机械工程材料一些习题课件

第一章材料的结构和金属的结晶根据材料属性，工程材料可分为金属材料、非金属材料和复合材料。其中金属材料又分为钢铁（黑色）材料和非铁（有色）材料；非金属材料又可分为无机非金属材料和有机高分子材料。-Fe的晶格类型是体心立方（bcc）；

γ-Fe的晶格类型是面心立方（fcc）；纯Mg的晶格类型是密排六方（hcp）

。典型钢锭的显微组织分区及各区的力学性能。第二章金属的塑性变形与再结晶常温下塑性变形的主要方式是滑移；滑移的微观机制是位错运动。所以提高材料抗塑性变形的能力（提高屈服强度）的本质是提高位错运动的阻力。第三章材料的力学性能主要的硬度指标HB、HR和HV各自的测量原理；HBW和HBS，HRA、HRB和HRC在测量方法上的差别及对应的适用范围。磨损的微观机制（4大类）。蠕变是在一定外力作用下，随着时间的延长，材料缓慢地产生塑性变形的现象。由蠕变变形而最终导致的断裂称为蠕变断裂。只要应力的作用时间相当长，蠕变在应力小于弹性极限时也能出现。金属材料高温力学性能指标有蠕变极限（金属在高温长期载荷作用下的塑性变形抗力）和持久强度极限（金属在高温长期载荷作用下的断裂强度），分别对应着常温下的屈服和抗拉强度。材料的失效及对应性能表征2、试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理，并说明三者的区别。答：固溶强化：溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时受到阻力增大。弥散强化：金属化合物本身有很高的硬度，因此合金中以固溶体为基体再有适量的金属间化合物均匀细小弥散分布时，会提高合金的强度、硬度及耐磨性。这种用金属间化合物来强化合金的方式为弥散强化。加工强化：通过产生塑性变形来增大位错密度，从而增大位错运动阻力，引起塑性变形抗力的增加，提高合金的强度和硬度。区别：固溶强化和弥散强化都是利用合金的组成相来强化合金，固溶强化是通过产生晶格畸变，使位错运动阻力增大来强化合金；弥散强化是利用金属化合物本身的高强度和硬度来强化合金；而加工强化是通过力的作用产生塑性变形，增大位错密度以增大位错运动阻力来强化合金；三者相比，通过固溶强化得到的强度、硬度最低，但塑性、韧性最好，加工强化得到的强度、硬度最高，但塑韧性最差，弥散强化介于两者之间。3、有尺寸和形状完全相同的两个Ni-Cu合金铸件，一个含wNi10%，另一个含wNi50%，铸后缓冷，问固态铸件中哪个偏析严重，为什么？怎样消除偏析？答：含50%Ni的Cu-Ni合金铸件偏析较严重。在实际冷却过程中，由于冷速较快，使得先结晶部分含高熔点组元多，后结晶部分含低熔点组元多，因为含50%Ni的Cu-Ni合金铸件固相线与液相线范围比含90%Ni铸件宽，因此它所造成的化学成分不均匀现象要比含90%Ni的Cu-Ni合金铸件严重。4、共晶点与共晶线有何关系？共晶组织一般是什么形态、如何形成？（略）5、为什么铸造合金常选用具有共晶成分或接近共晶成分的合金？（略）用于压力加工的合金选用何种成分的合金为好？答：压力加工的合金需要塑性好，单相固溶体成分的合金正好能满足这一要求。答：（2）

共晶反应点对应的合金最终能够获得100%共晶组织，即共晶含量最多处wSn61.9%。共晶成分最少的合金可能出现在wSn19%和wSn97.7%之中。通过计算：wSn19%wSn97.7%W共晶%=（97.7-61.9）/（97.7-19）=35.8/78.7=45.5%W共晶%=（61.9-19）/（97.7-19）=42.9/78.7=54.5%因此，共晶成分最少的合金为wSn19%。答：（3）固液相之间温差值越大，产生的枝晶偏析就越严重。因此，在Pb-Sn二元系中，最容易产生偏析的成分就在两个端际固溶体最大溶解度处，即wSn19%和wSn97.7%处；最不容易产生偏析的成分在共晶点处，即wSn61.9%处。7、利用Pb-Sn相图，分析含wSn30%的合金在下列各温度时组织中有哪些相合组织组成物，并求出相和组织组成物的相对含量。(1)高于300℃；(2)刚冷到183℃，共晶转变尚未开始；(3)在183℃，共晶转变完毕；(4)冷至室温。Pb-Sn二元合金,成分:

Wsn30%（1）T>300℃（2）T>183℃,T→183℃（3）T<183℃,T→183℃（2）T>183℃,T→183℃T>183℃但未发生共晶反应，L+α，此时的α相称为初生相WL=61.9-1930-19=25.64%Wα=61.9-1961.9-30=74.36%183℃时发生共晶反应，剩余的L相瞬时析出α+β（3）T<183℃,T→183℃A直接运用杠杆定律：Wα=97.5-1997.5-30=86%Wβ=97.5-1930-19=14%（3）T<183℃,T→183℃B将（α+β）II视为一种组织构成项：183℃时发生共晶反应，初生α相不变，而剩余的L相瞬时析出（α+β）。（α+β）是同时析出的，可以看成是一种新的组织（类似珠光体P），则共晶反应之后，组织组成为αI+（α+β）IIWαI=61.9-1961.9-30=74.36%W（α+β）II=61.9-1930-19=25.64%（α+β）II8、已知A组元的熔点为1000℃，B组元的熔点为700℃，wB=25%的合金在500℃结晶完毕，并由73.33％的先共晶相α相与26.67％的(α+β)共晶体组成；wB=50%的合金也在500

℃结晶完毕，但它是由40%的先共晶相α相与60%的(α+β))共晶体组成，而此时合金中的α相总量为50%。试根据上述条件作出A-B合金概略的二元共晶相图。A组元的熔点为1000℃，B组元的熔点为700℃AB1000℃700℃wB=25%的合金在500℃结晶完毕，wB=50%的合金也在500℃结晶完毕，AB1000℃700℃共晶反应线500℃wB=25%的合金在500℃结晶完毕，并由73.33%的先共晶相α相与26.67%的（α+β）共晶体组成AB1000℃700℃共晶反应线500℃共晶点EMNwB=25%假设共晶点位置为E，A组元在固溶体中的最大溶解度位置为M；相应B为NWαI=E-ME-25=73.33%W（α+β）II=E-M25-M=26.67%WαI=E-ME-25=73.33%W（α+β）II=E-M25-M=26.67%WαI=E-ME-50=40%W（α+β）II=E-M50-M=60%得：M=4.5

E=80.4AB1000℃700℃共晶反应线500℃共晶点EMN4.580.4wB=50%的合金，此时合金中α相的总含量为50%WαI=E-ME-50=40%W（α+β）II=E-M50-M=60%（α+β）II中：WαII=N-MN-E得N=95.58Wα=WαI+WαII=40%+N-MN-E×60%=50%AB1000℃700℃500℃4.580.495.584、计算碳含量为wC0.20%的碳钢的在室温时珠光体和铁素体的相对含量。答：根据杠杆定律，珠光体P的相对含量为：铁素体F的相对含量为：wC0.20%CM

N

5、某钢厂积压了许多碳钢（退火态），由于管理不善，钢材混杂，经金相分析后发现其中铁素体占（体积）60%，珠光体占（体积）40%，试计算确定该钢材的碳含量为多少？并写出其钢号。答：由于组织为珠光体+铁素体，说明此钢为亚共析钢。设该钢材碳含量为x，则有铁素体F相对含量为：解得：因此其钢号为：30钢亚共析XM

N

2、何谓本质细晶粒钢？本质细晶粒钢的奥氏体晶粒是否一定比本质粗晶粒钢的细？第六章钢的热处理3、说明共析碳钢C曲线各个区、各条线的物理意义，并指出影响C曲线形状和位置的主要因素。（略）4、试比较共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线与连续转变曲线的异同点。（略）答：本质细晶粒钢：加热到临界点以上直到930℃，随温度升高，晶粒长大速度很缓慢，称本质细晶粒钢。本质细晶粒钢的奥氏体晶粒不一定比本质粗晶粒钢的细。本质晶粒度只代表钢在加热时奥氏体晶粒长大倾向的大小。本质粗晶粒钢在较低加热温度下可获得细晶粒，而本质细晶粒钢若在较高温度下加热也会得到粗晶粒。答：（1）化学成分的影响：亚共析钢中随着含碳量的增加，C曲线右移，过冷奥氏体稳定性增加，则Vk减小，过共析钢中随着含碳量的增加，C曲线左移，过冷奥氏体稳定性减小，则Vk增大；合金元素中，除Co和Al(>2.5%)以外的所有合金元素，都增大过冷奥氏体稳定性，使C曲线右移，则Vk减小。

