机械工程材料(于永泗-齐民)课后习题答案(全)

机械工程材料机械工程材料 课后习题答案课后习题答案 于永泗 齐民 1 1 可否通过增加零件尺寸来提高其弹性模量 可否通过增加零件尺寸来提高其弹性模量 解 解 不能 弹性模量的大小主要取决于材料的本性 除随温度升高 而逐渐降低外 其他强化材料的手段如热处理 冷热加工 合金化 等对弹性模量的影响很小 所以不能通过增大尺寸来提高弹性模量 1 2 工程上的伸长率与选取的样品长度有关 为什么 工程上的伸长率与选取的样品长度有关 为什么 解 解 伸长率等于 当试样 d 不变时 增加 则伸长率 下降 只有 当 为常数时 不同材料的伸长率才有可比性 所以伸长率与样品长 度有关 1 3 和两者有什么关系 在什么情况下两者相等 和两者有什么关系 在什么情况下两者相等 解 解 为应力强度因子 为平面应变断裂韧度 为的一个临界值 当 增加到一定值时 裂纹便失稳扩展 材料发生断裂 此时 两者相 等 1 4 如何用材料的应力 如何用材料的应力 应变曲线判断材料的韧性 应变曲线判断材料的韧性 解 解 所谓材料的韧性是指材料从变形到断裂整个过程所吸收的能量 即拉伸曲线 应力 应变曲线 与横坐标所包围的面积 2 1 从原子结构上说明晶体与非晶体的区别 从原子结构上说明晶体与非晶体的区别 解 解 原子在三维空间呈现规则排列的固体称为晶体 而原子在空间 呈无序排列的固体称为非晶体 晶体长程有序 非晶体短程有序 2 2 立方晶系中指数相同的晶面和晶向有什么关系 立方晶系中指数相同的晶面和晶向有什么关系 解 解 相互垂直 2 4 合金一定是单相的吗 固溶体一定是单相的吗 合金一定是单相的吗 固溶体一定是单相的吗 解 解 合金不一定是单相的 也可以由多相组成 固溶体一定是单相 的 3 1 说明在液体结晶的过程中晶胚和晶核的关系 说明在液体结晶的过程中晶胚和晶核的关系 解 解 在业态经书中存在许多有序排列飞小原子团 这些小原子团或 大或小 时聚时散 称为晶胚 在以上 由于液相自由能低 晶胚 不会长大 而当液态金属冷却到以下后 经过孕育期 达到一定尺 寸的晶胚将开始长大 这些能够连续长大的晶胚称为晶核 3 2 固态非晶合金的晶化过程是否属于同素异构转变 为什么 固态非晶合金的晶化过程是否属于同素异构转变 为什么 解 解 不属于 同素异构是物质在固态下的晶格类型随温度变化而发 生变化 而不是晶化过程 3 3 根据匀晶转变相图分析产生枝晶偏析的原因 根据匀晶转变相图分析产生枝晶偏析的原因 解 解 枝晶偏析 在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内 成分不均 匀的现象叫做枝晶偏析 结合二元匀晶转变相图可知 枝晶偏析 产生的原因是固溶体合金的结晶只有在 充分缓慢冷却 的条件下 才能得到成分均匀的固溶体组织 然而在实际生产中 由于冷速较 快 合金在结晶过程中 固相和液相中的原子来不及扩散 使得先 结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素 而后结晶的枝晶中含有较 多低熔点元素 冷速越快 液固相间距越大 枝晶偏析越严重 3 4 结合相图分析含 结合相图分析含 0 45 C 1 2 C 和和 3 0 C 的的 Fe C 合金在缓慢合金在缓慢 冷却过程中的转变及室温下的组织 