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工程机械材料

机械工程材料问答题

1简述细晶强化的原因。

（P38）

答：

在常温下，细晶粒金属晶界多，晶界处晶格扭曲畸变，提高了塑性变形的抗力，使其强度、硬度升高。

细晶粒金属晶粒数目多，变形可均匀分布在许多晶粒上，使其塑性好。

因此，在常温下晶粒越小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。

2简述在工业生产中细化铸锭和焊缝区晶粒的常用方法。

（P39）

答：

㈠控制过冷度（增加过冷度有利于晶粒细化）；㈡变质处理（增加了晶核的数目）；㈢振动处理

3简述加工硬化在金属的生产与使用中的实际意义。

（P61）

答：

①它是一种非常重要的强化手段，可用来提高金属的强度，特别是那些无法用热处理强化的合金尤其重要。

②加工硬化是某些工件或半成品能够拉伸或冷冲压加工成形的重要基础，有利于金属的均匀变形。

③加工硬化可提高金属零件在使用过程中的安全性

4简述冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化。

（P61）

答：

金属材料经冷塑性变形后，由于晶体缺陷增多，其内能升高，处于力学上不稳定的状态，如果升高温度使原子获得足够的活性，材料将自发地恢复到稳定状态。

冷塑性变形后的金属加热时，随加热温度升高，会发生回复、再结晶、晶粒长大等过程。

生产中常用的低温去应力退火就是利用回复现象，消除工件应力，稳定组织，并保留冷变形强化性能。

例如冷拉钢丝卷制弹簧，在卷成后进行一次低温去应力退火，可以消除应力使其定型。

5简述影响再结晶晶粒大小的因素有哪些。

（P63）

答：

＄⑴变形程度（变形越不均匀，再结晶退火后的晶粒越粗大）。

⑵原始晶粒尺寸。

⑶杂质与合金元素。

金属中的杂质与合金元素一方面增加变形金属的储存能，一方面阻碍晶界的移动，一般可起到细化晶粒的作用。

＄⑷退火温度。

当变形程度和退火保温时间一定时，再结晶退火温度越高，再结晶后的晶粒将越粗大。

6简述随含碳量的增加，铁碳合金的组织变化顺序。

（P81）

答：

F（铁素体）→F﹢Fe3CIII（三次渗碳体）→F﹢P（珠光体）→P→P﹢Fe3CII（二次渗碳体）→P﹢Fe3CII（二次渗碳体）﹢Ld'（莱氏体）→Ld'→Ld'﹢Fe3CI（一次渗碳体）

