工程材料基础知识 课后习题答案

第一章工程材料基础知识参考答案

1．金属材料的力学性能指标有哪些？各用什么符号表示？它们的物理意义是什么？

答：常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等。

强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的性能。强度常用材料单位面积所能承受载荷的最大能力（即应力σ，单位为Mpa）表示。

塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形（永久变形）而不被破坏的能力。金属塑性常用伸长率δ和断面收缩率ψ来表示：

硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬程度的指标，是一个综合的物理量。常用的硬度指标有布氏硬度（HBS、HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度（HV）。

以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。冲击韧性的常用指标为冲击韧度，用符号αk表示。

疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。疲劳强度用σ–1表示，单位为MPa。

2．对某零件有力学性能要求时，一般可在其设计图上提出硬度技术要求而不是强度或塑性要求，这是为什么？

答：这是由它们的定义、性质和测量方法决定的。硬度是一个表征材料性能的综合性指标，表示材料表面局部区域内抵抗变形和破坏的能力，同时硬度的测量操作简单，不破坏零件，而强度和塑性的测量操作复杂且破坏零件，所以实际生产中，在零件设计图或工艺卡上一般提出硬度技术要求而不提强度或塑性值。

3．比较布氏、洛氏、维氏硬度的测量原理及应用范围。

答：（1）布氏硬度测量原理：采用直径为D的球形压头，以相应的试验力F压入材料的表面，经规定保持时间后卸除试验力，用读数显微镜测量残余压痕平均直径d，用球冠形压痕单位表面积上所受的压力表示硬度值。实际测量可通过测出d值后查表获得硬度值。

布氏硬度测量范围：用于原材料与半成品硬度测量，可用于测量铸铁；非铁金属（有色金属）、硬度较低的钢（如退火、正火、调质处理的钢）

（2）洛氏硬度测量原理：用金刚石圆锥或淬火钢球压头，在试验压力F 的作用下，将压头压入材料表面，保持规定时间后，去除主试验力，保持初始试验力，用残余压痕深度增量计算硬度值，实际测量时，可通过试验机的表盘直接读出洛氏硬度的数值。

常用洛氏硬度的试验条件和应用范围

（3）维氏硬度测量原理：与布氏硬度相似。采用相对面夹角为136o金刚石正四棱锥压头，以规定的试验力F压入材料的表面，保持规定时间后卸除试验力，用正四棱锥压痕单位表面积上所受的平均压力表示硬度值。

维氏硬度应用：可测量较薄的材料和渗碳、渗氮等表面硬化层。

4．晶体和非晶体的本质区别是什么？单晶体为什么具有各向异性？

答：原子呈规则排列的物质称为晶体，晶体具有固定的熔点，呈现规则的外形，并具有各向异性特征；原子呈不规则排列的物质称为非晶体，非晶体没有固定的熔点，具有各向同性的特征。

因为单晶体的物体整个物体就是一个单一结构的巨大晶粒，所以具有各项异性。5．实际晶体存在哪些缺陷？对材料性能有何影响？

答：按缺陷的几何形态，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。

点缺陷是指长、宽、高方向尺寸都很小的缺陷。在晶体中由于点缺陷的存在，使周围原子间的作用力失去平衡，其周围原子向缺陷处靠拢或被撑开，从而导致晶格发生歪扭，这种现象称为晶格畸变。晶格畸变会使金属的强度和硬度提高。

线缺陷是指在一个方向上的尺寸很大，另两个方向上尺寸很小的一种缺陷，主要是指各种类型的位错。位错的存在对金属的力学性能有很大的影响，例如冷变形加工后的金属，由于位错密度的增加，强度明显提高。

面缺陷是指在两个方向上的尺寸很大，第三个方向上的尺寸很小而呈面状的缺陷。面缺陷的主要形式是各种类型的晶界，它是多晶体中晶粒之间的界面。晶界的存在，使晶格处于畸变状态，在常温下对金属塑性变形起阻碍作用。所以，金属的晶粒愈细，则晶界愈多，对塑性变形的阻碍作用愈大，金属的强度、硬度愈高。

6．解释下列名词：固溶体、金属化合物、机械混合物、相、平衡相图。

答：合金由液态转变为固态时，一组元的晶格中溶入另一种或多种其他组元而形成的均匀相称为固溶体。

金属化合物是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，其晶体结构一般比较复杂，而且不同于任一组成元素的晶体类型。

两种或两种以上的相按一定质量百分数组合成的物质称为机械混合物。

在合金中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分称为相。

合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。

7．纯金属结晶与合金结晶有什么异同？

答：相同点：都是金属原子从不规则排列过渡到规则排列的过程。

不同点：1、合金的结晶不一定在恒温下进行；2、合金在不同的温度范围内会存有不同数量的相，且各相的成分有时也会变化；3、同一合金系，因成分不同，其组织也不同，即便是同一成分的合金，其组织也会随温度的不同而发生变化。

8．分析纯金属冷却曲线上出现“过冷现象”和“平台”的原因。说明过冷度对晶粒细化的影响。

答：在实际的生产中，金属右液体结晶为固体时，冷却速度都是相当快的，金属实际的结晶温度T n总是低于理论结晶温度T0，这种现象称为“过冷现象”。

冷却曲线出现平台的原因，是由于金属结晶过程中会释放出结晶潜热，补偿了向外界散失的热量，使温度不随冷却时间的增长而下降，直到金属结晶终了后，温度又重新下降。

增加过冷度，使金属结晶时形成的晶核数目增多，则结晶后获得细晶。可通过提高金属凝固时的冷却速度方法增加过冷度。

9．什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？

答：固溶强化是多种元素形成固溶体，都将破坏原子的规则排列，使晶格发生畸变，晶格畸变导致变形抗力增加，使固溶体的强度增加，所以获得固溶体可提高合金的强度、硬度，这种现象称为固溶强化。

