机械工程材料课后习题答案

机械工程课后答案第一章1、什么是黑色金属？什么是有色金属？答：铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料；黑色金属以外的所有金属及其合金称为有的金属。2、碳钢，合金钢是怎样分类的？答：按化学成分分类；碳钢是指含碳量在0.0218%2.11%之间，并含有少量的硅、锰、硫、磷等杂质的铁碳合金。3、铸铁材料是怎样分类的？应用是怎样选择？答：铸铁根据石墨的形态进行分类，铸铁中石墨的形态有片状、团絮状、球状、蠕虫状四种，对应为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。4、陶瓷材料是怎样分类的？答：陶瓷材料分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三种。5、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各有什么特点？-Fe，-Fe，Al，Cu，Ni，Pb，Cr，V，Mg，Zn各属何种金属结构？答：体心晶格立方，晶格常数a=b=c，-Fe，Cr，V。面心晶格立方，晶格常数a=b=c，-Fe，Ni，Al，Cu，Pb。密排六方晶格，Mg，Zn。6、实际金属晶体中存在哪些缺陷？它们对性能有什么影响？答：点缺陷、破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，从而引起性能变化，是金属的电阻率增加，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。线缺陷（位错）、少量位错时，金属的屈服强度很高，当含有一定量位错时，强度降低。当进行形变加工时，位错密度增加，屈服强度增高。面缺陷（晶界、亚晶界）、晶界越多，晶粒越细，金属的塑性变形能力越大，塑性越好。7、固溶体有哪些类型？什么是固溶强化？答：间隙固溶体、置换固溶体。由于溶质元素原子的溶入，使晶格发生畸变，使之塑性变形抗力增大，因而较纯金属具有更高的强度、硬度，即固溶强化作用。第二章1、在什么条件下，布氏硬度实验比洛氏硬度实验好？答：布氏硬度实验主要用于硬度较低的退火钢、正火钢、调试刚、铸铁、有色金属及轴承合金等的原料和半成品的测量，不适合测定薄件以及成品。洛氏硬度实验可用于成品及薄件的实验。2、0.2的意义是什么？能在拉伸图上画出来吗？答：表示对于没有明显屈服极限的塑性材料，可以将产生0.2%塑性应变时的应变作为屈服指标，即为条件屈服极限。3、什么是金属的疲劳？金属疲劳断裂是怎样产生的？疲劳破坏有哪些特点？如何提高零件的疲劳强度？答：金属在反复交变的外力作用下强度要比在不变的外力作用下小得多，即金属疲劳；疲劳断裂是指在交变载荷作用下，零件经过较长时间工作或多次应力循环后所发生的断裂现象；疲劳断裂的特点：引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载下的屈服强度；断裂时无明显的宏观塑性变形，无预兆而是突然的发生；疲劳断口能清楚的显示出裂纹的形成、扩展和最后断裂三个阶段；提高疲劳强度：改善零件的结构形状，避免应力集中，降低零件表面粗糙度值以及采取各种表面强化处理如喷丸处理，表面淬火及化学热处理等。4、韧性的含义是什么？k有何实际意义？答：材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，称为材料的韧性；冲击韧度k表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，k值的大小表 示材料的韧性好坏。一般把k值低的材料称为脆性材料，k值高的材料称为韧性材料。5、何谓低应力脆断？金属为什么会发生低应力脆断？低应力脆断的抗力指标是什么？答：低应力脆断是在应力作用下，裂纹发生的扩展，当裂纹扩展到一定临界尺寸时，裂纹发生失稳扩展（即自动迅速扩展），造成构件的突然断裂；抗力指标为断裂韧性（P43）6、一紧固螺栓使用后有塑性变形,试分析材料的那些性能指标没有达到要求？答：钢材的屈服强度未达到要求。第三章1、分析纯金属的冷却曲线中出现“平台”的原因？答：液态金属开始结晶时，由于结晶潜热的放出，补偿了冷却时散失的热量，所以冷却曲线出现水平台阶，即结晶在室温下进行。