工程材料及成形工艺基础章节练习题及答案

第一章金属材料的性能

复习思考题

1.什么是塑性变形？什么是弹性变形？

答：金属材料在外力作用下，发生不可逆的永久变形称为塑性变形。金属材料在外力作

用下，金属材料发生变形，失去外力金属材料又恢复到原来状态的变形叫弹性变形。

2.Rpo.2的含意是什么？为什么低碳钢不用此指标？

答：睨。,2的含意是对于高碳钢、铸铁、铜、铝等金属材料，没有明显的屈服现象，拉伸

曲线上没有小锯齿状平台，通常规定试样产生0.2%塑性变形时的应刀作为其规定非比例延

伸强度，用以。,2表示。低碳钢有明显屈服现象，可以测定其上屈服强度RcH和下屈服强度

&L，所以不用此指标。

3.抗拉强度与硬度之间有没有一定的关系？为什么？

答：抗拉强度与硬度之间有一定的关系，低碳钢：&产2.7HBS、高碳钢：&M3.8HBS、

合金调质钢：&a4.3HBS、灰铸铁：a产1.0HBS。由于硬度和强度以天同形式反映了材料在

外力作用下抵抗变形和断裂的能力，故二者之间有一定的关系。

4.冲击吸收能量K代表什么指标？为什么K不直接用于设计计算？

答：K值是试验中测定的吸收能量，它反映的是材料在冲击载荷下弹性变形、塑性变形

和断裂过程中吸收能量的能力。也就是金属材料的冲击韧性。

在冲击能量相对不太大的情况下,金属材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度,

而不是要求过高的冲击韧性。即冲击韧性较低而强度较高的材料寿命较长。因此，用K值

来衡量和设计这些机械零件是不太合适的，一般只用K值作为选择材料的参考。

5.某低碳钢拉伸试样，直径为10mm,原始标距为50mm,屈服阶段拉力值首次下降

前的最大拉力为18840N,屈服阶段不计初始瞬时效应时的最小拉力为18740N,屈服之后、

断裂前的最大拉力为35320N,拉断后将试样接起来，标距之间的长度为73mm,断口处截

面平均直径为6.7mm。问该低碳钢的“，凡H，凡L，乙4各是多少？其硬度大约是多少？

答：人=区=—35320=450MPa

-3.14心

R0H*=18840

7=240MPa

>010

3.14x

F18740

R=^239MPa

CLSo

3.14x

S-S

Z=-2~JLx|(X)%=x100%=55%

So

T73-50

A=u-I^xl00%=xl00%=46%

L。50

因为是低碳钢：/?,n*2.7HBS

HBS==167

2.72.7

第二章金属的晶体结构

复习思考题

1.已知Cu的原子直径为2.56A（"=1（）T°m）,求Cu的晶格营数，并计算1mn?Cu

中的原子个数。

答：铜的晶体结构为面心立方晶格，晶格常数与原子半径之间的关系为：”号

e..2.56-Jiao

因此,----=-----,a=3.62A

24

原子个数〃=4x4=3£x4=8.43xl（T个

a33.623

2.何谓晶体？何谓晶胞？

答：晶体是原子都按一定次序作规则排列的固体材料。

能够完全代表晶格中原子排列规律的最小几何单元称为晶胞。

3.按几何形态不同，晶体缺陷可分为哪三大类？

答：晶体缺陷可分为：点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。

4.在实际生产中，如何控制液态金属的结晶过程，以获得细小晶粒？

答：（1）增大金属的过冷度；（2）变质处理；（3）振动；（4）搅拌。

5.何谓同素异构转变？举例说明。

答：金属在固态时改变其晶格类型的过程称为同素异构转变。如纯铁在固态下的三种晶

|394℃917℃

格类型的转变为：、y-Fe、、a-Fe。

6.一块质量一定的纯铁，发生a-Fe912c＞「Fe时,其尺寸（体积）如何变化?

