机械工程材料习题解答

机械工业出版社《机械工程材料》习题解答

第一章金属材料的力学性能P20-21

1.拉伸试样的原始标距为50mm，在径为10mm,拉伸试验后，将已断裂的试样对接起来测

量，若断后的标距为79mm,缩颈区的最小直径为4.9mm,求该材料伸长率A和断面收缩

率Z的值(计算结果保留两位小数)。

已知：L()=50mm；Lu=79mm；do=lOmm：di=4.9mm

求：A=?和Z=?

解：1)、A=(Lu-Lo)/L0X100%=(79-50)/50X100%=58%

22

2)、Ao=(n/4)doMS-M/^X10=78.5mm

222

Au=(n/4)di=(3.14/4)X4.9=18.8mm

Z=(Ao-A)/AX100%=(78.5-18.8)/78.5X100%=76%

uD

答：该材料伸长率为58%、断面收缩率为76%。

2.现有原始直径为10mm圆形长、短试样各一根，经拉伸试验测得伸长率AU.3、A均为25%.

求两试样拉断后的标距长度，两试样中哪一根的塑性好？

己知：d()=l()mm、AH,3=A=25%»LIO=IOdo=10X10=100mmL5=5do=5XJ0=50mm

求Lu10、LU5

解：依据A=(Lu-Lo)/14)X100%,推导出Lu=(l+A)L()

则Luio=(l+A)Lio=(1+25%)X100=125mm

LU5=(l+A)L5=(l+25%)X50=62.5mm

短试样拉伸时应该比长试样大20%,所以长试样塑性好。

答：长、短两试样拉断后的标距长度分别为125、62.5mm,长试样塑性好。

3.一根直径2.5mm,长度3m的钢丝，承受4900N载荷后有多大的弹性变形？

已知：d()=2.5rnm,L()=3m=3000mm,F=4900N,E=21OOOOMpa

求

22

解：So=(n/4)d0=(3.14/4)X2.5M.9mm

o=F/So=4900/4.9=10OOMpa,

£=o/E=1000/210000=4.8X10\

3

△L=£LO=4.8XIOX3000=14.3mmO

答：弹性变形为14.3mm。

6.青铜的屈服强度Rpo.2=33OMpa,弹性模量E=1.11XlO^MpaJ可：

(1)长度为1.5m的青铜棒伸长0.2cm时所需的应力多大？

已知：△L=0.2cm=2mm,Lo=1,5m=1500mm,E=l.l1X105Mpa

求o

解：8=AL/L()=O.2/15OO=I3.33X105,

5

O=8E=(13.33X10-5)X(1.11X10)=148Mpa

答：所需应力为l48Mpa。

(2)当承受28X18N载荷而不发生塑性变形时，其横截面应多大？

已知：F=28X103N,R,>o,2=33OMpa

求：So

解：不发生塑性变形，即可"Rpo.2(330Mpa),

则So=F/Rpo.2=(28XI03)/330=0.085X103=85mm2

答：横截面积为85mm2。

7.现有一串钻探钢管材料悬挂在一被钻探的油井中，设钢管的横截面积为25cm2,钢的密度

为7.8g/cn?,由于钢管的自重而产生的应变为0.00083,求该油井的深度。E=210000Mpa

已知：So=25cm2=25X10%?,重力加速度g=9.81m/s2,钢管密度P=7.8t/m3=7.8X103kg/m\

E=210000Mpa=210000X1伊pa,e=O.OOO83。

求：井深L

解：设钢管自重F=PgSoLo,则o=F/So=(PgSoLo)/So=PgLo

。/E=(ngL())/E,因此Lo=(sE)/(ng)

△L=eLo=£((EE)/(Pg))

L=LO+AL=(1+8)LO=(1+E)((eE)/(Pg))=(1+0.00083)X((0.00083X210000X106)

/(7.8X103X9.81))=2280m»

答：井深2280m。

8.设上题中钢管材料的屈服强度为400Mpa,在要求安全系数的情况下，该规格的钻管能

钻到多大的井深？

已知。=R,>o,2/2=400/2=200Mpa=200XI06pa,

ft

重力加速度g=9.81m/s,,钢管密度P=7.8t/n?=7.8X1O^kg/m\E=210000Mpa=210000X10pao

求：可钻井深L

解：设钢管自重F=PgSoLo，WJo=F/So=(PgSoLo)/So=PgLo

求得Lo=°/(Pg)

因为△L=£LO，£=O/E=200X106/210000X106=9.52X10\

所以L=Lo+AL=(l+e)Lo=(l+e)。/(Pg)=(1+9.52XIO-4)X200X106/(7.8XKPX9.81)

=2616m。

答：可钻井深2616m。

9.现将4454N的载荷分别悬升在直径均为6.4mm的钢线材和铝线材上，问在这两种线材中

产生的轴向应变各多大？(硬铝的密度为2.7g/cn?,Ew=210000Mpa,E«-72400Mpa)

已知：F()=4454N,do=6.4mm.