10．晶粒的大小对材料力学性能有哪些影响？用哪些方法可使液态金属结晶时获得细晶粒？

答：金属结晶后的晶粒大小对金属的力学性能影响很大。一般情况下，晶粒愈细小，金属的强度和硬度愈高，塑性和韧性也愈好。工业生产中，为了获得细晶粒组织，常采用以下方法：

（1）增大过冷度增加过冷度，使金属结晶时形成的晶核数目增多，则结晶后获得细晶。可通过提高金属凝固时的冷却速度方法增加过冷度。

（2）进行变质处理变质处理是在浇注前向液态金属中人为地加入少量被称为变质剂的物质，以起到晶核的作用，使结晶时晶核数目增多，从而使晶粒细化。

（3）采用振动处理金属结晶时，对金属液附加机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，使生长中的枝晶破碎，而破碎的枝晶尖端又可起晶核作用，增加了晶核数目，达到细化晶粒的目的。

11．什么叫铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体？试从碳含量、相组成等方面分析其特点。

答：铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用符号F或α表示，体心立方晶格。

奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号A或γ表示，面心立方晶格。

渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物，用化学分子式Fe3C表示，它的碳质量分数w c=6.69%，熔点为1227℃。

铁素体与渗碳体的共析混合物，称为珠光体，用符号P表示。

奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称为莱氏体，用符号Ld表示。

12．什么是匀晶转变、共晶转变？

答：材料从液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。

由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应称为共晶转变，所生成的两相混合物（层片相间）称为共晶体。

13．根据Fe-Fe3C相图分析w c=0.45%和w c=1%的碳素钢从液态缓慢冷却至室温的组织转变过程及室温组织。

略

14．试分析晶内偏析产生的原因。

答：合金在结晶过程中，只有在极其缓慢冷却条件下原子才才具有充分扩散的能力，固相的成分才能沿固相线均匀变化。但在实际生产条件下，冷却速度较快，原子扩散来不及充分进行，导致先后结晶出的固相成分存在差异，这种晶粒内部化学成分不均匀现象称为枝晶偏析。

15．简述碳的质量分数对铁碳合金性能的影响。

答：室温下铁碳合金由铁素体和渗碳体两个相组成。铁素体为软、韧相；渗碳体为硬、脆相。当两者以层片状组成珠光体时，则兼具两者的优点，即珠光体具有较高的硬度、强度和良好的塑性、韧性。随碳的质量分数增加，强度、硬度增加，塑性、韧性降低。当w c大于 1.0%时，由于网状 Fe3CⅡ出现，导致钢的强度下降。为了保证工业用钢具有足够的强度和适宜的塑性、韧性，其w c一般不超过 1.3%～1.4%。w c大于 2.11%的铁碳合金(白口铸铁)，由于其组织中存在大量渗碳体，具有很高硬度，但性脆，难以切削加工，已不能锻造，故除作少数耐磨零件外，很少应用。

16．铁碳合金相图有哪些用处？

答：在钢铁材料选用方面的应用；在铸造工艺方面的应用；在热锻、热轧工艺方面的应用；在热处理工艺方面的应用

17．塑性变形和弹性变形有什么不同？

答：弹性变形是在物体受到外力时,其内部只存在晶格变形而无位移，外力消失后，晶格复位，物体形状也随之复原塑性变形是受外力后，其内部不単有晶格变形而且产生晶格移位，外力消失后,晶格不能复位,物体形状也不能复原。

18．什么叫加工硬化？加工硬化是怎样产生的？加工硬化在生产中有哪些利弊？

答：在冷变形过程中，随着金属材料变形量的逐渐增加，抗拉强度逐渐增大，延伸率明显下降。这种金属的强度和硬度随变形量增大而增加，塑性和韧性下降的现象称之为加工硬化现象，也叫形变强化。

产生加工硬化的根本原因是金属材料在塑性变形时位错密度不断增加。金属的塑性变形主要是通过位错运动来实现的，如果位错运动受阻，金属的塑性变形就难以进行。随着塑性变形的进行，位错在运动时可通过各种机制发生增殖使位错密度不断增加，各种位错在运动中会频繁相遇，位错间相互作用加剧，出现位错纠结等现象，使位错的运动阻力增大，要使位错持续不断运动，即塑性变形不断进行，就必须增大外力，从而引起塑性变形抗力增加；而塑性变形抗力的增加，有进一步加剧位错运动的阻力，使位错在晶体中发生塞积，这又造成位错密度的增加加快。这样，金属的塑性变形就变得愈发困难，继续变形就必须增大外力，因此提高了金属的强度。

金属的加工硬化现象，对金属材料的使用有非常重要的实际意义。首先，它是提高金属强度的重要方法，尤其那些不能用热处理强化的材料，加工硬化更为重要，如纯金属、某些铜合金等。其次，加工硬化现象的存在有利于金属塑性变形加工的变形均匀性。

但是，加工硬化在工业生产中也有不利的方面。由于金属材料塑性的降低，给其进一步冷塑变形带来了困难，进一步变形需要更大的动力。有时由于塑性过低，机械变形会导致金属开裂。为了消除加工硬化现象，需要进行再结晶退火处理。

19．形变内应力使由哪些方面造成的？试举例说明内应力的有利和有害之处。

答：经过塑性变形，外力对金属所做的功，约90%以上在使金属变形的过程中变成了热，使金属的温度升高，随后散掉；部分功转化为内应力残留于金属中，使金属的内能增加。残余的内应力就是指平衡于金属内部的应力，它主要是金属在外力的作用下所产生的内部变形不均匀而引起的。根据残余的内应力的作用范围分为三类。

