工程材料課后習(xí)題答案(二)

參考答案

第1章機(jī)械工程對材料性能的要求

思考題與習(xí)題P20

1.3、機(jī)械零件在工作條件下可能承受哪些負(fù)荷？這些負(fù)荷對零件產(chǎn)生什么作用？p4

工程構(gòu)件與機(jī)械零件（以下簡稱零件或構(gòu)件）在工作條件下可能受到力學(xué)負(fù)荷、熱負(fù)荷或環(huán)境

介質(zhì)的作用。有時只受到一種負(fù)荷作用，更多的時候?qū)⑹艿絻煞N或三種負(fù)荷的同時作用。

在力學(xué)負(fù)荷作用條件下，零件將產(chǎn)生變形，甚至出現(xiàn)斷裂；

在熱負(fù)荷作用下，將產(chǎn)生尺寸和體積的改變，并產(chǎn)生熱應(yīng)力，同時隨溫度的升高，零件的承載

能力下降；

環(huán)境介質(zhì)的作用主要表現(xiàn)為環(huán)境對零件表面造成的化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕及摩擦磨損等作用。

1.4整機(jī)性能、機(jī)械零件的性能和制造該零件所用材料的力學(xué)性能間是什么關(guān)系？p7

機(jī)器的整機(jī)性能除與機(jī)器構(gòu)造、加工與制造等因素有關(guān)外，主要取決于零部件的結(jié)構(gòu)與性能，

尤其是關(guān)鍵件的性能。在合理而優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)與制造的基礎(chǔ)上，機(jī)器的性能主要由其零部件的強(qiáng)度及

其它相關(guān)性能來決定。

機(jī)械零件的強(qiáng)度是由結(jié)構(gòu)因素、加工工藝因素、材料因素和使用因素等確定的。在結(jié)構(gòu)因素和

加工工藝因素正確合理的條件下，大多數(shù)零件的體積、重量、性能和壽命主要由材料因素，即主要

由材料的強(qiáng)度及其它力學(xué)性能所決定。

在設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品時，主要是根據(jù)零件失效的方式正確選擇的材料的強(qiáng)度等力學(xué)性能判據(jù)指標(biāo)來

進(jìn)行定量計(jì)算，以確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和零件的尺寸。

1.5常用機(jī)械工程材料按化學(xué)組成分為幾個大類？各自的主要特征是什么？pl7

機(jī)械工程中使用的材料常按化學(xué)組成分為四大類：金屬材料、高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料。

材料結(jié)合鍵主要特征

優(yōu)點(diǎn)：良好的綜合力學(xué)性能（強(qiáng)度和塑性等）、導(dǎo)電性、導(dǎo)

熱性和工藝性能等，并呈特有的金屬光澤。

金屬材料金屬鍵

缺點(diǎn)：在特別高的溫度以及特殊介質(zhì)環(huán)境中，由于化學(xué)穩(wěn)定

性問題，一般金屬材料難以勝任。

優(yōu)點(diǎn)：具有高彈性、耐磨性、絕緣性、抗腐蝕性及重量輕等

共價鍵和分

高分子材料優(yōu)良性能，而且易于成形。

子鍵

缺點(diǎn)：耐熱差，尺寸穩(wěn)定性低，強(qiáng)度硬度低，易老化。

優(yōu)點(diǎn)：熔點(diǎn)高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性高，具有耐高溫、耐腐

離子鍵或共

陶瓷材料蝕、耐磨損、絕緣和熱膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)。

價鍵

缺點(diǎn)：脆性大、不易加工成形。

優(yōu)點(diǎn)：具有單一材料所不具備的優(yōu)異性能，可按需要進(jìn)行人

復(fù)合材料—為設(shè)計(jì)、制造。

缺點(diǎn)：價格昂貴

提示：強(qiáng)度、塑性、化學(xué)穩(wěn)定性、高溫性能、電學(xué)、熱學(xué)方面考慮回答。

1.7、常用哪幾種硬度試驗(yàn)？如何選用P18?硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)何在PU?

