工程材料习题1-9章答案.pdf

工程材料习题参考答案 第一章.习题参考答案 1-1、名词解释 1、b抗拉强度-金属材料在拉断前的最大应力，它表示材料对最大 均匀塑性变形的抗力。 2、s屈服强度-表示材料在外力作用下开始产生塑性变形的最低 应力，表示材料抵抗微量塑性变形的能力。 3、0.2屈服强度-试样产生0.2%残余应变时的应力值为该材料的 条件屈服。 4、伸长率-塑性的大小用伸长率表示。 5、HBS布氏硬度-以300Kg的压力F将直径D的淬火钢球压入金属材料 的表层，经过规定的保持载荷时间后，卸除载荷，即得到一直径为d 的压痕。 6、HRC洛氏硬度-是以120o 的金刚石圆锥体压头加上一定的压力压 入被测材料，根据压痕的深度来度量材料的软硬，压痕愈深，硬度 愈低。 7、1（对称弯曲疲劳强度）-表示当应力循环对称时，光滑试样 对称弯曲疲劳强度。 8、K1C （断裂韧性）-应力强度因子的临界值。 1-2、试分别讨论布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度适用及不适用于什么 场合？ 1、布氏硬度 适用于退火和正火态的黑色金属和有色金属工 件， 不适用于太薄、太硬（450HB）的材料。 2、洛氏硬度 适用于检测较薄工件或表面较薄的硬化层的硬 度， 适用于淬火态的碳素钢和合金钢工件 不适用于表面处理和化学热处理的工件。 3、维氏硬度 适用于零件表面薄硬化层、镀层及薄片材料的硬 度， 不适用于退火和正火及整体淬火工件。 第二章.习题参考答案 2-1、名词解释 1、 晶体-指原子（原子团或离子）按一定的几何形状作有规律 的重复排列的物体。 2、 2、非晶体-组成物质的原子是无规律、无次序地堆聚在一起 的物体。 3、单晶体-结晶方位完全一致的晶体。 4、多晶体-由多晶粒组成的晶体结构。 5、晶粒-每个小晶体具有不规则的颗粒状外形。 2-2、何谓空间点阵、晶格、晶体结构和晶胞？常用金属的晶体结构是 什么？划出其晶胞，并分别计算起原子半径、配位数和致密度？ 1、空间点阵-为了便于分析各种晶体中的原子排列及几何形状,通常把晶 体中的原子假想为几何结点,并用直线从其中心连接起来, 使之构成一个空间格子。 2、晶格-这种表示晶体中原子排列形式的空间格子。 3、 晶胞-构成晶格的最基本的几何单元。 4、 4、常用金属的晶体结构有： 体心立方晶格： 1）、原子半径 r = ;2）、 配位数8 3）、致密度 致密度 24/33 / a324/3（31/2 /4 a）3 / a3 068 面心立方晶格: 1）、原子半径 r =21/2 /4 a 2）、配位数12 3）、致密度nu/v 44/33/ a3 44/3（21/2 /4 a）3/ a3 074 密排六方晶格: 1）、原子半径 r = 1/2a 2）、配位数12 3）、致密度nu/v 64/33 /3 a3Sin600C /23/2 074 2-3. 何谓理想晶体和实际晶体?为什么单晶体呈各向异性而多晶体在 大多数情况下没有各向异性现象? 1、理想晶体-是原子按一定规则排列的单晶体，内部晶体方位完全一 致，且完好无损的，具有各向异性。 2答：实际晶体为多晶体，由许多不同位向的小晶粒组成，且有许多 晶体缺陷，如点缺陷（空位、溶质原子），线缺陷（位错），面 缺陷（晶界等），具有伪各向同性。 3、单晶体呈各向异性是由于单晶体在不同晶向上的原子密度不同，在 不同方向上的原子结合力不同，因而其弹性模量也不同，显示出 各向异性。 5、 多晶体在大多数情况下没有各向异性现象,因为多晶体是由大 量彼此位向不同的晶粒组成，多晶体中各个晶粒的位向紊乱， 其各向异性显示不出来，结果使多晶体呈现各向同性或称伪无 向性。 2-4、何谓同素异晶转变？试以铁为例说明之？ 