工程材料及其应用课后答案

第一章材料的性能什么是金属材料的力学性能金属材料的力学性能包含哪些方面度硬度塑性韧性和疲劳强度等上有什么意义属强度的主要指标有屈服强度和抗拉强度。试验中衡量塑性的指标有延伸率和断面收缩率。什么是硬度指出测定金属硬度的常用方法和各自的优缺点。硬度是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。生产中测定硬度最常用的方法有是压入法，应用较多的布氏硬度洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。也比较麻烦；因压痕大，不以测试成品和薄片金属的硬度。没有联系，不能直接进行比较。间满足所规定条件的约束，也不洛氏硬度试验是不同标尺的硬度无法统一的弊行计算或查表，因此工作效率比洛氏硬度低得多。在下面几种情况下，该用什么方法来测试硬度写出硬度符号。（2）（3）（4）（5）硬质合金刀片；HRC。检查材料库中钢材硬度采用布氏硬度试验来测定，硬度值符号HBW。来测定，硬度值符号HRC。黄铜轴套硬度采用布氏硬度试验来测定，硬度值符号HBW。硬质合金刀片采用洛氏硬度试验来测定，硬度值符号HRC1-6a指标有什么应用意义K冲击韧性是指金属材料在冲击力作用下，抵抗破坏的能力。冲击韧性aK

代表了在指定温度下，材料在缺口和冲击载荷共同作用下脆化的趋势及其程度，是一个对成分、组织、结构极敏感的参数。一般把冲击韧性值a低的材料称为脆性材料，把冲击韧性值a高的称为韧性材料。K K1-7区别试举出一些零件在工作中分别存在着两种应力的例子。危险性。一个应力循环。常见的循环应力有以下几种：(1)对称交变应力，如火车轴的弯曲对称交变应力，曲轴的扭转交变应力。(2)脉动应力，如齿轮齿根的循环弯曲应力；轴承应力则为循环脉动压应力。(3)波动应力，如发动机缸盖螺栓的循环应力。(4)不对称交变应力，如汽车，拖拉机和飞机零件在运行工作时因道路或云层的变化，其变动应力呈随机变化。第二章材料的结构2-1：1g铁在室温和1000℃时各含有多少个晶胞（Fe的相对原子质量56）21g1 1晶胞数为N= N56 2

1= 112 A1000℃时:铁为面心立方结构，每个晶胞中的原子数为4个，所以1g铁含有的1 14晶胞数为N= N456

1= 224 A2-2（1011[111]，[110]，[112]，[-111]。求面心立方晶体中[112d=√(a2+(√2/2a)2=√(3/2)a小的单晶体所组成的，每个晶粒的原子位向是不同的。√抵消平衡，因而表现各向同性。简述实际金属晶体和理想晶体在结构与性能上的主要差异。理想晶体中原子完全为规则排列，实际金属晶体由于许多因素的影响，使这些原子排列受到干扰和破坏，内部总是存在大量缺陷。如果金属中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随着晶体中缺陷的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。因此，无论点缺陷，线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变，从而使晶体强度增加。同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻，降低金属的抗腐蚀性能。简述间隙固溶体和间隙化合物的异同点。间隙固溶体和间隙化合物都是溶质原子嵌入晶格间隙形成的。组成它的任一组元，它是以分子式来表示其组成。-70材料。试解释他们在结构上的区别。高聚物在不同温度下有三种力学状态：玻璃态、高弹态、粘流态。前者在室温下是橡胶态，-70℃时变硬，说明其玻璃态转变温度T约为-70℃g陶瓷的典型组织由哪几部分组成他们对陶瓷性能各起什么作用陶瓷材料是多相多晶材料，其结构中同时存在：晶体相（晶相气相，各组成相的结构、数量、形态、大小及分布决定了陶瓷的性能。陶瓷性能；陶瓷晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。击穿强度下降，绝缘性降低。第三章材料的凝固与结晶为什么金属结晶时必须过冷由热力学第二定律可知：在等温等压条件下，过程自动进行的方向总是向着Tm为什么金属结晶时常以枝晶方式长大在不平衡凝固过程中，固相中溶质浓度分布不均匀，凝固结束时，晶体中成析。w(Pb=50%w(Sn=50%)Pb-Sn及慢速度冷却至室温，求合金显微组织中相组成物和组织组成物的相对量。图3-1Pb-Sn合金相图 图3-2w(Pb=50%)Pb-Sn合金室温组织由相图（图3-1）可知，成分为w(Pb=50%)、w(Sn=50%)的Pb-Sn合金（共晶合金αααII（3-2。α相的相对量为：1-（）/α（）/β请根据图分析解答下列问题：1、21、25%ß解1（2：合金的冷却曲线如图3-3所示。t0L1L→α2α→β∏3图3-3 合金t0L1L→α2α→β∏3以上，合金处于液相；1~2，L→α，Lα2固完毕；α；2~3，α→β。α→β，IαβII对量为Mα=Mα=18%

