工程材料习题解答.docx
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工程材料习题解答
1-2假设塑性变形时材料体积不变，那么在什么情况下塑性指标3、“之间能建立何种数学关系。
解：
无颈缩情况下，LoSo=L1S1①3=（Li-Lo）/Lo,®=（So-Si）/So
②
②代入①化简得（3+1）（1-“）=1
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改变改支架的截面与结构形状尺寸。
答：
选用第三种。
因为工件的刚性首先取决于其材料的弹性模量E,又与该工件的形状和尺寸有关。
而材料的弹性模量E难于通过合金化、热处理、冷热加工等方法改变，所以选第三种。
1-5在零件设计与选材时，如何合理选择材料的CTP、CTe、CTs、CTb性能指标？
各举一例说明。
答：
CP：
当要求弹性应力和弹性变形之间保持严格的正比关系时。
C工？
CP
Ce：
工程上，对于弹性元件，要求C工？
CeCs:
对于不允许有明显塑性变形的工程零件，要求C工？
Cs
Cb：
对塑性较差的材料，要求C工?
Cb例如：
CP-炮管、Ce-弹性元件、Cs-紧固螺栓、Cb-钢丝绳1-6现有两种低强度钢在室温下测定冲击韧性，其中材料A的AK=80J，材料B的AK=60J，能否得
出在任何情况下材料A的韧性高于材料B,为什么？
答：
不能。
因为影响冲击韧性的因素很多。
1-7实际生产中，为什么零件设计图或工艺卡上一般是提出硬度技术要求而不是强度或塑性值？
答：
这是由它们的定义、性质和测量方法决定的。
硬度是一个表征材料性能的综合性指标，表示材料表面局部区域内抵抗变形和破坏的能力，同时硬度的测量操作简单，不破坏零件，而强度和塑性的测量操作复杂且破坏零件，所以实际生产中，在零件设计图或工艺卡上一般提出硬度技术要求而不提强度或塑性值。
2-1
常见的金属晶体结构有哪几种：
它们的原于排列和晶格常数有什么特点
?
。
a—Fe、丫一
Fe、Al
Cu、Ni、
Pb、Cr、
V、Mg、Zn各属何种结构?
答：
体心：
a—
Fe、Cr、V
面心：
丫一Fe、Al、Cu、Ni、Pb、
密排六方：
Mg、
Zn
2-2
已知丫-Fe
的晶格常数要大于
a-Fe的晶格常数，但为什么丫-Fe冷却到
9120C转变为a
-Fe时，
体积反而增大？
答：
这是因为这两种晶格的致密度不同，丫-Fe的致密度是74%a-Fe
的致密度是68%当丫-Fe冷却到9120C转变为a-Fe时，由于致密度变小，导致了体积反而增大。
2-5总结说明实际金属晶体材料的内部结构特点。
答：
金属晶体内原子排列总体上规则重复，常见体心、面心、密排六方三各晶格类型。
但也存在不完
整的地方，即缺陷，按几何形态分为点、线、面缺陷。
3-1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；
（1）金属模浇注与砂模浇注；
（2）高温浇注与低温浇注；
（3）铸成薄壁件与铸成厚壁件；（4）浇注时采用振动与不采用振动；
（5）厚大铸件的表面部分与中心部分。
答：
1前小；2后小；3前小；4前小；5前小；
3-2下列元素在a—Fe中形成哪种固溶体？
Si，C,N,Cr，MnB，Ni
答：
间隙：
C,N,B置换：
Si，Cr，MnNi
3-6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？
答：
共晶成分的合金恒温结晶，流动性好，适合铸造。
单相固溶体成分的合金，塑性
好。
3-补1、什么叫固溶体相？
其结构有何特点？
性能如何？
在合金中有何作用？
举一例说明。
答：
组成固态合金的组元相互溶解形成的均匀结晶相。
结构：
保持溶剂的晶格不变，溶质以原子分散于溶剂晶格中，成分不固定，A（B）表示。
性能：
强度较纯溶剂金属大，塑性、韧性较好。
作用：
合金中为基本相，作基体相。
举例：
如碳钢中的铁素体F。
3-补2、已知A熔点600度与B熔点500度，在液态无限互溶；在固态300度时，A溶于B的最大溶解度为30%室温时为10%但B不溶于A;在300度时，含40%B的液态合金发生共晶反应。
现要求：
（1）、作出A--B合金相
（2）、注明各相区的组
Ct>KEE
图；
织。
答：
A4070W1
B-
4-4简要比较液态
-
结晶、重结晶、再结晶的
异同之处。
答：
同：
都是结晶，需要△
T,
有形核、长大过程。
异：
液态结晶，液t固，△
T可小些，无序t有序,
相变。
重结晶，固t固，△T较大，有序t有序，相变。
再结晶，只有变形金属才可再结晶，是晶格畸变减轻、消失，破碎晶粒t完好晶粒，不是相变。
4-5金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒？
为什么？
答：
不能。
只有变形金属才可再结晶，储存能量是产生再结晶的前提。
4-8、钨在1000C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3410C,
锡熔点是232C）?
