《工程材料及机械制造基础》习题参考答案

《工程材料及机械制造基础》习题参考答案

第一章 材料的种类与性能（P7）

１、 金属材料的使用性能包括哪些？

力学性能、物理性能、化学性能等。

２、 什么是金属的力学性能？它包括那些主要力学指标？

金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应相关或涉及力与应变关系的性能。主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。

３、 一根直径10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度

为450Mpa，问此棒能承受的最大载荷为多少？断面收缩率是多少？

F=35325N ψ=27.75%

４、 简述洛氏硬度的测试原理。

以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。

5、什么是蠕变和应力松弛？

蠕变：金属在长时间恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变形的现象。

应力松弛：承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量不变，但随时间的延长，工作应力逐渐衰减的现象。

6、金属腐蚀的方式主要有哪几种？金属防腐的方法有哪些？

主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。

防腐方法：

1）改变金属的化学成分；2）通过覆盖法将金属同腐蚀介质隔离；3）改善腐蚀环境；4）阴极保护法。

第二章 材料的组织结构（P26）

1、简述金属三种典型结构的特点。

体心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。每个体心立方晶格的原子数为：2个。 塑性较好。

面心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。每个面心立方晶格的原子数为：4个。塑性优于体心立方晶格的金属。 密排六方晶格：晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。每个密排六方晶胞原子数为：6个 ，较脆

2、金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？

存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度、硬度提高，但防腐蚀能力下降。

3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种？各具备什么特性？

存在的形式有固溶体和金属化合物两种。合金固溶在金属中引起固溶强化，使合金强度、硬度提高，塑性、韧性下降。金属化合物提高合金的 强度和硬度。

4、什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？

固溶强化：因溶质原子的溶入引起合金强度、硬度升高的现象。

原因：固溶体中溶质原子的溶入引起晶格畸变，使晶体处于高能状态。

５、 简述聚合物大分子链的结构与形态。它们对高聚物的性能有何影响？ 聚合物大分子链的结构分为线性结构和体型结构。线性结构具有良好的塑性和弹性，加热可软化，冷却后变硬，易于成形，可反复使用。体型结构有较好的 耐热性、尺寸稳定和机械强度，但弹性、塑性低，脆性大，不能塑性加工，不能反

复使用。

６、 陶瓷的典型组织由哪几种组成？它们各具有什么作用？

由晶体相、玻璃相和气相组成。晶体相晶粒细小晶界面积大，材料强度大，空位和间隙原子可加速烧结时的的扩散，影响其物理性能；玻璃相起黏结分散的晶体相降低烧结温度，抑制晶体长大和充填空隙等作用；气相造成应力集中，降低强度、降低抗电击穿能力和透明度。

７、 从结构入手比较金属、高聚物、陶瓷三种材料的优缺点。

８、 金属结晶的基本规律是什么？

金属结晶由形核和长大两部分组成，并存在过冷度。

９、 如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小。

（1） 金属型浇注与砂型浇注。金属型浇注晶粒小。

（2） 铸成薄件与铸成厚件。铸成薄件晶粒小。

（3） 浇注时采用振动与不采用振动。采用振动晶粒小。

10、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？

冷却速度越快过冷度越大，使晶核生长速度大于晶粒长大速度，铸件晶粒得到细化。冷却速度小时，实际结晶温度与平衡温度趋于一致。

11、何为共晶反应、匀晶反应共析反应？试比较三种反应的异同点。

共晶反应：从某种成分固定的合金溶液中，在一定恒温下同时结晶出两种成分和结构都不同的固相的反应。

共析反应：由一种固相在恒温下同时转变成两种新的固相的反应。

匀晶反应：两组元组成的合金系，在液态无限互溶，在固态也能无限互溶，形成固溶体的反应。

12、Pb-Sn相图如图2-29所示。

（1）试标出尚未标注的相区的组织；

（2）指出组织中含βⅡ最多和最少的成分；

（3）指出共晶体最多和最少的成分；

（4）指出最容易和最不容易产生枝晶偏析的成分：

（5）初生相α和β、共晶体α+β、二次相αⅡ及βⅡ，它们在组织形态上的区别？画出它们的组织示意图。

13、已知A（熔点为600℃）与B（熔点为500℃）在液态无限互溶，在固态300℃时A溶于B的最大质量分数为30%，室温时为10%，但B不溶于A；在300℃时B的质量分数为40%的液态合金发生共晶反应，现要求：

（1）做出A-B合金相图；

（2）分析A的质量分数分布为20%、45%、80%等合金的结晶过程。

14、为什么铸造合金常选用接近共晶点的合金？为什么要进行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？

近共晶点的合金熔点低，结晶范围小，铸造性能好。单相固溶体成分的合金具有良好的塑性和小的变形抗力，可锻性好。

15、何谓α、γ、Fe3C、C、P、A、Ld、（Ld `）？它们的结构、组织形态、力学性能有何特点？

α为铁素体，Fe3C为渗碳体，C为碳元素，P为珠光体，γ、A为奥氏体，Ld为高莱氏体，（Ld `）为低温莱氏体。

α为体心立方结构，溶碳量低，强度、硬度低，塑性、韧性好。γ、A是碳在γ—Fe中形成的间隙固溶体，为面心立方结构，溶碳量较大，是高温组织，硬度较低，塑性较高，易于成形。Fe3C是铁和碳的金属化合物，含碳量6.69%，硬度很高，脆性很大，塑性和韧性几乎为零。P是铁素体与渗碳体的机械混合物，碳的分数为0.77%，具有良好的力学性能。Ld是奥氏体与渗碳体的机械混合物，（Ld `）是珠光体与渗碳体的机械混合物，含碳量4.3%，力学性能与渗碳体接近。

