现代工程材料习题与思考题-答案

第一部分习题与思考题1、名词解释：抗拉强度（σb）：材料在受力过程中，所能承受的最大载荷Fb时所对应的应力值。（P13）屈服强度：表示材料开始发生明显塑性变形的抗力。（P13）刚度:材料对弹性变形的抵抗能力。（P13）疲劳强度：当应力低于一定值时试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳极限（亦称疲劳强度）。（P22）冲击韧性：指材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。（P19）断裂韧性：表征材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。（P20）2、设计刚度好的零件，应根据何种指标选择材料？材料的弹性模量E愈大，则材料的塑性愈差。这种说法是否正确？为什么？3、如图所示的四种不同材料的应力—应变曲线，试比较这四种材料的抗拉强度、屈服强度（或屈服点）、刚度和塑性。并指出屈服强度的确定方法。（不一定对……仅供参考）抗拉强度2＞3＞4＞1（曲线的最高点）屈服强度3＞2＞4＞1（曲线的转折点）刚度1＞３＞２＞４（曲线的斜率）塑性３＞２＞４＞１（曲线包围的面积）对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是屈服点的应力（屈服值）；对于屈服现象不明显的材料，是与应力-应变的直线关系的极限偏差达到规定值（通常为0.2%的塑性形变）时的应力。4、常用的硬度测试方法有几种？这些方法测出的硬度值能否进行比较？（P18）硬度的表示方法主要有：布氏硬度；洛氏硬度；维氏硬度和显微硬度；莫氏硬度；锉刀硬度。由于各种硬度的实验条件不同，故相互间无理论换算关系，但通过实践发现在一定条件下存在某种粗略的经验换算关系。如在200~600HBS(HBW)内，HRC≈1/10HBS(HBW)；在小于450HBS时，HBS≈HV。5、下列几种工件应该采用何种硬度试验法测定其硬度？（不一定对……仅供参考）（1）锉刀：锉刀硬度。（2）黄铜轴套：布氏硬度。（3）供应状态的各种碳钢钢材：布氏硬度、洛氏硬度。（4）硬质合金刀片：洛氏硬度。（5）耐磨工件的表面硬化层：维氏硬度。第三部分习题与思考题1、解释下列名词奥氏体的起始晶粒度：在加热转变中，新形成并刚好相互接触时的奥氏体晶粒的大小。（P296）实际晶粒度：随着加热温度的升高和保温时间的延长，其晶粒将不断长大，长大到钢开始冷却时的奥氏体晶粒称为实际晶粒，其大小称为实际晶粒度。本质晶粒度：表示钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向；他是将钢加热到930℃±10℃、保温8h、冷却后测得的晶粒大小。珠光体：铁素体α与渗碳体Fe3C的层片状机械混合物。（P173）索氏体、屈氏体：根据片层间距的大小，珠光体又可分为粗珠光体（珠光体P）、细珠光体（即索氏体S）、极细珠光体（即托氏体也称屈氏体T）三种。（P301）贝氏体：过冷奥氏体在贝氏体转变温度区转变而成的由铁素体与碳化物所组成的非层状的两相混合物的亚稳组织。分为上贝氏体和下贝氏体，上贝氏体：共析钢在550~350℃形成的，含碳过饱和的条状铁素体和渗碳体的混合物，呈羽毛状；下贝氏体：共析钢在350~230℃形成的，呈黑色针片。（P302）马氏体：是碳溶于α铁的过饱和的固溶体，是奥氏体通过非扩散型相变转变成的亚稳相。（P303）奥氏体：碳原子溶于γ-Fe中形成的固溶体。（P170）过冷奥氏体：在A1点以下未转变的（孕育期内）、处于热力学上不稳定状态的奥氏体。（P298）残余奥氏体：奥氏体在冷却过程中发生相变后在环境温度下残存的奥氏体，即淬火未能转变成马氏体而保留到室温的奥氏体。退火：是将金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却获得接近平衡状态组织的热处理工艺。分为完全退火，等温退火，球化退火，均匀化退火（扩散退火），去应力退火。（P309）正火：是将钢加热到Ac3（或Accm）以上30~50℃，保温适当时间后，以适当方式冷却（一般为空气中冷却）得到细珠光体的热处理工艺。