机械工程材料(于永泗齐民)课后习题答案(一)

机械工程材料（于永泗齐民）课后习题答案（一）作者：WUST1-1、可否通过增加零件尺寸来提高其弹性模量：不能，弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。所以不能通过增大尺寸来提高弹性模量。1-2、工程上的伸长率与选取的样品长度有关，为什么：伸长率等于δ=(𝑙1−𝑙0)/𝑙0×100%，当试样𝑑0(d)不变时，𝑙0增加，则伸长率δ下降，只有当𝑙0/𝑑0为常数时，不同材料的伸长率才有可比性。所以伸长率与样品长度有关。1-3、𝑲𝑰𝒄和𝑲𝑰两者有什么关系？在什么情况下两者相等？𝐾𝐼为应力强度因子，𝐾𝐼𝑐为平面应变断裂韧度，𝐾𝐼𝑐为𝐾𝐼的一个临界值，当𝐾𝐼增加到一定值时，裂纹便失稳扩展，材料发生断裂，此时，两者相等。1-4、如何用材料的应力-应变曲线判断材料的韧性？所谓材料的韧性是指材料从变形到断裂整个过程所吸收的能量，即拉伸曲线（应力-应变曲线）与横坐标所包围的面积。2-1、从原子结构上说明晶体与非晶体的区别。原子在三维空间呈现规则排列的固体称为晶体，而原子在空间呈无序排列的固体称为非晶体。晶体长程有序，非晶体短程有序。2-2、立方晶系中指数相同的晶面和晶向有什么关系？相互垂直。2-4、合金一定是单相的吗？固溶体一定是单相的吗？合金不一定是单相的，也可以由多相组成，固溶体一定是单相的。3-1、说明在液体结晶的过程中晶胚和晶核的关系。在业态经书中存在许多有序排列飞小原子团，这些小原子团或大或小，时聚时散，称为晶胚。在𝑇0以上，由于液相自由能低，晶胚不会长大，而当液态金属冷却到𝑇0以下后，经过孕育期，达到一定尺寸的晶胚将开始长大，这些能够连续长大的晶胚称为晶核。3-2、固态非晶合金的晶化过程是否属于同素异构转变？为什么？不属于。同素异构是物质在固态下的晶格类型随温度变化而发生变化，而不是晶化过程。3-3、根据匀晶转变相图分析产生枝晶偏析的原因。①枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内，成分不均匀的现象叫做枝晶偏析。②结合二元匀晶转变相图可知，枝晶偏析产生的原因是固溶体合金的结晶只有在“充分缓慢冷却”的条件下才能得到成分均匀的固溶体组织。然而在实际生产中，由于冷速较快，合金在结晶过程中，固相和液相中的原子来不及扩散，使得先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素，而后结晶的枝晶中含有较多低熔点元素。③冷速越快，液固相间距越大，枝晶偏析越严重。3-4、结合相图分析含0.45%C、1.2%C和3.0%C的Fe-C合金在缓慢冷却过程中的转变及室温下的组织。①0.45%C:L→L+δ→L+δ+γ→L+γ→γ→γ+e→P+γ+α。室温组织：P+α②1.2%C：L→L+γ→γ+二次渗碳体→二次渗碳体。室温组织：P+二次渗碳体。③3.0%C：L→L+γ→L+γ+Le→γ+Le+二次渗碳体→P+γ+二次渗碳体+一次渗碳体→Le’+二次渗碳体+P。室温组织：Le’+二次渗碳体+P。3-6、说明Fe-C合金中5种类型渗碳体的形成和形态特点。一次渗碳体：由液相直接析出，黑色的片层。二次渗碳体：含碳量超过0.77%的铁碳合金自1148℃冷却至727℃时，会从奥氏体中析出二次渗碳体。沿奥氏体晶界呈网状排列。三次渗碳体：铁碳合金自727℃向室温冷却的过程中，从铁素体析出的为三次渗碳体。不连续网状成片状分布于铁素体晶界。共晶渗碳体：共晶白口铸铁由液态冷却到1148℃是发生共晶反应，产生共晶奥氏体和共晶渗碳体。为白色基体。共析渗碳体：共析钢液体在发生共析转变时，由奥氏体相析出铁素体和共析渗碳体。为黑色的片层。3-7、说明金属实际凝固时，铸锭的3中宏观组织的形成机制。铸锭的宏观组织由表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区3个晶区组成。