《工程材料及机械制造基础》习题参考答案
第一章材料的种类与性能（P7）
１、金属材料的使用性能包括哪些？
力学性能、物理性能、化学性能等。
２、什么是金属的力学性能？它包括那些主要力学指标？
第二章材料的组织结构（P26）
1、简述金属三种典型结构的特点。
体心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。每个体心立方晶格的原子数为：2个。塑性较好。
面心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。每个面心立方晶格的原子数为：4个。塑性优于体心立方晶格的金属。密排六方晶格：晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。每个密排六方晶胞原子数为：6个，较脆
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？
存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度、硬度提高，但防腐蚀能力下降。
3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种？各具备什么特性？
存在的形式有固溶体和金属化合物两种。合金固溶在金属中引起固溶强化，使合金强度、硬度提高，塑性、韧性下降。金属化合物提高合金的强度和硬度。4、什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？
固溶强化：因溶质原子的溶入引起合金强度、硬度升高的现象。
原因：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。３、金属结晶的基本规律是什么？
金属结晶由形核和长大两部分组成，并存在过冷度。
４、如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小。（1）金属型浇注与砂型浇注。金属型浇注晶粒小。
（2）铸成薄件与铸成厚件。铸成薄件晶粒小。
（3）浇注时采用振动与不采用振动。采用振动晶粒小。
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？
冷却速度越快过冷度越大，使晶核生长速度大于晶粒长大速度，铸件晶粒得到细化。冷却速度小时，实际结晶温度与平衡温度趋于一致。
11、何为共晶反应、匀晶反应共析反应？试比较三种反应的异同点。
共晶反应：从某种成分固定的合金溶液中，在一定恒温下同时结晶出两种成分和结构都不同的固相的反应。
共析反应：由一种固相在恒温下同时转变成两种新的固相的反应。
匀晶反应：两组元组成的合金系，在液态无限互溶，在固态也能无限互溶，形成固溶体的反应。
12、Pb-Sn相图如图2-29所示。
（1）试标出尚未标注的相区的组织；
（2）指出组织中含β
Ⅱ
最多和最少的成分；
（3）指出共晶体最多和最少的成分；
（4）指出最容易和最不容易产生枝晶偏析的成分：
（5）初生相α和β、共晶体α+β、二次相α
Ⅱ及β
，它们在组织形态上的区别？
画出它们的组织示意图。
13、已知A（熔点为600℃）与B（熔点为500℃）在液态无限互溶，在固态300℃时A溶于B的最大质量分数为30%，室温时为10%，但B不溶于A；在300℃时B的质量分数为40%的液态合金发生共晶反应，现要求：
（1）做出A-B合金相图；
（2）分析A的质量分数分布为20%、45%、80%等合金的结晶过程。
14、为什么铸造合金常选用接近共晶点的合金？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？
近共晶点的合金熔点低，结晶范围小，铸造性能好。单相固溶体成分的合金具有良好的塑性和小的变形抗力，可锻性好。
15、何谓α、γ、Fe
3C、C、P、A、L
d
、（L
`）？它们的结构、组织形态、力学
性能有何特点？
α为铁素体，Fe
3C为渗碳体，C为碳元素，P为珠光体，γ、A为奥氏体，L
为
高莱氏体，（L
`）为低温莱氏体。
α为体心立方结构，溶碳量低，强度、硬度低，塑性、韧性好。γ、A是碳在γ—Fe中形成的间隙固溶体，为面心立方结构，溶碳量较大，是高温组织，硬度
较低，塑性较高，易于成形。Fe
3
C是铁和碳的金属化合物，含碳量6.69%，硬度很高，脆性很大，塑性和韧性几乎为零。P是铁素体与渗碳体的机械混合物，碳
的分数为0.77%，具有良好的力学性能。L
d是奥氏体与渗碳体的机械混合物，（L
`）是珠光体与渗碳体的机械混合物，含碳量4.3%，力学性能与渗碳体接近。16、碳钢与铸铁两者的成分、组织和性能有何差别？并说明原因。
碳含量小于2.11%是碳钢，大于2.11%是铸铁；碳钢中的碳与铁以金属化合物的形式存在，而铸铁中的碳以游离石墨的形式存在；碳钢的力学性能较好，其硬度、强度随含碳量的增加而增加，塑性、韧性随含碳量的增加而下降，铸铁的力学性能取决于石墨的形状、大小及分布；铸铁的铸造性能优于碳钢；铸铁不能进行压
力加工，其焊接性能远不及碳钢。
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慢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。
碳的质量分数为0.20%、0.60%的铁碳合金均属于亚共析钢，从液态缓慢冷至室温时的结晶过程为：经过AC线时从液态中结晶出A，经过AE线时全部结晶为A，经过GS线时由于贫碳有F析出，经过PSK线时剩余的A转变为P，室温组织为P+F。并随碳的质量分数的增加P增加，F减少。
碳的质量成分分别为0.80%、1.0%的铁碳合金均属于过共析钢，从液态缓慢冷至室温时的结晶过程为：经过AC线时从液态中结晶出A，经过AE线时全部结晶为A，经过ES线时由于富碳有Fe3CⅡ析出，经过PSK线时剩余的A转变为P，室温组织为P+Fe3CⅡ。并随碳的质量分数的增加Fe3CⅡ增加，P减少。
由于F、P、Fe3CⅡ，的力学性能上的差异，随碳的质量分数的增加铁碳合金的强度和硬度增加，而塑性和韧性下降。
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，而起重机起吊重物却用钢丝绳。
（4）一般要把钢材加热到高温下（1000~1250℃）进行热轧或锻造。
（5）钢适宜于通过压力成形，而铸铁适宜于通过铸造成形。
（1）钢随碳的质量分数的增加铁素体减少，而渗碳体增加。渗碳体的硬度比铁素体的硬度高。
（2）低温莱氏体由珠光体和渗碳体组成，珠光体塑性较好，而渗碳体的塑性几乎为零。
（3）捆扎物体需材料有一定的塑性，而起吊重物需材料有一定的强度和硬度。钢材随碳的质量分数的增加强度、硬度增加，塑性、韧性下降。
（4）把钢材加热到高温下（1000~1250℃），钢为单相奥氏体组织。其塑性好，变形抗力小。
（5）加热到高温下（1000~1250℃），钢为单相奥氏体组织。其塑性好，变形抗力小利于压力成形；而钢的流动性差，在冷却的过程中收缩率大，铸造性能比铸铁差。铸铁结晶温度范围窄，流动性好，在冷却的过程中收缩率小，铸造性能好；但其属于脆性材料，不能压力成形。
第三章金属热处理及表面改性（40）
1、钢的热处理的基本原理是什么？其目的和作用是什么？
钢的热处理是将钢在固态下、在一定的介质中施以不同的加热、保温和冷却来改变钢的组织，从而获得所需性能的一种工艺。原理：同素异构转变；其目的和作用：充分发挥材料的潜力，提高零件使用性能，延长使用寿命。改善材料的加工性能。。
2、什么是连续冷却与等温冷却？两种冷却方式有何差异？试画出共析钢过冷奥