机械工程材料于永泗齐民课后习题集答案解析

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1、机械工程材料课后习题答案于永泗齐民1-1、可否通过增加零件尺寸来提高其弹性模量。解：不能，弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而 逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对 弹性模量的影响很小。所以不能通过增大尺寸来提高弹性模量。1-2、工程上的伸长率与选取的样品长度有关，为什么？解：伸长率等于，当试样（d）不变时，增加，则伸长率S下降，只有当 /为常数时，不同材料的伸长率才有可比性。所以伸长率与样品长度 有关。1-3、和两者有什么关系？在什么情况下两者相等？解：为应力强度因子，为平面应变断裂韧度，为的一个临界值，当增 加到一定值时，裂纹便失稳扩展，材料发生断裂，

2、此时，两者相等。1-4、如何用材料的应力-应变曲线判断材料的韧性？解：所谓材料的韧性是指材料从变形到断裂整个过程所吸收的能量， 即拉伸曲线（应力-应变曲线）与横坐标所包围的面积。2-1、从原子结构上说明晶体与非晶体的区别。解：原子在三维空间呈现规则排列的固体称为晶体，而原子在空间呈无序排列的固体称为非晶体。晶体长程有序，非晶体短程有序。2-2、立方晶系中指数相同的晶面和晶向有什么关系？解：相互垂直。2-4、合金一定是单相的吗？固溶体一定是单相的吗？解：合金不一定是单相的，也可以由多相组成，固溶体一定是单相的。3-1、说明在液体结晶的过程中晶胚和晶核的关系。解：在业态经书中存在许多有序排列飞小原

3、子团，这些小原子团或大或小，时聚时散，称为晶胚。在以上，由于液相自由能低，晶胚不会 长大，而当液态金属冷却到以下后，经过孕育期，达到一定尺寸的晶 胚将开始长大，这些能够连续长大的晶胚称为晶核。3-2、固态非晶合金的晶化过程是否属于同素异构转变？为什么？解：不属于。同素异构是物质在固态下的晶格类型随温度变化而发生 变化，而不是晶化过程。3-3、根据匀晶转变相图分析产生枝晶偏析的原因。解：枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内，成分不均匀 的现象叫做枝晶偏析。结合二元匀晶转变相图可知，枝晶偏析产生 的原因是固溶体合金的结晶只有在 “充分缓慢冷却”的条件下才能得 到成分均匀的固溶体组织。然而在实

4、际生产中，由于冷速较快，合金 在结晶过程中，固相和液相中的原子来不及扩散，使得先结晶出的枝 晶轴含有较多的高熔点元素，而后结晶的枝晶中含有较多低熔点元 素。冷速越快，液固相间距越大，枝晶偏析越严重。3-4、结合相图分析含 0.45% C、1.2% C 和3.0% C 的Fe-C合金 在缓慢冷却过程中的转变及室温下的组织。解： 0.45% C: L - L+ 8 -L+ 8+ 丫 -L+ 丫一 丫 一+e - P+ y+ %。室温组织：P+ %1.2%C: L- L+ 丫 7 十二次渗碳体一二次渗碳体。室温 组织：P+二次渗碳体。 3.0%C : LL+ l L+ y+Le + Le+ 二次 渗

5、碳体-P十寸二次渗碳体+一次渗碳体-Le+二次渗碳体+P。室温 组织：Le十二次渗碳体+P。3-6、说明Fe-C合金中5种类型渗碳体的形成和形态特点。解：一次渗碳体:由液相直接析出，黑色的片层。 二次渗碳体:含 碳量超过0.77%的铁碳合金自1148 c冷却至727 c时，会从奥氏体 中析出二次渗碳体。沿奥氏体晶界呈网状排列。三次渗碳体:铁碳合金自727 c向室温冷却的过程中，从铁素体析出的为三次渗碳 体。不连续网状成片状分布于铁素体晶界。共品渗碳体:共晶白口铸铁由液态冷却到1148 c是发生共晶反应，产生共晶奥氏体和共晶 渗碳体。为白色基体。 共析渗碳体:共析钢液体在发生共析转变时， 由奥氏

