机械工程材料习题答案王章忠主编第二版Word下载.docx
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1080
10
45
55
1380
750
38CrMoAl
调质
835
980
14
50
71
1050
1020
比较，20CrMnTi能全面满足齿轮的性能要求。
其工艺流程如下：
下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火→低温回火→喷丸→磨齿。
例3：
机械式计数器内部有一组计数齿轮，最高转速为350r/min，该齿轮用下列哪些材料制造合适，并简述理由。
40Cr、20CrMnTi、尼龙66。
工作条件分析：
计数器齿轮工作时，运转速度较低、承受的扭矩很小，齿轮间存在摩擦，因此要求摩擦系数小，耐磨性好。
由于该结构特点要求选材时重量要轻，工作噪音要小，在无润滑条件下长时间工作，制造工艺简单，价格便宜，很明显，40Cr，20CrMnTi等合金钢由于价格太贵、太重、加工复杂而不合适。
而尼龙66工程塑料较为合适。
其原因：
（1）有足够的抗弯强度（≥70～90MPa）和冲击吸收功（10～45J）。
（2）耐磨、减磨、消音、耐应力开裂。
（3）－40～100℃可长期使用。
（4）有较好的弹性，吸震，防冲击，噪声小。
（5）重量轻。
（6）耐蚀性好。
（7）可用注射法一次成型，制造工艺简单，生产率高，成本低。
第一章作业
1－3现有一碳钢制支架刚性不足，采用以下三种方法中的哪种方法可有效解决此问题？
为什么？
①改用合金钢；
②进行热处理改性强化；
③改变该支架的截面与结构形状尺寸。
答：
选③，改变该支架的截面与结构形状尺寸。
因为金属材料的刚度决定于基体金属的性质，当基体金属确定时，难于通过合金化、热处理、冷热加工等方法使之改变。
1－4对自行车座位弹簧进行设计和选材，应涉及到材料的哪些主要性能指标？
强度、弹性、疲劳极限。
1－9传统的强度设计采用许用应力[σ]=σn,为什么不能一定保证零件的安全性？
有人说：
“安全系数n越大，零件工作时便越安全可靠。
”，你怎样认识这句话？
传统的强度设计采用[σ]=σn，都是假设材料是均匀无缺陷的，而实际上材料中存在着既存或后生的微小宏观裂纹，因此在实际的强度设计中还应考虑材料抵抗脆性断裂的力学性能指标—断裂韧度（KI），只考虑许用应力[σ]=σn是不能保证零件的安全性的。
“n越大，零件越安全”也是不对的，因为[σ]=σn,n增大就会使[σ]降低而牺牲材料的强度，将塑性和韧性取大一些，导致[σ]偏低而零件的尺寸与重量增加，浪费了原材料。
1－11一般认为铝、铜合金的耐蚀性优于普通钢铁材料，试分析在潮湿性环境下铝与铜的接触面上发生腐蚀现象的原因。
潮湿环境下铝与铜的接触面上会发生电化学腐蚀，因为这时铝与铜的接触面因电极电位不同存在着电极电位差而发生电化学腐蚀。
第二章作业
2－1常见的金属晶体结构有哪几种？
它们的原子排列和晶格常数有什么特点？
－Fe、－Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn各属何种结构？
常见晶体结构有3种：
⑴体心立方：
－Fe、Cr、V
⑵面心立方：
－Fe、Al、Cu、Ni
⑶密排六方：
Mg、Zn
2-2已知－Fe的晶格常数（a=）要大于－Fe的晶格常数（a=）,但为什么－Fe冷却到912℃转变为－Fe时体积反而增大？
－Fe冷却到912℃转变为－Fe时体积增大，是因为转变之后面心立方的－Fe转变为体心立方的－Fe时致密度变小。
－Fe－Fe
晶胞原子数4晶胞原子数2
转变之后－Fe的体积为＜2个－Fe的体积2×
。
2－31gFe在室温和1000℃时各含有多少个晶胞？
Fe在室温下为体心立方，晶胞原子数为2，
这时1gFe的晶胞数＝（1/56×
×
1023）/2=×
1021个
在1000℃时为面心立方，晶胞原子数为4，
1023）/4＝×
2－4已知铜的原子直径为，求其晶格常数，并计算1mm3铜中的原子数。
a=a=×
=×
=
原子数＝4×
晶胞数＝4×
＝×
1019个
2－6总结说明实际金属晶体材料的内部结构特点。
实际金属晶体材料内部存在晶体缺陷：
⑴点缺陷：
空位、间隙原子、置换原子
⑵线缺陷：
位错
⑶面缺陷：
晶界、亚晶界
第三章作业
