机械工程材料习题答案

11、说明下列材料牌号的含义：Q235A、Q275、20、45Mn、T8A、ZG200-400。（略）
第六章 钢的热处理
2、何谓本质细晶粒钢？本质细晶粒钢的奥氏体晶粒是否一定比本质粗晶粒钢的细？
答： wC0.45%碳钢属于低碳钢，室温平衡组织为F+P，其中F和P相对含量分别为：
wF%0.77 0. 77 0.4542%
硬因度此和，伸该长碳率钢等的性硬能度指为标：符合加w合P法%则。 00..747558%
伸长率为：
H 4 5H PV P % H FV F % 1 8 0 5 8 % 8 4 2 % 1 0 4 .4 3 .3 6 1 0 7 .7 6
增加，材料硬度增加、塑性下降，强度在~ wC0.90% 时最高，之后下降。
因此，Rm（ σb）： wC0.20%< wC1.20%< wC0.77% HBW： wC0.20%< wC0.77%< wC1.20% A： wC1.20%< wC0.77%< wC0.20%
4、计算碳含量为wC0.20%的碳钢的在室温时珠光体和铁素体的相对含量。
B 将（ α+β ）II 视为一种组织构成项：
WαI=
W（α+β）II=
61.9-30 61.9-19 30-19 61.9-19
=74.36% =25.64%
WαI= W（α+β）II=
61.9-30 61.9-19 30-19 61.9-19
=74.36% =25.64%
则在（ α+β ）II中含有多少α和多少β相？
2、试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理，并说明三者的区别。
答： 固溶强化：溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时受到阻力增大。 弥散强化：金属化合物本身有很高的硬度，因此合金中以固溶体为基体再有适量的金属间化合物均 匀细小弥散分布时，会提高合金的强度、硬度及耐磨性。这种用金属间化合物来强化合金的方式为 弥散强化。 加工强化：通过产生塑性变形来增大位错密度，从而增大位错运动阻力，引起塑性变形抗力的增加， 提高合金的强度和硬度。 区别：固溶强化和弥散强化都是利用合金的组成相来强化合金，固溶强化是通过产生晶格畸变，使 位错运动阻力增大来强化合金；弥散强化是利用金属化合物本身的高强度和硬度来强化合金；而加 工强化是通过力的作用产生塑性变形，增大位错密度以增大位错运动阻力来强化合金；三者相比， 通过固溶强化得到的强度、硬度最低，但塑性、韧性最好，加工强化得到的强度、硬度最高，但塑 韧性最差，弥散强化介于两者之间。
材料的失效及对应性能表征
第四章 合金的相结构与结晶
1、指出下列名词的主要区别： （1）相组成物与组织组成物 （2）共晶反应与共析反应
答： （1）组织组成物是指在结晶过程中形成的，有清洗轮廓能够在显微镜下清除区别的组成部分；相 组成物是指显微组织中的基本相，它有确定的成分和结构，但没有形态的概念。 （2）两者的反应物状态不一样，共晶反应的反应物是液相L；共析反应的反应物是固相S。
Wα=
97.5-30
=86%
97.5-19
Wβ=
30-19
=14%
97.5-19
（3）T<183℃ , T → 183℃ （ α+β ）II
183 ℃ 时发生共晶反应，初生α相不 变，而剩余的L相瞬时析出（α+β）。 （ α+β ）是同时析出的，可以看成是 一种新的组织（类似珠光体P），则 共晶反应之后，组织组成为αI+ （ α+β ）II
3、有尺寸和形状完全相同的两个Ni-Cu合金铸件，一个含wNi10%，另一个含wNi50%，铸后缓冷， 问固态铸件中哪个偏析严重，为什么？怎样消除偏析？
答： 含 50% Ni的Cu-Ni 合金铸件偏析较严重。在实际冷却过程中，由于冷速较快，使得先结晶部分含高 熔点组元多，后结晶部分含低熔点组元多，因为含 50% Ni的Cu-Ni 合金铸件固相线与液相线范围比 含 90% Ni铸件宽，因此它所造成的化学成分不均匀现象要比含 90% Ni的Cu-Ni 合金铸件严重。
4、共晶点与共晶线有何关系？共晶组织一般是什么形态、如何形成？（略）
