工程材料基础习题(刘颖版)(2)重点

工程材料基础》课程习题（一）

绪论，第一章材料的基本结构与性能

1、工程材料按照性质不同或用途不同，如何进行分类？物质组成，金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料；用途，结构材料（力学性能）、功能材料（物理或化学性能）；

2、各种结合键有何特点，其所构成的物质有何性能特点？材料的性能主要取决于哪些因素？材料性能的取决因素，材料成分（原分离子的结合键类型）、材料结构（原分离子间作用状态）、材料的微观结构；离子键，结合力较强- 熔点硬度高，热膨胀系数导热小；电荷离子排斥-较低密度；共价键，结合力很强- 高熔点硬度，低热膨胀系数及不导电性；饱和性和方向性-较低密度；

金属键，存在自由电子-导电导热性好；无方向饱和性-塑性好；较高密度；分子键，结合力弱-熔点硬度低；无方向性饱和性氢键，有方向性饱和性；

3、金属材料、陶瓷材料、高分子材料在结构和性质上的主要差别是什么？结构，主要类型的结合键不同；性质，包括熔点硬度（强度）塑性（韧性）导热导电性耐热耐腐蚀性及密度热膨胀系数的区别；具体见P7,表格1-1 ;

4、何谓晶体、晶体结构、晶格、晶胞和非晶体？晶体，组成原离分子呈规则周期性排列的固体；非晶体，组成原分离子呈无规则排列的固体；晶体结构，组成晶体的原分离子在空间规则排列的方式；晶格，三维空间中视为质点的原离子按一定规则直线相连形成的三维空间格子；晶胞，晶格中代表晶体中原子排列特点和规律性的最小体积单元；

5、布拉菲点阵有多少种？描述其几何特征的参数是什么？

晶胞各棱棱长（a,b,c）及各棱之间的夹角关系（ a B Y ）；

立方体系3、四方体系2、菱方体系1、六方体系1、正交晶系4、单斜晶系2、三斜晶系1，计14 种；

6、何谓晶面、晶面族、晶向、晶向族，如何确定晶面和晶向指数？

晶面，晶格中原子所构成的平面；晶面族，晶面原子排列相同，仅空间向位不同的一组晶面；晶向，晶格中由原子列所构成的方向；

晶向族，原子排列相同，仅空间向位不同的一组晶向；

晶面和晶向指数的确定，P10+P11；

7、体心、面心、密排六方晶体结构有何特点？

5、何谓单晶体和多晶体，为什么单晶体具有各向异性，而多晶体往往没有各向异性？单晶体，其组成原子按相同规律和空间取向排列的晶体；多晶体，由许多空间取向不同的单晶（晶粒）组成的晶体；晶体各向异性，沿不同晶向，晶体性能不同的现象；产生原因，不同晶面、晶向上分子或原子排列规律不同；

多晶体空间位向呈随机分布；

7、何谓点缺陷、线缺陷（位错）和面缺陷，他们在晶体中的存在形式有哪些？点缺陷，空位、间隙原子、置换原子；（原子移位，异类原子溶入）线缺陷，晶体中若干原子出现的有规律错排现象；刀刃位错、螺形位错、混合型位错；面缺陷，晶界、亚晶界、相界面，表面等；

8、位错的运动形式有哪些？阻碍位错运动的因素有哪些？

滑移运动、攀移运动；晶体结合键、点缺陷、其他位错、面缺陷、第二相粒子等；课件，点缺陷、第二相粒子、位错、晶界、相界（主要因素）；

9、溶质原子与位错之间的相互作用对溶质原子在晶体中的分布有何影响？对位错的运动有何影响？固溶原子产生的畸变应力场会与位错的畸变应力场相互作用（不懂！）P21；

10、点缺陷和位错对晶体的强度、硬度、塑性、韧性、电阻率等有何影响？点缺陷数量增加，提高材料强度、降低塑性导电性（增加电阻率）以及耐腐蚀性；位错密度增加，强度增高，塑性降低（适当密度位错，晶体最易塑性变形同时具有较低强度）

