最新版机械工程材料综合练习题参考答案第8章非金属材料.docx
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最新版机械工程材料综合练习题参考答案第8章非金属材料
《机械工程材料》习题参考答案
刘祖其主编
内容简介
习题答案是根据刘祖其主编的《机械工程材料》综合练习题的习题编写的答案,答案覆盖全书各章节主要的知识点和基本的教学要求,题型种类多,应用部分章节的习题数量较多,没有难题和怪题,便于学生考前复习,也便于读者自学,还便于教师根据教学要求进行组卷。
习题答案不是唯一标准,但可供教学和学习参考用。
刘祖其
2011.11
第1章机械工程材料的性能
参考答案
一、名词解释
1.答:
是指材料在外力的作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能,主要包括弹性、强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等。
2.答:
是指金属材料在密度、熔点、导热性、导电性、磁性、热膨胀性及热力等物理因素作用下,其所表现出的性能或固有的属性。
3.答:
是指金属材料由固态向液态并有一定潜热吸收或放出时的转变温度。
4.答:
同一温度下单位体积物质的质量称为密度(g/cm3或kg/m3),与水密度之比叫相对密度。
5.答:
是指金属在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀能力。
主要的化学性能有耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。
6.答:
是指金属材料要制成机械零件的过程中,所要采用某种加工方法制成成品的难易程度。
7.答:
是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
8.答:
是指材料在拉伸试验过程中,拉伸力不增加(保持恒定)仍然能继续伸长(变形)时的应力。
屈服点用符号σ0..2表示,单位为N/mm2或MPa。
9.答:
抗拉强度是指材料被拉断前所能承受的最大拉应力,用符号σb表示,单位为N/mm2或MPa。
10.答:
是指金属在断裂前发生不可逆永久变形的能力。
11.答:
是指材料被拉断后,标距的伸长量与原始标距的百分比,用符号δ表示。
12.答:
金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能称为磁性或导磁性,通常用磁导率μ来表示。
13.答:
是指材料抵抗局部变形,特别是塑性变形的能力,即抵抗硬物压入或划伤的能力,它是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。
14.答:
是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力,或材料在断裂前吸收变形能量的能力,它是材料塑性和强度的综合表现。
15答:
是指金属材料在循环应力作用下能经受无限多次循环而不断裂的最大应力值,用以表征材料抵抗疲劳断裂的能力。
16.答:
是指在常温下抵抗周围介质(如大气、燃气、水、酸、碱、盐、有毒气体等)侵蚀的能力,包括化学腐蚀和电化学腐蚀两种。
17.答:
是指试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力,弹性变形阶段e点对应了弹性极限值。
二、判断题
(√):
7,8,9,10,11,12,13,14,16,17,18,19,21,22,23;
(×):
1,2,3,4,5,6,15,20,24。
三、填空题
1.使用性能和工艺性能。
2.力学性能、物理性能和化学性能等。
3.重金属;轻金属。
4.微裂纹形成、裂纹扩展和断裂。
5.铸造、锻压、焊接、切削加工及热处理工艺性能等。
6.铁磁、顺磁和抗磁材料。
7.A、B和C三个标尺。
8.5mm,硬质合金,1000kgf(10kN),保持20秒,布氏600。
9.σe、σs、σ0.2、σb、δ、ψ 。
四、选择题
