机械工程材料作业答案

第一章材料的结构与金属的结晶

1．解释下列名词：

变质处理P28；细晶强化P14；固溶强化P17。

5．为什么单晶体具有各向异性P12，而多晶体在一般情况下不显示各向异性P13？

答：因为单晶体内部的原子都按同一规律同一位向排列，即晶格位向完全一致。

而在多晶体的金属中，每个晶粒相当于一个单晶体，具有各项异性，但各个晶粒在整块金属中的空间位向是任意的，整个晶体各个方向上的性能则是大量位向各不相同的晶粒性能的均值。

6．在实际金属中存在哪几种晶体缺陷P13？它们对力学性能有何影响P14？

答：点缺陷、线缺陷、面缺陷。

缺陷的存在对金属的力学性能、物理性能和化学性能以及塑性变形、扩散、相变等许多过程都有重要影响。

7．金属结晶的基本规律是什么P25？铸造(或工业)生产中采用哪些措施细化晶粒？举例说明。P27~P28 答：金属结晶过程是个形核、长大的过程。

（1）增大过冷度。降低金属液的浇筑温度、采用金属模、水冷模、连续浇筑等。

（2）变质处理。向铝合金中加入钛、锆、硼；在铸铁液中加入硅钙合金等。

（3）振动和搅拌。如机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。

第二章金属的塑性变形与再结晶

1．解释下列名词：

加工硬化P40；再结晶P43；纤维组织P38。

2．指出下列名词的主要区别：重结晶、再结晶P43

答：再结晶转变前后的晶格类型没有发生变化，故称为再结晶；

而重结晶时晶格类型发生了变化。

另外，再结晶是对冷塑性变形的金属而言，只有经过冷塑性变形的金属才会发生再结晶，没有经过冷塑性变形的金属不存在再结晶的问题。

5．为什么常温下晶粒越细小，不仅强度、硬度越高，而且塑性、韧性也越好？P38

答：晶粒愈细，单位体积内晶粒数就愈多，变形是同样的变形量可分散到更多的晶粒中发生，以产生比较均匀的变形，这样因局部应力集中而引起材料开裂的几率较小，使材料在断裂前就有可能承受较大的塑性变形，得到较大的伸长率和具有较高的冲击载荷抗力。

6．用冷拔铜丝制作导线，冷拔后应如何处理？为什么？P42

答：应该利用回复过程对冷拔铜丝进行低温退火。

因为在回复阶段，变形金属的显微组织没有明显变化，纤维状外形的晶粒仍存在，故金属的强度、硬度和塑性韧性等力学性能变化不大，某些物理、化学性能恢复，如电阻降低、抗应力腐蚀性能提高等，同时残留应力显著降低。7．已知金属W、Fe、Cu、铅Pb的熔点分别为3380℃、1538℃、1083℃、327℃，试估算这些金属的再结晶温度P43。

T再≈0.4T熔

9．用一冷拉钢丝绳(新的、无疵点)吊装一件大型工件入炉，并随工件一起被拉到1000℃，保温后再次吊装工件时，钢丝绳发生断裂，试分析原因。P44

答：退火温度太高，再结晶速度太快，再结晶后的晶粒粗大。铜丝的塑性韧性，强度硬度都降低。

10．说明Zn、α-Fe和Cu的塑性不同的原因P35

答：晶体中滑移系越多，金属发生滑移的可能性就越大，塑性就越好。面心立方晶格和体心立方晶格的滑移系数目均为12，但面心立方晶格每个滑移面上有3个滑移方向，体心立方晶格每个滑移面上有2个，故体心立方晶格金属Fe的塑性要比面心立方晶格金属Cu的差。密排六方晶格金属Zn滑移系只有3个，其塑性就更差。

