工程材料复习资料

《工程材料及机械制造基础》

第一篇工程材料

第一章金属力学性能与结构

１、什么是金属材料的力学性能？包括那些内容？

金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的性能。主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。

２、拉伸实验可以测定那些性能？

1、弹性强度（弹性极限）

2、屈服强度（屈服极限）

3、抗拉强度（强度极限）

4、伸长率

5、断面收缩率

３、解释下列力学性能指标的含义：σb、σs、σ0.2、σ-1、δ、ψ、HBS、HBW、HBC。σb抗拉强度：指材料抗拉伸时断裂前承受的最大应力。

σs屈服强度：指材料产生屈服现象时的应力。

σ0.2：条件屈服强度。

σ-1疲劳.度：材料经交变应力无数次循环作用而不发生断裂的最大应力为材料的疲劳强度。

δ伸长率：试样拉断后标距增长量ΔL与

原长L。

ψ断面收缩率：试样拉断后断口处横截面积的改变量与原始横截积之比。

HBS：用淬火钢球测量的布氏硬。

HBW：用硬质合金球测量的布氏硬。HBC：使用顶角为120°的金刚石圆锥体试验的压头测量的洛氏硬度。

４、什么叫冲击韧性？

冲击韧性：指金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。

５、什么叫疲劳强度？

疲劳强度：材料经交变应力无数次循环作用而不发生断裂的最大应力为材料的疲劳强度。

６、有一紧固螺栓使用后发现有塑性变形，试分析材料的哪些性能指标达不到要求？

σs屈服强度

７、用含碳量0.45%的碳钢制造一种轴，零件图要求热处理后硬度达到220HBS~250HBS，实际热处理后测得硬度为22HRC，是否符合要求？

８、选择下列材料的硬度测试方法？

（1）调质钢；（2）手用钢锯条；（3）硬质合金刀片；（4）非铁金属；（5）铸铁件

（1）调质钢——HRC；（2）手用钢锯条——HRA；（3）硬质合金刀片——HRA；（4）非铁金属——HRB、HBS；（5）铸铁件——H

９、下列硬度标注方法是否正确？如何改正？（1）HBS210~HBS24RS0；（2）450HBS~480HBS；（3）180HRC~210HRC；

(4)HRC20~HRC25；(5)HBW150~HBW200 （1）210HBS~204HBS；（2）450HBS~480HBS；（3）180HBS~210HBS；(4) 20HRC~25HRC；

(5) 150HBS~200HBS

１０、断裂韧度与其他常规力学性能指标的根本区别是什么？

断裂韧度是衡量材料中存在缺陷时的力学性能指标，而其他常规力学性能指标是将材料内部看成处处均匀时衡量材料力学性能的指标。

１１、比较铁、铜、镁三种金属材料的力学性能与晶格结构，你认为金属的力学性能与金属的微观结构有什么关系？

铁为体心立方晶格，塑性较好；铜为面心立方晶格，塑性最好；镁为密排六方晶格，较脆。

金属的力学性能与金属的微观结构有着密切的关系，晶格类型不同、原子大小和原子间距不同，其性能不同。

１２、试述细晶强化和固溶强化的原理，并说明它们的区别。

细晶强化：利用细化晶粒的方法来提高合金强度、硬度。

固溶强化：因形成固溶体而引起合金强度、硬度升高的现象。

１３、试比较、区别下列名词：金属与合金；晶粒与晶胞；单晶体与多晶体。

金属是所有金属材料的总称，包括黑色金属、有色金属及其合金；而合金是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性质的新金属材料，是金属的一种类型。

晶粒是互相接触而外形不规则的晶体。晶胞是晶格中能够代表晶格特征的最小几何单元。

单晶体：在晶体内部，晶格位向完全一致

的晶体。多晶体：由许多晶粒组成的晶体（晶体内晶格位向不相同的晶体）。

１４、分析点缺陷、线缺陷、面缺陷的异同之处。

点缺陷：以某个点为中心、在它的周围造成原子排列不规则，产生晶格畸变相的晶体缺陷。线缺陷：晶体中某一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。面缺陷：晶界和亚晶界。