答：a-Fe转变为y-Fe时致密度变大，因此体积减小。

7.何谓枝晶偏析？如何消除或改善？

答：晶体内部化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。

消除或改善措施：扩散退火。

附：解释下列名词：合金、组元、相、组织、相图、固溶体、金属化合物。

答：合金是指由一种金属元素与非金属元素或其它金属元素通过溶炼或烧结，或用其它

方法结合而形成的具有金属特性的物质。

组成合金最基本的、独立的物质称为组元。

相是指在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。

通常，将在显微镜下所观察到的晶粒或组成相的大小、多少、形态和分布等特征称为显

微组织，也称金相组织。

相图是合金的相结构（或状态）随温度、压力以及成分的改变而发生变化的图形。

合金由液态结晶为固态时，一种组元的原子溶入另一组元的晶格D所形成的均匀固相称

为固溶体。

金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的晶格类型和性能不同于任一组元的物质。

第三章铁碳合金相图

复习思考题

1.解释下列名词：合金、组元、相、组织、相图、固溶体、金属化合物、铁素体、奥氏

体、渗碳体、珠光体、菜氏体、F%C］、Fe3C„,Fe3CIN,亚共析钢、共析钢、过共析钢。

答：铁素体是碳溶于a-Fe中形成的固溶体。

奥氏体是碳溶于y-Fe中形成的固溶体。

渗碳体是铁与碳形成的金属化合物Fe.，C。

珠光体是铁素体和渗碳体组成的两相混合物。

莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的两相混合物。

Fe5C,：从液体金属中直接结晶出的渗碳体称为一次渗碳体。

Fe3Cn：从A中析出的渗碳体称为二次渗碳体。

Fe3CMI：由F中析出的渗碳体称为三次渗碳体。

亚共析钢：0.0218%V股V0.77%,室温组织为F+P。

共析钢：%=0.77%,室温组织为P。

过共析钢：0.77%V%,,2.11%,室温组织为P+FesGn。

2.根据简化的铁碳合金相图，描绘下列铁碳合金从高温液态缓冷至室温时的组织转变

过程。

(1)%=0.77%；(2)%=1.5%；(3)%=3.5%；(4)%=4.3%

答：⑴股=0.77%：LTL+A—A—P

(2)wc=1.5%：L-*L+A-*A+Fe3cH-*P+Fe3Cin

(3)wc=3.5%：L--L+A-A+Fe3cH—P+Fe3c川+Ld-P+Fe,Cm+Ld'

(4)%=4.3%：L—LdfEd'

3.根据简化的铁碳合金相图计算：

(1)室温下，%=0.45%的亚共析钢中珠光体和铁素体各占多少？

(2)室温下，共析钢中铁素体和渗碳体各占多少？

(3)铁碳合金中，Fe3cli和FejCw的最大百分含量是多少？

解：(1)室温下，%=0.45%的亚共析钢中铁素体和珠光体的相对量为

Fx(0.45-0)=(100%-F)x(0.77-0.45)

077-045

F=-———xl00%=41.6%

0.77

P=100%-41.6%=58.4%

(2)室温下，共析钢中铁素体和渗碳体的相对量为

Fx(0.77-0)=(100%-F)x(6.69-0.77)

F=669一°刀xlOo%=88.5%

6.69

Fe3Cu=100%-88.5%=11.5%

(3)铁碳合金中，和Fe3cHi的最大百分含量:

0.0218-0.00081…M

Fe3。=-------------------x100%=0.31%

6.69

o11_Q77

Fe3C„=-X100%=20%

6.69

4.从某仓库找出一根积压的碳钢棒料经金相分析后发现其组织为珠光体和铁素体，其

中铁素体占80%,问此钢材的含碳量大约是多少？

解：设此钢材的含碳量为x%,铁素体和珠光体的相对量为

Fx(x-0)=(100%-F)x(0.77-x)

80%x(x-0)=(100%-80%)x(0.77-x)

