工程材料及成形技术基础课后习题参考答案Word格式文档下载.docx

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在浇注前所参加的难熔杂质称为变质剂。

　　2.常见的金属晶体构造有哪几种？

α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种晶体构造？

常见金属晶体构造：

体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；

　　α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格；

　　γ－Fe、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格；

　　Mg、Zn属于密排六方晶格；

　　3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？

用来说明晶体中原子排列的严密程度。

晶体中配位数和致密度越大，那么晶体中原子排列越严密。

　　4.晶面指数和晶向指数有什么不同？

晶向是指晶格中各种原子列的位向，用晶向指数来表示，形式为uvw；

晶面是指晶格中不同方位上的原子面，用晶面指数来表示，形式为hkl。

　　5.实际晶体中的点缺陷，线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响？

如果金属中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随着晶体中缺陷的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。

因此，无论点缺陷，线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变，从而使晶体强度增加。

同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻，降低金属的抗腐蚀性能。

　　6.为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？

答：

因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；

而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。

　　7.过冷度与冷却速度有何关系？

它对金属结晶过程有何影响？

对铸件晶粒大小有何影响？

①冷却速度越大，那么过冷度也越大。

②随着冷却速度的增大，那么晶体内形

　　核率和长大速度都加快，加速结晶过程的进展，但当冷速到达一定值以后那么结晶过程将减慢，因为这时原子的扩散能力减弱。

③过冷度增大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。

　　8.金属结晶的根本规律是什么？

晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？

①金属结晶的根本规律是形核和核长大。

②受到过冷度的影响，随着过冷度的增大，晶核的形成率和成长率都增大，但形成率的增长比成长率的增长快；

同时外来难熔杂质以及振动和搅拌的方法也会增大形核率。

　　9.在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？

在生产中如何应用变质处理？

①采用的方法：

变质处理，钢模铸造以及在砂模中加冷铁以加快冷却速度的方法来控制晶粒大小。

②变质处理：

在液态金属结晶前，特意参加某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒。

③机械振动、搅拌。

　　第二章金属的塑性变形与再结晶

　　1．解释以下名词：

　　加工硬化、回复、再结晶、热加工、冷加工。

加工硬化：

随着塑性变形的增加，金属的强度、硬度迅速增加；

塑性、韧性迅速下降的现象。

　　回复：

为了消除金属的加工硬化现象，将变形金属加热到某一温度，以使其组织和性能发生变化。

在加热温度较低时，原子的活动能力不大，这时金属的晶粒大小和形状没有明显的变化，只是在晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移等变化，因此，这时金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，而只是使内应力及电阻率等性能显著降低。

此阶段为回复阶段。

　　再结晶：

被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能力，使晶粒的外形开始变化。

从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。

和变形前的晶粒形状相似，晶格类型相同，把这一阶段称为“再结晶”。

　　热加工：

将金属加热到再结晶温度以上一定温度进展压力加工。

冷加工：

在再结晶温度以下进展的压力加工。

　　2．产生加工硬化的原因是什么？

加工硬化在金属加工中有什么利弊？

①随着变形的增加，晶粒逐渐被拉长，直至破碎，这样使各晶粒都破碎成

　　细碎的亚晶粒，变形愈大，晶粒破碎的程度愈大，这样使位错密度显著增加；

同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长。

因此，随着变形量的增加，由于晶粒破碎和位错密度的增加，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬化”现象。

②金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难，如钢板在冷轧过程中会越轧越硬，以致最后轧不动。

另一方面人们可以利用加工硬化现象，来提高金属强度和硬度，如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度的。

加工硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因素。

如冷拉钢丝拉过模孔的部分，由于发生了加工硬化，不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔的部分，这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。

　　3．划分冷加工和热加工的主要条件是什么？

主要是再结晶温度。

在再结晶温度以下进展的压力加工为冷加工，产生加

　　工硬化现象；

反之为热加工，产生的加工硬化现象被再结晶所消除。

　　4．与冷加工比较，热加工给金属件带来的益处有哪些？

（1）通过热加工，可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得以提高。

（2）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，机械性能提高。

　　（3）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变，使它们沿着变形的方向细碎拉长，形成热压力加工“纤维组织”（流线），使纵向的强度、塑性和韧性显著大于横向。

如果合理利用热加工流线，尽量使流线与零件工作时承受的最大拉应力方向一致，而与外加切应力或冲击力相垂直，可提高零件使用寿命。

　　第一章

　　1-1由拉伸试验可以得出哪些力学性能指标在工程上这些指标是如何定义的答:

强度和韧性.强度（σb）材料抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度;

塑性（δ）材料在外力作用下产生永久变形而不被破坏的能力.强度指标里主要测的是:

弹性极限,屈服点,抗拉强度等.塑性指标里主要测的是:

伸长率,断面收缩率.

