工程材料及成形技术习题答案

《工程材料及成形技术》课程习题集

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2013年2月——5月

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习题一 工程材料的性能

一、名词解释

σs： σb： δ： ψ：E： σ-1： αk： HB： HRC： 二、填空题

1、材料常用的塑性指标有（ δ ）和（ ψ）两种，其中用（ ψ ）表示塑性更接近材料的真实变形。 2、检验淬火钢成品的硬度一般用（洛氏硬度HRC），而布氏硬度是用于测定 （较软）材料的硬度。

3、零件的表面加工质量对其（ 疲劳 ）性能有很大影响。

4、表征材料抵抗冲击载荷能力的性能指标是（ak ），其单位是（ J/cm2 ）。

5、在外力作用下，材料抵抗（ 塑性变形 ）和（断裂）的能力称为强度。屈服强度与（ 抗拉强度 ）比值，工程上成为（屈强比）。 三、选择题

1、在设计拖拉机缸盖螺钉时，应选用的强度指标是（ A ）

A．σs b．σb c．σ-1 2、有一碳钢支架刚性不足，解决办法是（ C ） A．用热处理方法强化 b．另选合金钢 c．增

2

加截面积

3、材料的脆性转化温度应在使用温度（ B ） A．以上 b．以下 c．相等 4、在图纸上出现如下硬度技术条件标注，其中哪种是正确的？（ B ）

A．HB500 b．HRC60 c．HRC18

四、简答题

1、下列各种工件应采取何种硬度试验方法来测定其硬度？（写出硬度符号）

锉刀： HRC 黄铜轴套：HB

供应状态的各种非合金钢钢材： HB 硬质合金刀片：HV

耐磨工件的表面硬化层： HV 调质态的机床主轴：HRC

铸铁机床床身：HB 铝合金半成品 HB

2、在机械设计中多用哪两种强度指标？为什么？ 常用σs： σb：

3

原因：大多数零件工作中不允许有塑性变形。但从零件不产生断裂的安全考虑，同时也采用抗拉强度。

3、设计刚度好的零件，应和什么因素有关？ （1）依据弹性模量E选材，选择E大的材料 （2）在材料选定后，主要影响因素是零件的横截面积，不能使结构件的横截面积太小。一些横截面积薄弱的零件，要通过加强筋或支撑等来提高刚度。

PL0?eP?LE??e????L??A0L0EA0

交作业时间：

习题二 金属的晶体结构

一、名词解释

单晶体的各向异性：位错：ρ：细晶强化： 二、 填空题

1、晶体与非晶体的根本区别是

（晶体具有固定熔点，原子排列有规律，各向异性）。 2、晶体缺陷有（点缺陷：空位/间隙原子）（线缺陷：

4

位错）和（面缺陷：晶界）。

3、位错分为两种，一种是（刃型位错），另一种是（螺型位错 ），多于半个原子面是（刃型位错 ）位错所特有的。

4、γ-Fe，α-Fe的一个晶胞内的原子数分别为（4）和（2）。

三、是非题（正确的画“√”，错误的画“×”） 1、因为单晶体是各向异性的，所以实际应用的金属材料在各个方向上的性能也是不相同的。（ × ） 2、金属多晶体是由许多结晶方向相同的单晶体组成的。（ × ）

3、金属理想晶体的强度比实际晶体的强度高。（ √ ）

4、晶体缺陷的共同之处是它们都引起晶格畸变。（ √ ）

5、位错就是原子排列有规则的错排现象。（ √ ） 四、作图题

画出体心立方和面心立方晶体中原子排列最密的晶面和晶向，写出它们的晶面和晶向指数。

交作

5

四、 选择题

1、 固溶体的晶体结构与（a）

a.溶剂相同 b. 溶质相同 c.与其他晶型相同 2、固溶体的性能特点是（C）

a. 塑韧性高，强度，硬度低 b. 塑韧性低，强度，硬度高 c.综合性能好

3、金属化合物相的性能特点是（C）

a. 熔点高，硬度低 b.硬度高，熔点低 c.熔点高，硬度高

4、在发生共晶反应时，三相的成分（b） a.相同 b.确定 c.不确定

5、在固溶体合金结晶过程中，产生枝晶偏析的原因是由于（d ）

a. 液固相线间距很小，冷却缓慢 b. 液固相线间距很小，冷却速度大

c. 液固相线间距很大，冷却缓慢 d. 液固相线间距很大，冷却速度大

6、二元合金中，铸造性能最好的合金是（b） a. 固溶体合金 b. 共晶合金 c.共析合金 d.包晶合金

五、 计算和作图题

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1、 一个二元共晶反应如下：L（75%B）—α（15% B）+β（95% B）

