工程材料作业
第十章
1.什么叫的高分子材料？按性能和用途可分哪几类材料？按材料的热行为和成型工艺特
点分哪两类材料？
答：（1）高分子材料：由众多原子或原子团主要以C-C共价键结合而成的相对分子质量约104以上的化合物构成的材料，也叫有机材料。
（2）塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料、功能高分子
（3）热塑性高分子材料，热固性高分子材料
2.举出几种按单体原料命名的高分子材料，并写出其缩写标志？
答：聚甲醛POM；聚苯醚PPO；聚酰胺PI。
3.高分子的结构分为哪几个层次？高分子聚集态结构包括哪几个方面？
答：（1）
（2）晶态：叠链片晶，单晶，球晶，微丝晶，伸直链晶
非晶态：无规线团，链接，链球
取向态结构：分子链或链接，微晶取向
织态结构：一种高分子与其他类型的高分子或添加剂形成共混体系，它们之间形成的互相排列。
4、为什么高分子链结构是决定高分子材料基本性质的主要因素？试举例说明。
答：高分子链结构是高分子链中结构单元的化学组成、空间构型、键接方式、键接序列、分子链的支化、交联、分子量、形状和尺寸等。高分子物质由于分子量大，使其物理性能、力学性能与低分子物质相比有明显差别，不同高分子链节所含原子或基团及其空间排列不同，形成了所组成的不同高分子材料间性质存在差异甚至很大差别。
例如：聚乙烯的合成单体都是乙烯，其组成相同。由于合成方法不同，聚乙烯的结构有所不同，其性能也不完全相同。
1、高压聚乙烯（低密度聚乙烯）——LDPE
LDPE是在微量氧的存在下，通过高温（200℃）高压（1000大气压）聚合而成。从聚合机理来说属于自由基聚合，易引起链转移，所以支链比较多，没 1000个C的主链上具有15～30个支链，而且支链比较长，链与链之间距离较大，密度小（0.910～0.925g/cm3）,g故又称之低密度聚乙烯。
2、低压聚乙烯（高密度聚乙烯）——HDPE
HDPE是在齐格勒—纳塔催化剂作用下，在65～95℃，1～14个大气压下聚合而成。从
聚合机理来说属于阴离子配位聚合，很少发生链转移，支链很少，而且很短，每1000个C 主链上仅有0.5～3个支链，分子量较大,为7～30×104，几乎是LDPE的2倍以上。由于支链少，而且短，分子链之间靠的比较近，密度大（0.940～0.965g/cm3），故又称之为高密度聚乙烯。
3、线性低密度聚乙烯——LLDPE
LLDPE合成工艺基本上与HDPE相同，所不同的是所用单体除乙烯外，还有小部分α-烯烃如1-丁烯、丙烯、1-己烯、1-辛烯等。实际上LLDPE是乙烯与α—烯烃的共聚物。所谓线型指的是两种单体在聚合过程中头尾相接而成，并非无支链。虽然也有许多支链，但是支链的长度仅仅是α—烯烃聚合后余下的部分，分子链之间距离较LDPE小，密度比LLDPE大，但比HDPE小。
三种聚乙烯从主链组成来看，都是以—CH2—为主体的链状高分子化合物。所不同的只是结构上的差异即支链化程度和支链的长短不同。
尽管三种PE只是在链结构上有所差异，却直接影响到分子链间的距离，进而影响到材料密度，正如表-2所示，材料的密度主要由链结构所决定。而密度又直接影响材料性能，所
以链结构不同性能自然也就不同。
5、在成型加工过程中，结晶对高分子材料性能有何影响？取向后，高分子材料的性能变化有何特点？
答：结晶影响：由于结晶，高聚物的微观结构发生了变化，性能也明显的不同。如密度、刚性、耐磨性、耐热性和强度增强或提高，但冲击吸收能量降低，透明度变差。由于分子量或结晶过程条件不同，结晶的程度便不同，材料的性能和使用范围也就不同。
取向影响：
非晶态聚合物取向简单，结晶聚合物取向复杂。取向前聚合物各向同性，经过取向呈现明显的各向异性，力学性能、光学性能和热传导性能都有所不同。
沿取向方向的机械强度高，垂直于取向方向的机械强度低，平行于取向方面的折光指数与垂直方向不同的双折射现象，沿取向方向传热快、垂直方向传热慢。
6.举例说明高分子结构与性能之间的关系。
答：(1)线型高分子化合物,线型高分子链间只存在微弱范德华力，分子容易互相滑动，并可在某些溶剂中溶解，溶解后溶液的粘度非常大。当温度升高时，线型高分子材料可以熔融而不分解，成为粘度较大、能流动的流体。应用：可以模塑成型并多次反复使用。大多数热塑性树脂都属于这一类材料，如聚氯乙烯、聚乙烯等
(2)体型高分子化合物的分子量和分子体积为没有限度的一个巨型分子。化合物中各个单元结构均以共价键相结合，不能被溶剂溶解，受热后不软化，也不能流动，不能直接反复使用。体型高分子化合物是无定形的，只有玻璃态，具有较高的硬度和脆性而不具有塑性。应用:体型高分子材料加热固化后得到坚硬制品，制品硬度随固化度升高而增加，此类物质称热固性树脂，例如环氧树脂、酚醛树脂等。
(3)部分高分子材料具有其它材料所没有的高弹性，如橡胶可拉伸十多倍而又弹回，这一特有性能来自于大分子长链结构和链上各键的内旋转性。
(4)分子量：低分子化合物有固定的分子量。高分子化合物没有固定的分子量，而是平均分子量，分为重均分子量和数均分子量，分子量符合正态分布。分子量范围越窄，性能越好。
