哈工大機械工程材料成形及技術基礎習題與及答案一、簡答題1.機械零件在工作條件下可能承受哪些負荷？這些負荷對零件產生什么作用？（1）力學負荷——零件受到的各種外力加載，在力學負荷作用條件下，零件將產生變形（如彈性變形、塑性變形等），甚至出現斷裂。（2）熱負荷——在熱負荷作用下，溫度變化使零件產生尺寸和體積的改變，并產生熱應力，同時隨溫度的升高，零件的承載能力下降。2.整機性能、機械零件的性能和制造該零件所用材料的力學性能間是什么關系？機器是零件(或部件)間有確定的相對運動、用來轉換或利用機械能的機械。機器一般是由零件、部件(為若干零件的組合，具備一定功能)組成一個整體，因此一部機器的整機性能除與機器構造、加工與制造等因素有關外，主要取決于零部件的結構與性能，尤其是關鍵件的材料性能。零件的性能由許多因素確定，其中材料因素(如材料的成分、組織與性能等)、加工工藝因素(各加工工藝過程中對零件性能的所產生的影響)和結構因素(如零件的形狀、尺寸、與連接件的關系等)起主要作用。此外,使用因素也起較大作用。在結構因素和加工工藝因素正確合理的條件下，大多數零件的功用、壽命、體積和重量主要由材料因素所決定。材料的性能是指材料的使用性能和工藝性能。材料的使用性能是指材料在使用過程中所具有的功用，包括力學性能和理化性能。3.σs、σb、σ0.2的含義是什么？什么叫比強度？什么叫比剛度？σs屈服強度（屈服時承受的最小應力）σb拉伸強度（靜拉伸條件下的最大承載能力）屈服強度σ0.2：有的金屬材料的屈服點極不明顯，在測量上有困難，規定產生永久殘余塑性變形等于一定值（一般為原長度的0.2%）時的應力。比強度：強度與其表觀密度的比值。比剛度：彈性模量與其密度的比值4.什么叫材料的沖擊韌度？沖擊韌度有何工程應用？其與斷裂韌度有何異同點？（1）脆性材料：沖擊韌度值低；韌性材料：沖擊韌度值高。（2）沖擊韌度隨試驗溫度的降低而降低。基于材料的低溫脆性，對于壓力容器及寒冷地區的橋梁船舶、車輛等用材，必須做低溫沖擊試驗。

（3）斷裂韌度：材料抵抗裂紋失穩擴展而斷裂的能力。二、復習范圍什么是材料的力學性能，主要的力學性能

材料在外力或能量以及環境因素(溫度、介質等)作用下表現出的各種性能稱為力學性能。

彈性、強度、塑性、硬度、斷裂韌度、沖擊韌度、疲勞特性、高溫力學性能。用什么指標表達材料的塑性

此時若取消外加載荷，試樣的變形不能完全消失，將保留一部分殘余的變形，這種不能恢復的殘余變形稱為塑性變形。

屈服時承受的最小應力稱為屈服強度，反映了材料對明顯塑性變形的抗力。什么是材料的加工工藝性能？包括哪幾類？

制造工藝過程中材料適應加工處理的性能，反映了材料加工的難易程度。

鑄造性、可鍛性、焊接性、切削加工性、熱處理工藝性。二、思考題機械工程材料的力學性能有四大指標（強度、硬度、塑性和韌度），而在機械零件設計圖樣上對力學性能的技術要求為何往往只標注硬度值？硬度試驗有多種方法，該如何選用？硬度測試有以下優點：

①試驗設備簡單，操作迅速方便；

②試驗時一般不破壞成品零件，因而無須加工專門的試樣，測試對象可以是各類工程材料和各種尺寸的零件；

③硬度作為一種綜合的性能參量,與其他力學性能如強度、塑性、耐磨性之間的關系密切，特別是對塑性材料可按硬度估算強度而免做復雜的拉伸實驗（強韌性要求高時則例外）；

④材料的硬度還與工藝性能之間有聯系，如塑性加工性能、切削加工性能和焊接性能等，因而可作為評定材料工藝性能的參考;

⑤硬度能較敏感地反映材料的成分與組織結構的變化,故可用來檢驗原材料和控制冷、熱加工制品的質量要求。故硬度測試在很多情況下，可以完成其他力學性能試驗所不能完成的工作，故廣泛應用。ADDINCNKISM.UserStyle習題二概念晶體結構：晶體中原子在三維空間長程有序的具體排列方式。晶格：一種抽象的、用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架。

