工程材料学课程习题及答案

1工程材料习题一、晶向、晶面指数习题在立方晶系的单位晶胞上作图表示(111)、(110)、(100)晶面和[111]、[110]、[001]、[100]、[010]晶向。解XXYZ(100)XYZ[111]XYZ(110)XYZ(111)XYZ[001]XYZ[100]XYZ[010]XYZ[110]2二、Fe-C相图类提示Fe-C相图是确定钢热处理、铸造、锻造、焊接加热工艺的依据，应熟练掌握相图的绘制、不同成分钢的冷却相变过程及室温组织。习题画出Fe-Fe3C合金相图（要求标明B、E、C、F、P、S点的成分及共晶线和共析线的温度），分析含碳量0.4%（0.7%、0.77%、1.0%）的铁碳合金从液态缓冷到室温时的结晶过程（要利用文字和冷却曲线加以说明），画出室温组织的示意图并利用杠杆定律计算其组织组成物的相对质量分数。分析Fe-Fe3C相图看似复杂，但若掌握规律就容易了。相图由包晶相变、共晶相变、共析相变三部分组成。绘制时应先绘制三条水平线、确定水平线的温度及每条线上的三个成分点，然后再连接其余曲线即可。Fe-C相图含碳量分为亚共析钢（0.0218%≤C＜0.77%）、共析钢（0.77%C）和过共析钢（0.77%＜C≤2.11%）三大类型，其区别在于有先共析铁素体析出、无先共析铁素体和无二次渗碳体析出、有二次渗碳体析出。解1、铁碳相图Fe-C相图见图1.0，要求各相区、线、字母、温度要准确。2、共析钢（0.77%C）（1）结晶过程分析冷却曲线见图2.1。在Fe-C相图中要画出表示合金成分的垂线（图中虚线）；冷却曲线中要标明交点及点的顺序；冷却曲线点的顺序要和相图中垂线一致，恒温转变为水平线。1点以上：液态；1-2点：匀晶转变析出奥氏体，L→γ；2-3点：γ降温阶段，无组织变化；3-3/点：奥氏体发生共析转变，转变为珠光体，CFe72730218.077.0℃（P）；6.69图1.0Fe-Fe3C合金相图012345602004006008001000120014001600ABJNGPQE(2.11)C(4.30)DFKLS(0.77)L1148℃727℃6.69Fe3CFeC%LFe3CFe3CL+Fe3CL+温度/℃0.530.021833/点到室温，从铁素体中析出少量三次渗碳体Fe3CⅢ。（2）室温组织显微组织为珠光体，见图2.2。示意图要表明珠光体为层片状。（3）质量分数组织组成物为“铁素体”和“渗碳体”，以0.77%（合金碳含量）为支点，分别以0.0008%（铁素体碳含量）和6.69%（渗碳体碳含量）为端点，计算两者的质量分数分别为：铁素体Qα=(6.69–0.77)/(6.69-0.0008)×100%=88.5%渗碳体QFe3C=100%-88.5%=11.5%3、亚共析钢（0.09%≤C＜0.77%）亚共析钢按含碳量又分为发生包晶反应（0.09%＜C≤0.53%）和不发生包晶反应（0.53%＜C＜0.77%）的两类，分述如下。3.1发生包晶反应的亚共析钢以0.4%C钢为例（1）结晶过程分析冷却曲线见图3.1，要求与共析钢的相同。和共析钢比，有三点不同，多“匀晶转变L→δ、包晶反应L+δ→γ和从γ中析出α”。1012345602004006008001000120014001600(6.69)(6.69)0.0218ABJNGPQE(2.11)C(4.30)DFKLS(0.77)L1148℃727℃6.69Fe3CFeC%LFe3CFe3CL+Fe3CL+123453123/4234图2.10.77%钢的冷却曲线0.770.00086.69图2.20.77%C钢的室温组织示意图P41点以上：液相；1-2点：匀晶析出δ铁素体，L→δ；2-2/点：δ铁素体与液相发生包晶转变，生成奥氏体；2/-3点：剩余的液相匀晶析出奥氏体，L→γ；3-4点：奥氏体降温阶段，无组织变化；4-5点：奥氏体晶界上开始析出铁素体，γ→α；5-5/点：剩余奥氏体的成分到达S点，共析转变为珠光体；5/点以下：从铁素体中析出很少量的三次渗碳体，α→Fe3CⅢ。