機械工程材料(于永泗_齊民_第七版)課后習題答案

1、機械工程材料（于永泗 齊民 第七版）課后習題答案第一章1-1、可否通過增加零件尺寸來提高其彈性模量：不能，彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小。所以不能通過增大尺寸來提高彈性模量。1-2、工程上的伸長率與選取的樣品長度有關，為什么：伸長率等于，當試樣(d)不變時，增加，則伸長率下降，只有當/為常數(shù)時，不同材料的伸長率才有可比性。所以伸長率與樣品長度有關。1-3、和兩者有什么關系？在什么情況下兩者相等？為應力強度因子，為平面應變斷裂韌度，為的一個臨界值，當增加到一定值時，裂紋便失穩(wěn)擴展，材料發(fā)生斷裂，此時

2、，兩者相等。1-4、如何用材料的應力-應變曲線判斷材料的韌性？所謂材料的韌性是指材料從變形到斷裂整個過程所吸收的能量，即拉伸曲線（應力-應變曲線）與橫坐標所包圍的面積。第二章2-1、從原子結構上說明晶體與非晶體的區(qū)別。原子在三維空間呈現(xiàn)規(guī)則排列的固體稱為晶體，而原子在空間呈無序排列的固體稱為非晶體。晶體長程有序，非晶體短程有序。2-2、立方晶系中指數(shù)相同的晶面和晶向有什么關系？相互垂直。2-4、合金一定是單相的嗎？固溶體一定是單相的嗎？合金不一定是單相的，也可以由多相組成，固溶體一定是單相的。第三章3-1、說明在液體結晶的過程中晶胚和晶核的關系。在業(yè)態(tài)經(jīng)書中存在許多有序排列飛小原子團，這些小原

3、子團或大或小，時聚時散，稱為晶胚。在以上，由于液相自由能低，晶胚不會長大，而當液態(tài)金屬冷卻到以下后，經(jīng)過孕育期，達到一定尺寸的晶胚將開始長大，這些能夠連續(xù)長大的晶胚稱為晶核。3-2、固態(tài)非晶合金的晶化過程是否屬于同素異構轉變？為什么？不屬于。同素異構是物質在固態(tài)下的晶格類型隨溫度變化而發(fā)生變化，而不是晶化過程。3-3、根據(jù)勻晶轉變相圖分析產(chǎn)生枝晶偏析的原因。枝晶偏析：在一個枝晶范圍內(nèi)或一個晶粒范圍內(nèi)，成分不均勻的現(xiàn)象叫做枝晶偏析。結合二元勻晶轉變相圖可知，枝晶偏析產(chǎn)生的原因是固溶體合金的結晶只有在“充分緩慢冷卻”的條件下才能得到成分均勻的固溶體組織。然而在實際生產(chǎn)中，由于冷速較快，合金在結晶過

4、程中，固相和液相中的原子來不及擴散，使得先結晶出的枝晶軸含有較多的高熔點元素，而后結晶的枝晶中含有較多低熔點元素。冷速越快，液固相間距越大，枝晶偏析越嚴重。3-4、結合相圖分析含0.45% C、1.2% C和3.0% C的Fe-C合金在緩慢冷卻過程中的轉變及室溫下的組織。0.45% C: LL+L+L+eP+。室溫組織：P+1.2%C：LL+二次滲碳體二次滲碳體。室溫組織：P+二次滲碳體。3.0%C：LL+L+Le+ Le+二次滲碳體P+二次滲碳體+一次滲碳體Le+二次滲碳體+P。室溫組織：Le+二次滲碳體+P。3-6、說明Fe-C合金中5種類型滲碳體的形成和形態(tài)特點。一次滲碳體：由液相直接析

5、出，黑色的片層。二次滲碳體：含碳量超過0.77%的鐵碳合金自1148冷卻至727時，會從奧氏體中析出二次滲碳體。沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀排列。三次滲碳體：鐵碳合金自727向室溫冷卻的過程中，從鐵素體析出的為三次滲碳體。不連續(xù)網(wǎng)狀成片狀分布于鐵素體晶界。共晶滲碳體：共晶白口鑄鐵由液態(tài)冷卻到1148是發(fā)生共晶反應，產(chǎn)生共晶奧氏體和共晶滲碳體。為白色基體。共析滲碳體：共析鋼液體在發(fā)生共析轉變時，由奧氏體相析出鐵素體和共析滲碳體。為黑色的片層。3-7、說明金屬實際凝固時，鑄錠的3中宏觀組織的形成機制。鑄錠的宏觀組織由表層細晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)3個晶區(qū)組成。表層細晶區(qū)：當高溫的液體金屬被澆注到鑄型中時

