第十一章工程材料的选用
掌握各种工程材料的特性，正确地选择和使用材料，并能初步分析机器及零件使用过程中出现的各种材料问题，是对从事机械设计与制造的工程技术人员的基本要求，因为机器零件的设计不单是结构设计，还应该包括材料与工艺的设计。
许多机械工程师把选材看成一种简单而不太重要的任务。当碰到零件的选材问题时，他们一般都是参考相同零件或类似零件的用材方案，选择一种传统上使用的材料（这种方法称为经验选材法）；当无先例可循，同时对材料的性能（如耐腐蚀性能等）又无特殊要求时，他们仅仅根据简单的计算和手册提供的数据，信手选定一种较万能的材料，例如45钢。这种简单化的处理方法已日益暴露出种种缺点，并证明是许多重大质量事故的根源。所以，选材正在逐渐变成一种严格地建立在试验与分析基础上的科学方法。掌握这种选材方法的要领，了解正确选材的过程，显然具有很大的实际价值。
在机械制造业中，新设计的机械产品中的每一个机械零件或工程构件、工艺装备和非标准设备，机械产品的改型，机械产品中某些零件需要更换材料，进口设备中某些零配件需用国产零配件代用等，都会遇到材料的选用。一般机械零件，在设计和选材时，大多以使用性能指标作为主要依据。而对机械零件起主导作用的机械性能指标，则是根据零件的工作条件和失效形式提出的。
第一节零件的失效形式与提高材料性能的途径
一、零件的失效与失效分析
零件在工作过程中最终都要发生失效。所谓失效是指：（1）零件完全破坏，不能继续工作；（2）严重损伤，继续工作很不安全；（3）虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。失效分析的目的就是要找出零件损伤的原因，并提出相应的改进措施。现代工业中零件的工作条件日益苛刻，零件的损坏往往会带来严重的后果，因此对零件的可靠性提出了越来越高的要求。另外，从经济性考虑，也要求不断提高零件的寿命。这些都使得失效分析变得越来越重要。失效分析的结果对于零件的设计、选材、加工以至使用，都有很大的指导意义。
1．零件失效的原因
零件的失效可以由多种原因引起，大体上可分为设计、材料、加工和安装使用四个方面，图11-1是导致零件失效的主要原因的示意图。
（1）设计与失效
设计上导致零件失效的最常见原因是结构或形状不合理，即在零件的高应力处存在明显的应力集中源，如各种尖角、缺口、过小的过渡圆角，等等。另一种原因是对零件的工作条件估计错误，如对工作中可能的过载估计不足，因而设计的零件
的承载能力不够。发生这类失效的原因在于设计，但可通过选材来避免，特别是当零件的结构与几何尺寸基本固定而难以作较大的改动时，就是如此来处理问题的。现在很少发生由于计算错误造成的设计事故。
（2）材料与失效
选材不当是材料方面导致失效的主要原因。问题出在材料上，但责任在设计者身上。最常见的情况是，设计者仅根据材料的常规性能指标作出决定，而这些指标根本不能反映材料对所发生的那种类型失效的抗力。另一种情况是，尽管预先对零件的失效形式有较准确的估计，并提出了相应的性能指标作为选材的依据，但由于考虑到其它因素（如经济性、加工性能等），使得所选材料的性能数据不合要求，因而导致了失效。材料本身的缺陷也是导致零件失效的一个重要原因，常见的缺陷是夹杂物过多，过大，杂质元素太多，或者有夹层、折叠等宏观缺陷。因此，对原材料加强检验是非常重要的步骤。
（3）加工与失效
零件加工成型过程中，由于加工工艺不良，也会造成各种缺陷。例如锻造不良可造成带状组织、过热或过烧现象等；冷加工不良时光洁度太低，产生过深的刀痕、磨削裂纹等；热处理不良能造成过热、脱碳、淬火裂纹、回火不足等；这些都可导致零件的失效。
加工不良造成的缺陷，尤其是热处理时产生的缺陷，与零件的设计有很大的关系。零件的外形和结构设计不合理，会大大增加热处理缺陷发生的可能性。
若零件热处理后残留有较大的内应力，甚至有难以检查出来的裂纹时，使用中必定会造成严重的损坏。
（4）安装使用与失效
零件安装时配合过紧、过松、对中不准、固定不紧等均可造成失效或事故。在制造厂里管理比较严格的情况下，使用不当常可成为零件损坏的主要原因。对机器的维护保养不好，没有遵守操作规程及工作时有较大幅度的过载等也可以造成零件的失效。
2．零件失效的形式
零件在工作时的受力情况一般比较复杂，往往承受多种应力的复合作用，因而造成零件的不同失效形式。零件的失效形式有超量变形、断裂和表面损伤三大类型。如图11-2所示。
必须指出，实际零件在工作中往往不只是一种失效方式起作用。例如，一个齿轮，齿面之间的摩擦导致表面磨损失效，而齿根可能产生疲劳断裂失效，两种方式同时起作用。但一般来说，造成一个零件失效时总是一种方式起主导作用，很少有两种方式同时都使零件失效。失效分析的目的实际上就是要找出主要的失效形式。另外，各类基本失效方式可以互相组合，形成更复杂的复合失效方式，如腐蚀疲劳，蠕变疲劳，腐蚀磨损等等。但它们在特点上都各自接近于其中某一种方式，而另一种方式是辅助的，因此在分析时往往被归入主导方式一类中，例如腐蚀疲劳，疲劳特征是主导因素，腐蚀是起辅助作用的，因此被归入疲劳一类进行分析。
3．失效分析的一般方法
正确的失效分析，是找出零件失效原因，解决零件失效问题的基础环节。机械零件的失效分析是一项综合性的技术工作，大致有如下程序。
（1）尽量仔细地收集失效零件的残骸，并拍照记录实况，确定重点分析的对象，样品应取自失效的发源部位，或能反映失效的性质或特点的地方。
（2）详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计情况（图纸）、实际加工情况及尺寸、使用情况等。根据这些资料全面地从设计、加工、使用各方面进行具体的分析。
（3）对所选试样进行宏观（用肉眼或立体显微镜）及微观（用高倍的光学或电子显微镜）断口分析，以及必要的金相剖面分析，确定失效的发源点及失效的方式。（4）对失效样品进行性能测试、组织分析、化学分析和无损探伤，检验材料的性能指标是否合格，组织是否正常，成分是否符合要求，有无内部或表面缺陷等等，全面收集各种必要的数据。
（5）断裂力学分析。在某些情况下需要进行断裂力学计算，以便于确定失效的原因及提出改进措施。
（6）综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具体原因，提出改进措施，写出报告。
在失效分析中，有两项最重要的工作。一是收集失效零件的有关资料，这是判断失效原因的重要依据，必要时作断裂力学分析。二是根据宏观及微观的断口分析，确定失效发源地的性质及失效方式。这项工作最重要，因为它除了告诉我们失效的精确地点和应该在该处测定哪些数据外，同时还对可能的失效原因能作出重要指示。例如，沿晶断裂应该是材料本身、加工或介质作用的问题，与设计关系不大。
4．失效分析与选材
通过失效分析，可以了解材料的破坏方式，这就可以作为选材的重要依据。从零件失效的角度看，选材时应考虑以下几个方面的问题。
（1）弹性变形失效与选材
从材料角度分析，控制弹性变形失效难易程度的指标是弹性模量。在容易发生弹性变形失效时，应选用具有高弹性模量的材料。而各类材料的弹性模量差别相当
大，金刚石与各种碳化物、硼化物陶瓷的弹性模量最高；其次为氧化物陶瓷与难熔金属，钢铁也具有较高的弹性模量，有色金属则要低一些；高分子材料的弹性模量最低。因此在要求零件有较高刚度，而不能发生过大弹性变形时，不能用高分子材料。但是有些纤维复合材料具有相当大的弹性模量值，由于起比重低，在许多特殊的场合（如飞行器结构）有很大用途。
（2）塑性变形失效与选材
决定塑性变形失效难易程度的指标是材料的屈服强度。在经典设计中，屈服强度是衡量材料承载能力的最重要指标，在很长一段时间内，获得高强度材料是材料学家和工程师的主要努力目标。从屈服强度的角度看，金刚石和各种碳化物、氧化物、氮化物陶瓷材料的屈服强度最高，但因为它们极脆，做拉伸试验时，在远未达到屈服应力下即已脆断，因此根本不能通过拉伸试验来测定其屈服强度。由于这种材料太脆，强度高的特点发挥不出来，因此不能作为高强结构材料。高强合金钢的强度仅次于陶瓷，最广泛地用于各种高强结构之中。一般来讲，塑料的强度很低，目前最高强度的塑料也超不过铝合金，因此在要求零件有高强度时，不能用塑料。
（3）脆性断裂失效与选材
描述材料脆性断裂难易程度的指标是冲击韧性、韧脆转变温度和断裂韧性。从韧性的角度考虑，韧性最高的是各种奥氏体钢，其次是合金低碳钢，铝合金韧性通常并不好，而铸铁的韧性通常很低，高碳工具钢和轴承钢韧性也不好，不能用来制造要求韧性较高的结构零件。
（4）疲劳断裂失效与选材
疲劳寿命分为低周疲劳与高周疲劳寿命两种。一般对于具有高频率交变载荷的构件，应选用高周疲劳寿命比较高的材料，如弹簧等。对于具有低频率交变载荷的构件，应选用低周疲劳寿命比较高的材料，如抗地震建筑材料。
（5）蠕变失效与选材
蠕变失效通常发生在高温下，所以抗蠕变失效的材料应是耐高温材料。选材时主要考虑材料的工作温度和工作应力，在较高应力和较低温度下，可选用各种耐热钢及高温合金。在较低应力和较高温度下，应选用高熔点材料，如难熔金属和陶瓷材料；对金属材料还应使其晶粒尽可能大，甚至采用单晶材料，晶界也应平行于受力方向排列。
（6）表面损伤失效与选材
对于在有摩擦应力存在的场合，应考虑表面损伤的影响。对于粘着磨损，所选材料应与和它配合工作的材料不属同类，而且摩擦系数尽可能小，同时，材料的硬度要高，材料最好有自润滑能力，或有利于保存润滑剂（如有孔隙等）。对于磨粒磨损，选用材料的硬度要高，材料组织中应含有较多的耐磨硬相，如白口铸铁耐磨粒磨损性能就较好。
二、工程材料的强度与强韧化
1．工程材料的强度