11、非晶态材料的原子排列有何特点，其是否处于稳定状态？短程有序，各向同性，处于亚稳态（能量较低状态，非能量最低状态）；

12、晶体中有哪些面缺陷，为什么表面易吸附其他物质？如上7 ；

表面具有表面能，会自发吸附外来原子或分子以降低表面能；

13、何谓合金，合金中相、组元的概念是什么？合金，两种或者两种以上金属与金属或与非金属元素构成的具有金属特性的物质；相，化学构成、物理状态、晶体结构和性质相同均一且有明显界面与其他不同部分分隔开的部分；组元，组成合金最基本的独立物质（单质、化合物）；

14、何谓固溶体，其晶体结构与其组元有何关系？固溶体，原子或分子溶解于晶体中形成的固态物质；固溶体的晶体结构总是保持为溶剂（原子数量占多数的组元）的晶体结构；

15、何谓置换固溶体、间隙固溶体、无限固溶体和有限固溶体？置换，溶质原子置换某些溶剂原子并占据其位置的固溶体；间隙，溶质原子位于溶剂晶格间隙的固溶体；

有限，溶质溶解度存在限度的固溶体；无限，组元可以无限互溶的固溶体；（产生晶格畸变大小不同的缘故）

16、纯金属与其固溶体相比，哪一个的强度更高，为什么？固溶体，溶质原子溶入晶格提高固溶体强度（固溶强化）；

17、何谓金属间化合物，其晶体结构与其组元有何关系？金属间化合物，金属与金属或类金属形成的具有金属性质的化合物；晶体结构复杂，且不同于其组元的晶体结构；

18、常见金属间化合物有哪几种，各有何特点？

19、固溶体和金属间化合物对合金的力学性能有何影响？固溶体，固溶强化，改变原有的一些物理和化学性能；金属间化合物，第二相强化（提高硬度统统是阻碍基体相中的位错运动，超导性，储氢性能）；

20、何谓同素异构、同分异构现象？同素异构，同一组成元素具有不同晶体结构的现

提高强度），增加一些其他性能（磁性，象；同分异构，化学成分相同，组成原子形成不同分子结构的现象；

21、何谓陶瓷，其主要组成相有哪些，其性能主要取决于什么相？陶瓷，无机非金属化合物；晶体相（主相）、玻璃相、气孔；

22、为什么陶瓷中位错的密度低于金属中，且陶瓷中位错的滑移系少于金属中？因为陶瓷主要是以结合力强的离子键或者共价键结合；位错运动困难；

23、何谓高聚物，构成高聚物分子的原子之间以何种结合键相连，高聚物分子之间以何种结合键相连？2

高聚物（聚合物或高分子材料） ,由一种或几种简单的结构单元聚合而成的分子量很大的化合物； 共价键；

24、为什么高聚物在高温下易软化？ 仅限于线型高分子和支链型高分子,主要的分子间无化学键连接,分子间可相互移动； 25 、何谓高聚物的结构单元, 高聚物大分子链有哪几种几何形态？其几何形态与高聚物的力学性质有什么关系？ 结构单元,组成高分子单体的低分子化合物；

线型，支链型，溶剂中可溶解，良好的弹性和塑性，加热可熔化，热塑性， 性耐蚀性等下降； 交联型,体型结构 （平面内的网状结构） ,不溶性,热固性,较好的耐热性和尺寸稳定性,强度较高,塑性低, 脆性大等；

