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1、机械工程材料习题答案王章忠主编第二版例1：某工厂生产精细丝杠，尺寸为40800mm，要求热处理后变形小，尺寸稳定，外表硬度为6064HRC，用CrWMn钢制造;其工序如下：热轧钢棒下料球化退火粗加工淬火、低温回火精加工时效精磨。试分析：1.用CrWMn钢的原因。2.分析工艺安排能否到达要求，怎样改良？丝杠是机床重要的零件之一，应用于进给机构和调节移动机构，它的精度高低直接影响机床的加工精度、定位精度和测量精度，因而要求它具有高精度和高的稳定性、高的耐磨性。在加工处理经过中，每一工序都不能产生大的应力和大的应变；为保证使用经过中的尺寸稳定，需尽可能消除工件的应力，尽可能减少残余奥氏体量。丝杠受力
2、不大，但转速很高，外表要求有高的硬度和耐磨性，洛氏硬度为6064HRC。根据精细丝杠的上述要求，选用CrWMn钢较为适宜。其原因如下：1CrWMn钢是高碳合金工具钢，淬火处理后能获得高的硬度和耐磨性，可满足硬度和耐磨性的要求。2CrWMn钢由于参加合金元素的作用，具有良好的热处理工艺性能，淬透性好，热处理变形小，有利于保证丝杠的精度。目前，9Mn2V和CrWMn用得较多，但前者淬透性差些，适用于直径较小的精细丝杠。对原工艺安排分析：原工艺道路中，由于在球化退火前没有安排正火；机加工后没有安排去应力退火；淬火、低温回火后没有安排冰冷处理等项原因，使得精细丝杠在加工经过中会产生很大的应力和变形，很
3、难知足精细丝杠的技术要求。所以原工艺道路应改为：下料正火球化退火粗加工去应力退火淬火、低温回火冷处理低温回火精加工时效半精磨时效精磨。例2：有一载重汽车的变速箱齿轮，使用中遭到一定的冲击，负载较重，齿外表要求耐磨，硬度为5862HRC齿心部硬度为3045HRC，其余力学性能要求为1000MPa，600MPa，A48J。试从所KOFb给材料中选择制造该齿轮的适宜钢种。35、45、20CrMnTi、38CrMoAl、T12分析：从所列材料中能够看出35、45、T12钢不能知足要求。对剩余两个钢种比拟，20CrMnTi能全面知足齿轮的性能要求。其工艺流程如下：下料锻造正火机加工渗碳淬火低温回火喷丸磨
4、齿。例3：机械式计数器内部有一组计数齿轮，最高转速为350r/min，该齿轮用下列哪些材料制造适宜，并简述理由。40Cr、20CrMnTi、尼龙66。工作条件分析：计数器齿轮工作时，运转速度较低、承受的扭矩很小，齿轮间存在摩擦，因而要求摩擦系数小，耐磨性好。由于该构造特点要求选材时重量要轻，工作噪音要小，在无润滑条件下长时间工作，制造工艺简单，价格便宜，很明显，40Cr，20CrMnTi等合金钢由于价格太贵、太重、加工复杂而不适宜。而尼龙66工程塑料较为适宜。其原因：1有足够的抗弯强度7090MPa和冲击吸收功1045J。2耐磨、减磨、消音、耐应力开裂。340100可长期使用。4有较好的弹性，
5、吸震，防冲击，噪声小。重量轻。56耐蚀性好。7可用注射法一次成型，制造工艺简单，生产率高，成本低。第一章作业13现有一碳钢制支架刚性缺乏，采用下面三种方法中的哪种方法可有效解决此问题？为何？改用合金钢；进行热处理改性强化；改变该支架的截面与构造形状尺寸。答：选，改变该支架的截面与构造形状尺寸。由于金属材料的刚度决定于基体金属的性质，当基体金属确定时，难于通过合金化、热处理、冷热加工等方法使之改变。14对自行车座位弹簧进行设计和选材，应涉及到材料的哪些主要性能指标？答：强度、弹性、疲惫极限。19传统的强度设计采用许用应力=n,为何不能一定保证零件的安全性？有人讲：“安全系数n越大，零件工作时便越
6、安全可靠。，你如何认识这句话？答：传统的强度设计采用=n，都是假设材料是均匀无缺陷的，而实际上材料中存在着既存或后生的微小宏观裂纹，因而在实际的强度设计中还应考虑材料抵抗脆性断裂的力学性能指标断裂韧度KI，只考虑许用应力=n是不能保证零件的安全性的。“n越大，零件越安全也是不对的，由于=n,n增大就会使降低而牺牲材料的强度，将塑性和韧性取大一些，导致偏低而零件的尺寸与重量增加，浪费了原材料。111一般以为铝、铜合金的耐蚀性优于普通钢铁材料，试分析在潮湿性环境下铝与铜的接触面上发生腐蚀现象的原因。答：潮湿环境下铝与铜的接触面上会发生电化学腐蚀，由于这时铝与铜的接触面因电极电位不同存在着电极电位差