冷却过程中的转变及室温下的组织 解 解 0 45 C L L L L e P 室 温组织 P 1 2 C L L 二次渗碳体 二次渗碳体 室 温组织 P 二次渗碳体 3 0 C L L L Le Le 二次 渗碳体 P 二次渗碳体 一次渗碳体 Le 二次渗碳体 P 室温 组织 Le 二次渗碳体 P 3 6 说明 说明 Fe C 合金中合金中 5 种类型渗碳体的形成和形态特点 种类型渗碳体的形成和形态特点 解 解 一次渗碳体 由液相直接析出 黑色的片层 二次渗碳体 含 碳量超过 0 77 的铁碳合金自 1148 冷却至 727 时 会从奥氏体 中析出二次渗碳体 沿奥氏体晶界呈网状排列 三次渗碳体 铁 碳合金自 727 向室温冷却的过程中 从铁素体析出的为三次渗碳 体 不连续网状成片状分布于铁素体晶界 共晶渗碳体 共晶白口 铸铁由液态冷却到 1148 是发生共晶反应 产生共晶奥氏体和共晶 渗碳体 为白色基体 共析渗碳体 共析钢液体在发生共析转变时 由奥氏体相析出铁素体和共析渗碳体 为黑色的片层 3 7 说明金属实际凝固时 铸锭的 说明金属实际凝固时 铸锭的 3 中宏观组织的形成机制 中宏观组织的形成机制 解 解 铸锭的宏观组织由表层细晶区 柱状晶区和中心等轴晶区 3 个 晶区组成 表层细晶区 当高温的液体金属被浇注到铸型中时 液体金属首先与铸型的模壁接触 一般来说 铸型的温度较低 产 生很大的过冷度 形成大量晶核 再加上模壁的非均匀形核作用 在铸锭表面形成一层厚度较薄 晶粒很细的等轴晶区 柱状晶区 表层细晶区形成以后 由于液态金属的加热及凝固时结晶潜热的放 出 使得模壁的温度逐渐升高 冷却速度下降 结晶前沿过冷度减 小 难以形成新的结晶核心 结晶只能通过已有晶体的继续生长来 进行 由于散热方向垂直于模壁 因此晶体沿着与散热方向相反的 方向择优生长而形成柱状晶区 中心等轴晶区 当柱状晶区长大 到一定程度 由于冷却速度进一步下降及结晶潜热的不断放出 使 结晶前沿的温度梯度消失 导致柱状晶的长大停止 当心部液体全 部冷却至实际结晶温度一下时 以杂志和被冲下的晶枝碎片为结晶 核心均匀长大 形成粗大的等轴晶区 4 1 为什么室温下金属的晶粒越细 强度 硬度越高 塑型 韧性 为什么室温下金属的晶粒越细 强度 硬度越高 塑型 韧性 也越好 也越好 解 解 因为金属的晶粒越细 晶界总面积越大 位错障碍越多 需要 协调的具有不同位向的晶粒越多 金属塑性变形的抗力越高 从而 导致金属强度和硬度越高 金属的晶粒越细 单位体积内晶粒数目 越多 同时参与变形的晶粒数目也越多 变形越均匀 推迟了裂纹 的形成于扩展使得在断裂前发生了较大的塑性变形 在强度和塑型 同时增加的情况下 其塑型和韧性越好 4 2 黄铜铸件上的数码不慎搓掉如何识别数码 黄铜铸件上的数码不慎搓掉如何识别数码 解 解 用加热使它再结晶的方法可以使原来的数码再呈现 因为打字 时会使铸件打字处产生塑性变形 有预变形存在 通过加热再结晶 可使晶粒晶粒恢复到预变形之前的状态 使之显现出数码 4 3 金属铸件的晶粒往往粗大 能否通过再结晶退火来细化其晶粒 金属铸件的晶粒往往粗大 能否通过再结晶退火来细化其晶粒 为什么 为什么 解 解 不能 因为铸件没有产生预变形 故不能采用再结晶的方法 4 4 铜只是通过冷加工及随后加热来细化晶粒 而铁则不需要冷加 铜只是通过冷加工及随后加热来细化晶粒 