教材中的练习与参考答案金工文档格式.docx

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1-6因为低碳钢塑性、韧性好，这些承载零件一旦超载即发生塑性变形，引起操作者注意，及时降载或更换零件，且低碳钢冷塑性变形后还产生加工硬化，可降低超载引起突然断裂的危险性。

1-7硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。

常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验法。

1-8布氏硬度

原理：

用直径D的淬火钢球或硬质合金球作压头，以相应用的试验力F压入试件表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，得到一直径为d的压痕。

用试验力除以压痕表面积，即得布氏硬度值。

优点：

试验数据准确、稳定。

缺点：

测试较麻烦；

压痕大，不宜测薄件或成品件；

球形压头会变形或损坏，不宜硬度高的材料。

应用HBS测试硬度值小于450的材料；

HBW测试硬度值在450~650范围的材料。

布氏硬度常用来测定铸铁、有色金属、经退火、正火和调质处理的钢材等硬度，如半成品和原材料。

洛氏硬度

在初试验力和总试验力的先后作用下，将压头（顶角120的金刚石圆锥或◆1.588mm的淬火钢球）压入试样表面，保持规定时间后，卸除主试验力，测量出残余压痕深度增量，用以计算硬度。

操作简便，迅速、压痕小，可测试成品表面及较硬、较薄的工件。

因压痕小，对组织、硬度不均匀的材料，硬度值波动较大，准确性不如布氏硬度高。

应用：

主要应用于测定钢铁、有色金属、硬质合金等的硬度。

1-9查教材附录附表2（b）22HRC换算成234HBS，符合220~250HBS图纸要求。

1-10

（1）不正确，HBS适用于测量硬度值小于450的材料；

（2）不正确，HBW用于测量硬度值在450~650的材料，且硬度值一般不标单位；

（3）不正确，HRC在用于测量硬度值20~70的材料；

（4）不正确，HRC用于测量硬度值20~70的材料；

（5）不正确，应写成45~50HRC；

（6）不正确，HRC不应有单位，且应写成数字在前，硬度符号在后。

1-11

（1）布氏硬度，HBS；

（2）布氏硬度，HBS；

（3）洛氏硬度，HRC；

（4）洛氏硬度，HRA；

（5）维氏硬度，HV。

1-12吸收AK是指试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功。

AK越大，材料韧性越好。

1-13零件在循环压力作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一事实上循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，称为金属疲劳。

在零件的尖角、孔、槽、微裂纹、夹杂物、表面划痕、刀痕、局部应力集中处，在循环应力作用下易产生疲劳裂纹，裂纹不断扩展，减小了零件的有效承载面积，最后与截面减小至不能承受外力时，零件即发生突然断裂。

