工程材料（金属材料）课后习题答案

工程材料参考答案

第1章 机械工程对材料性能的要求

思考题与习题P20

1.3、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？p4

工程构件与机械零件（以下简称零件或构件）在工作条件下可能受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用。有时只受到一种负荷作用，更多的时候将受到两种或三种负荷的同时作用。

在力学负荷作用条件下，零件将产生变形，甚至出现断裂；

在热负荷作用下，将产生尺寸和体积的改变，并产生热应力，同时随温度的升高，零件的承载能力下降；

环境介质的作用主要表现为环境对零件表面造成的化学腐蚀，电化学腐蚀及摩擦磨损等作用。 1.4 整机性能、机械零件的性能和制造该零件所用材料的力学性能间是什么关系？p7

机器的整机性能除与机器构造、加工与制造等因素有关外，主要取决于零部件的结构与性能，尤其是关键件的性能。在合理而优质的设计与制造的基础上，机器的性能主要由其零部件的强度及其它相关性能来决定。

机械零件的强度是由结构因素、加工工艺因素、材料因素和使用因素等确定的。在结构因素和加工工艺因素正确合理的条件下，大多数零件的体积、重量、性能和寿命主要由材料因素，即主要由材料的强度及其它力学性能所决定。

在设计机械产品时，主要是根据零件失效的方式正确选择的材料的强度等力学性能判据指标来进行定量计算，以确定产品的结构和零件的尺寸。

1.5常用机械工程材料按化学组成分为几个大类？各自的主要特征是什么？ p17

机械工程中使用的材料常按化学组成分为四大类：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。

材料 结合键 主要特征 优点：良好的综合力学性能（强度和塑性等）、导电性、导热性和工艺性能等，并呈特有的金属光泽。 缺点：在特别高的温度以及特殊介质环境中，由于化学稳定性问题，一般金属材料难以胜任。 优点：具有高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性及重量轻等优良性能，而且易于成形。 缺点：耐热差，尺寸稳定性低，强度硬度低，易老化。 优点：熔点高、硬度高、化学稳定性高，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘和热膨胀系数小的特点。 缺点：脆性大、不易加工成形。 优点：具有单一材料所不具备的优异性能，可按需要进行人为设计、制造。 金属材料 金属键 高分子材料 共价键和分子键 离子键或共价键 陶瓷材料 复合材料 — 缺点：价格昂贵 提示：强度、塑性、化学稳定性、高温性能、电学、热学方面考虑回答。

1.7、常用哪几种硬度试验？如何选用P18？硬度试验的优点何在P11？ 硬度试验 布氏硬度 选用 常用于退火状态下的钢材、铸铁、有色金属及调质钢的硬度测试（即材料硬度相对偏中低水平的）。 不适宜于测量硬度较高的零件、成品零件及薄而小的零件。 可测量较高硬度的材料（如一般淬火处理的钢或工具钢），也可测量硬度不太洛氏硬度 高的材料（如调质钢）等，并且测量中压痕小、不易损伤零件表面。 组织粗大且不均匀的材料，测量结果不够准确、重复性差。 用于薄工件或薄表面硬化层的硬度测试。显微硬度用于材料微区硬度（如单个晶粒、夹杂物、某种组成相等）的测试。 莫氏硬度用于陶瓷和矿物的硬度测定。 邵氏硬度常用于橡胶、塑料的硬度测定。 维氏硬度 其他

硬度试验有以下优点：

? 试验设备简单，操作迅速方便； ? ? ? ? ?

试验时一般不破坏成品零件，因而无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程材料和各种尺寸的零件；

硬度作为一种综合的性能参量，与其它力学性能如强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，由此可按硬度估算强度而免做复杂的拉伸实验（强韧性要求高时则例外）；

材料的硬度还与工艺性能之间有联系，如塑性加工性能、切削加工性能和焊接性能等，因而可作为评定材料工艺性能的参考；

硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，故可用来检验原材料和控制冷、热加工质量。

（提示：设备简单；试样方便（无需专门加工）；在一定范围可与力学性能、工艺性能建立联系；工程中常用）

第2章 材料的组成和内部结构特征

思考题与习题P55

2.7在铁碳合金中主要的相是哪几个？两个最主要的恒温反应是什么？其生成的组织是什么？它们的性能有什么特点？

答：铁碳合金相图中共有五个基本相，即液相L、铁素体相F、高温铁素体相δ、奥氏体相A及渗碳体相Fe3C。

在ECF水平线（1148℃）发生共晶转变L4.3 A2.11+Fe3C。转变产物为渗碳体基体上分布着一定形态、数量的奥氏体的机械混合物（共晶体），称为莱氏体，以符号“Ld”表示，性能硬而脆。