解：
钨的再结晶温度是：
（3410+273）X0.4-273=1200C
•••加工温度小于再结晶温度，.••属于冷加工
锡的再结晶温度是：
（232+273）X0.4-273=-33C
•••加工温度大于再结晶温度，.••属于热加工
4-9用下列三种方法制造齿轮，哪一种比较理想?
为什么?
（1）用厚钢板切成圆板，再加工成齿轮
（2）用粗钢棒切下圆板，再加工成齿轮；
（3）将圆棒钢材加热，锻打成圆饼，再加工成齿轮。
（4）下料后直接挤压成形。
答：
第四种。
下料后直接挤压成形，保留纤维组织。
4-10、用一根冷拉钢丝绳吊装一大型工件进入热处理炉，并随工件一起加热到1000C保温，当出炉
后再次吊装工件时，钢丝绳发生断裂，试分析其原因。
答：
冷拉钢丝绳是利用加工硬化效应提高其强度的，在这种状态下的钢丝中晶体缺陷密度增大，强
度增加，处于加工硬化状态。
在1000C时保温，钢丝将发生回复、再结晶和晶粒长大过程，组织和结构恢
复到软化状态。
在这一系列变化中，冷拉钢丝的加工硬化效果将消失，强度下降，在再次起吊时，钢丝将被拉长，发生塑性变形，横截面积减小，强度将比保温前低，所以发生断裂。
5-1、分析含碳量WC分别为0.2%、0.45%、0.8%、1.2%的铁碳合金在极缓慢冷却时的组织转变过程，绘出室温组织示意图并在图上标出组织组成物名称。
答：
0.2%：
A-F+A-F+P
0.45%：
A-F+A-F+P
0.8%：
A-P
1.2%：
A-Fe3C+A-Fe3C+P
5-2分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体的异同之处。
答：
同：
性能
异：
一次渗碳体从液态中析出，为长条状。
二次渗碳体从A中析出，为网状。
三次渗碳体从F中析出，为点状。
共晶渗碳体与A共晶反应生成，为块状。
共析渗碳体与F共析反应生成，为长条状。
5-4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，其中铁素体占80％（体积分数）。
问此钢中碳的质量分数大约为多少？
解：
组织为珠光体和铁素体，所以是亚共析钢，C全在P中，Wc=0.77%X20%=0.154%
5-3根据铁碳相图计算：
（1）室温下，Wc为0.2%的钢中珠光体和铁素体的相对量；
（2）室温下，Wc为1.2%的钢中珠光体和二次渗碳体的相对量；
⑶727C共析反应刚完成时，珠光体中铁素体和渗碳体的相对量；
⑷Wc为1.2%勺钢在1400C、1100C和800C时奥氏体中的含碳量；
（5）铁碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体的最大质量分数。
解：
（1）WP=0.2/0.77=26%WF=（0.77-0.2）/0.77=74%
（2）WP=（6.69-1.2）/（6.69-0.77）=92.7%
We3cn=（1.2-0.77）/（6.69-0.77）=7.3%
（3）WF=（6.69-0.77）/6.69=88%
WFe3c=0.77/6.69=12%
（4）1400C为L+A,A中C%>1.2%
1100C为A,A中C%=1.2%
800C为A+FesC,A中C%<1.2%
（5）WFe3CnMAX=（2.11-0.77）/（6.69-0.77）=22.6%
WFe3CmmaX=（0.0218-0.0008）/（6.69-0.0008）=0.3%
5-5已知铁素体的硬度为80HBS渗碳体的硬度为800HBw根据两相混合物的合金性能变化规律，
计算珠光体的硬度。
为什么实际侧得的珠光体的硬度都要高于此计算值?
