工程材料基础

程材料基础-学习指南是非题（请在正确的题后标出“"”，在错误的题后标出“X”）金属面心立方晶格的致密度比体心立方晶格的致密度高。（t实际金属在不同的方向上性能是不一样的。（F金属的理想晶体的强度比实际晶体的强度高得多。（T金属结晶时，冷却速度越大，则晶粒越细。（T在室温下，金属的晶粒越细，则强度越高和塑性越低。（F金属中的固溶体一般说塑性比较好，而金属化合物的硬度比较高。（T白口铸铁在高温时可以进行锻造加工。（F）不论含碳量高低，马氏体的硬度都很高和脆性都很大。（F合金元素能提高a固溶体的再结晶温度，使钢的回火稳定性增大。（T12.合金的基本相包括固溶体、金属化合物和这两者的机械混合物三大类。（F淬火加热高温回火处理称为调质处理。处理后获得回火索氏体组织，具有综合机械性能好的特点。（T固溶时效处理是铝合金的主要强化手段之。（T马氏体是碳在a-Fe中的过饱和固溶体，由奥氏体直接转变而来，因此，马氏体与转变前的奥氏体的含碳量相同。（T钢中合金元素含量越多，则淬火后钢的硬度越高。（F某钢材加热条件相同时，小件比大件的淬透性好。（F铸铁中的可锻铸铁是可以进行锻造的。（F二、 填空题1、 纯金属常见的晶体结构有（体心立方）、（面心立方）和（密排六方）。金属中常见的点缺陷为（间隙原子。置换原子。空位），线缺陷为（错位），面缺陷为（晶界亚晶界）；工程实践中，通常采用（增加）晶体缺陷数量的方法强化金属。2、 铁素体的强度高于纯铁，是由于发生了（固溶）强化；孕育铸铁的强度高于普通灰口铸铁，是由于发生了（细晶）强化；冷变形钢丝的强度高于退火态钢丝，是由于发生了（变形）强化；珠光体的强度高于铁素体，是由于发生了（第二相）强化。3、 球化退火是使钢中（渗碳体）球状化的退火工艺，主要用于（共析）和（过共析）钢，其目的在于降低硬度，改善（切削加工）性能,并可为后面的（淬火）工序作准备。7、 绝大多数金属的晶体结构都属于（体心立方）、（面心立方）和（密排六方三种典型的紧密结构。8、 液态金属结晶时，过冷度的大小与其冷却速度有关，冷却速度越大，金属的实际结晶温度越（低），此时，过冷度越（大）。9、 （滑移）和（孪生）是金属塑性变形的两种基本方式。10、形变强化是一种非常重要的强化手段，特别是对那些不能用（热处理）方法来进行强化的材料。通过金属的（塑性变形）可使其（强度）、（硬度）显著提高。12、共析碳钢奥氏体化过程包括（奥氏体形核）、（奥氏体长大）、（残余渗碳体溶解）和（奥氏体成分均匀化）。14、 W18Cr4V钢的含碳量是（）；W的主要作用是（）；Cr的主要作用是（提高钢的淬透性）；V的主要作用是（细化晶粒）。15、 指出下列牌号的钢是哪种类型钢（填空）并举出应用实例：（1） 16Mn是（普通低合金钢）钢，可制造（）（2） 20CrMnTi是（合金渗碳钢）钢，可制造（）（3） 40Cr是（合金调质钢）钢，可制造（）（4） 60Si2Mn是（合金弹簧钢）钢，可制造（）三、名词解释2 陶瓷中的晶相和气相3马氏体和铁素体 4冲击韧度和断裂韧度5晶体与多晶体7共晶反应和共析反应8形变强化和固溶强化9点缺陷和线缺陷 10韧性断裂和脆性断裂马氏体：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。铁素体：碳溶于a-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以符号F表示。冲击韧度：表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。冲击韧度ak值的大小表示材料的韧性好坏。断裂韧度：指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性，在结晶过程中，在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。