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[0927]《工程材料》
1.晶体结构与相图作业
[判断题]实际金属中位错密度越大、晶界和亚晶界越多，其强度越高。
参考答案：
正确
[判断题]布氏硬度测量硬度时，用符号HBW表示。
参考答案：
正确
[判断题]维氏硬度测量硬度时，用符号HV表示。
参考答案：
正确
[判断题]把在实际晶体中出现的空位和间隙原子叫做点缺陷。
参考答案：
正确
[判断题]所有合金都是多相组织。
参考答案：
错误
[判断题]金属结晶后晶粒越细小，则其强度越小，而塑性和韧性越差。
参考答案：
错误
[判断题]在铁碳合金相图中，奥氏体在1148℃时，溶碳能力可达4.3%。
参考答案：
错误
[判断题]在铁碳合金相图中，铁素体在727℃时，溶碳能力可达2.11%。
参考答案：
错误
[判断题]体心立方晶格的致密度为84%。
参考答案：
错误
[判断题]洛氏硬度测量硬度时，用符号HBW表示。
参考答案：
错误
[判断题]奥氏体是碳溶解在α-Fe中所形成的置换固溶体。
参考答案：
错误
[判断题]衡量材料的塑性的指标主要有伸长率和冲击韧性。
参考答案：
错误
[判断题]
在铁碳合金中，铁素体在727℃时，溶碳能力可达2.11%。
参考答案：
错误
[判断题]渗碳体是碳溶解在γ-Fe中所形成的置换固溶体。
参考答案：
错误
[填空题]
名词解释
1.强度：
2.硬度：
3.点缺陷：
4.过冷度：
5.同素异构转变：
6.合金：
7.固溶体：
8.共晶反应：
9.共析反应：
10.铁素体：
11.珠光体：
12.奥氏体：
参考答案：
名词解释
1.强度：
金属材料在载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。
2.硬度：
是衡量材料的软硬程度的指标。
通常有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。
3.点缺陷：
原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。
4.过冷度：
是金属的理论结晶温度与实际结晶温度的差值。
5.同素异构转变：
同一种元素在不同条件下具有不同的晶体结构，当温度等外界条件变化时，晶格类型会发生转变，称为同素异构转变。
6.合金：
由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。
7.固溶体：
合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的与其中某一组元的晶格类型相同的均匀相。
8.共晶反应：
一定成分的液相，在一定温度下，同时结晶出成分不同的两种固相的反应。
9.共析反应：
是从一个固相中同时析出两种不同新相的反应称为共析反应。
10.铁素体：
是碳在α-Fe中形成的间隙固溶体。
11.珠光体：
是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
12.奥氏体：
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，常用A或γ表示。
[判断题]实际金属中位错密度越大、晶界和亚晶界越多，其强度越高。
参考答案：
正确
[判断题]把在实际晶体中出现的空位和间隙原子的缺陷叫做面缺陷。
参考答案：
错误
[判断题]单晶体具有各向异性，多晶体具有各向同性。
参考答案：
正确
[判断题]洛氏硬度测量硬度时，用符号HR表示。
参考答案：
正确
[判断题]金属材料在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力叫强度。
参考答案：
正确
[判断题]把在实际晶体中出现的空位和间隙原子的缺陷叫做线缺陷。
参考答案：
错误
[论述题]
分析、计算题：
根据下列简化的铁碳合金相图，
解答下列问题：
