工程材料及其成形技术基础课作业参考答案

工程材料及其成形技术基础课作业参考答案1-1机械零件在工作条件下可能承受哪些负荷？这些负荷对零件产生什么作用？答：机械零件在工作条件下可能承受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用（单负荷或复合负荷的作用）。力学负荷可使零件产生变形或断裂；热负荷可使零件产生尺寸和体积的改变，产生热应力，热疲劳，高温蠕变，随温度升高强度降低（塑性、韧性升高），承载能力下降；环境介质可使金属零件产生腐蚀和摩擦磨损两个方面、对高分子材料产生老化作用。2-9从铁-碳相图的分析中回答：⑴随碳质量百分数的增加，硬度、塑性是增加还是减小？⑵过共析钢中网状渗碳体对强度、塑性的影响怎样？⑶为何钢有塑性而白口铁几乎无塑性？⑷哪个区域熔点最低？哪个区域塑性最好？⑸哪个成分结晶间隔最小？哪个成分结晶间隔最大？答：⑴随碳质量百分数的增加，硬度、增加塑性减小。⑵过共析钢中网状渗碳体对强度、塑性均降低。⑶塑性主要与铁-碳合金中的铁素体相含量多少有关，铁素体相含量越多塑性越好。钢含碳量低（ωc＜2.11％）铁素体相含量多为基体而有塑性，白口铁含碳量高（ωc＞2.11％）,渗碳体相含量高为基体而几乎没有塑性。⑷共晶点熔点最低，奥氏体区塑性最好。⑸C点共晶成分（ωc＝4.3％）结晶间隔最小（为零），E点（ωc＝2.11％）成分结晶间隔最大。3-1什么是珠光体、贝氏体、马氏体？它们的组织及性能有何特点？答：珠光体（P）—铁碳合金平衡状态下，在PSK线（727℃）发生共析转变的转变产物，即铁素体片和渗碳体片交替排列的机械混合物组织。强度比铁素体和渗碳体都高，塑性、韧性和硬度介于铁素体和渗碳体之间。热处理后可得到在铁素体基体上分布着粒状渗碳体的粒状珠光体，综合性能更好。贝氏体（B）—从550℃到Ms范围内中温转变、半扩散型转变的非平衡组织，即含过饱和碳的铁素体和渗碳体的非片层状混合物组织。按组织形态不同分羽毛状的上贝氏体（B上）和针片状的下贝氏体（B下）。上贝氏体脆性大无实用价值，下贝氏体的铁素体针细小，过饱和度大，碳化物弥散度大，综合性能好。马氏体（M）—Ms-Mf之间低温转变、非扩散型转变的非平衡组织，即过饱和碳的α固溶体。体心正方晶格，分板条马氏体（低碳马氏体ωc＜0.20％,位错马氏体），强韧性较好；针状马氏体（高碳马氏体ωc＞1.0％，孪晶马氏体），大多硬而脆；ωc在0.2％～1.0％之间为两者的混合组织。马氏体的含碳量越多，硬度越高，马氏体有弱磁性。A→M,体积要膨胀，产生较大的内应力。3-12钢淬火后为什么一定要回火？说明回火的种类及主要应用范围。答：钢淬火后一般不能直接使用，因为：①零件处于高应力状态（＞300～500MPa），放置或使用时很容易变形和开裂；②淬火态的组织（M＋A）是极端非平衡的亚稳定状态，有向稳定组织转变的自发趋向，放置或使用中组织转变，引起性能和尺寸变化；③淬火状态一般是同种钢最硬状态，但不一定是使用所要求的状态。回火的目的：①降低或消除淬火应力；②稳定组织；③调整性能，使之符合使用性能要求。回火的种类及主要应用范围见下表。类别回火温度/℃组织和硬度/HRC回火目的主要应用范围低温回火150～250M回，58～64保持高硬度，高耐磨性，消除应力，降低脆性刃具，冷作模具，量具，渗碳件，表面淬火件，滚动轴承等中温回火350～500T回，35～50获高的屈服强度和弹性极限弹簧，模锻锤杆，热作模具等高温回火500～650S回，25～35获高的综合机械性能连杆，轴等3-14在什么情况下采用表面淬火、表面化学热处理、表面形变强化及其他表面处理？用20（ωc＝0.20％）钢进行表面淬火和用45（ωc＝0.45％）钢进行渗碳处理是否合适？为什么？答：表面淬火是使表面获得高硬度高耐磨性的淬火组织而工件内部仍保持原有组织与性能。使零件整体获得“表硬心韧”的性能，用于要求能承受一定冲击并且表面承受摩擦磨损的零件（如齿轮的轮齿，机床的道轨，轴及花键轴等）。