機(jī)械工程材料課后習(xí)題答案

機(jī)械工程材料課后習(xí)題答案

于永泗齊民

1-1、可否通過(guò)增加零件尺寸來(lái)提高其彈性模量。

解：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(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)

彈性模量的影響很小。所以不能通過(guò)增大尺寸來(lái)提高彈性模量。

1-2、工程上的伸長(zhǎng)率與選取的樣品長(zhǎng)度有關(guān)，為什么？

解：伸長(zhǎng)率等于，當(dāng)試樣⑹不變時(shí)，增加，則伸長(zhǎng)率6下降，只有當(dāng)

/為常數(shù)時(shí)，不同材料的伸長(zhǎng)率才有可比性。所以伸長(zhǎng)率與樣品長(zhǎng)度

有關(guān)。

1-3、和兩者有什么關(guān)系？在什么情況下兩者相等？

解：為應(yīng)力強(qiáng)度因子，為平面應(yīng)變斷裂韌度，為的一個(gè)臨界值，當(dāng)增

加到一定值時(shí)，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展，材料發(fā)生斷裂，此時(shí)，兩者相等。

1-4、如何用材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線判斷材料的韌性？

解：所謂材料的韌性是指材料從變形到斷裂整個(gè)過(guò)程所吸收的能量，

即拉伸曲線（應(yīng)力-應(yīng)變曲線）與橫坐標(biāo)所包圍的面積。

2-1.從原子結(jié)構(gòu)上說(shuō)明晶體與非晶體的區(qū)別。

解：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(wú)序排列的固體稱為非晶體。晶體長(zhǎng)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(guān)系？

解：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？

解：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。

3-1、說(shuō)明在液體結(jié)晶的過(guò)程中晶胚和晶核的關(guān)系。

解：在業(yè)態(tài)經(jīng)書(shū)中存在許多有序排列飛小原子團(tuán)，這些小原子團(tuán)或大

或小，時(shí)聚時(shí)散，稱為晶胚。在以上，由于液相自由能低，晶胚不會(huì)

長(zhǎng)大，而當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到以下后，經(jīng)過(guò)孕育期，達(dá)到一定尺寸的晶

胚將開(kāi)始長(zhǎng)大，這些能夠連續(xù)長(zhǎng)大的晶胚稱為晶核。

3-2、固態(tài)非晶合金的晶化過(guò)程是否屬于同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變？為什么？

解：不屬于。同素異構(gòu)是物質(zhì)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(guò)程。

3-3、根據(jù)勻晶轉(zhuǎn)變相圖分析產(chǎn)生枝晶偏析的原因。

解：①枝晶偏析：在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)，成分不均勻

的現(xiàn)象叫做枝晶偏析。②結(jié)合二元?jiǎng)蚓мD(zhuǎn)變相圖可知，枝晶偏析產(chǎn)生

的原因是固溶體合金的結(jié)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(shí)際生產(chǎn)中，由于冷速較快，合金

在結(jié)晶過(guò)程中，固相和液相中的原子來(lái)不及擴(kuò)散，使得先結(jié)晶出的枝

晶軸含有較多的高熔點(diǎn)元素，而后結(jié)晶的枝晶中含有較多低熔點(diǎn)元

素。③冷速越快，液固相間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。

3-4、結(jié)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(guò)程中的轉(zhuǎn)變及室溫下的組織。

解：①0.45%C:L->L+b-*L+8+丫L+Y-Y-*Y+efP+Y+a。室溫

組織：P+a②1.2%C：L-*L+Y-Y+二次滲碳體—二次滲碳體。室溫

組織：P+二次滲碳體。③3.0%C：L-L+Y->L+Y+Le-Y+Le+二次滲

碳體-P+Y+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(shuō)明Fe-C合金中5種類型滲碳體的形成和形態(tài)特點(diǎn)。

解：一次滲碳體:由液相直接析出，黑色的片層。二次滲碳體:含

碳量超過(guò)0.77%的鐵碳合金自1148℃冷卻至727℃時(shí)，會(huì)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727c向室溫冷卻的過(guò)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1148C是發(fā)生共晶反應(yīng)，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(zhuǎn)變時(shí),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(shuō)明金屬實(shí)際凝固時(shí)，鑄錠的3中宏觀組織的形成機(jī)制。

