Fc、Al、Cu、Ni、Pb

密排六方晶格:Cr、Mg、Zn

2.常見的晶體缺陷有哪幾種？各自有何特征？

點(diǎn)缺陷：晶體空間三維方向上的尺寸都很小的缺陷，不超過幾個原子間距。如空位、

間隙原子、置換原子及其復(fù)合體：

線缺陷：晶體空間三維方向上有兩維方向上的尺寸很小(與點(diǎn)缺陷相似)，在另一維

方向的尺寸相對很大而呈線狀分布的缺陷。如：刃型位錯、螺型位錯：

2

面缺陷：晶體空間三維方向上有一維方向上的尺寸很小(與點(diǎn)缺陷相似)，另外兩維

方向上的尺寸相對很大的塊陷，如晶界、亞晶界、相界等；

3.金屬結(jié)晶的基本規(guī)律是什么？晶核的形成率和成長率受到哪些因素的影響？

(1)金屬結(jié)晶是一個形核和長大的過程；這個過程需要過冷度，在To條件下結(jié)晶處于

平衡狀態(tài)無法順利進(jìn)行，過冷度是結(jié)晶的推動力；純金屬結(jié)晶過程是一個恒溫過程，結(jié)晶時

溫度保持不變，結(jié)晶結(jié)束后，溫度乂繼續(xù)下降。

(2)隨著過冷度的增加，形核速率N和長大速度。都增加，并在一定過冷度下達(dá)到最

大值，但隨著過冷度的進(jìn)一步增加，兩者都減小。其次，液態(tài)金屬中一些雜質(zhì)、難熔微粒的

存在，以及采用振動和攪拌的方法，都可促進(jìn)形核，利于晶粒細(xì)化。

4.計(jì)算密排六方品格的致密度。

答案可參見教材21頁。

設(shè)：晶胞原子排列為理想狀態(tài)，底邊長為小原子半徑為r,高為c。

如左圖所示，底面正六邊形的對角線長度為2小則有：4r=2。，r=-?

2

如右圖示，得出：(2r)2-(gx*a)2=q)2,5=1.633。

密排六方晶胞內(nèi)有六個原子，致密度女為：

ny6x(*)