而铁则不需要冷加 工 只需加热到一定温度便可使晶粒细化 为什么 工 只需加热到一定温度便可使晶粒细化 为什么 解 解 因为铜不存在同素异构的现象 加热时晶体的结构不发生变形 所以采用冷加工破碎晶粒 产生预变形 从而来消除应力 而铁存 在同素异构的现象 固态变相组织要比晶粒组织细 因此只需加热 到一定温度便能使晶粒细化 4 5 下列齿轮饼坯的加工方法中 哪种方法正确 为什么 下列齿轮饼坯的加工方法中 哪种方法正确 为什么 1 从热轧厚钢板上切下圆饼 从热轧厚钢板上切下圆饼 2 从热轧粗钢棒上切下圆饼 从热轧粗钢棒上切下圆饼 3 由热轧钢棒镦成圆饼 由热轧钢棒镦成圆饼 解 解 选择由热轧钢棒镦成圆饼 因为这样可以控制铜的纤维素的走 向与受力方向一致 4 6 用冷拉铜丝绳 承受能力远超过工件质量 吊送刚出炉热处理 用冷拉铜丝绳 承受能力远超过工件质量 吊送刚出炉热处理 工件去淬火 但在此工程中 铜丝发生断裂 为什么 工件去淬火 但在此工程中 铜丝发生断裂 为什么 解 解 原因是 冷拉钢丝绳经冷塑加工强度提高 强度大于载荷 但 吊运热工件时其温度升高 使原子扩散能力升高 从而使其产生回 复再结晶 晶粒恢复到以前的状态 强度降低 最终发生断裂 4 7 钨在 钨在 1100 下的变形加工和锡在室温下的变形加工是冷加工还下的变形加工和锡在室温下的变形加工是冷加工还 是热加工 为什么 是热加工 为什么 解 解 再结晶温度 熔化温度 0 4 钨的熔点为 3380 其再结晶温 度为 3380 273 0 4273 1187 加工温度小于再结晶温度 所以 属于冷加工 锡的熔点为 232 其再结晶温度为 232 237 0 4273 71 室温 25 大于再结晶温度 所以属于热加工 4 8 在冷拔钢丝时常进行中间退火 原因 如何选择中间退火的温 在冷拔钢丝时常进行中间退火 原因 如何选择中间退火的温 度 度 冷拔过程中产生很大应力 在使用过程中要把这种应力消除 使用 中间退火会细化晶粒 产生预变形 使强度和硬度提升 消除应力 选取 的温度应该小于再结晶温度 4 9 用冷拔高碳钢丝缠绕螺旋弹簧 最后要进行何热处理 原因是 用冷拔高碳钢丝缠绕螺旋弹簧 最后要进行何热处理 原因是 解 解 进行去应力退火 冷拔过程中产生很大应力 退火保证弹簧不会由 于应力不确定而恢复原形 同时对弹簧的定型处理可以保证弹簧的弹 力 4 10 反复弯折退火钢丝时 会感到越弯越硬 最后断裂 为什么 反复弯折退火钢丝时 会感到越弯越硬 最后断裂 为什么 解 解 反复弯折会使晶粒变细 因而硬度提高 同时产生应力 使塑性降 低 从而会被折断 5 3 判断下列说法正误 并说明原因 解 解 1 马氏体是硬而脆的相马氏体是硬而脆的相 错 马氏体是硬的相 渗碳体才是脆的 相 2 过冷奥氏体的冷却速度大于过冷奥氏体的冷却速度大于 VkVk 时时 则冷速越大则冷速越大 所得马氏体的所得马氏体的 硬度越高 硬度越高 错 马氏体硬度取决于含碳量 与冷却速度无关 3 钢中的合金元素含碳量越高钢中的合金元素含碳量越高 其淬火后的硬度也越高 其淬火后的硬度也越高 错 合金元素 对淬透性的影响大 但对硬度影响小 4 4 本质细晶粒钢的晶粒总是比本质粗晶粒钢的晶粒细 本质细晶粒钢的晶粒总是比本质粗晶粒钢的晶粒细 错 晶粒的大 小与加热温度和保温时间有关 本质细晶粒钢只是加热时长大的趋向 比本质粗晶粒钢小 