机械工程材料(于永泗_齐民)课后习题答案(全)

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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δ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，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：①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。②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。③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：①0.45%C:L→L+δ→L+δ+γ→L+γ→γ→γ+e→P+γ+α。室温组织：P+α②1.2%C：L→L+γ→γ+二次渗碳体→ 二次渗碳体。室温组织：P+二次渗碳体。③3.0%C：L→L+γ→L+γ+Le→γ+Le+二次渗碳体→P+γ+二次渗碳体+一次渗碳体→Le’+二次渗碳体+P。室温组织：Le’+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℃冷却至727℃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℃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。共晶渗碳体：共晶白口铸铁由液态冷却到1148℃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。①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。②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。③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）由热轧钢棒镦成圆饼。解：选择由热轧钢棒镦成圆饼，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、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？为什么？解：再结晶温度=熔化温度×0.4，钨的熔点为3380℃，其再结晶温度为(3380+273)×0.4273=1187℃，加工温度小于再结晶温度，所以属于冷加工；锡的熔点为232℃，其再结晶温度为(232+237)×0.4273=71℃，室温(25℃)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,得马氏体,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,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℃和860℃,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,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,机械性能。6-4、用W18Cr4V制作盘形铣刀,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)-磨削.回火马氏体,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,GCr15,T13,60Si2Mn.要做锉刀,齿轮,汽车板簧选,材热处理方法及组织。解：锉刀: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）柴油机曲轴：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）犁铧：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:σb≥650MPa,ak≥15J/cm2,轴体硬度为240~300HB,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→切削加工→轴颈表面淬火、回火→磨削。13-7、选择下列零部件的材料,并简要说明理由。解：①机床主轴:45,低速,轻或中载荷,精度要求不高;②成型车刀:T11,不会剧烈冲击,高硬度,耐磨性好;③医疗手术刀:T30060,具有高的淬透性,强度高,韧性好;④内燃机火花塞:陶瓷,耐热性好,导热性好;⑤冷凝管:铜合金,在冷凝水中良好的耐蚀性,导电性好;⑥赛艇身:铝合金,高强度,良好的耐蚀性,低温性,没有磁性;⑦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;⑧发动机活塞环:珠光体可锻铸铁,可以振动载荷。