工程材料习题与辅导第四版答案

工程材料习题与辅导第四版答案第一章金属的晶体结构与结晶习题答案1.解释下列名词晶体：原子（或分子、离子）在三维空间呈有规则的周期性重复排列的固体。晶格：为了便于描述原子在晶体中的排列规律，将原子抽象为几何点，用假想的直线将这些点连接起来所形成的三维空间格架。晶胞：从晶格中选取的一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元。晶格常数：晶胞的棱边长度，用a、b、c表示，棱边夹角用α、β、γ表示。单晶体：晶体内部的晶格位向完全一致的晶体。多晶体：由许多位向不同的晶粒组成的晶体。晶粒：多晶体中每个外形不规则的小晶体。晶界：晶粒与晶粒之间的界面。亚晶粒：在晶粒内部存在的一些位向稍有差异的小晶块。亚晶界：亚晶粒之间的界面。金属键：金属原子外层电子脱离原子核的束缚，形成自由电子，为整个金属所共有，自由电子与金属正离子之间产生的较强的静电引力。离子键：通过正、负离子间的静电引力而形成的化学键。共价键：由两个或多个原子通过共用电子对而形成的化学键。分子键：由分子间的作用力而形成的化学键。金属的同素异构转变：有些金属在固态下随温度的变化，晶格类型会发生转变。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。自发形核：在一定条件下，液体中一些原子自发地聚集在一起，按一定规则排列形成晶核的过程。非自发形核：依附于液体中的杂质表面而形成晶核的过程。变质处理：在液态金属中加入一些细小的变质剂，以增加非自发形核的核心，从而细化晶粒的方法。结晶：物质从液态转变为固态的过程。凝固：物质从液态转变为固态的过程，对于金属材料，通常把凝固过程称为结晶。2.常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有何特点？常见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。体心立方晶格：晶胞的八个角上各有一个原子，体心位置有一个原子。晶格常数a=b=c，α=β=γ=90°。原子半径r=√3a/4。面心立方晶格：晶胞的八个角上各有一个原子，六个面的中心各有一个原子。晶格常数a=b=c，α=β=γ=90°。原子半径r=√2a/4。密排六方晶格：晶胞的十二个角上各有一个原子，上下底面的中心各有一个原子，中间还有三个原子。晶格常数a=b≠c，α=β=90°，γ=120°。原子半径r=a/2。3.为什么单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？单晶体中原子排列规则，晶格位向完全一致，因此其在不同方向上的原子排列方式和原子间的相互作用不同，导致单晶体在不同方向上的性能不同，即具有各向异性。多晶体是由许多位向不同的晶粒组成，每个晶粒内部原子排列规则，具有各向异性，但由于各个晶粒的位向不同，多晶体在各个方向上的性能是各个晶粒性能的统计平均值，所以一般情况下不显示出各向异性。4.金属键的特点是什么？它对金属的性能有何影响？金属键的特点是：金属原子外层电子脱离原子核的束缚，形成自由电子，为整个金属所共有，自由电子与金属正离子之间产生较强的静电引力。金属键对金属性能的影响：导电性：自由电子在外电场作用下定向移动，使金属具有良好的导电性。导热性：自由电子的运动和金属离子的振动传递热量，使金属具有良好的导热性。延展性：当金属发生塑性变形时，金属原子间的相对位置发生改变，但金属键不会被破坏，使金属具有良好的延展性。5.分析纯铁在冷却过程中发生的同素异构转变。纯铁在912℃以下为体心立方晶格，称为αFe；在912℃至1394℃之间为面心立方晶格，称为γFe；在1394℃至1538℃之间又变为体心立方晶格，称为δFe。在液态纯铁冷却到1538℃时，结晶为δFe；继续冷却到1394℃时，δFe发生同素异构转变，转变为γFe；冷却到912℃时，γFe又转变为αFe；继续冷却到室温，晶格类型不再发生变化。6.什么是过冷度？它与金属结晶过程有何关系？过冷度是指理论结晶温度与实际结晶温度之差。过冷度与金属结晶过程密切相关。过冷是金属结晶的必要条件，过冷度越大，液态金属中原子的活动能力越小，结晶驱动力越大，形核率和长大速度越大，结晶后的晶粒越细小。7.