2、金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长速度受到哪些因素的影响？答：纯金属的结晶规律是：在恒定温度下进行，结晶时要放出潜热，需要过冷度，结晶的过程是晶核产生和晶核不断长大的过程。影响晶核的形核率N和成长率G的最重要因素是结晶时的过冷度和液体中的不熔杂质。3、间隙固溶体和间隙相有什么不同？答：间隙固溶体是溶质元素原子处于溶剂元素原子组成的晶格空隙位置而形成的固溶体；间隙相是当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，形成的筒单晶体结构的间隙化合物，称为间隙相。4、何谓金属的同素异构转变？答：一些金属，在固态下随温度或压力的改变,还会发生晶体结构变化，即由一种晶格转变为另一种晶格的变化，称为同素异构转变。5、简要说明金属结晶的必要条件和结晶过程。答：晶体总是在过冷的情况下结晶的，因此过冷是金属结晶的必要条件；金属结晶过程是晶核形成和晶核长大的过程。6、单晶体和多晶体有何区别？为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？答：整块物质都由原子或分子按一定规律作周期性重复排列的晶体称为单晶体.，整个物体是由许多杂乱无章的排列着的小晶体组成的，这样的物体叫多晶体；因为单晶体中的原子排列位向是完全一致的，因此其性能是各向异性的，而多晶体内部是由许多位向不同的晶粒组成，各晶粒自身的各向异性彼此抵消，故显示出各向同性。7、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？答：随着冷却速度的增加，材料的结晶形核过程会有相应的时间滞后性，就会造成过冷度增加；随着冷却速度的增大，则晶体内形核率和长大速度都加快，加速结晶过程的进行，但当冷速达到一定值以后则结晶过程将减慢，因为这时原子的扩散能力减弱；过冷度增大，F大，结晶驱动力大，形核率N和成长率G都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。8、以铁为例说明同素异构（异晶）现象。答：-Fe1394-Fe912-Fe9、同样形状的两块铁碳合金,其中一块是15钢,一块是白口铸铁,用什么简便方法可迅速区分它们？答：一般来说肉眼判断的话看铸铁的截面，白口铁脆，断面没有15号钢匀称。第四章1、解释下列名称。答：再结晶，指经冷塑性变形的金属被加热到较高的温度时，由于原子的活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒转变为完整的等轴晶粒；加工硬化：随着变形程度的增加，金属的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性显著下降，即加工硬化；热加工：指将金属材料加热至高温进行锻造，热轧等压力加工过程；回复：指经冷塑变形后的金属在加热时，尚未发生光学显微变化前（即再结晶之前）的微观结构变化过程。2、为什么室温下，金属的晶粒越细，其强度、硬度越高，而塑性、韧性也越好？答：金属的晶粒越细，晶界总面积越大，则位错的障碍越多，需要协调的具有不同位相的晶粒越多，金属的塑性变形抗力越大，从而导致金属的强度和硬度越高。3、金属经冷塑变形后，其组织和性能有什么变化？答：组织变化：显微组织的变化，亚结构细化，变形织构；性能变化：强度、硬度升高，塑性、韧性下降。4、金属铸件的晶粒往往比较粗大，能否经过再结晶退火来细化晶粒？为什么？答：不能；细化晶粒较小，不适宜晶粒粗大的铸件。5、为什么用圆钢棒热镦成齿坯再加工成齿轮更合理些？答：因为棒料镦粗后再切削加工，流线呈径向放射状，各齿的切应力均与流线近似垂直，强度与寿命较高。6、请判断金属钨在1100下的变形加工和锡在室温下的变形加工是冷加工还是热加工？答：所谓热加工是指在再结晶温度以上的加工过程，在再结晶温度以下的加工过程称为冷加工；而钨的再结晶温度为1200，所以在1100下的变形加工是冷加工；锡的再结晶温度为约-71，所以在室温下的变形加工是热加工。7、用冷拔高碳钢丝缠绕螺旋弹簧，最后一般要进行何种热处理？为什么？答：进行低温回火处理，为了增加弹性。第五章1、何谓过冷奥氏体？如何测定钢的奥氏体等温转变图？奥氏体等温转变有何特点？答：从铁碳相图可知，当温度在A1以上时，奥氏体是稳定的，能长期存在。