机械工程材料
思考题参考答案
第一章金属的晶体结构与结晶
1．解释下列名词
点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体，
过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。
答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。
线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如位错。
面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。如晶界和亚晶界。
亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。
亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。
刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。
滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。如果相对滑移的结果上半部
分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃
口，故称“刃型位错”。
单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。
多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。
过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。
自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。
非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。
变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，
细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。
变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。
2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Pb 、Cr 、V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？
答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；
α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格；
γ－Fe 、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格；
Mg、Zn属于密排六方晶格；
3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？
答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。晶体中配位数和致密度越大，则晶体中原子排列越紧密。
4.晶面指数和晶向指数有什么不同？
答：晶向是指晶格中各种原子列的位向，用晶向指数来表示，形式为[]
uvw；晶面是指晶格中不同方位上的原子面，用晶面指数来表示，形式为()
hkl。
5.实际晶体中的点缺陷，线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响？
答：如果金属中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随着晶体中缺陷的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。因此，无论点缺陷，线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变，从而使晶体强度增
加。同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻，降低金属的抗腐蚀性能。
6.为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？
答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。
7.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？
答：①冷却速度越大，则过冷度也越大。②随着冷却速度的增大，则晶体内形核率和长大速度都加快，加速结晶过程的进行，但当冷速达到一定值以后则结晶过程将减慢，因为这时原子的扩散能力减弱。③过冷度增大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。
8.金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？
答：①金属结晶的基本规律是形核和核长大。②受到过冷度的影响，随着过冷度的增大，晶核的形成率和成长率都增大，但形成率的增长比成长率的增长快；同时外来难熔杂质以及振动和搅拌的方法也会增大形核率。
9.在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？在生产中如何应用变质处理？
答：①采用的方法：变质处理，钢模铸造以及在砂模中加冷铁以加快冷却速度的方法来控制晶粒大小。②变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒。③机械振动、搅拌。
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、回复、再结晶、热加工、冷加工。
答：加工硬化：随着塑性变形的增加，金属的强度、硬度迅速增加；塑性、韧性迅速下降的现象。
回复：为了消除金属的加工硬化现象，将变形金属加热到某一温度，以使其组织和性能发生变化。在加热温度较低时，原子的活动能力不大，这时金属的晶粒
大小和形状没有明显的变化，只是在晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移
等变化，因此，这时金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，而只是
使内应力及电阻率等性能显著降低。此阶段为回复阶段。
再结晶：被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能力，使晶粒的外形开始变化。从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒形状相似，
晶格类型相同，把这一阶段称为“再结晶”。
热加工：将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行压力加工。
冷加工：在再结晶温度以下进行的压力加工。
2．产生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金属加工中有什么利弊？
答：①随着变形的增加，晶粒逐渐被拉长，直至破碎，这样使各晶粒都破碎成细碎的亚晶粒，变形愈大，晶粒破碎的程度愈大，这样使位错密度显著增加；同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长。因此，随着变形量的增加，由于晶粒破碎和位错密度的增加，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬化”现象。②金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难，如钢板在冷轧过程中会越轧越硬，以致最后轧不动。另一方面人们可以利用加工硬化现象，来提高金属强度和硬度，如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度的。加工硬化也是某些压力加工工艺能够实
现的重要因素。如冷拉钢丝拉过模孔的部分，由于发生了加工硬化，不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔的部分，这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。3．划分冷加工和热加工的主要条件是什么？
答：主要是再结晶温度。在再结晶温度以下进行的压力加工为冷加工，产生加工硬化现象；反之为热加工，产生的加工硬化现象被再结晶所消除。
4．与冷加工比较，热加工给金属件带来的益处有哪些？
答：（1）通过热加工，可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得以提高。
（2）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，机械性能提高。
（3）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变，使它们沿着变形的方向细碎拉长，形成热压力加工“纤维组织”（流线），使纵向的强度、塑性和韧性显著大于横向。如果合理利用热加工流线，尽量使流线与零件工作时承受的最大拉应力方向一致，而与外加切应力或冲击力相垂直，可提高零件使用寿命。
5．为什么细晶粒钢强度高，塑性，韧性也好？
答：晶界是阻碍位错运动的，而各晶粒位向不同，互相约束，也阻碍晶粒的变形。因此，金属的晶粒愈细，其晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈多，对塑性变形的抗力也愈大。因此，金属的晶粒愈细强度愈高。同时晶粒愈细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的变形量便可分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，而不致造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产生和发展。因此，塑性，韧性也越好。
6．金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化？
答：①晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性，如纵向的强度和塑性远大于横向等；
②晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化，即随着变形量的增加，强度和硬度显
著提高，而塑性和韧性下降；③织构现象的产生，即随着变形的发生，不仅金属中的晶粒会被破碎拉长，而且各晶粒的晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动，转动结果金属中每个晶粒的晶格位向趋于大体一致，产生织构现象；④冷压力加工过程中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间的变形不均匀，金属内部会形成残余的内应力，这在一般情况下都是不利的，会引起零件尺寸不稳定。7．分析加工硬化对金属材料的强化作用？
答：随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割、位错缠结加剧，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力的增加。这样，金属的塑性变形就变得困难，要继续变形就必须增大外力，因此提高了金属的强度。
8．已知金属钨、铁、铅、锡的熔点分别为3380℃、1538℃、327℃、232℃，试计算这些金属的最低再结晶温度，并分析钨和铁在1100℃下的加工、铅和锡在室温（20℃）下的加工各为何种加工？
答：T再=0.4T熔；钨T再=[0.4*（3380+273）]-273=1188.2℃;铁T再=[0.4*（1538+273）]-273=451.4℃;铅T再=[0.4*（327+273）]-273=-33℃;锡T再=[0.4*（232+273）]-273=-71℃.由于钨T再为1188.2℃＞1100℃，因此属于热加工；铁T再为451.4℃＜1100℃，因此属于冷加工；铅T再为-33℃＜20℃，属于冷加工；锡T再为-71＜20℃，属于冷加工。
9．在制造齿轮时，有时采用喷丸法（即将金属丸喷射到零件表面上）使齿面得以强化。试分析强化原因。
答：高速金属丸喷射到零件表面上，使工件表面层产生塑性变形，形成一定厚度的加工硬化层，使齿面的强度、硬度升高。
第三章合金的结构与二元状态图
1．解释下列名词：
合金，组元，相，相图；固溶体，金属间化合物，机械混合物；枝晶偏析，比重偏析；
固溶强化，弥散强化。
答：合金：通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。
组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。
相：在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均称之为相。
相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图。
固溶体：合金的组元之间以不同的比例混合，混合后形成的固相的晶格结构与组成合金的某一组元的相同，这种相称为固溶体。
金属间化合物：合金的组元间发生相互作用形成的一种具有金属性质的新相，称为金属间化合物。它的晶体结构不同于任一组元，用分子式来表示其组成。
机械混合物：合金的组织由不同的相以不同的比例机械的混合在一起，称机械混合物。
枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较
多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。
比重偏析：比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起的。如果先共晶相与溶液之间的密度差别较大，则在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液
体中上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致，产生
比重偏析。
固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称
为固溶强化。
弥散强化：合金中以固溶体为主再有适量的金属间化合物弥散分布，会提高合金的强度、硬度及耐磨性，这种强化方式为弥散强化。
2．指出下列名词的主要区别：
1）置换固溶体与间隙固溶体；
答：置换固溶体：溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固溶体称置换固溶体。
间隙固溶体：溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体。2）相组成物与组织组成物；
相组成物：合金的基本组成相。
组织组成物：合金显微组织中的独立组成部分。
3．下列元素在α-Fe 中形成哪几种固溶体?
