整理工程材料作业学飞版.docx

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整理工程材料作业学飞版

机械工程材料

习题集

机械工程学院

2013年9月

1-1现有一碳钢制支架刚性不足，采用以下三种方法中的哪种方法可有效解决此问题？

为什么？

①改用合金钢；②进行热处理改性强化；③改变该支架的截面与结构形状尺寸。

答：

选③，改变该支架的截面与结构形状尺寸。

因为金属材料的刚度决定于基体金属的性质，当基体金属确定时，难于通过合金化、热处理、冷热加工等方法使之改变。

1-2对自行车座位弹簧进行设计和选材，应涉及到材料的哪些主要性能指标？

答：

强度、弹性、疲劳极限。

1-3在有关工件的图样中，出现了以下几种硬度技术条件的标注方法，用这种标注是否正确？

为什么？

（1）HBS250~300

（2）600~650HBS（3）5~10HRC（4）HRC70~75

（5）HV800~850（6）800~850HV

HBS表示用淬火钢球去测试布氏硬度，由于淬火钢球很难达到很高的硬度值，因此在测试很高硬度时淬火钢球本身会变形，HBS的测量上限是450。

HBW是硬质合金钢球，由于硬质合金钢球比淬火钢球硬度高很多，HBW国标上说明测量上限是650，而布氏硬度计用的是球压头，在不同施压力下压入工件时其压入角在不断的变化，因此各种压头和试验力下得到的硬度值严格是不能直接比较的；HRC：

洛氏标尺HRC的测量范围是20－70HRC.

1-4甲、乙、丙、丁四种材料的硬度分别为45HRC、90HRB、800HV、240HBS，试比较这四种材料硬度的高低。

1-5当某一材料的断裂韧度KIC=62MPa·m1/2，材料中裂纹的长度2a=5.7mm时，需加多大的应力会使裂纹失稳扩展而导致断裂？

1-6选择题

1．拉伸试验时，试样拉断前能承受的最大拉应力称为材料的（B）

A．屈服点B．抗拉强度C．弹性极限

2．测定淬火钢件的硬度，一般常选用（B）来测试。

A．布氏硬度计B．洛氏硬度计C．维氏硬度计

3．进行疲劳试验时，试样承受的载荷为（C）

A．静载荷B．冲击载荷C．循环载荷

4．洛氏硬度C标尺所用的压头是（B）

A．淬火钢球B．金刚石圆锥体C硬质合金球

5．金属抵抗永久变形和断裂的能力，称为（C）

A．硬度B．塑性C．强度

6．金属的（B）越好，则其锻造性能越好。

A．强度B．塑性C．硬度

1-7判断题

1.金属材料的塑性变形能随载荷的去除而消失。

（X）

2．所有金属材料在拉伸试验时都会出现显著的屈服现象。

（X）

3．进行布氏硬度试验时，当试验条件相同时，压痕直径越小，则材料的硬度越低。

（X）

4．洛氏硬度值是根据压头压人被测材料的残余压痕深度增量来确定的。

（√）

2-1常见的金属晶体结构有哪几种？

它们的原子排列和晶格常数有什么特点？

α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn各属何种结构？

答：

常用的晶体结构有：

体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。

体心立方晶格:

立方体中心和立方体结点各占有一个原子，a=b=c，α＝β＝γ＝90° 

面心立方晶格:

立方体六个表面中心和立方体结点各占有一个原子。

 a=b=c ，α＝β＝γ＝90° 密排六方晶格:

六方晶格的上、下底面中心和六方柱体的结点各占有一个原子,六方柱体中心有三个原子构成等边三角形。

    晶格常数a=b≠c ， α＝β＝120° ， γ＝90°。

α-Fe、Cr、V 属于体心立方晶体；γ-Fe、Al、Cu、Ni属于面心立方晶格；Mg、Zn属于密排六方晶格。

2-2已知γ-Fe的晶格常数（α=0.363mm）要大于α-Fe的晶格常数（α=0.289mm），试问：

为什么γ-Fe冷却到912℃转变为α-Fe时，体积反而增大？

答：

冷却到912℃转变为x－Fe时体积增大，是因为原来面心立方的

转变为体心立方的x－Fe时致密度变小。

晶胞原子数4，x－Fe晶胞原子数2。

2-31g铁在室温和1000℃各含有多少个晶胞？

答：

（1）Fe在室温下为体心立方，晶胞原子数为2，

这时1gFe的晶胞数＝（1/56×6.02×10＾23）/2=5.38×10＾21个

（2）在1000℃时为面心立方，晶胞原子数为4，

这时1gFe的晶胞数＝（1/56×6.02×10＾23）/4＝2.69×10＾21个

2-4已知铜的原子直径为0.256mm，求其晶格常数，并计算1mm3铜中的原子数。

2-5试计算面心立方晶格的致密度。

2-6已知铁原子直径d=2.54Å，铜原子直径d=2.55Å，试求铁和铜的晶格常数。

2-7选择题．

1．工程上使用的金属材料一般都呈（B）。

A.各向异性B.各向同性C.伪各向异性D．伪各向同性

2．当晶格常数相同时，体心立方晶格比面心立方晶格（C）。

A.原子半径大，致密度也大B.原子半径小，致密度也小

C．原子半径大，但致密度小D．原子半径小，但致密度大

2-8判断题

1．因为单晶体是各向异性的，所以实际应用的金属材料在各个方向上的性能也是不同的。

（X）

2．在立方晶系中，原子密度最小的，则晶面间距也最小。

（X）

3．实际金属是由许多结晶位向都完全相同的小晶粒组成的。

（X）

4．在面心立方晶胞中所包含的原子数为2。

（X）

2-9填空题

（1）同非金属相比，金属的主要特性是（原子规则排列，具有固定的熔点和各向异性）。

（2）晶体与非晶体结构上最根本的区别是（内部原子排列的情况）。

（3）γ-Fe的二个晶胞内的原子数为（4）。

3-1如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小：

（1）金属型浇注与砂型浇注<

（2）高温浇注与低温浇注<

（3）铸成薄壁件与铸成厚壁件<

（4）浇注时采用震动与不采用震动<

（5）厚大铸件的表面部分与中心部分<

3-2为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金？

为什么需进行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？

答：

共晶成分的合金熔点低，凝固温度区间最小，流动性好，适于铸造。

单相固溶体成分的合金强度均匀，塑性好，便于压力加工。

3-3为什么钢锭希望减少柱状晶区，而钢锭、铝锭往往希望扩大柱状晶区？

答：

在柱状晶区，柱状晶粒彼此间的界面比较平直，气泡缩孔很小，组织比较致密。

但当沿不同方向生长的两组柱状晶相遇时，会形成柱晶间界。

柱晶间界是杂质、气泡、缩孔较密集地区，是铸锭的脆弱结合面，故钢锭应减少柱状晶区，以避免在热轧时开裂。

对塑性好的铜锭、铝锭不会因热轧而开裂，故往往希望扩大柱状晶区。

3-4判断下列情况下是否有相变：

（1）液态金属结晶

（2）晶粒粗细的变化（3）同素异晶转变（4）磁性转变

答：

液态金属结晶、同素异构转变产生了相变；晶粒粗细的变化和磁性转变没有相变的产生。

3-5一个二元共晶转变如下：

L（ωB=75%）→α（ωB=15%）+β（ωB=95%）

（1）求ωB=50%的合金刚结束时的各组织组分和各组组分的相对量；

（2）若显微组织中出晶β与（α+β）各占50%，求该合金的成分。

3-6什么是固溶强化?

造成固溶强化的原因是什么?

