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s第一章作业1－3现有一碳钢制支架刚性不足，采用以下三种方法中的哪种方法可有效解决此问题？为什么？①改用合金钢；②进行热处理改性强化；③改变该支架的截面与结构形状尺寸。答：选③，改变该支架的截面与结构形状尺寸。因为金属材料的刚度决定于基体金属的性质，当基体金属确定时，难于通过合金化、热处理、冷热加工等方法使之改变。1－4对自行车座位弹簧进行设计和选材，应涉及到材料的哪些主要性能指标？答：强度、弹性、疲劳极限。1－9传统的强度设计采用许用应力[σ]=σ0.2/n,为什么不能一定保证零件的安全性？有人说：“安全系数n越大，零件工作时便越安全可靠。”，你怎样认识这句话？答：传统的强度设计采用[σ]=σ0.2/n，都是假设材料是均匀无缺陷的，而实际上材料中存在着既存或后生的微小宏观裂纹，因此在实际的强度设计中还应考虑材料抵抗脆性断裂的力学性能指标—断裂韧度（KI），只考虑许用应力[σ]=σ0.2/n是不能保证零件的安全性的。“n越大，零件越安全”也是不对的，因为[σ]=σ0.2/n,n增大就会使[σ]降低而牺牲材料的强度，将塑性和韧性取大一些，导致[σ]偏低而零件的尺寸与重量增加，浪费了原材料。1－11一般认为铝、铜合金的耐蚀性优于普通钢铁材料，试分析在潮湿性环境下铝与铜的接触面上发生腐蚀现象的原因。答：潮湿环境下铝与铜的接触面上会发生电化学腐蚀，因为这时铝与铜的接触面因电极电位不同存在着电极电位差而发生电化学腐蚀。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、Zn2-2已知－Fe的晶格常数（a=3.6）要大于－Fe的晶格常数（a=2.89）,但为什么－Fe冷却到912℃转变为－Fe时体积反而增大？答：－Fe冷却到912℃转变为－Fe时体积增大，是因为转变之后面心立方的－Fe转变为体心立方的－Fe时致密度变小。－Fe－Fe晶胞原子数4晶胞原子数2转变之后－Fe的体积为3.633(47.83)＜2个－Fe的体积2×2.893(48.27)。2－31gFe在室温和1000℃时各含有多少个晶胞？答：Fe在室温下为体心立方，晶胞原子数为2，这时1gFe的晶胞数＝(1/56×6.02×1023)/2=5.38×1021个在1000℃时为面心立方，晶胞原子数为4，这时1gFe的晶胞数＝(1/56×6.02×1023)/4＝2.69×1021个2－4已知铜的原子直径为2.56，求其晶格常数，并计算1mm3铜中的原子数。答：a=a=×=×=3.62原子数＝4×晶胞数＝4×＝8.4×1019个2－6总结说明实际金属晶体材料的内部结构特点。答：实际金属晶体材料内部存在晶体缺陷：⑴点缺陷：空位、间隙原子、置换原子⑵线缺陷：位错⑶面缺陷：晶界、亚晶界第三章作业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3－3Si、C、N、Cr、Mn、B等元素在－Fe中各形成哪些固溶体？答：Si、Cr、Mn形成置换固溶体，C、N、B形成间隙固溶体。3－4间隙固溶体与间隙化合物在晶体结构与性能上有何区别？举例说明。答：间隙固溶体的晶体结构与组成合金的一个金属组元的结构相同，它是溶质原子进入金属溶剂晶格的间隙时形成的固溶体，如：F和A，形成间隙固溶体可以提高金属的强度和硬度，起到固溶强化的作用。间隙化合物的晶体结构与组元的结构不同，间隙化合物是由H、B、C、N等原子半径较小的非金属元素（以X表示）与过渡族金属元素（以M表示）结合，且半径比rX/rM＞0.59时形成的晶体结构很复杂的化合物，如Fe3C,间隙化合物硬而脆，塑性差。3－7为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金？为什么要进行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？答：共晶成分的合金熔点低，凝固温度区间最小，流动性好，适于铸造。单相固溶体成分的合金强度均匀，塑性好，便于压力加工。3－8为什么钢锭希望减少柱状晶区，而铜锭、铝锭往往希望扩大柱状晶区？答：在柱状晶区，柱状晶粒彼此间的界面比较平直，气泡缩孔很小，组织比较致密。但当沿不同方向生长的两组柱状晶相遇时，会形成柱晶间界。柱晶间界是杂质、气泡、缩孔较密集地区，是铸锭的脆弱结合面，故钢锭应减少柱状晶区，以避免在热轧时开裂。对塑性好的铜锭、铝锭不会因热轧而开裂，故往往希望扩大柱状晶区。4－3冷塑性变形与热塑性变形后的金属能否根据其显微组织加以区别？答：可以通过显微组织来判断是冷塑性变形还是热塑性变形，冷塑性变形后的晶粒形状呈扁平形或长条形，热塑性变形后的晶粒是等轴晶粒。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。4－5金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒？