机械工程材料习题答案教材

1、第一章 材料的结构和金属的结晶根据材料属性，工程材料可分为金属材料、非金属材料和复合材料。其中金属材料又分为钢铁（黑色）材料和非铁（有色）材料；非金属材料又可分为无机非金属材料和有机高分子材料。-Fe 的晶格类型是体心立方（bcc）； -Fe 的晶格类型是面心立方（fcc）；纯Mg 的晶格类型是密排六方（hcp） 。典型钢锭的显微组织分区及各区的力学性能。第二章 金属的塑性变形与再结晶常温下塑性变形的主要方式是滑移；滑移的微观机制是位错运动。所以提高材料抗塑性变形的能力（提高屈服强度）的本质是提高位错运动的阻力。第三章 材料的力学性能主要的硬度指标HB、HR和HV各自的测量原理；HBW和HBS

2、，HRA、HRB和HRC在测量方法上的差别及对应的适用范围。磨损的微观机制（4大类）。蠕变是在一定外力作用下，随着时间的延长，材料缓慢地产生塑性变形的现象。由蠕变变形而最终导致的断裂称为蠕变断裂。只要应力的作用时间相当长，蠕变在应力小于弹性极限时也能出现。金属材料高温力学性能指标有蠕变极限（金属在高温长期载荷作用下的塑性变形抗力）和持久强度极限（金属在高温长期载荷作用下的断裂强度），分别对应着常温下的屈服和抗拉强度。材料的失效及对应性能表征第四章 合金的相结构与结晶1、指出下列名词的主要区别：、指出下列名词的主要区别：（1）相组成物与组织组成物）相组成物与组织组成物（2）共晶反应与共析反应）共

3、晶反应与共析反应答：（1）组织组成物是指在结晶过程中形成的，有清洗轮廓能够在显微镜下清除区别的组成部分；相组成物是指显微组织中的基本相，它有确定的成分和结构，但没有形态的概念。（2）两者的反应物状态不一样，共晶反应的反应物是液相L；共析反应的反应物是固相S。2、试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理，并说明三者的区别。、试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理，并说明三者的区别。答：固溶强化：溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时受到阻力增大。 弥散强化：金属化合物本身有很高的硬度，因此合金中以固溶体为基体再有适量的金属间化合物均匀细小弥散分布时，会提高合金的强度、

4、硬度及耐磨性。这种用金属间化合物来强化合金的方式为弥散强化。 加工强化：通过产生塑性变形来增大位错密度，从而增大位错运动阻力，引起塑性变形抗力的增加，提高合金的强度和硬度。 区别：固溶强化和弥散强化都是利用合金的组成相来强化合金，固溶强化是通过产生晶格畸变，使位错运动阻力增大来强化合金；弥散强化是利用金属化合物本身的高强度和硬度来强化合金；而加工强化是通过力的作用产生塑性变形，增大位错密度以增大位错运动阻力来强化合金；三者相比，通过固溶强化得到的强度、硬度最低，但塑性、韧性最好，加工强化得到的强度、硬度最高，但塑韧性最差，弥散强化介于两者之间。 3、有尺寸和形状完全相同的两个、有尺寸和形状完全

5、相同的两个Ni-Cu合金铸件，一个含合金铸件，一个含wNi10%，另一个，另一个含含wNi50%，铸后缓冷，问固态铸件中哪个偏析严重，为什么？怎样消除偏，铸后缓冷，问固态铸件中哪个偏析严重，为什么？怎样消除偏析？析？答：含 50% Ni的Cu-Ni 合金铸件偏析较严重。在实际冷却过程中，由于冷速较快，使得先结晶部分含高熔点组元多，后结晶部分含低熔点组元多，因为含 50% Ni的Cu-Ni 合金铸件固相线与液相线范围比含 90% Ni铸件宽，因此它所造成的化学成分不均匀现象要比含 90% Ni的Cu-Ni 合金铸件严重。4、共晶点与共晶线有何关系？共晶组织一般是什么形态、如何形成？（略）、共晶点