解：
WF=（6.69-0.77）/6.69=88%
WFe3C=0.77/6.69=12%
HB^88%X80+12%x800=166.4
渗碳体的强化作用。
5-6现有形状和尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们的含碳量Wc分别为0.20%、0.40%、
1.2％、3.5％，根据你所学的知识可用哪些方法来区别它们?
答：
硬度。
5-7根据铁碳相图解释下列现象：
（1）在进行热轧和锻造时，通常将钢材加热到1000—l250C;
（2）钢铆钉一般用低碳钢制作；
（3）绑扎物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物时的钢丝绳Wc分别为0.60%、0.65%、
0.70%的钢等制成；
⑷在1100C时，W=0.4%的碳钢能进行锻造，而Mc=4.0%的铸铁不能进行锻造；
（5）在室温下，现W=0.8%的碳钢比W=1.2%的碳钢强度高；
⑹Wc=1.0%的碳钢比W=0.5%的碳钢硬度高；
（7）钢适用于压力加工成形,而铸铁适于铸造成形。
答：
（1）在A区
（2）塑性好（3）前塑性好，后强度大（4）前在A区，后含渗碳体
示意画出共析碳钢的C曲线。
钢A化的过程怎样？
目的是什么?
答：
过程——1、A形核；2、A长大；3、残余渗碳体溶解；4、A成分均匀化。
目的——细小、均匀的
A。
6补-3根据C曲线分析高、中、低温转变的组织和性能。
答：
1、高温转变（A[~550C）,P类转变，扩散型
粗P（A1~680C）细P（680~600C）——S极细P（600~550C）——T
P层片间距越小，强度、硬度越高，塑性和韧性也变好。
2、中温转变（550~Ms240C）,B类转变，半扩散型。
B上（550~350C）,呈羽毛状；B下（350~240C）,呈针片状
低温形成的B下，不仅具有高的强度、硬度和耐磨性，而且有良好的塑性和韧性。
3、低温转变（Ms~Mf）,M类转变，无扩散型M是C在a—Fe中的过饱和间隙固溶体。
随着含碳增加，强度和硬度升高，低碳M不仅具有高的强度和硬度，而且有良好的塑性和韧性
6补-4什么叫M?
M转变的条件和特点是什么？
答：
M是C在a—Fe中的过饱和间隙固溶体。
M形成条件：
〉Vk,vMs
M转变特点：
①无扩散相变；②速度极快；③变温生成；④转变不完全；⑤A内生成，先大后小。
6补-5退火和正火的主要目的是什么?