在PSK线（727℃）发生共析转变A0.77 F0.0218+Fe3C。转变产物为铁素体基体上分布着一定数量、形态的渗碳体的机械混合物（共析体），称为珠光体，以符号“P”表示。珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。

2.9 根据铁碳相图对铁碳合金进行分类，试分析不同铁碳合金成分、室温平衡组织及性能之间关系。

答：由Fe—C相图可将铁碳合金分为以下几类：

①工业纯铁：wC≤0.0218%， 组织为F+Fe3CIII

亚共析钢：0.0218%

亚共晶（白口）铸铁：2.11%

由F和Fe3C两相构成的铁碳合金的室温平衡组织，随着含碳量的增加其变化规律为： F（+少量Fe3CIII）→F+P→P→P+ Fe3CII（网状）→P+ Fe3CII+Ld’ →Ld’ →Ld’+Fe3CI

随着含碳量的增加，组织组成发生相应的变化，硬度增加，塑韧性降低；强度的变化是先增加后降低，大约在含碳量为0.9%时为最大值。合金中组织的不同引起的性能差异很大，这与Fe3C的存在形式密切相关，当他与F（基体）构成片层状的P组织时，合金的强度和硬度均随含碳量增加而增加，而当Fe3C以网状分布在晶界上时，不仅使塑韧性降低，也使强度降低；当Fe3C以粗大形态存在时（Ld’或Fe3CI），塑韧性和强度会大大降低。 2.11 从铁一碳相图的分析中回答：

（1）随碳质量百分数的增加，硬度、塑性是增加还是减小？

答：随着含碳量的增加，硬度增加，塑韧性降低；因为随含碳量增加Fe3C数量越来越多。 （2）过共析钢中网状渗碳体对强度、塑性的影响怎样？

答：对基体产生严重的脆化，使强度和塑性下降。 （3）钢有塑性而白口铁几乎无塑性？

答：钢是以塑韧的F为基体，而白口铁是以硬脆的Fe3C为基体，所以钢有塑性，而白口铁几乎无塑性。

（4）哪个区域熔点最低？哪个区域塑性最好？

答：共晶白口铸铁熔点最低。A区塑性最好。 2.13 根据Fe-Fe3C相图，说明产生下列现象的原因：

（1）含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高；

答：因为钢的硬度随含碳量的增加而增加。

（2）在室温下含碳量0.8%的钢其强度比含碳量1.2%的钢强度高；

答：含碳量超过0.9%后，Fe3C以网状分布在晶界上，从而使钢的强度大大下降。

（3）低温莱氏体的塑性比珠光体的塑性差；

答：因为低温莱氏体是由共晶Fe3C、Fe3CII和珠光体组成，因此比起但纯的珠光体来说，其塑性要差。

（4）在1100℃，含碳量0.4%的钢能进行锻造，含碳量4.0%的生铁不能锻造；

答：因为在1100℃，含碳量0.4%的钢处于A单相区，而含碳量4.0%的生铁处于A+ Fe3CII+Ld’； （5）钢铆钉一般用低碳钢制成；

答：钢铆钉需要有良好的塑韧性，另外需要兼有一定的抗剪切强度，因而使用低碳钢制成； （6）钳工锯0.8%C、1.0%C、1.2%C等钢材比锯0.1%C、0.2%C钢材费力，锯条容易磨损；

答：0.8%C、1.0%C、1.2%C中的含碳量高，组织中的Fe3C的含量远比0.1%C、0.2%C钢中的含量高，因此比较硬，比较耐磨；

（7）钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于铸造成型；

答：铸铁的熔点低，合金易熔化、铸造过程易于实施；钢的含碳量比铸铁低，通过加热可进入单相固溶体区，从而具有较好的塑性、较低的变形抗力，不易开裂，因此适宜于压力加工成形。