（1） 含50%B的合金凝固后，求：

（a） 初晶α与共晶体（α+β）的质量百分数 （b） α相与β相的质量百分数

（2） 若共晶反应后，β初晶和（α+β）共晶各占

一半，求该合金的成分。

L（75%B）—α（15% B）+β（95% B）

（1） 含50%B的合金凝固后，属于亚共晶的成分

范围

求（a）初晶α与共晶体（α+β）的质量百分数 WαⅠ% = （75-50）/（75-15）% = 25/60% = 42% W（α+β）% = （100-42）% = 58%

（b）α相与β相的质量百分数

Wα% = （95-50）/（95-15）% = 45/80% = 56% Wβ% = （100-56）% = 44%

（2）若共晶反应后，β初晶和（α+β）共晶各占一

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半，求该合金的成分。

该合金属于过共晶，设合金成分为X，

Wβ/ W（α+β）% = 1 = （95-X）/（X-75）% 2X （%）= 170 X% = 85%

2、已知A组元（熔点600℃）与B组元（熔点500℃） 在液态无限互溶，

在300℃时，含40%B的液态合金发生共晶反应。 在固态时，A在B中最大溶解度为30%，室温时为10%， 但B在固态和室温时均不溶于A，

试作出该A-B合金相图，并分析含20%A，45%A，80%A合金的结晶过程。

共晶反应式：L40%B=（300℃）（A+α30%A） （a）20%A 匀晶+二次析出

L—— L+αⅠ——αⅠ——αⅠ+AⅡ

（b）45%A，过共晶，匀晶，共晶，二次析出 L—— L+αⅠ——αⅠ+（A+α）——αⅠ+AⅡ+（A+α）

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（c）80A% ，亚共晶，匀晶，共晶 L—— L+A——A+（A+α）——A+（A+α）

交作业时间：

习题五 铁碳相图

一、 名词解释

同素异晶转变 珠光体 莱氏体

二、 填空题

1、珠光体的本质是（ F和Fe3C的呈片层状的机械混合物）。

2、Fe3C的本质是（Fe和C组成的一种复杂间隙相化合物）。

3、铁素体F的晶体结构为（BCC），奥氏体A的晶体结构为（ FCC）。

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4、共析成分的铁碳合金室温平衡组织是（P），其组成相为（F+Fe3C）。

5、在铁碳合金室温平衡组织中，含Fe3CⅡ最多的合金成分为（2.11%C ），含Le最多的合金成分为（ 4.3% ），含Fe3CⅢ最多的合金成分为（ 0.0218% ）。 6、含碳量大于0.77%的铁碳合金从1148℃冷却至727℃时，将从奥氏体中析出（ Fe3CⅡ），其分布特征为（ 网状）。

7、在缓慢冷却条件下，含碳0.8%的钢比含碳1.2%的钢硬度（低），强度（高）。

8、在实际生产中，若将钢热锻或热轧时，必须把钢加热到（ 单相A）状态。

三、 是非题（正确的画“√”，错误的画“×”） 1、20钢比T12钢的含碳量要高。（ × ） 2、Fe3CⅠ和Fe3CⅡ的形态与晶体结构都不相同。（ × ）

3、在退火状态，45钢比20钢的硬度和强度都高。（ √ ）

4、在铁碳合金平衡结晶过程中，只有成分为4.3%的铁碳合金才发生共晶反应。（ × ）。

5、在铁碳合金中，只有过共析钢的平衡组织中才有二

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次渗碳体存在。（×）

四、 选择题

1、 奥氏体是（ a ）

a.碳在γ-Fe中的间隙固溶体 b. 碳在α-Fe中的间隙固溶体

c.碳在α-Fe铁中的有限固溶体。 2、珠光体是一种（ b ）

a.单相固溶体 b.两相混合物 c.Fe与C的化合物 3、T10钢的平均含碳量为（ b ） a.0.1% b.1.0% c.10% 4、铁素体的力学性能（ c ）

a.强度高、塑性好、硬度低 b. 强度低、塑性差、硬度低

c.强度低、塑性好、硬度低

5、下列能进行锻造的铁碳合金是（ a ） a. 亚共析钢 b.共晶白口铁 c.亚共晶白口铁

五、依据铁碳相图分析产生下列现象的原因：

（1）含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高。

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钢的硬度取决于渗碳体的含量，钢的含碳量越高，渗碳体含量越多，硬度越高。因此，1.0%C的钢渗碳体含量高，硬度高。