硬度試驗(yàn)選用

常用于退火狀態(tài)下的鋼材.、鑄鐵、有色金屬及調(diào)質(zhì)鋼的硬度測試（即材料硬度

布氏硬度相對偏中低水平的）。

不適宜于測量硬度較高的零件、成品零件及薄而小的零件。

可測量較高硬度的材料?（如一般淬火處理的鋼或工具鋼），也可測量硬度不太

洛氏硬度高的材料（如調(diào)質(zhì)鋼）等，并且測量中壓痕小、不易損傷零件表面。

組織粗大且不均勻的材料，測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確、重復(fù)性差。

用于薄工件或薄表面硬化層的硬度測試。顯微硬度用于材料微區(qū)硬度（如單個

維氏硬度

晶粒、夾雜物、某種組成相等）的測試。

莫氏硬度用于陶瓷和礦物的硬度測定。

其他

邵氏硬度常用于橡膠、塑料的硬度測定。

硬度試驗(yàn)有以下優(yōu)點(diǎn)：

?試驗(yàn)設(shè)備簡單，操作迅速方便；

?試驗(yàn)時一般不破壞成品零件，因而無需加工專門的試樣，試驗(yàn)對象可以是各類工程材料和各種

尺寸的零件；

?硬度作為一種綜合的性能參量，與其它力學(xué)性能如強(qiáng)度、塑性、耐磨性之間的關(guān)系密切，由此

可按硬度估算強(qiáng)度而免做復(fù)雜的拉伸實(shí)驗(yàn)（強(qiáng)韌性要求高時則例外）；

?材料的硬度還與工藝性能之間有聯(lián)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；

?硬度能較敏感地反映材料的成分與組織結(jié)構(gòu)的變化，故可用來檢驗(yàn)原材料和控制冷、熱加工質(zhì)

量。

?（提示：設(shè)備簡單：試樣方便（無需專門加工）；在一定范圍可與力學(xué)性能、工藝性能建立聯(lián)系;

工程中常用）

第2章材料的組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征

思考題與習(xí)題P55

2.7在鐵碳合金中主要的相是哪幾個？兩個最主要的恒溫反應(yīng)是什么？其生成的組織是什么？它們

的性能有什么特點(diǎn)？

答：鐵碳合金相圖中共有五個基本相，即液相L、鐵素體相F、高溫鐵素體相3、奧氏體相A及

滲碳體相Fe3C。

在ECF水平線（1148℃）發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變L4.3A2.11+Fe3C。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為滲碳體基體上

分布著一定形態(tài)、數(shù)量的奧氏體的機(jī)械混合物（共晶體），稱為萊氏體，以符號“Ld”表示，性能硬而

脆。

在PSK線（727℃）發(fā)生共析轉(zhuǎn)變A0.77F0.0218+Fe3C,轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體基體上分布

著一定數(shù)量、形態(tài)的滲碳體的機(jī)械混合物（共析體），稱為珠光體，以符號“P”表示。珠光體的強(qiáng)度

較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間。

2.9根據(jù)鐵碳相圖對鐵碳合金進(jìn)行分類，試分析不同鐵碳合金成分、室溫平衡組織及性能之間關(guān)系。

答：由Fe-C相圖可將鐵碳合金分為以下幾類：

①工業(yè)純鐵：wC<0.0218%,組織為F+Fe3cHi

r亞共析鋼：0.0218%<wC<0.77%,組織為F+P（F+Fe3C）

②鋼，共析鋼：wC=0.77%,組織為珠光體P（F+Fe3C）

■過共析鋼：0.77%vwC<2.11%,組織為P+Fe3cII（網(wǎng)狀）

f亞共晶（白口）鑄鐵：2.11%<wC<4.3%,組織為P+Fe3CH+Ld'

③（白口）鑄鐵，共晶（白口）鑄鐵：wC=4.3%,組織為Ld（A+Fe3C）或Ld'