3-7选择题

1．结晶实质上是原子由（A）。

A.近程有序转变为长程有序的过程B．长程有序转变为近程有序的过程

C．长程有序状态的过程D．近程有序状态的过程

2．同一物质在固态时发生晶格类型的转变，称为（A）。

A.同素异构转变B.同素异构C．同分异构D．同分异构转变

3-8判断题

1．一般来说，液态物质的冷却速度越大，过冷度也越大，实际结晶温度就越低。

（√）

2．相对晶态而言，非晶态是一种短程无序、长程有序的混合结构。

（X）

3．通常金属是由许多外形不规则、位向不同、大小不同的晶粒组成的多晶体。

（√）

4．在实际金属合金中，白发形核比非自发形核更重要，往往起优先和主导的作用。

（X）

5．金属的结晶过程是晶核不断形成、长大的过程。

（√）

4-1在常温下为什么细晶粒金属强度高，且塑性、韧性也好？

试用多晶体塑性变形的特点予以解释。

答：

晶粒细小而均匀，不仅常温下强度较高，而且塑性和韧性也较好，即强韧性好。

原因是：

（1）强度高：

Hall-Petch公式。

晶界越多，越难滑移。

（2）塑性好：

晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中。

（3）韧性好：

晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。

4-2金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒？

为什么？

答：

不可以，因为再结晶退火必须用于经冷塑性变形加工的材料，其目的是改善冷变形后材料的组织和性能。

再结晶退火的温度较低，一般都在临界点以下。

若对铸件采用再结晶退火，其组织不会发生相变，也没有形成新晶核的驱动力（如冷变形储存能等），所以不会形成新晶粒，也就不能细化晶粒。

4-3钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，说明它们是热加工还是冷加工？

（钨熔点是3410℃，锡熔点是232℃）。

4-4简要比较液态结晶、重结晶、再结晶的异同处。

答：

重结晶是将晶体溶于溶剂或熔融以后，又重新从溶液或熔体中结晶的过程。

重结晶可以使不纯净的物质获得纯化，或使混合在一起的盐类彼此分离。

结晶=已融化的晶体（液态）→固态晶体，即【液态→固态】。

重结晶=晶体→溶化为液态→结晶，即【固态→液态→固态】。

4-5用一冷拉钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到700℃，加热完毕，再次吊装该工件时，钢丝绳发生断裂。

试分析其原因。

答：

冷拉钢丝属于冷塑性变形，而这种材料在加热到700℃时，发生再结晶，导致强度极速下降，综合力学性能也降低。

4-6用低碳钢钢板冷冲压成形的零件，冲压后发现各部位的硬度不同，为什么?

4-7选择题

1．再结晶和重结晶都有形核和长大两个过程，主要区别在于有没有（B）改变。

A.温度B．晶体结构C应力状态

2．实际生产中，碳钢的再结晶温度应选择（）。

A．50～800℃B．600～700℃C．360～450℃

3．冷、热加工的区别在于加工后是否留下（B）。

A.加工硬化B．晶格改变C．纤维组织

4．钢在热加工后形成的纤维组织，使钢性能相应变化，即沿着纤维的方向上，具有较高的（），在垂直纤维的方向上，具有较高的（）。

A、抗拉强度B．抗弯强度C．抗剪强度

4-8判断题

1.一般来说，晶体内滑移面和滑移方向越多，则金属的塑性越好。

（）

2．实际上滑移是借助于位错的移动来实现的，故晶界处滑移阻力最小。

（）

3．回复时，金属的显微组织没有变化。

（）

4．再结晶与液体金属结晶一样，有一个固定的结晶温度。

（X）

5．金属铸件可以用再结晶退火来细化晶粒。

（X）

6．为保持冷变形金属的强度和硬度，应采取再结晶退火。

（X）

7．在高温状态下进行变形加工，称为热加工。

（X）

5-1根据Fe-Fe3C相图计算，室温下，wc分别为0.2%和1.2%的钢中组织组成物的相对量。

解：

（1）Wc=0.2%

P%·0.77%=0.2%P%=26%，F%=74%

（2）Wc=1.2%

P%·0.77%+（1-P%）·6.69%=1.2%

P%=92.7%，Fe3CⅡ％=7.3%

5-2某仓库中积压了一批退火状态的碳钢，现找一根，经金相分析后发现组织为珠光体和铁素体，其中珠光体占75%。

问此钢的碳含量大约为多少？

5-3比较平衡状态下wc分别为0.45%、0.80%、1.2%的碳钢的强度、硬度、塑性和韧性的大小。

强度由低至高的排列如下：

45钢

硬度由低至高的排列如下：

45钢

塑性韧性由低至高的排列如下:

T12钢

5-4现有两种铁碳合金，其中一种合金的显微组织中珠光体量占75%，铁素体量占25%；另一种合金的显微组织中珠光体量占92%，二次渗碳体量8%。

问这两种合金各属于哪一类合金？

其碳的质量分数各为多少？

5-5为什么绑扎物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝）？

而起重机吊重物却用钢丝绳（用60、65、70、75等钢制成）

5-6选择题

1．铁素体组织常用（B）符号表示。

A．AB．FC．PD．Ld

2．含碳量为1.3％的铁碳合金，在950℃的组织为（B）。

A．珠光体B．奥氏体C铁素体和珠光体

3．Fe-Fe3C合金相图上的共析线是（C）。

A．ECF线B．ACD线C．PSK线

4．从奥氏体中析出的渗碳体为（B）。

A．一次渗碳体B．二次渗碳体巴共晶渗碳体

5．在共析钢的室温组织中，随着含碳量增加，则组织中的珠光体数（C）。

A．增加B．减少C．不变

6．莱氏体的平均含碳量为（C）

A．0.77％B．2.11％C．4.3％

7．碳溶解在（B）中形成间隙固溶体称为奥氏体。

A．α-FeB．γ-FeC．δ-Fe

8．铁碳合金组织中，属于固溶体的是（A）。

A．奥氏体和渗碳体B．铁素体和珠光体C．铁素体和奥氏体

5-7判断题

1．Fe-Fe3C合金相图的纵坐标表示温度，横坐标表示时间。

（）

2．间隙固溶体都是无限固溶体。

（）

3．钢材轧制或锻造的温度范围必须选择在Fe-Fe3C相图的单相奥氏体区域。

（）

4．含碳量小于6.69％的铁碳合金，从高温缓冷到727℃时都会发生共析转变。

（）

5．铁素体和渗碳体组成的混合物称莱氏体。

（）

6．珠光体的平均含碳量为0.77％。

（）

7．合金固溶强化使得强度、硬度、塑性都有所提高。

（）

8．金属化合物的性能是硬而脆，莱氏体的性能也是硬而脆，故莱氏体属于金属化合物。

（）

工艺名称

加热温度/℃

冷却方法

组织

应用

均匀化退火

Ac3+150～250

炉冷

F+P

铸钢件

完全退火

Ac3+20～30

炉冷

F+P

亚共析钢

球化退火

Ac1+20～40

炉冷

球化组织

过共析钢

再结晶退火

680～720

空冷

等轴晶粒

冷塑性变形钢

去应力退火

280～650

炉冷至

200℃空冷

无变化

铸件、锻件、焊接件、冲压件、机械加工零件

6-1如下图所示，T12钢加热至Acl以上，用图示的各种方法冷却，分析各自得到的组织。

答:

a水中淬火M＋Fe3C

b分级淬火M＋Fe3C

c油中淬火M＋T＋Fe3C

d等温淬火B下＋Fe3C

e正火S＋Fe3C

f完全退火P＋Fe3C

g等温退火P＋Fe3C

6-2为改善可加工性，确定下列钢件的预备热处理方法，并指出所得到的组织：

（1）20钢钢板。

（2）T8钢锯条。

（3）具有片状渗碳体的T12钢钢坯。

答:

（1）20钢钢板：

正火S+F；

（2）T8钢锯条：

球化退火球状P；

（3）具有片状渗碳体的T12钢钢坯:

球化退火球状P＋Cm

6-3将同一棒料上切割下来的4块45钢试样，同时加热到850℃，然后分别在水、油、炉、空气中冷却，说明：

各是何种热处理工艺?

各获得什么组织?

