工程材料与热加工习题参考答案

第1章习题参考答案

自测题一、填空题

1. 强度、刚度、硬度、塑性、韧性 2. σe σs σb 3. 屈服点 规定残余伸长率为0.2%时的应力值 塑性变形4. 断后伸长率 断面收缩率 断面收缩率5. 应力场强度因子 断裂韧度 断裂

二、判断题1.（×） 2.（×） 3.（×） 4.（×）习题与思考题

1.

①因为δ5=L1L0L5d0100%=1100%=25% L05d0

δ10=L1L0L10d0100%=1100%=25% L010d0

所以L1（5）=6.25d0同理L1（10）=12.5d0

②长试样的塑性好。

设长试样为A,短试样为B,已知δ

所以δ5B=δ10A，因为同一种材料，δ5〉δ10， 5B=δ10A

2.合格。

因为σs=FS21100268.79MP >225 MP aaS03.1425

σb=Fb34500439.5 MP >372MPaa S03.1425

L15d065500100%30%>27% 100%=505d0δ5=

S0S15232

ψ=100%64%>55% 所以，该15钢合格 2S03

3.

（1）洛氏硬度HRC；（2）洛氏硬度HRB；（3）洛氏硬度HRA；（4）布氏硬度HB；

（5）维氏硬度HV。

第2章习题解答参考

自测题 一、填空题

1. 体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格

2. （1）A （2）F （3）Fe3C （4）P （5）Ld （6）Ld' 3. F+P 大 高 低

4. 过冷 过冷度 细 好

5. 固溶体 金属化合物 成分、组织、状态、温度

6.

二、判断题

1.（×） 2.（√） 3.（×）

习题与思考题

1.根据晶体缺陷的几何形态特征，实际金属晶体中存在有点、线、面缺陷。在这些缺陷处及其附近，晶格均处于畸变状态，使金属的强度、硬度有所提高。 2.(1）钢材加热到1000～1250℃时为单相奥氏体组织，奥氏体强度、硬度不高，塑性、韧性好，变形抗力小，适于热轧、锻造。

（2）铆钉是利用塑性变形来连接零件的。低碳钢组织中铁素体量多，其塑性、韧性好，铆接时易于操作；另外，组织中有一定量的珠光体，还有一定的强度，能承受一定的载荷。

（3）在1100℃时，wc=0.4%的钢处于奥氏体状态，强度、硬度不高，塑性好，变形抗力小，能进行锻造；wc=4.2%的铸铁，在此温度下，其组织是奥氏体、渗碳体和莱氏体，渗碳体和莱氏体硬度大，塑性、韧性极差，所以不能锻造。

（4）当碳的质量分数＜0.9%时，随着碳的质量分数的增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这是因为钢中的渗碳体量增多的缘故；当wc＞0.9%时，随着碳的质量分数

的增加，钢的硬度继续升高，塑性、韧性继续下降，钢的强度也随着下降，这是因为钢中渗碳体量增多，且形成较完整的网状分布在晶界上。所以室温下wc=0.9％的碳钢比wc=1.2％的碳钢强度高

（5）钳工锯条是用T10～T12钢制作的。70钢、T10钢、T12钢的组织都是由珠光体和渗碳体组成，碳的质量分数越高，渗碳体的量越多，硬度越高，越耐磨。70钢的硬度接近于锯条的硬度；T10、T12钢的硬度等于或高于锯条的硬度；而20钢、30钢的组织为铁素体加珠光体，硬度低，不耐磨，所以钳工锯削70钢、T10钢、T12钢比锯20钢、30钢费力，锯条易磨钝。

（6）绑扎物体的铁丝需要塑性好，易变形，。低碳钢丝（碳的质量分数在0.0218%～0.25%）室温下的组织为铁素体和珠光体，组织中铁素体的比例大，塑性、韧性高，绑扎物件时，易于操作，且能够绑扎紧固；而60钢、65钢、70钢等组织中珠光体的量多，所以强度、韧性高，适于作起重机吊重物用的钢丝绳。