6、与共晶线有何关系？共晶组织一般是什么形态、如何形成？（略）5、为什么铸造合金常选用具有共晶成分或接近共晶成分的合金？、为什么铸造合金常选用具有共晶成分或接近共晶成分的合金？（略）（略）用用于压力加工的合金选用何种成分的合金为好？于压力加工的合金选用何种成分的合金为好？答：压力加工的合金需要塑性好，单相固溶体成分的合金正好能满足这一要求。6、在、在Pb-Sn相图中，指出合金组织中相图中，指出合金组织中:含含II最多和最少的成分；最多和最少的成分；(2) 共晶体最多和最少的成分；共晶体最多和最少的成分；(3) 最容易和最不容易偏析的成分。最容易和最不容易偏析的成分。答：（1） 相是Sn组元端的端际

7、固溶体，即Sn 晶体中溶入了少量的Pb。II是指第二次凝固析出的相，根据Pb-Sn相图， 相在降温过程中相二次凝固析出， II存在于 相基体中。因此，在Pb-Sn二元系中含II最多的成分在wSn19%处 ；最少的成分在相图左端大约wSn1%。答：（2） 共晶反应点对应的合金最终能够获得100%共晶组织，即共晶含量最多处wSn61.9% 。共晶成分最少的合金可能出现在wSn19%和wSn97.7%之中。通过计算：wSn19%wSn97.7%W共晶%=（97.7-61.9）/（97.7-19）=35.8/78.7=45.5%W共晶%=（61.9-19）/（97.7-19）=42.9/78.7=54

8、.5%因此，共晶成分最少的合金为wSn19%。答：（3）固液相之间温差值越大，产生的枝晶偏析就越严重。因此，在Pb-Sn二元系中，最容易产生偏析的成分就在两个端际固溶体最大溶解度处，即wSn19%和wSn97.7%处；最不容易产生偏析的成分在共晶点处，即wSn61.9%处。7、利用Pb-Sn相图，分析含wSn30%的合金在下列各温度时组织中有哪些相合组织组成物，并求出相和组织组成物的相对含量。(1)高于300 ；(2)刚冷到183 ，共晶转变尚未开始；(3)在183 ，共晶转变完毕；(4)冷至室温。Pb-Sn二元合金, 成分: Wsn30%（1）T300 （2）T183 , T 183（3）T

9、300 在液相线之上，全部为液相（2）T183 , T 183T183但未发生共晶反应，但未发生共晶反应，L+，此时的此时的相相称为称为初生相初生相WL=61.9-1930-19=25.64%W=61.9-1961.9-30=74.36%183 时发生时发生共晶反应共晶反应，剩余，剩余的的L相瞬时析出相瞬时析出+（3）T183 , T 183A 直接运用杠杆定律：W=97.5-1997.5-30=86%W=97.5-1930-19=14%（3）T183 , T 183B 将（ + ）II 视为一种组织构成项视为一种组织构成项：183 时发生时发生共晶反应共晶反应，初，初生生相不变，而剩余的相不

10、变，而剩余的L相相瞬时析出（瞬时析出（+）。）。（ + ）是同时析出的，可是同时析出的，可以看成是一种新的组织（类以看成是一种新的组织（类似珠光体似珠光体P），则共晶反应），则共晶反应之后，组织组成为之后，组织组成为I+ （ + ）IIWI=61.9-1961.9-30=74.36%W（+）II=61.9-1930-19=25.64%（ + ）IIWI=61.9-1961.9-30=74.36%W（+）II=61.9-1930-19=25.64%则在则在（ + ）II中含有多少中含有多少和多少和多少相？相？ WII=97.5-1997.5-61.9=45.35%WII=97.5-1961.9-

11、19=54.65%WI+II=74.36%+ 45.35%25.64%=86%WII=54.65%25.64%=14%所以，最终所以，最终的组成为：的组成为：8、已知A组元的熔点为1000 ，B组元的熔点为700 ，wB=25%的合金在500 结晶完毕，并由73.33的先共晶相相与26.67的(+)共晶体组成；wB=50%的合金也在500 结晶完毕，但它是由40%的先共晶相相与60%的(+)共晶体组成，而此时合金中的相总量为50%。试根据上述条件作出A-B合金概略的二元共晶相图。A组元的熔点为组元的熔点为1000，B组元的熔点为组元的熔点为700 AB1000700 wB=25%的合金的合金在