(5)熔点：低分子化合物有固定熔点，但是高分子化合物没有固定的熔点，实际为一个范围——熔程，加热过程中相对低的分子先熔融。
7.简要叙述高分子材料性能的主要特点及应用。
答:主要特点: 优点(1)质轻,有透明品种;(2)具有优良的耐腐蚀性能,大多数能耐酸碱盐侵蚀,并耐水/抗氧化;(3)大多数与钢构成摩擦副的摩擦系数小、易滑动;(4)有缓冲作用,能吸收振动和声音;(5)导热系数较低,可用作隔热材料。缺点(1)容易发生蠕变、应力松弛现象，所以对施工要求严格规范；（2）热膨胀系数较大;(3)某些材料具有低温脆性;(4)耐热温度低(5)使用过程中会出现”老化”现象。
应用:纤维、塑料、橡胶、涂料、粘合剂、功能高分子。
8、简要叙述塑料的主要成型方法和橡胶的加工工艺
答：塑料的成型方法：
1、挤出成型是加工热塑性塑料最早使用的方法之一，也是目前应用最普遍最重要的一种方法。将热塑性高聚物和各种助剂混合均匀后，在挤出机的机筒内经旋转的螺杆（单螺杆、双螺杆）进行输送、压缩、剪切、塑化、熔融，并通过机头定量定压挤出而成制品的过程。挤出成型的特点：生产过程可以连续化，因而产品可以无限长，生产效率高。根据模口不同，可以生产：管、棒、板、片、薄膜、网、单丝和其它异型材，可制作发泡材料、中空制品和复合挤出不同材料。
2、注射成型根据金属压铸成型原理发展起来的，是目前高分子材料成型的另外一种常用方法。注射成型，因加工适应性强、能成型外形复杂、尺寸精确、或带有金属嵌件的制品，既可作为热塑性塑料的成型，又可成为热固性塑料和橡胶制品的成型。将高聚物粒料加入已预热的注射成型机料筒内进行加热融化，并借助机筒内螺杆或柱塞的压力将熔融物料经过料筒前端喷嘴快速注入温度较低的闭合模具中，经一定时间的定形冷却后开启模具制得产品的过程。
3、吹塑成型将挤出或注射成型的尚未冷却固化的。管状型坯趁热放到模具型腔中，再用压缩空气吹胀型坯，使管状型坯紧贴模壁，并迅速冷却定型成产品。特点：主要是热塑性塑料，是一种成型中空制品的方法，主要用于化工中各种塑料瓶、桶、罐等。吹塑成型能较好地保证制品的外形和尺寸，能成型用注塑等其他方法无法成型的中空制品。吹塑成型可分为两类：用挤出方法成型管坯的称为挤出吹塑，用注塑成型方法成型管坯的称为注塑吹塑
4.模压成型将粉状、粒状高分子材料以及碎屑状或纤维状的增强物直接加入预热的压模型腔，然后以一定的速度闭合模具，物料在热和压力作用下呈流动状态并充满型腔，在化学或物理作用下硬化成型，制得制品。特点：主要用来成型热固性塑料和橡胶，也可来成型热塑性塑料。与注塑成型相比，模压成型的制品收缩率小、变形小、性能均匀，设备和模具简单低廉。吹塑成型过程：加料→闭模→排气→固化→脱模→清理模具。
5.传递模塑将物料加入到预热的加料室中，通过压柱向物料施压，物料在高温高压下熔融并通过模具的浇注系统进入模腔，逐步固化成型。特点：能成型比较精密的热固性塑料或带有细薄嵌件的制品。传递成型最好是采用流动性好的材料，以便充满型腔
橡胶的加工工艺
塑炼为了混炼加工和便于成型，须先将生橡胶塑炼，使生胶从弹性状态转成塑性状态。塑炼可在开放式或密闭式炼胶机上进行。塑炼不充分就得不到均一的塑性，从而影响成型。塑炼过度则会导致制品性能下降。
混炼将各种配合剂加入到塑炼后有一定塑性的生胶中，混合分散均匀的过程。混炼是橡胶加工中重要工序之一，混炼质量的好坏对进一步加工和制品质量有决定性影响。混炼通常用
开炼机、密炼机或连续混炼机进行。
成型工序通过挤出、压延成型或织物复胶等，预先做好产品的形状，或按产品一定的结构加以组合成型的过程。
硫化工序橡胶加工中最后的一道工艺过程。只有将成型后的半成品硫化，才能获得所需形状和物理、力学、化学（稳定性）及抗老化性能的制品。硫化过程中的温度、压力、时间等条件的控制关系制品的性能。通常用单体硫化机或硫化罐进行硫化，也可采用连续硫化的方法，如红外线、沸腾床、微波等方法。
9、选择高分子材料时应注意些什么？
答：高分子材料是通过各种适当的成型加工工艺制成产品的，材料类型不同，成型加工工艺就不同。
高分子材料的性能，一方面决定于组成材料的结构和用量，另一方面则受制于加工成型方法和过程中的工艺条件。成型方法不同，制品性能就会不相同，甚至于同一成型方法中，工艺条件不同，制品的性能也会有很大的差异。
高聚物取向结构是影响材料性能的重要因素，它既取决于高聚物类型，又取决于如拉伸取向时温度、时间、应力大小或拉伸速率等成型加工取向时的工艺条件。
取向影响热塑性高分子材料注射成型中模温、成型温度、冷却速率诸多因素都影响取向程度，从而影响制品性能，如：提高物料和模具温度可降低取向程度；较高的注射压力（即剪切应力）会增加取向程度；延长保压时间会增加取向作用；充模速度快则取向减弱；制品冷却速度快会增大取向作用。