1.拉伸试验时,试样拉断前能承受的最大标称应力称为材料的B。
2.淬火钢件的硬度测定,通常选用B来测试。
3.金属抵抗永久变形和断裂的能力,称为C。
4.金属的B越好,锻造性能就越好。
五、简答题
1.答:
从拉伸试验和伸长曲线图可知,试样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形、屈服阶段、变形强化阶段、缩颈与断裂过程。
2.答:
布氏硬度是用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量。
其特点是试验时金属材料表面压痕大,可在较大范围内反映被测材料的平均硬度,测得的硬度值比较准确,数据重复性强。
布氏硬度试验法是用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球作为压头,在载荷F的作用下压入被测试金属表面,保持一定时间后卸载,当撤消试验力,测量金属表面形成的压痕直径d,用试验力除以压痕表面积,所得值即为被测金属的布氏硬度。
一般采用布氏硬度测定有色金属、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及经退火、正火、调质处理后的各类钢材。
布氏硬度测试法,由于其压痕较大,不宜测定太小或太薄金属的硬度。
3.解:
由题中条件及计算公式得
σe=Fs/Ao=18840/(3.14×102/4)=239.49(N/mm2)
σb=Fb/Ao=36000/(3.14×102/4)=458.6(N/mm2)
δ=(L1-L0)/L0×100%=(70-50)/50=4%
ψ=(A0-A1)/A0×100%={(3.14×102/4)-(3.14×6.52/4)}/(3.14×102/4)×100%
=35%
答:
试样的σe=239.49(N/mm2)、σb=458.6(N/mm2)、δ=4%、ψ=35%。
第2章金属的晶体结构与结晶
参考答案
一、名词解释
1.答:
是指原子沿三维空间按一定几何规律重复排列成的有序物质。
2.答:
是指用一些假想的直线描述原子在晶体中排列形式的空间几何格架。
3.答:
组成晶格的最小几何单元称。
4.答:
是指一块晶体内部的晶格位向(即原子排列的方向)完全一致晶体。
5.答:
由多个单晶粒组成的晶体为多晶体。
6.答:
金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。
7.答:
是指在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能,并与该系统的其余部分以界面分开。
8.答:
是指由两种或两种以上元素经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的材料。
9.答:
组成合金的最基本的、独立的物质单元。
10.组织:
指用金相观察方法,在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。
11.答:
由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列化学成分不同成分的合金。
12.答:
机械混合物是指组成合金的各组元在固态下既不溶解,也不形成化合物,而以混合形式组合在一起的物质。
13.答:
金属化合物是指合金组元间相互作用生成的具有金属特性的一种新相。
14.答:
是指合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一种原子而形成的晶体相称为固溶体。
大多数合金只能有限固溶,根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同,可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。
不论是置换固溶体,还是间隙固溶体,异类原子的插入都将使固溶体晶格发生畸变,增加位错运动的阻力,所以固溶体不但有较高的强度和硬度,如果适当控制固溶体中溶质的含量,还能在显著提高金属材料强度的同时仍然可保持较高的塑性和韧性。