一般来说，工程材料的强度是材料失效抗力的综合表征，它与所有的机械性能指标，包括弹性、延伸率、硬度、冲击韧性等有关，也与材料在静、动载荷下对应力集中、尺寸效应、表面状态、温度、接触介质的敏感性有关。
在进行机械产品设计，选取工程材料强度指标时，应注意以下几个方面的问题：（1）材料强度与零件强度的关系
机械零件的强度，一般表现为它的短时承载能力以及长期使用寿命，它是由许多因素确定的，其中结构因素、加工工艺因素和材料因素三方面起主要作用。使用因素对寿命也往往起很大作用。结构因素是指零件在整机中的作用，零件的形状和尺寸，以及与其它连接件的配合关系等。加工工艺因素是指全部加工工艺过程中对零件强度所产生的影响。材料因素是指材料的成分、组织与性能。这三个因素各自有独立的作用，又相互影响，在解决零件强度有关问题时必须综合考虑上述三方面因素。
（2）材料强度指标数据的条件性
在手册中给出的材料强度指标都是在一定的条件下所测得的数据。在实际选用时，应注意其尺寸效应和条件性。例如，对于45钢调质状态标准拉伸试样，所测得的屈服强度为450MPa，但对于同一材料，尺寸为φ80mm的试件来说，其调质状态下的屈服强度远远低于450MPa。
（3）材料强度与零件失效方式的关系
材料强度问题就是研究抵抗零件失效的规律。零件失效的主要的主要方式不同，所要求的失效抗力的正确判据（强度指标类别）也就不同。因而必须从零件的具体工作条件出发，通过典型失效分析，找出造成零件失效的主导因素，正确确定应当选择的强度判据指标。在设计机械产品时，主要是根据正确选择的强度判据指标进行定量计算，以确定产品的结构和零件的尺寸。但是，也应考虑和兼顾到其它非主导或不能直接应用于设计计算的强度指标（如δ、Ψ、αK等）。否则，不能实现最经济合理的设计。
2．工程材料的强化方式
作为机械产品的设计者，对工程材料的强化方式和强化手段也应当有所了解，
以便最经济最合理地选择材料和确定强化方式。对于晶体材料而言，由于其塑性变形的实质是位错运动，所以晶体强化的本质就是阻碍晶体中位错的运动。
常见的工程材料的强化方式主要有以下6种。
（1）固溶强化
当两种或两种以上的元素形成合金时，溶质原子溶入基体的晶格中，由于溶质原子与溶剂原子的大小差异，造成晶格畸变，阻碍了位错的运动，从而使强度升高。这种现象称为固溶强化。固溶强化是工程材料这应用得最广泛的强化方式之一，普通低合金钢、铝锌合金、单相黄铜等都是主要依靠固溶强化来提高其强度的。
（2）加工硬化
材料在变形时，随着变形量的增加，其强度和硬度提高，而塑性和韧性下降的现象称为加工硬化。这种强化方式实际上是一种位错强化，强化的主要原因是由于位错密度的增加导致位错运动困难，从而提高了材料的强度。冷拔弹簧钢丝是典型的加工硬化的例子，经过加工硬化的钢丝强度可达到2800MPa以上。
（3）细化组织强化
这种强化方式也叫晶界强化。晶界的作用主要有两点，一方面它是位错运动的障碍；另一方面它又是位错聚集的地点。所以晶粒越细小，则晶界面积越增加，位错密度也增大，从而强度提高。细化组织强化的特点是，在提高强度的同时，其塑性和韧性也随之提高，这是其它强化方式所不能比拟的。因此细化组织强化是提高材料性能最好的手段之一。在孕育铸铁、铝硅基铸造铝合金都是通过孕育处理细化组织来提高强度的。
（4）第二相强化
第二相强化包括沉淀强化、弥散强化和双相合金中的第二相强化。当合金中存在两相时，第二相粒子在基体中会阻碍位错运动，这导致强度提高。铝铜合金、铝铜镁合金、铝镁硅合金、铍青铜是典型的沉淀强化。烧结铝、TD—镍、经淬火和时效处理的TC类钛合金则是弥散强化的代表。而两相黄铜中的α相和β相、共析钢中的珠光体组织等则是第二相强化的典型例子。
（5）相变强化
在钢铁材料中，常常采用相变强化方式来强化合金。例如，通过贝氏体相变、马氏体相变来进行强化。这种相变强化实际上是多种强化效果的综合，所以其强化效果十分显著。
（6）复合强化
在复合材料中，由于其中的增强相对基体变形有约束作用，所以提高了变形抗力，导致强度提高。例如，用水泥和骨料（沙子或石子）组成的混凝土，用碳黑作填料的橡胶，由玻璃纤维制造的玻璃钢等，都是典型的复合材料。复合材料中的硬质相对强度性能的提高起主要作用。
3．工程材料的韧化途径
在选材时，不能片面地追求强度指标。由于材料的强度和韧性往往是相互矛盾的，一般情况下，增加强度往往要牺牲韧性，而韧性的降低又意味着材料发生脆化。因此，在选材时，要寻求高强度同时兼有高韧性的材料，才能保证使用的可靠性。
下面，从材料的角度介绍工程材料的主要韧化途径。
（1）细化晶粒
晶粒细小均匀，不仅强度高，而且韧性好，同时还可以降低韧脆转变温度。所以晶粒细化是钢材、铝合金重要的强韧化途径之一。
（2）调整化学成分
降低合金材料中的杂质元素含量，或者加入某些抑制有害元素作用的合金元素，都可以使合金的韧性提高。如降低钢材中碳含量和有害杂质元素的含量，加入镍、猛进行合金化可以大大提高钢材的韧性。
（3）形变热处理
形变热处理是将形变强化（锻、轧等）与热处理强化结合起来，使金属材料同时经受形变和相变，从而使晶粒细化、位错密度升高、晶界发生畸变，达到提高综合机械性能的目的。
（4）低碳马氏体强韧化
低碳马氏体是一种既有高强度又具有韧性的相。选用低碳或中碳合金结构钢，通过高温加热淬火和低温回火，以获得位错型板条马氏体组织，是钢材强韧化的重要途径。
第二节零件选材的一般原则和方法
机械零件的选材是一项十分重要的工作。选材是否恰当，特别是一台机器中关键零件的选材是否恰当，将直接影响到产品的使用性能、使用寿命及制造成本。选材不当，严重的可能导致零件的完全失效。
一、选材的一般原则
判断零件选材是否合理的基本标志是：能否满足必需的使用性能；能否具有良好的工艺性能；能否实现最低成本。选材的任务就是求得三者之间的统一。
1．零件选材应满足零件工作条件对材料使用性能的要求
材料在使用过程中的表现，即使用性能，是选材时考虑的最主要根据。不同零件所要求的使用性能是很不一样的，有的零件主要要求高强度，有的则要求高的耐磨性，而另外一些甚至无严格的性能要求，仅仅要求有美丽的外观。因此，在选材时，首要的任务就是准确地判断零件所要求的主要使用性能。
对所选材料使用性能的要求，是在对零件的工作条件及零件的失效分析的基础上提出的。零件的工作条件是复杂的，要从受力状态、载荷性质、工作温度、环境介质等几个方面全面分析。受力状态有拉、压、弯、扭等；载荷性质有静载、冲击载荷、交变载荷等；工作温度可分为低温、室温、高温、交变温度；环境介质为与零件接触的介质，如润滑剂、海水、酸、碱、盐等。为了更准地了解零件的使用性能，还必须分析零件的失效方式，从而找出对零件失效起主要作用的性能指标。表11-1列举了一些常用零件的工作条件、主要失效方式及所要求的主要机械性能指标。
有时，通过改进强化方式或方法，可以将廉价材料制成性能更好的零件。所以选材时，要把材料成分和强化手段紧密结合起来综合考虑。另外，当材料进行预选后，还应当进行实验室试验、台架试验、装机试验、小批生产等，进一步验证材料
机械性能选择的可靠性。
2．零件选材应满足生产工艺对材料工艺性能的要求
任何零件都是由不同的工程材料通过一定的加工工艺制造出来的。因此材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，自然应是选材时必须考虑的重要问题。所以，熟悉材料的加工工艺过程及材料的工艺性能，对于正确选材是相当重要的。材料的工艺性能包括以下内容：
（1）铸造性能包含流动性、收缩性、疏松及偏析倾向、吸气性、熔点高低等。（2）压力加工性能指材料的塑性和变形抗力等。
（3）焊接性能包括焊接应力、变形及晶粒粗化倾向，焊缝脆性、裂纹、气孔及其它缺陷倾向等。
（4）切削加工性能指切削抗力、零件表面光洁度、排除切屑难易程度及刀具磨损量等。
（5）热处理性能指材料的热敏感性、氧化、脱碳倾向、淬透性、回火脆性、淬火变形和开裂倾向等。
与使用性能的要求相比，工艺性能处于次要地位；但在某些情况下，工艺性能也可成为主要考虑的因素。当工艺性能和机械性能相矛盾时，有时正是工艺性能的考虑使得某些机械性能显然合格的材料不得不加舍弃，此点对于大批量生产的零件特别重要。因为在大量生产时，工艺周期的长短和加工费用的高低，常常是生产的关键。例如，为了提高生产效率，而采用自动机床实行大量生产时，零件的切削性能可成为选材时考虑的主要问题。此时，应选用易切削钢之类的材料，尽管它的某些性能并不是最好的。
3．零件的选材应力求使零件生产的总成本最低
除了使用性能与工艺性能外，经济性也是选材必须考虑的重要问题。选材的经济性不单是指选用的材料本身价格应便宜，更重要的是采用所选材料来制造零件时，可使产品的总成本降至最低，同时所选材料应符合国家的资源情况和供应情况，等等。
（1）材料的价格不同材料的价格差异很大，而且在不断变动，因此设计人员应对材料的市场价格有所了解，以便于核算产品的制造成本。
（2）国家的资源状况随着工业的发展，资源和能源的问题日益突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用的材料应该是来源丰富并符合我国的资源状况的。例如，我国缺钼但钨却十分丰富，所以我们选用高速钢时就要尽量多用钨高速钢，而少用钼高速钢。另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。
（3）零件的总成本由于生产经济性的要求，选用材料时零件的总成本应降至最低。选材从几个方面影响零件的总成本T，这就是材料的价格m，零件的自重w，零件的
寿命l、零件的加工费用p、试验研究费（为采用新材料所必须进行的研究与试验费）r及维修费a等。其经济性分析方程如下：