压延效应压延成型时，高聚物分子会因压延方向上受到很大的切应力和一定的拉伸应力，而顺着薄膜前进方向发生分子取向，以致薄膜在物理、力学性能上出现各向异性的现象。也称取向效应。压延效应会引起制品性能变化。例如软聚氯乙烯薄膜经压延后断后伸长率纵向约140%～150%、横向约37%～70%，两向明显不同。在自由状态加热时，薄膜各向尺寸也发生不同的变化，纵向出现收缩，横向与厚度出现膨胀。这种压延效应的程度会随压延机操作时辊筒速度、辊筒间速比、辊隙间存料量以及物料粘度等因素的增大而上升，随辊筒温度的升高而降低。高分子材料挤出、压延或其它成型方法中，只要经过牵引或卷曲，通常都会使制品保留一定程度的单轴或双轴取向。某些情况下,采用一定设备和工艺条件，对制品进行拉伸，从而达到提高制品某些性能，特别是沿拉伸方向力学性能的目的。在拉伸取向过程中，取向又受到拉伸时温度、冷却速度、拉伸速率所影响。
拉伸温度与速度的影响
较低温度下拉伸会有利于冻结保持高分子取向；但若拉伸温度太低，拉伸则不容易进行。在拉伸过程中冷却温度↓，冷却速度↑，材料取向程度↑。其它条件相同时，采用较大拉伸速率则可取得较好的拉伸效果。同时，拉伸还会加速高聚物的结晶。
结晶影响因素
结晶既改变高聚物结构，也影响高聚物性能。结晶影响因素中除材料本身外，还包括加工成型过程中的温度、压力、冷却速率、时间及拉伸或剪切应力等。因素中，温度最敏感，结晶温度稍有变化，有时只是相差1℃，结晶速度可相差几倍、几十倍、甚至更高。实际生产中，利用温度的影响控制产品结晶度和晶体大小是最普遍和最有效的手段。对结晶性高聚物加工成型过程中，冷却速度快，晶形往往不稳定，成型后只要条件适宜，就会继续结晶、扩大球晶或转变晶形，而导致成型后制品性能不稳定。
第十一章
1.聚氯乙烯、聚四氟乙烯有哪些特殊性能与用途？
答：聚氯乙烯是由氯乙烯经聚合反应而成的聚合物，是仅次于聚乙烯的第二大塑料品种。原料来源广、工艺成熟、价格低、用途广、品种多。PVC密度1.2～1.6，分为软、硬两种。
硬质PVC强度高、抗弯、抗压、耐冲击、耐酸碱、绝缘性好，但软化点低；软质PVC延伸率大、强度低、不耐冲击。（1）PVC的性能
分子极性较大，硬度和刚性都较高、机械强度较高；化学稳定性好，对酸、碱的抵抗力强；分子中含有大量的氯，故具有良好的阻燃性；不溶于水、酒精和汽油；有良好的电绝缘性；对光、热的稳定性能差，0℃时变得僵硬，-16℃脆化，长期使用温度≤65℃，80℃-85℃软化，140℃时熔化，170℃分解；聚氯乙烯的分子量↑，物理机械性能和热性能提高
（2）成型加工
①压延成型PVC片材、薄膜、造革加工时用压延辊压延，硬板材适用压延+ 层压加工。
②挤出成型
PVC管、板、薄膜、带等制品的成型可用这种方法。
③注射成型
PVC采用注射成型法制做硬质管接头、阀门时，需加入增塑剂改善流动性，但软化温度会下降。
④层压成型把多层硬质PVC板重叠热压成硬质板。
（3）用途
硬PVC可用作管道（工业管道，给排水管道、电线导管）、槽、罐、异型材和过程装备中的防腐蚀设备如硫酸生产中的稀酸洗涤塔是硬聚氯乙烯制作的大型全塑结构防腐设备。也可以用于离心泵、通风机、输油管、酸碱泵的阀门、容器。
软PVC主要用于生产各种薄膜、地板胶、电线电缆的绝缘层和软管。
氟塑料（尤其是PTFE）的性能
①耐药品性耐腐蚀能力很强，耐强酸（如硫酸、硝酸、盐酸和王水），耐强氧化剂如重铭酸钾、高锰酸钾，其化学稳定性超过了玻璃、陶瓷和不锈钢，甚至金和铂，故有“塑料王”之称。PVDF是相对较差的一种，但仍超过其它种类的塑料。
②耐热性长期使用温度范围：-196～260℃；若超过300℃则失去结晶性，机械强度急剧下降。
③摩擦系数低(热塑性塑料中最低的)，与钢对磨，其摩擦系数约0.04，有良好自润滑性。
④吸水性和透水性极低吸水率和透湿性几乎为零。
⑤耐候性强氟树脂对所有紫外线是稳定的，在亚热带地方数年间放置室外，其五行几乎无变化，特别是PVDF的耐候性最好，是在室外长期使用的适用材料，对于放射线也是很稳定。
⑥在一定的压力下容易产生冷流，在负荷下容易发生蠕变。
⑦线胀系数较大，导热性能差。
⑧不易粘接或焊接。
⑨成型加工比较困难，不能采用热塑性塑料的成型方法。
（2）成型加工
PTFE即使加热也不熔融，在330℃以上仅仅呈凝胶状，不能采用热塑性塑料的成型方法，只能采用类似粉末冶金方法，即经冷压→烧结而成型。
PCTFE、PVDF、FEP、PETFE因为熔融粘度相对比较小，可以采用通常的塑料成型方法。
对金属制品或其它材料的防蚀防粘处理，可以涂装氟树脂，即氟树脂粉末混合有机溶剂涂覆在底材上，待溶剂挥发后，加热成型。
烧结成型后的冷却速度、球晶大小及数目对其物性有很大影响。
氟塑料难以胶接。
（3）用途
工程上常用聚四氟乙烯做摩擦件和密封件。高温、强腐蚀的场合的化工容器和设备上的各种配件，如泵、阀门、膨胀节、热交换器、多孔板材及强腐蚀介质的过滤材料，过程装备
的衬里和涂层等。用聚四氟乙烯生料带作管螺纹接头的密封用。
FEP、PVDF片材、薄膜透明性好，常用于温室、牲畜场舍、屋顶或药品包装等。
氟塑料的微米级粉末可用作减摩填料。
2.环氧树脂、酚醛树脂及不饱和聚酯性能上各有什么特点和主要用途？
答：（1）环氧树脂
线型结构树脂，固化后成为体型结构。
有优异的耐水性、耐碱性、粘接性和力学性能。
常温下固化，固化收缩率小，热膨胀系数。小，尺寸稳定性好。施工工艺性能好。