6、体相析出铁素体和共析渗碳体。为黑色的片层。3-7、说明金属实际凝固时，铸锭的 3中宏观组织的形成机制。解：铸锭的宏观组织由表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区3个晶 区组成。表层细晶区：当高温的液体金属被浇注到铸型中时，液体 金属首先与铸型的模壁接触，一般来说，铸型的温度较低，产生很大 的过冷度，形成大量晶核，再加上模壁的非均匀形核作用，在铸锭表 面形成一层厚度较薄、晶粒很细的等轴晶区。柱状晶区：表层细晶 区形成以后，由于液态金属的加热及凝固时结晶潜热的放出,使得模 壁的温度逐渐升高，冷却速度下降，结晶前沿过冷度减小，难以形成 新的结晶核心，结晶只能通过已有晶体的继续生长来进行。由于散热方向垂直

7、于模壁，因此晶体沿着与散热方向相反的方向择优生长而形成柱状晶区。中心等轴晶区：当柱状晶区长大到一定程度，由于冷 却速度进一步下降及结晶潜热的不断放出， 使结晶前沿的温度梯度消 失，导致柱状晶的长大停止。当心部液体全部冷却至实际结晶温度一 下时，以杂志和被冲下的晶枝碎片为结晶核心均匀长大，形成粗大的等轴晶区。4-1、为什么室温下金属的晶粒越细，强度、硬度越高，塑型、韧性 也越好？解：因为金属的晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多，需要协 调的具有不同位向的晶粒越多，金属塑性变形的抗力越高。从而导致 金属强度和硬度越高；金属的晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多， 同时参与变形的晶粒数目也越多， 变

8、形越均匀，推迟了裂纹的形成于 扩展使得在断裂前发生了较大的塑性变形， 在强度和塑型同时增加的 情况下，其塑型和韧性越好。4-2、黄铜铸件上的数码不慎搓掉如何识别数码？解：用加热使它再结晶的方法可以使原来的数码再呈现。 因为打字时 会使铸件打字处产生塑性变形，有预变形存在，通过加热再结晶可使 晶粒恢复到预变形之前的状态，使之显现出数码。4-3、金属铸件的晶粒往往粗大，能否通过再结晶退火来细化其晶粒？为什么？解：不能，因为铸件没有产生预变形，故不能采用再结晶的方法。4-4、铜只是通过冷加工及随后加热来细化晶粒，而铁则不需要冷加 工，只需加热到一定温度便可使晶粒细化，为什么？解：因为铜不存在同素异构

9、的现象，加热时晶体的结构不发生变形， 所以采用冷加工破碎晶粒，产生预变形，从而来消除应力，而铁存在 同素异构的现象，固态变相组织要比晶粒组织细，因此只需加热到一 定温度便能使晶粒细化。4-5、下列齿轮饼坯的加工方法中，哪种方法正确？为什么？ （ 1） 从热轧厚钢板上切下圆饼；（2）从热轧粗钢棒上切下圆饼；（3）由 热轧钢棒锻成圆饼。解：选择由热轧钢棒锻成圆饼，因为这样可以控制铜的纤维素的走向 与受力方向一致。4-6、用冷拉铜丝绳（承受能力远超过工件质量）吊送刚出炉热处理 工件去淬火，但在此工程中，铜丝发生断裂。为什么？解：原因是：冷拉钢丝绳经冷塑加工强度提高，强度大于载荷，但吊 运热工件时其温

10、度升高，使原子扩散能力升高，从而使其产生回复再 结晶，晶粒恢复到以前的状态，强度降低，最终发生断裂。4-7、鸨在1100 C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？为什么？解：再结晶温度=熔化温度X0.4,鸨的熔点为3380 C,其再结晶温 度为（3380+273） X0.4273=1187 C,加工温度小于再结晶温度，所 以属于冷加工；锡的熔点为 232 C,其再结晶温度为（232+237） X 0.4273=71 C,室温（25 C）大于再结晶温度，所以属于热加工。4-8、在冷拔钢丝时常进行中间退火，原因？如何选择中间退火的温度？冷拔过程中产生很大应力，在使用过程中要把这种

11、应力消除，使用 中间退火会细化晶粒，产生预变形，使强度和硬度提升，消除应力，选取 的温度应该小于再结晶温度。4-9、用冷拔高碳钢丝缠绕螺旋弹簧，最后要进行何热处理，原因是？ 解：进行去应力退火，冷拔过程中产生很大应力，退火保证弹簧不会由 于应力不确定而恢复原形，同时对弹簧的定型处理可以保证弹簧的弹 力。4-10、反复弯折退火钢丝时，会感到越弯越硬，最后断裂，为什么？ 解：反复弯折会使晶粒变细，因而硬度提高，同时产生应力，使塑性降低, 从而会被折断。5-3、判断下列说法正误，并说明原因。解：1.马氏体是硬而脆的相。错，马氏体是硬的相，渗碳体才是脆的相；2 .过冷奥氏体的冷却速度大于 Vk时，则冷

