工程材料作业及答案汇总 1.docx
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工程材料作业及答案汇总1
1.14．简答及综合分析题
（1）金属结晶的基本规律是什么？
条件是什么？
简述晶粒的细化方法。
（2）什么是同素异构转变？
（1）金属结晶的基本规律：
形核、长大；
条件是具有一定的过冷度；
液态金属晶粒的细化方法：
增大过冷度、变质处理、附加振动；
固态金属晶粒的细化方法：
采用热处理、压力加工方法。
（2）金属同素异构性（转变）：
液态金属结晶后获得具有一定晶格结构的晶体，高温状态下的晶体，在冷却过程中晶格发生改变的现象。
1.24．简答及综合分析题
（4）简述屈服强度的工程意义。
（5）简述弹性变形与塑性变形的主要区别。
（4）答：
屈服强度是工程上最重要的力学性能指标之—。
其工程意义在于：
①屈服强
度是防止材料因过最塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据；
②根据屈服强度与抗拉强度之比（屈强比）的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆性断裂的参考依据。
（5）答：
随外力消除而消失的变形称为弹性变形。
当外力去除时，不能恢复的变形称为塑性变形。
1.34．简答题
（6）在铁碳相图中存在三种重要的固相，请说明它们的本质和晶体结构（如，δ相是碳在δ－Fe中的固溶体，具有体心立方结构）。
α相是；
γ相是；
Fe3C相是 。
（7）简述Fe—Fe3C相图中共晶反应及共析反应，写出反应式，标出反应温度。
（9）在图3—2所示的铁碳合金相图中，试解答下列问题：
图3—2铁碳合金相图
（1）标上各点的符号；
（2）填上各区域的组成相（写在方括号内）；
（3）填上各区域的组织组成物（写在圆括号内）；
（4）指出下列各点的含碳量：
E（）、C（）、P（）、S（）、K（）；
（5）在表3-1中填出水平线的温度、反应式、反应产物的名称。
表3-1
（6）答：
碳在α－Fe中的固溶体，具有体心立方结构；碳在γ—Fe中的固溶体，具有面心
立方结构；Fe和C形成的金属化合物，具有复杂结构。
（7）答：
共析反应：
冷却到727℃时具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物。
γ0.8
→F0.02+Fe3C6.69
共晶反应：
1148℃时具有C点成分的液体同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物。
L4.3
→γ2.14+Fe3C6.69
（9）解答：
（1），
（2），（3）如图3-1中所示。
图3-1
（4）E（2.11%）；C（4.3%）；P（0.0218%）；S（0.77%）；K（6.69%）
（5）
表3-1
1.4（3）试分析石墨形态对铸铁性能的影响。
（6）写出下列各牌号材料的类别、成分或含义
（3）答石墨强度、韧性极低，相当于钢基体上的裂纹或空洞，它减小基体的有效截
面，并引起应力集中。
普通灰铸铁和孕育铸铁的石墨呈片状，对基体的严重割裂作用使其抗拉强度和塑性都很低。
球墨铸铁的石墨呈球状，对基体的割裂作用显著降低，具有很高的强度，又有良好的塑性和韧性，其综合机械性能接近于钢。
蠕墨铸铁的石墨形态为蠕虫状，虽与灰铸铁的片状石墨类似，但石墨片的长厚比较小，端部较钝，对基体的割裂作用减小，它的强度接近于球墨铸铁，且有一定的韧性，较高的耐磨性。
可锻铸铁的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用较小，具有较高的强度、一定的延伸率。
6）解答：
牌号
类别
成分或数字含义
Q345
低合金高强度结构钢
345表示钢的屈服点值为345MPa
20Cr
渗碳钢
Wc＝0.2％，Cr<1.5%
T10A
高级优质碳素工具钢
Wc＝1％
Q235A
A级碳素结构钢
235表示钢的屈服点值为235MPa
HT200
灰铸铁
200表示灰铸铁抗拉强度为200MPa
GCr15SiMn
滚动轴承钢
Cr=1.5%,Si、Mn<1.5％,
Q235-AF
普通碳素结构钢
屈服强度为235MPa的A级沸腾钢
QT600－3
球墨铸铁
σb≥600Mpa、δ≥3%
T8
碳素工具钢
含碳量为0.8%
1.5
（1）
（1）临界冷却速度VK指的是什么?