晶胞：組成晶格的最小幾何單元（最小的平行六面體）。晶格常數：取晶胞角上的某一結點作為原點，沿其三條棱邊坐標軸，并以三棱邊的長度a、b、c及各邊間的夾角a、β、γ這六個參數來表示晶胞的形狀與大小。其中，三棱邊的長度a、b、c稱為晶格常數。致密度（K）：描述晶格內部原子排列密集程度的參數，即晶胞中原子本身所占總體積與該晶胞的體積之比晶面：通過晶體中原子中心的平面。晶向：本質上代表晶體中原子與鄰近原子的相對位置關系。（沿某晶向最鄰近原子間的距離）（沿某一晶向上單位長度的原子數）單晶體：晶體內部晶格位向完全一致、僅由一個晶粒組成的晶體。多晶體：由許多外形不規則的單晶體組成的。晶粒：組成多晶體的外形不規則的微小晶體。晶界：結構相同而取向不同晶粒之間的界面。各向異性：由于密度的差異，引起相互間結合力大小的不同，從而導致金屬在不同方向上表現出不同的性能。同素異構：少數金屬（如鐵、錫、鈦等）在晶態時，其晶格類型會隨溫度而改變。全屬常見的晶格形式有哪幾種？如何計算每種晶胞中的原子數？（1）體心立方、面心立方、密排六方。（2）晶胞體內的原子：1晶面上的原子：立方晶胞中結點處：六方晶胞中結點處：體心立方晶格N=8×+1=2面心立方晶格N=8×+6×=4密排六方晶格N=12×+2×+3=6已知α-Fe的晶格常數為0.289nm，試求出晶體中(110)、(111)的晶面間距。此題需要知道α-Fe的晶格結構，晶格常數代表什么，（110）（111）晶面的空間位置是什么。注：（1）體心立方晶格（α-Fe）的晶格常數只用一個a表示。（2）面心立方晶格（γ-Fe）的晶格常數也只用一個a表示。（3）密排六方晶格的晶格常數用正六邊形底面的邊長a和晶胞的高度c表示。（4）晶向指數：用[uvw]表示晶向中的某一個方向。（5）晶面指數：（hkl）分別為晶面與空間中三個坐標軸的截距的倒數。不能將坐標原點選在待確定指數的晶面上，以免出現零截距。如果我選的坐標系滿足截距不為0，同一個面不同坐標系下他的結果也不一樣

是那個晶面族。在立方晶格中，如果晶面指數和晶向指數的數值相同，例如(111)與[111]，(110)與[110]等，問：該晶面與晶向間存在著什么關系?垂直在圖2-1中，繪出以下晶面和晶向，并標出各自的晶面指數和晶向指數。晶面：ABCD（100）、ABGH（110）、AFH（111）、IJKL（110）。晶向：AB[100]、AC[011]、AG[111]、AM[221]。在圖2-2中，求出坐標原點為（0，0，0）及（0，1，0）時，陰影面的晶面指數。(010)(010)圖2-1圖2-2寫出體心立方晶格中的{110}晶面族所包含的晶面，并繪圖表示。參看圖2-11，一共4個金屬實際晶體結構中存在哪些缺陷？每種缺陷的具體形式如何？點缺陷、線缺陷、面缺陷。點缺陷：空位、間隙原子、置換原子線缺陷：位錯面缺陷：晶界、亞晶界、相界已知銀的原子半徑為0.144nm，求其晶格常數。知道了銀的晶格類型，原子半徑公式，即可求注：（1）三種晶格的原子半徑r可以用下式表示:體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格（2）銀屬于面心立方晶格。單晶體與多晶體有何差別？為什么單晶體具有各向異性，而多晶體材料通常不表現出各向異性？答:(1)整塊物質都由原子或分子按一定規律作周期性重復排列的晶體稱為單晶體。整個物體是由許多雜亂無章的排列著的小晶體組成的，這樣的物體叫做多晶體；單晶體具有各向異性，多晶體具有各向同性。（2）在單晶體中沿晶格的不同方向,原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導致晶體在不同方向的物理化學特性也不同,這就使單晶體具有各向異性。而多晶由很多單晶構成,而且自排布無規律,所以各項異性相當于存在于各個方向,也就是沒有各向異性了。畫出體心立方、面心立方晶格中原子最密的晶面和晶向，并寫出其相應的指數。何謂凝固？何謂結晶？物質熔體能否凝固為晶體主要取決于何種因素？凝固：物質從液態經冷卻轉變為固態的過程，凝固后的固態物質可以是晶體，也可以是非晶體。結晶：通過凝固形成晶體物質的過程。熔體能否凝固為晶體主要取決于熔融液體成分和熔融液體的冷卻速度。熔體凝固時，在過冷度非常大的情況下熔體溫度非常低，原子擴散能力降低，形核率和長大率均降低為零，此時熔體不能凝固為晶體。什么是過冷度？

