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《工程材料及机械制造基础》习题参考答案
第一章 材料的种类与性能（P7）
１、 金属材料的使用性能包括哪些？ 力学性能、物理性能、化学性能等。
２、 什么是金属的力学性能？它包括那些主要力学指标？
金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应相关或涉及力与应变关系的性能。主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。
３、 一根直径10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度
为450Mpa，问此棒能承受的最大载荷为多少？断面收缩率是多少？ F=35325N ψ=27.75% ４、 简述洛氏硬度的测试原理。
以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。 5、什么是蠕变和应力松弛？
蠕变：金属在长时间恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变形的现象。 应力松弛：承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量不变，但随时间的延长，工作应力逐渐衰减的现象。
6、金属腐蚀的方式主要有哪几种？金属防腐的方法有哪些？ 主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。 防腐方法：
1）改变金属的化学成分；2）通过覆盖法将金属同腐蚀介质隔离；3）改善腐蚀环境；4）阴极保护法。
第二章 材料的组织结构（P26） 1、简述金属三种典型结构的特点。
体心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。每个体心立方晶格的原子数为：2个。 塑性较好。 面心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。每个面心立方晶格的原子数为：4个。塑性优于体心立方晶格的金属。 密排六方晶格：晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。每个密排六方晶胞原子数为：6个 ，较脆
2、金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？
存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度、硬度提高，但防腐蚀能力下降。
3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种？各具备什么特性？
存在的形式有固溶体和金属化合物两种。合金固溶在金属中引起固溶强化，使合金强度、硬度提高，塑性、韧性下降。金属化合物提高合金的 强度和硬度。 4、什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？
固溶强化：因溶质原子的溶入引起合金强度、硬度升高的现象。
原因：固溶体中溶质原子的溶入引起晶格畸变，使晶体处于高能状态。 ５、 简述聚合物大分子链的结构与形态。它们对高聚物的性能有何影响？ 聚合物大分子链的结构分为线性结构和体型结构。线性结构具有良好的塑性和弹性，加热可软化，冷却后变硬，易于成形，可反复使用。体型结构有较好的 耐
热性、尺寸稳定和机械强度，但弹性、塑性低，脆性大，不能塑性加工，不能反复使用。
６、 陶瓷的典型组织由哪几种组成？它们各具有什么作用？
由晶体相、玻璃相和气相组成。晶体相晶粒细小晶界面积大，材料强度大，空位和间隙原子可加速烧结时的的扩散，影响其物理性能；玻璃相起黏结分散的晶体相降低烧结温度，抑制晶体长大和充填空隙等作用；气相造成应力集中，降低强度、降低抗电击穿能力和透明度。
