工程材料与成型工艺基础习题答案

1.工程材料的主要性能分为（1）使用性能和（2）工艺性能。（1）又包括力学性能、物理性能和化学性能等。作业1工程材料2.金属的变形包括弹性变形和塑性变形。一、填空题3.通过拉伸试验可测得的强度指标主要有屈服强度和抗拉强度；可测得的塑性指标有延伸率和断面收缩率。5.实际金属的晶体缺陷有点缺陷（空位或间隙原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界）。4.常见的金属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类型。α–Fe属于体心立方晶格，γ–Fe属于面心立方晶格，δ–Fe属于体心立方晶格。6.金属的理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。金属的冷却速度越快，过冷度越大，获得的晶粒越细。7.细化金属材料的晶粒，可使金属的强度、硬度提高，塑性、韧性提高；在生产中常用的细化晶粒的方法有增大过冷度、变质处理、机械搅拌和振动；压力加工再结晶；热处理。8.合金的晶体结构有固溶体和金属化合物，其中固溶体具有良好的塑性，金属化合物具有高的硬度和脆性。10.铁碳合金相结构中，属于固溶体的有铁素体和奥氏体；其中铁素体是碳在α–Fe中形成的固溶体。11.铁碳合金的力学性能随含碳量的增加，其强度和硬度增高，而塑性和韧性降低。但当wC1.0%时，强度随其含碳量的增加而降低。9.在铁碳合金的基本组织中，珠光体属于复相结构，它由铁素体和渗碳体按一定比例组成，珠光体用符号P表示。12.铁碳合金中，共析钢wC为0.77%，室温平衡组织为P；亚共析钢wC为0.77%，室温平衡组织为P+F；过共析钢wC为0.77%，室温平衡组织为P+Fe3C；共晶白口生铁wC为4.3%，室温平衡组织为Ld'；亚共晶白口生铁wC为4.3%，室温平衡组织为P+Fe3CII+Ld'；过共晶白口生铁wC为4.3%，室温平衡组织为Fe3CI+Ld'。13.钢是以Fe为主要元素，含碳量一般在2.11%以下，并含有其他元素的材料。钢按化学成分可分为碳素钢、合金钢和特殊性能钢三类；钢按主要质量等级分类，可分为普通钢、优质钢和高级优质钢三类。合金钢均属于优质钢和高级优质钢质量等级钢。14.20CrMnTi钢按化学成分分类，它属于结构钢中的合金钢，适宜制造齿轮等较重要的零件。16.GCr9、GCr15钢按化学成分分类，它们属于结构钢中的合金钢，主要用来制造轴承套圈、滚珠、滚柱。15.40Cr、40CrMo钢按化学成分分类，它们属于结构钢中的合金钢，适宜制造主轴、连杆等零件。二、简答题与应用题1.材料的常用力学性能指标有那些？若某种材料的零件在使用过程中突然发生断裂，是由于那些力学性能指标不足所造成的？(1)常用力学性能指标有:强度、塑性、刚度、硬度、冲击韧性、疲劳强度。(2)零件在使用过程中突然发生断裂，是由于强度、塑性、冲击韧性、疲劳强度等力学性能指标不足所造成的。2．画出低碳钢的应力-应变曲线，并简述拉伸变形的几个阶段。bkesooe段：弹性变形esbk段：塑性变形s点:屈服点b点：最大应力点k点：断裂点3．图1-1所示为三种不同材料的拉伸载荷（拉力）-变形量（伸长量）曲线（试样尺寸相同），试比较这三种材料的抗拉强度、屈服强度和塑性的大小。抗拉强度：213屈服强度：132塑性：321图1-1拉伸曲线4.用20钢制成10㎜、标距30㎜的试样作拉伸试验，测得屈服时的拉力为21630N，断裂前的最大拉力为34940N，拉断后测得标距长度为65㎜，断裂处直径为5㎜。试计算σb、σs、δ、ψ的值。)(445514.33494020MPaSFbb)(275514.32163020MPaSFSs%7.116%100303065%10000LLLk%75%100514.3)5.25(14.3%10022200SSSk5.零件的失效形式有哪些？影响失效的基本因素有哪些？（1）断裂、塑性变形、过量弹性变形、磨损、腐蚀等。