说明自发形核和非自发形核的概念，并分析它们在实际生产中的应用。自发形核是指在一定条件下，液体中一些原子自发地聚集在一起，按一定规则排列形成晶核的过程。非自发形核是指依附于液体中的杂质表面而形成晶核的过程。在实际生产中，自发形核比较困难，因为需要较大的过冷度。而非自发形核容易发生，因为杂质表面提供了现成的晶核核心。通过在液态金属中加入一些细小的变质剂（如在铝合金中加入钛、硼等），可以增加非自发形核的核心，从而细化晶粒，提高金属材料的性能。例如，在铸造生产中，通过变质处理可以使铸件的组织更加致密，力学性能得到提高。8.影响金属结晶后晶粒大小的因素有哪些？如何细化晶粒？影响金属结晶后晶粒大小的因素主要有：过冷度：过冷度越大，形核率和长大速度越大，晶粒越细小。变质处理：在液态金属中加入变质剂，增加非自发形核的核心，可细化晶粒。振动与搅拌：对液态金属进行振动和搅拌，能破碎正在生长的树枝状晶体，增加晶核数量，细化晶粒。细化晶粒的方法有：增大过冷度：通过提高冷却速度等方法增大过冷度。变质处理：在液态金属中加入变质剂。振动与搅拌：对液态金属进行振动和搅拌。

辅导内容1.金属晶体结构的理解模型建立：可以通过制作简单的模型来帮助理解体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格的原子排列。例如，用小球代表原子，用铁丝连接来表示晶格结构。对比分析：对比三种晶格结构的原子半径计算方法、配位数（原子周围最近邻原子的数目）等，加深对不同晶格结构特点的认识。2.各向异性与多晶体实例分析：通过一些实际例子，如单晶体硅在不同方向上的电学性能差异，来说明单晶体的各向异性。对于多晶体，可以以钢铁材料为例，说明其在一般情况下不显示各向异性的原因。微观解释：从微观角度解释各向异性和多晶体性能特点，帮助学生理解原子排列与性能之间的关系。3.金属键与性能结合生活：联系生活中金属的应用，如金属导线的导电性、金属锅的导热性等，解释金属键对金属性能的影响。理论拓展：进一步介绍金属键的量子力学解释，拓宽学生的知识面。4.同素异构转变动画演示：制作动画演示纯铁在不同温度下的同素异构转变过程，让学生更直观地理解晶格类型的变化。性能关联：分析同素异构转变对纯铁性能的影响，如不同晶格类型下铁的密度、硬度等性能的差异。5.过冷度与结晶实验演示：进行简单的实验，如观察不同冷却速度下金属的结晶情况，直观展示过冷度对结晶的影响。曲线分析：详细分析过冷度与形核率、长大速度之间的关系曲线，帮助学生理解结晶过程的变化规律。6.形核与晶粒细化实际案例：介绍在实际生产中通过变质处理细化晶粒提高材料性能的具体案例，如铝合金活塞的生产。原理深入：深入讲解自发形核和非自发形核的原理，以及变质剂的作用机制。

第二章金属的塑性变形与再结晶习题答案1.解释下列名词塑性变形：材料在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力。弹性变形：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，变形能够完全恢复的变形。滑移：晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动的现象。滑移系：一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。孪生：晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生均匀切变，使晶面两侧的晶体位向发生对称改变的现象。加工硬化：金属材料在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，强度和硬度不断提高，塑性和韧性不断下降的现象。回复：冷变形金属在加热时，在较低温度下，原子活动能力有所提高，晶格畸变程度有所减轻，内应力有所降低的过程。再结晶：冷变形金属在加热到较高温度时，通过重新形核和长大，形成新的无畸变的等轴晶粒，从而消除加工硬化的过程。再结晶温度：金属开始进行再结晶的最低温度。热加工：在再结晶温度以上进行的加工。冷加工：在再结晶温度以下进行的加工。2.单晶体塑性变形的基本方式有哪些？它们的特点是什么？单晶体塑性变形的基本方式有滑移和孪生。滑移：滑移是晶体塑性变形的主要方式。