机械工程材料习题答案

机械工程材料习题答案第二章作业2－1常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？－Fe、－Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn各属何种结构？答：常见晶体结构有3种：⑴体心立方：－Fe、Cr、V⑵面心立方：－Fe、Al、Cu、Ni⑶密排六方：Mg、Zn2---7为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。第三章作业3－2如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小；⑴金属模浇注与砂模浇注；⑵高温浇注与低温浇注；⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件；⑷浇注时采用振动与不采用振动；⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。答：晶粒大小：⑴金属模浇注的晶粒小⑵低温浇注的晶粒小⑶铸成薄壁件的晶粒小⑷采用振动的晶粒小⑸厚大铸件表面部分的晶粒小第四章作业4－4在常温下为什么细晶粒金属强度高，且塑性、韧性也好？试用多晶体塑性变形的特点予以解释。答：晶粒细小而均匀，不仅常温下强度较高，而且塑性和韧性也较好，即强韧性好。原因是：（1）强度高：Hall-Petch公式。晶界越多，越难滑移。（2）塑性好：晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中。（3）韧性好：晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。4－6生产中加工长的精密细杠（或轴）时，常在半精加工后，将将丝杠吊挂起来并用木锤沿全长轻击几遍在吊挂7~15天，然后再精加工。试解释这样做的目的及其原因？答：这叫时效处理一般是在工件热处理之后进行原因用木锤轻击是为了尽快消除工件内部应力减少成品形变应力吊起来，是细长工件的一种存放形式吊个7天，让工件释放应力的时间，轴越粗放的时间越长。4－8钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，请说明它们是热加工还是冷加工（钨熔点是3410℃，锡熔点是232℃）？答：W、Sn的最低再结晶温度分别为:TR(W)=（0.4～0.5)×(3410+273)－273=（1200～1568）(℃)＞1000℃TR(Sn)=（0.4～0.5)×(232+273)－273=（-71～-20）(℃)＜25℃所以W在1000℃时为冷加工，Sn在室温下为热加工4－9用下列三种方法制造齿轮，哪一种比较理想？为什么？（1）用厚钢板切出圆饼，再加工成齿轮；（2）由粗钢棒切下圆饼，再加工成齿轮；（3）由圆棒锻成圆饼，再加工成齿轮。答：齿轮的材料、加工与加工工艺有一定的原则，同时也要根据实际情况具体而定，总的原则是满足使用要求；加工便当；性价比最佳。对齿轮而言，要看是干什么用的齿轮，对于精度要求不高的，使用频率不高，强度也没什么要求的，方法1、2都可以，用方法3反倒是画蛇添足了。对于精密传动齿轮和高速运转齿轮及对强度和可靠性要求高的齿轮，方法3就是合理的。经过锻造的齿坯，金属内部晶粒更加细化，内应力均匀，材料的杂质更少，相对材料的强度也有所提高，经过锻造的毛坯加工的齿轮精度稳定，强度更好。4－10用一冷拔钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到1000℃，保温后再次吊装工件时钢丝绳发生断裂，试分析原因？答：由于冷拔钢丝在生产过程中受到挤压作用产生了加工硬化使钢丝本身具有一定的强度和硬度，那么再吊重物时才有足够的强度，当将钢丝绳和工件放置在1000℃炉内进行加热和保温后，等于对钢丝绳进行了回复和再结晶处理，所以使钢丝绳的性能大大下降，所以再吊重物时发生断裂。4－11在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又像最初一样柔软这是什么原因？答：铅板在室温下的加工属于热加工，加工硬化的同时伴随回复和再结晶过程。越弯越硬是由于位错大量增加而引起的加工硬化造成，而过一段时间又会变软是因为室温对于铅已经是再结晶温度以上，所以伴随着回复和再结晶过程，等轴的没有变形晶粒取代了变形晶粒，硬度和塑性又恢复到了未变形之前。