它和钢的淬透性之间有什么关系?
（2）简述正火与退火热处理的主要区别，并说明正火热处理的主要应用场合。
（7）试比较20CrMnTi与T12钢的淬透性与淬硬性。
（9）．将￠5mm的T8钢试样加热奥氏体化后，采用什么工艺可得到下列组织，请写出工艺
名称并在C曲线上（图5—1）画出工艺曲线示意图。
A．珠光体、B．索氏体、C．下贝氏体、D．托氏体+马氏体、E·马氏体+少量残余奥
氏体。
A．采用工艺为：
B．采用工艺为：
C．采用工艺为：
D．采用工艺为：
E．采用工艺为：
图5—1T8钢的C曲线
（26）45钢的过冷奥氏体等温转变曲线如图5-3所示，问：
（1）、指出图中各点处的组织；
（2）四条冷却曲线代表的热处理方式；（3）若最终得到的组织是：
托氏体+马氏体+和残余奥氏体，请在C曲线上绘出曲线示意图。
（4）在图上画出此钢的临界冷却速度Vk示意图及说明Vk的含义？
图5-3
1）答：
VK指的是淬火时只发生马氏体转变的最小冷却速度，一般VK值越小钢的淬透性越好。
（2）答：
正火和退火的主要区别在于正火的冷却速度稍快，所以获得的组织比退火细，强度和硬度高于退火。
正火的主要应用场合如下：
i．对力学性能要求不高的零件可以作为最终热处理；
ii．低碳钢正火后可获得合适的硬度，改善了切削加工性能；
iii．过共析钢退火前进行一次正火，可消除网状的二次渗碳体，以保证球化退火时渗碳体全部球化。
（7）答：
20CrMnTi是一种中淬透性合金渗碳钢，其中有提高淬透性的元素Mn、Cr、Ni等，因此淬透性较好。
又因这种材料的含碳量较低，淬火后获得的马氏体少，所以，淬硬性差一些。
而T12钢是一种工具钢，含碳量高淬硬性好，淬透性差一些。
（9）解答：
A退火，B正火；C等温淬火，D淬火（油淬），E淬火（水淬），工艺曲线如
下图所示。
（26）答：
（1）1点：
P+F+A；2点：
F+A；3点：
B下＋A。
（2）①等温退火 ②正火③等温淬火④淬火（单液）。
（3）如图
（4）如图，获得全部马氏体组织时（淬火热处理）的最小冷却速度
1.5
（2）（23）加工45钢机床主轴工艺路线如下：
下料—锻造—热处理1—粗加工—热处理2—精加工—热处理3—磨削加工。
请问三个热处理各是何工艺？
其目的是什么？
（24）用45钢制造某机床主轴，采用以下工艺路线是否合理？
为什么？
如不正确请改正。
锻造→粗车→退火→精车→磨削→淬火+高温回火→检验→入库。
（25）拟用T10制造形状简单的车刀，工艺路线为：
锻造—热处理1—机加工—热处理2—磨加工
（1）试写出各热处理工序的名称并指出各热处理工序的作用；
（2）指出最终热处理后的显微组织及大致硬度；
（27）将Φ5mm的T8钢加热至760℃并保温后经不同冷却方式得到，问：
（1）、指出图5-4中各冷却方式得到的最终组织；
（2）写出其中3、5二曲线代表的热处理方式；（3）在图上画出此钢的临界冷却速度Vk示意图并说明Vk的含义？
图5-4
（28）用T10A钢制作冷冲模，其工艺路线如下：
锻造→热处理1→机加工→热处理2→精磨
（1）写出各热处理名称及作用；
（2）指出各次热处理后的组织。
（31）共析钢加热到相变点以上，用图5-5所示的冷却曲线冷却，各应得到什么组织？
各属于何种热处理方法？
图5-5
（23）答:
热处理1为正火（退火）,其目的为:
消除锻造应力，均匀组织，改善切削加工性。
热处理2为调质,其目的为:
使具有较高的综合力学性能。
热处理3 :
为高频或中频淬火及低温回火—获得表面高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度。
（24）答:
不合理，退火是为消除锻造应力，改善组织，利于切削加工，而调质处理应安排在精车和磨削之前，以使工件达到所需表面质量。
应改为：
锻造→退火→粗车→调质→精车→局部表面淬火+低温回火→磨削→检验→入库。
（25）答：
（1）工艺路线为：
锻造—退火—机加工—淬火后低温回火—磨加工。
退火处理可细化组织，调整硬度，改善切削加工性；淬火及低温回火可获得高硬度和耐磨性以及去除内
1S
2P
3B下
4T＋M＋A＇
5M＋A＇
应力。
（2）终热处理后的显微组织为回火马氏体，大致的硬度60HRC。
（27）解：
（1）
（2）曲线3：
等温淬火
曲线5：
淬火（单液）。
（3）Vk如图，Vk---获得全部马氏体组织时（淬火热处理）的最小冷却速度。
Vk
（28）解答：
热处理1：
为球化退火，组织为粒状P，硬度较低，切削性能好。
热处理2：
为淬火+低温回火，组织为M回+碳化物+A残，具有较高硬度。
（31）答：
a-M十A'，单液淬火；b-M十A'，分级淬火；C-T+M+A'，油中淬火；d–B下，等温淬火；e-S，正火；f-P，退火；g-P，等温退火。
第二章
（2）分析图2-2所示铸件结构工艺性，若不合理请改进。
（a）（b）
图2-1铸件结构工艺性
（7）改进图2-3所示铸件的结构，并简要说明修改的理由。
图2-3铸件结构改错
（8）简述分型面的选择原则，试分析图2-4所示铸件哪一种分型面合理，并说明理由。
（a）（b）
图2-4铸件分型面的选择
（27）大批量生产下列铸件，材料均为HT200。
试判断它们的结构是否合理？
若不合理，请简要说明理由并在原图上修改。
（2）答：
图2—1中左图中零件应使其壁厚均匀，右图中零件下方存在内凹不利于造型。
改进后的结构如下图所示。
图2—1改进后的结构示意图
（7）解答：
铸件（a）侧壁有凹入部分，将妨碍起模，如要顺利起模，必须另加两个较大的外部芯子，这增加了铸造工艺的复杂性，因此，应将铸件（a）的结构改成下图中左图结构。
铸件结构设计时，应尽量使其能自由收缩，以减小应力，避免裂纹。
铸件（b）的轮辐呈偶数，虽然制模和刮板造型时分割轮辐简便，但当合金的收缩较大，轮缘与轮辐尺寸比例不当时，常因收缩不一致，热应力过大，并且由于每条轮辐与另——条成直线排列，收缩时互相牵制、彼此受阻，因此铸件无法通过变形白行缓解，易于产生裂纹。
因此，铸件（b）的轮辐应采用弯曲轮辐（如下图中的右图）或将其个数改成奇数，这样可通过轮辐本身或轮缘的微量变形缓解内应力，避免裂纹的产生。
（8）解答：
分型面选择原则：
（1）便于起模，使造型工艺简单；
分型面应选在铸件的最大截面处，以保证从铸型中取出模样而不损坏铸型；分型面应尽
量采用直平面，避免曲面分型；尽量减少分型面数量；应尽量减少芯子和活块的数量，以简
化制模、造型、合型等工序。
（2）应尽量使铸件的全部或大部置于同一砂箱中，或使主要加工面与加工基准面处于同
一砂型中，以避免产生错箱、披缝和毛刺，降低铸件精度，增加清理工作量；
（3）应尽量使型腔和主要芯处于下型，以便于造型、下芯、合箱及检验型腔尺寸。
图中所示分型面中：
（a）是不合理的，铸件分别处于两个砂箱中；
（b）是合理的，铸件处于同一个砂箱中，既便于合型，又可避免错型。
（27）答：
铸件A：
A、上部太厚，易产生缩孔；B、应设置适当铸造圆角，避免冲砂和应力集中。
铸件B：
A、侧面凸台妨碍起模；B、分型面上有结构圆角。
修改见图。
第三章
（1）分析如图3－1所示自由锻件的结构工艺性，并对其不合理之处进行改进。
图3－1自由锻制坯结构工艺性
（2）如图3－2所示零件，采用自由锻制坯，试改进零件结构不合理之处。
图3－2自由锻制坯结构工艺性
（4）拉深时为什么会起皱和拉裂?
如何避免?