排列一下硬度的大小顺序。

答：

（1）水冷：

淬火M

（2）油冷：

淬火M+T

（3）炉冷：

退火P+F

（4）空冷：

正火S+F

硬度顺序：

（1）＞

（2）＞（4）＞（3）

6-4仓库中有45钢、38CrMoAlA钢和20CrMnTi钢，它们都可以用来制造齿轮，为了满足齿轮的使用要求，问各应进行何种热处理?

并比较它们经热处理后在组织和性能上的不同。

答:

（1）45钢：

先调质，感应加热表面淬火＋低温回火

组织：

表层M回,心部S回

（2）38CrMoAlA：

先调质，后氮化

组织：

表层氮化组织，心部S回

（3）20CrMnTi：

渗碳，淬火＋低温回火

组织：

M回＋少量AR,心部F＋P

6-5某一用45钢制的零件，其加工路线如下：

备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→高频感应加热淬火+低温回火→磨削，请说明各热处理工序的目的及热处理后的组织。

答：

正火目的:

消除锻造应力,改善切削加工性,同时均匀组织,细化晶粒,为后续热处理作组织准备。

组织:

晶粒均匀细小的F和S。

调质目的:

提高塑性、韧性,使零件获得较好的综合力学性能。

组织:

S回。

高频感应加热淬火目的:

提高工件表面的硬度和耐磨性,而心部仍保持良好的塑性和韧性。

低温回火目的:

降低内应力和脆性。

表层组织:

M回，心部组织：

S回。

6-6淬硬性和淬透性有什么不同?

决定淬硬性和淬透性的因素是什么?

试比较T8钢和20CrMnTi钢的淬硬性和淬透性。

6-7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（50—55HRC），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度，心部有较高的综合力学性能，材料选用38CrMoAlA；

（4）M12丝锥，要求刃部硬度为60—62HRC，柄部硬度为30—40HBC，材料选用T12A。

答:

⑴45钢机床变速箱齿轮:

下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→超音频感应加热淬火+低温回火→精磨→成品；

⑵45钢机床主轴:

下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火+低温回火→精磨→成品；

⑶38CrMoAlA镗床镗杆:

下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→氮化→研磨→成品；

⑷T12A丝锥:

锻造→球化退火→机加工→淬火＋低温回火→柄部盐浴加热快速退火→精加工。

6-8用同一钢种制造尺寸不同的两个零件，试问；

（1）它们的淬透性是否相同？

为什么？

（2）采用相同的淬火工艺，两个零件的淬硬深度是否相同?

为什么?

6-9为什么高频表面淬火零件的表层硬度、耐磨性及疲劳强度均高于一般淬火？

6-10（自选）分别比较45钢、T12钢经不同热处理后硬度值的高低，并说明其原因。

（1）45钢加热到700℃后，投入水中快冷；

（2）45钢加热到750℃后，投入水中快冷；

（3）45钢加热到840℃后，投入水中快冷。

（4）T12钢加热到700℃后，投入水中快冷；

（5）T12钢加热到750℃后，投入水中快冷；

（6）T12钢加热到900℃后，投入水中快冷。

6-11指出下列钢件正火的主要目的及正火后的组织：

（1）20钢齿轮

（2）45钢小轴（3）T12钢锉刀

答：

（1）20钢是低碳钢，低碳钢退火硬度太低，正火能提高硬度，改善切削性能，提高生产率。

低碳钢板正火可防止三次渗碳体析出，改善冷冲压性能。

正火后的组织是P+F。

（2）45钢是中碳钢，退火和正火均能改善组织和切削加工性能，但正火周期短，节约能源，在提高强度、硬度的同时塑性和韧性也不降低。

正火后的组织是P+F。

（3）T12钢为高碳钢正火是为了消除网状二次渗碳体。

正火后的组织是P+Fe3C。

高碳钢采用退火改善切削加工性能。

6-12（自选）现有20、45、T8、T12钢的试样一批，分别加热到780℃、840℃、920℃后各得到什么组织?

然后在水中淬火后又各得到什么组织?

淬火马氏体中含碳量各是多少?

