工程材料學(xué)課程習(xí)題及答案

1、工程材料習(xí)題一、晶向、晶面指數(shù)習(xí)題 在立方晶系的單位晶胞上作圖表示 (1 1 1)、(1 1 0)、(1 0 0) 晶面和 1 1 1、1 1 0、0 0 1、1 0 0、0 1 0 晶向。XYZ(1 1 0)(1 1 1)Z解YXYZ(1 0 0)XYZ1 1 1XXYZ0 0 1XXYZ1 1 0XYZ0 1 0XYZ1 0 0二、Fe-C相圖類(lèi)提示 Fe-C相圖是確定鋼熱處理、鑄造、鍛造、焊接加熱工藝的依據(jù)，應(yīng)熟練掌握相圖的繪制、不同成分鋼的冷卻相變過(guò)程及室溫組織。習(xí)題 畫(huà)出 Fe-Fe3C合金相圖 （要求標(biāo)明B、E、C、F、P、S點(diǎn)的成分及共晶線和共析線的溫度），分析含碳量0.4% （

2、0.7%、0.77%、1.0% ）的鐵碳合金從液態(tài)緩冷到室溫時(shí)的結(jié)晶過(guò)程（要利用文字和冷卻曲線加以說(shuō)明），畫(huà)出室溫組織的示意圖并利用杠桿定律計(jì)算其組織組成物的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。分析 Fe-Fe3C相圖看似復(fù)雜，但若掌握規(guī)律就容易了。相圖由包晶相變、共晶相變、共析相變?nèi)糠纸M成。繪制時(shí)應(yīng)先繪制三條水平線、確定水平線的溫度及每條線上的三個(gè)成分點(diǎn)，然后再連接其余曲線即可。Fe-C相圖含碳量分為亞共析鋼（0.0218% C 0.77% ）、共析鋼（0.77% C ）和過(guò)共析鋼（0.77 % C 2.11%）三大類(lèi)型，其區(qū)別在于有先共析鐵素體析出、無(wú)先共析鐵素體和無(wú)二次滲碳體析出、有二次滲碳體析出。解1、鐵

3、碳相圖Fe-C相圖見(jiàn)圖1.0，要求各相區(qū)、線、字母、溫度要準(zhǔn)確。圖1.0 Fe-Fe3C 合金相圖溫度/0.530.02186.692、共析鋼（0.77%C）（1）結(jié)晶過(guò)程分析冷卻曲線見(jiàn)圖2.1。在Fe-C相圖中要畫(huà)出表示合金成分的垂線（圖中虛線）；冷卻曲線中要標(biāo)明交點(diǎn)及點(diǎn)的順序；冷卻曲線點(diǎn)的順序要和相圖中垂線一致，恒溫轉(zhuǎn)變?yōu)樗骄€。1點(diǎn)以上：液態(tài)；1-2點(diǎn)：勻晶轉(zhuǎn)變析出奧氏體，L ；2-3點(diǎn)：降溫階段，無(wú)組織變化；3-3 / 點(diǎn)：奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，（P）；3 / 點(diǎn)到室溫，從鐵素體中析出少量三次滲碳體Fe3C。13123/4234圖2.1 0.77% 鋼的冷卻曲線（2）室溫組

4、織顯微組織為珠光體，見(jiàn)圖2.2。示意圖要表明珠光體為層片狀。（3）質(zhì)量分?jǐn)?shù)組織組成物為“鐵素體”和“滲碳體”，以 0.77% （合金碳含量）為支點(diǎn)，分別以 0.0008% （鐵素體碳含量）和 6.69% （滲碳體碳含量）為端點(diǎn)，計(jì)算兩者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：圖2.2 0.77% C鋼的室溫組織示意圖P鐵素體 Q = ( 6.690.77 ) / (6.69-0.0008 ) × 100% = 88.5%滲碳體 Q Fe3C = 100% - 88.5% = 11.5%0.770.00086.693、亞共析鋼（0.09% C 0.77% ）亞共析鋼按含碳量又分為發(fā)生包晶反應(yīng)（0.09% C