相同之处：导致金属变形，互相作用，使位错的阻力增大，从而使金属强度提高。１５、合金的结构和纯金属的结构有什么不同？合金的力学性能为什么优于纯金属？

合金是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性质的新金属材料。合金元素在金属形成固溶体、金属化合物、机械混合物，起到固溶强化、第二相弥散强化等强化作用。第二章铁碳合金

１、什么是铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体？说明它们的符号及性能特点。

铁素体：碳原子固溶到α—Fe中形成的间隙固溶体。常用“F”或“α”表示。特点：１、含碳量很小，其力学性能与纯铁极为相近。２、强度和硬度低，而塑性和韧性好。３、铁素体在770℃以下具有磁。奥氏体：碳溶于面心立方晶格的γ-Fe 比中所形成的间隙固溶体。用符号“A”或“γ”表示。

特点：１、具有一定强度和硬度，良好的韧性，低的塑性形变抗力。２、易于高温锻压成型。

渗碳体：铁与碳形成的具有复杂晶格的间隙化合物。分子式是Fe3C。特点：１、渗碳体的力学性能特点是硬度高(800HBS)。２、而塑性、冲击韧度几乎等于零。

珠光体：铁素体和渗碳体均匀分布的两相机械混合物。代号为“P”。特点：１、有较高的强度，硬度适中。２、具有一定的塑性和足够的韧性。

莱氏体：奥氏体和渗碳体呈均匀分布的机械混合物。也称高温莱氏体，用符号Ld 表示。

特点：１、硬度高。２、塑性很差。

２、绘出简化后的Fe-Fe3C相图，指出图中S、C、E、G、GS、SE、ESF、PSK各点、线、面的意义，并标出各相区组成物。

S：共析点；C：共晶点；E：碳在γ-Fe(A)中最大溶解度，钢与铁分界点；G：纯铁的同素异构转变点；GS（A3线）：含碳量小于0.77%的奥氏体开始析出铁素体的温度线；SE（A cm线）：碳在奥氏体中的溶解度曲线； ESKF ：Fe3C+A双相区；PSK线（A1)：共析线。

３、简述Fe-Fe3C相图中共晶反应、共析反应，写出反应式，注出含碳量及温度。共晶反应：含碳量为4.3%的莱氏体温度下降到1148℃时，同时结晶出含碳量为2.11%的奥氏体和渗碳体。

共析反应：含碳量为0.77%的奥氏体温度下降到727℃时，同时析出含碳量为0.0218%的铁素体和渗碳体。

４、分别分析含碳量为0.4%、0.77%、

1.2%铁碳合金从液态缓冷到室温的结晶过程和室温组织。

５、根据Fe-Fe3C相图计算：（1）室温下，含碳0.45%、1.2%的钢中相对重量及组织成物的相对重量。（2）上述两种钢种的大致硬度及抗拉强度。

P＝0.45/0.77*100%=58%

F=1-58%=42%

HBS=80*0.42+240*0.58=173

σb=174*3.6=623M pa

设P为相对含量x，Fe3C的相对含量为１－x。

x*0.77%+(1-x)*6.67%=1.2%

x=92.7%

1-92.7%=7.3%

HBS=240*0.927+800*0.073=280.88

σb=280.88*3.6=1011.2M Pa

６、根据相图说明产生下列现象的原因：（1）含碳量1%的钢比含碳量0.5%的钢硬度高。（2）在室温下，含碳量0.7%的钢比含碳量1.2%的钢的塑性好。（3）钢铆钉一般用含碳量较低的钢制成。（4）一般要把钢材加热到高温（1000~1250℃）进行热轧或锻造。

