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《工程材料及成形工艺基础》习题集
—北京科技大学机制及自动化系
班级
姓名
学号
北京科技大学机械工程学院
2012.10
习题一
班级姓名成绩
一、什么是应力？
什么是应变？
答:
应力——试样单位截面上的作用力。
σ
应变——试样单位长度上的变形量。
ε
二、填表回答：
符号
物理意义
国际单位
工程单位
σs（σ0.2）
产生明显塑性变形的应力。
Pa
N/mm2
σb
抵抗变形和断裂的能力。
Pa
N/mm2
δ%
单位长度上的延伸量。
无量纲
Ψ%
单位面积上的缩减量。
无量纲
HB
抵抗更硬物体压入的能力。
无量纲
αk
单位面积上的冲击功。
J/m2
卡/mm2
σ-1
抵抗疲劳破坏的能力。
Pa
N/mm2
三、金属材料随所受外力的增加，其变形过程一般分为几个阶段？
各阶段的特点是什么？
弹性变形和塑性变形阶段。
弹性变形阶段：
应力与应变成正比；去掉外力恢复原状。
塑性变形阶段：
应力与应变不成正比；去掉外力不能恢复原状。
四、何谓金属的工艺性能？
主要包括哪些内容？
答：
工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。
五、何谓交变载荷？
何谓疲劳破坏？
其产生的原因是什么？
答：
交变载荷——大小和方向随时间呈周期性变化的作用载荷。
疲劳破坏——材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。
产生原因——由于材料内部有气孔、疏松、夹杂等组织缺陷，表面有划痕、缺口等引起应力集中的缺陷，导致产生微裂纹，随着循环次数的增加微裂纹逐渐扩展，最后造成工件突然断裂破坏。
六、常用的金属晶格类型有哪几种？
其晶胞特征怎样？
举例说明。
答：
常见的晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种。
α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格；
γ－Fe、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格；
Mg、Zn属于密排六方晶格；
七、固溶体和金属间化合物在结构和性能上有什么主要差别？
答：
在结构上：
固溶体的晶体结构与溶剂的结构相同，而金属间化合物的晶体结构不同于组成它的任一组元，它是以分子式来表示其组成。
在性能上：
形成固溶体和金属间化合物都能强化合金，但固溶体的强度、硬度比金属间化合物低，塑性、韧性比金属间化合物好，也就是固溶体有更好的综合机械性能。
八、什么叫固溶强化？
什么弥散强化？
比较二者的异同。
答：
固溶强化——通过溶入溶质原子形成固溶体使晶格畸变，从而使固溶体的强度、硬度比溶剂要高的强化手段称固溶强化。
弥散强化——合金中以固溶体为主再有适量的金属间化合物弥散分布，会提高合金的强度、硬度及耐磨性，这种强化方式为弥散强化。
九、什么叫同素异晶转变？
纯铁的同素异晶体有几种？
各在什么温度下存在？
各具有什么晶体结构？
并以冷却曲线表示同素异晶转变。
同素异晶转变：
金属晶格类型随温度改变而重新排列的过程。
纯铁的同素异晶体：
十、何谓过冷？
过冷度？
过冷度与冷却速度有何关系？
答：
过冷——金属或合金的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。
过冷度——实际结晶温度与理论结晶温度的差值。
冷却速度越大，过冷度也越大。
十一、在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？
在生产中如何应用变质处理？
答：
①采用的方法：
变质处理，钢模铸造以及在砂模中加冷铁以加快冷却速度的方法来控制晶粒大小。
②变质处理：
在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒。
③机械振动、搅拌。
习题二
班级姓名成绩
一、填表：
组织名称
代号符号
含碳量/%
组织类型
力学性能特征
铁素体
F
小
固溶体
