机械工程材料练习题参考答案

机械工程材料练习题参考答案

第一章 工程材料的力学性能

2.有一钢试样，其直径为10mm，标距长度为50mm，当拉伸力达到18840N时试样产生屈服现象；拉伸力加至36110N时，试样产生颈缩现象，然后被拉断；拉断后标距长度为73mm，断裂处直径为6.7mm，求试样的屈服强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率。?

解:由题中条件及计算公式得

σs =Fs/So=18840/（3.14*102/4）=240(N/mm2)? σb=Fb/So=36110/（3.14*102/4）=460(N/mm2)? δ=(L1-L0)/L0×100%=(73-50)/50=46%

ψ=(S0-S1)/S0×100%={(3.14*102/4)- (3.14*6.72/4)}/（3.14*102/4）=(100-44.89)/100=55.11% 答:试样的Re=240(N/mm2)、Rm=460(N/mm2)、δ=46%、ψ=55.11%。

4．有一碳钢制支架刚性不足，有人要用热处理强化方法；有人要另选合金钢；有人要改变零件的截面形状来解决。哪种方法合理？为什么？（参见教材第6页）

第二章 工程材料的基本知识 第一部分 金属的晶体结构与纯金属的结晶

1.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，分别指出其配位数、致密度、晶胞原子数、晶胞原子半径。 （参见第二章第一节）

2.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。

3.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?。

4.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。 5.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。 6.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

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的方法也会增大形核率。

7.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：提高冷却速度，金属型铸造以及在砂型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。

第二部分 合金的相结构与合金的结晶

1．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。

2．试述固溶强化、加工硬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。

加工硬化：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；而加工硬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，加工硬化得到的强度、硬度最高，但塑韧性最差，弥散强化介于两者之间。

3．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。

4. 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：概念略

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。 5．二元合金相图表达了合金的哪些关系？

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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。

6. 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α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：（A+α）=（70-55）/(70-40）*100%=50%

AⅡ+α=1-50%=50%， AⅡ=（90-70）/90*100%*50%=11%，α=39% 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)

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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%

7．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+γ ②: γ+β ③: β+(α+β) ④: β+αⅡ (2)匀晶转变；共析转变 (3)略

8．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。

第三部分 铁碳合金

1．试画出纯铁的结晶冷却曲线和晶体结构变化图。

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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（Fe3C），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？（参见教材，40-42）

4.Fe-Fe3C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？（参见教材，48-49） 5.画出 Fe-Fe3C 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。（参见教材，40，42）

6.简述 Fe-Fe3C 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。（参见教材，40，42）

7.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。

8.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. （参见教材，第二章第五节） 9．指出下列名词的主要区别：

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

Fe3C称为二次渗碳体。 Fe3C称为三次渗碳体Fe3CⅢ。

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三次渗碳体：从F中析出的

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