工程材料及成形技术习题答案.docx
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工程材料及成形技术习题答案
《工程材料及成形技术》课程习题集
班级：
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姓名：
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学号：
________________
2013年2月——5月
习题一工程材料的性能
一、名词解释
σs：
σb：
δ：
ψ：
E：
σ-1：
αk：
HB：
HRC：
二、填空题
1、材料常用的塑性指标有（δ）和（ψ）两种，其中用（ψ）表示塑性更接近材料的真实变形。
2、检验淬火钢成品的硬度一般用（洛氏硬度HRC），而布氏硬度是用于测定
（较软）材料的硬度。
3、零件的表面加工质量对其（疲劳）性能有很大影响。
4、表征材料抵抗冲击载荷能力的性能指标是（ak），其单位是（J/cm2）。
5、在外力作用下，材料抵抗（塑性变形）和（断裂）的能力称为强度。
屈服强度与（抗拉强度）比值，工程上成为（屈强比）。
三、选择题
1、在设计拖拉机缸盖螺钉时，应选用的强度指标是（A）
A．σsb．σbc．σ-1
2、有一碳钢支架刚性不足，解决办法是（C）
A．用热处理方法强化b．另选合金钢c．增加截面积
3、材料的脆性转化温度应在使用温度（B）
A．以上b．以下c．相等
4、在图纸上出现如下硬度技术条件标注，其中哪种是正确的？
（B）
A．HB500b．HRC60c．HRC18
四、简答题
1、下列各种工件应采取何种硬度试验方法来测定其硬度？
（写出硬度符号）
锉刀：
HRC黄铜轴套：
HB
供应状态的各种非合金钢钢材：
HB硬质合金刀片：
HV
耐磨工件的表面硬化层：
HV调质态的机床主轴：
HRC
铸铁机床床身：
HB铝合金半成品HB
2、在机械设计中多用哪两种强度指标？
为什么？
常用σs：
σb：
原因：
大多数零件工作中不允许有塑性变形。
但从零件不产生断裂的安全考虑，同时也采用抗拉强度。
3、设计刚度好的零件，应和什么因素有关？
（1）依据弹性模量E选材，选择E大的材料
（2）在材料选定后，主要影响因素是零件的横截面积，不能使结构件的横截面积太小。
一些横截面积薄弱的零件，要通过加强筋或支撑等来提高刚度。
交作业时间：
习题二金属的晶体结构
一、名词解释
单晶体的各向异性：
位错：
ρ：
细晶强化：
二、填空题
1、晶体与非晶体的根本区别是
（晶体具有固定熔点，原子排列有规律，各向异性）。
2、晶体缺陷有（点缺陷：
空位/间隙原子）（线缺陷：
位错）和（面缺陷：
晶界）。
3、位错分为两种，一种是（刃型位错），另一种是（螺型位错），多于半个原子面是（刃型位错）位错所特有的。
4、γ-Fe，α-Fe的一个晶胞内的原子数分别为（4）和
（2）。
三、是非题（正确的画“√”，错误的画“×”）
1、因为单晶体是各向异性的，所以实际应用的金属材料在各个方向上的性能也是不相同的。
（×）
2、金属多晶体是由许多结晶方向相同的单晶体组成的。
（×）
3、金属理想晶体的强度比实际晶体的强度高。
（√）
4、晶体缺陷的共同之处是它们都引起晶格畸变。
（√）
5、位错就是原子排列有规则的错排现象。
（√）
四、作图题
画出体心立方和面心立方晶体中原子排列最密的晶面和晶向，写出它们的晶面和晶向指数。
交作业时间：
习题三金属的结晶
一、名词解释
自发形核：
细晶强化：
变质处理：
二、填空题
1、结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，这两个过程是
（形核）和（核长大）。
