工程材料及其成形技术基础课作业参考答案
1-1 机械零件在工作条件下可能承受哪些负荷？这些负荷对零件产生什么作用？
答：机械零件在工作条件下可能承受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用（单负荷或复合负荷的作用）。力学负荷可使零件产生变形或断裂；热负荷可使零件产生尺寸和体积的改变，产生热应力，热疲劳，高温蠕变，随温度升高强度降低（塑性、韧性升高），承载能力下降；环境介质可使金属零件产生腐蚀和摩擦磨损两个方面、对高分子材料产生老化作用。
2-9 从铁-碳相图的分析中回答：
⑴随碳质量百分数的增加，硬度、塑性是增加还是减小？
⑵过共析钢中网状渗碳体对强度、塑性的影响怎样？
⑶为何钢有塑性而白口铁几乎无塑性？
⑷哪个区域熔点最低？哪个区域塑性最好？
⑸哪个成分结晶间隔最小？哪个成分结晶间隔最大？
答：⑴随碳质量百分数的增加，硬度、增加塑性减小。
⑵过共析钢中网状渗碳体对强度、塑性均降低。
⑶塑性主要与铁-碳合金中的铁素体相含量多少有关，铁素体相含量越多塑性越好。钢含碳量低（ωc＜2.11％）铁素体相含量多为基体而有塑性，白口铁含碳量高（ωc＞2.11％）,渗碳体相含量高为基体而几乎没有塑性。
⑷共晶点熔点最低，奥氏体区塑性最好。
⑸ C点共晶成分（ωc＝4.3％）结晶间隔最小（为零），E点（ωc＝2.11％）成分结晶间隔最大。
3-1 什么是珠光体、贝氏体、马氏体？它们的组织及性能有何特点？
答：珠光体（P）—铁碳合金平衡状态下，在PSK线（727℃）发生共析转变的转变产物，即铁素体片和渗碳体片交替排列的机械混合物组织。强度比铁素体和渗碳体都高，塑性、韧性和硬度介于铁素体和渗碳体之间。热处理后可得到在铁素体基体上分布着粒状渗碳体的粒状珠光体，综合性能更好。
贝氏体（B）—从550℃到Ms范围内中温转变、半扩散型转变的非平衡组织，即含过饱和碳的铁素体和渗碳体的非片层状混合物组织。按组织形态不同分羽毛状的上贝氏体（B上）和针片状的下贝氏体（B下）。上贝氏体脆性大无实用价值，下贝氏体的铁素体针细小，过饱和度大，碳化物弥散度大，综合性能好。
马氏体（M）—Ms-Mf之间低温转变、非扩散型转变的非平衡组织，即过饱和碳的α固溶体。体心正方晶格，分板条马氏体（低碳马氏体ωc＜0.20％,位错马氏体），强韧性较好；针状马氏体（高碳马氏体ωc＞1.0％，孪晶马氏体），大多硬而脆；ωc在0.2％～1.0％之间为两者的混合组织。马氏体的含碳量越多，硬度越高，马氏体有弱磁性。A→M,体积要膨胀，产生较大的内应力。
3-12 钢淬火后为什么一定要回火？说明回火的种类及主要应用范围。
答：钢淬火后一般不能直接使用，因为：①零件处于高应力状态（＞300～500MPa），放置或使用时很容易变形和开裂；②淬火态的组织（M＋A）是极端非平衡的亚稳定状态，有向稳
定组织转变的自发趋向，放置或使用中组织转变，引起性能和尺寸变化；③淬火状态一般是同种钢最硬状态，但不一定是使用所要求的状态。回火的目的：①降低或消除淬火应力；②稳定组织；③调整性能，使之符合使用性能要求。
回火的种类及主要应用范围见下表。
3-14 在什么情况下采用表面淬火、表面化学热处理、表面形变强化及其他表面处理？用20（ωc＝0.20％）钢进行表面淬火和用45（ωc＝0.45％）钢进行渗碳处理是否合适？为什么？
答：表面淬火是使表面获得高硬度高耐磨性的淬火组织而工件内部仍保持原有组织与性能。使零件整体获得“表硬心韧”的性能，用于要求能承受一定冲击并且表面承受摩擦磨损的零件（如齿轮的轮齿，机床的道轨，轴及花键轴等）。表面淬火只能少量提高表面硬度，一般用于中碳结构钢和中碳低合金结构钢，有时也用于冲击较小的高碳钢刃具、模具及铸铁件。
表面化学热处理是通过改变表层化学成分来改变表层组织、性能。同样获得“表硬心韧”的性能，化学热处理和表面淬火都属于表面热处理，但化学热处理能更有效地提高表层性能。渗碳用于承受冲击更大，耐磨性要求更高的零件，用低碳结构钢和低碳合金结构钢。渗氮用于显著提高表面硬度和耐磨性，疲劳强度和抗蚀性，氮化温度低，变形小，但周期长，成本高，只用于对耐磨性和精度要求更高的零件或要求抗热、抗蚀的耐磨件，如发动机气缸、排气阀、精密机床丝杠、镗床主轴等。氮化用中碳合金结构钢（38CrMoAl是氮化专用钢）。
表面形变强化是通过对零件表面产生塑性变形，产生加工硬化，提高表面性能，产生较大的残余应力，提高疲劳强度，并可清除表面氧化皮，延长使用寿命。特别适用于有缺口的零件、零件的截面变化处、圆角、沟槽及焊缝区等部位的强化。广泛用于弹簧、齿轮、叶片、飞机零件等。
其他表面处理有高能束表面改性（激光、电子束）、电镀及化学镀、气相沉积技术、热喷涂技术、化学转化膜技术等。主要目的是对材料表面进行特殊的强化或作某些功能处理，以提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性，或提高零件的装饰性，或改变表面的电、磁性能等。表面改性技术一般不改变基体材料的成分或组织。
20钢进行表面淬火不合适，低碳钢表面淬火后表面硬度并不高（≤50HRC），不耐磨；45钢进行渗碳处理以不合适，中碳钢渗碳热处理后心部的韧性不够，不能承受较大的冲击。
4-2何谓调质钢？从钢号如何判别是否为调质钢?合金调质钢中常加入的合金元素有哪些？为达到调质钢相近的强韧性能，还可选用哪些钢种？
答：调质钢是指在调质处理（淬火＋高温回火）状态下使用的钢种。一般为中碳结构钢和中碳合金结构钢。从钢号判别调质钢主要从①含碳量的表示方法，必须用两位数表示的，说明是结构钢；②含碳量的高低，必须是中碳钢范围，即ωc＝0.25％～0.55％。合金调质
钢中常加入合金元素有: ①提高淬透性并产生固溶强化的主加元素Mn、Si、Cr、Ni、B 等；②形成稳定碳化物，阻止加热时奥氏体晶粒长大，起细晶强韧化作用的辅加元素Ti、V、W、Mo等，Mo、W还能防止产生高温回火脆性。合金元素可明显提高钢的抗回火能力。为达到调质钢相近的强韧性，①部分中碳钢钢种（如45MnV、35MnS）通过控制锻造工艺参数直接生产零件，可达调质的性能；②部分低、中碳钢钢种（如20CrMnTi、20MnV、15MnVB、27SiMn、20SiMnMoV等）处理成低碳马氏体（淬火低温回火）或下贝氏体（等温淬火），可代替调质钢。
4-5高碳刃具钢、高碳滚动轴承钢、高碳冷作模具钢的热处理方法、使用状态组织及性能有何异同处？
答：用表分析：
5-1热固性与热塑性塑料的区别和特点大致有哪些?分别简述3种热固性与热塑性塑料的特性及用途。
答：热固性与热塑性塑料的区别大致有：热塑性塑料①线型（含支链型）分子结构；②受热软化可再生。热固性塑料①体网型分子结构；②固化后不溶、不熔，不可再生。
特点有：热塑性塑料具有较高的机械性能，加工成型简便，缺点为耐热性和刚性差；热固性塑料具有耐热性高，受压不易变形，结构便宜，缺点是生产率低。常见热塑性和热固性塑
6-8指出下列零件在选材和制定热处理技术条件中的错误，并说明理由及改进意见。
①直径30mm、要求良好综合力学性能的传动轴，材料用20钢，热处理技术条件：
调质40～45HRC。
②转速低、表面耐磨及心部强度要求不高的齿轮，材料用45钢，热处理技术条件：
渗碳＋淬火，58～62HRC。
③弹簧（直径Φ15mm），材料用45钢，热处理技术条件：淬火＋回火，55～60HRC。
④机床床身，材料用QT400-15，采用正火热处理。
⑤表面要求耐磨的凸轮，选用45钢，热处理技术条件：淬火、回火，60～63HRC。
答：①分析：要求良好综合力学性能的传动轴，应选中碳结构钢（或中碳合金结构钢）调质热处理。材料用20钢（低碳钢）不对，强度不够，要求40～45HRC指标高了（25～35HRC），调质达不到。改进：根据题目要求结合本题条件，材料选40Cr钢（D0油＝20～40mm），850℃油淬＋520℃回火，30～35HRC。