如果准确地知道了零件总成本与上述个因素（l，w，r…）的关系，则可以精确地分析选材对零件总成本的影响，并选取使左端为极小值的材料。但是，只有在大规模工业生产中预先进行详尽的试验分析，才能找出这种关系。对于一般情况，显然不可能进行这种详细的分析、试验，但这时也应该按照上述思路，利用手头一切可能得到的资料，逐项地进行分析，以保证使零件的总成本最低。最有价值的是生产及使用情况的统计资料。由各种统计图表，加上过去的工程经验，便可以作出较为合理的判断，必要时还可以专门进行模型试验。
4．零件的选材应考虑产品的实用性和市场需求
某项产品或某种机械零件的优劣，不仅仅要求能符合工作条件的使用要求。从商品的销售和用户的愿望考虑，产品还应当具有重量轻、美观、经久耐用等特点。这就要求在选材时，应突破传统观点的束缚，尽量采用先进科学技术成果，作到在结构设计方面有创新，有特色。在材料制造工艺和强化工艺上有改革，有先进性。
5．零件的选材应考虑实现现代生产组织的可能性
一个产品或一个零件的制造，是采用手工操作还是机器操作，是采用单件生产还是采用机械化自动流水作业，这些因素都对产品的成本和质量起着重要的作用。因此，在选材时，应该考虑到所选材料能满足实现现代化生产的可能性。
二、选材的一般方法
材料的选择是一个比较复杂的决策问题。目前还没有一种确定选材最佳方案的精确方法。它需要设计者熟悉零件的工作条件和失效形式，掌握有关的工程材料的理论及应用知识、机械加工工艺知识以及较丰富的生产实际经验。通过具体分析，进行必要的试验和选材方案对比，最后确定合理的选材方案。对于成熟产品中相同类型的零件、通用和简单零件，则大多数采用经验类比法来选择材料。另外，零件的选择一般需借助国家标准、部颁标准和有关手册。
选材一般可分为以下几个步骤（见图11-3）：
1．对零件的工作特性和使用条件进行周密的分析，找出主要的失效方式，从而恰当地提出主要抗力指标。
2．根据工作条件需要和分析，对该零件的设计制造提出必要的技术条件。
3．根据所提出的技术条件要求和工艺性、经济性方面的考虑，对材料进行预选择。材料的预选择通常是凭积累的经验，通过与类似的机器零件的比较和已有实践经验的判断，或者通过各种材料选用手册来进行选择。
4．对预选方案材料进行计算，以确定是否能满足上述工作条件要求。
5．材料的二次（或最终）选择。二次选择方案也不一定只是一种方案，也可以是若干种方案。
6．通过实验室试验、台架试验和工艺性能试验，最终确定合理的选材方案。
7．最后，在中、小型生产的基础上，接受生产考验。以检验选材方案的合理性。
第三节典型零件的选材及应用实例
一、机床零件的用材分析
机床零件的品种繁多，按结构特点、功用和受载特点可分为：轴类零件、齿轮类零件、机床导轨等。
1．机床轴类零件的选材
机床主轴是机床中最主要的轴类零件。机床类型不同，主轴的工作条件也不一样。根据主轴工作时所受载荷的大小和类型，大体上可以分为四类：
（1）轻载主轴工作载荷小，冲击载荷不大，轴颈部位磨损不严重，例如普通车床的主轴。这类轴一般用45钢制造，经调质或正火处理，在要求耐磨的部位采用高频表面淬火强化。
（2）中载主轴中等载荷，磨损较严重，有一定的冲击载荷，例如铣床主轴。一般用合金调质钢制造，如40Cr钢，经调质处理，要求耐磨部位进行表面淬火强化。（3）重载主轴工作载荷大，磨损及冲击都较严重，例如工作载荷大的组合机床主轴。一般用20CrMnTi钢制造，经渗碳、淬火处理。
（4）高精度主轴有些机床主轴工作载荷并不大，但精度要求非常高，热处理后变形应极小。工作过程中磨损应极轻微，例如精密镗床的主轴。一般用38CrMoAlA专用氮化钢制造，经调质处理后，进行氮化及尺寸稳定化处理。
过去，主轴几乎全部都是用钢制造的，现在轻载和中载主轴已经可用球墨铸铁制造。2．机床齿轮类零件的选材
机床齿轮按工作条件壳分为三类。
（1）轻载齿轮转动速度一般都不高，大多用45钢制造，经正火或调质处理。（2）中载齿轮一般用45钢制造，正火或调质后，再进行高频表面淬火强化，以提高齿轮的承载能力及耐磨性。对大尺寸齿轮，则需用40Cr等合金调质钢制造。一般机床住传动系统及进给系统中的齿轮，大部分属于这一类。
（3）重载齿轮对于某些工作载荷较大，特别是运转速度高又承受较大冲击载荷的齿轮大多用20Cr、20CrMnTi等渗碳钢制造。经渗碳、淬火处理后使用。例如变速箱中一些重要传动齿轮等。
3．机床导轨的选材
机床导轨的精度对整个机床的精度有很大的影响。必须防止其变形和磨损，所以机床导轨通常都是选用灰口铸铁制造，如HT200和HT350等。灰口铸铁在润滑条件下耐磨性较好，但抗磨粒磨损能力较差。为了提高耐磨性，可以对导轨表面进行淬火处理。
二、汽车零件的用材分析
1．发动机和传动系统零件的选材
这两部分包括的零件相当多，其中有大量的齿轮和各种轴，同时还有在高温下工作的零件（进、排气阀、活塞等），它们的用材都比较重要，目前一般都是根据使用经验来选材。对于不同类型的汽车和不同的生产厂，发动机和传动系统的选材是不相同的。应该根据零件的具体工作条件及实际的失效方式，通过大量的计算和试验选出合适的材料。
2．减轻汽车自重的选材
随着能源和原材料供应的日趋短缺，人们对汽车节能降耗的要求越来越高。而减轻自重可提高汽车的重量利用系数，减少材料消耗和燃油消耗，这在资源、能源的节约和经济价值方面具有非常重要的意义。
减轻自重所选用的材料，比传统的用材应该更轻且能保证事业性能。比如，用铝合金或镁合金代替铸铁，重量可减轻至原来的1/3～1/4，但并不影响其使用性能；采用新型的双相钢板材代替普通的低碳钢板材生产汽车的冲压件，可以使用比较薄的板材，减轻自重，但一点不降低构件的强度；在车身和某些不太重要的结构件中，采用塑料或纤维增强复合材料代替钢材，也可以降低自重，减少能耗。
三、热能装置的用材分析
热能装置主要指动力工程中所用的各种装置，如锅炉、气轮机、燃气轮机等。这类装置中很多零件都在高温下工作，因此必须选用各种高温材料，如耐热钢及高温合金等。
1．锅炉—汽轮机的选材
锅炉—汽轮机组结构庞大、复杂，包括许多的零、部件。按工作温度可把零件分为两大类。一类的工作温度在350℃以下，这时蠕变现象在钢铁中微不足道，可不考虑高温性能，选材方法与一般的机械装置类似。另一类的工作温度在350℃以上选材时主要考虑其高温性能，应根据具体零件的工作温度和应力大小等选择合适的耐热材料。
在这类零件的选材过程中，首先应考虑工作温度，其次考虑应力大小。以锅炉管为例，锅炉管的工作温度并不一样，非受热面锅炉管（如水冷壁管，省煤器管）工作温度较低，受热面锅炉管（如蒸汽导热管或过热器管）的工作温度较高，某些高温高压锅炉的温度可达600℃左右。锅炉管的主要失效方式是爆裂，它是由蠕变断裂引起的。因此锅炉管的材料应具有足够高的持久强度，蠕变断裂塑性及蠕变极限。一般锅炉管都按持久强度设计，根据工作温度、管内压力及尺寸算出工作时管壁所受应力。锅炉管通常的规定寿命为十年，因此按材料的持久强度选材，条件是材料的持久强度应大于Kσw，K为安全系数，σw为工作应力。
表11-2中列出了几种主要耐热钢的持久强度值。对于一般的高、中压锅炉，材料的持久强度值在60MPa～80MPa以上即可满足工作要求。由表11-2还可以看出，
低碳钢管（20A）只能用于工作温度低于450℃的非受热面管，而12Cr1MoV的工作温度可以高于580℃。
如果蒸汽的工作温度超过580℃甚至600℃，则必须选用更高级的材料，例如表中的12Cr3MoVSiTiB或奥氏体耐热钢Cr17Ni13W。这当然会使材料的价格大大提高。锅炉管的消耗是很大的，所以这在经济上很不合算。因此目前在设计大容量锅炉时多趋向于把蒸汽温度降到540℃左右，尽管工作温度高可以提高热效率，但从总的经济性考虑，采用廉价的耐热钢可能更合理些，这是选材的经济性限制机械装置效率的一个很典型的例子。
汽轮机叶片的选材分析与锅炉管类似。叶片承受的工作应力较大，所用的材料自然要比锅炉管的高级。汽轮机前级叶片的工作温度较高，所用材料的性能应更好，多用Cr11MoV或Cr11WMoV等钢。而后级叶片一般采用Cr13型马氏体不锈钢。
汽轮机叶片的最主要失效方式是疲劳断裂（振动疲劳断裂）。主要应从叶片的结构设计上避免共振来防止这种断裂，但选材也有很大的意义。如果叶片材料具有很高的减振能力，并且器疲劳裂纹扩展速率很低，则可大幅度地提高叶片的寿命。
另外，所有在高温下工作的锅炉—汽轮机零件的材料，都应具有一定的耐蚀性，而叶片材料的耐蚀性还要更高些，因此多用不锈钢制造。
2．燃气轮机的选材
与汽轮机相比，燃气轮机的工作条件具有工作温度高、腐蚀严重和工作寿命短等特点。所以，从工作条件出发，燃气轮机在高温下工作的零件，应主要考虑高温持久强度和腐蚀抗力。其中材料问题比较突出的零件是涡轮叶片、转子和涡轮盘，燃烧室火焰筒和喷嘴。它们失效的主要方式是蠕变变形、蠕变断裂、蠕变疲劳或热疲劳断裂。
叶片材料的选择决定于工作温度。工作温度低于650℃时，用奥氏体耐热钢；工作温度在700℃～750℃时，用铁基耐热合金；750℃以上直到950℃时，用镍基耐热合金。而在更高温度下工作的叶片材料，目前还在研究之中。一种方案是采用复合材料，即用难熔碳化物（TaC，Nb2C等）纤维（直径约1μ）作为增强剂，加在定向结晶的镍基合金中，这可把工作温度提高到1050℃左右。另一种方案是采用陶瓷材料，特别是SiC或Si3N4陶瓷，其导热率比镍基合金还高，而热膨胀系数比镍基合金低，因此抗热冲击能力很强，由于是共价键结合，直到1300℃时蠕变抗力仍然很高。它唯一的不足之处是韧性太低，只有镍基合金的1/25，因而限制了它的使用。
燃气轮机的转子及涡轮盘的工作温度比叶片低，因此一般采用铁基耐热合金。