1）说明45、50、65、T12钢从液态冷却到室温的平衡结晶过程；
2）计算45、50、65、T12钢室温时的组织相对量，即组织中铁素体和珠光体各占的百分数。
参考答案：
1）.答：
45、50、65钢均是亚共析钢，其结晶过程基本相同。
当合金由液态缓冷到液相线温度时，从液相中开始结晶出奥氏体。
随温度的降低，结晶出的奥氏体量增多，其成分先后沿固相线AE变化，液相的成分沿液相线AC变化。
固相线温度时，液相全部结晶为奥氏体。
固相线至GS线间为单相奥氏体。
合金缓冷至GS线温度时，开始从奥氏体中析出铁素体。
随着温度的下降，铁素体的不断析出，奥氏体的含碳量逐渐增多。
铁素体和奥氏体的含碳量分别沿GP线和GS线变化。
缓冷至727℃时，奥氏体的含碳量增至共析点成分（wC＝0.77％），在此温度时奥氏体发生共析转变，生成珠光体。
冷却至室温，组织基本不变化，室温组织为F＋P。
即：
T12钢是过共析钢，其结晶过程是当合金由液态缓冷到液相线温度时，从液相中开始结晶出奥氏体。
随温度的降低，结晶出的奥氏体量增多，其成分先后沿固相线AE变化，液相的成分沿液相线AC变化。
固相线温度时，液相全部结晶为奥氏体。
固相线至ES线间为单相奥氏体。
合金缓冷至ES线温度时，开始从奥氏体中析出二次渗碳体。
随着温度的下降，二次渗碳体不断析出，奥氏体的含碳量逐渐降低。
缓冷至727℃时，奥氏体的含碳量降至共析点成分（wC＝0.77％），在此温度时奥氏体发生共析转变，生成珠光体。
冷却至室温，组织基本不变化，室温组织为P＋Fe3CⅡ。
2）.解：
设组织中铁素体为QF、珠光体为QP
根据杠杆定律：
45钢：
QF=
=41.6%
QP=1－QF=58.4%
50钢：
QF=
=35.1%
QP=1－QF=64.9%
65钢：
QF=
=15.6%
QP=1－QF=84.4%
T12钢组织为：
珠光体Qp、二次渗碳体QFe3CⅡ
QP=（6.69-1.2）/（6.69-.077）=92.7%
QFe3C=1－QP=7.3%
[判断题]在一般情况下，金属结晶后晶粒越细小，则其强度越好，而塑性和韧性越差。
参考答案：
错误
[论述题]
1.常见的金属晶体结构有哪几种？
2.实际晶体中的晶体缺陷对金属性能有何影响？
3.在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？
4.简述Fe-Fe3C相图中的共晶反应、共析反应过程，写出反应式。
5.亚共析钢、共析钢和过共析钢的组织有何特点和异同点。
6.简述碳钢中含碳量变化引起机械性能变化的规律。
7.简述碳量对碳钢力学性能的影响。
参考答案：
1.答：
常见金属晶体结构有：
体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。
2.答：
如果金属中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随着晶体中缺陷的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。
因此，无论点缺陷，线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变，从而使晶体强度增加。
同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻，降低金属的抗腐蚀性能。
3.答：
采用的方法：
①增大过冷度，钢模铸造以及在砂模中加冷铁以加快冷却速度的方法来控制晶粒大小。
②变质处理：
在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒。
③机械振动、搅拌。
4.答：
共晶反应：
1148℃时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物。
反应式：
L（4.3）
A（2.11）+Fe3C（6.69）
共析反应：
