《机械工程材料学》复习问答题及答案

一、简答题：1 •已知某优质碳素结构钢经完全退火后珠光体的体积分数为 59%。

(1) 计算该钢含碳量并给出钢号。

(2) 该钢能否制造直径为© 30mm 的轴类零件？为什么？(3) 能否制造直径为© 300mm 的轴类零件？为什么？ 答：(1)该钢含碳量为：0.59X 0.77%=45.43%。

45 钢。

(2) 能。

因该钢的水淬临界直径 D 0=16m m ,用水淬该轴基本可淬透。

(3) 不能。

因该钢的水淬临界直径 D 0=16m m ,用水淬该轴件也不能淬透, 从而其性能不能满足使用要求。

2•蒸汽阀门的阀杆对综合力学性能要求较高，同时要求具有一定的耐腐蚀 性。

(1) 在1Cr18Ni9Ti 、2Cr13、45和20CrMnTi 四种钢中选择一种合适的材;(2) 画出最终热处理工艺曲线(注明温度范围)。

答：(1)选2Cr13钢较合适。

(2)如下图所示3•某尺寸较大的轴承套圈试生产时选用 GCr15,淬火后心部总出现较多的 屈氏体组织不能满足要求。

(1) 分析出现屈氏体的原因；(2) 改用哪种钢比较合适？(3) 画出预先热处理和最终热处理工艺曲线。

由于尺寸较大，该钢的油淬临界直径小，心部淬不透所致。

改用GCr15SiMn 钢较合适。

答: ( 1) (2)550 C预先热处理等温球化退火工艺曲线示意图时间4 •某零件用45钢制造，淬火时用水作冷却介质，淬硬层深度不能满足要求仓库中有40Cr、50、40和60Si2Mn四种材料。

（1）选用哪种钢比较合适？（2）淬火时选用哪种淬火介质比较合适？（3）回火温度选在什么温度范围内比较合适？答：⑴选40Cr钢。

（2）淬火介质用油。

（3）回火温度550C±20C。

5•针对汽车或拖拉机传递动力的齿轮回答以下问题。

（1）分析主要失效形式和对性能的主要要求；（2）在45、16Mn、CrWMn和20CrMnTi中选择一种合适的材料并写出简明加工路线。

答：（1）其主要失效形式有：弯曲疲劳；接触疲劳；磨损；断齿等。

（2）选20CrMnTi 钢。

其简明加工路线为：下料f锻造f正火f机加工f渗碳、淬火、低温回火f 喷丸一精磨一装配6 •—个直径为© 60mm勺轴，要求抗拉强度大于900MPa且综合力学性能较好，目前仓库中有25、40Cr、GCr15、9SiCr四种材料可供选用。