16、碳钢与铸铁两者的成分、组织和性能有何差别？并说明原因。

碳含量小于2.11%是碳钢，大于2.11%是铸铁；碳钢中的碳与铁以金属化合物的形式存在，而铸铁中的碳以游离石墨的形式存在；碳钢的力学性能较好，其硬度、强度随含碳量的增加而增加，塑性、韧性随含碳量的增加而下降，铸铁的力学性能取决于石墨的形状、大小及分布；铸铁的铸造性能优于碳钢；铸铁不能进行压力加工，其焊接性能远不及碳钢。

17、分析碳的质量分数分别为0.20%、0.60%、0.80%、1.0%的铁碳合金从液态缓慢冷至室温时的结晶过程和室温组织。指出这四种成分组织与性能的区别。

碳的质量分数为0.20%、0.60%的铁碳合金均属于亚共析钢，从液态缓慢冷至室温时的结晶过程为：经过AC线时从液态中结晶出A，经过AE线时全部结晶为A，经过GS线时由于贫碳有F析出，经过PSK线时剩余的A转变为P，室温组织为P+F。并随碳的质量分数的增加P增加，F减少。

碳的质量成分分别为0.80%、1.0%的铁碳合金均属于过共析钢，从液态缓慢冷至室温时的结晶过程为：经过AC线时从液态中结晶出A，经过AE线时全部结晶为A，经过ES线时由于富碳有Fe3CⅡ析出，经过PSK线时剩余的A转变为P，室温组织为P+ Fe3CⅡ。并随碳的质量分数的增加Fe3CⅡ增加，P减少。

由于F、P、Fe3CⅡ，的力学性能上的差异，随碳的质量分数的增加铁碳合金的强度和硬度增加，而塑性和韧性下降。

18、渗碳体有哪5种基本形态，它们的来源和形态有何区别？

一次渗碳体是从液体中直接析出，呈长条形；二次渗碳体从奥氏体中析出，沿晶界呈网状；三次渗碳体从铁素体中析出，沿晶界呈小片或粒状；共晶渗碳体是同奥氏体相关形成，在莱氏体中为连续的机体；共析渗碳体同铁素体相关形成，呈交替片状。

19、根据Fe- Fe3C相图，说明产生下列现象的原因。

（1）碳的质量分数为1.0%的钢比碳的质量分数为0.5%的钢硬度高。

（2）低温莱氏体的塑性比珠光体的塑性差。

（3）捆扎物体一般用铁丝，而起重机起吊重物却用钢丝绳。

（4）一般要把钢材加热到高温下（1000~1250℃）进行热轧或锻造。

（5）钢适宜于通过压力成形，而铸铁适宜于通过铸造成形。

（1）钢随碳的质量分数的增加铁素体减少，而渗碳体增加。渗碳体的硬度比铁素体的硬度高。

（2）低温莱氏体由珠光体和渗碳体组成，珠光体塑性较好，而渗碳体的塑性几乎为零。

（3）捆扎物体需材料有一定的塑性，而起吊重物需材料有一定的强度和硬度。钢材随碳的质量分数的增加强度、硬度增加，塑性、韧性下降。

（4）把钢材加热到高温下（1000~1250℃），钢为单相奥氏体组织。其塑性好，变形抗力小。

（5）加热到高温下（1000~1250℃），钢为单相奥氏体组织。其塑性好，变形抗力小利于压力成形；而钢的流动性差，在冷却的过程中收缩率大，铸造性能比铸铁差。铸铁结晶温度范围窄，流动性好，在冷却的过程中收缩率小，铸造性能好；但其属于脆性材料，不能压力成形。

第三章 金属热处理及表面改性（40）

1、钢的热处理的基本原理是什么？其目的和作用是什么？

钢的热处理是将钢在固态下、在一定的介质中施以不同的加热、保温和冷却来改变钢的组织，从而获得所需性能的一种工艺。原理：同素异构转变；其目的和作用：充分发挥材料的潜力，提高零件使用性能，延长使用寿命。改善材料的加工性能。。

2、什么是连续冷却与等温冷却？两种冷却方式有何差异？试画出共析钢过冷奥氏体的这两种冷却方式的示意图，并说明图中各个区域、各条线的含义。

等温冷却：先将已奥氏体化的钢快冷至A1线以下一定温度，成为过冷奥氏体。进行保温，使奥氏体在等温下进行组织转变。转变完后再冷却至室温。

连续冷却：将已奥氏体化的钢冷却，使其在温度连续下降的过程中发生组织转变。 等温冷却所得组织单一，分为珠光体、贝氏体和马氏体。连续冷却所得组织不均匀，是几种转变产物的复合。

示意图见书P30、P32。

3、A在等温冷却转变时，按过冷度的不同可以获得哪些组织？

可以获得：珠光体、索氏体、托氏体（屈氏体）、贝氏体和马氏体。

4、退火的主要目的是什么？常用的退火方法有哪些？

退火的主要目的（1）降低钢的硬度，使其易于切削加工；（2）提高钢的塑性和韧性，以易于切削和冷变形加工；（3）消除钢中的组织缺陷，为热锻、热轧或热处理作好组织准备；（4）消除前一工序中所产生的内应力，以防变形或开裂。 常用的退火方法：完全退火、等温退火、球化退火（不完全退火）、均匀化退火（扩散退火）、去应力退火和再结晶退火等。

5、完全退火与不完全退火在加热规范、组织转变和运用上有何不同？为什么亚共析钢一般不采用不完全退火，共析钢不采用完全退火？

完全退火：将钢加热至Ac3以上30℃—50℃，保温一定时间，缓慢冷却的工艺。奥氏体转变为珠光体和铁素体。适用于亚共折成分的中碳钢和中碳合金钢的铸、锻件及热轧型材。目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度和改善切削加工性能。 不完全退火：将钢加热到Ac1以上20℃—30℃ ，保温后，缓慢冷却的工艺。适用于。共析或过共析钢。使P中的片状Fe3C和网状二次Fe3C球化，转变成球状Fe3C目的：降低钢的硬度，改善切削加工性，并减少随后淬火时的形变、开裂倾向，为淬火作组织准备。