（11）齿轮零件图3-6如下（次要尺寸从略），锤上模锻制坯。
从其结构上看，有哪些不妥之处？
为什么？
应如何改进（就在图上进行修改）？
图3-6
（12）指出图3-7自由锻件结构工艺性的不合理之处，并提出改进意见。
图3-7
（1）答：
不合理。
因为图中有斜面或锥面，锻件上不应有锥体或斜体结构，改后如图。
（2）答：
肋板和凸台结构不利于自由锻造成形。
改进方案为：
在去除肋板的同时，为保证强度和刚度可适当增加圆筒壁厚；此外，将凸台结构改为沉头孔结构，在自由锻中不成形留待切削加工成形。
（4）答：
拉深时起皱和拉裂是由拉深过程中产生的应力引起的，当法兰处的切向压应力达到一定数值时，法兰部分便会失稳而发生起皱现象；当筒壁与筒底的过渡部分即“危险断面”内应力达到该处材料的抗拉强度时，就会导致拉裂现象产生。
避免起皱现象，往往可采用增加压边圈的方法来解决；避免拉裂现象，可以从圆角半
径、凸凹模间隙、拉深系数、润滑等方面加以控制。
（11）解答：
不合适。
齿轮辐板太薄，需加厚以便金属充填；轮毂外径不加工，应有设计斜度，以便锻件脱模；尖角处须倒圆，既利于金属塑性流动，又不易使模具损坏。
改进后结构见下图。
（12）答：
（a）、（d）锻件：
自由锻不能锻出曲面相交的复杂结构；对（a）锻件，将其设计成两个简单件构成的组合件，锻造后再用焊接或机械连接方法将它们连成整体件；对（d）锻件，在自由锻工艺设计时将曲面相交设计成平面相交、凹处用敷料填平。
（b）锻件：
自由锻应避免锥体结构和斜面；在自由锻工艺设计时将锥体设计成圆柱体。
（C）锻件：
自由锻不能锻出凹凸不平的辐板；在自由锻工艺设计时用敷料将辐板凹处填平。
（e）锻件：
自由锻应避免加强筋结构；在自由锻工艺设计时去掉加强筋，通过增加壁厚以提高强度和刚度。
第四章
（2）如图4－1所示焊接件，试改进零件结构不合理之处。
（a）（b）
图4－1焊接件结构工艺性
（3）比较如图4－2所示的焊接件，试说明采用不同的焊接顺序对焊接变形的影响。
（a）（b）
图4—2焊接件焊接顺序的选择
（9）试对图4—4所示两种拼板焊缝的布置进行比较，哪种较为合理?
为什么?
确定较为
合理的焊缝的焊接顺序，并简要说明理由。
（a）（b）
图4—4拼板焊缝的布置
（11）分析如图4—5所示零件的结构工艺性，并对其不合理之处进行改进。
（a）焊接件 （b）铸件（保持H不变）
（c）焊接件 （d）自由锻件
图4-5结构工艺性改错
（16）试确定图4—9所示焊件的焊接顺序。
图4—9焊接顺序的选择
（19）用小块钢板拼焊，如图所示，从减小焊接应力考虑，应如何布置焊缝、确定合理的焊接顺序，试在图中标出，并说明理由。
（2）答：
图9—8中，左图应避开加工表面且不便施焊，可适当延长连接板；右图心避免焊缝集中，可在焊缝集中处切一小口，改进后的结构如下图所示。
（3）答：
图9—9中右图对称焊接有利于减小焊接变形。
（9）解答：
图中（b）所示为正确的焊缝布置。
在焊平面交叉焊缝时，在焊缝布置上要尽量减少交叉集中的现象，因为在焊缝交叉点上
会产生较大的焊接应力。
在设计应尽量避免交叉焊缝，如不可避免，应采用合理的焊接顺
序减小焊接应力。
为了减小焊接应力与变形，焊接顺序应考虑“先短后长，先中间后两边”
的对称焊接。
焊接顺序如下图所示：
（11）解答：
结构修改如下：
（16）．解答：
焊件的焊接顺序如下图所示，即先短后长，先中间后两边。
（19）答：
先焊错开的短焊缝，后焊长焊缝，使焊缝较能自由收缩，有较大的收缩变形，从而减小焊接应力。
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