工程材料课后习题(1)

1、2、 试分析说明铁素体钢、奥氏体钢、莱氏体钢的形成原因。答：某些合金元素的加入会是奥氏体区缩小，特别是Cr、Si含量高时将限制奥氏体区，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。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、A2、Acm线将至室温一下，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。大部分合金元素可使Fe-Fe3C相图中E点左移，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。3、 试根据合金元素与碳的相互作用进行

2、分类，并指出：（1） 哪些元素是碳化物形成元素？哪些是非碳化物形成元素？Ti、V、Cr、Mo、W、Mn、Zr、Nb;Co、Ni、Cu、B、Al、Si（2） 哪些元素为弱碳化合物形成元素？性能特点如何？Mn除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，几乎都溶于铁素土和奥氏体中（3） 哪些元素为强碳化物形成元素？性能特点如何？答：Ti、V、Zr、Nb；和碳有极强的亲和力，只要有足够的碳，在适当的条件下，节能形成他们自己特殊的碳化物，仅在缺少碳的情况下，才以原子状态溶于固溶体中。（4） 何为合金渗碳体，与渗碳体相比，其性能如何？合金元素溶于渗碳体中即为合金渗碳体。铁原子可以被其他金属原子所置换，形成以 间

3、隙化合物为基体的固溶体，一般把它们称为合金渗碳体。5、合金元素提高钢挥霍稳定性的原因是什么？常用以提高回火稳定性的回火稳定性的合金元素有哪些？答是指钢对回火时发生软化过程的抵抗能力。由于合金元素强碳化物形成元素能使铁、碳原子扩散速度减慢，使淬火钢回火加热时马氏体不易分解，析出的碳化物也不易聚集长大，保持一种较细小、分散的组织状态，。合金元素在回火过程中推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变（即在较高温度才开始分解和转变）;提高铁元素的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度，从而使钢的硬度随回火温度的升高而下降的程度减弱，即提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。6、分析碳及合

4、金元素在低合金高强度钢中的作用，提高低合金高强度钢韧性的途径是什么？答：（1）碳的质量分数一般低于0.2%，以保证良好的焊接性、冷成型性和低温韧性；（2） 合金元素以Mn为主（国外以Cr、Ni为主），锰的质量分数最高可达1.8%，并辅以少量的V、Ti、Mo、Nb、B等元素。合金元素主要作用是强化铁素体，细化铁素体晶粒，使钢的强度与韧性都得到改善；（3） 长加入少量的P、Cu元素以提高钢的耐大气腐蚀能力；（4） 部分钢中加入少量的稀土元素，以减少钢中有害杂质的影响，改善夹杂物的形状和分布，从而提高钢的工艺性能和机械性能；（5） 对S、P的质量分数要求不太高，可使用平炉或转炉生产，十分经济。途径：

5、第313页最后七行8、有哪些合金元素强烈阻止奥氏体晶粒长大？阻止奥氏体晶粒长大有什么意义？答：所有的合金元素（Mn、P、N、C除外）都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，但作用的强弱程度有所不同。一些强碳化物形成元素，如Ti、Nb、V、Zr等都有强烈阻止奥氏体晶粒长大的作用。（好处）：能够细化晶粒，从而使钢具有良好的强韧度配合，提高了钢的综合力学性能9、就合金元素对铁素体力学性能、碳化物形成倾向、奥氏体晶粒长大倾向、淬透性、回火稳定性和回火脆性等几个方面总结下列元素的作用：Si、Mn、Cr、Mo、W、V、Ni。答：Si：Si是铁素体形成元素，固溶强化效果显著；（强度增加，韧性减小）Si是非碳化物形成元

6、素，钢中的碳活度，所以含Si钢的脱C倾向和石墨化倾向较大；Si量少时，如果以化合物形式存在，则阻止奥氏体晶粒长大，从而细化A晶粒，同时增大了钢的强度和韧性；Si提高了钢的淬透性，使工件得到均匀而良好的力学性能。在淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。Si提高钢的低温回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢；Si能够防止第一类回火脆性。Mn: Mn强化铁素体，在低合金普通结构钢中固溶强化效果较好；（强度增加，韧性减小）Mn是奥氏体形成元素，促进A晶粒长大，增大钢的过热敏感性；Mn使A等温转变曲线右移，提高钢的淬透性；Mn提高钢的回火稳定性，使相同回火温度下的合金