第3章 工程材料成形过程中的行为与性能变化

思考题与习题P81

3、金属晶粒大小对机械性能有什么影响？如何控制晶粒的大小？P67～P68

答：机械工程中应用的大多数金属材料是多晶体。同样的金属材料在相同的变形条件下，晶粒越细，晶界数量就越多，晶界对塑性变形的抗力越大，同时晶粒的变形也越均匀，致使强度、硬度越高，塑性、韧性越好。因此，在常温下使用的金属材料，一般晶粒越细越好。

晶粒度的大小与结晶时的形核率N和长大速度G有关。形核率越大，在单位体积中形成的晶核数就越多，每个晶粒长大的空间就越小，结晶结束后获得的晶粒也就越细小。同时，如果晶体的长大速度越小，则在晶体长大的过程中可能形成的晶粒数目就越多，因而晶粒也越小。

细化晶粒的方法有：

1）增大过冷度——提高形核率和长大速度的比值，使晶粒数目增大，获得细小晶粒； 2）加入形核剂——可促进晶核的形成，大大提高形核率，达到细化晶粒的目的；

3）机械方法——用搅拌、振动等机械方法迫使凝固中的液态金属流动，可以使附着于铸型壁上的细晶粒脱落，或使长大中的树枝状晶断落，进入液相深处，成为新晶核形成的基底，因而可以有效地细化晶粒。

4、金属铸锭通常由哪几个晶区组成？它们的性能特点如何？P69～P70

答：金属铸锭的宏观组织由由三个晶区组成的，由外至里分别是细等轴晶粒区、柱状晶粒区和中心等轴晶粒区。其性能特点如下：

（1）表面细等轴晶区：晶粒细小，有较高的致密度，其力学性能也较好。但因其厚度太小，往往在随后的机械加工过程中去除，因而对铸锭总体性能的影响可以忽略不计。

（2）柱状晶区：柱状晶区的各个晶粒平行地向中心长大，彼此互相妨碍，不能产生发达的分枝，结晶后的组织比较致密。但晶粒较粗大，晶粒间交界处容易聚集杂质形成脆弱区，受力时容易沿晶界开裂。因此，柱状晶的力学性能具有较明显的各向异性。一般铸件中应尽量限制出现较大的柱状晶区。

（3）中心等轴晶区：等轴晶的分枝比较发达，凝固后容易形成显微缩松，晶体致密度较低，但杂质元素在等轴晶间的分布比较均匀，不会出现明显的各向异性，铸锭晶间的缩松还可在后续的压力加工过程中焊合。因此，对于铸锭和一般使用条件下的铸件，希望获得等轴晶组织。

6.室温下，对一根铁丝进行反复弯曲—拉直试验，经过一定次数后，铁丝变得越来越硬，试分析原因。如果将这根弯曲—拉直试验后的铁丝进行一定温度的加热后，待冷至室温，然后再试着弯曲，发现又比较容易弯曲了，试分析原因。

答：铁丝进行反复弯曲—拉直的过程是塑性变形的过程，在经过一定次数后铁丝产生了加工硬化，因此强度硬度越来越高；若进行一定温度的加热后，变形的铁丝发生了回复再结晶，加工硬化消除，硬度降低，所以又比较容易弯曲了。

7、什么是金属的回复和再结晶过程？回复和再结晶过程中金属的组织性能发生了哪些变化？P75

答：回复：塑性变形后的金属加热时，开始阶段由于加热温度不高，原子获得的活动能力较小，只能进行短距离的扩散，金属的显微组织仍保持纤维组织，力学性能也不发生明显的变化。在这一阶段内，原子的短距离扩散使晶体在塑性变形过程中产生的晶体缺陷减少，晶格畸变大部分消除，材料中的残余应力基本消除，导电性和抗腐蚀能力也基本恢复至变形前的水平。

再结晶：把经历回复阶段的金属加热到更高温度时，原子活动能力增大，金属晶粒的显微组织开始发生变化，由破碎的晶粒变成完整的晶粒，由拉长的纤维状晶粒转变成等轴晶粒。这种变化经历了两个阶段，即先在畸变晶粒边界上形成无畸变晶核，然后无畸变晶核长大，直到全部转化为无畸变的等轴晶粒。该过程无相变发生，也为原子扩散导致的形核、长大过程，因此称为再结晶。金