2、在金属学中，通常把金属从液态过渡为固体晶态的转变称为（结晶）
而把金属从一种固体晶态过渡为另一种固体晶态的转变成为
（同素异构转变）。
3、过冷度是指（实际结晶温度与理论结晶温度的差值），
其表示符号为（△T=Tm-Tn）。
4、过冷是结晶的（必要）条件。
5、典型铸锭结构的三个晶区分别为（表面细晶区）（中间柱状晶区）和
（中心等轴晶区）。
三、是非题（正确的画“√”，错误的画“×”
1、凡是由液态凝固成固体的过程都是结晶过程。
（×）
2、金属由液态转变为固态的结晶过程，就是由短程有序状态向长程有序状态转变的过程。
（√）
3、当晶核长大时，随着过冷度增大，晶核的长大速度增大。
但当过冷度很大时，晶核长度速度很快减小。
（√）
4、过冷度的大小主要取决于冷却速度和金属的本性。
（√）
四、选择题
1、金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将（b）
A．越高b.越低c.越接近理论结晶温度
2、铸造条件下，冷却速度越大，则（a）
a.过冷度越大，晶粒越细b.过冷度越大，晶粒越粗c.过冷度越小，晶粒越细
3、从液态转变为固态时，为了细化晶粒，可采用（b）
a.快速浇注b.加变质剂c.以砂型代替金属型
五、简答题
1、如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下铸件晶粒大小
（a）金属型浇注与砂型浇注：
金属型浇注晶粒细小，金属型导热性好，增加了冷速
（b）变质处理与不变质处理：
变质处理晶粒细小，增加了晶核数目。
（c）铸成薄铸件与铸成厚铸件：
薄铸件晶粒细小，薄铸件冷却速度快
（d）浇注时采用震动和不采用震动。
采用振动的晶粒细小，破碎的晶粒增加了晶核。
2、试画出纯金属的冷却曲线，分析曲线中出现“平台”原因。
平台原因：
结晶时释放的结晶潜热补偿了金属向外界的散热，达到平衡。
交作业时间：
习题四合金结构和二元合金相图
一、名词解释
相：
组织：
固溶体：
金属化合物：
枝晶偏析：
固溶强化：
二、填空题
1、合金的相结构有（固溶体）和（金属化合物）两大类，其中前者具有较高的（塑性）性能，适宜做（基本相），后者具有较高的（硬度），
适宜做（强化相）。
2、能提高金属材料强度和硬度的同时，又不显著降低其塑性和韧性的强化方法称为（固溶强化）。
3、固溶体的强度和硬度比溶剂的强度和硬度（高）。
4、固溶体出现枝晶偏析后，可采用（扩散退火）加以消除。
5、共晶反应表达式为
（L（固定成分的液体）=（恒温）（α固定成分+β固定成分）同时析出两种固体）
共晶反应的特点是：
（恒温，析出相为液相，析出物为两种固相且同时析出，称为共晶体，有独特的形貌。
液相，固相均有固定的成分）
6、具有匀晶型相图的单相固溶体合金（塑性）性能好。
7、固溶体的晶体结构取决于（溶剂），
金属化合物的晶体结构（与组成它的任何组元都不相同，是一种新相）。
三、是非题（正确的画“√”，错误的画“×”）
1、在共晶相图中，从液体中析出的βⅠ相与从α相中析出的βⅡ相，具有相同的晶体结构。
（√）
2、一个合金的室温组织为αⅠ+βⅡ+（α+β），它是由三相组成。
（×）
3、杠杆定律只适合于两相区。
（√）
4、凡组织组成物都是以单相状态存在于合金中。
（×）
5、在合金结晶过程中析出的初生晶和二次晶均具有相同的晶体结构，但具有不同的组织形态。
（√）
四、选择题
1、固溶体的晶体结构与（a）
a.溶剂相同b.溶质相同c.与其他晶型相同
2、固溶体的性能特点是（C）
a.塑韧性高，强度，硬度低b.塑韧性低，强度，硬度高c.综合性能好
3、金属化合物相的性能特点是（C）
a.熔点高，硬度低b.硬度高，熔点低c.熔点高，硬度高
4、在发生共晶反应时，三相的成分（b）