=--3--------=74%

V6久x(—a2、)xc

5.什么是過冷度？過冷度與冷卻速度有何關(guān)系？過冷度的大小對金屬結(jié)晶后晶粒尺寸有

何影響？

理論結(jié)晶溫度々與實(shí)際結(jié)晶溫度Th之差稱為過冷度，用八丁表示，八尸外-丁】。

當(dāng)冷卻速度越大時，實(shí)際結(jié)晶溫度越低，過冷度越大，結(jié)晶的推動力越大，生成的

自發(fā)晶核越多，晶粒越細(xì)??；過冷度越小，晶粒越粗大。

3

6.在鑄造生產(chǎn)中，一般采用哪些措施控制晶粒大??？在生產(chǎn)中如何應(yīng)用變質(zhì)處理？

鑄造生產(chǎn)中常用加快冷卻速度以增大結(jié)晶過冷度的方法，主要有：降低澆注溫度、

采用散熱快的金屬鑄型、降低金屬鑄型的預(yù)熱溫度、減小鑄型涂料層的厚度以及采用水冷

鑄型等。

其次還有機(jī)械振動和攪拌、變質(zhì)處理（孕育處理）措施細(xì)化晶粒。對于大型零件宜

采用變質(zhì)處理，即向在出爐或澆包中的液態(tài)金屬加入孕育劑或變質(zhì)劑（不熔微粒），以增

加非自發(fā)形核的數(shù)目。

7.簡述鑄件缺陷及其產(chǎn)生的原因。

鑄件組織容易出現(xiàn)晶粒粗大、成分不均勻、縮孔、縮松、氣孔等缺陷。

（1）縮孔：液體金屬中最后一部分液體凝固后沒有得到及時補(bǔ)充而留下的孔洞；

縮松：細(xì)小分散的縮孔。結(jié)晶時剩余液體被樹枝狀晶體分隔成眾多小區(qū)域，當(dāng)其最后凝

固得不到及時補(bǔ)充就形成綿松：

形成原因：材料成分選擇不合理，澆注溫度過高或過低、砂型的剛度不夠等，在液態(tài)收

縮和凝固收縮過程中造成。

（2）氣孔：液體金屬中的氣體在金屬液結(jié)殼之前未及時逸出形成；

形成原因：原材料銹波、潮濕；砂型透氣性低、出氣冒口等工藝措施不合理等。

（3）偏析：鑄件化學(xué)成分和組織的不均勻現(xiàn)象，分為晶內(nèi)偏析?、區(qū)域偏析等。

晶內(nèi)偏析：指晶粒內(nèi)各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。

形成原因：由不同溫度下，合金具有不同的溶解度引起，凝固溫度范圍越寬，晶內(nèi)偏

析越嚴(yán)重，且冷卻速度越大，偏析元素在固溶體中的擴(kuò)散能力越小，偏析越嚴(yán)重。

區(qū)域偏析：指鑄件由里到外或由上至下化學(xué)成分和組織不均勻現(xiàn)象。

形成原因：由鑄件各部分凝固存在先后順序、冷卻速度過快引起。

習(xí)題3（第3章合金的結(jié)構(gòu)與相圖）

i.簡要說明二元合金勻晶相圖的獲得過程。

以Cu-Ni合金為例：

（1）配制一系列不同成分的Cu-Ni合金：

4

(2)用熱分析法分別測出它們的冷卻曲線；

(3)找出圖中各冷卻曲線上合金結(jié)晶的上、下臨界點(diǎn)；

(4)將合金的臨界點(diǎn)標(biāo)注在“溫度一成分”坐標(biāo)圖中相應(yīng)的成分軸上。其中橫坐標(biāo)數(shù)

值為右下角元素質(zhì)量百分比?！?/p>

(5)再將意義相同的臨界點(diǎn)連接起來,上臨界點(diǎn)連接線為液相線，下臨界點(diǎn)連線為固

相線。

2.試以Pb-Sn合金相圖(圖3-7)說明：共晶點(diǎn)和共晶轉(zhuǎn)變線有什么關(guān)系？

C點(diǎn)是共晶點(diǎn)，是共晶轉(zhuǎn)變ECF線上的一個點(diǎn)，它所對應(yīng)的成分是含錫量61.9%,具有

該點(diǎn)成分的液相冷卻到共晶轉(zhuǎn)變線溫度時，會發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成(a+0)共晶體。此時，

a相、B相的固溶度最大，分別是共晶轉(zhuǎn)變ECF線上的兩個端點(diǎn)E點(diǎn)和F點(diǎn)所對應(yīng)的成分。

而共晶轉(zhuǎn)變ECF線所對應(yīng)的合金成分是從含錫量19%?97.5%的合金范圍。該范圍的合

金，當(dāng)溫度冷卻到共晶轉(zhuǎn)變線溫度時，液體的成分都將沿液相線逐漸變化達(dá)到共晶點(diǎn)C,從

而發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。

3.Pb-Sn合金相圖中(圖3-7),合金H(WSn=38%)在共晶溫度發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時,

試用杠桿定律計(jì)算共晶體所占百分比以及合金中所有a固溶體所占百分比。

在共晶轉(zhuǎn)變線上建立杠桿為E2C,2點(diǎn)為杠桿支點(diǎn)。

Q(a+B)=E2/2C=(38-19)/(61.9-38)=79.5%

Qa=1-Q(a+p)=20.5%

4.如圖372所示為A、B兩組元形成的二元合金相圖。請?zhí)畛龈飨鄥^(qū)的組織，并寫出圖示

四種成分的合金緩冷至室溫組織變化過程。

①

②

③

④

5

5.某合金相圖如圖3-13示，試標(biāo)出1-4空白區(qū)域相的名稱，指出此相圖包括幾種轉(zhuǎn)變類型？

并說明合金1的平衡結(jié)晶過程及室溫下顯微組織。

①L+丫

②Y+B

③（a+B）+6+QII

④B+aH

包括：勻晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變。

L-*L+y-*y—*y+a-a-*a4-pH

6.分析共析相圖和共晶相圖的區(qū)別和聯(lián)系，共析體和共晶體有H么區(qū)別和聯(lián)系?

b>

在共析線附近反更加熱和冷卻，能否獲得特別細(xì)密的顯微組織？

共析相圖與共晶相圖很相似，不同之處在于共析轉(zhuǎn)變是出自同一種固相的轉(zhuǎn)變，而非

同一液相。共析相圖的上方是固相區(qū)，共晶相圖的上方是液相區(qū)。

共析體和共晶體都是由一種相同時轉(zhuǎn)變出的兩個不同相構(gòu)成的，在形態(tài)上有相似之處:

交錯排列、緊密混合的機(jī)械混合物。由于共析轉(zhuǎn)變的溫度低，易獲得較大過冷度，因而形核

率高；同時因在固態(tài)卜進(jìn)仃，原子擴(kuò)散比較困難，因此，共析體較共晶體更加細(xì)小。

在共析線附近反復(fù)加熱和冷卻，可以通過反復(fù)形核獲得特別細(xì)密的顯微組織。

習(xí)題4（第4章鐵碳合金）

1.簡述鐵素體、奧氏體和滲碳體的概念及性能特點(diǎn)。

（1）鐵素體（F）是碳溶解在a-Fe中的間隙固溶體。鐵素體溶碳能力很低，室溫下溶

碳能力僅為wc=0.0008%,固溶強(qiáng)化效果不明顯，其性能近似于純鐵，即強(qiáng)度、硬度低而塑

2

性、韌性好（桶=180?23QMPa,80HB,A^40%,aK^250J/cm）,適用于形變加工。鐵素體

在770℃以下呈鐵磁性。

（2）奧氏體（A）是碳溶解在Y-Fe中的間隙固溶體.在大于727℃高溫條件下才能穩(wěn)

定存在的組織。奧氏體溶碳能力較大，強(qiáng)度和硬度比鐵素為高?，但塑性、韌性很好（品-400MPa,

160?200HB,A=40?50%）,鋼材為高溫奧氏體相時更易發(fā)生塑性變形。奧氏體呈非鐵磁性。

（3）滲碳體（Fe3C）是鐵與碳形成的金屬化合物，滲碳體熔點(diǎn)高（約1227C）、硬

度很高（860HV）,能輕易刻劃玻璃，但塑性、韌性極差（A^O,ag0）。

2.分析含碳量為0.45%的鋼在平衡條件下從液態(tài)冷卻至室溫的結(jié)晶過程；并計(jì)算其室溫組

織中組織組成物和相組成物的含量。

6

(1)結(jié)晶過程如下：

由圖4-7：含碳量0.45%的鋼為亞共析鋼，合金在冷卻至GS線之前，已結(jié)晶出全部的

奧氏體(Wc=0.45%)。當(dāng)冷到GS線上時，開始在A晶界上析出F,并隨溫度的下降，F(xiàn)量

不斷增多，A量不斷減少。F含碳量沿GP線變化，而剩余奧氏體碳含量則沿GS線變化。當(dāng)

溫度至727℃時，F(xiàn)的成分達(dá)到P點(diǎn)，剩余A含量到達(dá)S點(diǎn)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。此

時,鋼的組織就由先共析鐵素體和珠光體組成。共析線溫度以下,鐵素體將析出三次滲碳體，

但其數(shù)量很少，可以忽略，故該合金的室溫組織可以認(rèn)為是鐵素體與珠光體。

(2)相和組織組成物的占比

1)組織組成物的相對含量：

組織：鐵素體+珠光體，鐵素體含量用并表示，珠光體含量用QP表示，室溫鐵素體含碳量

為0.0008%：

QF=(0.77-0.45)/(0.77-0.0008)^41.6%

Qp=l-41.6%=58.4%

2)相組成物的相對量

鐵碳合金均由鐵素體+滲碳體兩相組成，鐵素體用期表示，滲碳體用Q：e3c表示，室溫鐵素

體含碳量為0.0008%：

QF=(6.69-0.45)/(6.69-0.0008)293.3%

QFe3C=l-93.3%=6.7%

3、某鋼材倉庫積壓了許多鋼材(退火態(tài))，由于鋼材混雜，鋼的化學(xué)成分未知，取其中一

根經(jīng)金相組織分析后，其組織為P+Fe3ap占93%,試根據(jù)鐵碳相圖計(jì)算此鋼材含碳量大

約是多少？

由組織P+Fe3C,可知該鋼屬于過共析鋼。設(shè)其含碳量為遙，根據(jù)鐵碳相圖及杠杠定

律：

Qp=(6.69-x)/(6.69-0.77)=93%

解得x^l.2

此鋼材含碳量約為1.2%。

4.簡述鋼的成分、室溫平衡組織及力學(xué)性能之間的關(guān)系。

亞共析鋼平衡組織為F+P。共析鋼為全部P；過共析鋼為P+FC3C。組織不同，但均由F

和Fe3c兩相構(gòu)成。

隨碳含量增加，F(xiàn)e3c量增加，合金硬度提高，塑性和韌性下降：當(dāng)碳含量小于1%時，隨

碳含量增加，強(qiáng)度增高；當(dāng)碳含量達(dá)1%后，由于Fe3c數(shù)量多并沿晶界呈網(wǎng)狀分布，使強(qiáng)度

將隨碳含量的增加而下降3

5.采用何種簡便方法可將形狀、大小相同的低碳鋼與戶口鑄鐵材料迅速區(qū)別開？

最簡單的辦法就是用鋼錘刀，挫磨材料表面，白口鑄鐵由于Fe3c高，硬度高，挫磨費(fèi)