3－2如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小；
⑴金属模浇注与砂模浇注；
⑵高温浇注与低温浇注；
⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件；
⑷浇注时采用振动与不采用振动；
⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。
晶粒大小：
⑴金属模浇注的晶粒小⑵低温浇注的晶粒小⑶铸成薄壁件的晶粒小⑷采用振动的晶粒小⑸厚大铸件表面部分的晶粒小
3－3Si、C、N、Cr、Mn、B等元素在－Fe中各形成哪些固溶体？
Si、Cr、Mn形成置换固溶体，C、N、B形成间隙固溶体。
3－4间隙固溶体与间隙化合物在晶体结构与性能上有何区别？
举例说明。
答：
间隙固溶体的晶体结构与组成合金的一个金属组元的结构相同，它是溶质原子进入金属溶剂晶格的间隙时形成的固溶体，如：
F和A，形成间隙固溶体可以提高金属的强度和硬度，起到固溶强化的作用。
间隙化合物的晶体结构与组元的结构不同，间隙化合物是由H、B、C、N等原子半径较小的非金属元素（以X表示）与过渡族金属元素（以M表示）结合，且半径比rX/rM＞时形成的晶体结构很复杂的化合物，如Fe3C,间隙化合物硬而脆，塑性差。
3－7为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金？
为什么要进行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？
共晶成分的合金熔点低，凝固温度区间最小，流动性好，适于铸造。
单相固溶体成分的合金强度均匀，塑性好，便于压力加工。
3－8为什么钢锭希望减少柱状晶区，而铜锭、铝锭往往希望扩大柱状晶区？
在柱状晶区，柱状晶粒彼此间的界面比较平直，气泡缩孔很小，组织比较致密。
但当沿不同方向生长的两组柱状晶相遇时，会形成柱晶间界。
柱晶间界是杂质、气泡、缩孔较密集地区，是铸锭的脆弱结合面，故钢锭应减少柱状晶区，以避免在热轧时开裂。
对塑性好的铜锭、铝锭不会因热轧而开裂，故往往希望扩大柱状晶区。
4－3冷塑性变形与热塑性变形后的金属能否根据其显微组织加以区别？
可以通过显微组织来判断是冷塑性变形还是热塑性变形，冷塑性变形后的晶粒形状呈扁平形或长条形，热塑性变形后的晶粒是等轴晶粒。
4－4在常温下为什么细晶粒金属强度高，且塑性、韧性也好？
试用多晶体塑性变形的特点予以解释。
晶粒细小而均匀，不仅常温下强度较高，而且塑性和韧性也较好，即强韧性好。
原因是：
（1）强度高：
Hall-Petch公式。
晶界越多，越难滑移。
（2）塑性好：
晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中。
（3）韧性好：
晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。
4－5金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒？
再结晶退火必须用于经冷塑性变形加工的材料，其目的是改善冷变形后材料的组织和性能。
再结晶退火的温度较低，一般都在临界点以下。
若对铸件采用再结晶退火，其组织不会发生相变，也没有形成新晶核的驱动力（如冷变形储存能等），所以不会形成新晶粒，也就不能细化晶粒。
4－8钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，请说明它们是热加工还是冷加工（钨熔点是3410℃，锡熔点是232℃）？
W、Sn的最低再结晶温度分别为:
TR（W）=（～×
（3410+273）－273=（1200～1568）（℃）＞1000℃
TR（Sn）=（～×
（232+273）－273=（-71～-20）（℃）＜25℃
所以W在1000℃时为冷加工，Sn在室温下为热加工
思考题
比较冲击韧度、断裂韧度的异同点和它们用来衡量材料韧性的合理性。
相同点：
冲击韧度和断裂韧度都反映了材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力。
不同点：
冲击韧度一般只用来评定中低强度钢的韧性，仅反映材料在一次大能量冲击加载条件下的抵抗变形与断裂的能力，只适用于均匀的无缺陷材料。