多晶体：整个物体是由许多杂乱无章的排列着的小晶体组成的，这样的物体叫多晶体。共晶反应：共晶反应是指在一定的温度下，一定成分的液体同时结晶出两种一定成分的固相的反应。共析反应：在一定的温度下，一定成分的固相同时结晶出两种一定成分的其他固相的反应。形变强化，即加工硬化，属于典型的四种金属强化方式之一，即随着变形程度的增加，金属的强度，硬度增加，而塑性，韧性下降的现象。固溶强化:融入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过形成固溶体使金属强化的现象称为。9•点缺陷是发生在晶体中一个或几个晶格常数范围内，其特征是在三维方向上的尺寸都很小，例如空位、间隙原子、杂质原子等，也可称零维缺陷。线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，其特征是两个个方向尺寸上很小另外两个方向延伸较长，也称一维缺陷，集中表现形式是位错。10.韧性断裂：发生了明显的宏观塑性变形后发生的断裂。脆性断裂：未经明显的变形而发生的断裂。四、选择题（每题2分，共36分）钢的本质晶粒度：C是指钢加热过程中刚完成奥氏体转变时的奥氏体的晶粒度，是指钢在各种具体热加工后的奥氏体的晶粒度；是指钢在规定的加热条件下奥氏体的晶粒度；它反映奥氏体晶粒长大的倾向性。共析碳钢加热为奥氏体后，冷却时所形成的组织主要决定于：C奥氏体加热时的温度；奥氏体在加热时的均匀化程度；奥氏体冷却时的转变温度。B3.马氏体是：B碳在a-Fe中的固溶体；B、碳在a-Fe中的过饱和固溶体；C.碳在y-Fe中的固溶体；D.碳在y-Fe中的过饱和固溶体。马氏体的硬度决定于；CA.冷却速度；B.转变温度； C含碳量。回火马氏体与马氏体相比，其综合力学性能：AA.好些； B.差不多； C差些。回火索氏体与索氏体相比，其综合力学性能：AA.好些； B.差不多； C差些。B7.为使低碳钢便于机械加工，常预先进行：BA.淬火； E.正火； C.球化退火； D回火为使高碳钢便于机械加工，可预先进行：CA.淬火； B.正火； C球化退火； D回火为使45钢得到回火索氏体，应进行：BA.淬火十中温回火；B.淬火十高温回火；C.等温淬火。为使65钢得到回火托氏体，应进行：AA.淬火十中温回火；B.淬火十高温回火；C.淬火十低温回火D.直接油冷B11.直径为10mm的40钢其常规整体淬火温度大约为：A.750°C； B.850C； C.920°C。A12.上述正确淬火后的组织为：AA.马氏体； B.马氏体十残余奥氏体；C.马氏体十渗碳体；D.铁素体十马氏体。A13.直径为10mm的T10钢其常规整体淬火温度大约为：A.760C；B.850C；C.920C，D14.上述正确淬火后的组织为A.马氏体；B.马氏体十残余奥氏体；C.马氏体十渗碳体；D.马氏体十渗碳体十残余奥氏体，B15.钢的淬透性主要取决于：BA.含碳量； B.合金元素含量；C.冷却速度A16.钢的淬硬性主要取决于：A.含碳量； B.合金元素含量；C.冷却速度A17.T12钢与18CrNiW钢相比；A.淬透性低而淬硬性高些； B.淬透性高而淬硬性低些；C.淬透性高，淬硬性也高； D.淬透性低，淬硬性也低些。B18.用低碳钢制造在工作中受较大冲击截荷和表面磨损较大的零件，应该：A.采用表面淬火处理； B.采用渗碳处理； C.采用氮化处理。五、分析题在铁碳相图中存在着三种重要的固相，请说明它们的本质和晶体结构（如，5相是碳在5-Fe中的固溶体，具有体心立方结构）。a相是__a相是碳在y相是 Fe3C相是 在铁碳相图中：有四条重要线，请说明这些线上所发生的转变并指出生成物（如，HJB水平线，冷却时发生包晶转变，LB+5^14930c>y，形成J点成分的y相）。