12、在500 结晶完毕，结晶完毕，wB=50%的合金的合金也在也在500 结晶完毕，结晶完毕，AB1000700 共晶反应线共晶反应线500wB=25%的合金在的合金在500 结晶完结晶完毕，并由毕，并由73.33%的先共晶相的先共晶相相与相与26.67%的（的（+）共晶体）共晶体组成组成AB1000700 共晶反应线共晶反应线500共晶点共晶点EMNwB=25% 假设共晶点位置为E，A组元在固溶体中的最大溶解度位置为M；相应B 为NWI=E-ME-25=73.33%W（+）II=E-M25-M=26.67%wB=50%的合金也在的合金也在500 结晶结晶完毕，但它是由完毕，但它是由40%的先共晶

13、的先共晶相相相与相与60%的共晶体（的共晶体（ + ）组成组成AB1000700 共晶反应线共晶反应线500共晶点共晶点EMNwB=50%WI=E-ME-50=40%W（+）II=E-M50-M=60%也在共晶点的左端（在也在共晶点的左端（在A组元端）组元端）WI=E-ME-25=73.33%W（+）II=E-M25-M=26.67%WI=E-ME-50=40%W（+）II=E-M50-M=60%得：得： M=4.5 E=80.4AB1000700 共晶反应线共晶反应线500共晶点共晶点EMN4.580.4wB=50%的合金，此时合金中的合金，此时合金中相的总含量为相的总含量为50%WI=E-

14、ME-50=40%W（+）II=E-M50-M=60%（+）II中：中：WII=N-MN-E得得N=95.58W= WI+ WII =40%+N-MN-E 60%=50%AB1000700 5004.580.495.58第五章 铁碳合金3、分析碳含量为wC0.20%、wC0.77%和wC1.20%的碳钢的平衡结晶过程及室温平衡组织，并根据组织分析它们Rm、HBW和A 的高低。答：wC0.20%，属于亚共析钢，平衡凝固过程中，A在900727之间开始析出F；在727发生共析反应，剩余A反应生成P。室温平衡组织为F+P；wC0.77%，属于共析钢，平衡凝固过程中，A在727发生共析反应生产P。室温

15、平衡组织为P；wC1.20%，属于过共析钢，平衡凝固过程中，A在900727之间开始析出Fe3C；在727发生共析反应，剩余A反应生成P。室温平衡组织为Fe3C+P；由于Fe3C含量随C含量增加而增加，而Fe3C含量增加，材料硬度增加、塑性下降，强度在 wC0.90%时最高，之后下降。因此，Rm（ b）： wC0.20% wC1.20% wC0.77%HBW： wC0.20% wC0.77% wC1.20%A： wC1.20% wC0.77%2.5%)以外的所有合金元素，都增大过冷奥氏体稳定性，使C曲线右移，则Vk减小。 (2)一定尺寸的工件在某介质中淬火，其淬透层的深度与工件截面各点的冷却速

16、度有关。如果工件截面中心的冷速高于Vk，工件就会淬透。然而工件淬火时表面冷速最大，心部冷速最小，由表面至心部冷速逐渐降低。只有冷速大于Vk的工件外层部分才能得到马氏体。因此，Vk越小，钢的淬透层越深，淬透性越好。 5、vk值大小受哪些因素影响？它与钢的淬透性有何关系？6、将5mm的共析碳钢加热至760，保温足够时间，问采用什么热处理工艺可得到如下组织：P、S、T+M、B下、M+A，在C曲线上画出各热处理工艺的冷却曲线。答：珠光体珠光体P：退火工艺。退火工艺。索氏体索氏体S：正火工艺。正火工艺。下贝氏体下贝氏体B下下：冷却至350Ms温度范围内等温停留一段时间，再冷却下来得到下贝氏体组织。等温淬