燃烧室火焰筒及喷嘴的工作温度虽然很高，但工作应力低，一般采用镍基合金板制作。
四、典型零件的选材实例
1．机床主轴
图11-4是C620车床主轴的结构简图。
机床主轴是典型的受扭转—弯曲复合作用的轴件，它受的应力不大（中等载荷），承受的冲击载荷也不大，如果使用滑动轴承，轴颈处要求耐磨。因此大多采用45钢制造，并进行调质处理，轴颈处由表面淬火来强化。载荷较大时则用40Cr等低合金结构钢来制造。
对C620车床主轴的选材结果如下：
材料：45钢。
热处理：整体调质，轴颈及锥孔表面淬火。
性能要求：整体硬度NB220～HB240；轴颈及锥孔处硬度HRC52。
工艺路线：
锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火及低温回火→磨削。
该轴工作应力很低，冲击载荷不大，45钢处理后屈服极限可达400MPa以上，完全可满足要求。现在有部分机床主轴已经可以用球墨铸铁制造。
2．汽车半轴
汽车半轴是典型的受扭矩的轴件，但工作应力较大，且受相当大的冲击载荷，其结构如图11-5所示。最大直径达50mm左右，用45钢制造时，即使水淬也只能使表面淬透深度为10%半径。为了提高淬透性，并在油中淬火防止变形和开裂，中、小型汽车的半轴一般用40Cr制造，重型车用40CrMnMo等淬透性很高的钢制造。
例：130载重车半轴
材料：40Cr。
热处理：整体调质。
性能要求：杆部HRC37～HRC44；盘部外圆HRC24～HRC34。
工艺路线：
下料→锻造→正火→机械加工→调质→盘部钻孔→磨花键。
3．汽轮机转子轴
汽轮机转子轴是非常大型的轴，工作载荷也很大。50年代美国曾连续发生过多起转子轴断裂的严重事故，这些事故的分析大大地促进了断裂力学在工程设计中的应用。
通过对这些断裂的转子轴进行失效分析发现，这些转子轴都是采用标准的的转子钢制造的，其常规的机械性能均符合设计要求，但所有转子在工作很短时间后即发生断裂。而根据计算，断裂时的应力并不大，都远低于材料的屈服强度，安全系数也相当大。显然，这种断裂从常规的设计观点看是难以解释的。从断口分析发现，断裂是由一些缺陷（如白点、焊接裂纹等）引起的，缺陷尺寸超过了根据断裂韧性计算出来的临界裂纹尺寸。因此，从断裂力学的观点很容易解释这种断裂发生的原因。所以必须采用缺陷很少的优质转子钢制造转子轴。
4．机床齿轮
机床齿轮工作条件较好，工作中受力不大，转速中等，工作平稳无强烈冲击，因此其齿面强度、心部强度和韧性的要求均不太高，一般用45钢制造，采用高频淬火表面强化，齿面硬度可达HRC52左右，这对弯曲疲劳或表面疲劳是足够了。齿轮调质后，心部可保证有HB220左右的硬度及大于4kg·m/cm2的冲击韧性，能满足工作要求。对于一部分要求较高的齿轮，可用合金调质钢（如40Cr等）制造。这时心部强度及韧性都有所提高，弯曲疲劳及表面疲劳抗力也都增大。
例：普通车床床头箱传动齿轮。
材料：45钢。
热处理：正火或调质，齿部高频淬火和低温回火。
性能要求：齿轮心部硬度为HB220～HB250；齿面硬度HRC52。
工艺路线：
下料→锻造→正火或退火→粗加工→调质或正火→精加工→高频淬火→低温回火（拉花键孔）→精磨。
5．汽车齿轮
汽车齿轮的工作条件远比机床齿轮恶劣，特别是主传动系统中的齿轮，它们受力较大，超载与受冲击频繁，因此对材料的要求更高。由于弯曲与接触应力都很大，用高频淬火强化表面不能保证要求，所以汽车的重要齿轮都用渗碳、淬火进行强化处理。因此这类齿轮一般都用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi等制造，特别是后者在我国汽车齿轮生产中应用最广。为了进一步提高齿轮的耐用性，除了渗碳、淬火外，还可以采用喷丸处理等表面强化处理工艺。喷丸处理后，齿面硬度可提高HRC1～3
单位，耐用性可提高7～11倍。
例：北京牌吉普车后桥圆锥主动齿轮。（图11-6）
材料：20CrMnTi钢。
热处理：渗碳、淬火、低温回火，渗碳层深1.2mm～1.6mm。
性能要求：
齿面硬度HRC58～HRC62，心部硬度HRC33～HRC48。
工艺路线：
下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火、低温回火→磨加工。
以上各类零件的选材，只能作为机械零件选材时进行类比的参照。其中不少是长期经验积累的结果。经验固然很重要，但若只凭经验是不能得到最好的效果的。
在具体选材时，还要参考有关的机械设计手册、工程材料手册，结合实际情况进行初选，重要零件在初选后，需进行强度计算校核，确定零件尺寸后，还需审查所选材料淬透性是否符合要求，并确定热处理技术条件。目前比较好的方法是，根据零件的工作条件和失效方式，对零件可选用的材料进行定量分析，然后参考有关经验作出选材的最后决定。
《工程材料学》习题 一、解释下列名词 1．淬透性与淬硬性; 2．相与组织; 3．组织应力与热应力；4．过热与过烧； 5. 回火脆性与回火稳定性 6. 马氏体与回火马氏体7. 实际晶粒度与本质晶粒度 8.化学热处理与表面热处理 淬透性：钢在淬火时获得的淬硬层深度称为钢的淬透性，其高低用规定条件下的淬硬层深度来表示 淬硬性：指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力 相：金属或合金中，凡成分相同、结构相同，并与其它部分有晶只界分开的均匀组成部分称为相 组织：显微组织实质是指在显微镜下观察到的各相晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。 组织应力：由于工件内外温差而引起的奥氏体（γ或A）向马氏体（M）转变时间不一致而产生的应力 热应力：由于工件内外温差而引起的胀缩不均匀而产生的应力 过热：由于加热温度过高而使奥氏体晶粒长大的现象 过烧：由于加热温度过高而使奥氏体晶粒局部熔化或氧化的现象 回火脆性：在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象，称为回火脆性 回火稳定性：又叫耐回火性，即淬火钢在回炎过程中抵抗硬度下降的能力。 马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体称为马氏体。 回火马氏体：在回火时，从马氏体中析出的ε-碳化物以细片状分布在马氏体基础上的组织称为回火马氏体。本质晶粒度：钢在加热时奥氏体晶粒的长大倾向称为本质晶粒度 实际晶粒度：在给定温度下奥氏体的晶粒度称为实际晶粒度，它直接影响钢的性能。 化学热处理：将工件置于待定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层，从而改变工件表层化学成分与组织，进而改变其性能的热处理工艺。 表面淬火：：指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表面奥氏休化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。 二、判断题 1. （）合金的基本相包括固溶体、金属化合物和这两者的机械混合物。错。根据结构特点不同，可将合金中相公为固溶体和金属化合物两类。 2. （）实际金属是由许多位向不同的小晶粒组成的。对。 3. （）为调整硬度，便于机械加工，低碳钢，中碳钢和低碳合金钢在锻造后都应采用正火处理。对。对于低、中碳的亚共析钢而言，正火与退火的目的相同；即调整硬度，便于切削加工，细化晶粒，提高力学性能，为淬火作组织准备，消除残作内应力，防止在后续加热或热处理中发生开裂或形变。对于过共析钢而言，正火是为了消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。对于普通话结构钢而言，正火可增加珠光体量并细化晶粒，提高强度、硬度和韧性，作为最终热处理。 4.（）在钢中加入多种合金元素比加入少量单一元素效果要好些，因而合金钢将向合金元素少量多元化方向发展。对。不同的元素对于钢有不同的效果。 5. （）不论含碳量高低，马氏体的硬度都很高，脆性都很大。错。马氏体的硬度主要取决于其含碳量，含碳增加，其硬度也随之提高。合金元素对马氏体的硬度影响不大，马氏体强化的主要原因是过饱和引起的固溶体强化。 6．（）40Cr钢的淬透性与淬硬性都比T10钢要高。错。C曲线越靠右，含碳量越低，淬透性越好。40Cr为含碳量为0.4%，含Cr量为1.5%左右的调质钢。T10为含碳量为1%左右的碳素工具钢。但是淬火后45钢香到马氏体，T10钢得到马氏体加少量残余奥氏体，硬度比45钢高。 7．（）马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，由奥氏体直接转变而来的，因此马氏体与转变前的奥氏体含碳量相同。对。当奥氏体过冷到Ms以下时，将转变为马氏体类型组织。但是马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留在马氏休中。马氏体转变的特点是高速长大、不扩散、共格切变性、降温形成、转变不完全。 8．（）铸铁中的可锻铸铁是可以在高温下进行锻造的。错。所有的铸铁都不可以进行锻造。 9．（）45钢淬火并回火后机械性能是随回火温度上升，塑性,韧性下降，强度,硬度上升。 错。钢是随回火温度上升，塑性,韧性上升，强度,硬度提高。 10．（）淬硬层深度是指由工件表面到马氏体区的深度。错。淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区（50%马氏体+50%非马氏体组织）的深度。 11．（）钢的回火温度应在Ac1以上。错。回火是指将淬火钢加热到A1以下保温后再冷却的热处理工艺。 12．（）热处理可改变铸铁中的石墨形态。错。热处理只能改变铸铁的基休组织，而不能改变石黑的状态和分布。 13.（）奥氏体是碳在α-Fe中的间隙式固溶体。错。奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体。用符号A 或γ表示。 14．（）高频表面淬火只改变工件表面组织，而不改变工件表面的化学成份。对。高频表面淬火属于表面淬火的一种。表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表面奥氏休化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。 15．（）过冷度与冷却速度有关，冷却速度越大，则过冷度越小。错。过冷度（ΔT）是指理论结晶温度（T0）与实际结晶温度（T1）的差值，即ΔT=T0-T1。但是冷却速度越大，则过冷度越大，。
