工程材料及成形技术基础课课后习题参考答案

工程材料及成形技术基础课课后习题参考答案

第一章：

1-1 机械零件在工作条件下可能承受哪些负荷？这些负荷对零件产生什么作用？

答： 机械零件在工作条件下可能承受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用（单负荷或复合负荷的作用）。力学负荷可使零件产生变形或断裂；热负荷可使零件产生尺寸和体积的改变，产生热应力，热疲劳，高温蠕变，随温度升高强度降低（塑性、韧性升高），承载能力下降；环境介质可使金属零件产生腐蚀和摩擦磨损两个方面、对高分子材料产生老化作用。 1-3 σs、σ0.2和σb含义是什么？什么叫比强度？什么叫比刚度？ 答：σs－Ps∕F0,屈服强度，用于塑性材料。

σ料。

σb－Pb∕F0,抗拉强度，材料抵抗均匀塑性变形的最大应力值。 比强度－材料的强度与其密度之比。 比刚度－材料的弹性模量与其密度之比。 思考１－１、１－２.

2-3 晶体的缺陷有哪些？可导致哪些强化？

答：晶体的缺陷有：

⑴点缺陷——空位、间隙原子和置换原子，是导致固溶强化的主要原因。

⑵线缺陷——位错，是导致加工硬化的主要原因。 ⑶面缺陷——晶界，是细晶强化的主要原因。

2-5 控制液体结晶时晶粒大小的方法有哪些？

答： 见P101.3.4.2液态金属结晶时的细晶方法。⑴增加过冷度；⑵加入形核剂（变质处理）；⑶机械方法（搅拌、振动等）。

2-8 在铁-碳合金中主要的相是哪几个？可能产生的平衡组织有哪几种？它们的性能有什么特点？

答：在铁-碳合金中固态下主要的相有奥氏体、铁素体和渗碳体。可能产生的室温平衡组织有铁素体加少量的三次渗碳体（工业纯铁），强度低塑性好；铁素体加珠光体（亚共析钢），珠光体（共析钢），珠光体加二次渗碳体（过共析钢），综合性能好；莱氏体加珠光体加二次渗碳体（亚共晶白口铸铁），莱氏体（共晶白口铸铁），莱氏体加一次渗碳体（过共晶白口铸铁），硬度高脆性大。 思考题

1. 铁-碳合金相图反映了平衡状态下铁-碳合金的成分、温度、组织三者之间的关系，试回答：

⑴ 随碳质量百分数的增加，铁-碳合金的硬度、塑性是增加还是减小？为什么？ ⑵ 过共析钢中网状渗碳体对强度、塑性的影响怎样？ ⑶ 钢有塑性而白口铁几乎无塑性，为什么？

⑷ 哪个区域的铁-碳合金熔点最低？哪个区域塑性最好？ ﹡ ⑸ 哪个成分结晶间隔最小？哪个成分结晶间隔最大？

答： ⑴ 随碳质量百分数的增加，硬度增加、塑性减小。因为随碳质量百分数的增加，渗碳体量增加而硬度增加，铁素体量减少而塑性减少。即硬度只与渗碳体量多少有关，塑性只与铁素体量多少有关。

0.2－P0.2∕F0,产生

0.2％残余塑性变形时的条件屈服强度，用于无明显屈服现象的材

⑵ 过共析钢中网状渗碳体对强度、塑性均降低。因为网状渗碳体破坏了基体的连续性导致强度下降。

⑶ 塑性主要与铁-碳合金中的铁素体相含量多少有关，铁素体相含量越多塑性越好。钢含碳量低（ωc＜2.11％）铁素体相含量多形成综合力学性能好的珠光体为基体而有塑性，白口铁含碳量高（ωc＞2.11％）,渗碳体相含量高形成硬而脆的莱氏体为基体而几乎没有塑性。