［過共晶（白口）鑄鐵：4.3%<wC<6.69%,組織為Ld'+Fe3CI

由F和Fe3c兩相構(gòu)成的鐵碳合金的室溫平衡組織，隨著含碳量的增加其變化規(guī)律為：

F（+少量Fe3cIII）->F+PTPTP+Fe3CH（網(wǎng)狀）-P+Fe3CII+Ld'->Ld'iLd'+Fe3cl

隨著含碳量的增加，組織組成發(fā)生相應(yīng)的變化，硬度增加，塑韌性降低；強(qiáng)度的變化是先增加

后降低，大約在含碳量為0.9%時為最大值。合金中組織的不同引起的性能差異很大，這與Fe3C的

存在形式密切相關(guān)，當(dāng)他與F（基體）構(gòu)成片層狀的P組織時，合金的強(qiáng)度和硬度均隨含碳量增加

而增加，而當(dāng)Fe3c以網(wǎng)狀分布在晶界上時，不僅使塑韌性降低，也使強(qiáng)度降低；當(dāng)Fe3c以粗大形

態(tài)存在時（Ld，或Fe3CD,塑韌性和強(qiáng)度會大大降低。

2.11從鐵一碳相圖的分析中回答：

（1）隨碳質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的增加，硬度、塑性是增加還是減?。?/p>

答：隨著含碳量的增加，硬度增加，塑韌性降低；因?yàn)殡S含碳量增加Fe3c數(shù)量越來越多。

（2）過共析鋼中網(wǎng)狀滲碳體對強(qiáng)度、塑性的影響怎樣？

答：對基體產(chǎn)生嚴(yán)重的脆化，使強(qiáng)度和塑性下降。

（3）鋼有塑性而白口鐵幾乎無塑性？

答：鋼是以塑韌的F為基體，而白口鐵是以硬脆的Fe3c為基體，所以鋼有塑性，而白口鐵幾

乎無塑性。

（4）哪個區(qū)域熔點(diǎn)最低？哪個區(qū)域塑性最好？

答：共晶白口鑄鐵熔點(diǎn)最低。A區(qū)塑性最好。

2.13根據(jù)Fe-Fe3c相圖，說明產(chǎn)生下列現(xiàn)象的原因：

(1)含碳量為1.0%的鋼比含碳量為0.5%的鋼硬度高；

答：因?yàn)殇摰挠捕入S含碳量的增加而增加。

(2)在室溫下含碳量0.8%的鋼其強(qiáng)度比含碳量1.2%的鋼強(qiáng)度高；

答：含碳量超過0.9%后，F(xiàn)e3c以網(wǎng)狀分布在晶界上，從而使鋼的強(qiáng)度大大下降。

(3)低溫萊氏體的塑性比珠光體的塑性差；

答：因?yàn)榈蜏厝R氏體是由共晶Fe3C、Fe3CH和珠光體組成，因此比起但純的珠光體來說，其塑

性要差。

(4)在1100℃,含碳量0.4%的鋼能進(jìn)行鍛造，含碳量4.0%的生鐵不能鍛造；

答：因?yàn)樵?100r,含碳量0.4%的鋼處于A單相區(qū)，而含碳量4.0%的生鐵處于A+Fe3Cn+Ld，；

(5)鋼鉀釘一般用低碳鋼制成；

答：鋼釧釘需要有良好的塑韌性，另外需要兼有一定的抗剪切強(qiáng)度，因而使用低碳鋼制成；

(6)鉗工鋸0.8%C、1.0%C,1.2%C等鋼材比鋸0.1%C、0.2%C鋼材費(fèi)力，鋸條容易磨損；

答：0.8%C、1.0%C、1.2%C中的含碳量高，組織中的Fe3c的含量遠(yuǎn)比0.1%C、0.2%C鋼中的

含量高，因此比較硬，比較耐磨；

(7)鋼適宜于通過壓力加工成形，而鑄鐵適宜于鑄造成型；

答：鑄鐵的熔點(diǎn)低，合金易熔化、鑄造過程易于實(shí)施；鋼的含碳量比鑄鐵低，通過加熱可進(jìn)入

單相固溶體區(qū)，從而具有較好的塑性、較低的變形抗力，不易開裂，因此適宜于壓力加工成形。

第3章工程材料成形過程中的行為與性能變化

思考題與習(xí)題P81

3、金屬晶粒大小對機(jī)械性能有什么影響？如何控制晶粒的大??？P67-P68

答：機(jī)械工程中應(yīng)用的大多數(shù)金屬材料是多晶體。同樣的金屬材料在相同的變形條件下，晶粒

越細(xì)，晶界數(shù)量就越多，晶界對塑性變形的抗力越大，同時晶粒的變形也越均勻，致使強(qiáng)度、硬度

越高，塑性、韌性越好。因此，在常溫下使用的金屬材料?，一般晶粒越細(xì)越好。

晶粒度的大小與結(jié)晶時的形核率N和長大速度G有關(guān)。形核率越大，在單位體積中形成的晶核

數(shù)就越多，每個晶粒長大的空間就越小，結(jié)晶結(jié)束后獲得的晶粒也就越細(xì)小。同時:如果晶體的長

大速度越小，則在晶體長大的過程中可能形成的晶粒數(shù)目就越多，因而晶粒也越小。

細(xì)化晶粒的方法有：

1)增大過冷度——提高形核率和長大速度的比值，使晶粒數(shù)目增大，獲得細(xì)小晶粒；

2)加入形核劑——可促進(jìn)晶核的形成，大大提高形核率，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的；

