工程材料基础复习

第一部分习题与思考题1、抗拉强度：材料在拉伸断裂前所能够承受的最大拉应力。屈服强度：材料开始产生宏观塑性变形时的最低应力。刚度：结构或构件抵抗弹性变形的能力。疲劳强度：经无限次循环而不发生疲劳破坏的最大应力。冲击韧性：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。断裂韧性：材料抵抗裂纹扩展的能力。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？①表征刚度的指标是弹性模量E，因此，如果要零件刚度好，需要选择弹性模量高的材料；②题给的说法不正确，因为材料的弹性模量与塑性无关，所以并非E越大塑性越差。3、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。由大到小的顺序：抗拉强度：2、1、3、4。屈服强度：1、3、2、4。刚度：1、3、2、4。塑性：3、2、4、1。4、常用的硬度测试方法有布氏、洛氏、维氏和显微硬度。这些方法测出的硬度值能否进行比较？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？(1)锉刀洛氏或维氏硬度(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(4)硬质合金刀片洛氏或维氏硬度(5)耐磨工件的表面硬化层显微硬度第二部分习题与思考题1、一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。二次渗碳体：从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。三次渗碳体：从F中析出的Fe3C称为三次渗碳体Fe3CⅢ。共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。铁素体（F）：铁素体是碳在Fe中形成的间隙固溶体，为体心立方晶格。由于碳在Fe中的溶解度很小，它的性能与纯铁相近。塑性、韧性好，强度、硬度低。它在钢中一般呈块状或片状。奥氏体（A）：奥氏体是碳在γ－Fe中形成的间隙固溶体，面心立方晶格。因其晶格间隙尺寸较大，故碳在γ－Fe中的溶解度较大。有很好的塑性。渗碳体（Fe3C）：铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。在钢中以片状存在或网络状存在于晶界。在莱氏体中为连续的基体，有时呈鱼骨状。珠光体（P）：由铁素体α和渗碳体Fe3C组成的机械混合物。铁素体和渗碳体呈层片状。珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。莱氏体（Ld，L'd）：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称高温莱氏体(Ld)。由于其中的奥氏体属高温组织，因此高温莱氏体仅存于727℃以上。高温莱氏体冷却到727℃以下时，将转变为珠光体和渗碳体机械混合物（P+Fe3C）,称低温莱氏体，用（Ld'）表示在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体基体上。由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。2、画出Fe-Fe3C相图，并进行以下分析：(1)标注出相图中各区域的组织组成物和相组成物；(2)分析0.4%C亚共析钢的结晶过程及其在室温下组织组成物与相组成物的相对重量；合金的结晶过程及其在室温下组织组成物与相组成物的相对重量。（2）组织组成物：F50％，P50％。相组成物：F94％，Fe3C6％。3、根据Fe-Fe3C相图；计算：(1)室温下，含碳0.6%的钢中铁素体和珠光体各占多少?F22％，P78％；(2)室温下，含碳0.2%的钢中珠光体和二次渗碳体各占多少?P93％，Fe3C7％；(3)铁碳含金中，二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量。22.64％，0.32％4、现有形状尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们分别为0.20%C；0.4%C；1.2%C；3.5%C合金。根据所学知识，可有哪些方法来区别它们?可以金相法区分。一是看有无莱氏体或石墨组织，有即为3.5%C的铁碳合金。二是看有无二次渗碳体，有即为1.2%C的过共析钢。剩下的两种合金只要比较珠光体的数量即可，多者为0.4%C少者为0.2%C的合金。还可用硬度试验法、测试拉伸图等。5、根据Fe-Fe3C相图，说明产生下列现象的原因：1）含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高；钢中随着含碳量的增加，渗碳体的含量增加，渗碳体是硬脆相，因此含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高。2）低温莱氏体的塑性比珠光体的塑性差低温莱氏体中有大量共晶渗碳体，故材料的塑性差；3）在1100℃，含碳0.4%的钢能进行锻造，含碳4.0%的生铁不能锻造；在1100℃时，含碳0.4%的钢的组织为奥氏体，奥氏体的塑性很好，因此适合于锻造；含碳4.0%的生铁的组织中含有大量的渗碳体，渗碳体的硬度很高，不适合于锻造。4）钢锭在950～1100℃正常温度下轧制，有时会造成锭坯开裂；这是因为有时因冶金质量不高，钢中留有低熔点的三元硫共晶在晶界上分布。在950～1100℃时，硫共晶会熔化，形成所谓“热脆”现象。5）一般要把钢材加热到高温(约1000～1250℃)下进行热轧或锻造对低碳钢而言，确是如此。这样可以保证是在单相奥氏体相区内进行压力加工。6）钢铆钉一般用低碳钢制成低碳钢塑性好。