机械工程材料-3章 钢的热处理

《工程材料及机械制造基础》习题答案齐乐华主编第一章材料的种类与性能（P7）１、金属材料的使用性能包括哪些？力学性能、物理性能、化学性能等。

２、什么是金属的力学性能？它包括那些主要力学指标？金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应相关或涉及力与应变关系的性能。

主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。

３、一根直径10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度为450Mpa，问此棒能承受的最大载荷为多少？断面收缩率是多少？F=35325N ψ=27.75%４、简述洛氏硬度的测试原理。

以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。

5、什么是蠕变和应力松弛？蠕变：金属在长时间恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变形的现象。

应力松弛：承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量不变，但随时间的延长，工作应力逐渐衰减的现象。

6、金属腐蚀的方式主要有哪几种？金属防腐的方法有哪些？主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。

防腐方法：1）改变金属的化学成分；2）通过覆盖法将金属同腐蚀介质隔离；3）改善腐蚀环境；4）阴极保护法。

第二章材料的组织结构（P26）1、简述金属三种典型结构的特点。

体心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。

每个体心立方晶格的原子数为：2个。

塑性较好。

面心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。

每个面心立方晶格的原子数为：4个。

塑性优于体心立方晶格的金属。

密排六方晶格：晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。

每个密排六方晶胞原子数为：6个，较脆2、金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。

使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度、硬度提高，但防腐蚀能力下降。

3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和金属化合物两种。

第3章 钢的淬火与回火钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要、也是用途最广的工序。

淬火可以大幅度提高钢的强度与硬度。

淬火后，为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度与韧性的配合，需要配以不同温度的回火。

所以，淬火与回火是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。

淬火与回火作为各种机器零件及工、模具的最终热处理，是赋予钢件最终性能的关键性工序，也是钢件热处理强化的重要手段之一。

3.1 钢的淬火与分类淬火是将钢加热至临界点（A c1或A c3）以上，保温一定时间后快速冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的工艺方法。

图3-1是共析碳钢淬火冷却工艺曲线示意图。

v c 、v c '分别为上临界冷却速度（即淬火临界冷却速度）和下临界冷却速度。

以v >v c 的速度快速冷却（曲线1），可得到马氏体组织；以v c >v >v c '的速度冷却（曲线2），可得到马氏体＋珠光体混合组织；以曲线3冷却则得到下贝氏体组织。

钢淬火后的强度、硬度和耐磨性大大提高。

w c ≈0.5％的淬火马氏体钢经中温回火后，可以具有很高的弹性极限。

中碳钢经淬火和高温回火（调质处理）后，可以有良好的强度、塑性、韧性的配合。

奥氏体高锰钢的水韧处理，奥氏体不锈钢、马氏体 时效钢及铝合金的高温固溶处理，都是通过加热、保温 和急冷而获得亚稳态的过饱和固溶体，虽然习惯上也称 为淬火，但这是广义的淬火概念，它们的直接目的并不 是强化合金，而是抑制第二相析出。

高锰钢的水韧处理 是为了达到韧化的目的。

奥氏体不锈钢固溶处理是为了 提高抗晶间腐蚀能力，铝合金和马氏体时效钢的固溶处 理，则是时效硬化前的预处理过程。

本章讨论钢的一般淬火强化问题，其淬火工艺分类见表3-1。

表3-1 钢的淬火工艺分类图3-1 共析钢的淬火冷却工艺热处理工艺及设备3.2 钢的淬透性一、淬透性的基本概念1．淬硬层与淬透性由于淬火冷却速度很快，所以工件表面与心部的冷却速度不同，表层最快，中心最慢（见图3-2a ）。

沈莲主编《机械工程材料》（第2版）习题与思考题第一章 机械零件的失效分析1. 何谓失效？零件失效方式有哪些？2. 静载性能指标有哪些？并说明它们各自的含义。

3. 过量弹性变形、过量塑性变形而失效的原因是什么？如何预防？4. 何谓韧性断裂和脆性断裂的因素的哪些？5. 何谓冲击韧性？如何根据冲击韧性来判断材料的低温脆性倾向？6. 何谓断裂韧性？如何根据材料的断裂韧度KIC、零件的工作应力σ和零件中裂纹半长度a 来判断零件是否会发生低应力脆断？7. 压力容器钢的1000s MPa s =，1/2170IC K MPa m =；铝合金的400s MPa s =，1/225IC K MPa m =。