　　1-2

　　1-3锉刀:

HRC黄铜轴套:

HB供应状态的各种非合金钢钢材：

HB硬质合金刀片：

HRA,HV耐磨工件的外表硬化层：

HV

　　调质态的机床主轴：

HRC铸铁机床床身：

HB铝合金半成品：

HB1-4HRC=10HBS,90HRB=210HBS,HV=HBS

　　800HV>

45HRC>

240HBS>

90HRB

　　1-7

　　材料在加工制造中表现出的性能，显示了加工制造的难易程度。

包括铸造性，锻造性，切削加工性，热处理性。

　　第二章

　　2-2答:

因为γ-Fe为面心立方晶格,一个晶胞含4个原子,致密度为0.74;

γ-Fe冷却到912°

C后转变为α-Fe后，变成体心立方晶格，一个晶胞含2个原子，致密度为0.68，尽管γ-Fe的晶格常数大于α-Fe的晶格常数，但多的体积部分抵不上因原子排列不同γ-Fe变成α-Fe体积增大的部分，故γ-Fe冷却到912℃后转变为α-Fe时体积反而增大。

2-3.答：

（1）过冷度理论结晶温度与实际结晶温度只差。

（2）冷速越快那么过冷度越大，同理，冷速越小那么过冷度越小

　　（3）过冷度越大那么晶粒越小，同理，过冷度越小那么晶粒越大。

过冷度增大，结晶驱动力越大，形核率和长大速度都大，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。

　　2-4：

（1）在一般情况下，晶粒越小，其强度塑性韧性也越高。

（2）因为晶粒越小那么晶界形成就越多，产生晶体缺陷，在晶界处晶格处于畸变状态，故晶界能量高因此晶粒的大小对金属的力学性能有影响。

　　（3）在凝固阶段晶粒细化的途径有以下三种：

　　①提高结晶时的冷却速度增加过冷度

　　②进展变质处理处理：

在液态金属浇筑前人工后参加少量的变质剂，从而形成大量非自发结晶核心而得到细晶粒组织。

　　③在液态金属结晶时采用机械振动，超声波振动，电磁搅拌等。

　　2-5

（1）固溶体是溶质原子溶于溶剂晶格中而保持溶剂晶格类型的合金相。

（2）固溶体中溶剂由于溶质原子的溶入造成固溶体晶格产生畸变，使合金的强度与硬度提高，而塑性与韧性略有下降。

　　（3）通过溶入原子，使合金强度与硬度提高的方法称之为固溶强化。

2-6答

（1）金属化合物是指合金组元之间相互作用形成具有金属特征的物质;

（2）金属化合物的晶格类型和性能不同与组元,具有熔点高,硬度高,脆性大的特点.他在合金中能提高其硬度强度,但降低其塑性韧性.

　　（3）如果金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体的根本相上,那么将使合金的轻度硬度耐磨性明显提高,这一现象称弥散强化.

　　2-10

　　看落在单相区还是双相区,假设是单相区,就是本身的质量分数,假设是双相区利用杠杆定理看）1）0.4%:

1400℃0.4%;

1100℃0.4%;

800℃0.45%

　　2）0.77%:

1400℃0.77%;

1100℃0.77%;

800℃0.77%

　　3）1.2%:

1400℃0.77%;

1100℃1.20%；

800℃1.0%

　　2-12

1）含碳越多，渗碳体越多，因而表现的比0.4%的刚硬度高。

含碳超过0.9%时，析出的二次渗碳体在晶界形成连续的网络状，使得刚脆性增加，硬度下降，因而比1.2%的强度高。

　　2）铆钉的使用场合要求有一定的强度，但是最重要的要求是有一定的塑性，所以需要少量渗碳体以保持铆钉有足够的强度，保存大部分铁素体以保持铆钉的塑性，因此，铆钉就必须选择低碳钢来制造。