通常把金屬的實際結晶溫度Tn低于理論結晶溫度T0的現象稱為結晶時的過冷現象，并把理論結晶溫度T0與實際結晶溫度Tn的差值稱為過冷度ΔT，即ΔT=T0-Tn，何謂自發形核與非自發形核？它們在結晶條件上有何差別？自發形核：在一定過冷度下，由液態金屬內部一定尺寸的短程有序原子集團自發成為結晶核心的過程。非自發形核：利用實際金屬融體中不可避免而含有的難熔懸浮固體雜質微粒，在一定的過冷度下，液態金屬優先依附在這些微粒表面上形核并長大的過程。非自發形核是在現成基底上進行，減小了形核功，只需要較小的過冷度就能實現。過冷度與冷卻速度有何關系？它對金屬結晶后的晶粒大小有何影響？冷卻速度越快，過冷度越大，晶粒越細小在實際生產中，常采用哪些措施來控制晶粒大小？非自發形核什么是合金？什么是相？固態合金中的相是如何分類的？相與顯微組織有何區別和聯系?合金：由一種金屬元素與另一種或幾種元素經熔煉、燒結或其他方法結合在起而形成的具有金屬特性的物質。相：合金中化學成分、晶體結構皆相同，并以界面互相分開的各均勻組成部分。根據相的晶格是否與某一組元的晶格相同，合金相分為固溶體、金屬化合物。相是指金屬或合金中具有相同化學成分，相同晶體結構并以界面相互分開的各個均勻的組成部分；組織是合金的均勻組成部分，有些相本身就是組織，有些多種固溶體或金屬化合物組成的均勻混合物也是組織，它們滿足化學成分固定、結構固定、有界面與其它組織分開等要求，在光學顯微鏡下獨立存在等特征。何謂間隙固溶體？何謂間隙化合物？試比較二者在形成條件上的異同點。間隙固溶體：形成固溶體時，溶質原子分布于溶劑晶格間隙之中。間隙化合物：由原子半徑較大的過渡族金屬元素與原子半徑較小（小于0.1nm）的非金屬元素（如C、B、N、H等）相互作用而形成的。說明固溶體與金屬化合物的晶體結構特點，并指出二者在性能上的差異。（1）在結構上：固溶體的晶體結構與溶劑的結構相同，而金屬間化合物的晶體結構不同于組成它的任一組元，它是以分子式來表示其組成。（2）在性能上：形成固溶體和金屬間化合物都能強化合金，但固溶體的強度、硬度比金屬間化合物低，塑性、韌性比金屬間化合物好，也就是固溶體有更好的綜合機械性能。何謂組元、成分、合金系、相圖？二元合金相圖表達了合金的哪些關系？有哪些實際意義？二元合金相圖表達了平衡狀態下合金系中合金成分、溫度、合金相之間的關系。根據二元合金相圖，可以知道不同成分的合金在室溫下的平衡組織，可以知道合金冷卻時發生的相變，并能預測合金性能的變化規律。何謂合金的組織組成物及相組成物？指出ωsn=30%的Pb-Sn合金在183“C下全部結晶完畢后的組織組成物及相組成物。組織組成物：見圖3-23，相組成物：α，β，L什么是共晶反應？什么是共析反應？它們各有何特點？試寫出相應的反應通式。共晶反應：從某種成分固定的合金溶液中，在一定恒溫下同時結晶出兩種成分和結構都不同的固相的反應,即：；共析反應：由一種固相在恒溫下同時轉變成兩種新的固相的反應，可以表示為：；勻晶反應：從液態中析出固溶體的反應，反應式：。默繪Fe-Fe3C相圖，并填出各區組織，標明重要的點、線、成分及溫度。圖中組元碳的質量分數為什么僅研究到6.69%?

當Wc＞6.69%時，鐵碳合金又硬又脆沒有應用價值，因此鐵碳合金相圖只有Wc≤6.69%這一部分。

（1）圖中基本相

(2)圖中的特征點

（3）圖中的特征線（4）圖中的相區

解釋以下名詞鐵素體；（2）奧氏體；（3）滲碳體；（4）珠光體；（5）萊氏體。①鐵素體：碳固溶于α－Fe中形成的間隙固溶體，用F或α表示；②奧氏體：碳固溶于γ－Fe中形成的間隙固溶體，用A或γ表示；③滲碳體：鐵和碳形成的具有復雜晶體結構的間隙化合物，以Fe3C表示；④珠光體：鐵素體和滲碳體交替排列的片層狀機械混合物，用P表示；⑤萊氏體：奧氏體和滲碳體組成的機械混合物，常用符號Ld表示；⑥二次滲碳體：凡含碳量大于0.77％的奧氏體，自1148℃冷卻到727℃的過程中，都將析出滲碳體，通常稱為二次滲碳體，以Fe3CII表示。指出鐵素體、奧氏體、滲碳體的晶體結構及力學性能特點。鐵碳合金在固態下的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體三個基本相和珠光體、萊氏體兩種機械混合物。鐵素體為碳固溶于α－Fe中形成的間隙固溶體，用F或α表示，鐵素體的力學性能接近于純鐵，其強度和硬度很低，具有良好的塑性和韌性；奧氏體為碳固溶于γ－Fe中形成的間隙固溶體，用A或γ表示，奧氏體的力學性能大約為：抗拉強度Rm＝400～800MPa，延伸率A=40～50%。奧氏體硬度不高，易于塑性變形；滲碳體為鐵和碳形成的具有復雜晶體結構的間隙化合物，分子式為Fe3C，滲碳體的硬度很高，脆性大，塑性和韌性幾乎為零，其力學性能為：抗拉強度Rm＝30MPa，延伸率A=0，斷面收縮率Z=0，沖擊韌度αk=0，硬度為800HB；珠光體是鐵素體和滲碳體交替排列的片層狀組織，屬于機械混合物，用P表示。珠光體的強度和硬度高，有一定的塑性，其力學性能大致為：抗拉強度Rm＝750～900MPa，延伸率A=20～25%，沖擊韌度αk=24～32J/cm2，硬度為180～280HBS；萊氏體是奧氏體和滲碳體的機械混合物，常用符號Ld表示。萊氏體是滲碳體基體上分布著奧氏體組織，其硬度很高，脆性大，耐磨性能好。說明純鐵的同素異構轉變及其意義。α-Fe在770C發生的轉變有什么特點?在固態下，同一元素的晶體由一種晶格轉變為另一種晶格的過程，稱為同素異構轉變。純鐵在1538℃時由液態結晶為體心立方晶格的δ－Fe。繼續冷卻至1394℃時，發生同素異構轉變，δ－Fe轉變為面心立方晶格的γ－Fe。當溫度繼續冷卻到912℃時，由面心立方晶格的γ－Fe轉變為體心立方晶格的α－Fe。再繼續冷卻，純鐵的晶格類型不再發生變化。δ－Fe、γ－Fe、α－Fe是鐵的同素異構體。純鐵的同素異構轉變使鋼鐵材料可以通過熱處理來改變組織，從而提高性能。簡述Fe-Fe3C相圖中共晶反應與共析反應，寫出反應式，標出反應溫度及反應前后的含碳量，并說明兩者的異同點。①共晶反應在1148℃，具有共晶成分（Wc＝4.3％）的液相發生共晶轉變，從液相中同時結晶出含碳量為2.11％的奧氏體和滲碳體兩個新相，反應式如下：②共析反應在727℃，具有共析成分（Wc＝0.77％）的奧氏體發生共析轉變，從奧氏體中同時析出鐵素體（Wc＝0.0218％）和滲碳體兩個新相，其轉變式為：。