滑移是沿一定的晶面和晶向进行的，这些晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。滑移面通常是晶体中原子排列最密的晶面，滑移方向是该面上原子排列最密的方向。滑移的实质是位错的移动，晶体的滑移是通过位错的滑移来实现的。孪生：孪生变形时，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生均匀切变。孪生变形后，变形部分与未变形部分的晶体位向发生对称改变。孪生变形所需的切应力比滑移大得多，一般只有在滑移很难进行时才会发生孪生变形。3.说明滑移系与金属塑性的关系。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性越好。因为滑移系多意味着晶体中可供滑移的晶面和晶向较多，在外力作用下，晶体更容易通过滑移来产生塑性变形。例如，面心立方晶格的金属比体心立方晶格的金属具有更多的滑移系，所以面心立方晶格金属的塑性一般较好。4.什么是加工硬化？它对金属的加工和使用性能有何影响？加工硬化是指金属材料在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，强度和硬度不断提高，塑性和韧性不断下降的现象。加工硬化对金属加工和使用性能的影响：有利影响：加工硬化可以提高金属的强度和硬度，使金属在加工过程中不易继续变形，保证了加工的顺利进行。例如，在冷拉钢丝时，加工硬化使钢丝强度提高，能够承受更大的拉力。加工硬化是某些压力加工工艺能够实现的重要因素，如冷轧钢板、冷挤压等。不利影响：加工硬化使金属的塑性和韧性下降，给进一步加工带来困难。例如，当变形程度过大时，金属会因塑性不足而发生开裂。加工硬化会使金属的内应力增加，导致金属在使用过程中可能发生变形或开裂。5.分析回复和再结晶过程中金属组织和性能的变化。回复过程：组织变化：晶格畸变程度有所减轻，内应力有所降低，但晶粒形状和大小基本不变。性能变化：强度和硬度略有下降，塑性略有提高，内应力明显降低。再结晶过程：组织变化：形成新的无畸变的等轴晶粒，消除了加工硬化组织。性能变化：强度和硬度显著下降，塑性和韧性显著提高，内应力基本消除。6.影响再结晶温度的因素有哪些？影响再结晶温度的因素主要有：金属的纯度：纯度越高，再结晶温度越低。变形程度：变形程度越大，再结晶温度越低。加热速度：加热速度越快，再结晶温度越高。原始晶粒尺寸：原始晶粒尺寸越小，再结晶温度越低。合金元素：加入合金元素一般会使再结晶温度升高。7.热加工与冷加工是如何区分的？它们对金属组织和性能有何影响？热加工是在再结晶温度以上进行的加工，冷加工是在再结晶温度以下进行的加工。热加工对金属组织和性能的影响：消除了铸态金属的粗大晶粒和柱状组织，使金属组织细化。破碎了铸态金属中的气孔、疏松等缺陷，使金属更加致密。形成纤维组织，使金属的力学性能具有各向异性。冷加工对金属组织和性能的影响：产生加工硬化，提高了金属的强度和硬度，降低了塑性和韧性。产生残余内应力，可能导致金属在使用过程中发生变形或开裂。使金属的组织和性能具有各向异性。

辅导内容1.塑性变形方式动画演示：制作动画详细演示滑移和孪生的过程，包括位错的移动、晶面的切变等，让学生直观理解这两种塑性变形方式。对比讲解：对比滑移和孪生的特点，如变形条件、变形量、变形后的组织变化等，帮助学生准确区分。2.滑移系与塑性模型展示：用模型展示不同晶格结构的滑移系，说明滑移系数量与塑性的关系。实例计算：通过计算面心立方晶格和体心立方晶格的滑移系数量，进一步强化学生的理解。3.加工硬化实验验证：进行简单的拉伸实验，观察加工硬化现象，测量不同变形程度下金属的力学性能变化。微观机制：从位错的角度解释加工硬化的微观机制，帮助学生理解其本质。4.回复与再结晶金相观察：通过金相显微镜观察回复和再结晶过程中金属组织的变化，拍摄不同阶段的金相照片进行对比讲解。性能曲线：绘制回复和再结晶过程中强度、硬度、塑性等性能随温度或变形程度变化的曲线，分析性能变化规律。5.再结晶温度实验测定：介绍测定再结晶温度的实验方法，让学生了解如何通过实验确定影响再结晶温度的因素。因素分析：结合实际例子，详细分析各种因素对再结晶温度的影响，如不同纯度金属的再结晶温度差异。6.热加工与冷加工工艺对比：对比热加工和冷