工程材料习题与辅导答案

工程材料习题与辅导答案内容摘要：

加热水淬后，轮齿由表面到中心各区 (Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ )的组织。 答：加热到Ⅲ区的部分，加热温度丁低于相变临界点温度 Ac1，不发生相变。 水冷后 40 钢齿轮仍保持调质处理后的铁素体基体十粒状渗碳体 (回火索氏体 )组织，但是高于原调质处理的回火温度的部分中，粒状渗碳体变得较粗大。 加热到Ⅲ区的部分组织为：回火索氏体。 加热到Ⅱ区的部分，加热温度为人 A c3＞ T＞ Ac1“出现了部分奥氏体，所以加热时Ⅱ区部分的组织为：铁素体十奥氏体。 水冷后Ⅱ区部分的组织为：铁素体 +马氏体。 加热到 I 区的部分，加热温度 T＞ Ac3，已经完全奥氏体化，所以加热时 I 区部分的组织为：奥氏体。 水冷后 I 区部分的组织为：马氏体。 2确定下列钢件的退火方法，并指出退火目的及退火后的组织。 ⑴ 经冷轧后的钢板，要求降低硬度； ⑵ ZG35 的铸造齿轮； ⑶ 改善 T12 钢的切削加工性能。 答 ：⑴ 再结晶退火。 退火目的：消除加工硬化现象，恢复钢板的韧性和塑性。 再经晶退火后的组织：生成与钢板冷轧前晶格类型相同的细小、等轴晶。 冷轧钢板一般为低碳钢，再结晶退火后的组织为铁素体 +珠光体。 ⑵ 完全退火。 退火目的：通过完全重结晶，使铸造过程中生成的粗大、不均匀的组织细化，消除魏氏组织，以提高性能，同时消除内应力。 退火后的组织：铁素体 +珠光体。 ⑶ 球化退火。 退火目的：使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化，以降低硬度，改善切削加工性能，并为以后的淬火做组织准备。 退火后的组织：球化体（铁素体基体 +球状渗碳体）。 说明直径为 6mm 的 45 钢退火试样分别经下列温度加热： 700℃ 、 760℃ 、 840℃ 、 1100℃ ，保温后在水中冷却得到的室温组织。 答：加热到 1100℃ 保温后水冷的组织：粗大马氏体； 加热到 840℃ 保温后水冷的组织：细小马氏体； 加热到 760℃ 保温后水冷的组织：铁素体十马氏体； 加热到 700℃ 保温后水冷的组织：铁素体十珠光体。 3 两个碳质量分数为 % 的碳钢薄试样，分别加热到 780℃和 900℃，保温相同时间奥氏体化后，以大于淬火临界冷却速度的速度冷却到室温。 试分析： （ 1） 哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大。 （ 2） 哪个温度加热淬火后马氏体中碳质量分 数较少。 （ 3） 哪个温度加热淬火后残余奥氏体量较多。 （ 4） 哪个温度加热淬火后未溶碳化物量较多。 答 ：（ 1）加热温度高者奥氏体粗大，粗大奥氏体冷却后转变组织也粗大，因此加热到 900℃的试样淬火后马氏体晶粒较粗大。 （ 2）将试样加热到 900℃时，其组织为单相奥氏体，奥氏体中的碳质量分数为 %。 将试样加热到 780℃时，其组织为奥氏体 +渗碳体，由于有渗碳体，即一部分碳存在于渗碳体中，奥氏体中的碳质量分数必然降低（奥氏体中的碳质量分数可用铁碳相图确定：约为 % ），因此加热到 780℃时的试样淬火后马氏体 中的碳质量分数较少。 （ 3）奥氏体中碳质量分数越高，淬火后残余奥氏体量越多，因此加热到 900℃的试样淬火后残余奥氏体量较多。 （ 4） 将试样加热到 900℃时，其组织为单相奥氏体，淬火后组织为马氏体 +残余奥氏体。 将试样加热到 780℃时，其组织为奥氏体 +渗碳体，淬火后组织为马氏体 +渗碳体 +残余奥氏体。 故加热到 780℃的试样淬火后未溶碳化物量较多。 3 指出下列工件的淬火温度及回火温度，并说明回火后获得的组织。 （ 1） 45 钢小轴（要求综合性能好）；（ 2） 60 钢弹簧；（ 3） T12 钢锉刀 答 ：（ 1） 45 钢小轴经 调质处理，综合性能好，其淬火温度为 830～ 840℃（水冷），回火温度为 580～ 600℃。 回火后获得的组织为回火索氏体。 （ 2） 60 钢弹簧的淬火温度为 840℃（油冷）回火温度为 480℃。 回火后获得的组织为回火屈氏体。 （ 3） T12 钢锉刀的淬火温度为 770～ 780℃（水冷），回火温度为 160～ 180℃ ，回火后获得的组织为回火马氏体 +二次渗碳体 +残余奥氏体。 3两根 45 钢制造的轴，直径分别为 l0 mm 和 100 mm，在水中淬火后，横截面上的组织和硬度是如何分布的 ? 