工程材料及成型技术习题及答案

工程材料及成型技术习题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.下列材料中，属于复合材料的是（）A.玻璃钢B.高速钢C.硬质合金D.球墨铸铁2.金属的结晶过程中，晶核的形成方式主要有两种，它们是（）A.自发形核和非自发形核B.等轴形核和柱状形核C.均匀形核和非均匀形核D.树枝状形核和胞状形核3.铁碳合金相图中，共析点的含碳量是（）A.0.0218%B.0.77%C.2.11%D.4.3%4.下列热处理工艺中，属于化学热处理的是（）A.退火B.淬火C.渗碳D.正火5.下列铸造方法中，铸件尺寸精度最高的是（）A.砂型铸造B.金属型铸造C.熔模铸造D.压力铸造6.金属塑性成形时，随着变形程度的增加，其强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象称为（）A.再结晶B.加工硬化C.回复D.相变强化7.焊接电弧中，温度最高的区域是（）A.阳极区B.阴极区C.弧柱区D.热影响区8.下列塑料中，属于热固性塑料的是（）A.聚乙烯（PE）B.聚氯乙烯（PVC）C.聚酰胺（PA）D.环氧树脂（EP）9.在粉末冶金工艺中，将金属粉末压制成具有一定形状和尺寸的压坯的工序称为（）A.混料B.压制C.烧结D.后处理10.下列材料中，属于非晶态合金（金属玻璃）主要特点的是（）A.具有长程有序的原子排列B.具有很高的强度和硬度C.具有良好的导电性和导热性D.具有明显的韧脆转变温度二、填空题（每空1分，共20分）1.工程材料按化学组成和结合键特点，主要分为金属材料、__________、__________和复合材料四大类。2.金属的晶体结构主要有三种类型：体心立方（BCC）、__________和密排六方（HCP）。3.根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置，固溶体可分为__________固溶体和__________固溶体。4.珠光体是铁碳合金中的一种基本组织，由__________和__________组成的机械混合物。5.钢的普通热处理“四把火”是指退火、__________、淬火和__________。6.铸造过程中，液态金属的充型能力主要取决于金属的流动性、__________和铸型条件。7.金属的锻造性能通常用__________和变形抗力两个指标来衡量。8.焊接接头通常由焊缝区、__________和__________三部分组成。9.工程塑料中，聚碳酸酯（PC）因其具有优异的__________性能，常用于制造安全帽、防弹玻璃等。10.陶瓷材料的主要结合键是__________键和共价键，这使其具有高硬度、高耐磨性但__________较差的特点。11.复合材料按基体材料类型可分为聚合物基复合材料、__________基复合材料和__________基复合材料。12.快速原型制造技术（3D打印）中，立体光固化（SLA）技术使用的原材料主要是__________。三、判断题（每题1分，共10分，正确的打“√”，错误的打“×”）1.（）同素异构转变是指金属在固态下，由一种晶格转变为另一种晶格的过程，属于物理变化。2.（）莱氏体是奥氏体和渗碳体的共晶混合物，只存在于铸铁中。3.（）马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，其硬度主要取决于含碳量，含碳量越高，硬度越低。4.（）铸件在凝固过程中，从表层到中心依次出现细晶区、柱状晶区和等轴晶区。5.（）自由锻适用于单件、小批量生产大型锻件，而模锻则适用于大批量生产中小型锻件。6.（）焊条电弧焊时，焊条药皮的主要作用之一是产生保护气体，防止熔池金属与空气接触。