3)機(jī)械方法——用攪拌、振動等機(jī)械方法迫使凝固中的液態(tài)金屬流動，可以使附著于鑄型壁上

的細(xì)晶粒脫落，或使長大中的樹枝狀晶斷落，進(jìn)入液相深處，成為新晶核形成的基底，因而可以有

效地細(xì)化晶粒。

4、金屬鑄錠通常由哪幾個晶區(qū)組成？它們的性能特點(diǎn)如何？P69-P70

答：金屬鑄錠的宏觀組織由由三個晶區(qū)組成的，由外至里分別是細(xì)等軸晶粒區(qū)、柱狀晶粒區(qū)和

中心等軸晶粒區(qū)。其性能特點(diǎn)如下：

(1)表面細(xì)等軸晶區(qū)：晶粒細(xì)小，有較高的致密度，其力學(xué)性能也較好。但因其厚度太小，往

往在隨后的機(jī)械加工過程中去除，因而對鑄錠總體性能的影響可以忽略不計(jì)。

(2)柱狀晶區(qū)：柱狀晶區(qū)的各個晶粒平行地向中心長大，彼此互相妨礙，不能產(chǎn)生發(fā)達(dá)的分枝,

結(jié)晶后的組織比較致密。但晶粒較粗大，晶粒間交界處容易聚集雜質(zhì)形成脆弱區(qū)，受力時容易沿晶

界開裂。因此，柱狀晶的力學(xué)性能具有較明顯的各向異性。一般鑄件中應(yīng)盡量限制出現(xiàn)較大的柱狀

晶區(qū)。

(3)中心等軸晶區(qū)：等軸晶的分枝比較發(fā)達(dá)，凝固后容易形成顯微縮松，晶體致密度較低，但

雜質(zhì)元素在等軸晶間的分布比較均勻，不會出現(xiàn)明顯的各向異性，鑄錠晶間的縮松還可在后續(xù)的壓

力加工過程中焊合。因此，對于鑄錠和一般使用條件下的鑄件，希望獲得等軸晶組織。

6.室溫下，對一根鐵絲進(jìn)行反復(fù)彎曲一拉直試驗(yàn)，經(jīng)過一定次數(shù)后，鐵絲變得越來越硬，試分

析原因.如果將這根彎曲一拉直試驗(yàn)后的鐵絲進(jìn)行一定溫度的加熱后，待冷至室溫，然后再試著彎

曲，發(fā)現(xiàn)又比校容易彎曲了，試分析原因.

答：鐵絲進(jìn)行反復(fù)彎曲一拉直的過程是塑性變形的過程，在經(jīng)過一定次數(shù)后鐵絲產(chǎn)生了加工硬

化，因此強(qiáng)度硬度越來越高；若進(jìn)行一定溫度的加熱后，變形的鐵絲發(fā)生了回復(fù)再結(jié)晶，加工硬化

消除，硬度降低，所以又比較容易彎曲了。

7、什么是金屬的回復(fù)和再結(jié)晶過程？回復(fù)和再結(jié)晶過程中金屬的組織性能發(fā)生了哪些變化？

P75

答：回復(fù)：塑性變形后的金屬加熱時，開始階段由于加熱溫度不高，原子獲得的活動能力較小，

只能進(jìn)行短距離的擴(kuò)散，金屬的顯微組織仍保持纖維組織，力學(xué)性能也不發(fā)生明顯的變化。在這一

階段內(nèi)，原子的短距離擴(kuò)散使晶體在塑性變形過程中產(chǎn)生的晶體缺陷減少，晶格畸變大部分消除，

材料中的殘余應(yīng)力基本消除，導(dǎo)電性和抗腐蝕能力也基本恢復(fù)至變形前的水平。

再結(jié)晶：把經(jīng)歷回復(fù)階段的金屬加熱到更高溫度時，原子活動能力增大，金屬晶粒的顯微組織

開始發(fā)生變化，由破碎的晶粒變成完整的晶粒，由拉長的纖維狀晶粒轉(zhuǎn)變成等軸晶粒。這種變化經(jīng)

歷了兩個階段，即先在畸變晶粒邊界上形成無畸變晶核，然后無畸變晶核長大，直到全部轉(zhuǎn)化為無

畸變的等軸晶粒。該過程無相變發(fā)生，也為原子擴(kuò)散導(dǎo)致的形核、長大過程，因此稱為再結(jié)晶。金

屬在再結(jié)晶過程中，由于冷塑性變形產(chǎn)生的組織結(jié)構(gòu)變化基本恢復(fù)，力學(xué)性能也隨之發(fā)生變化，金

屬的強(qiáng)度和硬度下降，塑性和韌性匕升，加工硬化現(xiàn)象逐漸消失，金屬的性能重新恢復(fù)至冷塑性變

形之前的狀態(tài)。

8、什么是加工硬化？試述金屬在塑性變形中發(fā)生加工硬化的原因？試分析加工硬化的利與弊.

P74

答：加工硬化：金屬在塑性變形過程中，隨著變形程度增加，強(qiáng)度、硬度上升，塑性、韌性下

降，這種現(xiàn)象稱加工硬化（也叫形變強(qiáng)化）。

加工硬化的原因：金屬變形過程主要是通過位錯沿著一定的晶面滑移實(shí)現(xiàn)的。在滑移過程中，

位錯密度大大增加，位錯間又會相互干擾相互纏結(jié)，造成位錯運(yùn)動阻力增加，同時亞晶界的增多，

從而出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。

利與弊：加工硬化加大了金屬進(jìn)一步變形的抗力，甚至使金屬開裂，對壓力加工產(chǎn)生不利的影

響。因此需要采取措施加以軟化，恢復(fù)其塑性，以利于繼續(xù)形變加工。但是，對于某些不能用熱處

理方法強(qiáng)化的合金，加工硬化又是一種提高其強(qiáng)度的有效的強(qiáng)化手段。

第4章改善材料性能的熱處理、合金化及改性

思考題與習(xí)題P113

3、說明共析鋼過冷奧氏體在不同溫度等溫冷卻所得的轉(zhuǎn)變組織及其性能的主要特征。

A1?550℃為珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)（P區(qū)），奧氏體分解為鐵素體和滲碳體相間的片層狀組織，它是靠