15．金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒？为什么？P43

答：不能。再结晶是对冷塑性变形的金属而言，只有经过冷塑性变形的金属才会发生再结晶，没有经过冷塑性变形的金属不存在再结晶的问题。

17．经过冷拉拔工艺生产的铜导线，在用作架空导线(要求一定的强度)和电灯花导线(要求较软)时，应分别采用什么样的最终热处理工艺？P42

答：用作架空导线时应利用回复过程对冷变形铜导线进行低温退火，使其在保持加工硬化的条件下，降低其内应力和改善某些物理化学性能。

用作电灯花导线时，应进行再结晶处理，使加工硬化现象得到消除，变形储存能充分释放，强度硬度显著降低，塑性韧性明显提高。

外1．加工硬化在生产中的利弊有哪些？

答：利（1）强化金属主要手段之一。

（2）提高材料使用的安全性。

（3）降低金属的塑性，提高金属的切削加工性。

弊（1）使进一步塑性变形困难。

（2）产生残余应力，可能使加工好的工件变形开裂或应力腐蚀。

第四章二元合金相图

1．解释下列名词：

相图P77 ；晶内偏析P82。

2．试述固溶强化P17、加工硬化P40与弥散强化P92的强化原理，并说明三者的区别。

答：固溶强化是通过融入某种溶质元素形成固溶体而使金属强度硬度提高的现象。

加工硬化是金属材料经冷塑性变形后，其强度与硬度随变形程度的增加而提高，而塑性韧性则很快降低的现象。

弥散强化是由过饱和固溶体析出弥散的强化相来强化合金的方法。

区别：固溶强化是融入溶质元素，加工硬化是把金属进行冷塑性变形，弥散强化是从固溶体中析出次生相。

3．有尺寸和形状完全相同两个Ni-Cu合金铸件，一个含Ni10%，另一个含Ni50%，铸后缓冷，问固态铸件中哪个偏析严重？

为什么P93？怎样消除偏析P82？

答：含10%Ni合金铸件偏析比较严重。有铜镍相图可知，10%Ni合金的结晶温度区间范围大于50%Ni合金，50%Ni 合金结晶温度高。因此，在铸件自然冷却过程中，结晶温度范围大的合金，成分变化大，结晶温度低的，偏析严重。

一般采用扩散退火或均匀化退火处理来消除偏析。

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？用于压力加工的合金选用何种成分的合金为好？P93答：因为共晶成份的合金结晶的成分间隔与温度间隔较小，结晶的成分间隔与温度间隔越小，合金的铸造性能就越好。

压力加工性能好的合金通常是单相固溶体，因为它强度较低，塑性好，变形均匀且不易开裂。而由两相混合物组成的合金，由于两项的强度和塑性不同，变形大时两相的界面易开裂，特别是组织中存在较多的脆性化合物时，压力加工性能更差。

6．合金的工艺性能与相图的关系有哪些？P93~P94、P111

答：1，合理的确定温度

2，可推测合金的铸造性能

3，指导加压力加工工艺范围

4，热处理工艺：①各热处理加工都要参考合金相图选择。

②可了解合金热处理可能性。

第五章铁碳合金

4．计算碳含量为ωC0.20%的碳钢在室温时珠光体和铁素体的相对量。P79P109

6．已知珠光体的硬度=180HBS，δ=20%，铁素体的硬度=80HBS，δ=50%，试计算含碳

量为ωC0.45%碳钢的硬度和伸长率。P92

7．一块低碳钢，一块白口铁，它们的形状、大小一样，请说出有哪些简便的方法能把它们区分开来。P110 答：（1）互相刻画，哪快金属上留下明显的画痕就说明哪块是低碳钢，则另一块就是白口铁。

（2）用锤子砸，变形量大的就是低碳钢，变形量小的就是白口铁。

9．从流动性、收缩性和偏析倾向考虑，哪种成分的铁碳合金铸造性能最好？试分析碳含量为ωC0.45%的碳钢的铸造性能如何？P111

答：纯铁和共晶成份的铁碳合金其凝固区间为零，故它们的流动性好，分散缩孔少，可使缩孔集中在冒口内，有可能得到致密的铸件。另外，共晶成份合金结晶温度较低，流动性也较好，偏析倾向较小。所以共晶成份合金铸造性能最好。

