工程材料及机械制造基础习题及答案.doc

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第一章材料的种类与性能

1．强度：

强度是指在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。

2．屈服强度：

材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值。

3．弹性极限：

产生的变形是可以恢复的变形的点对应的弹性变形阶段最大应力称为弹性极限。

4．弹性模量：

材料在弹性变形范围内的应力与应变的比值称为弹性模量。

5．抗拉强度：

抗拉强度是试样拉断前所能承受的最大应力值。

6．塑性：

断裂前材料产生的塑性变形的能力称为塑性。

7．硬度：

硬度是材料抵抗硬物压入其表面的能力。

8．冲击韧度：

冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力。

9．断裂韧度：

断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展的能力。

10．疲劳强度：

疲劳强度是用来表征材料抵抗疲劳的能力。

11．黏着磨损：

黏着磨损又称咬合磨损，其实质是接触面在接触压力作用下局部发生黏着，在相对运动时黏着处又分离，使接触面上有小颗粒被拉拽出来，反复进行造成黏着磨损。

12．磨粒磨损：

磨粒磨损是当摩擦副一方的硬度比另一方大的多时，或者在接触面之间存在着硬质粒子是所产生的磨损。

13．腐蚀磨损：

腐蚀磨损是由于外界环境引起金属表面的腐蚀物剥落，与金属表面之间的机械磨损相结合而出现的磨损。

14．功能材料：

是具有某种特殊的物理性能，化学性能，生物性能以及某些功能之间可以相互转化的材料。

15．使用性能：

是指在正常使用条件下能保证安全可靠工作所必备的性能，包括材料的力学性能，物理性能，化学性能等。

16．工艺性能：

是指材料的可加工性，包括可锻性，铸造性能，焊接性，热处理性能及切削加工性。

17．交变载荷：

大小，方向随时间呈周期性变化的载荷作用。

18．疲劳：

是机械零件在循环或交变载荷作用下，经过较长时间的工作而发生断裂的现象。

20．蠕变：

固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。

21．脆断：

在拉应力状态下没有出现塑性变形而突然发生脆性断裂的现象。

22．应力松弛：

是指承受弹性应变的零件在工作过程中总变形量保持不变，但随时间的延长，工作应力自行逐渐衰减的现象。

23．腐蚀：

材料因化学侵蚀而损坏的现象。

二、填空题。

1．工程材料通常分为金属材料、高分子材料、无机非金属材料、复合材料和功能材料。

2．金属材料通常分为钢铁合金和非铁合金材料。

3．高分子材料通常分为纤维、橡胶和塑料。

4．复合材料按其基体分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。

5．塑料通常分为通用塑料、工程塑料、特种塑料和胶黏剂。

6工程材料的性能分为使用性能和工艺性能。

7．工程材料的使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能。

8．金属材料常用的力学性能指标有：

бb表示抗拉强度；бs表示屈服强度；H表示硬度；伸长率δ和断面收缩率φ表示塑性；αk表示冲击韧性。

三、判断题。

1．布氏硬度试验的优点氏压痕面积大，数据稳定，因而适用于成品及薄壁件检验。

（×）

2．压头为硬质合金球时，用HBW表示布氏硬度。

（√）

3．压头为硬质合金球时，用HBS表示布氏硬度。

（×）

4．洛氏硬度的测定操作迅速，简便，压痕面积小，数据波动大，适用于半成品检验。

（×）

四、问答题：

见教材、习题集及补充题。

第二章材料的组织结构

1．晶体：

晶体是原子或分子在三维空间做有规律的周期性重复排列的固体。

2．晶格：

为便于理解和描述，常用一些假想的连线将各原子的中心连接起来，把原子看做一个点，这样形成的几何图形称为晶格。

3．各向同性：

4．各向异性：

5．晶胞：

晶格中的一个基本单元。

6．晶向：

晶格中各原子列的位向。

7．单晶体：

由原子排列位向或方式完全一致的晶格组成的称为单晶体。

8．晶体缺陷：

偏离晶体完整性的微观区域称为晶体缺陷。

9．空位：

是指未被原子占据的晶格节点。

10．间隙原子：

是指位于晶格间隙中的原子。

11．晶面：

在晶格中由一系列原子组成的平面。

12．位错线：