表面淬火只能少量提高表面硬度，一般用于中碳结构钢和中碳低合金结构钢，有时也用于冲击较小的高碳钢刃具、模具及铸铁件。表面化学热处理是通过改变表层化学成分来改变表层组织、性能。同样获得“表硬心韧”的性能，化学热处理和表面淬火都属于表面热处理，但化学热处理能更有效地提高表层性能。渗碳用于承受冲击更大，耐磨性要求更高的零件，用低碳结构钢和低碳合金结构钢。渗氮用于显著提高表面硬度和耐磨性，疲劳强度和抗蚀性，氮化温度低，变形小，但周期长，成本高，只用于对耐磨性和精度要求更高的零件或要求抗热、抗蚀的耐磨件，如发动机气缸、排气阀、精密机床丝杠、镗床主轴等。氮化用中碳合金结构钢（38CrMoAl是氮化专用钢）。表面形变强化是通过对零件表面产生塑性变形，产生加工硬化，提高表面性能，产生较大的残余应力，提高疲劳强度，并可清除表面氧化皮，延长使用寿命。特别适用于有缺口的零件、零件的截面变化处、圆角、沟槽及焊缝区等部位的强化。广泛用于弹簧、齿轮、叶片、飞机零件等。其他表面处理有高能束表面改性（激光、电子束）、电镀及化学镀、气相沉积技术、热喷涂技术、化学转化膜技术等。主要目的是对材料表面进行特殊的强化或作某些功能处理，以提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性，或提高零件的装饰性，或改变表面的电、磁性能等。表面改性技术一般不改变基体材料的成分或组织。20钢进行表面淬火不合适，低碳钢表面淬火后表面硬度并不高（≤50HRC），不耐磨；45钢进行渗碳处理以不合适，中碳钢渗碳热处理后心部的韧性不够，不能承受较大的冲击。4-2何谓调质钢？从钢号如何判别是否为调质钢?合金调质钢中常加入的合金元素有哪些？为达到调质钢相近的强韧性能，还可选用哪些钢种？答：调质钢是指在调质处理（淬火＋高温回火）状态下使用的钢种。一般为中碳结构钢和中碳合金结构钢。从钢号判别调质钢主要从①含碳量的表示方法，必须用两位数表示的，说明是结构钢；②含碳量的高低，必须是中碳钢范围，即ωc＝0.25％～0.55％。合金调质钢中常加入合金元素有:①提高淬透性并产生固溶强化的主加元素Mn、Si、Cr、Ni、B等；②形成稳定碳化物，阻止加热时奥氏体晶粒长大，起细晶强韧化作用的辅加元素Ti、V、W、Mo等，Mo、W还能防止产生高温回火脆性。合金元素可明显提高钢的抗回火能力。为达到调质钢相近的强韧性，①部分中碳钢钢种（如45MnV、35MnS）通过控制锻造工艺参数直接生产零件，可达调质的性能；②部分低、中碳钢钢种（如20CrMnTi、20MnV、15MnVB、27SiMn、20SiMnMoV等）处理成低碳马氏体（淬火低温回火）或下贝氏体（等温淬火），可代替调质钢。4-5高碳刃具钢、高碳滚动轴承钢、高碳冷作模具钢的热处理方法、使用状态组织及性能有何异同处？答：用表分析：钢种热处理方法使用状态组织性能相同处不同处高碳刃具钢①碳素工具钢；②低合金刃具钢；③高速钢。①②淬火低温回火；③淬火560℃三次回火（仍是低温回火）高碳M回＋碳化物＋少量残余奥氏体高硬度，高耐磨性，高的热硬性，适量的强韧性①含碳量均为高碳；②热处理方法基本相同；③使用组织相同；④高硬度和高耐磨性要求相同。①刃具钢有热硬性要求；②滚动轴承钢对抗腐蚀性、抗压强度和接触疲劳强度有要求；③冷作模具钢对淬透性要求较高；④刃具钢、冷作模具钢有优质钢和高级优质钢之分，滚动轴承钢只有高级优质钢一种；⑤冷作模具钢使用的钢种类型多。高碳滚动轴承钢淬火低温回火极细的M回＋细粒状碳化物＋少量残余奥氏体高的抗压强度和接触疲劳强度，高的硬度和耐磨性，一定的韧性和抗腐蚀性高碳冷作模具钢①碳素工具钢；②低合金工具钢；③高碳高铬钢；④空冷淬火冷作模具钢；⑤基体钢①②淬火低温回火；③高温淬火510～520℃多次回火（仍是低温回火）；④空冷淬火回火；⑤同高速钢高碳M回＋碳化物＋少量残余奥氏体高强度，高硬度，高耐磨性，一定的韧性和较高的淬透性5-1热固性与热塑性塑料的区别和特点大致有哪些?分别简述3种热固性与热塑性塑料的特性及用途。答：热固性与热塑性塑料的区别大致有：热塑性塑料①线型（含支链型）分子结构；②受热软化可再生。