机械制造基础学习指导与学习解答题答案京玉海.pdf

习题集参考答案 工程材料篇 1 工程材料部分参考答案 工程材料部分参考答案 1. 解： 1. 解： d0=10mm d1=7.3mm A0=d/4=78.54 A1=d/4=41.85 l0=50mm l1=60.5mm s=FS/A0=359.82 b=Fb/A0=579.70 s=（l1-l0）/l0100%=21% =(A0-A1)/A0100%=46.72% 所以合格 参考教材第 8-9 页公式。 2. 解： 2. 解： (1) a:A 的溶点 b:B 的溶点 c:共晶点 d:B 在固溶体中的最大溶解度 abc 为液相线，adce 为固相线，df 为 B 在固溶体的溶解度线，dce 为共晶转变线 共晶转变表达式：Lc d+B (2)如图： 3. 解： 3. 解： 如下图 二元合金相图与各区域组织如下图 L L+ +B (+B)+B (+B)+B A 的熔点 a b c d e f A B B 的熔点 L+B (+B) 习题集参考答案 工程材料篇 2 4. 解： 4. 解： 液态纯铁在 1538时.结晶成具有体心立方晶格的 -Fe , 继续冷却到 1394时发生同素异构转变, 由体心立方晶格的 -Fe 转变为面心立方晶格的-Fe , 再继续冷却到 912时,又发生同素异构转变,由面 心立方晶格的-Fe 转变为体心立方晶格的-Fe , 如再继续冷却时,晶格类型不再发生变化。 ( 可参考第 3 版 P39 ) / / / 1538 1394 912 （-Fe） 体心立） 体心立方 (-Fe)面心立方面心立方 (-Fe)体心立方体心立方 温度 A G 0 时间 晶格 晶格 晶格 A+ 温度/ A B 35 90 85 A1+(A+)+ +(A+)+ A1+L L+ L wB(%) (A+ ) 习题集参考答案 工程材料篇 3 5. 解：5. 解：铁碳合金图可直接得到 碳的质量 分数 加热温度 平衡组织 碳的质量 分数 加热温度 平衡组织 0.4 750 F+A 0.77 680 P 840 A 770 A 1.2 680 P+Fe3C 3.5 680 P+Fe3C+Ld 740 A+Fe3C 740 A+Fe3C+Ld 900 A 1200 L+A 6. 解： 6. 解： 将铁碳合金图的前半部分画出来，选定 0.4,0.77,1.2 三个横坐标选点描图即可 (参考教材 P58) 7. 解： 7. 解： P 含碳量 0.77% F 含碳量 0.0218% A 的含碳量：c=0.77%x75%+0.0218%x25%=0.58% B 的含碳量：c=0.77%x50%+0.0218%x50%=0.3959% 从含碳量看 A、B 都是亚共析钢，A 的硬度更高，B 的塑性更好。 8. 解： 8. 解： 先求出 45 钢中珠光体和铁素体的含量 QP=(0.45-0.0218)/(0.77-0.0218) QFe3C=（0.77-0.45）/（0.77-0.0218） 硬度=P*200+Fe3C*80 伸长率同理 9. 解： 9. 解： (1)奥氏体：碳溶于-Fe 中的间隙固溶体。(教材 P54) 过冷奥氏体：奥氏体在 A1 线以下要发生相变，但它的转变并不是立即发生，而是要经过一个孕育 期，这种在孕育期暂时存在的不稳定的奥氏体称为“过冷奥氏体” 残余奥氏体：在奥氏体转变为其他相时，有少量奥氏体没有参加转变而残留下来。 相同点为：它们都是碳溶于 y-Fe 中形成的间隙固溶体，本质构成完全相同。 