第一类内应力，又称宏观内应力。它是由于金属材料各部分变形不均匀而造成的宏观范围内的残余应力。它是整个物体范围内处于平衡的力，当除去它的一部分后，这种力的平衡就会遭到破坏，会立即产生变形。

第二类内应力，又称微观残余应力。它是平衡于晶粒之间的内应力或亚晶粒之间的内应力。是由于晶粒之间的内应力或亚晶粒之间变形不均匀引起的。此应力在某些局部地区可达到很大数值，致使工件在不大的外力下产生裂纹，并导致断裂。

第三类内应力，又称点阵畸变、晶格畸变。其作用范围很小，只是在晶界、滑移面等附近不多的原子群范围内维持平衡。他是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。变形金属中储存能的绝大部分（80%～90%）用于形成点阵畸变。这部分能量提高了变形晶体的能量，使之处于热力学不稳定状态，故它有一种使变形金属重新回复到自由焓最低的稳定结构状态的自发趋势，并导致塑性变形金属在加热时的回复及再结晶。第三类内应力使金属的硬度、强度升高，而塑性和韧性及耐磨性能下降。

第一、二类内应力虽然占的比例不大，但是在一般情况下都会降低材料的性能，而且还会因应力松弛或重新分布而引起材料的变形。是有害的内应力。

另外，内应力的存在，尤其是拉应力的存在，还会降低材料的抗腐蚀，即所谓的应力腐蚀。主要表现在处于应力状态的金属腐蚀速度快。变形的钢丝易生锈就是此理。所以金属在塑性变形后通常要进行退火处理，以消除或降低这些残余应力。

第二章金属材料的强化与处理习题

1.热处理的目的是什么？

答：钢的热处理是钢在固体范围内，通过加热、保温和冷却来改变钢的内部组织结构，从而改善钢的性能的一种工艺。热处理的目的是改善钢的工艺性能和使用性能。

2.退火的主要目的是什么？常用的退火方法有哪些？

答：退火的主要目的是：细化晶粒，改善钢的力学性能；降低硬度，提高塑性，以便进一步切削加工；去除或改善前一道工序造成的组织缺陷或内应力，防止工件的变形和开裂。

常用的退火方法有：完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火、去应力退火等。

3．回火的目的是什么？常用的回火方法有哪些？

答：回火的目的是：

①消除淬火时产生的残余内应力；

②提高材料的塑性和韧性，获得良好的综合力学性能；③稳定组织和工件尺寸。

常用的回火方法有以下三种：（1）低温回火（250℃以下）

组织：回火组织为回火马氏体。

性能：基本上保持了淬火后的高硬度（一般为58～64 HRC）和高耐磨性。应用：主要用于高碳工具钢、模具、滚动轴承、渗碳、表面淬火的零件及低碳马氏体钢和中碳低合金超高强度钢。

（2）中温回火（350～500 ℃）

组织：回火组织为回火屈氏体。

性能：回火屈氏体的硬度一般为35～45 HRC，具有较高的弹性极限和屈服极限。它们的屈强比（σs／σb）较高，一般能达到0．7以上，同时也具有一定的韧性。应用：主要用于各种弹性元件。

（3）高温回火（500～650℃）

组织：回火组织为回火索氏体。

性能：其综合力学性能优良，在保持较高强度的同时，具有良好的塑性和韧性。硬度一般为25～35 HRC。

应用：广泛用于综合力学性能要求高的各种机械零件，例如轴、齿轮坯、连杆、高强度螺栓等。

4.过冷奥氏体在不同的温度等温转变时，可得到哪些转变产物？它们的组织和性能是什么？

5.什么叫渗碳和渗氮？经渗碳和渗氮工艺以后的钢具有什么特点？

答：渗碳是向钢的表层渗入碳原子的过程，即把零件置于渗碳介质中加热至900?C ~950?C保温，使钢件表层增碳。渗氮又称氮化，是向钢的表层渗入氮原子的过程。

钢经渗碳和渗氮后，表层具有较高的强度、硬度、耐磨性和抗疲劳性。

6.说明共析钢C 曲线各个区、各条线的物理意义，并指出影响C 曲线形状和位置的主要因素。

答：两条C字形曲线，左边一条是组织转变开始线，右边一条是组织转变终了线。Ms ——M 转变开始温度线，Mf——M 转变终了温度线。

7．试比较共析钢过冷奥氏体等温转变曲线和连续转变曲线的异同点。

答：与等温转变曲线相比：(1）连续冷却转变曲线向右下方向移动，说明转变开始和转变终了温度低一些，时间更长一些；(2）连续冷却获得的珠光体组织是在一个温度范围内形成的，所以粗细不均，较高温度下形成的粗些；(3）没有贝氏体转变，珠光体转变在kk’中止。

8.淬火钢采用低温、中温和高温回火各获得什么组织？其主要应用在什么场合？

答：（1）低温回火得到的组织是回火马氏体。内应力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。这种回火主要应用于高碳钢或高碳合金钢制造的工、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般为58-64HRC。

（2）中温回火后的组织为回火屈氏体，硬度35-45HRC，具有一定的韧性和高的弹性极限及屈服极限。这种回火主要应用于含碳0.5-0.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。

（3）高温回火后的组织为回火索氏体，其硬度25-35HRC，具有适当的强度和足够的塑性和韧性。这种回火主要应用于含碳0.3-0.5% 的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件，如轴、连杆、螺栓等。