当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，即过冷奥氏体。2、共析钢奥氏体等温转变产物的形成条件、组织形态即性能各有何特点？答：当温度冷却至727摄氏度时，奥氏体将发生共析转变，转变成铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体。此后，在继续冷却的的过程中不再发生组织变化（三次渗碳体的析出不计），共析钢的全部室温组织全部为珠光体。铁素体因溶碳量极少，固溶强化作用甚微，故力学性能与纯铁相近。其特征是强度、硬度低，塑性、韧性好。奥氏体的力学性能与其溶碳量有关，一般来说，其强度、硬度不高，但塑性优良。在钢的轧制或者锻造时，为使钢易于进行塑性变形，通常将刚加热到高温使之成奥氏体状态。渗碳体属于金属化合物。它的硬度极高，可以划玻璃，而塑性、韧性极低，伸长率和冲击韧度近于零。珠光体含碳量为0.77%。由于渗碳体在其中起强化作用，因此，珠光体有良好的机械性能，其抗拉强度高，硬度高，且仍有一定的塑性和韧性。3、影响奥氏体等温转变图的主要因素有哪些？比较亚共析钢、共析钢、过共析钢的奥氏体等温转变图。答：影响奥氏体等温转变图的主要因素为：含碳量及合金元素含量。亚共析钢随wC，C曲线右移；过共析钢随wC，C曲线左移；共析钢过冷A最稳定（C曲线最靠右）除Co外，所有溶入A中的合金元素均使曲线右移。除Co、Al外，溶入A的合金元素都使C曲线上的Ms、Mf点降低。亚共析钢及过共析钢的过冷A的等温转变与共析钢一样，亦可分为高温P型转变、中温B型转变和低温M型转变。但在P型转变之前，亚共析钢有F的析出，过共析钢有Fe3C析出。4、比较共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变图与等温转变图的异同点。如何参照奥氏体等温转变图定性的估计连续冷却转变过程及所的产物？答：首先，过冷奥氏体连续转变时，控制冷却速度可以获得不同的纤维组织，但分析起来比较困难；而在等温转变的条件下控制冷却温度则可以获得不同的纤维组织，并且可以独立的改变温度和时间，分别研究温度和时间对奥氏体转变的影响；以共析钢为例，在等温转化时，根据等温转变的温度不同，分别可以获得珠光体和贝氏体（按温度由大到小）；在连续冷却时，根据冷却速度不同，分别可以获得珠光体、珠光体和马氏体、以及马氏体（按冷却速度由小到大）。5、钢获得马氏体组织的条件是什么？钢的含碳量如何影响钢获得马氏体组织的难易程度？答：主要是钢的马氏体转变温度Mf和含碳量。马氏体转变温度越低，越容易得到马氏体组织；含碳量低的钢，马氏体转变温度就较高，就不容易得到马氏体组织；反之，钢的含碳量越高，马氏体转变温度就较低，就会容易得到马氏体组织，而且硬度随之也会增高。6、生产中常用的退火方法有哪几种？正火的主要目的是什么？答：钢的退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等；正火的作用为：作为最终热处理、作为预先热处理、改善切削加工性能。7、什么是淬火？常用的几种淬火介质各有何优缺点并使用于何种情况？答：淬火就是将工件加热到Ac1或Ac3以上30-50，保温一定时间，然后快速冷却（一般为油冷或水冷），从而得到马氏体的一种热处理工艺；水:主要用于形状简单、大截面碳钢零件的淬火；盐水：用于形状简单、截面尺寸较大的碳钢工件；油：用于合金钢和小尺寸碳钢工件的淬火；熔融的盐、碱：用于形状复杂、尺寸较小和变形要求较严格的零件。8、何谓钢的淬透性？影响淬透性的因素有哪些？在选材中如何考虑钢的淬透性？答：所谓钢的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层的能力；影响因素：(1)化学成分 钢中含碳量越接近共析成分，其C曲线越靠右，临界冷却速度越小，则淬透性越好；(2)奥氏体化温度 温度越高，晶粒越粗，未溶第二相越少，淬透性越好；选材：大截面零件、承受动载的重要零件、承受拉力和压力的许多重要零件（螺栓、拉杆、锻模、锤杆等），要求表面和心部力学性能一致，故应选择淬 透 性高的材料；心部力学性能对使用寿命无明显影响的零件（承受弯曲或扭转的轴类），可选用淬透性低的钢，获得1/2-1/4淬硬层深度即可。9、回火的目的是什么？常用的回火方法有哪几种？