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第一章力学性能及工艺性能习题答案1．何谓金属的力学性能？金属的力学性能包括那些？答：力学性能又称机械性能，是指金属材料在外力（载荷）作用下所表现出的抵抗变形和破坏的能力。常用的力学性能有强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。2．何谓强度？衡量强度的常用指标有那些？各用什么符号表示？答：金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力，称为强度。工程上常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度σs和抗拉强度σb3．何谓塑性？衡量塑性的指标有哪些？各用什么符号表示？答：塑性是指断裂前材料产生永久变形的能力。常用的塑性指标是断后伸长率δ和断面收缩率Ψ。4．某厂购进出一批40钢材，按国家标准规定，其力学性能指标应不低于下列数值：σS=340MPa,σb=540MPa，δ=19%，ψ=45%。验收时，用该材料制成d0=1×10－2m的短试样（原始标距为5×10－2m）作拉伸试验：当载荷达到28260N时，试样产生屈服现象；载荷加至45530N时，试样发生缩颈现象，然后被拉断。拉断后标距长为6.05×10－2m，断裂处直径为7.3×10－3m。试计算这批钢材是否合格。答;实际σs=360MPa国家标准规定σS=340MPa实际σb=580MPa国家标准规定σb=540MPa实际δ＝21％国家标准规定δ=19%实际ψ=46.8％国家标准规定ψ=45%因此，这批40钢材合格5．何谓硬度？常用的硬度指标有哪三种？各用什么符号表示？HB与HRB有什么区别？答：硬度是指材料表面上抵抗局部变形或破坏的能力。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。布氏硬度HB，洛氏硬度HR，维氏硬度HV。HB是布氏硬度指标HRB洛氏硬度。6．何谓疲劳破坏？其产生的原因是什么？答：材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为疲劳破坏。一般认为是：由于材料内部有气孔、疏松、夹杂等组织缺陷，表面有划痕、缺口等引起应力集中的缺陷，导致产生微裂纹，随着循环次数的增加微裂纹逐渐扩展，最后造成工件突然断裂破坏7．何谓金属的工艺性能？主要包括哪些内容？答：工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。8.常用的金属晶格类型有哪几种？其晶胞特征怎样？。答：常见的晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种。体心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体8个顶角和立方体中心各有1个原子，如图1.6所示。面心立方晶格的晶胞也是立方体，8个顶角和6个面的中心都各有1个原子，如图1.7所示。密排六方晶格的晶胞是一个正六方柱体，12个顶角和上、下面中心各有1个原子，晶胞内部还有3个原子，如图1.8所示。9.金属的实际晶体结构有何特点？答：1）金属的实际晶体结构多晶体结构。实际使用的金属材料，绝大部分并非理想的单晶体，而是由许多小晶体（晶粒）组成的多晶体。2）金属的实际晶体结构存在晶体缺陷。存在点缺陷、线缺陷与面缺陷。10．何谓结晶？结晶过程的基本规律是什么？答：金属的结晶是金属原子的聚集状态由无规则的液态，转变为规则排列的固态晶体的过程。液态金属的结晶过程由晶核的形成和晶核长大两个环节组成。液态金属冷却到一定温度时，液体中有部分原子开始按一定规则排列，形成细小的晶胚，部分尺寸较大的晶胚形成继续结晶的核心，称之为晶核。晶核在冷却过程中不断集结液体中的原子而逐渐长大，同时新的晶核也不断形成和长大，直至由晶核长大形成的晶粒彼此接近，液态金属逐渐消失而完成结晶。11.结晶过程中如何控制晶粒大小？它有何作用？答：金属晶粒的大小产要取决于结晶过程中的形核率N（单位体积中单位时间形成的晶核数）和晶核长大速率G（单位时间内晶核长大的线速度）。