答：同素异晶转变是一种金属具有两种或两种以上的晶体结构，把这 种金属的不同晶体结构改变的现象。p18 如铁在结晶之后继续冷 却时，会发生结构的变化，从一种晶格转变为另一种晶格 -Fe 1394 -Fe 921 -Fe 。 2-5、在实际晶体中存在着哪几类缺陷？ 答：在实际晶体中存在着：1.点缺陷（空位、溶质原子）2、线缺陷 （位错：刃型位错和螺型位错）3、面缺陷（晶界、亚晶界等） 2-10、为什么金属结晶时一定要有过冷度？冷却速度与过冷度的关系 是什么？ 答：在平衡温度处，液体与晶体处于动平衡状态，此时，液体的结晶 速度与晶体的熔化速度相等。也就是当金属处于平衡温度时，金 属不能进行有效的结晶过程。要使结晶进行，则必须将液体冷至 低于平衡温度。晶体总是在过冷的情况下结晶的，因此过冷是金 属结晶的必要条件，所以，金属结晶时一定要有过冷度。冷却速 度与过冷度的关系是冷却速度愈大，过冷度也愈大。 2-13、晶粒大小对金属性能有何影响？细化晶粒方法有哪些？ 答：在一般情况下,晶粒愈小,则金属的强度.塑性和韧性愈好.细化晶 粒是提高金属性能的重要途径之一，晶粒愈细，强度和硬度愈 高，同时塑性韧性愈好。细化晶粒方法有：增大过冷度； 2.变 质处理； 3.附加振动或搅动等方法； 第三章.习题参考答案 3-1、塑性变形的基本方式有几种？塑性变形的的物理本质是什么？ 答：塑性变形的基本方式有：滑移和孪生。 塑性变形的的物理本质：滑移和孪生共同产生的塑性变形。 滑移是晶体的一部分相对另一部分做整体刚性移动。孪生是在切应 力的作用下，晶体的一部分相对另一部分沿着一定的晶面（孪生 面）产生一定角度的切变 3-2、为什么金属的实际强度要比理论强度低得多？详细说明之。 答：这是因为实际金属晶体存在着各种晶体缺陷，如点缺陷、线缺陷 和面缺陷。 3-4、加热对冷变形金属的组织和性能有何影响？ 答：当对变形金属进行加热时，其组织和性能将发生回复、再结晶和 晶粒长大的变化过程。 回复阶段:变形金属的强度.硬度与塑性等变化不大,但内应力.电阻 等明显降低. 3-7.怎样区分冷加工和热加工？为什么锻件比铸件的力学性能好？热 加工会造成哪些组织缺陷？ 答：金属的冷加工和热加工的界限是以金属的再结晶温度来区分的。 锻件：经过热塑性变形把粗大的柱状晶和枝晶击碎并形成等柱细晶组 织，改善力学性能。还可将铸态金属中的疏松、气孔、微裂纹， 经热塑性变形被压实或焊合，从而使组织致密，性能提高。所 以，锻件比铸件的力学性能好。热加工会造成纤维组织缺陷： 经热塑性变形后，金属中的非金属夹杂物沿着变形的流动方向破碎和 拉长，并沿着被拉的金属晶粒的界面分布，形成纤维组织（流线）， 使金属的性能具有明显的各向异性。再结晶 后:变形组织.性能完全消失,而硬度.强度显著下降,塑性韧性明显提 高,内应力基本消除, 金属恢复到变形前的性能.再结晶后如果形成粗大的晶粒,使金属的力 学性能显著降低. 3-8共析钢珠光体组成相F和Fe3C相对量(重要补充) F100%(6.690.77)/6.69100%88%，Fe3C188%12% 第四章、 二元合金 4-1、名词解释 1、置换固溶体-是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置而形成 的固溶体。 2、间隙固溶体-溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体。 3、正常价化合物-是指符合一般化合物的原子价规律的化合物,它们 是由在周期表上相距 较远.电化学性相差较大的元素组成。 4、电子化合物-是第一族或过渡族元素与第至第族元素形成的化 合物,它们不遵循原子价规律,但是有一定的电子浓度。 5、间隙化合物-由过渡族金属元素与原子半径较小的C.N.H.B等非金 属元素形成的化合物。 