⑷ 共晶点成分合金（ωc﹦4.3％）的熔点最低，奥氏体区（GSEJNG）塑性最好（面心立方晶格）。

﹡ ⑸ C点共晶成分（ωc＝4.3％）、组元纯铁Fe（ωc﹦0％）及渗碳体Fe3C（ωc﹦6.69％）的结晶间隔最小（为零），E点（ωc＝2.11％）成分结晶间隔最大。 2. 简述ωc﹦0.4％的钢从液态冷却到室温时的结晶过程及组织。 答： ωc﹦０.４％的钢属于亚共析钢，结晶过程为： Ｌ → Ｌ﹢Ａ → Ａ → Ａ﹢Ｆ → Ｐ﹢Ｆ 思考 ２－２ ２－４ ２－６

第二章：

3-1 什么是珠光体、贝氏体、马氏体？它们的组织及性能有何特点？

答： 珠光体（P）—铁碳合金平衡状态下，在PSK线（727℃）发生共析转变的转变产物，即铁素体片和渗碳体片交替排列的机械混合物组织。强度比铁素体和渗碳体都高，塑性、韧性和硬度介于铁素体和渗碳体之间。热处理后可得到在铁素体基体上分布着粒状渗碳体的粒状珠光体，综合性能更好。

贝氏体（B）—从550℃到Ms范围内中温转变、半扩散型转变的非平衡组织，即含过饱和碳的铁素体和渗碳体的非片层状混合物组织。按组织形态不同分羽毛状的上贝氏体 （B上）和针片状的下贝氏体（B下）。上贝氏体脆性大无实用价值，下贝氏体的铁素体针细小，过饱和度大，碳化物弥散度大，综合性能好。

马氏体（M）—Ms-Mf之间低温转变、非扩散型转变的非平衡组织，即过饱和碳的α固溶体。体心正方晶格，分板条马氏体（低碳马氏体ωc＜0.20％,位错马氏体），强韧性较好；针状马氏体（高碳马氏体ωc＞1.0％，孪晶马氏体），大多硬而脆；ωc在0.2％～1.0％之间为两者的混合组织。马氏体的含碳量越多，硬度越高，马氏体有弱磁性。A→M,体积要膨胀，产生较大的内应力。

3-８ 什么是淬火？淬火的目的是什么？常用的淬火方法有哪几种？说明各种淬火方法的优缺点及其应用范围。

答： 淬火－将钢加热到高温奥氏体化后以大于临界冷却速度ＶＫ冷却获得马氏体或贝氏体的工艺。淬火的目的是使钢获得高硬度的组织。常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火。单介质淬火操作简单但淬火应力大，双介质淬火可降低淬火应力，但经验要求高，分级淬火操作易控制且能有效降低淬火应力，但受尺寸限制只宜小件，等温淬火获得下贝氏体组织，强韧性好且变形小，同样受尺寸限制。适用于处理形状复杂、要求变形小或韧性高的合金钢零件。

3-1０ 钢淬火后为什么一定要回火？说明回火的种类及主要应用范围。

答： 钢淬火后一般不能直接使用，因为：①零件处于高应力状态（＞300～500MPa），放置或使用时很容易变形和开裂；②淬火态的组织（M＋A）是极端非平衡的亚稳定状态，有向稳定组织转变的自发趋向，放置或使用中组织转变，引起性能和尺寸变化；③淬火状态一般是 同种钢最硬状态，但不一定是使用所要求的状态。回火的目的：①降低或消除淬火应力；②

回火的种类及主要应用范围见下表。 类别 回火温度/℃ 组织和硬度/HRC M回，58～64 回火目的 主要应用范围 保持高硬度，高耐磨刃具，冷作模具，性，消除应力，降低量具，渗碳件，脆性 表面淬火件，滚动轴承等 获高的屈服强度和弹弹簧，模锻锤杆，性极限 获高的综合机械性能 热作模具等 连杆，轴等 低温回火 150～250 中温回火 350～500 高温回火 500～650 T回，35～50 S回，25～35 思考题