工程材料学题库 填空题 1、正确合理的选材一半考虑三个基本原则1使用性能2工艺性能3经济性书P4 2、写出扩大?相区并且可以与?-Fe无限互溶的元素有镍、锰、钴。扩大?相区并且可以与?-Fe有限互溶的元素有碳、氮、铜。写出封闭?相区并且可以与?-Fe无限互溶的元素有铬（Cr）、钒（V）。P7-8 3、Cr是铁素体形成元素，但是在钢中加入了w（Cr）= 18%和Ni元素的时候，却可以促进奥氏体的形成。P8 4、奥氏体层错能越高，易于形成状马氏体，具有孪晶型亚结构。奥氏体层错能越低，易于形成状马氏体，具有位错型亚结构。P11 5、钢中合金元素的强化作用主要有固溶强化、晶界强化、第二相强化和位错强化四种方式。P11 6、晶界强化不但可以提高强度，还可以改善钢的韧性。P12 7、除了Co、Al与金属以外，所有的合金元素都会使马氏体转变温度下降。P21（Co、Al） 8、合金元素Al、Mn对晶粒细化有较好作用。（Al、Mn） 9、细晶强化唯一的在提高强度的同时提高材料韧性的强化方式。（细
晶） 10、向钢中加入Ni元素，可以显着降低钢的T k。（P18 Ni） 11、除了Co、Al以外，所有的合金元素均使马氏体转变温度下降。（P21） 12、按照脱氧程度和浇铸方法可以将钢分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三类。其中沸腾钢的成材率高但是不适合高冲击以及低温条件下工作。（P33） 13、滚动轴承钢GCr9中碳的铬含量约为 %左右。 14、T8中碳的平均含C量约为 % 。 15、为了改善碳素工具钢的切削加工性能，通常采用的预备热处理是球化退火。 16、T10钢锉刀，通常采用的最终热处理为淬火+ 低温回火 17、1Cr13中铬的平均含量约为 13% 。 18、KTZ700—02牌号中，“700”的含义是最低抗拉强度为700MPa 。 1、以下哪些元素可以使?相区扩大，S点左移，A3线下降。（ C ）（P19） a、Mn Si、 W b、Cr Si Co
东北大学继续教育学院 工程材料学基础试卷（作业考核线上2） A 卷（共 3 页）总分题号一二三四五六七八九十得分 一、填空（每空1分，共20分） 1.位错是（线）缺陷、晶界是（面）缺陷。 2.碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为（铁素体），它具有（ BCC（或体心 立方））晶体结构。 3.材料在受外力时表现的性能叫做（力学性能），又叫（机械性能）。 4.铝合金的时效方法可分为（自然时效）和（人工时效）两种。 5.固态物质按照原子在空间的排列方式，分为（晶体）和（非晶体）。 6.多数材料没有明显的屈服点，因此规定拉伸时产生（0.2%）残余变形所对应的 应力为（屈服强度）。 7.BCC晶格中，原子密度最大的晶面是（110 ），原子密度最大的晶向是 （ <111> ）。 8.共析钢过冷奥氏体的高温分解转变产物为（），中温分解转变产物为 （）。 9.-Fe和-Fe的晶体结构分别为（）和（）。 10.含碳量为0.0218%~2.11%称为（），大于2.11%的称为（）。 二、判断题（每题2分，共20分） 1.所有金属材料都有明显的屈服现象。（）
2.伸长率的测值与试样长短有关。（） 3.凡是由液体转变为固体的过程都是结晶过程。（）。 4.材料的强度与塑性只要化学成分一定，就不变了。（） 5.晶体具有固定的熔点。（） 6.结晶的驱动力是过冷度。（） 7.珠光体的形成过程，是通过碳的扩散生成低碳的渗碳体和高碳的铁素体的过程。（） 8.铸铁在浇注后快速冷却，不利于石墨化，容易得到白口。（） 9.材料愈易产生弹性变形其刚度愈小。（） 10.各种硬度值之间可以进行互换。（） 三、选择题（每题2分，共20分） 1.钢的淬透性主要取决与（d ）。 （a）含碳量；（b）冷却介质；（c）冷却方法；（d）合金元素。 2.二元合金在发生L→+共晶转变时，其相组成是（ c ）。 (a) 液相；（b）单一固相；(c)三相共存；（d）两相共存 3.在面心立方晶格中，原子密度最大的晶面是（ c ）。 （a）（100）（b）（110）；(c)（111）；（d）（121） 4.材料刚度与（ a ）有关。 (a)弹性模量；(b)屈服点；(c)抗拉强度；（d）伸长率 5.晶体中的位错属于（ c ）。 （a）体缺陷；（b）面缺陷；(c)线缺陷；（d）点缺陷 6.珠光体是（a ）。 （a）二相机械混合物；（b）单相固溶体；(c)金属化合物； 7.45钢是（b ）。
常见工程材料取样频率、数量、试验周期表 1、砂、卵石、碎石： a、取样频率：按批进行验收，对同产地同品种合同规格的以400立米或600吨为一验收批，不足者以一批论。 b、砂取样数量：样品鉴定时，砂30公斤，石50公斤，做混凝土配合比时，砂100公斤，石200公斤。 c、碎石取样方法：在料堆取样时，取样部位应均匀分布。取样时应先将取样部位表层铲除。砂：由各部位抽取大致相等的砂共八份，组成一组样品； 碎（卵）石：由各部位抽取大致相等的卵石共十五份（在料堆上、中、下各部位均匀抽取）组成一组样品。 试验周期：3天 d、钢筋及焊件： 取样频率：按批验收，同牌号、同炉号、同规格、同一交货状态每批重量不大于60吨； 冷轧扭钢筋：验收批应由同牌号、同规格尺寸、同一台轧机、同一台班的钢筋组成，且每批重量不超过10吨； 冷轧带肋钢筋：按批验收，同牌号、同外形、同生产工艺、同规格、同一交货状态每批重量不大于60吨。 钢筋焊件：每300件作为一批，一周内不足300件的亦应按一批计算。不足批量规定的重量时，以一批论。 钢筋取样数量： 普通钢筋：四根（两根拉伸，两根冷弯）： 拉伸试件长度：大于等于Φ20的取50厘米，小于Φ20的取40厘米； 冷弯试件长度：大于等于Φ20的取40厘米，小于Φ20的取35厘米。 圆盘条：三根（一根拉伸，两根冷弯）：试件长度如上。 冷轧扭钢筋：三根（两根拉伸，一根冷弯）：试件长度：取偶数倍节距，且不应小于4倍节距，同时不小于50厘米。 冷轧带肋钢筋：三根（一根拉伸，两根冷弯）：试件长度不小于公称直径的60倍。 电弧焊、电渣压力焊：三根。试件长度（不包括电渣压力焊）：Φ18-32取焊接部位一边各20cm；Φ10-16取焊接部位一边各15cm。 闪光对焊：六根（三根拉伸，三根冷弯）：试件长度（包括电渣压力焊）：Φ18-32总长取40cm；Φ10-16总长取30cm. 取样方法：任意抽取，分别在每根钢筋截取拉伸、冷弯试件各一根。截取时先将每根钢筋端头弃去50mm，焊件应从每批成品中截取。 试验周期：24小时。 水泥： 取样频率：同一生产厂家、同一等级、同一品种、同一批号且连续进场的水泥，袋装不超过200吨为一批，散装不超过500吨为一批，每批抽样不少于一次。 取样数量：从一批中选取12Kg。 取样方法：取样应有代表性，从20袋中或20个不同部位取等量样品。 试验周期：临时4天，正式30天。 混凝土（试件）： 取样频率：每一百盘，但不超过100立米的同配合比混凝土，取样次数不得少于一次；每一工班拌制的同配合比混凝土不足一百盘时，取样次数不得少于一次；当一次连续浇筑超过
第1章材料的性能 一、选择题 1.表示金属材料屈服强度的符号是（ B） A.σ B.σs C.σb D.σ-1 2.表示金属材料弹性极限的符号是（ A） A.σe B.σs C.σb D.σ-1 3.在测量薄片工件的硬度时，常用的硬度测试方法的表示符号是（ B） A.HB B.HRC C.HV D.HS 4.金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力叫（A ） A.强度 B.硬度 C.塑性 D.弹性 二、填空 1.金属材料的机械性能是指在载荷作用下其抵抗（变形）或（破坏）的能力。 2.金属塑性的指标主要有（伸长率）和（断面收缩率）两种。 3.低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、（塑性变形）和（断裂）三个阶段。 4.常用测定硬度的方法有（布氏硬度测试法）、（洛氏硬度测试法）和维氏硬度测试法。 5.疲劳强度是表示材料经（无数次应力循环）作用而（不发生断裂时）的最大应力值。 三、是非题 1.用布氏硬度测量硬度时，压头为钢球，用符号HBS表示。是 2.用布氏硬度测量硬度时，压头为硬质合金球，用符号HBW表示。是 3.金属材料的机械性能可以理解为金属材料的失效抗力。 四、改正题 1. 疲劳强度是表示在冲击载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。将冲击载荷改成交变载荷 2. 渗碳件经淬火处理后用HB硬度计测量表层硬度。将HB改成HR 3. 受冲击载荷作用的工件，考虑机械性能的指标主要是疲劳强度。将疲劳强度改成冲击韧性 4. 衡量材料的塑性的指标主要有伸长率和冲击韧性。将冲击韧性改成断面收缩率 5. 冲击韧性是指金属材料在载荷作用下抵抗破坏的能力。将载荷改成冲击载荷 五、简答题 1.说明下列机械性能指标符合所表示的意思：σs、σ0.2、HRC、σ-1、σb、δ5、HBS。σs: 屈服强度σ0.2：条件屈服强度 HRC：洛氏硬度（压头为金刚石圆锥）σ-1: 疲劳极限 σb: 抗拉强度σ5：l 0=5d 时的伸长率（l =5.65s01/2） HBS:布氏硬度（压头为钢球）第2章材料的结构