不同点为：将稳定存在的奥氏体称为奥氏体；将临界温度之下，转变发生之前存在的奥氏体称为过 冷奥氏体；将转变结束后未发生转变的奥氏体称为残余奥氏体 (2)一次渗碳体：液态铁碳合金冷却到 1227(渗碳体的熔点)后结晶出的渗碳体 二次渗碳体：由 1148冷却到 727过程中从奥氏体中析出的渗碳体 三次渗碳体：由 727冷却到室温过程中从铁素体中析出的渗碳体 (3)索氏体：在 C 曲线中温度在 680600范围内形成片层间距较小的的细珠光体 ； 托氏体：在 600550范围内形成的片层间距极小的的珠光体； 马氏体：过冷奥氏体在 MS，温度以下将发生马氏体转变； 回火马氏体是由饱和 固溶体和其共格的-碳化物组成； 回火托氏体是由尚未发生再结晶的铁素体和弥散分布的极细小的片状或粒状渗碳体组成； 回火索氏体是由已再结晶铁素体和均匀分布的细粒状渗碳体组成； 习题集参考答案 工程材料篇 4 (4) 钢的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬深度的能力，是钢材本身固有的属性； 钢的淬硬性是指钢在淬火后能达到最高硬度的能力，主要取决于马氏体的含碳量； 淬硬层深度:通常把由工件表面测量至半马氏体区的垂直距离作为淬硬层深度。 (5) 通过融入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度，硬度升高的现象，称为固溶强化. 10. 解： 10. 解： 按 a，b，c 曲线冷却后得到的组织分别为 M+A 残 M 和下贝氏体 下贝氏体 11. 解： 11. 解： T8 钢为过共析钢，等温转变曲线见课本 77 页图 5-17（c） 冷却方式： 珠光体 索氏体 托氏体+马氏体+ 残余奥氏体 下贝氏体 马氏体+残余 奥氏体 炉冷 空冷 油冷 水冷+空冷 水冷 12. 解： 12. 解： 1：(略) 2：(略) 3：完全退火；细化晶粒、消除应力与组织缺陷、降低硬度；退火后组织：F+P 4：球化退火；降低硬度，改善切削加工性能；退火后组织：P+Fe3CII 13. 解： 13. 解： 工件名称 正火的主要目的 正火后的组织 20 钢齿轮 改善低碳钢和低碳钢合金的切削加工性 S+F S+F 45 钢小轴 作为普通结构零件的最终热处理 S+F S+F T12 钢锉刀 消除过共析钢中二次渗碳体， 为球化退火做好 组织准备 P+FeP+Fe3 3C CII II 思路：20 钢齿轮和 45 钢小轴是亚共析钢，T12 钢锉刀是过共析钢。 14. 解： 14. 解： 零件名称 淬火温度 回火温度 回火后组织 45 钢小轴 （要求综 合机械性能好） AC3+3050 500650 S S回 回 60 钢弹簧 AC3+3050 350500 T T回 回 T12 锉刀 AC1+3050 150250 M M回 回 思路：淬火温度根据零件含碳量决定，回火温度根据零件的要求（综合机械性能好用高温回火，提高 弹性极限如弹簧用中温回火，降低内应力和脆性如锉刀用低温回火） 习题集参考答案 工程材料篇 5 15. 解： 15. 解： 由题可知： 热处理 1 2 3 4 5 6 组织 P+F M+A残+F M+A残 P+Fe3C M+A残+Fe3C M粗+A残 HRC：5 6 3 2 4 1 16. 解： 16. 解： T12 钢是高碳钢，Wc=1.2%。 (1)第一次热处理是退火，目的是改善切削加工性能，为最终热处理做好组织准备； (2)第二次是淬火+回火（低温） ，目的是增加工件表面硬度和耐磨性。 (2)最终热处理回火温度 150-250，获得回火马氏体 17.