比較Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ、Fes3C共晶、Fe3C共析的異同點。略說明Fe-Fe3C相圖在工業生產中的作用。Fe－Fe3C相圖闡明了鐵碳合金成分、組織隨溫度的變化規律，為正確選材和制定熱加工工藝提供了依據。①在選材方面的應用利用鐵碳合金相圖，便于根據工件的工作環境和性能要求來選擇鋼鐵材料。若需要塑性、韌性高的材料，應選用低碳鋼(含碳量為0.10%～0.25%)；需要強度、塑性及韌性都較好的材料，應選用中碳鋼(含碳量為0.25%～0.60%)；當要求硬度高、耐磨性好的材料時，應選用高碳鋼(含碳量為0.60%～1.3%)。一般低碳鋼和中碳鋼主要用來制造機器零件或建筑結構，高碳鋼主要用來制造各種加工工具。白口鑄鐵具有很高的硬度和脆性，抗磨損能力很好，可用來制造需要耐磨而不受沖擊載荷的工件，如撥絲模、球磨機的磨球等。②在制定熱加工工藝方面的應用鐵碳合金相圖闡明了碳鋼和白口鐵的各種相變溫度和相變過程，是確定鐵碳合金的熱加工溫度和控制熱加工組織的重要依據。例如，鑄造時依據鐵碳相圖制定熔化溫度和澆注溫度；鍛造、熱軋等塑性變形時，依據鐵碳相圖制定開始加工溫度和終了加工溫度；熱處理時，依據鐵碳相圖制定加熱溫度并控制和調整組織。鋼與白口鑄鐵在成分上的界限是多少？碳鋼按室溫下的組織如何分類？寫出各類碳鋼的平衡組織。說明含碳量對鋼和白口鑄鐵力學性能的影響。隨含碳量的增加，鋼的強度、硬度增大，塑性、韌性下降.F軟而韌；Fe3C硬而脆；P的力學性能則介于F、Fe3C之間，即具有較高的硬度、強度和良好的塑性韌性。ADDINCNKISM.UserStyle習題三何謂熱處理？其主要環節是什么？熱處理是將固態金屬或合金通過加熱、保溫和冷卻的方式來改變其組織結構以獲得預期性能的一種加工工藝。包括整體熱處理、表面熱處理、化學熱處理。試述A1、A3、Acm、Ac1、Ac3、Acm和Ar1、Ar3、Arm的意義。將碳鋼實際加熱時的相變溫度標記為Ac1、Ac3、Accm，冷卻時的相變溫度標記為Ar1、Ar3和Arcm。何謂奧氏體的起始晶粒度、實際晶粒度和本質晶粒度？本質細晶粒鋼加熱后的實際晶粒一定比本質粗晶粒鋼的晶粒細嗎？

