2025年机械工程材料主编李占君课后习题答案

2025年机械工程材料主编李占君课后习题答案1.简述面心立方（FCC）与体心立方（BCC）晶体结构的核心差异，包括晶胞参数、配位数、致密度及典型金属。面心立方结构的晶胞为立方体，原子位于顶点和各面中心，晶胞边长a与原子半径r的关系为r=a√2/4。其配位数（每个原子周围最近邻原子数）为12，致密度（原子体积占晶胞体积的比例）约为0.74，属于最密堆积结构。典型金属包括铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）等。体心立方结构的晶胞同样为立方体，原子位于顶点和体心，原子半径r与晶胞边长a的关系为r=a√3/4。配位数为8，致密度约为0.68，堆积紧密程度低于FCC。典型金属有α-铁（α-Fe，温度低于912℃的纯铁）、铬（Cr）、钒（V）等。两者的本质差异在于原子排列的紧密程度和空间利用率，FCC因更高的致密度通常表现出更好的塑性，而BCC结构因滑移系较少（但滑移方向多）在强度和硬度上更具优势。2.解释过冷度对金属结晶过程的影响，并列举三种细化晶粒的常用方法。过冷度是理论结晶温度（T₀）与实际结晶温度（Tₙ）的差值（ΔT=T₀-Tₙ）。金属结晶需在过冷条件下进行，过冷度越大，液态金属中原子的活动能力越弱，原子团簇更易稳定存在，形核率（单位时间、单位体积内形成的晶核数）N显著增加；同时，晶核长大速度G虽也随过冷度增大而提高，但N的增长速率远超G，最终导致晶粒数量多、尺寸小。因此，过冷度是控制晶粒大小的关键因素之一。细化晶粒的常用方法包括：①增加过冷度：通过提高冷却速度（如采用金属型代替砂型），使实际结晶温度降低，ΔT增大，形核率提高；②变质处理（孕育处理）：在液态金属中加入难熔的细小质点（如钢中的钛、锆，铝合金中的钛、硼），作为外来晶核，增加形核数量；③振动或搅拌：通过机械振动、超声波或电磁搅拌，破坏正在生长的晶体，破碎的晶块可作为新晶核，促进形核。3.比较滑移与孪生两种塑性变形机制的异同，并分析加工硬化对材料性能的影响。滑移与孪生均为晶体塑性变形的基本方式，本质都是晶体内部原子的相对位移，但机制不同。滑移是晶体沿特定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）发生的逐层滑动，滑移面通常是原子密排面，滑移方向是原子密排方向，滑移后晶体位向不变；孪生则是晶体的一部分相对于另一部分以孪晶面为对称面发生切变，切变后两部分晶体形成镜面对称的位向关系，孪生变形量较小（通常不超过10%），且多发生在滑移困难的条件下（如低温、高应变速率或密排六方结构金属）。加工硬化（冷作硬化）是金属在塑性变形过程中，随着变形量增加，强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象。其本质是位错密度增加，位错间相互交截、缠结，阻碍位错运动。加工硬化的有利影响是可作为一种强化手段（如冷轧钢板提高强度），同时使材料在局部变形后因硬化而阻止变形继续集中，提高成形工艺的安全性；不利影响是后续加工（如冷冲压）需中间退火（回复或再结晶）消除硬化，增加成本；此外，加工硬化会降低材料的切削加工性，需调整刀具参数。4.详述钢的奥氏体化过程，并分析淬火冷却速度对马氏体转变及性能的影响。钢的奥氏体化（A化）是指加热时珠光体（P）、贝氏体（B）或马氏体（M）等组织向奥氏体（A）转变的过程，主要分为四个阶段：①奥氏体形核：在铁素体（F）与渗碳体（Fe₃C）的界面处，因成分、结构差异大，优先形成奥氏体晶核；②奥氏体长大：晶核向F和Fe₃C两侧扩展，F因与A结构更接近（均为铁基固溶体）先被消耗，Fe₃C逐渐溶解；③残余渗碳体溶解：F完全转变后，未溶解的Fe₃C继续向A中溶解，直至全部消失；④奥氏体成分均匀化：溶解完成后，A中碳及合金元素分布仍不均匀（原Fe₃C处碳含量高），需保温使成分均匀。淬火的关键是使A以大于临界冷却速度（V临）冷却，抑制珠光体（P）、贝氏体（B）转变，获得马氏体（M）。若冷却速度V≥V临，A全部转变为M，M是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，具有高硬度（随碳含量增加，硬度可达60HRC以上），但脆性大；若V<V临，部分A会转变为P或B，导致硬度不足。实际生产中，冷却速度并非越快越好：过快（如盐水淬火）会因内外温差大产生巨大内应力，导致变形甚至开裂；过慢（如空冷）则无法获得足够M。因此需选择合适介质（水、油、分级淬火介质），在保证V≥V临的同时降低应力。例如，中碳钢（如45钢）常用水淬，合金钢（如40Cr）因V临较低，可采用油淬，既保证硬度又减少开裂风险。