问：（1）选哪种材料最合适（简要说明理由）；（2）画出最终热处理工艺曲线（要求给出温度范围），为什么要选用这种工艺？答：（1）40Cr。

该钢的淬透性好，© 60mm的轴淬火后心部可获得良好的性能。

（2）最终热处理工艺曲线示意图如下：用该工艺处理后其组织为回火索氏体，能使其具有良好的综合力学性能。

7•—种零件需要切削加工，批量很大，要求材料具有良好加工性能，抗拉强度大于450MPa,延伸率大于30%，其他性能没有要求。

回答：（1） 选择一种最合适的材料；（2） 写出简明加工路线；（3） 所选材料与45钢相比有哪些优点。

答：（1）选丫20钢。

（2） 下料一机加工一检查一包装（3） 所选材料与45钢相比其切削性好、一般不需进行热处理。

8 •某零件用45钢制造，淬火时用水作冷却介质，要求淬硬层深度为 8mm , 实际得到的淬硬层深度为 3mm 。

仓库中有40CrMn 、50、40和5CrMnMo 四种材 料。

（1） 选用哪种钢比较合适？（2） 淬火时选用哪种淬火介质比较合适？（3） 回火温度选在什么温度范围内比较合适？ 答：（1）选40CrMn 钢较合适。

（2） 淬火介质选用20#机油较合适。

（3） 回火温度在500~520C 。

9.说明高碳钢常用的预先热处理工艺 （画出工艺曲线并进行简要分析）；说明预先热处理的目的。

答：高碳钢常用的预先热处理工艺为球化退火。

其工艺曲线见下图所示。

加热温 度选在AC 1+ （20~30） C,目的是保留部分渗碳体，为在 Ax —（10~20） C 等温时形成球状渗 碳体作为核心。

预先热处理（球化退火）的目的：降低硬度，使渗碳体呈球状，不仅便于机 加工，也为最终热处理作好组织准备。

10. 某机床主轴（直径约© 40mm ，要求有良好的综合力学性能，轴颈部分 要求耐磨（50~55HRC ）,选择一种比较合适的材料；写出简明加工工艺路线；说 明工艺路线中各个热处理环节的目的。

答：选45钢。

其简明加工路线为：下料一锻造一预先热处理（退火或正火）-机加工（粗） 一淬火+高温回火（调质）—机加工 2 （精）局部高频淬火（轴颈部分）一磨削 —包装。

预先热处理是为了消除锻造应力、降低硬度、便于机加工，为调质作好组织 准备。

调质处理是为了使主轴具有高的综合力学性能和疲劳强度。

局部高频淬火 使轴颈部分获得高硬度、高耐磨性。

二、分析比较 CrWMn 合金工具钢与 T10 碳素工具钢。

1．CrWMn 钢的淬火加热温度与 T10 钢相比哪个高？为什么？ 答： CrWMn 钢的淬火加热温度比 T10 钢的高。

550 C因该钢中加入了能提高钢的相变点的合金元素Cr、W，且Cr、W易与碳形成较高熔点的合金碳化物，为使其中的合金元素溶入奥氏体中，充分发挥合金元素的固熔强化作用，故该钢的加热温度要比T10 钢的高些。

2. 直径均为© 30mm勺T10钢和CrWMn钢，加热透烧后均在油中冷却，获得的淬硬层深度相同吗？为什么？答：不同，T1 0钢的淬硬层较CrWMn 钢的薄，因为T1 0钢的淬透性差（与CrWMn 钢相比而言），它又是碳素工具钢，不能用冷却能力较差的油作淬火介质。

3•为什么用T10钢制造的刀具刃部受热至200~250C其硬度和耐磨性已迅速下降，以致于失效；而CrWMn钢制造的刀具刃部在230~250C条件下工作，硬度仍不低于60HRC，且耐磨性能良好，尚可维持正常工作？答：T10钢属碳素工具钢，其抗回火稳定性差，热硬性低，刃部受热至200~250C 时淬火马氏体就会分解，使其硬度和耐磨性大大降低，以致于失效；而CrWMn 钢中的合金元素W能提高回火稳定性和热硬性，其刃部受热至200~250°C时淬火马氏体不易分解，故硬度仍不低于60HRC，且耐磨性能良好，尚可维持正常工作。

4.若用CrWMn 钢制造圆板牙或丝锥等薄刃刀具，应采用何种热处理工艺（包括预先热处理和最终热处理）？试分析各热处理工艺的作用及其所得组织。

答：预先热处理采用球化退火工艺。

其作用是：消除锻造应力、降低硬度，使渗碳体呈球状，不仅便于机加工，也为最终热处理作好组织准备。

组织为P 球状。

最终热处理采用淬火+低温回火工艺。

淬火处理后使其具有高的硬度、耐磨性和热硬性，足够的强度，一定的韧性。

其组织为：淬火马氏体+粒状合金渗碳体。

低温回火的作用是降低淬火应力、稳定组织、稳定尺寸、调整硬度。

其组织为：回火马氏体+粒状合金渗碳体。

三、根据Fe－Fe3C 相图，说明产生下列现象的原因。

1. 完全退火后含碳量为1.0％的钢比含碳量为0.5％的钢硬度高。

答：因组织及其硬度不同所致。

即含碳量为1.0％的钢经完全退火后组织为P+Fe s C n网状，而含碳量为0.5%的钢经完全退火后组织为P+F,且F含量约35%。

由于Fe3C的硬度比F的高，故完全退火后含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5% 的钢硬度高。