a.相同b.确定c.不确定
5、在固溶体合金结晶过程中，产生枝晶偏析的原因是由于（d）
a.液固相线间距很小，冷却缓慢b.液固相线间距很小，冷却速度大
c.液固相线间距很大，冷却缓慢d.液固相线间距很大，冷却速度大
6、二元合金中，铸造性能最好的合金是（b）
a.固溶体合金b.共晶合金c.共析合金d.包晶合金
五、计算和作图题
1、一个二元共晶反应如下：
L（75%B）—α（15%B）+β（95%B）
（1）含50%B的合金凝固后，求：
（a）初晶α与共晶体（α+β）的质量百分数
（b）α相与β相的质量百分数
（2）若共晶反应后，β初晶和（α+β）共晶各占一半，求该合金的成分。
L（75%B）—α（15%B）+β（95%B）
（1）含50%B的合金凝固后，属于亚共晶的成分范围
求（a）初晶α与共晶体（α+β）的质量百分数
WαⅠ%=（75-50）/（75-15）%=25/60%=42%
W（α+β）%=（100-42）%=58%
（b）α相与β相的质量百分数
Wα%=（95-50）/（95-15）%=45/80%=56%
Wβ%=（100-56）%=44%
（2）若共晶反应后，β初晶和（α+β）共晶各占一半，求该合金的成分。
该合金属于过共晶，设合金成分为X，
Wβ/W（α+β）%=1=（95-X）/（X-75）%
2X（%）=170X%=85%
2、已知A组元（熔点600℃）与B组元（熔点500℃）
在液态无限互溶，
在300℃时，含40%B的液态合金发生共晶反应。
在固态时，A在B中最大溶解度为30%，室温时为10%，
但B在固态和室温时均不溶于A，
试作出该A-B合金相图，并分析含20%A，45%A，80%A合金的结晶过程。
共晶反应式：
L40%B=（300℃）（A+α30%A）
（a）20%A匀晶+二次析出
L——L+αⅠ——αⅠ——αⅠ+AⅡ
（b）45%A，过共晶，匀晶，共晶，二次析出
L——L+αⅠ——αⅠ+（A+α）——αⅠ+AⅡ+（A+α）
（c）80A%，亚共晶，匀晶，共晶
L——L+A——A+（A+α）——A+（A+α）
交作业时间：
习题五铁碳相图
一、名词解释
同素异晶转变珠光体莱氏体
二、填空题
1、珠光体的本质是（F和Fe3C的呈片层状的机械混合物）。
2、Fe3C的本质是（Fe和C组成的一种复杂间隙相化合物）。
3、铁素体F的晶体结构为（BCC），奥氏体A的晶体结构为（FCC）。
4、共析成分的铁碳合金室温平衡组织是（P），其组成相为（F+Fe3C）。
5、在铁碳合金室温平衡组织中，含Fe3CⅡ最多的合金成分为（2.11%C），含Le最多的合金成分为（4.3%），含Fe3CⅢ最多的合金成分为（0.0218%）。
6、含碳量大于0.77%的铁碳合金从1148℃冷却至727℃时，将从奥氏体中析出（Fe3CⅡ），其分布特征为（网状）。
7、在缓慢冷却条件下，含碳0.8%的钢比含碳1.2%的钢硬度（低），强度（高）。
8、在实际生产中，若将钢热锻或热轧时，必须把钢加热到（单相A）状态。
三、是非题（正确的画“√”，错误的画“×”）
1、20钢比T12钢的含碳量要高。
（×）
2、Fe3CⅠ和Fe3CⅡ的形态与晶体结构都不相同。
（×）
3、在退火状态，45钢比20钢的硬度和强度都高。
（√）
4、在铁碳合金平衡结晶过程中，只有成分为4.3%的铁碳合金才发生共晶反应。
（×）。
5、在铁碳合金中，只有过共析钢的平衡组织中才有二次渗碳体存在。
（×）
四、选择题
1、奥氏体是（a）
a.碳在γ-Fe中的间隙固溶体b.碳在α-Fe中的间隙固溶体
c.碳在α-Fe铁中的有限固溶体。
2、珠光体是一种（b）
a.单相固溶体b.两相混合物c.Fe与C的化合物
3、T10钢的平均含碳量为（b）
