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机械工程材料习题
《机械工程材料》练习题答案
一、填空题（10分，10题）
1.机械零件在工作条件下可能受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用三种负荷的作用。
2.金属塑性的指标主要有（伸长率）和（断面收缩率）两种。
3.金属材料的机械性能是指在载荷作用下其抵抗（变形）或（断裂）的能力。
4.刚度是指材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。
5.强度度是指材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。
6.常用测定硬度的方法有（布氏硬度测试法）、（洛氏硬度测试法）和维氏硬度测试法。
7.材料按化学成分分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料四大类。
8.金属材料的加工工艺性能包括铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理工艺。
9.常见的晶体结构有体心立方、面心立方和密排六方三种。
10.晶体缺陷按其几何特征可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。
11.固溶体的晶体结构与溶剂晶体结构相同。
12.当合金溶液凝固后，由于组元间的相互作用不同，可形成固溶体、金属化合物和机械混合物三种形式。
13.铁从高温液态向室温冷却时发生的变化：
。
14.珠光体是（铁素体）和（渗碳体）混合在一起形成的机械混合物。
15.碳溶解在（α-Fe）中所形成的（固溶体）称为铁素体。
16.在Fe-Fe3C相图中，共晶点的含碳量为（4.3%），共析点的含碳量为（0.77%）。
17.低温莱氏体是（珠光体）和（共晶渗碳体）组成的机械混合物。
18.金属结晶的过程包括形核和长大两个过程。
19.晶核的形成包括自发形核和非自发形核两种形式。
20.晶核的长大包括枝晶长大和平面长大两种形式。
21.金属铸锭的宏观组织是由三个晶区组成，由外向内分别是表面细等轴晶区、柱状晶区和中心等轴晶区。
22..铸锭的缺陷包括缩孔、缩松、气孔、非金属夹杂物、成分偏析、。
23.焊缝的组织是单一柱状晶。
24.焊接接头是由焊缝和热影响区构成。
25.冷变形后金属在加热中，随温度的升高或加热时间的延长，其组织和性能一般经历回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的变化。
26..细化晶粒的方法包括增大过冷度、加入形核剂和机械方法。
27改善和提高工程材料性能的主要途径有塑性变形、热处理、合金化和表面改性。
28.预先热处理常用的工艺方法有正火、退火、调质。
29.钢根据含碳量的高低分为（写出含碳量）：
低碳钢（<0.25%）、中碳钢（0.25%~0.60%）和高碳钢（>0.60%）。
二、名词解释（14分，7题）
1.弹性变形
材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的变形。
2.塑性变形
材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并不能恢复原来形状的变形。
3.比刚度
材料的弹性模量与其密度的比值
4.冲击韧性
材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力
5.疲劳极限
材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力
6.晶体
固态物质内部原子在三维空间呈周期性规则排列的物质
7.合金
