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1、如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流作业解答【精品文档】第 16 页作业解答参考第一章习题1-1 什么叫金属材料的力学性能?金属材料的力学性能包括哪些方面?答:金属材料抵抗外力作用所显示的性能。1、刚度:材料抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。2、强度抗拉强度s b材料断裂前承受的最大应力。屈服强度s s材料产生微量塑性变形时的应力。条件屈服强度s 0.2残余塑性变形为0.2%时的应力。疲劳强度s -1无数次交变应力作用下不发生破坏的最大应力。3、塑性:材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标为d、y。4、硬度:材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为HB、HRC、HV。5、冲击韧度:材料抵抗冲
2、击破坏的能力。指标为k.材料的使用温度应在冷脆转变温度以上。6、断裂韧性:材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指标为K1C。1-4 什么是硬度?指出测定金属硬度常用的方法和各自的优缺点。答:材料抵抗局部塑性变形的能力称为硬度。常用的方法有:布氏硬度法、洛氏硬度法和维氏硬度法。布氏法的优点是测定结果较准确,缺点是压痕大,不适于成品的检验。洛氏硬度法的优点是操作简单,压痕小,测量范围大,可用于成品及薄件的检验;缺点是由于压痕小,对内部组织粗大和硬度不均匀的材料,测量结构分散度大,重复性差,因而不能适用于粗大、不均匀组织材料的硬度测定,测量结果与不及布氏硬度试验准确。维氏硬度所用载荷较小,压痕深度浅,适用于
3、测量薄零件的表面硬度化层、金属镀层及薄片金属的硬度,这是布氏硬度和洛氏硬度所不及的。此外,因压头是金刚石角锥、载荷可调范围大,故对软、硬材料均适用,测定范围为01000HV。第二章习题2-1 名词解释:晶体、晶格、晶胞、致密度、相、固溶体、塑性变形、滑移、孪生、回复、再结晶。答:1、晶体原子或分子在空间呈长程有序、周期性规则排列的物质称为晶体。2、晶格将晶体中的原子抽象成质点,用一些假想的空间直线将质点连接起来所构成的空间格架,称为晶格3、晶胞从晶格中取出一个反映点阵几何特征的最小几何单元,称为晶胞。4、致密度晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比,称为致密度。用K表示,K越大越致密。
4、5、相在合金中具有相同的物理和化学性能,并与该系统的其它部分有界面分开的物质部分,称为相,如液固相共存系统中的液相和固相。6、固溶体合金组元通过相互溶解形成一种成分和性能均匀且结构与组元之一相同的固相称为固溶体,与固溶体晶格相同的组元为溶剂(含量多),其它组元为溶质(含量少)。7、塑性变形金属材料在外力作用下产生变形,当外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。8、滑移是晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分发生相对滑动,称为滑移。9、孪生晶体在切应力作用下,其一部分将沿一定的晶面(孪晶面)产生一定角度的切变,称为孪生。10、回复把经冷变形的金属加热时,在显微组织发生改变前,所发生的一些亚结
5、构的改变过程称为回复。11、再结晶变形金属加热到较高温度时,由于原子的活动能力增强,在晶格畸变较严重处,使晶粒中位错密度降低,产生一些位向与变形晶粒不同的、内部缺陷较少的等轴小晶粒,这些小组晶粒不断地向外扩展长大。原先破碎、被拉长的晶粒全部被新的等轴小晶粒所取代。这一过程称为再结晶。2-3 单晶体与多晶体有何差别?为什么单晶体具有各向异性的性质,而多晶体则无各向异性的性质?答:单晶体是一块晶体内部的晶格位向完全一致的晶体。而多晶体是由许多位向不同的微小的单晶体(即晶粒)组成的多晶体。换言之,多晶体是由单晶体构成,各晶体的位向是不同的。单晶体由于各方向上的原子密度不同,故不同方向上的物理、化学和