6、正火与退火的主要区别是什么？如何选用？

正火的冷却速度比退火稍快，过冷度稍大。组织较细，强度、硬度较高。

选用：（1） 从切削加工性方面考虑，低碳钢用正火提高硬度，而高碳钢用退火降低硬度，以便于切削加工。（2）从使用性能上考虑，对零件性能要求不高，可用正火作为最终热处理；当零件形状复杂、厚薄不均时，采用退火；对中、低碳钢，正火比退火力学性能好。（3）从经济上考虑，正火冷却不占用设备，操作简便，生产周期短，能耗少，故在可能条件下，应优先考虑正火处理。

7、淬火的目的是什么？常用的淬火方法有哪几种？

淬火目的：提高钢的强度、硬度和耐磨性。方法有：单液淬火 、双液淬火 、分级淬火 、等温淬火 等。

8、为什么要进行表面淬火？常用的淬火方法有哪些？各用在什么场合？

为使零件表面具有高的硬度和耐磨性。分为感应加热淬火和火焰淬火。感应加热淬火适宜大批量生产，火焰淬火适宜单件或小批量生产的大型零件和需要局部表面淬火的零件。

9、淬透性与淬硬深度、淬硬性有哪些区别？影响淬透性的因素有哪些？

淬透性指钢在淬火时获得M的能力，在规定的淬火条件下决定着钢材淬硬深度和硬度分布。而淬硬深度虽然取决于钢的淬透性，但规定条件改变，淬硬深度改变。淬硬性是指钢在淬火时所获得的最高硬度，反映钢材在淬火时的硬化能力取决于M的碳的质量分数。影响淬透性的因素有钢材的化学成分和A化条件（临界冷却速度）。

10、回火的目的是什么？常用的回火操作有哪些？试指出各种回火操作得到的组织、性能及运用范围？

回火的目的：（1）降低脆性；（2）消除或减少内应力，防止变形和开裂；（3）获得工件所要求的使用性能 ；（4）稳定组织；

低温回火：150 ～ 250 ℃。回火马氏体。高硬耐磨。刃具，轴承，冷作磨具等。 中温回火：350 ～ 500 ℃。回火屈氏体。高的屈服极限，弹性极限和韧性。弹簧，热作磨具。

高温回火 （调质处理） ：500 ～ 650 ℃。回火索氏体。较好的综合机械性能。连杆，轴，齿轮等。

11、什么是调质？调质的主要目的是什么？钢在调质后是什么组织？

调质：淬火后高温回火。目的：使钢得到综合的力学性能。调质后的组织为索氏体。

12、指出下列工件的淬火及回火温度，并说明回火后获得的组织及其大致硬度。

（1）45钢小轴（要求综合性能）

淬火温度Ac3以上30~50℃，回火温度500~650℃，回火后获得的组织为索氏体，硬度大致为25~30HRC。

（2）60弹簧钢

淬火温度Ac3以上30~50℃，回火温度250~500℃，回火后获得的组织为贝氏体，硬度大致为40~50HRC。

（3）T12锉刀

淬火温度Ac1以上30~50℃，回火温度150~250℃，回火后获得的组织为马氏体，硬度大致为62~65HRC。

13、化学热处理的基本过程是什么？常用的化学热处理方法有哪些？其目的是什么？

过程：奖工件放在一定的活性介质中加热，保温，使介质中的活性原子渗入工件的表层，从而改变表层的化学成分、组织和性能。常用的化学热处理方法有渗碳、渗氮和碳氮共渗。目的是使工件心部有足够的强度和韧性，而表面具有高的硬度和耐磨性；提高工件的疲劳强度和表面耐蚀性、耐热性等。

14、渗碳、渗氮的目的是什么？试述其应用范围。

渗碳的目的：提高工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度等。多用于低碳钢和低碳合金钢制成的齿轮、活塞销、轴类零件等重要零件。

渗氮的目的：提高工件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性和疲劳强度等。常用于在交变应力下工作的各种结构件。

15、机床摩擦片用于传动或主轴刹车，要求耐磨性好。选用15钢渗碳后淬火，要求渗碳层0.4~0.5mm，淬火后硬度为40~45HRC。加工工艺路线如下，试说明其中各热处理工序的目的。

下料→机加工→先渗碳后淬火及回火→机加工→回火

渗碳后淬火提高表面的硬度和耐磨性；第一次回火得到回火索氏体，得到所需的力学性能；；第二次回火消除加工硬化和残余应力并使摩擦片定型。

16、金属的氧化处理、磷化处理和钝化处理的目的是什么？试述他们在工业上的实际运用情况。

氧化处理目的是：防止金属腐蚀及机械磨损，装饰产品；消除内应力。用于精密仪器、仪表、工具、模具。

磷化处理目的是：使金属表面的吸附性、耐蚀性及减摩性得到改善。用于钢铁制品油漆层的底层、冷加工过程中的减摩及零件的防锈。

钝化处理的目的是：提高金属表面耐蚀性及装饰效果。用于电镀层的处理工艺。

17、电火花表面强化和喷丸表面强化的目的和基本原理是什么？

电火花表面强化 的目的：使金属表面物理和化学性能得到改善。基本原理：在电极与工件间接上电源，由于振动器的作用使电极与工件间的放电间隙频繁变化，电极与工件间不断产生火花放电，从而使使电机电极的材料黏结、覆盖在工件上，在工件表面形成强化层。