解解： (1)不能提高硬度。原因如下：45 钢调质是淬火后再高温回火，此时组织已转变为回火索氏体，硬度已 在回火组织中最低。此时再做低温回火，硬度不会再低：因为淬火后经高温回火，淬火组织马氏体已转变 为稳定组织，再进行低温回火，由于没有组织转变，其硬度也就不会发生改变了。 (2)能降低硬度。原因如下：45 钢淬火+200 度低温回火后的组织是回火马氏体，在回火组织中硬度没 有达到最低。再做 560 度高温回火时，回火马氏体转变为更稳定的回火索氏体，硬度更低。 18. 解： 18. 解： 直接测硬度，硬度值排序：高频感应表面淬火渗碳淬火整体淬火 高频感应表面淬火硬度比普通 淬火高 2-3 个 HRC，其次低碳钢渗碳后硬度要增加所以得出上述结果 19. 解： F+P A 19. 解： F+P A 冷却方式 热处理名称 热处理后组织 硬度高低 炉冷 完全退火 F+PF+P片 片 4 空冷 正火 S+P S+P 3 水冷 淬火 M+AM+A残 残 1 水冷后 550 度回火 调质 S S回 回 2 20. 解： 20. 解： (1)调质：获得强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能；高频淬火+低温回火：使表层获得硬 而耐磨的马氏体组织，而心部保持原来的塑性、韧性较好的调质状态的组织。 (2)不能:表面的硬度不能达到要求，用 15#钢按相同工艺路线处理得到含碳量较低的回火马氏体，硬度 值很低。 (3)调质处理后再进行渗碳淬火，最后进行低温回火：经过以上的处理工序后表面可获得含碳量较高的 回火马氏体，硬度值也能满足要求。 21. 解： 21. 解： 低碳钢的热处理名称为：正火+淬火+低温回火 中碳钢的热处理名称为：退火+淬火+低温回火 经热处理后在组织上低碳钢含有残余奥氏体，在性能上低碳钢硬度较中碳钢低。 习题集参考答案 工程材料篇 6 22. 解 1： 22. 解 1： (1)预先热处理，调质处理；最终热处理，表面淬火+低温回火 (2)调质处理后得到组织为 S回 ; 表面淬火+低温回火后得到组织为，表层 M回+少量 A残。 (3)调质处理安排在粗加工之后半精加工之前；表面淬火+低温回火安排在半精加工之后精加工之前。 23. 解： 23. 解： (1)正火 目的：细化组织，提高机械性能，为后续工序做好组织准备。 组织：S+F (2)调质 目的：使工件具有良好的综合机械性能，为后续工序做好组织准备。 组织：S回 (3)表面淬火+低温回火 目的：提高表面硬度、耐磨性及疲劳强度 组织：表层 M回+少量 A残。 24. 略 25. 略 26. 解： 24. 略 25. 略 26. 解： (1)热处理方法：渗碳+淬火+低温回火 工艺路线：下料锻造正火机械粗加工、半精加工渗碳表面淬火低温回火机械精加工 (2)热处理方法：调质+表面淬火+低温回火 工艺路线：下料锻造正火机械粗加工调质机械半精加工表面淬火低温回火磨削 (3)热处理方法：调质+退火+渗氮 工艺路线：下料锻造退火机械粗加工调质机械精加工去应力退火粗磨渗氮精磨 27. 略 28. 解： 27. 略 28. 解： 钢号 类别 按质量分 按成分 分 Wc WMe 按用途分 普 通 钢 优 质 钢 高 级 优 质 碳 素 钢 合 金 钢 低 碳 钢 中 碳 钢 高 碳 钢 低 合 金 钢 中 合 金 钢 高 合 金 钢 结 构 钢 工 具 钢 特 殊 性 能 钢 Q235-A 45 55Si2Mn T8MnA W18Cr4V 12Cr2Ni4A 0Cr19Ni9 Q390-E ZGMn13-1 29. 