工程材料复习思考题及答案.docx
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工程材料复习思考题及答案
复习思考题及答案
一、名词解释
1．结晶：
液态金属由液态向固态转变的过程。
2．滑移：
晶体中产生原子层与原子层之间的相对位移。
3．马氏体：
一种含碳过饱和的α固溶体。
4．等温淬火：
将奥氏体化后的工件淬入小于上贝氏体转变温度的盐浴中（一般在下贝氏体转变温度范围内等温）较长时间保温使其获得贝氏体组织，然后再空冷的淬火工艺。
5．热加工：
金属材料在高温下进行塑性变形时，其加工硬化作用能被变形过程中所发生的动态软化过程如动态回复和动态再结晶等所抵消，从而获得近乎稳定的流变应力。
这种塑性变形就是热加工。
或者凡是加工温度大于金属再结晶温度的金属塑性加工，都称为热加工。
6．临界冷却速度：
保证奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷却速度。
7．同素异构转变：
金属的晶体结构随着温度的变化而变化的现象称为同素异构转变。
8．淬透性：
指钢在淬火时获得马氏体的能力。
它是钢材本身固有的一个属性。
9．断裂韧性：
材料抵抗裂纹扩展的能力就是断裂韧性。
10．晶界：
晶粒与晶粒之间的交界面，就是晶界。
11．枝晶偏析：
在一个晶粒内化学成分不均匀的现象就称为晶内偏析，又叫枝晶偏析或微观偏析。
12．奥氏体：
是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，它又叫A或γ固溶体。
13．退火：
将金属及其合金加热、保温和加热炉内缓慢冷却，使其组织结构达到或接近达到平衡状态的热处理工艺就称为退火。
14．回火：
是将淬火后的工件再重新加热到A1点以下某一温度、保温、然后冷却的热处理工艺。
16．再结晶：
是指经冷塑性变形的金属在加热时，通过再结晶晶核的形成及其随后的长大、最终形成无畸变的新的晶粒的过程。
17．时效：
淬火后的铝合金随时间延长而发生强化的现象就是时效强化或时效硬化。
二、填空题
1．钢的淬透性越高，则其C曲线的位置越（右），临界冷却速度越（小或低）。
2．典型铸锭结构的三个晶区分别为（表面细晶粒层）、（柱状晶粒层）和（中心粗大等轴晶粒层）。
3．物质在固态下晶体结构随温度发生变化的现象称为（同素异构转变）。
铁的同素异构转变为：
б-Fe1394℃（γ-Fe）912℃（α-Fe）。
4．滑移的本质是（晶体内位错运动的结果）。
5．零部件选材的基本原则是（材料的使用性能）、（材料的工艺性能）和（材料的经济性能）。
6．实际使用的工程塑料是由（合成树脂）和（添加剂）两种组分组成。
7．HT250是（普通灰口）铸铁，数字250表示（最低抗拉强度值为250MPa）。
8．白口铸铁中碳主要以（Fe3C或渗碳体）的形式存在，灰口铸铁中碳主要以（G或石墨）的形式存在。
9．共析钢的C曲线和冷却曲线如下图所示，试指出图中各点所处的组织，并说明各属于什么热处理方法。
A点的组织是（M+Ar或马氏体+残余奥氏体），热处理方法是（单液淬火）；
B点的组织是（M+Ar或马氏体+残余奥氏体），热处理方法是（分级淬火）；
C点的组织是（S+M+Ar或索氏体+马氏体+残余奥氏体），热处理方法是（双液淬火）；
D点的组织是（B下+M+Ar或下贝氏体+马氏体+残余奥氏体），热处理方法是（等温淬火）；
E点的组织是（P+S或珠光体+索氏体），热处理方法是（正火）；
F点的组织是（B下或下贝氏体），热处理方法是（等温淬火）；
G点的组织是（P或珠光体），热处理方法是（等温退火）；
H点的组织是（P或珠光体），热处理方法是（完全退火）；
10．室温下，共析成分铁碳合金的平衡组织是（P或珠光体），其组成相是（F+Fe3c或铁素体+渗碳体）。