试问这两种材料制作压力容器时发生低应力脆断时裂纹的临界尺寸各是多少（设裂纹的几何形状因子Y =8. 说明典型疲劳断口的特征。

如何根据疲劳断口形态大致判断：1）循环应力大小；2）应力特循环周次多少；3）应力集中程度大小。

9. 疲劳抗力指标有哪些？影响疲劳抗力的因素有哪些？10.磨损失效类型有几种？如何防止零件的各类磨损失效？11.腐蚀失效类型有几种？如何防止零件的各类磨损失效？12.何谓蠕变极限和持久强度？零件在高温下的失效形式有哪些？如何防止？13.有一根轴向尺寸很大的轴，在500℃温度下工作，承受交变扭转载荷和交变弯曲载荷，轴颈处承受摩擦力和接触应力，试分析此轴的失效形式可能有哪几种？设计时需要考核哪几个力学性能指标？第二章 碳钢1. 何谓过冷度?为什么结晶需要过冷度?它对结晶后晶粒大小有何影响?2. 何谓晶体、单晶体、多晶体、晶体结构、点阵、晶格、晶胞?3. 金属中常见的晶体结构类型有哪几种?α-Fe、γ-Fe、A1、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn 各属何种晶体结构?4. 何谓同素异构转变?纯铁在常压下有哪几种同素异构体?各具有何种晶体结构?5. 实际晶体中的晶体缺陷有哪几种类型?它们对晶体的性能有何影响?6. 固溶体和化合物有何区别?固溶体类型有哪几种? Si、N、Cr、Mn、Ni、B、V、Ti、W 与铁和碳形成何种固溶体或化合物?7. 何谓匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、固溶体的二次析出转变?根据Fe-Fe 3C 相图写出它们的转变反应式，并说明转变产物的名称、形态及对铁碳合金力学性能的影响。

《机械工程材料》机械工业出版社第3版目录第一章机械零件的失效分析第二章碳钢第三章钢的热处理第四章合金钢第五章铸铁第六章有色金属及其合金第七章高分子材料第八章陶瓷材料第九章复合材料第十章功能材料第十一章材料改性新技术第十二章零件的选材及工艺路线第十三章工程材料在典型机械和生物医学上的应用第一章 机械零件的失效分析第一节 零件在常温静载下的过量变形失效：零件若失去设计要求的效能变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化弹性变形：能够恢复的变形塑性变形：不能恢复的变形一、工程材料在静拉伸时的应力-应变行为1.低碳钢的应力-应变行为变形过程：弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形2.其他类型材料的应力-应变行为纯金属脆性材料高弹性材料二、静载性能指标1.刚度和强度指标（1）刚度指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力单向拉伸（或压缩）时：E=σ/ε= ，即EA=F/εAF /纯剪切时：G=τ/γ= ，即GA=F τ/γγτAF /弹性模量E （或切变模量G ）是表征材料刚度的性能指标（2）强度指材料抵抗变形或断裂的能力指标有：比例极限σp ，弹性极限σe ，屈服强度σs ，抗拉强度σb ，断裂强度σk2.弹性和塑性指标（1）弹性指材料弹性变形大小弹性能u ：应力-应变曲线下面弹性变形阶段部分所包围的面积u=σe εe=21E e 221σ（2）塑性指材料断裂前发生塑性变形的能力断后伸长率： %10000⨯-=L L L δ断面收缩率： %10000⨯-=A A A ψ越大，材料塑性越好ψδ、3.硬度指标表征材料软硬程度的一种性能布氏硬度HBW （硬质合金球为压头）洛氏硬度HRC （锥角为120°的金刚石圆锥体为压头）维氏硬度HV （锥角为136°的金刚石四棱锥体为压头）三、过量变形失效零件的最大弹性变形量△l 或θ（扭转角）必须小于许可的弹性变形量。

即△l ≤[△l]或θ≤[θ]材料的弹性模量E(或切变模量G)越高，零件的弹性变形量越小，刚度越好通常材料的熔点越高，弹性模量也越高弹性模量对温度很敏感，随温度升高而降低第二节 零件在静载荷冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念韧性断裂:断裂前发生明显宏观塑性变形脆性断裂：断裂前不发生塑性变形断裂过程均包含裂纹形成和扩展两个阶段二、冲击韧性及衡量指标A K 、a K冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力冲击吸收功A K ，单位J冲击韧度a K =A K /F K ，单位J ·cm -2 。

机械工程材料钢的热处理案例分析姓名：学号：专业：年级：学院：指导教师：青海民族大学2020年12 月27 日摘要钢的热处理:是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺。