为什么？答：再结晶退火必须用于经冷塑性变形加工的材料，其目的是改善冷变形后材料的组织和性能。再结晶退火的温度较低，一般都在临界点以下。若对铸件采用再结晶退火，其组织不会发生相变，也没有形成新晶核的驱动力(如冷变形储存能等)，所以不会形成新晶粒，也就不能细化晶粒。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在室温下为热加工思考题比较冲击韧度、断裂韧度的异同点和它们用来衡量材料韧性的合理性。答：相同点：冲击韧度和断裂韧度都反映了材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力。不同点：冲击韧度一般只用来评定中低强度钢的韧性，仅反映材料在一次大能量冲击加载条件下的抵抗变形与断裂的能力，只适用于均匀的无缺陷材料。而断裂韧度是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，表征了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。第五章作业5-4根据Fe-Fe3C相图计算，室温下，分别为0.2％和1.2％的钢中组织组成物的相对量。(1)=0.2%P%·0.77%=0.2%P%=26%，F%=74%(2)=1.2%P%·0.77%+(1-P%)·6.69%=1.2%P%=92.7%，Fe3CⅡ％=7.3%5-5某仓库中积压了许多退火状态的碳钢，由于钢材混杂不知其化学成分，现找出一根，经金相分析后发现组织为珠光体和铁素体，其中珠光体占75％。问此钢的碳含量大约为多少？答：＝P%·0.77%＝75％×0.77％＝0.5775％测试题某碳钢，相组成中，F％＝93％。求：（1）C％＝？属哪种钢？（2）组织组成物的百分比？答：（1）C％＝（1－F％）×6.69％＝7％×6.69％＝0.4683％，属亚共析钢（2）=P％·0.77％,P％＝60.8％，F％＝1－P％＝39.2％第六章作业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＋Fe3C6-3为改善可加工性，确定下列钢件的预备热处理方法，并指出所得到的组织：（1）20钢钢板（2）T8钢锯条（3）具有片状渗碳体的T12钢钢坯答:(1)20钢钢板：正火S+F；(2)T8钢锯条：球化退火球状P；(3)具有片状渗碳体的T12钢钢坯:球化退火球状P＋Cm6-4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。6-9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。6-12选择下列零件的热处理方法，并编写简明的工艺路线（各零件均选用锻造毛坯，并且钢材具有足够的淬透性）：（1）某机床变速箱齿轮（模数m=4），要求齿面耐磨，心部强度和韧性要求不高，材料选用45钢；（2）某机床主轴，要求有良好的综合机械性能，轴径部分要求耐磨（HRC50-55），材料选用45钢；（3）镗床镗杆，在重载荷下工作，精度要求极高，并在滑动轴承中运转，要求镗杆表面有极高的硬度，心部有较高的综合机械性能，材料选用38CrMoALA。（4）M12丝锥，要求刃部硬度为60～62HRC，柄部硬度为30～40HRC，材料选用T12A。答:⑴45钢机床变速箱齿轮:下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→超音频感应加热淬火+低温回火→精磨→成品；⑵45钢机床主轴:下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火+低温回火→精磨→成品；⑶38CrMoAlA镗床镗杆:下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→氮化→研磨→成品；⑷T12A丝锥:锻造→球化退火→机加工→淬火＋低温回火→柄部盐浴加热快速退火→精加工。测试题：有5根直径为10mm的45钢圆棒，都先经（1.840℃加热淬火、2.760℃加热淬火、3.调质），然后分别加热到（1）1100℃；（2）840℃；（3）760℃；（4）550℃；（5）180℃，再水冷至室温后各得到什么组织？为什么？答：1.840℃加热淬火（1）1100℃粗大M(过热淬火)（2）840℃M(重新淬火)（3）760℃M+F（不完全淬火）（4）550℃S回（淬火后高温回火）（5）180℃M回（淬火后低温回火）2.760℃加热淬火（1）1100℃粗大M(过热淬火)（2）840℃M(淬火)（3）760℃M+F（不完全淬火）（4）550℃S回＋F（淬火后高温回火）（5）180℃M回＋F（淬火后低温回火）3.调质（1）1100℃粗大M(过热淬火)（2）840℃M(重新淬火)（3）760℃M+F（不完全淬火）（4）550℃S回（不变）（5）180℃S回（不变）27.调质处理