②转速低，表面耐磨及心部强度要求不高的齿轮，应选中碳结构钢（或中碳合金结构钢），
正火或调质，表面淬火＋低温回火。正火心部硬度为160～200HBS，调质心部硬度为200～280HBS，表面淬火低温回火后表面硬度为50～55HRC。材料选用是可以的，但渗碳＋淬火不对，成本太高。改进：材料用45钢，正火＋表面淬火＋低温回火，心部硬度160～200HBS，表面硬度为50～55HRC。
③分析：弹簧应选高碳结构钢或中碳合金结构钢及高碳合金结构钢，淬火＋中温回火，
35～50HRC。选45钢（中碳结构钢）不对，弹性极限低，55～60HRC只能淬火＋低温回火才能达到且太脆。改进：材料选 65Mn钢（截面≤15mm），830℃油淬＋540℃回火，45～50HRC。
④机床床身，受压且要求消振性好，铸铁受压性能都好，但消振性灰铸铁最好，灰铸铁是
机床床身的首选材料。材料用QT400-15 不对。改进：材料用HT200即可。
⑤表面要求耐磨的凸轮，应选中碳结构钢或中碳合金结构钢，正火或调质，表面淬火＋低
温回火。改进：材料用45钢，正火＋表面淬火＋低温回火，58～62HRC。
7-1铸造的成形原理是什么？这种成形原理有什么特点？
答：铸造的成形原理是“液态成形”—即将金属液注入铸型型腔中，冷却凝固后获得所需的铸件。特点有：①适应性很广，工艺灵活性大（合金种类、形状、大小、生产批量等几乎不受限制）。②成本较低，原辅材料广泛（铸件与零件形状相似、尺寸相近，降低成形和加工成本）。缺点是：铸造工艺过程较繁杂，生产周期长，易产生铸造缺陷（缩孔、缩松、气孔、夹渣、变形等）；铸件品质不够稳定，性能比锻造低得多，对环境有污染，劳动环境较差。
7-2何谓合金的铸造性能？若合金的铸造性能不好，会引起哪些铸造缺陷？
答：合金的铸造性能—是指合金材料对一定铸造工艺的适应程度即获得形状完整、轮廓清晰、品质合格的铸件的能力。若合金的铸造性能不好，会带来铸造生产成本提高或无法得到合格铸件的后果。
7-15熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造与砂型铸造比较各有何特点？它们各有何应用的局限性？
答：熔模铸造与砂型铸造相比：①铸件精度高，表面质量好；②可制造形状复杂铸件；
③铸造合金种类不受限制；④生产批量基本不受限制。缺点是工序繁杂，生产周期长，生产成本较高，铸件不宜太大、太长，一般＜25Kg。主要用于生产汽轮机和燃气轮机的叶片，泵的叶轮，切削刀具及中、小型零件
金属型铸造与砂型铸造相比：①尺寸精度高，表面粗糙度小，机械加工余量小；②晶粒细，力学性能好；③可一型多铸，提高劳动生产率，且节约造型材料。但缺点有金属型的制造成本高，用于大批量生产，不宜生产大型（尺寸在300mm以内，质量≤8Kg）、形状复杂和薄壁铸件；冷却快，铸铁件表面易产生白口，切削加工困难；受金属型材料熔点的限制，熔点高的合金不适用，用于铜合金、铝合金铸件大批量生产。
压力铸造与砂型铸造相比：①尺寸精度高，表面质量好；②可压铸薄壁、形状复杂及很小孔和螺纹的铸件；③铸件强度和表面硬度较高；④生产率高。缺点易产生皮下气孔，压铸件不能热处理，也不能在高温工作；易产生缩孔和缩松；不宜小批量生产。主要用于生产锌合金、铝合金、镁合金和铜合金等铸件。
离心铸造与砂型铸造相比：①不用型芯即可铸出中空铸件；②离心力提高金属充填铸型的能力，可使一些流动性较差的合金和薄壁铸件用离心铸造生产；③产生缩孔、缩松、气孔和夹杂等缺陷的概率较小；④节约金属（无浇注系统和冒口）。缺点是铸件的内表面上尺寸不精确，质量较差；易产生成分（密度）偏析。主要用于铸铁管、汽缸套、铜套、双金属轴承、无缝管坯、造纸机滚筒等。
8-2 为什么金属材料的固态塑性成形不像铸造那样具有广泛的适应性？
答：金属材料的固态塑性成形原理是在外力作用下金属材料通过塑性变形，以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件。要实现金属材料的固态塑性变形必须金属材料要具备一定的塑性且有外力作用其上。金属材料的固态塑性成形受到内、外两方面因素的制约，内因指金属本身能否进行固态塑性变形和可形变的能力大小；外因指需要多大的外力及外界条件（温度、变形速度、应力状态等）的影响。故金属材料的固态塑性变形不如铸造成形那样具有广泛的适应性，不能压力加工脆性材料（铸铁、铸铝合金等）和形状特别复杂（尤其是内腔形状复杂）或体积特别大的毛坯或零件，此外，压力加工设备和模具投资较大。
8-9 下列图示零件（图8.77、图8.78、图8.79）2若各自分别按单件小批量、成批量和大批量的锻造生产毛坯，试解答：
⑴根据生产批量选择锻造方法。
⑵由选取的锻造方法绘制出相应的锻造过程图（锻件图）。
⑶确定所选锻造过程的工序，并计算坯料的质量和尺寸。
答：⑴单件小批量锻造生产均选自由锻、成批量锻造生产均选模锻、大批量锻造生产分别选辊环轧制、齿轮齿形轧制和楔横轧。
⑵、⑶略。
9-1颗粒状材料的成形原理是什么？这种成形原理要什么特点？
答：颗粒状材料的成形原理—用金属粉末做原料，经压制成形后烧结而制造出各种类型的零件和产品的成形方法。粉末（颗粒材料）兼有液体和固体的双重特性，即整体具有一定的流动性和每个颗粒本身的塑性。
粉末压制具有以下特点：⑴能够生产其他方法不能或很难制造的制品。可制取难熔、极硬和特殊性能的材料（钨丝、硬质合金、耐热材料等）及生产净形和近似净形的优质
机械零件（多孔含油轴承、精密齿轮等）；⑵材料利用率很高（接近100％）；⑶其他方法可以制造但粉末冶金法更经济；⑷适宜大批量生产的零件。
10-1 什么是焊接热影响区？为什么会产生焊接热影响区？焊接热影响区对焊接接头有何影响？如何减小或消除这些影响？
答：焊接热影响区—指熔化焊在电弧热的作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生组织或性能变化的区域。是由于各处受热不同引起的。焊接热影响区各处受热不同，其组织变化不同，性能不同。分过热区、正火区和部分相变区，过热区奥氏体晶粒急剧长大，性能很差。在保证焊接接头品质的前提下，增加焊接速度或减少焊接电流（减少热量）都能使熔合区、过热区变小，减小或消除其影响。
10-2产生焊接应力和变形的原因是什么？防止焊接应力和变形的措施有哪些？
答：产生焊接应力的原因是焊接过程中对焊件进行了局部的不均匀的加热，使焊件各个部分的热胀冷缩极不一致而产生相互制约形成的。当焊接应力超过材料的屈服强度时（σ焊＞σs）就会造成焊件变形。
减小焊接应力的措施：主要从焊缝结构设计和焊接过程两方面考虑。⑴合理地设计焊接构件（核心问题是焊缝布置），在保证结构承载能力下，尽量减少焊缝数量、焊缝长度及焊缝截面积；要使结构中所有焊缝尽量处于对称位置；对厚大件应开两面坡口进行焊接，避免焊缝交叉或密集。此外，提高材料的塑性或降低刚性也能降低焊接应力。⑵采取必要的焊接技术措施，①选择合理的焊接顺序（使焊缝自由收缩）；②焊前预热（减小温差使其较均匀的收缩同时可适当提高塑性）；③加热“减应区”（反向变形减少焊缝收缩约束）；④反变形法（用反方向变形来抵消焊接变形）；⑤焊后热处理(消除焊接应力)。
减小变形的措施：降低焊接应力或提高材料的屈服强度或刚度（刚性夹持法），能减小变形。已产生焊接变形的可通过矫正方法减小变形。