答： 45 钢制造的轴，直径为 10 mm 时可认为基本淬透，横截面上外层为马氏体，中心为半马氏体 (还有屈氏体十上贝氏体 )。 硬度基本均匀分布。 直径为 100 mm 时，轴表面冷速大，越靠近中心冷速越小。 横截面上外层为马氏体，靠近外层为油淬火组织：马氏体十屈氏体十上贝氏体，中心广大区域为正火组织：索氏体。 硬度不均匀，表面硬度高，越靠近中心硬度越低。 3 甲、乙两厂生产同一种零件，均选用 45 钢，硬度要求 220～ 250HB，甲厂采用正火，乙厂采用调质处理，均能达到硬度要求，试分析甲、乙两厂的组织和性能差别。 答 ：选用 45 钢生产同一种零件，甲厂采用正火，其组 织为铁素体 +索氏体。 乙厂采用调质处理，其组织为回火索氏体。 索氏体为层片状组织，即片状渗碳体平行分布在铁素体基体上，回火索氏体是细小的粒状渗碳体弥散的分布在铁素体基体上。 由于粒状渗碳体比片状渗碳体对于阻止断裂过程的发展有利，即两者强度、硬度相近，但是回火索氏体的韧性、塑性要好得多。 所以乙厂生产的零件性能要更好。 3 试说明表面淬火、渗碳、氮化处理工艺在选用钢种、性能应用范围等方面的差别。 答 ：表面淬火一般用于中碳钢和中碳合金钢，如 4 40Cr、 40MnB 钢等。 这类钢经预先热处理（正火或调质）后表面淬火， 心部保持较高的综合机械性能，而表面具有较高的硬度（ 50HRC）和耐磨性，主要用于轴肩部位、齿轮。 高碳钢也可表面淬火，主要用于受较小冲击和交变载荷的工具、量具等。 灰口铸铁制造的导轨、缸体内壁等常用表面淬火提高硬度和耐磨性。 渗碳一般用于低碳钢和合金渗碳钢。 渗碳使低碳钢件表面获得高碳浓度（碳质量分数约为1 ），经过适当热处理后，可提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部依然保持良好的塑性和韧性，因此渗碳主要用于同时受严重磨损和较大冲击的零件，如齿轮、活塞销、套筒等。 氮化钢中一般含有 Al、 Cr、 Mo、 W、 V 等 合金元素，使生成的氮化物稳定，并在钢中均匀分布，提高钢表面的硬度，在 也不降低，常用的氮化钢有 35CrAlA、 38CrMoAlA、38CrWVAlA 等。 碳钢及铸铁也可用氮化提高表面的硬度。 氮化的目的在于更大地提高零件的表面硬度和耐磨性，提高疲劳强度和抗蚀性。 由于氮化工艺复杂，时间长，成本高，一般只用于耐磨性和精度都要求较高的零件，或要求抗热、抗蚀的耐磨件，如发动机汽缸、排气阀、精密丝杠、镗床主轴汽轮机阀门、阀杆等。 3试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理。 答：金属材料的强度 (主要指屈服强度 )反 映金属材料对塑性变形的抗力。 金属材料塑性变形本质上大多数情况下是由材料内部位错运动引起的。 凡是阻碍位错运动的因素都使金属材料强化。 固溶强化原理：固溶体随着溶质原子的溶人晶格发生畸变，品格畸变增大了位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。 这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。 加 工 硬化原理：金属发生塑性变形时，位错密度增加，位错间的交互作用增强，相互缠结，造成位错运动阻力的增大，引起塑性变形抗力提高。 另一方面由于晶粒破碎细化，晶界增多。 由于晶界上原子排 列不很规则，阻碍位错的运动，使变形抗力增大，从而使强度得以提高。 金属发生塑性变形，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降。 这种现象称为加工硬化，也叫形变强化。 弥散强化原理：许多金属材料的组织由基体 (常为固溶体 )和第二相组成，第二相一般为金属化合物。 当第二相以细小质点的形态均匀、弥散分布在合金中时，一方面由于第二相和基体之间的界面 (相界 )增加，造成相界周围基体品格畸变，使位错运动受阻，增加了滑移抗力，从而强度得到提高。 另一方面第二相质点本身就是位错运动的障碍物，位错移动时不能直接越过 第二相质点。 在外力作用下，位错可以环绕第二相质点发生弯曲，位错移过后，在第二相质点周围留下位错环。 这增加了位错运动的阻力，也使滑移抗力增加。 以上 2 个原因使金属材料得以强化。 第二相以细小质点的形态均匀、弥散分布在合金中使合金显著强化的现象称为弥散强化。 3。