機械工程材料習(xí)題答案

1、第一章 材料的結(jié)構(gòu)和金屬的結(jié)晶根據(jù)材料屬性，工程材料可分為金屬材料、非金屬材料和復(fù)合材料。其中金屬材料又分為鋼鐵（黑色）材料和非鐵（有色）材料；非金屬材料又可分為無機非金屬材料和有機高分子材料。-Fe 的晶格類型是體心立方（bcc）； -Fe 的晶格類型是面心立方（fcc）；純Mg 的晶格類型是密排六方（hcp） 。典型鋼錠的顯微組織分區(qū)及各區(qū)的力學(xué)性能。第二章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶常溫下塑性變形的主要方式是滑移；滑移的微觀機制是位錯運動。所以提高材料抗塑性變形的能力（提高屈服強度）的本質(zhì)是提高位錯運動的阻力。第三章 材料的力學(xué)性能主要的硬度指標(biāo)HB、HR和HV各自的測量原理；HBW和HBS

2、，HRA、HRB和HRC在測量方法上的差別及對應(yīng)的適用范圍。磨損的微觀機制（4大類）。蠕變是在一定外力作用下，隨著時間的延長，材料緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。由蠕變變形而最終導(dǎo)致的斷裂稱為蠕變斷裂。只要應(yīng)力的作用時間相當(dāng)長，蠕變在應(yīng)力小于彈性極限時也能出現(xiàn)。金屬材料高溫力學(xué)性能指標(biāo)有蠕變極限（金屬在高溫長期載荷作用下的塑性變形抗力）和持久強度極限（金屬在高溫長期載荷作用下的斷裂強度），分別對應(yīng)著常溫下的屈服和抗拉強度。材料的失效及對應(yīng)性能表征第四章 合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1、指出下列名詞的主要區(qū)別：、指出下列名詞的主要區(qū)別：（1）相組成物與組織組成物）相組成物與組織組成物（2）共晶反應(yīng)與共析反應(yīng)）共

3、晶反應(yīng)與共析反應(yīng)答：（1）組織組成物是指在結(jié)晶過程中形成的，有清洗輪廓能夠在顯微鏡下清除區(qū)別的組成部分；相組成物是指顯微組織中的基本相，它有確定的成分和結(jié)構(gòu)，但沒有形態(tài)的概念。（2）兩者的反應(yīng)物狀態(tài)不一樣，共晶反應(yīng)的反應(yīng)物是液相L；共析反應(yīng)的反應(yīng)物是固相S。2、試述固溶強化、加工硬化和彌散強化的強化原理，并說明三者的區(qū)別。、試述固溶強化、加工硬化和彌散強化的強化原理，并說明三者的區(qū)別。答：固溶強化：溶質(zhì)原子溶入后，要引起溶劑金屬的晶格產(chǎn)生畸變，進而位錯運動時受到阻力增大。 彌散強化：金屬化合物本身有很高的硬度，因此合金中以固溶體為基體再有適量的金屬間化合物均勻細小彌散分布時，會提高合金的強度、

4、硬度及耐磨性。這種用金屬間化合物來強化合金的方式為彌散強化。 加工強化：通過產(chǎn)生塑性變形來增大位錯密度，從而增大位錯運動阻力，引起塑性變形抗力的增加，提高合金的強度和硬度。 區(qū)別：固溶強化和彌散強化都是利用合金的組成相來強化合金，固溶強化是通過產(chǎn)生晶格畸變，使位錯運動阻力增大來強化合金；彌散強化是利用金屬化合物本身的高強度和硬度來強化合金；而加工強化是通過力的作用產(chǎn)生塑性變形，增大位錯密度以增大位錯運動阻力來強化合金；三者相比，通過固溶強化得到的強度、硬度最低，但塑性、韌性最好，加工強化得到的強度、硬度最高，但塑韌性最差，彌散強化介于兩者之間。 3、有尺寸和形狀完全相同的兩個、有尺寸和形狀完全