解：鑄錠的宏觀組織由表層細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)3個(gè)晶

區(qū)組成。①表層細(xì)晶區(qū)：當(dāng)高溫的液體金屬被澆注到鑄型中時(shí)，液體

金屬首先與鑄型的模壁接觸，一般來(lái)說(shuō)，鑄型的溫度較低，產(chǎn)生很大

的過(guò)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(xì)的等軸晶區(qū)。②柱狀晶區(qū)：表層細(xì)晶

區(qū)形成以后，由于液態(tài)金屬的加熱及凝固時(shí)結(jié)晶道野放出，使得模

壁的溫度逐漸升高，冷卻速度下降，結(jié)晶前沿過(guò)冷度減小，難以形成

新的結(jié)晶核心，結(jié)晶只能通過(guò)已有晶體的繼續(xù)生長(zhǎng)來(lái)進(jìn)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(zhǎng)而形

成柱狀晶區(qū)。③中心等軸晶區(qū)：當(dāng)柱狀晶區(qū)長(zhǎng)大到一定程度，由于冷

卻速度進(jìn)一步下降及結(jié)晶潛熱的不斷放出，使結(jié)晶前沿的溫度梯度消

失，導(dǎo)致柱狀晶的長(zhǎng)大停止。當(dāng)心部液體全部冷卻至實(shí)際結(jié)晶溫度一

下時(shí)，以雜志和被沖下的晶枝碎片為結(jié)晶核心均勻長(zhǎng)大，形成粗大的

等軸晶區(qū)。

4-1＞為什么室溫下金屬的晶粒越細(xì)，強(qiáng)度、硬度越高，塑型、韌性

也越好？

解：因?yàn)榻饘俚木ЯＴ郊?xì)，晶界總面積越大，位錯(cuò)障礙越多，需要協(xié)

調(diào)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(dǎo)致

金屬?gòu)?qiáng)度和硬度越高；金屬的晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，

同時(shí)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(kuò)展使得在斷裂前發(fā)生了較大的塑性變形，在強(qiáng)度和塑型同時(shí)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(shí)別數(shù)碼？

解：用加熱使它再結(jié)晶的方法可以使原來(lái)的數(shù)碼再呈現(xiàn)。因?yàn)榇蜃謺r(shí)

會(huì)使鑄件打字處產(chǎn)生塑性變形，有預(yù)變形存在，通過(guò)加熱再結(jié)晶可使

晶?；謴?fù)到預(yù)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(guò)再結(jié)晶退火來(lái)細(xì)化其晶粒？

為什么？

解：不能，因?yàn)殍T件沒(méi)有產(chǎn)生預(yù)變形，故不能采用再結(jié)晶的方法。

4-4、銅只是通過(guò)冷加工及隨后加熱來(lái)細(xì)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(xì)化，為什么？

解：因?yàn)殂~不存在同素異構(gòu)的現(xiàn)象，加熱時(shí)晶體的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變形，

所以采用冷加工破碎晶粒，產(chǎn)生預(yù)變形，從而來(lái)消除應(yīng)力，而鐵存在

同素異構(gòu)的現(xiàn)象，固態(tài)變相組織要比晶粒組織細(xì)，因此只需加熱到一

定溫度便能使晶粒細(xì)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）從熱軋粗鋼棒上切下圓餅；（3）由熱軋

鋼棒微成圓餅。

解：選擇由熱軋鋼棒鎖成圓餅，因?yàn)檫@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(yuǎn)超過(guò)工件質(zhì)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？

