机械工程材料(第二版)习题答案(王章忠)例1：某工厂生产精密丝杠，尺寸为φ40×800mm，要求热处理后变形小，尺寸稳定，表面硬度为60～64HRC，用CrWMn钢制造;其工序如下：热轧钢棒下料→球化退火→粗加工→淬火、低温回火→精加工→时效→精磨。
试分析：1. 用CrWMn钢的原因。
2. 分析工艺安排能否达到要求，如何改进？丝杠是机床重要的零件之一，应用于进给机构和调节移动机构，它的精度高低直接影响机床的加工精度、定位精度和测量精度，因此要求它具有高精度和高的稳定性、高的耐磨性。
在加工处理过程中，每一工序都不能产生大的应力和大的应变；为保证使用过程中的尺寸稳定，需尽可能消除工件的应力，尽可能减少残余奥氏体量。
丝杠受力不大，但转速很高，表面要求有高的硬度和耐磨性，洛氏硬度为60～64 HRC。
根据精密丝杠的上述要求，选用CrWMn钢较为合适。
其原因如下：（1）CrWMn钢是高碳合金工具钢，淬火处理后能获得高的硬度和耐磨性，可满足硬度和耐磨性的要求。
（2）CrWMn钢由于加入合金元素的作用，具有良好的热处理工艺性能，淬透性好，热处理变形小，有利于保证丝杠的精度。
目前，9Mn2V 和CrWMn用得较多，但前者淬透性差些，适用于直径较小的精密丝杠。
对原工艺安排分析：原工艺路线中，由于在球化退火前没有安排正火；机加工后没有安排去应力退火；淬火、低温回火后没有安排冰冷处理等项原因，使得精密丝杠在加工过程中会产生很大的应力和变形，很难满足精密丝杠的技术要求。
所以原工艺路线应改为：下料→正火→球化退火→粗加工→去应力退火→淬火、低温回火→冷处理→低温回火→精加工→时效→半精磨→时效→精磨。
例2：有一载重汽车的变速箱齿轮，使用中受到一定的冲击，负载较重，齿表面要求耐磨，硬度为58～62HRC齿心部硬度为30～45HRC，其余力学性能要求为σb＞1000MPa，σOF≥600MPa，AK ＞48J。
试从所给材料中选择制造该齿轮的合适钢种。
35、45 、20CrMnTi 、38CrMoAl 、T12分析：从所列材料中可以看出35、45 、T12钢不能满足要求。
对剩余两个钢种的比较可见表1。
材料热处理σs/MPa σb/MPa /% φ/% AK/J 接触疲劳强度/MPa 弯曲疲劳强度/MPa20CrMnTi 渗碳淬火853 1080 10 45 55 1380 750 38CrMoAl 调质835 980 14 50 71 1050 1020比较，20CrMnTi能全面满足齿轮的性能要求。
其工艺流程如下：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火→低温回火→喷丸→磨齿。
例3：机械式计数器内部有一组计数齿轮，最高转速为350r/min，该齿轮用下列哪些材料制造合适，并简述理由。
40Cr、20CrMnTi、尼龙66。
工作条件分析：计数器齿轮工作时，运转速度较低、承受的扭矩很小，齿轮间存在摩擦，因此要求摩擦系数小，耐磨性好。
由于该结构特点要求选材时重量要轻，工作噪音要小，在无润滑条件下长时间工作，制造工艺简单，价格便宜，很明显，40Cr，20CrMnTi等合金钢由于价格太贵、太重、加工复杂而不合适。
而尼龙66工程塑料较为合适。
其原因：（1）有足够的抗弯强度（≥70～90MPa）和冲击吸收功（10～45J）。
（2）耐磨、减磨、消音、耐应力开裂。
（3）－40～100℃可长期使用。
（4）有较好的弹性，吸震，防冲击，噪声小。
（5）重量轻。
（6）耐蚀性好。
（7）可用注射法一次成型，制造工艺简单，生产率高，成本低。
第一章作业1－3 现有一碳钢制支架刚性不足，采用以下三种方法中的哪种方法可有效解决此问题？为什么？①改用合金钢；②进行热处理改性强化；③改变该支架的截面与结构形状尺寸。
答：选③，改变该支架的截面与结构形状尺寸。
因为金属材料的刚度决定于基体金属的性质，当基体金属确定时，难于通过合金化、热处理、冷热加工等方法使之改变。
1－4 对自行车座位弹簧进行设计和选材，应涉及到材料的哪些主要性能指标？答：强度、弹性、疲劳极限。
1－9 传统的强度设计采用许用应力[σ]= σ0.2/n,为什么不能一定保证零件的安全性？有人说：“安全系数n越大，零件工作时便越安全可靠。
”，你怎样认识这句话？答：传统的强度设计采用[σ]= σ0.2/n ，都是假设材料是均匀无缺陷的，而实际上材料中存在着既存或后生的微小宏观裂纹，因此在实际的强度设计中还应考虑材料抵抗脆性断裂的力学性能指标—断裂韧度（KI），只考虑许用应力[σ]= σ0.2/n是不能保证零件的安全性的。
“n越大，零件越安全”也是不对的，因为[σ]= σ0.2/n,n增大就会使[σ]降低而牺牲材料的强度，将塑性和韧性取大一些，导致[σ]偏低而零件的尺寸与重量增加，浪费了原材料。
1－11 一般认为铝、铜合金的耐蚀性优于普通钢铁材料，试分析在潮湿性环境下铝与铜的接触面上发生腐蚀现象的原因。
答：潮湿环境下铝与铜的接触面上会发生电化学腐蚀，因为这时铝与铜的接触面因电极电位不同存在着电极电位差而发生电化学腐蚀。
第二章作业2－1常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？－Fe、－Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn各属何种结构？答：常见晶体结构有3种：⑪体心立方：－Fe、Cr、V⑫面心立方：－Fe、Al、Cu、Ni⑬密排六方：Mg、Zn2-2 已知－Fe的晶格常数（a=3.6 ）要大于－Fe的晶格常数（a=2.89 ）,但为什么－Fe冷却到912℃转变为－Fe时体积反而增大？答：－Fe冷却到912℃转变为－Fe时体积增大，是因为转变之后面心立方的－Fe转变为体心立方的－Fe时致密度变小。