（2）在室温下，含碳量0.8%的钢的强度比含碳量1.2%的钢高。

钢的强度是受钢的组织形态影响的，退火状态的钢，珠光体含量越高，强度越高，0.8%C的钢，100%为珠光体组织，而1.2%C钢则出现了网状渗碳体，强度降低。

（3）在1100℃，含碳为0.4%的钢能进行锻造，而含碳为4.0%的白口铁不能进行锻造。

0.4%C的碳钢1100℃处在单相A区，A是FCC的固溶体，塑性好，适合锻造。

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而4.0%C的铸铁，1100℃主要为莱氏体组织，是共晶组织，脆而硬，不适合于锻造这种塑性加工。

六、默画铁碳相图，标注重要的温度和成分。标注室温组织。标注锻造、铸造和热处理温度区间。

七、杠杆定理计算计算45、T8、T12三种钢，室温下组织组成物和相的相对量？ 序钢平衡组相 计算组织计算相的的杠杆 18

号 号 织

杠杆 01 45 F+P 02 T8 P F，Fe3C F，Fe3C 03 T12 P+ Fe3CF，Fe3C Ⅱ 45钢：室温下：组织：F+P

W P% = （0.45-0）/（0.77-0）% = 58% WF% = （100-58）%=42% 相：F，Fe3C

WF% = （6.69-0.45）/（6.69-0）% = 93% WFe3C% = （100-93）%= 7% T8钢：室温下组织：P = 100% 相：F，Fe3C