一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法合在一起所形成的具有金属特性的物质。
8.固溶体
溶质原子溶入固态金属溶剂中形成的合金相。
9.过冷度
金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差
10.加工硬化
金属材料经过冷塑性变形以后，出现强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象
11.再结晶
冷变形加工的金属在温度更高时，破碎晶粒变成完整晶粒，拉长纤维状晶粒转变成等轴晶粒的过程。
12.回复
冷变形加工的金属在低温加热时，在组织发生改变前所产生的某种结构和性能的变化
13.退火
将钢加热到适当温度（临界温度以上30～50℃），保温一定时间，然后缓慢地（通常为随炉冷却）冷却的热处理工艺。
14.完全退火
将钢加热Ac3+（30~50ºC）,完全奥氏体后，保温一定时间随之缓慢冷却到600ºC以下，出炉空冷
15.球化退火
将钢加热到Ac1+（20~30ºC），保温后随炉缓冷至600ºC，出炉空冷，使钢中碳化物呈球状的工艺方法。
16.正火
将亚共析钢加热到Ac3+30~50℃，共析钢加热到Ac1+30~50℃，过共析钢加热到Accm+30~50℃保温后空冷的工艺。
17.调质
淬火+高温回火
18.淬火
19.回火
把淬火钢加热到AC1以下某一个温度进行冷却的热处理工艺。
20.淬透性
经奥氏体化的材料接受淬火时形成马氏体多少的能力。
21.表面淬火
仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。
22.表面形变强化
将冷变形强化用于提高金属材料的表面性能，成为提高工件疲劳强度、延长使用寿命的重要工艺措施。
23.表面涂覆
将材料的表面用其他金属或非金属涂覆后，可赋予零件表面强烈的光和热的反射性、表面着色装饰性、耐磨、耐蚀及其他电、磁功能之效果。
24.渗碳钢
经渗碳、淬火和低温回火后使用的结构钢。
25.调制钢
调质处理后使用的合金结构钢
27.枝晶偏析
由于冷却速度过快，使得先结晶的枝干含高熔点组元较多，而后结晶的分支含高熔点组元较少的现象。
三、选择题（16分，16题）
1.表示金属材料屈服强度的符号是（B）
A.σB.σsC.σbD.σ-1
2.表示金属材料弹性极限的符号是（A）
A.σeB.σsC.σbD.σ-1
3.在测量薄片工件的硬度时，常用的硬度测试方法的表示符号是（C）
A.HBB.HRCC.HVD.HS
4.金属材料在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力叫（A）
A.强度B.硬度C.塑性D.弹性
5.每个体心立方晶胞中包含有（B）个原子
A.1B.2C.3D.4
6.每个面心立方晶胞中包含有（C）个原子
A.1B.2C.3D.4
7.属于面心立方晶格的金属有（C）
A.α-Fe,铜B.α-Fe,钒C.γ-Fe,铜D.δ-Fe,钒
8.在晶体缺陷中，属于点缺陷的有（A）
A.间隙原子B.位错C.晶界D.缩孔
9.铁素体是碳溶解在（A）中所形成的间隙固溶体。
A．α-FeB．γ-FeC．δ-FeD．β-Fe
10.奥氏体是碳溶解在（B）中所形成的间隙固溶体。
A．α-FeB．γ-FeC．δ-FeD．β-Fe
11.在Fe-Fe3C相图中，钢与铁的分界点的含碳量为（C）。
A．2％B．2.06％C．2.11％D．2.2％
12.莱氏体是一种（C）。
A．固溶体B．金属化合物C．机械混合物D．单相组织金属
13.在Fe-Fe3C相图中，ES线也称为（D）。
A．共晶线B．共析线C．A3线D．Acm线
14.在Fe-Fe3C相图中，GS线也称为（C）。
A．共晶线B．共析线C．A3线D．Acm线
15.在Fe-Fe3C相图中，共析线也称为（A）。