29. 习题集参考答案 工程材料篇 7 合金种类 牌号归类 碳素钢 65Mn、Q235-A、T8MnA 合金结构钢 40MnB、Q295-A、GCr9SiMn 合金工具钢 3Cr2W8V、Cr2、W6Mo5Cr4V2、Cr12、5CrMnMo、 特殊性能钢 1Cr13、0Cr18Ni9、ZGMn13-1、 铝及铝合金 2A11、1A30、ZL102、ZAlSi2Cu2Mg1 铜及铜合金 T2、ZCuAl10Fe3、H70、ZCuZn40Mn3Fe1、 轴承合金 ZSnSb11Cu6、ZPbSb15Sn10 铸铁 RuT420、KTZ450-05、QT600-03、HT150、 30. 30. 31. 解： 31. 解： (1)选 45 号钢 (2)工艺路线：下料锻造正火粗加工及半精加工调质精加工 (3)正火作用：消除热加工所造成的组织缺陷，改善切削性能； (4)调质作用：提高综合力学性能。 (5)最终组织：S回 32. 解： 32. 解： 35 45 20CrMnTi 38CrMoAlA T12 W18Cr4V 0Cr18Ni9Ti 碳素结构钢 碳素结 构钢 合金渗碳 钢 合金调质钢 碳 素 工 具钢 高速钢 不锈钢 据题可知应该用结构钢，去掉后三种而表面和心部硬度不同，应该要经过渗碳或表面淬火，就剩下 45 钢和 20CrMnTi，而后者一般作为汽车变速箱齿轮，综合材料的工艺性及经济性，选用 45 钢。 合金钢 类别 化学成分 热处理特点 大致用途 Q275 碳素结构钢 Wc=0.2% 热扎空冷 工程构件 Cr12 冷作模具钢 Wc1%,WCr=12% 淬火+低温回火 大型冷作模 具 60Si2Mn 合金弹簧钢 Wc=0.6%,WMn1.5%, WSi=2% 淬火+中温回火 各种弹簧 20MnB 合金渗碳钢 Wc=0.2%,WMn1.5%, WB1.5% 渗碳后淬火+低 温回火 重要齿轮、 轴 类零件 5CrNiMo 热作模具钢 Wc=0.5%, WCr,Ni,Mo1.5% 淬火+中温或高 温回火 热作模具 GCr15 滚动轴承钢 Wc=0.95%1.15%， WCr=15% 淬火+低温回火 轴承、丝杆 W18Gr4V 高速钢 Wc0.7%,WW=18%， WCr=4%，Wv1.5% 淬火+三次回火 高速切削的 刃具 00Gr18Ni9 奥氏体型不锈 钢 Wc0.12%，WCr=18%， WNi=9% 固溶处理 耐腐蚀性较 高及冷变形 成形后需焊 接的轻载零 件 习题集参考答案 工程材料篇 8 加工路线：下料锻造正火粗加工-调质-半精加工渗碳淬火+低温回火精加工 33. 解： 33. 解： 常用不锈钢：按化学成分分为铬不锈钢，镍铬不锈钢，铬锰不锈钢等。按金相组织特点分为马氏体型 不锈钢，铁素体型不锈钢，奥氏体型不锈钢，奥氏体-铁素体型不锈钢及沉淀硬化型不锈钢。 铁素体型：多用于手里不打的耐酸结构和作抗氧化钢使用。 马氏体型：用来制作力学性能要求较高，又要有一定耐蚀性的零件，如汽轮机叶片及医疗器械等， 用于制造医用手术工具，量具级轴承等耐磨工件。 奥氏体型：应用广泛，用作食用品设备，化工设备，核工业，或作结构强度部件。 铁素体-奥氏体型：可用作是做抗高温，浓硝酸介质的零件和设备，作室友化工等工业热交换器或冷 凝器。 铬是使不锈钢具有耐腐蚀性能的基本元素。当铬的质量分数超过 12%时，钢的抗腐蚀性能发生变化， 因此，不锈钢中铬的质量分数一般在 12%以上，在此情况下，钢便具有良好的室温和高耐大气氧化性能及耐 酸的腐蚀能力。 外科手术刀：马氏体型不锈钢，淬火,空冷，目的是提高耐蚀性，并使