二、判断题
(√):
1~4,6~9,11~14,16,17;
(×):
5,10,15,18,19。
三、填空题
1.原子排列是否规则。
2.点缺陷、线缺陷、面缺陷三类。
3.不断形成晶核和晶核不断长大两个的过程。
4.力学性能、物理性能和化学。
5.增大过冷度、变质处理、机械振动方法。
6.越高,塑性、韧性也越好。
7.机械混。
8.固溶体、金属化合物机械混合物。
9.熔点异性,熔点,同性。
10.没有物质,原子。
四、选择题
根据结构示意图,体心立方晶格A、D,面心立方晶格B、D,密排六方晶格C。
A.Cr,B.Cu,C.Mg。
D.Sr
五、简答题
1.答:
常见的金属晶格类型有:
体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三个类型。
2.答:
晶体中存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。
这些缺陷会使金属晶体处于畸变状态,对金属塑性变形有阻碍作用,但会使金属材料的强度和硬度提高。
3.答:
(1)增大过冷度:
在金属结晶时,当过冷度增大时,形核率(N)和长大率(G)都增加,当过冷度减小时,形核率增加速度小于长大率,过冷度较大时,形核率增加速度大于长大率。
所以金属结晶时的过冷往往只能处于该曲线的上升部分,增大过冷度可使晶粒细化。
(2)变质处理:
所谓变质处理就是在浇注前,加入一定量的难熔金属或合金元素,增加形核率,以改善其组织和性能,从而达到细化晶粒的效果。
(3)机械振动:
在金属液结晶过程中,若采用机械振动、超声波振动和电磁振动等,可使生长中的枝晶破碎,使晶核数增多,而且破碎了的细小枝晶又可起到新晶核的作用,从而细化晶粒。
4.答:
(1)纯金属结晶是在恒温下进行,只有一个临界点(或结晶温度)。
而合金则绝大多数是在一个温度范围内进行结晶,结晶的开始温度与终止温度不相同,并且有两个临界点(或结晶温度)。
(2)合金在结晶过程中,在局部范围内相的化学成分有变化,当结晶终止后,整个晶体的平均化学成分与原合金的化学成分相同。
(3)合金结晶后不是单相,通常有三种情况:
单相固溶体;单相金属化合物或同时结晶出两相机械混合物(如共晶体);结晶开始形成单相固溶体(或单相化合物),剩余液体又同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)。
5.答:
金属在固态下随温度的变化,由一种晶格类型变为另一种晶格类型的现象,称为金属的同素异构转变或称同素异晶转变。
6.答:
纯铁的同素异构转变特性对铁碳合金的组织性能将有着很大的影响,它是钢铁能够进行热处理的理论依据,同素异构转变是通过原子的重新排列来完成的。
7.合金相图
答:
合金相图就是表示合金结晶过程的简明图解,它是研究合金成分、温度和晶体组织结构之间变化规律的重要工具,合金相图是通过实验方法建立的。
在极缓慢冷却的条件下,作出该合金系中一系列不同成分合金的冷却曲线,并确定冷却曲线上的结晶转变温度(临界点),然后把这些临界点标在温度的坐标图上,最后把坐标图上的各相应点连接起来,就可得出该合金系的相图。
根据相图可以了解合金系中不同成分合金在不同温度时的组成相,还可以了解合金在缓慢加热和冷却过程中的相变规律等。
在生产实践中,相图可作为正确制订铸造、锻压、焊接及热处理工艺的重要依据。
第3章铁碳合金相图
参考答案
一、名词解释
1.答:
碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体,铁素体具有体心立方晶格。
2.答:
γ铁中溶入碳元素形成的固溶体称为奥氏体,奥氏体具有面心立方晶格。
3.答:
是指晶体点阵为正交点阵、化学成分近似于Fe3C的一种间隙式化合物。
4.答:
铁素体和渗碳体两相的混合物,是共析反应的产物。
珠光体是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的,其立体形状为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相组织。
