《机械工程材料学》复习问答题及答案

一、简答题：已知某优质碳素结构钢经完全退火后珠光体的体积分数为59%。计算该钢含碳量并给出钢号。该钢能否制造直径为930mm的轴类零件？为什么？能否制造直径为9300mm的轴类零件？为什么？答：(1)该钢含碳量为：0.59X0.77%=45.43%。45钢。能。因该钢的水淬临界直径D0=16mm，用水淬该轴基本可淬透。不能。因该钢的水淬临界直径D0=16mm，用水淬该轴件也不能淬透，从而其性能不能满足使用要求。蒸汽阀门的阀杆对综合力学性能要求较高，同时要求具有一定的耐腐蚀性。在1Cr18Ni9Ti、2Cr13、45和20CrMnTi四种钢中选择一种合适的材;画出最终热处理工艺曲线(注明温度范围)。答：(1)选2Cr13钢较合适。(2)如下图所示某尺寸较大的轴承套圈试生产时选用GCr15，淬火后心部总出现较多的屈氏体组织不能满足要求。分析出现屈氏体的原因；改用哪种钢比较合适？画出预先热处理和最终热处理工艺曲线。答：(1)由于尺寸较大，该钢的油淬临界直径小，心部淬不透所致。改用GCr15SiMn钢较合适。预先热处理和最终热处理工艺曲线如下图所示某零件用45钢制造，淬火时用水作冷却介质，淬硬层深度不能满足要求。仓库中有40Cr、50、40和60Si2Mn四种材料。选用哪种钢比较合适？淬火时选用哪种淬火介质比较合适？回火温度选在什么温度范围内比较合适？答：(1)选40Cr钢。(2)淬火介质用油。(3)回火温度550r+2Oro针对汽车或拖拉机传递动力的齿轮回答以下问题。分析主要失效形式和对性能的主要要求；在45、16Mn、CrWMn和20CrMnTi中选择一种合适的材料并写出简明加工路线。答：(1)其主要失效形式有：弯曲疲劳；接触疲劳；磨损；断齿等。(2)选20CrMnTi钢。其简明加工路线为：下料一锻造一正火一机加工一渗碳、淬火、低温回火一喷丸一精磨一装配一个直径为960mm的轴，要求抗拉强度大于900MPa且综合力学性能较好，目前仓库中有25、40Cr、GCr15、9SiCr四种材料可供选用。问：选哪种材料最合适(简要说明理由)；画出最终热处理工艺曲线(要求给出温度范围)，为什么要选用这种工艺？答：(1)40Cr。该钢的淬透性好，960mm的轴淬火后心部可获得良好的性能。(2)最终热处理工艺曲线示意图如下：用该工艺处理后其组织为回火索氏体，能使其具有良好的综合力学性能。一种零件需要切削加工，批量很大，要求材料具有良好加工性能，抗拉强度大于450MPa，延伸率大于30%，其他性能没有要求。回答：（1） 选择一种最合适的材料；（2） 写出简明加工路线；（3） 所选材料与45钢相比有哪些优点。答：（1）选Y20钢。（2） 下料一机加工一检查一包装（3） 所选材料与45钢相比其切削性好、一般不需进行热处理。某零件用45钢制造，淬火时用水作冷却介质，要求淬硬层深度为8mm,实际得到的淬硬层深度为3mm。仓库中有40CrMn、50、40和5CrMnMo四种材料。（1） 选用哪种钢比较合适？（2） 淬火时选用哪种淬火介质比较合适？（3） 回火温度选在什么温度范围内比较合适？答：（1）选40CrMn钢较合适。（2） 淬火介质选用20#机油较合适。（3） 回火温度在500-520^0说明高碳钢常用的预先热处理工艺（画出工艺曲线并进行简要分析）；说明预先热处理的目的。答：高碳钢常用的预先热处理工艺为球化退火。其工艺曲线见下图所示。加热温度选在AC]+（20〜30）°C，目的是保留部分渗碳体，为在Ar1-（10~2G）r等温时形成球状渗碳体作为核心。预先热处理（球化退火）的目的：降低硬度，使渗碳体呈球状，不仅便于机加工，也为最终热处理作好组织准备。某机床主轴（直径约＜p40mm），要求有良好的综合力学性能，轴颈部分要求耐磨（50〜55HRC），选择一种比较合适的材料；写出简明加工工艺路线；说明工艺路线中各个热处理环节的目的。答：选45钢。其简明加工路线为：下料一锻造一预先热处理（退火或正火）一机加工（（粗）一淬火+高温回火（调质）一机加工2（精）局部高频淬火（轴颈部分）一磨削—包装。预先热处理是为了消除锻造应力、降低硬度、便于机加工，为调质作好组织准备。调质处理是为了使主轴具有高的综合力学性能和疲劳强度。局部高频淬火使轴颈部分获得高硬度、高耐磨性。二、 分析比较CrWMn合金工具钢与T10碳素工具钢。CrWMn钢的淬火加热温度与T10钢相比哪个高？为什么？答：CrWMn钢的淬火加热温度比T10钢的高。