5、相同的兩個Ni-Cu合金鑄件，一個含合金鑄件，一個含wNi10%，另一個，另一個含含wNi50%，鑄后緩冷，問固態(tài)鑄件中哪個偏析嚴(yán)重，為什么？怎樣消除偏，鑄后緩冷，問固態(tài)鑄件中哪個偏析嚴(yán)重，為什么？怎樣消除偏析？析？答：含 50% Ni的Cu-Ni 合金鑄件偏析較嚴(yán)重。在實際冷卻過程中，由于冷速較快，使得先結(jié)晶部分含高熔點組元多，后結(jié)晶部分含低熔點組元多，因為含 50% Ni的Cu-Ni 合金鑄件固相線與液相線范圍比含 90% Ni鑄件寬，因此它所造成的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象要比含 90% Ni的Cu-Ni 合金鑄件嚴(yán)重。4、共晶點與共晶線有何關(guān)系？共晶組織一般是什么形態(tài)、如何形成？（略）、共晶點

6、與共晶線有何關(guān)系？共晶組織一般是什么形態(tài)、如何形成？（略）5、為什么鑄造合金常選用具有共晶成分或接近共晶成分的合金？、為什么鑄造合金常選用具有共晶成分或接近共晶成分的合金？（略）（略）用用于壓力加工的合金選用何種成分的合金為好？于壓力加工的合金選用何種成分的合金為好？答：壓力加工的合金需要塑性好，單相固溶體成分的合金正好能滿足這一要求。6、在、在Pb-Sn相圖中，指出合金組織中相圖中，指出合金組織中:含含II最多和最少的成分；最多和最少的成分；(2) 共晶體最多和最少的成分；共晶體最多和最少的成分；(3) 最容易和最不容易偏析的成分。最容易和最不容易偏析的成分。答：（1） 相是Sn組元端的端際

7、固溶體，即Sn 晶體中溶入了少量的Pb。II是指第二次凝固析出的相，根據(jù)Pb-Sn相圖， 相在降溫過程中相二次凝固析出， II存在于 相基體中。因此，在Pb-Sn二元系中含II最多的成分在wSn19%處 ；最少的成分在相圖左端大約wSn1%。答：（2） 共晶反應(yīng)點對應(yīng)的合金最終能夠獲得100%共晶組織，即共晶含量最多處wSn61.9% 。共晶成分最少的合金可能出現(xiàn)在wSn19%和wSn97.7%之中。通過計算：wSn19%wSn97.7%W共晶%=（97.7-61.9）/（97.7-19）=35.8/78.7=45.5%W共晶%=（61.9-19）/（97.7-19）=42.9/78.7=54

8、.5%因此，共晶成分最少的合金為wSn19%。答：（3）固液相之間溫差值越大，產(chǎn)生的枝晶偏析就越嚴(yán)重。因此，在Pb-Sn二元系中，最容易產(chǎn)生偏析的成分就在兩個端際固溶體最大溶解度處，即wSn19%和wSn97.7%處；最不容易產(chǎn)生偏析的成分在共晶點處，即wSn61.9%處。7、利用Pb-Sn相圖，分析含wSn30%的合金在下列各溫度時組織中有哪些相合組織組成物，并求出相和組織組成物的相對含量。(1)高于300 ；(2)剛冷到183 ，共晶轉(zhuǎn)變尚未開始；(3)在183 ，共晶轉(zhuǎn)變完畢；(4)冷至室溫。Pb-Sn二元合金, 成分: Wsn30%（1）T300 （2）T183 , T 183（3）T

9、300 在液相線之上，全部為液相（2）T183 , T 183T183但未發(fā)生共晶反應(yīng)，但未發(fā)生共晶反應(yīng)，L+，此時的此時的相相稱為稱為初生相初生相WL=61.9-1930-19=25.64%W=61.9-1961.9-30=74.36%183 時發(fā)生時發(fā)生共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)，剩余，剩余的的L相瞬時析出相瞬時析出+（3）T183 , T 183A 直接運用杠桿定律：W=97.5-1997.5-30=86%W=97.5-1930-19=14%（3）T183 , T 183B 將（ + ）II 視為一種組織構(gòu)成項視為一種組織構(gòu)成項：183 時發(fā)生時發(fā)生共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)，初，初生生相不變，而剩余的相不

