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工程材料及机械制造基础习题答案 精品资料.docx
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工程材料及机械制造基础习题答案 精品资料.docx
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《工程材料及机械制造基础》习题参考答案
第一章 材料的种类与性能(P7)
1、 金属材料的使用性能包括哪些?
力学性能、物理性能、化学性能等。
2、 什么是金属的力学性能?它包括那些主要力学指标?
金属材料的力学性能:金属材料在外力作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应
相关或涉及力与应变关系的性能。主要包括:弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧
性等。
3、 一根直径 10mm 的钢棒,在拉伸断裂时直径变为 8.5mm,此钢的抗拉强度
为 450Mpa,问此棒能承受的最大载荷为多少?断面收缩率是多少?
F=35325N ψ=27.75%
4、 简述洛氏硬度的测试原理。
以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。
5、什么是蠕变和应力松弛?
蠕变:金属在长时间恒温、恒应力作用下,发生缓慢塑性变形的现象。
应力松弛:承受弹性变形的零件,在工作过程中总变形量不变,但随时间的延长,
工作应力逐渐衰减的现象。
6、金属腐蚀的方式主要有哪几种?金属防腐的方法有哪些?
主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。
防腐方法:
1)改变金属的化学成分;2)通过覆盖法将金属同腐蚀介质隔离;3)改善腐蚀
环境;4)阴极保护法。
第二章 材料的组织结构(P26)
1、简述金属三种典型结构的特点。
体心立方晶格:晶格属于立方晶系,在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。每
个体心立方晶格的原子数为:2 个。 塑性较好。
面心立方晶格:晶格属于立方晶系,在晶胞的 8 个顶角和 6 个面的中心各有一个
原子。每个面心立方晶格的原子数为:4 个。塑性优于体心立方晶格的金属。
密排六方晶格:晶格属于六方棱柱体,在六棱柱晶胞的 12 个项角上各有一个原
子,两个端面的中心各有一个原子,晶胞内部有三个原子。每个密排六方晶胞原
子数为:6 个 ,较脆
2、金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷?它们对性能有什么影响?
存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。使金属抵抗塑性变形的能力提高,从而使金属强
度、硬度提高,但防腐蚀能力下降。
3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种?各具备什么特性?
存在的形式有固溶体和金属化合物两种。合金固溶在金属中引起固溶强化,使合
金强度、硬度提高,塑性、韧性下降。金属化合物提高合金的 强度和硬度。
4、什么是固溶强化?造成固溶强化的原因是什么?
固溶强化:因溶质原子的溶入引起合金强度、硬度升高的现象。
原因:固溶体中溶质原子的溶入引起晶格畸变,使晶体处于高能状态。
5、 简述聚合物大分子链的结构与形态。它们对高聚物的性能有何影响?
聚合物大分子链的结构分为线性结构和体型结构。线性结构具有良好的塑性和弹
性,加热可软化,冷却后变硬,易于成形,可反复使用。体型结构有较好的 耐
热性、尺寸稳定和机械强度,但弹性、塑性低,脆性大,不能塑性加工,不能反
复使用。
6、 陶瓷的典型组织由哪几种组成?它们各具有什么作用?
由晶体相、玻璃相和气相组成。晶体相晶粒细小晶界面积大,材料强度大,空位
和间隙原子可加速烧结时的的扩散,影响其物理性能;玻璃相起黏结分散的晶体
相降低烧结温度,抑制晶体长大和充填空隙等作用;气相造成应力集中,降低强
度、降低抗电击穿能力和透明度。
7、 从结构入手比较金属、高聚物、陶瓷三种材料的优缺点。
8、 金属结晶的基本规律是什么?
金属结晶由形核和长大两部分组成,并存在过冷度。
9、 如果其他条件相同,试比较在下列铸造条件下,铸件晶粒的大小。
(1) 金属型浇注与砂型浇注。金属型浇注晶粒小。
(2) 铸成薄件与铸成厚件。铸成薄件晶粒小。
(3) 浇注时采用振动与不采用振动。采用振动晶粒小。
10、过冷度与冷却速度有何关系?它对金属结晶过程有何影响?对铸件晶粒大小
有何影响?