,其相对量与组成物相同。IIT3-4Tt0LL→β初2，L→α+β2α→βt0LL→β初2，L→α+β2α→β∏其结晶过程如下：以上，合金处于均匀的液相；1~2L→β；初时，两相平衡共存，==β；2~2，时，剩余液相发生共晶反应：==α+β2~3时，发生脱溶转变，α→β∏室温下，IIαβMα=Mα=88%II

+（α+β）

；组织组成物的相对量为：初 共

m = =1-

=25%解(3)：w=x，由题意知：B

β初（α+β）共晶 β初Tm =/x=，wTβ初 B画出相图，标出相区及各主要点的成分和温度，并回答下列问题：（1）45、60、T12钢的室温平衡组织分别是什么它们从高温平衡冷却到室温要经过哪些转变45钢60

室温平衡组织： 铁素体 +珠光体P冷却过程：匀晶转变→+δ，包晶转变+δ→γ，同素异晶转变γ→α+γ，共析转变γ→(α+Fe3C)。室温平衡组织：铁素体 +珠光体Pδ，δγ，γ→α+γ，共析转变γ→(α+Fe3C)。T12

PFeC3；当温度到达ES线以下时，过饱和的固溶体γ中析出渗碳体（Fe3CIIγ的成分变S%C)；γα+Fe3C)，画出纯铁45T12图3-345钢的室温平衡组织（铁素体 +珠光体P）图3-4 T12钢的室温平衡组织（珠光体P+渗碳体FeC）345T1245αPα+γ相区，共析温度727ºC。0.770.45Q0.770.021842.77%0.450.0218QP0.770.021857.23%T12钢的Q=αQ=%=%P计算鉄碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大的相对量。WFe =3CⅡWFe