17、火工艺。等温淬火工艺。屈氏体屈氏体+马氏体马氏体T+M：以大于获得马氏体组织的最小冷却速度并小于获得珠光体组织的最大冷却速度连续冷却，获得屈氏体+马氏体。油淬工艺。油淬工艺。马氏体马氏体+少量残余奥氏体少量残余奥氏体M+A：以大于获得马氏体组织的最小冷却速度冷却获得马氏体+少量残余奥氏体。水淬工艺。水淬工艺。7、确定下列钢件的退火方法，并指出退火的目的及退火后的组织：（1）经冷轧后的15钢钢板，要求低硬度；（2）ZG270-500（ZG35）的铸造齿轮；（3）锻造过热的60钢锻坯；（4）具有片状渗碳体的T12钢坯。答：（1）再结晶退火。目的：使变形晶粒重新转变为等轴晶粒，以消除加工硬化现象，降

18、低了硬度，消除内应力。细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度以消除加工硬化现象。组织：等轴晶的大量铁素体和少量珠光体。（2）完全退火。经铸造后的齿轮存在晶粒粗大并不均匀现象，且存在残余内应力。因此退火目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。组织：晶粒均匀细小的铁素体和珠光体。（3）完全退火。由于锻造过热后组织晶粒剧烈粗化并分布不均匀，且存在残余内应力。因此退火目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。组织：晶粒均匀细小的少量铁素体和大量珠光体。（4）球化退火。由于T12钢坯里的渗碳体呈片状，因此不仅硬度高，难以切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生

19、淬火变形及开裂。通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工性。组织：粒状珠光体和球状渗碳体。8、某钢的等温转变曲线如图所示。试说明该钢在300，经不同时间等温后按（a）、（b）和（c）线冷却后得到的组织。答：（a）冷却后得M+A；（b）冷却后得M+T；（c）冷却后得B下。9、说明45钢试样（1 0mm）经下列温度加热、保温并在水中冷却得到的室温组织：700 、760 、840 、1100 。答：700：因为它没有达到相变温度，因此没有发生相变，组织为铁素体和珠光体。760：它的加热温度在Ac1Ac3之间，因此组织为铁素体、马氏体和少量残余奥氏体。8

20、40：它的加热温度在Ac3以上，加热时全部转变为奥氏体，冷却后的组织为马氏体和少量残余奥氏体。1100：因它的加热温度过高，加热时奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗片状马氏体和少量残余奥氏体。10、有两个碳含量为wC1.2%的碳钢试样，分别加热到780和860，并保温相同时间，使之达到平衡状态（其平衡组织分别是A+Fe3C和A），然后以大于vk的冷却速度冷至室温。试问：（1）哪个温度加热淬火后马氏体晶粒粗大？（2）哪个温度加热淬火后马氏体碳含量较多？（3）哪个温度加热淬火后残留奥氏体较多？（4）哪个温度加热淬火后未溶碳化物较少？（5）你认为哪个温度加热淬火合适？为什么？答：（1）860加热温度高，加

21、热时形成的奥氏体晶粒粗大，冷却后得到的马氏体晶粒较粗大。（2）因为加热温度860已经超过了Accm，此时碳化物全部溶于奥氏体中，奥氏体中含碳量增加，而奥氏体向马氏体转变是非扩散型转变，所以冷却后马氏体含碳量较多。（3）因为加热温度860已经超过了Accm，此时碳化物全部溶于奥氏体中，使奥氏体中含碳量增加，降低钢的Ms和Mf点，淬火后残余奥氏体增多。（4）因为加热温度860已经超过了Accm，此时碳化物全部溶于奥氏体中，因此加热淬火后未溶碳化物较少。（5）780加热淬火后合适。因为含碳量为1.2%的碳钢属于过共析钢，过共析碳钢淬火加热温度Ac1+（3050），而780在这个温度范围内，这时淬火后

22、的组织为均匀而细小的马氏体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混合组织，使钢具有高的强度、硬度和耐磨性，而且也具有较好的韧性。11、淬透性与淬硬层深度两者有何联系和区别？影响钢淬透性的因素有哪些？影响钢淬硬层深度的因素有哪些？（略）13、选择下列零件的热处理方法，并编写简明的工艺路线（各零件均选用锻造毛坯，且钢材具有足够的淬透性）（1）某机床变速箱齿轮（模数m=4），要求齿面耐磨，心部强度和韧性要求不高，材料选用45钢。（2）某机床主轴，要求有良好的综合力学性能，轴颈部分要求耐磨（5055HRC），材料选用45钢。（3）镗床镗杆，在重载荷下工作，精度要求极高，并在滑动轴承中运转，要求镗杆表面有极高的硬

