工程材料及机械制造基础复习思考题(2-5)答案

《工程材料及机械制造基础》复习思考题（Ⅰ）

第一章 金属的晶体结构与结晶

1．解释下列名词

点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体， 过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。

答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间

隙原子、置换原子等。

线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上

的尺寸很小。如位错。

面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向

上的尺寸很小。如晶界和亚晶界。

亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着

许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。

亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。

刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移

而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。

单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶

体。

多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。 过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。

自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶

核心。

非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。 变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以

成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。

变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。

2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、 Pb 、 Cr 、 V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？

答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；

α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格；

γ－Fe 、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格； Mg、Zn属于密排六方晶格；

3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？

答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。晶体中配位数和致密度越大，则晶体

中原子排列越紧密。

4.晶面指数和晶向指数有什么不同？

答：晶向是指晶格中各种原子列的位向，用晶向指数来表示，形式为?uvw?；晶

面是指晶格中不同方位上的原子面，用晶面指数来表示，形式为?hkl?。 5.实际晶体中的点缺陷，线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响？

答：如果金属中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随着晶体中缺陷

的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。因此，无论点缺陷，线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变，从而使晶体强度增加。同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻，降低金属的抗腐蚀性能。

6.为何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？ 答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因

而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。

7.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：①冷却速度越大，则过冷度也越大。②随着冷却速度的增大，则晶体内形核

率和长大速度都加快，加速结晶过程的进行，但当冷速达到一定值以后则结

晶过程将减慢，因为这时原子的扩散能力减弱。③过冷度增大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。

8.金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？ 答：①金属结晶的基本规律是形核和核长大。②受到过冷度的影响，随着过冷度的增大，晶核的形成率和成长率都增大，但形成率的增长比成长率的增长快；同时外来难熔杂质以及振动和搅拌的方法也会增大形核率。

9.在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？在生产中如何应用变质处理？ 答：①采用的方法：变质处理，钢模铸造以及在砂模中加冷铁以加快冷却速度的

方法来控制晶粒大小。②变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒。③机械振动、搅拌。

第二章 金属的塑性变形与再结晶

1．解释下列名词：

加工硬化、回复、再结晶、热加工、冷加工。

答：加工硬化：随着塑性变形的增加，金属的强度、硬度迅速增加；塑性、韧性

迅速下降的现象。

回复：为了消除金属的加工硬化现象，将变形金属加热到某一温度，以使其

组织和性能发生变化。在加热温度较低时，原子的活动能力不大，这时金属的晶粒大小和形状没有明显的变化，只是在晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移等变化，因此，这时金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，而只是使内应力及电阻率等性能显著降低。此阶段为回复阶段。

再结晶：被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能力，使晶粒的外

形开始变化。从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒形状相似，晶格类型相同，把这一阶段称为“再结晶”。

热加工：将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行压力加工。

冷加工：在再结晶温度以下进行的压力加工。

2．产生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金属加工中有什么利弊？ 答：①随着变形的增加，晶粒逐渐被拉长，直至破碎，这样使各晶粒都破碎成细

碎的亚晶粒，变形愈大，晶粒破碎的程度愈大，这样使位错密度显著增加；同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长。因此，随着变形量的增加，由于晶粒破碎和位错密度的增加，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬化”现象。②金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难，如钢板在冷轧过程中会越轧越硬，以致最后轧不动。另一方面人们可以利用加工硬化现象，来提高金属强度和硬度，如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度的。加工硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因素。如冷拉钢丝拉过模孔的部分，由于发生了加工硬化，不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔的部分，这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。

3．划分冷加工和热加工的主要条件是什么？

答：主要是再结晶温度。在再结晶温度以下进行的压力加工为冷加工，产生加工

硬化现象；反之为热加工，产生的加工硬化现象被再结晶所消除。 4．与冷加工比较，热加工给金属件带来的益处有哪些？

答：（1）通过热加工，可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得以提高。 （2）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，

