武汉理工工程材料模拟题解

1、工程材料模拟试题解仅供参考一、填空题1、碳在a-fe中的有限固溶体 碳在丫 -fe中的有限固溶体 是铁素体和渗碳体片层相间的2、正火 淬火+高温回火（调质）3、固溶处理奥氏体4、普通低合金钢低合金工具钢滚动轴承钢5、低碳钢高碳钢中碳钢6、珠光体贝氏体马氏体7、马氏体中的碳含量 临界冷却速度vk的大小8、渗碳钢 渗碳、淬火+低温回火9、调质钢 淬火+高温回火（调质）10、形变铝合金铸造铝合金二、判断题xxxx xxxxx xxxx补充：1、力学性能指标：强度 be、bs、bb；塑形8、少；韧性a ko2、铁碳合金在平衡状态下：1）平衡状态下的铁碳合金，在固态下有三个单相，它们是铁素体、奥氏体和渗

2、碳体。有两个机械混合物，它们是珠光体和莱氏体。 珠光体是奥氏体在727 c发生共析反应得到的产物，是由铁素体和渗碳体两个单相所组成的片层相间的机械混合物；莱氏体是液相在1148c发生共晶反应的产物，是由奥氏体和渗碳体两个单相所组成的机械混合物。机械混合物不是单相，而是由两个或者两个以上的相所组成的物质。2）铁碳合金在室温下的所有组织都是有铁素体和渗碳体组成的，由于这两个相随着化学成分（c%的变化，两个相的大小、数量及分布状态不同，形成不同的组织，它们依次是：fff+ p- p+fe3q-p+fe3c+ld f ld 一 ld+fe3c i。3）平衡状态下的奥氏体在铁碳合金中是高温相（727c）

3、,室温下是看不见奥氏体的。4）铁素体和奥氏体属于固溶体范畴，在平衡状态下的固溶体都具有强而韧的特点（和组成固溶体的溶剂相比较）；渗碳体是金属化合物，硬而脆，塑形趋近与零。5）平衡状态下，从化学成分角度出发，钢和白口铸铁的分界线是2.11%c;从组织角度出发，钢和白口铸铁的分水岭是看组织中有没有莱氏体。6）随着含碳量的增加，铁碳合金金中的铁素体越来越少，渗碳体越来越多，硬度越来越高，塑形越来越差。7）杠杆定律是求平衡状态下两相区中两个相的相对量，非平衡状态下不可以使用。3、铁碳合金在非平衡状态下（热处理）：1）获得奥氏体组织是大多热处理的工艺的首要条件，可以把它看做若干相变的反应物。2）加热时的

4、奥氏体晶粒大小往往关系着冷却产物的组织细密程度，产物组织越细小，材料 的性能就会提高。3）加热时的奥氏体晶粒大小与加热温度、保温时间、原始组织以及化学成分有关系。4）预备热处理（退火或正火）的目的有三点，仅从其中之一的改善切削加工性方面（要求被加工材料的硬度为：170250hb）考虑，凡v 0.5%ciw需要获得索氏体才能达到切削加工 的硬度要求，所以采用正火。5）甄别两个“珠光体”：（1）完全退火得到的珠光体的显微组织是由块状的铁素体和呈片状结构的珠光体（珠光体 中的铁素体和渗碳体呈片状交替分布）组成。（2）球化退火得到的球状珠光体的显微组织是由块状的铁素体基体上分布有球状或者颗粒 状的渗碳

5、体组成。注意，同样化学成分的材料，渗碳体的形态将影响材料的性能： 切削加工性的优劣排序：渗碳体呈球状，片状、网状。这就是过共析钢为什么采用球化退火 而不用完全退火的原因之一；硬度和耐磨性优劣排序：渗碳体呈球状，片状、网状。这就是过共析钢为什么采用球化退火 而不用完全退火的原因之二。事实上，球状渗碳体还有两种获得的方法：其一，可以通过淬火马氏体高温回火（回火索氏体）得到；另外，把具有片状珠光体的过共析钢加热到ai之下长时保温，通过原子的充分扩散，让片状渗碳体逐渐“溶”为球状。6）钢的淬硬性取决于马氏体中的碳含量（即是加热时溶入到奥氏体中的碳含量）。7）钢的淬透性取决于临界冷却速度vk的大小。m越