5.对比40Cr与20CrMnTi的成分、热处理及应用特点。40Cr是中碳合金调质钢，碳含量约0.4%（保证强度），铬含量约1%（提高淬透性，使截面心部也能获得M），还含少量硅、锰（强化基体）。其典型热处理为调质处理（850℃油淬+500-600℃高温回火），获得回火索氏体（S回），具有优良的综合力学性能（强度、塑性、韧性匹配良好）。主要用于制造承受循环载荷、冲击的重要零件，如汽车半轴、机床主轴、齿轮等。20CrMnTi是低碳合金渗碳钢，碳含量约0.2%（保证心部韧性），含铬（提高淬透性）、锰（强化基体）、钛（形成TiC，阻止奥氏体晶粒长大，细化组织）。其热处理为渗碳（900-950℃渗碳，使表层碳含量达0.8-1.0%）+淬火（800-850℃油淬，表层形成高碳M）+低温回火（180-200℃，消除内应力，获得回火马氏体+残余奥氏体）。处理后表层硬度高（58-62HRC）、耐磨性好，心部因低碳未淬硬，保持良好的塑性和韧性（25-35HRC）。主要用于制造承受重载、冲击的耐磨零件，如汽车变速箱齿轮、拖拉机驱动齿轮等。6.分析灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁的石墨形态、性能及应用差异。灰铸铁的石墨呈片状（通过共晶凝固时石墨以片状方式生长），相当于在金属基体中嵌入大量微小裂纹，严重割裂基体连续性，因此其抗拉强度低（约100-300MPa）、塑性几乎为零，但抗压强度与钢接近（约600-1200MPa），且具有良好的减震性（片状石墨可吸收振动）、耐磨性（石墨脱落后形成储油坑）和铸造性能（流动性好）。主要用于承受压应力、对韧性要求不高的零件，如机床床身、发动机缸体、管道法兰。球墨铸铁的石墨呈球状（通过向铁水中加入球化剂如镁、铈，使石墨生长时各向同性），对基体的割裂作用大幅减小，基体强度利用率可达70-90%（灰铸铁仅30-50%），因此其抗拉强度（400-800MPa）、塑性（伸长率2-18%）和韧性接近钢，同时保留了铸铁的减震性和铸造性。主要用于承受动载荷的零件，如汽车曲轴、齿轮、液压缸体。可锻铸铁的石墨呈团絮状（实际是白口铸铁经石墨化退火获得，并非真正可锻造），团絮状石墨对基体的割裂作用介于片状和球状之间，因此其强度（300-450MPa）和塑性（伸长率2-12%）优于灰铸铁，但低于球墨铸铁。主要用于制造形状复杂、承受冲击的薄壁小件（壁厚≤20mm），如管接头、低压阀门、农机零件。7.简述铝合金的分类及典型热处理，对比硬铝与超硬铝的性能与应用。铝合金按加工方式分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金通过压力加工（轧制、挤压等）成型，要求塑性好，主要包括防锈铝（5系，Al-Mg合金，如5A02）、硬铝（2系，Al-Cu-Mg合金，如2A12）、超硬铝（7系，Al-Zn-Mg-Cu合金，如7A04）和锻铝（6系，Al-Mg-Si合金，如6A02）。铸造铝合金直接铸造成型，需流动性好，主要有Al-Si系（如ZL102）、Al-Cu系（如ZL201）等。铝合金的典型热处理是固溶处理+时效。固溶处理（加热至单相区后快冷）使合金元素溶解于基体，形成过饱和固溶体；时效（室温或加热）时，过饱和固溶体析出细小弥散的强化相（如硬铝中的θ相CuAl₂），产生沉淀强化。硬铝（如2A12）含Cu3.8-4.9%、Mg1.2-1.8%，经固溶+自然时效后，抗拉强度可达420-480MPa，硬度120-140HB，耐蚀性较差（需包铝保护），主要用于飞机蒙皮、框架等承受中等载荷的结构件。超硬铝（如7A04）含Zn5.1-6.1%、Mg2.1-2.9%、Cu1.4-2.0%，时效后析出η相（MgZn₂）和T相（Al₂Mg₃Zn₃），强化效果更强，抗拉强度可达560-680MPa（经冷加工可超700MPa），但耐蚀性更差（需阳极氧化处理），主要用于飞机大梁、起落架等承受高载荷的关键部件。8.对比热塑性塑料与热固性塑料的结构、成型及性能差异，举例说明应用。热塑性塑料的分子链为线性或支化结构，分子间以范德华力结合，加热时软化熔融（可反复加热-冷却），冷却后硬化，成型工艺包括注射成型、挤出成型、吹塑成型等。典型材料有聚乙烯（PE，分子链简单，柔软透明，用于薄膜、包装）、聚氯乙烯（PVC，含氯原子，耐化学腐蚀，用于管材、电线绝缘层）。其性能特点为韧性好、可回收，但耐热性较差（通常≤100℃）、易蠕变。热固性塑料的分子链在成型过程中发生交联反应，形成三维网状（体型）结构，加热时不熔融（仅分解），成型工艺多为模压成型、层压成型、浇铸成