机械工程材料与热加工工艺第五章工业用钢

第一章 金属材料的力学性能1. 什么是应力？什么是应变？答：应力:若物体受到一定作用的外力,则其内部会相应的产生一个内力，则在其截面上单位面积的内力叫应力。

应变;物体内任意一点因各种作用而引起的相对变形叫做应变。

2. 缩颈现象在力—拉伸图上哪一点？如果没有出现缩颈现象，是否表示该试样没发生塑性变形？答：出现在B 点;不是的，即使没有颈缩也可能会出现塑像变形。

因为，颈缩的程度有大小，如果程度太小，则不易观察，有可能会误以为没有颈缩现象，但他实际存在。

3. 将钟表发条拉直是弹性变形还是塑性变形？怎样判断它的变形性质？答；.塑性变形，应为拉直后他恢复不了原状;在一定外力作用下物体发生变形，撤掉外力后如果物体恢复了原状则是弹性变形，否则是塑性变形。

4. 布氏和洛氏硬度各有什么优缺点？下列情况采用哪种硬度法来检查其硬度：库存钢材，硬质合金刀头，锻件，台虎钳钳口。

答：布氏硬度：A.优点：压痕面积达，能反映出较大范围内金属的平均性能；B 缺点：由于压痕面积达，则检验成品有困难，即：测量范围有限。

洛氏硬度：A.优点：操作简便，可直接读出硬度值并且可检测成品件和较薄的材料；B.缺点：测值重复性差。

库存刚才：布氏硬度硬质合金刀头：洛氏硬度锻件：台虎钳钳口：洛氏硬度5. 下列符号所代表的力学性能指标的名称和含义是什么：0.21,,,,,,,,,,,.s b k E HRC HBS HBW HV σσσσδψα-答：.E ：金属的弹性模量；其含义是：引起金属单位变形时所需的应力。

σs :屈服强度；其含义是：金属产生屈服时该点的应力。

σb:抗拉强度；其含义是：金属在拉伸过程中的最大拉力所对应的应力。

σ0.2：屈服点，对没有明显屈服现象的金属材料，工程上规定以试样产生0.2%塑性变形时的应力作为该材料的屈服点，用σr0.2表示。

σ-1:疲劳强度；其含义是：指金属材料经无穷多次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值。

δ：断后拉伸率;其含义是：试样被拉断后的伸长量于原始长度的比值。

机械工程材料与热加工工艺摘要：本文主要阐述了机械工程材料的主要性能及其应用，同时说明机械工程材料热加工工艺，其中包括钢铁生产与质量、钢的热处理、低合金钢和合金钢、铸铁以及有色金属及其合金等。

关键词：机械工程；工程材料；热加工工艺引言：机械工程材料种类繁多，其中最为常见就是有色金属材料，要根据有色金属材料特点，采用正确的制造技术和加热工艺，有效增强有色金属强度和耐腐蚀性等，确保所制作出的零部件，其质量和性能都有显著增强。