7、钢的硬度高于碳钢；Mn促进有害元素在晶界上的偏聚，增大钢回火脆性的倾向。Cr：Cr是铁素体形成元素，固溶强化效果显著；（强度增加，韧性减小）Cr是碳化物形成元素，能细化晶粒，改善碳化物的均匀性；Cr阻止相变时碳化物的形核长大，所以提高钢的淬透性；Cr提高回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢；Cr促进杂质原子偏聚，增大回火脆性倾向；Mo:（W类似于Mo）是铁素体形成元素，固溶强化效果显著；（强度增加，韧性减小）是较强碳化物形成元素，所以能细化晶粒，改善碳化物的均匀性，大大提高钢的回火稳定性；阻止奥氏体晶粒长大，细化A晶粒，同时增大了钢的强度和韧性；能提高钢的淬透性，使工件得到均匀而

8、良好的力学性能。在淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。能有效地抑制有害元素的偏聚，是消除或减轻钢第二类回火脆性的有效元素。V:（Ti、Nb类似于V）是铁素体形成元素，固溶强化效果显著；（强度增加，韧性减小）是强碳化物形成元素，形成的VC质点稳定性好，弥散分布，能有效提高钢的热强性和回火稳定性；阻止A晶粒长大的作用显著，细化晶粒，同时增大了钢的强度和韧性；提高钢的淬透性，消除回火脆性。Ni:是奥氏体形成元素，促进晶粒长大，增大钢的过热敏感性；（强度增加，韧性增加）是非碳化物形成元素，增大钢中的碳活度，所以含Ni钢的脱C倾向和石墨化倾向较大；对晶粒长大的影响不大；能提高钢

9、的淬透性，使工件得到均匀而良好的力学性能。在淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。提高回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢；促进钢中有害元素的偏聚，增大钢的回火脆性。总结： 10、 根据合金元素在钢中的作用，从淬透性、回火稳定性、奥氏体晶粒长大倾向、韧性、回火稳定性和回火脆性等方面比较下列钢号的性能：40Cr、40CrMn、40CrNi、40CrNiMo 答：因为Cr能够提高钢的淬透性、回火稳定性，中等程度阻碍A晶粒长大。能细化晶粒，提高韧性，同时他也可以增加钢的第二类回火脆性 Ni 能够提高钢的淬透性、韧性，增加钢的第二类回火脆性。同时他是非碳化合物形成

10、元素，不能阻止奥氏体晶粒长大，对回火稳定性影响也不大。 Mn 能够提高钢的淬透性、回火稳定性。同时他是弱碳化合物形成元素，能促进奥氏体晶粒长大，会增加第二类回火脆性。固溶强化效应大，韧性差。 Mo 能够提高钢的淬透性、回火稳定性。细化晶粒，提高韧性，同时他也中等程度的阻碍了奥氏体的长大，抑制回火脆性。 所40Cr、40CrMn、40CrNi、40CrNiMo中，淬透性最好的是40CrNiMo，其次是40CrMn、40CrN，最差的是40Cr。回火稳定性最好的是40CrNiMo，其次是40Cr、40CrMn、40CrNi。奥氏体晶粒最大的是40CrMn，40Cr、40CrNi大小适中，、40Cr

11、NiMo最小。韧性最好的是40CrNiMo，然后是40CrNi、40Cr，40CrMn最差。回火脆性最强的是40CrMn、40CrNi，40Cr和40CrNiMo不是很明显。12、机器零件用钢和构件用钢对使用性能和工艺性能上的要求有何不同？答：机械零件永刚要求有较高的强度或较好的韧性，零件在整个截面上有均匀良好的综合机械性能，构件用钢由于工作表面承受很强烈的摩擦磨损，以及交变应力作用，要求具有很高的耐磨性跟耐疲劳性能。同时又经常承受较高的载荷，所以心部要求具有很高的强度和适当的韧性。 工艺性能上： 构件零件用钢要使其表面获得高的硬度和耐磨性，我们可以对零件进行渗碳处理，渗碳后进行淬火+低温回火