6、力学性能不同,即具有各向异性。由于多晶体是由许多位向不同的晶粒所构成,各位向不同的晶粒可以互相抵消或补充,故多晶体则无各向异性的性质。2-7 什么叫刃型位错?说明位错密度对材料力学性能的影响?答:刃型位错就是在晶体中某一平面列或若干平面列的原子发生某种有规律的错排,称为刃型位错。位错会引起晶格畸变,位错的存在使晶体强度降低,但当位错大量产生后,强度反而提高。生产上常用增加位错的办法对金属进行强化,但强化后其塑性有所降低。2-9 什么叫加工硬化?其产生原因是什么?加工硬化在工程上带来哪些利弊?答:金属在发生塑性变形时,随着冷变形量的增加,金属的强度和硬度提高,而塑性和韧性下降,这种现象称为加工硬
7、化。产生原因是位错密度增大所致。塑性变形导致亚结构细化,位错密度大增加,从而位错与位错之间的距离越来越小,晶格畸变程度也急剧增大,加之位错的交互作用加剧,使位错运动阻力增大,引起变形抗力增加,表现为强度的提高。加工硬化有利于金属进行均匀的塑性变形。金属已变形部分不继续变形在未变形的部分进行塑性变形变形均匀化。加工硬化是强化金属材料的重要手段之一。加工硬化也有某不利的一面,它会使金属的塑性降低,变形抗力增加,给金属进一步变形加工带来困难。2-10 冷拨钢丝制作导线时,冷拨之后应如何处理?为什么?答:应进行“去应力退火”。因为冷拨钢丝经过冷塑性变形后,会产生加工硬化,也会产生残余应力。由于加工硬化
8、,弹性极限得到很大提高,将冷拉钢卷成弹簧后,为了保留加工硬化,使弹簧具有高的弹性极限,所以,在冷卷后,进行一次230300C的去应力退火。以消除残余内应力,提高疲劳强度稳定形状和尺寸。2-11 热加工对金属组织和性能有何影响?钢材在热变形加工时为什么不出现硬化现象?答:热加工对金属组织和性能的影响1、改善钢锭和钢坯的组织和性能。热变形加工后,铸态金属中的气孔、缩孔以及小裂纹被焊合,压实,材料的致密度增加。热加工可使铸态金属中的粗大晶粒破碎,使晶粒细化,组织均匀。由于在温度和压力作用下的扩散速度加快,因而钢锭中的偏析可以部分地消除,使其成分比较均匀。这些变化使金属材料的性能明显提高。2、形成锻造
9、流线锻造时,金属的脆性杂质被打碎,顺着金属主要伸长方向呈碎粒工链状分布;塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布。即称为流线。它会使金属材料的性能呈现出明显各向异性,拉伸时沿着流线伸长方向(纵向)具有较好的力学性能,垂直流线方向的力学性能较差。钢材在热变形加工时,不会出现硬化现象。因为热加工在塑性变形时产生的加工硬化和组织变化,会被随即而来的再结晶消除,形成缺陷较少的等轴晶粒。2-12 金属塑性变形造成哪几种残余应力?它的对机械零件可能产生哪些影响?答:(1)宏观残余内应力(第一类内应力)工件由于其各部分塑性变形不均匀而造成的在宏观范围内互相平衡的内应力称为宏观残余应力,又称为第一类内应力
10、。它有害一面:宏观残余内应力与外应力叠加会降低工件的承载能力。或引起工件的变形。宏观残余内应力是有害的,应予以消除。可利用的一面:生产上,也可利用它。如工件采用滚压或喷丸处理后,将工件表层产生压应力,使其疲劳强度显著提高。(2)晶间内应力(第二类内应力)由于多晶体的各晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀而形成的微观内应力称为晶间内应力,又称微观内应力或第二类内应力。有害的一面:它会使工件内部产生显微裂纹,甚至使工件破裂,同时它促使金属产生应力腐蚀。(3)晶格畸变应力(第三类内应力)金属经过塑性变形后,产生了大量位错及空位等缺陷,使晶体中的部分原子偏离了原来的平衡位置,造成了晶格畸变。晶格畸变所引起的附
11、加内应力,称为晶格畸变应力,又称第三类内应力。有利的一面:在塑性变形中,第三类内应力是使金属强化的主要原因,也是变形金属的主要内应力;它是金属塑性变形的主因。保留第三类应力,也就是保留加工硬化。有害的一面:会使金属的塑性降低,变形抗力增加,给金属进一步变形加工带来困难。使钢板发生翘曲,零件在切削加工后所发生的变形也大;使金属的耐腐等性能降低。有利的一面:可以使金属材料强化,即硬度和强度提高。也可使金属材料产生均匀的塑性变形。 第三章习题3-1 解释下列名词:过冷度、非自发成核、同素异构、同分异构、平衡、相图。答:1、过冷度:理论再结晶温度To与实际结晶温度Tn之差称为过冷度,即:T=ToTn。
