工程材料试题答案1

工程材料试题答案1

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σb＞1000MPa，σOF≥600MPa，AK ＞48J。试从所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。对剩余两个钢种的比较可见下表

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，齿轮间存在摩擦，因此要求摩擦系数小，耐磨性好。由于该结构特点要求选材时重量要轻，工作噪音要小，在无润滑条件下长时间工作，制造工艺简单，价格便宜，很明显，40Cr，20CrMnTi等合金钢由于价格太贵、太重、加工复杂而不合适。而尼龙66工程塑料较为合适。其原因：

（1）有足够的抗弯强度（≥70～90MPa）和冲击吸收功（10～45J）。

（2）耐磨、减磨、消音、耐应力开裂。

（3）－40～100℃可长期使用。

（4）有较好的弹性，吸震，防冲击，噪声小。

（5）重量轻。

（6）耐蚀性好。

（7）可用注射法一次成型，制造工艺简单，生产率高，成本低。

例4：现有一碳钢制支架刚性不足，采用以下三种方法中的哪种方法可有效解决此问题？为什么？①改用合金钢；②进行热处理改性强化；③改变该支架的截面与结构形状尺寸。

工程材料试题答案1

时，难于通过合金化、热处理、冷热加工等方法使之改变。

例5：某一用45钢制造的零件，其加工路线如下：

备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→高频感应加热淬火＋低温回火→磨削，请说明各热处理工序的目的及热处理后的组织。

答：正火目的:消除锻造应力,改善切削加工性,同时均匀组织,细化晶粒,为后续热处理作组织准备。组织: 晶粒均匀细小的F 和S。

调质目的:提高塑性、韧性,使零件获得较好的综合力学性能。组织: S 回。

高频感应加热淬火目的:提高工件表面的硬度和耐磨性,而心部仍保持良好的塑性和韧性。

低温回火目的:降低内应力和脆性。表层组织: M 回，心部组织：S 回。

例6：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+低温回火→精磨→成品； ⑶38CrMoAlA 镗床镗杆: 下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→氮化→研磨→成品；

⑷T12A 丝锥: 锻造→球化退火→机加工→淬火＋低温回火→柄部盐浴加热快速退火→精加工。

例7：确定下列钢件的退火方法，并指出退火目的及退火后的组织：

（1）经冷轧后的15 钢钢板，要求降低硬度；

（2）ZG35 的铸造齿轮；

（3）锻造过热后的60 钢锻坯；

（4）改善T12 钢的切削加工性能。

答: （1）再结晶退火, 目的：细化晶粒，均匀组织，使变形晶粒重新转变为等轴晶粒，以消除加工硬化现象，降低了硬度，消除内应力。得到P+F（P 为等轴晶）；

（2）去应力退火, 目的：消除（铸造）内应力。得到P+F；

（3）重结晶退火（完全退火、等温退火）, 目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。得到P+F；

（4）球化退火, 目的：使片状渗碳体变为球状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工性。得到颗粒状P+Fe3C。

例8：选材设计一个车床主轴。该主轴受交变弯曲和扭转的复合应力，载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，轴颈部要求耐磨。请选材并设计热处理工序。需说明各热处理工序的作用，画出工艺曲线，并指出热处理后的组织。（备选材料45、T8、20CrMnTi）

答：

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1) 正火（或完全退火）：消除锻造应力、调整硬度、细化晶粒；组织：S+F

2) 调质（淬火+高温回火）：使钢获得综合性能好；组织：S回

3) 表面淬火+低温回火：提高表面硬度和耐磨性；组织：表面M回 心部S回

最新工程材料试题及答案解析

工程材料试题

一、名词解释题（每题3分，共30分）

1、金属化合物；与组成元素晶体结构均不相同的固相

2、固溶强化；随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。

3、 铁素体；碳在a-Fe中的固溶体

4、加工硬化；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。

5、球化退火；将工件加热到Ac1以上30——50摄氏度保温一定时间后随炉缓慢冷却至600摄氏度后出炉空冷。

6、金属键； 金属离子与自由电子之间的较强作用就叫做金属键。

7、再结晶；冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程.