7.（）热塑性塑料可以反复加热软化、冷却硬化，而热固性塑料一旦成型后，再加热也不会软化。8.（）粉末冶金方法可以生产用传统熔铸方法难以制备的材料，如硬质合金、多孔含油轴承等。9.（）与普通晶态金属相比，非晶态合金（金属玻璃）通常具有更高的强度和更好的耐腐蚀性。10.（）选择性激光烧结（SLS）快速成型技术只能使用金属粉末作为原材料。四、名词解释题（每题3分，共15分）1.加工硬化2.淬透性3.铸造应力4.焊接热影响区5.粉末冶金五、简答题（每题5分，共25分）1.简述固溶强化与第二相强化的主要区别。2.简述过冷度对金属结晶过程的影响。3.比较砂型铸造与熔模铸造在适用范围和工艺特点上的主要区别。4.简述金属材料热加工与冷加工的主要区别。5.列举三种常见的工程塑料，并简述其主要特性和一种典型应用。六、计算与分析题（共10分）1.（4分）已知某碳钢在平衡冷却后的室温组织为珠光体和铁素体，其中珠光体的含量为40%。利用杠杆定律计算该钢的含碳量。（已知珠光体含碳量为0.77%，铁素体含碳量为0.0218%）2.（6分）有一批20钢（平均含碳量0.20%）齿轮，要求表面具有高硬度（HRC>60）和高耐磨性，而心部保持良好的韧性。请设计合理的热处理工艺（写明主要工序名称和目的），并解释最终获得的表层和心部组织分别是什么？答案与解析一、选择题1.A解析：玻璃钢是玻璃纤维增强塑料，属于典型的复合材料。高速钢是合金工具钢，硬质合金是金属陶瓷材料，球墨铸铁是金属材料。2.C解析：金属结晶时，晶核的形成方式分为均匀形核（自发形核）和非均匀形核（非自发形核）。3.B解析：铁碳合金相图中，共析点S点对应的含碳量为0.77%，该点反应生成珠光体。4.C解析：渗碳是通过将碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。退火、淬火、正火是通过加热、保温和冷却改变组织性能的普通热处理。5.D解析：压力铸造（压铸）在高压高速下充型，铸件尺寸精度高、表面光洁。熔模铸造精度也很高，但通常低于压铸。6.B解析：加工硬化（形变强化）是金属在冷塑性变形过程中，随着变形程度增加，位错密度增大，导致强度硬度上升，塑性韧性下降的现象。7.C解析：焊接电弧由阴极区、弧柱区和阳极区组成，其中弧柱区中心温度最高，可达5000-30000K。8.D解析：环氧树脂（EP）在加热固化后形成三维网状结构，再次加热不熔不溶，属于热固性塑料。PE、PVC、PA为热塑性塑料。9.B解析：粉末冶金基本工序包括：制粉、混料、压制（成型）、烧结、后处理。压制工序得到压坯。10.B解析：非晶态合金原子排列长程无序，短程有序，没有晶界等缺陷，因此具有很高的强度、硬度和耐腐蚀性。其导电导热性低于晶态金属，且没有明显的韧脆转变。二、填空题1.无机非金属材料（陶瓷材料）、高分子材料（聚合物材料）2.面心立方（FCC）3.置换，间隙4.铁素体，渗碳体5.正火，回火6.浇注温度（或铸型温度、铸型充填压力等）7.塑性8.熔合区，热影响区9.抗冲击（或韧性）10.离子，塑性（或韧性）11.金属，陶瓷12.光敏树脂三、判断题1.√解析：同素异构转变是固态相变，原子重新排列，晶格类型改变，属于物理变化。2.×解析：莱氏体是奥氏体和渗碳体的共晶混合物，在铸铁和含碳量大于2.11%的钢（白口铸铁部分）的平衡凝固过程中都会出现。3.×解析：马氏体硬度主要取决于含碳量，含碳量越高，晶格畸变越严重，硬度越高。4.√解析：这是典型铸锭宏观组织的三层结构。5.√解析：自由锻灵活性高，适合单件小批；模锻效率高、尺寸准，适合大批量。6.√解析：焊条药皮在电弧热作用下产生气体和熔渣，隔离空气，保护熔滴和熔池。7.√解析：这是热塑性与热固性塑料的本质区别。8.√解析：粉末冶金能制备难熔金属、假合金、多孔材料等特殊材料。