《工程材料学》复习大纲 第一章 概论 主要概念 工程材料，结构材料，功能材料，材料的组织、结构，使用性能，工艺性能，陶瓷材料，高分子材料，复合材料 内容要求 1． 工程材料的分类。 2． 工程材料的性能，掌握机械工程中常用力学性能指标的意义及单位 （σs，σ0.2，σb, δ，ψ，HBS, HRC, HV, ak）。 第二章 材料的结构 主要概念 晶格与晶胞，晶向族、晶面族，单晶体与多晶体，晶粒与晶界，点缺陷、线缺陷、面缺陷 内容要求 1.立方晶胞中晶向指数与晶面指数表示方法 （给出晶面晶向，让你标定出指数；给出指数，让你画出晶面， 晶向）。 2.三种典型金属晶型的原子位置、单胞原子数、原子半径、致密 度、配位数。 第三章 结晶与相图 主要概念 凝固与结晶, 过冷度， 形核与长大， 合金， 组元，相，相组成物，组织组成物，固溶体，金属化合物， 匀晶、共晶、共 析转变，杠杆定律 内容要求 1. 液态金属的结晶过程。 2. 熟悉共晶（析）转变、共晶（析）体、先共晶（析）相、二次相的 概念。
3．利用相图分析合金结晶过程，区分相组成物和组织组成物并计算相对量。 第四章 铁碳合金 主要概念 同素异构转变，铁素体，奥氏体，渗碳体，珠光体，莱氏体，石墨化， 灰铸铁，球墨铸铁。 内容要求 1. 熟悉Fe-Fe3C相图和铁碳合金中的共晶（析）转变。 2. 会分析各类铁碳合金冷却过程，熟悉它们室温时的相组成物和 组织组成物，并会计算其相对含量，会画组织示意图。 （相组成和组织组成的区别，会使用杠杆定律） 3. 掌握碳钢的牌号，知道它们的用途。 4．懂得石墨形态对铸铁性能的影响，常用铸铁的分类、牌号，主要用途。 第五章 金属的塑性变形与再结晶 主要概念 滑移，滑移面，滑移方向，滑移系，固溶强化，细晶强化，弥散强化，加工硬化（四种提高强度的方法），回复，再结晶, 再结晶温度, 热加工流线 内容要求 1.金属塑性变形的基本过程与塑性变形后的组织、性能的变化。 2.懂得滑移与位错运动的关系，从而理解强化金属的基本原理和主 要方法。 3.热加工与冷加工的根本区别和热加工的主要作用。 第六章 钢的热处理 主要概念 热处理，临界点，退火（炉冷），正火（空冷），淬火（油冷、水冷），回火，表面热处理，化学热处理，奥氏体化，奥
工程材料第四章习题答案． 工程材料作业（4）答案 1.解释下列现象: (1) 在相同含碳量下，除了含Ni和Mn的合金钢外，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高。
奥氏体形成分为形核、长大、残余渗碳体溶解，奥氏体均匀化4阶段。多数合金元素减缓A形成，Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳亲和力大，形成的合 金元素的碳化物稳定、难溶解，会显著减慢碳及合金元素的扩散速度。但为了充分发挥合金元素的作用，又必须使其更多的溶入奥氏体中，合金钢往往需要比含碳量相同的碳钢加热到更高的温度，保温更长时间。 Co、Ni等部分非碳化物形成元素，因增大碳的扩散速度，使奥氏体的形成速度加快。而Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度的影响不大。 阻碍晶粒长大，合金钢需要更高的加热温度，更长的保温时间，才能保证奥氏体均匀化。 （加热温度升高了，但一般不会引起晶粒粗大：大多数合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。碳化物形成元素的作用最明显，因其形成的碳化物高温下稳定性高，很难完全溶入奥氏体，未溶的细小碳化物颗粒，分布在奥氏体晶界上，有效的阻止晶粒长大，起到细化晶粒的作用。所以，合金钢虽然热处理加热温度高，但一般不用担心晶粒粗大。 强烈阻碍晶粒长大的元素：V、Ti、Nb、Zr；中等阻碍的：W、Mo、Cr；
影响不大的：Si、Ni、Cu；促进晶粒长大的：Mn、P、B） (2) 在相同含碳量下，含碳化物形成元素的合金钢比碳钢具有较高的回火稳定 性。 回火过程一般分为：马氏体分解、残余奥氏体转变、碳化物类型转变和碳化物长大。 合金元素在回火过程中，推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变（即在较高温度才出现分解和转变），提高铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度。因此，提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。使得合金钢在相同温度下回火时，比同样质量分数的碳钢具有更高的硬度和强度（对工具钢，耐热钢更重要），或在保证相同强度的条件下，可在更 2 高的温度下回火，而韧性更好（对结构钢更重要。） (3) 为何含C大于0.4%，含Cr大于12%的Cr钢属于过共析钢，含碳1.5%，含Cr12%的钢属于莱氏体钢。 在合金元素的作用下，使得铁碳相图的S点（即﹤﹤0.77%）和E点（即 ﹤
工程材料学基础复习题 一、填空 1. 位错是（线）缺陷、晶界是（面）缺陷。 2. 碳在-Fe 中形成的间隙固溶体称为（铁素体），它具有（BCC（或体心立方））晶体结构。 3. 材料在受外力时表现的性能叫做（力学性能），又叫（机械性能）。 4. 铝合金的时效方法可分为（自然时效）和（人工时效）两种。 5. 固态物质按照原子在空间的排列方式，分为（晶体）和（非晶体）。 6. 多数材料没有明显的屈服点，因此规定拉伸时产生（0.2% ）残余变形所对应的应力为（屈服强 度）。 7. BCC 晶格中，原子密度最大的晶面是（（110 ）），原子密度最大的晶向是 （<111> ）。 二、判断题 1. 所有金属材料都有明显的屈服现象。（） 2. 伸长率的测值与试样长短有关。（） 3. 凡是由液体转变为固体的过程都是结晶过程。（）。 4. 材料的强度与塑性只要化学成分一定，就不变了。（） 5. 晶体具有固定的熔点。（） 6. 结晶的驱动力是过冷度。（） 7. 珠光体的形成过程，是通过碳的扩散生成低碳的渗碳体和高碳的铁素体的过程。（）三、选择题1. 钢的淬透性主要取决与（D ）。 （a）含碳量；（b）冷却介质；（c）冷却方法；（d）合金元素。 2. 二兀合金在发生L T +共晶转变时，其相组成是（C ）。 （a）液相；（b）单一固相；（c）三相共存；（d）两相共存 3. 在面心立方晶格中，原子密度最大的晶面是（C ）。 （a）（100）（b）（110）；（c）（111）；（d）（121） 4. 材料刚度与（A ）有关。 （a）弹性模量；（b）屈服点；（c）抗拉强度；（d）伸长率 5. 晶体中的位错属于（C ）。 （a）体缺陷；（b）面缺陷；（c）线缺陷；（d）点缺陷 6. 珠光体是（A ）。 （a）二相机械混合物；（b）单相固溶体；（c）金属化合物； 7. 45 钢是（B ） （a）碳素结构钢；（b）优质碳素结构钢；（c）碳素工具钢；（d ）碳素铸钢 四、名词解释 同素异构：有些物质在固态下其晶格类型会随温度发生变化，这种现象叫做同素异构。 晶体缺陷：陷。断裂韧 实际应用的材料中，总是不可避免地存在着一些原子偏离规则排列，叫做晶体缺材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。 时效：固溶处理获得过饱和固溶体在室温或一定加热条件下放置一定时间，强度、硬度升高塑性、韧性降低，叫做时效。 塑性：材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力。 五、计算题
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