热固性塑料①体网型分子结构；②固化后不溶、不熔，不可再生。特点有：热塑性塑料具有较高的机械性能，加工成型简便，缺点为耐热性和刚性差；热固性塑料具有耐热性高，受压不易变形，结构便宜，缺点是生产率低。常见热塑性和热固性塑料的特性及用途见下表：种类材料名称主要特性主要用途热塑性塑料聚乙烯（PE）结构最简单，吸水小，耐蚀性和电绝缘性能极好，无毒无味，良好的耐低温性、化学稳定性、加工性；耐热性低只能在＜80℃下使用。薄膜、甁类、电绝缘护套；化工耐蚀管道、圆珠笔芯；医用软管；人工关节、防弹衣、小齿轮等。聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃，PMMA）透光率比玻璃高，耐紫外线和大气老化，强度比玻璃高得多（7～18倍），成形性很好（可切削加工、吹塑、注射、挤压、浇铸成形等），染色性很好；但表面硬度较低而耐磨性较差。防弹玻璃、飞机窗玻璃、风挡、透明的装饰面板、仪表板、容器、灯罩、光盘、光纤、眼镜、假牙、工艺美术品等。聚四氟乙烯（PTFE或F4）最优良的耐高、低温性能（－260℃～250℃长期使用），耐蚀性强（耐强酸、强碱、强氧化剂），化学稳定性高，摩擦系数最小、介电损耗最小、吸水最小。无毒、无味、不燃，塑料中密度最大（2.18g／cm3）。不粘锅、不粘油的抽油烟机涂层，密封“生料带”，减摩密封零件，耐高频绝缘零件，耐强腐蚀场合设备衬里及零件，人造血管，人工心脏，人工食道等。热固性塑料酚醛树脂（PF）原料价格便宜，生产工艺简单，成形加工容易，制品尺寸稳定，电绝缘性好，化学稳定性好（耐酸不太耐碱），耐热性突出，有阻燃性及低烟释放和低燃烧毒性，制品硬而耐磨，但性能较脆，颜色单调。灯头、开关、插座、锅勺手把，粘接剂，涂料，火箭、宇宙飞船外壳的耐烧蚀保护层材料。环氧塑料（EP）较强韧，固化收缩率低，耐水、耐化学腐蚀（特别是碱），耐溶剂，粘接牢固，介电性能优良。胶粘剂，配制防腐材料，制模具等。有机硅塑料（SI）不燃，优良的电绝缘性，耐高低温性（－100～300℃），耐臭氧，突出的憎水防潮性，良好的耐大气老化性及生理惰性。用于高频绝缘件，耐热件，防潮零件等。6-8指出下列零件在选材和制定热处理技术条件中的错误，并说明理由及改进意见。①直径30mm、要求良好综合力学性能的传动轴，材料用20钢，热处理技术条件：调质40～45HRC。②转速低、表面耐磨及心部强度要求不高的齿轮，材料用45钢，热处理技术条件：渗碳＋淬火，58～62HRC。③弹簧（直径Φ15mm），材料用45钢，热处理技术条件：淬火＋回火，55～60HRC。④机床床身，材料用QT400-15，采用正火热处理。⑤表面要求耐磨的凸轮，选用45钢，热处理技术条件：淬火、回火，60～63HRC。答：①分析：要求良好综合力学性能的传动轴，应选中碳结构钢（或中碳合金结构钢）调质热处理。材料用20钢（低碳钢）不对，强度不够，要求40～45HRC指标高了（25～35HRC），调质达不到。改进：根据题目要求结合本题条件，材料选40Cr钢（D0油＝20～40mm），850℃油淬＋520℃回火，30～35HRC。②转速低，表面耐磨及心部强度要求不高的齿轮，应选中碳结构钢（或中碳合金结构钢），正火或调质，表面淬火＋低温回火。正火心部硬度为160～200HBS，调质心部硬度为200～280HBS，表面淬火低温回火后表面硬度为50～55HRC。材料选用是可以的，但渗碳＋淬火不对，成本太高。改进：材料用45钢，正火＋表面淬火＋低温回火，心部硬度160～200HBS，表面硬度为50～55HRC。③分析：弹簧应选高碳结构钢或中碳合金结构钢及高碳合金结构钢，淬火＋中温回火，35～50HRC。选45钢（中碳结构钢）不对，弹性极限低，55～60HRC只能淬火＋低温回火才能达到且太脆。改进：材料选65Mn钢（截面≤15mm），830℃油淬＋540℃回火，45～50HRC。④机床床身，受压且要求消振性好，铸铁受压性能都好，但消振性灰铸铁最好，灰铸铁是机床床身的首选材料。材料用QT4