第1章 材料的基本性质 1、烧结普通砖的尺寸为240mm×115mm×53mm，已知其孔隙率为37%，干燥质量为 2487g ，浸水饱和后质量为 2984g 。求该砖的密度、干表观密度、 吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率。 解：砖自然状态下的体积：3 300.2400.1150.053 1.462810m V -=??=? 干表观密度：3030 2.4871700kg/m 1.462810m V ρ-===? 由孔隙率0001700100%1100%1100%37%V V P V ρρρ-????=?=-?=-?= ? ???? ? 得砖的密度：ρ＝2698 kg/m 3 吸水率：29842487100%100%20%2487 m m W m = ?=?=干吸吸干－－ 开口孔隙率： 3029842487()/100%/1.462810100%34%1000m m P V ρ-??-??=?=??=????????干吸开水－ 闭口孔隙率：37%34%%P P P ==开闭--＝3 2、已知碎石的表观密度为2.65g/cm 3，堆积密度为1.50g/cm 3，求 2.5m 3 松散状态的碎石，需要多少松散体积的砂子填充碎石的空隙 ? 若已知砂子的堆积密度为1.55g /cm 3，求砂子的重量为多少？ 解：0000002.5 1.5100%1100%1100%43%2.5 2.65V V V P V ρρ??''-??'=?=-?=-?= ? ?'???? －＝ V 0＝1.425m 3 所以，填充碎石空隙所需砂子的体积为：300 2.5 1.425 1.075 m V V '-=-= 或30 2.543% 1.075m V P '?=?=
工程材料 判断题 、珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物 1..√ 2..× 、可锻铸铁中，石墨是团絮状的，有较高强度和一定塑韧性，所以可以锻造。 1..√ 2..× 、正火是将钢加热到临界温度以上一定范围保温一定时间，然后空冷的热处理工艺。 1..√ 2..× 、上贝氏体是由过饱和的铁素体和渗碳体组成。 1..√ 2..× 、把在实际晶体中出现的空位和间隙原子的缺陷叫做面缺陷。
1..√ 2..× 、实际金属中位错密度越大、晶界和亚晶界越多，其强度越高。 1..√ 2..× 、金属材料在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力叫强度。 1..√ 2..× 、选材的一般原则包括满足零件使用性能、工艺性、经济性、环保和资源合理利用。 1..√ 2..× 、贝氏体是过饱和的铁素体和渗碳体组成的混合物。 1..√ 2..× 、奥氏体是碳溶解在γ中所形成的置换固溶体。 1..√
2..× 、钢的淬火后进行高温回火的工艺称为调质，其组织为回火索氏体。 1..√ 2..× 、零件失效形式包括变形失效、磨损失效、断裂失效。 1..√ 2..× 、表面淬火既能改变工件表面的化学成分，也能改善其心部组织与性能。 1..√ 2..× 、调质钢经淬火和高温回火后的组织是回火马氏体。 1..√ 2..× 、在一般情况下，金属结晶后晶粒越细小，则其强度越好，而塑性和韧性越差。 1..√ 2..×
、在铁碳合金中，铁素体在℃时，溶碳能力可达。 1..√ 2..× 、衡量材料的塑性的指标主要有伸长率和冲击韧性。 1..√ 2..× 、布氏硬度测量硬度时，用符号表示。 1..√ 2..× 、单晶体具有各向异性，多晶体具有各向同性。 1..√ 2..× 、失效是机械零件因某种原因致使丧失其规定功能的现象。 1..√ 2..× 、维氏硬度测量硬度时，用符号表示.
工程材料试卷二答案 1．F 和 A 分别是碳在α-Fe、γ-Fe中所形成的间隙固溶体。 2．液态金属结晶时常用的细化晶粒的方法有增加过冷度、 加变质剂、增加液体的流动。 3.加热是钢进行热处理的第一步，其目的是使钢获得奥氏体组织。4．在Fe-Fe3C相图中，钢与铸铁分界点的含碳量为 2.11% 。 5．完全退火主要用于亚共析钢，其加热温度为： Ac3 +（30～50）℃。6．1Cr18Ni9Ti是不锈钢，其碳的质量分数是 0.1% 。 7. QT600-03中的“600”的含义是：σb≥600MPa 。 8．T8MnA是碳素工具钢，其中“A”的含义是高级优质。 9．40Cr是合金结构钢，其Cr的主要作用是提高淬透性、强化铁素体。10．调质件应选中碳成分的钢，渗碳件应选低碳成分的钢。11．化学热处理的基本过程包括：化学介质分解出渗入元素的活性原子，活性原子被工件表面吸附，原子由表层向内扩散形成渗层。 12．按冷却方式的不同，淬火可分为单介质淬火、双介质淬火、等温淬火、分级淬火等。 13．60钢（Ac1≈727℃，Ac3≈766℃）退火小试样经700 ℃、740 ℃、800 ℃加热保温，并在水中冷却得到的组织分别是：P+F ，F+M+Ar ，M+Ar 。14．金属的冷加工与热加工是按再结晶温度来划分的。 15．制造形状简单、小型、耐磨性要求较高的热固性塑料模具应选用 T10 钢，而制造形状复杂的大、中型精密塑料模具应选用 3Cr2Mo 钢。（请从45、T10、3Cr2Mo、Q235A中选择）
二．判断题（共10分，每小题1分） （正确 √ 错误 ×，请将答案填入表格） 1． 碳钢在室温下的相组成物是铁素体和渗碳体。 2． 铁碳合金平衡结晶时，只有成分为 0.77%的共析钢才能发生共析反应。 3． 在1100℃，含碳0.4%的钢不能进行锻造，含碳4.0%的铸铁能进行锻造。 4． 细晶强化能同时提高钢的强度和韧性。 5． 碳的质量分数对碳钢力学性能的影响是：随着钢中碳的质量分数的增加，硬度、 强度增加，塑性、韧性也随着增加。 6． 固溶强化是指因形成固溶体而引起的合金强度、硬度升高的现象。 7． 淬火临界冷却速度是钢抑制非马氏体转变的最小冷却速度。 8． 可锻铸铁具有一定的塑性，可以进行锻造加工。 9． 高速钢铸造后需要反复锻造是因为硬度高不易成形。 10．同一钢种，在相同的加热条件下，水冷比油冷的淬透性好，小件比大件的淬透 性好。 三．单项选择题（共15分，每小题1分） （请将答案填入表格） 1．金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力叫： a. 强度 b. 硬度 c. 塑性 2．晶体中的位错是一种： a. 点缺陷 b. 线缺陷 c. 面缺陷
第一章钢的合金化基础 1、合金钢是如何分类的？ 1) 按合金元素分类：低合金钢，含有合金元素总量低于5%；中合金钢，含有合金元素总量为510%；中高合金钢，含有合金元素总量高于10%。 2) 按冶金质量S、P含量分：普通钢，P≤0.04≤0.05%;优质钢，P、S均≤0.03%；高级优质钢，P、S均≤0.025%。 3) 按用途分类：结构钢、工具钢、特种钢 2、奥氏体稳定化，铁素体稳定化的元素有哪些？ 奥氏体稳定化元素, 主要是、、、C、N、等 铁素体稳定化元素, 主要有、、W、V、、、、B、、等 3、钢中碳化物形成元素有哪些（强-弱），其形成碳化物的规律如何？ 1) 碳化物形成元素：、、、V、、W、、、等(按形成的碳化物的稳定性程度由强到弱的次序排列) ，在钢中一部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗碳体, 含量高时可形成新的合金碳化物。 2) 形成碳化物的规律 a) 合金渗碳体——与碳的亲和力小，大部分溶入α或γ中，少部分溶入3C中，置换3C中的而形成合金渗碳体（）3C; 、W、少量时，也形成合金渗碳体 b) 合金碳化物——、W 、含量高时，形成M6C(24C 42C)23C6(21W2C6 2W21C6)合金碳化物 c) 特殊碳化物——、V 等与碳亲和力较强时 i. 当<0.59时，碳的直径小于间隙，不改变原金属点阵结构，形成简单点阵碳化物（间隙相）、M2C。 . 当>0.59时，碳的直径大于间隙，原金属点阵变形，形成复杂点阵碳化物。 ★4、钢的四种强化机制如何？实际提高钢强度的最有效方法是什么？ 1) 固溶强化：溶质溶入基体中形成固溶体能够强化金属； 2) 晶界强化：晶格畸变产生应力场对位错运动起到阻碍达到强化，晶格越细，晶界越细，阻碍位错运动作用越大，从而提高强度； 3) 第二相强化：有沉淀强化和弥散强化，沉淀强化着眼于位错运动切过第二相粒子；弥散强化着眼于位错运动绕过第二相粒子； 4) 位错强化：位错密度越高则位错运动越容易发生相互交割形成割阶，引起位错缠结，因此造成位错运动困难，从而提高了钢强度。 有效方法：淬火+回火，钢淬火形成马氏体，马氏体中溶有过饱和C和元素，产生很强的固溶强化效应，马氏体形成时还产生高密度位错，位错强化效应很大；是形成许多极细小的取向不同的马氏体，产生细晶强化效应。因此淬火马氏体具有很高强度，但脆性很大，淬火后回火，马氏体中析出碳化物粒子，间隙固溶强化效应虽然大大减小，但产生很强的析出强化效应，由于基体上保持了淬火时细小晶粒，较高密度的位错及一定的固溶强化作用，所以回火马氏体仍具有很高强度，并且因间隙固溶引起的脆性减轻，韧性得到改善。 ★5、固溶强化、二次硬化、二次淬火、回火稳定性的含义。 1) 固溶强化：当溶质原子溶入基体金属形成固溶体能强化金属。 2) 二次硬化：在含、W、V较多的钢中, 回火后的硬度随回火温度的升高不是单调降低, 而是在某一温度后硬度反而增加, 并在某一温度(一般为550℃左右)达到峰值。这种在一定回火温度下硬度出现峰值的现象称为二次硬化 3) 二次淬火：通过某种回火之后，淬火钢的硬度不但没有降低，反而有所升高，这种现象称为二次淬火。