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？（略）用于压力加工的合金选用何 种成分的合金为好？ 答： 压力加工的合金需要塑性好，单相固溶体成分的合金正好能满足这一要求。
6、在Pb-Sn相图中，指出合金组织中: •含βII最多和最少的成分； (2) 共晶体最多和最少的成分； (3) 最容易和最不容易偏析的成分。
WαII=
WβII=
97.5-61.9 97.5-19 61.9-19 97.5-19
=45.35% =54.65%
所以，最终的组成为： WαI+αII
=74.36%+ 45.35%×25.64%=86%
WβII
=54.65%×25.64%=14%
8、已知A组元的熔点为1000 ℃ ，B组元的熔点为700 ℃ ，wB=25%的合金在500 ℃ 结晶完毕，并由 73.33％的先共晶相α相与26.67％的(α+β)共晶体组成；wB=50%的合金也在500 ℃ 结晶完毕，但它是由 40%的先共晶相α相与60%的(α+β))共晶体组成，而此时合金中的α相总量为50%。试根据上述条件作出 A-B合金概略的二元共晶相图。
因此，共晶成分最少的合 金为wSn19%。
答：
（3）固液相之间温差值越大，产生的枝晶偏析就越严重。因此，在Pb-Sn二元系中，最容易产生偏
析的成分就在两个端际固溶体最大溶解度处，即wSn19%和wSn97.7%处；最不容易产生偏析的成分在 共晶点处，即wSn61.9%处。
7、利用Pb-Sn相图，分析含wSn30%的合金在下列各温度时组织中有哪些相合组织组成物，并求出相和 组织组成物的相对含量。
A 45A PVP% A FVF% 20% 58% 50% 42% 32.6%
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 wC0.45%的碳钢铸造性能如何。
答： 纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好, 它们的凝固温度区间最小, 因而流动性好, 分散缩孔少, 可以 获得致密的铸件。碳含量为wC0.45%的碳钢铸造性能不好，其凝固区间较大，缩孔、偏析倾向大； 其凝固组织粗大，常出现魏氏组织，使钢的塑韧性显著下降；快冷造成的内应力显著，必须通过 热处理方法消除。
(1)高于300 ℃ ；(2)刚冷到183 ℃ ，共晶转变尚未开始；(3)在183 ℃ ，共晶转变完毕；(4)冷至室温。
Pb-Sn二元合金, 成分: Wsn30%
（1）T>300 ℃ （2）T>183℃ , T → 183℃ （3）T<183℃ , T → 183℃
（1）T>300 ℃ 在液相线之上，全部为液相
答： 根据杠杆定律， 珠光体P的相对含量为：
铁素体F的相对含量为：
wP%C NM M0 0..7 27 026% w F% N N M C0.77 0. 77 0.2074%
wC0.20%
M
C
N
5、某钢厂积压了许多碳钢（退火态），由于管理不善，钢材混杂，经金相分析后发现其中铁素体 占（体积）60%，珠光体占（体积）40%，试计算确定该钢材的碳含量为多少？并写出其钢号。
答：
（2） 共晶反应点对应的合金最终能够获得100%共晶组织，即共晶含量最多处wSn61.9% 。共晶成分 最少的合金可能出现在wSn19%和wSn97.7%之中。通过计算：
wSn19% wSn97.7%
W共晶%=（97.7-61.9）/（97.7-19）=35.8/78.7=45.5%
W共晶%=（61.9-19）/（97.7-19）=42.9/78.7=54.5%
N-E N-M
得N=95.58
× 60%=50%
1000℃
500℃ 4.5
A
700 ℃
80.4
95.58
B
第五章 铁碳合金
3、分析碳含量为wC0.20%、wC0.77%和wC1.20%的碳钢的平衡结晶过程及室温平衡组织，并根据组 织分析它们Rm、HBW和A 的高低。
答：
wC0.20%，属于亚共析钢，平衡凝固过程中，A在900727℃之间开始析出F；在727℃发生共析反应， 剩余A反应生成P。室温平衡组织为F+P；