形核率N大，则结晶后晶粒多、细；而长大速率G大，则晶核长大快，晶粒就粗大。在一般冷却条件下，冷却速度提高，则过冷度大，而形核率和长大率均随过冷度增大而增大。由于随过冷度增大形核率比长大率增加得快，因此最后结果是晶粒细化。除了控制过冷度可以控制晶粒大小外，在结晶过程中进行变质处理，也是常用的控制手段。变质处理是在液态金属浇注前专门加入可成为非自发晶核的固态变质剂，增加晶核数，提高形核率，达到细化晶粒的目的。此外，还有采用机械振动、超声振动和电磁振动等方法，使结晶过程中形成的枝晶折裂碎断，增加晶核数，达到细化晶粒的目的。实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。一般情况下，晶粒细小则金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。12.金属铸锭组织有哪几个晶粒区？说明它们的形成过程？答：（1）表层细晶区液态金属注入低温铸锭模时，接触金属模壁的液态金属层被激冷，很大的过冷度使形核率很大，同时金属模壁还能促进非自发晶核的产生，因此在铸锭表层形成等轴细晶粒区。（2）柱状晶粒区在表层细晶粒区形成的同时，模壁温度逐渐升高，使金属液的冷却速度逐渐降低，过冷度减小，形核率降低而长大率变化不大。由于垂直模壁方向散热较快，有利于散热反向的结晶，晶粒没此方向长大较快，因此形成垂直于模壁向内部金属液生长的柱状晶粒区。（3）中心等轴晶粒区随着柱状晶粒的形成，铸锭模内心部剩余金属液的散热冷却已无明显的方向性，趋于均匀冷却并处于相近的过冷状态，同进液态金属中的杂质和枝晶碎片也集聚到为这最后结晶的中心部分，在不大的过冷度下最后形成晶粒较为粗大的等轴晶粒区。13.什么叫同素异晶转变？试用纯铁为例作说明。答：金属这种在固态时随温度变化而晶格类型发生变化的现象，称为同素异晶转变，也称同素异构转变。液态铁FeδC01538-FeC01394γ-FeC0912α-Fe。14.什么叫合金相图？有什么应用意义？答：合金相图又称合金状态或合金平衡图，是表示平衡条件下合金成分、温度和组织状态之间关系的图形。根据相图可以知道不同成分的合金，在不同温度下的相组织状态，温度变化时可能发生的转变，还可根据组织状态估测合金的性能，作为制订铸造、锻压、焊接和热处理等热加工工艺的主要依据。15.什么叫固溶强化？答：通过溶入溶质原子形成固溶体使晶格畸变，从而使固溶体的强度、硬度比溶剂要高的强化手段称固溶强化。16.铁碳合金中有哪些基本组织？其有何性能特点？分析含碳量为0.45%及1.2%的碳钢由液态缓冷至室温时的组织转变。答：铁和碳相互作用而形成的基本组织有：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。17.默画Fe-Fe3C相图（简化），说明图中特性点、线的意义，产并填写各区域组织组成物。答：见图1.1418.铁碳合金根据碳含量和室温组织不同，分为哪三种，其碳含量和组织有何不同？答：（1）工业纯铁。碳含量ωc≤0.218%的铁碳合金，室温组织为F（含很少的Fe3CⅢ）。（2）碳钢碳含量0.0218＜ωc≤2.11%的铁碳合金，根据不同的室温组织又分为三种：1）共析钢，ωc=0.77%，室温组织为P；2）亚共析钢，0.0218＜ωc＜0.77%，室温组织为P+F；3）过共析钢，0.77＜ωc≤2.11%，室温组织为P+Fe3CⅡ。（3）白口铁碳含量2.11＜ωc≤6.69%的铁碳合金，根据不同的室温组织也可分为三种：1）共晶白口铁，ωc=4.3%，室温组织为Ld‘；2）亚共晶白口铁，2.11＜ωc≤4.3%，室温组织为P+Ld‘+Fe3CⅡ；3）过共晶白口铁，4.3＜ωc≤6.69%，室温组织为Ld‘+Fe3CⅡ。19.为什么锻造和热轧时，一般钢材均加热到10000C—12500C范围？答：因为锻造和热轧时，需要材料具有良好的塑性。钢材加热到10000C—12500C范围，其组织主要为具有良好塑性的奥氏体组织。20.为什么形状复杂的冲压和铆钉等冷塑性变形加工的工件多低碳钢，而工、模具用高碳钢？答：低碳钢在常温含有大量的具有较好塑性的铁素体，适合形状复杂的冲压和铆钉等冷塑性变形加工。