塑性好
奥氏体
A
大
固溶体
塑性更好
渗碳体
Fe3C
高
金属化合物
高硬度
珠光体
P
0.77
机械混合物
强度高
莱氏体
La
4.30
机械混合物
高硬度
二、下图为简化铁碳合金相图
1.用符号把相图上未填各相区的组织填上。
2.填空：
ACD线是_液相线，AECF线是__固相_线，ES线是_A溶解度_线，GS线是A转变线，ECF线是__共晶线，冷却到此线上合金发生的组织变化是__共晶转变__线；PSK线是__共析_线，冷却到此线上合金发生的组织变化是__共析转变_。
3.分析0.5%的合金的结晶过程（在相图下侧）画出冷却曲线，分析各阶段的组织变化。
0.5%的合金的结晶过程：
L----A----A+F----P+A
三、什么是一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体与共析渗碳体？
答：
一次渗碳体：
由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。
二次渗碳体：
从A中析出的
称为二次渗碳体。
三次渗碳体：
从
中析出的
称为三次渗碳体
。
共晶渗碳体：
经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。
共析渗碳体：
经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。
四、为什么形状复杂的冲压和铆钉等冷塑性变形加工的工件多低碳钢，而工、模具用高碳钢？
答：
低碳钢在常温含有大量的具有较好塑性的铁素体，适合形状复杂的冲压和铆钉等冷塑性变形加工。
高碳钢在常温下含有大量的具有较高硬度的渗碳体，从而满足了工、模具的使用要求。
五、铁碳合金根据碳含量和室温组织不同，分为哪三种，其碳含量和组织有何不同？
答：
（1）工业纯铁。
碳含量ωc≤0.218%的铁碳合金，室温组织为F（含很少的Fe3CⅢ）。
（2）碳钢碳含量0.0218＜ωc≤2.11%的铁碳合金，根据不同的室温组织又分为三种：
1）共析钢，ωc=0.77%，室温组织为P；
2）亚共析钢，0.0218＜ωc＜0.77%，室温组织为P+F；
3）过共析钢，0.77＜ωc≤2.11%，室温组织为P+Fe3CⅡ。
（3）白口铁碳含量2.11＜ωc≤6.69%的铁碳合金，根据不同的室温组织也可分为三种：
1）共晶白口铁，ωc=4.3%，室温组织为Ld‘；
2）亚共晶白口铁，2.11＜ωc≤4.3%，室温组织为P+Ld‘+Fe3CⅡ；
3）过共晶白口铁，4.3＜ωc≤6.69%，室温组织为Ld‘+Fe3CⅡ。
六、为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金？
为什么要进行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？
答：
铸造合金常选用接近共晶成分的合金是因为接近共晶成分的合金熔点低，结晶范围小，流动性好，具有良好的铸造性能。
进行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金是因为单相固溶体成分的合金有良好的塑性，变形抗力小，具有良好的可锻性。
七、试回答下表中问题
合金牌号
Q235A
16Mn
45钢
60Si2Mn
T10A
9SiCr
钢种
普碳
低合金
优碳
弹簧
碳工
合金工具
平均含碳量%
0.16
0.45
0.60
1.0
0.9
合金元素量%
小于1.5
无
Si：
2.0
Mn：
1.5
无
Si：
1.5
Cr：
1.5
应用举例
屈强度235MPa
压力容器
轴、齿轮
板簧
板牙
铰刀
八、现有Q195、Q235B、Q255B三种碳素结构钢，用于制造铁钉、铆钉和高强销钉，如何合理选材？
还有08F、45、65三种优质碳素结构钢，欲制造仪表板、汽车弹簧、变速箱传动轴等零件，如何选材？
答：
Q195用于制造铁钉，Q235B用于制造铆钉、Q255B用于制造高强销钉。
答：
08F用于制造仪表板，45用于制造变速箱传动轴等零件，65用于制造汽车弹簧。
