山东大学工程材料.doc

工程塑料1常见金属的晶格类型有 体心立方、面心立方和密排立方 三种类型。2加工硬化是指随着塑性变形的增加，金属的 强度、 硬度上升而塑性。韧性下降的现象。3碳钢是含碳量 0.02 至 2.14 范围内的铁碳合金，而生铁是含碳大于 2.14 的铁碳合金。4含碳量在0.77%时的铁碳合金在727以上时是奥氏体组织，为面心立方晶格，晶格；727以下时是 珠光体组织，其中铁素体为 体心立方晶格 晶格5热处理是指将固态金属以一定的升温速度加热到既定温度，保温一定时间，再以一定的降温速度冷却的工艺方法。其目的：通过改变钢的组织结构而改善金属零件的使用性能和工艺性能。6工程材料按属性组成特点可分为金属材料、无机非金属材料（或陶瓷）、高分子材料和复合材料7镇静钢和沸腾钢锭的缺陷有 、 、 和 等缺陷。缩孔、疏松、偏析、气泡等8合金钢按钢的合金元素含量分为 、 和 低合金钢、中合金钢和高合金钢90.2 （RP0.2）指的是规定残余延伸应力（或名义屈服极限），是指产生0.2%残余伸长的屈服强度 。10材料的常温强度指标包括抗拉强度、屈服强度和弹性极限，而塑性指标包括延伸率和断面收缩率1 按照溶质原子在溶剂中的位置不同，固溶体分为 间隙固溶体和置换固溶体 。2 工程材料中金属材料主要是金属键结合，陶瓷材料主要是 离子键、共价键、 结合，高分子材料主要是 共价键、范德华键（或分子键结合。3 晶体中的点缺陷有间隙原子、空穴、 ，而线缺陷则有刃型位错、螺旋位错4 区分冷热加工的条件是 ，热加工可以减少金属件的 、 、 、等缺陷，因而可以明显提高金属的力学性能。再结晶温度，疏松、气孔、裂纹（或者偏析、改善杂质分布5 碳钢指含碳量 0.022.14（或2.11）% 的铁碳合金，铸铁的含碳量 2% ，其碳是以石墨形式存在6 退火的目的是 ，淬火的目的是 ，而回火的目的是 和 。获得完全重结晶、细化晶粒、充分扩散、降低硬度、消除残余应力等（至少三项以上）；获得马氏体组织，提高材料强度和硬度；消除内应力、改善组织7 强碳化物形成元素(如Cr) 碳化物的扩散，是 奥氏体区的元素，在 热强钢中能有效地 碳化物的分解，在较高温度下保持钢的强度。阻碍、缩小；珠光体、防止8 按组织结构分，耐蚀高合金钢分为： 、 、 和 。铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢、沉淀硬化不锈钢（至少四项）9工程材料的主要失效形式有： 变形失效、断裂失效、表面损伤失效、失稳失效 。10按晶体结构分类，钛合金可以分为 、 和 三类。型钛合金、型钛合金和+型钛合金1屈服强度指的是材料的在外力作用下开始产生屈服时单位面积所能承受的最大拉伸力2晶体结构主要分为 7 个晶系和 14 种晶格。3工程材料按使用功能可分为结构材料和功能材料两类。4常温下，钢与铸铁的晶粒越细，其机械性能越好，在结晶过程中若加快冷却速度可达到晶粒细化 的目的。5下列铸铁中石墨的存在状态及获取方法是：孕育铸铁 、 ；球墨铸铁 、 ；可锻铸铁 、 。细小的片状，孕育处理；球状，球化处理；团絮状，长时间的退火6写出下列力学指标的符号：抗拉强度 ；布氏硬度 ；断裂韧性 。7钢的室温组织有 铁素体，珠光体，渗碳体。8平衡状态下，含碳量为0.60%的铁碳合金由液态冷至室温的组织转变过程为：液态、液体+奥氏体，奥氏体，奥氏体+铁素体，铁素体+珠光体。9晶核形成有 和 两种方式。均质形核和异质形核10共析钢的室温组织是 ，它是 和 的机械混合物。珠光体，铁素体和渗碳体二、判断题1Q235-A是球墨铸铁。（ ）2制作弹簧的最终热处理工序为调质处理。（ ）3玻璃钢是一种树脂基复合材料。（ ）4表面淬火既可以改变表层金属的组织和性能也可以改变其成分。（ ）5优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，其意义是钢中平均含碳量的千分数。