（2）室温组织为铁素体+珠光体，示意图要表明珠光体为层片状，铁素体为等轴状，见图3.2。（3）质量分数组织组成物为“铁素体”和“珠光体”。以0.4%（合金碳含量）为支点，分别以0.0008%（铁素体碳含量）和0.77%（珠光体碳含量）为端点，两者的质量分数分别为：QP=(0.4﹣0.0008)/(0.77﹣0.0008)×100%=51.9%，Q=100%﹣58.40%=48.1%。3.2不发生包晶反应的亚共析钢以0.7%C钢为例（1）结晶过程分析冷却曲线见图4.1，要求与共析钢的相同。和≤0.53%C的亚共析钢比，没有包晶相变；和共析钢比，多“从γ中析出α”。1点以上：液相；1～2点：匀晶转变析出奥氏体，L→γ；2～3点奥氏体降温阶段，无组织变化；3～4点：奥氏体晶界上开始析出α铁素体，γ→α；2/123455/图3.10.4%钢的冷却曲线图3.20.4%C钢的室温组织示意图FP0.40.00080.7714950.530.090.17L℃0.770.02183727γFeC℃54～4/点：剩余奥氏体的成分到达S点，共析转变为珠光体，CFe72730218.077.0℃；4/点以下：从铁素体中析出很少量的三次渗碳体，α→Fe3CⅢ。（3）室温组织为铁素体+珠光体，其中珠光体比0.4%C的多。示意图要表明珠光体为层片状，铁素体为等轴状，见图4.2。（4）质量分数组织组成物为“铁素体”和“珠光体”。以0.7%（合金碳含量）为支点，分别以0.0008%（铁素体碳含量）和0.77%（珠光体碳含量）为端点，两者的质量分数分别为：QP=(0.7﹣0.0008)/(0.77﹣0.0008)×100%=90.9%；Q=100%﹣77.9%=9.1%。3、过共析钢（0.77%＜C≤2.11%，以1.0%C钢为例）（1）结晶过程分析冷却曲线见图5.1，要求与共析钢的相同。和共析钢比，有一点不同，多“从奥氏体中析出二次渗碳体，γ→Fe3CⅡ”。1点以上：液相；1-2点：匀晶转变析出奥氏体，L→γ；2-3点：奥氏体降温阶段，无组织变化；3-4点：从奥氏体晶界上开始析出二次渗碳体，呈网状分布，γ→Fe3CⅡ；4-4/点：剩余奥氏体的成分到达S点，共析转变为珠光体，CFe72730218.077.0℃；4/点以下：从铁素体中析出少量三次渗碳体，α→Fe3CⅢ。123412344/图4.10.7%钢的冷却曲线图4.20.7%C钢的室温组织示意图FP0.70.00080.776（2）室温组织为珠光体+二次渗碳体，示意图要表明珠光体为层片状，二次渗碳体呈网状，见图5.2。（3）质量分数组织组成物为“珠光体”和“渗碳体”。以1.0%（合金碳含量）为支点，分别以0.77%（珠光体碳含量）和6.69%（渗碳体碳含量）为端点，两者的质量分数分别为：QP=（6.69﹣1.0）/（6.69﹣0.77）×100%=96.1%；QFe3CⅡ=100%﹣96.1%=3.9%。三、C曲线类提示连续冷却曲线（C曲线）是确定钢热处理、铸造、锻造、焊接冷却时显微组织的依据，需熟练掌握。应知晓A1、Ms、Mf、开始线、终了线及各区的含义。共析钢常用的5种热处理工艺、冷却方式及相应的显微组织如表1所示。表1C曲线冷却工艺及组织热处理工艺冷却方式显微组织退火炉冷珠光体正火空冷索氏体水冷淬火水冷马氏体+残余奥氏体油冷淬火油冷托氏体+马氏体+残余奥氏体等温淬火硝盐等温冷却下贝氏体图5.21.0%钢的室温组织示意图PFe3CⅡ图5.11.0%C钢的室温组织示意图12344/1.00.776.697习题画出共析钢的C曲线，并在其上示意地绘出共析钢退火、正火、油冷淬火、等温淬火、淬火的工艺曲线，写出所得组织。解共析钢连续冷却曲线（C曲线）、各种热处理工艺冷却曲线如图6所示，相应的冷却方法及显微组织见表1。