（1）含碳量1%的钢其室温时由P和Fe3C 组成，含碳量0.5%的钢其室温时由P和F 组成，而Fe3C比F硬度高，所以含碳量1%的钢比含碳量0.5%的钢硬度高。（2）含碳量0.7%的钢由P和F组成，含碳量1.2%的钢由P和Fe3C组成，而F 比Fe3C塑性好。（3）根据钢铆钉的工作条件，其需要塑性好，变形抗力小，所以一般用含碳量较低的钢制成。（4）因为钢在1000~1250℃高温时，其组织为单相A，而A塑性好，变形抗力小，容易成型，所以一般要把钢材加热到高温（1000~1250℃）进行热轧或锻造。

第三章钢的热处理

1、什么是热处理？并画

出热处理工艺曲线。

钢的热处理：将钢在固态

下、在一定的介质中施以不同的加热、保温和冷却来改变钢的组织，从而获得所需性能的一种工艺。

2、解释下列符号的含义：Ac1、Ac

3、Ac cm、Ar1、Ar3、Ar cm。

Al、A3、Acm是碳钢在极其缓慢地加热或冷却时的组织转变温度，因此Al、A3、Acm 点都是组织平衡临界点。Ac1、Ac3、Ac cm 线为实际冷却时各临界点。Ar1、Ar3、Ar cm 线为实际加热时各临界点。

3、说明共析钢加热时奥氏体形成的几个步骤。

１、奥氏体晶核形成；２、奥氏体晶核长大；３、残余渗碳体溶解；４、A均匀化。

4、说明C曲线中各区域的组织及性能。在C曲线中温度从A1～550 ℃之间为珠光体转变，分为珠光体、索氏体、屈氏体（T)，综合力学性能较好；550 ℃~Ms为贝氏体转变，下贝氏体铁素体针较细，碳化物细小，分布均匀且位于铁素体内。其具有较高强度和硬度、良好的韧性和塑性；Ms~M f 之间为马氏体转变1．高碳马氏体（Wc>1.0%) 一般呈针状，高硬度高脆性。２．低碳马氏体（Wc＜0.2%)为一束束相互平行的细条状组织，具有一定的强度和较好的塑性．韧性。

5、什么叫马氏体？马氏体有何特点？

马氏体“M”：碳在α－Fe中的过饱和固溶

体组织。

6、退火的主要目的是什么？常用的退火有哪几种方式？

退火的主要目的：(1) 降低钢的硬度，使其易于切削加工；(2)提高钢的塑性和韧性，以使其易于切削和冷变形加工；3)消除钢中的组织缺陷，为热锻、热轧或热处理作好组织准备；(4)消除前一工序中所产生的内应力，以防变形或开裂。退火分为：完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火(扩散退火)、去应力退火和再结晶退火。

7、正火与退火的主要区别是什么？生产中如何选择退火及正火？

退火：将金属或合金加热到适当温度，保温一定时间，随炉缓慢冷却的热处理工艺。正火：将钢件加热至Ac3或Accm以上30℃~50℃，经保温使之完全奥氏体化．然后在空气中冷却的一种热处理丁艺。正火的冷却速度比退火稍快，过冷度稍大。因此，正火组织较细，强度、硬度较高，一般为索氏体组织。

退火及正火的选择：(1) 从切削加工性方

面考虑，低碳钢用正火提高硬度，而高碳钢用退火降低硬度。(2)从使用性能上考虑，如对零件性能要求不高，可用正火作为最终热处理；当零件形状复杂、厚薄不均时，采用退火；对于中、低碳钢，正火比退火有较好的力学性能。（3)从经济上考虑，正火操作简便，生产周期短，能耗少，故在可能条件下，应优先考虑正火处理。

