《机械工程材料》作业页解2016

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。

P79P1096．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。

P927．一块低碳钢，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235Mpa45：钢号为45T8A：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~P1398．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。