E«4=21OOOOMpa,EKi=72400Mpa,线材自重忽略不计

求：8£铅

:2

解:将So=(n/4)dn,。=F/So,代入2=。/E={F/((n/4)do)}/E

贝建产o/E={F/((n/4)do2)}/E钠

={4454/((3.14/4)X6.42]}/210000=0.00066；

e«5=o/E={F/((n/4)do2)}/Em

={4454/((3.14/4)X6.42]}/72400=0.00191

答：钢、铝线材应变分别为0.00066、0.0019k

10.现用屈服强度为358.8Mpa的铸铝公路防护栏来代替屈服强度为690Mpa的枢制公

路防护栏(钢的密度为73g/cm3、铝的密度为2.7g/cn?)问：

(1)新防护栏的横截面积应较原来的大多少倍？

已知：Rp(),2fii=358.8Mpa,Rp(),2e4=690Mpa

求：Sosi/So用

解：依据Rp().2Bi=Fo二/So,RpO.2€H/RpO.28q=(Fo.2fi'/SoW(F(),2«/SoiM)

由此可得Soti'j/Som=(FO,2r./Rpo.z阴)/(FO.2M/Rp0.2tl)

当载荷F达到Fo.2铲时铝开始出现屈服产生塑性变形，即F=Fo.2衿Fo.2纲，所以SoWso弼

=Rp（）,2w/Rpo,2»=690/358.8=1.92

答：铝比钢护栏横截面积增大了1.92倍。

（2）新防护栏的相对重量百分比降低了多少？

3

已知：Sotn=1.92.钢Pw=7.8g/cm\铝P«；=2.7g/cm

求：WWW纲

解：依据重量W=PgS（L）,则Ww/Ww=（PtHgSottLo）/（P«gSomLo）=（So«a/So«）（Pw/

Pw）=1.92X（2.7Z7.8）=0.67%

答：铝比钢护栏相对重量降低了67%

（3）你能否预见采用这种新防护栏后会产生哪些问题？

答：横截面积增大了1.92倍，增大了占地面积，减少公路有效宽度。

11.下列硬度标注的方法是否正确？为什么？

（1）HBS250—300（错）

（2）600—650HBS（对）

（3）5—10HRC（对）

（4汨RC70—75（错）

（5）HV800—850；（错）

（6）800850IIvo（错）

因为标记方法不正确，应该硬度符号大写，数值在字母前面。

12.采用何硬度试验方法？

（1）铿刀洛氏硬度HRA；

（2）黄铜轴套洛氏硬度HRB或布氏硬度HBS；

（3）供应状态的各种碳钢钢材布氏硬度HBS；

（4）硬质合金刀片洛氏硬度HRA；

（5）耐磨工件的表面硬化层维氏硬度HV；

13.甲、乙、丙、丁四种材料的硬度分别为45HRC、90HRB、800HV、240HBW,比

较四种材料的硬度高低？

答：查表计算得甲45HRC=436HV；乙90HRB=l83HV；丙800HV；丁

240HBW=240HVo则：丙〉甲＞丁＞乙。

15.为什么疲劳断裂对机械零件潜在着很大的危险性？交变应力与重复应力区别何

在？举例出一些零件在工作中分别存在这两种应力的例子。

答：疲劳断裂的危险性：疲劳断裂都是突然发生的，很难事先觉察到，故具有很大的

危险性。交变应力与重复应力的区别：交变应力是载荷由大到小与方向作交替变化（如齿轮）,

重复应力只有一种不断重复的载荷（如弹簧）。

16.现有两端固定〔不能自由伸缩）的钢索一根，设钢索的热膨胀系数为a=I2.1X

102m/（m•℃），问该钢索从40C冷却到室温25℃后所产生的应力。多大？（弹性模量

E=2IOOOOMpa）

已知：E=210000Mpa,a=12.1X10-6m/（m•r）,AT=40℃-25℃=15eC

求：。？

解：o=EaAT=210000X12.1X10-6X15=38.115Mpa

答：该钢索从40'C冷却到室温25℃后所产生的应力为38.115Mpa。

第三章金属与合金相图P50

4、为什么铸件的加工余量过大，会使加工后的铸件强度降低？

5.为什么亚共析钢经正火后，可获得比退火高的强度与硬度？

答：主要在于正火的冷却速度较快，过冷度较大，因而发生了伪共析转变，使组织中珠光体

量增多，片层间距变小。由于正火与退火后钢的组织存在差别，所以正火后的强度、硬度、

韧性都比退火后的高，且塑性也并不降低。

6.将C=1.0%、C将.2%的碳钢同时加热到780同进行淬火,问：

（1）淬火后各是什么组织？

答：C=L0%、C=1.2%的碳钢都属于过共析钢淬火后组织M+Fe3cH（粒状）。

（2）淬火后马氏体的含碳量及硬度是否相同，为什么？

答：马氏体的含碳量不同，00.6%后强度和硬度几乎相同。

（3）哪一种钢淬火后的耐磨性更好些，为什么？

答：因为C=1.2%比C=1.0%的碳钢Fe3cli（粒状）多,所以C=1.0%的碳钢耐磨性好。

7现有20、45、T8、T12钢的试样一批，分别加热到780℃、840℃、920c后各得到什么组

织？然后在水中淬火后各得到什么组织？淬火马氏体中含碳量各是多少？这四种钢最合适

的淬火温度分别应是什么温度？

答：（1）加热后组织、淬火后组织：

780℃：20、45钢加热到780℃后组织为F+A、淬火后组织为F+M,淬火马氏体中含碳

量各是：T8、TI2钢加热到780℃后组织为A+Fe3Gl（粒状）、淬火后组织M+Fe3Gl（粒状）。

840℃：20钢加热到840℃后组织为P+A、淬火后组织为F+M,45钢加热到840℃后组

织为单相A、淬火后为M组织，T8加热到840C后组织为A、淬火后组织M+Fe3Gl（网状），

T12钢组织加热到840℃后组织为A+Fe3Cn（粒状）、淬火后组织M+Fe3cH（粒状）。

920℃：20、45钢加热到920C后组织为单相A、淬火后为M组织，T8、T12加热到

920℃后组织为A、淬火后组织M+Fe^Cn（网状）。

（2）淬火马氏体中含碳量就是转变前奥氏体中的含碳量：

20钢F相对量=（0.77-0.2）/（0.77-0.0218）=76.18%,F含碳量=76.18%*0.02。％=0.0166%,

贝ljM含碳量=0.2%-0.0166%=0.1834%：45钢F相对量=（0.77-0.45）/（0.77-0.0218）=42.77%,

F含碳量=42.77%*0.0218%=0.0093%,则M含碳最=0.45%-0.0093%=0.4407%

T8钢Fe3Gl相对量:（0.8-0.77）/（6.69-0.77）=0.5068%,Fe3cli含碳量

=0.5068%*6.69%=0.0339%,贝ljM含碳量=0.8%-0.0339%=0.7661%;