工程材料作业（5）答案 1．试述石墨形态对铸铁性能的影响。 石墨强度、韧性极低，相当于钢基体上的裂纹和空洞，它减小基体的有效截面，并引起应力集中。石墨越多，片状越大，对基体的割裂约严重，使得铸铁的抗拉强度越低。但随着石墨形态改变，从粗大片状→细小片状→团絮状→蠕虫状→球状，这种对基体的割裂作用和应力集中降低，铸铁的抗拉强度逐渐提高。2．为何一般机器的支架，机床床身常采用灰口铸铁制造？ 灰铸铁由于片状石墨存在，虽然抗拉强度低，塑韧性差，但是石墨对抗压强度影响小，而且铸造性能好，消震性好，切削加工性能好。因此适合于制造支架，机床床身等支架底座性零件。 3．有一壁厚为15-30mm的零件，要求抗拉强度350Mpa，应选用何种牌号的灰口铸铁制造为宜。 依据铸件的壁厚和抗拉强度要求，应选用孕育铸铁HT350。 4．生产中出现下列不正常现象，应采取何种措施予以防治或改善： （1）灰口铸铁磨床床身铸造以后就进行切削加工，加工后发生了不允许的变形。 铸件在冷却过程中，因各部位的冷却速度不同，会产生很大的内应力，它不仅在冷却中引起铸件的变形或开裂，在随后的切削加工中还会因为应力的重新分布而引起工件变形，失去加工精度。因此，在铸件开箱后或机加工前，因进行一次去应力退火（低温退火或时效处理）。（500-600℃，4-8h）。 （2）灰口铸铁铸件薄壁处出现白口组织，造成切削困难。 铸件表层或薄壁处，由于冷却速度快（如金属模浇铸时），容易产生白口组织，硬度高，致使切削加工困难。为了降低硬度，须在共析温度以上进行高温退火，使渗碳体分解为（团絮）状石墨（可锻铸铁）。850-900℃，2-5h，随炉冷却至400-500℃后，空冷。
工程材料课后大作业 1.现有下列零件及可供选择的材料,给各零件选择合适的材料,并选择合适的最终热处理方法(或使用状态). 零件名称:自行车架,连杆螺栓,车厢板簧,滑动轴承,变速齿轮,机床床身,柴油机曲轴. 可选材料:60Si2Mn,ZQSn6-6-3,QT600-2, T12A, 40Cr, HT200, 16Mn, 20CrMnTi.答：自行车架：16Mn 焊接 连杆螺栓：40Cr 最终热处理方法：调质； 车厢板簧：60Si2Mn 最终热处理方法：淬火+中温回火； 滑动轴承：ZQSn6-6-3 使用状态：铸造； 变速齿轮：20CrMnTi 最终热处理方法：渗碳后淬火、低温回火； 机床床身：HT200 最终热处理方法：去应力退火； 柴油机曲轴：QT600-2 最终热处理方法：等温淬火。 2. 某型号柴油机的凸轮轴，要求凸轮表面有高的硬度（HRC>50），而心部具有 良好的韧性（Ak>40J），原采用45钢调质处理再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温回火，现因工厂库存的45钢已用完，只剩15钢，拟用15钢代替。试说明： （1）原45钢各热处理工序的作用； （2）改用15钢后，应按原热处理工序进行能否满足性能要求？为什么？ （3）改用15钢后，为达到所要求的性能，在心部强度足够的前提下采用何种热处理工艺？ 答：(1)调质处理：得到心部硬度,获得良好的综合力学性能和疲劳强度，为高频淬火做好准备；高频淬火：使其有足够的强度硬度，耐磨性;低温回火：消除内应力，便于后续加工; （2）、不能，心部较软而表面硬度，会造成表面脱落； （3）表面要渗碳处理 3. 选择下列零件的热处理方法，并编写简明的工艺路线（各零件均选用锻造毛 坯，并且钢材具有足够的淬透性）： （1）某机床变速箱齿轮（模数m=4），要求齿面耐磨，心部强度和韧性要求不高，材料选用45 钢； （2）某机床主轴，要求有良好的综合机械性能，轴径部分要求耐磨（HRC 50-55），材料选用45 钢； （3）镗床镗杆，在重载荷下工作，精度要求极高，并在滑动轴承中运转，要求镗杆表面有极高的硬度，心部有较高的综合机械性能，材料选用38CrMoALA。 （4）M12 丝锥，要求刃部硬度为60～62HRC，柄部硬度为30～40HRC，材料选用T12A。 答: ⑴45钢机床变速箱齿轮: 下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→超音频感应加热淬火+低温回火→精磨→成品； ⑵45钢机床主轴: 下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火+低
1.从力学性能、热处理变形、耐磨性和热硬性几方面比较合金钢和 碳钢的差异，并简单说明原因。 为提高钢的机械性能、工艺性能或物化性能，在冶炼时有意往钢中加入一些合金元素而形成新的合金，这种合金称为合金钢。 合金钢与碳钢比较，合金钢的力学性能好，热处理变形小，耐磨性好，热硬性好。 因为合金钢在化学成分上添加了合金元素，可形成合金铁素体、合金渗碳体和合金碳化物，产生固溶强化和弥散强化，提高材料性能；加入合金元素可提高钢的淬透性，降低临界冷却速度，可减少热处理变形；碳钢虽然价格低廉，容易加工，但是淬透性低、回火稳定性差、基本组成相强度低。 2.解释下列钢的牌号含义、类别及热处理方法：20CrMnTi,40Cr, 16Mn,T10A,Cr12MoV,W6Mo5Cr4V2,38CrMoAlA,5CrMnMo,GCr15,55S i2Mn。 20CrMnTi的含碳量为0.17%-0.24%，Cr，Mn，Ti<1.5%，是渗碳钢，热处理方法是在渗碳之后进行淬火和低温回火。 40Cr的含碳量为0.37～0.45％，Cr <1.5%，是调质钢，热处理方法是淬火加高温回火。 16Mn中碳的含量在0.16%左右，锰的含量大约在1.20%-1.60%左右，属于低合金钢，热处理方法是：热轧退火（正火）。 T10A为含碳量在0.95～1.04的高级优质碳素工具钢，热处理方法
是淬火和低温回火。 Cr12MoV碳 C ：1.45～1.70，铬 Cr：11.00～12.50，Mo，V<1.5%，是冷作模具钢，热处理方法是淬火和低温回火。 W6Mo5Cr4V2碳 C ：0.80～0.90，钼 Mo：4.50～5.50，铬 Cr： 3.80～ 4.40，钒 V ：1.75～2.20，是高速钢，热处理方法是淬火 +高温回火。 38CrMoAlA碳 C ：0.35～0.42，Cr，Mo，Al<1.5%，是高级优质合金渗氮钢，热处理方法是：调质处理+渗氮。 5CrMnMo碳 C ：0.50～0.60，Cr，Mn，Mo<1.5%，是热作模具钢，热处理方法是搓火加中高温回火。 GCr15：C：0.95-1.05，Cr:1.30-1.65，是滚动轴承钢，热处理方法是：淬火+低温回火。 55Si2Mn碳 C ：0.52～0.60，硅 Si：1.50～2.00，Mn<1.5%，是弹簧钢，热处理方法是淬火加中温回火。 3.比较9SiCr,Cr12MoV,5CrMnMo,W18Cr4V等四种合金工具钢的成分、 性能和用途差异。 9SiCr的成分：相当于在T9钢的基础上加入1.2%-1.6%的Si和 0.95%-1.25%的Cr。 性能：硬度和耐磨性良好，无热硬性。 用途：适用于截面较厚要求淬透的或截面较薄要求变形小的、形状较复杂的工模具。
