工程材料课后答案

第一章
2.图1-79为五种材料的应力-应变曲线：①45钢，②铝青铜，③35钢，④硬铝，⑤纯铜。

试问：
（1）当外加应力为300MPa时，各材料处于什么状态？
（2）有一用35钢制作的杆，使用中发现弹性弯曲较大，如改用45钢制作该杆，能否减少弹性变形？
（3）有一用35钢制作的杆，使用中发现塑性变形较大，如改用45钢制作该杆，能否减少塑性变形？
答：（1）①45钢：弹性变形②铝青铜：塑性变形③35钢：屈服状态④硬铝：塑性变形⑤纯铜：断裂。

（2）不能，弹性变形与弹性模量E有关，由E=σ/ε可以看出在同样的条件下45钢的弹性模量要大，所以不能减少弹性变形。

（3）能，当35钢处于塑性变形阶段时，45钢可能处在弹性或塑性变形之间，且无论处于何种阶段，45钢变形长度明显低于35钢，所以能减少塑性变形。

4．下列符号表示的力学性能指标的名称和含义是什么？
σb 、σs、σ0.2、σ-1、δ、αk、 HRC、HBS、HBW
答：σb抗拉强度，是试样保持最大均匀塑性的极限应力。

σs屈服强度，表示材料在外力作用下开始产生塑性变形时的最低应力。

σ0.2条件屈服强度，作为屈服强度的指标。

σ-1疲劳强度，材料循环次数N次后达到无穷大时仍不发生疲劳断裂的交变应力值。

δ伸长率，材料拉断后增加的变形长度与原长的比率。

HRC洛氏硬度，表示用金刚石圆锥为压头测定的硬度值。

HBS布氏硬度，表示用淬硬钢球为压头测定的硬度值。

HBW布氏硬度，表示用硬质合金为压头测定的硬度值。

7.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、 Pb 、Cr 、 V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？
答：常见金属晶体结构：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；
8．什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？
答：形成固溶体使金属强度和硬度提高，塑性和韧性略有下降的现象称为固溶强化。

固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。

晶格畸变随溶质原子浓度的提高而增大。

晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。

9．将20kg纯铜与30kg纯镍熔化后缓慢冷却到如图1-80所示温度T1，求此时：（1）两相的成分；（2）两相的重量比；（3）各相的相对重量（4）各相的重量。

17. 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；
答：再结晶退火。

目的：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。

细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度以消除加工硬化现象。

组织：等轴晶的大量铁素体和少量珠光体。

2）ZG35的铸造齿轮
答：完全退火。

经铸造后的齿轮存在晶粒粗大并不均匀现象，且存在残余内应力。

因此退火目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。

组织：晶粒均匀细小的铁素体和珠光体。

3）锻造过热后的60钢锻坯；
答：完全退火。

由于锻造过热后组织晶粒剧烈粗化并分布不均匀，且存在残余内应力。

因此退火目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。

组织：晶粒均匀细小的少量铁素体和大量珠光体。

4）具有片状渗碳体的T12钢坯；
答：球化退火。

由于T12钢坯里的渗碳体呈片状，因此不仅硬度高，难以切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂。

通过球化退火，使层状渗碳体和网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。

组织：粒状珠光体和球状渗碳体。

18. 说明45钢试样（Φ10mm）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℃。

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。

19．指出下列工件淬火及回火温度，并说明回火后获得的组织：
（1）45钢小轴（要求综合力学性能好）；（2）60钢弹簧；（3）T12钢锉刀。

答：（1）AC3+（30-50）℃淬火，（820-840）℃回火（高温），回火索氏体。

（2）（400-600）℃淬火，（350-500）℃回火（中温），回火托氏体。

（3）（760-780）℃淬火，250℃以下回火（低温），回火马氏体。

20．有两种高强度螺栓，一种直径为10mm，另一种直径为30mm，都要求有较高的综合力学性能：σb≥800MPa，αk≥600KJ/m2。

试问应选择什么材料及热处理工艺。

答：直径10mm螺栓：45钢，850℃淬火 + 520℃水冷回火；
直径30mm螺栓：40Cr，（840-880）℃盐浴淬火+（540-650）℃回火保温20-30分钟。

第二章
2. 灰铸铁流动性好的主要原因是什么？提高金属流动性的主要工艺措施是什么？
答：灰铸铁流动性好的原因是石墨呈片状形式存在，碳的质量分数高，有共晶成分，熔点较低。

提高金属流动性的主要工艺措施是较高的浇注温度。

4. 定向凝固和同时凝固方法分别解决哪种铸造缺陷？请举例各分析几种应用情况。

答：①定向凝固解决的缺陷：冒口补缩作用好，可防止缩孔和缩松，铸件致密。

同时凝固解决的缺陷：凝固期间不容易产生热裂，凝固后也不易引起应力变形，由于不用冒口或冒口很小而节省金属，简化工艺，减少工作量。

②正确布置浇注系统的引入位置，确定合理的浇注工艺；采用冒口；采用补贴；采
用具有不同蓄热系数的造型材料或冷缺。

9. 铸件、模样、零件三者在尺寸上有何区别，为什么?
答：模样是考虑收缩率后将零件尺寸按一定比例放大后所做的，相当于我们常说的模子；然后用模样做成铸型，做好后将模样取出，进行浇注；就做出来铸件。