而断裂韧度是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，表征了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。
第五章作业
5-4根据Fe-Fe3C相图计算，室温下，分别为％和％的钢中组织组成物的相对量。
（1）=%
P%·
%=%
P%=26%，F%=74%
（2）=%
P%·
%+（1-P%）·
%=%
P%=%，Fe3CⅡ％=%
5-5某仓库中积压了许多退火状态的碳钢，由于钢材混杂不知其化学成分，现找出一根，经金相分析后发现组织为珠光体和铁素体，其中珠光体占75％。
问此钢的碳含量大约为多少？
＝P%·
%＝75％×
％＝％
测试题某碳钢，相组成中，F％＝93％。
求：
（1）C％＝？
属哪种钢？
（2）组织组成物的百分比？
（1）C％＝（1－F％）×
％＝7％×
％＝％，属亚共析钢
（2）=P％·
％,P％＝％，F％＝1－P％＝％
第六章作业
6-2如下图所示，T12钢加热到Ac1以上，用图示的各种方法冷却，分析各自得到的组织。
答:
a水中淬火M＋Fe3C
b分级淬火M＋Fe3C
c油中淬火M＋T＋Fe3C
d等温淬火B下＋Fe3C
e正火S＋Fe3C
f完全退火P＋Fe3C
g等温退火P＋Fe3C
6-3为改善可加工性，确定下列钢件的预备热处理方法，并指出所得到的组织：
（1）20钢钢板
（2）T8钢锯条（3）具有片状渗碳体的T12钢钢坯
（1）20钢钢板：
正火S+F；
（2）T8钢锯条：
球化退火球状P；
（3）具有片状渗碳体的T12钢钢坯:
球化退火球状P＋Cm
6-4将同一棒料上切割下来的4快45钢试样，同时加热到850℃，然后分别在水、油、炉、空气中冷却，说明：
各是何种热处理工艺？
各获得什么组织？
排列一下硬度的大小顺序。
（1）水冷：
淬火M
（2）油冷：
淬火M+T
（3）炉冷：
退火P+F
（4）空冷：
正火S+F
硬度顺序：
（1）＞
（2）＞（4）＞（3）
6-5残留奥氏体对钢淬火后的性能有何影响？
用什么方法可以减少残留奥氏体的数量？
残留奥氏体不仅降低了淬火钢的硬度和耐磨性，而且在工件的长期使用过程中，残留奥氏体还会发生转变，使工件形状尺寸变化，降低工件尺寸精度。
用“冷处理”可以减少残留奥氏体的数量。
6-9仓库中有45钢、38CrMoAlA钢和20CrMnTi钢，它们都可以用来制造齿轮，为了满足齿轮的使用要求，问各应进行何种热处理？
并比较它们经热处理后在组织和性能上的不同。
（1）45钢：
先调质，感应加热表面淬火＋低温回火
组织：
表层M回,心部S回
（2）38CrMoAlA：
先调质，后氮化
表层氮化组织，心部S回
（3）20CrMnTi：
渗碳，淬火＋低温回火
M回＋少量AR,心部F＋P
6-10某一用45钢制造的零件，其加工路线如下：
备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→高频感应加热淬火＋低温回火→磨削，请说明各热处理工序的目的及热处理后的组织。
正火目的:
消除锻造应力,改善切削加工性,同时均匀组织,细化晶粒,为后续热处理作组织准备。
组织:
晶粒均匀细小的F和S。
调质目的:
提高塑性、韧性,使零件获得较好的综合力学性能。
S回。
高频感应加热淬火目的:
提高工件表面的硬度和耐磨性,而心部仍保持良好的塑性和韧性。
低温回火目的:
降低内应力和脆性。
表层组织:
M回，心部组织：
S回。
6-12选择下列零件的热处理方法，并编写简明的工艺路线（各零件均选用锻造毛坯，并且钢材具有足够的淬透性）：
（1）某机床变速箱齿轮（模数m=4），要求齿面耐磨，心部强度和韧性要求不高，材料选用45钢；
（2）某机床主轴，要求有良好的综合机械性能，轴径部分要求耐磨（HRC50-55），材料选用45钢；
（3）镗床镗杆，在重载荷下工作，精度要求极高，并在滑动轴承中运转，要求镗杆表面有极高的硬度，心部有较高的综合机械性能，材料选用38CrMoALA。
（4）M12丝锥，要求刃部硬度为60～62HRC，柄部硬度为30～40HRC，材料选用T12A。
⑴45钢机床变速箱齿轮:
下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→超音频感应加热淬火+低温回火→精磨→成品；