Si、C、N、Cr、Mn
答：Si、Cr、Mn形成置换固溶体；C、N形成间隙固溶体。
4．试述固溶强化、加工强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。
5．固溶体和金属间化合物在结构和性能上有什么主要差别？
答：在结构上：固溶体的晶体结构与溶剂的结构相同，而金属间化合物的晶体结构不同于组成它的任一组元，它是以分子式来表示其组成。
在性能上：形成固溶体和金属间化合物都能强化合金，但固溶体的强度、硬度比金属间化合物低，塑性、韧性比金属间化合物好，也就是固溶体有更好的
综合机械性能。
6. 何谓共晶反应、包晶反应和共析反应?试比较这三种反应的异同点.
答：共晶反应：指一定成分的液体合金，在一定温度下，同时结晶出成分和晶格均不相同的两种晶体的反应。
包晶反应：指一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另外一种固相的反应过程。
共析反应：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具有一定晶体结构的固相的反应。
共同点：反应都是在恒温下发生，反应物和产物都是具有特定成分的相，都处于三相平衡状态。
不同点：共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应；共析反应是一种固相在恒温下生成两种固相的反应；而包晶反应是一种液相与一种固相在恒温下生
成另一种固相的反应。
7．二元合金相图表达了合金的哪些关系？
答：二元合金相图表达了合金的状态与温度和成分之间的关系。
8．在二元合金相图中应用杠杆定律可以计算什么？
答：应用杠杆定律可以计算合金相互平衡两相的成分和相对含量。
9. 已知A（熔点 600℃）与B(500℃) 在液态无限互溶；在固态 300℃时A溶于 B 的最大溶解度为 30% ，室温时为10%，但B不溶于A；在 300℃时，含 40% B 的液态合金发生共晶反应。现要求：
1）作出A-B 合金相图；
2）分析 20% A,45%A,80%A 等合金的结晶过程，并确定室温下的组织组成物和相组成物的相对量。
答：（1）
（2）20%A合金如图①：
合金在1点以上全部为液相，当冷至1点时，开始从液相中析出α固溶体，至2
点结束，2～3点之间合金全部由α固溶体所组成，但当合金冷到3点以下，由于固溶体α的浓度超过了它的溶解度限度，于是从固溶体α中析出二次相A，因此最终显微组织：α+AⅡ
相组成物:α+A
A=（90-80/90）*100%=11% α=1-A%=89%
45%A合金如图②：
合金在1点以上全部为液相，冷至1点时开始从液相中析出α固溶体，此时液相线成分沿线BE变化，固相线成分沿BD线变化，当冷至2点时，液相线成分到达E点，发生共晶反应，形成（A+α）共晶体，合金自2点冷至室温过程中，自中析出二次相AⅡ，因而合金②室温组织：
AⅡ+α+(A+α) 相组成物:A+α
组织：AⅡ=（70-55）/70*100%=21% α=1- AⅡ=79%
A+α=（70-55）/(70-40）*100%=50%
相：A=（90-55）/90*100%=50% α=1-A%=50%
80%A合金如图③：
合金在1点以上全部为液相，冷至1点时开始从液相中析出A，此时液相线成分沿AE线变化，冷至2点时，液相线成分到达点，发生共晶反应，形成(A+α)共晶体，因而合金③的室温组织：A+ (A+α)
相组成物：A+α
组织：A=（40-20）/40*100%=50% A+α=1-A%=50%
相： A=（90-20）/90*100%=78% α=1-A%=22%
10．某合金相图如图所示。
1）试标注①—④空白区域中存在相的名称；
2）指出此相图包括哪几种转变类型；
3）说明合金Ⅰ的平衡结晶过程及室温下的显微组织。
答：(1)①：L+γ②: γ+β③: β+(α+β) ④: β+α
Ⅱ
(2)匀晶转变；共析转变
(3)合金①在1点以上全部为液相,冷至1点时开始从液相中析出γ固溶体
至2点结束,2～3点之间合金全部由γ固溶体所组成,3点以下,开始从
γ固溶体中析出α固溶体,冷至4点时合金全部由α固溶体所组成,4～5之间全部由α固溶体所组成,冷到5点以下,由于α固溶体的浓度超
过了它的溶解度限度,从α中析出第二相β固溶体,最终得到室稳下的
显微组织:α+β
Ⅱ
11．有形状、尺寸相同的两个 Cu-Ni 合金铸件，一个含 90% Ni ，另一个含50% Ni,铸后自然冷却，问哪个铸件的偏析较严重？
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。
第四章铁碳合金
1．何谓金属的同素异构转变？试画出纯铁的结晶冷却曲线和晶体结构变化图。
答：由于条件（温度或压力）变化引起金属晶体结构的转变，称同素异构转变。
2．为什么γ-Fe 和α- Fe 的比容不同？一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时，其体积如何变化？
答：因为γ-Fe和α- Fe原子排列的紧密程度不同，γ-Fe的致密度为74%,α- Fe的致密度为68%，因此一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变
时体积将发生膨胀。
3.何谓铁素体（F ）,奥氏体（A ），渗碳体（Fe 3C ），珠光体（P ）,莱氏体（Ld ）？
它们的结构、组织形态、性能等各有何特点？
答：铁素体（F ）：铁素体是碳在Fe -α中形成的间隙固溶体，为体心立方晶格。
由于碳在Fe -α中的溶解度`很小，它的性能与纯铁相近。塑
性、韧性好，强度、硬度低。它在钢中一般呈块状或片状。
奥氏体（A ）：奥氏体是碳在Fe -γ中形成的间隙固溶体，面心立方晶格。因
其晶格间隙尺寸较大，故碳在Fe -γ中的溶解度较大。有很好
的塑性。
渗碳体（Fe 3C ）：铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳
体具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。在钢中
以片状存在或网络状存在于晶界。在莱氏体中为连续的基
体，有时呈鱼骨状。
珠光体（P ）：由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体呈层片
状。珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。
莱氏体（Ld ）：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。在莱氏体中，渗碳体