11．金属结晶过程中，细化结晶晶粒的主要方法有（增大过冷度）、（变质处理）和（振动等）。
12．体心立方晶格和面心立方晶格晶胞内的原子数分别是
（2）和（4），其致密度分别为（68%）和（74%）。
13．用光学显微镜观察，上贝氏体的组织特征呈（羽毛）状，而下贝氏体则呈（黑色针）状。
14．检验淬火钢成品件的硬度一般用（洛氏）硬度，而布氏硬度适用于测定（厚大工件或硬度较软的工件）的硬度。
15．在体心立方和面心立方晶格中，单位晶胞内的原子数分别为
（2）和（4），其致密度分别为（68%）和（74%）。
16．实际金属中存在有（点缺陷）、（线缺陷）、（面缺陷）三类缺陷，空位是（点）缺陷、位错是（线）缺陷、晶界是（面）缺陷。
金属中晶粒越细小，晶界面积越（大）。
17．物质在固态下晶体结构随温度发生变化的现象称为（同素异构转变）。
铁的同素异构转变为：
б-Fe1394℃（γ-Fe）912℃（α-Fe）。
18．在金属学中，冷加工与热加工的界限是以（再结晶温度）来划分的，因此Cu（熔点为1084℃）在室温下变形加工称为（冷）加工，Sn（熔点为232℃）在室温下变形加工称为（热）加工。
19．共析钢加热时，奥氏体的形成是由（奥氏体晶核的形）、（奥氏体晶核的长大）、（残余渗碳体的溶解）和（奥氏体的均匀化）等四个过程所组成。
20．钢的热处理工艺是由（加热）、（保温）、（冷却）三个阶段组成。
一般来讲，它不改变被处理工件的（形状和尺寸），但却改变其（内部组织和性能）。
21．马氏体的显微组织形态主要有（板条状马氏体）和（片状马氏体）两种，其中（板条状马氏体）的韧性较好。
22．HT200牌号中的“HT”表示（灰口铸铁），数字“200”表示（最低抗拉强度值为200MPa）。
23．影响铸铁石墨化的主要因素是（铸铁的化学成分）和（铸铁的冷却速度）。
24．按钢中合金元素含量，可将合金钢分为（合金结构钢）、（合金工具钢）和（特殊性能钢）三种。
25．机械零件的使用性能是指零件在使用状态下材料应该具有的（强度）和（韧性）。
三、选择题
1.下列钢中，以球化退火作为预备热处理的是：
（D）
A．40CrB．20CrC．65MnD．GCr15
2.同素异构转变伴随着体积的变化，其主要原因是：
（C）
A．晶粒度发生变化B．过冷度发生变化C．致密度发生变化
D．溶解度发生变化
3.二元合金在发生共晶转变时，其相组成是：
（D）
A．单一液相B．单一固相C．两相共存D．三相共存
4.二元合金中，铸造性能最好的合金是：
（B）
A．固溶体合金B．共晶合金C．共析合金D．包晶成分合金
5.过共析钢在球化退火前需要进行：
（D）
A．调质B．去应力退火C．再结晶退火D．正火
6.间隙固溶体与间隙化合物的：
（D）
A．结构相同，性能不同B．结构不同，性能相同
C．结构相同，性能也相同D．结构和性能都不相同
7.马氏体的硬度主要取决于：
（C）
A．过冷奥氏体的冷却速度B．过冷奥氏体的转变温度C．马氏体的含碳量
D．马氏体的亚结构
8.钢经调质处理后获得的组织是：
（B）
A．回火马氏体B．回火索氏体C．回火屈氏体
9.汽车、拖拉机的齿轮要求表面具有高耐磨性、中心有良好的强韧性，应选用：
（D）
A．20钢渗碳淬火+低温回火B．40Cr淬火+高温回火
C．45钢表面淬火+低温回火D．20CrMnTi渗碳淬火+低温回火
10.T10钢的平均含碳量为：
（B）
A．10%B．1.0%C．0.10%D．没有表示出来
11．钢的淬硬性主要决定于：
（c）
a.冷却介质b.工件大小c.含碳量d.合金元素
12．可锻铸铁中的石墨形态一般为：
（c）
a.球状b.片状c.团絮状
13．既增加强度又提高韧性的强化金属的方法是：
（b）
a.固溶强化b..细晶强化c.加工强化
14．为改善碳素工具钢的切削加工性能，其预备热处理应采用：
（c）
a.完全退火b.再结晶退火c.球化退火