=*100%=33%3CⅢ二次渗碳体的最大百分含量为%，三次渗碳体的最大百分含量为%应用相图解释下列现象：①钢柳丁一般用低碳钢合成；钢柳丁一般要求具有良好的塑性和韧性，所以钢柳丁一般要求用低碳钢合成。（镀锌低碳钢丝6570；（碳的质量分数在（碳的质量分数在绑扎物件时，易于操作；而606570③T8钢的强度高于T12钢的强度。强度＞T12钢，因为强度是一个组织敏感量，当含碳量超过%以后，二次渗碳体呈网状分布，将珠光体分割开，因此强度下降。75%，铁素体量25928%种合金各属于哪一类合金其含碳量各为多少到%。4w(C)=%、w(C)=w(C)=%、w(C)=%。根据你所学的知识，可用那些办法来区别他们答：第一种：根据金相实验铁碳相图来区别它们：含碳量分别为w(C)=%的αw(C)=%的鉄碳合金金相由αw(C)=%相和二次渗碳体组成；而含碳量分别为w(C)=%的鉄碳合金金相主要由变态莱氏体（Ld’）相和一次渗碳体相组成。按照其硬度大小可得其含碳量的大小。的方法。下方法：增加过冷度；进行变质处理（孕育处理；振动和搅拌。3个部分。互接触，便形成了表层细晶区。第四章金属的塑性变形及再结晶为什么室温下金属的晶粒越细，强度硬度越高，塑性与韧性也越好丝被折断，试解释该过程演变的原因。积，使铁丝的屈服强度增大。什么是加工硬化其产生的原因是什么加工硬化在工程上带来哪些利弊金属在再结晶温度以下进行塑性变形，变形后硬度、强度升高，塑性、韧性降低的现象称为应变硬化，或加工硬化。（1）（2）吸收、存储部分变形能，有残余应力存在。模孔的部分，这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。冷变形对金属组织和性能有何影响④冷压力加工过程中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间引起零件尺寸不稳定。响金属在冷塑性变形过程中会产生残余压应力和残余拉应力。残余应力会导致之。用冷拔铜丝做导线，冷拔后应如何处理为什么织，为什么需要的时间越短。越大，再结晶速度越快。材料的纯度：微量的溶质原子对再结晶影响巨大。溶质或杂质原子偏聚在再结晶温度升高。原始晶粒尺寸：原始晶粒越细或者退火时间增长都会降低在结晶温度。第二相粒子：粒子较粗大，间距较远——促进再结晶，粒子细小，间距小——阻碍再结晶。（如锻造时加工硬化现象金属与合金在再结晶温度以上进行的塑性变形，称为热变形或热加工。改善铸造组织缺陷：铸造组织往往含有缩松、气孔等缺陷，热变形时被压材料经热变形后，虽然没有应变硬化，但力学性能明显提高。性能，应避免和消除。热变形后的晶粒变化：终止热变形时的温度、总变形量和热变形后的冷却从而获得高的力学性能。采用低的终止变形温度，大的变形量，快的冷却速度，可以得到细小的晶粒。了加工硬化。进行弯折，铅板又像最初一样柔软，这是什么原因（328℃）小于再结晶温度的加工称为冷加工；大于再结晶温度的加工称为热加工。在加工硬化。经计算：T＝－33℃所以，室温下弯折属于热加工，消除了加工硬化。说明亚共析钢、共析钢、过共析钢奥氏体化的过程。把实际加热时发生的相变临界温度用A A A 表示而冷却时的临界温度用A

A 表示。

c1、

c3、

ccmr1、

r3、

rcm（1）奥氏体形核。奥氏体晶核首先在铁素体相界面处形成（2）奥氏体FeC（3）残余渗碳体溶解。在奥氏体形成的过程中，铁素（4）CCCC形成成分较为均匀的奥氏体。亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢的相似，不同的是，在室温下Ac1

以上时，首先是其中的珠光体转变为奥氏体（这一过程与共析钢相同，而此时还有先共析相（铁素体或渗碳体）共析钢来说，加热温度超过Ac3

后，先共析铁素体才逐渐转变为奥氏体；对共析钢来说，加热温度超过Arcm

后，先共析渗碳体才会全部溶解到奥氏体中去。和水中冷却，各得到什么组织力学性能有何差异（MSVk）①当冷却速度V＜V/时，冷却曲线与珠光体转变开始线相交便发生P，K与终了线相交时，转变便告结束，形成全部的珠光体。V/＜VK

时，冷却曲线只与珠光体转变开始线相交，而不K再与转变终了线相交，但会与中止线相交，这时奥氏体只有一部分转变为珠光体。冷却曲线一旦与中止线相交就不再发生转变，只有一直冷却到 线以下才发生马氏体转变。并且随着冷速 V的增大，珠光体转变量越来越少，而马氏体量越来越多。③当冷速 V＞VK