起始晶粒度指珠光體剛剛全部轉變為奧氏體時的晶粒大小。

實際晶粒度指鋼在某一具體熱處理或熱加工條件下所得到的奧氏體晶粒大小。

本質晶粒度是用以表明奧氏體晶粒長大傾向的晶粒度，是一種性能，并非指具體的晶粒。不一定扼要指出共析鋼過冷奧氏體在各形成溫度區間轉變產物的組織形態與性能特點。將各不同等溫溫度下測得的轉變開始時間和終止時間標注在溫度-時間（對數）坐標系中，并分別把起始點和終止點連接起來，便得到過冷奧氏體等溫轉變起始線和終止線，由于曲線形狀與字母C相似，故又稱為C曲線。珠光體型轉變區、貝氏體型轉變區、馬氏體型轉變區（2）貝氏體型轉變（中溫轉變）區貝氏體（B）：滲碳體與含碳過飽和鐵素體的兩相機械混合物上貝氏體：550~350℃，羽毛狀的組織，強度較低，韌性較差;熱處理時不希望獲得的組織。下貝氏體：350℃~Ms點，不同取向的針葉狀鐵素體，其內平行分布著許多極細小的碳化物，良好的強度和韌性的匹配（亦即綜合力學性能優良），是一種有重要應用價值的組織（3）馬氏體型轉變（低溫轉變）區馬氏體：碳在α-Fe中的過飽和間隙固溶體，M，體心立方晶格轉變溫度：Ms（230℃）~Mf（-50℃）之間,連續冷卻完成的馬氏體組織形態①:ωc>1.0%，片狀，c/a》1，硬度和強度高，但塑性和韌性差馬氏體組織形態②:ωc<0.2%，板條狀，c/a≈1，較高強度和較好韌性，良好綜合力學性能馬氏體組織形態③:ωc=0.2%～1.0%，片狀和板條馬氏體的混合組織。，較高的強度和較好的韌性，以及良好的綜合力學性能隨含碳量的增加，奧氏體的穩定性增大，C曲線右移。參考圖3-16和圖3-17，圖示解答T8鋼在多數連續冷卻條件（亦不排除少數等溫條件）下，如何僅利用TTT圖獲得以下組織？并指出這些組織對應哪種熱處理工藝方法。（1）珠光體；（2）索氏體；（3）托氏體+馬氏體+殘留奧氏體；（4）下貝氏體；（5）下貝氏體+馬氏體+殘留奧氏體；（6）馬氏體+殘留奧氏體。略何謂淬火臨界冷卻速度、淬透性和淬硬性？它們主要受哪些因素的影響？