12、2、非自发成核:实际金属往往是不纯净的,内部总含有这样或那样的外来杂质。杂质的存在常常能够促进晶核在其表面上的形成,这种依附于杂质而生成晶核的过程称为非自发成核。3、同素异构:孪生晶体在切应力作用下,其一部分将沿一定的晶面(孪晶面)产生一定角度的切变,称为孪生。4、同分异构:把化学成分相同,而组成原子排列成不同的分子结构称为同分异构。5、平衡:是指在合金中参与结晶或相变过程的各相之间的相对质量和相对浓度不再改变时的状态。6、相图:是表达温度、成分和相之间的关系,以及合金系中不同成分合金在不同温度下,由哪些相组成以及这些相之间平衡关系的图形。3-5 为什么材料一般希望获得细晶粒?细化晶粒的方法有
13、哪些?答:在一般情况下,晶粒愈小,金属的强度、塑性和韧度就愈好。所以工程上,使晶粒细化是提高金属力学性能的最重要的途径之一。细化晶粒的方法有:提高金属的过冷度和进行变质处理。因为提高金属的过冷度使生核速率N和长大速度G的比值也增大,结果使晶粒细化。在液态金属中加入孕育剂或变质剂,以增加异质核心的数量,从而细化晶粒和改善组织。3-6 已知A(熔点650C)与B(熔点560C)二组元在液态时无限互溶;320C时,A溶于B的最大溶解度为31%,室温时为12%,但B不溶于A;在320C时,含42%B的液态合金发生共晶反应,要求:(1)作A-B合金相图;(2)分析A为25%合金的结晶过程。答:(1)作A
14、-B合金相图,如下图(2)图中红线为25%A的成分线。当温度在1点以上时,全部为液相L;当温度下降在12点之间时,液相L中析出固相,当温度下降至2点3点之间时,L相全部转变为相。当温度下降到3点时,相中析出A相,一直到室温,最终组织为:+A。3-7 有A、B两组元,其熔点TBTA,组成二组元匀晶相图,试分析以下说法是否正确,为什么?(1)A、B两组元的晶格类型可以不同,但原子大小一定相等。(2)其中任一合金K,在结晶过程中由于固相成分沿固相线变化,故结晶出来的固溶体中的含B量始终高于原液相中的含B量。(3)固溶体合金按匀晶相图平衡结晶时,由于不同温度下结晶出来的固溶体成分和剩余液相成分都不相同
15、,所以固溶体的成分是不均匀的。答:(1)错误。因为A、B两组元能组成匀晶相图,说明两组元在液态时为无限互溶,在固态度时也无限互溶。能形成无限固溶体时,两组元的原子半径相接近,不一定相等,而两组元的晶格类型可以相同,也可以不同。(2)正确。因为A、B两组元,其熔点TBTA,在结晶过程中由于固相成分沿固相线变化,相图中的固相线与液相线都是由左下向右上,故结晶出来的固溶体中的含B量始终高于原液相中的含B量。(3)错误。因为固溶体合金按匀晶相图平衡结晶时,由于不同温度下结晶出来的固溶体成分和剩余液相成分是变化的,最后,由于原子的运动,固溶体的成分是均匀的。第4章习题4-1 试画出Fe-Fe3C相图,填
16、出各相区的组织,说明图中的主要点、线的意义。答:(Fe-Fe3C相图中包晶部分可以不画出,此图见下面的图)C:共晶点1148 4.30%C,在这一点上发生共晶转变,反应式:,当冷到1148时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物莱氏体;E:碳在中的最大溶解度点1148 2.11%C;G:同素异构转变点(A3)912 0%C;H:碳在中的最大溶解度为1495 0.09%C;J:包晶转变点1495 0.17%C 在这一点上发生包晶转变,反应式:当冷却到1495时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相反应生成具有J点成分的固相A;N:同素异构转变点(A4)1394 0
17、%C;P:碳在中的最大溶解度点 0.0218%C 727;S:共析点727 0.77%C 在这一点上发生共析转变,反应式:,当冷却到727时从具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物珠光体P();ES线:碳在奥氏体中的溶解度曲线,又称Acm温度线,随温度的降低,碳在奥化体中的溶解度减少,多余的碳以形式析出,所以具有0.77%2.11%C的钢冷却到Acm线与PSK线之间时的组织,从A中析出的称为二次渗碳体;GS线:不同含碳量的奥氏体冷却时析出铁素体的开始线称A3线,GP线则是铁素体析出的终了线,所以GSP区的显微组织是;PQ线:碳在铁素体中的溶解度曲线,随温度的降低