15.奥氏体是：
（A）
A．碳在γ-Fe中的间隙固溶体B．碳在α-Fe中的间隙固溶体
C．碳在α-Fe中的有限固溶体D．中间化合物
16.同素异构转变伴随着体积的变化，其主要原因是：
（C）
A．晶粒度发生变化B．过冷度发生变化C．致密度发生变化
D．晶粒长大速度发生变化
17.在发生L→α+β共晶反应时，三相的成分：
（B）
A．相同B．确定C．不定
18.二元合金中，铸造性能最好的合金是：
（B）
A．固溶体合金B．共晶合金C．共析合金D．包晶成分合金
19.多晶体的晶粒越细，则其：
（A）
A．强度越高，塑性越好
B．强度越高，塑性越差
C．强度越低，塑性越好
D．强度越低，塑性越差
20.完全退火主要适用于：
（A）
A．亚共析钢B．共析钢
C．过共析钢D．白口铸铁
四、判断题
1．不论碳含量高低，马氏体都是硬而脆的。
（×）
2．所有金属材料均有明显的屈服现象。
（×）
3．固溶体的强度和硬度比溶剂金属的强度和硬度高。
（√）
4．纯金属的实际结晶温度与其冷却速度有关。
（√）
5．杠杆定律只适用于两相区。
（√）
6．在铁碳合金中，只有共析钢结晶时，才发生共析转变，形成共析组织。
（×）
7．在铁碳合金中，只有过共析钢的平衡组织中才有二次渗碳体存在。
（×）
8．由于再结晶过程是一个形核和长大的过程，因而是相变过程。
（×）
9．滑移变形不会引起金属晶体结构的变化。
（√）
10．由于位错具有易动性，因而位错密度越大，金属变形越容易，强度越低。
（×）
11．变形金属的再结晶退火温度越高，退火后得到的晶粒越粗大。
（√）
12．金属或合金中，凡是成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的
均匀组成部分称为相。
（√）
13．凡是液体凝固为固体的过程都是结晶过程。
（√）
14．20钢的含碳量比T10钢高。
（×）
15．所有铝合金都可以通过热处理进行强化。
（×）
五、问答题
1、采用20钢表面淬火是否合适？
为什么？
采用45钢进行渗碳处理是否合适？
为什么？
答：
①20钢表面淬火不合适。
因为表面淬火适宜于中碳钢和中碳合金结构钢，中碳钢和中碳合金结构钢经过表面淬火以后零件表面可以获得极细的马氏体组织（这种马氏体大部分是片状马氏体），从而使零件表层获得硬而耐磨的马氏体组织，而心部仍然保持着表面淬火以前的组织；而20钢是低碳钢，其含碳量很低，这种材料经过表面淬火以后，其表层只能获得极细的板条马氏体组织，这种板条马氏体的强度、硬度不高，耐磨性较差，无法达到表面强化和耐磨的目的；所以20钢表面淬火不合适。
②45钢进行渗碳处理也不合适。
因为渗碳处理适宜于低碳钢和低碳合金结构钢，低碳钢和低碳合金结构钢经过渗碳处理以后零件表面可以达到共析钢或过共析钢的含碳量，经过随后的淬火和低温回火以后，使零件表层获得细小片状的回火马氏体及少量渗碳体，获得硬度高、耐磨性好的表层组织，而心部仍然保持着渗碳淬火以前的组织；而45钢是中碳钢，其含碳量较高，这种材料经过表面淬火以后，其表层就能获得极细的马氏体组织（这种马氏体大部分是片状马氏体），这种马氏体的强度高、硬度高，耐磨性好，可以达到表面强化和耐磨的目的；所以45钢进行渗碳处理不合适。
2、45钢工件常用的热处理是什么？
T12钢工件常用的热处理是什么？
它们的组织和大致硬度怎样？
答：
①45钢工件常用的热处理是：
先正火、再调质、最后进行表面高频淬火和低温回火。
正火后的组织为F+P，硬度为HB170-200；
调质处理后的组织为回火索氏体，硬度为HRC28-35；
表面高频淬火和低温回火后组织为表面为极细的回火马氏体，心部为回火索氏体。
②T12钢工件常用的热处理是：
先球化退火、再淬火和低温回火。
球化退火后的组织为Fe3C（球）+P（粒），硬度为HB170-200；