高碳钢在常温下含有大量的具有较高硬度的渗碳体，从而满足了工、模具的使用要求。第二章热处理基础习题答案1、何谓钢的热处理？热处理的分类？钢的热处理有何作用？答：钢的热处理，是将钢在固态下进行加热、保温和冷却，改变其内部组织，从而获得所需要结构与性能的一种工艺。根据加热和冷却方式的不同，热处理主要分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。通过热处理，能有效地改善钢的组织和力学性能，充分发挥钢材的潜力，改善工件的工艺性能、提高加工效率和加工质量，延长零件使用寿命。热处理在机械制造中有着重要作用。2、共析钢在加热时组织转变的几个阶段？其影响因素？答：钢从室温缓慢加热，最后转变为奥氏体的过程，称为钢的奥氏体化。共析钢加热前原始组织为珠光体，加热到Ac1以上温度时，珠光体转变为奥氏体。奥氏体化过程包括奥氏体的形核、长大、残余渗碳体的溶解和奥氏体均匀化四个阶段。奥氏体化的速度，取决于奥氏体的形核率和长大率，主要的影响因素是加热温度、加热速度、化学成分和原始组织状态。3、什么叫过冷奥氏体？共析钢过冷奥氏体等温转变的产物？答：奥氏体在A1线以上温度为稳定组织，而冷却至A1以下而尚不及转变的奥氏体，处于不稳定的过冷状态，通常称这种不稳定的过冷状态奥氏体为“过冷奥氏体”。共析钢过冷奥氏体等温转变的产物可分为三个转变区。（1）高温转变区（珠光体型转变区）：过冷奥氏体在A1线至5500C温度范围的转变产物为铁素体和渗碳体片层相间的珠光体型组织。其中：A1~6500C范围为粗片珠光体组织（P）；6500C~6000C范围为细珠光体组织，称索氏体（S）；6000C~5500C范围为极细珠光体组织，称托氏体（T）。（2）中温转变区（贝氏体型转变区）：过冷奥氏体在5500C至Ms线温度范围的产物为贝氏体型组织，是过饱和铁素体和渗碳体组成的多相复合组织。当转变温度为5500C~3500C时，为板条状过饱和铁素体之间分布着细小片状渗碳体的羽毛状组织，称为上贝氏体（B上），而在3500C~Ms线范围内，转变产物为针片状的下贝氏体（B下）。（3）低温转变区（马氏体型转变区）：当奥氏体被连续急冷Ms线以下温度时，由于过冷度很大，原子扩散困难，过冷奥氏体发生特殊的马氏体转变，转变产物为马氏体。4、何谓退火？退火的目的？常用的退火方法的哪些？答：退火是将钢加热到适当温度，保温后缓冷，以获得接近于平衡组织的热处理工艺。退火的具体目的，主要是：降低硬度，提高材料的塑性，匀化钢材的组织，以利切削加工；消除残余应力，以防变形、开裂；细化晶粒、改善组织，以提高力学性能，并为最后热处理作好组织准备。钢的退火方法很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火和去应力退火等。5、何谓正火？正火的目的？正火和退火有何异同？正火是将钢加热到Ac3或Acm以上300C~500C，保温后在空气中冷却的热处理工艺。加热到Ac3以上1000C~1500C，保温后空冷的正火，称高正火。正火的目的（1）改善切削加工性，主要是针对低碳钢和低合金钢退火后硬度偏低，切削加工时易“粘刀”，通过正火可使硬度适当提高，改善其切削加工性能。（2）预备热处理，由于正火冷却速度较大，渗碳体从奥氏体晶界析出时来不及形成网状渗碳体，同时还有利于片状珠光体细化，因此常用作中碳钢和合结构钢重要零件的球化热处理等之前的预备热处理，保证良好的组织和性能。（3）最终热处理，对于性能要求不很高的普通结构钢工件和形状复杂、大型工件的淬火易变形开裂，可用正火作为最终热处理，以获得晶粒较细、力学性能较高的组织。正火与退火相比，因其冷速较快，所以组织较细密，强度和硬度比较高，而且操作简便、生产者生产周期短，生产效率高，生产成本较低，故应用广泛。正火的目的是匀化晶粒、调整硬度、消除网状渗碳体，并为后续加工和球化退火、淬火等热处理作好组织准备。6、何谓淬火？常用的淬火方法的哪些：何谓淬透性？何谓淬硬性？答：淬火是将钢加热到Ac1（亚共析钢和过共析钢）以上温度保温后快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。常用的淬火方法有：（1）单液淬火，（2）双液淬火，（3）分级淬火，（4）等温淬火。淬透性