提高零件疲劳强度的方法是合理设计零件结构，避免应力集中、降低表面粗糙度值、进行表面滚压、喷水处理、表面热处理等。

第二章金属的结构与结晶

2-1晶体：

是原子按一定几何形状作有规律排列的固体。

如金刚石、石墨、金属与合金等。

晶格：

用于描述原子在晶体中规律排列方式的空间格子称为结晶格子，简称晶格。

晶格中直线交点称为结点。

单晶体：

是晶体内部原子排列方向（称晶格位向）完全一致的晶体。

多晶体：

由许多小晶体（单晶体）组成的晶体。

晶粒：

多晶体材料内以晶界分开、晶格排列方向基本相同的小晶体，称为晶粒。

晶界：

多晶体材料中相邻晶粒的界面称为晶界。

合金：

是指两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。

组织：

指用金相法看到的形态、尺寸和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。

显微组织：

指用光学显微镜或电子显微镜观察到的组织。

固溶体：

是指合金在固态下，组元间能互相溶解而形成的均匀相。

金属化合物：

是指合金组元间相互作用而生成的具有金属特性的一种新相。

固溶强化：

指溶质原子溶入溶剂晶格中导致固溶体晶格畸度，使合金强度、硬度升高的现象。

弥散强化：

指金属合化物细小均匀分布在固溶体基体上时，能显著提高合金的强度、硬度和耐磨性的现象。

2-2

体

心

立

方

晶

格

晶胞是一个立方体，在立方体的八个顶角和立方体的中心各有一个原子

面

晶胞是一个立方体，在立方体的八个顶角和立方体的六个面的中心各有一个原子

密

排

六

晶胞是一个六方柱体，六方柱体的各个角和上下底面中心各有一个原子，在顶面和底面间还有三个原子

2-3有点缺陷（晶格空位、间隙原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界）。

通常，晶体缺陷造成晶格畸度，使金属的强度、硬度有所提高。

2-4生产中，金属的实际结晶温度t1要低于理论结晶温度t0，t0与t1之差（t0-t1）称为过冷度t。

通常情况下，增加过冷度，使晶粒细化；

使金属的强度增加，塑性、韧性也好。

2-5细晶粒金属的强度比粗晶粒高，塑性、韧性也好。

细化晶粒的方法有增加过冷度、度质处理、附加振动。

2-6在固态下，金属晶格类型随温度发生变化的现象称为同素异晶转度。

Fe的相度湿度有三个：

液相1538固相（Fe），◆◆◆◆，◆◆◆◆。

◆◆◆◆：

体心站，◆◆：

面心立方。

2-7在液态金属中加入少量变质剂（唯熔的固体微粒）充当人工晶核，使晶粒细化的处理方法称为变质处理。

它的作用是细化晶粒。

2-8

（1）金属模浇注铸件晶粒细；

（2）浇注时采用振动晶粒细。

2-9

（1）2；

（2）1。

2-10合金是指两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。

与纯金属相比，合金的强度、硬度较高，制造成本较低，种类繁多、性能各异，可满足不同的需要，应用广泛。

因为合金中的固溶体有固溶强化作用，细小均匀分布的金属化合物有弥散强化作用，不像纯金属要求较高的纯净度，固而制造成本较低。

2-11因为单晶体由原子是按一定几何形状作有规律排列的，不同方向上原子排列密度不同，因而性能不同，即各向异性。

生产中使用的金属大多为多晶体，虽然多晶体中每个晶粒和单晶体一样具有各向异性，但一块金属包含有大量彼此位向不同的晶粒，不同方向的金属性能却是许多晶粒性能的平均值，故一般金属（多晶体）表现为各向同性。