1机械工程材料的主要性能及其应用机械工程各类产品多数都是由种类繁多、性能各异的金属材料和非金属，通过正确加工所制作出的零部件共同构成的。

金属材料的机械性能主要是指金属材料在各种形式的外力作用下，抵抗变形和断裂的能力，判断金属机械性指标包括金属材料强度、塑性和硬度等。

金属材料在受力时抵抗产生弹性的能力则称为刚度。

金属材料的硬度主要是指材料抵抗外物压力的能力，硬度越高，金属材料抵抗局部塑性变形的能力就越大。

通常材料的硬度越高，其耐磨性就越强，强度和硬度间存在着内部联系。

金属冲击韧性是材料在冲击荷载作用下，抵抗断裂的能力，现阶段机械工程技术常用一次摆锤冲击弯曲试验，测定材料受冲击荷载能力。

机械工程所用零件种类较多，如发动机设备中的曲轴、连轴等，该类零件常在交变荷载下工作。

此外，转动轴等零件虽然受到的荷载无法随时间交替变化，但零件本身是能够旋转的。

以该两种情况为背景，零部件中都会产生随时间变化的应力，该种应力即称为“交变应力”。

此外，以此种情况为背景工作的零部件，其最大应力要低于材料在静荷载小的极限，但经过长期工作的磨损，难免会出现断裂等情况，引发断裂事故。

所以，要采取有效措施避免断裂事故发生。

制造零部件和选用工艺时，要充分考虑所选材料的工艺性能，如低碳钢有着较强的塑性成形性能和可焊性，所以常被用作制造量器和刀具等[1]。

2机械工程材料表面处理方法机械工程材料表面处理方法主要包括强化处理法、表面防护处理法、涂料涂装法和氧化处理法，其中，强化处理法即可分为表面覆盖层强化法、表面表型强化法两种，表面覆盖层强化法指的是在材料表面，获得特殊性能的覆盖膜，以此增强材料表面的刚度、硬度和耐疲劳性，增强材料质量。

《机械工程材料及热加工基础》第一章金属的性能1.强度：金属材料在静载荷（大小和方向不变或逐渐变化的载荷）作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。

2.塑性：断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。

3.硬度：金属材料表面抵抗其他更硬物体压入的能力。

4.韧性：冲击载荷（以较高速度作用于零件上的载荷）作用下，金属在断裂前吸收变形能量的能力。

5.疲劳：材料在循环应力（大小、方向随时间发生周期性变化的载荷）和应变作用下，在一处或几次产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数产生裂纹或发生断裂的过程。

疲劳极限用σ-1表示。

6.屈服点（屈服强度）σs：材料在实验过程中，载荷不增加（保持恒定）试样仍能继续伸长时代应力。

σs﹦试样发生屈服时代载荷/试样原始横截面积。

[不是所有的金属在拉伸试验中都会出现显著的屈服现象]7.抗拉强度σb=试样拉断前所承受的最大载荷/试样原始横截面积。

8.伸长率δ，数值上准确地反映材料的塑性变形。

9.断面收缩率ψ：缩颈处横截面积德最大缩减量与原始横截面积的百分数。

10.硬度的测定：①布氏硬度（压入法）：HBS（压头分淬火钢球）和HBW（压头硬质合金）②洛氏硬度HR(测定淬火钢件的硬度用此方法)③维氏硬度HV。

第二章金属的结构与结晶1.晶体:指其组成微粒（原子、分子或离子）按一定次序作有规律重复排列的物质。

2.晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间格架。

3.晶胞：晶格中一个能完整反映晶格特征的最小几何单元。

4.金属晶体结构：体心立方结构；面心立方结构；密排立方结构。

5.晶体缺陷：点缺陷（原子的热震动引起晶格畸变），使材料的强度、硬度提高；线缺陷（主要指位错），起到强化金属的目的；面缺陷（晶界、亚晶界引起），阻碍金属的塑性变形发生。