因该钢中加入了能提高钢的相变点的合金元素Cr、W,且Cr、W易与碳形成较高熔点的合金碳化物，为使其中的合金元素溶入奥氏体中，充分发挥合金元素的固熔强化作用，故该钢的加热温度要比T10钢的高些。直径均为＜p30mm的T10钢和CrWMn钢，加热透烧后均在油中冷却，获得的淬硬层深度相同吗？为什么？答:不同，T10钢的淬硬层较CrWMn钢的薄，因为T10钢的淬透性差（与CrWMn钢相比而言），它又是碳素工具钢，不能用冷却能力较差的油作淬火介质。为什么用T10钢制造的刀具刃部受热至200〜250°C其硬度和耐磨性已迅速下降，以致于失效；而CrWMn钢制造的刀具刃部在230〜250C条件下工作，硬度仍不低于60HRC，且耐磨性能良好，尚可维持正常工作？答：T10钢属碳素工具钢，其抗回火稳定性差，热硬性低，刃部受热至200〜250C时淬火马氏体就会分解，使其硬度和耐磨性大大降低，以致于失效；而CrWMn钢中的合金元素W能提高回火稳定性和热硬性，其刃部受热至200〜250C时淬火马氏体不易分解，故硬度仍不低于60HRC，且耐磨性能良好，尚可维持正常工作。若用CrWMn钢制造圆板牙或丝锥等薄刃刀具，应采用何种热处理工艺（包括预先热处理和最终热处理）？试分析各热处理工艺的作用及其所得组织。答：预先热处理采用球化退火工艺。其作用是：消除锻造应力、降低硬度，使渗碳体呈球状，不仅便于机加工，也为最终热处理作好组织准备。组织为P。最终热处理采用淬火+低温回火工艺。淬火处理后使其具有高的硬度、球耐磨性和热硬性，足够的强度，一定的韧性。其组织为：淬火马氏体+粒状合金渗碳体。低温回火的作用是降低淬火应力、稳定组织、稳定尺寸、调整硬度。其组织为：回火马氏体+粒状合金渗碳体。三、 根据Fe—Fe3C相图，说明产生下列现象的原因。完全退火后含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高。答：因组织及其硬度不同所致。即含碳量为 1.0%的钢经完全退火后组织为P+F"网状,而含碳量为0.5%的钢经完全退火后组织为P+F,且F含量约35%。由于Fe3C的硬度比F的高，故完全退火后含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高。钳工用手工锯锯T10、T12钢料时比锯10、20钢料费力，锯条容易磨钝。答：一般情况下T10、T12钢料供货状态为球化退火态，其组织为球状珠光体（即细小粒状的渗碳体均匀分布在铁素体基体上），而10.20钢料供货状态为退火态，其组织为块状的珠光体+铁素体，且铁素体含量较多。渗碳体与铁素体相比，前者硬度高、耐磨性好，故用手工锯锯T10、T12钢料时比锯10、20钢料费力，锯条容易磨钝。在室温下，含碳量为0.8%的钢其强度比含碳量为1.2%的钢高。答：在室温下，含碳量为0.8%的钢其组织为P。含碳量为1.2%的钢其组织为P+Fe3C。而Fe3C是一个硬脆相，故它的存在使含碳量为1.2%的钢的强度降低。4.含碳量为0.45%的钢加热到1200°C开始锻造，冷却到800°C停止锻造。答：45钢在1200〜800C锻造恰巧是在其塑性良好的单相奥氏体区进行，若开锻温度＞1200C，由于其奥氏体晶粒易长大，使其塑性变差，易产生锻造缺陷；若停锻温度V800C，落在45钢的P+F两相区，其塑性也变差，也易产生锻造缺陷（如锻造裂纹）。铁丝易折弯，铸铁易破裂，为什么？答：铁丝一般为低碳钢丝，室温组织为P+F，硬度低、塑性好，抗弯能量差，故易折弯。铸铁含碳量高，室温组织由P+Fe3Cn网+L'd组成，硬度高、脆性大、抗裂纹扩展能力差，故易破裂。 状6.为什么钢铆钉用低碳钢（3c=0.25%）制作？答：3c=0.25%的钢制铆钉通常在正火态下使用，其室温组织为细小块状的细珠光体加铁素体，该组织具有一定的强度和良好的韧性，即具有良好的综合力学性能，故能满足使用性能（如较好的抗冲击、抗剪能力等）的要求。为什么绑扎物体一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机钢丝绳却用60钢（3c=0.60%）制成？答：镀锌低碳钢丝，其硬度低、塑性好、易折弯，故容易将物体绑紧。而起重机钢丝绳的力学性能需较高的抗拉强度，用60钢经淬火加中温回火，可获得具有高强度的回火屈氏体组织，故制作钢丝绳用60钢。四、问答题1.A、B合金相图属于共晶相图，A组元的熔点为330C，B组元的熔点为200C，共晶转变温度为160C，共晶合金中B的质量分数为60%，B在a（以A为溶剂的固溶体）中的最大溶解度为10%，A在。