热处理不仅可用于强化钢材，提高机械零件的使用性能，而且还可以用于改善钢材的工艺性能。

其共同点是:只改变内部组织结构，不改变表面形状与尺寸。

对45钢的热处理时45钢淬火处理后最高可以达到HRC55，当然要求热处理工艺和材质成分要对。

但要达到HRC55的硬度，45钢就只能进行低温回火，得到的回火马氏体较粗大，材料硬而脆，使用意义不在，所以一般45钢淬火后的硬度控制在HRC50左右。

如果没有耐磨性的要求，更常用的是调质处理。

目录第一章绪论1.1中国钢铁产业的现状，1.2碳钢的应用、优点及缺点...1.3钢的热处理工艺1.4本论文研究内容第二章普通热处理工艺对45钢组织和硬度的影响2.1普通热处理工艺对45钢组织的影响2.2普通热处理工艺对45钢硬度的影响第三章结论参考文献.第一章绪论1.1中国钢铁产业的现状中国1949年全国产钢只有16万吨，新中国成立，我国钢铁工业进入-一个崭新的历史时期。

1996年钢产量超过1亿吨，2005年的钢产量达到了创纪录的3.5亿吨，2007年我国生产粗钢近4.9亿吨，总体星较快增长态势。

60多年来中国的产钢量增长1000多倍，成为世界钢铁发展史上的大奇迹。

当前钢铁生产的发展得益于钢铁科技发展为钢铁行业的清洁生产奠定了良好的基础，使钢铁生产不断降低消耗与成本，不断优化钢铁材料的性能，成为各行业协调发展，优化环境的重要支撑条件。

钢铁科技的自身优化与完善，还有赖于信息、环境、装备、加工等学科技术进步的推动。

可以肯定，今后直到2020年的10~15年内，钢铁工业作为国民经济重要基础产业与支柱产业的地位不会改变。

目前，我国钢铁产业的生产力布局相对比较分散，产业布局方式既不适应铁矿资源结构的变化，也有悖于市场选择和环保优先的原则。

试验一金属力学性能测定一、实验目的1、了解金属常用力学性能的测试方法；2、了解洛氏硬度计结构；3、理解洛氏硬度测试原理；4、掌握洛氏硬度测试方法。

二、实验说明金属力学性能测定试验旨在训练学生，并使之掌握力学性能硬度和冲击韧性的测试方法。

其中，冲击韧性测试为实验演示；洛氏硬度测试为实验演示+独立练习+自主操作。

针对不同硬度的金属材料，洛氏硬度测试法可采用HRA、HRB和HRC三种标尺，各标尺对应的实验条件及应用范围见表1.1。

其中，HRC最为常用。

表1.1洛氏硬度实验条件及应用范围符号压头类型总试验力/N有效值范围应用HRA120°金钢石圆锥体60×9.870～85HRA硬质合金，表面淬硬层，渗碳淬硬层HRBΦ1.588mm钢球100×9.825～100HRB有色金属，退火、正火钢HRC120°金钢石圆锥体150×9.820～67RHC淬硬钢，调质钢1、洛氏硬度测试原理洛氏硬度测试法是以金钢石或淬硬钢球为压头，在初、主载荷作用下，将压头压入试件表面，卸除主载荷后，以压痕残留深度衡量试件软硬程度。