1）调整硬度以便于切削加工；
2）消除残余应力，防止钢件在淬火时产生变形或开裂；
3）细化晶粒、改善组织以提高钢的力学性能。
4）为最终热处理作组织上的准备。
6补-6、回火的种类及其性能如何？
⑴•低温回火（<200C）,得M回。
性能：
应力减小，硬度变化不大。
⑵.中温回火（300〜400C），得T回。
性能：
应力基本消除，强度、硬度降低，塑、韧性上升。
⑶.高温回火（>400C）,得S回。
性能：
强度、硬度进一步降低，塑、韧性进一步上升。
6补-7、过共析钢淬火加热温度如何选择？
为什么？
淬火加热后的组织是什么？
答：
过共析钢淬火加热温度应为Aci+30~50C，如大于Accm,则完全A化，淬火后为M+A,无FesC对
耐磨性不利，如Ai+30~50C,组织为A+F&C,淬火后为M+FeC+A少，满足要求，淬火加热后组织为A+F&C
6-2确定下列钢件的退火方法，并指出退火的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）ZG270—500的铸造齿轮；
（3）锻造过热的60钢锻坯；
（4）具有片状渗碳体的T12钢坯。
答：
（1）、再结晶退火，降低硬度，F+P
（2）、完全退火，细化晶粒，F+P
（3）、完全退火，细化晶粒，F+P（4）、球化退火，使FesC球化，P+粒FesC
6-3指出下列零件的锻造毛坯进行正火的主要目的及正火后的显微组织。
20钢齿轮；
（2）45钢小轴；（3）T12钢锉刀。
答：
降低硬度，便于加工，F+P
作为最终热处理，获得较好性能，F+P
消除锻造应力，为后续工序准备，P+FesC
6-5比较45钢分别加热到700C、750C和840C水冷后硬度值的高低，并说明原因。
答：
700C时，组织为F+P,水冷为F+P750C时，组织为F+A,水冷为F+M840C时，组织为A,水冷为M故加热温度高，水冷硬度高。
6-6现有一批丝锥，原定由T12钢制成，要求硬度为60〜64HRC。
但生产时材料中混入了45钢，若混入的45钢在热处理时，
（1）仍按T12钢进行处理，问能否达到丝锥的要求？
为什么？
（2）按45钢进行处理后能否达到丝锥的要求？
为什么?
答：
（1）不能达到要求。
45钢淬火加热温度>Ai时，组织为F+A,淬火后为F+M软硬不均，耐磨性差。
（2）不能达到要求。
按45钢处理，淬火加热温度>A时，组织为A淬火后获得粗针头M韧性差，同时残余A体多，硬度不足，无FesC,耐磨性差。
6-7甲、乙两厂生产同一批零件，材料都是45A钢，硬度要求220~250HBS甲厂采用正火，乙厂采
用调质，都能达到硬度要求。
试分析甲、乙两厂产品的组织和性能有何区别？
答：
甲厂正火组织为F+SFesC呈片层状。
乙厂调质组织为回火索氏体，FesC呈颗粒状。
在硬度相同的条件下，调质的塑性、韧性更好些，因此乙厂工艺较好。
6-8现有三个形状、尺寸、材质（低碳钢）完全相同的齿轮。
分别进行整体淬火、渗碳淬火和高频感应加热淬火,试用最简单的办法把它们区分出来。
答：
用测硬度方法区分。
低碳钢整体淬火组织为F,硬度低不均；渗碳淬火得M+FeC（高C）,硬度最
高；高频淬火为M（低C）,硬度次之。
6-9现有低碳钢和中碳钢齿轮各一个，为了使齿面具有高的硬度和耐磨性，试问应进行何种热处理?
并比较它们经热处理后在组织和性能上有何不同?