工程材料试题及答案 一、判断题 1、合金渗碳钢经最终热处理后的组织全部是回火马氏体。（×） 2、热加工与冷加工的主要区别在于是否有加工强化现象产生。（×） 3、铸铁是含碳量小于2.11%的铁碳合金。（×） 4、二元共晶相图是指合金两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图。（×） 5、感应加热表面淬火一般只改变钢件表面层的组织，而不改变心部组织。（√） 6、一个合金的室温组织为α+β11 +（α+β），则它由三相组成。（×） 7、将金属加热到再结晶温度以上时，金属将发生回复、再结晶及晶粒长大等变化。（√） 8、金属在塑性变形后产生的纤维组织能使金属具有各向异性。（√） 9、碳钢的塑性和强度都随着含碳量的增加而降低。（×） 10、金属的再结晶转变，也要经历形核与晶核长大的过程。（√） 二、选择适宜材料并说明常用的热处理方法（30分） 路线为： 下料锻造正火机加工调质机加工（精） 轴颈表面淬火低温回火磨加工 指出：1、主轴应用的材料：45钢 2、正火的目的和大致热处理工艺细化晶粒，消除应力；加热到Ac3＋50℃保温一段
时间空冷 3、调质目的和大致热处理工艺强度硬度塑性韧性达到良好配合淬火＋高温回火 4、表面淬火目的提高轴颈表面硬度 5．低温回火目的和轴颈表面和心部组织。去除表面淬火热应力，表面M＋A’心部S 回 四、选择填空（20分） 1、合金元素对奥氏体晶粒长大的影响是（d） （a）均强烈阻止奥氏体晶粒长大（b）均强烈促进奥氏体晶粒长大 （c）无影响（d）上述说法都不全面 2、适合制造渗碳零件的钢有（c）。 （a）16Mn、15、20Cr、1Cr13、12Cr2Ni4A （b）45、40Cr、65Mn、T12 （c）15、20Cr、18Cr2Ni4WA、20CrMnTi 3、要制造直径16mm的螺栓，要求整个截面上具有良好的综合机械性能，应选用（c ） （a）45钢经正火处理（b）60Si2Mn经淬火和中温回火（c）40Cr钢经调质处理4、制造手用锯条应当选用（a ） （a）T12钢经淬火和低温回火（b）Cr12Mo钢经淬火和低温回火（c）65钢淬火后中温回火 5、高速钢的红硬性取决于（b ） （a）马氏体的多少（b）淬火加热时溶入奥氏体中的合金元素的量（c）钢中的碳含量6、汽车、拖拉机的齿轮要求表面高耐磨性，中心有良好的强韧性，应选用（c ） （a）60钢渗碳淬火后低温回火（b）40Cr淬火后高温回火（c）20CrMnTi渗碳淬火后低温回火 7、65、65Mn、50CrV等属于哪类钢，其热处理特点是（c ） （a）工具钢，淬火+低温回火（b）轴承钢，渗碳+淬火+低温回火（c）弹簧钢，淬火+中温回火 8、二次硬化属于（d） （a）固溶强化（b）细晶强化（c）位错强化（d）第二相强化 9、1Cr18Ni9Ti奥氏体型不锈钢，进行固溶处理的目的是（b） （a）获得单一的马氏体组织，提高硬度和耐磨性 （b）获得单一的奥氏体组织，提高抗腐蚀性，防止晶间腐蚀（c）降低硬度，便于切削加工 10、推土机铲和坦克履带板受到严重的磨损及强烈冲击，应选择用（b ） （a）20Cr渗碳淬火后低温回火（b）ZGMn13—3经水韧处理（c）W18Cr4V淬火后低温回火 11、位错是一种。（①） ①线缺陷②点缺陷③面缺陷 12、纯铁在850℃时为晶格。（①） ①体心立方②面心立方③密排六方 13、有些金属在固态下会发生晶体结构的变化，这种变化可以称为。(③) ①等温转变②变温转变③同素异构转变 14、共析钢过冷奥氏体在连续冷却时，有如下转变。(②) ①只有贝氏体和马氏体转变，而没有珠光体型转变 ②只有珠光体型和马氏体转变，而没有贝氏体转变 ③只有珠光体型和贝氏体转变，而没有马氏体转变
1 、什么是滑移与孪生？一般条件下进行塑性变形时，为什么在锌、镁中易出现孪晶? 而在纯铜中易产生滑移带? 答：滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。 孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。 密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。 铜是面心立方，锌、镁是密排六方，故在锌、镁中易出现孪晶，而在纯铜中易产生滑移带。 2 、根据纯金属及合金塑性变形的特点，可以有几种强化金属性能的方式？ 答：通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。 单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。 当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。 随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。 3 、用手来回弯折一根铁丝时，开始感觉省劲，后来逐渐感到有些费劲，最后铁丝被弯断。试解释过程演变的原因？ 答：用手来回弯折一根铁丝时，铁丝会发生冷塑性变形。随着弯折的持续，铁丝的冷塑性变形量会增加，从而发生加工硬化，此时，铁丝的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，故逐渐感到有些费劲。进一步弯折时，铁丝会因为超过疲劳强度而被弯断。 4 、什么是变形金属的回复、再结晶？再结晶晶粒度受哪些因素的影响? 答：回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。 当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整均匀的等轴晶粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶。 影响再结晶晶粒度的因素：1、加热温度和保温时间。加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。2、预先变形度。预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响。 5 、当金属继续冷拔有困难时，可以通过什么热处理解决？为什么? 答：再结晶退火。在对金属进行冷拔时，随冷塑性变形量的增加，金属会发生加工硬化，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，从而导致冷拔越来越困难。此时，若对其进行再结晶退火处理，当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整均匀的等轴晶粒。由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。此时再进行冷拔则容易的多。
工程材料作业（2） 1.何谓铁素体，奥氏体，渗碳体，珠光体和莱氏体，它们的结构，组织形态，性能等各有何特 点？ 2.分析含碳量为0.3%, 1.3%, 3.0%和5.0%的铁碳合金的结晶过程和室温组织。 2.分桁含碳fi!:为0.3%, 1.3%, 3.0%和5.盼的铁碳合&的结品过W和室扪纠织? 3.指山下列名词的主要区别：一次渗碳体，二次渗碳体，三次渗碳体，共晶渗碳体和共析渗碳 体。 3.桁出下列名词的主要区別：一次涔碳体，二次涉碳休，三次涔碳休，共品浓碳体和丸析浃碳体? 4.
