航空工程材料（第3版） 习题及答案 ch02 金属材料的基础知识

模块2金属材料的基础知识1.解释名词:晶体、非晶体、晶格、晶胞、晶格常数、晶粒、晶界、单晶体、多晶体。

物质在熔解和凝固过程中,固态和液态并存时,温度保持不变,这类固态物质叫做晶体。

质在熔解和凝固过程中,其温度不断变化,没有明显的熔点和凝固点,这类固态物质叫做非晶体。

晶格是指把原子看成是一个结点,用假想的线条把将结点连接起来构成的空间格子。晶胞是晶格中一个完全能代表晶格特征的最小的几何单元。

晶格常数是晶胞中各棱边的长度a、b、c及各棱边之间的夹角α、β、γ称为晶格常数。

晶粒是指多晶体中每一个小的单晶体。晶界是指晶粒与晶粒之间的界面。

将任何两个晶体学位向不同的晶粒隔开的那个内界面称为晶界。只有一个晶粒组成的金属称为单晶体。由许多晶粒组成的金属称为多晶体。

2.解释名词:合金、组元、合金系、相和组织。

合金:就是由两种与两种以上得金属与非金属元素或金属与非金属元素组成得具有金属性质得物质。组元:就是组成合金得最基本得物质。相:在金属或合金中,凡成分相同、结构相同并与其她部分有界面分开得均匀组成部分称为相。组织:在显微镜下所观察到得晶粒得大小、形态与分布叫作显微组织。3.什么是固溶体、置换固溶体和间隙固溶体?

合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两类。置换固溶体：若溶质原子代替一部分溶剂原子而占据溶剂中的某些结点位置，称为置换固溶体。间隙固溶体：溶质原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点的位置，而是在结点间的空隙中，这种形式的固溶体称为间隙固溶体。

4.常见的金属晶格类型有哪些?绘图说明其特征。

常见的金属晶格类型有三种:(1)体心立方晶格。它的晶胞是一个立方体,在立方晶胞的八个顶点和中心各有一个原子。(2)面心立方晶格。它的晶胞是一个立方体,在立方晶胞的八个顶点和六个面的中心各有一个原子。(3)密排六方晶格。它的晶胞是六棱柱体,在棱柱体的十二个棱角上,上下两个而的中心各有一个原子。绘图略。5.为什么单晶体呈各向异性,而多晶体无各向异性?

单晶体中，由于各晶面和各晶向上的原子排列的密度不同，因而同一晶体的不同晶面和晶向上的各种性能不同。多晶体中因为大量微小的晶粒之间位向不同，因此在某一方向上的性能，只能表现出这些晶粒在各个方向上的平均性能，实际是“伪各向同性”。6.什么是刃型位错?位错密度对金属的力学性能有什么影响?位错线与伯格斯矢量垂直的位错是刃型位错。

如果位错密度趋于零,金属的力学性能非常高；或者位错的密度非常高,并受到阻碍,金属的强度变大.如果可以滑移的位错密度大,金属的塑性好。7.试阐述固溶强化、细晶强化、弥散强化的原理,并说明它们的区别。

1）固溶强化是随着溶质浓度的增加，晶格畸变增大，阻碍位错运动的能力增加，因此，材料的强度和硬度提高；位错强化是随着位错密度的增加，由于位错之间的交互作用增强，导致位错缠结和钉轧，对滑移的阻力增加，使塑性变形抗力显著升高，因此，材料的强度和硬度提高；细晶强化是晶粒越细小，晶界面积越多，阻碍位错运动的能力超强，因此，材料的强度和硬度越高；弥散强化属于第二相强化，原理是位错经过（绕过或切过）第二相时，受到较大的阻力作用，因此，材料的强度和硬度提高。

2）主要区别是固溶强化和位错强化时，材料的强度和硬度提高，但塑性与韧性下降；而细晶强化和弥散强化时，材料的强度和硬度提高同时，塑性与韧性也提高。

8.什么是过冷度?过冷度与冷却速度有什么关系?过冷度对铸件晶粒大小有什么影响?金属液的实际结晶温度总是低于理论结晶温度,这种现象称为过冷。冷却速度越快,过冷度越大。过冷度越大,晶粒越细小。

9.晶核有几种?非自发形核对实际生产有什么作用?