(2)一定尺寸的工件在某介质中淬火，其淬透层的深度与工件截面各点的冷却速度有关。如果工件截面中心的冷速高于Vk，工件就会淬透。然而工件淬火时表面冷速最大，心部冷速最小，由表面至心部冷速逐渐降低。只有冷速大于Vk的工件外层部分才能得到马氏体。因此，Vk越小，钢的淬透层越深，淬透性越好。

5、vk值大小受哪些因素影响？它与钢的淬透性有何关系？6、将Φ5mm的共析碳钢加热至760℃，保温足够时间，问采用什么热处理工艺可得到如下组织：P、S、T+M、B下、M+A’，在C曲线上画出各热处理工艺的冷却曲线。答：珠光体P：退火工艺。索氏体S：正火工艺。下贝氏体B下：冷却至350℃～Ms温度范围内等温停留一段时间，再冷却下来得到下贝氏体组织。等温淬火工艺。屈氏体+马氏体T+M：以大于获得马氏体组织的最小冷却速度并小于获得珠光体组织的最大冷却速度连续冷却，获得屈氏体+马氏体。油淬工艺。马氏体+少量残余奥氏体M+A’：以大于获得马氏体组织的最小冷却速度冷却获得马氏体+少量残余奥氏体。水淬工艺。7、确定下列钢件的退火方法，并指出退火的目的及退火后的组织：（1）经冷轧后的15钢钢板，要求低硬度；（2）ZG270-500（ZG35）的铸造齿轮；（3）锻造过热的60钢锻坯；（4）具有片状渗碳体的T12钢坯。答：（1）再结晶退火。目的：使变形晶粒重新转变为等轴晶粒，以消除加工硬化现象，降低了硬度，消除内应力。细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度以消除加工硬化现象。组织：等轴晶的大量铁素体和少量珠光体。（2）完全退火。经铸造后的齿轮存在晶粒粗大并不均匀现象，且存在残余内应力。因此退火目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。组织：晶粒均匀细小的铁素体和珠光体。（3）完全退火。由于锻造过热后组织晶粒剧烈粗化并分布不均匀，且存在残余内应力。因此退火目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。组织：晶粒均匀细小的少量铁素体和大量珠光体。（4）球化退火。由于T12钢坯里的渗碳体呈片状，因此不仅硬度高，难以切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂。通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工性。组织：粒状珠光体和球状渗碳体。8、某钢的等温转变曲线如图所示。试说明该钢在300℃，经不同时间等温后按（a）、（b）和（c）线冷却后得到的组织。答：（a）冷却后得M+A’；（b）冷却后得M+T；（c）冷却后得B下。9、说明45钢试样（Φ1