是连续分布的相，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体基体上。由
于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。
4.Fe-Fe 3C 合金相图有何作用？在生产实践中有何指导意义？又有何局限性？
答：①碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。铁碳合金相图是
研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研
究和使用，各种热加工工艺的制订以及工艺废品原因的分析等方面都有重
要指导意义。②为选材提供成分依据：C Fe F 3+相图描述了铁碳合金的
组织随含碳量的变化规律，合金的性能决定于合金的组织，这样根据零件
的性能要求来选择不同成分的铁碳合金；为制定热加工工艺提供依据：对
铸造，根据相图可以找出不同成分的钢或铸铁的熔点，确定铸造温度；根
据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏。对于锻造：根据相
图可以确定锻造温度。对焊接：
根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性；对热处理：C Fe F 3+相图更为重要，如退火、正火、淬火的加热
温度都要参考铁碳相图加以选择。③由于铁碳相图是以无限缓慢加热和冷却的速度得到的，而在实际加热和冷却通常都有不同程度的滞后现象。
5.画出 Fe-Fe 3C 相图，指出图中 S 、C 、E 、P 、N 、G 及 GS 、SE 、PQ 、
PSK 各点、线的意义，并标出各相区的相组成物和组织组成物。
答:
C ：共晶点1148℃ 4.30%C ，在这一点上发生共晶转变，反应式：
C Fe A Lc E 3+?，当冷到1148℃时具有C 点成分的液体中同时结晶
出具有E 点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物——莱氏体
()()C Fe A Le E 3+→
E ：碳在Fe -γ中的最大溶解度点1148℃ 2.11%C
G ：Fe Fe -?-γα同素异构转变点（A 3）912℃ 0%C
H ：碳在Fe -δ中的最大溶解度为1495℃ 0.09%C
J ：包晶转变点1495℃ 0.17%C 在这一点上发生包晶转变，反应式：
J H B A L ?+δ当冷却到1495℃时具有B 点成分的液相与具有H 点成分
的固相δ反应生成具有J 点成分的固相A 。
N ：Fe Fe -?-δγ同素异构转变点（A 4）1394℃ 0%C
P ：碳在Fe -α中的最大溶解度点 0.0218%C 727℃
S ：共析点727℃ 0.77%C 在这一点上发生共析转变，反应式：
c Fe F A p s 3+?，当冷却到727℃时从具有S 点成分的奥氏体中同时
析出具有P 点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物——珠光体P
（c Fe F p 3+）
ES 线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm 温度线，随温度的降低，
碳在奥化体中的溶解度减少，多余的碳以C Fe 3形式析出，所以具
有0.77%～2.11%C 的钢冷却到Acm 线与PSK 线之间时的组织
ⅡC Fe A 3+，从A 中析出的C Fe 3称为二次渗碳体。
GS 线：不同含碳量的奥氏体冷却时析出铁素体的开始线称A 3线，GP 线
则是铁素体析出的终了线，所以GSP 区的显微组织是A F +。
PQ 线：碳在铁素体中的溶解度曲线，随温度的降低，碳在铁素体中的溶
解度减少，多余的碳以C Fe 3形式析出，从F 中析出的C Fe 3称为
三次渗碳体ⅢC Fe 3，由于铁素体含碳很少，析出的ⅢC Fe 3很少，
一般忽略，认为从727℃冷却到室温的显微组织不变。
PSK 线：共析转变线，在这条线上发生共析转变C Fe F A P S 3+?，产物
（P ）珠光体，含碳量在0.02～6.69%的铁碳合金冷却到727℃时
都有共析转变发生。
6.简述 Fe-Fe 3C 相图中三个基本反应：包晶反应,共晶反应及共析反应，写出
反应式，标出含碳量及温度。
答：共析反应：冷却到727℃时具有S 点成分的奥氏体中同时析出具有P 点成
分的铁素体和渗碳体的两相混合物。γ0.8??→??727F 0.02+Fe 3C 6.69
包晶反应：冷却到1495℃时具有B 点成分的液相与具有H 点成分的固相δ
反应生成具有J 点成分的固相A 。 L 0.5+δ0.1??→??1495γ0.16
共晶反应：1148℃时具有C 点成分的液体中同时结晶出具有E 点成分的奥
氏体和渗碳体的两相混合物。 L 4.3??→??1147
γ 2.14+ Fe 3C 6.69
7.何谓碳素钢？何谓白口铁？两者的成分组织和性能有何差别？
答：碳素钢：含有0.02%~2.14%C 的铁碳合金。
白口铁：含大于2.14%C 的铁碳合金。
碳素钢中亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成，其中珠光体中的渗碳
体以细片状分布在铁素体基体上，随着含碳量的增加，珠光体的含量增加，则钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。当含碳量达到0.8%时就是珠
光体的性能。过共析钢组织由珠光体和二次渗碳体所组成，含碳量接近
1.0%时，强度达到最大值，含碳量继续增加，强度下降。由于二次渗碳
体在晶界形成连续的网络，导致钢的脆性增加。
白口铁中由于其组织中存在大量的渗碳体，具有很高的硬度和脆性，难以
切削加工。
8.亚共析钢、共析钢和过共析钢的组织有何特点和异同点。
答：亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成。其中铁素体呈块状。珠光体
中铁素体与渗碳体呈片状分布。共析钢的组织由珠光体所组成。过共析
钢的组织由珠光体和二次渗碳体所组成，其中二次渗碳体在晶界形成连
续的网络状。
共同点：钢的组织中都含有珠光体。不同点：亚共析钢的组织是铁素体
和珠光体，共析钢的组织是珠光体，过共析钢的组织是珠光体
和二次渗碳体。
9.分析含碳量分别为 0.20% 、 0.60% 、 0.80% 、 1.0% 的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织.