6.细化晶粒度方法：增加过冷度；变质处理（加入难溶物）；附加震动。

7.金属的铸态组织：表面细晶粒区，柱状晶粒区，中心等轴晶粒区（穿晶）。

8.铸锭的缺陷：缩孔及缩松，气孔及裂纹，偏析，非金属夹杂物。

绝对最全！！！！！！！工程材料与热加工拒绝盗版！第1章材料的力学性能一、选择题1．金属材料在静载荷作用下，抵抗变形和破坏的能力称为__C____。

A. 塑性B. 硬度C. 强度D. 弹性2．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___C___。

A. HBSB. HRCC. HVD. HBW3．做疲劳试验时，试样承受的载荷为__B_____。

A. 静载荷B. 交变载荷C. 冲击载荷D. 动载荷二、填空题1．金属塑性的指标主要有断后伸长率和断面收缩率两种。

2．金属的性能包括物理性能、化学性能、工艺性能和力学性能。

3．常用测定硬度的方法有压入法、刻划法和回跳法测试法。

4．材料的工艺性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理性等。

5．零件的疲劳失效过程可分为疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展、瞬时断裂三个阶段。

三、判断题1．用布氏硬度测试法测量硬度时，压头为钢球，用符号HBS表示。

( √)2．材料的断裂韧度大于材料的应力场强度因子的，材料的宏观裂纹就会扩展而导致材料的断裂。

( ×)四、概念及思考题1．硬度，硬度的表示方法。

答：（1）硬度：材料在表面局部体积内抵抗变形（特别是塑性变形）、压痕或刻痕的能力；（2）硬度的表示方法：①布氏硬度：HBS(钢头：淬火钢球)或HBW （钢头：硬质合金球）②洛氏硬度：HR ③维氏硬度:HV2．韧性，冲击韧性。

3．疲劳断裂4．提高疲劳强度的途径。

第2章金属的晶体结构与结晶一、名词解释晶体：是指原子（离子、分子）在三维空间有规则地周期性重复排列的物体；晶格：是指原子（离子、分子）在空间无规则排列的物体；晶胞：通常只从晶格中选取一个能完全反应晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子的排列规律，这个最小的几何单元成为晶胞；晶粒：多晶体中每个外形不规则的小晶体；晶界：晶粒与晶粒间的界面；共晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的过程；结晶：原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程。

一、名词解释：１、固溶强化：固溶体溶入溶质后强度、硬度提高，塑性韧性下降现象。

２、加工硬化：金属塑性变形后，强度硬度提高的现象。

２、合金强化：在钢液中有选择地加入合金元素，提高材料强度和硬度４、热处理：钢在固态下通过加热、保温、冷却改变钢的组织结构从而获得所需性能的一种工艺。

５、细晶强化：晶粒尺寸通过细化处理，使得金属强度提高的方法。

二、选择适宜材料并说明常用的热处理方法三、（20分）车床主轴要求轴颈部位硬度为HRC54—58，其余地方为HRC20—25，其加工路线为：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、20CrMnTi３．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淬火后低温回火五、填空题(20分)1、马氏体是碳在a-相中的过饱和固溶体，其形态主要有板条马氏体、片状马氏体。

1.奥氏体晶粒大小与哪些因素有关？为什么说奥氏体晶粒大小直接影响冷却后钢的组织和性能？奥氏体晶粒大小是影响使用性能的重要指标，主要有下列因素影响奥氏体晶粒大小。

（1）加热温度和保温时间。

加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。

（2）加热速度。

加热速度越快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率和长大速度的比值增大，则奥氏体的起始晶粒越细小，但快速加热时，保温时间不能过长，否则晶粒反而更加粗大。

（3）钢的化学成分。

在一定含碳量范围内，随着奥氏体中含碳量的增加，碳在奥氏体中的扩散速度及铁的自扩散速度增大，晶粒长大倾向增加，但当含碳量超过一定限度后，碳能以未溶碳化物的形式存在，阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒长大倾向减小。

（4）钢的原始组织。

钢的原始组织越细，碳化物弥散速度越大，奥氏体的起始晶粒越细小，相同的加热条件下奥氏体晶粒越细小。

传统多晶金属材料的强度与晶粒尺寸的关系符合Hall-Petch关系，即σs=σ0+kd-1/2，其中σ0和k是细晶强化常数，σs是屈服强度，d是平均晶粒直径。

显然，晶粒尺寸与强度成反比关系，晶粒越细小，强度越高。

然而常温下金属材料的晶粒是和奥氏体晶粒度相关的，通俗地说常温下的晶粒度遗传了奥氏体晶粒度。

所以奥氏体晶粒度大小对钢冷却后的组织和性能有很大影响。

奥氏体晶粒度越细小，冷却后的组织转变产物的也越细小，其强度也越高，此外塑性，韧性也较好。

2．过冷奥氏体在不同的温度等温转变时，可得到哪些转变产物？试列表比较它们的组织和性能。

3.共析钢过冷奥氏体在不同温度的等温过程中，为什么550℃的孕育期最短，转变速度最快？因为过冷奥氏体的稳定性同时由两个因素控制：一个是旧与新相之间的自由能差ΔG；另一个是原子的扩散系数D。