淬火和低温回火后的组织为回火马氏体+Fe3C（球）+Ar（少），硬度为HRC58-62。
3、可锻铸铁的石墨形态怎样？
可锻铸铁件应该如何生产？
其工程应用情况如何？
答：
①可锻铸铁中的石墨呈团絮状。
②可锻铸铁件的生产：
首先是浇铸成白口铸件，然后进行高温长时间的石墨化退火。
③其工程应用范围：
主要用来制作一些形状复杂，要求塑性较好、韧性较大、耐振、耐蚀的薄壁铸件。
4、金属结晶的基本规律是什么？
答：
金属结晶的基本规律是液态金属在冷却过程中晶核的形成和晶核的长大过程。
其中晶核的形成有两种：
由液态金属中的短程有序的原子团在冷却过程中形成的均匀形核和由液态金属中的难熔质点和其它外来界面的非均匀形核；晶核的长大是以树枝状的形式生长的。
5、为什么一般机器的支架、机床的床身常用灰口铸铁制造？
答：
灰铸铁的组织为：
珠光体基体上分布片状石墨或者珠光体和铁素体基体上分布片状石墨即P+片状石墨或P+F+片状石墨。
这种灰铸铁虽然其机械性能很差（其抗拉强度、塑性和韧性很低），但是其抗压强度和硬度较好；同时它具有优良的铸造性能，且切削加工性能很好，优良的减振性，耐磨性好和缺口敏感性小。
灰铸铁具有如上优异的特性，完成能够满足一般机器的支架、机床床身的使用性能要求。
6、试说明洛氏硬度的测试原理。
答：
在一定预载荷和主载荷作用下的、具有120°顶角的金刚石圆锥压头或淬硬钢球压入金属表层一定时间后卸载，就在金属表面上留下一压痕；测出压痕的深度，就可以查表得到洛氏硬度值。
五、应用题
1、用20CrMnTi钢制造的某凸轮轴齿轮，其生产工艺路线为：
下料→锻造→正火→加工齿形→渗碳→预冷淬火→低温回火→喷丸→精磨。
（1）试述正火的目的。
（2）制定钢的渗碳、淬火及回火工艺，并指出该齿轮在使用状态下的显微组织和大致硬度。
答：
①正火的目的是为了改善锻造的不正常组织，以利于切削加工。
2该钢的渗碳、淬火及回火工艺如下：
经940℃渗碳后直接预冷至840℃保温后油淬。
再经230℃回火后齿轮的性能基本满足技术要求。
齿论在使用状态下的显微组织为合金渗碳体、回火马氏体及少量残余奥氏体，其硬度为HRC60～62；芯部为低碳马氏体，其硬度为HRC40～48。
2、有一个45钢制造的车床床头箱齿轮，其工艺路线为下料→锻造→正火→机加工（粗）→调质→机加工（精）→高频表面淬火→低温回火→磨加工。
试分析各工序的目的、热处理工艺及组织。
答：
①正火的目的是为了得到合适的硬度，便于机械加工，同时改善锻造组织，为调质处理作组织准备；其正火工艺为840℃±20℃，组织为F+P。
②调质的目的是为了使齿轮得到较高的综合机械性能和疲劳强度，其热处理工艺为860℃±20℃油淬后560℃±20℃高温回火，组织为回火索氏体。
③高频表面淬火目的是为了赋予齿轮表面以高硬度、高耐磨性，并使齿轮表面有压应力，延长齿轮的使用寿命；低温回火是为了消除淬火应力，防止产生裂纹和提高抗冲击能力。
其热处理工艺为采用感应加热表面淬火工艺，然后再进行200℃±20℃的低温回火，组织为：
表面为极细的回火马氏体，心部为回火索氏体。
3、计算共析温度下珠光体中铁素体和渗碳体的相对重量百分比。
答：
①珠光体是铁素体α与渗碳体Fe3C组成的层片状细密混合物。
②它们的相对重量百分比可用杠杆法则计算：
α=（6.69-0.77）/（6.69-0.0218）*100%=88%
Fe3C=1-α=12%
4、现有下列钢号：
HT300、45、40Cr、65Mn、HT200、T8A、20Cr、38CrMoAlA、16Mn、1Cr13、9CrSi、1Cr18Ni9Ti、GCr15、Cr12MoV、12Cr1MoV。
试为下列机床典型零件选择适用的钢号，并给出其热处理工艺和显微组织。
序号
零件名称
材料
热处理工艺
显微组织
1
机床导轨
HT300
表面淬火+低温回火
表面：
M回+G片
心部：
（P+F）+G片
2
机床主轴