10、變，而剩余的L相相瞬時析出（瞬時析出（+）。）。（ + ）是同時析出的，可是同時析出的，可以看成是一種新的組織（類以看成是一種新的組織（類似珠光體似珠光體P），則共晶反應(yīng)），則共晶反應(yīng)之后，組織組成為之后，組織組成為I+ （ + ）IIWI=61.9-1961.9-30=74.36%W（+）II=61.9-1930-19=25.64%（ + ）IIWI=61.9-1961.9-30=74.36%W（+）II=61.9-1930-19=25.64%則在則在（ + ）II中含有多少中含有多少和多少和多少相？相？ WII=97.5-1997.5-61.9=45.35%WII=97.5-1961.9-

11、19=54.65%WI+II=74.36%+ 45.35%25.64%=86%WII=54.65%25.64%=14%所以，最終所以，最終的組成為：的組成為：8、已知A組元的熔點為1000 ，B組元的熔點為700 ，wB=25%的合金在500 結(jié)晶完畢，并由73.33的先共晶相相與26.67的(+)共晶體組成；wB=50%的合金也在500 結(jié)晶完畢，但它是由40%的先共晶相相與60%的(+)共晶體組成，而此時合金中的相總量為50%。試根據(jù)上述條件作出A-B合金概略的二元共晶相圖。A組元的熔點為組元的熔點為1000，B組元的熔點為組元的熔點為700 AB1000700 wB=25%的合金的合金在

12、在500 結(jié)晶完畢，結(jié)晶完畢，wB=50%的合金的合金也在也在500 結(jié)晶完畢，結(jié)晶完畢，AB1000700 共晶反應(yīng)線共晶反應(yīng)線500wB=25%的合金在的合金在500 結(jié)晶完結(jié)晶完畢，并由畢，并由73.33%的先共晶相的先共晶相相與相與26.67%的（的（+）共晶體）共晶體組成組成AB1000700 共晶反應(yīng)線共晶反應(yīng)線500共晶點共晶點EMNwB=25% 假設(shè)共晶點位置為E，A組元在固溶體中的最大溶解度位置為M；相應(yīng)B 為NWI=E-ME-25=73.33%W（+）II=E-M25-M=26.67%wB=50%的合金也在的合金也在500 結(jié)晶結(jié)晶完畢，但它是由完畢，但它是由40%的先共晶

13、的先共晶相相相與相與60%的共晶體（的共晶體（ + ）組成組成AB1000700 共晶反應(yīng)線共晶反應(yīng)線500共晶點共晶點EMNwB=50%WI=E-ME-50=40%W（+）II=E-M50-M=60%也在共晶點的左端（在也在共晶點的左端（在A組元端）組元端）WI=E-ME-25=73.33%W（+）II=E-M25-M=26.67%WI=E-ME-50=40%W（+）II=E-M50-M=60%得：得： M=4.5 E=80.4AB1000700 共晶反應(yīng)線共晶反應(yīng)線500共晶點共晶點EMN4.580.4wB=50%的合金，此時合金中的合金，此時合金中相的總含量為相的總含量為50%WI=E-

14、ME-50=40%W（+）II=E-M50-M=60%（+）II中：中：WII=N-MN-E得得N=95.58W= WI+ WII =40%+N-MN-E 60%=50%AB1000700 5004.580.495.58第五章 鐵碳合金3、分析碳含量為wC0.20%、wC0.77%和wC1.20%的碳鋼的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織，并根據(jù)組織分析它們Rm、HBW和A 的高低。答：wC0.20%，屬于亞共析鋼，平衡凝固過程中，A在900727之間開始析出F；在727發(fā)生共析反應(yīng)，剩余A反應(yīng)生成P。室溫平衡組織為F+P；wC0.77%，屬于共析鋼，平衡凝固過程中，A在727發(fā)生共析反應(yīng)生產(chǎn)P。室溫