2. 钳工用手工锯锯T10、T12钢料时比锯10、20钢料费力，锯条容易磨钝。

答：一般情况下T10、T12钢料供货状态为球化退火态，其组织为球状珠光体（即细小粒状的渗碳体均匀分布在铁素体基体上），而10、20钢料供货状态为退火态，其组织为块状的珠光体+铁素体，且铁素体含量较多。

渗碳体与铁素体相比，前者硬度高、耐磨性好，故用手工锯锯T10、T12钢料时比锯10、20钢料费力，锯条容易磨钝。

3. 在室温下，含碳量为0.8%的钢其强度比含碳量为1.2%的钢高。

答：在室温下，含碳量为0.8%的钢其组织为P。

含碳量为1.2%的钢其组织为P+Fe3C o而Fe s C是一个硬脆相，故它的存在使含碳量为1.2%的钢的强度降低。

4. 含碳量为0.45%的钢加热到1200E开始锻造，冷却到800C停止锻造。

答：45钢在1200~800C锻造恰巧是在其塑性良好的单相奥氏体区进行，若开锻温度〉1200C，由于其奥氏体晶粒易长大，使其塑性变差，易产生锻造缺陷；若停锻温度v 800C,落在45钢的P+F两相区，其塑性也变差，也易产生锻造缺陷（如锻造裂纹）。

5. 铁丝易折弯，铸铁易破裂，为什么？答：铁丝一般为低碳钢丝，室温组织为P+F，硬度低、塑性好，抗弯能量差，故易折弯。

铸铁含碳量高，室温组织由P+ FesC n网状+L'd组成，硬度高、脆性大、抗裂纹扩展能力差，故易破裂。

6 .为什么钢铆钉用低碳钢（3 c=0.25%）制作？答：3 c=0.25%的钢制铆钉通常在正火态下使用，其室温组织为细小块状的细珠光体加铁素体，该组织具有一定的强度和良好的韧性，即具有良好的综合力学性能，故能满足使用性能（如较好的抗冲击、抗剪能力等）的要求。

7. 为什么绑扎物体一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机钢丝绳却用60钢（3 c=0.60%）制成？答：镀锌低碳钢丝，其硬度低、塑性好、易折弯，故容易将物体绑紧。

而起重机钢丝绳的力学性能需较高的抗拉强度，用60钢经淬火加中温回火，可获得具有高强度的回火屈氏体组织，故制作钢丝绳用60钢。

四、问答题1. A、B合金相图属于共晶相图，A组元的熔点为330C, B组元的熔点为200C,共晶转变温度为160C,共晶合金中B的质量分数为60%，B在（（以A为溶剂的固溶体）中的最大溶解度为10%，A在（以B为溶剂的固溶体）中的最大溶解度为5%，室温下两组元互不相溶（溶解度为0）。

画出相图，将题中给出的3个温度和3个成分点以及各区域的相组成标在相图上。

答：W B（%）2.拟用T10A钢制造形状简单的冲头，回答以下问题（1）写出其简明生产工艺路线。

(2画出各热处理工艺曲线图(注明温度、冷却介质)(3) 写出各热处理工序后得到的组织名称及硬度范围。

答：(1)锻造一球化退火一机加工一淬火+低温回火(2) 查阅资料得知：A ci 、A cm 分别为730C 800C(3) 球化退火得到球状珠光体，硬度 170~200HBS 。

回火后得到回火马氏体+粒状渗碳体+残余奥氏体，硬度60~65HRC3. 有两种含碳量不同的铁碳合金，它们的室温平衡组织各由两种组织组成, 它们都有珠光体组织，珠光体的质量分数均为 90%。

回答以下问题。

(1) 分别写出这两种合金的组织名称。

(2) 计算这两种合金的含碳量。

(3) 计算这两种合金室温下 a 相和FmC 相的质量分数。