属在再结晶过程中，由于冷塑性变形产生的组织结构变化基本恢复，力学性能也随之发生变化，金属的强度和硬度下降，塑性和韧性上升，加工硬化现象逐渐消失，金属的性能重新恢复至冷塑性变形之前的状态。

8、什么是加工硬化？试述金属在塑性变形中发生加工硬化的原因？试分析加工硬化的利与弊。P74

答：加工硬化：金属在塑性变形过程中，随着变形程度增加，强度、硬度上升，塑性、韧性下降，这种现象称加工硬化（也叫形变强化）。 加工硬化的原因：金属变形过程主要是通过位错沿着一定的晶面滑移实现的。在滑移过程中，位错密度大大增加，位错间又会相互干扰相互缠结，造成位错运动阻力增加，同时亚晶界的增多，从而出现加工硬化现象。

利与弊：加工硬化加大了金属进一步变形的抗力，甚至使金属开裂，对压力加工产生不利的影响。因此需要采取措施加以软化，恢复其塑性，以利于继续形变加工。但是，对于某些不能用热处理方法强化的合金，加工硬化又是一种提高其强度的有效的强化手段。

第4章 改善材料性能的热处理、合金化及改性

思考题与习题P113

3、说明共析钢过冷奥氏体在不同温度等温冷却所得的转变组织及其性能的主要特征。

A1～550℃为珠光体转变区（P区），奥氏体分解为铁素体和渗碳体相间的片层状组织，它是靠Fe与C原子长距离扩散迁移，铁素体和渗碳体交替形核长大而形成的，为全扩散型转变。稍低于A1的等温转变产物的片层间距较大。而随着转变温度下降，过冷度加大，过冷奥氏体稳定性变小，孕育期变短，转变产物也变细。P区产物按转变温度的高低分别称为珠光体P（A1～650℃）、索氏体S（650～600℃）和屈氏体T（600～550℃）。这三种组织仅片层粗细不同，并无本质差异，片层越细，硬度、强度越高，它们统称为珠光体类型转变组织。

从550℃到Ms的范围内，过冷奥氏体发生贝氏体转变（B区）。由于转变温度较低，Fe几乎不扩散，仅C原子作短距离扩散，故转变产物的形态、性能及转变过程都与珠光体不同，是含过饱和碳的铁素体和渗碳体的非片层状混合物，为半扩散型转变。按组织形态的不同，将贝氏体分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。共析钢的B上在550～350℃形成，是自原奥氏体晶界向晶内生长的稍过饱和铁素体板条，具有羽毛状的金相特征，条间有小片状的Fe3C。在350～240℃形成的B下，其典型形态是呈一定角度的针片状更过饱和铁素体与其内部沉淀的超细小不完全碳化物（Fe2.4C）片粒，在光学显微镜下常呈黑色针状形态。

C曲线图低温区的两条水平线Ms、Mf之间是马氏体转变区域（M区）。马氏体转变是无扩散型相变，母相成分不变，得到所谓的马氏体组织，相变速度极快。马氏体实质上是含有大量过饱和碳的α固溶体（也可近似看成含碳极度过饱和的针或条状铁素体），产生很强的固溶强化。马氏体转变是在一定温度范围内进行的，共析钢的M转变约在240～-50℃进行。随着温度不断降低，M转变量不断增加，但是即使冷却到马氏体转变终了温度Mf点，也总有一部分剩余，称为残余奥氏体（A′）。钢中的wC越高，A′数量越多，共析钢的A′可达到5%～8%。M组织中少量的A′（≤10%）不会明显降低钢的硬度，反而可以改善钢的韧性。在钢中马氏体有板条马氏体和针状马氏体两种形态，当wC：低于0.20%时，为板条马氏体，也称低碳马氏体或位错马氏体，大多强韧；高于1.0%时，则为针状马氏体，也称高碳马氏体或孪晶马氏体，大多硬脆；0.2%～1.0%时，为两者的混合组织。钢中的碳含量越多，则所得的马氏体硬度越高，但残余奥氏体量也增多，综合结果使硬度趋于恒定。 5、试说明下列钢件应采用何种退火、退火的目的及退火后的组织： （1）经冷轧的15钢钢板，要求降低硬度；答：再结晶退火 （2）铸造成形的机床床身；答：去应力退火