15、平衡組織為P；wC1.20%，屬于過共析鋼，平衡凝固過程中，A在900727之間開始析出Fe3C；在727發(fā)生共析反應(yīng)，剩余A反應(yīng)生成P。室溫平衡組織為Fe3C+P；由于Fe3C含量隨C含量增加而增加，而Fe3C含量增加，材料硬度增加、塑性下降，強度在 wC0.90%時最高，之后下降。因此，Rm（ b）： wC0.20% wC1.20% wC0.77%HBW： wC0.20% wC0.77% wC1.20%A： wC1.20% wC0.77%2.5%)以外的所有合金元素，都增大過冷奧氏體穩(wěn)定性，使C曲線右移，則Vk減小。 (2)一定尺寸的工件在某介質(zhì)中淬火，其淬透層的深度與工件截面各點的冷卻速

16、度有關(guān)。如果工件截面中心的冷速高于Vk，工件就會淬透。然而工件淬火時表面冷速最大，心部冷速最小，由表面至心部冷速逐漸降低。只有冷速大于Vk的工件外層部分才能得到馬氏體。因此，Vk越小，鋼的淬透層越深，淬透性越好。 5、vk值大小受哪些因素影響？它與鋼的淬透性有何關(guān)系？6、將5mm的共析碳鋼加熱至760，保溫足夠時間，問采用什么熱處理工藝可得到如下組織：P、S、T+M、B下、M+A，在C曲線上畫出各熱處理工藝的冷卻曲線。答：珠光體珠光體P：退火工藝。退火工藝。索氏體索氏體S：正火工藝。正火工藝。下貝氏體下貝氏體B下下：冷卻至350Ms溫度范圍內(nèi)等溫停留一段時間，再冷卻下來得到下貝氏體組織。等溫淬

17、火工藝。等溫淬火工藝。屈氏體屈氏體+馬氏體馬氏體T+M：以大于獲得馬氏體組織的最小冷卻速度并小于獲得珠光體組織的最大冷卻速度連續(xù)冷卻，獲得屈氏體+馬氏體。油淬工藝。油淬工藝。馬氏體馬氏體+少量殘余奧氏體少量殘余奧氏體M+A：以大于獲得馬氏體組織的最小冷卻速度冷卻獲得馬氏體+少量殘余奧氏體。水淬工藝。水淬工藝。7、確定下列鋼件的退火方法，并指出退火的目的及退火后的組織：（1）經(jīng)冷軋后的15鋼鋼板，要求低硬度；（2）ZG270-500（ZG35）的鑄造齒輪；（3）鍛造過熱的60鋼鍛坯；（4）具有片狀滲碳體的T12鋼坯。答：（1）再結(jié)晶退火。目的：使變形晶粒重新轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒，以消除加工硬化現(xiàn)象，降

18、低了硬度，消除內(nèi)應(yīng)力。細化晶粒，均勻組織，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度以消除加工硬化現(xiàn)象。組織：等軸晶的大量鐵素體和少量珠光體。（2）完全退火。經(jīng)鑄造后的齒輪存在晶粒粗大并不均勻現(xiàn)象，且存在殘余內(nèi)應(yīng)力。因此退火目的：細化晶粒，均勻組織，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，改善切削加工性。組織：晶粒均勻細小的鐵素體和珠光體。（3）完全退火。由于鍛造過熱后組織晶粒劇烈粗化并分布不均勻，且存在殘余內(nèi)應(yīng)力。因此退火目的：細化晶粒，均勻組織，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，改善切削加工性。組織：晶粒均勻細小的少量鐵素體和大量珠光體。（4）球化退火。由于T12鋼坯里的滲碳體呈片狀，因此不僅硬度高，難以切削加工，而且增大鋼的脆性，容易產(chǎn)生