淬火臨界冷卻速度：淬火時獲得全部馬氏體組織的最小冷卻速度。淬透性：指鋼件在淬火時能獲得淬硬層（馬氏體層）深度的能力，是鋼種本身固有的屬性。在相同奧氏體化條件下，同種鋼的淬透性是相同的。臨界冷卻速度愈小的鋼，其淬透性亦愈好。淬硬性：指正常淬火情況下獲得馬氏體組織所能達到的最高硬度。主要取決于馬氏體中的含碳量。為什么亞共析碳鋼的正常淬火加熱溫度為Ac3以上30~50℃，而共析和過共析碳鋼的正常淬火加熱溫度為Ac1以上30~50℃？試分析原因。亞共析鋼在Ac1~Ac3之間加熱，淬火組織為鐵素體+馬氏體，使鋼的強度和硬度降低，超過Ac3過高，奧氏體晶粒會粗大，淬火組織為粗大的馬氏體。Ac3以下淬火為亞溫淬火適用于低碳鋼低碳合金鋼，可獲得良好的強韌性匹配組織。過共析鋼限定在Ac1以上30~50℃是為了獲得細小的奧氏體晶粒和保留的少量滲碳體質點，淬火后得到隱晶馬氏體和其上均勻分布的顆粒狀碳化物，從而使鋼具有更高的強度硬度耐磨性，也具有較好的韌性。若過共析鋼加熱溫度超過Acm碳化物完全融入奧氏體，奧氏體含碳量增加降低ms和mf點，淬火后會有大量的殘留奧氏體組織，降低強度和耐磨性。溫度過高奧氏體會長大粗化，淬火后得到有顯微裂紋的粗片狀馬氏體，使鋼的脆性增大；此外高溫加熱淬火應力大。氧化脫碳嚴重，也增大鋼件變形開裂傾向。對過共析碳鋼零件，何種情況下采用正火？何時采用球化退火？球化退火的目的：一是降低硬度，改善切削加工性能，二是為淬火前作好組織準備。它主要用來改善共析鋼、過共析碳鋼、某些合金工具鋼（如刃具鋼、量具鋼、模具鋼等）的切削加工性能。正火作為預備熱處理，能適當提高低碳鋼、中碳鋼的硬度，改善其切削性能；能消除過共析鋼中的網狀滲碳體，為球化退火作組織準備。指出下列鋼件坯料按含碳量分類的名稱、正火的主要目的、工序地位及正火后的組織：（1）20鋼齒輪；（2）T12鋼銼刀；（3）性能要求不高的45鋼小軸。它們可否改用等溫退火？為什么？等溫退火目的主要是通過重結晶細化晶粒，以改善毛坯件粗大、不均勻的原始組織，充分消除內應力、防止變形開裂。由于亞共析鋼正火比退火的冷卻速度快，故得到的索氏體組織比退火組織珠光體細小，強度和硬度也有所提高。正火的一般作用及工序地位在于以下方面：①作為預備熱處理，能適當提高低碳鋼、中碳鋼的硬度，改善其切削性能；能消除過共析鋼中的網狀滲碳體，為球化退火作組織準備。②正火可細化晶粒，使組織均勻化，消除內應力，在一定程度上有改善強韌性及提高硬度的效果，故也可作為對力學性能要求不太高的普通結構件的最終熱處理工序。與退火相比，正火更利于提高鋼的強度和硬度，且生產周期短、成本低。正火一般在切削加工前，見第五章汽車半軸簡述回火的分類、目的、組織性能及其應用范圍。回火：將淬火后的鋼件加熱到Ac1以下某一溫度保溫后，冷卻至室溫而獲得不同于前述索氏體、托氏體、馬氏體類組織的熱處理工藝。目的：消除應力，降低脆性穩定工件尺寸淬火馬氏體及殘留奧氏體都是非穩態組織調整性能：獲得良好的強度與韌性的匹配分類：（1）低溫回火（150~250℃），回火馬氏體加少量殘留奧氏體，高碳工具鋼滾動軸承鋼和表面淬火及滲碳淬火件（2）中溫回火（350～500℃），回火托氏體，熱成形彈簧件（3）高溫回火（500～650℃），回火索氏體組織，：各種重要結構零件的最終熱處理，如某些受交變載荷作用且疲勞性能要求高的連桿、軸類、齒輪等，也常用于表面淬火件，滲氮件、精密刃具、量具和模具的預備熱處理。（4）調質處理將淬火加高溫回火的熱處理工藝扼要比較表面淬火與常用化學熱處理方法滲碳、滲氮的異同點。表面淬火工藝：將鋼件表層迅速加熱到奧氏體化溫度后，激冷使表層形成馬氏體組織而心部組織仍保持不變表面淬火用鋼：大多選用中碳鋼或中碳低合金鋼，如40、45鋼、40Cr，40MnB及60Ti鋼等淬透性不太好的鋼。表面淬火加熱方法：多用于零件的局部表面強化，主要有（高頻，中頻或工頻）感應加熱、火焰加熱、電接觸加熱等方法。什么是鋼的回火脆性？如何防止第一、第二類回火脆性？回火脆性分為低溫回火脆性（250～400℃）和高溫回火脆性（450～650℃）。回火后快冷（油冷）不產生脆性，而慢冷（空冷）則會產生脆性。鋼件滲碳后還要進行何種熱處理？處理前后表層與心部組織有何不同？鋼件必須經過滲碳、淬火加低溫回火的最終熱處理才能有效發揮滲碳層的強化作用。淬火前：表層到心部依次為：過共析組織（Fe3CП+P）→共析組織（P）→亞共析組織（P+F）的過渡層→心部原始組織（F+P少量）。淬火、低溫回火后：回火馬氏體加少量殘留奧氏體→共析組織（P）→亞共析組織（P+F）的過渡層→心部原始組織（F+P少量）現有低碳鋼齒輪和中碳鋼齒輪各一個，要求齒面具有高的硬度和好的磨性。各應怎樣進行熱處理？比較它們熱處理后在組織和性能上的差別。低碳鋼：滲碳、淬火、低溫回火；中碳鋼：感應加熱表面淬火、低溫回火熱處理后低碳鋼組織：由表面至心部：回火馬氏體加少量殘留奧氏體→共析組織（P）→亞共析組織（P+F）的過渡層→心部原始組織（F+P少量）熱處理后中碳鋼：回火馬氏體加少量殘留奧氏體→心部原始組織（F+多量P）何謂預備熱處理與最終熱處理？各按什么原則確定？退火和正火可以作為最終熱處理嗎？為什么？熱處理既可作為零件制造過程的中間輔助工序（即預備熱處理），如退火或正火可以預先改善零件的切削加工性能，也可作為使零件性能達到規定技術指標的最終定性的一道或多道工序（即最終熱處理），如淬火、回火及相關化學熱處理等。退火和正火一般作為預備熱處理，去除應力，降低硬度，細化晶粒，改善切削性能等。有些零件在經過退火和正火以后可以達到設計要求的強度和硬度等機械性能的要求，也可以是最終熱處理試比較感應表面加熱淬火與激光表面加熱淬火工藝的優點和不足之處。（1）感應加熱表面淬火加熱速度快，工件不易氧化脫碳，變形小；獲得的馬氏體組織極細小，硬度高、脆性小、疲勞強度高；加熱層深度易控制，可實現自動化批量生產；設備一次性授資較大，感應器制造成本也高，因此不適于復雜形狀零件和小批量生產。（2）火焰加熱表面淬火操作簡單，不需特殊設備；淬硬層一般為2～6mm；淬火質量不易穩定；適合單件、小批生產的大型零件和需要局部淬火的工具或零件，如大型軸類零件、大模數齒輪等試說明冷變形對金屬的組織與性能的影響。冷變形：再結晶溫度以下進行的塑性變形組織：形成纖維組織亞結構細化出現擇優取向性能：加工硬化（形變強化）產生殘余應力各向異性冷加工與熱加工的主要區別是什么?熱加工對金屬的組織與性能有何影響？（1）區別：熱變形（或熱加工）：再結晶溫度以上進行的塑性變形冷變形：再結晶溫度以下進行的塑性變形（2）影響：改善鑄態組織；形成熱變形纖維組織（沿纖維方向具有較高的強度、塑性和韌度）液態金屬結晶時細晶強化用什么方法？（1）增大過冷度（2）加入形核劑在液態金屬中加入細小的形核劑（又稱孕育劑或變質劑），使之分散在金屬液中成為非自發形核的現成基底，或是在金屬中形成一些局部的微小過冷區或阻礙晶粒的長大，都可能促進晶核的形成，大大提高形核率，達到細化晶粒的目的，這種方法稱為變質處理或孕育處理。（3）機械方法用攪拌、振動等機械方法迫使凝固中的液態金屬流動，可以使附著于鑄型壁上的細晶粒脫落，或者使長大中的樹枝狀晶斷落，而進入液相深處，成為新晶核形成的基底，因而可以有效地細化晶粒。ADDINCNKISM.UserStyle習題四1.說明鑄鐵石墨化過程三個階段所發生的反應，第三階段石墨化對鑄鐵組織的影響如何？