机械性能提高。

（3）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变，

使它们沿着变形的方向细碎拉长，形成热压力加工“纤维组织”（流线），使纵向的强度、塑性和韧性显著大于横向。如果合理利用热加工流线，尽量使流线与零件工作时承受的最大拉应力方向一致，而与外加切应力或冲击力相垂直，可提高零件使用寿命。 5．为什么细晶粒钢强度高，塑性，韧性也好？

答：晶界是阻碍位错运动的，而各晶粒位向不同，互相约束，也阻碍晶粒的变形。

因此，金属的晶粒愈细，其晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同取向的晶粒

数便愈多，对塑性变形的抗力也愈大。因此，金属的晶粒愈细强度愈高。同时晶粒愈细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的变形量便可分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，而不致造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产生和发展。因此，塑性，韧性也越好。 6．金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化？

答：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冷压力加工过程中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间的变形不均匀，金属内部会形成残余的内应力，这在

一般情况下都是不利的，会引起零件尺寸不稳定。 7．分析加工硬化对金属材料的强化作用？

答：随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割、位错缠结加剧，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力的增加。这样，金属的塑性变形就变得困难，要继续变形就必须增大外力，因此提高了金属的强度。

8．已知金属钨、铁、铅、锡的熔点分别为3380℃、1538℃、327℃、232℃，试计算这些金属的最低再结晶温度，并分析钨和铁在1100℃下的加工、铅和锡在室温（20℃）下的加工各为何种加工？ 答：T

再

=0.4T

熔

；钨T

再

=[0.4*（3380+273）]-273=1188.2℃; 铁T

再

=[0.4*

（1538+273）]-273=451.4℃; 铅T再=[0.4*（327+273）]-273=-33℃; 锡T再=[0.4*（232+273）]-273=-71℃.由于钨T再为1188.2℃＞1100℃，因此属于热加工；铁T再为451.4℃＜1100℃，因此属于冷加工；铅T再为-33℃＜20℃，属于冷加工；锡T再为-71＜20℃，属于冷加工。

9．在制造齿轮时，有时采用喷丸法（即将金属丸喷射到零件表面上）使齿面得以强化。试分析强化原因。

答：高速金属丸喷射到零件表面上，使工件表面层产生塑性变形，形成一定厚度

续下降时，铁素体的溶碳量沿PQ线变化，析出三次渗碳体，同样

Fe3CⅢ量很少，可忽略。

所以含碳0.40%的亚共析钢的室温组织为：F+P

1.0% C：合金在1~2点间按匀晶转变结晶出奥氏体，2点结晶结束，合金为单

相奥氏体，冷却到3点，开始从奥氏体中析出二次渗碳体Fe3CⅡ，Fe3CⅡ沿奥氏体的晶界析出，呈网状分布，3-4间Fe3CⅡ不断析出，奥氏体成分沿ES线变化，当温度到达4点（727℃）时，其含碳量降为0.77%，在恒温下发生共析转变，形成珠光体，此时先析出的Fe3CⅡ保持不变，称为先共析渗碳体，所以共析转变结束时的组织为先共析二次渗碳体和珠光体，忽略Fe3CⅢ。

室温组织为二次渗碳体和珠光体。

10．指出下列名词的主要区别：

1）一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体与共析渗碳体； 答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。

二次渗碳体：从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。 三次渗碳体：从F中析出的Fe3C称为三次渗碳体Fe3CⅢ。

共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳

体。

共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳

体。

2） 热脆与冷脆。

答：热脆：S在钢中以FeS形成存在，FeS会与Fe形成低熔点共晶，当钢材在

1000℃~1200℃压力加工时，会沿着这些低熔点共晶体的边界开裂，钢材将变得极脆，这种脆性现象称为热脆。

冷脆：P使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所

升高，使钢变脆，这种现象称为“冷脆”。

11．根据 Fe-Fe3C 相图，计算：

1）室温下，含碳 0.6% 的钢中珠光体和铁素体各占多少； 2）室温下，含碳 1.2% 的钢中珠光体和二次渗碳体各占多少； 3）铁碳合金中，二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量。 答：1）Wp=(0.6-0.02)/(0.8-0.02)*100%=74% Wα=1-74%=26%