9.何谓球化退火？为什么过共析钢必须采用球化退火而不采用完全退火？

答：（1）将钢件加热到Ac1以上20～40℃，保温一定时间后随炉缓慢冷却至500℃后再出炉空冷。

（2）过共析钢不能采用完全退火，因为加热温度超过A ccm后，过共析钢的组织为单一的奥氏体，如果随后再缓慢地冷却，将得到层片状珠光体+网状二次渗碳体，不仅硬度高，难以切削加工，而且钢的脆性大，容易产生淬火变形及开裂。通过球化退火，使层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，并为随后的淬火做好组织准备。

10.用45钢制造主轴，其加工工艺的路线为：下料——锻造——退火——粗加工——调质处理，试问：（1）调质处理的作用。（2）调质处理加热温度范围。

答：（1）调质处理的作用：获得回火索氏体，使主轴具有良好的综合力学性能，满足使用要求。（2）调质处理加热温度范围：淬火：840±10℃，高温回火：580-640℃

第三章常用金属材料参考答案

1.答：特点：1）比重小、比强度高2）有优良的物理、化学性能3）加工性能良好分类：铸造铝合金和加工变形铝合金两类。

铸造合金铸造性能好，压力加工性能差，且在实际使用中还要求铸件具有足够的力学性能，因此，铸造合金的成分并不完全都是共晶合金，只是合金元素的含量比变形铝合金高一些。

变形铝合金是经熔炼注成铸锭后，再经热挤压加工形成各种型材、棒材、管材和板材。因此，要求合金具备优良的冷、热加工工艺性能，组织中不允许有过多的脆性第二相。

2 答：固溶热处理温度低；固溶热处理时间短；淬特性良好；常温时效良好。

1）操作需迅速→迟了机械性质、耐力、伸度会劣化，组织不均匀也会降低耐蚀性越薄→越快；2）淬火材料要够；3）充分退火

3 答：特性：1）优异的物理、化学性能；2）良好的加工性能；3）某些特殊机械性能：4）色泽美观。

分类：1）黄铜，2）青铜；

强化：1）晶粒细化强化，固溶强化。

4 答：Al-Si 铸造铝合金；铸造后几乎全部得到共晶体组织(α+Si)；细化合金组织, 提高合金的强度及塑性。

5 答：未变质处理的ZL102铸态组织为粗大针状Si+共晶体(Si+α)；变质处理后ZL102的铸态组织为细小共晶体(Si+α)+a；H62退火状态组织为α+β双相组织；锡基巴氏合金ZChSnSb11-6铸态的组织是α+β'+Cu6Sn5。

6 答：工作条件：轴承合金应具有足够的抗压强度和疲劳强度，良好的减磨性、磨合性、镶嵌性。

必备的性能1）足够的强度和硬度；2）高的耐磨性和小的摩擦系数；3）足够的塑性和韧性，较高的抗疲劳强度；4）良好的耐热性及耐蚀性；5）良好的磨合性。

7 答：4%Cu的Al-Cu合金固溶处理是将合金加热到单相a组织，加热时无相相变发生，然后快冷(水冷)，目的是为了将高温时的单相组织保留到室温，冷却时也无相变发生；而45钢的淬火是将45钢加热到840℃左右，获得单相A组织，加热时发生了相变，然后快冷(水冷)，目的是为了获得马氏体组织，冷却时也发生了相变。两者的工艺过程相同，但目的和实质不同。

8答：

第四章非金属材料及其成型参考答案

1.答：良好的异物埋没性和就范性，在有磨粒或杂质存在的恶劣条件下工作的零件，如齿轮，偶遇坚硬杂质时，会因塑料的异物埋没性和就范性而将杂质埋没在齿轮内或发生适当形变而继续运转，不会像钢齿轮那样发生咬死或刮伤现象。

答：1）由于工况条件过于苛刻和橡胶弹性体与工作介质不相容引起橡胶硬度增加，或者弹性体的硬度太高；2）密封介质使橡胶溶胀，降低了橡胶的硬度，由此使油封过早的老化和磨损。

答：1）丁苯橡胶（SBR）；2）聚异戊二烯橡胶（PR）；3）丁基橡胶（IIR）；4）聚丁二烯橡胶（BR）；5）乙丙橡胶（EPM）；6）氯丁橡胶（CR）；7）丁腈橡胶（NBR）。

答：挤出成型设备的组成：1）主机：挤压系统（螺杆和机筒）、传动系统（传动马达、变速箱）、加热冷却系统（电加热、水冷、风冷）。

2）辅机：机头（口模）、定型、冷却、牵引、切割、堆放或卷取装置。

3）控制系统：主要由电器仪表和执行机构组成，其主要作用是：控制主、辅机的驱动电机，使其按操作要求的转速和功率运转，并保证主、辅机协调运行；控制主、辅机的温度、压力、流量和制品的质量；实现整个机组的自动控制

5.答：需要使用常温固化剂。

6.答：料浆需具备流动性好、稳定性好、触变性小、含水量少、渗透性好、脱模性好和尽量不含气泡等性能。

7.答：树脂传递塑模成型；RTM成型工艺的特点是RTM为闭模操作，不污染环境；成型效率高；可以制造两面光的制品；增强材料可以按设计进行铺放；原材料及能源消耗少；投资少。

第五章铸造参考答案

1、零件、模样、铸件各有什么异同之处？

答（1）形状不同点：模样和铸件、零件形状相同，不同的是零件没有浇口、冒口；（2）尺寸不同点模样尺寸大于铸件，因为铸件有收缩量；铸件尺寸大于零件，因为铸件有加工余量，零件为加工完毕尺寸。