三、选择题(共 25 分，每小题 1 分) I. 40钢钢锭在1000 C 左右轧制，有时会发生开裂，最可能的原因是 () A. 温度过低； B. 温度过高； C. 钢锭含磷量过高； D. 钢锭含硫量过高 2. 下列碳钢中，淬透性最高的是 ( ) A.20 钢； B.40 钢； C.T8 钢； D.T12 钢 3. Ni 在 1Cr18Ni9Ti 钢中的主要作用是 ( ) A.提高淬透性； B.固溶强化； C.扩大Fe-Fe3C 相图中的Y 相区； D.细化晶粒； 4. W18Cr4V 钢锻造后，在机械加工之前应进行 ( ) A. 完全退火； B. 球化退火； C. 去应力退火； D. 再结晶退火 5. 下列材料中，最适合制造机床床身的是 ( ) A.40 钢； B.T12 钢； C.HT300 ； D.KTH300-06 6. 下列材料中，最适合制造气轮机叶片的是 A.1Cr13 钢； B.1Cr17 钢； C.3Cr13 钢； D.4Cr13 钢 7. 下列材料中，最适合制造飞机蒙皮的是 ( ) A.ZAISi12 ； B.2A50(旧牌号 LD5) ； C.ZAIMglO ； D.2A12(旧牌号 LY12) 8. 下列材料中，最适合制造盛放氢氟酸容器的是 ( ) A.1Cr17 ； B.1Cr18Ni9Ti ； C.聚四氟乙烯； D.SiO2 9. 下列材料中，最适合制造汽车板弹簧的是 ( ) A.60Si2Mn ； B.5CrNiMo ； C.Cr12MoV ； D.GCr15 10. 下列材料中，最适合制造汽车火花塞绝缘体的是 ( ) A.AI2O3 ； B.聚苯乙烯； C.聚丙烯； D.饱和聚酯 II. 铜只有通过冷加工并经随后加热才能使晶粒细化，而铁则不需冷加工，只 需加热到一定温度即使晶粒细化，其原因是 ( ) A. 铁总是存在加工硬化，而铜没有； B. 铜有加工硬化现象，而铁没有； C.铁在固态下有同素异构转变；而铜没有 D.铁和铜的再结晶温度不同 12. 常用不锈钢有铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢和 ( ) A. 铁素体 -奥氏体不锈钢； B. 马氏体 -奥氏体不锈钢； C. 莱氏体不锈钢； D. 贝氏体不锈钢 13. 以下哪种铸铁的断口呈灰黑色？ ( ) A. 马口铁； B. 白口铸铁； C. 麻口铸铁； D. 灰铸铁 14. 用于制造渗碳零件的钢称为 ( )。
机械工程材料复习 第一部分 基本知识 一、概述 ⒈目的 掌握常用工程材料的种类、成分、组织、性能和改性方法的基本知识（性能和改性方法是重点）。 具备根据零件的服役条件合理选择和使用材料； 具备正确制定热处理工艺方法和妥善安排工艺路线的能力。 ⒉复习方法 以“材料的化学成分→加工工艺→组织、结构→性能→应用” 之间的关系为主线，掌握材料性能和改性的方法，指导复习。 二、材料结构与性能： ⒈材料的性能： ①使用性能：机械性能（刚度、弹性、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性）； ②工艺性能：热处理性能、铸造性能、锻造性能、机械加工性能等。 ⒉材料的晶体结构的性能：纯金属、实际金属、合金的结构（第二章）； 纯金属：体心立方（e F -α）、面心立方（e F -γ），各向异性、强度、硬度低；塑性、韧性高 实际金属：晶体缺陷（点：间隙、空位、置换；线：位错；面：晶界、压晶界）→各向同性；强度、硬度增高；塑性、韧性降低。 合金：多组元、固溶体与化合物。力学性能优于纯金属。 单相合金组织：合金在固态下由一个固相组成；纯铁由单相铁素体组成。 多相合金组织：由两个以上固相组成的合金。
多相合金组织性能：较单相组织合金有更高的综合机械性能，工程实际中多采用多相组织的合金。 ⒊材料的组织结构与性能 ⑴。结晶组织与性能：F、P、A、Fe3C、Ld； 1）平衡结晶组织 平衡组织：在平衡凝固下，通过液体部的扩散、固体部的扩散以及液固二相之间的扩散使使各个晶粒部的成分均匀，并一直保留到室温。
2）成分、组织对性能的影响 ①硬度(HBS)：随C ﹪↑,硬度呈直线增加， HBS 值主要取决于组成相C F e3的相对量。 ②抗拉强度(b σ)：C ﹪＜0.9%围，先增加，C ﹪＞0.9～1.0％后，b σ值显著下降。 ③钢的塑性(δ ?)、韧性(k a )：随着C ﹪↑,呈非直线形下降。 3）硬而脆的化合物对性能的影响： 第二相强化：硬而脆的化合物， 若化合物呈网状分布：则使强度、塑性下降； 若化合物呈球状、粒状（球墨铸铁）：降低应力集中程度及对固溶体基体的割裂作用，使韧性及切削加工性提高； 呈弥散分布于基体上：则阻碍位错的移动及阻碍晶粒加热时的长大，使强度、硬度增加，而塑性、韧性仅略有下降或不降即弥散强化； 呈层片状分布于基体上：则使强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。
《工程材料学》教学大纲 学分：2总学时：36 理论学时：27实验学时：9 适用专业：农机化、农机化师范 大纲执笔人：许令峰大纲审定人：赵立新 一﹑说明 1．课程的性质﹑地位和任务 材料是现代工业技术的物质基础，正确选择材料，确定合理的加工工艺，使零件既能满足性能要求，又能充分发挥材料的潜力，是一个机械工程人员必须具备的能力。工程材料学是研究常用工程材料的实用性能与化学成分﹑内部显微组织之间的相互关系，找出其内在规律，以便采用合理的热处理工艺方法，来控制其内部组织，提高材料的性能。 2．课程教学的基本要求 理论知识方面：本课程是一门与生产实践联系很密切的课程，在课程学习前，应进行金工实习，以便学生建立有关材料与工艺的感性知识。应安排学生在学完机械制图﹑机械制造基础等有关基础课或专业基础课程之后的第四学期，内容上注意与以上学科的衔接，并避免不必要的重复，课堂教学应力求使学生弄清基本概念，掌握基本内容，使学生获得常用工程材料的种类﹑成分﹑组织﹑性能和改性方法的基本知识，具备根据零件工作条件合理选择和使用材料，正确制定热处理工艺方法，妥善安排工艺路线的初步能力。由于材料学的不断发展，知识不断更新，所以授课教师在吃透教材的基础上，应广泛阅读有关参考资料，紧跟本学科的发展，备课过程中随时补充新内容，使学生及时了解到本学科的重要发展及发展动向。 实验技能方面：观察材料内部组织结构必须借助于金相显微镜或其他仪器，学生必须首先掌握金相显微镜的构造及使用，并且学会金相显微试样制备。还应掌握不同含碳量的碳钢硬度的测定。 3．课程教学改革 总体设想：在有限的教学时间内尽可能多传授给学生有关材料学方面的理论知识。除课堂教学外，尚需进行必要的课堂讨论和习题课等，以进一步培养学生分析问题和独立工作的能力 二．教学大纲内容 （一）课堂理论教学 第一章：金属的机械性能（1学时） 拉伸图的分析，弹性和刚度﹑强度﹑塑性﹑硬度﹑疲劳强度﹑冲击韧性和断裂韧性的含义。 思考题：1﹑说明低碳钢拉伸曲线上的几个变形阶段 2﹑根据作用性质，载荷可分为几类？其主要性能指标各有那些？ 3﹑何谓硬度？如何衡量？ 第二章：金属的晶体结构与结晶（2学时） 第一节：纯金属的晶体结构 晶体的基本概念；金属中常见的晶格类型；晶面指数和晶向指数；金属晶体结构的其他参数。 第二节：实际金属的晶体结构 多晶体结构；晶体缺陷：点缺陷﹑线缺陷﹑面缺陷 第三节：金属的结晶 结晶的概念；结晶过程；晶粒大小：晶粒大小对性能的影响；晶粒大小的控制 本章重点﹑难点：1﹑晶格类型
精品文档，欢迎下载 序号 材料名称 检测依据、标准 试验项目 送检取样数量及要求 最大代表批量 试验周期 200t(袋装 )； 500t( 散装)；南水北调 1 水泥 GB175-2007 胶砂强度、 安定性、 凝结时间、 标准稠度用水量 （南水北调 + 细度 / 比表面积） 不少于 12kg 400t(散装 ) 29-32d 2 天然砂（人工砂） DL/T 5151-2001 颗粒级配、含泥量（石粉含量）、泥块含量、堆积密度（砂浆配比用） 不少于 22kg 400m 3 或600t 3-6d 3 碎（卵）石 DL/T 5151-2001 颗粒级配、含泥量、泥块含量、针、片状颗粒含量、压碎指标值 最大粒径≤ 31.5： 40kg 最大粒径＞ 31.5： 80kg 400m 3 或600t 3-6d 4 粉煤灰 GB/T1596-2005 细度、烧失量、需水量比、南水北调 + 三氧化硫 不少于 3kg 200t 3-5d 5 矿粉 GB/T18046-2008 活性指数、流动度比 不少于 3kg 200t 29-32d 烧结普通砖 GB5101-2003 抗压强度 12块 3.5-15万 4-7d 烧结多孔砖 GB13544-2011 抗压强度 12块 5万 4-7d 粉煤灰砖 JC239-2001 抗压强度、抗折强度 15块 10万 4-7d 粉煤灰砌块 JC238-91 抗压强度 5块 (切割成 200mm 的立方体试件 ) 200m 3 4-7d 砌 蒸压灰砂砖 GB11945-1999 抗压强度 12块 10万 4-7d 6 墙 普通混凝土空心砌块 GB8239-1997 抗压强度 5块 1万 4-7d 砖和 轻集料混凝土小型 空心砌块 GB/T15229-2011 抗压强度 8块 1万 4-7d 砌 透水砖 JC/T945-2005 抗压强度、抗折强度（边长 / 厚度≥ 5）、渗透系数 抗压 5块、抗折 5块、渗透 3块 1万-1.5万 4-7d 块 蒸压加气混凝土砌块 GB11968-2006 抗压强度、干密度 18块(切割成 100mm 的立方体试 件)由厂家提供并标出膨胀方向 l 万 拉伸l 根取 500mm ；弯曲 1根取 4-7d 钢 碳素结构钢 GB/T700-2006 拉伸、弯曲 筋 60t 1-2d 500mm 7 热轧光圆 GB1499.1-2008 拉伸、弯曲、重量偏差 5根取 520-550mm 两端平齐 60t 1-2d 原 材 热轧带肋 HRB 、HRBF GB1499.2-2007 拉伸、弯曲、重量偏差 5根取 520-550mm 两端平齐 60t 1-2d HRBE 拉伸、弯曲、重量偏差、最大力下总伸长率 5根取 520-550mm 两端平齐 60t 1-2d 拉伸 3根、弯曲 3根（试件的焊点磨 闪光对焊 JGJ18-2012 抗拉强度、弯曲试验 成与母材齐平）各取 500mm 200个 1-2d 拉伸 3根、弯曲 3根（试件的焊点磨 气压焊 JGJ18-2012 抗拉强度、弯曲试验 200个 1-2d 8 序号 材料名称 检测依据、标准 试验项目 送检取样数量及要求 最大代表批量 试验周期 钢 筋 成与母材齐平）各取 500mm 连 电弧焊、电渣压力焊 JGJ18-2012 抗拉强度 拉伸 3根取 500mm 200个 1-2d 接 机械连接 JGJ107-2010 抗拉强度 拉伸 3根取 500mm 500个 1-2d 机械连接工艺检验 JGJ107-2010 抗拉强度、残余变形 拉伸 3根取 700mm / 1-2d