⑵45钢机床主轴:
下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火+低温回火→精磨→成品；
⑶38CrMoAlA镗床镗杆:
下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→氮化→研磨→成品；
⑷T12A丝锥:
锻造→球化退火→机加工→淬火＋低温回火→柄部盐浴加热快速退火→精加工。
测试题：
有5根直径为10mm的45钢圆棒，都先经（1.840℃加热淬火、2.760℃加热淬火、3.调质），然后分别加热到
（1）1100℃；
（2）840℃；
（3）760℃；
（4）550℃；
（5）180℃，再水冷至室温后各得到什么组织？
1.840℃加热淬火
（1）1100℃粗大M（过热淬火）
（2）840℃M（重新淬火）
（3）760℃M+F（不完全淬火）
（4）550℃S回（淬火后高温回火）
（5）180℃M回（淬火后低温回火）
2.760℃加热淬火
（2）840℃M（淬火）
（4）550℃S回＋F（淬火后高温回火）
（5）180℃M回＋F（淬火后低温回火）
3.调质
（4）550℃S回（不变）
（5）180℃S回（不变）
27.调质处理后的40钢齿轮，经高频感应加热后的温度T分布如下图所示。
试分析高频感应加热水淬后，轮齿由表面到中心各区（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）的组织。
Ⅰ－MⅡ－M＋FⅢ-S回
28.确定下列钢件的退火方法，并指出退火目的及退火后的组织：
（1）经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度；
（2）ZG35的铸造齿轮；
（3）锻造过热后的60钢锻坯；
（4）改善T12钢的切削加工性能。
（1）再结晶退火,目的：
细化晶粒，均匀组织，使变形晶粒重新转变为等轴晶粒，以消除加工硬化现象，降低了硬度，消除内应力。
得到P+F（P为等轴晶）；
（2）去应力退火,目的：
消除（铸造）内应力。
得到P+F；
（3）重结晶退火（完全退火、等温退火）,目的：
细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。
（4）球化退火,目的：
使片状渗碳体变为球状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工性。
得到颗粒状P+Fe3C。
29.说明直径为10mm的45钢试样分别经下列温度加热：
700℃、760℃、840℃、1100℃，保温后在水中冷却得到的室温组织。
30.两个碳质量分数为％的碳钢薄试样，分别加热到780℃和900℃，保温相同时间奥氏体化后，以大于淬火临界冷却速度的速度冷却至室温。
（1）哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大？
（2）哪个温度加热淬火后马氏体碳含量较多？
（3）哪个温度加热淬火后残余奥氏体较多？
（4）哪个温度加热淬火后未溶渗碳体较多？
（5）你认为哪个温度加热淬火合适？
（1）900℃
（2）900℃（3）900℃（4）780℃
（5）780℃，综上所述此温度淬火后得到均匀细小的M+颗粒状Cm+AR的混合组织，使钢具有最大的硬度和耐磨性。
42.用T10钢制造形状简单的车刀，其工艺路线为：
锻造－热处理－机加工－热处理－磨加工。
（1）写出其中热处理工序的名称及作用。
（2）制定最终热处理（磨加工前的热处理）的工艺规范，并指出车刀在使用状态下的显微组织和大致硬度。
（1）球化退火，作用：
利于切削加工，得到球状珠光体，均匀组织，细化晶粒，为后面淬火处理作组织准备。
淬火＋低温回火，作用：
使零件获得较高的硬度、耐磨性和韧性，消除淬火内应力，稳定组织和尺寸。
（2）工艺规范：
760℃水淬＋200℃回火；
显微组织：
M回+Cm，大致硬度：
60HRC。
第七章作业
7－2分析15CrMo、40CrNiMo、W6Mo5Cr4V2和1Cr17Mo2Ti钢中Mo元素的主要作用。
Mo元素的主要作用：
（1）15CrMo:
提高耐热性
（2）40CrNiMo:
防止高温回火脆性
（3）W6Mo5Cr4V2:
提高热硬性
（4）1Cr17Mo2Ti:
提高耐蚀性