这四种钢最合适的淬火温度分别应是什么温度？

一）45钢（假设供货态为正火）

1）600C淬火：

珠光体，22－28HRC

2）760C淬火：

未溶铁素体＋马氏体，55HRC左右

3）840C淬火：

马氏体，60HRC左右

二）T8钢（假设供货态为退火）

1）600C淬火：

球状珠光体，22-28HRC

2）760C淬火：

未溶碳化物＋马氏体63-65HRC

3）840C淬火：

未溶碳化物＋马氏体＋残余奥氏体，61-64HRC

6-13T8钢的过冷奥氏体等温转变曲线如附图所示，若该钢在620℃进行等温转变，并经不同时间保温后，按图示的1、2、3、4线的冷却速度冷至室温，问各获得什么组织?

然后再进行中温回火，又各获得什么组织?

6-14为什么钢件淬火后一般不直接使用，需要及时回火?

6-15确定下列钢件的退火方法，并指出退火目的及退火后的组织：

①经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度；

②ZG270—500（ZG35）的铸造齿轮；

③改善T12钢的切削加工性能。

答：

（1）再结晶退火,目的：

细化晶粒，均匀组织，使变形晶粒重新转变为等轴晶粒，以消除加工硬化现象，降低了硬度，消除内应力。

得到P+F（P为等轴晶）；   

（2）去应力退火,目的：

消除（铸造）内应力。

得到P+F；

（3）球化退火,目的：

使片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。

得到颗粒状P+Fe3C。

6-16说明直径为6mm的45钢退火试样分别经下列温度加热：

700℃、760℃、840℃、1100℃，保温后在水中冷却得到的室温组织。

6-17两个碳质量分数为1.2％的碳钢薄试样，分别加热到780℃和900℃，保温相同时间奥氏体化后，水冷。

试分析：

①哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大?

②哪个温度加热淬火后马氏体中碳质量分数较少?

③哪个温度加热淬火后残留奥氏体量较多?

④哪个温度加热淬火后未溶渗碳体量较多?

⑤哪个温度加热淬火合适?

答:

（1）900℃

（2）780℃

（3）900℃（4）780℃

（5）780℃，综上所述此温度淬火后得到均匀细小的M+颗粒状Cm+AR的混合组织，使钢具有最大的硬度和耐磨性。

6-18用T10钢制造形状简单的车刀，其工艺路线为：

锻造→热处理→机加工→热处理→磨加工

①写出其中热处理工序的名称及作用。

②指出车刀在使用状态下的显微组织和大致硬度。

答：

（1）球化退火

作用：

利于切削加工，得到球状珠光体，均匀组织，细化晶粒，为后面淬火处理作组织准备。

淬火＋低温回火作用：

使零件获得较高的硬度、耐磨性和韧性，消除淬火内应力，稳定组织和尺寸。

（2）工艺规范：

760℃水淬＋200℃回火；显微组织：

M回+Cm，大致硬度：

58~64HRC。

6-19选择题

1.亚共析钢的正火加热温度（B）。

A．Acl+（30～50）℃B．Ac3+（30～50）℃C．Ar1+（30～50）℃

D．Ar3+（30～50）℃

2．过共析钢的淬火加热温度（A）

A．Acl+（30～50）℃B．Ac3+（30～50）℃C．Ar1+（30～50）℃

D．Ar3+（30～50）℃

3．过共析钢正火的目的是（C）。

A．调整硬度，改善切削加工性B．细化晶粒，为淬火作组织准备

C．消除网状二次渗碳体D．防止淬火变形与开裂

4．影响淬火后残留奥氏体量的主要因素是（B）。

A．奥氏体的含碳量B．钢材本身含碳量

C．加热速度D．加热保温时间

5．钢的渗碳温度范围是（C）。

A．600～650℃B．800～850℃

C．900~950℃D．1000～1050℃

6-20判断题

1.亚共析钢加热至Acl和Ac3之间将获得奥氏体+铁素体两相组织，奥氏体的含碳量总是大于钢的含碳量。

（√）

2．本质