１. 试说明下列钢件应采用何种退火工艺、退火的目的及退火后的组织： ⑴ 经冷轧后的１５钢钢板，要求降低硬度； ⑵ 铸造成形的机床床身；

⑶ 经锻造过热（晶粒粗大）的ωｃ﹦０.６０％的锻件； ⑷ 具有片状渗碳体组织的Ｔ１２钢件。

正火与退火的主要区别有哪些？生产中应如何选择？ 答： ⑴ 再结晶退火，消除加工硬化； ⑵ 去应力退火，消除铸造应力；

⑶ 完全退火，细化晶粒；

⑷ 球化退火，改善切削加工性能和为最终热处理作组织准备。

正火与退火的主要区别是： ⑴ 冷却速度不同，正火冷却速度比退火快；⑵ 退火分相变退火和不相变退火，正火必须加热到奥氏体区；⑶ 组织性能，正火比退火的析出相（Ｆ、Ｆｅ３Ｃ）少，组织细，强度硬度高，塑性韧性也好。生产中选择 ⑴ 改善切削加工性能，一般ωｃ＜０.５％的钢用正火，提高硬度，ωｃ＞０.５％的钢用退火，降低硬度；⑵消除过共析钢网状二次渗碳体只能用正火；⑶在许可情况下优先用正火，提高生产率和经济效率。 ２. 在什么情况下采用表面淬火、表面化学热处理、表面形变强化及其他表面处理？用20（ωc＝0.20％）钢进行表面淬火和用45（ωc＝0.45％）钢进行渗碳处理是否合适？为什么？

答： 表面淬火是使表面获得高硬度高耐磨性的淬火组织而工件内部仍保持原有组织与性能。使零件整体获得“表硬心韧”的性能，用于要求能承受一定冲击并且表面承受摩擦磨损的零件（如齿轮的轮齿，机床的道轨，轴及花键轴等）。表面淬火只能少量提高表面硬度，一般用于中碳结构钢和中碳低合金结构钢，有时也用于冲击较小的高碳钢刃具、模具及铸铁件。

表面化学热处理是通过改变表层化学成分来改变表层组织、性能。同样获得“表硬心韧”的性能，化学热处理和表面淬火都属于表面热处理，但化学热处理能更有效地提高表层性能。渗碳用于承受冲击更大，耐磨性要求更高的零件，用低碳结构钢和低碳合金结构钢。渗氮用于显著提高表面硬度和耐磨性，疲劳强度和抗蚀性，氮化温度低，变形小，但周期长，成本高，只用于对耐磨性和精度要求更高的零件或要求抗热、抗蚀的耐磨件，如发动机气缸、排气阀、精密机床丝杠、镗床主轴等。氮化用中碳合金结构钢（38CrMoAl是氮化专用钢）。 表面形变强化是通过对零件表面产生塑性变形，产生加工硬化，提高表面性能，产生较大的残余应力，提高疲劳强度，并可清除表面氧化皮，延长使用寿命。特别适用于有缺口的零件、零件的截面变化处、圆角、沟槽及焊缝区等部位的强化。广泛用于弹簧、齿轮、叶片、飞机零件等。

其他表面处理有高能束表面改性（激光、电子束）、电镀及化学镀、气相沉积技术、热喷涂技术、化学转化膜技术等。主要目的是对材料表面进行特殊的强化或作某些功能处理，以提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性，或提高零件的装饰性，或改变表面的电、磁性能等。表面改性技术一般不改变基体材料的成分或组织。

20钢进行表面淬火不合适，低碳钢表面淬火后表面硬度并不高（≤50HRC），不耐磨；45钢进行渗碳处理以不合适，中碳钢渗碳热处理后心部的韧性不够，不能承受较大的冲击。 思考 ３－３ ３－４ ３－６ ３－７ ３－１１ 4-2

何谓调质钢？从钢号如何判别是否为调质钢?合金调质钢中常加入的合金元素有哪

些？为达到调质钢相近的强韧性能，还可选用哪些钢种？

答：调质钢是指在调质处理（淬火＋高温回火）状态下使用的钢种。一般为中碳结构钢和中碳合金结构钢。从钢号判别调质钢主要从 ① 含碳量的表示方法，必须用两位数表示的，说明是结构钢；② 含碳量的高低，必须是中碳钢范围，即ωc＝0.25％～0.55％。合金调质钢中常加入合金元素有: ① 提高淬透性并产生固溶强化的主加元素Mn、Si、Cr、Ni、B等；② 形成稳定碳化物，阻止加热时奥氏体晶粒长大，起细晶强韧化作用的辅加元素Ti、V、W、Mo等，Mo、W还能防止产生高温回火脆性。合金元素可明显提高钢的抗回火能力。为达到调质钢相近的强韧性，① 部分中碳钢钢种（如45MnV、35MnS）通过控制锻造工艺参数直接生产零件，可达调质的性能；② 部分低、中碳钢钢种（如20CrMnTi、20MnV、15MnVB、27SiMn、20SiMnMoV等）处理成低碳马氏体（淬火低温回火）或下贝氏体（等温淬火），可代替调质钢。