7简述常用热处理工艺的类型。

（P85）

答：

㈠整体热处理；㈡表面热处理；㈢化学热处理；㈣其他热处理

8简述奥氏体化过程及影响因素。

（P86）

答：

奥氏体的形成过程：

⒈奥氏体晶核的形成；⒉奥氏体的长大；⒊残留渗碳体的溶解；⒋奥氏体均匀化

影响奥氏体形成的因素：

⒈加热温度；⒉加热速度；⒊钢的成分；⒋原始组织

9简述加热时控制奥氏体晶粒大小的方法。

（P88）

答：

㈠加热温度。

加热温度越高，晶粒长大速度越快，奥氏体晶粒也越粗大。

㈡保温时间。

延长保温时间比升高加热温度对晶粒长大的影响小。

㈢加热速度。

加热速度越快，奥氏体化的实际温度越高，奥氏体的形核率大于生长速度，因此可以获得细小的原始晶粒。

故生产中常用快速加热和短时保温的方法来细化晶粒。

如高频淬火就是利用这一原理来细化晶粒的。

10简述马氏体转变的特点。

（P95）

答：

马氏体转变有以下特点：

㈠无扩散性。

马氏体的转变是在极大过冷度下㈡转变速度极快。

马氏体的形成不需要孕育期，马氏体的增加不是靠已形成马氏体片的长大，而是靠新马氏体片的不断形成。

㈢转变得不完全性。

马氏体点的位置主要取决于奥氏体的成分。

奥氏体的碳含量越高，Ms与Mf越低，当奥氏体中的Ϣc大于0.5％时，Mf已低于室温，这时，奥氏体及时冷到室温也不能完全转变为马氏体。

11简述球化退火的目的（P99）

答：

球化退火的目的是降低硬度，提高塑性，改善可加工性，以及获得均匀的组织，改善热处理工艺性能，为淬火做组织准备。

（球化退火主要用于共析和过共工析成分的碳钢和合金钢锻件和轧件）

12简述正火的目的。

（P101）

答：

正火的主要目是调整锻件和铸件的硬度，细化晶粒，消除网状渗碳体并为淬火做好组织准备。

通过正火细化晶粒，钢的韧性可显著改善，对低碳钢正火可提高硬度以改善可加工性，对焊接件则可以通过正火改善焊缝及热影响区的组织和性能。

13简述正火主要用于哪些方面（P101）

答：

⑴改善低碳钢的切削加工性能。

通过正火可得到数量较多而细小的珠光体组织，使硬度接近于最佳切削加工硬度，改善可加工性。

⑵作为中碳结构钢的预备热处理。

⑶作为普通零件的最终热处理

⑷消除过共析钢中的网状渗碳体。

⑸用于某些碳钢、低合金钢的淬火返修。

以消除内应力和细化组织，防止重淬时产生变形和开裂。

14简述第二类回火脆性及其产生原因。

（P109）

答：

第二类回火脆性是指含有Cr、Mn、Ni等元素的合金钢在脆化温度区回火或经更高温度回火后缓慢冷却通过该脆化温度区所产生的脆性的现象。

产生原因一般为Sb（锑）、Zn、P等杂质元素在原奥氏体晶界上偏聚，钢中Ni、Cr等合金元素促进杂质的这种偏析，而且本身也向晶界偏聚，从而增大了产生回火脆性的倾向。

15简述渗碳钢渗碳后其组织和性能的变化。

（P114）

答：

工件经渗碳后，其表面的含碳量最高，由表及里，含碳量逐渐降低，直至原始含碳量。

因此，工件从渗碳温度慢冷到室温后的组织从左到右依次是：

过共析组织（P﹢Fe3CII）、共析组织（P）、过渡区亚共析组织（P﹢F）以及心部的原始亚共析组织（F＋P）。

对于碳钢，以从表面到过渡区亚共析组织一半处的深度为渗碳层的温度；对于合金钢，则把从表面到过渡区亚共析组织终止处的深度处为渗碳层的深度。

16简述二次硬化的现象。

（P126）

答：

当钢中含有较多量中强或强碳化物形成元素Cr、W、Mo、V等，并在450～600℃温度范围内回火时，其组织因为析出了细小弥散分布的特殊合金碳化物而使钢的硬度与强度明显升高的现象。

17简述工具钢有哪些共性要求。

（P144）

答：

㈠高的硬度与高的耐磨性；㈡高的热硬性；㈢适当的韧性

18简述量具钢应具备哪些性能。

（P153）

答：

㈠高的硬度与高的耐磨性；㈡高的尺寸稳定性；㈢一定的韧性和特殊环境的耐腐蚀

19简述不锈钢不锈的原因。

（P154）

答：

①铬元素提高了钢基体电极电位。

显著提高了刚的耐腐蚀性。

②合金元素可在钢基体表面生成致密的钝化膜。

③有些合金元素可以保证不锈钢在使用状态下为单相奥氏体组织，因为影响了机体组织类型，故可耐腐蚀。

20简述由于石墨的存在，铸铁具有以下特性。

（P165）

答：

⑴因石墨能造成脆性断屑，铸铁具优异的可加工性。

⑵铸铁具有良好的铸造性能。

⑶因石墨具有良好的润滑作用，并能储存润滑油，故铸铁具有较好的减磨、耐磨性。

⑷因石墨对振动的传递起切削作用，铸铁具有良好的减震性能。

⑸大量石墨对基体组织的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感，具有低的缺口敏感性。

21简述提高铸铁耐蚀性的主要途径。

（P172）

答;⑴在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，使之在铸铁表面形成一层致密的氧化膜；⑵在铸铁中加入铬、硅、钼、铜、氮、磷等合金元素，提高铁素体的电极电位；⑶通过合金化，获得单相基体组织，减少铸铁中的微电池。