答：0.80%C:在1~2点间合金按匀晶转变结晶出A ，在2点结晶结束，全部转
变为奥氏体。冷到3点时（727℃），在恒温下发生共析转变，转
变结束时全部为珠光体P ，珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体，
当温度继续下降时，珠光体中铁素体溶碳量减少，其成分沿固溶
度线PQ 变化，析出三次渗碳体ⅢC Fe 3，它常与共析渗碳体长在
一起，彼此分不出，且数量少，可忽略。
室温时组织P 。
0.60% C ：合金在1~2点间按匀晶转变结晶出A ，在2点结晶结束，全部转
变为奥氏体。冷到3点时开始析出F ，3-4点A 成分沿GS 线变化，
铁素体成分沿GP 线变化，当温度到4点时，奥氏体的成分达到S
点成分（含碳0.8%），便发生共析转变，形成珠光体，此时，原
先析出的铁素体保持不变，称为先共析铁素体，其成分为0.02%C ，
所以共析转变结束后，合金的组织为先共析铁素体和珠光体，当
温度继续下降时，铁素体的溶碳量沿PQ 线变化，析出三次渗碳
体，同样ⅢC Fe 3量很少，可忽略。
所以含碳0.40%的亚共析钢的室温组织为：F+P
1.0% C ：合金在1~2点间按匀晶转变结晶出奥氏体，2点结晶结束，合金为
单相奥氏体，冷却到3点，开始从奥氏体中析出二次渗碳体ⅡC Fe 3，
ⅡC Fe 3沿奥氏体的晶界析出，呈网状分布，3-4间ⅡC Fe 3不断析出，
奥氏体成分沿ES 线变化，当温度到达4点（727℃）时，其含碳量
降为0.77%，在恒温下发生共析转变，形成珠光体，此时先析出的
ⅡC Fe 3保持不变，称为先共析渗碳体，所以共析转变结束时的组织
为先共析二次渗碳体和珠光体，忽略ⅢC Fe 3。
室温组织为二次渗碳体和珠光体。
10．指出下列名词的主要区别：
1）一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体与共析渗碳体；
答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。
二次渗碳体：从A 中析出的C Fe 3称为二次渗碳体。
三次渗碳体：从F 中析出的C Fe 3称为三次渗碳体ⅢC Fe 3。
共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳
体。
共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳
体。
2） 热脆与冷脆。
答：热脆：S 在钢中以FeS 形成存在，FeS 会与Fe 形成低熔点共晶，当钢材
在1000℃~1200℃压力加工时，会沿着这些低熔点共晶体的边界开
裂，钢材将变得极脆，这种脆性现象称为热脆。
冷脆：P 使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有
所升高，使钢变脆，这种现象称为“冷脆”。
11．根据 Fe-Fe 3C 相图，计算：
《机械工程材料》期末试卷 班级：______________ 学号：___________ 姓名：____________ 一、名词解释(每题2分，共10分) 1.淬透性 2. 回火马氏体 3. 位错 4. 相 5. 加工硬化 二、判断正误(每题1分，共10分) 1. 可锻铸铁可以进行锻造加工。（） 2. 高分子材料中，大分子链之间的结合键是离子键( ) 3. 钢的淬硬性主要取决于钢中的碳元素含量，合金元素越高，其淬硬性越好。( ) 4. 所以金属均有明显的屈服现象。（） 5. 金属或合金中，凡成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为相。( ) 6. 在铁碳合金相图中，具有E点与F点之间成分的合金缓冷到1148℃时都将发生共晶转变。（） 7. 凡是液态凝固为固体的过程都是结晶过程。( ) 8. 铸造条件下，冷却速度越大，则过冷度越大，晶粒越细( ) 9. 马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，当奥氏体向马氏体转变时，体积要收缩。（） 10.复合材料中的增强相主要起承受应力和显示功能的作用。( ) 三、填空(每空1分，共15分) 1.金属的结晶主要由和两个基本过程。 2. 渗碳的方法主要有、和。 3. 完全退火是指将亚共析钢加热至A3+（30~50℃）完全奥氏体化，炉冷至室温得到和组织的热处理工艺。 4. 材料的工艺性能是指性、性、性和性。 5. 白口铸铁中碳主要以的形式存在，灰口铸铁中碳主要以的形式存在。 6. 常温下，金属单晶体的塑性变形方式为和。 四、选择题(单选或多选) (每题2分，共30分) 1.过共析钢正火的目的（）。 A. 调整硬度，便于切削加工 B.细化晶粒，为最终热处理作组织准备 C. 消除网状二次渗碳体 D.消除残余内应力，防止变形开裂 2. T12钢的正常淬火组织是（）。 A. 马氏体+残余奥氏体 B. 马氏体+颗粒状碳化物 C. 马氏体+铁素体 D.马氏体+残余奥氏体+颗粒状碳化物 11. 随冷塑性变形量增加，金属的（）。 A.强度下降，塑性提高 B.强度和塑性都下降 C.强度和塑性都提高 D.强度提
机械工程材料 思考题参考答案 第一章金属的晶体结构与结晶 1．解释下列名词 点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体， 过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。 答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。 线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如位错。 面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。如晶界和亚晶界。 亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。 亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。 刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。 滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。如果相对滑移的结果上半部 分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃 口，故称“刃型位错”。 单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。 多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。
过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。 自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。 非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。 变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率， 细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。 变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。 2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Pb 、Cr 、V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？ 答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格； α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格； γ－Fe 、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格； Mg、Zn属于密排六方晶格； 3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？ 答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。晶体中配位数和致密度越大，则晶体中原子排列越紧密。 4.晶面指数和晶向指数有什么不同？ uvw；晶面是指晶答：晶向是指晶格中各种原子列的位向，用晶向指数来表示，形式为[] hkl。 格中不同方位上的原子面，用晶面指数来表示，形式为() 5.实际晶体中的点缺陷，线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响？ 答：如果金属中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随着晶体中缺陷的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。因此，无论点缺陷，线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变，从而使晶体强度增