6、，液體金屬首先與鑄型的模壁接觸，一般來說，鑄型的溫度較低，產(chǎn)生很大的過冷度，形成大量晶核，再加上模壁的非均勻形核作用，在鑄錠表面形成一層厚度較薄、晶粒很細的等軸晶區(qū)。柱狀晶區(qū)：表層細晶區(qū)形成以后，由于液態(tài)金屬的加熱及凝固時結晶潛熱的放出，使得模壁的溫度逐漸升高，冷卻速度下降，結晶前沿過冷度減小，難以形成新的結晶核心，結晶只能通過已有晶體的繼續(xù)生長來進行。由于散熱方向垂直于模壁，因此晶體沿著與散熱方向相反的方向擇優(yōu)生長而形成柱狀晶區(qū)。中心等軸晶區(qū)：當柱狀晶區(qū)長大到一定程度，由于冷卻速度進一步下降及結晶潛熱的不斷放出，使結晶前沿的溫度梯度消失，導致柱狀晶的長大停止。當心部液體全部冷卻至實際結晶溫度

7、一下時，以雜志和被沖下的晶枝碎片為結晶核心均勻長大，形成粗大的等軸晶區(qū)。第四章4-1、為什么室溫下金屬的晶粒越細，強度、硬度越高，塑型、韌性也越好？因為金屬的晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障礙越多，需要協(xié)調的具有不同位向的晶粒越多，金屬塑性變形的抗力越高。從而導致金屬強度和硬度越高；金屬的晶粒越細，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，同時參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，推遲了裂紋的形成于擴展使得在斷裂前發(fā)生了較大的塑性變形，在強度和塑型同時增加的情況下，其塑型和韌性越好。4-2、黃銅鑄件上的數(shù)碼不慎搓掉如何識別數(shù)碼？用加熱使它再結晶的方法可以使原來的數(shù)碼再呈現(xiàn)。因為打字時會使鑄件打字處產(chǎn)生塑性變形，

8、有預變形存在，通過加熱再結晶可使晶?；謴偷筋A變形之前的狀態(tài)，使之顯現(xiàn)出數(shù)碼。4-3、金屬鑄件的晶粒往往粗大，能否通過再結晶退火來細化其晶粒？為什么？不能，因為鑄件沒有產(chǎn)生預變形，故不能采用再結晶的方法。4-4、銅只是通過冷加工及隨后加熱來細化晶粒，而鐵則不需要冷加工，只需加熱到一定溫度便可使晶粒細化，為什么？因為銅不存在同素異構的現(xiàn)象，加熱時晶體的結構不發(fā)生變形，所以采用冷加工破碎晶粒，產(chǎn)生預變形，從而來消除應力，而鐵存在同素異構的現(xiàn)象，固態(tài)變相組織要比晶粒組織細，只需加熱到一定溫度便能使晶粒細化。4-5、下列齒輪餅坯的加工方法中，哪種方法正確？為什么？（1）從熱軋厚鋼板上切下圓餅；（2）從熱

9、軋粗鋼棒上切下圓餅；（3）由熱軋鋼棒鐓成圓餅。選擇由熱軋鋼棒鐓成圓餅，因為這樣可以控制銅的纖維素的走向與受力方向一致。4-6、用冷拉銅絲繩（承受能力遠超過工件質量）吊送剛出爐熱處理工件去淬火，但在此工程中，銅絲發(fā)生斷裂。為什么？原因是：冷拉鋼絲繩經(jīng)冷塑加工強度提高，強度大于載荷，但吊運熱工件時其溫度升高，使原子擴散能力升高，從而使其產(chǎn)生回復再結晶，晶粒恢復到以前的狀態(tài)，強度降低，最終發(fā)生斷裂。4-7、鎢在1100下的變形加工和錫在室溫下的變形加工是冷加工還是熱加工？為什么？再結晶溫度=熔化溫度×0.4，鎢的熔點為3380，其再結晶溫度為(3380+273)×0.4273=1