22简述高分子材料的老化和防止措施。

（P191）

答：

高分子材料的老化是指高分子材料由于光、热、机械力、化学介质和微生物等因素的长期作用下，性能逐渐变差，直至失去使用价值的过程。

防止措施有：

⒈对高聚物改性，改变大分子的结构，提高其稳定性；⒉进行表面处理，在材料表面镀上一层金属或喷涂一层耐老化涂料，隔绝材料与外界的接触；⒊加入各种稳定剂

23简述高分子材料的改性方法。

（P191）

答：

①填充改性；②增强改性；③共混改性；④化学改性

24简述陶瓷中玻璃相的作用。

（P202）

答：

玻璃相的作用是粘结晶相，填充晶相间的空隙，提高致密度，降低烧结温度，抑制晶粒长大玻璃相还会降低陶瓷的强度、耐热耐火性和绝缘性。

24简述复合材料的复合增强与合金沉淀强化的区别。

（P212）

答：

合金的沉淀强化弥散相质点是借助于相变产生的，当超过一定温度时会粗化甚至重溶，导致合金高温强度降低；而弥散增强复合材料中的颗粒随温度的升高可保持其原有尺寸，因此其增强效果在高温下可维持较长的时间，使复合材料的抗蠕变性能明显优于所用的基体金属或合金。

25简述材料表面技术的目的与作用（P236）

答：

㈠提高材料的表面损伤失效抗力；㈡赋予材料表面某种功能特性；㈢实施特定的表面加工制造

26简述化学镀的基本特点。

（P239）

答：

①均镀能力和深镀能力好，可在形状复杂的镀件表面生成均匀厚度的镀层；②镀层晶粒细，空隙少，力学性能、物理性能、化学性能优良；③设备简单、操作容易，适合于金属与非金属镀件。

27简述失效分析的基本步骤方法。

（P253）

答：

㈠调查取证；㈡整理分析；㈢实验分析；㈣综合分析得出结论

其他

钢是含碳量在0.04%-2.3%之间的铁碳合金。

为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。

钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。

钢的分类方法多种多样，其主要方法有如下七种：

1、按品质分类

（1）普通钢（P≤0.045%，S≤0.050%）

（2）优质钢（P、S均≤0.035%）

（3）高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.030%）

2.、按化学成份分类

（1）碳素钢：

a.低碳钢（C≤0.25%）；b.中碳钢（C≤0.25~0.60%）；c.高碳钢（C≤0.60%）。

（2）合金钢：

a.低合金钢（合金元素总含量≤5%）b.中合金钢（合金元素总含量＞5~10%）c.高合金钢（合金元素总含量＞10%）。

3、按成形方法分类：

（1）锻钢；

（2）铸钢；（3）热轧钢；（4）冷拉钢。

4、按金相组织分类

（1）退火状态的a.亚共析钢（铁素体+珠光体）b.共析钢（珠光体）c.过共析钢（珠光体+渗碳体）d.莱氏体钢（珠光体+渗体）。

（2）正火状态的：

a.珠光体钢；b.贝氏体钢；c.马氏体钢；d.奥氏体钢。

（3）无相变或部分发生相变的

5、按用途分类

（1）建筑及工程用钢：

a.普通碳素结构钢；b.低合金结构钢；c.钢筋钢。

（2）结构钢

a.机械制造用钢：

（a）调质结构钢；（b）表面硬化结构钢：

包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢；©易切结构钢；（d）冷塑性成形用钢：

包括冷冲压用钢、冷镦用钢。

b.弹簧钢

c.轴承钢

（3）工具钢：

a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。

（4）特殊性能钢：

a.不锈耐酸钢b.耐热钢包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢c.电热合金钢；d.耐磨钢；e.低温用钢；f.电工用钢