6、小，淬透性越大。临界冷却速度：获得马氏体的最小冷却速度（与cffi线鼻部相切的速度）。它的相关因素为：m一过冷奥氏体的稳定性（孕育期）一加热时奥氏体中的化学成分、 晶粒大小、成分是否均匀以及是否存在第二相。以合金钢为例：除co以外，其它的合金元素都有提高过冷奥氏体稳定性的作用，它们的淬透性都高于同样含碳量的碳钢。8）热（红）硬性是刃具钢追求的非常重要的性能。钢如果具有高的热（红）硬性，说明它 可以在高的温度下工作硬度不会掉下来，满足高速切削，提高产品质量的现代化工业生产的要求。热（红）硬性的本质是回火抗力，就是阻碍马氏体分解的能力。我们知道，马氏体是奥 氏体发生非扩散性转变的产物，它是过饱和碳

7、的a固溶体，处于高能的不稳定状态。淬火马氏体如果要转变成稳定组织，一定要重新被加热发生马氏体分解（转变），马氏体分解的核心是靠原子的扩散，在这个过程中，如果有什么因素能够使得原子扩散受到阻碍，那么，马氏体的被分解将会延迟或推向高温去进行，如果在高温还能保持马氏体状态，不就是具有高的温度下保持高硬度的能力吗？这就是热（红）硬性。基本规律是，合金钢中的合金元素一旦在热处理加热中溶入到奥氏体中，将会保留到转变后的马氏体中，在马氏体中的所有合金元素都有阻碍马氏体分解的能力，且随着me%其效果愈发明显，碳化物形成元素影响最大。碳钢的热（红）硬性很差，大约只能在250 c的工作温度下保持高硬度；合金钢（特

8、别是高合金钢），热（红）硬性很高，有的钢种（比如w18cr4v在600c的工作温度下还可以维持高的硬度（说明在这个温度下它还是回火马氏体）。9）再结晶w重结晶，再结晶不属于相变过程。10）原始组织：上一道热处理工艺状态下的组织。 三、简答题1、组织是珠光体+二次网状渗碳体，是不能用杠杆定律来求解的。但是可以借助于珠光体 是由接近于727c的奥氏体转变过来的思路求解：设：该材料的碳含量为 x切珠光体=切奥氏体6.69-x6.69-0.77100% =95%=x =1.066%c2、1） 860 c2） 860 c3） 860 c4） 860 c5） 780 c是正常的淬火加热温度3、共析碳钢的原

9、始组织是粒状珠光体（球状珠光体），显然是通过调质热处理之后得到的，如果要使珠光体呈片状，只有使其钢种奥氏体化后然后随炉冷却（退火）或空气冷却（正火）才能得到，如果要得到比原始组织更粗大的粒状珠光体只能进一步的回火（高温软化回火）。1）退火2）正火3）高温软化回火4、针对题目中工件的缺陷及其要求：1）再结晶退火2）扩散退火3）完全退火4）球化退火5）去应力退火6）去应力退火5、相分析1） 45钢的相分析（1）铁素体和奥氏体，其化学成分为0.0218%c、0.77%c;（2）三相共存，铁素体、奥氏体和渗碳体，其化学成分为0.0218%c、0.77%c和6.69%c;（3）两相共存，铁素体和渗碳体，

10、其化学成分为 0.0218%c和6.69%c。2）含碳量为4.7%过共晶白口铁的相分析（1）液相和渗碳体两相共存，其化学成分为4.3%c和6.69%c;（2）液相、渗碳体和奥氏体三相共存，其化学成分为4.3%c、6.69%c和2.11%c;（3）渗碳体和奥氏体两相共存，其化学成分为6.69%c和2.11%c。6、选材1）略（和习题集中的模拟题雷同）工件名称选用材料最终热处理工艺铳刀w18cr4v淬火+三次高温回火汽车传动齿轮20crmnti渗碳、淬火+低温回火车床主轴45淬火+高温回火（调质）3)1结构钢35crmo q235、zg35、15、38crmoak 45、18cr2ni4wa、gc