2、铸造过程中，影响铸造性能的主要因素是什么？

答（1）合金的流动性：合金的种类；合金的化学成分；杂质含量

（2）浇注条件：浇注温度；充型压力

（3）铸型条件：铸型材料；铸型温度；铸型中的气体

（4）铸件结构

3、常见铸造缺陷有哪些？

答（1）气孔。形成原因：①液体金属浇铸造中，冒口和冷铁的作用是什么？

注时被卷入的气体在合金液凝固后以气孔的形式存在于铸件中②金属与铸型反应后在铸件表皮下生成的皮下气孔③合金液中的夹渣或氧化皮上附着的气体被混入合金液后形成气孔。（2）疏松。形成原因:①合金液除气不干净形成疏松②最后凝固部位不缩不足③铸型局部过热、水分过多、排气不良

（3）夹杂。形成原因：①外来物混入液体合金并浇注人铸型②精炼效果不良③铸型内腔表面的外来物或造型材料剥落

（4）夹渣。形成原因：①精炼变质处理后除渣不干净②精炼变质后静置时间不够③浇注系统不合理，二次氧化皮卷入合金液中；精炼后合金液搅动或被污染

（5）裂纹。形成原因：①铸件各部分冷却不均匀②铸件凝固和冷却过程受到外界阻力而不能自由收缩，内应力超过合金强度而产生裂纹

（6）偏析。形成原因：合金凝固时析出相与液相所含溶质浓度不同，多数情况液相溶质富集而又来不及扩散而使先后凝固部分的化学成分不均匀

（7）成分超差。形成原因：①中间合金或预制合金成分不均匀或成分分析误差过大②炉料计算或配料称量错误③熔炼操作失当，易氧化元素烧损过大；熔炼搅拌不均匀、易偏析元素分布不均匀

（8）针孔。形成原因：合金在液体状态下溶解的气体（主要为氢），在合金凝固过程中自合金中析出而形成的均布形成的孔洞

4、铸造中，冒口和冷铁的作用是什么？

答：冒口的作用是补充铸件中液态金属凝固时因收缩所需的金属液，还兼有排气、浮渣的作用。为保证补缩效果，冒口一般设在铸件的上部和厚大部分的上方。

冷铁也是为了保证铸件质量而增设的，其主要作用是加快铸件某些部位的冷却速度，以控制铸件的凝固顺序，其本身并不像冒口具有补缩作用。

5、确定浇注位置和分型面的各自出发点是什么?

答：确定浇注位置应遵循以下原则：

（1）铸件的主要工作面和重要面应朝下或置于侧壁；

（2）铸件宽大平面应朝下，否则易造成夹砂结疤缺陷；

（3）面积较大的薄壁部分应置于铸型下部或垂直、倾斜位置，以免出现浇不到、冷隔等缺陷；

（4）形成缩孔的铸件，应将截面较厚的部分置于上部或侧面，便于安置浇冒口以进行补缩；（5）应尽量减少型芯的数量，且型芯要便于安放、固定和排气。

分型面是指分开铸型便于取模的结合面。分型面的选择原则如下：

（1）分型面应尽量平直；

（2）尽量减少分型面，机器造型只能有一个分型面；

（3）尽量使铸件重要加工面或大部分加工面、加工基准面置于同一砂箱，可减少错箱、毛刺，提高铸件精度；

（4）使型腔和主要型芯位于下箱，以便于下芯、合箱和检查型腔尺寸。

第六章金属压力加工答案

1.金属压力加工的方法有哪些？

答：轧制、挤压、拉拔、自由锻、模锻、板料冲压。

2.影响锻压性能的主要因素是什么？

答：影响金属锻压性能的主要因素是金属的本质和变形条件。

（1）金属本质的影响：化学成分；金属组织

（2）变形条件的影响：变形温度；变形速度；应力状态

3.自由锻中，基本工序主要有哪些？各工序的主要特点是什么？

答：自由锻工序分为基本工序、辅助工序和精整工序。基本工序是指能够大幅度地改变坯料形状和尺寸的工序，主要有镦粗、拔长、冲孔、弯曲等工序。

1）镦粗是指使坯料高度减小而横截面增大的成形工序。

2）拔长拔长也称延伸，它是使坯料横截面积减小而长度增加的锻造工序。

3）冲孔是指采用冲子将坯料冲出透孔或盲孔的锻造工序。

4）扩孔为减小空心坯料壁厚而增加其内外径的锻造工序，用以锻造各种圆环锻件。

5）弯曲是将坯料弯成所规定外形的锻造工序，用以锻造各种弯曲类锻件。

6）错移是将坯料的一部分相对另一部分相互平行错移的锻造工序。

4.什么是胎模锻？胎模锻的种类有哪些？

答：胎模锻是指在自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件的一种锻造方法。锻造时胎模置于自由锻设备的下砧上，用工具夹持进行锻打。胎模的种类较多，主要有扣模、筒模及合模三种。

5.什么是板料冲压？板料冲压的特点及基本工序有哪些？

答：板料冲压是利用冲模，使板料产生分离或变形的加工方法。因多数情况下板料无须加热，故称冷冲压，又简称冷冲或冲压。

板料冲压有如下优点：

1）冲压件结构轻巧、强度和刚度较高。

2）尺寸精度高、表面质量好，互换性好，质量稳定，一般不需要切削加工即可直接使用。

3）可以冲出形状复杂的零件，废料少，材料利用率高。

4）冲压操作简单，生产率高，工艺过程便于实现自动化和机械化。

5）冲压件的尺寸从一毫米至几米，质量从一克至几十千克。

冲压生产的基本工序可分为分离工序和变形工序两大类。

第七章焊接参考答案

1．焊接的种类有哪些？

答：焊接是指通过加热或加压，或者二者并用，使被焊材料达到原子间的结合，从而形成永久性连接的工艺。焊接的种类很多，按焊接过程的特点，可分为三大类，即熔焊、压焊和钎焊。