A．A1线B．ECF线C．Acm线D．PSK线
16.珠光体是一种（C）。
A．固溶体B．金属化合物C．机械混合物D．单相组织金属
17.在铁－碳合金中，当含碳量超过（B）以后，钢的硬度虽然在继续增加，但强度却在明显下降。
A．0.8％B．0.9％C．1.0％D．1.1％
18.通常铸锭可由三个不同外形的晶粒区所组成，其晶粒区从表面到中心的排列顺序为（A）
A．细晶粒区－柱状晶粒区－等轴晶粒区B．细晶粒区－等轴晶粒区－柱状晶粒区
C．等轴晶粒区－细晶粒区－柱状晶粒区D．等轴晶粒区－柱状晶粒区－细晶粒区
19.在Fe-Fe3C相图中，PSK线也称为（B）。
A．共晶线B．共析线C．A3线D．Acm线
20.Fe-Fe3C相图中，共析线的温度为（D）。
A．724℃B．725℃C．726℃D．727℃
21.在铁碳合金中，共析钢的含碳量为（B）。
A．0.67％B．0.77％C．0.8％D．0.87％
22.加热是钢进行热处理的第一步，其目的是使钢获得（B）。
A．均匀的基体组织B．均匀的A体组织C．均匀的P体组织D．均匀的M体组织
23.下列温度属于钢的高、中、低温回火温度范围的分别为（A）（D）（B）。
A．500℃B．200℃C．400℃D．350℃
24.碳钢的淬火工艺是将其工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却方式是（D）。
A．随炉冷却B．在风中冷却C．在空气中冷却D．在水中冷却
25.正火是将工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却方式是（C）。
A．随炉冷却B．在油中冷却C．在空气中冷却D．在水中冷却
26.完全退火主要用于（A）。
A．亚共析钢B．共析钢C．过共析钢D．所有钢种
27.共析钢在奥氏体的连续冷却转变产物中，不可能出现的组织是（C）。
A．PB．SC．BD．M
28.退火是将工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却方式是（A）。
A．随炉冷却B．在油中冷却C．在空气中冷却D．在水中冷却
29.欲要提高18－8型铬镍不锈钢的强度，主要是通过（B）。
A．时效强化方法B．固溶强化方法C．冷加工硬化方法D．马氏体强化方法
30.20CrMnTi钢根据其组织和机械性能，在工业上主要作为一种（A）使用。
A．合金渗碳钢B．合金弹簧钢C．合金调质钢D．滚动轴承钢
31.大多数合金元素均在不同程度上有细化晶粒的作用，其中细化晶粒作用最为显著的有（C）。
A．Mn,PB．Mn,TiC．Ti,VD．V,P
32.除（A）元素外，其它合金元素溶于奥氏体后，均能增加过冷奥氏体的稳定性。
A．CoB．CrC．MnD．Ti
33.优质钢的含硫量应控制在下列（C）范围内。
A．0.06％～0.05％B．0.05％～0.035％C．0.035％～0.02％D．0.02％～0.015％
34.优质钢的含磷量应控制在下列（C）范围内。
A．0.055％～0.045％B．0.045％～0.035％C．0.035％～0.03％D．0.03％～0.02％
四、判断题（10分，10题）
1.用布氏硬度测量硬度时，压头为钢球，用符号HBS表示。
是
2.用布氏硬度测量硬度时，压头为硬质合金球，用符号HBW表示。
是
3.沙发垫子的刚度比钻杆的刚度大。
否
4.图纸上标注的硬度值为：
240-280HRC。
否
5.图纸上标注的硬度值为：
HBS250-280。
否
6.图纸上标注的硬度值为：
250-280HBW。
否
7.渗碳件经淬火处理后用HB硬度计测量表层硬度。
否
8.受冲击载荷作用的工件，考虑机械性能的指标主要是疲劳强度。
否
9.衡量材料的塑性的指标主要有伸长率和冲击韧性。
否
10.金属或合金中,凡成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为相。