（3）经锻造过热（晶粒粗大）的wC=0.60%的锻件；答：完全退火或等温退火 （4）具有细片状渗碳体组织的T12钢件，要求改善其切削性能。答：球化退火

7、试说明预先热处理与最终热处理的主要区别，以及它们之间的联系。

答：预先热处理常用的工艺方法有退火、正火、调质。通过预先热处理获得的无成分偏析、无热加工缺陷的稳定组织，还有利于零件在最终淬火（最终热处理）时各个部分均得到同等程度的淬火效果，使零件整个截面上的力学性能均匀一致；而且还可以减少零件淬火时尺寸和形状的变化等热处理缺陷。此外，良好的预先热处理组织还可为表面硬化零件提供心部的强韧性。因此，预先热处理可以为零件的最终热处理和表面强化处理做好组织准备。

最终热处理----保证零件的性能（图纸要求），工艺方法主要是淬火、回火，还有化学热处理和其他表面改性处理。

9、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：淬火钢一般不能直接使用，这是由于：①零件处于高应力状态（可达300～500MPa以上），在室温下放置或使用时很易引起变形和开裂；②淬火态（M+A′）是亚稳定状态，使用中会发生组织、性能和尺寸变化；③淬火组织中的片状马氏体硬而脆，不能满足零件的使用要求。回火能使这些状

况得到改善，获得所要求的力学性能。由于在回火过程中随着温度的提高逐渐发生了各种组织变化，钢的性能也会逐渐改变。根据回火温度可以分为三类回火，如下表所示：

回火温度 组织和硬度 类别 回火目的 应用举例 /℃ /HRC 保持高硬度高耐回火马氏体 冲模、量具、渗碳件、低温回火 150～250 磨性，消除应力，58～64 表面淬火件、轴承 降低脆性 中温回火 高温回火

13、简述钢中主要合金元素的作用。哪些杂质损害钢材性能？

答：合金元素在钢中的作用如下：

（1）形成固溶体，产生固溶强化

（2）形成细小第二相，产生弥散强化（或第二相强化） （3）溶入奥氏体，提高钢的淬透性

（4）提高钢的热稳定性，增加钢在高温下的强度、硬度和耐磨性 （5）细化晶粒，产生细晶强韧化 （6）形成钝化保护膜

（7）对奥氏体和铁素体存在范围的影响

20、有低碳钢齿轮和高碳钢齿轮各一个，要求齿面具有高的硬度和耐磨性，应分别采用怎样的热处理？并比较它们在热处理后组织与性能上的差别。

答：高碳钢齿轮应采用感应加热淬火和低温回火！！！热处理后的组织为“回火马氏体+少量残余奥氏体”；

低碳钢齿轮应正火后进行渗碳，然后进行淬火和低温回火，热处理后表层为高碳回火马氏体＋碳化物＋少量残余奥氏体，有很高的硬度和强度，而心部保持低碳钢的高韧性及高塑性，达到表硬心韧。

23、有两种共析钢试样，分别加热到780℃和880℃，并保温相同时间，使之达到平衡状态，然后以大于临界冷却速度的冷速冷至室温。试问： （1）那种加热温度的马氏体晶粒粗大？

答：880℃ （2）那种加热温度马氏体的含碳量较高？

答：880℃ （3）那种加热温度的残余奥氏体较多？

答：880℃ （4）那种加热温度的未溶解渗碳体较少？

答：880℃

（5）那种加热温度淬火最合适？为什么？

答780℃，因为该加热温度淬火后马氏体晶粒比较细小，马氏体含碳量较低从而组织应力较小，残余奥氏体量较少，加上未溶解碳化物，有利于提高钢的硬度和耐磨性。

350～500 500～650 回火屈氏体 35～50 回火索氏体 25～35 获得高的屈服强度和弹性极限 得到高的综合机械性能 弹簧、弹簧夹头、模锻锤杆、热作模具 连杆、轴、等重要结构件 第5章 常用金属材料及性能