a.0.1%b.1.0%c.10%
4、铁素体的力学性能（c）
a.强度高、塑性好、硬度低b.强度低、塑性差、硬度低
c.强度低、塑性好、硬度低
5、下列能进行锻造的铁碳合金是（a）
a.亚共析钢b.共晶白口铁c.亚共晶白口铁
五、依据铁碳相图分析产生下列现象的原因：
（1）含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高。
钢的硬度取决于渗碳体的含量，钢的含碳量越高，渗碳体含量越多，硬度越高。
因此，1.0%C的钢渗碳体含量高，硬度高。
（2）在室温下，含碳量0.8%的钢的强度比含碳量1.2%的钢高。
钢的强度是受钢的组织形态影响的，退火状态的钢，珠光体含量越高，强度越高，0.8%C的钢，100%为珠光体组织，而1.2%C钢则出现了网状渗碳体，强度降低。
（3）在1100℃，含碳为0.4%的钢能进行锻造，而含碳为4.0%的白口铁不能进行锻造。
0.4%C的碳钢1100℃处在单相A区，A是FCC的固溶体，塑性好，适合锻造。
而4.0%C的铸铁，1100℃主要为莱氏体组织，是共晶组织，脆而硬，不适合于锻造这种塑性加工。
六、默画铁碳相图，标注重要的温度和成分。
标注室温组织。
标注锻造、铸造和热处理温度区间。
七、杠杆定理计算计算45、T8、T12三种钢，室温下组织组成物和相的相对量？
序号
钢号
平衡组织
相
计算组织的杠杆
计算相的杠杆
01
45
F+P
F，Fe3C
02
T8
P
F，Fe3C
03
T12
P+Fe3CⅡ
F，Fe3C
45钢：
室温下：
组织：
F+P
WP%=（0.45-0）/（0.77-0）%=58%WF%=（100-58）%=42%
相：
F，Fe3C
WF%=（6.69-0.45）/（6.69-0）%=93%
WFe3C%=（100-93）%=7%
T8钢：
室温下组织：
P=100%
相：
F，Fe3C
WF%=（6.69-0.8）/（6.69-0.02）%=5.89/6.67%=88%
WFe3C=（100-88）%=12%
T12钢室温下组织：
P+Fe3CⅡ
Wp%=（6.69-1.2）/（6.69-0.77）%=5.49/5.92%=93%
WFe3C%=（100-93）%=7%
相：
F，Fe3C
WF%=（6.69-1.2）/（6.69-0）%=5.49/6.69%=82%
WFe3C%=（100-82）%=18%
（2）用显微镜观察某亚共析钢，估计其中珠光体含量为80%，则此钢的含碳量
为多少？
设：
钢的含碳量为X%,杠杆设置：
WP%=80%=（X-0.02）（0.77-0.02）%X%=62%应该为60号钢。
八、填表
（1）
钢号
类别
含碳量
应用举例
Q235
普通结构钢
0.1-0.2
建筑结构用钢
15
优质碳素结构钢
0.15
桥梁，容器罐，水箱
45
优质碳素结构钢
0.45
车床主轴
65
优质碳素结构钢
0.65
弹簧，裁纸刀
T8
碳素工具钢
0.8
手动工具，如手工锯条
T12
碳素工具钢
1.2
手动工具，如锉刀
填表
（2）
零件名称
选择材料牌号
手工锯条
T8，碳素工具钢
普通螺钉
Q235，普通碳素结构钢
车床主轴
45，优质碳素结构钢
交作业时间：
习题六钢的热处理
一、名词解释
临界冷却速度；过冷奥氏体、残余奥氏体，马氏体，贝氏体、淬透性、淬硬性、
调质处理；回火索氏体，索氏体
二、填空题
1、在过冷奥氏体等温转变产物中，珠光体与屈氏体的主要相同点是
（都是由F和Fe3C组成的机械混合物）
不同点是（T的片层间距比P细小，因而T的硬度，强度比珠光体高）。
2、马氏体的显微组织形态主要有（板条状）和（针状）两种，
其中（板条状）韧性好。
3、钢的淬透性越高，则C曲线的位置越（右移），说明临界冷却速度越（小）。