（以B为溶剂的固溶体）中的最大溶解度为5%，室温下两组元互不相溶（溶解度为0）。画出相图，将题中给出的3个温度和3个成分点以及各区域的相组成标在相图上。拟用T10A钢制造形状简单的冲头，回答以下问题。（1）写出其简明生产工艺路线。画出各热处理工艺曲线图(注明温度、冷却介质)。写出各热处理工序后得到的组织名称及硬度范围。答：(1)锻造一球化退火一机加工一淬火+低温回火(3)球化退火得到球状珠光体，硬度170〜200HBS。回火后得到回火马氏体+粒状渗碳体+残余奥氏体，硬度60〜65HRC有两种含碳量不同的铁碳合金，它们的室温平衡组织各由两种组织组成，它们都有珠光体组织，珠光体的质量分数均为90%。回答以下问题。分别写出这两种合金的组织名称。计算这两种合金的含碳量。计算这两种合金室温下a相和Fe3C相的质量分数。答：(1)F+P和P+Fe3C][F+P： 忙0必0.77%=0.693%P+Fe3C][: wc=0.9x0.77%+0.1x6.69%=1.362%F+P： Wa=(6.69-0.693)/6.69=89.6%WFe3C=1-忻10.4%P+Fe3C:Wa=(6.69-1.362)/6.69=79.6%WFe3C=1-wa=204%针对传递动力用的齿轮，回答以下问题。分析一般受力情况和对材料性能的主要要求。模数m=5的齿轮，要求表面硬度为60〜63HRC，心部硬度为40〜43HRC，渗碳层深度为1.0〜1.3mm。选用哪种钢比较合适，写出简明加工工艺路线并说明各个热处理的目的。答：(1)受力分析：弯曲应力、接触应力、摩擦力、冲击力。性能要求：高的弯曲疲劳强度、高的接触强度、高耐磨性和心部具有较高韧性。(2)选用渗碳钢如20CrMnTi。锻造-正火(退火)-机加工-渗碳-预冷淬火+低温回火预先热处理采用正火，消除锻造应力，便于机加工。通过渗碳提高表面含碳量，淬火回火后使表面具有高硬度、高耐磨性、高的(弯曲和接触)疲劳强度，而心部为低碳回火马氏体，具有较高强度、塑性和韧性。某型号柴油机的凸轮轴，要求凸轮表面有高的硬度(>50HRC)，而心部具有良好的韧性(Ak>40J)，原采用45钢调质处理再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温回火，现因工厂库存的45钢己用完，只剩15钢，拟用15钢代替。回答下列问题。说明原45钢调质和高频淬火的目的及其热处理后得到的组织。改用15钢后，仍按原热处理工序进行能否满足性能要求？为什么？改用15钢后，为达到所要求的性能，应采用何种热处理工艺？分析所选工艺能满足所要求的性能的原因。答：(1)调质得到回火索氏体组织，使心部具有良好的韧性，综合力学性能好。高频淬火是为了提高凸轮表面的硬度和耐磨性。不能。因为15钢含碳量低，用原工艺进行处理，心部强度低，凸轮表面耐磨性差。用15钢进行渗碳处理可以满足要求。渗碳后采用淬火+低温回火，心部具有较高强度和韧性，而表面具有高硬度和高耐磨性。6.拟用GCr15钢制造一种小型拔丝模，回答以下问题。写出其简明生产工艺路线。画出各热处理工艺曲线图(注明温度、冷却介质)。写出各热处理工序后得到的组织名称及硬度范围。答：(1)下料一锻造一球化退火一机加工一淬火+低温回火(3)球化退火得到粒状珠光体，硬度207〜229HBS。回火后得到回火马氏体+粒状渗碳体+残余奥氏体，硬度63-66HRC7.拟用9SiCr钢制造形状简单的冲头，回答以下问题。写出其简明生产工艺路线。画出各热处理工艺曲线图，注明温度、冷却介质(注：该钢的Ac1、Ar1、Acm分别为770°C、730°C、870°C)。

（3）写出各热处理工序后得到的组织名称及硬度范围。答：（1）锻造一球化退火一机加工一淬火+低温回火（2）各热处理工艺曲线如下图所示：共析碳钢C共析碳钢C曲线（3）球化退火得到球状珠光体组织，其硬度190〜200HBS。回火后得到回火马氏体+粒状渗碳体+残余奥氏体，硬度61〜63HRC。在共析碳钢C曲线上，标出退火、正火、等温淬火、油淬、水淬的冷却工艺曲线，并注明由各冷却工艺曲线所能得到的组织。答：a）退火组织为P；b） 正火组织为S或S+T；c） 等温淬火组织为B；下d） 油淬组织为M淬+T；e） 水淬组织为M淬火。45钢在Ac1~Ac3之间加热淬火后的硬度和完全奥氏体化加热淬火后的硬度是否相同？为什么？答：不同，前者的硬度低