时，冷却曲线不再与珠光体转变开始线相交，即不发生P，而全部过冷到马氏体区，只发生马氏体转变。此后再增大冷速，转变情况不再变化。由上面分析可见，VK

是保证奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷速，称为“上临界冷速”，通常也叫做“淬火临界冷速”。 V/则是保证奥氏体在连续冷却过程中全部分K解而不发生马氏体转变的最大冷速，称为“下临界冷速”。④共析碳钢的连续冷却转变只发生珠光体转变和马氏体转变，不发生贝氏体转变，也就是说，共析碳钢在连续冷却时得不到贝氏体组织。但有些钢在连续冷却时会发生贝氏体转变，得到贝氏体组织。组织和性能。根据等温温度不同，其转变产物有珠光体型和贝氏体型两种。高温转变Ac1～650℃珠光体 P粗片状铁素体与渗碳体混合物 HRC<25；650～600℃索氏体 S600倍光学金相显微镜下才能分辨的细片状珠体HRC为25～35；600～550℃托氏体 T在光学金相显微镜下已无法分辨的极细片状珠光体HRC为35～40；中温转变550～350℃上贝氏体 B上羽毛状组织HRC40～45；350℃～Ms 下贝氏体B下黑色针状或称竹叶状组织 HRC45～55；VkVkVkVkCoAl(>%)CVk什么是马氏体其组织形态和性能取决于什么因素马氏体转变有何特点马氏体最初是在钢（中、高碳钢）中发现的：将钢加热到一定温度（成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。其组织形态和性能取决于材料和淬火速率。马氏体相变属于一种广义的位移型无扩散相变，以切变位移为其特征，新旧相成分不变。相变特征是：①新相与母相之间有一定的位向关系。例如 Fe-C合金的体心四方马氏体（M）与面心立方奥氏体(γ)──碳在γ-Fe中的固溶体──间有，。②相界面是确定的晶面，称为惯习面。例如含碳量为～1.4C的Fe-C合金的惯习面是。惯习面在相变过程中不畸变不转动（即所谓不变平面。③转变区由于形成马氏体发生切变，所以在平的样品表面上会出现浮凸。④马氏体形态呈片状或条状，内有亚结构，往往是孪晶。⑤是一级相变，具有成核成长过程。⑥晶体长大速率接近声速b.（或孕育期依赖于温度,具有虑转变后期马氏体的极限量则同样满足变温转变的动力学方程。⑧转变的不完全性。由于多数钢的M（马氏体转变结束的温度点）在室温以f（A，r随碳含量的增加，Ar的量。

也随之增加。一般钢经过淬火后要经过深冷处理来减少Ar下列说法是否正确为什么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)Vk（马氏体硬度取决于含碳量,与冷却速度无关）本质细晶粒钢的晶粒总是比本质粗晶粒钢的晶粒细（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）件的淬透性好（却介质无关）马氏体中的碳含量等于钢中的碳含量；（多采用正火）留一段时间，在整体投入水中冷却。说明两次水冷的作用及水冷后的组织。分级淬火的目的是使工件内部温度趋于一致，减少在后续冷却过程中的内应力及变形和开裂倾向。淬火后产生马氏体组织。45简单的方法将他们区分开为什么更好，微观晶粒更细化。12780860温，试问：哪个温度淬火后马氏体晶粒粗大因为860℃加热温度高，加热时形成的奥氏体晶粒粗大，冷却后得到的马氏体晶粒较粗大。哪个温度淬火后参与奥氏体多因为加热温度860℃已经超过了A，此时碳化物全部溶于奥氏体中，使奥ccm氏体中含碳量增加，降低钢的M和M点，淬火后残余奥氏体增多。s哪个温度淬火后未溶碳化物量多860℃