洛氏硬度测试原理如图1.1所示。

1）未加载荷时，压头与试件表面未接触，处于“0-0位”，尚未工作。

图1.1洛氏硬度测试原理示意图2）加初载荷，使压头从试件表面a位置处压入至b位置处，处于“1-1位”，并将b点作为压痕残留深度测量的起点。

3）加主载荷，使压头由b位置处压入至c位置处，处于“2-2位”。

4）卸除主载荷，因试件弹性变形的恢复，压头回升至d位置处，处于“3-3位”。

至此，就用压痕残留深度bd值反映试件的软硬程度。

bd值愈大，试件硬度愈低；反之，试件硬度愈高。

规定：每0.002mm残留压痕深度为一个硬度单位。

为适应“数值愈大则硬度愈高”的惯性思维习惯，引进常数K，令洛氏硬度为：HR=K-bd/0.002K—常数（金刚石压头，K取100；淬硬钢球压头，K取130）。

第三章钢的热处理检测卷一、填空题(共10小题，每小题2分，共20分)1.钢的热处理一般由、和三个阶段组成。

2.退火按工艺不同可分为去应力退火、完全退火、、均匀化退火和等温退火。

3.根据渗碳介质的物理状态不同，渗碳可分为、和,其中应用最广。

4.化学热处理通常由、和三个基本过程组成。

5.热处理的工艺过程可用来表示。

6. 频感应淬火主要用于处理中小型轴、销、套等圆柱形零件。

7.热处理一般不改变工件的形状，而是通过改变工件内部的或改变工件表面的来改善工件的工艺性能或使用性能。

8. 是将工件加热到适当温度,保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。

9.钢不发生相变是退火。

10.正火是指工件加热奥氏体化后在中冷却的热处理工艺。

二、判断题(共20小题，每小题2分,共40分)（）1.渗碳钢零件经过渗碳以后,表面就有很高的硬度，不必再进行淬火处理。

（）2.退火是指工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。

（）3.本质粗晶粒钢渗碳后，应采用直接淬火进行热处理。

（）4.利用自然时效可以部分消除工件内的部分残余应力,稳定工件的形状和尺寸。

（）5.钢的碳质量分数越高，其淬火加热温度越高。

（）6.完全退火可用于过共析钢,降低硬度，便于切削加工。

（）7.正火与退火的主要区别是前者冷却速度快，得到的组织晶粒较细，强度和硬度也较高。

（）8.钢热处理时，工件淬火后中温回火的复合热处理工艺称为调质。

（）9.制订钢热处理工艺的依据是铁碳合金状态图。

（）10.对钢件进行加热的处理工艺简称热处理。

（）11.淬火后的钢一般需要及时进行回火。

（）12.渗氮工艺适合于要求表面耐磨的高精度零件。

（）13.回火的主要目的是消除淬火造成的残余应力，故回火与去应力退火无本质区别。

（）14.球化退火是碳素工具钢、合金工具钢、高速钢或轴承钢等淬火前必须进行的预处理。

（）15.一些复杂、截面不大、变形要求严的工件,用分级淬火比用双介质淬火能更有效地减少变形及开裂。

第三章金属材料及热处理金属材料是现代机械工业使用最广泛的材料，品类繁多，性能各不相同，合理选用金属材料和正确运用热处理方法，可以充分发挥金属材料的机械性能，提高产品的质量。

金属可以分为黑色金属和有色金属，黑色金属主要是指钢和铸铁，以铁和碳为基本组成元素形成铁碳合金，即碳素钢。

在铁碳合金中加入一定量的合金元素，如铬、锰、镍、钴等成为合金钢。

有色金属是指非铁金属及其合金，如铝、铜、铅、锌等金属及其合金。

一、碳素钢的分类、编号和用途碳素钢简称碳钢，是含碳量小于 2．11％的铁碳合金，具有较好的机械性能、良好的锻压性能、焊接性能和切削加]：性能，价格比合金钢低，在机械工业中得到广泛使用。

(一)碳素钢的分类1．按钢的含碳量分类低碳钢——含碳量≤0．25％；中碳钢——含碳量：0．30％-0．55％；高碳钢——含碳量≥0．60％。

2．按钢的质量分类普通碳素钢：硫、磷含量分别≤O．055％和 O．045％优质碳素钢：硫、磷含量均≤0．040％；高级优质碳素钢：S、P含量 0．030％-0．035％。

3．按钢的用途分类碳素结构钢：主要用于制造各种工程构件和机器件，这类钢一般属于低碳钢和中碳钢。

碳素工具钢：主要用于制造各种刀具、量具、模具，这类钢含碳量较高，一般属于高碳钢。

(二)碳素钢牌号和用途1．普通碳素结构钢甲类钢：这类钢出厂时按保证机械性能供应，除硫、磷外不保征化学成分。

甲类钢的牌号以“甲”或“A”字加上阿拉伯序数表示，共 1-7级，即甲 l、甲 2、…、甲 7(或 A1、A2、…、A7)，数字越大，强度越高，塑性越差，主要用来制造钢板、角钢、圆钢和工字钢等。

乙类钢：这类钢出厂时按化学成分供应，不保证机械性能。

乙类钢的牌号用“乙”或“旷加上阿拉伯数字表示，也分为 1-7级，即乙 1、乙 1、…、乙 7(或 Dl、u2、…、B7)，数字越大，含碳量越高，主要用于制造不重要的零件，一般须经热处理。

2．优质碳素结构钢优质碳素结构钢既要保证钢的化学成分，还要保证机械性能其机械性能，用于制造比较重要的零什。