18、,碳在铁素体中的溶解度减少,多余的碳以形式析出,从中析出的称为三次渗碳体,由于铁素体含碳很少,析出的很少,一般忽略,认为从727冷却到室温的显微组织不变;PSK线:共析转变线,在这条线上发生共析转变,产物(P)珠光体,含碳量在0.026.69%的铁碳合金冷却到727时都有共析转变发生。4-2、什么是共析反应?什么是共晶反应?答:共析反应:冷却到727时具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物。0.77F0.02+Fe3C6.69共晶反应:1148时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物。 L4.32.11+ Fe3C6.694-3、
19、分析C的质量分数为0.45%、1.2%、3.0%、5.0%的铁碳合金从液态缓冷至室温的平衡相变过程和室温下的平衡组织,写出转变表达式,画出显微组织示意图。答:1、0.45% C:合金在12点间按匀晶转变结晶出A,在2点结晶结束,全部转变为奥氏体。冷到3点时开始析出F,3-4点A成分沿GS线变化,铁素体成分沿GP线变化,当温度到4点时,奥氏体的成分达到S点成分(含碳0.8%),便发生共析转变,形成珠光体,此时,原先析出的铁素体保持不变,称为先共析铁素体,其成分为0.02%C,所以共析转变结束后,合金的组织为先共析铁素体和珠光体,当温度继续下降时,铁素体的溶碳量沿PQ线变化,析出三次渗碳体,同样量
20、很少,可忽略。所以含碳0.45%的亚共析钢的室温组织为:F+P2、1.2% C:合金在12点间按匀晶转变结晶出奥氏体,2点结晶结束,合金为单相奥氏体,冷却到3点,开始从奥氏体中析出二次渗碳体,沿奥氏体的晶界析出,呈网状分布,3-4点间不断析出,奥氏体成分沿ES线变化,当温度到达4点(727)时,其含碳量降为0.77%,在恒温下发生共析转变,形成珠光体,此时先析出的保持不变,称为先共析渗碳体,所以共析转变结束时的组织为先共析二次渗碳体和珠光体,忽略。室温组织为二次渗碳体和珠光体。3、3.0%C: 合金在12点阶段结晶出A,此时液相成分按BC线变化,而奥氏体成分沿JE变化。温度降到2点时,剩余的液
21、相成分达到共晶成分,发生共晶转变,生成高温莱氏体。在2点以下,先析出的奥氏体和高温莱氏体中的奥氏体都析出Fe3C, 随着Fe3C的析出,奥氏体的C的质量分数沿着ES线降低。当温度到达3点时(727),所有奥氏体都发生共析转变而成为珠光体。室温时组织PLd。4、5.0%C: 合金在12点阶段结晶出Fe3C,此时液相成分按DC线变化,温度降到2点时,剩余的液相成分达到共晶成分,发生共晶转变,生成高温莱氏体。在23点阶段要从莱氏体中的A内析出Fe3C(与莱氏体中的渗碳体混在一起),继续冷却到3点时(727),莱低体中的奥氏体都发生共析转变而成为珠光体。室温时组织4-4 简述C的质量分数对铁碳合金组织
22、和性能的影响。答:铁碳合金的室温平衡组织都是由铁素体和渗碳体组成的,其中铁素体是较软的相,渗碳体是硬而脆的相,所以,随着C的质量分数的增加,铁素体的数量减少,渗碳体的数量增加,钢的强度增加,塑性降低。亚共析钢随着C的质量分数的增加,珠光体的数量逐渐增加,因而强度、硬度上升,塑性与韧度下降。当C的质量分数为为0.77%时,钢的组织全为珠光体,此时,钢的性能也就是珠光体的性能。过共析钢除珠光体外,还有渗碳体,其性能要受到二次渗碳体的影响。若C的质量分数不超过1%时,由于二次渗碳体一般还不会连成片,当C的质量分数大于1%时,二次渗碳体数量增多,并呈网状分布,故钢具有很大的脆性,塑性很低,强度也会下降
23、。第5章习题5-1 简述共析钢加热时奥氏体形成的几个阶段,并说明亚共析钢,过共析钢奥氏体形成的主要特点。答:共析钢加热时有四个阶段:奥氏体形核:在铁碳体相界面处形核;奥氏体长大:由于铁和碳原子的扩散作用,奥氏体向铁素体和渗碳体两个方向长大。残余渗碳体溶解:铁素体首先消失,残余渗碳体随着加热和保温时间的延长,不断地溶入奥氏体。奥氏体成分均匀化:刚形成的奥氏体的碳浓度是不均匀的,在继续加热和保温过程中,通过C原子的扩散,能使奥氏体中的含碳量趋于均匀。亚共析钢和过共析钢的形成的主要特点:钢加热到Ac1以上时,钢中的珠光体转变为奥氏体(其过程与共析钢相同),亚共析钢加热到Ac3以上时,过共析钢加热到A