习题答案P160

3、何谓渗碳钢？试分析此类钢的用途及性能特点、合金化原则、热处理特点，并列举其典型钢种。

答：渗碳钢是指经渗碳、淬火和低温回火后使用的结构钢。渗碳钢基本上都是低碳钢和低碳合金钢。

用途及性能特点：用于承受较大冲击负荷、同时表面经受强烈摩擦磨损的零件(如换档齿轮等)。经渗碳及淬、回火后，表硬内韧。

合金化原则：

①低碳(≤0.25%)，保证渗碳及热处理后表、里的良好配合。 ②加提高淬透性元素，Cr、Mn、Ni、B等，保证心部良好强韧性。

③加V、Ti、W等，阻止渗碳时晶粒长大。

热处理特点：渗碳后淬火和低温回火，获得具有高硬度、高耐磨性的高碳回火马氏体。 典型钢种：低淬透性15(20)、20Cr；

中淬透性20CrMnMo、20MnTiB；

高淬透性18Cr2Ni4W、20Cr2Ni4。

4、何谓调质钢？试分析此类钢的用途及性能特点、合金化原则、热处理特点，并列举其典型钢种。

答：调质钢：指调质（淬火+高温回火）后使用的中碳钢及中碳合金钢。

?用途及性能特点：

高强度（承受较大负荷）及高韧性（防止断裂事故）的重要零件（如机床主轴），具有良好的综合力学性能。

?合金化原则：

①中碳（0.30～0.5%），保证热处理后足够强度，又不致太脆。 ②加淬透性元素（Cr、Ni、Mn、Si、B），保证大截面均一的性能。 ③细化晶粒元素（V、W、Mo等）。 ④加Mo，消除回火脆性。

?热处理：调质即淬火+高温回火（500～650℃）。 ?常用典型钢种：低淬透性:45、40Cr、40MnB； 中淬透性:35CrMo、30CrMnSi； 高淬透性:40CrNiMo、40CrMnMo。

5、何谓弹簧钢？试分析此类钢的用途及性能特点、合金化原则、热处理特点，并列举其典型钢种。

答：弹簧钢: 主要用于制造弹簧的钢。

?用途、性能：主要用于制造弹簧；弹簧钢应具有高的弹性极限、高的疲劳强度和足够的塑性与韧性。

?合金化：

①中、高碳（0.45～0.7%）；

②加Si提高σe及（σs/σb）； ③加Mn、Si、或Cr提高淬透性； ④加Mo、W、V细化晶粒（重要弹簧）。

?热处理：

淬火＋中温回火，回火屈氏体 42～48HRC。 ?常用钢种：

65；65Mn；60Si2Mn；50CrV。

8、试比较冷作模具钢和热作模具钢的常用钢号、热处理特点和性能特点。 答：1)冷作模具钢：高碳（合金）钢。

常用钢号如：T8、T10、T12；9Mn2V、9SiCr、GCr15、

Cr12MoV、65Nb、W6Mo5Cr4V2。

?性能特点：高硬度高耐磨性、足够整体强度与韧性。用于各种冷冲压、冷成型模具； ?热处理特点：

淬火+低温回火，≥58HRC，细小马氏体+粒状碳化物+少量残余奥氏体。 2)热作模具钢：中碳合金钢

常用钢号如： 5CrNiMo、5CrMnMo；

3Cr2W8V；H11(4Cr5MoSiV)、H13(Cr5MoSiV1)。

?性能特点：耐热性、高温强度，耐热疲劳，高淬透性和导热性。用于锻模、热挤压模、热弯模等；

?热处理特点：

淬火、中温回火（高于工作温度），35～50HRC，得到回火屈氏体。

9、何谓高速钢？试分析此类钢的用途及性能特点、合金化原则、热处理特点，并列举其典型钢种。

答：高速钢是一类具有很高耐磨性和很高热硬性的工具钢，在高速切削条件刃部温度达到500～600℃时仍能保持很高的硬度，使刃口保持锋利，因此得名。

?用途及性能特点：

用于高速切削的刀具；具有高硬度、高耐磨性及高热硬性。

?合金化原则：

①高碳（ωc>0.8%）,以形成大量碳化物，保证高硬度、高耐磨性。 ②较多W与Mo（>10%）,产生W2C、Mo2C等细小弥散硬化，保证热硬性。 ③4%Cr，淬透性。

④加V，提高硬度、耐磨性。

?热处理特点：先在730℃～870℃之间预热，1200-1300℃ 高温淬火，三次 560℃回火（为了消除淬火钢中大量的残余奥氏体（可达30%左右），使合金碳化物弥散析出，以保证具有高的热硬性）,组织回火马氏体+碳化物+残余A；62～66HRC。