７、 从结构入手比较金属、高聚物、陶瓷三种材料的优缺点。 ８、 金属结晶的基本规律是什么？
金属结晶由形核和长大两部分组成，并存在过冷度。
９、 如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小。 （1） 金属型浇注与砂型浇注。金属型浇注晶粒小。 （2） 铸成薄件与铸成厚件。铸成薄件晶粒小。
（3） 浇注时采用振动与不采用振动。采用振动晶粒小。 10、过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？
冷却速度越快过冷度越大，使晶核生长速度大于晶粒长大速度，铸件晶粒得到细化。冷却速度小时，实际结晶温度与平衡温度趋于一致。
11、何为共晶反应、匀晶反应共析反应？试比较三种反应的异同点。
共晶反应：从某种成分固定的合金溶液中，在一定恒温下同时结晶出两种成分和结构都不同的固相的反应。
共析反应：由一种固相在恒温下同时转变成两种新的固相的反应。
匀晶反应：两组元组成的合金系，在液态无限互溶，在固态也能无限互溶，形成固溶体的反应。
12、Pb-Sn相图如图2-29所示。
（1）试标出尚未标注的相区的组织；
（2）指出组织中含βⅡ最多和最少的成分； （3）指出共晶体最多和最少的成分；
（4）指出最容易和最不容易产生枝晶偏析的成分： （5）初生相α和β、共晶体α+β、二次相αⅡ及βⅡ，它们在组织形态上的区别？画出它们的组织示意图。
13、已知A（熔点为600℃）与B（熔点为500℃）在液态无限互溶，在固态300℃时A溶于B的最大质量分数为30%，室温时为10%，但B不溶于A；在300℃时B的质量分数为40%的液态合金发生共晶反应，现要求：
（1）做出A-B合金相图；
（2）分析A的质量分数分布为20%、45%、80%等合金的结晶过程。 14、为什么铸造合金常选用接近共晶点的合金？为什么要进行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？
近共晶点的合金熔点低，结晶范围小，铸造性能好。单相固溶体成分的合金具有良好的塑性和小的变形抗力，可锻性好。 15、何谓α、γ、Fe3C、C、P、A、Ld、（Ld `）？它们的结构、组织形态、力学性能有何特点？
α为铁素体，Fe3C为渗碳体，C为碳元素，P为珠光体，γ、A为奥氏体，Ld为高莱氏体，（Ld `）为低温莱氏体。
α为体心立方结构，溶碳量低，强度、硬度低，塑性、韧性好。γ、A是碳在γ—Fe中形成的间隙固溶体，为面心立方结构，溶碳量较大，是高温组织，硬度较低，塑性较高，易于成形。Fe3C是铁和碳的金属化合物，含碳量6.69%，硬度很高，脆性很大，塑性和韧性几乎为零。P是铁素体与渗碳体的机械混合物，碳的分数为0.77%，具有良好的力学性能。Ld是奥氏体与渗碳体的机械混合物，（Ld `）是珠光体与渗碳体的机械混合物，含碳量4.3%，力学性能与渗碳体接近。 16、碳钢与铸铁两者的成分、组织和性能有何差别？并说明原因。
碳含量小于2.11%是碳钢，大于2.11%是铸铁；碳钢中的碳与铁以金属化合物的形式存在，而铸铁中的碳以游离石墨的形式存在；碳钢的力学性能较好，其硬度、强度随含碳量的增加而增加，塑性、韧性随含碳量的增加而下降，铸铁的力学性能取决于石墨的形状、大小及分布；铸铁的铸造性能优于碳钢；铸铁不能进行压力加工，其焊接性能远不及碳钢。
17、分析碳的质量分数分别为0.20%、0.60%、0.80%、1.0%的铁碳合金从液态缓慢冷至室温时的结晶过程和室温组织。指出这四种成分组织与性能的区别。
碳的质量分数为0.20%、0.60%的铁碳合金均属于亚共析钢，从液态缓慢冷至室温时的结晶过程为：经过AC线时从液态中结晶出A，经过AE线时全部结晶为A，经过GS线时由于贫碳有F析出，经过PSK线时剩余的A转变为P，室温组织为P+F。并随碳的质量分数的增加P增加，F减少。