机械工程材料期末复习 《工程材料》复习思考题参考答案 第一章金属的晶体结构与结晶 1?解释下列名词 点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体，过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。 答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。 线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。 如位错。 面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。如晶界和亚晶界。 亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶 粒。 亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。 刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。如果相对滑移的 结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体 中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。 单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。
多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。 过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。 自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。 非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。 变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高 了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。 变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。 2■常见的金属晶体结构有哪几种？ a -Fe、丫- Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种晶体结构？ 答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格； a - Fe、Cr、V属于体心立方晶格； 丫― Fe、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格； Mg、Zn属于密排六方晶格； 3■配位数和致密度可以用来说明哪些问题？ 答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。晶体中配位数和致密度越大，则晶体中原子排列越紧密。 4■晶面指数和晶向指数有什么不同？ 答:晶向是指晶格中各种原子列的位向，用晶向指数来表示，形式为；晶面是指晶格中不同方位上的原子面，用晶面指数来表示，形式为。 5■实际晶体中的点缺陷，线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响？ 答：如果金属中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随着晶体中缺陷的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。因此，无论点缺陷，线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变，从而使晶体强度增加。同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻，降低金属的抗腐蚀性能。 6■为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？ 答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。 7■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？ 答：①冷却速度越大，贝U过冷度也越大。②随着冷却速度的增大，贝U晶体内形
机械工程材料(第二版)习题答案(王章忠) 例1：某工厂生产精密丝杠，尺寸为φ40×800mm，要求热处理后变形小，尺寸稳定，表面硬度为60～64HRC，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. 分析工艺安排能否达到要求，如何改进？ 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，因此要求它具有高精度和高的稳定性、高的耐磨性。在加工处理过程中，每一工序都不能产生大的应力和大的应变；为保证使用过程中的尺寸稳定，需尽可能消除工件的应力，尽可能减少残余奥氏体量。丝杠受力不大，但转速很高，表面要求有高的硬度和耐磨性，洛氏硬度为60～64 HRC。根据精密丝杠的上述要求，选用CrWMn钢较为合适。其原因如下：（1）CrWMn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。 （2）CrWMn钢由于加入合金元素的作用，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密丝杠。
对原工艺安排分析：原工艺路线中，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，使得精密丝杠在加工过程中会产生很大的应力和变形，很难满足精密丝杠的技术要求。所以原工艺路线应改为：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，使用中受到一定的冲击，负载较重，齿表面要求耐磨，硬度为58～62HRC齿心部硬度为30～45HRC，其余力学性能要求为σb＞1000MPa，σOF≥600MPa，AK ＞48J。试从所给材料中选择制造该齿轮的合适钢种。 35、45 、20CrMnTi 、38CrMoAl 、T12 分析：从所列材料中可以看出35、45 、T12钢不能满足要求。对剩余两个钢种的比较可见表1。 材料热处理σs/ MPa σb/ MPa /% φ/% AK/J 接触疲劳强度 /MPa 弯曲疲劳强度 /MPa 20CrMnTi 渗碳 淬火853 1080 10 45 55 1380 750 38CrMoAl 调质835 980 14 50 71 1050 1020
1．解释下列名词 点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体， 过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。 答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。 线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如位错。 面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。如晶界和亚晶界。 亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。 亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。 刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。 单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。 多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。 过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。 自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。 非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。 变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。 变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。 固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度，硬度升高的现象叫做固溶强化 原因：晶格畸变 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？ 答：①冷却速度越大，则过冷度也越大。②随着冷却速度的增大，则晶体内形核率和长大速度都加快，加速结晶过程的进行，但当冷速达到一定值以后则结晶过程将减慢，因为这时原子的扩散能力减弱。③过冷度增大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。 9.在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？在生产中如何应用变质处理？ 答：①采用的方法：变质处理，钢模铸造以及在砂模中加冷铁以加快冷却速度的方法来控制晶粒大小。②变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数