11、r15,20cr、55si2mn、 y40mn、20mnvb 60si2mn2工具钢3cr2w8v w6mo5cr4v2 9mn2v t8、t10a、cr12movw18cr4v t12、5crnimn3特殊性能钢zgmn13 18cr2ni4wa、cr174铸铁ht20o qt600-2、kt4504、用上题提供的材料，选材结果见下表。零件名称材料最终热处理最终热处理后的组织滚动轴承gcr15淬火+低温回火m 回+a+k锤刀t12淬火+低温回火m 回+a+fe 3c机床转动齿轮45调质、高频淬火+低温回火表层：m回心部：s回钻头w18cr4v淬火+三次高温回火m 回+a+kc616车床主轴4

12、5淬火+高温回火（调质）s回汽车变速齿轮20mnvb渗碳、淬火+低温回火表层：m回+a+k心部：m回+f少量机床床身ht200去应力退火原始组织自行车架q235勿需热处理原始组织轴承座ht200去应力退火原始组织机床丝杆t10a淬火+低温回火m 回+a+fe 3c手工锯条t8淬火+低温回火m 回+a货车板弹簧60si2mn淬火+中温回火t回晾衣架摇把q235勿需热处理原始组织7、c曲线的问题：1）对于vi和v2速度，曲线的出发点是单一奥氏体状态，v3-v6的加热状态是奥氏体+渗碳体组织。vi 渗碳体+珠光体v2 渗碳体+索氏体v3 渗碳体+下贝氏体v4 渗碳体+下贝氏体+马氏体+残余奥氏体v

13、渗碳体+马氏体+残余奥氏体v6 渗碳体+马氏体+残余奥氏体其中的渗碳体也可以标注为二次渗碳体，如果在该钢种有球化退火，渗碳体应该标注为粒 （球）状渗碳体。2）同理，分析问题之前要注意曲线的出发点，如图所示，其中的 vi、v4、v5的加热状态都 是单一奥氏体组织，其它的加热状态得到的组织是渗碳体+奥氏体组织。vi 渗碳体+珠光体型v 2 渗碳体+下贝氏体v 3 渗碳体+下贝氏体+马氏体+残余奥氏体v 4 渗碳体+珠光体型+马氏体+残余奥氏体v 5 马氏体+v 6 渗碳体+马氏体+残余奥氏体特别要注意v4的冷却速度，分析如是：过冷奥氏体首先析出渗碳体，然后，剩下的过冷奥 氏体开始转变为珠光体型的组

14、织，这时的冷却速度曲线没有和珠光体的转变终了线相交，以连续冷却的方式直接进入马氏体转变区，v4在进入马氏体转变区之前貌似穿过了贝氏体区，可能有贝氏体组织形成吧？回答是否定的！但凡共析和过共析碳钢，他们在连续冷却的时候，过冷奥氏体是没有贝氏体转变行为的。3）该题目是亚共析钢的 c曲线，图形结构和冷去速度与上题相同，只需把上题的渗碳体换 成铁素体即可。vi 铁素体+珠光体型v 2 铁素体+下贝氏体v 3 铁素体+下贝氏体 +马氏体+残余奥氏体v 4 铁素体+珠光体型+马氏体+残余奥氏体v 5 马氏体+残余奥氏体v 6 铁素体+马氏体+残余奥氏体4）已经做过类似习题，略。关于晶向和晶面指数的求法不再

15、赘述。8、基本相图分析i）（i）由题意画出相图如下图所示，左边是（3） 70%b的合金结晶过程分析。(2) 80%a就是20%b合金成分垂线如上图所示，其共晶反应刚刚结束时的组织组成物是a和(a+ “)，组织组成物是不能直接用杠杆定律求的，我们可以借助相组成物来间接地求 出。如共晶体(a+ a )是300c稍上的液相转变过来的，于是：(a+ a ) = 3 l= (20/40) x 100%=50%cl) a=100%- ci) l =50%注意：结晶过程中的共晶反应的温度条件由于在增强图形文件中不好标注，所以没画上，你们在回答问题时要充分阐明温度和化学成分条件。2)(2)见25%b的合金的成