力、打滑：低碳鋼碳化物少，更軟，有明顯劃痕和損傷。也可以用榔頭分別敲擊，聲音比

較清脆、悠長的是鋼材，聲音沉悶、短促的是鑄鐵。

6.試應(yīng)用鐵碳合金狀態(tài)圖知識下列問題：

7

（1）為改變鋼的力學(xué)性能而進(jìn)行熱處理時，為何一定要加熱到A1溫度以上？

（2）為何綁扎物體時一般用鐵絲（用低碳鋼制成）？而起重機(jī)起吊重物卻用鋼絲繩（用高

碳鋼制成）？

（3）鉗工鋸高碳鋼料時為何比鋸低碳鋼料時費(fèi)力，且鋸條更容易磨損？

（4）為什么鑄造合金常選用接近共晶成分的合金，而塑性成形合金常選用單相固溶體成分

合金？

（1）鋼力學(xué)性能要發(fā)生大的變化，必須有相的改變。鋼加熱到A1溫度以上才會引起相

變。

（2）根據(jù)碳鋼性能變化總體趨勢卬昨FJFe3Cf-Rm、HRCfA、a。，高碳鋼含碳量

高，抗拉強(qiáng)度好，適合吊重；低碳鋼含碳量低，塑性好，易于彎曲變形適合捆扎。

（3）高碳鋼含碳量高，碳化物數(shù)量多，硬度高、耐磨性好；低碳鋼含碳量低，高碳化物

少，比較軟。所以鋸高碳鋼料時更費(fèi)力，鋸條更容易磨損。

（4）因?yàn)楣簿С煞纸Y(jié)晶溫度范圍窄，鑄造流動性好，易于鑄造成型。而單相固溶體成分的

合金，塑性好，變形抗力小，易于加工成型。

習(xí)題5（金屬的塑性變形、再結(jié)晶與強(qiáng)化）

1.簡述金屬在受到一定外力時，為何會發(fā)生滑移，其實(shí)質(zhì)是什么？

晶體滑移第一種途徑是晶體的一部分相對于另一部分作整體滑動，稱為剛性滑移。許

多研究表明：剛性滑移所需外力很大，在實(shí)際金屬存在很多晶體缺陷的條件下，其滑移并非

剛性滑移，而是通過位錯運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，阻礙位錯運(yùn)動即可阻礙金屬的塑性變形，從而使強(qiáng)度

提高。

2.何為加工硬化？產(chǎn)生加工硬化的原因是什么？加_L硬化在金屬加工中有什么利弊？

隨著金屬變形量的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱為加工硬

化（或冷變形強(qiáng)化）。因塑性變形時位錯密度增加，位錯間交互作用增強(qiáng)，相互纏結(jié)，對位

錯運(yùn)動阻力增大；同時亞晶界的增多，均使強(qiáng)度提高。

實(shí)際生產(chǎn)中常通過冷軋、冷拔，利用加工硬化現(xiàn)象以提高鋼材強(qiáng)度。但當(dāng)我們需要材料

持續(xù)變形時，加工硬化現(xiàn)象又會使阻力持續(xù)增大，如果再繼續(xù)加大外力促使材料繼續(xù)變形,

將會使材料徹底喪失塑性，最終導(dǎo)致脆斷而報廢。

3.金屬經(jīng)冷塑性變形后，組織和性能會發(fā)生什么變化？

8

(1)產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象；

(2)產(chǎn)生各向異性：纖維組織和織構(gòu)的形成，都會使金屬性能出現(xiàn)各向異性；

(3)影響金屬物理性能和化學(xué)性能；塑性變形使金屬晶格發(fā)生畸變，變形儲存的能量

增大了原子的活動能力，分別使電阻、耐腐蝕性等發(fā)生改變。

(4)產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力：由于各部分之間受力不均導(dǎo)致各部分變形不均勻，從而使各部

分之間產(chǎn)生或殘存相互作用的內(nèi)應(yīng)力。

4.在室溫下對鉛板進(jìn)行彎折，越彎越硬，而稍隔一段時間后再進(jìn)行彎折，鉛板又像最初一

樣柔軟，這