23、度，心部有较高的综合力学性能，材料选用38CrMoAlA。答：（1）下料锻造正火粗加工精加工局部表面淬火+低温回火精磨成品；（2）下料锻造正火粗加工调质精加工局部表面淬火+低温回火精磨成品；（3）下料锻造退火粗加工调质精加工氮化研磨成品第七章 合金钢2、试分析说明铁素体钢、奥氏体钢、莱氏体钢的形成原因。答：1、某些合金元素的加入会使奥氏体相区缩小，特别是Cr、 Si含量高时将限制A体区，甚至完全消失，使得室温下只有单相铁素体组织存在。如高Cr 含量的铬不锈钢均属铁素体钢。2、某些合金元素的加入会使奥氏体相区扩大，特别是Ni、Mn。当钢中加入大量这类元素时，甚至可使A1、A3、和Acm线降至室温

24、以下，从而获得在室温下只有单相奥氏体存在的所谓奥氏体钢。如高Mn含量的耐磨钢，高Ni 含量的不锈钢均属奥氏体钢。3、大部分合金元素可使Fe-Fe3C相图中E点（wC2.11%）左移，因此，含碳量相同的碳钢和合金钢具有不同的显微组织。某些高碳合金钢中就会出现莱氏体组织，称为莱氏体钢，如高速钢。6、指出下列合金钢的类别、用途及热处理特点：40Cr、60Si2Mn、GCr15、9SiCr、40CrNiMo、Cr12MoV、5CrMnMo、1Cr18Ni9Ti4、什么叫第一类、第二类回火脆性？其产生原因及防治方法如何？（略）答：40Cr：调质钢；多做重要零件，如连杆螺栓、底盘上的半轴及机床主轴等；热处

25、理工艺为：退火+850油淬+500回火水冷。60Si2Mn：弹簧钢；用作弹簧或类似零件材料；热处理工艺：淬火+中温回火。GCr15：滚动轴承钢；用作滚动轴承材料；热处理工艺：球化退火+淬火+冷处理+回火+时效。9SiCr：低合金刃具钢；用作板牙、丝锥、绞刀、搓丝板、冷冲模等材料；热处理工艺：球化退火+淬火+低温回火。40CrNiMo：调质钢；用作航空发动机轴、轴类、齿轮、紧固件等材料；热处理工艺：退火+850油淬+620回火水冷。Cr12MoV：冷作模具钢；用作制造截面较大、形状复杂、工作负荷较重的冷作模具及工具等材料；热处理工艺：球化退火+9501000淬火+低温回火。5CrMnMo：热作模

26、具钢；具有较高强度和高耐磨性的各种类型锻模；热处理工艺：退火+820850油淬+中温回火。1Cr18Ni9Ti：奥氏体型不锈钢和耐热钢；用作610以下长期工作的过热管道及结构件材料，或经冷加工后高强度建筑用材；热处理工艺：11001150水淬10、汽车变速齿轮是在承受较强烈的冲击作用和受磨损的条件下进行工作的，对于这类构件，应如何选材和制定热处理工艺？试举例说明。答：由于该部件工作时负荷较重，每个齿受交变弯矩的作用，因此要有高的强度和高的疲劳强度。齿轮还受到较大的冲击，故要求有高的冲击韧度。齿表面为防止磨损，要求具有高硬度和高耐磨性。每个齿除受较大的弯矩外，齿表面还承受较大的压力。因此不仅要求齿表面硬度高，耐磨，还要求齿的心部具有一定的强度和硬度。渗碳钢20CrMnTi经渗碳热处理后，齿表面可获得高硬度（5863HRC）、高耐磨性。由于该钢淬透性好，齿心部可获得强韧结合的组织，具有较高的冲击韧度，故可满足使用要求。其加工工艺路线为：下料锻造正火（950970空冷