16、分垂线：1点以上，合金处于单一液相，25%b;当合金冷却至1点，合金开始结晶出纯组元a,随着温度的降低，液相的化学成分沿液相线变化，但温度趋近于280c,液相的化学成分逼近45%b,纯组元a在此过程中只有相对量的增加，化学成分没有变化，即是 0%b。在共晶温度附近其相分析有三种情况：甲)当合金冷却趋近于共晶线，还未发生共晶反应：合金由液相和纯组元 a两相共存，其化学成分为 45%b和0%b。 乙)当合金达到共晶温度，发生共晶反应时：45%b、0%b 和 0%a合金由液相、当合金达到共晶温度，发生共晶反应时：其化学成分为 (100%b)。丙)当合金共晶反应刚刚结束时：合金由当纯组元 a和纯组元b

17、两相共存，其化学成分为 0%b和0%a (100%b)。a和纯合金继续冷却直至室温，其相组成和化学成分没有发生任何变化，合金由当纯组元组元b两相共存，其化学成分为 0%b和0%a (100%b)。3)相图上的(1)、(2)、(3)点为画图求解。平衡状态下：(1)(2)(3)(4)70%b30%b40%b合金结晶的时候要满足三个条件，其中之一是“化学成分条件”o比如,40%b的合金，刚开始结晶出来的固溶体含有 70%b此刻，系统中只有那些含 所才能形成固溶体，这叫做结晶时要满足化学成分条件或者要满足化学成分起伏。 结晶时由于没有化学成分的变化，因此它不需要所谓的化学成分条件。(1)中成分为b为7

18、0%勺处而纯组元非平衡状态下：(1)由于该相图的所有合金在固态下没有相变，所以不具备热处理强化的条件。(2)首先再一次说明枝晶偏析问题。固溶体合金在不平衡结晶时，先后从液相结晶出来的固溶体化学成分是不同的，加上冷却速度较快， 不足以使得固相中的化学成分扩散均匀。先结晶出来的部分含有较多的高熔点组元，后结晶的部分含有较多的低熔点组元，晶粒内部存o由于固在化学浓度差别，这种在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象，叫做“晶内偏析”溶体晶体在结晶过程中， 通常呈树枝状长大，使得枝干和枝干间的化学成分不同，这种针对固溶体在长大行为中的化学成分不均匀的现象，又称之为“枝晶偏析”。枝晶偏析的程度不是随着合金中含

19、b%勺增加而增加的。应该与相图中的液固相线的距离有关，液固相线的距离愈大，枝晶偏析愈严重。枝晶偏析严重的降低了材料的性能，通常100-200 ) c,长时保使用“扩散退火”来改善它。将有偏析的材料重新加热至固相线下( 温，让原子发生充分扩散，使其化学成分均匀化。a+用sqbgpbsn*+ k4)sn(1)组织组成物填写的相区如上图所示。(2)只有固溶体中的化学成分最高者，才会在随后的冷却过程中析出最多的二次相。只有只有固溶体中的化学成分最少者， 将析出最少的二次相甚至不析出。 看图说话，a的对面是 3 ,因此a会析出3 反之亦然。本题 组织中含j3三最多的成分点是 d点，含邛最少的是 q点。(

20、3)最多的是c点，最少的是 d和e点。(4)最容易产生偏析的是 d或e点，最不容易的是 c点。9、材 料淬火温度(c)淬火介质回 火组织45钢ag=785cag=735c760 c水低温回火铁素体+回火马氏体水中温回火铁素体+回火屈氏体水高温回火回火索氏体840 c水低温回火回火马氏体水中温回火回火屈氏体水高温回火回火索氏体t12钢ag=730cacm=820c760 c水低温回火回火马氏体+残余奥氏体+渗 碳体900 c水低温回火回火马氏体+残余奥氏体四、分析题1、ac tfk1.0c%q fefe3cd1）相组成物填写相区如图所示。2）两个反应式（注意温度和化学成分条件）共晶反应式：l4.