碳的质量成分分别为0.80%、1.0%的铁碳合金均属于过共析钢，从液态缓慢冷至室温时的结晶过程为：经过AC线时从液态中结晶出A，经过AE线时全部结晶为A，经过ES线时由于富碳有Fe3CⅡ析出，经过PSK线时剩余的A转变为P，室温组织为P+ Fe3CⅡ。并随碳的质量分数的增加Fe3CⅡ增加，P减少。
由于F、P、Fe3CⅡ，的力学性能上的差异，随碳的质量分数的增加铁碳合金的强度和硬度增加，而塑性和韧性下降。
18、渗碳体有哪5种基本形态，它们的来源和形态有何区别？
一次渗碳体是从液体中直接析出，呈长条形；二次渗碳体从奥氏体中析出，沿晶界呈网状；三次渗碳体从铁素体中析出，沿晶界呈小片或粒状；共晶渗碳体是同奥氏体相关形成，在莱氏体中为连续的机体；共析渗碳体同铁素体相关形成，呈交替片状。
19、根据Fe- Fe3C相图，说明产生下列现象的原因。
（1）碳的质量分数为1.0%的钢比碳的质量分数为0.5%的钢硬度高。 （2）低温莱氏体的塑性比珠光体的塑性差。
（3）捆扎物体一般用铁丝，而起重机起吊重物却用钢丝绳。
（4）一般要把钢材加热到高温下（1000~1250℃）进行热轧或锻造。
（5）钢适宜于通过压力成形，而铸铁适宜于通过铸造成形。
（1）钢随碳的质量分数的增加铁素体减少，而渗碳体增加。渗碳体的硬度比铁素体的硬度高。
（2）低温莱氏体由珠光体和渗碳体组成，珠光体塑性较好，而渗碳体的塑性几乎为零。
（3）捆扎物体需材料有一定的塑性，而起吊重物需材料有一定的强度和硬度。钢材随碳的质量分数的增加强度、硬度增加，塑性、韧性下降。 （4）把钢材加热到高温下（1000~1250℃），钢为单相奥氏体组织。其塑性好，变形抗力小。
（5）加热到高温下（1000~1250℃），钢为单相奥氏体组织。其塑性好，变形抗力小利于压力成形；而钢的流动性差，在冷却的过程中收缩率大，铸造性能比铸铁差。铸铁结晶温度范围窄，流动性好，在冷却的过程中收缩率小，铸造性能好；但其属于脆性材料，不能压力成形。
第三章 金属热处理及表面改性（40）
1、钢的热处理的基本原理是什么？其目的和作用是什么？
钢的热处理是将钢在固态下、在一定的介质中施以不同的加热、保温和冷却来改变钢的组织，从而获得所需性能的一种工艺。原理：同素异构转变；其目的和作用：充分发挥材料的潜力，提高零件使用性能，延长使用寿命。改善材料的加工性能。。
2、什么是连续冷却与等温冷却？两种冷却方式有何差异？试画出共析钢过冷奥氏体的这两种冷却方式的示意图，并说明图中各个区域、各条线的含义。 等温冷却：先将已奥氏体化的钢快冷至A1线以下一定温度，成为过冷奥氏体。进行保温，使奥氏体在等温下进行组织转变。转变完后再冷却至室温。
连续冷却：将已奥氏体化的钢冷却，使其在温度连续下降的过程中发生组织转变。
等温冷却所得组织单一，分为珠光体、贝氏体和马氏体。连续冷却所得组织不均匀，是几种转变产物的复合。 示意图见书P30、P32。
3、A在等温冷却转变时，按过冷度的不同可以获得哪些组织？ 可以获得：珠光体、索氏体、托氏体（屈氏体）、贝氏体和马氏体。 4、退火的主要目的是什么？常用的退火方法有哪些？ 退火的主要目的（1）降低钢的硬度，使其易于切削加工；（2）提高钢的塑性和韧性，以易于切削和冷变形加工；（3）消除钢中的组织缺陷，为热锻、热轧或热处理作好组织准备；（4）消除前一工序中所产生的内应力，以防变形或开裂。 常用的退火方法：完全退火、等温退火、球化退火（不完全退火）、均匀化退火（扩散退火）、去应力退火和再结晶退火等。
5、完全退火与不完全退火在加热规范、组织转变和运用上有何不同？为什么亚共析钢一般不采用不完全退火，共析钢不采用完全退火？
完全退火：将钢加热至Ac3以上30℃—50℃，保温一定时间，缓慢冷却的工艺。奥氏体转变为珠光体和铁素体。适用于亚共折成分的中碳钢和中碳合金钢的铸、锻件及热轧型材。目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度和改善切削加工性能。 不完全退火：将钢加热到Ac1以上20℃—30℃ ，保温后，缓慢冷却的工艺。适用于。共析或过共析钢。使P中的片状Fe3C和网状二次Fe3C球化，转变成球状