解：原因是：冷拉鋼絲繩經(jīng)冷塑加工強(qiáng)度提高，強(qiáng)度大于載荷，但吊

運(yùn)熱工件時(shí)其溫度升高，使原子擴(kuò)散能力升高，從而使其產(chǎn)生回復(fù)再

結(jié)晶，晶?；謴?fù)到以前的狀態(tài)，強(qiáng)度降低，最終發(fā)生斷裂。

4-7、鋁在1100C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？

解：再結(jié)晶溫度=熔化溫度X0.4,鴇的熔點(diǎn)為3380℃,其再結(jié)晶溫度

為（3380+273）X0.4273=1187℃,加工溫度小于再結(jié)晶溫度，所以屬于

冷加工；錫的熔點(diǎn)為232°C,其再結(jié)晶溫度為（232+237）X

0.4273=71℃,室溫（25℃）大于再結(jié)晶溫度，所以屬于熱加工。

4-8、在冷拔鋼絲時(shí)常進(jìn)行中間退火，原因？如何選擇中間退火的溫

度？冷拔過(guò)程中產(chǎn)生很大應(yīng)力，在使用過(guò)程中要把這種應(yīng)力消除，使用

中間退火會(huì)細(xì)化晶粒，產(chǎn)生預(yù)變形，使強(qiáng)度和硬度提升，消除應(yīng)力，選取

的溫度應(yīng)該小于再結(jié)晶溫度。

4-9、用冷拔高碳鋼絲纏繞螺旋彈簧，最后要進(jìn)行何熱處理，原因是？

解：進(jìn)行去應(yīng)力退火，冷拔過(guò)程中產(chǎn)生很大應(yīng)力，退火保證彈簧不會(huì)由

于應(yīng)力不確定而恢復(fù)原形,同時(shí)對(duì)彈簧的定型處理可以保證彈簧的彈

力。

4-10,反復(fù)彎折退火鋼絲時(shí)，會(huì)感到越彎越硬，最后斷裂，為什么？

解：反復(fù)彎折會(huì)使晶粒變細(xì),因而硬度提高，同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力,使塑性降低,

從而會(huì)被折斷。

5-3、判斷下列說(shuō)法正誤，并說(shuō)明原因。

解：1.馬氏體是硬而脆的相。錯(cuò)，馬氏體是硬的相,滲碳體才是脆的相；

2.過(guò)冷奧氏體的冷卻速度大于Vk時(shí),則冷速越大,所得馬氏體的硬度

越高。錯(cuò)，馬氏體硬度取決于含碳量，與冷卻速度無(wú)關(guān)。

3.鋼中的合金元素含碳量越高，其淬火后的硬度也越高。錯(cuò)，合金元素

對(duì)淬透性的影響大，但對(duì)硬度影響小

4.本質(zhì)細(xì)晶粒鋼的晶粒總是比本質(zhì)粗晶粒鋼的晶粒細(xì)。錯(cuò)，晶粒的大

小與加熱溫度和保溫時(shí)間有關(guān).本質(zhì)細(xì)晶粒鋼只是加熱時(shí)長(zhǎng)大的趨向

比本質(zhì)粗晶粒鋼小，但不代表本身比本質(zhì)粗晶粒鋼的晶粒細(xì)。

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(cuò)，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(zhì)無(wú)關(guān)。

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(huì)，再整體投入水中冷卻，兩次水冷的作用及水冷后的組

織。

解：刃部入水急冷淬火，得馬氏體,出水停留一段時(shí)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(jìn)行表面淬火和用45鋼進(jìn)行滲碳處理是否合適？為什

么？

解：20鋼不適合表面淬火，含碳量低會(huì)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)表面淬火或滲碳后，表層的殘余應(yīng)力是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力？

原因？

解：壓應(yīng)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(fù)。

5-7、一批45鋼零件進(jìn)行熱處理時(shí)，不慎將淬火件和調(diào)質(zhì)件弄混，如

何區(qū)分開(kāi)？為什么？

解：用鋸片試鋸,淬火件比調(diào)質(zhì)件難鋸，因?yàn)榇慊鸷蠊ぜ捕忍岣?，二調(diào)

質(zhì)會(huì)降低硬度。

5-8、將兩個(gè)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(wèn)題，并說(shuō)明原因。