　　3）因为铁丝含碳量低，所以塑性好，易变性适用于绑扎。

同理钢丝绳强度高，耐磨性好，弹性好适应于吊重物。

　　4）含碳量0.4%的钢在1000摄氏度时处于奥氏体区，奥氏体是面心立方构造，晶体滑移系比较多，容易发生塑性变形，适于锻造。

含碳量4%生铁在1000摄氏度时候属于硬而脆的物质，塑性变形能力很差，因而不能进展锻造。

5）T8,T10,T12是碳素工具钢，含碳量分别为0.8%，1.0%，1.2%，因而钢中渗碳体含量高，钢的硬度较高，退火状态下的布氏硬度大于300；

而10,20钢为优质碳素构造钢，属于低碳钢，钢的硬度较低，布氏硬度低于155.手工锯条为T20材质，淬火后硬度加大，因此钳工锯T8，T10,T12等钢料时比锯10,20钢费力，锯条容易磨钝。

　　6）因为含碳量在0.02%~2.11%之间，塑性比较大，抗拉性能比较好，流动性不好;

铸铁含碳量在2.11%~6.69%脆性比较大，抗拉性能比较好，流动性很好，所以说钢适宜压力加工成型而铸铁适宜铸造成型

　　第三章

　　3-1

　　解释以下名词

　　1）奥氏体：

碳在γ——Fe中形成的间隙固溶体。

　　过冷奥氏体：

处于临界点A1以下的奥氏体被称为过冷奥氏体。

过冷奥氏体是非稳定组织迟早要发生转变。

随过冷度不同过冷奥氏体将发生珠光体转变，贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。

　　剩余奥氏体：

即使冷却到Mf点，也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称为剩余奥氏体。

　　2）马氏体是钢淬火后的主要组织，低碳马氏体为板条状，高碳马氏体为针状。

马氏体存在有内应力，容易产生变形和开裂。

马氏体是不稳定的，在工作中会发生分解，导致零件尺寸发生变化，高碳马氏体脆而硬，韧性很低

　　3）答：

淬透性：

钢在淬火后获得淬硬层深度大小的能力。

一般规定由工件外表到马氏体区的深度作为淬硬层深度

　　淬硬性钢在淬火后获得马氏体的最高硬度。

硬度高的钢淬透性不一定高，硬度低的钢有时候淬透性却很高。

淬透性是钢本身特有的特性，对一定成分的钢种来说是完全正确的实际工件淬硬层深度在不同条件下是变化的。

　　4）答：

（1）起始晶粒度：

是指在临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚接触时的晶粒大小。

（2）实际晶粒度：

是指在某一详细的热处理加热温度条件下所得到的晶粒尺寸

　　（3）本质晶粒度：

根据标准试验方法在930±

10℃保温足够时间后测定的钢中晶粒的大小。

　　3-2

（1）钢在奥氏体化后，冷却时形成的组织主要取决于钢的加热温度。

错误，钢在奥氏体化后，冷却时形成的组织主要取决于钢的冷却速度，

（2）低碳钢与高碳钢工件为了便于切削加工，可预先进展球化退火。

　　错误，低碳钢弓箭为了便于切削加工预先进展热处理或完全退火。

而高碳钢工件应该进展球化退火，其目的都是将硬度调整到HB200左右并且细化晶粒，均匀组织，消除网状渗碳体。

　　（3）钢的实际晶粒度主要取决于钢在加热后的冷却速度

　　错误，钢的实际晶粒度主要取决于钢的加热温度

　　（4）过冷奥氏体冷却速度快，冷却后的硬度越高。

　　错误，钢的硬度主要取决于含碳量。

　　（5）钢的合金元素越多，钢淬火后的硬度越高。

　　错误，钢的硬度主要取决于含碳量

　　（6）同一种钢在相同加热条件下，水淬比油淬淬透性好，小件比大件淬透性好。

正确，同一种钢，其C曲线是一定的，因此，冷速快或工件小容易淬成马氏体。

　　（7）钢经淬火后处于脆硬状态。

　　正确，低碳马氏体韧性要好些，而高碳马氏体硬而脆。

　　（8）冷却速度快，马氏体的转变点Ms点Mf点越低。

　　错误，马氏体的转变点Ms点Mf点的位置和冷却速度无关。

　　（9）淬火钢回火后的性能主要取决于回火后的冷却速度。

　　错误，淬火钢回火后的性能主要取决于回火温度

　　（10）钢的含碳量就等于马氏体的含碳量

　　错误，钢中的含碳量是否等于马氏体的含碳量，要看加热温度。