6、渗碳体-是钢铁中一种最重要的具有复杂结构的间隙化合物，碳 原子直径与铁原子直 径之比为0.61。 P35 渗碳体-C与Fe的化合物。 7、合金渗碳体-渗碳体具有复杂的斜方晶格，其中铁原子可以部分 地被其他金属原子所置换，形成以渗碳体为基的固溶体。P36 8、相图-是一种简明的示意图，它清楚地表明了合金系中各种相的 平衡条件以及相与相之间的关系。 9、共晶转变-成分为E点的液相Le同时结晶出两种成分和结构都不相 同的固相MN 这种转变称为共晶转变。 10、共析转变-从一个固相中同时析出成分和晶体结构完全不同两种 新相的转变过程。 11、杠杆定律- ，可见液、固两相的相对量的关系，如同力学中 的杠杆定律，称此式为杠杆定律。 12、晶内偏析-在一个晶粒内化学成分不均匀的现象。 13、比重偏析-因比重不同而造成化学成分不均匀的现象。 14、包晶偏析-由于包晶转变不能充分进行而产生化学成分不均匀的 现象。 15、组织组成物-在显微镜下能清楚地区别一定形态特征的组成部 分,该组成部分称为组织组成物。 第五章、 铁碳合金 5-1、名词解释 1、铁素体-C在Fe中的固溶体。用F或表示。 2、奥氏体-C在Fe中的间隙固溶体。用A或表示。 3、珠光体-共析转变产物是铁素体F和渗碳体Fe3C的机械混合物.用 符号P表示。 4、Fe3C-含碳量0.77%的合金，在1148冷却到727的过程 中，合金沿晶界析出 的Fe3C ，呈网状分布。 5、Fe3C-一般铁碳合金由727冷却到室温时，将由铁素体析出渗 碳体. 6、Fe3C-对于过共晶白口铁，当合金冷却至1148时，开始从液相 中结晶出先共晶渗碳体. 7、Ac1。Ac3、Acm-是碳钢在极缓慢地加热或冷却时的转变温度. 5-3、试计算珠光体中相组成物中的百分比？ FSK/QK100% (6.690.77)/6.69100%88% Fe3CQS/QK100%12%. 5-5、在碳钢中Mn以何种形式存在？对钢的性能有何影响？ 答：1、Mn的大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，使铁素体强化。 2、一部分Mn溶入Fe3C中，形成合金渗碳体(Fe Mn)3C 。 3、Mn使珠光体含量增加，细化珠光体，提高钢的强度。 5-6、在碳钢中Si以何种形式存在？对钢的性能有何影响？ 答： 1、大部分Si能溶于铁素体中，使铁素体强化，使钢b 增 加.HB.增加 下降. aK下降。2、少部分Si存在于硅酸盐夹杂 中。 5-7、碳钢中的P、S对钢的性能有何影响？ 答： P是一种有害元素，会使钢产生冷脆。 S是在炼钢时由矿石、燃料带进钢中， S不溶于铁，而以FeS的形式存 在， FeS与Fe生成 低熔点（985）的共晶体（二元共晶）， FeS、FeO和Fe还生成低熔 点（944）的三元共 晶体,会使钢产生热脆。 6-1、奥氏体的形成过程可分为哪几个阶段？影响奥氏体形成过程的 因素有哪些？ 答：奥氏体的形成过程可分为： 1、 奥氏体晶核的形成与长大 2、残余渗碳体的溶解 3、奥氏体 的均匀化 影响奥氏体形成过程的因素有： 1）、加热温度 2）、加热速度 3）、原始组织 4）、碳及合金 元素 6-3、过冷奥氏体的转变产物有哪几种类型？比较这几种转变类型的异 同点。 答： 1、过冷奥氏体的转变产物有三种类型：珠光体转变；贝氏体转 变；马氏体转变 1、 过冷奥氏体转变类型相同点：在转变过程中要发生晶格的重 构，通过形核和长大来完成。 3、 过冷奥氏体转变类型不同点： 1）、珠光体转变是扩散型转变。 2）、贝氏体转变时只发生碳原子的扩散，铁原子不扩散，贝氏体转变 是半扩散型转变。 3）、马氏体转变是无扩散型转变。 6-4、钢材的退火、正火、淬火、回火应用在什么场合？热处理后形成 的组织是什么？ 