工程材料及热处理

1什么是工程材料？按其组成主要分为哪些类型?

工程材料主要指用于机械工程和建筑工程等领域的材料。

按其组成分为：金属材料包括钢铁、有色金属及其合金；高分子材料包括塑料、橡胶等；无机非金属材料主要是陶瓷材料、水泥、玻璃、耐火材料；复合材料是由基体材料（树脂、金属、陶瓷）和增强剂（颗粒、纤维、晶须）复合而成的。 2工程材料的性能主要包含哪些内容？ 工程材料的性能分为使用性能和工艺性能。

使用性能是指在服役条件下能保证安全可靠工作所必备的性能，其中包括材料的力学性能、物理性能、化学性能等。

工艺性能是指材料的可加工性，其中包括锻造性能、铸造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性等。

3主要有哪些常用的力学性能指标？ 常用的力学性能指标主要有强度、塑性和硬度指标。强度指标主要是指屈服强度和抗拉强度；塑性指标包括延伸率和断面收缩率；硬度指标主要有布氏硬度和洛氏硬度。 4简述金属三种典型晶体结构的特点？

最常见的金属晶体结构有3种类型：体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构:

（1） 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。 （2） 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。 （3） 密排六方晶格：它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，

在六棱柱体中间还有3个原子。

5举例说明晶体的同素异构现象？

某些金属，例如铁、锰、钛、锡、钴等，凝固后在不同的温度下有着不同的晶格形式，这种金属在固态下由于温度的改变而发生晶格改变的现象称为同素异构转变。这一转变与液态金属的结晶过程相似，也包括晶核的形成和晶粒的长大，故又称二次结晶或重结晶。

举例：铁在1538～1394℃时为体心立方晶格，叫做δ铁；在1394～912℃时，为面心立方晶格，叫做γ铁。在912℃以下，为体心立方晶格，叫做α铁。 6实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？晶体缺陷对性能有何影响？ 在实际金属中存在的缺陷有点缺陷（空位和间隙原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界）3种类型。 一般情况下，晶体缺陷的存在可以提高金属的强度，但是晶体缺陷的存在常常降低金属的抗腐蚀性能 7简述晶体的结晶过程。

结晶过程首先是从液体中形成一些称之为结晶核心的细小晶体开始的，然后，已形成的晶核按各自不同的位向不断长大。同时在液体中又产生新的结晶核心并逐渐长大，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。 8什么是过冷度？过冷度与什么因素有关？

实际结晶温度总是低于理论结晶温度，两者的差值称为过冷度，常用 表示。过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度愈快，过冷度愈大，实际结晶温度越低。 9什么是细晶强化？生产中主要采取哪些措施细化晶粒？

一般情况下金属的强度、塑性和韧性都随晶粒的细化而提高，称细晶强化。因此，在生产中常采取增加冷却速度和变质处理来细化晶粒以改善力学性能。

增加冷却速度可增大过冷度，使晶核生成速率大于晶粒长大速率，因而使晶粒细化。但增加冷却速度受铸件的大小、形状的限制。

变质处理是在液态金属中加少量变质剂(又称孕育剂)作为人工晶核，以增加晶核数，从

1

而使晶粒细化。

此外，在结晶过程中采用机械振动、超声波振动和电磁振动，也有细化晶粒的作用。 10单晶的塑性变形有哪两种基本形式？简单叙述其特点。 单晶的塑性变形有滑移和孪生两种基本形式。

滑移是在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面相对于另一部分进行滑动。滑移的结果产生滑移带，滑移的距离是原子间距的整数倍。滑移的同时伴随着转动。 孪生是在切应力作用下晶体中一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）、一定晶向（孪生方向）作均匀地移动。孪生后移动与未移动区构成镜面对称，形成孪晶。 11塑性变形对金属组织与性能有何影响？

塑性变形会使金属的组织与性能产生变化：晶粒沿变形方向伸长，性能趋于各向异性；位错密度增加，形成亚结构，产生加工硬化；产生形变织构；在金属内部产生残余内应力。 12变形金属在加热时组织和性能将发生怎样的变化？

随着加热温度的升高，变形金属将发生回复、再结晶和晶粒生长三个阶段。

回复：加热温度较低，组织仍为拉长的变形组织。强度、硬度稍有降低，塑性略有提高，内应力有所降低。

再结晶：加热温度较高，组织为均匀而细小的等轴晶。强度、硬度显著降低，塑性明显上升，内应力完全消除。

晶粒长大：随着温度进一步升高或延长保温时间，晶粒会继续长大。组织为晶粒较粗的等轴晶组织。晶粒长大对金属的力学性能产生不利影响，金属的塑性和韧性下降明显。 13什么是金属的合金化？有哪些主要的合金相？