是指在晶体中，某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。

13．晶界：

晶界是位向不同，相邻晶粒之间的过渡层。

14．合金：

是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的，具有金属特性的物质。

15．组元：

组成合金最基本的独立物质。

16．合金系：

一系列相同组员组成的不同成分的合金称为合金系。

17．合金化：

采用合金元素来改变金属性能的方法称为合金化。

18．相：

合金中具有相同化学成分，相同晶体结构和相同物理或化学性能并与该系统其余部分以界面相互隔开的均匀组成部分。

19．固溶体：

是指溶质组员溶入溶剂晶格中而形成的单一的均匀固体。

20．置换固溶体：

置换固溶体是指溶质原子取代了溶剂晶格中某些节点上的原子。

21．间隙固溶体：

间隙固溶体是溶质原子嵌入溶剂晶格间隙中，不占据晶格节点位置。

22．有限固溶体：

在一定条件下，溶质组员在固体中有一定的限度，超过这个限度就不再溶解了。

23．无限固溶体：

若溶质可以任意比例融入溶剂，即溶质的的溶解度可达%100，则固溶体称为无限固溶体。

24．固溶强化：

固溶体中溶质原子的溶入引起晶格畸变，使晶体处于高能状态，从而提高合金的强度和硬度。

25．金属化合物：

两组元A和B组成合金时，除了可形成以A或以B为基的固溶体外，还可能相互作用化和形成新相，这种新相通常是化合物，一般可用AmBn表示。

26．晶体相：

晶体相是一些以化合物或以化合物为基的固溶体，是决定陶瓷材料物理，化学和力学性能的主要组成物。

27．玻璃相：

P12

28．气相：

气象是指陶瓷材料中的气孔。

29．单体：

可以聚合成大分子链的小分子化合物称为单体。

30．聚合度：

衡量聚合物分子大小的指标。

31．结晶温度：

金属结晶时都存在着一个平衡结晶温度Tm，液体中的原子结晶到晶体上的数目，等于晶体上的原子溶入液体中的数目。

32．过冷度：

实际结晶温度与平衡结晶温度Tm之差称为过冷度。

33．细晶强化：

金属的强度，塑性和韧性都随晶粒的细化而提高，称为细晶强化。

34．同素异构：

P17

35．同分异构：

化学成分相同而分子中原子排列不同的现象称为同分异构。

36．共晶反应：

共晶反应是指从某种成分固定的合金溶液中，在恒温下同时结晶出两种成分和结构皆不相同的固相反应。

37．共析反应：

共析反应是指由一种固相在恒温（共析温度）下同时转变成两种新的固相。

38．铁素体：

是碳在α－Fe中形成的间隙固溶体。

39．奥氏体：

是碳在γ－Fe中形成的间隙固溶体。

40．渗碳体：

是铁和碳的金属化合物（Fe3C），其碳的质量分数为6.69%。

41．珠光体：

是铁素体与渗碳体的机械混合物。

42．莱氏体：

43．工业纯铁：

44．共析钢：

碳的质量分数为0.77%，组织是珠光体。

45．亚共析钢：

碳的质量分数小于0.77%，组织是珠光体和铁素体。

46．过共析钢：

碳的质量分数大于0.77%，组织是珠光体和二次渗碳体。

47．共晶铸铁：

碳的质量分数为4.3%，组织是莱氏体。

48．亚共晶铸铁：

碳的质量分数小于4.3%，组织是莱氏体、珠光体和二次渗碳体。

49．过共晶铸铁：

碳的质量分数大于4.3%，组织是莱氏体和一次渗碳体。

二、填空题。

1．实际金属中存在着的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷和面缺陷。

2．世界金属中晶体的点缺陷分为空位和间隙原子两种。

3．常见合金中存在的相可以归纳为固溶体和金属化合物两大类。

4．固溶体按照溶质原子在溶剂原子中的位置可以分为置换固溶体和间隙固溶体。

5．固溶体按照溶解度的大小可以分为有限固溶体和无限固溶体。

6．固溶体按溶质原子在溶剂晶格中分布的特点分为无序固溶体和有序固溶体。

7．线型无定型高聚物随温度不同可处于玻璃态、高弹态和黏流态。

8．实际结晶温度总是低于平衡结晶温度，两者之差称为过冷度。

9．共析钢随温度下降至727C时发生共析反应，有奥氏体中析出珠光体和三次渗碳体。

10．共晶铸铁随温度下降至1148C时发生共晶反应，有液体中同时析出莱氏体和珠光体。

11．典型的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种。

12．纯铁具有同素异构性，当加热到912C时，将由体心立方晶格的α-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe，加热到1394C时，又由面心立方晶格的γ-Fe转变为体心立方晶格的δ-Fe。