26、为什么高分子可以呈现卷曲状态？

高分子的柔顺性 - 高分子链的构象,化学单键不同内旋可构成分子链的各种几何形态；

27、何谓高聚物的聚集态结构？

高分子聚集在一起所形成的结合结构；

28、高分子材料的结晶度对高分子材料的硬度、强度、密度、耐热性、塑性、弹性等有何影响？ 结晶度是描述高分子聚合物晶化的程度；

结晶度越高,硬度强度密度耐热性等越高,塑性弹性降低；

29 、何谓复合材料,其主要组成相有哪些？ 复合材料,将两种不同物理化学力学性能的材料复合在一起所构成的材料； 连续相（基体相） 、复合相；

第二章 材料的基本性能

1、 材料

的强度指标有哪些,其含义是何？ 屈服强度, 抗拉强度,

疲劳强度,

高温强度, 2、 何为材料的刚度？ 刚度,材料受力是抵抗弹性变形的能力； 表示材料对微量塑性变形的抗力,对选材有一定的参考意义； 3、 影响金属、陶瓷、高分子材料弹性模量的主要因素有哪些？ 弹性模量主要取决于材料组成原子间作用力大小； 金属,对晶粒和第二相大小形态分布等组织变化不敏感,温度升高,模量下降； 陶瓷,对晶粒大小不敏感,气孔率（主要因素） ,压缩模量高于拉伸模量； 高分子,对组织材料敏感（结晶度,密度） ,温度升高,模量下降；

4、 材料的塑性指标有哪些,塑性对于材料有何重要意义？ 断后伸长率,断面收缩率； 塑性加工成形的重要指标参量,提高使用安全性,防止脆性断裂,使过载应力得到松弛；

5、 何谓材料的硬度,常用的测试材料硬度的方法有哪些,其适用范围如何？ 硬度,材料抵抗局部塑性变形或其他硬物压入其表面的能力；

压入法硬度试验； 布氏硬度, 洛氏硬度, 维氏硬度,

6、 材料承受冲击的能力用何性能指标表示,温度对

材料的耐冲击性能有何影响？

PS ,支链使材料密度弹性塑性耐热

使材料开始塑性变形的最小应力值； 材料受力产生最大均匀塑

性形变时所能承受的最大应力值； 材料在变动载荷反复作用下

不发生断裂的最大应力值； 给定温度和时间内使材料产生断裂

的应力值；

弹性模量对于材料来讲具有什么应用意义？

HBS （450 以下）, HBW （450-650 ）；

HRA （ 20-88 ）, HRB （ 20-100 ）, HRC （20-70）；

HV ；

冲击性能； 冲击韧度随随见降低而下降，存在冷脆转化温度

7、何谓断裂韧性，其有何实际意义？ 断裂韧性，材料抵

抗裂纹扩展的能力； 为零构件的设计和使用提供了一个重

要的安全性指标； 8、何谓疲劳断裂？ 疲劳断裂，材料在变动载荷长期作用下，内部产生累积损伤而萌生裂纹，最后裂纹失稳扩展导致材料断裂的现 象；

9、何谓材料的蠕变，其产生机制为何？ 蠕变，材料在高温及长时间恒力作用下缓慢塑性变形的现象；

10、何谓粘弹性，其有何实际应用意义？ 黏弹性，在外力作用下，材料产生的弹性应变在时间上滞后于应力变化的现象； 作为一些材料的制备标准，即内耗值的大小、用于制备阻尼材料；

11、材料的耐磨性主要取决于哪些因素？ 材料的成分、表面硬度、硬化层深度、摩擦系数、弹性模量、摩擦副的相对性质等因素； 12 、何谓材料的电极化现象，何谓压电 效应 和电致伸缩现象？

电场作用下材料中的原分子正负电荷中心分离的现象； 压电效应，因为材料（压电体）受力尺寸变化而产生电势的效应； 电致伸缩现象，材料（受电体）受电场作用产生尺寸变化的现象；

13、根据对外

加磁场的反应，可将物质分为哪几类，其各有什么特点？ 抗磁性物质， 顺磁性物质， 铁磁性物质， 亚磁性物质， 反磁性物质， 14、什么是硬磁材料和软磁材料？ 软磁材料，磁化强度在外加磁场去除后迅速消失的磁性材料； 硬磁材料，磁化强度在外加磁场去除后可显著长期保持的磁性材料；