主要用于涂料(>40%)，如防腐用漆、船舶和汽车用漆等。
在耐腐蚀玻璃钢方面，环氧树脂是耐腐蚀玻璃钢的主要树脂品种之一，广泛用于贮槽、管道、塔器、风机、烟囟及建筑防腐等方面。
（2）酚醛树脂是由酚类和醛类缩聚而成的树脂总称。工业上使用最早的树脂之一。固化后的酚醛塑料强度高、硬而耐磨，耐酸、盐等大多数溶剂和药品腐蚀、吸湿性低、制件尺寸稳定、耐热、耐燃。有优良的电绝缘性能，故常被称之为“电木” 。
质脆易折断，耐碱性能差，即使在室温的条件下，不耐碱。
应用：如各种电器零件，机器外壳和配件。在化工防腐设备中酚醛玻璃钢、涂料是用酚醛树脂作粘结剂的。
（1）环氧树脂
线型结构树脂，固化后成为体型结构。
有优异的耐水性、耐碱性、粘接性和力学性能。
常温下固化，固化收缩率小，热膨胀系数。小，尺寸稳定性好。施工工艺性能好。
主要用于涂料(>40%)，如防腐用漆、船舶和汽车用漆等。
在耐腐蚀玻璃钢方面，环氧树脂是耐腐蚀玻璃钢的主要树脂品种之一，广泛用于贮槽、管道、塔器、风机、烟囟及建筑防腐等方面。
（3）不饱和聚酯（UP）
不饱和聚酯树脂UP是由二元醇和不饱和二元酸经缩聚而得的产物，改变二元醇和二元酸的品种和数量，可以获得各种性能的缩聚物．国内，目前已工业化生产的不饱和聚酯树脂有100多种牌号。
不饱和聚酯树脂UP在固化前是长链型分子，相对分子质量一般为100～3000，这些不饱和的长链可以与不饱和单体交联形成复杂结构的网状分子。
UP 的特性及用途
它的结构特点在于同时具有酯键和不饱和键。
UP主要用于玻璃钢和涂料。在增强塑料中，UP因在加工固化时不排出水或其他副产物，可在较低的压力和温度下成型。
据2000年左右统计，不饱和聚酯树脂UP用于增强材料FRP的比例达到85%左右，在FRP 中占主要用量是建筑材料12.3%，浴室用品26%，净化槽19.5%，工业用机械材料12.3%等。近年来，UP的主流消费为人造大理石、运输器材和浴缸等领域。
3、丁腈橡胶、氯丁橡胶性能上的特点及在过程装备上的应用？
丁腈橡胶:
（1）特点
丁腈橡胶是丁二烯和丙烯腈的共聚物，是耐油而著称的特种合成橡胶。耐热性、耐老化性、耐磨性、气密性和耐腐蚀性均优于天然橡胶。耐臭氧性能、电绝缘性能和耐寒性能较差，弹性稍低，价格较贵。丙烯腈含量增加，耐油性能增强，但弹性减弱，当丙烯腈>60%时，虽然耐油性特别好，但丧失了弹性。反之，则耐油性差，弹性好。
（2）用途
主要用于各种耐油橡胶制品。丙烯腈含量高的更适用于直接与油类接触的橡胶制品，如油封、输油管、油料容器衬里，密封胶垫和胶辊。低丙烯腈含量的丁腈橡胶适用于作低温耐油制品及耐油减震橡胶零件。
氯丁橡胶:
（1）特点
物理机械性能与天然橡胶相似；耐燃烧性是通用橡胶中最好的一种；耐老化性、耐热性、耐油性、耐溶剂和化学药品腐蚀性等均比天然橡胶好；自补强性、粘着性、耐水性和气密性等比较优良，有“万能橡胶”之称；电绝缘性差、耐寒性不好、密度大、贮存稳定性差。（2）用途
主要用于各种模压制品，输油与输送腐蚀性介质的胶管、高速V型带、耐热运输带、化工容器衬里，密封垫圈和胶粘剂。尤其是利用其优良的不燃烧性作地下采矿用的各种橡胶制品。
4、高分子材料为什么要改性？改性通常有哪些方法？
由于材料单体的种类有限，而且材料单体的单一的某的些性能比较差，不符合人们所求，所以要对其材料经行改性。所谓的改性是通过物理，机械和化学等作用使高分子材料原有的性能得到改善。
方法：共混改性、化学改性、填充改性、纤维增强与表面改性等。
大工13春《机械工程材料》在线作业1 一、多选题（共 5 道试卷，共 25 分。） 1. 根据外力加载方式不同，强度指标包括下列的（）。 A. 屈服强度 B. 抗拉强度 C. 抗压强度 D. 抗弯强度 2. 材料的物理性能包括下列的（）。 A. 热膨胀性 B. 导热性 C. 导电性 D. 磁性 3. 根据受力情况，裂纹分为（）。 A. 张开型 B. 滑开型 C. 撕开型 D. 断开型 4. 材料受外力作用时所表现的性能称为力学性能，下列各项属于力学性能的是（）。 A. 强度 B. 塑性 C. 硬度 D. 韧性及疲劳强度 5. 工艺性能是指材料在加工过程中所表现的性能，包括下列的（）。 A. 铸造 B. 锻压 C. 热处理 D. 焊接和切削加工性能 二、单选题（共 5 道试卷，共 25 分。） 1. 材料常常在远（）其屈服强度的应力下发生断裂，这种现象称为疲劳。 A. 高于 B. 低于 C. 不高于 D. 不低于 2. 材料受外力作用时所表现的性能称为（）。 A. 物理性能 B. 化学性能 C. 力学性能 D. 工艺性能 3. 材料在外力去除后能够恢复的变形称为（），不能恢复的变形称为（）。 A. 弹性变形，塑性变形 B. 塑性变形，弹性变形 C. 弹性变形，弹性变形 D. 塑性变形，塑性变形 4. 材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力是（）。 A. 硬度 B. 塑性 C. 强度 D. 变形 5. 实际服役的金属材料有（）是因为疲劳而破坏的。 