含碳量为Wc0.45％的碳钢作为铸钢的铸造性能并非很好。铸钢的凝固区间较大，因此缩孔就较大，且容易形成分散缩孔，流动性也较差，化学成份偏析严重。

10．“高碳钢的质量比低碳钢的好”，这种说法对吗？碳钢的质量好坏主要按照什么标准确定？P113、P114 答：不对。碳钢的质量好坏主要是根据钢中所含有害杂质S,P元素的多少来分类。

含S量高时，易使钢产生“热脆”现象。含P量高时，易使钢产生“冷脆”现象。

11．说明下列材料牌号的含义：Q235P115、45P116、T8A P117。

答：Q235：其屈服点值Reh为235Mpa

45：钢号为45

T8A：平均碳含量为Wc0.80％的高级优质碳素钢。

外1．从仓库找出一根积压的钢材，经金相分析后发现其组织为珠光体加铁素体，其中铁素体占80%，问此钢材的含碳量大约是多少?法一P109；法二P79。

第六章钢的热处理

1．解释下列名词：

冷处理P136；调质处理P149；钢的淬硬性P151。

6．将Ф5mm的共析碳钢加热至760℃，保温足够长时间，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，注明热处理工艺名称和所得组织。P138~P139

8．某钢的等温转变曲线如右图所示，试说明该钢在300℃，经不同时间等温

后按(a)、(b)、(c)线冷却后得到的组织。P137

答：a线冷却后得到亚共析钢

b线冷却后得到共析钢

c线冷却后得到过共析钢

9．说明45钢试样(Ф10mm)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℃。P143

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Ac1～Ac3之间，因此组织为铁素体，马氏体和少

量残余奥氏体。

840℃，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℃，因为它的加热温度过高，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ωC1.2%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υk的冷却速度冷至室温。试问：P143

(1)哪个温度淬火后马氏体晶粒粗大？

860℃淬火温度过高加热时得到的奥氏体粗大，冷却后得到马氏体晶粒粗大。

(2)哪个温度淬火后马氏体含碳量较多？

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性转变，所以冷却后马氏体中含碳量增加

(3)哪个温度淬火后残留奥氏体较多？

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，降低钢的Ms和Mf点，淬火后残留奥氏体多。

(4)哪个温度淬火后未溶碳化物较少？为什么？

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，因此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？

780℃合适，因为含碳量为1.2%的碳钢属于过共析钢，加热温度一般为Ac1+30~50℃，780℃在这个范围内，得到的奥氏体晶粒细，淬火后的组织为细小马氏体，使淬火钢具有高的硬度、耐磨性，也具有较好的韧性。

14．以下说法是否正确？为什么？

(1)过冷奥氏体的冷却速度大于υk时，则冷却速度愈快，冷却后钢的硬度愈高；P151

不正确，当冷却速度达到Vk时，冷却速度再快组织不发生任何变化，钢冷却后的硬度就不在提高。

(2)钢中合金元素越多，则淬火后硬度就越高；P151

答：错。硬度取决于钢的含碳量，和钢的工作尺寸冷却介质相关。

(3)同一钢材在相同加热条件下，水淬比油淬的淬透性好，小件比大件的淬透性好；P152

答：正确。同一钢种，其c曲线是一定的，因此冷却速度快或工件小容易淬成马氏体。

(4)冷速愈快，马氏体转变点Ms、M f愈低；P135

不正确。因为马氏体转变点Ms、Mf的位置与冷却速度无关，而与钢的化学成分有关，尤其是含碳量。

(5)淬火钢回火后的性能主要取决于回火后的冷却速度；P149

不正确。淬火钢回火后的性能主要取决于回火温度。

(6)为了改善碳素工具钢的切削加工性，应采用完全退火。P141

不正确，要改善工具钢的切削加工性应采用球化退火。

(外1)本质细晶粒钢的晶粒总是比本质粗晶粒钢的晶粒细。P128

不正确。温度低于930℃时，本质细晶粒比本质粗晶粒细。但温度高于930℃本质细晶粒钢比本质粗晶粒钢晶粒长大快。15．45钢经调质处理后硬度为240HBS，若再进行200℃回火，能否使其硬度提高？为什么？又45钢经淬火、低温回火后硬度为57HRC，若再进行560℃回火，能否使其硬度降低？为什么？P149