4、钢的热处理工艺是由（加热）（保温）（冷却）三阶段组成，一般来讲，它不改变零件的（形状），但改变其（组织与性能）。
5、利用铁碳相图确定钢完全退火的正常温度范围是（Ac3以上30-50℃），
它适合于（亚共析）钢。
6、球化退火的主要目的是（使P中的Fe3C球化，降低硬度，便于加工），
它适合于（高碳钢/过共析）钢。
7、钢的正常淬火温度，亚共析钢是（Ac3以上30-50℃），
过共析钢是（Ac1以上30-50℃）。
8、钢热处理确定其加热温度是依据（铁碳相图），确定过冷奥氏体转变产物是依据（C曲线）。
9、淬火钢进行回火的目的是（获得所要求的力学性能，消除内应力，稳定组织和尺寸），回火温度愈高，钢的强度、硬度（越低）。
10、钢回火转变4大过程是（马氏体的分解）（残余奥氏体的）（回火屈氏体的形成）（渗碳体的聚集长大）。
11、索氏体和回火索氏体在形态上的区别是（S中的Fe3C呈片状，而回火S中的Fe3C呈球状），在性能上的区别是（在强度，硬度相同时，回火S的塑性和韧性比正火S好）。
12、依据铁碳相图，结合实验，45钢和T8钢（原始状态退火状态），按照下表加热处理后，请填写处理后的组织：
850℃加热，
水冷
850℃加热，
空冷
760℃加热，
水冷
720℃加热，
水冷
45
M
S
F+M
P+F
T8
粗大M+A’
S
M+
未溶Fe3C+A’
P+Fe3CⅡ
三、是非题（正确的画“√”，错误的画“×”）
1、经加热奥氏体化后，在任何情况下，奥氏体中碳的含量均与钢中碳的含量相等。
（×）
2、马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。
（√）
3、当把亚共析钢加热到A1—A3之间的温度时，将获得F+A的两相组织，在平衡条件下，其中奥氏体的含碳量总是大于钢的含碳量。
（√）
4、当共析成分的奥氏体在冷却发生珠光体转变时，温度越低，其转变产物组织越粗。
（×）
5、不论碳含量高低，马氏体硬度都很高，脆性都很大。
（×）
6、在正常热处理条件下，随着含碳量增高，过共析钢的过冷奥氏体越稳定。
（×）
7、高合金钢既有良好的淬透性，也具有良好的淬硬性。
（×）
8、经退火后再高温回火，获得回火索氏体组织，具有良好的综合机械性能。
（×）
9、表面淬火既能改变钢的表面化学成分，也能改善心部的组织和性能。
（×）
10、为了调整硬度，便于机械加工，低碳钢、中碳钢和低合金钢在锻造后采用正火处理。
（√）
四、选择题
1、奥氏体向珠光体转变是
（a）a.扩散型转变b.非扩散型转变c.半扩散型转变
2、钢经过调质处理后获得的组织是
（b）a.回火马氏体b.回火索氏体c.回火屈氏体
3、过共析钢的正常淬火温度是
（a）a.A1—30-50℃b.Acm—30-50℃c.A3—30-50℃
3、影响碳钢淬火后残余奥氏体量的主要因素是
（b）a.钢材本身的含碳量b.钢中奥氏体的含碳量c.钢中碳化物的含量
4、若合金元素能使C曲线右移，钢的淬透性将
（b）a.降低b.提高c.不改变
5、马氏体的硬度取决于
（c）a.奥氏体的冷却速度b.奥氏体的转变温度c.奥氏体的碳含量
6、淬硬性好的钢
（c）a.奥氏体中合金元素含量高b.奥氏体中的碳含量低
c.奥氏体中碳含量高
7、对形状复杂，截面变化大的零件进行淬火时，应选用
（a）a.高淬透性钢b.中淬透性钢c.低淬透性钢
8、对形状复杂，截面变化大的零件进行淬火时，应选用
（b）a.水淬b.油淬c.盐水中淬
9、直径为10mm的45钢，常规淬火温度是
（b）a.750℃b.850℃c.920℃
10、45钢为了获得回火索氏体，应进行
（b）a.淬火+低温回火b.淬火+高温回火c.等温淬火
11、完全退火主要适用于，
（a）a.亚共析钢b.过共析钢c.共析钢