077

x=^-xl00%=0.154

5

因此，此钢材的含碳量大约是0.154%。

5.某退火碳钢进行金相分析，发现其组织为铁素体和粒状渗碳体，其中粒状渗碳体占

18%,问此钢的含碳量大约是多少？

解：设此钢材的含碳量为x%,铁素体和渗碳体的相对量为：

（100%-18%）x（x-0）=18%x（6.69-x）

x=6.69x18%

x=1.2

因此，此钢材的含碳量大约是0.012%。

第四章钢的热处理

复习思考题

1.一批由直径为5mm的共析钢制成的销子，采用什么热处理方法可以得到下列组织：

（1）珠光体；（2）托氏体十索氏体；（3）下贝氏体；

（4）回火索氏体；（5）马氏体+残余奥氏体

答：（1）共析钢退火获得珠光体；（2）共析钢正火处理获得托氏体+索氏体；（3）等温

淬火获得下贝氏体；（4）调质处理获得回火索氏体；（5）淬火处理获得马氏体+残余奥氏体

2.试述共析钢奥氏体形成的几个阶段，并分析亚共析钢奥氏体和过共析钢奥氏体形成

的主要特点。

答：共析钢加热形成奥氏体可分为四个阶段：（1）奥氏体晶核的形成，这个过程称为奥

氏体形核；（2）奥氏体晶核的长大；（3）残余渗碳体的溶解，当铁素体全部转变为奥氏体后，

还会有部分渗碳体没有溶解，这部分渗碳体称为残余渗碳体。随着时间的延长，残余渗碳体

会不断溶解，直至全部消失。（4）奥氏体成分的均匀化延长保温时间，通过碳原子的扩散,

可使奥氏体的含碳量趋于均匀一致。

亚共析钢加热到AQ温度时，珠光体转变成奥氏体，但铁素体不会全部转变成奥氏体,

只有加热到AC3温度时，才能形成单一奥氏体。同样的道理，对过共析钢需要加热到Aqm

线以上，才能形成单一的奥氏体。

3.说明共析钢C曲线各个区、各条线的物理意义，在曲线上标注出各类转变产物的组

织名称及其符号和性能，并指出影响c曲线形状和位置的主要因素。

答：共析钢C曲线，过冷奥氏体的等温转变，按得到的产物组织的不同，可分为三种

类型：珠光体型转变、贝氏体型转变和马氏体型转变。过冷奥氏体在4以下至550C温度

范围内的某一温度保温，发生等温转变，其产物称为珠光体型组织；贝氏体转变是过冷奥氏

体在“鼻子”温度至Ms点(550〜230℃)范围内进行的转变；奥氏体以极大的冷却速度过冷

到Ms点以下发生的转变称为马氏体型转变。

若以等温转变温度为纵坐标，转变时间为横坐标，将所有的转变开始点连接成一条曲线

称为等温转变开始线；同样，将所有的转变终了点也连成一条曲线称为等温转变终了线。

影响过冷奥氏体等温转变的因素是奥氏体成分和合金元素。

4.试述马氏体转变的特点。定性说明两种主要类型马氏体的组织形态和性能差异。

答：马氏体转变的主要特点首先是无扩散性。马氏体转变是非扩散性转变，这是由于相

变是在相当低的温度下进行，并且转变速度极快，在这样的条件下，铁原子和碳原子的扩散

都不能进行。因而转变过程中没有成分变化，马氏体含碳量和原来的奥氏体的相同。其次,

马氏体转变是在Ms〜W的温度范围内进行的，其转变量随温度的下降而增加，一旦温度停

止下降，转变立即中止。

5.正火和退火的主要区别是什么？

答：正火的冷却速度比退火快，获得的组织和性能也不一样。

6.甲、乙两厂同时生产一种45钢零件，硬度要求为220HBs〜250HBS。甲厂采用正

火处理，乙厂采用调质处理，都达到硬度要求。试分析甲、乙两厂产品组织和性能的差异？

试分析采用哪种处理工艺更合理？

答：甲厂采用正火处理,得到的是铁素体+索氏体组织,硬度较高但塑性和冲击韧性一般。

乙厂采用调质处理,得到的是回火索氏体组织,硬度较高,并且塑性和冲击韧性也较高。

采用调质处理工艺更合理。

第五章机械工程材料

复习思考题

1.钢中的残存元素有哪些？对钢的性能有哪些影响？

答：钢中的残存元素主要有硅、锌、硫、磷、氢、氮、氧等元素。

锦能溶于铁素体，使铁素体强化，也能溶于渗碳体，提高其硬度。锦还能增加并细化珠

光体，从而提高钢的强度和硬度。锦可与硫形成MnS,因MnS的熔点高，密度小而浮出金

属液，从而消除硫的有害作用，因此钵在钢中是有益的元素。但钵在非合金钢中的含量在

0.25%〜0.8%范围内时，对钢的力学性能影响不大。

硅能溶于铁素体使之强化，从而使钢的强度、硬度、弹性都得到提高。因此硅在钢中也