15、何谓物质的特征光谱？

16、如何防止

材料的电化学腐蚀？ 提高电极电位、形成单相组织，形成表面氧化膜；

17、如何提高金属材料的抗氧化能力？ 表面形成致密的抗氧化膜；

18、什么是材料的工艺性能，其有何重要意义？ 工艺性能，指材料在加工过程中所反映的是否适合于加工工艺的性能； 铸造性能，塑性加工性能，焊接性能，切削加工性能；

PPT128

第三章 金属材料的塑性变形

1、何谓为塑性变形，晶体塑性变形的主要方式有哪些？ 塑性变形，不可恢复的永久变形；

滑移、孪生；

2、何谓晶体的滑移系，组成滑移系的滑移面和滑移方向有何特点？ 滑移系，一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合； 滑移面为晶体中原子密排面；

滑移方向为晶体中原子最密排方向；

3、金属晶体中滑移系的多少对金属的塑性有何影响？

Tk ；

外加磁场中，物质产生与外加磁场反向的很弱的磁场； 外加磁场中，物质产生与外磁场同向但微弱的磁场； 同向很强的磁场；

同向较强的磁场； 无磁化；

晶体的滑移系数目越多，其塑性越好；

4、何谓分切应力和临界分切应力，何谓“软取向”和“硬取向”？某些取向合适的晶粒在滑移面和滑移方向上所受分切应力优先达到使位错开始滑移的临界分切应力值而产生位错运动并引起晶体滑移，此晶粒取向称“软取向” ；其它一些晶粒由于取向的原因沿滑移面和滑移方向上的分切应力还没有达到使位错滑移的临界应力，这些晶粒暂时不能产生滑移变形，此晶粒取向为“硬取

向” 。

5、多晶体中晶粒取向对晶体塑性变形有何影响？多晶体中各晶粒取向不同，在相同的外加应力作用下，各晶粒在滑移面上沿滑移方向上所受到的实际切应力方向不相等；处于硬取向的晶粒将对软取向晶粒的变形产生约束和阻碍作用，因而要求各晶粒间变形协调；同时，同样因为不同晶粒变形时间的不同，会使微观塑性变形不均匀和更复杂；

6、晶界对晶体塑性变形有何影响？

阻碍位错滑移，提高晶体强度（晶界强化）；

7、为什么细化晶粒可以提高金属强度，并改善金属的塑性和韧性？

细化晶粒使取向随机分布的软取向晶粒更多，且微观分布更为均匀，从而使微观塑性变形更为均匀，推迟因部分晶粒过度变形导致的裂纹萌生和扩展，从而推迟断裂发生，改善材料塑性、韧性。

8、晶粒大小对材料的高温抗蠕变性能有何影响？应该可以从晶粒大小对晶体塑性变形（强化）角度考虑；

9、金属中第二相粒子大小、数量对塑性变形有何影响？第二相粒子阻碍位错滑移（体积分数越大，离子半径越小对位错运动的阻碍越大）二相粒子处形成位错塞积，易产生应力集中促使裂纹萌生而降低材料的塑性、韧性；

，可提高材料强度，但因在第

10、何谓形变强化，其机理是什么？

11、塑性变形后，金属的内部组织、性能有何主要变化？组织变化，点缺陷密度增加，位错密度增加，晶粒碎化，晶粒拉长，变形量很大时出现纤维组织，晶粒转动形成织构，产生各向异性；性能变化，加工强化，产生参与应力；

12、塑性组织变化，变形可产生哪些残余应力，残余应力有何危害和可利用之处，如何消除残余应力？第一第二第三类残余应力；宏观残余应力，微观残余应力，点阵畸变；降低工件的承载能力，使工件尺寸形状发生变化，降低工件耐蚀性；利用残余应力可一定程度上抑制表面疲劳裂纹萌生，提高材料疲劳强度；应力退火的热处理工艺消除工件中的残余应力；