A. 90% B. 80% C. 70% D. 60% 三、判断题（共 10 道试卷，共 50 分。） （×）1. 金属原子的外层电子多，不容易失去。 （×）2. 晶相中的晶粒大小对陶瓷材料的性能影响很小。 （×）3. 常见的金属材料都具有非晶体结构。 （√）4. 共价键中的电子对数因元素种类不同而不同。 （√）5. 晶相是陶瓷材料中的主要组成相。 （√）6. 固态物质按照原子在空间的排列方式，分为晶体和非晶体。 （√）7. 线缺陷就是晶体中的位错。 （×）8. 晶体中一维尺寸很大、另两维尺寸很小的缺陷称为面缺陷。 （√）9. 工程材料通常是固态物质。 （×）10. 在常温下，晶粒越粗，晶界面积越大。 大工13春《机械工程材料》在线作业2 一、多选题（共 5 道试卷，共 25 分。） 1. 下列各项属于影响奥氏体晶粒大小因素的是（）。 A. 原始组织 B. 合金元素 C. 加热速度 D. 加热温度 2. 材料的普通热处理包括下列的（）。 A. 退火 B. 正火 C. 淬火 D. 回火 3. 材料的其他热处理方式包括下列的（）。 A. 真空热处理 B. 形变热处理 C. 控制气氛热处理 D. 激光热处理 4. 材料的其他热处理包括下列的（）。 A. 真空热处理 B. 形变热处理 C. 表面淬火 D. 化学热处理 5. 材料的表面热处理包括下列的（）。 A. 退火 B. 正火 C. 表面淬火 D. 化学热处理 二、单选题（共 5 道试卷，共 25 分。）
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.
(一) 单选题 1. 下列哪种不是铸锭的常见缺陷（）。 (A) 缩孔 (B) 缩松 (C) 气孔 (D) 咬边 参考答案： (D) 2. 面心立方晶胞致密度为（）。 (A) 0.68 (B) 0.86 (C) 0.74 (D) 0.72 参考答案： (C) 3. 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将（）。 (A) 越高 (B) 越低 (C) 越接近理论结晶温度 参考答案：
(B) 4. 延伸率是用来表示金属材料的哪种性能（）。 (A) 强度 (B) 塑性 (C) 硬度 (D) 刚度 参考答案： (B) 5. 实际金属结晶形成晶核时，主要是哪种形核方式（）。 (A) 自发形核 (B) 非自发形核 (C) 平面形核 参考答案： (B) 6. 亚晶界是由（）。 (A) 点缺陷堆积而成 (B) 位错垂直排列成位错墙而构成 (C) 晶界间的相互作用构成 参考答案： (B)
7. 理论结晶温度与实际结晶温度之差称为（）。 (A) 过热度 (B) 过冷度 (C) 冷热度 参考答案： (B) 8. 晶体中的位错属于（）。 (A) 体缺 陷 (B) 面缺 陷 (C) 线缺 陷 (D) 点缺 陷 参考答案： (C) 9. 冷却速度较大时，实际金属结晶形成晶核后长大，主要是哪种长大方式（）。 (A) 平面长大 (B) 树枝状长大 (C) 自发长大 参考答案： (B) 10. 金属材料的流动性是衡量哪种工艺性能的（）。 (A) 铸造性能 (B) 锻造性能 (C) 焊接性能
(D) 热处理性能 参考答案： (A) 11. 硬度的高低是用来衡量金属材料的哪种性能（）。 (A) 耐腐蚀性能 (B) 耐磨性能 (C) 耐热性能 (D) 抗老化性能 参考答案： (B) 12. 固溶体的晶体结构与哪个相同（）。 (A) 溶质 (B) 溶剂 (C) 与两者都不同 参考答案： (B) 13. 金属材料的碳质量分数是衡量哪种工艺性能的（）。 (A) 铸造性能 (B) 锻造性能 (C) 焊接性能
作业1 一、名词解释 固溶强化、过冷度、变质处理、铁素体、奥氏体、同素异构转变 二、填空题 1、材料常用得塑性指标有—伸长率______ —_与——断面收缩率_______ 两种，其中 断面收缩率______ _ 表示塑性更接近材料 得真实变形。 2、检验淬火钢成品件得硬度一般用__洛氏硬度______ 硬度，检测渗氮件与渗金属件得硬度采用——维氏硬度—硬度。 3、实际金属中存在有—点______ _、__ 线——与____________ 面—3类缺陷。位
错就是___________ 线缺陷，晶界就是_ —面_______ 缺陷。金属得晶粒度越小，晶 界总面积就越_________ 大—_，金属得强度 也越—高―—. 4、铁得同素异构体转变为. 5、金属在结晶过程中，冷却速度越大，则过冷度越大，晶粒越_大，强度与硬度越强____,塑性越—差 _ ___ 。 6、纯铁在912C发生a—F e^Y-F e 转变，其体积将——增大_____ 。 7、在实际生产中，若要进行热锻或热轧时，必须把钢加热到奥氏体—相区。
8在缓慢冷却条件下，含碳0、8%得钢比含碳 1、2 %得钢硬度低，强度 _ 低_ _。 三、选择题 1 、材料断裂之前所能承受得最高应力就是（A ）。 A o ab B o as C. a0 2 D . ap 2、材料得刚度可以通过下列哪种方法提高（B ）o A 、热处理 B 、合金化 C 、增加横截面积 3、材料得使用温度（A ）o A、应在其韧脆转变温度以上 B、应在其韧脆转变温度以下
