工程材料复习题-修正版

1工程材料复习题一、名词解释蠕变：材料在高温长时间应力作用下，即使所加应力值小于该温度下的屈服极限，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂，这种现象称为蠕变。相：合金中成分相同、晶格结构相同，并与其它部分有界面分开、物理化学性能均匀的组成部分称为相。力学性能：材料抵抗各种外加载荷的能力，称为材料的力学性能。球化退火：使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺。过冷度：理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn的差值，称为过冷度。固溶强化：溶质原子溶入溶剂原子形成固溶体，使金属的强度、硬度提高的现象，称为固溶强化。淬硬性：钢淬火时能够达到的最高硬度，主要决定于马氏体的碳含量。过冷：液态金属在理论结晶温度Tm时并不产生结晶，而需冷却至理论结晶温度Tm以下某一温度Tn时才能结晶，这种现象称为过冷。临界冷却速度：奥氏体化后的钢在连续冷却过程中，只发生马氏体转变的最小冷却速度，称为临界冷却速度。淬透性:钢淬火时形成马氏体的能力。弹性变形：材料受到外加载荷作用产生变形，当载荷去除，变形消失，试样恢复原状，这种变形称为弹性变形。显微组织：在显微镜下观察到的组成相的形状、尺寸、分布以及各相之间的组合状态，称为显微组织。变质处理：在液态金属中加入变质剂（难熔金属或合金），以增加形核率，达到细化晶粒、改善组织的目的，称为变质处理。完全退火：将铁碳合金完全奥氏体化，随炉缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的退火工艺。马氏体：碳在α-Fe中形成的过饱和间隙固溶体。二、计算题1、试画出体心立方晶格的晶胞图，并计算其致密度。K22．试画出面心立方晶格的晶胞图，并计算其致密度。74.04214.334433aa单个晶胞的体积单个原子的体积原子数面心立方晶格的致密度3．试画出密排立方晶格的晶胞图，并计算其致密度。4．计算45钢室温平衡状态下，珠光体和铁素体的相对量。P%=0.45-0.0218/0.77-0.0218*100%=57.2%F%=0.77-0.45/0.77-0.0218*100%=42.8%5、计算珠光体中铁素体和渗碳体的相对量。Fe3C%=PS/PK*100%=0.77-0.0218/6.69-0.0218*100%=11.2%F%=SK/PK*100%=6.69-0.77/6.69-0.0218*100%=88.8%6．计算T10钢室温平衡状态下，珠光体和二次网状渗碳体的相对量。P%=6.69-1.0/6.69-0.77*100%=96.1%Fe3CII%=1.0-0.77/6.69-1.0*100%=3.9%三、简答题1．画出低碳钢拉伸曲线图，并指出特征点e、s、b、k点的含义。e为弹性极限点，s为屈服极限点，b点为颈缩点，此时的应力达到最大值，称为强度极限或抗拉强度，k点为试样断裂点2．什么是应力？什么是应变？它们的表示符号是什么？单位是什么？试样单位截面上的拉力称为应力，用符号σ表示，单位是MPa。试样单位长度上的伸长量称为应变，用符号ε表示，应变没有单位。3．试画出碳含量对钢平衡组织力学性能的影响曲线，并分析强度变化的原因。beF(0.0218%)0.45%P(0.77%)F(0.0218%)0.77%Fe3C(6.69%)P(0.77%)1.0%Fe3C(6.69%)3见课本60页。随着钢中含碳量的增加，出现了珠光体，强度硬度提高，塑性韧性下降，含碳量在1.0%附近出现最大值，大于1.0%之后由于二次渗碳体呈网状分布在晶界处，使得强度下降，塑性韧性降低。4．在下面坐标系中画出纯铁的冷却曲线，并指出纯铁在1100℃和室温时的晶格结构。室温纯铁晶格：体心立方体晶格1100℃纯铁晶格：面心立方晶格1538℃铁发生了结晶，1394℃和912℃铁发生了重结晶，结晶放出的热量与冷却散失的热量相等，使冷却曲线上出现了水平线。6．疲劳破坏是怎样形成的？为什么疲劳断裂对机械零件潜在着很大的危险性？