Fe與C原子長距離擴(kuò)散遷移，鐵素體和滲碳體交替形核長大而形成的，為全擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。稍低于

A1的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的片層間距較大。而隨著轉(zhuǎn)變溫度下降，過冷度加大，過冷奧氏體穩(wěn)定性變小，

孕育期變短，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也變細(xì)。P區(qū)產(chǎn)物按轉(zhuǎn)變溫度的高低分別稱為珠光體P（A1?650℃）、索氏

體S（650?600℃）和屈氏體T（600?550℃）。這三種組織僅片層粗細(xì)不同，并無本質(zhì)差異，片層

越細(xì)，硬度、強(qiáng)度越高，它們統(tǒng)稱為珠光體類型轉(zhuǎn)變組織。

從550℃到Ms的范圍內(nèi)，過冷奧氏體發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變（B區(qū)）。由于轉(zhuǎn)變溫度較低，F(xiàn)e幾乎不

擴(kuò)散，僅C原子作短距離擴(kuò)散，故轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)、性能及轉(zhuǎn)變過程都與珠光體不同，是含過飽和

碳的鐵素體和滲碳體的非片層狀混合物，為半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。按組織形態(tài)的不同，將貝氏體分為上貝

氏體（B±）和下貝氏體（B下）。共析鋼的B上在550?350℃形成，是自原奧氏體晶界向晶內(nèi)生

長的稍過飽和鐵素體板條，具有羽毛狀的金相特征，條間有小片狀的Fe3C。在350?240℃形成的B

下，其典型形態(tài)是呈一定角度的針片狀更過飽和鐵素體與其內(nèi)部沉淀的超細(xì)小不完全碳化物

（Fe2.4C）片粒，在光學(xué)顯微鏡下常呈黑色針狀形態(tài)。

C曲線圖低溫區(qū)的兩條水平線山、之間是馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域（M區(qū)）。馬氏體轉(zhuǎn)變是無擴(kuò)散型相變,

母相成分不變，得到所謂的馬氏體組織，相變速度極快。馬氏體實(shí)質(zhì)上是含有大量過飽和碳的a固

溶體（也可近似看成含碳極度過飽和的針或條狀鐵素體），產(chǎn)生很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化。馬氏體轉(zhuǎn)變是在一

定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，共析鋼的M轉(zhuǎn)變約在240?-50C進(jìn)行。隨著溫度不斷降低，M轉(zhuǎn)變量不斷增加，

但是即使冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度M點(diǎn)，也總有一部分剩余，稱為殘余奧氏體（A，）。鋼中的W.

越高，A'數(shù)量越多，共析鋼的A'可達(dá)到5%?8%。M組織中少量的A'（^10%）不會明顯降低鋼的

硬度，反而可以改善鋼的韌性。在鋼中馬氏體有板條馬氏體和針狀馬氏體兩種形態(tài)，當(dāng)％：低于0.20%

時,，為板條馬氏體，也稱低碳馬氏體或位錯馬氏體，大多強(qiáng)韌；高于1.0%時，則為針狀馬氏體，也

稱高碳馬氏體或攣晶馬氏體，大多硬脆；0.2%?1.0%時，為兩者的混合組織。鋼中的碳含量越多，

則所得的馬氏體硬度越高，但殘余奧氏體量也增多，綜合結(jié)果使硬度趨于恒定。

5、試說明下列鋼件應(yīng)采用何種退火、退火的目的及退火后的組織：

（1）經(jīng)冷軋的15鋼鋼板，要求降低硬度；答：再結(jié)晶退火

（2）鑄造成形的機(jī)床床身；答：去應(yīng)力退火

（3）經(jīng)鍛造過熱（晶粒粗大）的wC=0.60%的鍛件；答：完全退火或等溫退火

（4）具有細(xì)片狀滲碳體組織的T12鋼件，要求改善其切削性能。答：球化退火

7、試說明預(yù)先熱處理與最終熱處理的主要區(qū)別，以及它們之間的聯(lián)系.

答：預(yù)先熱處理常用的工藝方法有退火、正火、調(diào)質(zhì)。通過預(yù)先熱處理獲得的無成分偏析、無

熱加工缺陷的穩(wěn)定組織，還有利于零件在最終淬火（最終熱處理）時各個部分均得到同等程度的淬

火效果，使零件整個截面上的力學(xué)性能均勻一致；而且還可以減少零件淬火時尺寸和形狀的變化等

熱處理缺陷。此外，良好的預(yù)先熱處理組織還可為表面硬化零件提供心部的強(qiáng)韌性。因此，預(yù)先熱

處理可以為零件的最終熱處理和表面強(qiáng)化處理做好組織準(zhǔn)備。

最終熱處理--保證零件的性能（圖紙要求），工藝方法主要是淬火、回火，還有化學(xué)熱處理和

其他表面改性處理.