合金冷却到727℃时具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物。
反应式：
A（0.77）
（F（0.0218）+Fe3C（6.69））
5.答：
亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成。
其中铁素体呈块状。
珠光体中铁素体与渗碳体呈片状分布。
共析钢的组织由珠光体所组成。
过共析钢的组织由珠光体和二次渗碳体所组成，其中二次渗碳体在晶界形成连续的网络状。
共同点：
钢的组织中都含有珠光体。
不同点：
亚共析钢的组织是铁素体和珠光体，共析钢的组织是珠光体，过共析钢的组织是珠光体和二次渗碳体。
6.答：
碳钢组织中铁素体是软韧相，渗碳体是硬脆相。
因此，其机械性能主要取决于铁素体与渗碳体的相对数量和它们的相对分布。
随着含碳量增加，亚共析碳钢组织中的铁素体随含碳的增多而减少，而珠光体量相应增加。
因此塑性、韧性降低，强度和硬度呈直线上升。
共析钢为珠光体组织。
具有较高的强度和硬度，但塑性较低。
而过共析钢，wC＜0.9％时，碳量增加，强度和硬度继续增加。
wC≈0.9％时，抗拉强度出现峰值。
wC＞0.9％以后，二次渗碳体量逐渐增加并形成连续的网状，从而使钢的脆性增加，塑性韧性继续下降，强度也显著降低。
硬度仍呈直线上升。
7.答：
碳钢中含碳量增高，组织中渗碳体的相对量增加，钢的硬度增加，而且渗碳体的大小、形态和分布也随之发生变化。
渗碳体由层状分布在铁素体基体内（如珠光体），改变为网状分布在晶界上（如二次渗碳体）。
渗碳体作为强化相，当它与铁素体构成层状珠光体时，可提高合金的强度和硬度，故合金中珠光体量越多时，其强度、硬度越高，而塑性、韧性却相应降低。
当钢中wC<0.9％时，随着钢中含碳量的增加，钢的强度、硬度呈直线上升，而塑性、韧性不断降低；当钢中wC>0.9％时，因渗碳体网的存在，不仅使钢的塑性、韧性进一步降低，而且强度也明显下降。
[判断题]布氏硬度测量硬度时，用符号HRC表示。
参考答案：
错误
2.热处理作业
[判断题]
调质钢经淬火和高温回火后的组织是回火马氏体。
参考答案：
错误
[判断题]钢的淬火后进行高温回火的工艺称为调质，其组织为回火索氏体。
参考答案：
正确
[判断题]贝氏体是过饱和的铁素体和渗碳体组成的混合物。
参考答案：
正确
[判断题]马氏体是过饱和的铁素体和奥氏体组成的混合物。
参考答案：
错误
[判断题]奥氏体化的共析钢缓慢冷却到室温时，其平衡组织为莱氏体。
参考答案：
错误
[判断题]合金钢的主要特点是淬透性高、淬火变形小、回火稳定性低。
参考答案：
错误
[填空题]
名词解释
1.索氏体：
2.马氏体：
3.退火：
4.正火：
5.贝氏体
6.回火脆性
7.钢的淬透性
参考答案：
答：
1.索氏体：
过冷奥氏体在650～600℃温度范围内冷却形成层片较细的珠光体。
2.马氏体：
碳溶于α-Fe中形成的过饱和固溶体，用符号M表示。
3.退火：
将工件加热到临界点以上或在临界点以下某一温度保温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度（炉冷、坑冷、灰冷）进行冷却的热处理工艺。
4.正火：
是将工件加热到Ac3或Accm以上30～80℃，保温后从炉中取出在空气中冷却的热处理工艺。
5.贝氏体:
是过饱和的铁素体和渗碳体组成的混合物。
6.回火脆性：
是淬火钢回火时，随着回火温度的升高，通常强度、硬度降低，而塑性、韧性提高。
但在某些温度范围内回火时，钢的韧性不仅没有提高，反而显著降低，这种脆化现象称为回火脆性。
7.钢的淬透性：
是指钢在淬火时获得淬硬层的能力。
不同的钢在同样的条件下淬硬层深不同，说明不同的钢淬透性不同，淬硬层较深的钢淬透性较好。
[判断题]
表面淬火既能改变工件表面的化学成分，也能改善其心部组织与性能。
参考答案：
错误
[判断题]马氏体硬度主要取决于马氏体中的合金含量。
参考答案：
错误