ECF水平线 PSK水平线 ES线 GS线 在图II-2中画出三种钢的显微组织示意图，并标出其中的组织组分：亚共析愣 共析啊 过共析钢罔■—24.车床主轴要求轴颈部位的硬度为56—58HRC，其余地方为20一24HRC，其加工工艺路线如下：锻造>正火>机加工>轴颈表面淬火>低温回火>磨加工。请说明：（1）主轴应采用何种材料；（2）正火的目的和大致处理工艺；⑶表面淬火的目的和大致处理工艺；（4）低温回火的目的和大致处理工艺（5）轴颈表面的组织和其余地方的组织。5结合铁碳平衡图，回答下列问题：A.亚共晶白口铁的含碳量范围是多少?画出含碳量为3.0%的铁碳合金的冷却曲线，指出冷却曲线上的特征点在铁碳相图中的位置？计算含碳量为3.0%的铁碳合金的室温组织分数？计算含碳量为3.0%的铁碳合金的室温相分数？回火的目的是什么？试说明各种回火的加热温度、回火组织、性能及应用范围。何谓碳钢中的铁素体、渗碳体、珠光体？它们的力学性能各有何特点？（3）写出该齿轮的制造工艺路线，并说明工艺路线中各热处理工序的作用及热处理加热温度和冷却方式。现有A、B两种铁碳合金。A的显微组织为珠光体的量占75%，铁素体的量占25%；B的显微组织为珠光体的量占92%，二次渗碳体的量占8%。请计算并回答：（1） 这两种铁碳合金按显微组织的不同分属于哪一类钢？（2） 这两种钢铁合金的含碳量各为多少？（3） 画出这两种材料在室温下平衡状态时的显微组织示意图.并标出各组织组分的名称。在拉拔铜材的过程中，需要进行中间退火时，其退火温度约为多少（即确定其再结晶退火的温度，铜的熔点为1083°C）某汽车齿轮选用20CrMnTi材料制作，其工艺路线如下：下料一锻造一正火①一切削加工一渗碳②、淬火③、低温回火④一喷丸一磨削加工。（1）请分别说明上述①、②、③和④四项热处理工艺的目的及工艺。（2）简答零件选材的原则。（3）已知下列四种钢的成分，请按序号填出表格。分序号Mr)%1顷—21.051.50—30.201.00—4D.lfi—1.40序号桐号热处理方淡主要用途翠例1234参考答案一、 1.V；2.X；3.V；4.V；5.X；6.X；7.V；8.X；9.X；10Vo11.V；12.X；13.V;14.V;15.V；16.X；17.V;18.X19.X20.X二、 1.(1)体心立方；(2)面心立方；(3)密排六方；(4)间隙原子或空位或杂质原子；(5)位错；(6)晶界或亚晶界；(7)增加；(8)固溶；(9)细晶；(10)形变；(11)第二相；(12)渗碳体；(13)共析；(14)过共析；(15)切削加工；(16)淬火；(17)交联；(18)线型和支化型；(19)塑；(20)玻璃；(21)高弹；(22)粘流；(23)硬；(24)基体；(25)软；(26)基体；(27)低；(28)气孔；(29)烧结;(30)降低。体心立方，面心立方，密排六方低，大滑移，孪生。热处理，塑性变形，强度，硬度。渗碳体，共析，过共析。降低硬度，切削加工，淬火。奥氏体形核，奥氏体长大，残余Fe3C溶解，奥氏体成分均匀化。打碎莱氏体中的粗大碳化物。0.7%—0.8%，提高钢的红硬性(或热硬性)，提高钢的淬透性，提高钢的耐磨性(或细化晶粒)。(1)普通低合金钢，桥梁(或压力容器)。合金渗碳钢，齿轮(或活塞销)。合金调质钢，轴(或连杆螺栓)。合金弹簧钢，板簧(或弹簧钢丝)。滚动轴承钢，滚珠(或轴承套圈)。(1)Fe3C(或渗碳体)，犁铧。 (2)(片状)石墨，机床床身。(3)管接头。 (4)曲轴。三、 1.传统上陶瓷是指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、成型、煅烧等过程制成的各种制品.广义上陶瓷是用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称.复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。