（ ）6在外力的作用下，材料抵抗局部变形、特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。（ ）7为使低碳钢便于切削加工，常预先对其进行退火处理。（ ）8目前，几乎所有的工业均离不开高分子材料。（ ）9碳素钢中的Si含量过多时，可导致钢的冷裂。（ ）10热塑性塑料加工成型过程一般要经过加热塑化、流动成型、冷却固化三个阶段而制得产品。（ ） 1车床床身机件可选用HT200材料制作。 （ ）3优质碳素结构钢一般都要经过热处理后使用，所以其牌号反映出化学成分。 （ ）4碳素工具钢含碳量高，硬度高耐磨，所以使用前可不进行热处理。（ ）5热塑性弹性体与热塑性塑料的主要差异在于具有像橡胶一样的高弹性。 （ ）6n/8定律是指耐蚀高合金钢中铬、镍等较贵重合金元素每升高1/8原子浓度，它的性质将有一个跃升，并且原因是：耐晶间腐蚀性，晶界结合强度提高。（ ）7防止过程装备发生脆性断裂的首要措施是合理选材，尤其是要有足够低的韧脆转变温度等。 （ ） 8脆性断裂的显著特征是塑性变形大、断口灰暗、成纤维状、微观上多为韧窝断裂。（ ）9冲击功是对材料断裂时吸收能量的度量。 （ ）10高分子材料的改性就是设法改变原有的材料的化学组成与结构，改善或提高其性能。（ ）1普通碳素结构钢一般都在供货状态下使用，不做热处理。 （ ）2硅在钢中可以起到强化的作用，所以碳钢中不限制其含量的多少。（ ）3硬度不是金属材料的独立的性能指标（ ）4黄铜是铜锡合金。（ ）6高分子材料是由相对分子质量104以上的化合物构成的材料。 （ ）7环氧树脂是一种热塑性树脂。（ ）8陶瓷材料的主要结合键是金属键和离子键（ ）9树脂基复合材料是应用最广的一类复合材料。 （ ）10在冷或热状态下的压力作用下，材料产生塑性变形的能力叫压力加工性能。 （ ）三、解词1复合材料 答：两种以上具有不同性能的材料通过人工复合制备的一种固体材料。2固溶强化 答：固溶体中，溶质原子的存在使晶格产生畸变，增加了位错运动的阻力，金属的滑移变形比较困难，其塑性和韧性略有下降，但其强度和硬度随着溶质原子的浓度的增加而提高，在工程上就被称为固溶强化。3异质形核 答：金属原子依附于固态杂质微粒的表面形成晶核为异质晶核。4铸造性能 答：指金属材料是否适合于铸造及所铸构件质量的好坏。1.过冷度 答：理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。2.固溶体 答：当合金组元之间以不同比例相互混合后，若所形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种相称为固溶体。3贝氏体 答：在550Ms温度区域内，奥氏体转变形成碳过饱和的铁素体和细小碳化物的混合物，称为贝氏体。4玻璃钢 答：以合成树脂为粘结剂，玻璃纤维及其制品为增强材料而制成的复合材料，即为玻璃钢。1韧性断裂 答：材料在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂2沸腾钢 答：在炼钢时仅使用Mn脱氧的钢，含氧量高，钢液凝固时碳和氧反应生成大量一氧化碳析出，钢液出现沸腾现象，因此得名3细晶强化 答：一般来说，同一成分的金属，晶粒越细，其强度、硬度越高，而且塑性和韧性也越好。用细化晶粒来提高金属强度的方法称为细晶强化4高分子合金 答：是指将两种或两种以上聚合物通过物理或化学的方法混合而形成的宏观上均匀、连续多组分聚合物，由于这种聚合物共混物的结构和性能特征很像金属合金，所以称为高分子合金。四、问答题 1什么是材料的韧性断裂和脆性断裂？其原因和典型特点是什么？ 答：韧性断裂是材料在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂。往往是因材料受到较大的载荷或过载所引起。