[判断题]过共析钢完全退火后就能消除网状渗碳体。
参考答案：
错误
[判断题]钢的淬火后进行高温回火其组织称为调质。
参考答案：
正确
[论述题]
1.珠光体型组织有哪几种？
它们在形成条件、组织形态和性能方面有何特点？
2.常用的淬火方法有哪几种？
3.指出下列零件的锻造毛坯进行正火的主要目的及正火后的显微组织：
（1）20钢齿轮
（2）45钢小轴（3）T12钢锉刀
4.合金元素对回火转变有何影响？
5.淬火钢回火的目的是什么？
常用的回火工艺有哪几种？
指出各种回火工艺得到的组织、性能及其应用范围。
6.有一批45钢齿轮，其制造工艺为：
圆钢下料→锻造→正火→车削加工→淬火→高温回火→铣齿→表面淬火。
说明各热处理工序的名称和作用。
参考答案：
1.答：
有珠光体、索氏体和托氏体三种。
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。
托氏体是在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。
2.答：
常用的淬火方法有：
单液淬火法、双液淬火法、等温淬火法和分级淬火法。
3.答：
（1）20钢齿轮目的：
细化晶粒，均匀组织，消除内应力，提高硬度，改善切削加工性。
组织：
晶粒均匀细小的大量铁素体和少量索氏体。
（2）45钢小轴目的：
细化晶粒，均匀组织，消除内应力。
组织：
晶粒均匀细小的铁
素体和索氏体。
（3）T12钢锉刀目的：
细化晶粒，均匀组织，消除网状Fe3CⅡ，为球化退火做组织准备，消除内应力。
组织：
索氏体和球状渗碳体。
4.答：
（1）.提高淬火钢的回火稳定性（耐回火性）
由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程，使回火的硬度降低过程变缓，从而提高钢的回火稳定性。
（2）.产生二次硬化
强碳化物形成元素如Cr、W、Mo、V等，在含量较高及在一定回火温度下，将沉淀析出各自的特殊碳化物。
如Mo2C、W2C、VC等，析出的碳化物高度弥散分布在马氏体基体上，并与马氏体保持共格关系，阻碍位错运动，使钢的硬度反而有所提高，这就形成了二次硬化。
钢的硬度不仅不降低，反而再次提高。
（3）.回火时产生第二类回火脆性
含有Cr、Ni、Mn等元素的钢，在550~650℃回火后缓慢冷却，会出现冲击值的降低，称为高温回火脆性或第二类回火脆性。
5.答：
淬火钢回火的目的是降低淬火钢的脆性，减少或消除内应力，使组织趋于稳定并获得所需要的性能。
常用的回火工艺有低温回火、中温回火、高温回火。
低温回火得到的组织是回火马氏体。
内应力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。
这种回火主要应用于高碳钢或高碳合金钢制造的工、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般为HRC58～64。
中温回火后的组织为回火托氏体，硬度HRC35～45，具有一定的韧性和高的弹性极限及屈服极限。
这种回火主要应用于含碳0.5～0.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。
高温回火后的组织为回火索氏体，其硬度HRC25～35，具有适当的强度和足够的塑性和韧性。
这种回火主要应用于含碳0.3～0.5%的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件，如轴、连杆、螺栓等。
6.答：
（1）正火：
调整硬度，提高切削加工性能，细化晶粒，均匀组织。
（2）淬火+高温回火：
即调质；提高综合性能。
（3）表面淬火；提高齿面硬度和耐磨性。
3.常用材料作业
[论述题]
1.与碳钢比较，合金钢有何优点？
2.铸铁中石墨的形态对铸铁性能影响显著，请问石墨形态有哪些？
分别属于什么铸铁？
3.根据可锻铸铁的生产过程，说明为什么可锻铸铁适宜制造壁厚较薄的零件?