wC0.77%，属于共析钢，平衡凝固过程中，A在727℃发生共析反应生产P。室温平衡组织为P；
wC1.20%，属于过共析钢，平衡凝固过程中， A在900~727℃之间开始析出Fe3C；在727℃
wC0.77%
发生共析反应，剩余A反应生成P。室温平衡 组织为Fe3C+P；
wC0.20%
wC1.20%
由于Fe3C含量随C含量增加而增加，而Fe3C含量
500℃
共晶反应线
wB=25%
700 ℃
M
共晶点E N
A
B
WαI=
E-25 E-M
=73.33%
W（α+β）II=
25-M E-M
=26.67%
wB=50%的合金也在500 ℃结晶完毕，但 它是由40%的先共晶相α相与60%的共晶 体（ α+β ）组成
1000℃ 500℃
共晶反应线
也在共晶点的左端（在A组元端）
磨损的微观机制（4大类）。
蠕变是在一定外力作用下，随着时间的延长，材料缓慢地产生塑性变形的现象。由蠕变 变形而最终导致的断裂称为蠕变断裂。只要应力的作用时间相当长，蠕变在应力小于弹 性极限时也能出现。金属材料高温力学性能指标有蠕变极限（金属在高温长期载荷作用 下的塑性变形抗力）和持久强度极限（金属在高温长期载荷作用下的断裂强度），分别 对应着常温下的屈服和抗拉强度。
M
共晶反应线
4.5
A
得： M=4.5 E=80.4
700 ℃ 共晶点E N
80.4 B
wB=50%的合金，此时合金中α相的总含量为50%
WαI= W（α+β）II= （α+β）II中：
E-50 E-M 50-M E-M
WαII=
=40%
=60% N-E N-M
Wα= WαI+ WαII =40%+
答： （1） β相是Sn组元端的端际固溶体，即Sn 晶体中溶入了少量的Pb。βII是指第二次凝固析出的β相， 根据Pb-Sn相图， α 相在降温过程中β相二次凝固析出， βII存在于α 相基体中。
因此，在Pb-Sn二元系中含βII 最多的成分在wSn19%处 ；最 少的成分在相图左端大约 wSn1%。
A
wB=50%
700 ℃
M
共晶点E N
B
WαI= W（α+β）II=
E-50 E-M
50-M #43;β）II=
WαI= W（α+β）II=
E-25 E-M
25-M E-M
=73.33% =26.67%
E-50 E-M
50-M E-M
=40% =60%
1000℃
500℃
A组元的熔点为1000℃， B组元的熔点为700 ℃
1000℃
A
700 ℃ B
wB=25%的合金 在500 ℃结晶完毕， wB=50%的合金 也在500 ℃结晶完毕，
1000℃
共晶反应线
700 ℃
500℃
A
B
假设共晶点位置为E，A组元在固溶体中的最大溶解度位置为M；相应B 为N
wB=25%的合金在500 ℃结晶完毕，并由 1000℃ 73.33%的先共晶相α相与26.67%的（α+β） 共晶体组成
（2）T>183℃ , T → 183℃
T>183℃但未发生共晶反应，L+α， 此时的α相称为初生相
WL=
Wα=
30-19 61.9-19 61.9-30 61.9-19
=25.64% =74.36%
（3）T<183℃ , T → 183℃
183 ℃ 时发生共晶反应，剩余的L相 瞬时析出α+β
A 直接运用杠杆定律：
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第二章 金属的塑性变形与再结晶
常温下塑性变形的主要方式是滑移；滑移的微观机制是位错运动。所以提高材料抗塑性 变形的能力（提高屈服强度）的本质是提高位错运动的阻力。
第三章 材料的力学性能
主要的硬度指标HB、HR和HV各自的测量原理；HBW和HBS，HRA、HRB和HRC在测 量方法上的差别及对应的适用范围。
答： 由于组织为珠光体+铁素体，说明此钢为亚共析钢。设该钢材碳含量为x，则有铁素体F相对含量为：
解得：
因此其钢w 号F 为% ：3 0钢N N M X0.0 7.7 7 7x60% x30.8%
亚 共 析
MX
N
6、已知珠光体的硬度=180HBW，A=20%，铁素体的硬度=8-HBW，A=50%，试计算碳含量为 wC0.45%碳钢的硬度和伸长率。