5、 0.53%）和不發(fā)生包晶反應(yīng)（0.53% C 0.77%）的兩類(lèi)，分述如下。3.1 發(fā)生包晶反應(yīng)的亞共析鋼 以0.4 % C鋼為例（1）結(jié)晶過(guò)程分析 冷卻曲線見(jiàn)圖3.1，要求與共析鋼的相同。和共析鋼比，有三點(diǎn)不同，多“勻晶轉(zhuǎn)變L 、包晶反應(yīng) L + 和從 中析出 ”。1 點(diǎn)以上：液相；1-2 點(diǎn)：勻晶析出 鐵素體，L ；2-2/ 點(diǎn)： 鐵素體與液相發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，生成奧氏體；2/-3 點(diǎn)：剩余的液相勻晶析出奧氏體， L ；3-4 點(diǎn)：奧氏體降溫階段，無(wú)組織變化；4-5點(diǎn)：奧氏體晶界上開(kāi)始析出鐵素體， ；5-5/ 點(diǎn)：剩余奧氏體的成分到達(dá) S 點(diǎn)，共析轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w；5/ 點(diǎn)以下：從鐵素體中析出很

6、少量的三次滲碳體， Fe3C。（2）室溫組織為鐵素體+珠光體，示意圖要表明珠光體為層片狀，鐵素體為等軸狀，見(jiàn)圖3.2。（3）質(zhì)量分?jǐn)?shù)組織組成物為 “鐵素體”和“珠光體”。以 0.4% （合金碳含量）為支點(diǎn)，分別以0.0008%（鐵素體碳含量）和0.77%（珠光體碳含量）為端點(diǎn)，兩者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：QP = (0.40.0008) /(0.770.0008) ×100% = 51.9%，Q a = 100%58.40% = 48.1%。0.40.00080.772/123455/圖3.1 0.4 % 鋼的冷卻曲線圖3.2 0.4% C鋼的室溫組織示意圖FP3.2不發(fā)生包晶反應(yīng)的亞共析

7、鋼 以0.7 % C鋼為例（1）結(jié)晶過(guò)程分析 冷卻曲線見(jiàn)圖4.1，要求與共析鋼的相同。和 0.53% C 的亞共析鋼比，沒(méi)有包晶相變；和共析鋼比，多“從中析出 ”。1點(diǎn)以上：液相；12點(diǎn)：勻晶轉(zhuǎn)變析出奧氏體，L ；23 點(diǎn)奧氏體降溫階段，無(wú)組織變化；34點(diǎn)：奧氏體晶界上開(kāi)始析出鐵素體， ；44/ 點(diǎn)：剩余奧氏體的成分到達(dá)S點(diǎn)，共析轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，；4/ 點(diǎn)以下：從鐵素體中析出很少量的三次滲碳體， Fe3C。123412344/0.70.00080.77圖4.2 0.7 % C鋼的室溫組織示意圖FP圖4.1 0.7 % 鋼的冷卻曲線（3）室溫組織為鐵素體+珠光體，其中珠光體比0.4%C 的多。示意

8、圖要表明珠光體為層片狀，鐵素體為等軸狀，見(jiàn)圖4.2。（4）質(zhì)量分?jǐn)?shù)組織組成物為 “鐵素體”和“珠光體”。以 0.7 % （合金碳含量）為支點(diǎn)，分別以0.0008%（鐵素體碳含量）和 0.77%（珠光體碳含量）為端點(diǎn)，兩者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：QP = (0.70.0008) /(0.770.0008) ×100% = 90.9% ；Q a = 100%77.9% = 9.1% 。3、過(guò)共析鋼（0.77 %C 2.11% ，以1.0 % C鋼為例）（1）結(jié)晶過(guò)程分析冷卻曲線見(jiàn)圖5.1，要求與共析鋼的相同。和共析鋼比，有一點(diǎn)不同，多“從奧氏體中析出二次滲碳體， Fe3C ”。1 點(diǎn)以上：液相