T12钢Fe3Cn相对量=（1.2-0.77）/（6.69-0.77）=7.2635%,Fe3cli含碳量

7.2635%*6.69%=0.4859%,则M含碳量=1.2%-0.4859%=0.7141%；

（3）20、45钢属于亚共析钢加热最适合的淬火温度1=AC3+30—70℃,故为920℃；T8、

T12钢属于过共析钢加热最适合的淬火温度t=ACi+30-70℃,故为780℃。

8.有一批35钢制成的螺钉，混入T10和10钢，若仍按35钢进行淬火、回火热处理时，能

否达到要求？为什么？

答：不能。35为中碳钢属于亚共析钢，淬火温度t=Ac3-30-70℃.35（中碳钢）高温回火

（500—600℃）可获得回火索氏体、10为低碳钢,高温回火不能获得回火索氏体组织,T12

钢属于过共析钢，淬火温度1=4|+30-70C、获得组织不能满足性能要求。

9.有一批T12钢制成的丝锥，混入45钢，问：

（1）若仍按T12钢进行热处理，能否达到要求？为什么？

答：不能。T12钢属于过共析钢，淬火温度1=人产30—70℃、低温回火（150-250℃）可获

得硬度高且耐磨性好的回火马氏体，45为属于亚共析钢不能获得回火马氏体组织。

（2）若按45钢进行热处理，能否达到要求？为什么？

答：不能。45属于亚共析钢，淬火温度t=Ac3+30-70℃,高温回火（500-600℃）可获得

强度、硬度和塑性、韧性综合性能好的I可火索氏体，T12钢属于过共析钢，不能获得回火索

氏体组织。

10.淬火内应力是怎么产生的？与哪些因素有关？

答：内应力分为热应力与用变应力，热应力是由于工件在加热和冷却时内外温度不均匀、热

胀冷缩先后不一致所造成的：相变应力是由于热处理过程中工件各部位相转变的不同时性所

引起的应力。

内应力与锻造、预先热处理、淬火、回火等工艺及工件的结构等因素有关。

11.退火与回火都可以消除钢中内应力，两者能否通用？为什么？

答：不能。去应力退火主要是在保温时消除钢中残余内应力，在退火过程中并没有相变发生.

回火是通过相变将淬火马氏体、残余奥氏体等不稳定组织转变为不同的稳定回火产物，从而

消除钢中内应力。

12.45钢经调质热处理后硬度为240HBs，若再进行200℃回火能否提高硬度？为什么？45钢

经淬火、低温回火后硬度为57HRC,若再进行560c回火能否降低硬度？为什么？

答：45钢调质后获得回火索氏体（其渗碳体呈粒状）稳定的组织，若再进行200℃低温回火,

组织无变化，硬度保持240HBs基本不变。

45钢经淬火、低温回火后获得回火马氏体，若再进行56CTC回火，便可获得回火索氏体,

使硬度为57HRC降低到240HBS,

13.45钢经调质热处理后硬度为220-250HBS,能否依靠减慢回火的冷去IJ速度降低硬度？能否

依靠增加回火的冷却速度提高硬度？并说明原因。

答：不能。回火温度和时间是决定回火后硬度的主要因素，回火的冷却速度对碳钢的性能影

响不大。

14.制订Tl2AMi2丝锥热处理工艺（要求刃部60-62HRC、柄部30-40HRC）

答；热处理方法、加热温度及冷却方法为T12A属于过共析钢，第一步首先需要进行球化退

火，加热温度T=Aci+IO-2O'C=750-770。保温一定时间快冷却（炉冷速度30-50uC/h）到梢低

于An（680-700℃）s经较长时间等温，然后冷却至600℃再出炉空冷。第二步进行淬火热

处理，加热温度1=Aci+30-70℃=780℃,保温一定时间，然后整体入水淬水冷却。第三步进

行低温回火热处理.，加热温度t=150-25（rC,保温一定时间后然后空冷到室温。第四步对柄

部进行感应快速加热高温回火热处理（500-650℃）,以降低柄部硬度、提高韧性使之达到

30-40HRC。

15.T8钢的过冷奥氏体等温转变曲线（如图15附图），若在620℃进行等温转变，并经不同

时间保温后，按I、2、3、4冷却速度冷至室温可获得什么组织？然后再进行中温回火，又

获得什么组织？

答：室温组织是冷却速度1为M+残余A,冷却速度2为S+T+M+残余A,冷却速度3为S,

冷却速度4为S。

16.铿刀5mmT12经球化退火、780℃淬火、160C回火硬度5HRC,火焰加热一端保温15分

钟后，立即整体淬水,950、780、700、600、20℃各部位的组织与硬度?