是有益的元素。硅在非合金钢中的含量一般不大于0.37%,对钢力学性能影响也不大。

硫在钢中会使钢产生“热脆”现象。这是因为Fe在液态时能溶解大量的S,但在固态

是几乎不溶。因此，残S量较高的钢液在凝固时S几乎全部以FeS（熔点1190℃）形式析

出，同时，这些FeS又可与Fe形成低熔点的共晶体（FeS+Fe）（熔点985℃）,分布于A晶

界上。将这样的钢加热到1000℃-1200c进行塑性成形加工时，会由于（FeS+Fe）共晶

体和FeS熔化导致钢沿晶界开裂，产生“热脆”。

磷在钢中会使钢产生“冷脆”现象。这是因为Fe在固态、液态时都能溶解P,固态时

P全部溶入铁素体中，虽然可以提高钢的强度，但是，却使其塑性和韧性显著下降，在低温

时表现尤为突出。这种在低温时由磷导致钢严重变脆的现象称为钢的“冷脆二

氢在钢中会使钢产生“氢脆”现象。因为钢中来不及逸出的氢以分子状态存在于钢组织

中，在局部可造成数千个大气压的巨大压力。当这个压力超过钢的极限时，就会使钢在该处

产生发裂。发裂在钢的横断面表现为细长的发丝状裂纹，在钢的纵断面上呈圆形或椭圆形银

白色斑点，故称为白点。白点会使钢变脆，产生“氢脆”。

氮在钢中会过饱和地溶解于钢中，放置一段较长的时间后，将以氮化物形式析出。它们

将使钢变脆。

在钢中残留的氧是以MnO、SiCh、AI2O3等非金属夹杂物的形式存在，它们会使钢的塑

性，冲击韧性和疲劳强度下降。

2.合金钢中经常加入的合金元素主要有哪些？对钢的性能有哪些影响？

答：合金钢中经常加入的合金元素有：锌、硅、铭、银、钳、铛、钛、硼、铝等。

合金元素的加入会对合金起到固溶强化，稳定组织、细化晶粒的作用，在一定程度上提

高钢的强度和硬度，并且使钢保持较好的塑性和韧性。还可以提高钢的氧化性和耐腐蚀能力。

另外除Co和大于2.5%的铝以外，合金元素的加入会提高钢的淬透性。

3.指出下列哪些元素是强碳化物形成元素，哪些是弱碳化物形成元素?哪些是非碳化物

形成元素?它们对奥氏体的形成及晶粒长大起何作用？

(1)Ni；(2)Si；(3)Al；(4)Co：(5)Mn：

(6)Cr；(7)Mo；(8)W；(9)V；(10)Ti

答：Ti,V,W,Mo,Cr,Mn为碳化物形成元素，它们与碳的亲合力依次由强渐弱。

Si,Ni,Al,Co为非碳化物形成元素；

珞、钮、钛、铝、铝等碳化物形成元素，它们使钢的临界点升高，降低Fe和C的扩散

系数，自身扩散速度也较Fe和C低，且形成的碳化物加热时不易溶解。因此，这类合金钢

与非合金钢相比，奥氏体化温度一般较高，时间较长，减缓奥氏体化过程，而Co,Ni等部

分非碳化物形成元素，因增大碳的扩散速度，使奥氏体的形成速度加快。另外，Al,Si,

Mn等对奥氏体形成速度影响不大。

碳化物形成元素Mo、W,Ti,V等，因其形成的碳化物稳定性高，加热时不易溶解进

入奥氏体，通常以细小的质点弥散分布在奥氏体基体上，会阻止奥氏体晶界迁移，抑制奥氏

体晶粒长大，因而可通过合金化降低钢的过热敏感性。非碳化物形成元素Si,Co,Ni等阻

止奥氏体晶粒长大的作用较弱。Mn,P,B具有促进奥氏体晶粒长大的倾向。

4.第3题中各合金元素对钢的C曲线和点有何影响。

答：除C。外，大多数合金元素都增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，临界冷却

速度减小，提高钢的淬透性。但必须指出，合金元素只有溶于奥氏体中才能使C曲线右移，

如果奥氏体中存在未溶化合物(稳定的碳化物、氮化物、氧化物等)，那么反而会成为奥氏

体分解时产生新相形核的准备质点，使分解速度加快，降低淬透性。

除Co,A1外，大多数合金元素都使Ms,W点下降，并增加残余奥氏体量。

5.指出下列各材料的类别、牌号意义、主要性能和用途。

(1)Q235A；(2)08；(3)45；

(4)T8；(5)Q345；(6)20Cr；

(7)40Cr；(8)20CrMnTi；(9)12Crl3；

(10)60Si2CrA；(11)W18Cr4V；(12)ZGMnl3；

(13)HT100；(14)QT600-3；(15)KTH370-12

答：列表如下：

牌号类别牌号意义主要性能用途

屈服强度不小于含碳量低、塑性好、用作螺栓、螺母、拉杆、

Q235A碳素结构钢