喷丸表面强化的目的：提高材料的屈服强度及抗疲劳性能。基本原理：将大量高运动的弹丸喷射到工件表面，使其表面产生强烈的塑性变形和压应力从而获得一定厚度的强化层表面》

18、离子注入的基本原理是什么？试说明离子注入的应用情况。

基本原理：将工件放入离子注入机中，在几十至几百千伏的电压下，把所需元素的离子注入到工件表面。应用情况：提高工件的使用寿命、降低磨损速度和耐蚀能力。

第四章 钢铁材料及其用途（P53）

1、碳钢按质量和用途可分为几类？试举例说明。

按钢中含碳量分为：低碳钢、中碳钢和高碳钢，低碳钢Wc≤0.25％，中碳钢Wc在0.25％～0.6％之间，高碳钢Wc≥0.6％。

按钢的质量分为：普通碳素钢，Ws≤0.055％ ，Wp≤0.045％；优质碳素钢，Ws≤0.040％ Wp≤0.040％；高级优质碳素钢，Ws≤0.030％，Wp≤0.035％。

按用途可分为：碳素结构钢和碳素工具钢 ，碳素结构钢如15、25、40等，碳素工具如T7、T8等，碳的质量分数一般在0.60%以上。

2、分析说明优质碳素结构钢中，为什么碳的质量分数的差异会造成较大的性能差异？

优质碳素结构钢由F、P、组成，而这两种组元力学性能差异很大，随碳的质量分数的增加F减少，P增加，导致性能的差异。

3、合金钢中经常加入的合金元素有哪些？这些合金元素对钢的力学性能和热处理工艺有何影响？

合金钢中经常加入的合金元素有锰、硅、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼、磷和稀土等。这些合金元素对钢的力学性能的作用：1）固溶强化铁素体；2）第二相强化；3）细晶强化。对钢的热处理工艺的作用：1）提高钢的淬透性；2）提高钢的回火稳定性；3）使钢获得特殊性能。

4、什么是合金调质钢？其主要用途是什么？其所含主要合金元素有哪些？

合金调质钢：其碳的质量分数在0.3%~0.6%，经过淬火+高温回火热处理后得到回火索氏体的合金钢。主要用途：制造受力复杂，要求具有综合力学性能的重要零件。所含主要合金元素有：Cr、Mn、Ni、Mo等。

5、优质碳素钢的牌号是如何规定的？45钢的化学成分、抗拉强度、屈服强度分别是多少？

优质碳素钢的牌号是两位数，表示该钢号平均的碳的质量分数的百分数。45钢的化学成分为碳的质量分数在0.42~0.50%之间，Si在0.17~0.37之间，Mn在0.50~0.80之间。抗拉强度600Mpa，屈服强度355Mpa。

6、什么是合金渗碳钢和合金弹簧钢？常用的钢种有哪些？

合金渗碳钢：Wc在0.15～0.25%，热处理方式渗碳后淬火加低温回火，常用钢种20Cr、20CrMnSi。合金弹簧钢：碳的质量分数在0.5~0.85%之间，经淬火、中温回火后使用的钢种，，常用钢种65Mn、50CrV。

7、试述不锈钢、耐热钢以及耐磨钢的主要合金元素。

不锈钢主要合金元素：Cr、Ni、Ti。耐热钢合金元素：Cr、Si、Al。耐磨钢合金元素：Mn。

8、碳素工具钢的牌号是如何规定的？碳素工具钢的主要用途是什么？

碳素工具钢的牌号为T+数字，其中数字表示碳的质量分数的千分之几。主要用途是作手工工具及量具。

9、指出下列合金钢的类别、用途和各合金元素的质量分数及主要作用。

（1）40CrNiMo——合金调质钢，用作制造综合力学性能良好的零件，各合金元素的质量分数均小于1.5%。

(2)60Si2Mn——合金弹簧钢，用作制造弹性极限和疲劳极限要求高的零件，Si质量分数为2%，Mn质量分数均小于1.5%。

（3）9SiCr——低合金工具钢，用作制造手工工具量具等，各合金元素的质量分数均小于1.5%。

（4）Cr12MoV——高合金工具钢，用作制造刀具，Cr质量分数为12%，Mo、V质量分数均小于1.5%。

（5）37CrNi3——合金调质钢，用作制造综合力学性能良好的零件，Cr质量分数均小于1.5%，Ni质量分数为3%，

10、灰口铸铁可分哪几类？影响其组织和性能的因素有哪些？

分为：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁特、蠕墨铸铁。

影响其组织的因素主要是工艺方法（在浇注前加入硅铁）。影响其性能的因素有：基体组织，石墨的形态、数量、大小和分布。

11、试述灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁的主要用途？并说明为什么石墨的差异会带来性能上的差异？

灰铸铁因石墨的存在，如同在钢的机体上分布有无数的孔洞，石墨的形态、数量、大小和分布，决定其性能，石墨片越多越粗大，分布越集中，影响越大；

12、三块形状和颜色完全相同的铁碳合金，分别为15钢、60钢和白口铸铁，用什么简便方法可迅速区分它们？

用划痕法比较它们的硬度，硬度从低到高分别为15钢、60钢和白口铸铁。

13、灰铸铁中石墨是以什么形态存在于钢的基体上？对铸铁的使用性能有何影响？

灰铸铁中石墨以片状存在于钢的基体上，因石墨的力学性能较低，如同在钢的机体上分布有无数的孔洞，致使灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性比钢低得多。