九、为何绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却用钢丝绳（用60、65、70、75等钢制成）？
答：
绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选用低碳钢有很好的塑韧性，镀锌低碳钢丝；而起重机吊重物用钢丝绳除要求有一定的强度，还要有很高的弹性极限，而60、65、70、75钢有高的强度和高的弹性极限，这样在吊重物时不会断裂。
十、下列零件或工具（手锯锯条、普通螺钉、车床主轴）应用何种碳钢制造？
答：
手锯锯条：
它要求有较高的硬度和耐磨性，因此用碳素工具钢制造，如T9、T9A、T10、T10A、T11、T11A。
普通螺钉：
要保证有一定的机械性能，用普通碳素结构钢制造，如Q195、Q215、Q235。
车床主轴：
要求有较高的综合机械性能，用优质碳素结构钢，如30、35、40、45、50。
习题三
班级姓名成绩
一、共析钢在加热时的组织转变有几个阶段？
其影响因素是什么？
答：
钢从室温缓慢加热，最后转变为奥氏体的过程，称为钢的奥氏体化。
共析钢加热前原始组织为珠光体，加热到Ac1以上温度时，珠光体转变为奥氏体。
奥氏体化过程包括奥氏体的形核、长大、残余渗碳体的溶解和奥氏体均匀化四个阶段。
奥氏体化的速度，取决于奥氏体的形核率和长大率，主要的影响因素是加热温度、加热速度、化学成分和原始组织状态。
二、什么叫过冷奥氏体？
残余奥氏体？
共析钢过冷奥氏体的等温转变的产物有哪些？
答：
奥氏体在A1线以上温度为稳定组织，而冷却至A1以下而尚不及转变的奥氏体，处于不稳定的过冷状态，通常称这种不稳定的过冷状态奥氏体为“过冷奥氏体”。
残余奥氏体——M转变结束后剩余的奥氏体。
共析钢过冷奥氏体等温转变的产物可分为三个转变区。
（1）高温转变区（珠光体型转变区）：
过冷奥氏体在A1线至5500C温度范围的转变产物为铁素体和渗碳体片层相间的珠光体型组织。
其中：
A1~6500C范围为粗片珠光体组织（P）；6500C~6000C范围为细珠光体组织，称索氏体（S）；6000C~5500C范围为极细珠光体组织，称托氏体（T）。
（2）中温转变区（贝氏体型转变区）：
过冷奥氏体在5500C至Ms线温度范围的产物为贝氏体型组织，是过饱和铁素体和渗碳体组成的多相复合组织。
当转变温度为5500C~3500C时，为板条状过饱和铁素体之间分布着细小片状渗碳体的羽毛状组织，称为上贝氏体（B上），而在3500C~Ms线范围内，转变产物为针片状的下贝氏体（B下）。
（3）低温转变区（马氏体型转变区）：
当奥氏体被连续急冷Ms线以下温度时，由于过冷度很大，原子扩散困难，过冷奥氏体发生特殊的马氏体转变，转变产物为马氏体。
三、什么是钢的等温冷却和连续冷却？
试绘出奥氏体这两种冷却方式示意图？
答：
等温冷却——把奥氏体迅速冷却到Ar1以下某一温度保温，待其分解转变完成后，再冷至室温的一种冷却转变方式。
连续冷却——在一定冷却速度下，过冷奥氏体在一个温度范围内所发生的转变。
四、何谓球化退火？
为什么过共析钢必须采用球化退火而不采用完全退火？
答：
（1）将钢件加热到Ac1以上30～50℃，保温一定时间后随炉缓慢冷却至600℃出炉空冷。
（2）过共析钢组织若为层状渗碳体和网状二次渗碳体时，不仅硬度高，难以切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂。
通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工性。
五、正火与退火的主要区别是什么？
生产中应如何选择正火及退火？
答：
二者区别：
①加热温度不同，对于过共析钢退火加热温度在Ac1以上30～50℃而正火加热温度在Accm以上30～50℃。
②正火冷速快，组织细，强度和硬度有所提高。
当钢件尺寸较小时，正火后组织为S，而退火后组织为P。
选择：
（1）从切削加工考虑：
切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及对刀具的磨损等。
一般金属的硬度在HB170～230范围内，切削性能较好。
高于它过硬，难以加工，且刀具磨损快；过低则切屑不易断，造成刀具发热和磨损，加工后的零件表面粗糙度很大。