在纯金属中加入适量的合金元素来改善金属性能的方法叫合金化。 合金中常见的相组织可以归纳为两大类：固溶体和金属间化合物。 14固溶体与金属间化合物有何区别？

固溶体是指溶质组元溶入溶剂晶格中而形成的单一均匀的固体，其特点是保持溶剂组元的晶体结构，但会引起溶剂组元晶格不同程度的畸变。

金属化合物的晶格类型与其组元完全不同，性能差别也很大，一般具有高熔点、高硬度和高脆性。

15什么是相图？相图是如何建立的？

相图是表示合金系中各种平横相存在的条件以及相与相之间关系的一种简明示图。通常，用纵坐标表示温度变化，用横坐标表示化学成分的变化。

相图的建立一般采用热分析法，此外还有膨胀法、电阻法、X射线分析法及磁性分析法等。

16在铁碳合金状态图中，C点和S点的含义是什么？ECF线和PSK线的含义是什么？

在铁碳合金状态图中，C点温度为1148℃，含碳量为4.3%，表示共晶点。S点温度为727℃，含碳量为0.77%，表示共析点。ECF线称为共晶转变线，PSK线称为共析转变线。 17铁碳合金存在哪些基本的组成相？其具有怎样的组织结构和性能特征？ 铁碳合金的基本组成相有铁素体、奥氏体和渗碳体。

铁素体：碳在体心立方结构α－Fe中形成的间隙固溶体。强度、硬度不高，但是具有良好的塑性和韧性。 奥氏体：碳在面心立方结构γ—Fe中形成的间隙固溶体。奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于塑性成形。

渗碳体：铁和碳的金属化合物（Fe3C），其含碳量为6.69%。渗碳体硬度高，脆性大，塑性和韧性几乎等于零。渗碳体是一种亚稳相，在一定条件下会发生分解。 18什么是金属的热处理？有哪些常用的热处理工艺？

2

金属热处理就是通过加热、保温和冷却来改变金属整体或表层的组织，从而改善和提高其性能的工艺方法。

金属热处理工艺可分为普通热处理（主要是指退火、正火、淬火和回火等工艺）、表面热处理（包括表面淬火和化学热处理）和特殊热处理（包括形变热处理和真空热处理等）。 19共析钢过冷奥氏体有哪些等温转变产物？

共析钢过冷奥氏体在高温转变区（A1～550℃）将发生珠光体型转变，转变产物有珠光体、索氏体和屈氏体；在550℃～Ms温度范围将发生贝氏体型转变，转变产物有上贝氏体和下贝氏体；在Ms以下的低温转变区将发生马氏体型转变，转变产物为马氏体。 20钢退火和正火的目的是什么？为什么钢淬火后要经过回火处理？ 钢退火和正火的目的是：（1）调整硬度以便进行切削加工；（2）消除残余内应力，以减少钢件在淬火时产生变形或开裂；（3）细化晶粒，改善组织，提高力学性能；（4）为最终热处理（淬火、回火）作好组织准备。

淬火钢一般不宜直接使用，必须进行回火以消除淬火时产生的残余内应力，提高材料的塑性和韧性，稳定组织和工件尺寸。 21什么是固溶强化？什么是弥散强化？

固溶强化：当合金由单相固溶体构成时，随溶质原子含量的增加，其塑性变形抗力大大提高，表现为强度、硬度的不断增加，塑性、韧性的不断下降。

弥散强化：当第二相以细小弥散的微小颗粒均匀分布于基体相中时，将阻碍位错运动或增加位错运动能量，起到强化合金的作用。

22什么是化学热处理？它与普通热处理有何不同？ 化学热处理属于表面热处理，是将钢件放入一定的化学介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表面，表面化学成分发生变化从而改变金属的表面组织和性能的工艺过程。化学热处理包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼和渗硫等工艺。

普通热处理的主要特点是对工件整体进行穿透加热，因而热处理后工件整体性能均会发生变化。

23合金流动性不好时容易产生哪些铸造缺陷？影响合金流动性的因素有哪些？设计铸件时，如何考虑保证合金的流动性?