共晶、從奧氏體中析出、共析2.根據石墨形態，鑄鐵一般分為哪五類？各類大致用途如何？（1）灰鑄鐵（HT）粗片狀，承受壓應力及振動的機件（汽車、拖拉機中的汽缸體、汽缸套、機床床身）。（2）球墨鑄鐵（QT）小球狀，承受震動、載荷大的零件，（曲軸、傳動齒輪，軋輥）。（3）蠕墨鑄鐵（RuT）蠕蟲狀，承受熱循環載荷的零件和結構復雜、強度要求高的鑄件（鋼錠模、玻璃模具、汽缸、汽缸蓋、排氣閥、活塞環）。（4）可鍛鑄鐵（KT）團絮狀，可鍛鑄鐵是不可鍛造的。受沖擊和震動的零件（汽車后橋橋殼、轉向機構、低壓閥、管接頭）。白口鑄鐵（BT）細片狀，多用作抗磨損零件，如農具。3.分析石墨形態對鑄鐵力學性能的影響。

4.識別下列牌號的鐵碳合金：Q215、08F、45、T10A、HT150、QT400-18、KTH350-10，并指出其含碳量范圍。

碳素結構鋼：用屈服強度表示。Q代表屈。215代表屈服強度的數值。

Q215（0.09-0.15%C）

優質碳素結構鋼：用兩位數字表示，數字表示含碳量的萬分之幾。部分Mn量超標，在鋼號尾部標“Mn”。如65Mn。

45—表示含碳量是萬分之45（0.45%）

碳素工具鋼：“T+數字”表示，數字的千分數代表鋼中平均碳質量分數。T8、T10

灰鑄鐵：HT150（HT代表灰鑄、150代表最低抗拉強度）

球墨鑄鐵：QT400-18（QT球墨、400抗拉強度、-18斷后伸長率）

可鍛鑄鐵：KTH350-10（KTH黑心可鍛鑄鐵、350抗拉強度、-10斷后伸長率）5.何謂合金鋼？它與同類碳鋼相比有哪些優缺點？

在普通碳素鋼基礎上添加適量的一種或多種合金元素而構成的鐵碳合金。

碳鋼優點：無需其他元素、成本低；冶煉簡單、加工性能好、力學性能良好

碳鋼缺點：淬透性低、回火抗力差、強度低、無特殊性能(耐腐蝕、抗氧化、耐高溫)

合金鋼在上述幾方面性能上比非合金鋼優越，但在壓力加工、切削加工、焊接工藝性方面比非合金鋼稍差，且成本較高。6.簡述合金元素對合金鋼的主要影響和作用規律。

7.分析合金元素對過冷奧氏體轉變的影響。

除Co以外，大多數合金元素溶入奧氏體后都使C曲線右移或變形，均可提升過冷奧氏體的穩定性。

除Al、Co、Si外，大多數合金元素（如Mn、Cr、Ni、Mo等）溶入奧氏體后，均降低鋼的Ms點，使某些淬火鋼中的殘留奧氏體增多。為消除殘留奧氏體增多帶來的不利影響，某些合金鋼的熱處理工藝更復雜了。8.合金鋼按用途分為幾類？編號規則與碳鋼有何異同？

結構鋼：分為工程結構用鋼（編號與普通碳素結構一樣）、機械結構用鋼（前兩位數字為平均含碳量的萬分數，下一位是元素1符號，下一位是元素1含量）。

若S、P含量達到高級優質鋼——A，如18Cr2Ni4WA；

特級優質鋼——E，如50MnE。

當元素的平均質量分數小于1.5%時，牌號中僅標出元素符號，一般不標出含量。

2（1.50%～2.49%）、3（2.50%～3.49%）、4（3.50%～4.49%）

工具鋼：一位數字（平均碳量的千分數）或無數字（平均碳質量分數不小于1%時，鋼號中不標出其質量分數）、二位：元素1符號、三位：元素1百分含量

軸承鋼：G（代表滾）Cr（鉻元素）數字（鉻的平均質量千分數）

不銹、耐蝕和耐熱鋼：兩位或三位數字的萬分數或十萬分數表示碳質量分數的最佳控制值，然后是合金元素，然后是合金元素百分含量。9.合金結構鋼按用途分為幾類？在使用性能上各有何特點？

10.按合金鋼的編號規則指出下列鋼號中碳及其他元素的平均質量分數和所屬類別的名稱。W18Cr4V、3Cr2W8V、5CrMnMo、18Cr2Ni4W、Q460、42CrMo、60Si2CrVA、20MnTiB。

11.分析常溫下使用的鋼與高溫下使用的鋼對鋼中晶粒尺寸的要求有什么不同，為什么？對于高溫下工作的金屬材料，對于高溫下工作的金屬材料，晶粒應粗大一些，因為高溫下原子沿晶界的擴散比晶內快，晶界對變形的阻力大為減弱所致，即強度比細小精粒高；常溫下，晶粒細小些，獲得良好的綜合力學性能。12.鋁及鋁合金的物理、化學、力學及加工性能有什么特點？

