机械工程材料习题答案

第一章材料的结构和金属的结晶根据材料属性，工程材料可分为金属材料、非金属材料和复合材料。其中金属材料又分为钢铁（黑色）材料和非铁（有色）材料；非金属材料又可分为无机非金属材料和有机高分子材料。-Fe的晶格类型是体心立方（bcc）；γ-Fe的晶格类型是面心立方（fcc）；纯Mg的晶格类型是密排六方（hcp）。典型钢锭的显微组织分区及各区的力学性能。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。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。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。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。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。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%。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%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。(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）T300℃（2）T183℃,T→183℃（3）T183℃,T→183℃（1）T300℃在液相线之上，全部为液相（2）T183℃,T→183℃T183℃但未发生共晶反应，L+α，此时的α相称为初生相WL=61.9-1930-19=25.64%Wα=61.9-1961.9-30=74.36%183℃时发生共晶反应，剩余的L相瞬时析出α+β（3）T183℃,T→183℃A直接运用杠杆定律：Wα=97.5-1997.5-30=86%Wβ=97.5-1930-19=14%（3）T183℃,T→183℃B将（α+β）II视为一种组织构成项：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）IIWαI=61.9-1961.9-30=74.36%W（α+β）II=61.9-1930-19=25.64%（α+β）IIWαI=61.9-1961.9-30=74.36%W（α+β）II=61.9-1930-19=25.64%则在（α+β）II中含有多少α和多少β相？WαII=97.5-1997.5-61.9=45.35%WβII=97.5-1961.9-19=54.65%WαI+αII=74.36%+45.35%×25.64%=86%WβII=54.65%×25.64%=14%所以，最终的组成为：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。A组元的熔点为1000℃，B组元的熔点为700℃AB1000℃700℃wB=25%的合金在500℃结晶完毕，wB=50%的合金也在500℃结晶完毕，AB1000℃700℃共晶反应线500℃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AB1000℃700℃共晶反应线500℃共晶点EMNwB=25%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NWαI=E-ME-25=73.33%W（α+β）II=E-M25-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AB1000℃700℃共晶反应线500℃共晶点EMNwB=50%WαI=E-ME-50=40%W（α+β）II=E-M50-M=60%也在共晶点的左端（在A组元端）WαI=E-ME-25=73.33%W（α+β）II=E-M25-M=26.67%WαI=E-ME-50=40%W（α+β）II=E-M50-M=60%得：M=4.5E=80.4AB1000℃700℃共晶反应线500℃共晶点EMN4.580.4wB=50%的合金，此时合金中α相的总含量为50%WαI=E-ME-50=40%W（α+β）II=E-M50-M=60%（α+β）II中：WαII=N-MN-E得N=95.58Wα=WαI+WαII=40%+N-MN-E×60%=50%AB1000℃700℃500℃4.580.495.58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℃发生共析反应，剩余A反应生成P。室温平衡组织为Fe3C+P；由于Fe3C含量随C含量增加而增加，而Fe3C含量增加，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%wC0.20%wC0.77%wC1.20%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。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：wC0.20%CMN0.20%26%0.77PCMwNM0.770.20%74%0.77FNCwNM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：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：因此其钢号为：30钢亚共析XMN0.77%60%0.77FNXxwNM30.8%x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。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：硬度和伸长率等性能指标符合加合法则。因此，该碳钢的硬度为：伸长率为：0.770.45%42%0.77Fw0.45%58%0.77Pw45%%18058%842%104.43.36107.76PPFFHHVHV45%%20%58%50%42%32.6%PPFFAAVAV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。11、说明下列材料牌号的含义：Q235A、Q275、20、45Mn、T8A、ZG200-400。（略）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。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？第六章钢的热处理3、说明共析碳钢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。（略）4、试比较共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线与连续转变曲线的异同点。（略）答：本质细晶粒钢：加热到临界点以上直到930℃，随温度升高，晶粒长大速度很缓慢，称本质细晶粒钢。本质细晶粒钢的奥氏体晶粒不一定比本质粗晶粒钢