7－3请给出凸轮的三种不同设计方案（材料及相应的处理工艺），并说明各自的特点。
（1）渗碳钢：
先渗碳，后淬火＋低温回火
（2）中碳钢：
表面淬火＋低温回火
（3）中碳钢：
氮化
（4）灰铸铁：
表面淬火
7－5为普通自行车的下列零件选择其合适材料：
①链条；
②座位弹簧；
③大梁；
④链条罩；
⑤前轴。
（1）链条：
20钢
（2）座位弹簧：
65钢
（3）大梁：
Q235
（4）链条罩：
08F
（5）前轴：
45钢
7－7某厂用45MnSiV生产高强韧性钢筋，现该钢无货，但库房尚有15、25MnSi、65Mn、9SiCr钢，试问这四种钢中有无可代替上述45MnSiV钢筋的材料？
若有，应怎样进行热处理？
其代用的理论依据是什么？
25MnSi可代替45MnSiV，15钢、65Mn和9SiCr不能代替。
25MnSi热处理：
正火
理论依据：
得到S＋F
7－8试比较T9、9SiCr、W6Mo5Cr4V2作为切削刀具材料的热处理、力学性能特点及适用范围，并由此得出一般性结论。
T9的热处理：
淬火＋低温回火。
力学性能：
硬度高，韧性中等，无热硬性，综合力学性能欠佳。
适用范围：
用于尺寸不大，形状简单，要求不高的低速切削工具。
9SiCr热处理：
硬度和耐磨性良好，，无热硬性，综合力学性能优于T9。
用于制造尺寸较大，形状复杂，受力要求较高，切削速度不高的刀具。
7－9从Cr12→Cr12MoV→Cr4W2MoV的演变过程，谈谈冷作模具钢的成分、组织、使用性能及应用之间的关系。
Cr12的碳含量为2％－％，属莱氏体钢，具有优良的淬透性和耐磨性，但韧性较差，应用正逐步减少。
Cr12MoV的碳含量为％－％，在保持Cr12钢优点的基础上，其韧性得以改善，并具有一定的热硬性，在用于对韧性不足而易于开裂崩刃的模具上时，已取代Cr12钢。
Cr4W2MoV的碳含量为％－％,韧性明显改善，综合力学性能较佳，用于代替Cr12型钢制造易崩刃开裂的冷作模具。
综上所述，随着三种钢碳含量的降低，韧性逐渐改善。
7－11试全面分析选定一塑料模具材料时应考虑的主要因素。
要根据塑料制品的种类、形状、尺寸大小与精度以及模具使用寿命和制造周期来选用钢材。
7－12一般而言，奥氏体不锈钢具有优良的耐蚀性，试问它是否在所有的处理状态和使用环境均是如此？
由此得出一般性结论。
奥氏体不锈钢只有在固溶状态下，组织为单一奥氏体时才具有耐蚀性。
如：
奥氏体不锈钢在450－850℃范围加热时，晶界上会析出碳化物，发生晶间腐蚀。
7－18机床的机身、床脚和箱体为什么宜采用灰铸铁制造？
能否用钢板焊接制造？
试就两者的实用性和经济性作简要的比较。
机床的机身、床脚和箱体之所以宜采用灰铸铁铸造，是因为灰铸铁减震性能好，若用钢板焊接制造，减震性能不够，成本高，不经济。
7－19为什么可锻铸铁适宜制造壁厚较薄的零件？
而球墨铸铁却不宜制造壁厚较薄的零件？
可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火得到的，有良好的塑性韧性，经过不同的热处理工艺，可锻铸铁可获得不同的基体组织，可满足各种零件的特殊性能要求，故可锻铸铁适合制造壁厚较薄零件。
而球墨铸铁在制造过程中要加入球化剂，而球化剂以镁为主，镁的存在容易生成渗碳体，白口倾向严重，故球墨铸铁不适合制造壁厚较薄零件。
7－20为下列零件或构件确定主要性能要求、适用材料及简明工艺路线。
①机床丝杠；
②大型桥梁；
③载重汽车连杆；
④载重汽车连杆锻模；
⑤机床床身；
⑥加热炉炉底板；
⑦汽轮机叶片；
⑧铝合金门窗挤压模；
⑨汽车外壳；
⑩手表外壳
①机床丝杠性能要求：
强度高，耐磨，综合力学性能好。
适用材料：
38CrMoAlA
工艺路线：
下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→氮化→研磨→成品
②大型桥梁性能要求：
强度高，具有足够的塑性、韧性、良好的焊接性和冷热塑性加工性能
Q420
③载重汽车连杆性能要求：
高的强度、韧性和耐冲击性能
40Cr
④载重汽车连杆锻模性能要求：
高的硬度、耐磨性和热疲劳性能
5CrNiMo
⑤机床床身性能要求：
良好的减震性和铸造性能
HT150
⑥加热炉炉底板性能要求：
良好的耐热性
耐热铸铁：
RTCr2
⑦
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