但不代表本身比本质粗晶粒钢的晶粒细 5 5 同种钢材在同样的加热条件下同种钢材在同样的加热条件下 总是水冷的比油冷的淬透性好总是水冷的比油冷的淬透性好 小小 件的比大件的淬透性好 件的比大件的淬透性好 错 钢的淬透性取决于其临界冷却速度 与 工件尺寸和冷却介质无关 5 4 生产中常把加热到淬火温度的钳工扁铲的刃部蘸入水中急冷后 生产中常把加热到淬火温度的钳工扁铲的刃部蘸入水中急冷后 出水停留一会出水停留一会 再整体投入水中冷却再整体投入水中冷却 两次水冷的作用及水冷后的组织 两次水冷的作用及水冷后的组织 解 解 刃部入水急冷淬火 得马氏体 出水停留一段时间为回火得回火马 氏体 再整体入水 抑制继续回火 保留回火组织 5 5 用 用 20 钢进行表面淬火和用钢进行表面淬火和用 45 钢进行渗碳处理是否合适 为什钢进行渗碳处理是否合适 为什 么 么 解 解 20 钢不适合表面淬火 含碳量低会降低硬度和耐磨性 45 钢不 适合渗碳处理 碳含量足够 渗碳使低碳钢工件表面获得较高碳浓度 5 6 钢经表面淬火或渗碳后 钢经表面淬火或渗碳后 表层的残余应力是拉应力还是压应力 表层的残余应力是拉应力还是压应力 原因 原因 解 解 压应力 因表面低温 收缩后心部的高温区产生塑性变形 冷却后 内部部分弹性变形恢复 5 7 一批 一批 45 钢零件进行热处理时 不慎将淬火件和调质件弄混 钢零件进行热处理时 不慎将淬火件和调质件弄混 如何区分开 为什么 如何区分开 为什么 解 解 用锯片试锯 淬火件比调质件难锯 因为淬火后工件硬度提高 二 调质会降低硬度 5 8 将两个 T12 钢小试样分别加热到 780 和 860 保温后以大于 的速度冷却至室温 试回答问题 并说明原因 解 解 1 1 哪个温度淬火后马氏体晶粒粗大 哪个温度淬火后马氏体晶粒粗大 860 温度越高 奥氏体晶粒 成长越快 2 2 哪个淬火后残余奥氏体量多 哪个淬火后残余奥氏体量多 860 温度高 奥氏体含碳 量高 转化充分 冷却时奥氏体越多 3 3 哪个淬火后末溶碳化物量多哪个淬火后末溶碳化物量多 780 溶碳能力较小 4 4 哪个淬火适合 哪个淬火适合 780 因淬火加热温度以得到均 匀细小奥氏体为原则 以便淬火后获得细小马氏体组织 高温下奥氏体 易长大形成粗大奥氏体组织 故 780 加热好 5 9 分别用 分别用 45 钢和钢和 15 钢制造机床齿轮钢制造机床齿轮 要求齿表面具有高的硬度和要求齿表面具有高的硬度和 耐磨性耐磨性 心部具有良好的韧性心部具有良好的韧性 安排工艺路线安排工艺路线 热处理工序目的及使用热处理工序目的及使用 状态下的组织 状态下的组织 解 解 45 下料 锻造 退火 调整硬度 机加工 调质 得到颗粒状渗碳体 精 加工 表面淬火加低温回火 加强强度和韧性 精加工 表层回火马氏体 心部回火索氏体 15 下料 锻造 正火 调整硬度 机加工 渗碳 提高表面 硬度耐磨性 淬火加回火 加强强度和韧性 磨削 表层回火马氏体碳化 物 心部回火索氏体 第六章第六章 6 1 钢的质量为什么以磷 钢的质量为什么以磷 硫的含量来划分 硫的含量来划分 解 解 磷对钢有固化作用 降低塑性韧性 产生冷脆现象 硫在加热时会 使钢发生热脆现象 对钢质量影响很大 6 2 什么是合金钢 什么是合金钢 与碳钢相比合金钢有哪些优点与碳钢相比合金钢有哪些优点 为什么为什么 解 解 