235MPa的A级质焊接性能好。销子、吊钩和不太重要的

量的碳素结构钢机械零件以及建筑结构

中的螺纹钢、工字钢、槽

钢，钢筋等：

含碳量低，塑性、常用于冲压件、焊接

优质碳素结含碳量为0.08%焊接性好，S,P含量件、强度要求不高的零

08

构钢的优质碳素结构钢低，非金属夹杂物也件，例如机革、焊接容器、

较少。垫圈等

含碳量适中，调质主要用于受力较大的

优质碳素结含碳量为0.45%

45后具有良好的综合力机械零件，如曲轴、连杆、

构钢的优质碳素结构钢

学性能。齿轮、机床主轴等

含碳量为0.8%的含碳量高，具有较冲头木工工具、剪切金

T8碳素工具钢

碳素工具钢高的硬度和耐磨性。属用剪刀等

船舶，锅炉，压力容器，

屈服强度不小于高强度、高韧性和

低合金高强石油储罐，桥梁，电站设

Q345345MPa的低合金良好的焊接性能和冷

度结构钢备,起重运输机械及其他

高强度结构钢成形性能。

较高载荷的焊接结构件

含璇量0.20%,截面在30mm-以下载

荷不大的零件，如机床及

20Cr合金渗碳钢含Cr量小于1.5%

小汽车齿轮、活塞销等

的合金渗碳钢经渗碳后直接淬火

或渗碳后二次淬火+汽车、拖拉机截面在

含碳量0.20%,低温回火。可得到表30mm2以下，承受高速、

Cr、Mn、Ti含量均层硬度高：而心部韧中或重载荷以及冲击、摩

20CrMnTi合金渗碳钢

小于1.5%的合金渗性好的力学性能。擦的重要渗碳件，如齿

碳钢轮、轴、齿轮轴、爪形离

合器、蜗杆等

调质处理后可获得汽车后半轴、机床齿

含碳量0.40%,轮、轴、花键轴、顶尖套

强度、高韧性相结合

40Cr合金调质钢含Cr量小于1.5%

的良好综合力学性

的合金调质钢

能。

具有良好的力学性制作抗弱腐蚀性介质、

含减量0.12%,能承受冲击载荷的零件，

能和加工工艺性能，

12Crl3不锈钢Cr含量13%的马氏如汽轮机叶片、水压机

且具有良好的耐腐蚀阀、结构架、螺栓、螺帽

体型不锈钢

性能。等。

适当热处理后得到用作承受高应力及

300〜350七以下的弹簧，

含碳量0.6%,含弹性极限和屈服强度

如汽轮机气封弹簧、破碎

Si量2%,含Cr量高的性能。具有足够机用弹簧等

60Si2CrA合金弹簧钢

小于1.5%的优质合的疲劳强度和韧性，

金弹簧钢能承受交变载荷和冲

击教荷的作用。

W含量14%,Cr制造一般高速切削用

车刀、刨刀、钻头、铳刀

含量4%,V含量小具有良好的热硬

W18Cr4V高速工具钢等。

于1.5%的高速工具性。

钢。

ZGMnl3耐磨钢Mn含量为13%水韧处理后具有较球磨机的衬板、挖掘机

的高看耐磨钢高的耐磨性和耐冲击的铲斗、各种碎石机的鄂

性能。板、铁道上的道岔、拖拉

机和坦克的履带板等。

抗拉强度…抗拉强度低，具有负荷小、对摩擦、磨损

无特殊要求的零件，例

灰铸铁的普通良好的减震性和耐磨

HT100100MPa如:盖、外罩、油盘、手

灰铸铁性。轮、支架、底板、重锤等

载荷大、受力复杂的零

件，如汽车、拖拉机曲轴、

抗拉强度…

连杆、凸轮轴，部分磨床、

600MPa,断后伸具有较高的强度和

QT600-3球墨铸铁铳床、车床的主轴、机床

长率…3%的球墨良好的铸造性能。

涡杆、涡轮、轧钢机轧辐，

铸铁

大齿轮，气缸体，桥式起

重机大小滚轮等

抗拉强度…

汽车、拖拉机上的前后

370MPa,断后伸具有一定冲击韧性

KTH370-12可锻铸铁轮壳、差速机壳、转向节

长率…12%的黑和耐腐蚀性

壳、制动器等

心可锻铸铁

6.为什么汽车变速齿轮常采用20CrMnTi钢制造，而机床上同样是变速齿轮却采用45

钢或40cl•钢制造？

答：20CrMnTi是渗碳钢，45钢和40Cr钢属于调质钢，都经适当热处理后，渗碳钢与

调质钢相比，其强硬度和耐磨性高，当然成本也高。

因为汽车在运行过程中对变速齿轮的性能要求比机床高，要求齿轮具备高的耐磨性、疲

劳强度和冲击韧性，而20CrMnTi在制造齿轮时一般采取渗碳淬火和低温回火，可使齿轮齿

面具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳性能，心部保持良好的强韧性。机床齿轮传递动力不大，