?典型钢种：W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V、W18Cr4V。

14、填写下表，说明表中铸铁牌号的类别、符号和数字的含义、组织特点和用途。 铸铁牌号 HT150 符号和数字的含义 类别 组织特点 P）上分布着一些片状石墨 应用 受力较小、不太重要的零件。 灰铸铁，最小抗拉强度值 灰铸铁 钢基体（F、F＋P、主要用于制造承压件或HT250 灰铸铁，最小抗拉强度值 孕育铸铁 可锻铸铁 钢基体（P）上分布着较细片状石墨 钢基体（F、P）上分布着一些团絮状石墨 同上 常用于制造形状复杂、承受一定冲击的薄壁件 KTH350—10 黑心可锻铸铁，最小抗拉强度——最小断后伸长率

KTZ700—02 珠光体可锻铸铁，最小抗拉强度——最小断后伸长率 可锻铸铁 P基体上分布着一些团絮状石墨 同上 QT450—10 球墨铸铁，最小抗拉强度、最小断后伸长率 球墨铸铁 球墨铸铁 钢基体（主要F）上分布着一些球状石墨 用来制造一些受力复杂，对强度、韧性和耐磨性要求高的零件. 同上，但性能要求更高一点。如汽、柴油机曲轴、车床主轴、 QT700—2 球墨铸铁，最小抗拉强度、最小断后伸长率 钢基体（主要P）上分布着一些球状石墨 15、填写下表，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。（建议去掉特性，主要用途简写，写出最主要的即可）

材料牌号或代号 20Cr 合金渗碳钢 碳含量≈0.2%；Cr%＜1.5% 用于制造高耐磨性、高疲劳强度和要求具有较高心部韧性（即表硬心韧）的零件 H68 45钢 普通黄铜 优质碳素结构钢 65Mn GCr15 弹簧钢 含碳量0.45%，Mn%＜1.5% 主要用作弹簧 H-黄铜;68-Cu%为68% 含碳量0.45% 形状复杂的深冲零件，散热器外壳、装璜件 结构零件 类别 牌号或代号含义 主要用途 滚动轴承钢 G—滚动轴承；含碳量1%左右，轴承，冷作模具 Cr%≈1.5% W6Mo5Cr4V2 高速钢 W%≈6%；Mo %≈5%；Cr %≈4%；高速切削刀具 V%≈2% Q235 普通碳素结构钢 Q-屈服强度；235—屈服强度值 C%≈0.1%；Cr %≈18%；Ni %≈9%；Ti%＜1.5% 普通结构件 1Cr18Ni9Ti 不锈钢 化工设备，装饰型材 38CrMoAl 调质钢 C%≈0.38%；Cr %＜1.5%；Mo %＜1.5%；Al%＜1.5% 氮化用钢 20CrMnMo 渗碳钢 C%≈0.2%；Cr %＜1.5%；Mn %＜1.5%；Mo%＜1.5% 多用于齿轮 9SiCr 合金工具钢 C%≈0.9%；Si %＜1.5%；Cr %＜1.5% 量刃具用钢 60Si2Mn 弹簧钢 C%≈0.6%；Si %≈2%；Mn %＜1.5%

主要用作弹簧 第7章 工程设计、制造与材料选择

习题答案

1、零件失效有哪些类型？试分析零件失效的主要原因。答案参考 P200～202

答：机器零件的失效可以分为过量变形失效、断裂失效和表面损伤失效。每一类失效又可细分为若干具体的失效形式。

失效的主要原因有以下四个方面：

（1）设计

1）应力计算错误——表现为对零件的工作条件或过载情况估计不足造成的应力计算错误。 2）热处理结构工艺性不合理 ——热处理结构工艺性是指零件结构对热处理工艺性的影响及零件结构对失效的影响。如把零件受力大的部位设计成尖角或厚薄悬殊等，这样导致应力集中、应变集中和复杂应力等，从而容易产生不同形式的失效。

（2）选材与热处理

1）选材错误——料牌号选择不当、错料、混料，均会造成零件的热处理缺陷或力学性能得不到保证和使用寿命下降。

2）热处理工艺不当——材料选择合理，但是热处理工艺或是热处理操作上出现了毛病，即使零件装配前没有报废，也容易早期失效。

3）治金缺陷——夹杂物、偏析、微裂纹、不良组织等超标，均会产生废品和零件失效。

（3）加工缺陷

冷加工和热加工工艺不合理会引起加工的缺陷，缺陷部位可能成为失效的起源。

如切削加工缺陷主要指敏感部位的粗糙度值太高，存在较深的刀痕；由于热处理或磨削工艺不当造成的磨削回火软化或磨削裂纹；应力集中部位的圆角太小，或圆角过渡不好；零件受力大的关键部位精度偏低，运转不良，甚至引发振动等，均可能造成失效。