13．液态金属冷却到平衡结晶温度以下才开始结晶的现象称为有效结晶现象。

14．金属的平衡结晶温度与实际结晶温度之差，称为过冷度。

15．实际金属结晶时，其行核方式有自发行核和非自发行核两种，其中，非自发行核又称为变质处理。

16．金属结晶后的晶粒越细小，强度、塑性和韧性越高。

17．合金是由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质，组成合金最基本的独立物质称为组员。

18．由于构成合金各组员之间的相互作用不同，合金的结构有固溶体和金属化合物两大类。

19．铁碳合金是由铁和碳组成的二元合金，其基本组织有铁素体、渗碳体、奥氏体、珠光体、莱氏体。

三、判断题。

1．晶体具有各向异性的特点。

（√）

2．非晶体具有各向异性的特点。

（×各向同性）

3．金属的实际晶体结果是多晶体。

（√）

4．金属是多晶体结构，具有晶体的各向异性特点。

（×各向同性）

5．晶体缺陷的存在可以提高金属的强度。

（√）

6．晶体缺陷的存在可以提高金属的耐腐蚀性能。

（×降低耐腐蚀性）

7．金属化合物的晶格类型与组元的晶格完全不同。

（√）

8．金属化合物一般具有高熔点，高硬度，高韧性。

（×低韧性，即高脆性）

9．金属化合物一般具有高熔点，高硬度，脆性大的特点。

（√）

10．陶瓷材料通常熔点高，硬度高，耐腐蚀，塑性差的特点。

（√）

11．陶瓷材料是多晶体，同金属一样具有各向异性的特点。

（×各向同性）

12．陶瓷材料是多晶体，同金属一样具有晶界面。

（√）

13．陶瓷材料中气相所占比例增加时，使强度增加。

（×强度减小）

14．陶瓷材料中气相所占比例增加时，陶瓷密度减小，绝热性好。

（√）

15．线型无定型高聚物处于黏流态是其工作状态。

（×是其加工的工艺状态）

16．线型无定型高聚物处于黏流态是加工成形的工艺状态。

（√）

17．高分子材料在热、光、化学、生物和辐射等的作用下，性能稳定，结构不变。

（×结构和性能变化很大）

18．许多橡胶在空气中氧的作用下会发生进一步的交联而变硬，变脆失去弹性。

（√）

19．一般情况下，金属的强度，塑性和韧性随晶粒的细化而降低。

（×增强）

20．具有同素异构特点的金属材料可以应用热处理的方法改变性能。

（√）

21．共晶成分的铸铁的铸造性能较差。

（×较好）

22．铁碳合金随着碳的质量分数的增加，硬度高的渗碳体增多，硬度增高。

（√）

23．铁碳合金随着碳的质量分数的增加，硬度低的铁素体增多，硬度减少。

（×硬度增强）

24．亚共析钢的强度与组织的细密度有关，组织越细密则强度越高。

（√）

25．铁碳合金的塑性随碳的质量分数的增加而提高。

（×减小）

26．铁碳合金的冲击韧性对组织及其形态最为敏感。

（√）

27．铁碳合金的冲击韧度随碳的质量分数增加而提高。

（×减小）

四、问答题：

见教材、习题集及补充题。

1.简述金属三种典型晶体结构的特点。

答：

体心立方晶格：

在立方体的8个顶角上和立方体中心各有1个原子；

面心立方晶格：

在立方体的8个顶角上和6个面的中心各有1个原子；

密排六方晶格：