﹡４–４ 高碳刃具钢、高碳滚动轴承钢、高碳冷作模具钢的热处理方法、使用状态组织及性能有何异同处？ 答：用表分析： 钢种 高碳刃具钢 ① 碳素工② 低合金刃具钢； ③ 高速钢。 高碳滚动轴承钢 热处理方法 使用状态组织 性能 相同处 不同处 ①② 淬火低高碳M回＋碳高硬度，高温回火； 化物＋少量残耐磨性，高火余奥氏体 560℃三次回火（仍是低温回火） 淬火低温回极细的M火 回＋① 含碳量均① 刃具钢有为高碳； 热硬性要求； 法基本相② 滚动轴承同； 钢对抗腐③ 使用组织蚀性、抗相同； 压强度和④ 高硬度和高耐磨性要求相同。 接触疲劳强度有要求； ③ 冷作模具钢对淬透性要求较高； ④ 刃具钢、冷作模具钢有优质钢和高级优质钢之具钢； ③ 淬的热硬性，② 热处理方适量的强韧性 高的抗压强度和接触疲劳强度，高的硬度和耐磨性，一定的韧性和抗腐蚀性 细粒状碳化物＋少量残余奥氏体 高碳冷作模具钢 ① 碳素工① ②淬火低高碳M回＋碳高强度，高温回火； 化物＋少量残硬度，高耐③高温淬火余奥氏体 磨性，一定具钢； 510～520℃② 低合金多次回火（仍工具钢； 是低温回③ 高碳高铬钢； ④ 空冷淬火冷作模具钢； ⑤ 基体钢

４–７

火）； ④ 空冷淬火回火； ⑤ 同高速钢 的韧性和较高的淬透性 分，滚动轴承钢只有高级优质钢一种； ⑤ 冷作模具钢使用的钢种类型多。 填写表４–２１.说明表中铸铁牌号的了类别、符号和数字的含义、组织特点和用途。

表４－２１ 铸铁牌号的类别、符号和数字的含义、组织特点和用途

符号和数字的含义 类别 组织特点 用途 铸铁牌号 HT200 HT-灰铁，200-最低灰口铸铁 抗拉强度为200MPa KTH-黑心可铁，黑心可锻350-最低抗拉强度铸铁 为350MPa，10-最低延伸率为10％. 基体（F﹢P、P）﹢G片 基体（F）﹢G团絮 主要用于承压件和受力较小的不重要零件 用于形状复杂、承受一定冲击的薄壁件 KTH350-10 RuT300 RuT-蠕墨铸铁，300-蠕墨铸铁 最低抗力强度为300MPa 基体﹢G蠕虫 用于结构复杂、承受热循环载荷、组织致密、强度要求高的铸件 用于受力复杂、对强度、韧性和耐磨性要求高的零件 QT600-3 QT-球铁，600-最低球墨铸铁 抗力强度为600MPa，3-最低延伸率为3％ 基体（P﹢F）﹢G球 4-8

填写表4-22，指出表中金属材料的类别、牌号或代号的含义、特性和主要用途。

表4-22 金属材料的类别、牌号或代号的含义、特性和主要用途

材料牌号或代号 类别 5A05 防锈铝合金 牌号或代号含义 5-Al-Mg系合金，A-原始合金，05-产品代号。代号LF5 特性 良好的耐蚀性、塑性、及低温韧性。单相固溶体不能热处理强化。 用途 宜作压力加工、焊接、冷变形件。 2A12 硬铝合金 2-Al-Cu-Mg系合金，A-原始合金，LY12 高强度（σb≥热处理强化，形300MPa），比强度变强化。 12-产品代号。代号接近高强钢。

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