第五章作业5－3一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体异同？答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。二次渗碳体：从A中析出的渗碳体称为二次渗碳体。三次渗碳体：从F中析出的渗碳体称为三次渗碳体共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体组织形状不同，对基体的影响不同。共同点同属于一个相，晶体结构相同，化学成分相同。5－6现有形状、尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们的碳含量分别为Wc=0.2%，Wc=0.4%，Wc=1.2，Wc=3.5%的合金。根据你所学的知识，可有哪些方法区别它们？答：测量四块合金的硬度，其硬度随含碳量增加而升高。观察四块合金的金相，0.2%和0.4%的合金均为亚共析钢，其组织为珠光体+铁素体，珠光体的量随含碳量增加而增加；1.2%的合金为过共析钢，其组织为珠光体+二次渗碳体；3.5%的合金为亚共晶白口铁，其组织为珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体。观察四块合金与砂轮磨出的火花，随着含碳量的增加，流线数量和爆花数量都急剧增多，碳含量超过0.8%以后，增多的趋势逐渐缓和。5－7根据铁碳相图解释下列现象：1)含碳量1.0%的钢比含碳量0.5%的钢硬度高；2)在室温平衡状态下，含碳量为0.8%的钢比含碳量为1.2%的钢强度高；3)室温下莱氏体比珠光体塑性差；答：1)含碳量1.0%的钢比含碳量0.5%的钢硬度高；钢由较软的铁素体和较硬的渗碳体组成，随着含碳量的提高，钢中渗碳体的量提高，因此硬度提高。2)在室温平衡状态下，含碳量为0.8%的钢比含碳量为1.2%的钢强度高；钢的强度是典型的对组织敏感的性能指标，细密相间的两相组织珠光体具有较高的强度，因此提高珠光体的比例可改善钢的强度，而连续分布在原奥氏体晶界上的二次渗碳体将降低钢的强度。0.8%的钢中珠光体的比例高于1.2%的钢，同时1.2%的钢含有更多的二次渗碳体，故0.8%的钢比1.2%的钢强度高。3)室温下莱氏体比珠光体塑性差；室温下莱氏体Fe3C+P，即珠光体分布渗碳体相的基底上，而渗碳体基底的脆性极大，莱氏体表现为脆性的，几乎不能塑性变形。第六章作业6－1解释下列名词：1）奥氏体的起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度；答：（1）起始晶粒度：是指在临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚接触时的晶粒大小。（2）实际晶粒度：是指在某一具体的热处理加热条件下所得到的晶粒尺寸。（3）本质晶粒度：根据标准试验方法，在930±10℃保温足够时间（3-8小时）后测定的钢中晶粒的大小。2）珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体；答：珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物。索氏体：在650～600℃温度范围内形成层片较细的珠光体。屈氏体：在600～550℃温度范围内形成片层极细的珠光体。贝氏体：过饱和的铁素体和渗碳体组成的混合物。马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体。3）过冷奥氏体、奥氏体、残余奥氏体；答：奥氏体:碳在Fe中形成的间隙固溶体.过冷奥氏体:处于临界点以下的不稳定的将要发生分解的奥氏体称为过冷奥氏体。残余奥氏体：M转变结束后剩余的奥氏体。4）淬火、回火、退火、正火、冷处理、时效处理（尺寸稳定处理）；答：退火：将工件加热到临界点以上或在临界点以下某一温度保温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度（炉冷、坑冷、灰冷）进行冷却的一种操作。正火：将工件加热到Ac3或Accm以上30～80℃，保温后从炉中取出在空气中冷却。