4. 5.根据铁碳相图： ①分析0.6%C的钢室温下的组织，并计算其相对量。 ②分析1.2%C的钢室温下的相组成，并计算其相对量。 ③计算铁碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体的最大含量。 5.报裾佚碳相阳： ①分析0.6%C的钢室混下的组织,并计算其相对堡。 室渦下的纠织：F+P F%= (0.77-0.6) Z (0.77-0.02) ^=0.17/0.75^=23^ P^=l00%-23%=77% ②分的讷室温下的相汨成，并计符其和对S* 室温下的相绀成:F+Fc3C F%=(6.69-1.2)/ (6.69-0.020)知5.49/6.67%=82.3% he3C%: 100^-82.3%= 17.6% ③计蔚铁碳合金中二次涉碳怀和三次泫碳体的煨大含ffl， 二次渗碳体从奥氏体析出，班大溶解度2.11%,班小溶解度077% Fc?C^= (2.11-0.77) / 16.69-0.77) %=1.34/5.92%-=22.6% 三次涔碳体从铁紊体中析出，W大溶解唆为0.02%，小溶解嗖0.0008% Fe3C<5- ( 0.02-0.0008) / < 6.69-0.0008) %=(102/6.69^ =0.3^ 6.对某退火碳素钢进行金相分析，其组织为珠光体+网状渗碳体，其中珠光体占93%,问此钢的含碳量大约为多少？ 6.对臬氾火碳糾<)进行金相分Pi，A:州织力诛光休十M状浓碳休，JC中诛光休A 93%.问此诩 的念碳堺大约力多少？m织力珠光体《状涞碳休，所以为过共析销 PQ=93%= (6.69-X) / (6.69-0.77) %, \%=1.19^=1.2%
页眉 工程材料习题集 钢的合金化基础第一章 1合金元素在钢中有哪四种存在形式？（马氏体），以溶质形式存在形成固溶体；、γ（奥氏体）、M①溶入α（铁素体）形成强化相：碳化物、金属间化合物；②形成非金属夹杂物；③。、以游离状态存在：CuAg④ 其中哪三个可无限溶解在奥氏体中？哪两个铁素体形成元素可写出六个奥氏体形成元素，2 无 限溶解在铁素体中？，其中（锰、钴、镍、铜、碳、氮）C、NCo、Ni、Cu、①奥氏体形成元素：Mn、（铜、碳、氮）为有限溶NC、、Co、Ni（锰、钴、镍）可无限溶解在奥氏体中，CuMn、解；（铬、钒）可无限溶解在铁素体中，其余为有限溶解。、V②Cr 写出钢中常见的五种非碳化物形成元素。3Co 、、Cu、Si、Al①非碳化物形成元素：Ni按碳化物稳定性由弱到强的顺序按由强到弱的顺序写出钢中常见的八种碳化物形成元素。4 写出钢中常见的四种碳化物的分子式。Fe Mn、Cr、（弱）、、V、（中强）W、MoNb①碳化物由强到弱排列：（强）Ti、C→MC→MFeC→MC②碳化物稳定性由弱到强的顺序：63623容易加工硬化？奥氏体层而高锰奥氏体钢难于冷变形，5为什么高镍奥氏体钢易于冷变形，错能高和低时各形成什么形态的马氏体？越有层错能越低，镍是提高奥氏体层错能的元素，锰是降低奥氏体层错能的元素，①利于位错扩展而形成层错，使交滑移困难，加工硬化趋势增大。钢；奥氏体层错Cr18-Ni8 奥氏体层错能越低，形成板条马氏体，位错亚结构。如②合金。能越高，形成片状马氏体，孪晶亚结构。如Fe-Ni钢的强化机制的出发点是什么？钢中常用的四种强化方式是什么？其中哪一种方式在提6 高强度的同时还能改善韧性？钢中的第二相粒子主要有哪两个方面的作用？①强化机制的出发点是造成障碍，阻碍位错运动。、第二相强化、位错钢中常用的四种强化方式：固溶强化、晶界强化（细晶强化）②强化（加工硬化）。晶界强化（细晶强化）在提高强度的同时还能改善韧性。③沉淀强化。钢中的第二相粒子主要作用：细化晶粒、弥散④/ 钢中常用的韧性指标有哪三个？颈缩后的变形主要取决于什么？7韧性指标：冲击韧度①? TK、韧脆转变温度、平面应变断裂韧度。ICk k颈缩后的变形用?表示，主要取决于微孔坑或微裂纹形成的难易程度。②P钢中碳化物应保持什么形晶粒大小对极限塑性有什么影响？为什么？为了改善钢的塑性，8 态？细化晶粒对改善均匀塑性(εu) 贡献不大，但对极限塑性(εT)却会有一定好处。因为① 随着晶粒尺寸的减少，使应力集中减弱，推迟了微孔坑的形成。应为球状、钢中的碳化物（第二相）充分发挥弥散强化的作用，②为了改善钢的塑性，细小、均匀、弥散地分布。页脚 页眉 9改善延性断裂有哪三个途径？改善解理断裂有哪两种方法？引起晶界弱化的因素有哪两个？ ①改善延性断裂有三个途径：（1）减少钢中第二相的数量：尽可能减少第二相数量，特别是夹杂物的数量。细化、球化第二相颗粒。（2）提高基体组织的塑性：宜减少基体组织中固溶强化 效果大的元素含量。（3）提高组织的均匀性：目的是防止塑性变形的不均匀性，以减少应力集中；碳化物强化相呈细小弥散分布，而不要沿晶界分布。 ②改善解理断裂有两种方法：（1）细化晶粒；（2）加入Ni元素降低钢的T。k③引起晶界弱化的因素有两个：（1）溶质原子(P、As、Sb、Sn)在晶界偏聚，晶界能r下降，裂纹易于沿晶界形成和扩展。（2）第二相质点(MnS、Fe3C)沿晶界分布，微裂纹g易于在晶界形成，主裂纹易于
1、1 4.简答及综合分析题 (1）金属结晶得基本规律就是什么？条件就是什么？简述晶粒得细化方法。 （2）什么就是同素异构转变？ (１)金属结晶得基本规律:形核、长大; 条件就是具有一定得过冷度； 液态金属晶粒得细化方法:增大过冷度、变质处理、附加振动; 固态金属晶粒得细化方法:采用热处理、压力加工方法。 (2)金属同素异构性(转变）：液态金属结晶后获得具有一定晶格结构得晶体,高温状态下得晶体,在冷却过程中晶格发生改变得现象。 １、2 4。简答及综合分析题 （４)简述屈服强度得工程意义。 （5)简述弹性变形与塑性变形得主要区别。 （4）答：屈服强度就是工程上最重要得力学性能指标之—.其工程意义在于:①屈服强 度就是防止材料因过最塑性变形而导致机件失效得设计与选材依据； ②根据屈服强度与抗拉强度之比（屈强比）得大小，衡量材料进一步产生塑性变形得倾向，作为金属材料冷塑性变形加工与确定机件缓解应力集中防止脆性断裂得参考依据。 (５）答:随外力消除而消失得变形称为弹性变形。当外力去除时，不能恢复得变形称为塑性变形。 1、３ 4.简答题 （6）在铁碳相图中存在三种重要得固相，请说明它们得本质与晶体结构(如，δ相就是碳在δ—Ｆｅ中得固溶体，具有体心立方结构）。 α相就是 ; γ相就是
； Fe３C相就是。 （7）简述Fe—Fe３C相图中共晶反应及共析反应,写出反应式,标出反应温度. （9）在图３—2所示得铁碳合金相图中，试解答下列问题: 图3—2铁碳合金相图 （1)标上各点得符号； (2）填上各区域得组成相(写在方括号内）; (3）填上各区域得组织组成物（写在圆括号内); （４)指出下列各点得含碳量：E（)、C（）、P( )、S（)、K（）；(5）在表３—1中填出水平线得温度、反应式、反应产物得名称。 表3—１ （6)答:碳在α—Fe中得固溶体，具有体心立方结构；碳在γ—Fe中得固溶体,具有面心 立方结构;Fe与Ｃ形成得金属化合物，具有复杂结构。