9、鋼淬火后為什么一定要回火？說明回火的種類及主要應(yīng)用范圍。

答：淬火鋼一般不能直接使用，這是由于：①零件處于高應(yīng)力狀態(tài)（可達(dá)300?500MPa以上），

在室溫下放置或使用時很易引起變形和開裂；②淬火態(tài)（M+A，）是亞穩(wěn)定狀態(tài)，使用中會發(fā)生組織、

性能和尺寸變化；③淬火組織中的片狀馬氏體硬而脆，不能滿足零件的使用要求。I可火能使這些狀

況得到改善，獲得所要求的力學(xué)性能。由于在回火過程中隨著溫度的提高逐漸發(fā)生了各種組織變化,

鋼的性能也會逐漸改變。根據(jù)回火溫度可以分為三類回火，如下表所示：

回火溫度組織和硬度

類別回火目的應(yīng)用舉例

/℃/HRC

保持高硬度高耐

回火馬氏體沖模、量具、滲碳件、

低溫回火150?250磨性，消除應(yīng)力，

58?64表面淬火件、軸承

降低脆性

回火屈氏體獲得高的屈服強(qiáng)彈簧、彈簧夾頭、模鍛

中溫回火350?500

35?50度和彈性極限錘桿、熱作模具

回火索氏體得到高的綜合機(jī)連桿、軸、等重要結(jié)構(gòu)

高溫回火500?650

25?35械性能件

13、簡述鋼中主要合金元素的作用。哪些雜質(zhì)損害鋼材性能？

答：合金元素在鋼中的作用如下：

(1)形成固溶體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化

(2)形成細(xì)小第二相，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化(或第二相強(qiáng)化)