①表层细晶区：当高温的液体金属被浇注到铸型中时，液体金属首先与铸型的模壁接触，一般来说，铸型的温度较低，产生很大的过冷度，形成大量晶核，再加上模壁的非均匀形核作用，在铸锭表面形成一层厚度较薄、晶粒很细的等轴晶区。②柱状晶区：表层细晶区形成以后，由于液态金属的加热及凝固时结晶潜热的放出，使得模壁的温度逐渐升高，冷却速度下降，结晶前沿过冷度减小，难以形成新的结晶核心，结晶只能通过已有晶体的继续生长来进行。由于散热方向垂直于模壁，因此晶体沿着与散热方向相反的方向择优生长而形成柱状晶区。③中心等轴晶区：当柱状晶区长大到一定程度，由于冷却速度进一步下降及结晶潜热的不断放出，使结晶前沿的温度梯度消失，导致柱状晶的长大停止。当心部液体全部冷却至实际结晶温度一下时，以杂志和被冲下的晶枝碎片为结晶核心均匀长大，形成粗大的等轴晶区。4-1、为什么室温下金属的晶粒越细，强度、硬度越高，塑型、韧性也越好？因为金属的晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多，需要协调的具有不同位向的晶粒越多，金属塑性变形的抗力越高。从而导致金属强度和硬度越高；金属的晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，同时参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，推迟了裂纹的形成于扩展使得在断裂前发生了较大的塑性变形，在强度和塑型同时增加的情况下，其塑型和韧性越好。4-2、黄铜铸件上的数码不慎搓掉如何识别数码？用加热使它再结晶的方法可以使原来的数码再呈现。因为打字时会使铸件打字处产生塑性变形，有预变形存在，通过加热再结晶可使晶粒恢复到预变形之前的状态，使之显现出数码。4-3、金属铸件的晶粒往往粗大，能否通过再结晶退火来细化其晶粒？为什么？不能，因为铸件没有产生预变形，故不能采用再结晶的方法。4-4、铜只是通过冷加工及随后加热来细化晶粒，而铁则不需要冷加工，只需加热到一定温度便可使晶粒细化，为什么？因为铜不存在同素异构的现象，加热时晶体的结构不发生变形，所以采用冷加工破碎晶粒，产生预变形，从而来消除应力，而铁存在同素异构的现象，固态变相组织要比晶粒组织细，因此只需加热到一定温度便能使晶粒细化。4-5、下列齿轮饼坯的加工方法中，哪种方法正确？为什么？（1）从热轧厚钢板上切下圆饼；（2）从热轧粗钢棒上切下圆饼；（3）由热轧钢棒镦成圆饼。选择由热轧钢棒镦成圆饼，因为这样可以控制铜的纤维素的走向与受力方向一致。4-6、用冷拉铜丝绳（承受能力远超过工件质量）吊送刚出炉热处理工件去淬火，但在此工程中，铜丝发生断裂。为什么？原因是：冷拉钢丝绳经冷塑加工强度提高，强度大于载荷，但吊运热工件时其温度升高，使原子扩散能力升高，从而使其产生回复再结晶，晶粒恢复到以前的状态，强度降低，最终发生断裂。4-7、钨在1100℃下的变形加工和锡在室温下的变形加工是冷加工还是热加工？为什么？再结晶温度=熔化温度×0.4，钨的熔点为3380℃，其再结晶温度为(3380+273)×0.4−273=1187℃，加工温度小于再结晶温度，所以属于冷加工；锡的熔点为232℃，其再结晶温度为(232+237)×0.4−273=−71℃，室温(25℃)大于再结晶温度，所以属于热加工。4-8、在冷拔钢丝时常进行中间退火，原因？如何选择中间退火的温度？冷拔过程中产生很大应力,在使用过程中要把这种应力消除,使用中间退火会细化晶粒,产生预变形,使强度和硬度提升,消除应力,选取的温度应该小于再结晶温度。4-9、用冷拔高碳钢丝缠绕螺旋弹簧，最后要进行何热处理，原因是？进行去应力退火,冷拔过程中产生很大应力,退火保证弹簧不会由于应力不确定而恢复原形,同时对弹簧的定型处理可以保证弹簧的弹力。4-10、反复弯折退火钢丝时，会感到越弯越硬，最后断裂，为什么？反复弯折会使晶粒变细,因而硬度提高,同时产生应力,使塑性降低,从而会被折断。