21、3-ut a2.11 +fe3c共析反应式:a ，727 0、匚 + ca0.77 f0.0218fe3c3)4)5)如上图。如上图。组织组成物是：珠光体和二次渗碳体:3 p=(6.69-1.0)/(6.69-0.77)x 100%=96.12%。3 fe3c =1-96.12%=3.88%。相组成物是铁素体和渗碳体：3 f=(6.69-1.0)/(6.69-0.0008)x 100%=85.06%。3 fe3c =1-85.06%=14.94%。2、当你审题至“缓冷至室温后”时，请稍作停顿，把这时的热处理组织在你的头脑中描述 一下：渗碳仅仅是改变了材料的表层（0.52mm）碳浓度，含碳量达到

22、 0.851.05%,而心部是0.2%c,如果缓冷下来，相当于按铁碳相图进行转变，由于表层属于过共析的碳含量， 因此表层缓冷至室温，组织应该是珠光体+二次渗碳体；心部是铁素体+珠光体，好了，现在再往下审题；900 c 780 c 710 c 500 cabcdabcd表层心部表层心部表层心部表层心部1)aaa+ fe3af+a原始组织原始组织原始组织原始组织2)m+amm+a+ fe 3c 口m+f原始组织原始组织原始组织原始组织注：表层的原始组织是 p+ fe3cn；心部的原始组织是 f+p。1）各点（a、b、c、d）处表层和心部的加热组织是什么？如前所述，原来的20钢的材料至此已经变为貌似

23、两种成分的材料，因此，一定要严格的按照提示的临界温度来判断加热组织。比如，a点加热至900 c,由于表层是过共析成分，其accm=820 c, 900 c 820 c,因此表层是完全奥氏体组织；心部是含碳量0.2%的亚共析成分，900c高于他们的ac3点，即900c 860c,心部也是完全奥氏体组织。其它各点的分析按此思路。注意，但凡小于 aci的加热没有发生相变，回答为原始组织（即是前述渗碳缓 冷至室温的组织）。组织填写如上表所示。2）由图中所示温度水冷至室温各点处组织是什么？（淬透了）这个问题是最容易的，见到有a的地方全部改写为 m,其它的组成物照抄。仅就一点要格外注意，就是除了 m之外是

24、否加a?记住老师给你的三个判据。3、这个题目和以上的分析方法相同，值得注意的有两点：第一，它的原始组织是题干中的 “先经880c加热淬火”后的组织状态；第二，低于aci的重新加热不考虑回火效应，因为回火的保温时间通常为（13）小时，经研究发现，回火保温时间起码要0.5小时以上才逐渐产生回火效应。而该题的材料尺寸小，加热时间短（题干这样说的“依靠热传导使圆棒各点快速达到如下图所示的温度”），因此不要考虑回火问题。900 c 780 c 710 c 500 c-abcd-|b !fii一 i . i- 一 1- abcd表层心部表层心部表层心部表层心部1)aaa+fa+f原始组织原始组织原始组织原

25、始组织2)mmm+fm+f原始组织原始组织原始组织原始组织注：本题的表层和心部是一个化学成分，原始组织是马氏体。1）各点（a、b、c、d）处表层和心部的加热组织是什么？首先把题干的“先经 880c加热淬火”这个问题搞清楚，由临界温度判断，880c该钢种的ac3点，所以淬火加热是完全奥氏体组织，淬火冷却下来，得到马氏体组织。本题相对于上题要容易许多。2）由图中所示温度水冷至室温各点处组织是什么？（淬透了）填写的组织如上表。4、1）正火和球化退火构成本题中的预备热处理，通常过共析成分的碳钢、合金钢的预备热处理仅仅只有球化退火。本题在球化退火之前安排一次正火（t12钢的正火组织为伪共析转变 下的完全