10、187，加工溫度小于再結晶溫度，所以屬于冷加工；錫的熔點為232，其再結晶溫度為(232+237) ×0.4273=71，室溫(25)大于再結晶溫度，所以屬于熱加工。4-8、在冷拔鋼絲時常進行中間退火，原因？如何選擇中間退火的溫度？冷拔過程中產(chǎn)生很大應力,在使用過程中要把這種應力消除,使用中間退火會細化晶粒,產(chǎn)生預變形,使強度和硬度提升,消除應力,選取的溫度應該小于再結晶溫度。4-9、用冷拔高碳鋼絲纏繞螺旋彈簧，最后要進行何熱處理，原因是？進行去應力退火,冷拔過程中產(chǎn)生很大應力,退火保證彈簧不會由于應力不確定而恢復原形,同時對彈簧的定型處理可以保證彈簧的彈力。4-10、反復彎折退火鋼

11、絲時，會感到越彎越硬，最后斷裂，為什么？反復彎折會使晶粒變細,因而硬度提高,同時產(chǎn)生應力,使塑性降低,從而會被折斷。第五章5-3、判斷下列說法正誤，并說明原因。1.馬氏體是硬而脆的相。錯，馬氏體是硬的相,滲碳體才是脆的相；2.過冷奧氏體的冷卻速度大于Vk時,則冷速越大,所得馬氏體的硬度越高。錯，馬氏體硬度取決于含碳量,與冷卻速度無關;3.鋼中的合金元素含碳量越高,其淬火后的硬度也越高。錯,合金元素對淬透性的影響大,但對硬度影響小;4.本質細晶粒鋼的晶?？偸潜缺举|粗晶粒鋼的晶粒細。錯,晶粒的大小與加熱溫度和保溫時間有關.本質細晶粒鋼只是加熱時長大的趨向比本質粗晶粒鋼小,但不代表本身比本質粗晶粒鋼

12、的晶粒細;5.同種鋼材在同樣的加熱條件下,總是水冷的比油冷的淬透性好,小件的比大件的淬透性好。錯，鋼的淬透性取決于其臨界冷卻速度,與工件尺寸和冷卻介質無關。5-4、生產(chǎn)中常把加熱到淬火溫度的鉗工扁鏟的刃部蘸入水中急冷后,出水停留一會,再整體投入水中冷卻,兩次水冷的作用及水冷后的組織。刃部入水急冷淬火,得馬氏體,出水停留一段時間為回火得回火馬氏體,再整體入水,抑制繼續(xù)回火,保留回火組織。5-5、用20鋼進行表面淬火和用45鋼進行滲碳處理是否合適？為什么？20鋼不適合表面淬火,含碳量低會降低硬度和耐磨性；45鋼不適合滲碳處理,碳含量足夠,滲碳使低碳鋼工件表面獲得較高碳濃度。5-6、鋼經(jīng)表面淬火或滲

13、碳后,表層的殘余應力是拉應力還是壓應力？原因？壓應力,因表面低溫,收縮后心部的高溫區(qū)產(chǎn)生塑性變形,冷卻后內(nèi)部部分彈性變形恢復。5-7、一批45鋼零件進行熱處理時，不慎將淬火件和調質件弄混，如何區(qū)分開？為什么？用鋸片試鋸,淬火件比調質件難鋸,因為淬火后工件硬度提高,二調質會降低硬度。5-8、將兩個T12鋼小試樣分別加熱到780和860,保溫后以大于的速度冷卻至室溫,試回答問題,并說明原因。1.哪個溫度淬火后馬氏體晶粒粗大？860,溫度越高,奧氏體晶粒成長越快;2.哪個淬火后殘余奧氏體量多？860,溫度高，奧氏體含碳量高,轉化充分,冷卻時奧氏體越多;3.哪個淬火后末溶碳化物量多？780，溶碳能力較

14、小;4.哪個淬火適合？780,因淬火加熱溫度以得到均勻細小奧氏體為原則,以便淬火后獲得細小馬氏體組織,高溫下奧氏體易長大形成粗大奧氏體組織,故780加熱好。5-9、分別用45鋼和15鋼制造機床齒輪,要求齒表面具有高的硬度和耐磨性,心部具有良好的韌性.安排工藝路線,熱處理工序目的及使用狀態(tài)下的組織。45:下料,鍛造,退火(調整硬度),機加工,調質(得到顆粒狀滲碳體),精加工,表面淬火加低溫回火(加強強度和韌性),精加工,表層回火馬氏體,心部回火索氏體;15:下料,鍛造,正火(調整硬度),機加工,滲碳(提高表面硬度耐磨性),淬火加回火(加強強度和韌性),磨削,表層回火馬氏體碳化物,心部回火索氏體。

