热固性，加热加压成型固化后，不能再加热熔化和软化，例如酚醛树脂、环氧树脂、硫化橡胶等。 (14) 说明晶
态聚合物与非晶态聚合物性能上的差别，并从材料结构上分析其原因。
答: 聚合物的性能与其聚集态有密切的关系，晶态聚合物，由于分子链排列规则而紧密，分子间吸引力大，分子链运动困难，故其熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性和抗熔性等性能好；非晶态聚合物，由于分子链无规则排列，分子链的活动能力大，故其弹性、伸长率和韧性等性能好。 (15) 高聚物的强度为什么低？
答: 高聚物的强度平均为100?MPa，比金属低得多。高聚物的强度由分子链上的化学键和分子链间的分子键相互作用构成。由于分子键较弱，因此高聚物的强度较低。虽然其理论强度约为其弹性模量的1/10，但是实际强度仅及理论强度的1/1000～1/100，这是因为其结构中存在缺陷，如微裂纹、空洞、气孔、杂质、结构的松散性和不均匀性等，这些是应力集中的地方和薄弱点，造成高聚物的强度较低。 (16) 何谓高聚物的老化？说明老化的原因，提出改进高聚物抗老化能力的措施。
答: 老化是指高聚物在长期使用和存放过程中，由于受各种因素的作用，性能随时间不断恶化，逐渐丧失使用价值的过程。其主要表现： 对于橡胶为变脆，龟裂或变软，发粘；对于塑料是褪色，失去光泽和开裂。老化的原因主要是分子链的结构发生了降解或交联。改进高聚物抗老化能力的措施主要有： ①表面防护； ②改进高聚物的结构，消除结构上的弱点，提高稳定性； ③加入防老化剂，消除高聚物中产生的游离基，抑制其链式反应，阻碍分子链的降解或交联。 (17) 说明塑料在减摩、耐磨性方面的特点。
答: 大多数塑料对金属和对塑料的摩擦因数值一般在0.2～0.4范围内，但有一些塑料的摩擦因数很低。例如，聚四氟乙烯对聚四氟乙烯的摩擦因数只有0.04，几乎是所有固体中最低的。
塑料的另一优点是磨损率低，原因是其自润滑性能较好，消音、吸振能力强。在无润滑和少润滑的摩擦条件下，塑料的耐磨、减摩性能是金属材料无法比拟的。 (18) 画出高聚物大分子链的三种形态。 解: 见图1-4. 图 1-4
(19) 画出线型非晶态高聚物的变形随温度变化的曲线。 解: 见图1-5. 图 1-5
(20) 陶瓷的典型组织由哪几种相组成？
答: 陶瓷的典型组织由晶体相、玻璃相和气相组成。其中晶体相是陶瓷的主要相，决定陶瓷的基本性能；玻璃相起粘结剂的作用；气相是陶瓷组织中残留的孔洞，极大地破坏其力学性能。 (21) 为什么陶瓷的实际强度比理论强度低得多？指出影响陶瓷强度的因素和提高强度的途径。
答: 陶瓷的实际强度比理论强度低得多的原因是其组织中存在晶界，晶界对其强度的
破坏作用很大。因为晶界上存在晶粒间的局部分离或空隙，晶界上原子间键被拉长、键强度被削弱，相同电荷离子的靠近产生斥力、可能造成微裂纹。
影响陶瓷强度的主要因素是晶界的存在，同时受陶瓷组织的致密度、杂质和其他各种缺陷的影响也很大，另外陶瓷强度对应力状态特别敏感。 消除晶界的不良作用是提高陶瓷强度的基本途径，同时通过一定工艺提高陶瓷组织的致密度、减少气孔率、减少缺陷、细化组织等可使陶瓷强度接近理论值。 第2章 金属材料组织和性能的控制第2章 金属材料组织和性能的控制2.1 教 学 指 导1. 教学要求 本章阐述金属材料组织和性能的影响因素及其控制方法，包括纯金属的结晶、合金的结晶、金属的塑性加工、钢的热处理、钢的合金化、表面技术等内容。
简要阐述纯金属结晶的条件和结晶过程，同素异构转变，细化铸态金属晶粒的措施。
简要阐述发生匀晶反应的合金的结晶过程和发生共晶反应的合金的结晶过程。 重点阐明铁碳相图、典型铁碳合金的平衡结晶过程。简要阐述铁碳合金的成分-组织-性能关系。
简要阐述金属塑性变形的微观机制、塑性变形对金属组织和性能的影响，以及再结晶对金属组织和性能的影响。
重点阐明钢的热处理原理和热处理工艺（退火、正火、淬火、回火、表面热处理和化学热处理），一般介绍钢的热处理新技术。
简要阐述合金元素在钢中的作用，合金元素对钢的热处理、钢的力学性能、工艺性能的影响。
一般介绍电刷镀、热喷涂、气相沉积、激光表面改性等新技术。 2. 教学目标
本章是工程材料课程的重点。学生应重点掌握以下内容： 铁碳相图，典型铁碳合金的平衡结晶过程，杠杆定律，铁碳合金的成分-组织-性能关系。过冷奥氏体的等温转变 (C曲线）, 过冷奥氏体的连续冷却转变，钢的淬透性、淬硬性。退火、正火、淬火、回火、表面热处理和化学热处理等热处理工艺。
熟悉纯金属、合金的结晶，金属的塑性加工、再结晶对金属组织和性能的影响规律。熟悉合金元素在钢中的作用，合金元素对钢的热处理、钢的力学性能的影响。 表面技术部分作一般了解。 3. 教学建议
(1) 本章阐述的金属材料组织与性能的影响因素和规律，是工程材料学的基本理论基础。本章是课程的重点，需要扎扎实实地学习好，掌握金属材料组织与性能的主要影响因素和规律，为后面学习金属材料知识打好基础。