純鋁呈銀白色光澤，良好的導電、導熱性，面心立方晶體結構，塑性好，硬度、強度很低，耐磨性差，容易經受壓力加工成形13.說明鋁合金分類的大致原則。

鋁合金的分類可根據化學成分和工藝特點分為變形鋁合金（由鋁合金鑄錠經冷、熱加工后形成的各種規格的板、棒、帶、絲、管狀，防銹、硬、超硬及鍛鋁）與鑄造鋁合金（由液態直接澆注成工件毛坯，具有高的高溫強度、良好的耐磨性和很低的熱脹系數）兩大類。14.指出鈦合金的特性、分類及各類鈦合金的大致用途。

可分為α鈦合金、β鈦合金、（α+β）鈦合金。15.比較金屬材料中的固溶強化、彌散強化、時效強化產生的原因及它們之間的區別，并舉例說明。

固溶強化：融入固溶體中的溶質原子造成晶格畸變,晶格畸變增大了位錯運動的阻力,使滑移難以進行,從而使合金固溶體的強度與硬度增加。

彌散強化：是強化效果較大的一種強化合金的方法。若化合物在固溶體晶粒內呈彌散質點或粒狀分布,則既可顯著提高合金強度和硬度,又可使塑性和韌性下降不大。

時效強化：在固溶了合金元素以后，在常溫或加溫的條件下，使在高溫固溶的合金元素以某種形式析出（金屬間化合物之類），形成彌散分布的硬質質點，對位錯切過造成阻力，使強度增加，韌性降低。16.塑料的主要成分是什么？它起什么作用？常用的添加劑有哪幾類？

塑料是在玻璃態使用的高分子材料，它以合成樹脂為基本成分（起著黏結作用，并決定塑料的基本性能），再加入各種添加劑，經一定的溫度和壓力塑制成形，且在常溫下能保持形狀不變。

抗靜電劑、發泡劑、溶劑和稀釋劑等17.對下列四種用途的制件選擇一種最合適的高分子材料（提供的高聚物是：酚醛樹脂、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和尼龍）。電源插座（酚醛樹脂）；（2）飛機窗玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）；（3）化工管道（聚氯乙烯）；（4）齒輪（尼龍）。18.何謂陶瓷材料？普通陶瓷與特種陶瓷有什么不同？

陶瓷是指以天然或人工合成的無機非金屬物質為原料，陶瓷可分為普通陶瓷與特種陶瓷。

普通陶瓷是利用天然硅酸鹽礦物（如黏土、硅石、長石等）為原料制成的陶瓷，又稱傳統陶瓷。特種陶瓷是采用高純度的人工合成原料制成的，具有各種獨特的力學、物理或化學性能的陶瓷。19.如何提高陶瓷材料的強度、提升陶瓷材料的韌性？20.說明工程陶瓷材料的主要應用情況。21.為什么外界溫度的急劇變化會導致一些陶瓷件的開裂？多數陶瓷的導熱性和韌性差，所以熱穩定性差，尤其在急冷或急熱時陶瓷內部形成較大的溫度梯度，引起很大的熱應力而開裂。22.指出幾種不同的工程陶瓷，說明它們的大致用途。

結構陶瓷主要是指應用在承受載荷、耐高溫、耐腐蝕，耐磨損等場合的陶瓷材料功能陶瓷具有電、光、磁及部分化學功能的陶瓷，半導體陶瓷、絕緣陶瓷、介電陶瓷、發光陶瓷、感光陶瓷、23.何謂復合材料？常用復合材料的基體與增強相有哪些？它們在材料中各起什么作用？

復合材料：將兩種或兩種以上物理、化學性質或是組織結構不同的材料組合起來而制成的一種多相固體材料。

基體相連續相，起粘結副作用并傳遞應力

增強相起承受應力和顯示功能的作用24.說明復合材料的性能特點，并說明不同類型復合材料的增強機理。

“三高一低”——高強度、高模量、耐高溫、低密度，以及耐腐蝕。

纖維增強復合材料主要是碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維與氧化鋁纖維等（所占體積分數通常為30%～40%）。

顆粒增強復合材料由陶瓷顆粒與金屬結合的材料是典型的顆粒增強復合材料。25.舉出幾個復合材料在工程上應用的實例。

用來制造人造骨骼、器官、假肢，用來制造滑雪板、撐桿、球拍、跳板習題五說明機械產品設計中的材料選擇與與加工工藝的關系何謂失效？零件的失效形式有哪些？引起失效的相應原因是什么?分析失效的目的是什么？指出選材的一般原則。機械零件的選材一般應根據哪些原則來考慮？分析問題的首要出發點是什么？對下列零件作出材料選擇，并說明選材的理由，制訂其工藝路線，說明各熱處理工序的作用及相關組織。（1）汽車齒輪（講義）；（2）機床主軸（講義）；（3）受力較大的螺旋彈簧；（4）發動機連桿螺栓（講義）；（5）機床的床身；（6）汽車板簧（表5-2）。汽車板簧：鋼板沖裁下料——壓力成形——淬火——中溫回火——噴丸受力較大的螺旋彈簧：鋼棒——熱卷成形——淬火——中溫回火—