2-12合金的结构因其他组元的加入，形成固溶体、金属化合物基本相，不同于纯金属的单一晶体结构。

由于固溶体会产生固溶强化，金属化合物细小的均匀分布在固溶体上产生弥散强化，因而是强度、硬度比纯金属高。

2-13

（1）有相的改变；

（2）无邪恶的改变。

2-14纯金属液在一定过冷变下，开始形成结晶核心，晶核依靠吸附周围液体中的原子长中。

与此同时，在液态金属中又有新晶核产生、长大，直到全部结晶成固态金属。

合金的结晶与纯金属相似处是都遵循生核与长大的规律，结晶过程都有潜热放出。

不同处是纯金属结晶在某一恒温下进行，合金通常在某一温度范围内进行，且各相成分还发生变化，结晶比纯金属复杂。

第三章铁碳合金状态图

3-1铁碳合金状态图是表示平衡状态下，不同成分的铁碳合金，在不同温度时所具有的状态或组织的图形。

3-2在固态下，金属晶格类型随温度发生变化的现象称为同素异晶转变。

铁的同素异晶转变是钢铁能进行热处理的基础，也是钢铁材料品种多样、应用广泛的重要原因。

3-3随碳质量分数增加，铁碳合金室温组织中，F减少；

Fe3C增多，且形态、分布有所不同，形成不同组织。

◆

≤0.0218

＜0.77

0.77

＞0.77

＜4.3

4.3

＞4.3

室温组织

F

F+P

P

P+◆

P+◆+◆

3-4铁素体：

碳溶于α-Fe的间隙固溶体；

F；

体心立方晶格，溶碳量很少，显微组织与纯铁相似，呈明亮的多边形晶粒；

性能与纯铁相似，即强度、硬度低，塑性、韧性好。

臭氐体：

碳溶于γ-Fe的间隙固溶体；

A；

面心立方晶格，晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直；

强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好，钢材多数加热到臭氏体状态进行锻造。

渗碳体：

铁与碳形成的金属化合物；

Fe3C；

具有复杂的晶体结构，wC=6.69%；

它是钢中的主要强化相，它的形态、大小、数量和分布对钢及铸铁的性能有很大影响，渗碳体硬度很高，塑性、韧性很差，δ、Ak接近于零，脆性很大。

珠光体：

由铁素体和渗碳体组成的机械混合物；

P；

由铁素体与渗碳体片层状交替排列的共转变组织，碳合量平均为wC=0.77%；

性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。

莱氏体：

由臭氏体和渗碳体组成的机械混合物；

Ld（高温莱氏体），Ld’（变态莱氏体）；

变态莱氏体由渗碳体与珠光体相近，硬度很高，塑性很差。

3-5一定成分的液相，在恒温下同时转变成两个固相称为共晶转变，◆◆◆◆◆，一定成分的固相，在恒温下同时转变成两个固相称为共折转变，◆◆◆◆◆。

3-6◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆

3-7碳钢可以锻造，因处于A区，塑性好；

白口铸铁不能锻造，因存在硬脆的Ld相和液相。

3-8打洛氏硬度HRC，wC=0.20%，太软测不出HRC；

wC=0.40%，HRC低；

wC=1.2%，HRC中；

wC=3.5%，HRC高。

3-9亚共折钢：

0.0218＜wC＜0.77%的钢，F+P；

共折钢；

wC=0.77%的钢，P；

过共折钢：

0.77%＜wC≤2.11%的钢，P+Fe3CⅡ。

3-10

（1）钢铆钉使用时头部要被砸扁，不能太硬；

（2）铁丝绑扎物件要缠绕，要软一点；

钢丝绳吊重物要承受很大的拉伸力，要有高的强度；

（3）wC=1.0%的钢硬度高，wC=0.1%的钢硬度低。

Fe-Fe3C状态图（局部）及钢的组织转变示意图

合金Ⅱ（wC=0.45%）：

t1以上，全部为L→t1时，开始从L相折出A，t1~t2为L+A→当达到t2时，全部变成A，t2~t3，为A→当低于t3时，为A→中折出F，t3~t4为F+A→达到t4时，F成分为p，A成分为s（0.77），在727℃发生共折转变，As◆◆Fp+Fe3C，t4以下组织不再变化，室温组织为F+P；

合金Ⅰ（wC=0.77%）：

t1以上，全部为L→t1时，开始从L相折出A，t1~t2为L+A→当达到t2时，全部变成A，t2~t3为A→当达t3（727℃）时，成分s（0.77%）的A发生共折转变，As◆◆Fp+Fe3C，t3以下组织不再变化，室温组织为P（Fp+Fe3C）；

合金Ⅲ（wC=1.0%）：

t1以上全部为L→t1时，开始从L相折出A，t1~t2为L+A→当达到t2时，全部变成A，t2~t3为A→当低于t3时，从A中折出Fe3CⅡ，t3~t4为A+Fe3CⅡ→达到t4，A成分为s（0.77%），在727℃发生共折转变，As◆◆P（Fp+Fe3C），t4以下直至室温，组织为p+Fe3CⅡ。