1.常见的金属晶格类型有哪些？试绘图说明其特征。 i 4 I 体心立方: 单位晶胞原子数为2 配位数为8 <3 原子半径=—a （设晶格常数为a） 4 致密度0.68
面心立方： 单位晶胞原子数为4 配位数为12 原子半径=_2a（设晶格常数为 4 a）致密度0.74
密排六方： 晶体致密度为0.74，晶胞内含有原子数目为6。配位数为12,原子半径为1/2a。 2实际金属中有哪些晶体缺陷？晶体缺陷对金属的性能有何影响点缺陷、线缺陷、面缺陷 一般晶体缺陷密度增大，强度和硬度提高。 3什么叫过冷现象、过冷度？过冷度与冷却速度有何关系？它对结晶后的晶粒大小有何影响？ 金属实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。金属结晶时的过冷度与冷却速度有关，冷却速度愈大，过冷度愈大，金属的实际结晶温度就愈低。结晶后的晶粒大小愈小。 4金属的晶粒大小对力学性能有何影响？控制金属晶粒大小的方法有哪些 一般情况下，晶粒愈细小，金属的强度和硬度愈高，塑性和韧性也愈好。
控制金属晶粒大小的方法有：增大过冷度、进行变质处理、采用振动、搅拌处理。 5?如果其他条件相同，试比较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： (2) 浇注温度高与浇注温度低； (3) 铸成薄壁件与铸成厚壁件； (4) 厚大铸件的表面部分与中心部分 (5) 浇注时采用振动与不采用振动。 (6) 浇注时加变质剂与不加变质剂。 (1) 金属型浇注的冷却速度快，晶粒细化，所以金属型浇注的晶粒小; (2) 浇注温度低的铸件晶粒较小； (3) 铸成薄壁件的晶粒较小； (4) 厚大铸件的表面部分晶粒较小； (5) 浇注时采用振动的晶粒较小。 (6) 浇注时加变质剂晶粒较小。。 6 ?金属铸锭通常由哪几个晶区组成 ？它们的组织和性能有何特点 ？ (1) 表层细等轴晶粒区 金属铸锭中的细等轴晶粒区，显微组织比较致密，室温下 力学性能最 高； (2) 柱状晶粒区 在铸锭的柱状晶区，平行分布的柱状晶粒间的接触面较为脆弱， 并常常聚集有易熔杂质和非金属夹杂物等，使金属铸锭在冷、热压力加工时容 易沿这些脆弱面产生开裂现象，降低力学性能。 (3) 中心粗等轴晶粒区 由于铸锭的中心粗等轴晶粒区在结晶时没有择优取向，不 存在脆弱的交界面，不同方向上的晶粒彼此交错，其力学性能比较均匀，虽然 其强度和硬度 低，但塑性和韧性良好。 7?为什么单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示各向异性 ？ 因为单晶体中的不同晶面和晶向上的原子密度不同， 导致了晶体在不同方向上的性能不 同的现象，因此其性能呈现各向异性的。 而多晶体是由许多位向不同的晶粒组成， 虽然每个晶粒具有各向异性， 但不同位向的各晶粒 的综合作用结果，使多晶体的各方向上性能一样，故显示出各向同性。 &试计算面心立方晶格的致密度。 4 3 4 一 r 3 3 a 9?什么是位错？位错密度的大小对金属强度有何影响 ？ 所谓位错是指晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。 随着位错密度的增加金属的强度会明显提高。 0.74 74% nv V
工程材料作业一 一、选择题 1、金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为（C ） A塑性 B硬度 C强度 D密度 2、金属键的实质是（A ） A自由电子与金属阳离子之间的相互作用 B金属原子与金属原子间的相互作用 C金属阳离子与阴离子的吸引力 D自由电子与金属原子之间的相互作用 二、问答题 1、晶体中的原子为什么能结合成长为长程有序的稳定排列？ 这是因为原子间存在化学键力或分子间存在范德华力。从原子或分子无序排列的情况变成有序排列时，原子或分子间引力增大，引力势能降低，多余的能量释放到外界，造成外界的熵增加。尽管此时系统的熵减小了，只要减小量比外界熵增加来的小，系统和外界的总熵增加，则系统从无序状态变成有序状态的过程就可以发生。分子间存在较强的定向作用力（例如较强极性分子间的取向力、存在氢键作用的分子间的氢键力）的情况下，分子从无序变有序，系统能量降低更多，释放热量越多，外界熵增越大，越有利于整齐排列。这样的物质比较易于形成晶体。相反非极性或弱极性分子间力方向性不明显，杂乱排列和整齐排列能量差别不大，形成整齐排列时，外界熵增有限，不能抵消体统高度有序排列的熵减。这样的物质较难形成规则晶体。综上粒子间的引力越强、方向性越强，越有利于粒子定向有序排列。粒子的热运动则倾向于破坏这种有序排列。热运动越剧烈（温度越高），越倾向于杂乱排列。物质中粒子最终有序排列的程度取决于这对相反因素的消长
2、材料的弹性模量E的工程含义是什么？它和零件的刚度有何关系？ 材料在弹性范围内，应力与应变的比值（σ/ε）称为弹性模量E(单位为MPa)。E标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。E值愈大，即刚度愈大，材料愈不容易产生弹性变形。E值的大小，主要取决于各种材料的本性，反映了材料内部原子结合键的强弱。当温度升高时，原于间距加大，金属材料的E值会有所降低。值得注意的是，材料的刚度不等于零件的刚度，因为零件的刚度除取决于材料的刚度外，还与结构因素有关，提高机件的刚度，可通过增加横截面积或改变截面形状来实现。 3、δ和ψ两个性能指标，哪个表征材料的塑性更准确？塑性指标在工程上有哪些实际意义？ 金属材料的塑性指标中有拉伸实验时的最大延伸率δ和断面收缩率ψ，压缩实验时的压缩比ξ，扭转实验时扭转角度γ，极限压缩率以及冲击韧性等。这些指标反映了固体金属在外力作用下可以稳定地发生永久变形而不破坏其完整性(不断裂、不破损）的能力。塑性反映材料发生永久变形的能力。柔软性反映材料抵抗变形的能力（变形抗力大小）。塑性指标在工程上的实际意义十分巨大，因为塑性好的材料在外力作用下只会变形，不会开裂。许多场合需要塑性好的材料来制作要去变形量大的部件，例如螺栓紧固件、数不胜数的冲压件、连杆、汽车外壳等。 作业二 一、选择题 1、在密排六方晶格中，单个晶胞的原子数为（ C ）。 A、2 B、4 C、6 D、8 2、纯铁在850℃时的晶型为（A ）。 A、体心立方 B、面心立方 C、密排六方 D、复杂晶系 二、判断题 1、晶界是金属晶体的常见缺陷。（√） 2、渗碳体是钢中常见的固溶体相。（×）