2.焊接接头的组成是什么？

答：用焊接方法连接的接头称为焊接接头，简称接头。它由焊缝、熔合区和热影响区组成。3．焊芯的作用是什么？其化学成分有何特点？

答：焊芯主要有两个方面的作用：一是作为电极传导电流，维持电弧燃烧；二是本身熔化，作为填充金属与母材形成焊缝。一般来说，焊芯中要严格控制碳、硅、硫和磷等的含量。与

母材基本等强度时，含碳量越少越好，焊芯含碳量的增高会增大气孔、裂纹和飞溅的倾向，使焊接过程不稳定，焊芯的含碳量应低于0.10％。硅在焊接过程中极易氧化形成SiO2而使焊缝中含有较多的夹杂物，严重时会引起热裂纹。硫、磷等有害元素，可引起裂纹，对它们的含量应严格控制。

4．什么是金属材料的焊接性？

答：金属材料的焊接性反映金属材料对焊接加工的适应性。主要是指金属材料在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接性包括两方面的内容：其一是结合性能，指在一定的焊接工艺条件下，焊接时是否容易产生缺陷，主要指出现裂纹、夹渣、气孔的可能性；其二是使用性能，指在一定的焊接工艺条件下，被焊材料的焊接接头在一定使用条件下的可靠运行的能力，主要包括力学性能以及耐蚀、耐热等特殊性能。

5．普通低合金钢的焊接的主要问题是什么？焊接时应采用哪些措施？

答：对于强度级别较低的低合金高强度结构钢的焊接近于低碳钢，在某些情况下焊接时，为防止出现淬硬组织，可适当增大焊接电流，减慢焊接速度，选用低氢型焊条。而强度级别较高的低合金高强度结构钢，焊接性较差，焊接时，需焊前预热，焊后应及时进行热处理，以消除应力。低合金高强度结构钢常用的焊接方法有手工电弧焊、气体保护焊及埋弧焊等。6．常见焊接缺陷有哪些？

答：焊接缺陷是指焊接过程中在焊接接头中存在金属不致密、不连续或连接不良的现象。焊接中常见的焊接缺陷有咬边、焊瘤、烧穿、气孔、夹渣、裂纹、未熔合、未焊透。

第八章金属切削加工基础习题参考答案

1.何谓切削运动？其主要有哪些类型？

答：为了获得各种形状的零件，刀具与工件必须具有一定的相对运动，即切削运动我们称这些刀具与零件之间的相对运动为切削运动。切削运动按其作用可分为主运动和进给运动两种类型。

2.刀具材料应具备哪些性能？常用的刀具材料有哪些？各有什么用途？

答：刀具材料应当具备的性能在切削过程中，刀具切削部分在高温下工作，并要承受较大的压力、剧烈的摩擦力、冲击力和振动力等。由于刀具工作环境的特殊性，为保证切削的正常进行，刀具材料必须具备以下性能：

1）高的硬度和耐磨性。刀具的硬度必须高于被切削零件材料的硬度，才能切下金属切屑。常温硬度一般在60HRC 以上。刀具的材料应具有较高的耐磨性。材料硬度越高，耐磨

性越好。刀具材料含有耐磨的合金碳化物越多、晶粒越细、分布越均匀，则耐磨性越好。

2）足够的强度和韧性。刀具在切削力作用下工作，应具有足够的抗弯强度。刀具有足够的韧度，才能承受切削时的冲击载荷(如断续切削时产生的冲击)和切削时的振动，防止刀具断裂和崩刀。

3）具有高的热硬性。热硬性是指在高温下仍能保持高的硬度、耐磨性、强度和韧性基本不变的能力。热硬性用能承受最高的切削温度来表示。高温时硬度高则热硬性高。热硬性是评价刀具材料切削性能的主要指标之一。

4）良好的工艺性。为了便于刀具的制造，刀具材料应具备较好的被加工性能。工艺性包括锻、轧、焊、切削加工、磨削加工和热处理性能等。

3.切削液的主要作用有哪些？切削液有哪些种类？

答：（1）切削液的作用切削液主要通过冷却和润滑的作用来改善金属切削过程。切削液能带走切削区域大量的热，从而降低切削温度起到冷却的作用；切削液在刀具与切削和加工表面之间形成一层润滑膜，减小摩擦起润滑作用。除此之外，切削液还有清洗和防锈的作用。

（2）切削液的种类常用的切削液有水溶液、乳化液和切削油等。

4.刀具切削部分材料应具备哪些基本性能？常用的刀具材料有哪些？

答：1）刀具切削部分材料应具备的性能：①高的硬度；②高的耐磨性；③足够的强度和韧性；④高的耐热性；⑤良好的热物理性能和耐热冲击性能；⑥良好的工艺性能和经济性。2）常用刀具材料：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼、金刚石。

5.高速钢和硬质合金在性能上的主要区别是什么？各适合做哪些刀具？

答：高速钢有很高的强度和

韧性，制造钻头、铰刀、拉刀、铣刀等。硬质合金：抗弯强度低，不能承受较大的冲击载荷，制造车刀、铣刀、刨刀的刀片等。

6.切削热对加工有什么影响？

答：切削热是切削过程的重要物理现象之一。切削热对切削加工的影响是加快刀具的磨损；导致工件的膨胀，引起工件变形，影响加工精度。

7.刀具的磨损形式有哪几种？在刀具磨损过程中一般分为几个磨损阶段？刀具寿命的含义和作用是什么？

刀具正常磨损有以下三种形式：

1）前刀面磨损。如果切削速度较高，切削厚度较大，刀具前刀面上会形成月牙洼磨损。在产生月牙洼的区域切削温度较高，磨损也最大。在月牙洼逐渐磨损加宽加深，发展到切削刃口时，切削刃的强度降低，致使切削刃破损。月牙洼磨损值以其宽度KB或KT表示。