2）Wp=(2.14-1.2)/(2.14-0.8)*100%=70% WFe3CⅡ=1-70%=30% 3）WFe3CⅡ=(2.14-0.8)/(6.69-0.8)*100%=23% W Fe3CⅢ=0.02/6.69*100%=33%

12．某工厂仓库积压了许多碳钢（退火状态），由于钢材混杂，不知道钢的化学成分，现找出其中一根，经金相分析后，发现其组织为珠光体+铁素体，其中铁素体占 80% ，问此钢材的含碳量大约是多少？ 答：由于组织为珠光体+铁素体，说明此钢为亚共析钢。 Wα=80%=(0.8-WC)/(0.8-0.02)*100% WC=0.18%

13．对某退火碳素钢进行金相分析，其组织的相组成物为铁素体+渗碳体（粒状），其中渗碳体占 18% ，问此碳钢的含碳量大约是多少？ 答： WFe3CⅡ=18% =( WC-0.02)/(6.69-0.02)*100% WC=1.22%

14．对某退火碳素钢进行金相分析，其组织为珠光体+渗碳体（网状），其中珠光体占 93% ，问此碳钢的含碳量大约为多少？

答：Wp=93% =(2.14- WC)/(2.14-0.8)*100%=70% WC=0.89% 15.计算Fe-1.4%C合金在700℃下各个相及其组分数量和成分。

答：含1.4%C合金属于过共析钢，其组织为珠光体+二次渗碳体，相为铁素体和渗

碳体。

Wp=(2.14-1.4)/(2.14-0.8)*100%=55% WFe3CⅡ=1-55%=45% Wα=（6.69-1.4）/（6.69-0.02）*100%=79% WFe3C=1-79%=21% 16．根据 Fe-Fe3C 相图，说明产生下列现象的原因： 1）含碳量为 1.0% 的钢比含碳量为 0.5% 的钢硬度高；

答：钢中随着含碳量的增加，渗碳体的含量增加，渗碳体是硬脆相，因此含碳量

为 1.0% 的钢比含碳量为 0.5% 的钢硬度高。

2）在室温下，含碳 0.8% 的钢其强度比含碳 1.2% 的钢高；

答：因为在钢中当含碳量超过1.0%时，所析出的二次渗碳体在晶界形成连续的

网络状，使钢的脆性增加，导致强度下降。因此含碳 0.8% 的钢其强度比含碳 1.2% 的钢高。

3）在 1100℃，含碳 0.4% 的钢能进行锻造，含碳 4.0% 的生铁不能锻造； 答：在 1100℃时，含碳 0.4% 的钢的组织为奥氏体，奥氏体的塑性很好，因此

适合于锻造；含碳 4.0% 的生铁的组织中含有大量的渗碳体，渗碳体的硬度很高，不适合于锻造。

4）绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却用钢丝绳（用 60 、 65 、 70 、 75 等钢制成）；

答：绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选用低碳钢有很好的塑韧性，镀锌

低碳钢丝；而起重机吊重物用钢丝绳除要求有一定的强度，还要有很高的弹性极限，而60 、 65 、 70 、 75钢有高的强度和高的弹性极限。这样在吊重物时不会断裂。

5）钳工锯 T8 ， T10,T12 等钢料时比锯 10,20 钢费力，锯条容易磨钝； 答：T8 ， T10,T12属于碳素工具钢，含碳量为0.8%，1.0%，1.2%，因而钢中渗

碳体含量高，钢的硬度较高；而10,20钢为优质碳素结构钢，属于低碳钢，钢的硬度较低，因此钳工锯 T8 ， T10,T12 等钢料时比锯 10,20 钢费力，锯条容易磨钝。

6）钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于通过铸造成形。

答：因为钢的含碳量范围在0.02%~2.14%之间，渗碳体含量较少，铁素体含量较

多，而铁素体有较好的塑韧性，因而钢适宜于压力加工；而铸铁组织中含有大量以渗碳体为基体的莱氏体，渗碳体是硬脆相，因而铸铁适宜于通过铸造成形。

17.钢中常存杂质有哪些？对钢的性能有何影响？ 答：钢中常存杂质有Si、Mn、S、P等。

Mn：大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化：另一部分

Mn溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，这都使钢的强度提高，Mn与S化合成MnS，能减轻S的有害作用。当Mn含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响并不明显。