指为了提高钢的性能 在碳钢基础上有意加入一定量的合金元素 所获得的铁基合金 强度高 塑性韧性好 焊接性好 冷热压力加工性能 好 耐腐蚀性好 因为加入了金属成分 6 3 加入钢中的合金元素的作用 加入钢中的合金元素的作用 举例 举例 解 解 Cr 含量高 不锈钢 含量低 提高强度 Mn 提高耐磨性 细化晶粒 根 据加入的元素可提高强度 韧性 耐磨性 耐腐蚀性 加工性能 机械性能 6 4 用 用 W18Cr4V 制作盘形铣刀制作盘形铣刀 安排其加工工艺路线安排其加工工艺路线 各热加工工序各热加工工序 的目的及使用状态下的组织 的目的及使用状态下的组织 解 解 工艺路线 下料 锻造 退火 降低硬度便于加工 基加工 淬火 得到 马氏体 多次回火 消除应力 减少残余奥氏体 磨削 回火马氏体 细颗 粒状碳化物加少量残余奥氏体 6 5 20CrMnTi 与与 T12 钢的淬透性与淬硬性差别钢的淬透性与淬硬性差别 原因 原因 解 解 前者是渗碳钢 低碳钢 淬透性好 淬硬性差 后者为高碳钢 淬透性 差 淬硬性好 6 8 说明碳素结构钢成分特点 说明碳素结构钢成分特点 常用热处理方法及使用状态下的组织常用热处理方法及使用状态下的组织 和用途 和用途 解 解 塑性高 可焊接性好 热轧空冷 铁素体加珠光体 热轧板 带 棒及型 钢使用 掌握碳素结构钢就行 6 9 说明下列牌号中 说明下列牌号中 Cr Mn 的作用 的作用 解 解 40Cr 提高强度 20CrMnTi Cr 提高韧性 Mn 细化晶粒 GCr15SiMn Cr 提高韧性强度 Mn 细化晶粒 06Cr18Ni9 提高电位 耐腐 蚀性 6 11 材料库中 材料库中 42CrMo GCr15 T13 60Si2Mn 要做锉刀要做锉刀 齿轮齿轮 汽车板簧汽车板簧 选选 材热处理方法及组织 材热处理方法及组织 解 解 锉刀 T13 下料 退火 加工 淬火 低温回火 回火马氏体加颗粒状碳 化物极少量残余奥氏体 齿轮 42CrMo 下料 退火 机加工 调质 精加工 表面淬火 低温回火 磨削 回火索氏体 板簧 60Si2Mn 下料 热处理 淬火 中 温回火 回火托氏体 缺少 6 12 请看书 第七章第七章 7 1 什么叫做石墨化 影响石墨化的因素 说明铸铁各阶段石墨化 什么叫做石墨化 影响石墨化的因素 说明铸铁各阶段石墨化 过程中的组织变化 过程中的组织变化 解 解 铸铁中碳原子的析出形成石墨的过程叫石墨化 影响 化学成 分 冷却速度 一 结晶时一次石墨 二次石墨 共晶石墨析出 加热时一次渗碳体 二次渗碳体和共晶渗碳体分离 二 冷却时共 析石墨析出和加热时共析渗碳体分解 7 3 指出下列铸件采用铸铁种类和热处理方式 说明 指出下列铸件采用铸铁种类和热处理方式 说明 解 解 1 机床床身 灰口铸铁 退火 消除内应力 2 柴油机 曲轴 球墨铸铁 淬火加低温回火 高硬度和耐磨性 3 液压泵 壳体 灰铸铁 表面淬火 同上 4 犁铧 可锻铸铁 石墨化加 退火 强度韧性塑性 5 冷冻机缸套 球墨铸铁 淬火加回火 消除内应力高强度和耐磨性 6 球磨机衬板 白口铸铁 淬火加 高温回火 高硬度 7 4 铸铁件表面 棱角和凸缘处硬度较高 难以机械加工 为什么 铸铁件表面 棱角和凸缘处硬度较高 难以机械加工 为什么 如何处理 如何处理 解 解 这些地方在浇注时冷却速度较快 形成了共晶白口状态 可退 火处理 7