等温温度越低，过冷度越大，自由能差ΔG也越大，则加快过冷奥氏体的转变速度；但原子扩散系数却随等温温度降低而减小，从而减慢过冷奥氏体的转变速度。

高温时，自由能差ΔG起主导作用；低温时，原子扩散系数起主导作用。

第一章 金属材料的力学性能1. 什么是应力？什么是应变？2. 缩颈现象在力—拉伸图上哪一点？如果没有出现缩颈现象，是否表示该试样没发生塑性变形？3. 将钟表发条拉直是弹性变形还是塑性变形？怎样判断它的变形性质？4. 布氏和洛氏硬度各有什么优缺点？下列情况采用哪种硬度法来检查其硬度：库存钢材，硬质合金刀头，锻件，台虎钳钳口。

5. 下列符号所代表的力学性能指标的名称和含义是什么：0.21,,,,,,,,,,,.s b k E HRC HBS HBW HV σσσσδψα-洛氏硬度的测试规范标尺 压头 总载荷／N适用测试材料 有效值 HRA 1200金刚石圆锥体600 硬质合金，表面淬火钢 70-85 HRB 1.588mm φ淬火钢球1000 退火钢，非铁合金25-100 HRC 1200金刚石圆锥体1500一般淬火钢件20-67第二章 金属及合金的结构与结晶1. 名词解释：金属键，晶体，晶格，配位数，致密度，单晶体，多晶体，晶体缺陷，相，固溶体，金属化合物，相图。

2. 简述金属的结晶过程。

3. 金属的晶粒粗细对其力学性能有什么影响。

4. 典型金属铸锭组织有哪几部分组成？影响金属铸锭组织的因素有哪些？第三章 铁碳合金相图1. 什么是同素异构转变？室温和11000C 时纯铁晶格有什么不同？和组织名称。

4. 分析在缓慢冷却条件下，45钢和T10钢的结晶过程和室温组织。

5. 含碳量对碳钢组织与性能有哪些影响？第四章 钢的热处理1. 什么叫热处理？常用热处理的方法大致分为哪几类？2. 简述钢在加热时奥氏体的形成过程，影响奥氏体晶粒长大的因素有哪些？3. 简述过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能？影响过冷奥氏体转变的因素有哪些？4. 在连续冷却转变中如何应用过冷奥氏体等温转变？5. 什么叫退火？什么叫正火？两者的特点和用途有什么不同？6. 亚共析钢的淬火为何是3(3050)c A C +-︒?过高或过低有什么弊端？7. 什么叫钢的淬透性和淬硬性？影响钢的淬透性的因素有哪些？ 8. 碳钢在油中淬火的后果如何？为什么合金钢可以在油中淬火？9. 钢在淬火后为什么要回火？三种类型回火的用途有什么不同？汽车发动机缸盖螺钉应采用哪种回火？为什么？10. 锯条，大弹簧，车床主轴，汽车变速器齿轮的最终热处理有何不同？ 11. 用T12钢制造钢件，请填写工艺结构方框图中的处理工序名称：12. 在普通热处理中，加热后进行保温的作用是什么？感应加热表面淬火是否需要保温，化学热处理的保温有何特点？为什么？第五章 工业用钢1. 填表钢号 所属类别大致含碳量（%）性能特征用途举例Q235-A-F45 T10A 16Mn 20CrMnTi 9CrSi2. 仓库中储存了相同规格的20钢，45钢和T10圆钢，请找出一种较为简便的区分方法。