7、而发生电化学腐蚀。第二章作业21常见的金属晶体构造有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？Fe、Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn各属何种构造？答：常见晶体构造有3种：体心立方：Fe、Cr、V面心立方：Fe、Al、Cu、Ni密排六方：Mg、Zn2-2已知Fe的晶格常数a=要大于Fe的晶格常数a=,但为何Fe冷却到912转变为Fe时体积反而增大？答：Fe冷却到912转变为Fe时体积增大，是由于转变之后面心立方的Fe转变为体心立方的Fe时致密度变小。FeFe晶胞原子数4晶胞原子数2。2的体积Fe个2的体积为Fe转变之后231gFe在室温和1000时各含有多少个晶胞？答：Fe在室温下
8、为体心立方，晶胞原子数为2，这时1gFe的晶胞数(1/561023)/2=1021个在1000时为面心立方，晶胞原子数为4，这时1gFe的晶胞数(1/561023)/41021个24已知铜的原子直径为，求其晶格常数，并计算1mm3铜中的原子数。答：a=a=原子数4晶胞数41019个26总结讲明实际金属晶体材料的内部构造特点。答：实际金属晶体材料内部存在晶体缺陷：点缺陷：空位、间隙原子、置换原子线缺陷：位错面缺陷：晶界、亚晶界第三章作业32假如其它条件一样，试比拟在下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小；金属模浇注与砂模浇注；高温浇注与低温浇注；铸成薄壁件与铸成厚壁件；浇注时采用振动与不采用振动；厚
9、大铸件的外表部分与中心部分。答：晶粒大小：金属模浇注的晶粒小低温浇注的晶粒小铸成薄壁件的晶粒小采用振动的晶粒小厚大铸件外表部分的晶粒小33Si、C、N、Cr、Mn、B等元素在Fe中各构成哪些固溶体？答：Si、Cr、Mn构成置换固溶体，C、N、B构成间隙固溶体。34间隙固溶体与间隙化合物在晶体构造与性能上有何区别？举例讲明。答：间隙固溶体的晶体构造与组成合金的一个金属组元的构造一样，它是溶质原子进入金属溶剂晶格的间隙时构成的固溶体，如：F和A，构成间隙固溶体能够提高金属的强度和硬度，起到固溶强化的作用。间隙化合物的晶体构造与组元的构造不同，间隙化合物是由H、B、C、N等原子半径较小的非金属元素以
10、X表示与过渡族金属元素以M表示结合，且半径比rX/rM时构成的晶体构造很复杂的化合物，如Fe3C,间隙化合物硬而脆，塑性差。37为何铸造合金常选用接近共晶成分的合金？为何要进行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？答：共晶成分的合金熔点低，凝固温度区间最小，流动性好，适于铸造。单相固溶体成分的合金强度均匀，塑性好，便于压力加工。38为何钢锭希望减少柱状晶区，而铜锭、铝锭往往希望扩大柱状晶区？答：在柱状晶区，柱状晶粒相互间的界面比拟平直，气泡缩孔很小，组织比拟致密。但当沿不同方向生长的两组柱状晶相遇时，会构成柱晶间界。柱晶间界是杂质、气泡、缩孔较密集地区，是铸锭的脆弱结合面，故钢锭应减少柱状
11、晶区，以避免在热轧时开裂。对塑性好的铜锭、铝锭不会因热轧而开裂，故往往希望扩大柱状晶区。43冷塑性变形与热塑性变形后的金属能否根据其显微组织加以区别？答：能够通过显微组织来判定是冷塑性变形还是热塑性变形，冷塑性变形后的晶粒形状呈扁平形或长条形，热塑性变形后的晶粒是等轴晶粒。44在常温下为何细晶粒金属强度高，且塑性、韧性也好？试用多晶体塑性变形的特点予以解释。答：晶粒细小而均匀，不仅常温下强度较高，而且塑性和韧性也较好，即强韧性好。原因是：1强度高：Hall-Petch公式。晶界越多，越难滑移。2塑性好：晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中。3韧性好：晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。45