答：从P86图5-38查出950℃加热后组织为A,淬火后组织为淬火M+残余A,杳P79图

5-29硬度为67HRC；78（）℃加热后组织为A+Fe3c（粒状），淬火后组织为淬火M+残余A+Fe3c

（粒状），硬度为HRC：因为在600℃以下F仍保留原来M的形态、超过600C以上F发生

再结晶，其形态由原来的板条或片状变为多边形晶粒，所以700c加热后组织为F（多边形

晶粒状）+Fe3c（粒状），淬火后组织为回火P,查P73图5-13硬度为16HRC（160HBS）；

600°C加热后组织为F（板条或片状）+Fe3c（粒状），淬火后组织为回火S,硬度为

2OO-33OHBS；20℃加热后组织为回火M,淬火后组织为回火M,硬度为58-64HRC；

17、6mm45钢圆棒，经840℃加热淬火，硬度55HRC（未回火），火焰加热一端各点温度

950、840、750、550、150℃«

（1）45钢加热温度下各部位的组织？

答：950、840℃加热后组织为A,750℃加热后组织为A+F（多边形晶粒状），550℃加热后

组织为F（板条或片状）+Fe3c（粒状），150C加热后组织为回火M+残余A。

（2）45钢缓冷室温后各部位的组织？

答：950、840c加热后组织为A,其缓冷至室温组织为P+F；750c加热后组织为A+F、其

缓冷至室温组织为P+F；550℃加热后组织为F+Fe3c（粒状）、其缓冷至室温组织为回火S,

因为热处理为淬火状态并未回火，所以室温组织中有残余A存在。故150c加热后组织为回

火M+残余A、其缓冷至室温组织为回火M+残余A。

（3）45钢水淬快冷室温后各部位的组织？

答：950、840c加热后组织为A,淬火后组织为淬火M+残余A；750c力口热后组织为A+F,

淬火后组织为淬火M+残余A+F；550C加热后组织为F+Fe3c（粒状），淬火后组织为回火S：

150C加热后组织为回火M+残余A,淬火后组织为回火M+残余A；

18、淬火温度的钳工凿子刃部投入水中急冷，然后出水停留一定时间，再整体投入水中冷却。

分析这先后两次水冷的作用。

答：将淬火温度的钳工凿子刃部投入水中急冷目的是为了获得强度高、硬度大的M组织、

其它部位留在空气中空冷目的是为了获得塑性和韧性好的组织；停留一定时间，再整体入水

冷却到室温，FI的是为了减少相变应力、防止产生变形开裂。

19.零件调质处理的效果与钢材的淬透性有何关系？同一钢材，当调质后和正火后的硬度相

同时，两者在组织与性能上是否相同？为什么？

答：淬透性好的钢，调质后可获得均匀的S组织、其渗碳体呈粒状分布，故性能较好;淬透

性差的钢，调质后层片状渗碳体组织存在，故性能较低。

同一钢材，当调质后和正火后的硬度相同时，两者在组织与性能上也不相同。因为调质

处理后可获得回火S组织，其渗碳体呈粒状分布；而正火处理后得到的S组织中，其渗碳

体呈层片状。因此，同一钢材经调质后不仅强度高、而且塑性与韧性更显著地超过了正火状

态。

20.区别钢的淬硬性、淬透性马淬硬深度，升分别指出影响因素。

答：钢的淬透性是指淬火时能获得淬硬深度的能力，它是钢材本身固有的属性。钢的淬硬深

度是工件表面测量半M区的垂直距离。钢的淬硬性是钢在淬火后能达到最高硬度的能力，

它主要取决于M的含碳量。不同钢材制成相同形状和尺寸的工件，在同样条件下淬火，淬

透性好的钢，其淬硬深度较深，可淬硬性不一定高；淬透性差的钢，其淬硬深度较浅。

21.用同一钢材制成尺寸不同的两个零件，试问：

（1）它们的淬透性是否相同？为什么？

答：用同一钢材制成尺寸不同的两个零件，它们的淬透性不相同。因为，表层部分冷却速度

大于M临界冷却速度，淬火后获得M组织，在距离表面深处的冷却速度小，有可能出现非

M组织。

（2）采用相同的淬火工艺，两个零件淬硬深度是否相同？为什么？

答：用同一钢材制成尺寸不同的两个零件，采用相同的淬火工艺，淬硬深度不相同,因为,

在相同的A化条件下，同一种钢材淬透性是相同的，但淬硬深度却随工件的形状、尺寸和

冷却介质的冷却能力不同而变化。

22.分析是否正确？为什么？

⑴过冷A的冷却速度愈快，钢冷却后硬度愈高；正确，因为冷却速度不同，过冷A转变的

组织就不同，强度、硬度等性能也不同，所以冷却速度愈快硬度愈高。

⑵钢经淬火后是处于硬脆状态；正确，因为通常情况卜，钢淬火后的组织为淬火M+少量残

余A,具有高的强度与硬度，但塑性与韧性较低，也就是说处于硬脆状态。

⑶钢中合金元素越多，贝!淬火后硬度就越高；不正确，因为除钻以外的合金元素，当其溶

入A后，都能增加过冷A的稳定性，降低M临界冷却速度，使钢的淬透性增高，而不意味

硬度就越高。

⑷同一钢材在相同加热条件下，水淬比油淬的淬透性好，小件比大件的淬透性好；不正确,

因为在相同的A化条件下，水淬比油淬的淬硬深度深，小件比大件的淬硬深度深，而不是

淬透性好。

（5）冷却速度愈快，M转变点Ms、Mf愈低；不正确，因为冷却速度只能决定转变产物，

而不能改变M转变点Ms、Mf.