(2) 本章内容多，安排的教学学时应多一些。本章中有一些难点和重点，要求着重理解。可以安排几次讨论。
(3) 若有条件，组织学生参观机械厂、热处理厂，以便对
金属材料的生产和加工过程有所了解。理论联系实际，学习效果会更好。
(4) 指导学生浏览相关网站，收集材料生产和加工新技术有关资料，拓宽知识面。
(5) 建议本章学时： 8～10 学时。
2.2 习题参考答案1. 解释名词 过冷度、非自发形核、变质处理、铁素体、珠光体、滑移、加工硬化、再结晶、滑移系、本质晶粒度、球化退火、马氏体、淬透性、淬硬性、调质处理、回火稳定性、二次硬化、回火脆性、CVD、激光相变硬化
答: 过冷度: 理论结晶温度?T??0与开始结晶温度?T?n?之差叫做过冷度，用 Δ?T?表示。
非自发形核: 金属结晶时，杂质的存在常常能够促进晶核在其表面上形成。这种依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核。
变质处理: 在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织的方法。 铁素体: 碳在α-Fe中的间隙固溶体,呈体心立方晶格。
珠光体: 奥氏体发生共析反应的产物,是铁素体与渗碳体的共析混合物。
滑移: 滑移是晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动。滑移是晶体内部位错在切应力作用下产生滑移运动的结果。
加工硬化: 金属发生塑性变形，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化，也叫形变强化。产生加工硬化的原因是： 金属发生塑性变形时，位错密度增加，位错间的交互作用增强，相互缠结，造成位错运动阻力的增大，引起塑性变形抗力提高。另一方面，由于亚晶界增多，使强度得以提高。
再结晶: 塑性变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。这个过程称为再结晶。变形金属进行再结晶后，强度和硬度明显降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除，此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。
滑移系: 晶体中一个滑移面与其上的一个滑移方向称为一个滑移系。
本质晶粒度: 钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向用本质晶粒度来表示。钢加热到 (930±10) ℃、保温8?h、冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。
球化退火: 球化退火为使钢中碳化物球状化的热处理工艺。目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（球化退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备。球化退火主要用于共析钢和过共析钢，球化
退火后的显微组织为在铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体。球化退火的加热温度略高于?A??c1。球化退火需要较长的保温时间来保证二次渗碳体的自发球化。保温后随炉冷却。 马氏体: 马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。
淬透性: 钢接受淬火时形成马氏体的能力叫做钢的淬透性。钢的淬透性可用末端淬火法测定。淬透性表示方法：???J?××-d?? 淬透性主要取决于合金元素的种类和合金元素质量分数。
淬硬性: 钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性。淬硬性主要决定于?M?的碳质量分数。
调质处理: 淬火加高温回火称为调质处理。
回火稳定性: 淬火钢对回火过程中发生的各种软化倾向（如马氏体的分解、碳化物的析出与长大和铁素体再结晶等）的抵抗能力。
二次硬化: 含有Mo、W、V等碳化物形成元素的合金钢，在回火过程中由于碳化物的弥散析出，其硬度不是随回火温度升高而单调降低，而是到某一温度(约400℃)后反而开始增大，并在另一更高温度(一般为550℃左右)达到峰值，这就是回火过程的二次硬化现象。二次硬化也可以由回火时冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火所引起。
回火脆性: 回火过程中出现的冲击韧性降低的现象称为回火脆性。在250～400℃回火时韧性下降，由此产生的脆性称为第一类回火脆性(又称低温回火脆性)；在450～600℃回火时韧性再次降低，由此产生的脆性称为第二类回火脆性(又称高温回火脆性).