3.碳的质量分数分别为0.2%、0.4%的碳钢，室温组织是铁素体和珠光体；

碳的质量分数为0.77%的碳钢，室温组织是珠光体；

碳的质量分数为1.3%的碳钢，室温组织是渗碳体和珠光体；

强度 b：碳的质量分数为0.8%的碳钢强度最高，其次是碳的质量分数为1.3%的碳钢，再次为碳的质量分数为0.45%的碳钢，最后是碳的质量分数为0.2%的碳钢。

硬度值：碳的质量分0.3%的碳钢硬度最高，其次是碳的质量分数为0.8%的碳钢，再次为碳的质量分数为0.4%的碳钢，最后是碳的质量分数为0.2%的碳钢。

4. wc＝4.3%＞wc＝4.0%＞wc＝5.2%

第三章习题解答参考

自测题

一、填空题 1. 弹性变形、塑性变形、断裂 2. 熔点、成分、预先变形程度 3. 加热温度和保温时间、杂质及合金元素、第二相质点、变形程度 4. 残余应力、点阵畸变 5. 加热温度低于金属最低再结晶温度 6. 无加工硬化现象 有加工硬化现象

二、判断题 1.（×） 2.（√） 3.（×） 4.（√） 5.（×） 6.（√） 7.（√） 三、选择题 1. C 2. A 3. B 4. C 5. A 6. C

习题与思考题

1. 滑移是晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另易部分作相对的滑动；孪生是在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面及晶向进行剪切变形。

(1) 滑移仅在晶体的表面上造成滑移台阶，晶体内部的晶格并不发生变化；孪生则使晶体中的一部分通过切变发生晶格位向的改变，与未变形部分形成对称。

(2) 滑移变形时，晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍；而孪生时，在孪晶中每层原子沿孪生方向的相对位移距离则是原子间距的分数。 (3) 孪生所需的临界切应力比滑移大得多，且变形速度极快，故孪生变形仅在滑移系少而不易产生滑移的密排六方晶格金属中易于发生。在体心立方晶格金属中，则仅在室温以下或受冲击应力时才发生。在易于滑移的面心立方晶格金属中，一般不发生孪生。

2. 一般说来，随着温度的升高，冷塑性变形金属的组织与性能的变化一般要经历三个阶段，即回复，再结晶和晶粒长大。 在此过程中，金属中的空位与间隙原子合并，晶格畸变和内应力完全消除；通过形核与长大的方式，晶粒由纤维状变为等轴状，直到金属内部变形晶粒为新的等轴晶粒完全取代；温度更高时，新形成的晶粒会继续长大，使组织达到稳定状态。

冷塑性变形对金属性能的主要影响就是产生加工硬化。利用加工硬化可以提高金属强度、硬度、耐磨性。

3. 根据霍尔-派奇公式，晶粒直径越小，金属的屈服强度越高。当外加应力和其它条件一定时，位错数目与晶界到位错源的距离成正比，因此晶粒越小则应力集中越小。由于应力集中小，则需要在较大的外加应力下才能使相邻晶粒发生塑性变形。 另一方面，因为晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目越多，则在同样的变形量下，变形便分散在更多的晶粒内进行，同时每个晶粒内的变形也比较均匀，而不致产生应力过分集中的现象。此外，晶粒越细，晶界就越多越曲折，越不利于裂纹的传播，从而在断裂前可以承受较大的塑性变形，即表现出较高的塑性和韧性。

4. 由于晶粒由纤维状变为等轴状也是通过形核与长大的方式进行的，类似液体结晶和同素异晶转变，所以将这一过程称为再结晶。 当变形量很大（＞95%）时，又会出现再结晶后晶粒粗大的现象，这个过程称为二次再结晶。二次再结晶并不是重新形核和长大的过程，而是以一次再结晶后的某些特殊晶粒作为基础而长大的，因此，严格说来它是在特殊条件下晶粒的长大过程，并非是再结晶。二次再结晶的重要特点是，在一次再结晶完成后，在继续保温或提高加热温度时，绝大多数晶粒长大速度很慢，只有少数晶粒长大的异常迅速，以致到后来造成晶粒大小越来越悬殊，从而就更加有利于大晶粒吞食周围的小晶粒，直至这些迅速长大的晶粒相互接触为止。