（2）设计因素、材质因素、工艺因素和安装使用不当。6.什么是同素异晶转变？请绘出纯铁的冷却曲线，并指出同素异晶转变温度和晶格类型。（1）固态下随着温度的变化，金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。FeFe温度℃时间1538℃1394℃912℃体心面心体心Fe8.图1-1所示为部分的铁碳合金状态图，请在右边的T-t图中画出含碳量为0.45%的铁碳合金的结晶过程并标注出各温度段的组织。ESQGC%1147℃1538℃727℃PLA912℃C0.45温度℃TtLL+AA+FF+PA钢号类别适用零件举例质量含碳量成分用途普优高优低中高碳素合金结构工具Q235冲压件15冲压件45轴类60Si2Mn弹簧T8A锉刀9SiCr钻头W18Cr4V铣刀11.填表回答：一、填空题1．液态金属的充型能力主要取决于合金的流动性。流动性不好的合金铸件易产生浇不足和冷隔、气孔、夹渣等铸造缺陷。2．影响液态合金流动性的主要因素有合金的化学成分、合金的物理性质、合金的温度、不溶杂质和气体等。合金的凝固温度范围越宽，其流动性越差。3．任何一种液态金属注入铸型以后，从浇注温度冷却至室温都要经历三个相互联系的收缩阶段，即液态收缩、凝固收缩和固态收缩。导致铸件产生缩孔和缩松的根本原因是液态收缩和凝固收缩；导致铸件产生应力、变形、裂纹的原因是固态收缩。金属材料成形基础作业（2）4．铸件在凝固过程中所造成的体积缩减如得不到液态金属的补充，将产生缩孔或缩松。凝固温度范围窄的合金，倾向于“逐层凝固”，因此易产生缩孔；而凝固温度范围宽的合金，倾向于“糊状凝固”，因此易产生缩松。5．准确地估计铸件上缩孔可能产生的位置是合理安排冒口和冷铁的主要依据。生产中确定缩孔位置的常用方法有画等温线法、内切圆法和计算机模拟凝固法等。6．顺序凝固原则主要适用于逐层凝固的合金，其目的是消除缩孔；同时凝固原则主要适用于糊状凝固的合金，其目的是减小应力。7．铸件在冷却收缩过程中，因壁厚不均等因素造成铸件各部分收缩的不一致引起内应力，这种应力称之为热应力；铸件收缩受到铸型、型芯及浇注系统的机械阻碍而产生的应力称为机械应力。8．砂型铸造制造铸型的过程，可分为手工造型和机器造型。各种机器造型机械按紧实型砂的特点不同分为震压造型、微震压实、高压造型、抛砂造型等。9．特种铸造主要包括熔模铸造、金属型铸造、压力铸造和离心铸造等。10．在大批量生产条件下，下列铸件宜选用的铸造方法是：机床床身砂型铸造，铝活塞压力铸造，铸铁污水管离心铸造，汽轮机叶片压力铸造（1）液态合金的充型能力是液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成形件（铸件）的能力。（2）影响液态合金充型能力的因素有合金的流动性、浇注条件、铸型充填条件。（1）合金在铸造生产条件下，获得优质铸件的难易程度。（2）流动性和收缩。合金的流动性越好、收缩越小，铸造性能越好。2．什么是合金的铸造性能？衡量合金铸造性能的主要指标是什么？其是如何影响的？二、简答题与应用题：1．什么是液态合金的充型能力？影响液态合金充型能力的因素有哪些？3．现采用铸造方法浇注三根直径分别为10mm、30mm、60mm的灰口铸铁试棒，测得它们的抗拉强度均为200MPa，问这三根试棒的成分是否相同？牌号是否相同？若不相同，应有何区别？1）牌号相同，成分不同。2）因为铸铁的牌号是用强度来表示的，其强度相同，则牌号相同。而影响铸铁组织和性能的因素是化学成分和冷却速度两个因素。试棒的直径不同——冷却速度不同，要获得同一强度，必须调整其化学成分，即10mm的试棒其碳硅含量较高,而30mm、60mm的试棒其碳硅含量依次降低。4．有一测试铸造应力用的应力框铸件，如图2-1所示，凝固冷却后，用钢锯沿A-A线锯断Φ30的粗杆，此时断口间隙的大小会发生什么变化？为什么？1）变大。2）因为凝固冷却后，ф30的粗杆处于拉应力状态，ф10的细杆处于压应力状态。当沿A-A锯断后，粗杆给予细杆的压力被释放，细杆的弹性压缩变形恢复伸长，所以断口间隙会变大。