四、材料牌号类提示金属材料特别是钢的牌号繁多，难度较大，但若掌握规律、特点，则方便理解、记忆。下面举例说明其规律。习题说明下列各牌号金属材料所属类别（钢按用途分类），元素含量或性能指标，并指出用途和最终热处理的工艺名称及获得的组织。1、工程结构钢类Q235工程结构钢，最低屈服强度不低于235MPa，工程结构用。2、优质碳素结构钢类08F优质碳素结构钢，0.08%C，薄板冲压件，不热处理强化。20钢优质碳素结构钢，0.2%C，渗碳钢，齿轮等。渗碳+淬火+低温回火，回火马氏体。45钢优质碳素结构钢，0.45%C，调质钢，轴等零件。调质处理（淬火+高温回火），回火索氏体。3、优质碳素工具钢类T10优质碳素工具钢，1.0%C。刃具、冷模具，淬火+低温回火，M回+碳化物（Fe3C）+少量A残。4、合金渗碳钢类20CrMnTi合金渗碳钢，0.2%C，1%Cr，1%Mn，1%Ti。齿轮等零件，渗碳+淬火+低温回火，回火马氏体。A1淬火等温淬火正火退火MSMf温度／℃时间／S图6共析钢的C曲线油冷85、合金调质钢类40CrNiMo合金调质钢，0.4%C，1%Cr，1%Ni，1%Mo。轴等零件，调质处理（淬火+高温回火），回火索氏体。6、合金弹簧钢类65Mn合金弹簧钢，0.65%C，1%Mn。弹簧，淬火+中温回火，回火托氏体。60Si2Mn合金弹簧钢，0.60%C，2%Si，1%Mn。弹簧，淬火+中温回火，回火托氏体。50CrV合金弹簧钢，0.50%C，1%Cr，1%V。弹簧，淬火+中温回火，回火托氏体。7、滚动轴承钢类GCr15滚动轴承钢1.0%C，1.5%Cr。轴承，淬火+低温回火，回火马氏体+碳化物+少量A残。8、合金工具钢类9SiCr刃具钢或冷模具钢0.9%C，1%Si，1%Cr。淬火+低温回火，回火马氏体+碳化物+少量A残。W18Cr4V刃具钢，0.8%C，18%W，4%Cr，1%V。淬火+560℃三次回火，回火马氏体+碳化物+少量A残。Cr12MoV冷模具钢，1.2%C，12%Cr，1%V。冷冲模等，淬火+低温回火，回火马氏体+碳化物+少量A残。注：该钢520℃回火，仍然为回火马氏体。5CrNiMo热模具钢，0.5%C，1%Cr，1%Ni，1%Mo。热锤锻模等，淬火+高温回火，回火索氏体；淬火+中温回火，回火托氏体。9、不锈钢类1Cr13马氏体不锈钢，0.1%C，13%Cr。耐蚀的结构件，淬火+高温回火，回火索氏体。0Cr18Ni10奥氏体不锈钢，0.1%C，18%Cr，9%Ni，耐蚀的结构件，固溶处理+稳定化处理，奥氏体。10、耐磨钢类ZGMn13耐磨钢，1%C，13%Mn。耐磨件，水韧处理1050℃固溶处理+水冷，奥氏体，变形后马氏体。11、灰口铸铁类HT350灰口铸铁，最低抗拉强度350MPa。12、可锻铸铁类KTH330-08黑心可锻铸铁，最低抗拉强度330MPa，最低延伸率8%。13、球墨铸铁类QT600-3球墨铸铁，最低抗拉强度600MPa，最低延伸率3%。14、蠕墨铸铁类RuT260蠕墨铸铁，最低抗拉强度260MPa。15、铸造铝合金类ZAlSi12铸造铝硅合金，12%Si。16、黄铜类HPb59-1铅黄铜，含59%Cu，1%Pb，余量为Zn。9五、选材类提示根据给定的零件，分析其服役条件，合理选材及制定加工工艺路线及热处理工艺，知晓材料显微组织和性能之间的关系，是学习本门课程的最终目的，应熟练掌握。习题某公司计划生产下列零件，（1）选用一种材料，写出牌号；（2）编写加工工艺路线；（3）回答各热处理工序的目的及使用状态下的组织。（1）普通机床变速箱齿轮（2）汽车半轴（3）承受中等载荷、转速不高的机床主轴（4）内燃机曲轴（5）汽车变速箱齿轮（6）汽车活塞销（7）弹簧说明此7种类型几乎包括了所有的零件类型，若完全掌握，则完全可以胜任零件设计的选材工作。解1、普通机床变速箱齿轮（详见教材189页）①选材