WF%= （6.69-0.8）/（6.69-0.02）% = 5.89/6.67% = 88%

WFe3C=（100-88）%= 12% T12钢室温下组织：P+ Fe3CⅡ

Wp% = （6.69-1.2）/（6.69-0.77）% = 5.49/5.92% = 93%

WFe3C%=（100-93）% = 7% 相：F，Fe3C

WF%=（6.69-1.2）/（6.69-0）%=5.49/6.69%=82%

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WFe3C%=（100-82）%=18%

（2） 用显微镜观察某亚共析钢，估计其中珠光体

含量为80%，则此钢的含碳量 为多少？

设：钢的含碳量为X%,杠杆设置：

WP%=80%=（X-0.02）（0.77-0.02）% X%=62% 应该为60号钢。 八、填表（1） 钢号 15 45 65 T8 T12

类别 含碳量 应用举例 0.1-0.2 建筑结构用钢

桥梁，容器罐，水箱 车床主轴 弹簧，裁纸刀 手动工具，如手工锯条

手动工具，如锉刀

Q235 普通结构钢

钢

优质碳素结构0.15 优质碳素结构0.45 钢

优质碳素结构0.65 钢

碳素工具钢 碳素工具钢

0.8 1.2

20

填表（2）

零件名选择材料牌号 称

手工锯T8，碳素工具钢 条

普通螺Q235，普通碳素钉 轴

交作业时间：

习题六 钢的热处理

一、 名词解释

临界冷却速度 ；过冷奥氏体、残余奥氏体，马氏体，贝氏体、淬透性、淬硬性、 调质处理；回火索氏体，索氏体 二、 填空题

1、在过冷奥氏体等温转变产物中，珠光体与屈氏体的主要相同点是

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结构钢 钢

车床主45，优质碳素结构

（都是由F和Fe3C组成的机械混合物）

不同点是（T的片层间距比P细小，因而T的硬度，强度比珠光体高）。

2、马氏体的显微组织形态主要有（板条状）和（针状）两种，

其中（板条状）韧性好。

3、钢的淬透性越高，则C曲线的位置越（右移），说明临界冷却速度越（小）。

4、钢的热处理工艺是由（加热）（保温）（冷却）三阶段组成，一般来讲，它不改变零件的（形状），但改变其（组织与性能）。

5、利用铁碳相图确定钢完全退火的正常温度范围是（Ac3以上30-50℃）， 它适合于（ 亚共析）钢。

6、球化退火的主要目的是（ 使P中的Fe3C球化，降低硬度，便于加工 ）， 它适合于（高碳钢/过共析）钢。

7、钢的正常淬火温度，亚共析钢是（ Ac3以上30-50℃），

过共析钢是（ Ac1以上30-50℃ ）。

8、钢热处理确定其加热温度是依据（ 铁碳相图 ），确定过冷奥氏体转变产物是依据（ C曲线）。

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9、淬火钢进行回火的目的是（获得所要求的力学性能，消除内应力，稳定组织和尺寸），回火温度愈高，钢的强度、硬度（越低）。

10、钢回火转变4大过程是（马氏体的分解）（残余奥氏体的）（回火屈氏体的形成）（渗碳体的聚集长大）。 11、索氏体和回火索氏体在形态上的区别是（S中的Fe3C呈片状，而回火S中的Fe3C呈球状 ），在性能上的区别是（在强度，硬度相同时，回火S的塑性和韧性比正火S好）。

12、依据铁碳相图，结合实验，45钢和T8钢（原始状态退火状态），按照下表加热处理后，请填写处理后的组织： 850℃加850℃加760℃加热， 720℃加热， 水冷 45 M 热， 空冷 S F+M M+ 未

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水冷 热， 水冷 P+F P+Fe3CⅡ 溶T8 粗大M+A’ S Fe3C+A’