8、枝晶偏析；在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象。

9、正火；是将工件加热至Ac3或Accm以上30~50℃,保温一段时间后,从炉中取出在空气中冷却的金属热处理工艺。 10、固溶体。合金在固态时组元间会相互溶解，形成一种在某一组元晶格中包含有其他组元的新相，这种新相称为固溶体

二、简答题（每题8分，共48分）

1、金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？《P16》

l 结晶的基本过程——晶核形成与晶核长大

结晶时的冷却速度（即过冷度）随着过冷度的增大，晶核的形成率和成长率都增大，但形成率的增长比成长率的增长快，同时液体金属中难熔杂质以及振动和搅拌的方法也会增大形核率

2、手锯锯条、普通螺钉、车床主轴分别用何种碳钢制造？

工程材料试题答案1

手锯锯条：它要求有较高的硬度和耐磨性，因此用碳素工具钢制造。如T9,T9A,T10,T10A,T11,T11A

普通螺钉：它要保证有一定的机械性能，用普通碳素结构钢制造，如Q195,Q215,Q235

车床主轴：它要求有较高的综合机械性能，用优质碳素结构钢，如30，35，40，45，50

3、金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化？

《1》晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性，如纵向的强度和塑性远大于横向等。《2》晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化，即随着变形量的增加，强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降，《3》织构现象的产生，即随着变形的发生不仅金属中晶粒会被破碎拉长，而且各晶粒的晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动，转动结果金属中每个晶粒的晶格位向趋于大体一致，产生织构现象，《4》冷压力加工过程中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间的变形不均匀，金属内部会形成残余的内应力，这在一般情况下都是不利的，会引起零件尺寸不稳定。

4、固溶体和金属间化合物在结构和性能上有什么主要差别？

在结构上：固溶体的晶体结构与溶剂的结构相同，而金属间化合物的晶体结构不同于组成它的任一组元，它是以分子式来表示其组成。

在性能上：形成固溶体和金属件化合物都能强化合金，但固溶体的强度，硬度比金属间化合物低，塑性，韧性比金属间化合物好，也就是固溶体有更好的综合机械性能。

5、实际晶体中的点缺陷，线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响？

如果金属中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随着晶体中缺陷的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。因此，无论点缺陷，线缺陷和面缺陷都会造成晶格畸变，从而使晶体强度增加。同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻，降低金属的抗腐蚀性能。

6、比较退火的状态下的45钢、T8钢、T12钢的硬度、强度和塑性的高低，简述原因。

三、综合分析题（共22分）

1、（12分）有两个含碳量为1.2%的碳钢薄试样，分别加热到780℃和860℃并保温相同时间，使之达到平衡状态，然后以大于VK的冷却速度至室温。试问：

（1）哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大？

因为860摄氏度加热温度高，加热时形成的奥氏体晶粒粗大，冷却后得到的马氏体晶粒叫粗大

（2）哪个温度加热淬火后马氏体含碳量较多？

因为加热温度860已经超过了Accm，此时碳化物全部溶于奥氏体中，奥氏体中含碳量增加，而奥氏体向马氏体转变是非扩散型转变，所以冷却后马氏体含碳量较多。

工程材料试题答案1

（3）哪个温度加热淬火后残余奥氏体较多？

因为加热温度860已经超过了Accm，此时碳化物全部溶于奥氏体中，使奥氏体中含碳量增加，降低钢的Ms和Mf点，卒火后残余奥氏体增多。

（4）哪个温度加热淬火后未溶碳化物较少？

因为加热温度860已经超过了Accm，此时碳化物全部溶于奥氏体中，因为加热卒火后未溶碳化物较少

（5）你认为哪个温度加热淬火后合适？为什么？

780加热卒火后合适。因为含碳量为1.2%的碳钢属于过共析钢，过共析碳钢卒火加热温度Ac1

+(30_50摄氏度)，而780在这个温度范围内，这时卒火后的组织为均匀而细小的马氏体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混合组织，使钢具有高的强度，硬度和耐磨性，而且也具有较高的韧性。

2、（10分）说明45钢试样（Φ10mm）经下列温度加热、保温并在水中冷却得到的室温组织：700℃，760℃，840℃，1100℃。

700：因为它没有达到相变温度，因此没有发生相变，组织为铁素体和珠光体。

760：它的加热温度在Ac1_Ac3之间，因此组织为铁素体，马氏体和少量残余奥氏体。

840：它的加热温度在Ac3以上，加热时全部转变为奥氏体，冷却后的组织为马氏体和少量残余奥氏体。

1100：因为它的加热温度过高，加热时奥氏体晶粒粗化，卒火后得到粗片状马氏体和少量残余奥氏体

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