完全奥氏体化后，钢的含碳量等于奥氏体含碳量，淬火后即为马氏体含碳量。

如果是部分奥氏体化，钢的含碳量，一部

　　1、判断以下说法是否正确：

（1）钢在奥氏体化后，冷却时形成的组织主要取决于钢的加热温度。

错误，取决于钢的冷却速度。

（2）低碳钢与高碳钢工件为了便于切削加工，可预先进展球化退火。

错误

　　（3）钢的实际晶粒度主要取决于钢在加热后的冷却速度。

错误，取决于钢的加热温度。

　　（4）过冷奥氏体冷却速度快，钢冷却后的硬度越高。

错误，钢的硬度主要取决于含碳量。

　　（5）钢中合金元素越多，钢淬火后的硬度越高。

　　（6）同一钢种在相同加热条件下，水淬比油淬的淬透性好，小件比大件的淬透性好。

正确。

　　（7）钢经过淬火后是处于硬脆状态。

正确

　　（8）冷却速度越快，马氏体的转变点Ms和Mf越低。

错误，取决于回火温度。

　　（10）钢中的含碳量就等于马氏体的含碳量。

　　2、将含碳量为1.2%的两个试件，分别加热到760℃和900℃，保温时间相同，到达平衡状态后以大于临界冷速的速度快速冷却至室温。

问：

（1）哪个温度的试件淬火后晶粒粗大。

900℃粗大，处于完全奥氏体化区，对于过共析钢易造成晶粒粗大。

（2）哪个温度的试件淬火后未溶碳化物较少。

900℃，处于完全奥氏体化区。

　　（3）哪个温度的试件淬火后马氏体的含碳量较多。

900℃，处于完全奥氏体化区，奥氏体的含碳量即为马氏体含碳量。

　　（4）哪个温度的试件淬火后剩余奥氏体量多。

900℃，奥氏体的含碳量越高，Ms和Mf就越低，剩余奥氏体量就越多。

　　（5）哪个试件的淬火温度较为合理，为什么？

760℃，处于部分奥氏体化区，加热组织为奥氏体+未溶碳化物（阻碍晶粒长大），晶粒细小。

同时控制了奥氏体含碳量，也就控制了马氏体含碳量，降低了马氏体脆性。

淬火组织：

马氏体+未溶碳化物+剩余奥氏体，保证了强度、硬度。

　　3、将20钢和60钢同时加热到860℃,并保温相同的时间,问那种钢奥氏体晶粒粗大些20钢和60钢都属于亚共析钢，一般加热时要求完全奥氏体化，加热温度应在A3以上。

依据铁碳相图，20钢含碳量低，A3点高，60钢，含碳量高，A3点低，因此，同样加热到860℃,并保温相同的时间,60钢过热度大，晶粒容易粗大。

　　5、指出以下钢件正火的主要目的：

20钢齿轮，45钢小轴，T12钢锉刀

　　20钢齿轮：

20钢，含碳量低，硬度低，通过正火（空冷）使得珠光体片间距减小即形成索氏体或屈氏体，以提高硬度（HB200左右），满足切削加工的要求。

　　45钢小轴：

45钢，含碳量适中，综合机械性能好，因此利用正火，即可作为最终热处理，满足小轴的使用要求。

　　T12钢锉刀：

含碳量1.2%，假设采用退火会产生网状渗碳体，一般采用正火，利用快冷（空冷），使得渗碳体网析出不完整，再配合球化退火，以彻底消除网状渗碳体。

　　7、解释索氏体和回火索氏体,马氏体和回火马氏体的主要区别。

　　正火组织：

索氏体S:

属于细珠光体，其中渗碳体呈片状。

　　回火组织：

淬火后高温回火,碳化物从过饱和F中析出,称为回火索氏体S回，呈粒状渗碳体，塑、韧性更好

　　淬火组织:

马氏体:

过饱和F

　　回火组织:

淬火后低温回火，碳化物开始从M中析出，成为M回。

保持高硬度，消除内应力，改善脆性。

　　三次高温回火的目的：

可析出大量弥散局部分布的碳化物，产生二次硬化现象，使硬度和强度进一步提高。

　　T10碳素钢：

1、预先热处理：

退火或正火+球化退火2、最终热处理：

淬火+低温回火3、热处理后的组织M回或M回+颗粒碳化物4、性能：

高硬度、高强度、高耐磨性其中正火目的：

消除网状渗碳体Fe3CⅡ，为球化退火做准备球化退火目的：

球化Fe3CⅡ，降低硬度利于切削淬火低温回火目的：

得到所需要组织和性能，消除应力，稳定组织

　　8、45钢调质后的硬度为240HBS，假设再进展200℃回火，硬度能否提高为什么该钢经淬火和低温回火后硬度57HRC，假设再进展高温回火，其硬度可否降低，为什么45钢调质后的硬度为240HBS，假设再进展200℃回火，不能提高硬度。