冷却速度越快过冷度越大,使晶核生长速度大于晶粒长大速度,铸件晶粒得到细
化。冷却速度小时,实际结晶温度与平衡温度趋于一致。
11、何为共晶反应、匀晶反应共析反应?试比较三种反应的异同点。
共晶反应:从某种成分固定的合金溶液中,在一定恒温下同时结晶出两种成分和
结构都不同的固相的反应。
共析反应:由一种固相在恒温下同时转变成两种新的固相的反应。
匀晶反应:两组元组成的合金系,在液态无限互溶,在固态也能无限互溶,形成
固溶体的反应。
12、Pb-Sn 相图如图 2-29 所示。
(1)试标出尚未标注的相区的组织;
(2)指出组织中含β
Ⅱ
最多和最少的成分;
(3)指出共晶体最多和最少的成分;
(4)指出最容易和最不容易产生枝晶偏析的成分:
(5)初生相α和β、共晶体α+β、二次相α
Ⅱ
及β
Ⅱ
,它们在组织形态上的区
别?画出它们的组织示意图。
13、已知 A(熔点为 600℃)与 B(熔点为 500℃)在液态无限互溶,在固态
300℃时 A 溶于 B 的最大质量分数为 30%,室温时为 10%,但 B 不溶于 A;在 300℃
时 B 的质量分数为 40%的液态合金发生共晶反应,现要求:
(1)做出 A-B 合金相图;
(2)分析 A 的质量分数分布为 20%、45%、80%等合金的结晶过程。
14、为什么铸造合金常选用接近共晶点的合金?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?
近共晶点的合金熔点低,结晶范围小,铸造性能好。单相固溶体成分的合金具有
良好的塑性和小的变形抗力,可锻性好。
15、何谓α、γ、Fe
3
C、C、P、A、L
d
、(L
d
`)?它们的结构、组织形态、力学
性能有何特点?
α为铁素体,Fe
3
C 为渗碳体,C 为碳元素,P 为珠光体,γ、A 为奥氏体,L
d
为
高莱氏体,(L
d
`)为低温莱氏体。
α为体心立方结构,溶碳量低,强度、硬度低,塑性、韧性好。γ、A 是碳在γ
—Fe 中形成的间隙固溶体,为面心立方结构,溶碳量较大,是高温组织,硬度
较低,塑性较高,易于成形。Fe
3
C 是铁和碳的金属化合物,含碳量 6.69%,硬度
很高,脆性很大,塑性和韧性几乎为零。P 是铁素体与渗碳体的机械混合物,碳
的分数为 0.77%,具有良好的力学性能。L
d
是奥氏体与渗碳体的机械混合物,(L
d
`)是珠光体与渗碳体的机械混合物,含碳量 4.3%,力学性能与渗碳体接近。
16、碳钢与铸铁两者的成分、组织和性能有何差别?并说明原因。
碳含量小于 2.11%是碳钢,大于 2.11%是铸铁;碳钢中的碳与铁以金属化合物的
形式存在,而铸铁中的碳以游离石墨的形式存在;碳钢的力学性能较好,其硬度、
强度随含碳量的增加而增加,塑性、韧性随含碳量的增加而下降,铸铁的力学性
能取决于石墨的形状、大小及分布;铸铁的铸造性能优于碳钢;铸铁不能进行压
力加工,其焊接性能远不及碳钢。
17、分析碳的质量分数分别为 0.20%、0.60%、0.80%、1.0%的铁碳合金从液态缓
慢冷至室温时的结晶过程和室温组织。指出这四种成分组织与性能的区别。
碳的质量分数为 0.20%、0.60%的铁碳合金均属于亚共析钢,从液态缓慢冷
至室温时的结晶过程为:经过 AC 线时从液态中结晶出 A,经过 AE 线时全部结晶
为 A,经过 GS 线时由于贫碳有 F 析出,经过 PSK 线时剩余的 A 转变为 P,室温组
织为 P+F。并随碳的质量分数的增加 P 增加,F 减少。
碳的质量成分分别为 0.80%、1.0%的铁碳合金均属于过共析钢,从液态缓慢
冷至室温时的结晶过程为:经过 AC 线时从液态中结晶出 A,经过 AE 线时全部结
晶为 A,经过 ES 线时由于富碳有 Fe3CⅡ析出,经过 PSK 线时剩余的 A 转变为 P,
室温组织为 P+ Fe3CⅡ。并随碳的质量分数的增加 Fe3CⅡ增加,P 减少。
由于 F、P、Fe3CⅡ,的力学性能上的差异,随碳的质量分数的增加铁碳合金
的强度和硬度增加,而塑性和韧性下降。
18、渗碳体有哪 5 种基本形态,它们的来源和形态有何区别?