是
11.晶体的配位数越大，其致密度也越高。
是
12.金属结晶后晶体结构不再发生变化。
非
13.在金属的结晶中，随着过冷度的增大，晶核的形核率N和长大率G都增大，在N/G增大的情况下晶粒细化。
是
14.液态金属结晶时的冷却速度越快，过冷度就越大，形核率和长大率都增大，故晶粒就粗大。
非
15.液态金属冷却到结晶温度时，液态金属中立即就有固态金属结晶出来。
非
16.在一般情况下，金属结晶后晶粒越细小，则其强度越好，而塑性和韧性越差。
否
17.在铁碳合金相图中，PSK线是一条水平线（727℃），该线叫共晶线。
否
18.过共析钢缓冷到室温时，其平衡组织由铁素体和二次渗碳体组成。
否
19.珠光体是由奥氏体和渗碳体所形成的机械混合物，其平均含碳量为0.77%。
否
20.亚共晶白口铁缓冷到室温时，其平衡组织由铁素体，二次渗碳体和莱氏体组成。
否
21.在亚共析钢平衡组织中，随含碳量的增加，则珠光体量增加，而二次渗碳体量在减少。
否
22.过共晶白口铁缓冷到室温时，其平衡组织由珠光体和莱氏体组成。
否
23.在铁碳合金相图中，钢的部分随含碳量的增加，内部组织发生变化，则其塑性和韧性指标随之提高。
否
24.在铁碳合金相图中，奥氏体在1148℃时，溶碳能力可达4.3%。
否
25.碳溶解在α-Fe中可形成的间隙固溶体称为奥氏体，其溶碳能力在727℃时为0.0218%。
否
26.在铁碳合金相图中，铁素体在727℃时，溶碳能力可达2.11%。
。
否
27.在过共析钢中含碳量越多，则其组织中的珠光体量减少，而铁素体量在增多。
否
28.碳溶解在γ-Fe中所形成间隙固溶体称为铁素体，其溶碳能力在727℃时为0.77%。
否
29.亚共析钢缓冷到室温时，其平衡组织由铁素体和二次渗碳体组成。
否
30.奥氏体化的共析钢缓慢冷却到室温时，其平衡组织为莱氏体。
否
31.在铁碳合金相图中，ES线是碳在奥氏体中的溶解度变化曲线。
否
32完全退火是将工件加热到Acm以上30～50℃，保温一定的时间后，随炉缓慢冷却的一种热处理工艺。
√
33合金元素溶于奥氏体后，均能增加过冷奥氏体的稳定性。
×
34渗氮处理是将活性氮原子渗入工件表层，然后再进行淬火和低温回火的一种热处理方法。
×
35马氏体转变温度区的位置主要与钢的化学成分有关，而与冷却速度无关。
×
36合金元素均在不同程度上有细化晶粒的作用。
×
37优质碳素结构钢的牌号用两位数字来表示，如45钢，该数字表示钢的1/10最低抗拉强度值。
×
38碳素工具钢的牌号，如T8，T12，该数字表示钢的最低冲击韧性值。
×
39钢中的含硫量增加，其钢的热脆性增加。
√
40.钢中的含磷量增加，其钢的热脆性增加。
×
411Cr18Ni9钢是一种马氏体不锈钢。
否
42.5CrNiMo钢是合金结构钢。
否
43.40Cr钢是合金渗碳钢。
否
44.20CrMnTi钢是合金调质钢。
否
45GCr15是专用的合金工具钢。
否
461Cr13钢是奥氏体不锈钢。
否
47.W18Cr4V钢是不锈钢。
是
5、分析说明题（50分，8题）
1.下列几种工件应该采用何种硬度试验法测定其硬度？
A、钢淬火、低温回火后的成品件；
B、退火件
C、渗碳件
2.从Fe-Fe3C的分析中回答以下问题，并说明其原因：
A、随碳质量百分数的增加，硬度、塑性是增加还是减小？
B、过共析钢中网状渗碳体对强度、塑性的影响怎样？
C、钢有塑性而白口铁几乎无塑性吗？
D、哪个区域熔点最低？
哪个区域塑性最好？
3.根据Fe-Fe3C相图，说明产生下列现象的原因：
A、含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高
B、在室温下，含碳0.8%的钢其强度比含碳1.2%的钢高；
C、低温莱氏体的塑性比珠光体的塑性差；
D、在11000C，含碳0.4%的钢能进行锻造，含碳4.0的生铁不能锻造；
E、钢适宜于通过压力加工成形，而铸造适宜于通过铸造成形。