24、ccm以上时,亚共析钢中的铁素体,过共析钢中的渗碳体,才会溶入奥氏体。5-2 以共析钢为例,说明将其奥氏体化后立即随炉冷却,空气中冷却、油中冷却和水中冷却,各得到什么组织?力学性能有何差异?答:1、随炉冷却:奥氏体A发生珠光体P转变,性能:170220HBS;2、空气中冷却:奥氏体A发生索氏体S转变,其性能:2535HRC;3、油中冷却:奥氏体A发生托氏体T马氏体M残余奥氏体A,其性能:4555HRC;4、水中冷却:奥氏体A发生马氏体M残余奥氏体A转变,其性能:5565HRC。5-3 将一组共析钢试样奥氏体化后,分别投入690C、650C、450C、300C的恒温槽中并长时间保温后冷却,各得到
25、什么组织?答:将共析钢投入到不同温度的恒温槽中长时间保温冷却,690C:得到珠光体P;650C:得到索氏体S;450C:得到上贝氏体B上;300C:得到下贝氏体B下。5-4 试说明过共析钢采用哪种退火工艺?为什么?答:采用球化退火,因为球化退火后获得的组织为铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体,即球状珠光体组织。球化退火主要用于共析钢、过共析钢和各种高碳钢工具钢、模具钢轴承钢等,目的是使热加工后的网状二次渗碳体球化,改善切削加工性能,为淬火作准备。如果不用球化退火,而采用其它退火,如完全退火,会得到片状珠光体网状渗碳体,使钢的韧度大为降低。所以过共析钢必须采用球化退火。5-5 45钢经调质后
26、硬度为240HBS,若再进行200C回火,是否可使其硬度提高?为什么?若45钢经淬火低温回火后其硬度为57HRC,若再进行560C回火,是否可使其硬度降低?为什么?答:45钢经调质即淬火高温回火(560C回火),得到的是回火索氏体组织,其硬度为240HBS左右,若再进行200C回火,其组织不会发生改变,所以其硬度不会提高。45钢经淬火低温回火后,得到的组织为回火马氏体组织,可使其硬度为57HRC;若再进行560C回火,回火马氏体会转变为回火索氏体组织,所以可使其硬度降低。5-6 有两个过共析钢试样,分别加热到780C和880C,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却至室
27、温。试问:(1)哪种加热温度的马氏体晶粒较粗大?(2)哪种加热温度的马氏体的C的质量分数较高?(3)哪种加热温度的残余奥氏体较多?(4)哪种加热温度的未溶渗碳体较少?(5)试分析哪种温度淬火最合适?为什么?答:(1)880C加热温度的马氏体晶粒较粗大。(2)880C加热温度的马氏体的C的质量分数较高。(3)880C加热温度的残余奥氏体较多。(4)880C加热温度的未溶渗碳体较少(5)780C加热温度淬火最合适。因为过共析钢在淬火之前,要进行球化退火,使钢中的渗碳体呈球状或粒状,加热至780C时,钢中珠光体转变为奥氏体,而球状的渗碳体不会溶入奥氏体,保持其球状;淬火后(以大于临界冷却速度的冷却至
28、室温),奥氏体转变为马氏体残余奥氏体球状的渗碳体。达到淬火目的。如果加热到880C,保温后淬火,会使过共析钢中的球状渗碳体溶入奥氏体中,使奥氏体中碳的质量分数较大,淬火后,马氏体的正方度加大,内应力增大,使钢的变形也开裂的倾向加大。另方面,由于球状渗碳体的消失或减少,会使钢的耐磨性下降。5-7 现有低碳钢齿轮和中碳钢齿轮各一只,为了使齿轮表面具有高的硬度和耐磨性,应该选择何种热处理方法?并比较热处理后它们在组织和性能上的差别。答:低碳钢齿轮选择热处理方法:锻造正火粗机械加工半精加工渗碳空冷淬火低温回火精加工。热处理后的组织:表面由于渗碳后其含碳量高,淬火低温回火后组织为回火马氏体,其性能具有较
29、高的硬度和耐磨性,而心部由于正火,具有良好的塑性及韧度。中碳钢齿轮可采用:锻造退火粗加工半精加工调质精机械加工齿部表面淬火低温回火精磨齿部。热处理的组织:由于进行调质处理,其心部具有综合的力学性能,齿部由于进行表面淬火及低温回火,故表面具高的硬度和耐磨性。两者相比较,两种方法都能满足齿轮的要求。低碳钢齿轮的热处理方法比中碳钢齿轮的热处理方法,可获得更高的表面的硬度,耐磨性;疲劳强度也较高些,但热处理工艺较中碳齿轮的热处理时间较长,成本较高。第6章习题6-2 钢中的长存的杂质元素有哪些?它们对钢的性能有何影响?答:钢中长存的杂质元素有:Mn、Si、S、P、N2、H2、O2。1、锰的影响:锰能脱氧