一次渗碳体是从液体中直接析出,呈长条形;二次渗碳体从奥氏体中析出,沿晶
界呈网状;三次渗碳体从铁素体中析出,沿晶界呈小片或粒状;共晶渗碳体是同
奥氏体相关形成,在莱氏体中为连续的机体;共析渗碳体同铁素体相关形成,呈
交替片状。
19、根据 Fe- Fe3C 相图,说明产生下列现象的原因。
(1)碳的质量分数为 1.0%的钢比碳的质量分数为 0.5%的钢硬度高。
(2)低温莱氏体的塑性比珠光体的塑性差。
(3)捆扎物体一般用铁丝,而起重机起吊重物却用钢丝绳。
(4)一般要把钢材加热到高温下(1000~1250℃)进行热轧或锻造。
(5)钢适宜于通过压力成形,而铸铁适宜于通过铸造成形。
(1)钢随碳的质量分数的增加铁素体减少,而渗碳体增加。渗碳体的硬度比铁
素体的硬度高。
(2)低温莱氏体由珠光体和渗碳体组成,珠光体塑性较好,而渗碳体的塑性几
乎为零。
(3)捆扎物体需材料有一定的塑性,而起吊重物需材料有一定的强度和硬度。
钢材随碳的质量分数的增加强度、硬度增加,塑性、韧性下降。
(4)把钢材加热到高温下(1000~1250℃),钢为单相奥氏体组织。其塑性好,
变形抗力小。
(5)加热到高温下(1000~1250℃),钢为单相奥氏体组织。其塑性好,变形抗
力小利于压力成形;而钢的流动性差,在冷却的过程中收缩率大,铸造性能比铸
铁差。铸铁结晶温度范围窄,流动性好,在冷却的过程中收缩率小,铸造性能好;
但其属于脆性材料,不能压力成形。
第三章金属热处理及表面改性(40)
1、钢的热处理的基本原理是什么?其目的和作用是什么?
钢的热处理是将钢在固态下、在一定的介质中施以不同的加热、保温和冷却来改
变钢的组织,从而获得所需性能的一种工艺。原理:同素异构转变;其目的和作
用:充分发挥材料的潜力,提高零件使用性能,延长使用寿命。改善材料的加工
性能。。
2、什么是连续冷却与等温冷却?两种冷却方式有何差异?试画出共析钢过冷奥
氏体的这两种冷却方式的示意图,并说明图中各个区域、各条线的含义。
等温冷却:先将已奥氏体化的钢快冷至 A1 线以下一定温度,成为过冷奥氏体。
进行保温,使奥氏体在等温下进行组织转变。转变完后再冷却至室温。
连续冷却:将已奥氏体化的钢冷却,使其在温度连续下降的过程中发生组织转变。
等温冷却所得组织单一,分为珠光体、贝氏体和马氏体。连续冷却所得组织不均
匀,是几种转变产物的复合。
示意图见书 P30、P32。
3、A 在等温冷却转变时,按过冷度的不同可以获得哪些组织?
可以获得:珠光体、索氏体、托氏体(屈氏体)、贝氏体和马氏体。
4、退火的主要目的是什么?常用的退火方法有哪些?
退火的主要目的(1)降低钢的硬度,使其易于切削加工;(2)提高钢的塑性和
韧性,以易于切削和冷变形加工;(3)消除钢中的组织缺陷,为热锻、热轧或热
处理作好组织准备;(4)消除前一工序中所产生的内应力,以防变形或开裂。
常用的退火方法:完全退火、等温退火、球化退火(不完全退火)、均匀化退火
(扩散退火)、去应力退火和再结晶退火等。
5、完全退火与不完全退火在加热规范、组织转变和运用上有何不同?为什么亚
共析钢一般不采用不完全退火,共析钢不采用完全退火?