断裂前塑性变形明显，一般容易引起人们的注意，同时外载荷所提供的能量大多被材料的塑性变形所消耗，不会造成严重事故。脆性断裂是材料在断裂前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂。产生脆性断裂的原因 a 应力状态与应力集中源（缺口效应）；b 低温脆性，低温是很多脆断事故发生的条件。工程上大量使用的碳素钢、低合金钢及高合金钢，都有低温脆性，其他原因还有焊接质量、介质特性、尺寸效应等。脆性断裂是一个快速断裂过程，往往造成灾难性结果。2金属产生加工硬化的原因是什么？加工硬化对生产有何利与弊？有何办法来消除不利的影响？ 答：金属产生加工硬化的原因主要是在冷塑性变形过程中，随着变形的增加，晶粒逐渐被拉长，直至破碎，这样使各晶粒都破碎成细碎的亚晶粒，变形愈大，晶粒破碎的程度愈大，这使位错密度显著增加；同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长。因此，随着变形量的增加，由于晶粒破碎和位错密度的增加，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬化”现象。 有利的方面：加工硬化是强化金属的重要方法之一，可使金属的变形均匀。 不利的方面：加工硬化给金属的进一步塑性变形带来困难。 可以用再结晶退火处理来消除加工硬化的不利影响。3何谓正火？其目的有哪些？ 答：正火是将钢加热到AC3(或Accm )以上30-50，保温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺。正火处理的目的有：（1）作为预备热处理，使组织粗大的铸件和锻件达到组织均匀、细化，为淬火和调质作准备；（2）作为最终热处理，提高钢的强度、韧性和硬度，对于力学性能要求不高的普通结构钢件，可在正火状态下使用。（3）低碳钢退火后塑性和韧性太高，切削时难断屑，光洁度不高。正火可以获得适当硬度，改善低碳钢和低合金钢的切削性能。4金属结晶时，液体的冷却速度如何影响固体金属的强度？进行细晶强化的措施有哪些？ 答：一般来说，同一成分的金属，晶粒越细，其强度、硬度越高，而且塑性和韧性也越好。 金属结晶时冷却速度愈快，实际的结晶温度就愈低，过冷度愈大。由金属的凝固理论，随着过冷度的增大，形核率将增大，晶粒变细。进行细晶强化的措施主要有：（1）提高冷却速度，增大过冷度；（2）变质处理；（3）振动结晶。四、问答题 1何谓同素异构转变？给出铁的同素异构转变过程答：同一金属元素在固态下由于温度的改变而发生晶体结构类型变化的现象称为金属的同素异构转变。纯铁在1538进行结晶，得到具有体心立方晶体结构-Fe。在1394时发生同素异构转变，由体心立方晶体结构的-Fe转变为面心立方晶体结构的- Fe。温度进一步降低到9l2时，面心立方晶体结构的- Fe又转变为体心立方晶体结构的- Fe，9l2以下不再发生转变。2分析并举例（比如轴类）说明如何选择零部件用钢。答：以轴类零件为例进行选材。首先进行工况分析。轴类零件支持机器中回转件并传递运动和动力，可能承受扭转、拉伸、弯曲、压缩及复合载荷等各种类型载荷；轴颈、支承等部位承受局部载荷；连接动密封部位有摩擦磨损，轴会受到一定程度的过载或冲击载荷作用。然后分析轴类零件的失效形式。疲劳断裂是最常见类型，疲劳裂纹萌生于局部应力最高部位，其次过度磨损可能会发生于轴相对运动的表面，此外过量弯曲，扭转变形，振动或腐蚀失效。由以上分析得出对材料性能的要求，具有高的强度、足够的刚度及良好的韧性，以防止断裂及过量变形；具有高的疲劳极限，防止疲劳断裂；产生磨擦的部位，应具有较高硬度和耐磨性；具有一定淬透性，保证轴有R的淬硬层深度最后考虑经济性因素进行选材，轻载、低速、不重要的轴，可选用Q235、Q255、Q275等普通碳钢，这类钢通常不进行热处理。