45
调质、表面淬火
表面：
M回
心部：
S回
3
机床丝杆
45或40Cr
调质
S回
4
机床床身
HT200
去应力退火
（P+F）+G片
5
机床主轴箱齿轮
45
表面淬火+低温回火
表面：
M回
心部：
（P+F）
6
卡盘爪
45
淬火+低温回火
M回
7
机床离合器摩擦片
65Mn
淬火+中温回火
T回
8
自动车床送料卡头
T8A
淬火+低温回火
M回+Fe3C球+Ar
9
机床万能分度头蜗杆
20Cr
渗碳、淬火+低温回火
表面：
M回+Fe3C球+Ar
心部：
（P+F）
10
镗床镗杆
38CrMoAlA
调质、氮化
表面：
氮化层
心部：
S回
5、用10钢制作一要求耐磨的小轴（直径为20mm），其加工工序为下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火→低温回火→磨加工。
说明各热处理工序的目的及使用状态下的组织。
答：
①正火的目的是：
消除锻造缺陷和内应力，使组织均匀，调整硬度，便于后续机械加工，并为后续的淬火做好组织准备。
渗碳的目的是：
使15钢小轴的表面达到共析钢或过共析钢的含碳量。
淬火的目的是：
提高小轴表面的硬度和耐磨性，心部为原来正火状态的组织；以获得表面为细小片状的马氏体及少量渗碳体。
低温回火的目的是：
消除残余内应力，减少钢的脆性并保持钢的高硬度和耐磨性。
②小轴的使用状态下的组织为：
表层为回火马氏体+少量渗碳体+少量残余奥氏体；心部为铁素体+珠光体。
大致硬度为：
表层为HRC58-64，心部为HRC10-15。
6、说明含碳1.0%的铁碳合金从液态缓慢冷却到室温时的组织组成物和相组成物；并计算室温下各相和各组织组成物的相对重量百分比。
答：
①含碳1.0%的铁碳合金从液态缓慢冷却到室温时的组织组成物为P+Fe3CII或珠光体+二次渗碳体；
其相组成物为F+Fe3C或铁素体+渗碳体。
2室温下各组织组成物的相对重量百分比为：
P%=（6.69-1.0）/（6.69-0.77）=96.115%
Fe3C%=1-P%=1-96.115%=3.885%
3室温下各相组成物的相对重量百分比为：
F%=（6.69-1.0）/（6.69-0.008）=85.154%
Fe3C%=1-F%=1-85.154%=14.846%
7、现有下列钢号：
Q235、W18Cr4V、5CrNiMo、60Si2Mn、ZGMn13、16Mn、1Cr13、20CrMnTi、9CrSi、1Cr18Ni9Ti、T12、40Cr、GCr15、Cr12MoV、12Cr1MoV。
试为下列机械零件或用品选择适用的钢号：
普通螺钉、机床变速箱齿轮、汽车钢板弹簧、滚动轴承、高速车刀、桥梁构件、冷锻模具、热锻模具、耐酸容器、手工锯条和挖掘机的铲齿。
答：
普通螺钉：
Q235
机床变速箱齿轮：
40Cr
汽车钢板弹簧：
60Si2Mn
热锻模具：
5CrNiMo
滚动轴承：
GCr15
高速车刀：
W18Cr4V
桥梁构件：
16Mn
冷锻模具：
Cr12MoV
耐酸容器：
1Cr18Ni9Ti
手工锯条：
9CrSi或T12
挖掘机的铲齿：
ZGMn13
8、共析钢的C曲线和冷却曲线如下图所示，试指出图中各点所处的组织，并说明各属于什么热处理方法。
答：
A点：
M+Ar（即马氏体+残余奥氏体）单液淬火
B点：
M+Ar（即马氏体+残余奥氏体）分级淬火
C点：
S+M+Ar（即索氏体+马氏体+残余奥氏体）双液淬火
D点：
B下+M+Ar（即下贝氏体+马氏体+残余奥氏体）等温淬火（等温转变不完全）
E点：
P（即珠光体）正火
F点：
B下（即下贝氏体）等温淬火（等温转变完全）
G点：
P（即珠光体）等温退火
H点：
P（即珠光体）完全退火
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