机械工程材料期末复习题 一、填空 1.纯金属常见的晶体结构有面心结构，体心结构和密排_____ 结构。金属中常见的点缺陷为，线缺陷为，面缺陷为；工程实践中，通常采 用晶体缺陷数量的方法强化金属 2.铁素体的强度高于纯铁，是由于发生了强化；孕育铸铁的强度高于普通灰口铸铁，是由于发生了强化；冷变形钢丝的强度高于退火态钢丝，是由于发生了强化；珠光体的强度高于铁素体，是由于发生了强化。 3.石墨为片状的灰口铸铁称为铸铁，石墨为团絮状的灰口铸铁称为 __ 铸铁，石墨为球状的灰口铸铁称为铸铁。其中，铸铁的韧性最，因而可以锻造。 4. 高分子材料中分子链的形状有三种，其中的型具有热固性，而具有热性。按照物理状态，室温下处于态的高分子材料称为塑料，处于__ 态的称为橡胶。高分子材料的加工成型是在其态下进行的。 5.滑动轴承材料的显微组织特征是：粒子分布在软中，或粒子分布在硬中，前者的承载能力于后者。 6.陶瓷材料中的气相是指，它是在过程中形成的，它了陶瓷的强度。 7．根据采用的渗碳剂的不同，将渗碳分为__________、__________和__________三种。 8、普通灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁中石墨的形态分别为__________、 __________、__________和__________。 9、陶瓷材料中的气相是指__ ，它是在________过程中形成的， 它了陶瓷的强度。 10、工程中常用的特殊性能钢有_________、_________、_________等。 11、金属的断裂形式有__________和__________两种。 12、按冶炼浇注时脱氧剂与脱氧程度分，碳钢分为_________、_________、_________和 _________。 13、金属元素在钢中形成的碳化物可分为_________、_________两类。 14、常见的金属晶体结构有____________、____________和____________三种。 15、合金常见的相图有__________、__________、__________和具有稳定化合物的二元相图。
机械工程师笔试试卷 姓名：分数： 一、简答题：（12题，每题5分，共60分） 1．钢根据用途可分几类？按其端面形状可分几类？ 2．角钢变形有哪几种？槽钢的变形有哪几种？ 3．什麽叫装配？装配的三要素是什么？ 4．影响材料冲压的因素有哪些？ 5．金属结构的主要形式有哪些？ 6．金属结构的连接方法有哪几种？ 7．装配中常用的测量项目有哪些？
8．零件上表面对下表面的平行度公差值为0.05mm，若要规定该上表面的平面度公差，其公差值与平行度公差值有何关系，为什么。 9．40Cr钢汽车转向节是汽车的重要零件，毛坯硬度要求241～285HBS，成品表面硬度为52～63HRC，需进行哪两种热处理工艺。 10．举例说明在什么情况下螺纹连接需要防松，防松方法可分为哪几类。 11．试述刀具前刀面上的积屑瘤能够为切削加工带来哪些有利因素，并说明其条件。 12．常用的表面处理工艺有哪几种（至少答出5种）。
二、应用题：（4题，每题10分，共40分） 1．下图为工作压力20MPa的液压油缸装配示意图，请说明以下问题： 1）以右端为例，说明Ф1小孔在启动和停止时的缓冲作用原理。 2）说明数字标示部分所用密封圈的密封形式和类型。 2．指出图示轴系结构设计中的错误，在错误之处标出数字作记号，分别按数字记号说明其错误原因。
3．一个带有键槽的内孔，其设计尺寸如图a所示。该内孔有淬火处理的要求，因此有如下的工艺安排（参见图b）： 1）镗内孔到 046 .0 8. 49+ φmm；2）插键槽；3）淬火处理；4）磨内孔，同时保证内孔直径03.0 50+ φmm和键槽 深度 3.0 8. 53+ mm两个设计尺寸的要求。请计算插键槽工序的工序尺寸A2。 4．浇铸系统由哪几部分组成，铸件浇注系统应满足哪些工艺要求？某形状复杂的铸件材质为HT200，质量为60kg，壁厚δ=6mm，采用封闭式浇铸系统，计算该铸件浇注系统各组元的截面积。
机械工程课后答案 第一章 1、什么是黑色金属什么是有色金属 答：铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料；黑色金属以外的所有金属及其合金称为有的金属。 2、碳钢，合金钢是怎样分类的 答：按化学成分分类；碳钢是指含碳量在%——%之间，并含有少量的硅、锰、硫、磷等杂质的铁碳合金。 3、铸铁材料是怎样分类的应用是怎样选择 答：铸铁根据石墨的形态进行分类，铸铁中石墨的形态有片状、团絮状、球状、蠕虫状四种，对应为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。 4、陶瓷材料是怎样分类的 答：陶瓷材料分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三种。 5、常见的金属晶体结构有哪几种它们的原子排列和晶格常数各有什么特点α -Fe，γ-Fe，Al，Cu，Ni，Pb，Cr，V，Mg，Zn各属何种金属结构 答：体心晶格立方，晶格常数a=b=c，α-Fe，Cr，V。面心晶格立方，晶格常数a=b=c，γ-Fe，Ni，Al，Cu，Pb。密排六方晶格，Mg，Zn。 6、实际金属晶体中存在哪些缺陷它们对性能有什么影响 答：点缺陷、破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，从而引起性能变化，是金属的电阻率增加，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。 线缺陷（位错）、少量位错时，金属的屈服强度很高，当含有一定量位错时，强度降低。当进行形变加工时，位错密度增加，屈服强度增高。 面缺陷（晶界、亚晶界）、晶界越多，晶粒越细，金属的塑性变形能力越大，塑性越好。 7、固溶体有哪些类型什么是固溶强化 答：间隙固溶体、置换固溶体。由于溶质元素原子的溶入，使晶格发生畸变，使之塑性变形抗力增大，因而较纯金属具有更高的强度、硬度，即固溶强化作用。 第二章
1、在什么条件下，布氏硬度实验比洛氏硬度实验好 答：布氏硬度实验主要用于硬度较低的退火钢、正火钢、调试刚、铸铁、有色金属及轴承合金等的原料和半成品的测量，不适合测定薄件以及成品。洛氏硬度实验可用于成品及薄件的实验。 2、σ的意义是什么能在拉伸图上画出来吗 答：表示对于没有明显屈服极限的塑性材料，可以将产生%塑性应变时的应变作为屈服指标，即为条件屈服极限。 3、什么是金属的疲劳金属疲劳断裂是怎样产生的疲劳破坏有哪些特点如何提高零件的疲劳强度 答：金属在反复交变的外力作用下强度要比在不变的外力作用下小得多，即金属疲劳； 疲劳断裂是指在交变载荷作用下，零件经过较长时间工作或多次应力循环后所发生的断裂现象； 疲劳断裂的特点：引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载下的屈服强度； 断裂时无明显的宏观塑性变形，无预兆而是突然的发生；疲劳断口能清楚的显示出裂纹的形成、扩展和最后断裂三个阶段； 提高疲劳强度：改善零件的结构形状，避免应力集中，降低零件表面粗糙度值以及采取各种表面强化处理如喷丸处理，表面淬火及化学热处理等。 4、韧性的含义是什么αk有何实际意义 答：材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，称为材料的韧性；冲击韧度αk表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，αk值的大小表示材料的韧性好坏。一般把αk值低的材料称为脆性材料，αk值高的材料称为韧性材料。 5、何谓低应力脆断金属为什么会发生低应力脆断低应力脆断的抗力指标是什么答：低应力脆断是在应力作用下，裂纹发生的扩展，当裂纹扩展到一定临界尺寸时，裂纹发生失稳扩展（即自动迅速扩展），造成构件的突然断裂；抗力指标为断裂韧性（P43） 6、一紧固螺栓使用后有塑性变形,试分析材料的那些性能指标没有达到要求 答：钢材的屈服强度未达到要求。 第三章 1、分析纯金属的冷却曲线中出现“平台”的原因 答：液态金属开始结晶时，由于结晶潜热的放出，补偿了冷却时散失的热量，