30、,去除FeO,改善钢的品质,降低钢的脆性。能去硫,形成MnS,改善钢的热加工性能。大部分锰溶入铁素体,固溶强化铁素体,提高钢的强度和硬度。锰在碳钢中含量一般小于0.8%,对碳钢性能的影响不显著,适当提高到0.9%1.2%时,可起到一定强化作用。2、硅的影响:硅的脱能力比锰强,能清除FeO等有害杂物对钢的不良影响。硅还能溶入铁素体,提高钢的强度和硬度。但它会降低钢的塑性和韧性,因此,钢的含量通常小于0.40%。3、硫的影响:S不溶于Fe,而以FeS的形式存在。FeS与Fe形成低熔点(985C)的共晶体(FeSFe),且分布在晶界上,当钢材在10001200C进行热加工时,共晶体熔化,使钢变脆,即
31、热脆。一般讲,S是有害杂质元素。4、磷的影响:磷全部溶于铁素体,从而提高了钢的强度和硬度。但在室温下使钢的塑性急剧下降,脆性增加,特别是低温时更为严重,称为冷脆。必须严格控制钢中含磷量。5、氮、氢、氧的影响:严重影响钢的性能,降低钢材质量。N会使钢变脆;H能使钢的塑性急剧下降;O降低钢的疲劳强度。6-3 合金钢与碳钢相比,具有哪些特点?答:具有特点:1、淬透性比碳钢高,可用于制造大截面,形状复杂的零件;2、具有高的高温强度和红硬性,高的硬度、耐磨性。可制造各种刀具和模具。3、能获得比碳钢更良好的综合性能,而且其稳定性也好,可制造各种重要的结构。4、具有碳钢不达到的各种特殊的性能,如高温硬度和强
32、度、抗氧化性、耐腐蚀性、特殊电、磁性能等。6-4 何谓调质钢?为什么调质钢属于中碳钢?合金钢调质钢中常有哪些合金元素?它们在调质钢中起什么作用?答:调质钢是经调质处理后,获得回火索氏体,具有强度和韧度良好配合的综合力学性能的结构钢。有碳素调质钢和合金调质钢(在碳素调质钢中加入合金元素)两种。调质钢的C的质量分数介于0.27%0.50%之间,属于中碳钢,如果含碳量过低不易淬硬,回火后强度不足;含碳量过高则韧度不足;两者均不能达到强度与韧度良好配合的综合力学性能。合金调质钢中常有Cr、Ni、Mn、Si等。合金元素的主要作用是提高钢的淬透性。全部淬透的零件,在高温回火后,可获得高而均匀的综合力学性能
33、,特别是高的屈强比。这些元素还有显著强化铁素体的作用,当它们含量在一定范围时,还可提高铁素体的韧度。6-5 拖拉机变速齿轮,材料为20CrMnTi钢,要求齿面硬度5864HRC,分析说明采用什么热处理工艺才能达到这一要求?答:可采用渗碳(900C930C)后,预冷至870C左右直接淬火,再经过150C200C低温回火的热处理工艺。分析:20CrMnTi钢是典型的渗碳合金钢,碳的平均质量分数为0.2%,齿面的硬度要求很高,所以要进行渗碳处理,预冷后淬火,再经低温回火,其齿面组织为合金渗碳体回火马氏体少量残余奥氏体。其硬度可达到5864HRC。可以满足要求。6-6 有一10的杆类零件,受中等交变拉
34、压载荷的作用,要求零件沿截面性能均匀一致,供选材料有:16Mn、45钢、40Cr、T12。要求(1)选择合适的材料;(2)编制简明工艺路线;(3)说明各热处理工序的主要作用;(4)指出最终组织。答:选择40Cr;锻造退火粗加工半精加工调质精加工;退火的主要作用:消除锻造的内应力,降低硬度以便切削加工,细化晶粒,为后面的调质作好准备;调质的主要作用:使零件具有较高的硬度、强度、塑性及韧度等综合的力学性能。以满足零件受中等交变拉压载荷的作用。由于40Cr的淬透性好,能满足沿截面性能均匀的要求;最终组织为回火索氏体。6-7 为什么合金弹簧钢多用Si、Mn作为主要合金元素?为什么要采用中温回火?得到什
35、么样的组织?其性能如何?答:弹簧钢以Si、Mn作为主要合金元素,因为Si、Mn元素可显著提高钢的淬透性和回火稳定性,对铁素体有明显的强化作用,可提高屈强比,其力学性能明显高于碳钢,而且价格便宜。弹簧钢经淬火中温回火,可得到回火托氏体,硬度为4048HRC,其组织性能是具有高的弹性强度和疲劳强度,并有一定的塑性和韧度。如果回火温度过低,会使弹性强度、塑性和韧度不足,如果回火温度过高,会使其强度不足。6-10 T9和9SiCr钢都属于工具钢,含碳量基本相同,它们在使用上有何不同?下列工具应分别选用它们中的哪一种?机用丝锥,木工刨刀,钳工锯条,铰刀,钳工量具。答:T9钢是优质碳素工具钢,容易锻造,加