2）后刀面磨损。加工表面与后刀面存在着强烈的摩擦，接触压力很大，有一定的塑性和弹性变形，在此区域磨损会产生一个棱面。后刀面磨损带宽度往往是不均匀的，可划分为三个区域，如图8-12所示。

C区刀尖磨损，强度较低，散热条件又差，磨损比较严重，其最大值为VC。

N区边界磨损，切削钢料时主切削刃靠近工件待加工表面处的后刀面(N区)上，磨成较深的沟，以VN表示。这主要是工件在边界处的加工硬化层和刀具在边界处的较大应力梯度和温度梯度所造成的。

B区中间磨损，在后刀面磨损带的中间部位磨损比较均匀，其平均宽度以VB表示,而其最大宽度以VBmax表示。

3）前后刀面同时磨损。在切削塑性金属过程中，如果切削厚度适中，常会出现这种磨损。

刀具磨损的过程如图8-13所示，刀具的磨损可分名为三个阶段：

第一阶段：初期磨损阶段。新刃磨后的刀具表面存在微观凸凹不平面，接触面积小，压强大，因而磨损较快。

第二阶段：正常磨损阶段。经过初期磨损后，后刀面的微观凸凹已经磨平，接触面积增大，压强减小且分布均匀，因此，磨损缓慢，时间较长。

第三阶段：急剧磨损阶段。刀具经过正常磨损后，刀具磨损钝化，切削力增大，切削温度升高，切削状态逐渐恶化，磨损量急剧增大，以致丧失切削能力。

8.机床传动有哪几部分组成？各起什么作用？

答：机床传动由运动源、传动装置和执行机构三部分组成。

运动源——为执行件提供运动和动力

传动装置（或传动件）——传递运动和动力，通过它把执行件和运动源或有关的执行件之间联系起来执行机构（或执行件）——执行机床运动

第九章常用金属切削加工方法与设备参考答案

1.CA6140车床车削标准螺纹时共有几条传动路线？变换传动路线的目的是什么？

在车削螺纹时，卧式车床有两条主要传动链：

①主运动传动链(外联系传动链)，它把电动机的动力和运动传递给主轴。

②主轴─刀具(内联系传动链)，得到刀具和工件间的复合成形运动(螺旋运动) 。

刀架

—

（丝杠）

—

合

—

（非标准螺纹）

—

合

—

—

—

—

—

—

—

—

合

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

（英制、径节螺纹）

—

—

—

—

合

（公制、模数螺纹）

—

—

—

—

—

—

—

（模数、径节螺纹）

—

—

（公制、英制螺纹）

—

—

—

—

左螺纹

—

—

右螺纹

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—（正常导程）

—

—

—

—

主轴

倍

基

基

XIX

M

XVIII

M

XV

M

XIII

u

XVI

25

36

XIV

1

XV

M

25

36

36

25

XV

XIV

36

25

XIII

97

100

XII

100

64

75

100

XII

100

63

X

33

25

XI

25

33

33

33

IX

58

26

VIII

44

44

III

20

80

50

50

IV

20

80

V

26

58

58

58

VI

5

4

3

3

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d

b

c

a

u

u

2.列出CA6140型卧式车床最高和最低转速的传动路线表达式。

min

/r

500

~

10

IV

min

/r

1400

~

450

M

58

26

V

50

51

80

20

IV

50

50

80

20

50

63

III

58

22

50

30

41

39

II

30

34

VII

34

50

M

43

51

38

56

M

I

230

130

2

1

1

（主轴）

—

（右移）

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

（反转）

（右）

—

—

（正转）

（左）

—

主电动机

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-

-

φ

φ

3.可转位车刀有哪些典型的夹固机构？

1)杠杆式夹固结构2）偏心式夹固结构3）楔销式夹固结构4）上压式夹固结构

4.什么是顺铣？什么是逆铣？会画图表示，并说明各自特点与适用场合。

铣刀切削速度方向与工件进给速度方向相反时，称为逆铣；相同时，为顺铣。

图逆铣与顺铣

a）逆铣 b）顺铣逆铣和顺铣时，因为切入工件时的切削厚度不同，刀齿与工件的接触长度不同，所以铣刀磨损程度不同。实践表明：顺铣时，铣刀耐用度可比逆铣时提高２～3倍，表面粗糙度也可降低。但顺铣不宜用于铣削带硬皮的工件。

逆铣时，工件受到的纵向分力与进给运动的方向相反，铣床工作台丝杠与螺母始终接触；而顺铣时工件所受纵向分力与进给方向相同，如果丝杠螺母之间有螺纹间隙，就会造成工作台窜动，铣削进给量不匀，甚至还会打刀。因此在没有消除螺纹间隙装置的铣床上，只能采用逆铣，而无法采用顺铣。

5.试述铣刀的类型及其用途。

（1）按用途分类

1）圆柱铣刀，一般用在卧式铣床上加工平面。

2）端铣刀，端铣刀一般是在刀体上安装硬质合金刀片，切削速度比较高，故生产率较高。

3）盘形铣刀，盘形铣刀分槽铣刀、两面刃铣刀、三面刃铣刀和错齿三面刃铣刀。

另外铣刀还有锯片铣刀、立铣刀、键槽铣刀、角度铣刀、成形铣刀等类型。

（2）按齿背加工形式分类

1）尖齿铣刀：尖齿铣刀的特点是齿背经铣制而成，并在切削刃后面磨出一条窄的后刀面，铣刀用钝后只需刃磨后刀面。

2）铲齿铣刀：铲齿铣刀的特点是齿背经铲制而成，铣刀用钝后仅刃磨前刀面，适用于切削刃廓形复杂的铣刀，如成形铣刀等。

6.试述刨削的工艺特点及应用。

刨床是用刨刀加工工件的机床，刨床的主运动和进给运动都是直线运动，进给运动由刀具或工件完成，进给方向与主运动方向相垂直。刨床主要用于加工各种平面（如水平面、垂直面、斜面等）和沟槽（如T形槽、燕尾槽、V形槽）等，由于工件的尺寸和重量不同，表面成型运动有不同的分配形式。刨床由于所用工具结构简单，在单件小批量生产条件下，加工形状复杂的表面比较经济，且生产准备工作省时。此外，用宽刃刨刀以大进给量加工狭长平面时的生产率较高，因而在单件小批量生产中，特别是在机修和工具车间中，是较为常用的设备。