答：
低碳钢：
渗碳后淬火+低温回火，表面达要求中碳钢：
淬火+低温回火，次之。
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热处理后的组织。
答：
正火一一降低硬度，便于加工；调质一一获得良好综合性能；
高频淬火+低温回火一一表面获得高硬度和耐磨性。
6-11生产中经常把已加热到淬火温度的钳工凿子刃部投入水中急冷，然后出水停留一段时间，再整体投入水中冷却。
试分析这先后两次水冷的作用。
答：
刃部入水急冷为淬火，得M+FesC
出水停留一段时间为回火，得M'+FesC
再整体投入水中，为抑制继续回火，保留回火组织。
7补-1、Me对淬火钢的回火转变有何影响？
答：
1）提高回火稳定性；2）产生二次硬化提高钢的淬透性；3）有些Me影响高温回火脆性。
7补-2、总结Me在钢中的作用。
答:
Me存在钢中可以
1）强化F（Me在F中）；2）提高淬透性（Me在A中）；3）提高回火稳定性（Me在M中）；4）细晶强化（形成稳定的的化合物）；5）有些Me影响高温回火脆性。
7补-3、总结渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢的性能要求，成分特点、热处理特点、最终组织及常用钢种。
答：
一、渗碳钢
性能要求：
表面硬而耐磨,心部强韧。
成分特点：
低碳,Cr等。
热处理特点：
渗碳后淬火+低温回火。
最终组织：
表面——M+碳化物+A，少，心部——M7或
F+P。
常用钢种：
20、20Cr、20CrMnTi、18CrNiWA等
、调质钢
性能要求：
综合性能好。
成分特点：
中碳，Cr、Mn、Si、Ni等。
热处理特点：
淬火＋高温回火。
三、弹簧钢性能要求：
弹性强度高，屈强比高。
热处理特点：
淬火＋中温回火。
四、轴承钢性能要求：
硬度高，耐磨性好，稳定。
最终组织：
S＇常用钢种：
45、40Cr等
成分特点：
高碳中低的的部分，Cr、Mn等。
最终组织：
T＇常用钢种：
65Mn、60Si2Mn等
成分特点：
高碳，Cr等。
热处理特点：
淬火＋低温回火（淬火后冷处理，回火后时效）。
最终组织：
M＇常用钢种：
GCr15
7补-4、高速钢为什么要锻造？
锻造后如何处理？
得何组织？
答：
打碎碳化物，成型。
锻造后等温退火，得S+碳化物。
7补-5、高速钢如何最终热处理？
为什么？
是否属调质？
为什么？
答：
高温度的淬火，使尽可能多的CMe溶入A中，以保证性能，但不让A长大。
高温度的回火多次，尽可能在二次硬化作用最强的温度范围内回火保证热硬性；多次回火以尽量减少残余A的量，得使用状态组织为M+碳化物+A/少
不属调质，因该处理得的组织不是S＇。
7补-6、不锈钢抗蚀性好的原因是什么？
A不锈钢有何特点？
答：
Me加入后：
提高固溶体基体的电极电位；⑵•形成均匀单相组织；⑶•形成保护膜。
A不锈钢抗蚀性好，抗拉强度低，塑性好，但加工硬化倾向大，切削性差。
7补-7、某型号的柴油机的凸轮轴，要求凸轮表面有高的硬度（>50HRC）,而心部具有良好韧性，原
来采用45钢调质处理再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温回火，现因工厂库存的45钢以用完，只剩15钢，拟用15钢代替。
试说明：
原45钢各热处理工序的作用
改用15钢后，仍按原热处理工序进行能否满足性能要求？
为什么？
（3）改用15钢后，为达到所需要的性能，在心部强度足够的前提下，应采用何种工艺。
答：
（1）45钢调质，获良好的综合性能表面淬火+低温回火，使表面获较高的硬度和耐磨性
（2）改用15钢后仍按原工艺，不能满足性能要求。
因15钢含C量低，调质后综合性能远不及45钢，特别是强度和硬度。
改用15钢后，应采用渗碳工艺，渗碳后淬火+低温回火处理，心部保持足够的强韧性，表面具有较高
的硬度。
7补-8要制造齿轮、连杆、热锻模具、弹簧、冷冲压模具、滚动轴承、车刀、锉刀、机床床身等零件，试从下列牌号中分别选出合适的材料并叙述所选材料的名称、成分、热处理工艺和零件制成后的最终组织。