马氏体：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。铁素体：碳溶于a-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以符号F表示。冲击韧度：表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。冲击韧度ak值的大小表示材料的韧性好坏。断裂韧度：指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性，在结晶过程中，在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。多晶体：整个物体是由许多杂乱无章的排列着的小晶体组成的，这样的物体叫多晶体。高聚物：指由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量（通常可达10”4〜10”6）化合物。老化：高分子材料在加工、贮存和使用过程中，由于受内外因素的综合作用，其性能逐渐变坏，以致最后丧失使用价值，这种现象就是老化。共晶反应：共晶反应是指在一定的温度下，一定成分的液体同时结晶出两种一定成分的固相的反应。共析反应：在一定的温度下，一定成分的固相同时结晶出两种一定成分的其他固相的反应。形变强化，即加工硬化，属于典型的四种金属强化方式之一，即随着变形程度的增加，金属的强度，硬度增加，而塑性，韧性下降的现象。融入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过形成固溶体使金属强化的现象称为固溶强化。9•点缺陷是发生在晶体中一个或几个晶格常数范围内，其特征是在三维方向上的尺寸都很小，例如空位、间隙原子、杂质原子等，也可称零维缺陷。线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，其特征是两个个方向尺寸上很小另外两个方向延伸较长，也称一维缺陷，集中表现形式是位错。韧性断裂：发生了明显的宏观塑性变形后发生的断裂。脆性断裂：未经明显的变形而发生的断裂。四、1.C；2.C；3.B；4.C；5.A；6.A；7.B；8.C；9.B；10.AB；12.A；13.A；14.D；15.B；16.A；17.A；18.B。五、

],“相是软在凶耻中的固溶体，具有博心立方站构$了相是碳在了一R中的固溶体•.R有面心立方结祠;F的C相是碳与铁的「金属）化合物，具.有笈杂的晶体结枸，:?.ECF水-平技,冷扪时冷生共神港变He」皿勤+「由二生成兼氏体（或苏"73?'C性K水平线，冷却荷发生-共析转变，兀二一*+R£・牛成珠光体《或PLE5线，怜却时发牛7转查，析出二次渗碳体（或如£,、或Cm.kGS线，冷却时发生/"*a转尘.析出铁素体（或F、或底相）*#共柝衲图】-3#共柝衲图】-3•1.C1）45钢《或其它中碳合金舸X耳的是荻得主:轴整体所要求的性能和便于仇加工.；工艺是加热到而。•「.左右.空汽冷加（3J目改是使轴颈表而的硬度横足要求；工艺是轴装表面高频电流加热,水中冷却；口）目的是降低淬大残余应力；工.艺是整体在口为〜知0）"I：回火，或高炭电宏加热后自回大；怎）轴菠肃而为同我马氏如其杂地方为珠北体I成索氐体）.A碳的质量分数大于2.11%且小于4.3%。