铸件相当于零件的毛坯，由于考虑到加工因素，因此铸件的尺寸要比较零件大如果去掉浇冒口后进行一定加工后就是零件了
所以三者的尺寸关系为：模样>铸件>零件
第三章
11.能否将冲制孔径为40＋0.16mm工件的冲孔模改制成冲制外径为40-0.16工件的落料模？
落料： D凹＝(Dmax-x△)+δ凹D凸＝（ D凹－min)-δ凸
冲孔： d凸＝（dmin+x△)-δ凸 d凹＝(d凸+Zmin)+δ凹
可见：
落料时凹模直径是最小的，主要为了磨损到一定程度，冲裁件还可用；
同理，冲孔时凸模尺寸是最大的，
凸模可改，但凹模不能改。

因为若将冲孔模改成落料模，则d凹>D凹，间隙落在凹模上，尺寸太大。

15.在成批大量生产外径为40mm，内径为20mm，板厚为4mm，精度为IT9的垫圈时，请示意画出（1）连续模，（2）复合模简图，请计算凸凹模尺寸并标在简图上。

已知：冲裁件公差为0.02mm,凹模公差为0.01mm，凸模公差为0.01mm。

（按照尺寸入体原则）D max=40mm, d min=20mm, Z min=4×6%=0.24
△=0.02mm, x=1, δ凹＝0.01mm, δ凸＝0.01mm
落料：
D凹＝（D max-x△）+δ凹＝(40-1×0.02) ＋0.01＝39.98＋0.01 mm
D凸＝（D凹－Z min)－δ凸＝（39.98-0.24) -0.01＝39.74-0.01 mm
冲孔：
d凸=(d min+x△)－δ凸＝（20+0.02) -0.01 ＝20.02-0.01mm
d凹=(d凸+Z min)+δ凹＝(20.02+0.24)＋0.01＝20.26＋0.01 mm
第四章
2.焊接接头的组织和性能如何?
答：（1）焊缝金属区：熔焊时，在凝固后的冷却过程中，焊缝金属可能产生硬，脆的淬硬组织甚至出现焊接裂纹。

（2）熔合区：该区的加热温度在固、液相之间，由铸态的组织和过热组织构成可能出现液硬组织，该区的化学成分和组织都很不均匀，力学性能很差，是焊接接头中最薄弱的部位之一，常是焊接裂缝发源地。

（3）热影响区：a.过热区：此区的温度范围为固相线至1100℃，宽度约1-3mm，由于温度高，颗粒粗大，使塑性和韧性降低。

b.相变重组晶区：由于金属发生了重组晶，随后在空气中冷却，因此可以得到均匀细小的正火组织。

c.不完全重组晶区：由于部分金属发生了重组晶，冷却后可获得细化的铁素体和珠光体，而未重结晶的部分金属则得到粗大的铁素体。

焊缝及热影响的大小和组织性能变化的程度取决于焊接方法，焊接规范，接头形式等因素。

3.焊接低碳钢时，其热影响区的组织性能有什么变化？
答：低碳钢的Wc<0.25％，焊接性良好，焊接时，没有淬硬，冷裂倾向，主要组织性能变化为：（1）过热区晶粒粗大，塑性和韧性降低。

（2）相变重晶区产生均匀细小正火组织，力学性能良好。

（3）不完全重晶区有铁素体、珠光体，力学性能不均匀。

5.产生焊接热裂纹和冷裂纹的原因是什么，如何减少和防止？
答：热裂纹是高温下焊缝金属和焊缝热影响区中产生的沿晶裂纹、冷裂纹是由于材料在室温附近温度下脆化而形成的裂纹.
热裂纹的减少和防止:控制母材和焊材杂质的含量。

冷裂纹的减少和防止：预热和焊裂后热处理。

1相：在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均称之为相。

2合金：通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。

3固溶体：合金的组元之间以不同的比例混合，混合后形成的固相的晶格结构与组成合金的某一组元的相同，这种相称为固溶体。

4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。

5淬火：钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体1化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。

通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。

6马氏体：是一种常见的金属材料的金相组织结构，它由奥氏体转变而来，特点是硬度高，强度高，比容大，冲击韧性低。

常用碳钢的淬火，就是将材料中部分金相结构变成马氏体的过程
7调质处理：淬火加回火叫调质处理，淬火时将工件加热到临界温度以上，然后通过介质迅速冷却，回火时根据工件要求的硬度不同将工件加热到临界温度以下某个温度进行回火8淬透性：指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。

钢材淬透性好与差，常用淬硬层深度来表示。

淬硬层深度越大，则钢的淬透性越好。

钢的淬透性主要取决于它的化学成分，特别是含增大淬透性的合金元素及晶粒度，加热温度和保温时间等因素有关。

淬透性好的钢材，可使钢件整个截面获得均匀一致的力学性能以及可选用钢件淬火应力小的淬火剂，以减少变形和开裂。

1P50常用的材料硬度的测量方法有那些？其应用范围如何？这些测量方法的硬度值能否进行比较？
硬度分为压痕硬度、刻划硬度、回弹硬度。

最常用的是压痕硬度，用规定的试验力将规定形状的压头压入试样表面并保持规定的时间，通过测量压痕的尺寸、面积或深度来确定试样的硬度。

同样实验条件下，压痕越小表示硬度越高。

压痕硬度分为洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度等。

2实际金属中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？
点缺陷，面缺陷，线缺陷
由于晶体缺陷在晶体中并不是静止不动的，它随外界条件的改变进行运动‘增加，发生
交互作用和消失，所以它对金属的性能，固态相变，扩散等过程将产生重大影响
P62．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？
答：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、。