3-12亚共折钢显微组织：

F+P，过共折钢显微组织：

p+Fe3CⅡ，由于F强度、硬度低，塑性、韧性好，Fe3C硬度很高，塑性、韧性很差，因此亚共折钢强韧性好，过共折钢硬度高，耐磨性好。

3-13浇灌钢筋混凝土用的钢筋要求有好的塑性、韧性和一定的强度，与高碳钢及铸件相比，只有低碳钢符合性能要求。

3-14不能，因为1148℃以上时，该合金处于L相不能锻造；

低于1148℃，结晶出Ld，是硬度很高、塑性很差，脆性很大的组织，不能锻造。

第四章非合金钢（碳钢）

4-1碳钢是指wC≤2.11%，并含有少量硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。

硅：

与钢液中FeO生成炉渣，消除其对钢不良影响；

溶于铁素体，产生固溶强化。

在钢中有益，一般wsi＜0.4%。

锰：

将FeO还原成铁，改善钢质量；

溶于铁素体，产生固溶强化；

形成合金渗碳体，起强化作用；

生成MnS，减少硫对钢的有害作用。

在钢中有益，一般wMn=0.25%~0.80%。

硫：

与Fe形成低熔点（985℃）共晶体，造成热加工时钢热脆；

易引起焊缝热裂。

在钢中有害，应严格限制。

磷：

能全溶于铁素体，提高钢硬度、强度，但塑性、韧性显著降低，造成冷脆。

4-2有以下四种：

1．按碳含量分类：

（1）低碳钢wC＜＞0.25%。

（2）中碳钢wC=0.25%~0.60%。

（3）高碳钢wC＞0.60%。

2．按质量等级分类

（1）普通质量碳钢ws≥0.045%、wp≥0.045%。

一般用碳素结构钢，碳素钢筋钢等。

（2）优质碳钢ws、wp比普通质量碳钢少。

机械、工程结构用优质碳钢等。

（3）特质质量碳钢ws≤0.020%、wp≤0.020%。

保证淬透性碳钢、碳素弹簧钢、工具钢等。

3．按用途分类

（1）碳素结构钢制造机械零件、工程结构件。

一般属于低、中碳钢。

（2）碳素工具钢制造刃具、量具和模具。

一般属于高碳钢。

4．按冶炼时脱氧方法分类

（1）沸腾钢

（2）镇静钢

（3）半镇静钢

4-3Q235-A·

F：

碳素结构钢，Q235表示σs≥235Mpa，质量等级为A级，F为沸腾钢，用于连杆、拉杆、轴、螺栓、齿轮等机械零件及角钢、槽钢、圆钢、工字钢等型材。

20：

优质碳素结构钢，wC≈0.20%，用于不需热处理的低负荷零件，如螺栓、螺钉、螺母、拉杆、法兰盘等，渗碳后可制作齿轮、轴、凸轮、磨擦片等。

45：

优质碳素结构钢，wC≈0.45%，主要制作齿轮、连杆、轴类等零件，是应用广泛的钢号。

T10：

碳素工具钢，T10表示wC≈1.0%的碳素工具钢，用于低连刀具，如刨刀、丝锥、扳牙、锯条、卡尺、冲模、拉丝模等。

4-460：

优质碳素结构钢，wC≈0.60%，用于弹性零件和易磨损零件，如弹簧、镜等。

T12A：

碳素工具钢，wC≈1.2%，A表示钢中硫、磷含量比较低，用于需高硬度、不受振动的低速刀具，如锉刀、刮刀、钻头、外科用刀具等。

Q195：

碳素结构钢，σs≥195Mpa，用于载荷较小的钢丝、垫圈、铆钉、冲压件，焊接件等。

ZG310-570：

铸钢，σs≥310Mpa、σb≥570Mpa，用于载荷较大的耐磨件，如辊子、齿轮、制动轮等。

4-5碳是决定铁碳合金力学性能最主要的元素，当wC＜0.9%时，随wC增加，层片状Fe3C量不断增加，钢的强度、硬度不断升高，塑性、韧性不断降低。

当wC＞0.9%时，在晶界形成网状Fe3CⅡ，虽然硬度仍在升高，但是强度下降，塑性、韧性继续降低。

为使钢有足够的强度、一定的塑性和韧性，工业上应用的碳钢，wC不超过1.4%。

4-630，50，T7，T9。

4-7主要是碳素结构钢。

成分特点是中、低含碳量（wC≤0.60%）。

性能特点是低碳钢（wC＜0.25%，塑性、韧性好，有一定的强度，冷成型性、焊接性好，中碳钢（wC=0.25%~0.60%）强度、塑性、韧性都较好，热处理后有良的综合力学性能。

4-8

（1）弹簧弹不起来，缺乏弹性或使用中断裂；

（2）强度不足，易变形和断裂；

（3）太软，太锤变形，且锤击力减小。

第五章钢的热处理

5-1热处理是采用适当的方式对金属材料或工件（以下简称工件）进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。

热处理能显著提高钢的力学性能，满足零件使用要求和延长寿命；

还可改善钢的加工性能，提高加工质量和劳动生产率，因此热处理在机械制造中应用很广。

如汽车、拖拉机中有70%~80%的零件要进行热处理；

各种刀具、量具、模具等几乎100%要进行热处理。

5-2钢进行热处理的理论依据是铁的同素异晶转变、热处理工艺的制订要依据铁碳合金状态图。

常用热处理方法按目的与作用不同有

整体热处理：

退火、正火、淬火、回火等

表面热处理：

火焰淬火、感应淬火等

化学热处理：

渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等

5-3A1、A3、Acm是共折钢、亚共折钢、过区折钢被缓慢加热时全部获得A组织，或它们被缓慢冷却时，开始从A中折出p、F、Fe3CⅡ组织的平衡温度点。

实际生产中，热处理的加热和冷却不是很缓慢，固态相变时都有不同程度的过热度和过冷度，因此将加热时各相变点用Ac1、Ac3、Accm表示（有过热度），冷却时各相变点用Ar1、Ar3、Arcm表示（有过冷度）。