5. 再结晶的核心一般是在变形晶粒的晶界或滑移带、孪晶带等晶格畸变严重的地区形成的，然后晶核继续向周围长大形成了新的等轴晶粒，直到金属内部变形晶粒为新的等轴晶粒完全取代，再结晶过程随之完成。 金属再结晶后，一般都得到细小均匀的等轴晶粒。但如果继续升高温度或延长保温时间，结晶形成的新晶粒又会逐渐长大。晶粒长大的实质是一个晶粒的边界向另一个晶粒中迁移，把另一个晶格的位向逐步改变成为与这个晶粒位向相同的位向，从而使另一个晶粒被这个晶粒“吞食”，形成一个大晶粒的过程。

6. 晶体在发生滑移变形时呈现出延性。第一块单晶体的基面与拉伸轴互相垂直，即滑移面上的分切应力为零，所以不发生滑移，拉伸时呈脆性；而在弯曲时滑移面上的切应力不为零，所以可以滑移变形，呈现延性。第二块单晶体的基面与拉伸轴平行，在拉伸和弯曲受力条件下，由于滑移面的面积很大，分切应力极其微小，不足以引起滑移变形，所以呈现出脆性。

第四章习题解答参考

自测题 一、填空题 1. 碳在α-Fe中的过饱和 Ms—Mf 2. 炉冷（缓冷） 完全退火、球化退火、等温退火、去应力退火、扩散退火、再结晶退火 3. 空冷 细化晶粒、调整硬度、消除应力 4. 淬火 高温回火 良好的综合力学

二、判断题 1.（×） 2.（×） 3.（×） 4.（×） 5.（×） 习题与思考题 1. （1）奥氏体的起始晶粒度：奥氏体化刚完成时的奥氏体晶粒度； 实际晶粒度：给定温度下的奥氏体晶粒度； 本质晶粒度：把钢加热到930℃±10℃保温8h，冷却后测得的晶粒度。 （2）奥氏体：碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体； 过冷奥氏体：冷却到A1线以下暂存的奥氏体； 残余奥氏体：冷却到Ms线以下存在的奥氏体。 （3）珠光体：铁素体和渗碳体层片相间组成的混合物； 索氏体：细的珠光体； 托氏体：极细的珠光体。 （4）淬透性：钢淬火时形成马氏体的能力； 淬硬性：钢在理想条件下，进行淬火硬化所能达到的最高硬度； 淬硬层深度：从工件表面向里至半马氏体区的垂直距离。 2. 奥氏体晶核的形成，奥氏体晶粒的长大，残余渗碳体的溶解，奥氏体成分的均匀化 5. 硬度2>1，3>2，3>4，是因为组织的不同，1是F+P，2是M+F+A＇，3是M+A＇，4是M+T+A＇。 6. （1）正火+球化退火，淬火低温回火。 正火的主要作用：消除网状渗碳体，细化晶粒，减少应力；球化退火得到球状珠光体，降低硬度，改善切削加工性；淬火低温回火是提高硬度和耐磨性，消除淬火应力和脆性。 （2）淬火：加热温度760～780℃，冷却方式：水冷； 低温回火温度：150～250℃，组织为回火马氏体+残余奥氏体+渗碳体+少量下贝氏体 7. （1）再结晶退火，目的是降低硬度，组织是：F+P （2）去应力退火，目的是区应力，组织是：F+P （3）完全退火：目的是细化晶粒，组织是：F+P （4）球化退火：目的是降低硬度和脆性，组织是：P球状+Fe3C球状 8. 渗碳是靠提高钢表面碳的质量分数、表面淬火是靠改变钢的表面组织来提高钢的性能。 9. （1）调质：获得良好的综合力学性能；表面高频淬火和低温回火，使表面具有一定的硬 度和耐磨性，而心部具有良好的强韧性。 （2）不能，因为15钢的碳的质量分数低于45钢，硬度和强度均达不到要求。 （3）渗碳、淬火、低温回火。 10. ① A+P ②P ③M+ A' ④M+ A' ④›② 11. （1）45钢 （2）正火的加热温度840±10℃，空冷，目的是细化晶粒，消除应力，改善切削加工性；表面淬火的加热温度比正常淬火温度高30—200℃（淬火温度为830～850℃），水冷，目的是提高表面硬度和耐磨性；低温回火的加热温度150～250℃，空冷，目的是消除应力和脆性，保持淬火后的高硬度。 （3）轴径表面组织是回火马氏体、残余奥氏体和少量的下贝氏体，心部和其他未表面淬火部分的组织是铁素体和索氏体。12