在六棱柱的上、下六角形面的顶角上和面的中心各有1个原子，在六棱柱体的中间有3个原子。

2.金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？

它们对性能有什么影响？

答：

金属的实际晶体中存在三种晶体缺陷：

点缺陷——空位和间隙原子；线缺陷——位错线；

面缺陷——晶界；

影响：

一般情况下，晶体缺陷的存在可以提高金属的强度，而且金属缺陷常常降低金属的耐腐蚀性能，可以通过腐蚀观察金属的各种缺陷。

3.合金元素在金属中的存在形式有哪几种？

它们各自具有什么特性？

答：

合金元素在金属中的存在形式有两种：

固溶体和金属化合物

特性：

固溶体，保持溶剂的晶格结构，但会引起溶剂晶格不同程度的畸变，试晶体处于高能状态，从而提高合金个强度和硬度。

金属化合物，一般都具有高熔点、高硬度，但很脆，可提高合金的强度、硬度及耐磨性能。

4.什么事固溶强化？

造成固溶强化的原因是什么？

答：

固溶强化：

固溶体中溶质原子的溶入引起晶格畸变，使晶体处于高能状态，从而合金的强度和硬度，即为固溶强化。

5、6、7（略，为第2.2节非金属内容）

8.金属结晶的基本规律是什么？

答：

结晶时首先是从液体中形成一些称之为晶核的细小晶体开始的，然后已形成的晶核按各自不同的位向不断长大。

同时，在液体中有产生新的晶核并逐渐长大，直至液体全部消失，形成由许多位向不同、外形不规则的晶粒所组成的多晶体。

9.如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下，铸件晶粒的大小

（1）金属型浇注与砂型浇注

（2）铸成薄件与铸成厚件（3）浇注时采用振动与不采用振动

答：

砂型浇注比金属型浇注的晶粒小：

因为砂型浇注中有杂质渗入，形成晶粒细化；

铸成薄件比铸成厚件的晶粒小：

以为薄件的冷却速度快，冷却度大，使得晶粒细化；

浇注时采用振动比不采用振动的晶粒小：

因为浇注时振动具有细化晶粒的作用。

10.过冷度与冷却速度有何关系？

它对金属结晶过程有何影响？

对铸件晶粒大小有何影响？

答：

冷却速度越快，冷却度越大。

使晶核生成速度大于晶粒长大速度，因而使晶粒细化。

11.何谓共晶反应、匀晶反应和共析反应？

试比较三种反应的异同点。

答：

共晶反应：

指从某种成分固定的合金溶液中、在恒温下同时结晶出两种成分和结构皆不相同的固相的反应；

匀晶反应：

从液相中结晶出固溶体的反应；共析反应：

由一种固相在恒温下同时转变成两种新的固相。

12.见P19图13.仿照图2-16

14.为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金？

为什么要进行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？

答：

铸造合金常选用接近共晶成分的合金是因为接近共晶成分的合金熔点低，结晶范围小，流动性好，具有良好的铸造性能。

进行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金是因为单相固溶体成分的合金有良好的塑性，变形抗力小，具有良好的可锻性。