C、应与其韧脆转变温度相等 D、与其韧脆转变温度无关 4、在作疲劳试验时，试样承受得载荷为——C___ . ? A。静载荷 B.冲击载荷 C .交变载荷 5、两种元素组成金属化合物，则其晶体结 构( C )。 A。与溶剂得相同B。与溶质得相同 C .与溶剂、溶质得都不相同 D.就是两种元素各自结构得混合体 6、固溶体得结构与( A )相同。? A。溶质 B .溶剂 C。结构与任一组元都不相同
《机械工程材料》作业题 第一章金属的晶体结构与强化机制 1、金属中常见的晶体结构类型是：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。 2、晶体缺陷按其几何形态分为 ：点缺陷、线缺陷和面缺陷。 3、金属的强度与硬度随其冷变形程度的增加 而提高 ，而塑性、韧性则降低 的现象称为加工硬化 或形变强化 。 4、金属的晶粒愈细小 ，则其强度、硬度愈高 ，而且还可改善 其塑性、韧性，这就是金属的细晶强化 作 用所致。实际生产中，铸件常采用：增大过冷度、变质处理 、振动 和搅拌 等方法来细化晶粒。 第二章合金的相结构与结晶 1、固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性可分为固溶体和金属间化合物两大类。 2、固溶体的晶格类型与溶剂组元的晶体结构相同，根据溶质原子在溶剂晶格种所处位置不同可将固溶体分 为置换固溶体和间隙固溶体两类。 3、通过溶入某种溶质元素形成的固溶体而使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。 4、在实际铸态下，合金的结晶比较快，原子的扩散来不及充分进行，结果使先结晶出来的固溶体和后结晶的固溶体成分不均匀，这种结晶过程称为非平衡结晶。在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象称为晶内偏析 或枝晶偏析，它将导致合金的塑性、韧性下降，且易引起晶内腐蚀。当铸件中出现枝晶偏析时，可采用扩散退火或均匀化退火处理来消除之。 5、合金在冷却到某一温度时，由一定成分的液相同时结晶出成分不同、结构不同的两个固相，把这种转变称为共晶转变或共晶反应，其反应产物称为共晶组织或共晶体，其基本特征是两相均匀并交替分布。 6、Pb—Sn合金发生共晶反应的温度为183 ℃，其共晶点成分中的Pb含量为38.1 ％。当含ωPb30％的Pb—Sn合金，其室温下的平衡组织为β初＋αⅡ＋（α＋β）共。当含ωSn30％的Pb—Sn合金，其室温下的平衡组织为α初＋βⅡ＋（α＋β）共。 第三章 铁碳合金及合金钢概述 1、铁随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。 2、铁碳合金在727 ℃下，由一定成分的固相同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程称为共析转变。其转变产物是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，将其称为珠光体，常以P 表示。 3、随着钢中碳含量的增加，其室温平衡组织的变化规律为P+F →P →P+Fe3CⅡ,其力学性能变化的规律
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。
第一次作业 第一章 作业1、从原材料到机械零件都要经过哪些生产工艺过程。 第二章力学性能 作业2、在下列材料或零件上测量硬度，应当用何种硬度测试方法最适宜？ ①锉刀；②黄铜；③铸造铝合金；④紫铜；⑤片式弹簧（扁簧）；⑥硬 质合金刀片；⑦淬火钢；⑧调质钢；⑨硬铝；⑩退火钢。 作业3、在机械设计时哪两种强度指标用得较多？为什么？ 作业4、如图所示为五种材料的应力—应变曲线：①45钢；②铝青铜；③35钢； ④硬铝；⑤纯铜。试问： （1）当外加应力为300MPa时，各材料处于什么状态？ （2）有一用35钢制作的杆，使用中发现弹性弯曲较大，如改用45钢制作该杆，能否减少弹性变形？ （3）有一用35钢制作的杆，使用中发现塑性弯曲较大，如改用45钢制作该杆，能否减少塑性变形？ 第三章材料结构 作业5、晶体与非晶体有何区别？作业6、为什么单晶体具有各向异性，而多晶体则具有各向同性。 作业7、实际金属晶体存在哪些缺陷？对材料性能有何影响？ 第二次作业 第四章 作业1、默画出Fe—C相图，填出各点字母、含碳量及各区域的组织，写出共析反应式与共晶反应式，写出室温时亚共析钢、共析钢、过共析钢、 亚共晶铸铁、共晶铸铁、过共晶铸铁的平衡组织，并画出共析钢的冷 却曲线。 作业2、根据铁碳相图，分析产生下列现象的原因： （1）在室温下，含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.45%的钢硬度高？ （2）在室温下，含碳0.8%的钢的强度比含碳1.2%的钢高？ （3）在1100°时，含碳为0.4%的钢能进行锻造，而含碳为4.0%的白口铁不能进行锻造？ 作业3、从铁碳相图中分析回答： （1）随碳质量百分数的增加，硬度、塑性是增加还是减小？ （2）为何钢有塑性而白口铁几乎无塑性？ （3）哪个区域熔点最低？那个区域塑性最好？ （4）哪个区域的结晶温度范围最小？ （5）铸造用合金通常选择什么成分的合金？塑性加工通常选择什么成分的合金？ 作业4、同样形状的两块铁碳合金，其中一块是15号钢，一块是白口铸铁，用什么简便方法可迅速区分它们？