19、淬火變形及開裂。通過球化退火，使層狀滲碳體和網(wǎng)狀滲碳體變?yōu)榍驙顫B碳體，以降低硬度，均勻組織、改善切削加工性。組織：粒狀珠光體和球狀滲碳體。8、某鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線如圖所示。試說明該鋼在300，經(jīng)不同時間等溫后按（a）、（b）和（c）線冷卻后得到的組織。答：（a）冷卻后得M+A；（b）冷卻后得M+T；（c）冷卻后得B下。9、說明45鋼試樣（1 0mm）經(jīng)下列溫度加熱、保溫并在水中冷卻得到的室溫組織：700 、760 、840 、1100 。答：700：因為它沒有達到相變溫度，因此沒有發(fā)生相變，組織為鐵素體和珠光體。760：它的加熱溫度在Ac1Ac3之間，因此組織為鐵素體、馬氏體和少量殘余奧氏體。8

20、40：它的加熱溫度在Ac3以上，加熱時全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，冷卻后的組織為馬氏體和少量殘余奧氏體。1100：因它的加熱溫度過高，加熱時奧氏體晶粒粗化，淬火后得到粗片狀馬氏體和少量殘余奧氏體。10、有兩個碳含量為wC1.2%的碳鋼試樣，分別加熱到780和860，并保溫相同時間，使之達到平衡狀態(tài)（其平衡組織分別是A+Fe3C和A），然后以大于vk的冷卻速度冷至室溫。試問：（1）哪個溫度加熱淬火后馬氏體晶粒粗大？（2）哪個溫度加熱淬火后馬氏體碳含量較多？（3）哪個溫度加熱淬火后殘留奧氏體較多？（4）哪個溫度加熱淬火后未溶碳化物較少？（5）你認(rèn)為哪個溫度加熱淬火合適？為什么？答：（1）860加熱溫度高，加

21、熱時形成的奧氏體晶粒粗大，冷卻后得到的馬氏體晶粒較粗大。（2）因為加熱溫度860已經(jīng)超過了Accm，此時碳化物全部溶于奧氏體中，奧氏體中含碳量增加，而奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變是非擴散型轉(zhuǎn)變，所以冷卻后馬氏體含碳量較多。（3）因為加熱溫度860已經(jīng)超過了Accm，此時碳化物全部溶于奧氏體中，使奧氏體中含碳量增加，降低鋼的Ms和Mf點，淬火后殘余奧氏體增多。（4）因為加熱溫度860已經(jīng)超過了Accm，此時碳化物全部溶于奧氏體中，因此加熱淬火后未溶碳化物較少。（5）780加熱淬火后合適。因為含碳量為1.2%的碳鋼屬于過共析鋼，過共析碳鋼淬火加熱溫度Ac1+（3050），而780在這個溫度范圍內(nèi)，這時淬火后

22、的組織為均勻而細小的馬氏體和顆粒狀滲碳體及殘余奧氏體的混合組織，使鋼具有高的強度、硬度和耐磨性，而且也具有較好的韌性。11、淬透性與淬硬層深度兩者有何聯(lián)系和區(qū)別？影響鋼淬透性的因素有哪些？影響鋼淬硬層深度的因素有哪些？（略）13、選擇下列零件的熱處理方法，并編寫簡明的工藝路線（各零件均選用鍛造毛坯，且鋼材具有足夠的淬透性）（1）某機床變速箱齒輪（模數(shù)m=4），要求齒面耐磨，心部強度和韌性要求不高，材料選用45鋼。（2）某機床主軸，要求有良好的綜合力學(xué)性能，軸頸部分要求耐磨（5055HRC），材料選用45鋼。（3）鏜床鏜桿，在重載荷下工作，精度要求極高，并在滑動軸承中運轉(zhuǎn)，要求鏜桿表面有極高的硬