转速中等，工作平稳，无强烈冲击。45或40Cr调质处理后有较高的综合力学性能，具有一

定的耐磨性，能承受较大的冲击载荷，可满足使用要求。

7.灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁在组织上的根本区别是什么？

答：根本区别在于：灰铸铁中的石墨称层片状，球墨铸铁中的石墨成球状，蠕墨铸铁中

的石墨成蠕虫状，可锻铸铁中的石墨成团絮状。

8.为什么一般机器的支架、机床床身常用灰铸铁制造？

答：因为灰铸铁具备以下性能：良好的减振性，可有效降低加工过程中的冲击对加工质

量的影响。良好的耐磨性，可提高导轨等使用寿命。价格便宜，提高经济效益。

9.铝合金分为几类？各类铝合金各自有何强化方法？

答：铝合金依据其成分和工艺性能，可划分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。

变形铝合金分为防锈铝合金（LF）、硬铝合金（LY）、超硬铝合金（LC）和锻铝合金（LD）

四类。

变形铝合金还可进一步划分成可热处理强化变形铝合金和不可热处理强化变形铝合金。

铸造铝合金按成分不同可分为ALSi,Al-Cu,Al-Mg,Al-Zn系四类。

铸造铝合金和变形铝合金的界线并非是截然分开的，如铝硅铸造合金可轧制成薄板，变

形铝合金亦可浇注成铸件。

10.黄铜属于什么合金？普通黄铜与特殊黄铜有什么不同？

答：黄铜是铜与锌的合金。黄铜分为普通黄铜和特殊黄铜。普通黄铜是Cu-Zn二元合

金。特殊黄铜是在Cu-Zn二元合金的基础上再加入Al,Sn,Pb,Si,Mn,Ni等一些其他元

素的多元铜合金。

（1）普通黄铜。普通黄铜的代号以“黄”字的汉语拼音字头“H”加上数字表示，数

字代表铜的质量分数；例如H62,表示铜的含量为62%,其余为含锌量。

普通黄铜力学性能与锌的含量有关。当卬2n<32%时，其性能和纯铜相似，具有很高的

塑性和良好的抗腐蚀性；当吸„=32%〜47%时，在低温下很脆，但在高温下具有良好的塑

性；当物、>47%时，强度和硬度很低，工业上无应用价值。

普通黄铜可以用来制造散热器、管材、板材，还可以用来制造汽车、拖拉机上的零件。

例如H68,H70,塑性好，适于冲压成形状复杂的工件，是制造弹壳的最好材料。H62,H59,

适宜热变形成形，通常是以棒材供应。

（2）特殊黄铜。特殊黄铜的牌号以“H"+主元素符号+铜的质量分数+主元素的质

量分数来表示。如HMn58-2,表示含股。=58%,%—2%,其余为Zn的特殊黄铜。此外，

对于铸造生产的黄铜，其代号前需加“铸”字的汉语拼音字头“Z”。

特殊黄铜按加入的元素不同，分为铅黄铜、铝黄铜、硅黄铜、铳黄铜等；按其生产方法

不同可分为塑性成形黄铜和铸造黄铜两种。塑性成形黄铜加入的合金元素较少，塑性好，有

足够的变形能力。可用来制造齿轮、蜗轮、汽车、拖拉机及船舶上的许多零件，铸造黄铜中

则加入了较多的合金元素，使其具有较高的强度和较好的铸造性能。

11.什么叫热固性塑料？什么叫热塑性塑料？

答：热塑性塑料为线型结构分子链，加热时会软化、熔融，冷却时会凝固，变硬。此过

程可以反复进行。典型的品种有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚团胺（尼龙）、

有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）等。这类塑料强度较高，成型工艺性能良好，可反复成型、