第一章材料的结构与金属的结晶 1．解释下列名词： 变质处理P28;细晶强化P14;固溶强化P17。 5?为什么单晶体具有各向异性P12,而多晶体在一般情况下不显示各向异性P13? 答：因为单晶体内部的原子都按同一规律同一位向排列，即晶格位向完全一致。 而在多晶体的金属中，每个晶粒相当于一个单晶体，具有各项异性，但各个晶粒在整块金属中的空间位向是任意的，整个晶体各个方向上的性能则是大量位向各不相同的晶粒性能的均值。 6. 在实际金属中存在哪几种晶体缺陷P13?它们对力学性能有何影响P14？ 答：点缺陷、线缺陷、面缺陷。缺陷的存在对金属的力学性能、物理性能和化学性能以及塑性变形、扩散、相变等许多过程都有重要影响。 7. 金属结晶的基本规律是什么P25?铸造（或工业）生产中采用哪些措施细化晶粒？举例说明。P27?P28 答：金属结晶过程是个形核、长大的过程。 （1 ）增大过冷度。降低金属液的浇筑温度、采用金属模、水冷模、连续浇筑等。 （2）变质处理。向铝合金中加入钛、锆、硼;在铸铁液中加入硅钙合金等。 （3）振动和搅拌。如机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。 第二章金属的塑性变形与再结晶 1. 解释下列名词： 加工硬化P40;再结晶P43 ;纤维组织P3& 2. 指出下列名词的主要区别：重结晶、再结晶P43 答：再结晶转变前后的晶格类型没有发生变化，故称为再结晶; 而重结晶时晶格类型发生了变化。另外，再结晶是对冷塑性变形的金属而言，只有经过冷塑性变形的金属才会发生再结晶，没有经过冷塑性变形的金属不存在再结晶的问题。 5. 为什么常温下晶粒越细小，不仅强度、硬度越高，而且塑性、韧性也越好? P38 答：晶粒愈细，单位体积内晶粒数就愈多，变形是同样的变形量可分散到更多的晶粒中发生，以产生比较均匀的变形，这样因局部应力集中而引起材料开裂的几率较小，使材料在断裂前就有可能承受较大的塑性变形，得到较大的伸长率和具有较高的冲击载荷抗力。 6. 用冷拔铜丝制作导线，冷拔后应如何处理?为什么? P42 答：应该利用回复过程对冷拔铜丝进行低温退火。 因为在回复阶段，变形金属的显微组织没有明显变化，纤维状外形的晶粒仍存在，故金属的强度、硬度和塑性韧性等力学性能变化不大，某些物理、化学性能恢复，如电阻降低、抗应力腐蚀性能提高等，同时残留应力显著降低。 7. 已知金属W Fe、Cu、铅Pb的熔点分别为3380'C、1538'C、1083'C、327C，试估算这些金属的再结晶温度P43o T再"0.4T熔
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。
第一章 作业1、从原材料到机械零件都要经过哪些生产工艺过程。 第二章力学性能 作业2、在下列材料或零件上测量硬度，应当用何种硬度测试方法最适宜？ ①锉刀；②黄铜；③铸造铝合金；④紫铜；⑤片式弹簧（扁簧）；⑥硬 质合金刀片；⑦淬火钢；⑧调质钢；⑨硬铝；⑩退火钢。 作业3、在机械设计时哪两种强度指标用得较多？为什么？ 作业4、如图所示为五种材料的应力—应变曲线：①45钢；②铝青铜；③35钢； ④硬铝；⑤纯铜。试问： （1）当外加应力为300MPa时，各材料处于什么状态？ （2）有一用35钢制作的杆，使用中发现弹性弯曲较大，如改用45钢制作该杆，能否减少弹性变形？ （3）有一用35钢制作的杆，使用中发现塑性弯曲较大，如改用45钢制作该杆，能否减少塑性变形？ 第三章材料结构 作业5、晶体与非晶体有何区别？ 作业6、为什么单晶体具有各向异性，而多晶体则具有各向同性。 作业7、实际金属晶体存在哪些缺陷？对材料性能有何影响？ 第四章 作业1、默画出Fe—C相图，填出各点字母、含碳量及各区域的组织，写出共析反应式与共晶反应式，写出室温时亚共析钢、共析钢、过共析钢、 亚共晶铸铁、共晶铸铁、过共晶铸铁的平衡组织，并画出共析钢的冷 却曲线。 作业2、根据铁碳相图，分析产生下列现象的原因： （1）在室温下，含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.45%的钢硬度高？ （2）在室温下，含碳0.8%的钢的强度比含碳1.2%的钢高？ （3）在1100°时，含碳为0.4%的钢能进行锻造，而含碳为4.0%的白口铁不能进行锻造？ 作业3、从铁碳相图中分析回答： （1）随碳质量百分数的增加，硬度、塑性是增加还是减小？ （2）为何钢有塑性而白口铁几乎无塑性？ （3）哪个区域熔点最低？那个区域塑性最好？ （4）哪个区域的结晶温度范围最小？ （5）铸造用合金通常选择什么成分的合金？塑性加工通常选择什么成分的合金？ 作业4、同样形状的两块铁碳合金，其中一块是15号钢，一块是白口铸铁，用什么简便方法可迅速区分它们？