（5）专业用钢——如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢等。

6、综合分类

（1）普通钢

a.碳素结构钢：

b.低合金结构钢

c.特定用途的普通结构钢

（2）优质钢（包括高级优质钢）

a.结构钢：

b.工具钢：

c.特殊性能钢：

7、按冶炼方法分类

（1）按炉种分

a.平炉钢：

（a）酸性平炉钢；（b）碱性平炉钢。

b.转炉钢：

（a）酸性转炉钢；（b）碱性转炉钢。

c.电炉钢：

（2）按脱氧程度和浇注制度分

a.沸腾钢；b.半镇静钢；c.镇静钢；d.特殊镇静钢。

★★★

铁碳相图以及铁碳合金

Fe-Fe3C相图包含三个恒温转变：

包晶、共晶、共析。

包晶转变发生在1495℃（水平线HJB），反应式为：

式中L0.53——含碳量为0.53%的液相；

δ0.09——含碳量为0.09%的δ固溶体；

γ0.17——含碳量为0.17%的γ固溶体，即奥氏体，是包晶转变的产物。

含碳量在0.09~0.53%之间的合金冷却到1495℃时，均要发生包晶反应，形成奥氏体。

共晶转变发生在1148℃（水平线ECF），反应式为：

共晶转变的产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体Ld表示。

凡是含碳量大于2.11%的铁碳合金冷却到1148℃时，都会发生共晶反应，形成莱氏体。

，用符号

共析转变发生727℃（水平线PSK），反应式为：

共析转变的产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用字母P表示。

含碳量大于0.0218%的铁碳合金，冷却至727℃时，其中的奥氏体必将发生共析转变，形成珠光体。

Fe-Fe3C相图中的ES、PQ、GS三条特性线也是非常重要的，它们的含义简述如下：

ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。

奥氏体的最大溶碳量是在1148℃时，可以溶解2.11%的碳。

而在727℃时，溶碳量仅为0.77%，因此含碳量大于0.77%的合金，从1148℃冷到727℃的过程中，将自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CII）。

PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。

727℃时铁素体中溶解的碳最多（0.0218%），而在200℃仅可以溶解7×10-7%C。

所以铁碳合金由727℃冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳体称为三次渗碳体（Fe3CIII）。

由于三次渗碳体沿铁素体晶界析出，因此对于工业纯铁和低碳钢影响较大；但是对于含碳量较高的铁碳合金，三次渗碳体（含量太少）可以忽略不计。

GS线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的开始线；或者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线（具有同素异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转变，但其转变温度有变化）。

根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可以分为纯铁、钢和白口铁三类。

图7Fe-Fe3C合金分类

1.纯铁——含碳量<0.0218%，显微组织为铁素体。

2.钢——含碳量0.0218%～2.11%，特点是高温组织为单相奥氏体，具有良好的塑性，因而适于锻造。

根据室温组织的不同，钢又可以分为：

亚共析钢（Hypo-eutectoidsteel）：

含碳量0.0218%~0.77%，具有铁素体α+珠光体P的组织，且含碳量越高（接近0.77%）,珠光体的相对量越多，铁素体量越少。

共析钢（Eutectoid）：

含碳0.77%，组织是全部珠光体P。

过共析钢（Hyper-eutectoid）：

含碳量0.77%～2.11%，组织是珠光体P+渗碳体Fe3C。

3.白口铁——含碳量2.11%～6.69%，特点是液态结晶时都有共晶转变，因而具有良好的铸造性能。

但是即使在高温也是脆性材料，不能锻造。

根据室温组织不同，白口铁又分为：

亚共晶白口铁（Hypo-eutecticwhiteiron）：

含碳2.11%～4.30%，组织是珠光体P+渗碳体Fe3C+莱氏体Ld'。

共晶白口铁（Eutecticwhiteiron）：

含碳4.30%，组织是莱氏体Ld'。

过共晶白口铁（Hyper-eutecticwhiteiron）：

含碳4.3%~6.69%，组织是渗碳体Fe3C+莱氏体Ld'。

工业纯铁在缓慢冷却过程中发生的组织转变主要是同素异晶转变和Fe3CIII的析出。

在冷却过程中合金的组织转变情况见动画演示。

室温下工业纯铁的组织为铁素体以及分布在晶界处极少量的三次渗碳体（Fe3CIII）。

工业纯铁实际室温组织的照片见图2。

工业纯铁冷却过程中的组织转变

根据Fe-Fe3C相图，共析钢从液态冷却到室温要发生三次组织转变：

匀晶转变L→γ（奥氏体），共析转变γ→（α+Fe3C）（珠光体P）,α中析出三次渗碳体（Fe3CIII）。

具体转变过程见动画演示。

室温下共析钢的组织组成全部为珠光体（可以忽略Fe3CIII）。

图8是共析钢室温组织（珠光体）的金相照片。

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