14、什么是石墨化过程？影响石墨化过程的因素主要有哪些？

石墨化过程：碳以石墨的形式析出的过程。即铸铁中石墨形成的过程。影响石墨化过程的因素主要有：化学成分和冷却速度。

15、灰铸铁按基体组织的差异可分为哪三种？性能上有何差异？

按基体组织的差异可分为：铁素体灰铸铁、珠光体灰铸铁和珠光体-铁素体灰铸铁。珠光体灰铸铁力学性能最好，珠光体-铁素体灰铸铁次之，铁素体灰铸铁性能最差。

16、说明下列铸铁牌号的含义。

17、如何使铸铁中的石墨的形态成团絮状形式存在？可锻铸铁是否可锻？

用碳、硅含量较低的铁液浇注成白口铁铸件 ，再经过长时间的高温退火形成。不可锻。

18、如何通过“球化处理”使铸铁中石墨以球状形态存在？球墨铸铁常用的热处理工艺有哪些？

在浇注前向铁液中加入适量的球化剂和孕育剂，使碳呈球状析出。球墨铸铁常用的热处理工艺——回火。

19、什么是合金铸铁？耐蚀铸铁主要添加了哪些合金元素？

向铸铁中加入某些合金元素，从而获得具有特殊性能的铸铁。耐蚀铸铁主要添加了Al、Si、Cr等合金元素。

第五章非铁材料（P72）

1、铝合金是如何分类的？各类铝合金可通过哪些途径进行强化？

铝合金分为变形铝合金（防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金）和铸造铝合金（铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金）两大类。

防锈铝合金——退火；硬铝合金——淬火+自然时效：超硬铝合金——淬火+人工时效：锻铝合金——淬火+人工时效；铝镁合金、铝镁合金、铝硅合金——淬火+部分时效；铝铜合金、铝锌合金——人工时效。

2、变形铝合金包括哪几类铝合金？用LY1作铆钉应在何状态下进行铆接？在何时得到强化？

变形铝合金包括：防绣铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金。用LY1作铆钉应在淬火＋自然失效状态下进行铆接。失效时得到强化。

3、铝合金的淬火与钢的淬火有何异同？从加热、冷却和组织强化等方面予以说明。

铝合金具有自淬火功能，其组织强化需经失效处理。而钢的淬火需经加热、保温和冷却等过程，冷却速度不同所得组织也不同，只有冷却速度大于临界冷却速度才能得到全部的马氏体。

4、与纯铜相比，黄铜和青铜各有什么特点？有哪些用途？

黄铜是在纯铜基础上以锌为主加元素的铜合金，由于锌元素的加入，增加来合金的强度和硬度，降低了 合金的塑性和韧性，用做一般的零件、镀层等。青铜指除锌和镍以外的其他元素为主要合金元素的铜合金，由于这些元素的加入，使合金具有一些特殊性能和良好的铸造性能。

5、钛合金分为几类？钛合金的性能特点与应用是什么？

钛合金分为：α型钛合金、β型钛合金、α＋β型钛合金。钛合金的性能特点是：熔点高、密度小、比强度高、热强度高、断裂韧性较高、耐腐性高，但切削性差、冷变形困难、硬度低、耐磨性差。主要用于航空、化工、造船及医疗行业。

6、与金属材料相比，工程塑料的主要性能特点是什么？

密度小，比强度大，耐蚀性、减摩性与自润滑性良好，绝缘性、耐电弧性、隔音性、吸振性良好，好易于成型和加工。缺点是强度、硬度、刚度低，耐热性、导热性差，热膨胀系数大，容易燃烧、老化。

7、简述制约高分子材料大量应用的因素，如何进一步提高其性能？

8、某厂使用库存数年的尼龙绳吊具时，在承受能力远大于吊装应力时却发生断裂事故，试分析其原因。

库存时间太长，因空气中氧气等作用而老化，使强度等下降。

9、对于下面列出的四种构件，选用下列那种塑料最合适？

构件：（1）电源插座；（2）飞机窗玻璃；（3）化工管道；（4）齿轮。

材料：（1）酚醛树脂；（2）尼龙（3）聚氯乙烯；（4）聚甲基丙烯酸甲脂。

电源插座（酚醛树脂）；飞机窗玻璃（聚甲基丙烯酸甲脂）；化工管道（聚氯乙烯）；齿轮（尼龙）。

10、简述常用特种陶瓷材料的种类、性能特点及应用。

氧化铝陶瓷：熔点高，热强度大，抗氧化，并具有高的电阻率和低的热导率。主要用作高温结构材料、绝缘、绝热材料、模具材料及切削刀具。

氧化铍陶瓷：最大特点是导热性好，用于制作坩埚、真空陶瓷和原子反应堆陶瓷。 氧化锆陶瓷：

氧化物陶瓷：耐高温。

碳化物陶瓷：具有很高的熔点、硬度和耐磨性，但耐高温能力差。

氮化物陶瓷：

硼化物陶瓷：硬度高，较高的耐化学侵蚀能力。

11、陶瓷材料力学性能有何特性？如何进一步改善其性能？

强度、硬度高，化学和热稳定性好，耐高温、耐腐蚀，绝电绝热，但韧性差。面临的主要问题是“增韧”。

12、复合材料的性能有什么特点？

比强度和比模量高，抗疲劳性能和抗断裂性能好，减摩、耐磨、减振性能优良。金属基复合材料具有高韧性和抗热冲击性能。另外，复合材料还具有耐辐射性、蠕变性能高以及特殊的光、电、磁性能。

13、常用的增强纤维有哪些？试比较它们的性能特点。

14、与纤维增强塑料相比，纤维增强金属在性能上有何特点？举例说明它们的用途。

15、比较玻璃钢、碳纤维增强塑料、硼纤维增强塑料、碳化纤维增强塑料和Kevlar纤维增强塑料的性能特点，举例说明它们的用途。

16、纳米材料具有什么样的性能特点？

纳米材料指在一维方向上的线度在1~100nm之间的单元和由此单元作结构单元的材料，其具有小尺寸效应、表面效应和量子效应。

17、未来材料有何特点？其发展方向是什么？

第六章 失效及选材（P79）

1、零件的失效形式主要有哪些？分析零件失效的主要目的是什么？

零件的失效形式：变形、断裂、腐蚀、磨损。分析零件失效的主要目的是为了：正确的设计零件的结构形式、尺寸；正确的选择材料；正确的制订零件的加工工艺；正确的安装及使用零件。