15.何谓α、γ、Fe3C、P、A、Ld（Ld’）？

它们的结构、组织形态、力学性能有何特点？

答：

α—铁素体：

为体心立方结构，因溶碳能力差，故强度、硬度不高，塑性、韧性良好；

γ、A—奥氏体：

为面心立方结构，有一定的溶碳能力，一般硬度较低而塑性较高；

Fe3C—渗碳体：

为铁和碳的金属化合物，硬度高，脆性大，塑性和韧性几乎为零；

P—珠光体：

铁素体和渗碳体的机械混合物，因渗碳体的强化作用，故具有良好的力学性能；

Ld（Ld’）—莱氏体（低温莱氏体）：

莱氏体为奥氏体和渗碳体的化合物，低温莱氏体为珠光体和渗碳体的产物，二者因渗碳体较多，属脆性组织。

16.碳钢、铸铁两者的成分、组织和性能有何差别？

并说明原因。

答：

碳钢：

碳的质量分数0.02%-2.11%的铁碳合金，

组织为：

亚共析钢（ωc<0.77%）、共析钢（ωc=0.77%）、过共析钢（ωc>0.77%），

性能：

具有良好的塑性和韧性，宜于锻造；

铸铁：

碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金，

组织：

亚共晶铸铁（ωc<4.3%）、共晶铸铁（ωc=4.3%）、过共晶铸铁（ωc>4.3%）

性能：

具有较强高的强度和硬度，有良好的铸造性能。

17.分析碳的质量分数分别为0.20%、0.60%、0.80%、1.0%的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织。