4.为什么比较重要的大截面的结构零件如重型运输机械和矿山机器的轴类，大型发电机转子等都必须用合金钢制造？
与碳钢比较，合金钢有何优缺点？
参考答案：
1.答：
（1）合金钢的淬透性高。
（2）合金钢耐回火性高。
（3）合金钢能满足一些特殊性能的要求。
如耐热性、耐腐蚀性、耐低温性（低温下高韧性）。
2.答：
铸铁中石墨形态有片状、蠕虫状、球状、团絮状。
分别属于灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁。
3.答：
可锻铸铁的生产过程分为两个步骤，第一步先浇注成白口铸件，第二步再经高温长时间的可锻化退火（亦称石墨化退火），使渗碳体分解出团絮状石墨。
壁薄零件能获得较大的冷却速度，浇注后易获得白口铸件，正是可锻铸铁希望获得的浇注组织，所以它适宜制造壁厚较薄的零件。
4.碳钢制成的零件尺寸不能太大，否则淬不透，出现内外性能不均，对于一些大型的机械零件，（要求内外性能均匀），就不能采用碳钢制作，比较重要的大截面的结构零件如重型运输机械和矿山机器的轴类，大型发电机转子等都必须用合金钢制造。
（1）合金钢的淬透性高；
（2）合金钢回火抗力高；
碳钢淬火后，只有经低温回火才能保持高硬度，若其回火温度超过200℃，其硬度就显着下降。
即回火抗力差，不能在较高的温度下保持高硬度，因此对于要求耐磨，切削速度较高，刃部受热超过200℃的刀具就不能采用碳钢制作而采用合金钢来制作。
（3）合金钢能满足一些特殊性能的要求。
如耐热性、耐腐蚀性、耐低温性（低温下高韧性）。
4.选材综合练习
[判断题]失效是机械零件因某种原因致使丧失其规定功能的现象。
参考答案：
正确
[论述题]
1.制造车床传动齿轮、重要轴类、滚动轴承、车刀、一般用途的螺钉等零件，试从下列牌号中分别选出合适的材料并说明钢种名称。
T10，60Si2Mn，W18Cr4V，GCr15，40Cr，45，Q235
2.制造重载齿轮、连杆、弹簧、锉刀、一般用途的小轴等零件，试从下列牌号中分别选出合适的材料并说明钢种名称。
T12，65Mn，W18Cr4V，40Cr，20CrMnTi，Q235，5CrNiMo
3.要制造冷冲压模具、热锻模、机床床身、车床传动齿轮、一般用途的螺母等零件，试从下列牌号中分别选出合适的材料并说明钢种名称。
HT250，40Cr，45，20CrMnTi，Cr12MoV，Q235，5CrNiMo
4.制造自行车架机器主轴汽车板簧汽车变速齿轮机床床身小型曲轴等零件，试从下列牌号中分别选出合适的材料并说明钢种名称，并选择合适的最终热处理方法（或说明材料状态）。
60Si2MnQT600-2T12A40CrHT200Q34520CrMnTi
参考答案：
1.答：
车床传动齿轮：
45优质碳素结构钢
重要轴类：
40Cr合金调质钢
滚动轴承：
GCr15滚动轴承钢
车刀：
W18Cr4V高速工具钢
一般用途的螺钉：
Q235普通碳素结构钢
2.答：
重载齿轮：
20CrMnTi合金渗碳钢
连杆：
40Cr合金调质钢
弹簧：
65Mn弹簧钢
锉刀：
T12碳素工具钢
一般用途的小轴：
Q235普通碳素结构钢
3.答：
冷冲压模具：
Cr12MoV冷作模具钢。
热锻模：
5CrNiMo热作模具钢。
机床床身：
HT250灰铸铁。
车床传动齿轮：
45优质碳素结构钢。
一般用途的螺母：
Q235普通碳素结构钢。
4.答：
自行车架：
Q345焊接后去应力退火
机器主轴：
40Cr最终热处理：
调质；
汽车板簧：
60Si2Mn最终热处理：
淬火+中温回火；
汽车变速齿轮：
20CrMnTi最终热处理：
渗碳后淬火+低温回火；
机床床身：
HT200最终热处理：
去应力退火；
小型曲轴：
QT600-2最终热处理：
等温淬火。
[判断题]选材的一般原则包括满足零件使用性能、工艺性、经济性、环保和资源合理利用
参考答案：
正确
[判断题]零件失效形式包括变形失效、磨损失效、断裂失效。
参考答案：
正确
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