7）绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却用钢丝绳（用60、65、70、75等钢制成）；绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选用低碳钢有很好的塑韧性，镀锌低碳钢丝；而起重机吊重物用钢丝绳除要求有一定的强度，还要有很高的弹性极限，而60、65、70、75钢有高的强度和高的弹性极限。这样在吊重物时不会断裂。8）钳工锯T8，T10,T12等钢料时比锯10,20钢费力，锯条容易磨钝；T8，T10,T12属于碳素工具钢，含碳量为0.8%，1.0%，1.2%，因而钢中渗碳体含量高，钢的硬度较高；而10,20钢为优质碳素结构钢，属于低碳钢，钢的硬度较低，因此钳工锯T8，T10,T12等钢料时比锯10,20钢费力，锯条容易磨钝。9）钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于通过铸造成形。因为钢的含碳量范围在0.02%～2.14%之间，渗碳体含量较少，铁素体含量较多，而铁素体有较好的塑韧性，因而钢适宜于压力加工；而铸铁组织中含有大量以渗碳体为基体的莱氏体，渗碳体是硬脆相，因而铸铁适宜于通过铸造成形。6、在平衡条件下，45钢、T8钢和T12钢的强度、硬度、塑性和韧性哪个大，哪个小，变化规律是什么，原因何在？强度：T8T1245#，碳素钢中以珠光体的综合机械性能为最好，强度最好，T8钢中珠光体的体积分数最大，其次为T12和45#钢；硬度：T12T845#，碳素钢中以渗碳体相的硬度为最高，T12钢中渗碳体的体积分数最大，其次为T8和45#钢。塑性：45#T8T12，碳素钢中以铁素体相的塑性最好，45#钢中铁素体的体积分数最大，其次为T8钢和T12钢。第三部分习题与思考题1、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。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。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。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。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。奥氏体：碳原子溶于γ-Fe中形成的固溶体。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。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。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。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。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。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。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。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?有三种。分别是珠光体、索氏体和屈氏体。珠光体是过冷奥氏体在550℃以上等温停留时发生转变，它是由铁素体和渗碳体组成的片层相间的组织。索氏体是在650～600℃温度范围内形成层片较细的珠光体。屈氏体是在600～550℃温度范围内形成片层极细的珠光体。珠光体片间距愈小，相界面积愈大，强化作用愈大，因而强度和硬度升高，同时，由于此时渗碳体片较薄，易随铁素体一起变形而不脆断，因此细片珠光体又具有较好的韧性和塑性。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?有两种。上贝氏体和下贝氏体。上贝氏体的形成温度在600～350℃。在显微镜下呈羽毛状，它是由许多互相平行的过饱和铁素体片和分布在片间的断续细小的渗碳体组成的混合物。其硬度较高，可达HRC40～45，但由于其铁素体片较粗，因此塑性和韧性较差。下贝氏体的形成温度在350℃～Ms，下贝氏体在光学显微镜下呈黑色针叶状，在电镜下观察是由针叶状的铁素体和分布在其上的极为细小的渗碳体粒子组成的。下贝氏体具有高强度、高硬度、高塑性、高韧性，即具有良好的综合机械性能。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?两种，板条马氏体和片状马氏体。奥氏体转变后，所产生的M的形态取决于奥氏体中的含碳量，含碳量＜0.6%的为板条马氏体；含碳量在0.6—1.0%之间为板条和针状混合的马氏体；含碳量大于1.0%的为针状马氏体。低碳马氏体的晶体结构为体心立方。随含碳量增加，逐渐从体心立方向体心正方转变。含碳量较高的钢的晶体结构一般出现体心正方。低碳马氏体强而韧，而高碳马氏体硬而脆。这是因为低碳马氏体中含碳量较低，过饱和度较小，晶格畸变也较小，故具有良好的综合机械性能。随含碳量增加，马氏体的过饱和度增加，使塑性变形阻力增加，因而引起硬化和强化。当含碳量很高时，尽管马氏体的硬度和强度很高，但由于过饱和度太大，引起严重的晶格畸变和较大的内应力，致使高碳马氏体针叶内产生许多微裂纹，因而塑性和韧性显著降低。随着含碳量的增加，钢的硬度增加。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。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。共析钢C曲线中，过冷奥氏体开始转变点的连线称为转变开始线；过冷奥氏体转变结束点的连