指出这四种成分组织与性能的区别。

答：

ωc=0.20%时，结晶过程：

A—A+F—F—F+Fe3CⅢ室温组织为：

F+Fe3CⅢ

ωc=0.60%时，结晶过程：

A—A+F—F+P室温组织为：

F+P

ωc=0.80%时，结晶过程：

A—A+Fe3CⅡ—P+Fe3CⅡ室温组织为：

P+Fe3CⅡ

ωc=1.0%时，结晶过程：

A—A+Fe3CⅡ—P+Fe3CⅡ室温组织为：

P+Fe3CⅡ

A—奥氏体：

为面心立方结构，有一定的溶碳能力，一般硬度较低而塑性较高；

F—铁素体：

为体心立方结构，因溶碳能力差，故强度、硬度不高，塑性、韧性良好；

P—珠光体：

铁素体和渗碳体的机械混合物，因渗碳体的强化作用，故具有良好的力学性能；

Fe3C—渗碳体：

为铁和碳的金属化合物，硬度高，脆性大，塑性和韧性几乎为零；

18.渗碳体有哪5种基本形态，它们的来源和形态有何区别？

答：

（1）一次渗碳体：

从液体中直接析出，呈长条状；

（2）二次渗碳体：

从奥氏体中析出，沿晶界呈网状；

（3）三次渗碳体：

从铁素体中析出，沿晶界呈小片或粒状；

（4）共晶渗碳体：

同奥氏体相关形成，在莱氏体中为连续的基体；

（5）共析渗碳体：

同铁素体交互形成，呈交替片状。

19.根据Fe-Fe3C相图，说明产生下列现象的原因

（1）碳的质量分数为1.0%的钢比碳的质量分数为0.5%的钢硬度高；

（2）低温莱氏体的塑性比珠光体的塑性差；

（3）捆扎物体一般用铁丝（镀锌的碳钢丝），而起重机起吊重物却用钢丝绳（用60、65、70、75等钢制成）；

（4）一般要把刚才加热的高温（约1000-1250℃）下进行热轧或锻造；

（5）钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜通过铸造成形。

答：

（1）ωc=1.0%的钢成分是F+P，而ωc=0.5%的钢成分是P+Fe3CⅡ。

Fe3C硬度高，脆性大，而F因溶碳能力差，强度、硬度低。

所以碳的质量分数为1.0%的钢比碳的质量分数为0.5%的钢硬度高；

（2）低温莱氏体为珠光体和渗碳体的混合物，因为渗碳体硬度高，脆性大，所以比珠光体的塑性差；

（3）铁丝中含有较多的珠光体和渗碳体，强度高，但质脆。

而钢丝中含有铁素体和渗碳体，不但强度满足要求，还具有较好的韧性；

（4）把刚才加热的高温（约1000-1250℃）时，其内部组织转化为奥氏体，塑性较高，易于塑性成形，适合进行热轧或锻造；

（5）钢含有较多的铁素体，含碳量较低，塑性和韧性好，所以宜于通过压力加工成形，而铸铁含有较多的珠光体和渗碳体，熔点低，结晶范围小，具有良好的铸造性能。

五、选择题：

1．珠光体是下述（C）的产物。

A.共晶反应B.匀晶反应C.共析反应D.二次析出

2．过共析钢在冷却过程中遇到ES线时，将发生的反应是（A）。

A.共析反应B.匀晶反应C.二次析出D.共晶反应

3．Fe－Fe3C相图中的GS线是（A）。

A.冷却时从A析出F的开始线B.冷却时从A析出Fe3C的开始线

C.加热时从A析出F的开始线D.加热时从A溶入F的开始线

第三章金属热处理及表面改性

1．热处理：

通过加热、保温和冷却改变金属内部组织或表面组织，从而获得所需性能的工艺方法；

2．过热：

热处理中，实际加热的临界温度和相图的平衡临界温度相比存在一定的滞后，即为过热；

3．奥氏体：

热处理中，把钢件加热到临界温度Ac1线以上，其内部组织转变成新的组织即为奥氏体；

4．等温转变：

指过冷奥氏体在不同过冷温度下的等温过程中进行组织转变；

5.索氏体：

按照组织中层片的尺寸，把在650-600℃之间的温度转变的组织称为索氏体；

6．托氏体：

按照组织中层片的尺寸，把在600-550℃之间的温度转变的组织称为托氏体；

7．贝氏体：

按照组织中层片的尺寸，把在550-230℃之间的温度转变的组织称为贝氏体；

8．马氏体：

在230℃时过冷奥氏体转变成的组织即为马氏体；

9．高碳马氏体:

碳的质量分数大于1%时得到的马氏体；

10．低碳马氏体:

碳的质量分数小于0.2%时得到的马氏体；

11．连续冷却:

将已奥氏体化的钢冷却，使其在温度连续下降的过程中发生组织转变，称为连续冷却；

12.退火:

将偏离平衡状态的金属或合金，先加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却，以达到接近平衡状态的热处理工艺称为退火；

13.正火:

将钢加热到Ac3或Accm线以上30-50℃，适当保温后在空气中冷却至室温，得到珠光体类型的组织，这种热处理工艺称为正火。

14．完全退火:

完全退火是将钢加热到AC3线以上30-50℃，保温一段时间，再缓慢冷却下来。

15．不完全退火:

不完全退火是将钢加热到AC1线以上20-30℃，经适当保温后缓慢冷却。

16．去应力退火:

将钢加热到AC1线以下某一温度，保温后缓慢冷却。

17．球化退火:

过共析钢的不完全退火又称球化退火。

18．淬火：

将钢加热到AC3或AC1线以上30-50℃，保温一段时间，再快速冷却，以获得马氏体、贝氏体等非平衡组织的热处理工艺。

19．回火：

淬火后的钢先加热到AC1先以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。

20．高温回火：

高温回火的加热温度为500-650℃。

21．中温回火：

中温回火的加热温度为250-500℃。

22．低温回火：

低温回火的加热温度为150-250℃。

23．调质处理：

生产中把淬火和高温回火相结合的热处理工艺称为调质。

24．淬透性：

钢的淬透性是指钢在