因为，回火温度越高，硬度下降越多，而调质工艺就是淬火+高温回火，碳化物已经析出，铁素体回复，硬度已经下降了，不能再升高。

　　该钢经淬火和低温回火后硬度57HRC，假设再进展高温回火，硬度可以。

因为，回火温度越高，硬度下降越多。

该钢经低温回火，组织是回火马氏体，碳化物还未析出，存在过饱和，因此，可继续提高回火温度，使得硬度降低。

这也是为何经低温回火处理的碳素工具钢，不能使用很高的切削速度的原因。

高速切削，摩擦生热，切削温度高于低于回火温度后，就相当于继续回火。

　　9、T12钢经760℃加热后，按照图3-26所示的冷却方式进展冷却。

问它们各获得何种组织？

并比较它们的硬度。

（图3-26：

庞国星教材P70）

　　冷速1：

相当于水冷，组织：

马氏体+未溶碳化物+剩余奥氏体，硬度：

HRC60

　　冷速2：

相当于油冷，组织：

索氏体+未溶碳化物+马氏体+剩余奥氏体，硬度：

不均匀。

冷速3：

相当于炉冷，组织：

索氏体+未溶碳化物（二次渗碳体）硬度：

HRC20-30

　　冷速4：

同冷速3。

已经通过转变完成线，保温时间的延长，不影响组织，但可能晶粒粗大。

　　11、解释T12和20CrMnTi钢的淬硬性和淬透性之区别。

　　钢的淬硬性取决于钢的含碳量（马氏体含碳量），T12：

含碳量1.2%,20CrMnTi钢含碳量0.2%，所以，T12钢的淬硬性高，即淬火后获得马氏体的最高硬度高。

　　钢的淬透性取决于C曲线的位置，20CrMnTi是合金钢，合金元素使得C曲线显著右移，因此易于淬成马氏体，淬透性好。

　　12、选择以下零件的热处理方法，并编写简明的工艺路线（各零件均选用锻造毛坯，且钢材具有足够淬透性）

（1）某汽车变速齿轮，要求齿面耐磨，心部强韧，材料选用20钢。

　　锻造→正火→机加工→渗碳，淬火，低温回火→精加工

（2）某机床变速齿轮，要求齿面耐磨，心部强韧要求不高，选用45钢

　　锻造→完全退火→机加工→整体调质（淬火+高温回火）→齿面高频外表淬火，低温回火→精加工（磨齿）

　　（3）某车床主轴，要求良好的综合机械性能，轴颈部分要求耐磨其硬度HRC50—55，其余部分硬度为HRC20—25，请选材，并选择热处理方法，简明的工艺路线。

选择45钢，锻造→完全退火→机加工→轴整体调质→轴颈部分高频外表淬火，低温回火→精加工（磨削）正火目的：

提高含碳量，利于切削加工调质目的：

获得良好的综合力学性能淬火目的：

获得马氏体，使外表到达硬度要求回火目的：

消除应力，稳定组织

　　13、用T12钢制造锉刀和用45钢制造较重要的螺栓，工艺路线均为：

　　锻造——热处理——机加工——热处理——精加工。

对两工件：

（1）说明预备的工艺方法和作用

（2）制订最终热处理的工艺标准（加热温度、冷却介质），并指出最终热处理的显微组织和大致硬度。

　　T12钢制造锉刀：

　　锻造——球化退火——机加工——淬火+低温回火——精加工。

　　球化退火：

消除网状渗碳体，细化晶粒，便于切削加工。

　　淬火（760℃）+低温回火（200℃），水冷，回火马氏体，HRC60。

　　45钢制造较重要的螺栓:

　　锻造——完全退火——机加工——淬火+高温回火——精加工。

　　完全退火：

细化晶粒、均匀组织，便于切削加工。

　　淬火（860℃）+低温回火（600℃），水冷，回火索氏体，HRC20-25。

　　*现象：

Wc=0.4，Wcr=12的铬钢为共析钢，Wc=1.5，Wcr=12的铬钢为莱式体钢？

　　因为合金元素可以改变共析点S和E点的位置，如Cr使S和E点左移，这样，含碳量为亚共析钢成分的合金钢得到共析钢的组织，成为过，含碳量为过共析钢成分的合金钢得到莱氏体组织，成为莱式体钢。

　　1Cr13和Cr12钢中C