9.√解析：非晶态合金无晶界，成分均匀，因此强度和耐蚀性常优于晶态合金。10.×解析：SLS技术可以使用塑料、陶瓷、金属及其复合粉末等多种材料。四、名词解释题1.加工硬化：金属材料在冷塑性变形过程中，随着变形程度的增加，其强度和硬度升高，而塑性和韧性下降的现象。其本质是位错密度增加，位错运动相互缠结，使继续变形困难。2.淬透性：指钢在淬火时获得马氏体的能力，主要取决于钢的临界冷却速度。淬透性好的钢，能在较慢的冷却速度下获得马氏体，淬硬层深。3.铸造应力：铸件在凝固和冷却过程中，由于各部分冷却速度不同、收缩受阻等原因而产生的内应力。按其形成原因可分为热应力、相变应力和机械阻碍应力。4.焊接热影响区：在焊接过程中，焊缝两侧的母材金属因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。其性能不均匀是焊接接头的薄弱环节之一。5.粉末冶金：以金属粉末或金属与非金属粉末的混合物为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。五、简答题1.区别：固溶强化：溶质原子溶入溶剂晶格中形成固溶体，引起晶格畸变，阻碍位错运动，从而提高强度。是单相组织的强化方式。第二相强化：通过第二相颗粒（如碳化物、金属间化合物）阻碍位错运动来强化材料。第二相可以是从固溶体中析出的（沉淀强化），也可以是外加的（如复合材料）。其强化效果通常比固溶强化更显著。2.过冷度的影响：过冷度（ΔT=，为理论结晶温度，为实际结晶温度）是金属结晶的驱动力。过冷度（ΔT=，为理论结晶温度，为实际结晶温度）是金属结晶的驱动力。过冷度越大，形核率（N）和长大速率（G）都增加，但形核率的增加更为显著。过冷度越大，形核率（N）和长大速率（G）都增加，但形核率的增加更为显著。因此，增大过冷度可以细化晶粒，从而提高金属材料的常温力学性能（强度、塑性、韧性）。因此，增大过冷度可以细化晶粒，从而提高金属材料的常温力学性能（强度、塑性、韧性）。3.主要区别：砂型铸造：适用范围：最广泛，几乎不受合金种类、铸件大小和复杂程度的限制，单件、小批、大批均可。工艺特点：造型材料便宜易得，成本低；但铸件尺寸精度和表面质量较低，生产率不高，劳动条件差。熔模铸造：适用范围：主要用于生产形状复杂、精度要求高的小型钢、合金钢及有色合金铸件。工艺特点：铸件尺寸精度高、表面光洁，可铸出形状极复杂的零件；但工序繁杂，生产周期长，成本高。4.主要区别：加工温度：热加工是在再结晶温度以上进行的塑性变形；冷加工是在再结晶温度以下进行的塑性变形。组织与性能：热加工时加工硬化现象被再结晶过程消除，产品组织均匀，力学性能各向同性不明显；冷加工会产生加工硬化，产品强度硬度提高，塑性下降，且存在各向异性。表面质量与精度：热加工表面易氧化，尺寸精度较低；冷加工表面质量好，尺寸精度高。变形抗力：热加工变形抗力小，能耗低。5.举例：聚酰胺（PA，尼龙）：特性：耐磨性好，韧性高，自润滑，耐油。应用：齿轮、轴承、衬套等机械零件。聚碳酸酯（PC）：特性：透光性好，抗冲击韧性极佳（俗称“防弹胶”），尺寸稳定，耐热。应用：安全帽面罩、灯具罩、汽车仪表板、医疗器械。聚甲醛（POM）：特性：强度、刚度高，耐疲劳和蠕变性好，摩擦系数低，尺寸稳定。应用：精密齿轮、轴承、阀门、汽车燃油系统零件。六、计算与分析题1.计算：设该钢的含碳量为%。根据杠杆定律，以珠光体（P）和铁素体（F）为两相，在室温下：珠即：=解得：=答：该钢的含碳量约为0.32%。2.工艺设计及组织：热处理工艺：采用渗碳+淬火+低温回火。渗碳：将齿轮放入渗碳介质中，加热到900-950℃并保温，使碳原子渗入表层，获得高碳的表层（含碳量约0.8-1.0%）。淬火：渗碳后直接或重新加热到约800-850℃（心部的Ac3以上