0mm）经下列温度加热、保温并在水中冷却得到的室温组织：700℃、760℃、840℃、1100℃。答：700℃：因为它没有达到相变温度，因此没有发生相变，组织为铁素体和珠光体。760℃：它的加热温度在Ac1～Ac3之间，因此组织为铁素体、马氏体和少量残余奥氏体。840℃：它的加热温度在Ac3以上，加热时全部转变为奥氏体，冷却后的组织为马氏体和少量残余奥氏体。1100℃：因它的加热温度过高，加热时奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗片状马氏体和少量残余奥氏体。10、有两个碳含量为wC1.2%的碳钢试样，分别加热到780℃和860℃，并保温相同时间，使之达到平衡状态（其平衡组织分别是A+Fe3C和A），然后以大于vk的冷却速度冷至室温。试问：（1）哪个温度加热淬火后马氏体晶粒粗大？（2）哪个温度加热淬火后马氏体碳含量较多？（3）哪个温度加热淬火后残留奥氏体较多？（4）哪个温度加热淬火后未溶碳化物较少？（5）你认为哪个温度加热淬火合适？为什么？答：（1）860℃加热温度高，加热时形成的奥氏体晶粒粗大，冷却后得到的马氏体晶粒较粗大。（2）因为加热温度860℃已经超过了Accm，此时碳化物全部溶于奥氏体中，奥氏体中含碳量增加，而奥氏体向马氏体转变是非扩散型转变，所以冷却后马氏体含碳量较多。（3）因为加热温度860℃已经超过了Accm，此时碳化物全部溶于奥氏体中，使奥氏体中含碳量增加，降低钢的Ms和Mf点，淬火后残余奥氏体增多。（4）因为加热温度860℃已经超过了Accm，此时碳化物全部溶于奥氏体中，因此加热淬火后未溶碳化物较少。（5）780℃加热淬火后合适。因为含碳量为1.2%的碳钢属于过共析钢，过共析碳钢淬火加热温度Ac1+（30～50℃），而780℃在这个温度范围内，这时淬火后的组织为均匀而细小的马氏体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混合组织，使钢具有高的强度、硬度和耐磨性，而且也具有较好的韧性。11、淬透性与淬硬层深度两者有何联系和区别？影响钢淬透性的因素有哪些？影响钢淬硬层深度的因素有哪些？（略）13、选择下列零件的热处理方法，并编写简明的工艺路线（各零件均选用锻造毛坯，且钢材具有足够的淬透性）（1）某机床变速箱齿轮（模数m=4），要求齿面耐磨，心部强度和韧性要求不高，材料选用45钢。（2）某机床主轴，要求有良好的综合力学性能，轴颈部分要求耐磨（50~55HRC），材料选用45钢。（3）镗床镗杆，在重载荷下工作，精度要求极高，并在滑动轴承中运转，要求镗杆表面有极高的硬度，心部有较高的综合力学性能，材料选用38CrMoAlA。答：（1）下料→锻造→正火→粗加工→精加工→局部表面淬火+低温回火→精磨→成品；（2）下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→局部表面淬火+低温回火→精磨→成品；（3）下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→氮化→研磨→成品第七章合金钢2、试分析说明铁素体钢、奥氏体钢、莱氏体钢的形成原因。答：1、某些合金元素的加入会使奥氏体相区缩小，特别是Cr、Si含量高时将限制A体区，甚至完全消失，使得室温下只有单相铁素体组织存在。如高Cr含量的铬不锈钢均属铁素体钢。2、某些合金元素的加入会使奥氏体相区扩大，特别是Ni、Mn。当钢中加入大量这类元素时，甚至可使A1、A3、和Acm线降至室温以下，从而获得在室温下只有单相奥氏体存在的所谓奥氏体钢。如高Mn含量的耐磨钢，高Ni含量的不锈钢均属奥氏体钢。3、大部分合金元素可使Fe-Fe3C相图中E点（wC2.11%）左移，因此，含碳量相同的碳钢和合金钢具有不同的显微组织。某些高碳合金钢中就会出现莱氏体组织，称为莱氏体钢，如高速钢。6、指出下列合金钢的类别、用途及热处理特点：40Cr、60Si2Mn、GCr15、9SiCr、40CrNiMo、Cr12MoV、5CrMnMo、1Cr18Ni9Ti4、什么叫第一类、第二类回火脆性？其产生原因及防治方法如何？（略）答：40Cr：调质钢；多做重要零件，如连杆螺栓、底盘上的半轴及机床主轴等；热处理工艺为：退火+850℃油淬+500℃回火水冷。60Si2Mn：弹簧钢；用作弹簧或类似零件材料；热处理工艺：淬火+中温回火。GCr15：滚动轴承钢；用作滚动轴承材料；热处理工艺：球化退火+淬火+冷处理+回火+时效。9SiCr：低合金刃具钢；用作板牙、丝锥、绞刀、搓丝板、冷冲模等材料；热处理工艺：球化退火+淬火+低温回火。40CrNiMo：调质钢；用作航空发动机轴、轴类、齿轮、紧固件等材料；热处理工艺：退火+850℃油淬+620℃回火水冷。Cr12MoV：冷作模具钢；用作制造截面较大、形状复杂、工作负荷较重的冷作模具及工具等材料；热处理工艺：球化退火+950~1000℃淬火+低温回火。5CrMnMo：热作模具钢；具有较高强度和高耐磨性的各种类型锻模；热处理工艺：退火+820~850℃油淬+中温回火。1Cr18Ni9Ti：奥氏体型不锈钢和耐热钢；用作610℃以下长期工作的过热管道及结构件材料，或经冷加工后高强度建筑用材；热处理工艺：1100~1150℃水淬10、汽车变速齿轮是在承受较强烈的冲击作用和受磨损的条件下进行工作的，对于这类构件，应如何选材和制定热处理工艺？试举例说明。答：由于该部件工作时负荷较重，每个齿受交变弯矩的作用，因此要有高的强度和高的疲劳强度。齿轮还受到较大的冲击，故要求有高的冲击韧度。齿表面为防止磨损，要求具有高硬度和高耐磨性。每个齿除受较大的弯矩外，齿表面还承受较大的压力。因此不仅要求齿表面硬度高，耐磨，还要求齿的心部具有一定的强度和硬度。渗碳钢20CrMnTi经渗碳热处理后，齿表面可获得高硬度（58~63HRC）、高耐磨性。由于该钢淬透性好，齿心部可获得强韧结合的组织，具有较高的冲击韧度，故可满足使用要求。其加工工艺路线为：下料→锻造→正火（950℃~970℃空冷）→机加工→渗碳（920℃~950℃渗碳6~