2.、选择零件材料应遵守哪些原则？在利用手册上的力学性能数据时应注意哪些问题？

选择零件材料应遵守：使用原则、工艺原则和经济性原则。在利用手册上的力学性能数据时应注意零件的使用性能，由零件的工作应力、使用寿命或安全性与力学性能指标的关系，确定对力学性能指标要求的具体数字。

3、试述常用力学指标在选材中的意义。

可根据零件的的工作条件、失效形式及其对力学性能的要求进行选材。塑性材料考虑屈服强度，脆性材料考虑抗拉强度。

4、零件的使用要求包括哪些？以车床主轴为例说明其使用要求。

包括力学性能、工作温度、工作介质及其它特殊性能。

车床主轴：１）受弯曲、扭转。２）承受的应力和冲击不大，运转平稳。３）滑动轴承、锥孔、外圆锥面处应有一定的耐磨性。

5、试确定下列齿轮的材料，并确定热处理方式。

（1）承受冲击的高速齿轮：选用20CrMnTi钢。锻造后正火，机加工后进行渗碳+高频淬火+低温回火，以提高表面硬和耐磨性。

（2）小模数表用无润滑小齿轮：选用45，调质。

（3）农用受力小、无润滑大型直齿圆柱齿轮：选用QT500-7，正火。

6、分析断裂韧度在选材中的意义。

断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展的能力。一般零件在制造过程中都会或多或少的存在某种缺陷和裂纹，有的重要零件或生产周期长、生产成本高的零件，为保证安全及减少废品率，应选择断裂韧度好的材料。

7、今有一储存液化气的压力容器，工作温度为-196℃，试回答下列问题，并说明理由。

（1）低温压力容器要求材料具有哪些力学性能？

低温下保持一定的韧性和强度，以满足容器的使用要求。

（2）在下列材料中选择何种材料较为合适？

低温合金高强度钢：奥氏体不锈钢：变形铝合金；黄铜；钛合金；工程塑料。 选择低温合金高强度钢（奥氏体不锈钢、变形铝合金），因此压力容器为低温压力容器，在-196℃时要承受一定压力，需材料在低温下具有较高的强度和韧性，低温合金高强度钢（奥氏体不锈钢）具有这种性能。

8、选择下列零件的材料并说明理由，制定加工工艺路线并说明各热处理工序的作用。

机床主轴；镗床镗杆；燃气轮主轴；汽车、拖拉机曲轴；中压汽轮机后叶片；钟表齿轮；内燃机的火花塞；赛艇艇身。

第七章 铸造(P109)

１、 什么是液态合金的充型能力？它对铸件质量有何影响？与合金的流动性

有何关系？化学成分对合金的流动性有何影响？

充型能力：液态合金充满铸腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。充型能力强能获得质量好的铸件。合金的流动性好，充型能力强，反之充型能力强弱。纯金属和共晶成分的合金在恒定温度下凝固，已凝固层和未凝固层之间界面分明、光滑，对未凝固液体阻力小，流动性好，结晶温度范围窄的合金流动性好。 ２、 既然提高浇注温度能提高合金的充型能力，为何又要防止浇注温度太

高？

因浇注温度太高，合金液体在铸腔中液态收缩与凝固收缩的量大，易产生缩孔与缩松。

3、液态合金浇入铸型后要经历哪几个收缩阶段？对铸件质量各有何影响？铸造模样尺寸与哪个收缩阶段密切相关？

液态合金浇入铸型后要经历：液态收缩 ；凝固收缩 ；固态收缩等三个收缩阶段。液态收缩，体积的缩小仅表现为型腔内液面的降低；凝固收缩引起铸件的缩孔与缩松；固态收缩引起铸件的内应力、变形，甚至裂纹。铸造摸样尺寸与固态收缩密切相关。

4、铸件中缩孔和缩松是如何形成的？根本原因何在？如何防止铸件的缩孔和缩松？从工艺上看哪种更难防止？为什么？

合金液体在逐层凝固时，因内部体积的收缩并得不到液体合金的补充，产生缩孔。合金液体在糊状凝固时，因内部体积的收缩并得不到液体合金的补充，产生缩松。从工艺上看缩松更难防止，因缩孔可采用顺序凝固方法使其产生在冒口中。而缩松是糊状凝固的产物，在糊状凝固时，已凝固的金属表面粗糙，阻碍液体金属的流动，收缩所需金属液体更难得到补充。

5、生产上经常采用哪些方法来确定缩孔的位置？

合理的安置冒口和冷铁的位置，使铸件按预定方向顺序凝固。

6、何谓顺序凝固原理？何谓同时凝固原理从工艺上如何实现这两种凝固原理？它们各适用于甚么场合？

顺序凝固原则：通过设置冷铁、布置浇、冒口位置等措施。保证铸件各部按照远离冒口的位置最先凝固，然后朝冒口的方向顺序凝固，使冒口最后凝固的凝固原则。

同时凝固原则：通过设置冷铁、布置浇口和冒口的位置等措施．使铸件各部分温差尽可能小的凝固过程。

顺序凝固原则适用于铸件壁厚，易产生缩孔和缩松的合金。同时凝固原则适用于壁厚均匀，结晶温度范围宽，致密度要求不高的的铸件，以防止铸件的内应力、变形及裂纹。

7、铸造内应力分为哪几类？热应力是如何形成的？在铸件不同部位的应力状态如何？

铸造内应力分为热应力和机械应力。热应力是由于铸件壁厚不均．各部分的冷却速度不一致，收缩量不同，铸件内部彼此相互制约产生的应力。厚部、心部受拉应力。薄部、表面受压应力，