K.I00温度1300】颂11001OWM0500顿300200■16 丘69HA15K.I00温度1300】颂11001OWM0500顿300200■16 丘69HA15计140&a-7W8Fe-Fe£相图C组织组成：珠光体P+二次渗碳体Fe3C『莱氏体Ld莱氏体Ld质量分数：3.0—2.11x100%=40.64%4.3-2.11珠光体P质量分数：4.3—‘°x6.69-3.0x100%=37.00%4.3-2.116.69-0.77二次渗碳体FeC质量分数：4.3-3.0x3.0-0.77x100%=22.36%3ii 4.3-2.116.69-0.77D相组成：a-Fe+Fe3Ca-Fe质量分数：6.69-3.0x100%二55.157% 16.69-0Fe3C质量分数：3.0-0x100%=44.843%6.69-0回火一般紧接着淬火进行，其目的是：消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；稳定组织与尺寸，保证精度； 时间改善和提高加工性能。因此，回火是工件获得所需性能的最后一道重要工序。时间按回火温度范围，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。低温回火工件在250°C以下进行的回火。目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性回火后得到回火马氏体，指淬火马氏体低温回火时得到的组织。力学性能：58〜64HRC，高的硬度和耐磨性。应用范围：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火的零件等。(2)中温回火工件在250〜500C之间进行的回火。目的是得到较高的弹性和屈服点，适当的韧性。回火后得到回火托氏体，指马氏体回火时形成的铁素体基体内分布着极其细小球状碳化物(或渗碳体)的复相组织。力学性能：35〜50HRC，较高的弹性极限、屈服点和一定的韧性。应用范围：弹簧、锻模、冲击工具等。(3)高温回火工件在500C以上进行的回火。目的是得到强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。回火后得到回火索氏体，指马氏体回火时形成的铁素体基体内分布着细小球状碳化物(包括渗碳体)的复相组织。力学性能：200〜350HBS，较好的综合力学性能。应用范围：广泛用于各种较重要的受力结构件，如连杆、螺栓、齿轮及轴类零件等。7、铁素体一一碳在a-Fe中的间隙固溶体，软而韧。渗碳体一一碳与铁形成的间隙化合物，硬而脆。珠光体一一铁素体与渗碳体形成的层片状交替排列的机械混合物，良好的综合力学性能。8、（1）弯曲应力 接触摩擦应力冲击力齿断裂 齿面损伤（2） 高的弯曲疲劳强度 足够高的齿心强度和韧性足够高的齿面接触疲劳强度和硬度（3） 下料一锻造一正火一机械加工一渗碳、淬火+低温回火一喷丸一磨加工一成品正火：调整硬度，以利于机械加工；〜930°C，空冷；渗碳、淬火：提高齿面碳含量，获得一定马氏体淬硬层，以提高齿面硬度疲劳强度；〜930C，油冷；低温回火：消除淬火应力，降低脆性，以提高冲击抗力；〜200C，炉冷。解：（1）A为亚共析钢，B为过共析钢⑵:①；讨A钢的含碳域为Y1：Y尸％=,~ ~75M■*私77%X75%叫0“58哭】或：广*=气尹*云-*=匪％*队=」时少，—0.77如一5&为rr答房钢的含碳■为上漫R钢的含碳量为X”「％ 9雾％，『鼠烈蛙一尊69一饥77%）方，％七1,妙■：或：TOC\o"1-5"\h\zCmqw—以£忌?£•务一8监，X-（6.如哓一Q, 77怀*答汨钢的含碳量为1.24%.A B解：再结晶温度4（10爵十273）-273=269.4C^2700铜的再结晶退火温度十（100〜200）C=370〜§70C解：