8、淬火的目的是什么？淬火温度如何选择？为什么？

淬火的目的：获得马氏体为主的不稳定组织，以得到表面的高硬度、高耐磨性。

对于亚共析钢，适宜的淬火温度一般为Ac3以上30℃～50℃，以获得细小的马氏体。淬火温度过高，则将获得粗大马氏体组织，同时引起钢件较严重的变形；淬火温度太低，组织中将出现铁素体，造成钢件的硬度不足，强度不高。对于过共析钢，适宜的淬火温度一般为Ac1以上30℃～50℃，以获得均匀细小马氏休和粒状渗碳体的混合组织。加热温度太高，一方面会因为大量渗碳体溶入奥氏

体，使其含碳量增加，Ms降低，淬后残余奥氏体量增多，降低钢的硬度和耐磨性；另方面会使奥氏体晶粒粗化，淬火后的马氏体针粗大，使钢的脆性增加。

9、常用淬火方法有哪几种？说明其特点及应用。

1）单液淬火：特点，操作简单，易实现机械化，但也易产生淬火缺陷。

2）双液淬火：将工件先投入一种冷却能力较强的介质中，使工件在高温区的冷却速度大于临界冷却速度，以保证奥氏体不分解；而在低冷区将工件马上转入另一种冷却能力较弱的介质中，使其冷却变慢，减少工件内外的温差，使内应力减少，可有效防止变形和开裂。但其操作复杂。3）分级淬火：将加热好的工件先浸入温度为150~260℃的盐浴中，稍加停留，待其表面与心部的温度基本一致后，取出空冷。

等温淬火：将工件加热后，直接投入稍高于Ms温度的盐浴中，保温足够长时间使其完成下贝氏体转变后取出空冷。

4）等温淬火：将工件加热后，直接投入

稍高于Ms温度的盐浴中，保温足够长时间使其完成下贝氏体转变后取出空冷。５）局部淬火法：分为整体加热，局部淬火、局部加热，局部淬火。

6）冷处理：把淬火冷却到室温的钢继续冷却到0℃以下的处理工艺。特点：可以使过冷奥氏体向马氏体转变更加完全，减少残余奥氏体的数量，提高钢的硬度和耐磨性，并使尺寸稳定。

10、常用淬火介质有哪些？说明其特点及应用。

最常用的淬火介质：水、盐水、油和聚乙烯醇水溶液。

水的淬冷能力强，且价廉易得，是碳素钢常用的淬火介质。浓度为10％左右的盐水具有比水更强的冷却能力，且工件表面析出的盐晶体具有“爆炸”作用，使工件表而的蒸汽膜破坏．氧化皮脱落．淬火件表面光洁，不易产生软点。机油淬冷能力较弱，减少了钢淬火时的变形和开裂倾向，却不易使钢淬成马氏体，仅适用于合金钢。柴油的冷却能力比机油强，冬季也不发粘，常用于合金钢和小截面碳钢零件

的淬火。熔融状态的盐或碱也常作淬火介质，称为盐浴或碱浴．它们的冷却能力介于油和水之间。使用温度多为150~500℃，这类介质主要用于形状复杂、变形要求严格的尺寸较小的零件的分级淬火或等温淬火。

11、回火的目的是什么？回火有哪几种？并指出各种回火方法的组织特点及应用。

回火：淬火钢重新加热至A1线以下某一温度，保温后冷却的热处理工艺。

回火的目的：（1）降低脆性；（2）消除或减少内应力；3）获得工件所要求的力学性能；（4）稳定工件尺寸。

回火的种类：（1）低温回火（150—250℃），低温回火目的是在保持高的硬度和耐磨性的同时，降低内应力和脆性。回火后的组织为回火马氏体；（2）中温回火（350—500℃），淬火钢在此温度范围内回火得到回火屈氏体组织。具有较高的弹性极限和屈服强度，韧性也较高，主要用于弹簧和热锻模等的处理；（3）高温回火（500—650℃），主要是得到回火索氏体，回火索