12、速越大，所得马氏体的硬度 越高。错，马氏体硬度取决于含碳量，与冷却速度无关。3 .钢中的合金元素含碳量越高，其淬火后的硬度也越高。 错，合金元素 对淬透性的影响大，但对硬度影响小4 .本质细晶粒钢的晶粒总是比本质粗晶粒钢的晶粒细。 错,晶粒的大小 与加热温度和保温时间有关.本质细晶粒钢只是加热时长大的趋向比 本质粗晶粒钢小，但不代表本身比本质粗晶粒钢的晶粒细。5 .同种钢材在同样的加热条件下，总是水冷的比油冷的淬透性好，小件 的比大件的淬透性好。 错，钢的淬透性取决于其临界冷却速度，与工 件尺寸和冷却介质无关。5-4、生产中常把加热到淬火温度的钳工扁铲的刃部蘸入水中急冷后，出水停留一会，再整体

13、投入水中冷却，两次水冷的作用及水冷后的组织。解：刃部入水急冷淬火彳导马氏体，出水停留一段时间为回火得回火马 氏体，再整体入水，抑制继续回火，保留回火组织。5-5、用20钢进行表面淬火和用45钢进行渗碳处理是否合适？为什么？解：20钢不适合表面淬火，含碳量低会降低硬度和耐磨性；45钢不适 合渗碳处理，碳含量足够，渗碳使低碳钢工件表面获得较高碳浓度。5-6、钢经表面淬火或渗碳后，表层的残余应力是拉应力还是压应力？原因？解：压应力，因表面低温，收缩后心部的高温区产生塑性变形，冷却后内 部部分弹性变形恢复。5-7、一批45钢零件进行热处理时，不慎将淬火件和调质件弄混，如何区分开？为什么？解：用锯片试锯

14、，淬火件比调质件难锯，因为淬火后工件硬度提高，二调 质会降低硬度。5-8、将两个T12钢小试样分别加热到780 C和860 C保温后以大 于的速度冷却至室温，试回答问题，并说明原因。解：1.哪个温度淬火后马氏体晶粒粗大？ 860，温度越高，奥氏体晶粒成长越快；2.哪个淬火后残余奥氏体量多？860,温度高，奥氏体含碳量高转化充分，冷却时奥氏体越多；3.哪个淬火后末溶碳化物量多？780，溶 碳能力较小；4.哪个淬火适合？ 780,因淬火加热温度以得到均匀细小 奥氏体为原则，以便淬火后获得细小马氏体组织，高温下奥氏体易长大 形成粗大奥氏体组织，故780加热好。5-9、分别用45钢和15钢制造机床齿轮

15、，要求齿表面具有高的硬度 和耐磨性，心部具有良好的韧性.安排工艺路线，热处理工序目的及使 用状态下的组织。解：45:下料，锻造，退火（调整硬度）,机加工，调质（得到颗粒状渗碳 体），精加工,表面淬火加低温回火（加强强度和韧性）,精加工，表层回火 马氏体，心部回火索氏体；15:下料，锻造，正火（调整硬度）,机加工，渗碳 （提高表面硬度耐磨性），淬火加回火（加强强度和韧性），磨削，表层回火 马氏体碳化物，心部回火索氏体。第六章6-1、钢的质量为什么以磷，硫的含量来划分？解：磷对钢有固化作用，降低塑性韧性，产生冷脆现象；硫在加热时会使 钢发生热脆现象，对钢质量影响很大。6-2、什么是合金钢？与碳钢相

16、比合金钢有哪些优点？为什么？解：指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量的合金元素 所获得的铁基合金；强度高，塑性韧性好，焊接性好，冷热压力加工性能 好，耐腐蚀性好，因为加入了金属成分。6-3、加入钢中的合金元素的作用，举例。解：Cr含量高，不锈钢，含量低，提高强度;Mn提高耐磨性，细化晶粒根 据加入的元素可提高强度，韧性，耐磨性，耐腐蚀性，加工性能，机械性6-4、用W18Cr4V 制作盘形铳刀，安排其加工工艺路线，各热加工工 序的目的及使用状态下的组织。解：工艺路线:下料-锻造-退火（降低硬度便于加工）-基加工-淬火（得到 马氏体）-多次回火（消除应力，减少残余奥氏体卜磨削.回火马氏体