三、 是非题（正确的画“√”，错误的画“×”） 1、 经加热奥氏体化后，在任何情况下，奥氏体中碳的含量均与钢中碳的含量相等。（× ）

2、 马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。（ √ ）

3、当把亚共析钢加热到A1—A3之间的温度时，将获得F+A的两相组织，在平衡条件下，其中奥氏体的含碳量总是大于钢的含碳量。（ √ ）

4、当共析成分的奥氏体在冷却发生珠光体转变时，温度越低，其转变产物组织越粗。（ × ）

5、不论碳含量高低，马氏体硬度都很高，脆性都很大。（ × ）

6、在正常热处理条件下，随着含碳量增高，过共析钢的过冷奥氏体越稳定。（×）

7、高合金钢既有良好的淬透性，也具有良好的淬硬性。 （ × ）

8、经退火后再高温回火，获得回火索氏体组织，具有良好的综合机械性能。（×）

9、表面淬火既能改变钢的表面化学成分，也能改善心

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部的组织和性能。（×）

10、为了调整硬度，便于机械加工，低碳钢、中碳钢和低合金钢在锻造后采用正火处理。（ √ ） 四、选择题

1、奥氏体向珠光体转变是

（ a ）a. 扩散型转变 b.非扩散型转变 c.半扩散型转变

2、钢经过调质处理后获得的组织是

（ b ）a. 回火马氏体 b.回火索氏体 c.回火屈氏体

3、过共析钢的正常淬火温度是

（ a ）a.A1—30-50℃ b. Acm—30-50℃ c. A3—30-50℃

3、 影响碳钢淬火后残余奥氏体量的主要因素是 （ b ）a.钢材本身的含碳量 b. 钢中奥氏体的含碳量 c.钢中碳化物的含量

4、 若合金元素能使C曲线右移，钢的淬透性将 （ b ）a.降低 b.提高 c.不改变 5、 马氏体的硬度取决于

（ c ）a.奥氏体的冷却速度 b.奥氏体的转变温度 c.奥氏体的碳含量

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6、 淬硬性好的钢

（ c ）a.奥氏体中合金元素含量高 b.奥氏体中的碳含量低

c.奥氏体中碳含量高

7、 对形状复杂，截面变化大的零件进行淬火时，应选用

（ a ） a.高淬透性钢 b.中淬透性钢 c.低淬透性钢

8、对形状复杂，截面变化大的零件进行淬火时，应选用

（ b ） a.水淬 b.油淬 c. 盐水中淬 9、直径为10mm的45钢，常规淬火温度是

（ b ）a.750℃ b.850 ℃ c. 920℃

10、45钢为了获得回火索氏体，应进行

（ b ）a.淬火+低温回火 b.淬火+高温回火 c.等温淬火

11、完全退火主要适用于，

（ a ）a.亚共析钢 b.过共析钢 c.共析钢 12、扩散退火的目的是

（a ）a.消除和改善晶内偏析 b. 消除冷塑性变形后的加工硬化 c.降低硬度，以利切削加工

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13、钢的回火处理是在

( c )a.退火以后进行 b.正火以后进行 c.淬火以后进行

14、钢的渗碳温度范围是

( c )a.600-650℃ b.800-850℃ c.900-950℃ d.1000-1050℃

15、过共析钢正火的目的是

( c )a.调整硬度，改善切削加工性能 b.细化晶粒，为淬火做准备

c.消除网状二次渗碳体 d.消除内应力，防止

淬火变形和开裂

16、T12钢正常淬火的组织是

( d )a.马氏体+残余奥氏体 b.马氏体+碳化物 c.马氏体

d.马氏体+残余奥氏体+碳化物

五、简述题

1、低碳钢板硬度低，可否采用淬火方法提高硬度？用什么办法能显著提高其硬度？

不能，因为低碳钢的C曲线一般很靠左侧，临界冷却速度要求很高，一般工业条件很难达到。另外，低碳钢含碳量低，获得马氏体强化效果也不明显，因此，一般采用正火，获得索氏体或屈氏体，利用F和

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Fe3C的片间距减小，来提高硬度。

2、20钢材用表面淬火是否合适？为什么？45钢进行渗碳处理是否合适？为什么？

20钢材不能采用表面淬火，表面淬火是改善材料表面性能的热处理工艺。表面淬火是在原有钢材综合性能的基础上，将表面淬成马氏体组织。20号钢C曲线一般很靠左侧，临界冷却速度要求很高，一般工业条件很难达到。另外，低碳钢含碳量低，获得马氏体强化效果也不明显。20号钢一般会利用其含碳量低，塑韧性好的特点，将其表面渗碳处理，使得表面为高碳，淬火后获得高碳马氏体，提高强度硬度，保留心部的韧性。

45钢一般不进行渗碳处理，因为45钢为中碳，再渗碳提高表面含碳量意义不大，而且心部的韧性也不如20号钢号，因此，45钢一般采用表面淬火工艺。 3、确定下列钢件退火方法，并指出退火的目的及其退火后的组织

（1）经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度 冷轧钢板，存在加工硬化，硬度提高，为了消除加工硬化，采用再结晶退火组织为F+P （2）ZG35钢的铸造齿轮

去应力退火，消除铸造应力，组织：F+P

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（3）锻造过热的60钢锻坯

完全退火，细化晶粒，改善力学性能，组织F+P （4）改善T12钢切削加工性能

球化退火，使Fe3C球化，降低硬度，组织：球状P 4、说明直径10mm的45钢试件在下列温度加热，保温并水冷到室温获得的组织？ 加热温水冷室温分析 度 组织 加热温度低于A1线，组织没有变化 760℃， F+M 加热温度在A3-A1之间，属于F+A两相区，水冷后F保留下来，A转变为M 850℃， M 1100℃ 粗大M

5、指出下列钢件正火的主要目的：

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700℃， F+P 加热温度高于A3线，属于正常A化状态，淬火后获得M 加热温度远高于A3，晶粒粗大，淬火后为粗大M 20钢齿轮：提高硬度，以利切削加工。

45钢小轴：最终热处理，获得屈氏体组织，保证使用性能

T12钢锉刀：为彻底消除网状渗碳体，在球化退火前增加一次正火。 六、工艺路线改错

（1）45钢，小轴，硬度：20-25HRC

锻造——完全退火——粗加工——淬火+低温回火——精加工 改错：

错误：淬火+低温回火，轴类零件，要求综合机械性能，硬度20-25HRC

应该为淬火+高温回火（调质）

（2）65Mn钢，钢板弹簧，硬度：40HRC 锻造——球化退火——粗加工——淬火+高温回火——精加工 改错：

错误：（1）球化退火，球化退火适用于高碳钢，弹簧钢（亚共析）应采用完全退火。

（2）淬火+高温回火，弹簧类零件，硬度40HRC 应该为淬火+中温回火

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