答：目的：降低脆性、减少或消除内应力，防止工件变形或开裂；获得工艺所要求的力学性能；稳定工件尺寸；使碳化物聚集长大，降低硬度，以利于切削加工，同时可缩短软化周期。方法：低温回火；中温回火；高温回火。10、对钢进行表面热处理的目的何在？答：提高零件的耐磨性；提高零件的疲劳强度；提高零件的抗蚀性与抗高温氧化性。11、何谓真空热处理？有何作用？有哪些应用？有什么优点？答：在真空中进行的热处理称为真空热处理；优点：可以减少变形；可以净化表面；脱气作用；应用：真空退火；真空淬火；真空渗碳。第六章1、在碳钢中，除了铁和碳外，一般还有哪些元素？对钢的性能产生哪些影响？答：还含有少量的硅、锰、硫、磷；硅和锰起固溶强化作用，从而提高刚的强度和硬度；硫和磷使钢的塑性和韧性下降。2、合金元素在钢中有哪些存在形式？主要起哪些强化作用？答：合金铁素体，合金渗碳体，特殊碳化物；作用：固溶强化，第二相强化，细晶强化。3、合金元素对Fe-Fe3C相图产生哪些影响？答：改变了奥氏体区的范围，改变S、E点位置。4、渗碳钢有哪些性能要求？其成分特点是什么？答：性能特点：表硬里韧，具有高的淬透性和渗碳能力；成分特点：低碳，加入提高淬透性的合金元素，加入阻碍奥氏体晶粒长大的辅助元素。5、调质钢一般要经过哪些热处理？其目的是什么？答：淬火+高温回火；目的获得具有较高综合力学性能，即具有较高的强度、硬度和良好的塑性、韧性，具有良好的淬透性。6、弹簧钢为什么要进行喷丸处理？答：为获得具有高的弹性极限和高的屈强比（ReL/Rm），以保证承受大的弹性变形和较高的载荷；具有高的疲劳强度，以免产生疲劳破坏；具有足够的韧性和塑性。7、滚动轴承钢的合金化与性能特点是什么？答：合金化：高碳，主加Cr元素，附加Si、Mn、V等合金元素，高的冶金质量；性能：高硬度（6165HRC）和高耐磨性，高的接触疲劳强度和高的弹性极限，足够的韧性、抗腐蚀性及淬透性。8、试简述高速工具钢的成分特点和热处理工艺特点。答：成分特点：高碳，高合金；热处理特点：球化退火，淬火和回火。9、高速工具钢经铸造后为什么要反复锻造？在切削加工前为什么还要进行球化退火？答：高速钢的铸态组织中有粗大的鱼骨状合金碳化物，使钢的力学性能降低，这种碳化物不能用热处理来消除，只有对铸件反复锻造或轧制才能击碎；球化退火主要目的是降低硬度，消除内应力，并对随后的淬火及切削加工做好组织上的准备。10、生产中常用什么方法使奥氏体不锈钢得到强化？答：奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化，如加入S，Ca，Se，Te等元素，则具有良好的易切削性。第七章1、何谓铸铁？根据碳在铸铁中存在形态不同，可分为哪几类？各有何特征？答：铸铁是含碳量大于2.11的铁碳合金。工业上常用的铸铁，含碳量一般在2.54.0的范围内，此外还有较多的硅、锰、硫、磷等杂质；白口铸铁：其中碳几乎全部以渗碳体形式存在，断口呈银白色。由于大量硬而脆的渗碳体存在，很难进行切削加工，故很少直接使用；灰口铸铁：其中碳大部或全部以片状石墨形态存在，以形式存在的碳量不大于0.68%，断面呈暗灰色。这种铸铁具有一定的机械性能，良好的铸造性能和切削性能，熔炼工艺简单，成本低，是目前生产中应用最广的一类铸铁；麻口铸铁：其组织介于上述二者之间，具有较大的硬脆性，工业上也很少应用。2、为什么球墨铸铁的强度和韧性比灰铸铁、可锻铸铁的高？答：由于球状石墨圆整程度高，对基体的割裂作用和产生的应力集中小，集体强度利用率可达70%-90%，接近于碳钢，塑性和韧性比灰铸铁和可锻铸铁都高。3、何谓孕育处理、球化处理、乳化处理和石墨化退火？答：孕育处理：孕育处理是指在凝固过程中，向液态金属中添加少量其它物质，促进形核、抑制生长，达到细化晶粒的目的。 习惯上，向铸铁中加入添加剂称为孕育处理；向有色合金中则称变质处理。 从本质上说，孕育处理主要影响形核和促进晶粒游离；而变质处理则是改变晶体的生长机理（抑制长大），从而影响晶体形貌；球化处理：球化处理是铸铁在铸造时处理合金液体的一种工艺，用来获得球状石墨，从而提高铸铁的机械性能，这种铸铁成为球墨铸铁；乳化处理：使两种互不相溶的的液体借助于表面活性剂（又称界面活性剂）的作用，降低它们之间的张力，使一种液体以极微小的状态均匀地分散在另一种液体中，这种作用叫乳化作用；石墨化退火：为使铸铁内的莱氏体中的渗碳体或(和)游离渗碳体分解而进行的退火。 安徽工程大学 栾桂松