由于材料表面或内部有缺陷，这些缺陷处的局部应力大于屈服强度，从而产生局部塑性变形而断裂。这些微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，使承载的有效面积减少，以致不能承受所加载荷而突然断裂。因为材料在受到远低于屈服应力的外力作用下，在没有明显塑性变形的条件下，产生的突然断裂，属低应力脆性断裂。7．液态金属结晶时细化晶粒的方法有哪些？晶粒大小对材料的力学性能有什么影响？液态金属结晶时，细化晶粒的方法有：（1）加快冷却速度，增加过冷度；（2）变质处理；（3）附加振动。晶粒愈细小，材料的强度、硬度、塑性、韧性愈高；反之愈低。8．图示为纯铁的冷却曲线，⑴标出图中“平台”①、②、③处的温度；⑵分析曲线中出现“平台”的原因。⑶指出1450℃、727℃时铁的晶格结构。（1），①处温度为1538℃，②处温度为1394℃，③处温度为912℃（2），1538℃铁发生了结晶，1394℃和912℃铁发生了重结晶，结晶放出的热量与冷却散失的热量相等，使冷却曲线上出现了水平线。（3），1450℃、727℃时铁的晶格结构均为体心立方体晶格49．以铁碳合金为例，说明共析转变的定义，写出共析转变的表达式，并说明共析转变产物组织特征。合金的共析转变是一定成分的固相，在一定温度下，同时析出两种或两种以上一定成分的新固相的转变。对于铁碳合金，共析转变是碳含量为0.77％的奥氏体在727℃同时析出一定成分的铁素体和渗碳体的转变。反应式为：CFeFAp℃s3727显微组织的特征：由于铁素体和渗碳体在恒温下同时析出，两相互相制约生长，因此，形成铁素体和渗碳体层片交替排列的细密的机械混合物——珠光体。10．指出亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁室温平衡状态下的相组分和组织组分。PS：合金中的相组分是指成分相同、结构相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分；合金中的组织是指相的组合。亚共晶白口铸铁的相组分是：F和Fe3C；组织组分’是：P、Fe3CII和Ld’共晶白口铸铁的相组分是：F和Fe3C；组织组分是：Ld’过共晶白口铸铁的相组分是：F和Fe3C；组织组分是：Fe3CI和Ld’11．以铁碳合金为例，说明共晶转变的定义，写出共晶转变的表达式，并说明共晶转变产物组织特征。合金的共晶转变是一定成分的液相在一定温度下同时析出两种或两种以上一定成分的不同固相的转变。对于铁碳合金，共晶转变是碳含量为4.3％的液相在1148℃同时析出碳含量为2.11％的奥氏体和渗碳体的转变。反应式为：CFeALE℃C31148显微组织的特征：由于奥氏体和渗碳体在恒温下同时形成，因此，形成在渗碳体基体上弥散分布奥氏体的鱼骨状机械混合物——莱氏体。12．马氏体和回火马氏体在形成条件上有什么不同？组织形态和力学性能有什么不同？马氏体M是过冷奥氏体在大于临界冷却速度的条件下形成。马氏体是碳在α-Fe中形成的过饱和固溶体。碳含量提高，马氏体硬度提高，塑性下降。高碳马氏体呈片状，低碳马氏体呈板条状。回火马氏体M回是淬火马氏体在100～250℃回火后获得；回火马氏体是ε-FeXC与马氏体的共格体，其形态和性能与马氏体基本一致。5．指出20钢和T12钢正火的主要目的，并说明正火后的组织。（1）20钢是低碳钢，低碳钢退火硬度太低，正火能提高硬度，改善切削性能，提高生产率。低碳钢板正火可防止三次渗碳体析出，改善冷冲压性能。正火后的组织是P+F。（2）T12钢为高碳钢正火是为了消除网状二次渗碳体。正火后的组织是P+Fe3C。高碳钢采用退火改善切削加工性能。5．确定下列钢件的退火方法，并指出退火的目的以及退火后的组织。⑴改善T12钢的切削加工性能；⑵ZG35的铸造齿轮。（1）球化退火，降低硬度，改善切削性能，为淬火作组织准备，组织为球状Fe3C+F。5（2）去应力退火，消除铸造内应力，组织为P+F。6．什么是钢的回火脆性？钢的回火脆性分为哪两类？其温度分别在什么范围？随回火温度提高，淬火钢的韧性并不连续提高，在某些温度区间回火或回火后缓慢冷却，韧性反而下降的现象，称回火脆性。回火脆性有第一类回火脆性和第二类回火脆性两种。