再生使用。但耐热性与刚性较差。

热固性塑料为密网型结构分子捱，其形成是固化反应的结果。具有线型结构的合成树脂，

初加热时软化、熔融，进一步加热、加压或加入固化剂，通过共价交联而固化。固化后再加热，

则不再软化、熔融。品种有酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂等

构成的塑料。这类塑料具有较高的耐热性与刚性；但脆性大，不能反复成型与再生使用。

12.何谓复合材料？它有哪些性能特点？

答：复合材料是由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经人工合成的多相固体材料。

其性能特点是：比模量高、比强度大，具有良好的抗疲劳性能，良好的破断安全性，优良

的高温性能和良好的减振性。

第六章铸造成形

复习思考题

1.试说明铸造在机械制造生产中的地位。

答：机器零件的生产通常包括制造毛坯和对毛坯的切削加工两部分。制造毛坯的方法有

铸造成形、塑性成形和焊接成形等。铸造成形在机器制造业中应用极其广泛，现代各种类型

的机器设备中铸件所占的比重很大。据统计，在机器设备中铸件所占的比例很大，如汽车中

铸件的重量约占20〜30%,拖拉机中铸件重量约占50〜70%以上，机床中铸件重量约占70〜

90%,而铸件成本仅占机器设备总成本的20〜30%。因此，铸造成形在机械制造生产中，具

有重要的基础地位。

2.型砂和芯砂应具有哪些性能？这些性能对铸件质量有哪些影响？

答：型砂是由石英砂、粘结剂（包括粘土、水玻璃和有机树脂等）和其他附加物按一定

比例配合，经过混制后得到的具有一定性能的混合料。型砂的性能对铸件质量具有重要影响。

型砂应具备以下主要性能要求。

（1）透气性。若型砂透气性差，部分气体留在金属液内不能排出，凝固后铸件便会出

现气孔缺陷。

（2）强度。若型砂的强度不够时，容易造成塌箱、冲砂等问题。

（3）耐火度。若型砂的耐火度不足，砂粒会粘附在铸件表面上形成一层硬皮，难清除

干净，造成切削加工困难，严重时可使铸件报废。

（4）退让性。若型砂的退让性差，铸件收缩时会受到较大的阻碍，将产生较大的收缩

应力，可能导致铸件变形或开裂等铸造缺陷。

3.简述各主要造型方法的特点和应用。

答：砂型铸造的造型方法分为手工造型和机器造型两大类。

（1）手工造型。手工造型是传统的造型方法，紧实型砂、起模、下芯、合型等一系列

过程都由手工完成。手工造型的优点是操作灵活、适应性强、生产准备工作简单。缺点是铸

件质量很大程度上取决于工人技术水平，不稳定；工人的劳动强度大，生产效率低。目前手

工造型主要用于单件、小批量，新产品试制等。

（2）机器造型是将造型过程中的填砂、紧实型砂、起模等主要工序实现了机械化。与

手工造型相比，它具有生产率高、铸型质量好，便于组织自动化流水线生产，工人劳动强度

低等优点。但机器造型的设备和工艺装备费用高、生产准备周期长，因此适用于成批、大量

生产。

4.下列铸件在大批量生产时，应选用哪种铸造方法？

（1）铝活塞；（2）摩托车汽缸体；（3）缝纫机头；

（4）大模数齿轮铳刀；（5）汽缸套；（6）汽轮机叶片；

（7）车床床身；（8）大口径铸铁管

答：铝活塞一金属型铸造；摩托车气缸体一低压铸造；

缝纫机头一砂型铸造；大模数齿轮铳刀一熔模铸造；

气缸套一离心铸造；汽轮机叶片一熔模铸造；

车床床身f砂型铸造；大口径铸铁管一离心铸造。

5.什么是合金的流动性？为什么应尽量选择共晶成分或结晶温度范围摘要的合金作为

铸造合金？

答：液态合金本身的流动能力，称为合金的流动性。

共品成分或结晶间隔窄的合金，按逐层凝固方式结晶，结晶前沿比较平滑，对金属的流

动阻力小，流动性好。流动性好的合金，充填铸型的能力强。在相同的铸造工艺条件下，流

动性好的铸造合金，有利于充满铸型，可得到形状、尺寸准确，轮廓清晰的致密铸件；有利

于使铸件在凝固期间产生的缩孔得到合金液的补缩:有利于使铸件在凝固末期受阻而出现的

热裂得到合金液的充填而弥合。

6.铸件产生缩孔和缩松的原因是什么？防止产生缩孔的主要工艺措施有哪些？

答：合金的液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松缺陷的基本原因。基本条件是逐

层凝固。

为了防止铸件产生缩孔缺陷，铸造工艺中常采取定向凝固的方法对铸件进行有效补缩。

所谓定向凝固就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位，通过安放冒口或冒口加冷铁的组合,

使铸件远离冒口的部位先凝固，然后是靠近冒口部位凝固，最后冒口凝固。按照这样的凝固

顺序，后凝固部位液态合金的补充先凝固部位的收缩，前边的总收缩最后集中到冒口中形成

缩孔。冒口是铸件之外的部分，云除后便得到了致密的铸件。

7.”定向凝固原则”和“同时凝固原则”分别可以防止哪种铸造缺陷？各需采取哪些工艺

措施才能实现？

答：定向凝固原则解决的是缩孔、缩松缺陷；同时凝固原则解决的是铸造应力缺陷。

定向凝固就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位，通过安放冒口或冒口加冷铁的组合，

使铸件远离冒口的部位先凝固，然后是靠近冒口部位凝固，最后冒口凝固。

同时凝固原则是将内浇道设置在薄壁部位，浇入铸型中的金属液都从这里流过，薄壁部

位铸型被加热的时间长，温度高于其它部位，并且这里液态合金的温度也高于其它部位，因

此减缓了薄壁部分的冷却速度。在最厚大部位设置一个冷铁，加速了厚壁部分的冷却速度，

因此使铸件各部位实现了同时凝!3。

8.“高温出炉、低温浇注”具体是指什么？

答：高温出炉是为了使液态合金中的渣、气等在浇包中有充分的上浮排除时间，有利于

提高铸件的力学性能。低温浇注是为了减少液态收缩，尽量减少缩孔和缩松。

9.什么是铸件的热裂和冷裂？它们各自的产生条件是什么？应如何防止？

答：根据铸件裂纹产生的原因和温度范围，分为热裂和冷裂两种。

热裂是在凝固的末期，固相线附近出现的。此时，由于铸件中结晶的骨架已经形成并开

始收缩，但晶粒间还有一定量的液态合金，合金的强度和塑性极低，收缩稍受阻碍即可开裂。

热裂是铸钢件、可锻铸铁件和某些有色合金铸件中最常见的铸造缺陷。其特征是：断面

严重氧化，无金属光泽，裂口沿晶粒边界产生和发展，外观形状不规则。

冷裂是铸件处于弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限时产生的。其特征是：外形

呈连续直线状或圆滑曲线，而且常常是穿过晶粒延伸到整个断面，裂口处表面干净，具有金

属光泽或呈轻微氧化色。

冷裂往往出现在铸件受拉伸的部位，特别是应力集中的地方。

10.什么是铸件的结构斜度？它与起模斜度有何不同？图6-45口的铸件结构是否合理?

如不合理如何改进？

图645题图

答：铸件的结构斜度，是在铸件的结构设计时，在垂直于分型面的直壁上设计出来的斜

度。直壁高度越小，角度越大。

铸件的结构斜度与起模斜度不容混淆。前者，是零件结构的一部分；后者，是在绘制铸

造工艺图时，在垂直于分型面的耒面上设置的斜度。

这个铸件的结构设计不合理。铸件上与分型面垂直的外壁没有设计出结构斜度，不便于

起模。上表面的孔壁虽然设计了结构斜度，但方向搞反了。改成反斜度，也就是变成上口小

下口大，便于起模，也便于用砂跺来成形孔，降低生产成本。

11.图646中的铸件结构有何缺点？应该如何改进？

图646题图

答：铸件上的凸台是孤立的，在造型时或者采用活块造型，或者增加一个外砂芯，使铸

造工艺复杂，生产成本提高。不合理。

将铸件上的凸台上延到与分型面相连接，则造型时就没有这些麻烦了。简化了造型工艺,

结构就合理了。

12.为什么铸件要设计出结构圆角？图6Y7中铸件的哪些圆角不合理？应如何改进?