对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢和工具钢则以退火为宜。
至于合金钢，由于合金元素的加入，使钢的硬度有所提高，故中碳以上的合金钢一般都采用退火以改善切削性。
（2）从使用性能上考虑：
如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械性能，但若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。
（3）从经济上考虑：
正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。
六、钢的淬火临界冷却速度Vk大小受哪些因素影响？
与钢的淬透性有何关系？
答：
（1）化学成分的影响：
亚共析钢中随着含碳量的增加，C曲线右移，过冷奥氏体稳定性增加，则Vk减小，过共析钢中随着含碳量的增加，C曲线左移，过冷奥氏体稳定性减小，则Vk增大；合金元素中，除Co和Al（>2.5%）以外的所有合金元素，都增大过冷奥氏体稳定性，使C曲线右移，则Vk减小。
（2）一定尺寸的工件在某介质中淬火，其淬透层的深度与工件截面各点的冷却速度有关。
如果工件截面中心的冷速高于Vk，工件就会淬透。
然而工件淬火时表面冷速最大，心部冷速最小，由表面至心部冷速逐渐降低。
只有冷速大于Vk的工件外层部分才能得到马氏体。
因此，Vk越小，钢的淬透层越深，淬透性越好。
七、45钢的平衡组织是_____F+P___，加热到840℃时的组织是____A____，在840℃保温一定时间放入不同介质中冷却，试回答下表中的问题。
冷却方式
热处理名称
冷却后组织
机械性能比较
强度
高，极高，低
塑性
好，较好，差
硬度
高，低
炉冷
退火
F+P
较高
高
低
空冷
正火
F+细P
高
较高
较高
水冷
淬火
]
M
较低
低
最高
水冷+高温回火
调质
回火S
最高
最高
高
八、将共析钢加热到Ac1以上30～50℃，过共析钢加热到Accm以上30～50℃进行淬火，是否可以？
为什么？
答：
不可以，温差大，共析钢和过共析钢的脆性大，即使得到M也无用，
会开裂。
九、何谓回火？
回火的目的？
回火的分类及其应用？
答:
回火是将淬火后的工件再加热到Ac1以下某一温度，保温后冷却至室温的热处理。
回火的目的是稳定组织、消除应力、调整硬度和提高塑性、韧度。
根据不同的回火温度，分为低温回火、中温回火和高温回火三种。
（1）低温回火（1500C~2500C），低温回火后的组织为回火以氏体，硬度一般为（58~64）HRC，主要用于高碳钢或合金钢的刃具、量具、模具、轴承以及渗碳件淬火后的回火处理。
其目的是降低淬火应力和脆性，保持钢淬火后的高硬度和耐磨性。
（2）中温回火（3500C~5000C），中温回火后的组织为回火托氏体，硬度为（35~50）HRC，主要用于各种弹簧和模具的回火处理，其目的是保证钢的高弹性极限和高的屈服点、良好的韧度和较高的硬度。
（3）高温回火（5000C~6500C），高温回火后的组织为回火索氏体。
硬度为（25~35）HRC，主要用于各种重要的结构件，特别是交变载荷下工作的连杆、螺柱、齿轮和轴类工件。
也可用于量具、模具等精密零件的预备热处理。
其主要目的是获得强度、塑性和韧度均较高的良好综合力学性能。
通常将淬火后再进行高温回火这种复合热处理工艺称为调质处理。
习题四
班级姓名成绩
一、何谓表面淬火？
表面淬火适应于什么钢？
答：
表面淬火是一种不改变表层化学成分，而改变表层组织的局部热处理方法。
表面淬火，是通过快速加热，使钢件表层奥氏体化，然后迅速冷却，使表层形成一定深度的淬硬组织——马氏体，而心部仍保持原来塑性、韧度较好的组织（退火、正火或调质处理组织）的热处理工艺。
表面淬火适应于中碳钢和中碳合金钢工件。
二、何谓化学热处理？
化学热处理的目的？
常用的化学热处理有哪些？
答：
化学热处理是将钢件置于活性介质中加热并保温，使介质分解析出的活性原子渗入工作表层，改变表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。