（6）淬火钢回火后的性能这样取决于回火后的冷却速度；不正确，因为淬火钢回火后的性

能这样取决于回火温度，回火温度不同获得的组织就不同，因此性能也就不同。

（7）为了改善碳素工具钢的切削加工性，其预先热处理应采用完全退火；不正确，因为碳

素工具钢属于过共析钢，需采用球化退火，降低硬度，改善切削加工性，并为淬火作好准备。

（8）钢在加热时，A的起始晶粒越细，则冷却后得到的组织也越细。不正确，因为，A的

起始晶粒一股都很细小，但随温度的升高、时间的延长，A晶粒将不断长大，并不是说起始

晶粒越细，则冷却后得到的组织也越细。

23.为什么高频表面淬火零件的表层硬度、耐磨性及疲劳强度均高于一般淬火？

答：由于庙频表面淬火感应加热，一般只要几秒到几十秒的时间就可使工件达到淬火温度，

具有加热速度极快、时间短的特点，从而使A晶粒细小而均匀，因而淬火后便可在表层获

得极细M或隐针M,使工件表层硬度较普通淬火硬度高出2-3HRC,且具有较低的脆性。

又由于工件表层存在残余应力，它能部分抵消在变动载荷作用下产生的拉应力，从而提高了

疲劳极限。另外，工件表面不易氧化和脱碳，所有耐磨性好。而且变形也小。

24.今有分别经过普通整体淬火、渗碳淬火及高频感应加热表面淬火的三个形状、尺寸完全

相同的齿轮，试用最简单迅速的方法把它们区分出来。

答：川洛氏硬度机测试硬度的方法，渗碳淬火硬度最硬，其次是高频感应加热表面淬火，普

通整体淬火硬度最小。还有一种最简单实用的方法就是凭经验看颜色法，高频感应加热表面

淬火无氧化层、表层发亮：普通整体淬火表面氧化层牧多、表层发黑，渗碳淬火表面氧化层

较少、表层发黑。

25.现有低碳钢齿轮和中碳钢齿轮各一个，要求齿面具有高的硬度和耐磨性，应该怎样热处

理？并比较热处理后它们的组织与性能上的差别？

答：低碳钢齿轮采用渗碳淬火+低温回火。低碳钢渗碳后采用直接淬火和一次淬火法获得的

表层组织为回火M+少量残余A、二次淬火法获得的表层组织为回火M+少量残余A+粒状渗

碳体或碳化物，碳钢心部组织为P+F、合金钢一般为低璇M+F,其表层具有高的硬度、耐

磨性和疲劳极限、心部具有较好的塑性与韧性；

中碳钢齿轮采用高频感应加热表面淬火+低温回火。高频表面淬火后其表层获得极细或

隐针状问火M组织，而心部仍保持着原退火与正火或调质状态的组织（P+F或I可火S）,表

层具有硬而耐磨、心部具有较好的塑性与韧性。

28零件45钢加工路线：备料-锻造-正火-粗加-调质-精加-高频感应加热表面淬火与低温回火

・磨削。说明热处理的目的及显微组织？

答：（1）正火的目的是经热加工（锻造）的零件先进行正火处理以消除毛坯内应力，细化晶

粒、均匀组织，改善切削加工性，为最终热处理作好组织准备；45钢正火后显微组织为P+F。

（2）调质的目的主要是提高零件的综合力学性能，为以后表面淬火作好组织准备。45钢调

质后显微组织为回火S。

（3）高频感应加热表面沙火与低温回火的目的是工件表层获得硬而耐磨的组织，心部仍保

持原来塑性与韧性较好的调质状态的组织.45钢表面淬火与低温I口I火后表层的显微组织为

极细或隐针状回火M,心部的显微组织为回火So

5.根据已学到的知识，列举出强化金属材料的方法。

答：强化金属材料的方法有，一是热处理，二是加工硬化，三是固溶强化，四是弥散强化。

6.为什么细晶粒金属不但强度高，而且塑性、韧性也好？

答：因为晶粒越细，在一定体积的晶粒内晶粒数目愈多，则在同样变形条件下，变形量被分

散在更多的晶粒内进行，使各晶粒的变形比较均匀而不致产生过分的应力集中。同时，晶粒

越细，晶界就越多、越曲折，故越不利于裂纹的传播，从而使其在断裂前能承受较大的塑性

变形，表现,出具有较高的塑性与韧性。

10.用一冷拉钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到1000C,加热完毕，再次吊

装该工件时，钢丝绳发生析裂，分析其原因。

答：冷拉钢丝绳随工件一起加热到1000C时已远超出再结晶温度，在较高的热变形加工温

度下，加速了再结晶引起的软化过程，使冷变形加工产生加工硬化现象完全消除、强度与塑

性大大降低、金属的性能变差，所以再次吊装该工件时，钢丝绳就会发生断裂。

第七章钢

1.为什么合金钢比碳钢力学性能好、热处理变形小？为什么合金工具钢的耐磨性、热硬性

比碳钢高？

答：一是形成合金铁素体产生固熔强化，从而使钢的强度和硬度得以提高；二是形成合金碳

化物产生弥散强化，增加钢的强度、硬度及耐磨性；三是几乎所有的合金元素都抑制钢在加

热时的奥氏体晶粒长大的作用，使合金钢在热处理后获得比碳钢更细的晶粒；所以合金钢比

碳钢力学性能好。

几乎•所有的合金元素都能增加钢的淬透性并可细化晶粒，提高钢的力学性能，能减少淬

火时变形与开裂的倾向，所以热处理变形小。

合金工具钢中常采用珞、鹤、钥、帆等强烈形成碳化物的合金元素，在提高淬透性的同

时，并形成足够数量弥散分布粒状碳化物，因此合金工具纲比碳钢具有更高耐磨性和热便性。

2.低合金高强度结构钢中合金元素工要是通过哪些途径起强化作用？这类钢经常用于哪