23、度，心部有較高的綜合力學(xué)性能，材料選用38CrMoAlA。答：（1）下料鍛造正火粗加工精加工局部表面淬火+低溫回火精磨成品；（2）下料鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工局部表面淬火+低溫回火精磨成品；（3）下料鍛造退火粗加工調(diào)質(zhì)精加工氮化研磨成品第七章 合金鋼2、試分析說明鐵素體鋼、奧氏體鋼、萊氏體鋼的形成原因。答：1、某些合金元素的加入會使奧氏體相區(qū)縮小，特別是Cr、 Si含量高時將限制A體區(qū)，甚至完全消失，使得室溫下只有單相鐵素體組織存在。如高Cr 含量的鉻不銹鋼均屬鐵素體鋼。2、某些合金元素的加入會使奧氏體相區(qū)擴大，特別是Ni、Mn。當(dāng)鋼中加入大量這類元素時，甚至可使A1、A3、和Acm線降至室溫

24、以下，從而獲得在室溫下只有單相奧氏體存在的所謂奧氏體鋼。如高Mn含量的耐磨鋼，高Ni 含量的不銹鋼均屬奧氏體鋼。3、大部分合金元素可使Fe-Fe3C相圖中E點（wC2.11%）左移，因此，含碳量相同的碳鋼和合金鋼具有不同的顯微組織。某些高碳合金鋼中就會出現(xiàn)萊氏體組織，稱為萊氏體鋼，如高速鋼。6、指出下列合金鋼的類別、用途及熱處理特點：40Cr、60Si2Mn、GCr15、9SiCr、40CrNiMo、Cr12MoV、5CrMnMo、1Cr18Ni9Ti4、什么叫第一類、第二類回火脆性？其產(chǎn)生原因及防治方法如何？（略）答：40Cr：調(diào)質(zhì)鋼；多做重要零件，如連桿螺栓、底盤上的半軸及機床主軸等；熱處

25、理工藝為：退火+850油淬+500回火水冷。60Si2Mn：彈簧鋼；用作彈簧或類似零件材料；熱處理工藝：淬火+中溫回火。GCr15：滾動軸承鋼；用作滾動軸承材料；熱處理工藝：球化退火+淬火+冷處理+回火+時效。9SiCr：低合金刃具鋼；用作板牙、絲錐、絞刀、搓絲板、冷沖模等材料；熱處理工藝：球化退火+淬火+低溫回火。40CrNiMo：調(diào)質(zhì)鋼；用作航空發(fā)動機軸、軸類、齒輪、緊固件等材料；熱處理工藝：退火+850油淬+620回火水冷。Cr12MoV：冷作模具鋼；用作制造截面較大、形狀復(fù)雜、工作負荷較重的冷作模具及工具等材料；熱處理工藝：球化退火+9501000淬火+低溫回火。5CrMnMo：熱作模

26、具鋼；具有較高強度和高耐磨性的各種類型鍛模；熱處理工藝：退火+820850油淬+中溫回火。1Cr18Ni9Ti：奧氏體型不銹鋼和耐熱鋼；用作610以下長期工作的過熱管道及結(jié)構(gòu)件材料，或經(jīng)冷加工后高強度建筑用材；熱處理工藝：11001150水淬10、汽車變速齒輪是在承受較強烈的沖擊作用和受磨損的條件下進行工作的，對于這類構(gòu)件，應(yīng)如何選材和制定熱處理工藝？試舉例說明。答：由于該部件工作時負荷較重，每個齒受交變彎矩的作用，因此要有高的強度和高的疲勞強度。齒輪還受到較大的沖擊，故要求有高的沖擊韌度。齒表面為防止磨損，要求具有高硬度和高耐磨性。每個齒除受較大的彎矩外，齒表面還承受較大的壓力。因此不僅要求齒表面硬度高，耐磨，還要求齒的心部具有一定的強度和硬度。滲碳鋼20CrMnTi經(jīng)滲碳熱處理后，齒表面可獲得高硬度（5863HRC）、高耐磨性。由于該鋼淬透性好，齒心部可獲得強韌結(jié)合的組織，具有較高的沖擊韌度，故可滿足使用要求。其加工工藝路線為：下料鍛造正火（950970空冷