T10、65Mn、HT300、W6Mo5Cr4V、2GCr15Mo、40Cr、20CrMnTi、Cr12MoV、5CrMnMo
答：
齿轮：
20CrMnTi渗碳钢；C%=0.2%,Cr,Mn,Ti<1.5%;渗碳+淬火+低温回火；组织为回火马氏体。
连杆：
40Cr调质钢；C%=0.4%,Cr<1.5%调质处理（淬火+高温回火）；组织为回火索氏体。
弹簧：
65Mn弹簧钢；C%=0.65%,Mn<1.5%淬火+中温回火；组织为回火托氏体。
冷冲压模具：
Cr12MoV冷变形模具钢；C%>1%,Cr=12%,Mo,V<1.5%淬火+低温回火；组织为回火马氏体。
滚动轴承：
GCr15Mo轴承钢；C%=1%,Cr=1.5%,Mo<1.5%;球化退火+淬火+低温回火；组织为回火马氏体。
车刀：
W6Mo5Cr4V2高速钢；W%=6%,Mo%=5%,Cr%=4%,V%=淬%火+560C三次回火；组织为回火马氏体＋碳化物。
锉刀：
T10碳素工具钢；C%=1%淬火+低温回火；组织为回火马氏体+碳化物。
热锻模具：
5CrMnM（热变形模具钢；C%=0.5%,Cr,Mn,Mo<1.5%;淬火+高温回火；组织为回火索氏体。
机床床身：
HT300灰口铁；无需热处理。
8-1、铝合金的热处理强化和钢的淬火强化有何不同？
答：
钢的淬火强化是加热得单相A,A中含C多，淬火得a过（无扩散相变得到的a过为M），晶格畸
变而强化。
铝合金的热处理强化是淬火得a过（铝基固溶体），强度、硬度并不高，通过时效a过中析出第二
相，造成晶格畸变而强化。
8-2、铝合金是如何分类的?
答：
按成分和工艺特点分
成分小于D点的合金一一变形铝合金（其中成分小于F点的不能热处理强化）；
成分大于D点的合金铸造铝合金。
8-3简述纯铝及各类铝合金牌号表示方法、性能特点及应用。
答：
LF
8补-1、轴承合金的组织特点是什么？
答：
主要有两种组织，一种是软基体+硬质点，一种是硬基体+软质点。
8补-2.不同铝合金可通过哪些途径达到强化目的？
答：
铸造铝硅合金可通过变质处理达到强化的目的。
能热处理强化的变形铝合金可利用时效强化（固溶处理后时效处理）达到强化目的。
8补-3.何谓硅铝明？
它属于哪一类铝合金？
为什么硅铝明具有良好的铸造性能？
在变质处理前后其组织及性能有何变化？
这类铝合金主要用在何处？
答：
铝硅铸造合金又称为硅铝明，由于含硅量为17%附
近的硅铝明为共晶成分合金，具有优良的铸造性能。
在铸造缓冷后，其组织主要是共晶体（a十Si）,其中硅
晶体是硬化相,并呈粗大针状,会严重降低合金的力学性能,为了改善铝硅合金性能,可在浇注前往液体合金中加入含钠的变质剂,纳能促进硅形核,并阻碍其晶体长犬,使硅晶体成为极细粒状均匀分布在铝基体上。
钠还能使相图中共晶点向右下方移动,使变质后形成亚共晶组织。
变质后铝合金的力学性能显著提高。
铸造铝硅合金一般用来制造质轻、耐蚀、形状复杂及有一定力学性能的铸件,如发动机缸体、手提电
动或风动工具（手电钻）以及仪表外壳。
同时加入镁、铜的铝硅系合金（如ZL108）,在变质处理后还可进行固溶处理+时效,使其具有较好耐热性和耐磨性,是制造内燃机活塞的材料。
14补-1、什么是失效？
答：
零件在使用过程中，因外部形状尺寸和内部组织结构发生变化而失去原有的设计功能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现象即称为失效。
14补-2、失效形式有那几种？
答：
按零件的工作条件及失效的特点将失效分为四大类：
即过量变形、断裂、表面损伤和物理性能降
结构形状不合理一是选材不当，这是最重要的原因；其二是材质欠佳。
加工缺陷、组织不均匀缺陷（粗大组织、带状组织等）、表面质量（刃痕等）与有害
零件安装时配合不当、对中不良等，维修不及时或不
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