（P310）淬火：是将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度并保温一定时间，然后以适当的速度冷却（如水冷、油冷），获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺。（P311）回火：是将淬火钢加热到A1以下某一温度保温，然后冷却到室温的热处理工艺。（P317）冷处理：是指金属材料在再结晶温度以下进行的塑性变形。临界淬火冷却速度(Vk)：淬火冷却速度大于Vk将会得到淬火马氏体，速度小于Vk过冷奥氏体将会分解形成珠光体。淬透性：表征了钢在淬火时获得马氏体的能力。（P314）淬硬性：钢在淬火时等到马氏体组织后所能达到的最高硬度的能力。（P316）2、珠光体类型组织有哪几种?它们在形成条件、组织形态和性能方面有何特点?（P302）3、贝氏体类型组织有哪几种?它们在形成条件、组织形态和性能方面有何特点?（P302）类型形成条件组织形态性能上贝氏体共析钢在550~350℃形成的羽毛状脆性，硬度高下贝氏体共析钢在350~230℃形成的黑色针状片状良好的强韧度4、马氏体组织有哪几种基本类型?它们的形成条件、晶体结构、组织形态，性能有何特点?马氏体的硬度与含碳量关系如何?（P304）类型形成条件晶体结构组织形态性能板条状马氏体低碳钢、马氏体时效钢、不锈钢等一般为体心正方成群的平行马氏体板条束组成具有良好的塑性与韧性片状马氏体高、中碳钢双凹透镜片状硬而脆马氏体的强度和硬度主要取决于其碳含量，随马氏体中碳含量的增加，强度与硬度随之升高，特别是在碳含量较低时，这种作用较明显。（P306）5、何谓连续冷却及等温冷却?试绘出奥氏体这两种冷却方式的示意图。（P298）等温冷却：是把加热到奥氏体状态的钢，快速冷却到Ar1以下某一温度并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。连续冷却：是指钢经奥氏体化后，以不同冷却速度连续冷却到室温，使奥氏体在连续冷却过程中发生相转变。等温冷却连续冷却6、说明共析碳钢C曲线各个区、各条线的物理意义，并指出影响C曲线形状和位置的主要因素。参看教科书P298~301。影响C曲线的主要因素：C曲线的形状和位置与奥氏体的稳定性及分解特性有关，其影响因素主要有奥氏体的成分（主要因素）和钢的组织形态。（P306~308）7、将φ5mm的T8钢加热至760℃并保温足够时间，问采用什么样的冷却工艺可得到如下的组织：T8钢是共析钢，760℃在A1线以上。珠光体：正火。(P310)索氏体：正火。（P310）。高温回火组织为回火索氏体。（P319）屈氏体：回火。（P318）中温回火组织为回火托氏体。（P319）上贝氏体：400℃等温转变。下贝氏体：300℃等温转变。屈氏体+马氏体：淬火。马氏体+少量残余奥氏体：淬火。（P312）在C曲线上画出工艺曲线示意图。8、确定下列钢件的退火方法，并指出退火目的及退火后的组织（P308）(1)经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度：完全退火。(2)ZG35的铸造齿轮：去应力退火。(3)锻造过热的60钢锻坯：均匀化退火（扩散退火）。(4)具有片状渗碳体的T12钢坯：球化退火。9、共析钢加热奥氏体化后，按图中V1～V7，的方式冷却，1)指出图中①～⑩各点处的组织；2)写出Vl～V5的热处理工艺名称。1．过冷奥氏体与转变产物（珠光体）共存区。2.过冷奥氏体。3.索氏体。4.过冷奥氏体与索氏体共存区。5.10、某钢的连续冷却转变曲线如图所示，试指出该钢按图中(a)、(b)、(c)、(d)速度冷却后得到的室温组织。11、淬火的目的是什么？亚共析钢和过共析钢淬火加热温度应如何选择？淬火是为了获得马氏体和（或）贝氏体组织，是一种强化钢件，更好地发挥钢材性能潜力的最重要手段。（P311）亚共析钢的淬火加热温度为：Ac3+(30~50℃)，这时加热后的组织为细的奥氏体，淬火后可得到细小而均匀的马氏体。加热温度不能过高，否则，奥氏体晶粒粗化，淬火后悔出现粗大的马氏体组织，使钢的脆性增大。加热温度也不能过低，如低于Ac3，则会残留一部分铁素体在淬火组织中，使钢的强度和硬度降低。