12、金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒？为何？答：再结晶退火必须用于经冷塑性变形加工的材料，其目的是改善冷变形后材料的组织和性能。再结晶退火的温度较低，一般都在临界点下面。若对铸件采用再结晶退火，其组织不会发生相变，也没有构成新晶核的驱动力(如冷变形储存能等)，所以不会构成新晶粒，也就不能细化晶粒。48钨在1000变形加工，锡在室温下变形加工，请讲明它们是热加工还是冷加工钨熔点是3410，锡熔点是232？答：W、Sn的最低再结晶温度分别为:TR(W)=(3410+273)273=12001568()1000TR(Sn)=(232+273)273=-71-20()25所以W在1000时为冷加工，S
13、n在室温下为热加工考虑题比拟冲击韧度、断裂韧度的异同点和它们用来衡量材料韧性的合理性。答：一样点：冲击韧度和断裂韧度都反映了材料在塑性变形和断裂的全经过中吸收能量的能力。不同点：冲击韧度一般只用来评定中低强度钢的韧性，仅反映材料在一次大能量冲击加载条件下的抵抗变形与断裂的能力，只适用于均匀的无缺陷材料。而断裂韧度是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，表征了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。第五章作业5-4根据Fe-Fe3C相图计算，室温下，分别为和的钢中组织组成物的相对量。(1)=%P%=%P%=26%，F%=74%(2)=%P%+(1-P%)%=%P%=%，Fe3C=%5-5某仓库中积压了很多退火
14、状态的碳钢，由于钢材混杂不知其化学成分，现找出一根，经金相分析后发现组织为珠光体和铁素体，其中珠光体占75。问此钢的碳含量大约为多少？答：P%75测试题某碳钢，相组成中，F93。求：1C？属哪种钢？2组织组成物的百分比？答：1C1F7，属亚共析钢2=P,P，F1P第六章作业6-2如下列图所示，T12钢加热到Ac1以上，用图示的各种方法冷却，分析各自得到的组织。答:a水中淬火MFe3Cb分级淬火MFe3Cc油中淬火MTFe3CFe3C下B等温淬火de正火SFe3Cf完全退火PFe3Cg等温退火PFe3C6-3为改善可加工性，确定下列钢件的预备热处理方法，并指出所得到的组织：120钢钢板2T8钢锯
15、条3具有片状渗碳体的T12钢钢坯答:(1)20钢钢板：正火S+F；(2)T8钢锯条：球化退火球状P；(3)具有片状渗碳体的T12钢钢坯:球化退火球状PCm6-4将同一棒料上切割下来的4快45钢试样，同时加热到850，然后分别在水、油、炉、空气中冷却，讲明：各是何种热处理工艺？各获得什么组织？排列一下硬度的大小顺序。答：(1)水冷：淬火M(2)油冷：淬火M+T(3)炉冷：退火P+F(4)空冷：正火S+F硬度顺序：(1)(2)(4)(3)6-5残留奥氏体对钢淬火后的性能有何影响？用什么方法能够减少残留奥氏体的数量？答:残留奥氏体不仅降低了淬火钢的硬度和耐磨性，而且在工件的长期使用经过中，残留奥氏体
16、还会发生转变，使工件形状尺寸变化，降低工件尺寸精度。用“冷处理能够减少残留奥氏体的数量。6-9仓库中有45钢、38CrMoAlA钢和20CrMnTi钢，它们都能够用来制造齿轮，为了知足齿轮的使用要求，问各应进行何种热处理？并比拟它们经热处理后在组织和性能上的不同。答:(1)45钢：先调质，感应加热外表淬火低温回火组织：表层M回,心部S回(2)38CrMoAlA：先调质，后氮化组织：表层氮化组织，心部S回(3)20CrMnTi：渗碳，淬火低温回火组织：M回少量AR,心部FP6-10某一用45钢制造的零件，其加工道路如下：备料锻造正火粗机械加工调质精机械加工高频感应加热淬火低温回火磨削，请讲明各热