答：3、热处理后形成的组织和应用 1）、退火 p72完全退火组织： FP组织 应用：亚共析钢和合金钢 铸、锻件 球化退火组织：球化体或球状珠光体 .应用：过共析钢或合金工具钢 去应力退火应用：组织未发生改变. 铸件、锻件、焊接件、冷冲压件 2）、正火 正火组织： 索氏体组织 应用:低碳钢、低碳合金钢 3）、淬火 淬火组织：马氏体 应用：碳钢、合金钢零件 6-5、淬透性与淬透层深度、淬硬性有哪些区别？影响淬透性因素有哪 些？ 答：1、淬透性与淬透层深度、淬硬性的区别： 淬透性是钢在淬火时获得马氏体的能力，它是钢材本身固有的属性。 淬透性的好坏与含碳 量和合金元素有关。 淬硬性是钢淬火后，马氏体所能达到的最高硬度。淬硬性主要取决于 加热时溶入奥氏体中 的含碳量，而合金元素没有明显的影响。 淬透层深度是淬火工件表面至半马氏体区（马氏体与非马氏体组织各 占一半的地方）距离。 影响淬透性因素有：临界冷却速度Vk 。 影响临界冷却速度的因素:钢的化学成分,特别是合金元素及含量。 6-6、化学热处理的基本过程是什么？常用的化学热处理方法有哪些？ 各自的目的是什么？ 答：1、化学热处理的基本过程是：分解；吸收；扩散 2、常用的化学热处理方法有：钢的渗碳；钢的渗氮；碳氮共渗 2、 钢的渗碳目的： 增加工件表面的碳含量,提高工件表面的硬度和耐磨性，同时保持心 部有良好的韧性。 3、 钢的渗氮目的： 向钢的表层渗入氮原子，以提高工件表层的硬度、耐磨性、疲劳强 度及耐蚀性 4、 碳氮共渗目的：增加表面碳、氮含量,提高工件表面耐磨性,疲 劳强度和耐蚀性。比单一 的渗碳、渗氮具有更高的性能。 6-9.某齿轮要求齿面高硬度、耐磨,而心部具有一定的韧性,拟采用下 列材料和热处理工艺: (1) 、45钢调质; (2) 、45钢高频淬火、低温回火; (3) 、T8钢整体 淬火、中温回火; (4) 、20钢渗碳淬火、低温回火;试从所达到的力学性能、热处理工艺 的简繁、成本高低等几个方面加以比较. 答:(1) 、45钢调质,得回火索氏体,性能达不到齿轮要求. (2) 、45钢高频淬火、低温回火,表面为中碳回火马氏体,心部韧性偏 高,性能达不到齿轮 要求. (3) 、T8钢整体淬火、中温回火,齿轮整体为回火屈氏体,齿轮的表面 和心部性能都达不到要求. (4) 、20钢渗碳淬火、低温回火,表面为高碳马氏体,心部韧性很好,符 合齿轮性能要求. 20钢成本低,选择(4)的材料和热处理工艺. 7-1、名词解释： 1、合金钢-为了改善钢的组织与性能,在非合金钢的基础上有意识地 加入一些合金元素后所获得的钢种。P98 2、合金元素-为合金化目的而加入且含量在一定范围的元素。 3、二次硬化-当含W.Mo.Ti含量高的淬火钢，在500600温度范围 回火时，其硬度并不降低，反而升高,把这种在回火时硬度升高的 现象。 4、回火脆性-合金钢淬火后，在某一温度范围回火时，出现脆化的现 象。 7-2、合金钢与碳钢相比，具有哪些特点？ 答：碳钢的缺点：1.淬透性低 2.强度低,屈强比低3.回火稳定性差 4. 不具备某些特殊性能 7-3、钢中有哪些常存杂质？它们对钢的性能有何影响？ 答：钢中常存杂质有：P和S. P是一种有害元素，会使钢产生冷脆 S是在炼钢时由矿石、燃料带进钢中，S不溶于铁，而以FeS的形式存 在， FeS与Fe生成低熔点（985）的共晶体（二元共）， FeS、 FeO和Fe还生成低熔点（944）的三元共晶体,会使钢产生热脆。 7-5、合金元素对淬火钢的回火转变有何影响？ 答：1、提高钢的回火稳定性 2、产生二次硬化 3、回火脆性 7-8.拖拉机的变速齿轮,材料为20CrMnTi,要求齿面硬度5864HRc,分 析说明采用什么热处理工艺才能达到这一要求? 答: 20CrMnTi 调质920渗碳淬火180回火能达到拖拉机的变 速齿轮的性能要求. 