17、，细颗 粒状碳化物加少量残余奥氏体。6-5、20CrMnTi与T12钢的淬透性与淬硬性差别，原因。解：前者是渗碳钢，低碳钢，淬透性好，淬硬性差.后者为高碳钢，淬透性 差，淬硬性好。6-8、说明碳素结构钢成分特点，常用热处理方法及使用状态下的组织 和用途。解：塑性高，可焊接性好，热轧空冷，铁素体加珠光体，热轧板.带.棒及型钢使用。（掌握碳素结构钢就行）6-9、说明下列牌号中Cr,Mn的作用。解：40Cr:提高强度;20CrMnTi:Cr 提高韧性,Mn 细化晶 粒;GCr15SiMn:Cr提高韧性强度,Mn细化晶粒;06Cr18Ni9:提高电位, 耐腐蚀性。6-11、材料库中：42CrMo,GC

18、r15,T13,60Si2Mn.要做锤刀，齿轮，汽车板簧选，材热处理方法及组织。解：锤刀:T13,下料，退火，加工，淬火，低温回火，回火马氏体加颗粒状碳 化物极少量残余奥氏体；齿轮:42CrMo,下料,退火,机加工，调质，精加工, 表面淬火，低温回火，磨削，回火索氏体 板簧:60Si2Mn:下料,热处理，淬火，中温回火，回火托氏体。(缺少6-12,请看书)第七章7-1、什么叫做石墨化，影响石墨化的因素，说明铸铁各阶段石墨化 过程中的组织变化。解：铸铁中碳原子的析出形成石墨的过程叫石墨化， 影响：化学成分、 冷却速度，一：结晶时一次石墨、二次石墨、共晶石墨析出，加热时 一次渗碳体、二次渗碳体和共

19、晶渗碳体分离；二：冷却时共析石墨析 出和加热时共析渗碳体分解。7-3、指出下列铸件采用铸铁种类和热处理方式，说明。解：(1)机床床身:灰口铸铁，退火，消除内应力； (2)柴油机曲 皿：球墨铸铁，淬火加低温回火，高硬度和耐磨性；(3)液压泵壳体: 灰铸铁，表面淬火，同上；(4)犁锌:可锻铸铁，石墨化加退火，强 度韧性塑性；(5)冷冻机缸套:球墨铸铁，淬火加回火，消除内应力 高强度和耐磨性；(6)球磨机衬板:白口铸铁，淬火加高温回火，高 硬度。7-4、铸铁件表面、棱角和凸缘处硬度较高，难以机械加工，为什么？ 如何处理？解：这些地方在浇注时冷却速度较快，形成了共晶白口状态，可退火 处理。7-5、灰口

20、铸铁在性能上特点，为什么用在机床床身。解：1.含碳量高，工艺性好;2.耐磨性消震性好；3.机械性能低，抗拉强度 和刚性好；4.价格低7-7、下列牌号灰口铸铁的类别、数字含义及用途。解：HT200:灰铸铁,200为最低抗拉强度为200Mpa,用于机床，车床 等;KTH350-10:黑心可锻铸铁，最低伸长率10%,汽车前后轮壳，减速 器壳等；KTZ700-02:珠光体可锻铸铁，凸轮轴等;QT600-3:球墨铸铁， 柴油机曲轴，主轴等；RuT420:蠕墨铸铁，活塞环汽缸套。13-2、在选材时应考虑的原则？解：1.使用性能原则；2.工艺性能原则；3.经济性原则。13-4、某柴油机曲轴技术要求如下：db

21、 650MPa,ak 15J/cm2,轴体硬度为240300HB,轴颈硬度大于等于55HRC.选材，制定生产 工艺路线及各热处理工艺的工艺规范。解：QT600-3,铸造成形-正火+高温回火一切削加工一轴颈表面淬 火、回火一磨削。13-7、选择下列零部件的材料，并简要说明理由。解：机床主轴：45，低速，轻或中载荷，精度要求不高；成型车刀：T11, 不会剧烈冲击，高硬度，耐磨性好；医疗手术刀：T30060,具有高的淬 透性,强度高，韧性好；内燃机火花塞：陶瓷，耐热性好，导热性好； 冷凝管:铜合金，在冷凝水中良好的耐蚀性，导电性好；赛艇身：铝合 金，高强度，良好的耐蚀性，低温性，没有磁性；燃气轮机主轴：珠光体 耐热钢或者铁基耐热合金，高温强度高；发动机活塞环:珠光体可锻 铸铁，可以振动载荷。