17、处理工序的目的及热处理后的组织。答：正火目的:消除锻造应力,改善切削加工性,同时均匀组织,细化晶粒,为后续热处理作组织准备。组织:晶粒均匀细小的F和S。调质目的:提高塑性、韧性,使零件获得较好的综合力学性能。组织:S回。高频感应加热淬火目的:提高工件外表的硬度和耐磨性,而心部仍保持良好的塑性和韧性。低温回火目的:降低内应力和脆性。表层组织:M回，心部组织：S回。6-12选择下列零件的热处理方法，并编写简明的工艺道路各零件均选用锻造毛坯，并且钢材具有足够的淬透性：1某机床变速箱齿轮模数m=4，要求齿面耐磨，心部强度和韧性要求不高，材料选用45钢；钢；45，材料选用HRC50-55某机床主轴，要求
18、有良好的综合机械性能，轴径部分要求耐磨23镗床镗杆，在重载荷下工作，精度要求极高，并在滑动轴承中运转，要求镗杆外表有极高的硬度，心部有较高的综合机械性能，材料选用38CrMoALA。4M12丝锥，要求刃部硬度为6062HRC，柄部硬度为3040HRC，材料选用T12A。答:45钢机床变速箱齿轮:下料锻造正火粗加工调质精加工超音频感应加热淬火+低温回火精磨成品；45钢机床主轴:下料锻造正火粗加工调质精加工外表淬火+低温回火精磨成品；38CrMoAlA镗床镗杆:下料锻造退火粗加工调质精加工氮化研磨成品；T12A丝锥:锻造球化退火机加工淬火低温回火柄部盐浴加热快速退火精加工。测试题：有5根直径为10
19、mm的45钢圆棒，都先经1.840加热淬火、2.760加热淬火、3.调质，然后分别加热到11100；2840；3760；4550；5180，再水冷至室温后各得到什么组织？为何？答：1.840加热淬火11100粗大M(过热淬火)2840M(重新淬火)3760M+F不完全淬火4550S回淬火后高温回火5180M回淬火后低温回火2.760加热淬火11100粗大M(过热淬火)2840M(淬火)3760M+F不完全淬火4550S回F淬火后高温回火5180M回F淬火后低温回火3.调质11100粗大M(过热淬火)2840M(重新淬火)3760M+F不完全淬火4550S回不变5180S回不变27.调质处理后的
20、40钢齿轮，经高频感应加热后的温度T分布如下列图所示。试分析高频感应加热水淬后，轮齿由外表到中心各区、的组织。答：MMF-S回28.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；2ZG35的铸造齿轮；3锻造过热后的60钢锻坯；4改善T12钢的切削加工性能。答:1再结晶退火,目的：细化晶粒，均匀组织，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。得到P+FP为等轴晶；2去应力退火,目的：消除铸造内应力。得到P+F；目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，,重结晶退火完全退火、等温退火3改善切削加工性。得到P+F；4
21、球化退火,目的：使片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。得到颗粒状P+Fe3C。29.讲明直径为10mm的45钢试样分别经下列温度加热：700、760、840、1100，保温后在水中冷却得到的室温组织。答：30.两个碳质量分数为的碳钢薄试样，分别加热到780和900，保温一样时间奥氏体化后，以大于淬火临界冷却速度的速度冷却至室温。试分析：1哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大？2哪个温度加热淬火后马氏体碳含量较多？3哪个温度加热淬火后残余奥氏体较多？4哪个温度加热淬火后未溶渗碳体较多？5你以为哪个温度加热淬火适宜？为何？答：19002900390047805780，综上所述此温度淬火后得到均匀细小的M+颗粒状Cm+AR的混合组织，使钢具有最大的硬度和耐磨性。42.用T10钢制造形状简单的车刀，其工艺道路为：锻造热处理机加工热处理磨加工。1写出其中热处理工序的名称及作用。2制定最终热处理磨加工前的热处理的工艺规范，并指出车刀在使用状态下的显微组织和大致硬度。