调质:满足心部具有足够的强度和韧性,即综合性能好. 渗碳淬火低温回火:使齿面具有高的含碳量,并且获得高碳低合金的 回火马氏体.能满足齿面的硬度要求. 7-9.高速钢淬火后为什么需要进行三次回火?在560是否是调质处理? 为什么? 答:高速钢淬火后,残余奥氏体的量达到20%30%,三次回火促使残余奥 氏体发生转变. 在560进行三次回火,一方面从马氏体中沉淀析出细小分散的W2C、 MoC、VC, 形成”弥散 硬化”.另一方面从残余奥氏体中析出合金碳化物,降低残余奥氏体中 合金的浓度,是Ms点 上升,当随后冷却时,残余奥氏体转变成马氏体,产生”二次淬火”.回 火后组织为回火马氏 体合金碳化物少量残余奥氏体.在560回火不是调质处理. 7-11.某机床齿轮选用45钢制作,其加工工艺路线如下: 下料 锻造 热处理1 机械加工1 热处理2 机械加工2 试说明各热处理和机械加工的名称. 答:热处理1: 为正火或调质处理工艺; 机械加工1: 粗加工; 热处理2: 渗碳淬火低温回火 机械加工2: 精加工 8-1、石墨的存在对铸铁的性能有哪些影响？ 答：石墨的形态:具有六方晶格，原子呈层状排列，原子呈分子键结 合，结合力较弱。石墨的存在对铸铁的性能影响有: 1).收缩率减少:铸铁在凝固冷却过程中析出比容较大的石墨，使铸铁 的收缩率减少。 2).切削加工性良好:由于石墨片分割了基体，从而使铸铁切削容易脆 断，使铸铁切削加工性良好。 3).优良的减摩性:由于石墨本身的润滑作用，以及当它从基体中掉落 后所遗留下的孔洞具有存油的作用的原因. 4).良好的消振性:由于石墨组织松软，能吸收振动，使其具有良好的 消振性。 5).低的缺口敏感性:石墨片相当于许多裂纹，使铸铁具有低的缺口敏 感性。 6).抗拉强度、塑性和韧性不如钢:石墨片看成铸铁中一些微裂纹，裂 纹不仅分割了基体，而且在尖端处还会产生应力集中的原因. 8-2、影响铸铁性能的因素有哪些？ 答：影响铸铁性能的因素是铸铁的化学成分和铸铁的冷却速度。 8-3、如何选择灰铸铁的退火工艺？ 答：1.消除内应力的退火（人工时效）：将铸件缓慢升温至500 600，经48小时的保温，再缓慢冷却下来。2.改善切削加工性 的退火（消除局部白口的软化退火）：将铸件加热到850 900，保温25小时，使Fe3C分解，然后随炉缓冷至400 500，而后出炉空冷 8-4、黑心可锻铸铁的退火工艺过程如何？ 答：黑心可锻铸铁的退火工艺是要进行第一、二阶段的石墨化过程。 第一阶段的石墨化过程：把白口铁加热到9001000，经一定时间， 使铸态的奥氏体渗 碳体组织转变为奥氏体团絮状石墨组织。 第二阶段的石墨化过程：从高温逐步降温，在共析转变温度范围（750 720），使共析渗 碳体（可能出现的二次渗碳体）充分分解，缓慢冷却,并最终获得铁素 体团絮状石墨组织。 8-6、球墨铸铁的性能有何特点？ 答：球墨铸铁具有灰铸铁的一系列优点，如良好的铸造性能，减摩 性，可切削性及缺口敏感性等。 球墨铸铁的疲劳强度大致与中碳钢相似，耐磨性甚至还优于表面淬火 钢。 球墨铸铁通过合金化和热处理，还可获得具有下贝氏体、马氏体、屈 氏体、索氏体和奥氏体等组织。 9-1、名词解释 1、 形变铝合金-成分小于Al-Me合金相图中的D的合金在加热 时能形成单相固溶体，这种合金塑性好，适于压力加工的合 金 2、 铸造铝合金-成分大于Al-Me合金相图中的D点的合金，具 有低熔点共晶组织（）流动性好，适于铸造，但塑性 低，不适于压力加工的合金 3、时效强化-淬火后铝合金随时间延长而发生强化现象的铝合金。 4、硅铝明-Al-Si系铸造铝合金称为硅铝明。 5、 变质处理-浇铸前向合金中加入2/3NaF1/3NaCl混合物的变 质剂,加入量为合金重量的23%. 6、黄铜-Cu-Zn系合金称为黄铜。