氏体强度、塑性、韧性都较好。

12、指出马氏体与回火马氏体、索氏体与回火索氏体的主要区别。

回火马氏体、回火屈氏体、回火索氏体中渗碳体是粒状；马氏体、屈氏体、索氏体中渗碳体是片状；回火屈氏体、回火索氏体具有良好的综合力学性能。

13、哪些零件需要表面热处理？常用的表面热处理方法有哪几种？

表面需要高的硬度和耐磨性，而心部保持足够的塑性和韧性的零件需要表面热处理。常用的表面热处理方法有表面淬火（火炬加热表面淬火、感应加热表面淬火）、化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗等）。

14、什么叫表面淬火？工厂常用的有哪两种方法？各有什么优缺点？

15、钢的表面淬火：是使零件表面获得高硬度和高耐磨性，而心部仍保持良好的韧性和塑性的一类热处理方法。工厂常用的有火炬加热表面淬火（特点：方法简便．无需特殊设备．适用于单件或小批量生产的各种零件。）、感应加热表

面淬火（表面加热速度快；

硬度稍高，脆性较小，疲劳强度较高；减少零件的氧化和脱碳，工件变形小；淬火层深度容易控制，容易实现机械化和自动化，但设备较贵，维修、调整较困难，不宜用在形状复杂的零件）。

16、什么叫化学热处理？化学热处理包括哪几个过程？

化学热处理：将钢臵于一定介质中加热和保温，使介质中某些元素的活性原子渗入钢件表面，以改变钢件表面的化学成分，从而达到使钢件表面具有某些特殊的力学或物理性能的一种热处理工艺。

（１）介质分解，形成活性原子；（２）吸收，形成固溶体和化合物；（３）扩散。

17、渗碳主要目的是什么？渗碳后需进行何种热处理？

目的：提高工件表面的硬度和耐磨性，而心部仍保持一定的强度和较高的塑性和韧性。

淬火加低温回火。

18、氮化处理的目的是什么？有何特点？

目的：提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性以及热硬性。

特点：a）耐磨性和耐热性好，变形小；工件表层脆性大，在工作过程中易产生龟裂及剥落；（b）氮化层薄，生产周期长。

第四章常用金属材料

1、合金钢中合金元素有何用处？

１．固溶作用；２．第二相强化；３．细化晶粒；４．提高淬透性；５．提高回火稳定性；６．合金元素使钢获得特殊性能2、说明下列合金钢牌号的意义。40Cr、20CrMnTi、Cr12、9SiCr、GCr5、W18Cr4V、2Cr18Ni9Ti。

3、试说明合金渗碳刚、合金调质钢、合金弹簧钢的化学成分、性能及热处理特点，并举例说明其应用。

合金渗碳钢：碳含量0.10％~0.25％。加入的合金元素有Cr、Ni、Mn、B，提高钢的淬透性，改善零件心部组织与性能；提高渗碳层的强度与韧性。加入微量的V、Ti、W、Mo等元素形成特殊碳化物，阻止奥氏体晶粒在渗碳温度下长大，提高零件

表面硬度和接触疲劳强度及韧性。表面硬度和接触疲劳强度高，心部有良好的韧性。渗碳、淬火加低温回火。

合金调质钢：碳的质量分数0.25％—0.50％之间。加入的合金元素有Mn、Cr、Si、Ni、B等，提高淬透性，强化铁素体，以保证调质以后有足够的强度、塑性和韧性。有时加入微量的V，以细化晶粒。经过调质处理（淬火+高温回火）后使用。综合力学性能较好。制造受力复杂，要求具有综合力学性能的重要零件。

合金弹簧钢：碳含量0.45%~0.7% 。常加入合金元素硅、锰、铬、钒等以提高塑性、韧性、弹性极限、淬透性。具有高的弹性极限、屈服强度及疲劳强度。淬火加中温回火。制作弹簧。

4、试述高速钢性能特点及应用。

制造高速切削刃具。切削速度高，寿命高。

5、何为石墨化？石墨化的影响因素有哪些？

石墨化过程：铸铁中石墨形成的过程。影响石墨化的因素：１．化学成分的影响；２．冷却速度。