（4）装配与使用

装配时零件配合表面调整不好、过松或过紧、对中不好、违规操作、对某些零件在使用过程中未实行或未坚持定期检查、润滑不良以及过载使用等，均可能成为零件失效的原因。

2、选材三原则是什么？零件选材时应注意什么问题？答案参考 P202～205 答：选材三原则是使用性能原则、工艺性原则、经济性原则。

使用性能原则——使用性能是选材的必要条件，是零件乃至机器完成其功能的基本保证。使用性能可由力学性能、物理性能和化学性能表征。机械零件主要是力学性能。

工艺性原则——是指材料经济地适应各种加工工艺而获得规定使用性能或形状的能力。 经济性原则——选材要讲经济效益，要考虑多项成本。

零件选材时应注意的几个问题：

①在多数情况下优先考虑使用性能，工艺性和经济性原则次之。

②有些力学性能指标（如σb、σ0.2、σ-1、KIC）可直接用于设计计算；δ、Ψ、αk等不能直接用于计算，而是用于提高零件的抗过载能力，以保证零件工作安全性。

③设计时确定的主要力学性能指标是零件应该具备的性能，在查阅手册转化为相应钢材的性能指标时，要注意手册上给出的组织状态：如果零件的最终状态与手册上给出的相同，可直接引用；否则，还要查阅其它手册、文献资料或进行针对性的材料力学性能试验。

④手册或标准给出的力学性能数据是在实验室条件下对小尺寸试样的试验结果，引用这些数据时要注意尺寸效应。

⑤由于材料的成分是一个范围，试样毛坯的供应状态可以有多种，因此即使是同一牌号的材料，性能也不完全相同。国际标准和原冶金部部颁标准给出的热轧或正火状态的力学性能范围或最低值，其数据可靠；而技术资料、论文中指出的数据一般是平均值，使用时要加以注意。

⑥同一材料的不同供应或加工状态（如铸造、锻造、冷变形等）对数据影响很大。

⑦选材时要同时考虑所选材料的成型加工方法。不同的成型方法会对零件设计、零件加工路线、零件热处理方法、零件使用性能及零件成本等带来重要影响。

7、如镗杆选用38CrMoAl制造，其工艺路线如下：

下料→锻造→退火→粗加工→调质→半精加工→去应力退火→粗磨→氮化→精磨→研磨，试从力学性能和成分的角度说明选择38CrMoAl的原因及各热处理工序的作用。

答：38CrMoAl为中碳调质钢，为氮化专用钢。

从力学性能角度上，镗杆工作时承受较大冲击载荷，而表面要求具有高硬度、高耐磨性，且尺寸精度高，故选择氮化专用钢；

成分上，38CrMoAl为中碳钢，Cr提高淬透性，使心部能获得韧性较好的低碳马氏体，还可产生固溶强化；Mo可形成稳定碳化物，阻止奥氏体晶粒长大，其细晶强韧化作用；Mo和Al促进渗氮，Mo还防止高温回火脆性。

热处理工序的作用：

退火：消除锻造应力，改善组织；

调质：获得心部良好的综合力学性能；为氮化做组织准备； 去应力退火：消除加工应力； 氮化：提高表面硬度和耐磨性。

8、指出下列工艺路线的错误：

（1）高精度精密机床床身，选用灰铸铁：铸→时效→粗加工→半精加工→时效→精加工； （2）高频表面感应加热淬火零件，使用退火圆料：下料→粗加工→高频淬火、回火→半精加工→精加工；

（3）渗碳零件：锻→调质→精加工→半精加工→渗碳、淬火、回火。 答：正确工艺如下：

⑴高精度精密机床床身，选用灰铸铁：铸→粗加工→时效→半精加工→时效→精加工； ⑵高频表面感应加热淬火零件：下料→调质或正火→粗加工→半精加工→高频淬火、回火→精加工

⑶渗碳零件：锻→正火或退火→粗加工→半精加工→渗碳、淬火、回火→精加工

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