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（1）答案 1、下列各种工件应该采用何种硬度实验方法来测定其硬度？ 2、锉刀：HRC，黄铜轴套：HB、HRB供应状态的各种非合金钢材：HB、HRB硬质合金刀片：HV、耐磨工件的表面硬化层：HV（HRA）、调质态的机床主轴：HB、HRB、（HRC） 2、已知Cu的原子直径为2.56A，求Cu的晶格常数a，并计算1mm3Cu中的原子数。 Cu是f.c.c，r=√2/4a，r=2.56A/2=1.28A；a=4r/√2=2/√2×2.56=3.62A 依据1个晶胞（a3：3.623，单位A）中有4个Cu原子，1mm3的原子数？ a3：4=1mm3：x，注意单位换算，x=4/ a3，x=4/3.623=8.4×1019 3、已知金属Ａ（熔点６００℃）与金属Ｂ（熔点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。求： ①作出Ａ－Ｂ合金相图： 请用尺子等工具，标出横纵座标系，相图各区域名称，规范作图 ②写出共晶反应式。 ３００℃ L４０％B ＝（α３０％A＋Ａ） ③分析２０％Ａ，４５％Ａ，８０％Ａ等合金的结晶过程，用结晶表达式表达。 ２０％Ａ：L→L+α→α→α+A ４５％Ａ：L→L+α→α+（α３０％A＋Ａ）→α+（α３０％A＋Ａ）+A ８０％Ａ：L→L+A→A+（α３０％A＋Ａ） ４．一个二元共晶反应如下：Ｌ（７５％B）←→α（１５％Ｂ）＋β（９５％Ｂ） （１）计算含５０％Ｂ的合金完全凝固时 ①初晶α与共晶（α＋β）的重量百分数。属于亚共晶组织Wα初晶%=（75-50）/（75-15）=5/12=0.42 ×100%=42% W共晶%=100%-42%=58% ②α相和β相的重量百分数。Wα%=（95-50）/（95-15）=9/16=0.56×100%=56% Wβ%=100%-56%=44% ③共晶体中的α相和β相的重量百分数。共晶体58%，其中的α相 W共晶α%=58%×（（95-75）/（95-15））%=58%×25%=14.5% 或：W共晶：58%与Wβ%：44%之差：14%。 W共晶β%=58%×75%=43.5% （２）若显微组织中，测出初晶β相与（α＋β）共晶各占一半，求该合金的成分。 属于过共晶组织 β/（α＋β）=1=（X-75）/（95-X） 95-X=X-75，95+75=2X，X=85。 ５．有形状，尺寸相同的两个Ｃｕ－Ｎｉ合金铸件，一个含Ｎｉ９０％，另一个含Ｎｉ５０％，铸件自然冷却，问哪个铸件的偏析严重，为什么？ 三大因素影响成份偏析: （1）液相线与固相线的水平距离即成份间隔，即液相线与固相线之间的垂直距离和水平距离愈大则先后结晶的各层固体之间的成份差异愈大，因而枝晶偏析程度愈大。 （2）溶质原子的扩散能力有关，如结晶温度高，原子扩散系数高，扩散能力强，偏析小。 （3）冷却速度，冷却速度快，原子来不及扩散，偏析严重。但是若冷速极快，对小体积铸件来说就可能把液体过冷到接近固相线了，结晶出来的合金就很接近合金的原成份，偏析反而小了。 由铜镍相图可知，50%Ni合金的结晶温度区间（范围）大于90%Ni合金，90%Ni合金结晶温度高。因此，在铸件自然冷却过程中，结晶温度范围大的合金，成份变化大（成份间隔大），结晶温度低的，偏析严重。 工程材料作业（2）答案 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？（最好列表总结） 序号名称结构组织形态性能 01 铁素体F b．b．c 不规则多边形晶粒强度低，硬度低，塑性良好 02 奥氏体A f．c．c 多边形晶粒（高温组织）强度低，硬度低塑性良好 03 渗碳体Fe3C 复杂晶格片状，网状，球状， 硬、脆 基体，长条状 04 珠光体P F+Fe3C F+Fe3C片状相间有一定强度和塑性，硬度适中 05 莱氏体Ld P+Fe3C Fe3C为基体其上分布P 硬度高脆性大 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。 含碳量结晶过程表达式室温组织 0.3% A →A+F →(A剩余→P) ＋F F＋P
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σ＞1000MPa，σ≥600MPa，A＞48J。试从所K OFb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 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
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