名词解释： 合金：由两种或两种以上金属元素；或金属与非金属元素熔炼、烧结或通过其方法由化学键组合而成的具有金属特性的物质。 同素异晶转变：在固态下，同一种元素由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的转变。 铁素体：碳溶解在α－Fe中形成的间隙固溶体。 再结晶：冷变形金属在加热时其组织和性能都恢复到变形前的软化状态的过程。淬透性：一种热处理工艺性能，表示材料在淬火时获得淬硬层深度的能力。 奥氏体：C在γ－Fe中的间隙固溶体，常用A或γ表示，是一种硬度较低而塑性较高的固溶体。 固溶体：组成合金的组元，在固态时相互溶解，所形成的单一均匀的物质。 自然时效：自然时效是指经过冷、热加工或热处理的金属材料，于室温下发生性能随时间而变化的现象。 加工硬化：金属材料随着冷塑变形程度的增大，强度和硬度逐渐升高，塑性和韧性逐渐降低的现象称为加工硬化或冷作硬化。 调质:对钢材作淬火+高温回火处理，称为调质处理。 碳素钢:含碳量≤2.11%的铁碳合金。 SPCD: 表示冲压用冷轧碳素钢薄板及钢带，相当于中国08A（13237）优质碳素结构钢。 填空题： 1.石墨为片状的灰口铸铁称为铸铁，石墨为团絮状的灰口铸铁称为__ 铸铁，石墨为球状的灰口铸铁称为铸铁。其中铸铁的韧性最高，因而可以锻造。 2. 陶瓷材料中的气相是指，在程中形成的，它了陶瓷的强度。 3.根据采用的渗碳剂的不同，将渗碳分为__________、__________和__________三种。 4.工程中常用的特殊性能钢有_________、_________、_________等。 5.金属的断裂形式有__________和__________两种。 6.金属元素在钢中形成的碳化物可分为_________、_________两类。 7.常见的金属晶体结构有____________、____________和____________三种。 1、普通灰口；可锻；球墨； 2、气孔；烧结；降低。 3、固体渗碳气体渗碳 4、不锈钢耐热钢耐磨刚 5、延性断裂 6、合金渗碳体特殊碳化物 7、体心立方晶格密排六方晶格
机械工程材料模拟练习题 一、填空题（每空0.5分） 1.常用测定硬度的方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度测试法。 2. 金属材料的力学性能主要包括强度、硬度、弹性、塑性等；强度的主要判据有屈服强度和抗拉强度，强度和塑性可以用拉伸实验来测定；压入法测量方法简便、不破坏试样，并且 能综合反映其它性能，在生产中最常用。 3. 铁碳合金在室温下平衡组织组成物的基本相是铁素体和渗碳体，随着碳的质量分数的增加，渗碳体相的相对量增多，铁素体相的相对量 却减少。 4. 珠光体是一种复相组织，它由铁素体和渗碳体按一定比例组成。珠光体用符号P表示。 5. 铁碳合金中，共析钢的w=0.77%,室温平衡组织为珠光体；亚共析钢的 w=0.0218%-cc0.77%，室温平衡组织为铁素体和珠光体；过共析钢的w=0.77%-2.11%,室温平衡组织为珠光c 体和二次渗碳体。 6. 铁碳合金结晶过程中，从液体中析出的渗碳体称为一次渗碳体；从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体；从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体。 7. 低碳钢的碳质量分数范围是：Wc≤0.25%、中碳钢：Wc=0.25%-0.6%、高碳钢：Wc>0.6%。 8. 金属的晶粒越细，强度、硬度越高，塑性、韧性越好。实际生产中可通过增加过冷度、变质处理和附加振动来细化晶粒。 9. 常用金属中，γ-Fe、Al、Cu 等金属具有面心立方晶格，α-Fe具有体心立 方晶格。 10. 金属的结晶是在过冷的情况下结晶的,冷却速度越快,过冷度越大，金属结晶后的晶粒越细小,力学性能越好。 11. 钢的热处理工艺是由（加热）、（保温）和（冷却）三个步骤组成的；热处理基本不改变钢件的（形状和尺寸），只能改变钢件的（结构组织）和（力学性能）。 12. 完全退火适用于（亚共析碳）钢，其加热温度为（Ac3以上30-50°C），冷却速度（缓慢），得到（铁素体和珠光体）组织。 13. 球化退火又称为（均匀化）退火，其加热温度在（Ac1）＋20-30℃，保温后（随炉缓慢）冷却，获得（球状珠光体）组织；这种退火常用于高碳工具钢等。 14. 中碳钢淬火后，再经低温回火后的组织为（回火马氏体），经中温回火后的组织为（回火托氏体），经高温回火后的组织为（回火索氏体）；淬火高温回火后具有（综合力学）性能。 15. 钢的高温回火的温度范围在（500-650°C），回火后的组织为（回火索氏体）。这里开始！！！16. 按化学成份分类，就含碳量而言，渗碳钢属低碳钢, 调质钢属中碳钢, 滚动轴承钢属高碳钢。 17. 高速钢W18Cr4V 中合金元素W 的作用是提高钢的红硬性和回火稳定性； Cr
工程材料 试题及答案 一、判断题 1、合金渗碳钢经最终热处理后的组织全部是回火马氏体。 （×） 2、热加工与冷加工的主要区别在于是否有加工强化现象产生。（×） 3、铸铁是含碳量小于2.11%的铁碳合金。（×） 4、二元共晶相图是指合金两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图。（×） 5、感应加热表面淬火一般只改变钢件表面层的组织，而不改变心部组织。（√） 6、一个合金的室温组织为α+β11 +（α+β），则它由三相组成。 （×） 7、将金属加热到再结晶温度以上时，金属将发生回复、再结晶及晶粒长大等变 化。（√） 8、金属在塑性变形后产生的纤维组织能使金属具有各向异性。（√） 9、碳钢的塑性和强度都随着含碳量的增加而降低。 （×） 10、金属的再结晶转变，也要经历形核与晶核长大的过程。 （√） 二、选择适宜材料并说明常用的热处理方法（30分） 三、（20分）车床主轴要求轴颈部位硬度为HRC54—58，其余地方为HRC20— 25，其加工路线为： 下料 锻造 正火 机加工 调质 机加工（精） 名称 候选材料 选用材料 热处理方法 最终组织 机床床身 T10A, KTZ450-06, HT200 HT200 时效 P ＋F ＋G 片 汽车后桥齿轮 40Cr, 20CrMnTi, 60Si2Mn 20CrMnTi 渗碳＋淬火＋低温回火 表面Cm ＋M ＋A ’ 心部 F ＋M 滚动轴承 GCr15, Cr12, QT600-2 GCr15 球化退火＋淬火＋低温回火 Cm ＋M ＋A ’ 锉刀 9SiCr, T12, W18Cr4V T12 球化退火＋淬火＋低温回火 Cm ＋M ＋A ’ 汽车板簧 45, 60Si2Mn, T10 60Si2Mn 淬火＋中温回火 T 回 钻头 W18Cr4V ，65Mn, 20 W18Cr4V 淬火＋低温回火 Cm ＋M ＋A ’ 桥梁 1Cr13, 16Mn, Q195 16Mn, 不热处理 F ＋P 滑动轴承 H70, ZSnSb11Cu6, T8 ZSnSb11C u6 不热处理 a+SnSb 耐酸容器 Q235, 1Cr18Ni9Ti, ZGMn13 1Cr18Ni9T i 固溶处理 A 发动机曲轴 QT600-3, 45, ZL101 QT600-3 等温淬火＋高温回火 S 回＋G 球
1材料的性能 1、抗拉强度：材料抵抗最大均匀塑性变形的能力。 2、硬度：材料表面抵抗局部微量塑性变形的能力。 3、刚度：材料抵抗弹性变形的能力。 2 材料的结构 1、晶胞：晶胞是能代表晶格中原子排列规律的最小几何单元。 2、致密度：晶胞中原子体积与晶胞体积的比值。 3、晶体各向异性：晶体中不同晶面或晶向上的原子密度不同，从而造 成晶体不同方向上的性能不同的现象。 4、指出固溶体和金属化合物在晶体结构和机械性能方面的区别。 答：固溶体仍保持溶剂的晶格类型。而金属化合物为新的晶格，它与任一组元均不相同。固溶体一般是塑性、韧性好，强度、硬度低；金属化合物是硬度高，塑性、韧性差。 5、常见的金属化合物有______________、_______________和_______________三种类型。（正常价化合物；电子化合物；间隙化合物和间隙相） 6、金属的晶粒愈细小，则金属的强度、硬度愈_______________、
塑性韧性愈_______________，这种现象称为_______________强化。（高；好；细晶） 7、原子在溶剂晶格中的分布不同，可将固溶体分为_______________固溶体和_______________ 固溶体。（间隙；置换） 8、按合金的相结构分，铁碳合金中的铁素体属于_______________，渗碳体属于_______________。（固溶体；金属化合物） 9、在合金中具有_______________化学成分、_______________结构且与其他部分隔开的均匀组成部分叫做相。（同一;同一） 10、晶界和亚晶界属于_______________ 缺陷，位错属于_______________缺陷。（面；线） 11、晶体缺陷，按几何特征可分为__________缺陷、__________缺陷和__________缺陷三种类型。（点；线；面） 12、与固溶体相比，金属化合物具有高硬度、低塑性。（正确） 13、由固溶体（基体）和金属化合物（第二相）构成的合金，适量的金属化合物在合金中起强化相作用。（正确） 14、间隙固溶体的机械性能和间隙化合物的机械性能是相似的。（错误） 15、金属化合物都遵守原子价规律，其成分固定并可用化学式表示。（错误） 16、只要组成合金的两组元的原子直径差达到一定值，便可形成无限固溶体。