L①.火目虬使组织均匀化'细化、改善加工性能。正一工艺:加，至A&H30〜5Q）C,空气中冷却-遂溢诙目的：程高齿轮表面的含碳岸,为淬火作准-备.渗碳工艾：在（900-950）12进行，成淬火目的:使馨硬房我得最好的性孙叩获得高的彷面岐度，若磨性及疲劳强度,井E持心部的拯度及韧性.淬火工艺灌碳后，油冷〃:*低温冲火目的：演少或消除淬火启应力,并提高韧性，低温回火工艺，加热空（15U〜2侦）C进行，机器零件光甘的三个暗蝴是：使用性能原则,.「艺性能原则及些济性滇则.*，序号钢号热拒理方玷主要用携举我\10Cr阅隹（停火+麻叫）嘛类零件1祥火-1•任保可火:;EC-泳善+释北十低同机床齿果步■零丹-16Mn瓣轧成正火）客排.梆妃程材料试题答案一、（15分）名词解释（每小题3分）过冷度2.正火3.奥氏体4.热加工5.调质处理答案：过冷度一理论结晶温度与实际结晶温度之差正火一将钢件加热到Ac3或Accm以上30-50°C，保温适当时间后在静止的空气中冷却的热处理工艺，称为正火。"奥氏体一碳固溶于Y-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用y或A表示。热加工一高于再结晶温度的塑性变形。调质处理一将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。对于上述名词解释，如学生用自己的语言回答，考虑其对概念或名词含义理解程度酌情给分。、利用铁碳相图回答下列问题（15分）（1）上①-⑥区的组织组成物，标明A，E,C,S,P,K各点写出Fe-Fe3C上①-⑥区的组织组成物，标明A，E,C,S,P,K各点写出Fe-Fe3C相图、i+LdA点：0E点：―2.14%C点：4.3%S点：0.8%P点：—0.02%K点：6.69%（3） 计算室温下含碳0.6%的钢中珠光体和铁素体各占多少?（4） 说明含碳量1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢的硬度高。答：（1）空格中斜体部分为答案。（6分，每空格0.5分）（2） （5分）由杠杆定律得：室温下含碳0.6%的钢中珠光体为：（0.6-0.02）/（0.8-0.02）*100%=74.4%室温下含碳0.6%的钢中铁素体为：100%-74.4%=25.6%（3） 含碳量1.0%的钢中含有硬度高的渗碳体，而含碳量为0.5%的含有较硬度较低的铁素体，故含碳量1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢的硬度高。（4分）三、简答（24分）（每小题4分）在铸造生产中，采用哪些措施获得细晶粒组织？说明实际金属晶体缺陷种类及特征。石墨的形态对铸铁都有哪些影响？常见的热处理方法有哪些？什么是铝合金的固溶处理和时效处理。回火的目的是什么，常用的回火操作有哪几种？答案：1.在铸造生产中，采用哪些措施获得细晶粒组织？答：（1）增加过冷度（2）进行变质处理 （3）附加振动说明实际金属晶体缺陷种类及特征。答：根据晶体缺陷的几何尺寸大小可分为三类：点缺陷，线缺陷，面缺陷。点缺陷的主要类型有空位和间隙原子。晶体中的线缺陷就是位错。面缺陷包括晶界、亚晶界和挛晶界。简述石墨形态对铸铁的影响？答：根据铸铁中石墨形态，铸铁可分为：（1）灰铸铁它是以片状石墨形式存在。（2）球墨铸铁它是铁液经过球化处理，使石墨呈球状的铸铁。（3）可锻铸铁它是白口铸铁通过可锻化退火，使石墨呈团絮状的铸铁灰铸铁的抗拉强度和塑性就越低。球墨铸铁中石墨呈球状使球墨铸铁的抗拉强度、塑性和韧性、疲劳强度不仅高于其它铸铁，而且可以与相应组织的铸钢相比。可锻铸铁的石墨呈团絮状，因此它不但比普通灰铸铁具有较高强度，而且有较高的塑性和韧性。常见的热处理方法有哪些？答：退火、正火、淬火、回火、表面热处理、化学热处理。什么是铝合金的固溶处理和时效处理。答：当铝合金加热到a相区，保温后在水中快冷，其强度和硬度并没有明显升高,而塑性却得到改善，这种热处理称为固溶处理。固溶处理后铝合金的强度和硬度随时间而发生显著提高的现象，称为时效处理。回火的目的是什么，常用的回火操作有哪几种？答：回火的目的：1获得工件所需的组织。2稳定