13、经冷塑性变形的金属在加热到一定温度时，其组织和性能会发生哪些主要变化，为什么？组织和性能会通过回复、再结晶等一系列变化过程重新回到冷变形前的状态（强度和硬度下降，可塑性提高）原因解释见14 题；

14、何谓回复、再结晶，对应于回复、再结晶过程，冷变形金属的组织和性能将相应发生何种变化？PPT169、171 15、何谓再结晶温度？发生再结晶的加热温度（存在最低）；

16、冷变形金属发生回复、再结晶的驱动力是什么？冷变形的储存能；

17、金属的形变强化有何利弊，如何利用和消除形变强化？本节包括了包括高低温下的金属变形，再分析；

18、为什么在高温下，金属的晶粒会长大？晶界总面积减小导致晶界能下降（实质是一个晶粒的边界向相邻晶粒中迁移的过程）

19、何谓冷变形和热变形，为什么往往将金属加热到高温进行塑性变形？冷热变形分别是指金属在最低再结晶温度上下进行的变形；高温条件下，原子自身活跃程度加大，与空位一起产生定向移动；同时位错借外界提供能量克服阻碍，从而使变形不断产生；

20、金属塑性变形时形成的纤维组织对金属力学性能有何影响？使金属的力学性能产生各向异性，沿平行于纤维组织和流线的方向，拉伸强度塑性韧性提高，垂直于纤维组织和流线的方向剪切强度提高，塑性和韧性较低；

21、对金属进行加工时，应如何考虑纤维组织的分布？零件中的流线方向与其所承受的最大拉应力方向一致，而与最大切应力方向垂直，并使流线尽量围绕零件的轮廓而不被切断；

22、何谓金属的塑性加工性能，其用何种指标来加以衡量？

23、影响塑性加工性能的主要因素有哪些，如何影响？晶粒大小，第二相粒子，晶界，晶粒取向；

24、为什么陶瓷材料不易塑性变形且表现为脆性材料？弹性模量大，结合键为共价键和离子键，本身存在气孔；

第四章材料的凝固与二元合金相图

1、什么是凝固，什么是结晶，什么是结晶过冷度，结晶的驱动力是什么？凝固，物质液变固；结晶，物质有组成原分子呈长程混乱排列的液态变为原分子呈长程规则排列的固态的过程；驱动力，自由能差△ G;

2、非晶体和晶体的凝固有何不同？原分子排列是否规则的区别；非晶体仅仅是一个材料黏度嫉妒增大；

3、结晶由哪两个基本过程组成？影响结晶后晶粒大小的因素有哪些？固相形核、固相长大；

4、结晶形核有哪些方式，哪一种形核方式更易形核，为什么？均匀形核，非均匀形核；

非均匀形核，其所需要的界面能增量较小（过冷度较小）（具体原理见书）；

5、晶核的长大方式有哪些？纯金属在正的温度梯度和负的温度梯度下各以什么方式长大？平面长大，树枝状长大；

正温度梯度，平面生长，形成等轴晶；负温度梯度，树枝状生长，形成枝状晶；

6、何谓成分过冷，其产生原因是是么？因液相中溶质成分分布不均匀导致的过冷现象；高熔点元素更易转为固相，使固液界面前沿为凝固液相中低熔点溶质过多；

7、合金在正的温度梯度和负的温度梯度下各可能通过什么方式长大，为什么？正温度梯度，如果合金结晶晶核附近存在成分过冷区，树枝状长大；负温度梯度，一般为树枝状长大；

8、影响晶核形核率和长大率的因素主要有哪些，如何影响？

过冷度，越大，结晶驱动力越大（不宜过大）；非均匀形核，显著提高形核率，促进结晶完成；

9、如何控制结晶后的晶粒大小，金属的晶粒大小有何重要性？晶粒越细小，金属表现出强度越高，塑性越好；通过提高形核率和降低晶核长大率（增加过冷度，利用非均匀形核，机械搅拌和振动）；