(3)溶入奧氏體，提高鋼的淬透性

(4)提高鋼的熱穩(wěn)定性，增加鋼在高溫下的強(qiáng)度、硬度和耐磨性

(5)細(xì)化晶粒，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)韌化

(6)形成鈍化保護(hù)膜

(7)對奧氏體和鐵素體存在范圍的影響

20、有低碳鋼齒輪和高碳鋼齒輪各一個，要求齒面具有高的硬度和耐磨性，應(yīng)分別采用怎樣的熱處

理？并比較它們在熱處理后組織與性能上的差別。

答：高碳鋼齒輪應(yīng)采用感應(yīng)加熱淬火和低溫回火！??！熱處理后的組織為“回火馬氏體+少量殘余

奧氏體”；

低碳鋼齒輪應(yīng)正火后進(jìn)行滲碳，然后進(jìn)行淬火和低溫回火，熱處理后表層為高碳回火馬氏體+

碳化物+少量殘余奧氏體，有很高的硬度和強(qiáng)度，而心部保持低碳鋼的高韌性及高塑性，達(dá)到表硬

心韌。

23、有兩種共析鋼試樣，分別加熱到780C和880C,并保溫相同時間，使之達(dá)到平衡狀態(tài)，然后以

大于臨界冷卻速度的冷速冷至室溫。試問：

(1)那種加熱溫度的馬氏體晶粒粗大？

答:880℃

(2)那種加熱溫度馬氏體的含碳量較高？

答:880℃

(3)那種加熱溫度的殘余奧氏體較多？

答:880℃

(4)那種加熱溫度的未溶解滲碳體較少？

答:880℃

(5)那種加熱溫度淬火最合適？為什么？

答780℃,因?yàn)樵摷訜釡囟却慊鸷篑R氏體晶粒比較細(xì)小，馬氏體含碳量較低從而組織應(yīng)力較小，殘

余奧氏體量較少，加上未溶解碳化物，有利于提高鋼的硬度和耐磨性。

第5章常用金屬材料及性能

習(xí)題答案P160

3、何謂滲碳鋼？試分析此類鋼的用途及性能特點(diǎn)、合金化原則、熱處理特點(diǎn)，并列舉其典型鋼

種。

答：滲碳鋼是指經(jīng)滲碳、淬火和低溫回火后使用的結(jié)構(gòu)鋼。滲碳鋼基本上都是低碳鋼和低碳合

金鋼。

用途及性能特點(diǎn)：用于承受較大沖擊負(fù)荷、同時表面經(jīng)受強(qiáng)烈摩擦磨損的零件（如換檔齒輪等）。

經(jīng)滲碳及淬、回火后，表硬內(nèi)韌。

合金化原則：

①低碳（WO.25%）,保證滲碳及熱處理后表、里的良好配合。

②加提高淬透性元素，Cr、Mn、Ni、B等，保證心部良好強(qiáng)韌性。

③加V、Ti、W等，阻止?jié)B碳時晶粒長大。

熱處理特點(diǎn)：滲碳后淬火和低溫回火，獲得具有高硬度、高耐磨性的高碳回火馬氏體。

典型鋼種：低淬透性15（20）、20Cr；

中淬透性20CrMn中、20MnTiB；

高淬透性18Cr2Ni4W、20Cr2Ni4。

4、何謂調(diào)質(zhì)鋼？試分析此類鋼的用途及性能特點(diǎn)、合金化原則、熱處理特點(diǎn)，并列舉其典型鋼

種。

答：調(diào)質(zhì)鋼：指調(diào)質(zhì)（淬火+高溫回火）后使用的中碳鋼及中碳合金鋼。

?用途及性能特點(diǎn)：

高強(qiáng)度（承受較大負(fù)荷）及高韌性（防止斷裂事故）的重要零件（如機(jī)床主軸），具有良好的綜

合力學(xué)性能。

?合金化原則：

①中碳（0.30?0.5%）,保證熱處理后足夠強(qiáng)度，又不致太脆。

②加淬透性元素（Cr>Ni、Mn、Si、B）,保證大截面均一的性能。

③細(xì)化晶粒元素（V、W、Mo等）。

④加Mo,消除回火脆性。

?熱處理：調(diào)質(zhì)即淬火+高溫回火（500~650℃）,

?常用典型鋼種：低淬透性：45、40Cr、40MnB；

中淬透性：35CrMo、30CrMnSi；

高淬透性:40CrNiMo、40CrMnMo（）

5、何謂彈簧鋼？試分析此類鋼的用途及性能特點(diǎn)、合金化原則、熱處理特點(diǎn)，并列舉其典型鋼

種。

答：彈簧鋼：主要用于制造彈簧的鋼。

?用途、性能：主要用于制造彈簧；彈簧鋼應(yīng)具有高的彈性極限、高的疲勞強(qiáng)度和足夠的塑性與

韌性。

?合金化：

①中、高碳（0.45-0.7%）；

②加Si提高。e及（os/ob）；

③加Mn、Si、或Cr提高淬透性；

④加Mo、肌V細(xì)化晶粒（重要彈簧）。

?熱處理：

淬火+中溫回火，回火屈氏體42?48HRC。

?常用鋼種：

65；65Mn；60Si2Mn；50CrVo

8、試比較冷作模具鋼和熱作模具鋼的常用鋼號、熱處理特點(diǎn)和性能特點(diǎn)。

答：1）冷作模具鋼：高碳（合金）鋼。

常用鋼號如：T8、T10、T12；9Mn2V、9SiCr、GCrl5、

Crl2MoV>65Nb、W6Mo5Cr4V2。

?性能特點(diǎn)：高硬度高耐磨性、足夠整體強(qiáng)度與韌性。用于各種冷沖壓、冷成型模具；

?熱處理特點(diǎn)：

淬火+低溫回火，258HRC,細(xì)小馬氏體+粒狀碳化物+少量殘余奧氏體。

2）熱作模具鋼：中碳合金鋼

常用鋼號如：5CrNiMo>5CrMnMo；

3Cr2W8V；HU（4Cr5MoSiV）,H13（Cr5MoSiVl）?

?性能特點(diǎn)：耐熱性、高溫強(qiáng)度，耐熱疲勞，高淬透性和導(dǎo)熱性。用于鍛模、熱擠壓模、熱彎模

等；

?熱處理特點(diǎn)：

淬火、中溫回火（高于工作溫度），35?50HRC,得到回火屈氏體。

9、何謂高速鋼？試分析此類鋼的用途及性能特點(diǎn)、合金化原則、熱處理特點(diǎn)，并列舉其典型鋼

種.

答：高速鋼是一類具有很高耐磨性和很高熱硬性的工具鋼，在高速切削條件刃部溫度達(dá)到500?

600℃時仍能保持很高的硬度，使刃口保持鋒利，因此得名。

?用途及性能特點(diǎn)：

用于高速切削的刀具；具有高硬度、高耐磨性及高熱硬性。

?合金化原則：

①高碳（3c〉0.8%）,以形成大量碳化物，保證高硬度、高耐磨性。

②較多W與Mo（>10%），產(chǎn)生W2C、Mo2c等細(xì)小彌散硬化，保證熱硬性。

③4%Cr,淬透性。

④加V,提高硬度、耐磨性。

?熱處理特點(diǎn)：先在730℃?870c之間預(yù)熱，1200-1300。高溫淬火，三次560c回火（為

了消除淬火鋼中大量的殘余奧氏體（可達(dá)30%左右），使合金碳化物彌散析出，以保證具有高的熱硬

性），組織回火馬氏體+碳化物+殘余A；62?66HRC。

?典型鋼種：W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V、W18Cr4V。

14、填寫下表，說明表中鑄鐵牌號的類別、符號和數(shù)字的含義、組織特點(diǎn)和用途.

鑄鐵牌號符號和數(shù)字的含義類別組織特點(diǎn)應(yīng)用

HT150灰鑄鐵，最小抗拉強(qiáng)度值灰鑄鐵鋼基體（F、F+P、主要用于制造承壓件或

P）上分布著一些片受力較小、不太重要的零

狀石墨件。

HT250灰鑄鐵，最小抗拉強(qiáng)度值孕育鑄鋼基體（P）上分布hdI-.