7.常用刨床有哪些类型？它们的应用有何不同？

刨床常见的种类主要有牛头刨床和龙门刨床两类。

牛头刨床因其滑枕刀架形似“牛头”而得名。牛头刨床适于加工尺寸和重量较小的工件。牛头刨床的主要参数是最大刨削长度。例如，B6050型牛头刨床的最大刨削长度为500mm。

龙门刨床适于加工较大较长的工件，尤其适于加工长而窄的平面和沟槽，它因有一个“龙门”式的框架结构而得名应用龙门刨床进行精密刨削，可得到较高的精度（直线度0.02mm/1000mm）和表面质量（Ra6.3～1.6μm）。大型机床的导轨通常是用龙门刨床精刨完成的。

8.标准高速钢麻花钻由哪几部分组成？切削部分包括哪些几何参数？

标准高速钢麻花钻的工作部分由切削部分和导向部分组成。切削部分在钻孔时起主要切削作用，它由前刀面、后刀面、左右切削刃和横刃等组成。导向部分是指切削部分与颈部之间的部分，钻孔时起导向作用，同时，也起着排屑和修光孔壁的作用。

麻花钻有两条主切削刃、两条副切削刃和一条横刃。螺旋角β与侧前角γf钻头外圆柱面与螺旋槽交线的切线与钻头轴线的夹角为螺旋角β。在主切削刃上半径不同的点的螺旋角不相等，钻头外缘处的螺旋角最大，越靠近钻头中心，其螺旋角越小。螺旋角实际上就是钻头的侧前角γf，因此，螺旋角越大，钻头的侧前角越大，钻头越锋利。但是螺旋角过大，会削弱钻头强度，散热条件也差。标准麻花钻的螺旋角一般在18°～30°范围内，大直径钻头取大值。

麻花钻主切削刃上任意点y的前角γoy是在主剖面中测量的前刀面与基面之间的夹角。麻花钻主切削刃各点前角变化很大，从外缘到钻心，前角逐渐减小，对标准麻花钻，前角由30°减小到-30°。

9.标准麻花钻存在哪些问题？有哪些修磨和改进措施？

①沿主切削刃各点前角值差别悬殊（由＋30°～-30°），横刃上的前角竟达-54o～-60°，造成较大的轴向力，使切削条件恶化。

②棱边近似为圆柱面的一部分（有稍许倒锥），副后角接近零度，摩擦严重。

③在主、副切削刃相交处，切削速度最大，散热条件最差，因此磨损很快。

④两条主切削刃很长，切屑宽，各点切屑流出速度相差很大，切屑呈宽螺卷状，排屑不畅，切削液难于注入切削区。

⑤横刃较长，其前、后角与主切削刃后角不能分别控制。

10.镗削加工有何特点？常用镗刀有哪几种类型？其结构和特点如何？

镗床是一种主要用镗刀在工件上加工已有预制孔的机床。一般镗刀的旋转为主运动，镗刀或工件的移动为进给运动。在镗床上，除镗孔外，还可以进行铣削、钻孔、扩孔、铰孔等工作。

按结构一般可分为单刃镗刀和双刃镗刀。

单刃镗刀切削部位与普通车刀相似，刀体较小，安装在镗杆的孔中，尺寸靠操作者调整。其结构简单、制造方便；调节和更换镗刀，可以加工尺寸不同的孔径，但调整费时，且精度不易控制。

双刃镗刀可分为定装镗刀和浮动镗刀两种，调节式浮动镗刀用于批量较大且镗孔精度要求较高。

11.卧式镗床有哪些成形运动？说明它能完成哪些加工工作？

加工时，当刀具装在镗杆主轴上时，镗轴既可旋转完成主运动，又可沿轴向移动完成进给运动；当刀具装在平旋盘上时，平旋盘只能作旋转主运动；当刀具装在平旋盘的径向刀架上时，径向刀架可带着刀具作径向进给运动，以车削端面。主轴箱１可沿前立柱的导轨上下移动进行调位或进给。工件安装在工作台上，可与工作台一起随下滑座或上滑座作纵向或横向运动。工作台还可绕上滑座的圆导轨在水平面内转位，以便加工互相成一定角度的平面或孔。装在后立柱上的后支架，用于支撑较长的镗杆，以增加刚性，后支架可沿后立柱上的导轨与主轴箱同步升降，以保持其支撑孔与镗轴在同一轴线上。后立柱可沿床身的导轨左右移动，以适应镗杆不同长度的需要。卧式镗床的主参数是镗轴直径。

卧式镗床既可完成粗加工（如粗镗、粗铣、钻孔等），又可进行精加工（如精镗孔等），因此，在卧式镗床，工件可以在一次装夹中完成大部分甚至全部加工工序。

卧式镗床因其工艺范围非常广泛和加工精度高而得到普遍应用。卧式镗床除了镗孔以外,还可车端面、铣端面、车螺纹等,零件可在一次安装中完成大量的加工工序,而且其加工精度比钻床和一般的车床、铣床高,因此特别适合加工大型、复杂的箱体类零件上精度要求较高的孔系及端面。