但对于某些亚共析合金钢，在略低于：Ac3的温度进行亚温淬火，可利用少量细小残留分散的铁素体来提高钢的韧性。过共析钢的加热温度为Ac1+(30~50℃)，淬火后得到均匀细小的马氏体+残留奥氏体+颗粒状渗碳体。在此温度范围内淬火的优点有：保留了一点数量的未溶渗碳体，淬火后钢具有最大的硬度和耐磨性；使奥氏体的碳含量不致过多而保证淬火后残余奥氏体不致过多，有利于提高硬度和耐磨性；奥氏体晶粒细小，淬火后可获得较高的力学性能；加热时的氧化脱碳及冷却时的变形、开裂倾向较小。（P312）12、说明45钢试样(φl0mm)经下列温度加热，保温并在水中冷却得到的室温组织：700℃，760℃，840℃，1100℃。13、淬透性与淬硬层深度两者有何联系和区别?影响钢淬透性的因素有哪些?影响钢制零件淬硬层深度的因素有哪些?（P315）淬透性：是钢材本身固有的属性，表征了钢在淬火时获得马氏体的能力。淬透性一般用在标准条件下的有效淬硬深度表示。两者有区别，淬透性是钢在规定条件下的一种工艺性能，是确定的并可比较的；淬硬层深度是实际工件在具体条件下淬得的马氏体和半马氏体的深度，是变化的，与钢的淬透性以及外在因素有关。14、指出下列组织的主要区别：(1)索氏体与回火索氏体：索氏体是细珠光体，是过冷奥氏体在A1~550℃转变的产物；回火索氏体是钢淬火后高温回火（500~600℃）获得的组织。(2)屈氏体与回火屈氏体：屈氏体是极细珠光体，也是过冷奥氏体在A1~550℃转变的产物；回火屈氏体是钢淬火后中温回火（350~500℃）获得的组织。(5)马氏体与回火马氏体：马氏体是奥氏体冷却速度大于Vk并过冷到Ms~Mf之间时发生转变的产物；回火马氏体是钢淬火后低温回火（250℃）获得的组织。15、甲、乙两厂生产同一批零件，材料均选用45钢，硬度要求HB220～250。甲厂采用正火，乙厂采用调质，都达到硬度要求。试分析甲、乙两厂产品的组织和性能的差别。甲厂采用正火：获得细珠光体，正火消除中碳钢经热加工后产生的组织缺陷，塑性基本不降低。乙厂采用调质：获得回火索氏体，强度、硬度、耐磨性降低。大幅度提高了塑性、韧性，得到较好的综合力学性能的钢。16、现有低碳钢和中碳钢齿轮各一个，为了使齿面具有高硬度和高耐磨性，应进行何种热处理？并比较经热处理后组织和性能上有何不同？18、试说明表面淬火、渗碳、氮化热处理工艺在用钢、性能、应用范围等方面的差别。（P322）表面淬火：是指仅对工件表面进行淬火处理以改变其组织和性能的工艺。其加工方式与热源有：感应加热、火焰加热、激光加热、电子束加热、电接触加热。第五部分习题与思考题1、名词解释：白口铸铁：当碳主要以渗碳体等化合物形式存在时，铸铁断口呈银白色，称为白口铸铁。灰口铸铁：当碳主要以石墨形式存在时，铸铁断口呈暗灰色，称为灰口铸铁。(P393)可锻铸铁：可锻铸铁是由白口铸铁坯件经石墨化退火而得到的一种铸铁材料。（P400）球墨铸铁：球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨铸铁材料。石墨化：铸铁的石墨化就是铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程。孕育铸铁：孕育处理后得到的铸铁叫做孕育铸铁2、铸铁的石墨化过程是如何进行的？影响石墨化的主要因素有哪些？（P393）铸铁的石墨化分为三个阶段：第一阶段（液态阶段）：从液体中直接析出石墨，包括从共晶液态中直接析出一次石墨G1和在1154℃通过共晶反应形成共晶石墨G共晶。第二阶段（共晶-共析阶段）：在1154~738℃范围内奥氏体冷却过程中沿E’S’线析出二次石墨GII。第三阶段（共析阶段）：在738℃通过共析反应析出共析石墨。3、试述石墨形态对铸铁性能的影响。（P395）石墨对铸铁性能的影响取决于它在铸铁中存在的形状、分布与数量。片状石墨的铸铁称为灰铸铁；球状石墨的铸铁称为球磨铸铁；团絮状石墨的铸铁称为可锻铸铁；蠕虫状石墨的铸铁称为蠕墨铸铁。4、比较各类铸铁的性能特点，与钢相比铸铁在性能（包括工艺性能）上有何优缺点？灰铸铁：铸铁组织中的石墨以片状形式存在，其断面成暗灰色。熔点低，流动性好，冷却凝固时收缩量小，具有优良的铸造性能。抗拉强度小，容易拉断，塑性差，不宜进行压力加工。硬度低，性质娇软，容易切削，主要用于制造机架、床身、轴承盖、