12、热处理，渗碳前要进行正火预备热处理 机器零件也要进行预备热处理，预备热处理的方法可采用退火，正火或正火+高温回火。随后进行调质处理。即淬火+高温回火，消除内应力。增加韧性，调整强度，获得良好的综合力学性能。21、通过对45钢和40Cr钢的性能分析，说明化学成分对钢的性能、热处理工艺的影响。 答：性能 45钢小截面零件调质后具有良好的综合力学性能，水淬是容易开裂，40Cr钢调质后具有良好的综合力学性能，由于加入了Cr元素，提高了钢的淬透性，使钢的强度提高，热处理：45钢在调质处理后淬火温度在一定范围内，而加入合金元素后，如40Cr钢在进行淬火时，淬火温度必须按照规定的温度加热，一般采用水淬；如4

13、0Cr钢淬火温度为500度，且淬火介质应该根据零件的尺寸大小及钢的淬透性高低来选择，一般采用油淬。 17、比较热作模具钢和合金调质钢的合金化和热处理特点，并分析合金元素作用的异同。答：合金调质钢中加入元素为Cr、Mn、Si、Ni，它们大多溶于铁素体，使铁素体强化，并且提高了钢的淬透性；热作磨具钢主要加入元素为Cr、Mn、Mo、Ni，合金元素作用主要是为了强化铁素体，提高钢的淬透性，热处理是合金调质钢锻造后要进行正火，退火或正火+高温回火的预备热处理，便于机加工。为随后调质处理组织做准备，热作磨具钢，锻造后要进行退火处理，便于后面的机加工，随后进行淬火+高温回火的调质热处理。所以，这两种钢合金作

14、用相同点为：合金元素都能强化铁素体，提高淬透性；热处理是在锻造后都要进行预备热处理过程不同，合金调质钢为正火，退火或正火+高温回火，而热作磨具钢则需要退火。27、今有以拖拉机曲轴，根据其工作条件如何选材？其热处理工艺如何制定？答:由于轴是机器中的重要零部件，在其工作是要承受较大的载荷，且该轴的制造截面又较大，所以要求轴具有较高的强度和韧性，在整个截面上，力学性能良好，均匀。所以对该曲轴我们选用合金调质钢中的4CrNi；热处理如下：下料-锻造-退火（或正火）-机加工-调质-机加工-装配 退火或正火作为预备热处理，其主要目的是为了改善锻造组织、细化晶粒，有利于切削加工，并为随后的调质热处理做好组织

15、准备。调制热处理-淬火，油淬，获得马氏体。回火 水冷（防止第二类回火脆性）。经调质后金相组织为回火索氏体。26、为什么硬质合金采用粉末冶金生产？YG8、YT30的成分和用途有何不同？答：粉末冶金是用金属粉末或非金属粉末的混合物作原料，经压制成型后烧结，以获得金属零件和金属材料的方法。它可以生产其他工艺无法制造或难以制造的零件或材料。硬质合金原料为高硬度、高熔点的碳化物粉末和粘结剂，所以可以用粉末冶金生产YG8：成分为Co 8%、Wc 92%的钨钴类硬质合金，有较高的强度和韧性，一般都用与粗加工及加工表面比较粗糙的工件。 YT30:成分为含TiC 30%，Wo和Co70%的钨钴钛类硬质合金，有较