26、索氏体），其目的是使t12钢中的所有渗碳体呈片状，且细化，经过球化退火后，能够得到更为细小的渗碳体球（粒）分布在铁素体的基体上，进一步提高球化退火的质量。2）本题的球化退火的主要目的有两点；1）调整硬度，便于切削加工；2）为最终热处理做好组织准备（提供细小的粒状渗碳体，为其淬火后分布在马氏体的基体 上做准备）。球化退火的组织是粒（球）状珠光体。再一次警示！球化退火的组织是单一p粒，不要写成p+fe3c粒。3）淬火的目的有两点：（1）获得马氏体组织；（2）为获得所需要的使用性能做准备。本题的淬火组织是：马氏体+残余奥氏体+细粒（球）状的渗碳体。低温回火的目的：降低淬火内应力，稳定组织，获得使用性

27、能的要求（硬度为hrc60-64 ）。低温回火的组织为：回火马氏体+残余奥氏体+细粒（球）状的渗碳体。淬火加热温度：ac# （30-50） c低温回火温度：（180-230） c5、（1）调质处理得到中碳回火索氏体，具有良好的综合力学性能，满足凸轮轴心部具有良好的韧性（a40j）的要求；高频淬火及低温回火后凸轮表面是中碳的隐晶回火马氏体，达到 hrc50勺要求，心部的韧性由前期调质处理得到的中碳回火索氏体来保证。（2）不能。改用15钢后按原热处理工序来处理会发生如下问题：其一、调质的问题：由于15钢碳含量过低，虽然通过调质也能得到回火索氏体， 但是这种回火索氏体硬度太 低，强度也低。而韧性是强

28、度和塑性的综合指标， 所以15钢提供的回火索氏体满足不了该题 冲击功40j的要求。其二、高频淬火的问题：15钢属于低碳钢，其淬硬性较差，淬火得到的是低碳马氏体，不能满足hrc5的要求。总之，15钢代替45钢用原来的热处理工艺，表现为：表面不硬，心部不强也不韧。（3）在心部强度足够的前提下，应该采用：渗碳、淬火+低温回火的热处理工艺。提示如下（以下内容可以不答但必须要清楚）：渗碳的目的是提高表层碳浓度（最佳表层碳度为0.851.05%）,为随后的淬火做好了准备（形成高碳马氏体）。请注意，渗碳工艺不是提高硬度的，只有和淬火工艺配合才能提高表层硬度。6、本题要求分析同样一种材料做成相同的机件的情况下

29、，处理成两种索氏体组织（调质是 回火索氏体，正火是索氏体）引起的性能变化。比较如下表：索氏体回火索氏体形成条件650600 c （正火）调质：淬火+高温回火（500650c）组织形态制片状珠光体（f和fe3c均为片状）f失去原来m体的形态，成为多边形块状。 由铁素体和均匀分布的细粒状渗碳体所组成。性能更度（2530） hrc,塑性 和韧性较p为好（2530） hrc硬度和索氏体的相当，但是，回 火索氏体比索氏体有更好的强度、塑性和韧性。原因是：块状的铁素体比片状铁素体具有更强的承受或者化解冲击的能力，不至于引起应力集中；粒状的渗碳体比片状渗碳体对于基本的割裂作用更小，基体的连续性更好，强度更高

30、。6、锻造一球化退火一切割金相试样检查 一毛坯校直一粗车一消除应力退火一精车成光杆一里 体淬火+低温回火一清理、喷砂、检验。1）球化退火球化退火的主要目的有三点；1）改善锻造时的不良组织，降低内应力；2）调整硬度，便于切削加工；3）为最终热处理做好组织准备。组织是粒（球）状珠光体。2）消除应力退火消除因校直和机加工 （粗车）引起的内应力，以免在精车的工艺过程中由于应力的释放造成 尺寸稳定性降低。组织为原始组织（粒（球）状珠光体）。3）整体淬火+低温回火淬火的目的有两点：1）获得马氏体组织；2）为获得所需要的使用性能做准备。 本题的淬火组织是：m+a+k粒（球）（k是合金碳化物）。 低温回火的目的：降低淬火内应力，稳定组织，获得使用性能的要求（高hrc56、和高的耐磨性，低变形和高的尺寸稳定性） 。低温