或珠光体是铁素体(软)和渗碳体(硬)组成的机械混合物。
5.答:
奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称为莱氏体,用符号Ld表示。
是指高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变时所形成的奥氏体和碳化物渗碳体所组成的共晶体。
6.答:
含碳量Wc小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁。
7.答:
含碳量Wc在(0.0218~2.11)%之间的铁碳合金称为碳钢。
根据合金在相图中的位置可分为亚共析、共析和过共析钢。
8.答:
含碳量Wc在2.11%<Wc≤6.69%之间的铁碳合金称为白口铸铁。
根据合金在相图中的位置可分为共晶白口铁、亚共晶白口铁、过共晶白口铁。
二、判断题
(√):
1~5,11~14;
(×):
6~9,15。
三、填空题
1.A(0.77%℃)→F(0.0218%C)+Fe3C。
2.碳在γ-Fe溶解度。
3.磁性,铁磁性,失去铁磁性。
4.4.3% 5.A;F;Fe3C;P;Ld;L′d。 6.F和Fe3C。 7.A和Fe3C。 8.2.11%,0.77%。 9.亚,F和Fe3C;共,P;过共,P和Fe3CII。 10.0.77%、共析,F和Fe3C,P。 11.Ld,4.3%。 12.2.11% 13.0.0218% 14.0.77% 四、选择题 1.A、D、E,B,C。 2.C,A,B。 3.A,B,D。 4.PSK线,ECF线。 五、简答题 1.答: 按Fe-Fe3C相图中碳的质量分数及室温组织的不同,铁碳合金分为工业纯铁Wc≤0.0218%、钢0.0218%<Wc≤2.11%、白口铸铁2.11%<Wc≤6.69%三类。 2.答: 共析钢的含碳量为0.77%,合金在1点以上为液体全部为液相(L), 当温度降到2点时,液体全部结晶为奥氏体。 2~3点之间,合金是单一奥氏体相。 继续缓冷至3点(7270C)时,,奥氏体发生共析转变,奥氏体全部转变为珠光体(P)。 继续冷却会从珠光体的铁素体中析出少量的三次渗碳体。 在727℃以下,珠光体P基本上不发生变化。 3.答: 把含碳量为0.45%的钢和白口铸铁都加热到高温1000℃,由铁碳状态图可知: 含碳量为0.45%的钢加热到高温1000℃时,钢处于奥氏体(A),塑性好,能进行锻造;白口铸铁加热到高温1000℃时,生了局部熔化现象,加之白口铸铁本身塑性差,所以不能进行锻造。 4.答: 对于含碳量为0.4的铁碳合金,由液态冷至AC线时,开始结晶出奥氏体(A);温度下降奥氏体(A)增多,液体减少;温度降至AE线时,液体消失,液体全部结晶为奥氏体(A);当温度降至GS线时,从奥氏体中析出铁素体(F);降至PSK线时,剩余奥氏体发生共析转变,生成珠光体(P);温度降至PSK线以下时,组织基本无变化,组织为铁素体和珠光体(F+P)。 对于含碳量为1.2的铁碳合金,由液态冷至AC线时,开始结晶出奥氏体(A);温度下降奥氏体(A)增多,液体减少;温度降至AE线时,液体消失,液体全部结晶为奥氏体(A);当温度降至ES线时,从奥氏体中析出二次渗碳体(Fe3CII);降至PSK线时,剩余奥氏体发生共析转变,生成珠光体(P);温度降至PSK线以下时,组织基本无变化,组织为铁素体和珠光体(Fe3CII+P)。 5.答: 因为铁碳合金相图是研究铁碳合金组织、化学成分、温度关系的重要图形。 是研究铁碳合金的工具,是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础,也是制定各种热加工工艺的依据。 要掌握各种钢和铸铁的组织、性能及加工方法等,就必须先了解铁碳合金成分、组织和性能之间的关系,必须研究铁碳合金相图。 第4章钢的热处理 参考答案 一、名词解释 1.答: 是指对金属材料或工件进行加热、保温和冷却,并获得预期的组织结构和性能的一种工艺过程。 2.答: 是指碳或合金元素在α-Fe中的过饱和固溶体。 3.答: 是指工件加热到适当温度,保持一定时间,然后缓慢冷却的热处理工艺。 