化学热处理的目的是提高工作表面的硬度、耐磨性、疲劳强度、耐热性、耐蚀性和抗氧化性能等。
常用的化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗和渗金属等。
三、选择下列淬火钢件的回火温度
1.45钢的轴类零件（要求具有良好的综合力学性能）；
2.60钢弹簧；
3.T12钢锉刀。
答：
（1）45钢的轴类零件的回火温度为5000C~6500C，
（2）60钢弹簧回火温度为3500C~5000C，（3）T12钢锉刀1500C~2500C。
四、拟用T10制造形状简单的车刀，工艺路线为：
锻造—热处理—机加工—热处理—磨削加工。
1.试写出各热处理工序的名称并指出各热处理工序的作用；
2.指出最终热处理后的显微组织及大致硬度；
3.制定最终热处理工艺规定（温度、冷却介质）
答：
（1）工艺路线为：
锻造—退火—机加工—淬火后低温回火—磨加工。
退火处理可细化组织，调整硬度，改善切削加工性；淬火及低温回火可获得高硬度和耐磨性以及去除内应力。
（2）终热处理后的显微组织为回火马氏体，大致的硬度60HRC。
（3）T10车刀的淬火温度为780℃左右，冷却介质为水；回火温度为150℃～250℃。
五、某汽车齿轮选用20CrMnMo材料制造，制定该齿轮的加工路线。
下料→锻造→正火① →切削加工 →渗碳②，→淬火③，→低温回火④ → 喷丸 →磨削
六、选择下列零件的热处理方法，并编写简明工艺路线（各零件均选用锻造毛坯，并且钢材具有足够的淬透性）：
1.某机床变速箱齿轮（模数m=4），要求齿面耐磨，心部强度和韧性要求不高，材料选用45钢；
2.某机床主轴，要求有良好的综合机械性能，轴径部分要求耐磨（HRC50-55），材料选用45钢；
答：
（1）下料→锻造→正火→粗加工→精加工→局部表面淬火+低温回火→精磨→成品
（2）下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→局部表面淬火+低温回火→精磨→成品
七、何谓合金钢？
合金钢中经常加入的合金元素有哪些？
主要起什么作用？
答：
合金钢是指为改善钢的组织、性能，在冶炼时特意加入合金元素的钢。
合金钢中经常加入的合金元素有锰（Mn）、硅（Si）、铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）、钨（W）、钛（Ti）、硼（B）、铝（Al）、铌（Nb）、锆（Zr）等。
主要起如下作用:
1）.强化2）.稳定组织、细化晶粒3）.提高淬透性4）.提高抗氧化和耐蚀能力
八、W18Cr4V钢的Ac1约为820℃，若以一般工具钢Ac1+30-50℃常规方法来确定淬火加热温度，在最终热处理后能否达到高速切削刃具所要求的性能？
为什么？
W18Cr4V钢刀具在正常淬火后都要进行560℃三次回火，又是为什么？
答：
若以一般工具钢Ac1+30-50℃常规方法来确定W18Cr4V钢淬火加热温度，在最终热处理后不能达到高速切削刃具所要求的性能。
因为若按常规方法来确定淬火加热温度，则合金碳化物不易溶解，不能满足在高速切削时刀具应保持红硬性、高耐磨性的要求。
为使奥氏体得到足够的合金化，必须加热到远远大于Ac1的温度，既1280℃左右。
18Cr4V钢刀具在正常淬火后都要进行560℃三次回火，这是为消除残余奥氏体。
九、工业常用非金属材料有哪些？
陶瓷材料有哪些用途？
何谓工程塑料和复合材料？
答：
工业中常用的非金属材料有高分子材料、陶瓷材料和复合材料三大类。
陶瓷的应用广泛。
普通陶瓷可以制作生活用品、建筑材料和耐腐蚀的容器和管道。
特种陶瓷可以制作火花塞、坩埚热是偶套管、高温电炉坩埚、刀具材料、耐腐蚀、耐高温制品。
工程塑料：
是一种以有机合成树脂为主要组成的高分子材料，它通常可在加热、加压条件下塑制成形，故称为塑料。
复合材料：
是指两种或两种以上的物理、化学性质不同的物质经一定方法得到的一种新的多相固体材料。
其主要优点是能根据人们的要求来改善材料的使用性能，具有比强度和比模量高、抗疲劳性能和抗断裂性能好，减摩、耐磨、减振性能优良等特点。
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