答：1，不能。因为回火温度越高，硬度下降越多，而调质处理就是淬火+高温回火，碳化物已经析出，铁素体回复，硬度不能提高。

2，能。该钢低温回火组织是回马氏体，碳化物还未析出，560℃为高温回火，可以使硬度降低。

外1．淬火后的钢为什么必须经过回火处理才能使用？P147回火的目的是什么？P147

答：因为淬火后淬火内应力很大，组织中有少量残余奥氏体，如不经过回火直接使用，零件在使用中可能在内应力作用下产生变形或开裂，精密零件或密封性零件可能因残余奥氏体发生转变而失去精度。

回火目的：1，降低淬火钢的脆性，减少或消除内应力，防止工件变形或开裂；

2，使不稳定的组织趋于稳定，以稳定工件的形状尺寸精度；

3，获得所要求的组织和性能。

外2．下列钢件应采用什么退火方法，并说明退火的目的。

(1)亚共析钢(ωC=0.35%)铸造齿轮；P142

采用去应力退火。消除铸件内应力，稳定尺寸，减少变形。

(2)锻造后产生过热组织(晶粒粗大)的亚共析钢(ωC=0.6%)锻造毛坯；P141

采用完全退火。获得近似平衡组织，细化晶粒。

(3)具有片状渗碳体的钢坯(ωC=1.2%)。P141

采用球化退火。降低钢的硬度，改善切削加工性能。

第七章合金钢

1．什么叫合金钢？P169按合金元素含量如何分类？P114

答：合金钢是为了提高或改善钢的力学性能、工艺性能或使钢具有某些特殊的物理，化学性能，在冶炼时特意往钢中加入一些合金元素。

（1）低合金钢－－合金元素总含量Wme≦5％

（2）中合金钢－－合金元素总含量Wme＝5％～10％

（3）高合金钢－－合金元素总含量Wme＞10％

2．试分析说明铁素体钢、奥氏体钢、莱氏体钢的形成原因。P126

答：某些合金元素的加入会是奥氏体区缩小，特别是Cr、Si 含量高时将限制奥氏体区，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。

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、A2、Acm 线将至室温一下，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。

大部分合金元素可使Fe-Fe3C 相图中 E 点左移，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。

4．什么叫第一类、第二类回火脆性P149？其产生原因及防止方法如何？P120、P121

答：第一类回火脆性是淬火钢在250~350℃回火时出现的脆性。第二类回火脆性是淬火钢在500~650℃范围内回火后出现的脆性。

第一类回火脆性与沿马氏体析出断续的碳化物薄片有关。为了避免这类脆性，一般不在这个温度内回火。

第二类回火脆性产生的原因是由于回火慢冷时铬、锰等合金元素以及磷、锑、锡等杂质向奥氏体晶界偏聚。防止这类回火脆性的方法，对于截面较小的零件，可自回火温度加速冷却。对于较大截面零件，由于中心部分很难快冷，可在钢中加入适量的钼、钨等合金元素。

6．指出下列合金钢的类别、用途及热处理工艺：

40Cr P176；碳钢，用于结构件。850℃淬火，500℃回火。

60Si2Mn P183；硅锰弹簧钢。可显著提高弹性极限和回火稳定性。用途：＜25mm的机车车辆、拖拉机上的板簧、螺旋弹簧等。喷丸处理，830~880℃淬火，中温回火。