5-4共折钢加热目的是获得全部A组织。

加热时，在F和Fe3C交界面上形成A晶核，依靠Fe、c原子扩散，A晶核长大，同时，又有新的A晶核形成与长大，直至F全部消失。

其后是残余Fe3C的溶解。

最后是A成分（C浓度）均匀化。

5-5

转变

类型

转变温度

转变产物

符号

组织形态

硬度

珠

光

转

变

A1~650℃

珠光体

粗片状

160~250HBS

约650~600℃

索氏体

（细珠光体）

S

细片状

25~35HBS

约600~550℃

托氏体

（极细珠光体）

T

极细片状

35~40HBS

贝

氏

约550~350℃

上贝氏体

B上

羽毛状

40~45HBS

约350~M

下贝氏体

B下

黑片（针）状

45~55HBS

5-6工件淬火时可抑制非马氏体转变的最低冷却速度称为马氏体临界冷却速度。

它越小，钢的淬透性越好，可以在较低的冷却速度小获得M，减少淬火应力、淬火变形与淬火裂纹。

5-7退火是将工件加热到适应温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。

根据钢的成分和退火目的不同，退火有以下种类：

①完全退火：

用于亚共折碳钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材，焊件等。

②等温退火：

用于亚共折碳钢、合金钢、过共折碳钢、合金工具钢、轴承钢。

③球化退火：

用于过共折钢和合金工具钢、轴承钢等。

④去应力退火：

于铸件、锻压件、焊件、切削加工件等。

⑤均匀化退火：

用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件和锻坯等。

5-8正火与退火的目的基本相同，如均匀钢的成分，细化晶粒，消除残余应力，降低钢的硬度，提高塑性，改善切削加工和压力加工性能等。

一般用作预备热处理，被安排在毛坯生产之后，粗加（或半精加工）之前。

区别在于正火冷却速度较快，得到的珠光体晶粒较细，硬度和强度较退火的高；

操作简便，生产周期短，成本较低。

为改善切削加工性，高碳钢应选用退火，低、中碳钢应选用正火；

过共折钢珠化退火前，应进行正火消除网状渗碳体，做好组织准备。

对性能要求不高的零件，以及一些大型或形状复杂的零件，淬火容易开裂时，也可用正火作最终热处理，而退火做不到。

生产中达到正火、退火两可情况时，尽量选用正火。

5-9淬火是将工件加热臭氏体化后以适应方式冷却得马氏体或（和）贝氏体组织的热处理工艺。

淬火的目的是为了得到马氏体（或贝氏体）组织，提高钢的硬度、强度和耐磨性。

例如用T10A制造的手锯条、淬火，低于回火后，HRC≥62，它就可以锯削退火状态的T10A材料（HBS≤197，相当于＜20HRC。

5-10

种类

单介质淬火

双介质淬火

马氏体分级淬火

贝氏体等温淬火

特点

操作简便、易机械化、自动化

可减小淬火应力，减小变形，防止开裂，对操作技术要求较高

可显著减少工件的变形和开裂

应力和变形很小，工件强度、韧性、耐磨性较好，但生产率低

应用

范围

一般碳钢水淬，合金钢及尺寸较小的碳钢件油淬

形状复杂的高碳钢工件、尺寸较大的合金钢工件

形状复杂的碳钢和合金钢小型工件

形状复杂，要求尺寸精确、较高韧性的小型工模具和弹簧等

5-11

（1）当◆◆◆◆◆◆时，例如共折钢情况F，说法是正确的，因为共折钢水冷得M+少量A，油冷得M+T，空冷得S。

当◆◆◆◆◆时，例如高速钢情况下，说法是不正确，因为水冷、油冷、空冷时高速钢得到的都是M+A，三者硬度接近。

（2）当零件尺寸较大，钢的渗透性不高时，说法可能是正确的，如40钢、40cr（低渗透性）、40CrNiMoA（高渗透性），钢中合金元素多了，钢的淬透性提高了，在同样条件下淬火，M量增加，非M组织减少或消失，因而硬度增加。

当零件尺寸很小，或钢的淬透性较高时，无论合金元素多少，钢都能淬透时，说法不正确，因为M硬度决定于它的含碳量，而与合金元素量无关。

5-121-M，2-M，3-M，4-M+T，5-B下。

5-13回火是工件淬硬后加热到AC1下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。

目的：

①消除工件淬火时产和的残留应力，防止变形和开裂；

②调正工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；

③稳定组织与尺寸，保证精度；

④改善和提高加工性能。

回火一般紧接着淬火进行，是工件获得所需性能的最后一道重要工序。

5-141—p+Fe3C，２—Ａ+Fe3C，３—Ｍ＋Fe3C，４—回火Ｍ+Fe3C，５—回火Ｍ+Fe3C

5-1545钢淬火温度是840℃，其余不正确；

T12钢淬火温度是770℃，其余不正确；

原因有二点：

一是45钢淬火得M+F组织，F很软，且M中wC为中碳；

二是T12钢淬火得M+Fe3C组织，Fe3C很硬，且M中wC为高碳，M的硬度由M中含碳量决定，含碳量高，M硬。

5-16低碳钢齿轮：

渗碳、淬火、低温回火，表面层获得回火高碳马氏体、具有高的硬度和耐磨性；

心部仍保持原有低碳钢的成分和组织，具有高的塑性和韧性。

中碳钢齿轮：

调质（淬火，高温回火），高频应淬火，低温回火。

表层获得回火中碳马氏体，具有较