16、高的硬度和较好的耐磨性及热硬性，一般用于高速切削及精加工。 第十章1、 按石墨化程度分类： 白口铸铁 第一、第二、第三石墨化过程全被抑制，完全按照铁碳相图进行结晶，其中的碳几乎全部以渗碳体的形式存在。断口呈现银白色。组织中含有大量的莱氏体，性能硬而脆。切削加工性能差。除少数用来制造不需要加工的硬度高、耐磨零件之外，主要用于炼钢原料。 灰口铸铁 第一、第二石墨化充分而得到的铸铁，第三部分部分完成。其中碳主要以石墨的形式存在。断口呈现暗灰色，故称灰口铸铁或灰铸铁，是工业上运用最多的铸铁。 麻口铸铁 第一阶段石墨化过程部分进行得到的铸铁，其中一部分碳以石墨化的形式存在，另一部分以渗碳体的形式存在。（

17、G+Fe3C）组织介于灰口与白口之间断口呈黑白相间构成麻点。性能硬而脆，切削加工性能差。工业上少用。 2、 按石墨形态分类： 灰铸铁 组织中石墨呈片状。力学性能差，生产工艺简单，价格低。运用广。（加入硅钙或硅铁等孕育剂得到孕育铸铁）优良的铸造性能、优良的耐磨性和消震性、较低的缺口敏感性（本身存在很多小缺口）、抗压不抗拉。 可锻铸铁 KT 组织中石墨呈团絮状，力学性能好于灰铸铁，（强度好于灰铸铁，具有一定塑性、韧性）生产工艺复杂，成本高。用来制造重要的小型铸件。（生产工艺：将白口铸铁长时间退火，使渗碳体分解，由于石墨数量较少，可形成团絮状分布在金属基体中，形成可锻铸铁）不可锻 球墨铸铁 QT 组

18、织中石墨呈球状，生产工艺好于可锻铸铁，力学性能好，广泛应用。（加入纯镁或稀土镁合金，阻止结晶时片状石墨析出，促进球状石墨生成，得到球墨铸铁）组织有F+G、F+P+G、P+G。 蠕墨铸铁 组织中石墨呈现短小的蠕虫状，强度介于灰铸铁与可锻铸铁之间，铸造性跟耐疲劳性比球墨铸铁好，此外铸造性能跟减震能力优于球墨铸铁。可以用来制造大型复杂铸件，以及在较大温度梯度下工作的铸件。（铁水加入稀土硅铁、稀土镁钛等稀土合金进行适当处理，使石墨呈蠕虫状，形成蠕墨铸铁）三、铸铁组织中影响石墨化的因素答：（1）冷却速度对石墨化过程的影响：冷却速度越慢，越有利于石墨化。 （2）铸铁中最常见的合金元素有：C、Si、Mn、P

19、、S五大元素。它们对铸铁的石墨化过程和组织均有较大影响。 C、Si：强烈促进石墨化，调整其含量可控制铸铁的组织和性能。 Mn、Si：阻碍石墨化：Mn溶于Fe3C中，增加Fe与C的结合力，从而阻止石墨化；少量的S就能形成FeS或MnS，以FeS-Fe共晶形式分布于晶界，阻碍C原子扩散，S还降低铁水的流动性，恶化铸件性能。P:能促进石墨化，但作用较小。四、其他铸铁：1耐磨铸铁 : 高磷铸铁 高铬铸铁 P356 2耐热铸铁 P356 3耐蚀铸铁 P35728、汽车变速齿轮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：变速箱齿轮材料 ：

20、 20CrMnTi 采用的最终热处理工艺为：先渗碳，使表面碳含量增加，心部仍维持低的含碳量，保持心部较高的强度和冲击韧性；渗碳之后进行淬火和低温回火，使轮齿表面硬度达到高硬度要求，心部仍维持较低的硬度 。29、奥氏体型不锈钢的主要优缺点是什么？ 18%Cr、8%Ni常温下组织（奥氏体+Cr23C6） 答：铬镍奥氏体不锈钢具有良好的韧性、塑性、焊接性以及抗腐蚀性能，在氧化性介质中或还原性介质中均有良好的耐腐蚀性。故广泛应用。 其主要缺点在于贵重合金元素Ni含量较多，同时在含硫的气氛中容易损坏，切削加工性能差。P33934、什么是孕育铸铁？它与普通灰铸铁有什么区别？如何进行孕育处理？ P347 P