《机械工程材料》课程考试模拟试卷A及答案 一、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分） 1、在设计汽车缸盖螺钉时，应选用的强度指标是（C ）。 A．?e B．?s C．?0.2 D．?b 2、在立方晶系中指数相同的晶面和晶向（B ）。 A．互相平行B．互相垂直C．即平行又垂直D．无必然联系 3、钢经调质处理后获得的组织是（C ）。 A．回火马氏体B．回火屈氏体C．回火索氏体D．回火贝氏体 4、钢的淬透性主要取决于（C ）。 A．含碳量B．冷却介质C．合金元素D．加热温度 5、用来合成高聚物的低分子化合物称为（B ）。 A．链节B．单体C．链段D．单分子 6、有一碳钢制作的支架刚性不足，解决的办法是（C ）。 A．用热处理方法强化B．另选合金钢C．增加横截面积D．在冷塑性变形状态下使用7、晶体中的空穴属于（A ）。 A．点缺陷B．面缺陷C．线缺陷D．不是缺陷 8、过共析钢的正常淬火加热温度是（B ）。 A．Ac3?（30～50）C B．Ac1?（30～50）C C．Accm?（30～50）C D．Are?（30～50）C 9、钢的淬硬性主要取决于（A ）。 A．含碳量B．冷却介质C．合金元素D．加热温度 10、塑料制品的玻璃化温度（B ）为好，橡胶制品的玻璃化温度（B ）为好。 A．低，高B．高，低C．高，高D．低，低0000 二、多项选择题（本大题共5小题，每小题4分，共20分） 1、从液态转变为固态时，为了细化晶粒，可采用（BD ）。 A．快速浇注B．加变质剂 C．以砂型替代金属型D．增大过冷度 2、淬火时，零件易变形、开裂的形状可能有（BD ）。 A．形状对称B．有尖角C．壁厚均匀D．壁厚不均匀 3、影响工程材料力学性能的内在因素包括（ABC ）。 A．化学成分B．内部结构C．内部组织D．使用条件 4、下列适于作高温耐热零件的材料为（AD ）。 A．陶瓷B．玻璃钢C．40Cr D．12CrMoV 5、经淬火+低温回火后可能为“高碳回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体”组织的钢为（ABCD ）。 A．T9 B．Cr12MoV C．9SiCr D．W18Cr4V 三、填空题（本大题共15空，每空2分，共30分） 1、单晶体与非晶体最根本的区别是晶体有固定的熔点、晶体原子排列具有规律性、晶体性能各向异性。 2、??Fe、??Fe的一个晶胞内的原子数分别为2 和4 。 3、当钢中发生奥氏体向马氏体的转变时，原奥氏体中碳含量越高，则Ms点越低，转变后的残余奥氏体量就越多。
判断题（在括号内打“√”或“×”，每小题1分，共17分） 1.测试淬火件的硬度经常使用布氏硬度。……………………洛氏………（F） 2.细晶粒金属不仅强度、硬度高，而且塑性、韧性也好。………………………（T） 3.由于存在温度不同，过冷奥氏体与奥氏体具有不同的组织结构。…………（T） 4.渗碳体是钢中的一种基本相。………………………………………………（） 5.高温回火脆性可通过快冷消除。……………………………………………（T ） 6.钢号GCr15种，15表示Cr含量是15%。……………………………………（F ） 7.灰铸铁中的白口组织可通过正火消除。……………退火………………（F ） 8.铸铁中顺序凝固法用来防止产生铸造应力。………………………………（） 9.冲压件强度高是因为材料产生了加工硬化。………………………………（） 10. 金属热加工就是把金属加热后进行加工。………………………………（F） 11.可锻铸铁适合锻造加工。……………………………………………………（F） 12.酸性焊条是指焊条药皮中含有酸性氧化物。………………………………（） 13.低碳钢焊接接头中以正火区性能最好。……………………………………（） 14.钎焊时焊件也发生融化。……………………………………………………（） 15.自由锻可生产大型零件。……………………………………………………（F） 16.弯曲成形件模具角度只要与工件角度吻合即可得到合格工件。…………（F ） 17.轴承套圈开裂后焊补不能继续使用。………………………………………（T） 二、填空题（每空1分，共30分） 1.常用的金属材料强度指标有抗拉强度和屈服强度两种。 2.钢中常存的元素中，有害元素有P 和S 两种 3.碳在γ-Fe的间隙固溶体称为，它具有晶体结构，在1148℃时 碳具有最大溶解度为 2.11 %。 4.齿轮经过渗碳淬火处理后，既改变了齿轮表面的，又改变 了。 5.钢铁牌号QT500-7中，QT表示，500表示，单位 是，7表示。 6.拔长时的锻造比表达式为； 镦粗时的锻造比表达式为。 7.焊接变形形式有、、、、。 8.设计机械零件时遵循的选材原则是、、。 9.白口铸铁中碳主要以形式存在，而在灰口铸铁中碳主要以 形式存在。 10.热处理工艺过程包括、、三个阶段。 11.ZL201是合金，H68是合金。 三、选择题（每空1分，共17分） 1.在二元合金中，最适宜用于铸造生产的合金是（）。 A、共析成分合金； B、固溶成分合金； C、共晶成分合金。 2.等温淬火所得组织中适用于生产的组织是（）。 A、上贝氏体； B、下贝氏体； C、贝氏体 3.对低碳结构钢，为提高其切削加工性能、细化晶粒，选用（）。 A、退火； B、正火； C、淬火 4.金属牌号T8表示( )。 A、特殊钢； B、碳素结构钢； C、碳素工具钢； D、铜合金
第一章 1．解释名词：点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体，过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。 2．常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Pb 、Cr 、V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？ 3．致密度和配位数可以用来说明哪些问题？ 4．晶面指数和晶向指数有什么区别？ 5．实际晶体中的缺陷（点缺陷，线缺陷和面缺陷）对金属性能有何影响？6．为什么单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？7．过冷度与冷却速度有什么关系？它对金属结晶过程有什么影响？对铸件晶粒大小有什么影响？ 8．金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？9．在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？在生产中如何应用变质处理？10．解释下列名词：合金，组元，相，相图；固溶体，金属间化合物，机械混合物；枝晶偏析，比重偏析；固溶强化，弥散强化。 11．指出下列名词的主要区别 1）置换固溶体与间隙固溶体；2）相组成物与组织组成物。 12．Si、C、N、Ni、Mn元素在α-Fe 中形成哪几种固溶体? 13．试述固溶强化、加工强化和弥散强化的强化原理,并说明三者的区别. 14．固溶体和金属间化合物在结构和性能上有什么主要差别？ 15. 什么叫共晶反应、包晶反应和共析反应?试比较这三种反应的异同点. 16．二元合金相图表达了合金的哪些关系？ 17．在二元合金相图中应用杠杆定律可以计算什么？ 18. 已知A（熔点600℃）与B(500℃) 在液态无限互溶；在固态300℃时A溶于B 的最大溶解度为30% ，室温时为10%，但B不溶于A；在300℃时，含40% B 的液态合金发生共晶反应。现要求： 1）作出A-B 合金相图； 2）分析20% A,45%A,80%A 等合金的结晶过程，并确定室温下的组织组成物和相组成物的相对量。
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材料科学：机械工程材料考试考试题 考试时间：120分钟 考试总分：100分 遵守考场纪律，维护知识尊严，杜绝违纪行为，确保考试结果公正。 1、单项选择题 下列材料中，最适合制造气轮机叶片的是A.1Cr13钢 B.1Cr17钢 C.3Cr13钢 D.4Cr13钢 本题答案： 2、填空题 金属元素在钢中形成的碳化物可分为（ ）、（ ）两类 本题答案： 3、填空题 不锈钢按其金相显微组织不同，常用的有以下三类：（ ），（ ），奥氏体型不锈钢。 本题答案： 4、问答题 绿色制造技术的核心内容有哪些？ 本题答案： 5、问答题 产品设计选材及成形原则有哪些？ 本题答案： 6、问答题 简述浮法玻璃的成形工艺。 姓名：________________ 班级：________________ 学号：________________ --------------------密----------------------------------封 ----------------------------------------------线----------------------
本题答案： 7、判断题 钢中的含磷量增加，其钢的热脆性增加。 本题答案： 8、问答题 氮化处理与渗碳处理相比有哪些特点。 本题答案： 9、单项选择题 汽车、拖拉机的齿轮要求表面高耐磨性，中心有良好的强韧性，应选用（） A.60钢渗碳淬火后低温回火 B.40Cr淬火后高温回火 C.20CrMnTi渗碳淬火后低温回火 本题答案： 10、问答题 什么是焊接，分为哪三类？ 本题答案： 11、问答题 什么是钢的热处理？常用热处理方法有哪几种？ 本题答案： 12、问答题 现有形状、尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们的碳含量分别为Wc=0.2%，Wc=0.4%，Wc=1.2，Wc=3.5%的合金。根据你所学的知识，可有哪些方法区别它们？ 本题答案： 13、问答题 简述过冷奥氏体等温转变组织的名称及其性能。 本题答案： 14、问答题 什么是加工硬化？试分析加工硬化的利与弊。 本题答案： 15、单项选择题