1Cr18Ni9Ti P211。18-8型不锈钢。用于600℃以下的锅炉及汽车轮机的过热器管道及构件。1100~1150℃水淬。

8．为什么硬质合金采用粉末冶金生产？P213YG8、YT30的成分和用途有何不同？P213

答：因为这样可以使硬质合金钢的硬度很高，热硬性好，耐磨性优良。

YG8为含钴8%、含WC94%的钨钴类硬质合金钢。一般用于粗加工或加工表面较粗糙的工件。

YT30表示含TiC30%，其他为WC、Co的钨钴钛类硬质合金。用于细加工工件。

外1．说明高速钢的热处理特点及各阶段的目的。P194~P196

球化退火；退火加热温度为860~880℃持续4小时，740~750℃持续6小时然后炉冷。目的：消除锻造应力，降低硬度。

淬前预热；800~840℃预热，截面尺寸大的工件可进行二次预热。目的：避免骤然加热至淬火温度而产生过大的内应力，甚至使刀具变形或开裂。

淬火；分级淬火。目的：发挥高速钢的强度、硬度、耐磨性、热硬性。

三次回火。回火三次，每次保温一小时。消除残留奥氏体，消除前一次回火产生的内应力。

外2．钢的强化机制有哪些？

答：固溶强化机制、界面强化、弥散强化、析出强化及细晶强化。

第八章铸铁

1．铸铁分为哪几类？其最基本的区别是什么？P219

答：一，按石墨化程度分类

白口铸铁。第一，二，三阶段石墨化过程全部被抑制。碳几乎全部以Fe3C形式存在。

灰口铸铁。第一，二阶段石墨化过程充分进行，碳主要以石墨形式存在，一部分以Fe3C形式存在。

麻口铸铁。第一阶段石墨化过程部分进行，其中一部分碳以石墨存在，一部分以Fe3C存在。

二，按石墨形态分类

灰铸铁。铸铁组织中石墨呈片状。

可锻铸铁。铸铁中石墨呈团絮状。

球墨铸铁。铸铁中石墨成球状。

蠕墨铸铁。铸铁组织中石墨呈短小的蠕虫状。

2．影响石墨化的因素有哪些？是怎样影响的？P217~P218

答：铸铁的化学成分和浇筑时的冷却速度。

化学成分的影响。铸铁中碳和硅的含量越高，石墨化的过程越容易进行，析出的片状石墨就越多。

冷却速度的影响。冷却速度越慢，即过冷度越小，越有利于原子的扩散，对石墨化越有利。

4．在铸铁石墨化的过程中，如果第一阶段、第二阶段都完全石墨化，第三阶段或完全石墨化，或未石墨化，或部分石墨化，问它们各得到什么组织？P217

答：第三阶段完全石墨化得到F＋G。部分石墨化得到F＋P＋G。未石墨化得到P＋G。

5．为什么说球墨铸铁是“以铁代钢”的好材料？其生产工艺如何？P225

答：球墨石墨对基体的削弱和造成应力集中很小，故强度高又有良好的塑性和韧性。弯曲疲劳强度，耐磨性，抗拉强度等都接近于钢。生产工艺上，有优良的铸造性，切削加工性和低的缺口敏感性，成本低，生产方便。

7．试指出下列铸件应采用的铸铁种类和热处理方式，为什么？

(1)机床床身P222；

灰铸铁，采用孕育处理。可以提高灰铸铁的强度，使铸件整个截面上的组织和性能比较均匀一致，断面敏感性小。

(2)柴油机曲轴P227。

球墨铸铁，采用调质处理。可以得到具有良好综合力学性能的铸铁。

第九章非铁(有色)金属及其合金

1．解释下列名词：

固溶处理P232；时效强化P233。

2．铝合金可通过哪些途径达到强化目的？P232~ P234

答：时效强化，细晶强化。

3．铝合金的强化热处理原理和工艺操作与钢的强化处理原理和工艺操作有什么异同？

5．黄铜能否进行时效强化？一般采用何种强化方式？P241

答：不能进行时效强化。一般采用过剩相强化。

7．轴承合金必须具有什么特性？P249其组织有什么要求？P249

答：1，具有良好的减摩性和耐磨性。

2，在工作温度下，应具有足够的抗压强度和疲劳强度。

3，具有良好的磨合性。

4，具有良好的耐腐蚀性，导热性，较小的膨胀系数。

5，有良好的工艺性能，容易制造且价格低廉。