21、350 答：经孕育处理后的铸铁称为孕育铸铁。如果在浇注前往铁水中加入少量的硅铁或硅钙等孕育剂，进行孕育处理。促进石墨的非自发形核，可使灰铸铁粗片状石墨细化，形成孕育铸铁。 为了细化灰铸铁的组织，提高铸铁的力学性能，通常在碳、硅含量低的灰铸铁铁水中加入孕育剂进行孕育处理。 孕育铸铁的金相组织为细密的珠光体基体上，均与分布着细小的石墨片，故强度高于灰铸铁。另外，由于铁水中均匀分布大量人工晶核，结晶几乎在整个铁水中同时进行。所以孕育铸铁的组织和性能比较均匀一致，因此孕育铸铁的断面敏感性小。35、在铸铁石墨化的过程中，如果第一阶段、第二阶段都完全石墨化，第三阶段或完全石墨化，或未石墨化，或部分石墨化，

22、问他们各得到什么组织？ 答：铸铁中石墨化的形态主要是由第一阶段石墨化所控制的。 第一阶段：高温 快。共晶得到 Fe3C-G+3Fe 第二阶段：中温 较快。自奥氏体中不断析出 第三阶段：低温 慢 共析得到 36、为什么说球墨铸铁是“以铁代钢”的好材料？其生产工艺如何？ 答：球墨铸铁的力学性能大大高于灰铸铁，并且优于可锻铸铁。它的某些性能接近于钢，如弯曲疲劳强度、耐磨性、抗拉强度。同时，球墨铸铁还保留一些灰铸铁的优点，如优良的铸造性，切削加工性和低的缺口性感性。另外球墨铸铁可以通过热处理大大提高其性能特别是球墨铸铁的屈强比几乎比钢高一倍。在一般机械设计中，材料的许用应力是按照屈服强度来确定的，因此

23、，对于承受静载荷的零件，用球墨铸铁代替铸钢，就可以减轻机器的重量。所以说球墨铸铁是以铁代钢的好材料。生产工艺： （1）严格要求化学成分，对原铁液要求的碳硅含量比灰铸铁高，降低球墨铸铁中锰，磷，硫的含量；（2）铁液出炉温度比灰铸较铁更高，比补偿球化，孕育处理时铁液温度的损失；（3）进行球化处理，即往铁液中添加球化剂；（4）进行孕育处理；（5）球墨铸铁流动性较差，收缩较大，因此需要较高的浇注温度及较大的浇注系统尺寸，多应用冒口，冷铁，采用顺序凝固原则；（6）进行热处理。38、试指出下列铸件应采用的铸铁种类和热处理方式，为什么？（1）机床床身；（2）柴油机曲轴；（3）犁桦；（4）汽车后较盖；（5）热

24、处理箱式炉底板；（6）球磨机衬板。（1）珠光体灰铸铁，消除内应力退火；（2）球墨铸铁，调质处理，因为球墨铸铁经调制处理后，获得回火索氏体和球状石墨组织，硬度为250380HBS，具有良好的综合力学性能；（3）灰铸铁，表面淬火，消除内应力退火；（4）可锻铸铁，石墨化加退火；（5）白口铸铁，淬火加高温回火。热处理工艺例子： （1）40Cr钢连杆螺栓的热处理工艺：下料-锻造-退火(或正火)-机加工(粗加工)-调质-机加工(精加工)-装配 退火：预备热处理,目的主要是为了改善锻造组织,细化晶粒,有利于切削加工,并且为随后的调质热处理做好组织准备 调质热处理：淬火温度加热到830-850之间,油冷,获得

25、马氏体。回火：加热温度为500-550之间水冷（防止第二类回火脆性）。经调质处理后的金相组织为回火索氏体，不允许有块状铁素体出现，否则会降低强度与韧性。 （2）热轧弹簧钢加工工艺：扁钢剪断-加热压弯成型后淬火-中温回火-喷丸-装配 淬火温度为830-880，加热时不允许脱碳，以免降低钢的疲劳强度。因此必须严格控制加热炉的气氛，缩短加热时间。（油冷）在400-550 进行中温回火，获得回火屈氏体。喷丸：使其表面强化，并且使表层产生压应力，这样能明显提高弹簧的疲劳寿命。 （3）滚动轴承的生产工艺：轧制、锻造-预先热处理-机加工-最终热处理-磨削加工-成品。 预先热处理 球化退火：轴承钢为过共析钢，