12、扩散退火的目的是
（a）a.消除和改善晶内偏析b.消除冷塑性变形后的加工硬化c.降低硬度，以利切削加工
13、钢的回火处理是在
（c）a.退火以后进行b.正火以后进行c.淬火以后进行
14、钢的渗碳温度范围是
（c）a.600-650℃b.800-850℃c.900-950℃d.1000-1050℃
15、过共析钢正火的目的是
（c）a.调整硬度，改善切削加工性能b.细化晶粒，为淬火做准备
c.消除网状二次渗碳体d.消除内应力，防止淬火变形和开裂
16、T12钢正常淬火的组织是
（d）a.马氏体+残余奥氏体b.马氏体+碳化物c.马氏体
d.马氏体+残余奥氏体+碳化物
五、简述题
1、低碳钢板硬度低，可否采用淬火方法提高硬度？
用什么办法能显著提高其硬度？
不能，因为低碳钢的C曲线一般很靠左侧，临界冷却速度要求很高，一般工业条件很难达到。
另外，低碳钢含碳量低，获得马氏体强化效果也不明显，因此，一般采用正火，获得索氏体或屈氏体，利用F和Fe3C的片间距减小，来提高硬度。
2、20钢材用表面淬火是否合适？
为什么？
45钢进行渗碳处理是否合适？
为什么？
20钢材不能采用表面淬火，表面淬火是改善材料表面性能的热处理工艺。
表面淬火是在原有钢材综合性能的基础上，将表面淬成马氏体组织。
20号钢C曲线一般很靠左侧，临界冷却速度要求很高，一般工业条件很难达到。
另外，低碳钢含碳量低，获得马氏体强化效果也不明显。
20号钢一般会利用其含碳量低，塑韧性好的特点，将其表面渗碳处理，使得表面为高碳，淬火后获得高碳马氏体，提高强度硬度，保留心部的韧性。
45钢一般不进行渗碳处理，因为45钢为中碳，再渗碳提高表面含碳量意义不大，而且心部的韧性也不如20号钢号，因此，45钢一般采用表面淬火工艺。
3、确定下列钢件退火方法，并指出退火的目的及其退火后的组织
（1）经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度
冷轧钢板，存在加工硬化，硬度提高，为了消除加工硬化，采用再结晶退火组织为F+P
（2）ZG35钢的铸造齿轮
去应力退火，消除铸造应力，组织：
F+P
（3）锻造过热的60钢锻坯
完全退火，细化晶粒，改善力学性能，组织F+P
（4）改善T12钢切削加工性能
球化退火，使Fe3C球化，降低硬度，组织：
球状P
4、说明直径10mm的45钢试件在下列温度加热，保温并水冷到室温获得的组织？
加热温度
水冷室温组织
分析
700℃，
F+P
加热温度低于A1线，组织没有变化
760℃，
F+M
加热温度在A3-A1之间，属于F+A两相区，水冷后F保留下来，A转变为M
850℃，
M
加热温度高于A3线，属于正常A化状态，淬火后获得M
1100℃
粗大M
加热温度远高于A3，晶粒粗大，淬火后为粗大M
5、指出下列钢件正火的主要目的：
20钢齿轮：
提高硬度，以利切削加工。
45钢小轴：
最终热处理，获得屈氏体组织，保证使用性能
T12钢锉刀：
为彻底消除网状渗碳体，在球化退火前增加一次正火。
六、工艺路线改错
（1）45钢，小轴，硬度：
20-25HRC
锻造——完全退火——粗加工——淬火+低温回火——精加工
改错：
错误：
淬火+低温回火，轴类零件，要求综合机械性能，硬度20-25HRC
应该为淬火+高温回火（调质）
（2）65Mn钢，钢板弹簧，硬度：
40HRC
锻造——球化退火——粗加工——淬火+高温回火——精加工
改错：
错误：
（1）球化退火，球化退火适用于高碳钢，弹簧钢（亚共析）应采用完全退火。
（2）淬火+高温回火，弹簧类零件，硬度40HRC
应该为淬火+中温回火
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