36、工性能好,硬度高,能承受一定的冲击,而且价格便宜,但淬透性低,淬火变形较大,回火抗力差;适合制造手工工具等。木工刨刀、钳工锯条可选用T9钢制造。9SiCr钢是应用较广泛的低合金工具钢,具有较好的淬透性和回火稳定性,碳化物细小均匀,其红硬性可达250300C,适于制造各种薄刃刀具。机用丝锥、铰刀和钳工量具可选用9SiCr制造。6-11 高速钢经铸造后为什么要反复锻造?锻造后在切削加工前为什么必须退火?为何W18Cr4V钢的淬火温度要高达1280C?淬火后为什么要经三次560C回火?答:高速钢含有大量的合金元素,使C在-Fe中的最大溶解度E点显著左移,所以在高速钢的铸态组织中将出现莱氏体,属于莱氏
37、体钢。其共晶碳化物形状是鱼骨状,粗大而质脆。这种碳化物用热处理方法不能消除,必须借助于反复锻造将其打碎,使之均匀化。以提高刀具质量和延长使用寿命。锻造后在切削加工前必须进行等温退火处理。其目的不仅是降低硬度,消除应力,以改善切削加工性能,而且也为以后淬火作组织准备。退火后的组织为索氏体和均匀细小的粒状的碳化物。由于高速钢中含有大量的W、Mo、Cr、V的难溶碳化物,它们只有在1000C以上才能并使合金元素充分溶于奥氏体中,以保证淬火、回火后获得高的红硬性,因此,高速钢的淬火加热温度要高达1280C。高速钢淬火后的组织为:淬火马氏体、剩余合金碳化物和大量残余奥氏体,经过一次560C回火后,消除了淬
38、火应力,稳定组织,减少残余奥氏体的数量;但高速钢中的残余奥氏体的量很多,其质量分数为30%左右,经过一次回火难以将其完全转变为回火马氏体,而必须在560C回火下经三次回火才能使之绝大部分转变为马氏体。经三回火后,可得回火马氏体、细小的颗粒状碳化物和少量的残余奥低体,其硬度为6265HRC。可达到使用要求。第7章习题7-1 与钢相比,铸铁化学成分有何特点?铸铁作为工程材料有何优点?答:碳钢是指含碳量0.02%2.11%的铁碳合金,铸铁是指大于2.11%的铁碳合金。与钢相比,铸铁中含碳及含硅量较高。比碳钢含有较多硫、磷等杂质元素。钢中的碳是以渗碳体的形式存在,白口铸铁组织中存在着共晶莱氏体;灰口铸
39、铁中碳以石墨形式存在。一般说来,铸铁中的碳主要以石墨形式存在时,才能被广泛地应用。铸铁优点:其生产设备和工艺简单,价格便宜,且有良好的铸造性能,缺口敏感性小、耐磨性好、切削加工性能及减振性等好,有优良使用性能和工艺性能。但力学性能差。7-2 说明石墨形态对铸铁性能的影响。灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁的石墨形态有何不同?答:灰铸铁中石墨呈片状,片状石墨的强度、塑性、韧性几乎为零,存在石墨地方就相当于存在孔洞、微裂纹,它不仅破坏了基体的连续性,减少了基体受力的有效面积,而且在石墨片尖端处形成应为集中,使材料形成脆性断裂。石墨片的数量越多,尺寸越粗大,分布越不均匀,铸铁的抗拉强度和塑性就越低。由于灰铸
40、铁的抗压强度、硬度与耐磨性主要取决于基体,石墨存在对其影响不大。故灰铸铁的抗压强度一般是抗拉强度的3-4倍。球墨铸铁中石墨呈球状,所以对金属基体的割裂作用较小,使得基体比较连续,在拉伸时引起应力集中的现象明显下降,从而使基体强度提高。这就使球墨铸铁的抗拉强度、塑性和韧性、疲劳强度不仅高于其它铸铁,而且可以与相应组织的铸钢相比。可锻铸铁中石墨呈团絮状。与灰铸铁相比对金属基体的割裂作用较小,可锻铸铁具有较高的力学性能,尤其是塑性与韧性有明显的提高。7-5 何谓球墨铸铁?球墨铸铁的成分和组织有何特点?可进行何种热处理?答:铁水经过球化处理而使石墨大部分呈球状的铸铁称为球墨铸铁。球墨铸铁比普通灰铸铁的
41、含碳、硅量高,硫、磷杂质含量严格控制。与灰铸铁相比,它的碳、硅含量较高,以有利于石墨球化。球墨铸铁按基体组织可分为:铁素体球墨铸铁、铁素体-珠光体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁。由于石墨呈球状,其割裂基体的作用及应力集中现象大为减小,可以充分发挥金属基体的性能。可进行退火、正火、调质和等温淬火等热处理。7-6 说明下列铸铁的类型,主要性能指标及用途:(1)HT200;(2)HT350;(3)KTH300-06;(4)KTZ550-04;(5)QT400-18;(6)QT800-2。答:(1)HT200:灰口铸铁,最低抗拉强度为200Mpa,主要制造:端盖、箱体、管子等零件。(2)HT350:灰口铸铁