26、目的是便于切削加工，同时是碳化物呈粒状均匀分布，为淬火做组织准备。 最终热处理 淬火：得到极细的马氏体和较少的剩余奥氏体。 冷处理：（精密滚动轴承）降低奥氏体的量，硬度略有提高，并且增加尺寸稳定。 回火：低温回火，得到回火马氏体 时效：（精密零件）消除内应力，增加尺寸稳定。 （4）9SiCr钢板牙生产工艺：下料-球化退火-机械加工-淬火+低温回火-磨平面-抛槽-开口 球化退火一般采用等温退火 退火后易于机加工 （5）W18Cr4V钢盘型齿轮铣刀的淬火回火工艺：下料-锻造-球化退火-机加工-淬火+三次回火-喷砂-磨削 凝固完成后形成莱氏体，碳化物呈鱼骨状 锻造：使碳化物破碎，并均匀分布。 退火：

27、降低硬度，易于切削。为淬火做组织准备 淬火：1、预热 含有大量合金元素，避免突然加热而产生大量的内应力，从而导致刀具变形或开裂。2、加热温度 温度越高，融入奥氏体的合金元素越多，热硬性越大3、保温时间 根据道具尺寸来定。3、冷却 油冷 回火：三次回火，目的减少残余奥氏体，稳定组织。并且后一次回火消除前一次回火产生的内应力。并产生二次硬化。（二次硬化：一部分碳及合金从奥氏体中析出来，从而降低了残余奥氏体中碳及合金的含量，进而提高了马氏体的转变温度，而使随后冷却的部分残余奥氏体转变为马氏体，使钢的硬度得到提高。）P333峰值原因：W、V的碳化物呈细小分散状从马氏体中析出，提高硬度（弥散强化） 二次

28、硬化（6）20CrMnTi钢制造汽车变速齿轮的工艺路线：下料-锻造-正火-加工齿轮-局部镀铜-渗碳-预热淬火+低温回火-喷丸-磨齿 正火：改善锻造状态下的不正常组织，利于切削加工 淬火：油淬（Cr、Mn提高钢的淬透性） 低温回火：得到回火马氏体，高强度、钢硬度。 喷丸：去除氧化皮，使表面光洁，并且提高疲劳性能。 第十一章1、 铝合金是如何分类的？ P363 答：铝合金常用的合金元素有Si、Mg、Cu、Mn、Zn及稀土元素。这些元素在铝中能形成铝基固溶体。根据合金元素和加工工艺特性，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两种。 （1）变形铝合金：可通过压力加工制成型材，故要求合金应具有良好的塑性变

29、形能力。组织主要是：固溶体，塑性变形能力好，适用于锻造、轧制和挤压。变形铝合金又可分为可热处理强化铝合金和不能热处理强化铝合金，这两类铝合金的理论分界线应该是室温下饱和固溶体的极限溶解度。 （2）铸造铝合金具有良好的铸造性能。铸造铝合金按照其主要元素不同可分为Al-Si、Al-Cu、Al-Zn、Al-Mg等合金系列。事实上，为了提高铝合金的强度和便于热处理强化，铸造铝合金的成分都比较复杂，合金元素种类多，含量较高。2、 铝合金可以通过哪些途径达到强化目的？ P363-P3643、 铝合金的强化热处理原理及工艺操作与钢的强化热处理及工艺操作有什么异同？4、何谓铝硅明？它属于哪一类铝合金？为什么铝硅明具有良好的铸造性能？变质处理前后其组织和性能有何变化？这类铝合金主要用处何在？ 答：铝硅铸造合金又称为铝硅明，由于含硅量为17%附近的铝硅明为共晶成分合金，具有优良的铸造性能