解：1.哪個(gè)溫度淬火后馬氏體晶粒粗大？860,溫度越高,奧氏體晶粒成

長(zhǎng)越快2哪個(gè)淬火后殘余奧氏體量多？860,溫度高，奧氏體含碳量高,

轉(zhuǎn)化充分,冷卻時(shí)奧氏體越多;3.哪個(gè)淬火后末溶碳化物量多？780,溶

碳能力較小;4.哪個(gè)淬火適合？780,因淬火加熱溫度以得到均勻細(xì)小

奧氏體為原則，以便淬火后獲得細(xì)小馬氏體組織，高溫下奧氏體易長(zhǎng)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(jī)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。

解：45:下料，鍛造，退火（調(diào)整硬度），機(jī)加工，調(diào)質(zhì)（得到顆粒狀滲碳體）,

精加工，表面淬火加低溫回火（加強(qiáng)強(qiáng)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(diào)整硬度），機(jī)加工，滲碳（提高

表面硬度耐磨性），淬火加回火（加強(qiáng)強(qiáng)度和韌性），磨削，表層回火馬氏體

碳化物，心部回火索氏體。

第六章

6-1.鋼的質(zhì)量為什么以磷，硫的含量來(lái)劃分？

解：磷對(duì)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(shí)會(huì)使

鋼發(fā)生熱脆現(xiàn)象,對(duì)鋼質(zhì)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(diǎn)?為什么？

解：指為了提高鋼的性能,在碳鋼基礎(chǔ)上有意加入一定量的合金元素

所獲得的鐵基合金;強(qiáng)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?yàn)榧尤肓私饘俪煞帧?/p>

6-3、加入鋼中的合金元素的作用，舉例。

解：Cr含量高，不銹鋼,含量低，提高強(qiáng)度;Mn提高耐磨性，細(xì)化晶粒;根

據(jù)加入的元素可提高強(qiáng)度，韌性，耐磨性，耐腐蝕性，加工性能，機(jī)械性能。

6-4、用W18Cr4V制作盤(pán)形銃刀，安排其加工工藝路線,各熱加工工序

的目的及使用狀態(tài)下的組織。

解：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

馬氏體卜多次回火（消除應(yīng)力，減少殘余奧氏體卜磨削.回火馬氏體，細(xì)顆

粒狀碳化物加少量殘余奧氏體。

6-5、ZOCrMnTi與T12鋼的淬透性與淬硬性差別,原因。

解：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(shuō)明碳素結(jié)構(gòu)鋼成分特點(diǎn)，常用熱處理方法及使用狀態(tài)下的組織

和用途。

解：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(jié)構(gòu)鋼就行）

6-9、說(shuō)明下列牌號(hào)中Cr,Mn的作用。

解：40Cr:提高強(qiáng)度;20CrMnTi:Cr提高韌性,Mn細(xì)化晶粒;GCC5SiMn:Cr

提高韌性強(qiáng)度,Mn細(xì)化晶粒;06Cn8Ni9:提高電位，耐腐蝕性。

6-11、材料庫(kù)中:42CrMo,GCrl5,T13,60Si2Mn.要做鏗刀，齒輪，汽車板簧

選，材熱處理方法及組織。

解：鏗刀: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(jī)加工，調(diào)質(zhì)，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6T2,請(qǐng)看書(shū)）

第七章

7-1、什么叫做石墨化，影響石墨化的因素，說(shuō)明鑄鐵各階段石墨化

過(guò)程中的組織變化。

解：鑄鐵中碳原子的析出形成石墨的過(guò)程叫石墨化，影響：化學(xué)成分、

冷卻速度，一：結(jié)晶時(shí)一次石墨、二次石墨、共晶石墨析出，加熱時(shí)

一次滲碳體、二次滲碳體和共晶滲碳體分離；二：冷卻時(shí)共析石墨析

出和加熱時(shí)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(shuō)明。

解：（1）機(jī)床床身:灰口鑄鐵，退火，消除內(nèi)應(yīng)力；（2）柴油機(jī)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）犁鋅:可鍛鑄鐵，石墨化加退火，強(qiáng)度

韌性塑性；（5）冷凍機(jī)缸套:球墨鑄鐵，淬火加回火，消除內(nèi)應(yīng)力高

強(qiáng)度和耐磨性；（6）球磨機(jī)襯板:白口鑄鐵，淬火