机械工程材料模拟练习题 一、填空题（每空0.5分） 1.常用测定硬度的方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度测试法。 2. 金属材料的力学性能主要包括强度、硬度、弹性、塑性等；强度的主要判据有屈服强度和抗拉强度，强度和塑性可以用拉伸实验来测定；压入法测量方法简便、不破坏试样，并且 能综合反映其它性能，在生产中最常用。 3. 铁碳合金在室温下平衡组织组成物的基本相是铁素体和渗碳体，随着碳的质量分数的增加，渗碳体相的相对量增多，铁素体相的相对量 却减少。 4. 珠光体是一种复相组织，它由铁素体和渗碳体按一定比例组成。珠光体用符号P表示。 5. 铁碳合金中，共析钢的w=0.77%,室温平衡组织为珠光体；亚共析钢的 w=0.0218%-cc0.77%，室温平衡组织为铁素体和珠光体；过共析钢的w=0.77%-2.11%,室温平衡组织为珠光c 体和二次渗碳体。 6. 铁碳合金结晶过程中，从液体中析出的渗碳体称为一次渗碳体；从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体；从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体。 7. 低碳钢的碳质量分数范围是：Wc≤0.25%、中碳钢：Wc=0.25%-0.6%、高碳钢：Wc>0.6%。 8. 金属的晶粒越细，强度、硬度越高，塑性、韧性越好。实际生产中可通过增加过冷度、变质处理和附加振动来细化晶粒。 9. 常用金属中，γ-Fe、Al、Cu 等金属具有面心立方晶格，α-Fe具有体心立 方晶格。 10. 金属的结晶是在过冷的情况下结晶的,冷却速度越快,过冷度越大，金属结晶后的晶粒越细小,力学性能越好。 11. 钢的热处理工艺是由（加热）、（保温）和（冷却）三个步骤组成的；热处理基本不改变钢件的（形状和尺寸），只能改变钢件的（结构组织）和（力学性能）。 12. 完全退火适用于（亚共析碳）钢，其加热温度为（Ac3以上30-50°C），冷却速度（缓慢），得到（铁素体和珠光体）组织。 13. 球化退火又称为（均匀化）退火，其加热温度在（Ac1）＋20-30℃，保温后（随炉缓慢）冷却，获得（球状珠光体）组织；这种退火常用于高碳工具钢等。 14. 中碳钢淬火后，再经低温回火后的组织为（回火马氏体），经中温回火后的组织为（回火托氏体），经高温回火后的组织为（回火索氏体）；淬火高温回火后具有（综合力学）性能。 15. 钢的高温回火的温度范围在（500-650°C），回火后的组织为（回火索氏体）。这里开始！！！16. 按化学成份分类，就含碳量而言，渗碳钢属低碳钢, 调质钢属中碳钢, 滚动轴承钢属高碳钢。 17. 高速钢W18Cr4V 中合金元素W 的作用是提高钢的红硬性和回火稳定性； Cr
工程材料学 习题与思考题 福州大学材料学院 2008.12
钢与合金钢 一、名词解释 合金元素杂质元素钢合金钢奥氏体形成元素铁素体形成元素碳化物形成元素非碳化物形成元素铁素体钢奥氏体钢贝氏体钢马氏体钢莱氏体钢晶界偏聚（晶界吸附）（钢中的）相间析出回火稳定性（回火抗力）二次淬火二次硬化原位形核离位形核一类回火脆性二类回火脆性 （低碳钢的）应变时效（低碳钢的）淬火时效调质处理优良的综合机械性能喷丸处理马氏体时效钢超高强度钢热疲劳疲劳剥落（接触疲劳）（滚动轴承钢的）碳化物液析球状不变形夹杂热硬性（高速钢的）黑色组织（高速钢的）萘状断口基体钢 不锈钢晶间腐蚀点腐蚀应力腐蚀氢脆阳极极化阴极极化钝化n/8规律475℃脆性敏化处理稳定化处理蠕变蠕变极限持久强度持久寿命 二、问答题 1.工程材料分为几大类？各类工程材料的使用性能、资源或价格一般有何特点？ 2.什么叫钢？按用途分类，钢分为哪几类？（尽可能详细分类） 3.一种金属材料除基本组元外通常还含有若干种其他元素，如何界定这些元素是合金元素还是杂质？ 4.举例说明奥氏体形成元素对铁基二元相图的影响规律。 5.举例说明铁素体形成元素对铁基二元相图的影响规律。 6.总结奥氏体形成元素对Fe-Fe3C相图的A1、A3、S点、E点的影响规律，并解释为什么高速钢、Cr12 型冷模具钢等高合金钢中会出现莱氏体？ 7.总结铁素体形成元素对Fe-Fe3C相图的A1、A3、S点、E点的影响规律，并解释为什么3 Cr2 W8 V 钢实际上是过共析钢？ 8.解释下列现象： （1）在相同含碳量的情况下，大多数合金钢的热处理加热温度比碳钢高； （2）在相同含碳量的情况下，含碳化物形成元素的合金钢比碳钢具有较高的回火稳定性； （3）高速钢在热轧或热锻后，经空冷或马氏体组织。 9. 从电子结构或原子相对尺寸大小特点归纳过渡族金属在钢中形成碳化物的规律，包括碳化物的稳定性、点阵结构的复杂性和多样性。（联系以下提供的部分元素周期表进行归纳） 10.哪类合金元素可以溶入渗碳体中？举例说明这些合金元素在渗碳体中溶解度的差别。 11.试以晶界吸附现象的基本规律解释不锈钢的晶间腐蚀、硼提高钢的淬透性和硫、磷、砷锑等引起的回火脆性。 12.强碳化物形成元素、碳、磷对奥氏体晶粒长大分别起何作用以及分别是通过哪种机理起作用的？ 13.合金马氏体回火时Cr的特殊碳化物的形成是原位形核还是离位形核？而W呢？原位形核与离位形核形成的特殊碳化物的组织有何显著不同？对钢的性能有何影响？ 14.联系“25Si2Mn2CrNiMoV钢淬火后强度大大提高”的事实，论述低碳马氏体钢的合金化与强化设
工程材料习题与辅导（第四版）朱张校姚可夫 3.2 习题参考答案 1. 解释名词热硬性、石墨化、孕育（变质）处理、球化处理、石墨化退火、固溶处理、时效 答: 热硬性: 热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力（亦称红硬性）。热硬性与钢的回火稳定性和特殊碳化物的弥散析出有关。 石墨化: 铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。 孕育（变质）处理: 在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织的处理工艺。 球化处理: 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。 石墨化退火: 使白口铸铁中的渗碳体分解成为团絮状石墨的退火过程。 固溶处理: 把合金加热到单相固溶体区，进行保温使第二相充分溶解，然后快冷（通常用水冷却），得到单一的过饱和固溶体组织的热处理工艺。固溶处理可以使奥氏体不锈钢获得单相奥氏体组织，提高奥氏体不锈钢的耐蚀性。固溶处理也在有色金属合金中得到应用。有色金属合金（如铝合金）先进行固溶处理获得过饱和固溶体，然后再进行时效处理，析出细小、均匀、弥散分布的第二相，提高合金的强度和硬度。 时效: 固溶处理后得到的过饱和固溶体在室温下或低温加热时析出细小、均匀、弥散分布的第二相，合金硬度和强度明显升高的现象称为时效或时效硬化。 2. 填空题 (1) 20是（优质碳素结构）钢，可制造（冲压件、焊接件、渗碳零件，如齿轮、销) . (2) T12是（优质碳素工具）钢，可制造（锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具) . (3) 按钢中合金元素含量，可将合金钢分为（低合金钢) 、(中合金钢）和（高合金钢）几类。 (4) Q345(16Mn)是（低合金结构）钢，可制造（桥梁、船舶、车辆、锅炉等工程结构) . (5) 20CrMnTi是（合金渗碳）钢，Cr、Mn的主要作用是（提高淬透性、提高经热处理后心部的强度和韧性) , Ti的主要作用是（阻止渗碳时奥氏体晶粒长大、增加渗碳层硬度、提高耐磨性) ，热处理工艺是（渗碳后直接淬火、再低温回火) . (6) 40Cr是（合金调质）钢，可制造（重要调质件如轴类件、连杆螺栓、进汽阀和重要齿轮等) . (7) 60Si2Mn是（合金弹簧）钢，可制造（汽车板簧) . (8) GCr15是（滚珠轴承）钢，1Cr17是（铁素体型不锈）钢，可制造（硝酸工厂设备以及食品工厂设备) . (9) 9SiCr是（低合金刃具）钢，可制造（板牙、丝锥、钻头、铰刀、齿轮铰刀、冷冲模、冷轧辊等) . (10) CrWMn是（冷作模具）钢，可制造（冷冲模、塑料模) . (11) Cr12MoV是（冷模具）钢，可制造（冷冲模、压印模、冷镦模等) . (12) 5CrMnMo是（热模具）钢，可制造（中型锻模) . (13) W18Cr4V是（高速）钢，碳质量分数是（0.70%以上) , W的主要作用是（保证高的热硬性) , Cr的主要作用是（提高淬透性) , V的主要作用是（形成颗粒细小、分布均匀的碳化物，提高钢的硬度和耐磨性，同时能阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒) 。热处理工艺是(1220～1280℃淬火＋(550～570) ℃三次回火) ，最后组织是（回火马氏体、碳化物和少量残余奥氏体) . (14) 1Cr13是（马氏体型不锈）钢，可制造（抗弱腐蚀性介质、能承受冲击载荷的零件) . (15) 0Cr18Ni9Ti是（奥氏体型不锈）钢，Cr、Ni和Ti的作用分别是（提高钢基体的电极