10、热力学平衡是何含义，何谓平衡相（状态）图？平衡相图，反映物质体系在不同外界条件下处于平衡状态时，其存在的形式及内部组成相的种类成分及相对数量的图；

物质体系处于能量最低状态；

11、固溶体结晶有何特点？

特点？ 12、何谓晶内（枝晶）偏析？ 晶内偏析，结晶过程中中心部位高熔点组元百分比含量高于后结晶的晶粒外层，致使晶粒内部成分不均匀想现 象（不均匀范围小，微观偏析） ； 13、何谓匀晶、共晶、包晶、共析转变？ 匀晶转变， 共晶转变， 包晶转变， 共析转变，

13 、匀晶、

相变的区别见定义， 组织变化的区别，需总结，略； 15、如何利用相图来大致判断合金的性能？ 掌握合金加工工艺

性能与相图的关系； 包括相图中的相界强化固溶强化； 铸造性能主要与结晶温度流动性收缩性偏析有关； 塑性加工性，变形抗力大小塑性好坏； 16、何谓铁素体、 铁素体，碳溶于 渗碳体， Fe3C ， 奥氏体，碳溶于 珠光体共析反应生成的铁素体与渗碳体的混合物； 17、 Fe-Fe 3C 相图上的三条水平线各代表什么反应？ ECF ，共晶线（发生共晶反应） ； PSK ，共析线（发生共析反应） ； HJB ，包晶线（发生包晶反应） ； P ,碳在a -Fe 中的最大溶解度； S ,共析点；E 碳在Y -Fe 中的最大溶解度；C ,共晶点；

18、 在亚共析、共析、过共析钢和亚共晶、共晶、过共晶白口铸铁的平衡结晶冷却过程中，其相变和组织变化 过程如何？

具体见相图和课本 P83-85 ； 19、 写出室温下亚共析钢、共析钢、过共析钢的平衡组织（包括相组成物、组织组成物）

。 共析钢，a 和Fe3C ，因为量少忽略 Fe3C 皿，则为层片状的

亚共析钢，a 和Fe3C ，忽略Fe3C 皿，先共析a 和P ; 过共析钢，a 和Fe3C ，忽略Fe3C m ，则为 Fe3C n 和P ； 20 、网状渗碳体易在什么情况下产生，其对钢会产生何种危害， 合金的含碳量约超过 1%，钢的脆性大大增加，抗拉强度降低 21 、室温下，所有钢和白口铸铁的组成相是否相同，组织是否相同， 不同，注意书中给的转变过程的化学转化式，比较组成相和组织； 22、 含碳量对铁碳合金中渗碳体的量有何影响，对铁碳合金的力学性能有何影响？

随含碳量增加，组织中渗碳体增加； 随含碳量增加，合金塑性韧性降低，硬度增加，以及强度极限在含碳量 0.9%分界转变的不同；

23、 含碳量对钢中珠光体的量有何影响，钢中珠光体的量对钢的力学性能有何影响？ 读相图？ 从液相中直接结晶出一种固相的转变； 恒定温度下，一定成分的液相中同时结晶出两种一定成分的固相的转变； 一种确定成分的液相与一种确定成分的固相相互作用而生成另一种确定成分的固相的转变； 一定温度下，由一定成分的固相中同时析出两种一定成分的固相的转变； 共晶、包晶、共析相图中典型成分合金冷却过程的相变和组织变化有何不同？ 13 题； 渗碳体、 奥氏体 、珠光体、 一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体 ？ a -Fe 形成

的间隙固溶体 一种具有复杂结构的间隙化合物； Y -Fe 形成的间隙固溶体； P 、 S 、 E 、 C 各点有什么意义？ P ； 如何消除？ 组织形貌各有何特点？

24、如何利用铁碳相图判断铁碳合金的力学性能和加工性能？ 25、铸铁中石墨的形成有哪些途径？较白口铸铁，灰口铸铁具有哪些性能特点？ 石墨化五个途径， P87；