淬火：将钢件加热到Ac3或Ac1以上30～50℃，保温一定时间，然后快速冷却（一般为油冷或水冷），从而得马氏体的一种操作。回火：将淬火钢重新加热到A1点以下的某一温度，保温一定时间后，冷却到室温的一种操作。冷处理：把冷到室温的淬火钢继续放到深冷剂中冷却，以减少残余奥氏体的操作。时效处理：为使二次淬火层的组织稳定，在110~150℃经过6~36小时的人工时效处理，以使组织稳定。5）淬火临界冷却速度（Vk），淬透性,淬硬性；答：淬火临界冷却速度（Vk）：淬火时获得全部马氏体组织的最小冷却速度。淬透性：钢在淬火后获得淬硬层深度大小的能力。淬硬性：钢在淬火后获得马氏体的最高硬度。6）再结晶、重结晶；答：再结晶：金属材料加热到较高的温度时，原子具有较大的活动能力，使晶粒的外形开始变化。从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒形状相似，晶格类型相同，把这一阶段称为“再结晶”。重结晶：由于温度变化，引起晶体重新形核、长大，发生晶体结构的改变，称为重结晶。7）调质处理、变质处理。答：调质处理：淬火后的高温回火。变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒。6-2如下图所示，T12钢加热到Ac1以上，用图示的各种方法冷却，分析各自得到的组织。答:a水中淬火M＋Fe3Cb分级淬火M＋Fe3Cc油中淬火M＋T＋Fe3Cd等温淬火B下＋Fe3Ce正火S＋Fe3Cf完全退火P＋Fe3Cg等温退火P＋Fe3C6-4将同一棒料上切割下来的4快45钢试样，同时加热到850℃，然后分别在水、油、炉、空气中冷却，说明：各是何种热处理工艺？各获得什么组织？排列一下硬度的大小顺序。答：(1)水冷：淬火M(2)油冷：淬火M+T(3)炉冷：退火P+F(4)空冷：正火S+F硬度顺序：(1)＞(2)＞(4)＞(3)6-5残留奥氏体对钢淬火后的性能有何影响？用什么方法可以减少残留奥氏体的数量？答:残留奥氏体不仅降低了淬火钢的硬度和耐磨性，而且在工件的长期使用过程中，残留奥氏体还会发生转变，使工件形状尺寸变化，降低工件尺寸精度。用“冷处理”可以减少残留奥氏体的数量。6－7甲，乙两厂生产同一批零件，材料均选45钢，硬度要求为220~2250HBW。甲厂采用正火，乙厂采用调质，都达到硬度要求。试分析甲，乙两厂产品的组织和性能的差别。答：甲厂采用正火：获得细珠光体，正火消除中碳钢经热加工后产生的组织缺陷，塑性基本不降低。乙厂采用调质：获得回火索氏体，强度、硬度、耐磨性降低。大幅度提高了塑性、韧性，得到较好的综合力学性能的钢。6-9仓库中有45钢、38CrMoAlA钢和20CrMnTi钢，它们都可以用来制造齿轮，为了满足齿轮的使用要求，问各应进行何种热处理？并比较它们经热处理后在组织和性能上的不同。答:(1)45钢：先调质，感应加热表面淬火＋低温回火组织：表层M回,心部S回(2)38CrMoAlA：先调质，后氮化组织：表层氮化组织，心部S回(3)20CrMnTi：渗碳，淬火＋低温回火组织：M回＋少量AR,心部F＋P6-10某一用45钢制造的零件，其加工路线如下：备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→高频感应加热淬火＋低温回火→磨削，请说明各热处理工序的目的及热处理后的组织。答：正火目的:消除锻造应力,改善切削加工性,同时均匀组织,细化晶粒,为后续热处理作组织准备。组织:晶粒均匀细小的F和S。调质目的:提高塑性、韧性,使零件获得较好的综合力学性能。组织:S回。高频感应加热淬火目的:提高工件表面的硬度和耐磨性,而心部仍保持良好的塑性和韧性。低温回火目的:降低内应力和脆性。表层组织:M回，心部组织：S回。第七章作业7－8试比较T9、9SiCr、W6Mo5Cr4V2作为切削刀具材料的热处理、力学性能特点及适用范围，并由此得出一般性结论。答：T9的热处理：淬火＋低温回火。力学性能：硬度高，韧性中等，无热硬性，综合力学性能欠佳。适用范围：用于尺寸不大，形状简单，要求不高的低速切削工具。9SiCr热处理：淬火＋低温回火。力学性能：硬度和耐磨性良好，，无热硬性，综合力学性能优于T9。适用范围：用于制造尺寸较大，形状复杂，受力要求较高，切削速度不高的刀具。7－16为什么铸造生产中，化学成分如具有三低（碳、硅、锰的含量低）一高（硫含量高）特点的铸铁易形成白口？而在同一铸铁中，往往在其表面或薄壁处易形成白口？答：在铸铁生产中，碳、