工程材料习题集 第一章钢得合金化基础 1合金元素在钢中有哪四种存在形式？ ①溶入α(铁素体)、γ(奥氏体)、M(马氏体),以溶质形式存在形成固溶体; ②形成强化相:碳化物、金属间化合物; ③形成非金属夹杂物; ④以游离状态存在:Cu、Ag。 2写出六个奥氏体形成元素,其中哪三个可无限溶解在奥氏体中？哪两个铁素体形成元素可无限溶解在铁素体中？ ①奥氏体形成元素:Mn、Co、Ni、Cu、C、N(锰、钴、镍、铜、碳、氮),其中Mn、Co、Ni(锰、钴、镍)可无限溶解在奥氏体中,Cu、C、N(铜、碳、氮)为有限溶解; ②Cr、V(铬、钒)可无限溶解在铁素体中,其余为有限溶解。 3写出钢中常见得五种非碳化物形成元素。 ①非碳化物形成元素:Ni、Si、Al、Cu、Co 4按由强到弱得顺序写出钢中常见得八种碳化物形成元素。按碳化物稳定性由弱到强得顺序写出钢中常见得四种碳化物得分子式。 ①碳化物由强到弱排列:(强)Ti、Nb、V、(中强)W、Mo、Cr、(弱)Mn、Fe ②碳化物稳定性由弱到强得顺序:Fe3C→M23C6→M6C→MC 5为什么高镍奥氏体钢易于冷变形,而高锰奥氏体钢难于冷变形,容易加工硬化？奥氏体层错能高与低时各形成什么形态得马氏体？ ①镍就是提高奥氏体层错能得元素,锰就是降低奥氏体层错能得元素,层错能越低,越有利于位错扩展而形成层错,使交滑移困难,加工硬化趋势增大。 ②奥氏体层错能越低,形成板条马氏体,位错亚结构。如Cr18-Ni8钢;奥氏体层错能越高,形成片状马氏体,孪晶亚结构。如Fe-Ni合金。 6钢得强化机制得出发点就是什么？钢中常用得四种强化方式就是什么？其中哪一种方式在提高强度得同时还能改善韧性？钢中得第二相粒子主要有哪两个方面得作用？ ①强化机制得出发点就是造成障碍,阻碍位错运动。 ②钢中常用得四种强化方式:固溶强化、晶界强化(细晶强化)、第二相强化、位错强化(加工硬化)。 ③晶界强化(细晶强化)在提高强度得同时还能改善韧性。 ④钢中得第二相粒子主要作用:细化晶粒、弥散/沉淀强化。 7钢中常用得韧性指标有哪三个？颈缩后得变形主要取决于什么？ α、平面应变断裂韧度K IC、韧脆转变温度T k。 ①韧性指标:冲击韧度 k ε表示,主要取决于微孔坑或微裂纹形成得难易程度。 ②颈缩后得变形用P 8晶粒大小对极限塑性有什么影响？为什么？为了改善钢得塑性,钢中碳化物应保持什么形态？ ①细化晶粒对改善均匀塑性(εu)贡献不大,但对极限塑性(εT)却会有一定好处。因为随着晶粒尺寸得减少,使应力集中减弱,推迟了微孔坑得形成。 ②为了改善钢得塑性,充分发挥弥散强化得作用,钢中得碳化物(第二相)应为球状、细小、均匀、弥散地分布。 9改善延性断裂有哪三个途径？改善解理断裂有哪两种方法？引起晶界弱化得因素有哪两
工程材料及成形技术作业题库 一. 名词解释 1.间隙固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 2.过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。 3..同素异构性：同一合金在不同温度下晶格类型不同的现象。 4.同素异构性：同一合金在不同温度下晶格类型不同的现象。 5.再结晶：金属发生重新形核和长大而晶格类型没有改变的结晶过程。 6.枝晶偏析：结晶后晶粒内成分不均匀的现象。 7.淬透性：钢淬火时获得淬硬层深度的能力。 8.淬硬性：钢淬火时得到的最大硬度。 9.临界冷却速度：奥氏体完全转变成马氏体的最低冷却速度。 10.热硬性：钢在高温下保持高硬度的能力。 11.时效强化：经固溶处理后随着时间的延长强度不断提高的现象。 12.形变强化：由于塑性变形而引起强度提高的现象。 13.调质处理：淬火+高温回火得到回火索氏体的热处理工艺。 14.变质处理：在浇注是向金属液中加入变质剂，使其形核速度升高长大速度减低，从而实现细化晶粒的 处理工艺。 15.顺序凝固原则：铸件时使金属按规定从一部分到另一部分逐渐凝固的原则。 16.同时凝固原则： 17.孕育铸铁：经过孕育处理的铸铁。 18.热固性塑料： 19.热塑性塑料： 二. 判断正误并加以改正 1.细化晶粒虽能提高金属的强度,但增大了金属的脆性. （╳） 改正：细化晶粒不但能提高金属的强度，也降低了金属的脆性。 2.结构钢的淬透性,随钢中碳含量的增大而增大. （╳） 改正：结构钢的淬硬性，随钢中碳含量的增大而增大。 3.普通低合金结构钢不能通过热处理进行强化。（√） 4. 单晶体必有各向异性. （√） 5. 普通钢和优质钢是按其强度等级来区分的. （╳） 改正：普通钢和优质钢是按钢中有害杂质硫、磷的含量来划分的。 6. 过热钢经再结晶退火后能显著细化晶粒. （√） 7. 奥氏体耐热钢也就是奥氏体不锈钢。（╳） 改正：奥氏体耐热钢不是奥氏体不锈钢。 8. 马氏体的晶体结构和铁素体的相同. （√） 9. 面心立方金属的塑性比体心立方金属的好. （╳） 10. 铁素体是置换固溶体. （╳） 改正：铁素体是碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体体。
第1章 材料的基本性质 1、烧结普通砖的尺寸为240mm×115mm×53mm ，已知其孔隙率为37%，干燥质量为 2487g ，浸水饱和后质量为 2984g 。求该砖的密度、干表观密度、 吸水率、开口孔隙率及闭口孔隙率。 解：砖自然状态下的体积：3 300.2400.1150.053 1.462810m V -=??=? 干表观密度：3030 2.4871700kg/m 1.462810m V ρ-===? 由孔隙率0001700100%1100%1100%37%V V P V ρρρ-????=?=-?=-?= ? ???? ? 得砖的密度：ρ＝2698 kg/m 3 吸水率：29842487100%100%20%2487 m m W m = ?=?=干吸吸干－－ 开口孔隙率： 3029842487()/100%/1.462810100%34%1000m m P V ρ-??-??=?=??=????????干吸开水－ 闭口孔隙率：37%34%%P P P ==开闭--＝3 2、已知碎石的表观密度为2.65g/cm 3，堆积密度为1.50g/cm 3，求 2.5m 3 松散状态的碎石，需要多少松散体积的砂子填充碎石的空隙 ? 若已知砂子的堆积密度为1.55g /cm 3，求砂子的重量为多少？ 解：0000002.5 1.5100%1100%1100%43%2.5 2.65V V V P V ρρ??''-??'=?=-?=-?= ? ?'??? ?－＝ V 0＝1.425m 3 所以，填充碎石空隙所需砂子的体积为：300 2.5 1.425 1.075m V V '-=-= 或30 2.543% 1.075m V P '?=?= 沙子的重量：1.075×1.55×103＝1666.25kg 3．某地红砂岩，已按规定将其磨细，过筛。烘干后称取50g ，用李氏瓶测得其体积为18.9cm 3。另有卵石经过清洗烘干后称取1000g ，将其浸水饱和后用布擦干。又用广口瓶盛满水，连盖称得其质量为790g ，然后将卵石装入，再连盖称得其质量为1409g ，水温为25℃，求红砂岩及卵石的密度或视密度，并注明哪个是密度或视密度。