42、,最低抗拉强度为350Mpa,主要制造:汽缸、齿轮、液压泵体等零件。(3)KTH300-06:铁素体可锻铸铁,最低抗拉强度为300Mpa,最低伸长率为6%,主要制造:弯头、三通等零件。(4)KTZ550-04:珠光体可锻铸铁,最低抗拉强度为550Mpa,最低伸长率为4%,主要制造:曲轴、连杆、齿轮等管件。(5)QT400-18:球墨铸铁,最低抗拉强度为400Mpa,最低伸长率为18%,主要制造:汽车底盘、气阀阀体等零件。(6)QT800-2:球墨铸铁,最低抗拉强度为800Mpa,最低伸长率为2%,主要制造:曲轴、机床主轴、缸套等零件。第8章8-3 解释铝合金的时效强化现象。什么是人工时效?什么
43、是自然时效?二者给材料造成的性能有何不同?哪种类型铝合金时效强化的效果最好?答:在Al-Cu合金中,当把Cu的质量分数为0.5%5.7%的合金加热到固溶线温度以上时,形成单相固溶体,随后快速淬火冷却后,由于从固溶体中来不及析出CuAl2相,所获得的组织为过饱和固溶体,这种过饱和的固溶体不稳定,有自发地向稳定状态(CuAl2)转变的确趋势。这种由过饱和固溶体中沉淀析出强化相的过程,称为时效过程。时效过程若是在某一温度下进行,则称为人工时效;时效过程若是在室温下进行,则称为自然失效。人工时效可使时效速度加快,温度越高,所获得的强度峰值越低。自然时效进行得缓慢,但可以获得很大强度峰值。硬铝合金和超硬
44、铝合金时效强化的效果最好。8-5 硅铝明是指的哪一类铝合金?它们为什么要进行变质处理?答:硅铝明是Al-Si系铝合金,如ZL102、ZL102、ZL103、ZL111。它们通常称为硅铝明。其中ZL102成分简单,仅由Al、Si两组元组成,称为简单硅铝明,其Si含硅量为10%13%,正好处于共晶点附近(Al-Si合金共晶成分为Si=11.7%),具有优良的铸造性能。在铸造缓冷后,该合金几乎全部由共晶组织(十Si)组成;由于共晶组织中的共晶硅常呈粗大的针状且性能硬脆,其强度及塑性很低,不能满足使用要求。在合金的熔体中加入钠盐混合物(2/3NaF1/3NaCl)进行变质处理,可使硅铝明合金获得亚共晶
45、组织(Si)其强度和塑性明显提高。在简单硅铝明的基础上加入Cu、Mg、Mn等合金元素,就构成复杂硅铝明,其牌号如ZL104、ZL107、ZL109等。这类合金的组织中出现更多的强化相,如CuAl2、MgS及Al2CuMg,在变质处理与时效强化的综合作用下,可使强度升高至200300Mpa。8-6 下列零件常使用铜合金制造,试选择适宜的铜合金类型并推荐合金牌号:(1)船用螺旋桨;(2)弹壳;(3)发动机轴承;(4)冷凝器;(5)高精度弹簧;(6)钟表齿轮。答:(1)船用螺旋桨:选用特殊黄铜(锰黄铜),如ZHMn55-3-1;(2)弹壳:选用普通黄铜,如H68;(3)发动机轴承:选用特殊黄铜(锰黄
46、铜),如HMn58-2;(4)冷凝器:选用特殊黄铜(硅黄铜),如ZHSi80-3;(5)高精度弹簧:选用普通黄铜,如H62;(6)钟表齿轮:选用特殊黄铜(铅黄铜),如HPb59-1。第9章习题9-2 举出四种常用的热塑性塑料和两种热固性塑料,并说明其主要的性能和用途。答:常用的热塑性塑料有:聚乙烯、聚氯乙烯、ABS塑料和聚酰胺;1、聚乙烯:质地坚硬,有良好的耐磨性,耐蚀性和电绝缘性能,而耐热性差;主要制造:薄膜、包装材料、电绝缘材料、桶、管等。高压聚乙烯化学稳定性高,有良好的高频绝缘性,柔软性,耐冲击性和透明性。2、聚氯乙烯:强度较高,电绝缘性优良,对酸、碱抵抗力强,化学稳定性好,有良好的热成
47、型性能,密度小。主要用途:化工耐蚀的结构材料,如果输油管、容器、离心泵、阀门管件等。3、ABS塑料:有高的冲击韧性和较高的强度,优良的耐油、耐水性和化学稳定性。好的电绝缘性和一定的耐磨性。主要用途:制造齿轮、泵叶轮、轴承、方向盘、电视机、电话、计算机等的壳体以及废水排泄管道和接头。4、聚酰胺:又称为尼龙,无味,无毒有较高的强度和良好的韧性,有一定的耐热性,可在100C下使用,优良的耐磨性和自润滑性,而且耐油耐蚀,消音减振;主要用途:制造要求耐磨、耐蚀的某些承载和传动零件,如轴承、齿轮、滑轮、螺钉、螺母及一些小型零件,芳香尼龙具有良好的耐磨、耐热、耐辐射性和电绝缘性;可作高压油密封圈。常用的热固性塑料有:酚醛塑料和环氧塑料。1、酚醛塑料:有优异的耐热、绝缘、化学稳定和尺寸稳定性,以及较高的强度、硬度和耐磨性,其抗蠕变性能优于许多热塑性工程塑料;主要用途:广泛用于机械、电子、航空、船舶和仪表工业中,如制造高频绝缘件,耐酸、
限制150内