4.钢的渗碳工艺是将钢件加热至完全奥氏体区，让活性的碳原子进入表面并向内扩散，形成一定深度的渗层，然后进行淬火、回火工艺。
试根据晶体结构知识分析：
为什么钢的渗碳选择在A区进行？
答：
选择在A区的原因是：
1）要使钢件中碳原子容易扩散，必须有比较大的空间。
2）A相的晶体结构与γ-Fe的晶体结构一样，是面心立方。
面心立方与体心立方相比，虽然致密度大，但原子排列更加集中，即空间更加集中，所以比较适合渗碳。
5.试分析含碳量为0.6%。
铁碳含金从液态冷却到室温时的结晶过程
LL+AAA+FF+P
6.试分析含碳量为1.2%铁碳合金从液体冷却到室温时的结晶过程。
LL+AAA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ
7.写出铁碳相图上共晶和共析反应式及反应产物的名称。
（写出含碳量）
解：
共晶反应L（4.3）A（2.11）+Fe3C（莱氏体）
共析反应：
A（0.77）F（0.0218）+Fe3C（珠光体）
8.写出Fe-Fe3C相图上①-⑥区的组织组成物，标明A，E，C，S，P，K各点的含碳量。
①区：
___F+P_____②区：
___P_____③区：
P+Fe3CⅡ
④区：
P+Ld’+Fe3CⅡ`⑤区：
Ld’⑥区：
Ld’+Fe3CⅠ
A点：
_____纯铁的熔点_____E点：
__C在γ-Fe_中的最大溶解度点___C点：
___共晶点__
S点：
__共析点____P点：
___C在α-Fe_中的最大溶解度点___K点：
Fe3C的成分
9.试画出Fe-Fe3C相图中钢的部分（包晶部分可省略），并完成下列各题：
标明各特征点的成分、温度，按相组成填充各相区。
10.什么是热加工和冷加工？
，请说明他们是热加工还是冷加工？
（钨熔点是33990C，锡熔点是2320C）
答：
1）冷加工：
塑性变形是在再结晶温度以下进行的。
热加工：
塑性变形是在再结晶温度以上进行的。
2）钨在10000C变形加工是冷加工，锡在室温下变形加工是热加工。
11.如果其他条件相同，试比较在下列条件下所得铸件晶粒的大小：
①金属模浇注与砂模浇注；
高温浇注与低温浇注
铸成薄壁件与铸成厚壁件；
浇注时采用振动与不采用振动；
厚大铸件的表面部分与中心部分.
答：
晶粒较小者分别是：
①金属模浇注
低温浇注
铸成薄壁件
浇注时采用振动
厚大铸件的表面部分
12.某厂用冷拔钢丝绳直接吊运加热至11000C的破碎机颚板，吊至中途钢绳突然断裂。
这条钢绳是新的，事前经过检查，并无疵病。
试分析钢绳断裂的原因。
答：
从两种可能的原因进行分析
①冷拔钢丝绳是通过加工硬化强化的，使用前处于加工硬化状态，内部可能有比较大的内应力，导致吊至中途钢绳突然断裂。
吊运加热至11000C的破碎机颚板，会对钢丝绳进行加热，随钢丝绳温度升高，会发生回复、再结晶过程，加工硬化现象消失，强度、硬度下降，而破碎机颚板重而大，所以吊至中途钢绳突然断裂。
13.室温下，对一根钢丝进行反复弯曲——拉直实验，经过一定次数后，铁丝变得越来越硬，试分析原因。
如果将这根经过弯曲—拉直试验后的铁丝进行一定温度的加热后，待冷却至室温，然后再试着弯曲，发现又比较容易弯曲了，试分析原因。
14.从铸锭的组织结构分析，为什么铸锭的力学性能不好，而吸振性较好。
答：
1）铸锭从外到里的组织分别是表面细等轴晶区、柱状晶区和中心等轴晶区。
表层的细等轴晶比较薄，基本一加工就被去除掉，柱状晶区域比较大，晶粒比较粗大，所以力学性能不好。
2）铸锭里的组织比较疏松，而且缩孔、缩松、气孔等，当振动波传来时，就会被吸收，所以吸振性比较好
15.钢材在热变形加工（如锻造）时，为什么不出现硬化现象？
答：
热变形加工时温度比较高，虽然热变形加工也发生了塑性变形，组织也发生了变化，，但由于温度比较高，很快通过再结晶回复到以前的状态，所以不出现硬化现象。
16.什么是金属的回复和再结晶过程?