晶核的形成有两种方式。若液相中各个区域内出现新相晶核的几率是相同，称为均匀形核。若在液相中，新相优先在某些区域内形核，则称为非均匀形核。10.如果其他条件相同,试比较下列铸造条件下铸件晶粒大小。(1)金属型浇注与砂型浇注。(2)浇注温度较高些与浇注温度较低此。(3)铸成薄壁件与铸成厚壁件。(4)厚大铸件的表面部分与中心部分。

(1)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;(2)略；

(3)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;(4)略。11.已知A(熔点为657C)和B(熔点为1430C)在液态无限互溶,固态时互不相溶,在577C时,=12.6%的合金发生共晶转变,要求如下。(1)粗略画出AB合金相图。(2)分析B的质量分数分别为5%12%、60%合金的结晶过程。

参考答案：略。12.试分析二元合金(Cu-Ni)相图。(1)写出图中主要点、线、区的含义及各个区域相的名称。(2)分析wuw=50%的合金的结晶过程。

参考答案：略。13.金属塑性变形最基本的方式有哪几种?说明滑移变形的原理。

滑移、孪生和扭折。在滑移面上沿滑移方向的分切应力超过临界分切应力会发生滑移变形。14.多晶体塑性变形有什么特点?为什么细晶粒钢强度高,塑性、韧性也好?

多晶体中,由于晶界上原子排列不很规则,阻碍位错的运动,使变形抗力增大。金属晶粒越细,晶界越多,变形抗力越大,金属的强度就越大。多晶体中每个晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软位向),另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)。在发生滑移时,软位向晶粒先开始。当位错在晶界受阻逐渐堆积时,其他晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形,变形分散在材料各处。晶粒越细,金属的变形越分散,减少了应力集中,推迟裂纹的形成和发展,使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形,从而使金属的塑性提高。由于细晶粒金属的强度较高、塑性较好,所以断裂时需要消耗较大的功,因而韧性也较好。因此细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。15.金属经冷塑性变形后,组织和性能发生什么变化?

①晶粒沿变形方向拉长,性能趋于各向异性,如纵向的强度和塑性远大于横向等；②晶粒破碎,位错密度增加,产生加工硬化,即随着变形量的增加,强度和硬度显著提高,而塑性和韧性下降;

③织构现象的产生,即随着变形的发生,不仅金属中的晶粒会被破碎拉长,而且各晶粒的晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动,转动结果金属中每个晶粒的晶格位向趋于大体一致,产生织构现象;④冷压力加工。16.列举生产和生活中的实例来说明加工硬化现象及其利弊。

金属材料随着塑性变形程度的增加，其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象称为加工硬化。

加工硬化有利方面：

⑴、是强化金属材料的重要手段。如防锈铝、黄铜、铬镍不锈钢等，可以通过加工硬化来提高强度。

⑵、工件能够成型的重要因素。如冲压零件时，r处变形最大，首先产生加工硬化，随后的变形转移到其他部分，便可得到壁厚均匀的冲压件。加工硬化不利方面：给机械加工和压力加工带来困难及耐蚀性降低等。17.用冷拔铜丝作导线,冷拔之后应如何处理?为什么?

应采取回复退火（去应力退火）处理：即将冷变形金属加热到再结晶温度以下某一温度，并保温足够时间，然后缓慢冷却到室温的热处理工艺。

原因：铜丝冷拔属于再结晶温度以下的冷变形加工，冷塑性变形会使铜丝产生加工硬化和残留内应力，该残留内应力的存在容易导致铜丝在使用过程中断裂。因此，应当采用去应力退火使冷拔铜丝在基本上保持加工硬化的条件下降低其内应力（主要是第一类内应力），改善其塑性和韧性，提高其在使用过程的安全性。18.残余应力有哪几类,是如何形成的?残余应力有什么利整?

残余应力分为三类：第一类残余应力存在与变形体各区域之间；第二类残余应力存在于各晶粒之间；第三类残余应力存在于晶粒内部。残余应力引起的后果：⑴具有残余应力的物体再承受塑性变形时，其应力分布及内部应力分布更不均匀。⑵缩短制品的使用寿命，当外载作用下的工作应力与残余应力叠加超过材料的强度时，会使零件破坏，设备出现故障。⑶使在制品的尺寸和形状发生变化。当残余应力的平衡受到破坏时，相应部分的弹性变形也发生变化，从而引起尺寸和形状的变化。⑷增加塑性变形抗力，降低塑性、冲击韧性及抗疲劳强度。⑸降低制品表面耐蚀性，具有残余应力的金属在酸液中或其他溶液中的溶解速度加快。残余应力一般是有害的，特别是表面层中具有残余拉应力的情况。但当表面层具有残余压应力时，可以显著提高材料的强度和疲劳强度，反而可提高其使用性能。残余应力的消除方法：热处理法，机械处理方法。19.用冷拉强化弹簧钢丝制成的钢丝绳来吊装大型工件进出加热炉会出现什么现象?为什么?

因钢丝绳冷拉成形后,产生加工硬化现象,强度和硬度都有所提高,但加热至1000oC后,造成了再结晶退火,使钢丝绳的力学性能下降,导致钢丝绳断裂。20.金属铸件产生晶粒粗大现象能否通过再结晶退火来细化晶粒?为什么?

金属铸件在铸型屮冷却,冷却速度一