CVD: 即化学气相沉积。利用气态化合物(或化合物的混合物)在基体受热表面发生化学反应，并在该基体表面生成固态沉积物的过程。例如，气相的TiCl?4与N?2和H?2在受热钢的表面形成TiN，在钢的表面得到耐磨抗蚀层。
激光相变硬化: 即激光淬火。高能密度的激光束照射工件，使其需要硬化的部位瞬时吸收光能并立即转化成热能，温度急剧上升，形成奥氏体，而工件基本仍处于冷态与加热区之间有极高的温度梯度。一旦停止激光照射，加热区因急冷而实现工件的自冷淬火。获得超细化的隐晶马氏体组织。 2. 填空题
(1) 结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，这两个过程是（生核）和 (长大) .
(2) 当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是（增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，使金属的晶粒细化) .
(3) 液态金属结晶时，结晶过程的推动力是（金属液态和固态之间存在的自由能差（Δ?F?) ) ，阻力是（建立液、固界面所需要的表面能?A??0) . (4) 过冷度是指（理论结晶温度?T??0与开始结晶温度?T?n?之差) ，其表示符号为（Δ?T?) . (5) 典型
铸锭结构的三个晶区分别为（细等轴晶区) 、 (柱状晶区）和（粗等轴晶区) .
(6) 固溶体的强度和硬度比溶剂的强度和硬度（高) .
(7) 固溶体出现枝晶偏析后，可用（扩散退火）加以消除。
(8) 一合金发生共晶反应，液相L生成共晶体(α+β)。共晶反应式为（L→(α+β)) ，共晶反应的特点是（恒温进行，三相共存，三相成分确定) . (9) 一块纯铁在912℃发生α-Fe→γ-Fe转变时，体积将(缩小).
(10) 珠光体的本质是(铁素体与渗碳体的共析混合物). (11) 在铁碳合金室温平衡组织中，含Fe?3C?II最多的合金成分点为(?E?点)，含Le′最多的合金成分点为(?C?点).
(12) 用显微镜观察某亚共析钢，若估算其中的珠光体体积分数为80%，则此钢的碳的质量分数为（0.62%) .
(13) 钢在常温下的变形加工称为（冷）加工，而铅在常温下的变形加工则称为（热）加工。
(14) 造成加工硬化的根本原因是（位错密度增加，位错间的交互作用增强，相互缠结，造成位错运动阻力的增大) .
(15) 滑移的本质是（晶体内部位错在切应力作用下发生滑移运动的结果) . (16) 变形金属的最低再结晶温度与熔点的关系是（?T??再=(0.35～0.4)?T??熔点) .
(17) 再结晶后晶粒度的大小主要取决于（加热温度）和（预先变形度) .
(18) 在过冷奥氏体等温转变产物中，珠光体与屈氏体的主要相同点是（都为铁素体和渗碳体的机械混合物，渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上) ，不同点是（珠光体转变温度较高，渗碳体层间距较大。屈氏体转变温度较低，渗碳体层间距较小) .
(19) 用光学显微镜观察，上贝氏体的组织特征呈（羽毛）状，而下贝氏体则呈（黑色针）状。
(20) 马氏体的显微组织形态主要有（板条马氏体) 、 (针状马氏体）两种，其中（板条马氏体）的韧性较好。 (21) 钢的淬透性越高，则其C曲线的位置越（靠右) ，说明临界冷却速度越（小) . (22) 马氏体是一种（铁）磁相，在磁场中呈现磁性；而奥氏体是一种（顺）磁相，在磁场中无磁性。
(23) 球化退火加热温度略高于?A??c1，以便保留较多的（未溶碳化物粒子）或较大的奥氏体中的（碳浓度分布的不均匀性) ，促进球状碳化物的形成。 (24) 球化退火的主要目的是（使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化，以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备) ，它主要适用于（共析钢和过共析）钢。
(25) 亚共析钢的正常淬火温度范围是（?A??c3以上30～50℃) ，过共析钢的正常淬火温度范围是（?A??c1以上30～50℃) .
(26) 淬火钢进行回火的目的是（为了消除内应力、尺寸稳定并
获得所要求的组织和性能) ，回火温度越高，钢的强度与硬度越（小) .
(27) 合金元素中，碳化物形成元素有（Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti) . (28) 促进晶粒长大的合金元素有（Mn、P、B) .
(29) 除（Co) 、 (Al）外，几乎所有的合金元素都使?M??s、?M??f点下降，因此淬火后相同碳质量分数的合金钢比碳钢相比，残余奥氏体（要多) ，使钢的硬度（下降) .
(30) 一些含有合金元素（Mn、Cr、Ni）的合金钢，容易产生第二类回火脆性，为了消除第二类回火脆性，可采用（回火后快冷）和（加入适当Mo或W) .