回复和再结晶过程中金属的组织结构和性能发生哪些变化？
17.奥氏体形成的四个步骤是什么？
答：
1）奥氏体形核
2）奥氏体长大
3）残余渗碳体的溶解
4）奥氏体成分的均匀化
18.有四个小尺寸的碳素钢试样进行加热：
wc=0.45%，加热至Ac1~Ac3;
wc=0.45%，加热至Ac3以上30~500C；
wc=1.2%，加热至Ac1以上20~300C；
wc=1.2%，加热至Accm以上30~500C。
适当保温后水中淬火，哪个试样硬度最高哪个试样硬度最低？
说明其原因。
答：
试样的硬度最高，因为过共析钢采用不完全淬火能保留预先热处理球化组织中的部分碳化物，得到“M+Fe3C+A’少”组织，因而有高的硬度与耐磨性；
试样最低，因为亚共析钢在Ac3以下加热时淬火组织中有F存在，所以使钢的硬度显著下降。
19.试说明下列钢件应采用何种退火、退火的目的及退火后的组织：
经冷轧的15钢钢板，要求降低硬度；
铸造成形的机床床身；
经锻造过热（晶粒粗大）的wc=0.060%的锻件；
具有细片状渗碳体组织的高碳钢件，要求改善其切削加工性能。
答;
再结晶退火
去应力退火
完全退火
球化退火
20.对零件的力学性能要求高时，为什么要选用淬透性大的钢材？
答：
21.、一批45钢试样（尺寸φ15×10mm）因其组织粗大，晶粒大小不均匀，而采用退火处理，拟采用以下几种退火工艺，问哪一种正确，试分析其原因。
缓慢加热至7000C，保温足够时间，随炉冷却至室温；
缓慢加热至8400C,保温足够时间，随炉冷却至室温；
缓慢加热至11000C，保温足够时间，随炉冷却至室温。
答：
正确
22.某机床主轴选用45钢锻造毛坯,要求有良好的综合机械性能且轴径部分要耐磨（HRC50-55）,其工艺路线下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精、精加工→表面淬火→精加工。
试说明各热处理工序的作用。
解：
正火处理是为了得到合适的硬度，以便机械加工，同时为调质处理做好组织准备。
调质处理是为了使主轴得到高的综合机械性能和疲劳强度，为了更好地发挥调质效果，将它安排在粗加工后进行。
表面淬火是为了使轴径部分得到所需硬度，以保证装配精度和不易磨损。
23有两种共析钢试样，分别加热到780℃和880℃，并保温相同时间，使之达到平衡状态，然后以大于临界冷却速度的冷速冷至室温。
试问：
（1）那种加热温度的马氏体晶粒粗大？
（2）那种加热温度马氏体的含碳量较高？
（3）那种加热温度的残余奥氏体较多？
（4）那种加热温度的未溶解渗碳体较少？
（5）那种加热温度淬火最合适？
为什么？
答：
（1）那种加热温度的马氏体晶粒粗大？
答：
880℃
（2）那种加热温度马氏体的含碳量较高？
答：
880℃
（3）那种加热温度的残余奥氏体较多？
答：
880℃
（4）那种加热温度的未溶解渗碳体较少？
答：
880℃
（5）那种加热温度淬火最合适？
为什么？
答：
780℃，因为该加热温度淬火后马氏体晶粒比较细小，马氏体含碳量较低从而组织应力较小，残余奥氏体量较少，加上未溶解碳化物，有利于提高钢的硬度和耐磨性。
24填写下表，说明表中铸铁牌号的类型、符号和数字的含义、组织特点和用途
25.填写下表，指出表中金属材料的类别、牌号或代号的含义、特性和主要用途。
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