些场合？

答：低合金高强度结构钢中合金元素起强化作用的主要途径

低合金高强度结构钢按用途可分为低合金渗碳钢和低合金调质钢。低合金渗碳钢主要用

于制造表面承受高耐磨、变动载荷的零件（要求钢表面具有高硬度，心部具有较高的韧性和

足够的强度）。低合金调质钢主要用于制造承受很大变动载荷与冲击载荷或各种复合应力的

零件（要求钢具有较高的综合力学性能，即强度、硬度塑性、韧性有良好的配合）。

3.现有'MCr轴，心部要求良好的强韧性（200—300HBS）,颈部要求硬而耐磨（54—58HRC）。

（1）应进行哪种预先热处理和最终热处理？

答：40Cr属于低淬透性调质钢，预先热处理为在Ac3以上进行一次正火；最终热处理为调质

热处理，即加热到43+30—70℃以上完全奥氏体化淬火后进行500—650℃高温回火，以达到

心部（200-300IIBS）具有良好的强韧性；然后再对颈部进行高频感应加热表面淬火（利用

工件内部的余热使表面进行自回火），以达到硬而耐磨性能（54—58HRC）。

（2）热处理后各获得什么组织？

答：正火后组织为伪共析珠光体；调质后心部组织为回火索氏体；高频感应加热表面淬火后

颈部组织为回火马氏体。

（3）各热处理工序在加工工艺路线中位置如何安排？

答：下料一锻造一正火一机械粗加工一调质一机械精加工一高频感应加热表面淬火一磨削。

4.现有40CrMnTi齿轮，齿面硬化层81.0—1.2mm,硬度58—62HRC,心部硬度35—40IIRC,

确定最终热处理方法及最终获得的表层与心部组织。

答：40CrMnTi属于高淬透性调质钢，正火后组织为伪共析珠光体；调质后心部组织为回火

索氏体（硬度35—40HRS；高频感应加热表面淬火后（淬硬深度0.5—2mm）齿面组织为回

火马氏体（可达到硬化层61.0-1.2mm、硬度58-621IRC）。

7.在20Cr、40Cr、GCr9>50CrV等钢中，含铭量都小于1.5%,问铝在钢中的存在形式、钢

的性能、热处理及用途上是否相同？为什么？

答：含铭量都小于1.5乐铭在钢中的存在形式一是形成合金铁素体产生固熔强化（含铝量

都W2%）,并提高韧性：二是以合金渗碳休如（Fe,Cr）3c主要形式存在及形成特殊碳化物

如Cr23c6、CrvCs产生弥散强化。

钢的性能：20Cr属于低淬透性合金渗碳钢，其心部具有良好的韧性、渗碳层具有高的

强度和塑性及耐磨性；40Cr属于低淬透性合金调质钢，具有较高的综合力学性能，即强度、

硬度塑性、韧性有良好的配合；GCr9属于滚动轴承钢，淬透性高、接触疲劳抗力与耐磨性

高；50CrV属于合金弹簧钢，弹性极限高、屈强比与疲劳强度也较高、淬透性更高。

热处理：200采用预先热处理（正火）及最终热处理（在渗碳后进行直接淬火或一次

淬火及180—200C低温回火）、组织为回火低碳M；40Cr采用预先热处理（正火）及最终热

处理（调质）、组织为回火S；GCr9采用预先热处理（球化退火）及最终热处理（淬火与低

温回火）、组织为回火M；50CrV采用淬火和中温回火、组织为回火T。

用途；20Cr常用于制造受力不太大且不需要很高强度的耐磨零件；40Cr常用于制造中等截

面的承受很大变动载荷或各种复合应力的零件的调质工作；GCr9常用于制造中小型轴承外,

有时也用它制造形状复杂的刃具、冷冲模、精密量具、冷轧轮及某些精密零件；50CrV常用

作大截面的承受应力较高或工作温度低于400C的弹簧。

8.结构钢能否用来制造工具？工具钢能否用来制造机器零件？举例说明。

答：结构钢包括碳素结构钠、低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢及合金结构钢（渗碳钢、

调质钢）、弹簧钢、滚动轴承钢、低淬透性含钛优质碳素结构钢、易切削结构钢、冷冲压用

钢，工具钢包括刃具钢（碳素工具钢含碳量为0.65T.35%、合金刃具钢、高速钢），模具钢

（冷作模具钢、热作模具钢）、量具钢。

有时结构钢能用来制造工具，如滚动轴承钢GCrl5与低珞工具钢相似，所以有时也用它

制造形状复杂的刃具、冷冲模、精密量具、冷轧辑及某些精密零件；优质碳素结构钢45钢

与合金结构钢40Cr加工性好、价廉且热处理后具有较高的强度和韧性，但淬透性较差，可

用于制造复杂小型的塑料模具；15、20渗碳钢及55、65、60Mn>65Mn钢可用来制造形状简

单、尺寸较小、精度要求不高的量具。

有时工具钢能用来制造机器零件，冷作模具钢9Mn2V常用来制造磨床主轴、精密淬硬丝

杠等重要零件。

13.解释下列现象：

（1）在含碳量相同情况下，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高，保温时间长。

答：大多数合金元素（除银、钻外）都减缓奥氏体化的过程，为了得到比较均匀的、含有足

够数量合金元素的奥氏体，充分发挥合金元素的作用。所以，在含碳量相同情况下，大多数

合金钢的热处理加热温度都比碳钢高，保温时间长。

（2）C=0.4%、Cr=12%的珞钢为过共析钢,C=1.5%>Cr=12%的铝钢为莱氏体钢。