8.铸件变形的原因何在？如何防止铸件的变形？

铸件变形是由于内部存在内应力，铸件处于一种不稳定状态，厚的部分受拉应力，薄的部分受压应力。当应力超过屈服极限铸件本身总是力图通过变形来减缓内应

力，铸件产生变形。防止铸件的变形：1）铸件的结构尽可能对称；2）铸件的壁厚尽可能均匀；3）采用同时凝固原则；4）采用时效处理。

9、球墨铸铁在化学成分、力学性能和铸造工艺方面有何特点？

化学成分：wc=3.7～4.0％．Wsi=2.0～2.8％、wMn=0.6～0.8％，ws＜0.04％，wP＜0.1％，wRe=0.03～0.05％ 。

力学性能：抗拉强度、塑性、韧性、疲劳强度较高。

铸造性能良好，在浇注前需向铁液中加入适量的球化剂和孕育剂，使碳呈球状析出。

10、分析如图7-49所示的槽型铸件的热应力形成过程，标出最终热应力状态，并用虚线画出铸件的变形方向。

在固态收缩过程中，由于下部温度下降得快，上部与下部收缩不均匀，所以产生热应力。最终热应力为上拉下压。变形方向为沿对称轴向上凸。

11、铸造工艺图包括哪些内容？试确定如图7-50所示的机床床身的分型面和浇注位置，并说明原因。

铸造工艺图包括：铸件的浇注位置，分型面，型芯的数量、形状及固定方法，加工余量，起模斜度、收缩率，浇注系统，冒口，冷铁的尺寸及布置，砂箱形状及尺寸等。

12、图7-51所示的三种铸件应采用何种手工造型方法？试确定它们的分型面和浇注位置。

13、熔模铸造有何优缺点？和实型铸造相比有哪些不同？

优缺点：（１）可生产形状复杂及薄壁铸件；（２）铸件尺寸精度高、表面质量好；（３）适应性广；（４）工艺过程复杂、不易控制，生产周期长，铸型的制造费用高，铸件不宜太大。

与实型铸造相比，工艺较复杂，需要两次造型，两次浇注，且不易控制；使用和消耗的材料较贵。

14、金属型铸造、压力铸造、反压铸造和挤压铸造有何不同？

金属型铸造：依靠合金液重力将熔融金属浇入金属铸型而获得铸件的方法。

压力铸造：将熔融金属在压铸机中以高速压射入金属铸型内，并结晶的铸造方法。 反压铸造：用较低的压力使金属液自下而上充填型腔，并在压力下结晶以获得铸件的铸造方法。

挤压铸造：对定量浇入铸型型腔中的液态金属施加较大的机械压力，使其成形、凝固获得零件毛坯的一种工艺方法。

15、离心浇注有何优缺点？主要适用于哪些场合

优点：工艺简单，铸件组织致密，无缩孔、气孔、夹渣等缺陷，力学性能好，便于铸造“双金属”铸件，铸造合金的种类不受限制。缺点：铸件内表面质量差，孔的尺寸不易控制。

主要适用于大批量生产灰铸铁及球墨铸铁管、汽缸套及滑动轴承等中空件，也可浇注刀具、齿轮等成形铸件。

16、在大批量生产时，铝活塞、照相机机身、机床机身、大直径铸铁管、汽轮机叶片和薄壁波导管最适宜采用哪一种铸造方法？

铝活塞、汽轮机叶片适宜采用反压铸造；照相机机身适宜采用压力铸造；机床机身适宜采用砂型铸造；大直径铸铁管、薄壁波导管适宜采用离心铸造

17、什么是铸件的最小壁厚？为何要规定铸件的最小壁厚？是否铸件壁厚越大越好？

铸件的最小壁厚指某种合金在一定的铸造工艺下能得到合格铸件的壁厚的最小值。如果铸件的壁厚小于规定的最小壁厚，铸件将可能出现浇不到等缺陷，而成为废品。铸件壁厚不是越大越好，而是根据使用要求选取，并需大于铸件的最小壁厚。

18、为什么要设计铸件的结构圆角？图7-52铸件的结构设计是否合理？如不合理，在不改变分型面和浇注位置的前提下加以修改。

为便于造型，避免铸件在尖角处产生裂纹和应力集中，避免因尖角在浇注时造成冲砂、砂眼和黏砂等缺陷。图7-52铸件的结构设计不合理，孔不应该有上部圆角，或者不铸出孔。

19、指出如图7-53所示铸件结构不合理之处，并加以改正。

20、为什么要设计铸件的结构斜度？铸件的结构斜度与起模斜度有何异同？ 为方便起模和避免损坏砂型。铸件的结构斜度是从使用角度考虑设计的，而起模斜度是考虑铸造工艺要求附加的，如铸件的结构斜度大于起模斜度，可不在考虑与起模斜度。

第八章 压力加工（151）

１、 常用的金属压力加工方法有哪些？各有何特点？

（1） 轧制：使金属坯料通过一对回转轧辊间的空隙产生变形。

（2） 挤压：使金属坯料从挤压模的模孔中挤出而变形。

（3） 拉拔：将金属坯料从拉拔模的模孔中拉出而变形。

（4） 自由锻：将金属坯料放在上下砧板间受冲击力或压力而变形。

（5） 模锻：将金属坯料放在模锻模膛内受冲击力或压力而变形。

（6） 板料冲压：利用冲模，使金属板料产生分离或变形。

2、为什么弹簧丝都采用冷拉、冷卷成形？在拉制过程中为什么被拉过模孔而截面缩小的钢丝其截面不会再缩小，也不会被拉断？

冷拉簧丝在冷拉过程中受挤压，表面形成压应力，有利于提高疲劳强度。弹簧主要受剪应力，而冷拉簧丝纤维组织沿轴向分布，垂直于剪应力方向，有利于承受剪应力。

冷卷成形是为了保持冷拉簧丝的特点。

被拉过模孔而截面缩小的钢丝其截面不会再缩小，也不会被拉断，是因为在模孔的挤压下，金属发生冷变形，，材料的强度、硬度提高，塑性和韧性下降的原因。

3、纤维组织是如何形成的？它的存在有何利弊？设计零件时如何合理利用纤维组织？

通过热变形时材料内部的夹杂物及其他非基体物质，沿塑性变形方向形成纤维组织。它使材料顺纤维方向的强度、塑性和韧性增加，垂直纤维方向的同类性能下降，力学性能出现各向异性。设计零件时应使纤维组织沿拉最大正应力方向，而最大剪应力垂直于纤维方向，并尽可能使纤维方向沿零件的轮廓分布而不被切断。