合金的流动性是指液态合金本身的流动能力。合金流动性不好时，容易出现冷隔、浇不足、气孔、夹渣及缩孔等铸造缺陷。

影响合金流动性的主要因素有：合金的成分、温度、物理性质、难熔质点和气体等。 设计铸件时，应从以下几个方面考虑保证合金的流动性:

(1) 从合金流动性的角度考虑，在铸造生产中，应尽量选择共晶成分、近共晶成分或凝固

温度范围小的合金作为铸造合金。

(2) 液态合金的比热容和密度越大、导热系数越小、粘度越小，合金的流动性越好。 (3) 液态合金的浇注温度必须合理。

24什么是铸造合金的收缩性？有哪些因素影响铸件的收缩性？

合金在从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩小的现象称为收缩。从浇注温度冷却到室温分为液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个收缩阶段。

铸件收缩的大小主要取决于合金成分、浇注温度、铸件结构和铸型。 25铸件中产生缩孔和缩松的主要原因是什么？生产工艺上有哪些预防措施？ 铸件中产生缩孔和缩松的主要原因是合金的液态收缩和凝固收缩。

在实际生产中，通常采用顺序凝固原则，并设法使分散的缩松转化为集中的缩孔，再使集中的缩孔转移到冒口中，最后将冒口去除，即可获得完好铸件。即通过设置冒口和冷铁，使铸件从远离冒口的地方开始凝固并逐渐向冒口推进，冒口最后凝固。

3

26铸件产生铸造内应力的主要原因是什么？如何减小或消除铸造内应力？ 铸件产生铸造内应力的主要原因是合金的固态收缩。

为了减小铸造内应力，在铸造工艺上可采取同时凝固原则。所谓同时凝固原则，就是采取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固。此外，还可以采取去应力退火或自然时效等方法，将残余应力消除。 27什么是分型面，分型面选择一般性的原则是什么？

分型面是指两半铸型相互接触的表面。在选择铸型分型面时应考虑如下原则： （1） 分型面应选在铸件的最大截面上，并力求采用平面。 （2） 应尽量减少分型面的数量，并尽量做到只有一个分型面。 （3） 应尽可能减少活块和型芯的数量，注意减少砂箱高度。

（4） 尽量把铸件的大部分或全部放在一个砂箱内，并使铸件的重要加工面、工作面、

加工基准面及主要型芯位于下型内。

28灰口铸铁件壁厚越大强度越高的说法，为什么不对？

铸铁的性能与铸件壁厚尺寸有关。壁越厚，铸件内部冷却速度越慢，石墨化程度增加，基体中碳含量降低倾向获得铁素体为基的灰口铸铁，因此强度反而下降。 29焊接的本质是什么？如何分类？有何优点？ 焊接是利用加热或加压等手段，使分离的两部分金属，借助于原子的扩散与结合而形成原子间永久性连接的工艺方法。

焊接方法的种类很多，根据实现金属原子间结合的方式不同，可分为熔化焊、压力焊和钎焊3大类。

焊接方法具有如下优点：

（1） 成形方便：焊接方法灵活多样，工艺简便；在制造大型、复杂结构和零件时，可

采用铸焊、锻焊方法，化大为小，化复杂为简单，再逐次装配焊接而成。

（2） 适应性强：采用相应的焊接方法，不仅可生产微型、大型和复杂的金属构件，也

能生产气密性好的高温、高压设备和化工设备；此外，采用焊接方法，还能实现异种金属或非金属的连接。

（3） 生产成本低：与铆接相比，焊接结构可节省材料10%～20%，并可减少划线、钻孔、

装配等工序。另外，采用焊接结构能够按使用要求选用材料。在结构的不同部位，按强度、耐磨性、耐腐蚀性、耐高温等要求选用不同材料，具有更好的经济性。

30什么是焊接电弧？电弧的构造有何特点？什么情况下有正接法与反接法之分？各区域温度约为多少？

焊接电弧是电极与工件之间的强烈而持久的气体放电现象。

电弧的构造：焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区3部分组成。 采用直流弧焊机焊接时有正接法与反接法之分，正接是将工件接电源正极，焊条接负极；反接是将工件接电源负极，焊条(或电极)接正极。

用钢焊条焊接工件时，阳极区温度约为2 600 K，阴极区温度约为2 400 K，电弧中心区温度最高，可达6 000～8 000 K。

31焊条电弧焊时，对焊接电源有哪些基本要求？常用焊接电源的类型有哪些？ 焊条电弧焊时，对焊接电源的基本要求有： （1） 具有陡降的特性；

（2） 具有一定的空载电压以满足引弧的需要，一般为50～90 V；

（3） 限制适当的短路电流，以保证焊接过程频繁短路时，电流不致无限增大而烧毁电

源。短路电流一般不超过工作电流的1.25～2倍。

（4） 常用焊接电源的类型有交流弧焊机、直流弧焊机和交、直流两用弧焊机。

4