图2-1铸造应力框铸件5.灰口铸铁的组织和性能决定于什么因素？为什么在灰口铸铁中，碳硅含量越高，则其强度越低？1）灰口铸铁的组织和性能决定于化学成分和冷却速度。2）因为碳、硅含量越高，铸铁中的石墨片就越粗大，石墨数量也越多，对基体的破坏就越严重。同时基体中铁素体的量增加，珠光体的量减少。所以铸铁的强度越低。6．有一包铁水，其成分为wC＝3.2%，wSi=1.8%，浇成阶梯型铸件，如图2-2所示。试问在五个厚度不同的截面上的组织是否相同，各是何种组织？1）不同。2）由于铸件壁厚不同，其各部分冷却速度不同。壁厚5、10、20、30、40mm处的组织分别为麻口组织（Ld'＋石墨)、P＋石墨、P＋石墨、F+P＋石墨、F+石墨。图2-2阶梯铸件7.某厂铸造一个ф1500mm的铸铁顶盖，有如图2-3所示两种设计方案，试分析哪种方案易于生产？并简述其理由。（1）方案a易于生产；（2）由于铸件的尺寸很大，壁厚较薄，属于大平面结构。铸件上的大平面极易产生浇不足、夹砂、夹渣、气孔等缺陷，图（a）的方案，一方面避免了上述不利因素，还因为具有了一定的结构斜度，有利于造型。图2-3铸铁顶盖的两种设计方案8.分析图2-4所示零件分型方案的优缺点，并选择其中与零件生产类型相适应的分型方案。大批量生产单件生产12方案1方案1方案2方案2图(b)方案1:优点是起模高度小,砂箱高度减小;缺点是分开模造型对合箱精度要求较高,不易保证整个螺纹内孔表面的质量,且需要砂芯.方案2:优点是整体模造型，铸件的尺寸精度易于保证；铸件螺纹内孔表面质量均匀；可以直接铸出铸件的内腔，省去了型芯。缺点是下砂箱高度大,起模高度较大.单件生产时，应选择方案2。答：图(a）方案1：优点是起模高度小,砂箱高度减小;缺点是分开模造型对合箱精度要求较高.方案2:优点是整体模造型不会因错箱造成铸件废品,铸件精度易于保证;缺点是下砂箱高度大,起模高度较大,不易起模,机器造型采用型板时内腔1不易形成.在大批量生产时，应选择方案1。9.图2-5所示为铸铁底座，在保证50的孔和H不变的前提下，请回答：（1）修改结构不合理之处；（2）在图上标出最佳分型面和浇注位置。上下10．确定如图2-6所示铸件的铸造工艺方案。要求如下：（1）在单件、小批生产条件下，分析最佳工艺方案；（2）按所选最佳工艺方案绘制铸造工艺图（包括浇注位置、分型面、机械加工余量、起模斜度、铸造圆角、型芯及芯头等）其余上下11．确定如图2-7所示铸件的铸造工艺方案。要求如下：（1）画出几种可能的分型方案；（2）在单件、小批生产条件下，分析并确定最佳工艺方案；（3）按所选最佳方案绘制铸造工艺图（包括浇注位置、分型面、机械加工余量、起模斜度、铸造圆角、型芯及芯头等）上下收缩率:1%①②③方案①最佳。12．铸件结构工艺性：判断下列铸件的结构工艺性，若不合理，请在原图上进行改。一、填空题1.单晶体的塑性变形是通过滑移和孪晶的方式完成的；多晶体的塑性变形包括晶内变形和晶间变形。2.冷成形后的金属将产生加工硬化现象，表现为金属材料的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低。3.产生加工硬化的金属在加热到较高的温度时要发生回复和再结晶。4.由于锻造流线的存在，金属的力学性能具有各向异性，一般平行锻造流线方向的抗拉强度、塑性和韧性比垂直方向要高。5.金属在锻造时加热的目的是提高可锻性(或提高塑性，降低变形抗力）。金属材料成形基础作业（3）6.自由锻的基本工序有镦粗、拔长、冲孔、弯曲、扭转、错移；其中最常用的是镦粗、拔长、和冲孔三种。7.锻模模膛通常分为①制坯模膛和②模锻模膛，其中①又可分为拔长模膛、滚压模膛、弯曲模膛和切断模膛，②又可分为预锻模膛和终锻模膛。8.冲压的基本工序包括①分离和②变形。其中①又分为落料、冲孔、剪切等；②又分为拉深、弯曲、翻边等。9.冲压模具按照冲床的一次行程所完成工序的多少可分为简单冲模、连续冲模和复合冲模，其中在模具的同一位置上同时可以完成两道以上工序的模具称为复合冲模。10.纯铅（T熔＝327℃）的再结晶温度为-