答：铭属于缩小奥氏体区的元素，使S、E点向左上方移动，E点左移，使出现莱氏体的含

碳量降低，由P141图7-3可以看出，C=0.4%、Cr=12%的铝钢为过共析钢,C=1.5%、Cr=12%

的格钢为莱氏体钢。

（3）高速钢在热轧或热锻后空冷，能获得M组织。

答：高速钢中含碳量为0.75-1.6%,含有大量的鸨、铝、铝、钿等碳化物形成元素，其中格

元素含量为4%,极大地提高了钢的淬透性，使高速钢空冷也能形成马氏体。所以，高速钢

在热轧或热锻后空冷，能获得M组织。

（4）在砂轮上磨制各种钢制刀具时，需经常用水冷却，而磨硬质合金制成的工具时，却不

需用水冷。

答：水在钢制刀具表面能起到冷却的作用，而磨硬质合金为粉末冶金材料存在很多微观空隙

水被吸附在内部不能起到冷却的作用。

15.归纳对比各类合金的特点。

（1）低合金高强度结构钢，成分特点C0.1—0.2%,常用牌号举例Q295—460,热处理方法

正火，热处理后组织F+P,主要性能为具有良好的塑性与韧性及焊接性、较好的耐蚀性，用

途在桥梁、船舶、高压容器、石油化工、农业机械中应用广泛。

（2）渗碳钢，成分特点C0.1-0.2%,常用牌号举例15、20、20Cr,热处理方法预先热处理为

正火，最终热处理为渗碳后进行直接淬火或•次淬火及180-200C低温回火，热处理后表面

组织低碳M、心部组织为伪共析P,主要性能为综合力学性能高、即表面硬而耐磨，心部具

有良好的塑性与韧性，用途如传递动力的轴，重要螺栓等。

（3）调质钢，成分特点C0.25—0.5%,常用牌号举例45、40Cr,热处理方法预先热处理

为正火、最终热处理为调质处理，热处理后组织为回火S,主要性能为综合力学性能高即强

度、硬度、塑性、韧性有良好的配合，用途如机器中传递动力的轴、连杆、齿轮等。

（4）冷冲压钢，成分特点CV0.2—0.3%,常用牌号举例10、08F,热处理方法为热轧状态,

热轧后组织为E主要性能为冲压性能好，用途用来制造各种冷冲压零件。

（5）弹簧钢，成分特点为碳素弹簧钢C0.1-0.2%,合金弹簧钢C0.45-0.7%,常用牌号举例60、

65、60Mn、65Mn,热处理方法为淬火及中温回火，热处理后组织回火T,主要性能为具有高

的弹性极限与疲劳强度，用途用来制造各种弹簧。

（6）滚动轴承钢，成分特点为C0.95—1.15%,常用牌号举例GCH5,热处理方法预先热处

理为球化退火、最终热处理为淬火及低温回火，热处理后组织回火M,主要性能为具有高

的接触疲劳抗力、高的硬度、耐磨性及一定的韧性，用途用来制造各种滚动轴承。

（7）合金刃具钢，成分特点为0.75-1.5%,常用牌号建例9SiCr,热处理方法预先热处理

为球化退火、最终热处理为淬火及低温回火，热处理后组织细I可火M+粒状合金碳化物+少

量残余A,主要性能为具有较高的淬透性、较小的淬火变形、较高的红硬性、较高的强度与

耐磨性，用途用来制造各种车刀、刨刀、钻头、较刀、丝锥、板牙等。

（8）高速工具钢，成分特点为C0.75—1.6%,常用牌号举例W18O4V,热处理方法预先热处

理为等温球化退化、最终热处理为1280c淬火及560℃三次回火，热处理后组织极细的回火

M+较多的粒状合金碳化物+少量残余A,主要性能为具有较高的红硬性、较高的强度及耐磨

性与韧性，用途用来制造各种军刀、刨刀、钻头、较刀、丝锥、板牙、铳刀、插齿刀等。

（9）热作模具钢，成分特点为C0.3—0.6%,常用牌号举例5crMnMo,热处理方法预先热

处理为退火、最终热处理为淬火及回火，热处理后组织回火T、S,主要性能为具有较好的

热疲劳抗力、较高的硬度，用途用来制造各种热锻模、压造模等。

（10）冷作模具钢，成分特点为CH2型1.45—2.3%,常用牌号举例512,热处理方法预先

热处理为退火、最终热处理为淬火及回火，热处理后组织回火M+碳化物+残余A,主要性

能为具有高耐磨、而淬透性、变形量小、强度与韧性都较好，用途用来制造各种冷冲模等。

（11）量具钢，常用牌号举例GCH5、9SiCr、CrWMn、15、20、55、65、65Mn、T10A、

T12A、7Crl7,热处理方法预先热处理为球化退火、最终热处理为淬火及低温回火，热处理

后组织回火M,主要性能为具有较高硬度、高耐磨、高的尺寸稳定性，用途用来制造各种

热量具等。

16.判断下列说法是否正确？

（1）40Mn是合金结构钢。错，40Mn应该是优质碳素结构钢。

（2）Q235A是优质碳素结构钢。错，、Q235A应该是碳素结构钢。

（3）GCrl5钢中格的质显分数为15%。错GCrl5钏中铝的质量分数应该是1.5%<

（4）1CH3钢中C=l%。错，1CH3钢中应该是C=0.1%。

（5）W18Cr4V钢中C21%。错,W18Cr4V钢中应该是C=0.8・0.9%

第八章铸铁

1.为什么铸造生产中，化学成分具有三低（碳、硅、锌）一高（硫）特点的铸铁易形成白口？

为什么在同一铸铁件中，往往在其表层或薄壁处易形成白口？