4.答: 正火是指工件加热奥氏体化后,保温适当时间后,在空气中冷却的热处理工艺。 5.答: 是指工件加热到奥氏体化后,保温一定时间,然后快速冷却获得马氏体或(和)贝氏体组织的一种热处理工艺。 6.答: 回火是指工件淬火后,为了消除内应力并获得所要求的组织和性能,将其加热到Ac1以下的某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺。 7.答: 钢的表面热处理,只对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺。 8.答: 淬火和高温回火相结合的热处理工艺称为调质。 9.答: 是指在真空中进行的热处理工艺,称为真空热处理。 10.答: 是为了增加钢件表层的碳含量和形成一定的碳浓度梯度,将低碳钢件放入渗碳介质中,在900~950℃加热保温,使碳原子渗入表层的化学热处理工艺称为渗碳。 11.答: 是在一定温度下(一般在Ac1温度以下)向钢的表面渗入氮元素的热处理工艺称为渗氮。 12.答: 激光热处理是一种表面热处理技术,利用高能量密度的激光束加热金属材料表面实现表面热处理工艺称为激光热处理。 13.答: 在铁水中加入球化剂,以获得球状石墨的处理工艺称为球化处理。 14.答: 将中碳钢的淬火加高温回火的热处理工艺过程。 二、判断题 (√): 1~8,12~14,16~20,22,26~34,36; (×): 9~11,15,18,21,23~25,35。 三、填空题 1.上贝氏体、下贝氏体 2.退火、正火、淬火、回火 3.感应加热、火焰加热、激光加热。 4.渗碳、渗氮、碳氮共渗。 5.气相沉积、可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理、激光热处理、电子束热处理等。 6.加热、保温、冷却三个过程。 7.奥氏。 8.22个等级。 9.完全退火、等温退火、球化退火及再结晶退火等。 10.加热温度、加热速度、合金元素。 11.珠光体量并细化晶粒。 12.30~500C温度,保温,快速。 13.水、油、空气。 14.马氏体(或贝氏体)。 15.单介质,双介质,分级等温淬火四种。 16.低温回火、中温回火和高温回火三类 17.固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种。 18.物理化学,表面。 19.淬火、真空退火、真空回火。 20.淬火加高温调质。 21.马氏体、残余奥氏体、碳化物。 22.原子,渗碳体、铁素体面心立方。 四、选择题 1.过冷奥氏体是C温度下存在,尚未转变的奥氏体。 2.过共析钢的淬火加热温度应选择在A,亚共析钢则应选择在C。 3.调质处理就是C的热处理。 4.化学热处理与其它热处理方法的基本区别是C。 5.零件渗碳后,需经C处理,才能达到表面高硬度和耐磨的目的。 五、简答题 1.答: 是把钢加热到铁碳合金相图临界点以上温度时,珠光体便逐渐转变成奥氏体组织,是一个通过铁、碳原子扩散而实现的重结晶过程,重结晶过程是通过形核和长大两个过程完成的,钢的奥氏体形成过程就是一个细化晶粒的过程。 2.答: 钢的化学热处理是将工件置于一定的活性介质中加热保温,使一种或几种元素渗入工件表层,以改变其化学成分和组织性能的热处理工艺。 按照表面渗入的元素不同,化学热处理可分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗硫、渗铝及多元共渗等。 其目的是为了提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐腐蚀性。 3.答: 奥氏体存在A1温度之上,过冷奥氏体存在A1温度之下,残余奥氏体存在MS温度之下。 4. 答: 亚共析钢淬火加热温度在Ac3以上30~500C,因为在此温度范围内,可获得全部细小的奥氏体晶粒,淬火后能得到均匀细小的马氏体组织。 若加热温度过高,就会引起奥氏体晶粒粗大,使钢淬火后的性能变差;若加热温度过低,则淬火组织中尚有未溶铁素体,使钢淬火后的硬度不能满足要求。 