15、第六章6-1、鋼的質量為什么以磷,硫的含量來劃分？磷對鋼有固化作用,降低塑性韌性,產(chǎn)生冷脆現(xiàn)象;硫在加熱時會使鋼發(fā)生熱脆現(xiàn)象,對鋼質量影響很大。6-2、什么是合金鋼?與碳鋼相比合金鋼有哪些優(yōu)點?為什么?指為了提高鋼的性能,在碳鋼基礎上有意加入一定量的合金元素所獲得的鐵基合金;強度高,塑性韌性好,焊接性好,冷熱壓力加工性能好,耐腐蝕性好,因為加入了金屬成分。6-3、加入鋼中的合金元素的作用,舉例。Cr含量高,不銹鋼,含量低,提高強度;Mn提高耐磨性,細化晶粒;根據(jù)加入的元素可提高強度,韌性,耐磨性,耐腐蝕性,加工性能,機械性能。6-4、用W18Cr4V制作盤形銑刀,安排其加工工藝路線,各熱加工工

16、序的目的及使用狀態(tài)下的組織。工藝路線:下料-鍛造-退火(降低硬度便于加工)-基加工-淬火(得到馬氏體)-多次回火(消除應力,減少殘余奧氏體)-磨削.回火馬氏體,細顆粒狀碳化物加少量殘余奧氏體。6-5、20CrMnTi與T12鋼的淬透性與淬硬性差別,原因。前者是滲碳鋼,低碳鋼,淬透性好,淬硬性差.后者為高碳鋼,淬透性差,淬硬性好。6-8、說明碳素結構鋼成分特點,常用熱處理方法及使用狀態(tài)下的組織和用途。塑性高,可焊接性好,熱軋空冷,鐵素體加珠光體,熱軋板.帶.棒及型鋼使用。（掌握碳素結構鋼就行）6-9、說明下列牌號中Cr,Mn的作用。40Cr:提高強度;20CrMnTi:Cr提高韌性,Mn細化晶粒

17、;GCr15SiMn:Cr提高韌性強度,Mn細化晶粒;06Cr18Ni9:提高電位,耐腐蝕性。6-11、材料庫中:42CrMo,GCr15,T13,60Si2Mn.要做銼刀,齒輪,汽車板簧選,材熱處理方法及組織。銼刀:T13,下料,退火,加工,淬火,低溫回火,回火馬氏體加顆粒狀碳化物極少量殘余奧氏體;齒輪:42CrMo,下料,退火,機加工,調質,精加工,表面淬火,低溫回火,磨削,回火索氏體;板簧:60Si2Mn:下料,熱處理,淬火,中溫回火,回火托氏體。 （缺少6-12，請看書）第七章7-1、什么叫做石墨化，影響石墨化的因素，說明鑄鐵各階段石墨化過程中的組織變化。鑄鐵中碳原子的析出形成石墨的過

18、程叫石墨化，影響：化學成分、冷卻速度，一：結晶時一次石墨、二次石墨、共晶石墨析出，加熱時一次滲碳體、二次滲碳體和共晶滲碳體分離；二：冷卻時共析石墨析出和加熱時共析滲碳體分解。7-3、指出下列鑄件采用鑄鐵種類和熱處理方式，說明。（1）機床床身：灰口鑄鐵，退火，消除內(nèi)應力；（2）柴油機曲軸：球墨鑄鐵，淬火加低溫回火，高硬度和耐磨性；（3）液壓泵殼體：灰鑄鐵，表面淬火，同上；（4）犁鏵：可鍛鑄鐵，石墨化加退火，強度韌性塑性；（5）冷凍機缸套：球墨鑄鐵，淬火加回火，消除內(nèi)應力高強度和耐磨性；（6）球磨機襯板：白口鑄鐵，淬火加高溫回火，高硬度。7-4、鑄鐵件表面、棱角和凸緣處硬度較高，難以機械加工，為什么？如何處理？這些地方在澆注時冷卻速度較快，形成了共晶白口狀態(tài)，可退火處理。7-5、灰口鑄鐵在性能上特點，為什么用在機床床身。1.含碳量