淬火钢在300℃左右回火时产生的回火脆性，称第一类回火脆性。其特点是具有不可逆性，产生后无法消除，故应避免在这一温度范围内回火。含有Cr、Mn、Ni、Si等元素的合金钢，在400～550℃回火或经更高温度回火，缓慢冷却经过此温度区间，产生的回火脆性，称第二类回火脆性。其特点是具有可逆性，第二类回火脆性产生后，重新加热，快速冷却，可避免。此外，在合金钢中加入Mo、W等元素，也能有效防止第二类回火脆性产生。5．淬火内应力是怎样产生的？退火和回火都可以消除内应力，在应用上有什么区别。答：淬火内应力是由于淬火时零件各部分冷却速度不同和组织转变产生的；它还与零件表面和心部组织不均匀性，以及零件内部弹塑性变形不一致的影响。退火和回火因加热温度不同、组织转变不同，所获得的性能也不同，故两者不能通用。退火主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冲压件和机械加工件中的内应力，它不和淬火并用；而回火是用于消除淬火件的内应力，是淬火后采用的热处理工艺。6．38CrMoAl钢是什么钢？38表示什么含义？Cr、Mo、Al的主要作用是什么？最终采用的热处理工艺是什么？答：渗氮钢38表示材料的平均含碳量为0.38%；Cr主要用来提高淬透性，Mo可以防止第二类回火脆性产生。作为渗氮零件，Al可以和氮形成氮化铝，使渗氮后的钢件得到高的表面硬度、耐磨性。最终热处理是调质+渗氮。6．写出高速钢最常用的两种牌号，并说明合金元素W、Cr、V、Mo的主要作用。W18Gr4V，W18Gr4V2Co5，W6Mo5Gr4V2。答：W提高钢的红硬性和回火稳定性，Cr用来提高钢的淬透性，V提高钢的硬度和耐磨性。Mo防止第二类回火脆性产生.四、分析题（每小题6分，共24分）1．图示为简化的Fe-Fe3C相图，试分析：⑴G点、E点和S点的温度和碳含量；⑵分析碳含量为4.3％的Fe-C合金的结晶过程。（1）G点温度为912℃，含碳量为0%，E点温度为1148℃，含碳量为2.11%S点温度为727℃，含碳量为0.77%6（2）L→Ld（A+Fe3C）→Ld’（P+Fe3CII+Fe3C共晶）2．画示为简化的Fe-Fe3C相图。⑴分析ECF线、ES线的含义；⑵分析碳含量为0.77％的Fe-C合金的结晶过程。⑶画出室温晶相显微组织示意图。（1）ECF水平线（1148C）为共晶线，与该线成分（2.11%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共晶转变，ES线为碳在-Fe中的固溶线。在1148C，碳的溶解度最大，为2.11%，随温度降低，溶解度逐渐下降。127(2)L→L+A→A→P（F+Fe3C共析）3．图示为简化的Fe-Fe3C相图中钢部分相图。试分析：⑴P点和E点的含义；⑵碳含量为0.4％的铁碳合金的结晶过程；⑶画出室温晶相显微组织示意图。(1),P是碳在-Fe中的最大溶解度，E是碳在-Fe中的最大溶解度。(3),1238(2)L→L+A→A→F+A→P+F4．将已加热到淬火温度的钳工凿子（T8钢）刃部投入水中急冷①，然后出水停留一定时间②，再整体投入水中冷却③，如图所示。试分析：⑴水冷①、出水停留一定时间②、水冷③的作用；⑵重新加热、保温、空气中冷却④的作用。⑶写出最终组织。(1)第一次水冷①的作用是使冷却速度大于临界冷却速度，防止过冷奥氏体发生相变。②保温的目的是使工件表面和心部的温度一致，防止淬火裂纹产生。第二次水冷③的目的是减少残余奥氏体，使过冷奥氏体转变为马氏体。消除淬火内应力，增加硬度和耐磨性（2）低温回火，目的是为了稳定组织，降低脆性，消除淬火内应力（3）最终组织为M回+B下5．某工厂用20钢制成的塞规，其热处理工艺曲线如图所示。试问：⑴写出其加工工艺路线；⑵920℃渗碳后是否可直接淬火？为什么？⑶水淬冷却至－70℃的目的是什么？（1）下料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火→低温回火→磨削（2）可以。20钢淬火温度是Ac3+30～50℃＝880℃＋30～50℃＝910～930℃故920℃渗碳后可直接淬火。（3）消除淬火内应力