答：（1）因为碳和硅是强烈促进石墨化的元素，硫是强烈阻止石墨化的元素，锌与硫形成硫

化钵后能减弱硫对石墨化的阻止作用；如果碳、硅、钵含量低而硫含量高时，碳将不以石墨

形式析出而是以渗碳体形式析出，所以化学成分具有三低（碳、硅、锦）•高（硫）特点的

铸铁易形成白口。

（2）因为在化学成分相同的情况下，铸铁结晶时，厚壁处冷却速度慢，有利于石墨化过

程的进行，表层或薄壁处冷却速度快，不利丁石墨化过程的进行；所以在同一铸铁件中，往

往在其表层或薄壁处易成白口。

2.在灰铸铁中，为什么含碳量与含硅量越高时，铸铁的抗拉强度越低？

答：因为碳和硅是强烈促进石墨化的元素，含碳量与含硅量越高时.，灰铸铁中析出的片状石

墨越多；而片状石墨的强度、塑性、韧性几乎为零，它不仅割断了基体的连续性，而且在其

尖端处导致应力集中；石墨片越多对基体的割裂作用和应力集中现象越严重，铸铁的抗拉强

度越低。

4、铸铁的抗拉强度的高低主要取决于什么？硬度的高低主要取决于什么？用哪些方法可提

高铸铁的抗拉强度和硬度？铸铁的抗拉强度高时硬度是否也一定高？为什么？

答；铸铁的抗拉强度的高低主要取决于石墨的形状和数昌:；铸铁硬度的高低主要取决于基体

组织；提高铸铁的抗拉强度和硬度方法，一是控制化学成分获得珠光体基体组织，一是通过

孕育处理或球化处理来改变石墨形态。铸铁的抗拉强度高时硬度不一定高，因为铸铁的抗拉

强度的高低主要取决于石墨的形状和数量，而铸铁硬度的高低主要取决于基体组织。

5、比较HT150和退火状态的20号钢。

（1）成分：HTI50C2.7—3.6%>Sil—2.5%、Mn0.5一1.3%、P<0.3%、S<0.I5%,退火状

态的20号钢CO.17—0.24%、SiO.17—0.37%.Mn0.35—0.65%、PVO.O35%、SV0.035%。

（2）组织：HTI50为P+F+片状G,退火状态的20号钢为F+P。

（3）抗拉强度：HT150远比退火状态的20号钢低。

（4）抗压强度：HT150（C高、珠光体含量多）比退火状态的20号钢高。

（5）硬度：HT150比退火状态的20号钢高。

（6）减摩性：HT150（石墨具有润滑作用）比退火状态的20号钢好。

（7）铸造性能：HT150比退火状态的20号钢好。

（8）锻造性能：HT150出退火状态的20号钢差。

（9）可焊性：HT150比退火状态的20号钢差。

（10）切削加工性:HT150比退火状态的20号钢好。

6、机床的床身、床脚、箱体为什么都采用灰铸铁铸造为宜？能否用钢板焊接制造？将二者

的使用性和经济性作简要的比较。

答：由于铸铁在受振动时，石墨能起缓冲作用，它阻止振动的传播，并把振动能量转为热能,

使灰铸铁减振能力约比钢大10倍，故常用作承受压力和振动的机床的床身、床脚、箱体等

零件。也可以用钢板焊接制造，但减振性能不如灰铸铁好，造价比灰铸铁高。

7、三角试块如P206题7附图，如何根据白口宽度与深度来确定铁液中含碳量与含硅量的

高低？并说明其鉴别原理,

答：对铸件组织的影响（石墨化）的两个主要因素是冷却速度（铸件壁厚）和化学成分（碳

硅当量），三角试块越接近尖部壁厚越薄，表示冷却速度越快，越不利于石墨化；当白口宽

度与深度越小时，说明石墨化效果越好；也就是铁液中含碳量与含硅量越高。

8、HT200、KTH300—06、KTZ55O—04、QT700—2.QT900—2等牌号中数字分别表示什

么性能？具有什么显微组织？这些性能是铸态性能还是热处理后性能？若是热处理后性能

指出其热处理方法。

答；HT200牌号中数字表示最小抗拉强度为200Mpa。其显微组织为P+片状G,其性能为去

应力退火热处理后的的性能。KTH300-06牌号中的数字表示最小抗拉强度值为300Mpa、

伸长率值为6%,其显微组织为F+团絮状G,其性能为可锻化退火热处理后的性能。

KTZ550-04牌号中数字表示最小抗拉强度值为550Mpa,伸长率值为4%,其显微组织P+团

絮状G,其性能为可锻化退火热处理后的性能。QT700-2牌号中数字表示最小抗拉强度值为

700Mpa、伸长率值为2%,其显微组织P+球状G,其性能为去应力退火处理后的性能。

QT900-2牌号中的数字表示最小抗拉强度值为900MPa、伸长率值为2%,其显微组织为B

或回火M+球状G,其性能为去应力退火热处理后的性能。

9.为什么可锻铸铁适宜制造壁厚较薄的零件？而球墨铸铁却不适宜制造壁厚较薄的零件？

答：因为薄壁处由于冷却速度快，易析出渗碳体，易获得白口组织，所以可锻铸铁适宜制造

壁厚较薄的零件。

因为薄壁处由于冷却速度快，而不利于石墨化过程的进行，所以球墨铸铁却不适宜制

造壁厚较薄的零件。

10.归纳对比儿种铸铁的特点。

（1）灰铸铁，牌号表示HT100、HT150、HT200、HT250,显微组织为F+G粗片状、F-P+G

粗片状、P+G粗片状，成分特点（碳当量）C2.7—3.6%，Sil—3%,生产方法的特点控制碳

当量，力学性能强度、塑性、韧性低，工艺性能铸造、减摩、减振、切削性能好、缺口敏感

性低，用途举例常用来制造各种机器的底座、机架、工作台、机身