4、何谓冷变形和热变形？纯铅丝和纯铁丝反复折弯会发生什么现象？为什么？ 材料在再结晶温度以下变形称为冷变形，反之为热变形。纯铅丝和纯铁丝反复折弯会发生加工硬化（即强度、硬度增加，塑性、韧性下降）现象。这是因为金属在外力作用下产生塑性变形，晶体与晶体间发生位移，使位错阻力增加所至。

5、何谓金属的可锻性？影响可锻性的因素有哪些？

金属的可锻性(锻造性能):是衡量材料压力加工难易程度的工艺性能。包括塑性和变形抗力。

影响可锻性的因素有：（1）金属的化学成分；（2）金属的组织结构；（3）变形温度；（4）变形速度；（３）应力状态。

6、为什么锻件的力学性能常优于铸件？

因为热变形可使金属的致密度提高，细化组织，提高其力学性能。

7、为什么重要的轴类锻件在锻造过程中均安排有鐓粗工序？

为提高零件的锻造比，以提高纤维组织的明显程度及材料的致密度，破碎铸造状态下的树枝状组织，细化晶粒，达到提高其力学性能的目的。

8、在图8-54所示的两种砧铁上拔长时，其效果有何不同？

图a比图b效果好，图a材料在V型砧铁作用下受压面较多，有利于纤维组织的形成和阻碍内部缺陷的产生和扩展。图b材料在平砧铁材料表面层在两侧处于拉应力状态，容易产生垂直方向的裂纹。

9、试述自由锻、胎模锻和模锻的特点及适用范围。

自由锻特点：锻造时，金属能够沿上、下砧块向没有受到锻造工具工作表面限制的各方向流动。（２）工具简单，应用广泛，对设备要求低，生产周期短；生产率低，尺寸精度不高，表面粗糙度高，对工人操作水平要求高，自动化程度低。用于单件、小批量生产。

胎模锻特点：介于自由锻与模锻之间（１）不需用昂贵的设备，可扩大自由锻的范围。（２）操作灵活，可局部成形。（３）胎模结构简单，制造容易。（４）胎模锻尺寸精度不高，工人劳动强度大，胎模容易损坏，生产率不高。。用于中、小批量的小型锻件的生产。

模锻的特点：（１）锻件质量较好，力学性能较高。（２）锻件形状复杂，尺寸精度高，表面质量较好。（３）生产率高，劳动强度小，操作简便，对工人技术要求低，容易实现机械化。（４）节约金属材料，锻件加工余量和公差较小。适用于中、小型锻件的成批和大量生产。

10、对于如图8-55所示的零件采用自由锻制坯，试定性绘出锻件图，选择自由锻工序，并绘出变形简图。

11、图8-56所示模锻零件的设计有哪些不合理的地方？应如何改进？

图示模锻零件的设计不合理的地方：φ90的外圆表面为不加工面，但它没有倒

角、圆弧过度和拔模斜度等，齿轮齿形及外圆更不能不加工。

12、图8-57所示三种零件若分别进行单件、小批量和大批量生产时，应选用哪种锻造方法制造？试定性绘出锻件图。

13、下列零件应选用何种锻造方法制坯？

（1）活扳手（大批量）：模锻

（2）大六角螺钉（成批）；模锻

（3）铣床主轴（成批）；自由锻

（4）起重机吊钩（单件）。自由锻

14、如何确定冲孔模和落料模的刃口尺寸？用直径50mm的冲孔模具来生产直径50mm的落料件能否保证冲压件的精度？为什么？

冲孔模和落料模要求凸模和凹模间有合理的间隙，其间隙一般为板厚的5%~10%。用直径50mm的冲孔模具来生产直径50mm的落料件不能保证冲压件的精度，因为工件上孔的尺寸取决于凸模的尺寸，而外形尺寸取决于凹模尺寸。

15、板料拉深时，如何防止工件拉裂和边缘起皱？

① 凸凹模的工作部分必须具有一定的圆角；② 凸凹模间隙要合理；③ 控制拉深系数；④ 设置压边圈；⑤ 涂润滑油。

16、冲模结构分为哪几类？各有何特点？

按每一次冲程完成工序的多少可分为简单模、连续模和复合模。

简单模一次冲程只能完成一道工序，结构简单，成本低，生产率较低，主要用于简单冲裁件的批量生产；连续模在一次冲程内在模具的不同位置上可以同时完成两道以上的工序，但结构复杂，成本高。适用于大批量生产精度要求不高的中小型零件；复合模在一次冲程内在模具的同一位置上可同时完成两道以上的工序，零件加工精度，高生产率高，但模具制造复杂，成本高，适用于大批量生产。

17、试述如图所示冲压件的生产过程。

落料、冲孔、折弯

18、超塑成型与普通塑性成型有何区别？常用的超塑成型方法有哪些？

超塑成型是利用材料在特定的条件下所表现出的异常高的伸长率（超过100%）的能力来成形的，它比普通塑性成型所需载荷低得多，能成型出普通塑性成型不能成形的高质量、高精度的薄壁、薄腹板、高筋件和其他复杂件。常用方法有超塑性模锻、超塑性无模拉拔、超塑性气压涨形和超塑性涨形与扩散连接复合工艺等。