对共析钢和过共析钢淬火加热温度要在Acl以上30~500C;淬火后获得细小马氏体组织和球状渗碳体,可保证钢淬火后得到高的硬度和耐磨性。 如果加热温度超过Accm,将导致渗碳体消失,奥氏体晶粒粗大,淬火后得到粗大针状马氏体,残余奥氏体量增多,硬度和耐磨性降低,脆性增大;如果淬火温度过低,可能得到非马氏体组织,钢的硬度不能满足要求。 5.答: 钢的表面热处理,只对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理。 按照加热方式,有感应加热、火焰加热、激光加热、电接触加热和电解加热等表面热处理。 其中表面淬火是最常用的表面热处理。 它是指只对工件表层进行淬火的工艺。 目前生产中广泛应用的是感应淬火和火焰淬火。 表面淬火主要用于要求表面具有高硬度和耐磨性,而心部又有足够强度和韧性的工件。 6.答: 火焰加热表面淬火是用火焰加热工件表面上某些部位,火焰温度很高(3000℃以上),能将工件表面温度迅速加热到奥氏体状态,然后,立即用水喷射冷却的热处理工艺称为火焰加热表面淬火。 通常是利用氧-乙炔焰或氧-煤气或混合气体通过喷嘴使其燃烧,调节喷嘴的位置和移动速度,可以获得不同厚度的淬硬层。 深度在1~ 12mm,通常火焰加热钢的含碳量为0.3%~0.7%,铸铁的含碳量在2.3%~3.5%范围内。 火焰加热的气体除乙炔和煤气外还可使用液化石油气、天然气、丙烷等,它们具有燃烧热量高、成本低的特点。 7.答: 真空热处理是指在真空中进行的热处理称为真空热处理。 它包括真空淬火、真空退火、真空回火和真空化学热处理等。 真空热处理具有如下特点: (1)热处理变形小,在真空中加热,升温速度很慢,工件热处理变形小。 (2)可以净化表面在真空中,表面的氧化物、油污发生分解,工件可得光亮的表面,提高耐磨性、疲劳强度。 防止工件表面氧化。 延长工件使用寿命。 (3)节省能源,减少污染,劳动条件好。 (4)有利于改善钢的韧性,提高工件的使用寿命。 (5)真空热处理设备造价较高,目前多用于工具模具、精密零件的热处理。 8.答: 对于低碳钢制造的齿轮,为了使齿轮获得表面具有高硬度和高耐磨性,而心部具有一定的强度和韧性,应采用渗碳→淬火→低温回火热处理工艺。 处理后的组织: 表层是回火马氏体,心部是回火马氏体。 对于中碳钢制造的齿轮,为了使齿轮获得表面具有高硬度和高耐磨性,而心部具有一定的强度和韧性,应采用表面淬火→低温回火热处理工艺。 处理后的组织: 表层是回火马氏体,心部是铁素体+珠光体。 第5章工业用钢 参考答案 一、名词解释 1.答: 是指钢在高温下保持高硬度的能力,红硬性与钢的回火稳定性和特殊碳化物的弥散析出有关。 2.答: 硫在钢中常以FeS与Fe形成低熔点(985°C)的共晶体,当钢材进行热加工(lOOO~1200°C)时,共晶体过热甚至熔化,减弱了晶粒间联系,使钢材强度降低,韧性下降,这种现象称为热脆。 3.答: 磷在低温时钢的塑性和韧性会急剧下降,产生低温脆性,这种现象称为“冷脆”,从而影响钢的锻接。 4.答: 是指Wc≤2.11%,并含有少量硅(Si)、锰(Mn)、磷(S)、硫(P)等杂质元素的铁碳合金,非合金具有一定的力学性能和良好的工艺性能,且价格低廉,在工业中广泛应用。 5.答: 在非合金钢(碳钢)基础上有计划地加入一种或几种合金元素后,所形成的铁基合金称为合金钢。 6.答: 是指制作机械零件、建筑及工程、机械制造中控制质量无特殊规定的中、低碳钢。 7.答: 是指在高温下具有抗氧化性和高温强度两方面综合性能的特殊性能钢。 8.答: 按冶炼时脱氧程度的不同,可分为沸腾钢、镇静钢、半镇静和特殊镇静钢等。 9.答: 是指具有抵抗空气、水、酸、碱或其它介质腐蚀能力的钢称为不锈钢。 二、判断题 (√): 1,3-5,16-21,26-50; (×): 2,6-15,22-25。 三、填空题 1.非合金(碳钢)钢、低合金钢和合金钢三大类。 2.S、P两种。 3.低碳钢、中碳钢、高碳钢三类。 4.A、B、C、D四级。 5.普通非合金、优质非合金、非合金工具钢三种。 6.低合、中合金、高合金。
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