－Fe －Fe晶胞原子数4 晶胞原子数2转变之后－Fe的体积为 3.633(47.83)＜2个－Fe 的体积2×2.893(48.27)。
2－3 1g Fe在室温和1000℃时各含有多少个晶胞？答：Fe在室温下为体心立方，晶胞原子数为2，这时1gFe的晶胞数＝(1/56×6.02×1023)/2=5.38×1021个在1000℃时为面心立方，晶胞原子数为4，这时1gFe的晶胞数＝(1/56×6.02×1023)/4＝2.69×1021个2－4已知铜的原子直径为2.56 ，求其晶格常数，并计算1mm3铜中的原子数。
答： a = a= ×= ×=3.62原子数＝4×晶胞数＝4×＝8.4×1019个2－6 总结说明实际金属晶体材料的内部结构特点。
答：实际金属晶体材料内部存在晶体缺陷：⑪点缺陷：空位、间隙原子、置换原子⑫线缺陷：位错⑬面缺陷：晶界、亚晶界第三章作业3－2 如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小；⑪金属模浇注与砂模浇注；⑫高温浇注与低温浇注；⑬铸成薄壁件与铸成厚壁件；⑭浇注时采用振动与不采用振动；⑮厚大铸件的表面部分与中心部分。
答：晶粒大小：⑪金属模浇注的晶粒小⑫低温浇注的晶粒小⑬铸成薄壁件的晶粒小⑭采用振动的晶粒小⑮厚大铸件表面部分的晶粒小3－3 Si、C、N、Cr、Mn、B等元素在－Fe中各形成哪些固溶体？答：Si、Cr、Mn形成置换固溶体，C、N、B形成间隙固溶体。
3－4间隙固溶体与间隙化合物在晶体结构与性能上有何区别？举例说明。
答：间隙固溶体的晶体结构与组成合金的一个金属组元的结构相同，它是溶质原子进入金属溶剂晶格的间隙时形成的固溶体，如：F和A，形成间隙固溶体可以提高金属的强度和硬度，起到固溶强化的作用。
间隙化合物的晶体结构与组元的结构不同，间隙化合物是由H、B、C、N等原子半径较小的非金属元素（以X表示）与过渡族金属元素（以M表示）结合，且半径比rX/rM＞0.59时形成的晶体结构很复杂的化合物，如Fe3C,间隙化合物硬而脆，塑性差。
3－7 为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金？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？答：共晶成分的合金熔点低，凝固温度区间最小，流动性好，适于铸造。
单相固溶体成分的合金强度均匀，塑性好，便于压力加工。
3－8 为什么钢锭希望减少柱状晶区，而铜锭、铝锭往往希望扩大柱状晶区？答：在柱状晶区，柱状晶粒彼此间的界面比较平直，气泡缩孔很小，组织比较致密。
但当沿不同方向生长的两组柱状晶相遇时，会形成柱晶间界。
柱晶间界是杂质、气泡、缩孔较密集地区，是铸锭的脆弱结合面，故钢锭应减少柱状晶区，以避免在热轧时开裂。
对塑性好的铜锭、铝锭不会因热轧而开裂，故往往希望扩大柱状晶区。
4－3 冷塑性变形与热塑性变形后的金属能否根据其显微组织加以区别？答：可以通过显微组织来判断是冷塑性变形还是热塑性变形，冷塑性变形后的晶粒形状呈扁平形或长条形，热塑性变形后的晶粒是等轴晶粒。
4－4 在常温下为什么细晶粒金属强度高，且塑性、韧性也好？试用多晶体塑性变形的特点予以解释。
答：晶粒细小而均匀，不仅常温下强度较高，而且塑性和韧性也较好，即强韧性好。
原因是：（1）强度高：Hall-Petch公式。
晶界越多，越难滑移。
（2）塑性好：晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中。
（3）韧性好：晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。
4－5 金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒？为什么？答：再结晶退火必须用于经冷塑性变形加工的材料，其目的是改善冷变形后材料的组织和性能。
再结晶退火的温度较低，一般都在临界点以下。
若对铸件采用再结晶退火，其组织不会发生相变，也没有形成新晶核的驱动力(如冷变形储存能等)，所以不会形成新晶粒，也就不能细化晶粒。
4－8 钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，请说明它们是热加工还是冷加工（钨熔点是3410℃，锡熔点是232℃）？答：W、Sn的最低再结晶温度分别为:TR(W) =（0.4～0.5)×(3410+273)－273 =（1200～1568）(℃)＞1000℃TR(Sn) =（0.4～0.5)×(232+273)－273 =（-71～-20）(℃) ＜25℃所以W在1000℃时为冷加工，Sn在室温下为热加工思考题比较冲击韧度、断裂韧度的异同点和它们用来衡量材料韧性的合理性。
答：相同点：冲击韧度和断裂韧度都反映了材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力。
不同点：冲击韧度一般只用来评定中低强度钢的韧性，仅反映材料在一次大能量冲击加载条件下的抵抗变形与断裂的能力，只适用于均匀的无缺陷材料。
而断裂韧度是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，表征了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。
第五章作业5-4 根据Fe-Fe3C相图计算，室温下，分别为0.2％和1.2％的钢中组织组成物的相对量。