Si：Si与Mn一样能溶于铁素体中，使铁素体强化，从而使钢的强度、硬度、

弹性提高，而塑性、韧性降低。当Si含量不多，在碳钢中仅作为少量夹杂存在时，它对钢的性能影响并不显著。

S：硫不溶于铁，而以FeS形成存在，FeS会与Fe形成共晶，并分布于奥氏

体的晶界上，当钢材在1000℃~1200℃压力加工时，由于FeS-Fe共晶（熔点只有989℃）已经熔化，并使晶粒脱开，钢材将变得极脆。

P：磷在钢中全部溶于铁素体中，虽可使铁素体的强度、硬度有所提高，但

却使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变脆。

18.试述碳钢的分类及牌号的表示方法。 答：分类：1）按含碳量分类

低碳钢：含碳量小于或等于0.25%的钢，0.01~0.25%C ≤0.25%C 中碳钢：含碳量为0.30~0.55%的钢 0.25~0.6%C

高碳钢：含碳量大于0.6%的钢 0.6~1.3%C ＞0.6%C （2）按质量分类：即含有杂质元素S、P的多少分类： 普通碳素钢：S≤0.055% P≤0.045% 优质碳素钢：S、P≤0.035~0.040%

高级优质碳素钢：S≤0.02~0.03%；P≤ 0.03~0.035% （3）按用途分类

碳素结构钢：用于制造各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等，及机

器零件，如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等。

碳素工具钢：用于制造各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢，在质量

上都是优质钢或高级优质钢。

牌号的表示方法：（1）普通碳素结构钢：

用Q+数字表示，“Q”为屈服点，“屈”汉语拼音，数字表示屈服点数值。若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同， A、B、C、D质量依次提高，“F”表示沸腾钢，“b”为半镇静钢，不标“F”和“b”的为镇静钢。

（2）优质碳素结构钢：

牌号是采用两位数字表示的，表示钢中平均含碳量的万分之几。若钢中含锰

量较高，须将锰元素标出， （3）碳素工具钢：

这类钢的牌号是用“碳”或“T”字后附数字表示。数字表示钢中平均含碳量的千分之几。若为高级优质碳素工具钢，则在钢号最后附以“A”字。 19.低碳钢、中碳钢及高碳钢是如何根据含碳量划分的？分别举例说明他们的用途？

答：低碳钢：含碳量小于或等于0.25%的钢；08、10、钢，塑性、韧性好，具有

优良的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等；15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞钢、样板等。

中碳钢：含碳量为0.30~0.55%的钢 ；30、35、40、45、50钢经热处理（淬

火+高温回火）后具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件；

高碳钢：含碳量大于0.6%的钢 ；60、65钢热处理（淬火+高温回火）后具

有高的弹性极限，常用作弹簧。T7、T8、用于制造要求较高韧性、承受冲击负荷的工具，如小型冲头、凿子、锤子等。T9、T10、T11、用于制造要求中韧性的工具，如钻头、丝锥、车刀、冲模、拉丝模、锯条。T12、T13、钢具有高硬度、高耐磨性，但韧性低，用于制造不受冲击的工具如量规、塞规、样板、锉刀、刮刀、精车刀等。

20．下列零件或工具用何种碳钢制造：手锯锯条、普通螺钉、车床主轴。 答：手锯锯条：它要求有较高的硬度和耐磨性，因此用碳素工具钢制造，如T9、

T9A、T10、T10A、T11、T11A。

普通螺钉：它要保证有一定的机械性能，用普通碳素结构钢制造，如Q195、

Q215、Q235。

车床主轴：它要求有较高的综合机械性能，用优质碳素结构钢，如30、35、

40、45、50。

21.指出下列各种钢的类别、符号、数字的含义、主要特点及用途： Q235-AF、Q235-C、Q195-B、Q255-D、40、45、08、20、20R、20G、T8、T10A、T12A

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