f，此时碳化物全部溶于奥氏体中，因此加热淬火后未溶碳化物较少。哪个温度淬火合适为什么

ccm780℃Ac+（30～50℃780℃1织，使钢具有高的强度、硬度和耐磨性，而且也具有较好的韧性。什么是钢的淬透性和淬硬性它们对于钢材的使用各有何意义速度冷却时，获得的马氏体组织所能达到的最高硬度。回火的目的是什么为什么淬火工件务必要及时回火回火是工件淬硬后加热到 AC1以下的某一温度，保温一定时间，然冷却到室温的热处理工艺。回火的目的有一下几方面：满足各种工件的不同性能的要求，可以通过适当回火的配合来调整硬度，减小脆性，得到所需要的韧性，塑性。稳定工件尺寸，保证精度；对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火（或正火）回火，使钢中碳化物适当聚集，将硬度降低，以利切削加工。淬火工件务必要及时回火是为了降低脆性，防止开裂。高温回火有高的弹性模量，而用淬火+中温回火热处理可以得到高弹性模量的回火屈氏体高温回火的热处理可以得到综合力学性能良好的回火索氏体。力学性能索氏体中的渗碳体是粒状的，粒状渗碳体阻止断裂过程的发展比片状渗碳体有利。T12（碳素工具钢）钢制造的丝锥，其成品硬度要求为〉60HRC12-机加工。写出个热处理工序的名称及作用；2硬度。回火是降低脆性还有释放淬火产生的应力制订最终热处理的工艺规范（加热温度冷却介质。第一次热处理是去应力退火：升温到500℃-650℃，保温后随炉冷却。第二次热处理是刃部的低温淬火和低温回火：温度升高到300-500℃，用150~250°C1-35-15204520下降，若含碳量过高，心部韧性下降。45﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。5-162045宜采用何种热处理工艺热处理后的组织和性能有何不同答：20钢（低碳钢：渗碳后淬火+低温回火，表面得到高碳回火马氏体，硬度、耐磨性提高。45钢（中碳钢）制造的齿轮：表面感应加热淬火，控制冷能和组织不发生变化。第六章钢铁材料钢的耐磨性、热硬性比碳钢高合金元素加入后并经适当的热处理，可使钢的力学性能提高或得意改善。合金元素（除Co）加入后使钢的淬透性增加，因此获得同样组织时合金合金工具钢由于含有一些合金合金工具钢的耐磨性、热硬性比碳钢高。哪些场合V、Ti、Nb、Al等强碳（氮）化合物形成元素，所产生的细小化合物质点即可通过（尤其是韧化作用。这类钢经常用于制作大型构件。现有40Cr钢制造的机床主轴，心部要求良好的强韧性200~300HBW处要求硬而耐磨（54~58HRC，试问：应进行那种预备热处理和最终热处理预备热处理：淬火+高温回火；最终热处理：轴颈表面淬火热处理后各获得什么组织预备热处理后获得回火索氏体；最终热处理后获得表面回火马氏体、心部回火索氏体。各热处理工序在加工工艺路线中位置安排20CrMnTi58~62HRC，心部硬度为35~40HRC⑴齿轮生产工艺路线：下料→锻造→正火→加工齿形→渗碳→预冷淬火→低温回火→喷丸→精磨920～9406h920～9406h84090min油冷23090min空冷）℃（度温时间⑶正火：消除锻造应力；细化晶粒；降低硬度，改善切削加工性能。预冷淬火＋低温回火：获得表层的高硬度；心部的高强度和高韧性。喷丸：消除表面氧化皮，提高表面质量；使表面留存残余压应力，提高疲劳强度。⑷表层：高碳回火马氏体＋渗碳体或碳化物；心部：低碳回火马氏体＋屈氏体。采用哪些措施提高弹簧使用寿命6-6可以，高碳铬轴承钢也可用于制造精密量具，冷冲模，机床丝杠等耐磨件。Cr(FeCr)C、CrC3 73Cr(FeCr)C、CrC3 73金渗碳体。20CrHRC60；热处理：（930±10）℃Ar(850-880℃)后直接淬火，然后3进行150-230℃、1-2h低温回火。主要用作小齿轮、小轴、活塞销等。40Cr500-650℃高温回火。常用做轴类零件、齿轮、连杆；GCr9150-160℃2-3h20mm50CrV热处理：950℃420-500℃进行中温回火。用作弹簧。试分析高速工具钢中，碳与合金元素的作用及高速工具钢热处理工艺特点。为什么高速工具钢中，含碳量有普遍提高的趋势物相；钨元素是提高钢红硬性的主要元素；Cr元素的加入