完全退火:将钢加热至 Ac3 以上 30℃—50℃,保温一定时间,缓慢冷却的工艺。
奥氏体转变为珠光体和铁素体。适用于亚共折成分的中碳钢和中碳合金钢的铸、
锻件及热轧型材。目的:细化晶粒,消除内应力,降低硬度和改善切削加工性能。
不完全退火:将钢加热到 Ac1 以上 20℃—30℃ ,保温后,缓慢冷却的工艺。适
用于。共析或过共析钢。使 P 中的片状 Fe3C 和网状二次 Fe3C 球化,转变成球状
Fe3C 目的:降低钢的硬度,改善切削加工性,并减少随后淬火时的形变、开裂
倾向,为淬火作组织准备。
6、正火与退火的主要区别是什么?如何选用?
正火的冷却速度比退火稍快,过冷度稍大。组织较细,强度、硬度较高。
选用:(1) 从切削加工性方面考虑,低碳钢用正火提高硬度,而高碳钢用退火
降低硬度,以便于切削加工。(2)从使用性能上考虑,对零件性能要求不高,可
用正火作为最终热处理;当零件形状复杂、厚薄不均时,采用退火;对中、低碳
钢,正火比退火力学性能好。(3)从经济上考虑,正火冷却不占用设备,操作简
便,生产周期短,能耗少,故在可能条件下,应优先考虑正火处理。
7、淬火的目的是什么?常用的淬火方法有哪几种?
淬火目的:提高钢的强度、硬度和耐磨性。方法有:单液淬火 、双液淬火 、分
级淬火 、等温淬火 等。
8、为什么要进行表面淬火?常用的淬火方法有哪些?各用在什么场合?
为使零件表面具有高的硬度和耐磨性。分为感应加热淬火和火焰淬火。感应加热
淬火适宜大批量生产,火焰淬火适宜单件或小批量生产的大型零件和需要局部表
面淬火的零件。
9、淬透性与淬硬深度、淬硬性有哪些区别?影响淬透性的因素有哪些?
淬透性指钢在淬火时获得 M 的能力,在规定的淬火条件下决定着钢材淬硬深度和
硬度分布。而淬硬深度虽然取决于钢的淬透性,但规定条件改变,淬硬深度改变。
淬硬性是指钢在淬火时所获得的最高硬度,反映钢材在淬火时的硬化能力取决于
M 的碳的质量分数。影响淬透性的因素有钢材的化学成分和 A 化条件(临界冷却
速度)。
10、回火的目的是什么?常用的回火操作有哪些?试指出各种回火操作得到的组
织、性能及运用范围?
回火的目的:(1)降低脆性;(2)消除或减少内应力,防止变形和开裂;(3)获
得工件所要求的使用性能 ;(4)稳定组织;
低温回火:150 ~ 250 ℃。回火马氏体。高硬耐磨。刃具,轴承,冷作磨具等。
中温回火:350 ~ 500 ℃。回火屈氏体。高的屈服极限,弹性极限和韧性。弹簧,
热作磨具。
高温回火 (调质处理) :500 ~ 650 ℃。回火索氏体。较好的综合机械性能。
连杆,轴,齿轮等。
11、什么是调质?调质的主要目的是什么?钢在调质后是什么组织?
调质:淬火后高温回火。目的:使钢得到综合的力学性能。调质后的组织为索氏
体。
12、指出下列工件的淬火及回火温度,并说明回火后获得的组织及其大致硬度。
(1)45 钢小轴(要求综合性能)
淬火温度 Ac3 以上 30~50℃,回火温度 500~650℃,回火后获得的组织为索氏体,
硬度大致为 25~30HRC。
(2)60 弹簧钢
淬火温度 Ac3 以上 30~50℃,回火温度 250~500℃,回火后获得的组织为贝氏体,
硬度大致为 40~50HRC。
(3)T12 锉刀
淬火温度 Ac1 以上 30~50℃,回火温度 150~250℃,回火后获得的组织为马氏体,
硬度大致为 62~65HRC。
13、化学热处理的基本过程是什么?常用的化学热处理方法有哪些?其目的是什
么?
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