中等载荷且精度要求不高的轴类零件，常选用35、40、45、50等优质碳素结构钢，尤以45钢应用最多。较大载荷或精度要求高的轴，以及处于高、低温等恶劣条件下工作的轴，应选用合金钢。比如20Cr、40MnB等。3分析下列牌号钢铁材料的种类、含碳量及主要合金元素含量、用途及常用的最终热处理工艺。（15分）Q235-AF、20CrMnTi、45、40Cr、GCr15、60Si2Mn、65答：Q235-A.F，普通碳素结构钢，其屈服点为235MPa，属沸腾钢、质量等级为A级，这种钢使用时一般不进行热处理。可用于桥梁、建筑物等构件，也可用于制造受力不大的零件。20CrMnTi：含碳量0.2%、含Cr、Mn、Ti都在1%左右的低合金结构钢，可用作渗碳钢件，齿轮、轴、蜗杆、活塞销、摩擦轮汽车、拖拉机上的变速箱齿轮；最终热处理为渗碳+淬火+低温回火。45：为优质碳素结构钢，其含碳量0.45%，用来制造蒸汽轮机、压缩机、泵的运动零件，为改善其力学性能一般进行正火、调质处理，如需提高表面硬度（如轴类零件）还可进行表面淬火+低温回火处理。40Cr：含碳量0.4、含Cr在1%左右的合金调质钢，用作重要的轴类件、连杆螺栓、进气阀和重要齿轮等，最终热处理方法：调质处理。GCr15：含碳质量分数约1.0、铬质量分数约1.5%的滚动轴承钢，用作轴承的滚珠、滚柱和滚针，最终热处理方法：淬火+低温回火。65：为优质碳素结构钢，其含碳量0.65%，主要用于制造气门弹簧、弹簧圈、各种垫圈、凸轮及钢丝绳等，最终热处理方法常采用淬火+中温回火。60Si2Mn：含碳量0.6%、含Si2%左右、Mn在1%左右的合金弹簧钢，主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧, 最终热处理方法常采用淬火+中温回火。4什么是锡青铜？为什么工业用锡青铜的含锡量为314%？答：以锡为主要合金元素的铜基合金称锡青铜。锡青铜的力学性能与其含锡量直接有关。当含锡量约小于5%6%的范围，其抗拉强度与延伸率随锡含量增加而增大；当含锡量大于5%6%时，由于出现相，其抗拉强度急剧上升，但塑性却迅速下降；当含锡量大于20%时，强度与延伸率均急速下降，因此，工业用锡青铜的含锡量为314%。四、分析题1在铁-渗碳体状态图上标注A1、Ac1、Ar1、A3、Ac3、Ar3、Acm、Accm、Arcm线，并标注出完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、扩散退火、正火在图中的位置。并简单说明这些热处理的原理。完全退火完全重结晶，细化晶粒，降低硬度。等温退火升温到奥氏体区，快速冷却至珠光体区，保温一段时间，使奥氏体转变成为珠光体，目的同完全退火，便于控制。球化退火使二次渗碳体和珠光体中的渗碳体球化，降低硬度，改善切削性能，为淬火准备。扩散退火使碳和合金元素充分扩散，消除偏析，减少钢锭、铸件和锻件中的组织不均匀性。正火升温至奥氏体区，较快速度冷却，得索氏体组织，强度和硬度略有提高。去应力退火用于消除材料中的残余应力，恢复材料的综合性能。2与冷加工相比，热加工给金属件带来的益处有哪些？答：在再结晶温度以上进行的塑性变形称为热变形。金属（1）通过热加工，可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得以提高;（2）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，机械性能提高；（3）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变，使它们沿着变形的方向拉长，形成热压力加工“纤维组织”（流线），使纵向的强度、塑性和韧性显著大于横向。如果合理利用热加工流线，尽量使流线与零件工作时承受的最大拉应力方向一致，而与外加切应力或冲击力相垂直，可提高零件使用寿命。3指出06C