鐵著較細(xì)片狀石墨

KTH350—10黑心可鍛鑄鐵，最小抗拉可鍛鑄鋼基體（F、P）上常用于制造形狀復(fù)雜、承

強(qiáng)度一一最小斷后伸長鐵分布著坐團(tuán)絮狀受?定沖擊的薄壁件

率石墨

KTZ700—02珠光體可鍛鑄鐵，最小抗可鍛鑄P基體上分布著一同上

拉強(qiáng)度一一最小斷后伸鐵些團(tuán)絮狀石瞿

長率

QT450—10球瞿鑄鐵，最小抗拉強(qiáng)球，墨鑄鋼基體（主要F）用來制造一些受力復(fù)雜，

度、最小斷后伸長率鐵上分布著一些球狀對強(qiáng)度、韌性和耐磨性要

石墨求高的零件.

QT700—2球墨鑄鐵，最小抗拉強(qiáng)球墨鑄鋼基體（主要P）同上，但性能要求更高一

度、最小斷后伸長率鐵上分布著一些球狀點(diǎn)。如汽、柴油機(jī)曲軸、

石墨車床主軸、

15、填寫下表，指出表中金屬材料的類別、牌號或代號的含義、特性和主要用途。（建議去掉特

性，主要用途簡寫，寫出最主要的即可）

材料牌號或類別牌號或代號含義主要用途

代號

20Cr合金滲碳鋼碳含量20.2%；Cr%<1.5%用于制造高耐磨性、高疲勞強(qiáng)度和要求具有較

高心部韌性（即表硬心韌）的零件

1168普通黃銅H-黃銅;68-Cu%為68%形狀復(fù)雜的深沖零件，散熱器外殼、裝璜件

45鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)含碳量0.45%結(jié)構(gòu)零件

構(gòu)鋼

65Mn彈簧鋼含碳量0.45%,Mn%<1.5%主要用作彈簧

GCrl5滾動軸承鋼G一滾動軸承:含碳量1%左右，軸承，冷作模具

Cr%^l.5%

W6Mo5Cr4V2高速鋼W%=6%；Cr%^4%；高速切削刀具

V%=2%

Q235普通碳素結(jié)Q-屈服強(qiáng)度；235—屈服強(qiáng)度普通結(jié)構(gòu)件

構(gòu)鋼值

lCrl8Ni9Ti不銹鋼C%^0.1%；Cr%^18%；Ni%化工設(shè)備，裝飾型材

^9%；Ti%<1.5%

38CrMoAl調(diào)質(zhì)鋼C%Q0.38%；Cr%<1.5%；Mo%氮化用鋼

<1.5%；A1%<1.5%

20CrMnMo滲碳鋼C%^0.2%；Cr%<1.5%;Mn%多用于齒輪

<1.5%；Mo%VI.5%

9SiCr合金工具鋼C%^0.9%；Si%<1.5%；Cr%量刃具用鋼

<1.5%

60Si2Mn彈簧鋼C%比0.6%；Si%=2%；Mn%主要用作彈簧

<1.5%

第7章工程設(shè)計(jì)、制造與材料選擇

習(xí)題答案

1、零件失效有哪些類型？試分析零件失效的主要原因。答案參考P200-202

答：機(jī)器零件的失效可以分為過量變形失效、斷裂失效和表面損傷失效。每一類失效又可細(xì)分為

若干具體的失效形式。

失效的主要原因有以下四個方面：

(1)設(shè)計(jì)

1)應(yīng)力計(jì)算錯誤——表現(xiàn)為對零件的工作條件或過載情況估計(jì)不足造成的應(yīng)力計(jì)算錯誤。

2)熱處理結(jié)構(gòu)工藝性不合理——熱處理結(jié)構(gòu)工藝性是指零件結(jié)構(gòu)對熱處理工藝性的影響及零

件結(jié)構(gòu)對失效的影響。如把零件受力大的部位設(shè)計(jì)成尖角或厚薄懸殊等，這樣導(dǎo)致應(yīng)力集中、應(yīng)變

集中和復(fù)雜應(yīng)力等，從而容易產(chǎn)生不同形式的失效。

(2)選材與熱處理

1)選材錯誤——料牌號選擇不當(dāng)、錯料、混料，均會造成零件的熱處理缺陷或力學(xué)性能得不到

保證和使用壽命下降。

2)熱處理工藝不當(dāng)——材料選擇合理，但是熱處理工藝或是熱處理操作上出現(xiàn)了毛病，即使零

件裝配前沒有報廢，也容易早期失效。

3)治金缺陷——夾雜物、偏析、微裂紋、不良組織等超標(biāo)，均會產(chǎn)生廢品和零件失效。

(3)加工缺陷

冷加工和熱加工工藝不合理會引起加工的缺陷，缺陷部位可能成為失效的起源。

如切削加工缺陷主要指敏感部位的粗糙度值太高，存在較深的刀痕；由于熱處理或磨削工藝不

當(dāng)造成的磨削回火軟化或磨削裂紋；應(yīng)力集中部位的圓角