图647题图

答：铸件的结构圆角，也就是在铸件壁的转角处设计成圆角连接。采用直角连结存在如

下问题：（1）直角连接处会形成金属的积聚，易产生缩孔、缩松；（2），在载荷的作用下，直

角连接处的内侧易产生应力集中；（3）在合金结晶过程中，沿着散热反方向形成垂直于型壁

的柱状晶，在转角处的对角线上形成整齐的分界线，削弱转角处的力学性能。

当铸件采用圆角结构时，可以有效克服上述缺点。另外，铸造圆角还可防止金属液流将

型腔尖角冲毁，以及美化铸件外形和避免划伤人体等。铸件的分型面尽量平直

图6-47所示铸件上的圆角设计不合理。

铸件的上表面有圆角，不是最大截面。若将分型面设置在上表面，则要挖砂造型。若采

用与上表面相符合的曲面，则会给制作模样和造型都带来很多麻烦。因此不合理。

合理的设计是将铸件上表面的圆角去掉，改为把与上表面垂直的直壁设计成结构斜度,

保证上表面为最大截面，这样分型面就可以设置在上表面，结构就合理了。

13.铸件、模样、零件三者在尺寸上有何关系？并分析这种尺寸关系的原因。

答：铸件的尺寸加上该铸造合金的线收缩量即为模样的尺寸。零件的尺寸加上切削加工

余量即为铸件的尺寸。

14.为什么空心球难以铸造？应采用什么措施才能将空心球铸造出来？试用图表示。

答：因为空心球的空心是封闭的，如不采取特殊工艺措施，是没办法铸出的。

铸造时，可预先设计出工艺孔，等铸出铸件后，再想办法将工艺孔堵住，就得到了空心

孔了。

15.某厂批量生产一种薄壁灰铸铁件，投产以来质量基本稳定，但最近突然出现浇不足、

冷隔等缺陷增多的现象，试分析其原因。

答：铸件出现浇不足、冷隔缺陷，可能有以下一些原因：

（1）化学成分控制可能出现偏差，比如有利于提高合金流动性的碳、硅含量偏低，或

降低合金流动性的硫含量偏高。

（2）熔炼工艺可能出现问题，如合金氧化严重，渣量偏多等。

（3）浇注温度可能过低，导致充型能力不足。

16.为什么要规定铸件最小壁厚？灰铸铁件的壁厚过大或局部过薄会出现哪些问题？

答：每种铸造合金都有其适宜的壁厚，选择得当，既能保证铸件的力学性能，又能防止

某些铸造缺陷的产生。

如果铸件的壁厚太厚，则容易在中间出现缩孔缩松缺陷。但铸件的壁厚不能太薄，否则

容易出现浇不足和冷隔缺陷。

17.用内接圆法确定图6-48中铸件的热节部位。在保证尺寸H的前提下，如何使铸件

的壁厚尽量均匀？

图6-48题图

答:

缩松

图6・52题图

18.铸造技术发展的新成果对你有何启示？

答：针对铸造中存在的问题，如：铸造成形的工艺过程比较复杂，有的还难以精确控制；

铸件内部晶粒粗大、组织不均匀、不致密，导致同一材质铸件的力学性能比锻件的低；有些结

构的铸件，即使严格控制，也很难避免缩孔、缩松等。铸造新技术都有了比较好的解决方案。

如铸造成形数值模拟技术，就是利用计算机仿真技术，对铸造过程进行数值模拟，如

通过对温度场、流动场、应力场等进行数值模拟，来预测可能产生的铸造缺陷和部位，进而

优化铸造工艺设计。这，大大缩短了新产品的开发周期，降低了试制成本。

再比如半固态金属铸造技术，就是利用机械力、或电磁力的搅拌作用来细化晶粒，利用

压力充型和凝固来消除缩孔和缩松，从而得到了晶粒细小、组织致密的高质量铸件的技术。

第七章锻压成形

复习思考题

1.什么是酸压成形？

答：锻压成形是在外力作用下使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸

和力学性能的毛坯或零件的加工方法。

2.加工硬化对工件性能及加工过程有什么影响？

答：金属经过冷塑性变形其内部组织的晶格扭曲，晶粒破碎，使得进一步滑移困难，改

变了其力学性能。随变形程度增大，金属的强度和硬度上升，而塑性和韧性下降，这种现象

称为加工硬化。加工硬化现象在工业生产中