9、；1-2 點(diǎn)：勻晶轉(zhuǎn)變析出奧氏體，L ；2-3 點(diǎn)：奧氏體降溫階段，無(wú)組織變化；3-4點(diǎn)：從奧氏體晶界上開(kāi)始析出二次滲碳體，呈網(wǎng)狀分布， Fe3C ；4-4/ 點(diǎn)：剩余奧氏體的成分到達(dá) S點(diǎn)，共析轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，；4/ 點(diǎn)以下：從鐵素體中析出少量三次滲碳體， Fe3C 。圖5.1 1.0 % C 鋼的室溫組織示意圖12344 /圖5.2 1.0 % 鋼的室溫組織示意圖PFe3C（2）室溫組織為珠光體+二次滲碳體，示意圖要表明珠光體為層片狀，二次滲碳體呈網(wǎng)狀，見(jiàn)圖5.2。（3）質(zhì)量分?jǐn)?shù)組織組成物為“珠光體”和“滲碳體”。以 1.0 % （合金碳含量）為支點(diǎn)，分別以0.77%（珠光體碳含量）和6.6

10、9%（滲碳體碳含量）為端點(diǎn)，兩者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：Q P =（6.691.0）/（6.690.77）× 100 % = 96.1 % ；Q Fe3C = 100%96.1 % = 3.9 % 。1.00.776.69三、C曲線類(lèi)提示 連續(xù)冷卻曲線（C曲線）是確定鋼熱處理、鑄造、鍛造、焊接冷卻時(shí)顯微組織的依據(jù)，需熟練掌握。應(yīng)知曉A1、Ms、Mf、開(kāi)始線、終了線及各區(qū)的含義。共析鋼常用的5種熱處理工藝、冷卻方式及相應(yīng)的顯微組織如表1所示。表1 C曲線冷卻工藝及組織熱處理工藝?yán)鋮s方式顯微組織退火爐冷珠光體正火空冷索氏體水冷淬火水冷馬氏體 + 殘余奧氏體油冷淬火油冷托氏體 + 馬氏體 + 殘

11、余奧氏體等溫淬火硝鹽等溫冷卻下貝氏體習(xí)題 畫(huà)出共析鋼的C曲線，并在其上示意地繪出共析鋼退火、正火、油冷淬火、等溫淬火、淬火的工藝曲線，寫(xiě)出所得組織。A1MSMf 溫度時(shí)間S圖6 共析鋼的C曲線油冷解 共析鋼連續(xù)冷卻曲線（C曲線）、各種熱處理工藝?yán)鋮s曲線如圖6所示，相應(yīng)的冷卻方法及顯微組織見(jiàn)表1。四、材料牌號(hào)類(lèi)提示 金屬材料特別是鋼的牌號(hào)繁多，難度較大，但若掌握規(guī)律、特點(diǎn)，則方便理解、記憶。下面舉例說(shuō)明其規(guī)律。習(xí)題 說(shuō)明下列各牌號(hào)金屬材料所屬類(lèi)別（鋼按用途分類(lèi)），元素含量或性能指標(biāo)，并指出用途和最終熱處理的工藝名稱(chēng)及獲得的組織。1、工程結(jié)構(gòu)鋼類(lèi)Q235 工程結(jié)構(gòu)鋼，最低屈服強(qiáng)度不低于235MPa

12、，工程結(jié)構(gòu)用。2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼類(lèi)08F 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，0.08%C，薄板沖壓件，不熱處理強(qiáng)化。20鋼 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，0.2%C，滲碳鋼，齒輪等。滲碳+淬火+低溫回火，回火馬氏體。45鋼 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，0.45%C，調(diào)質(zhì)鋼，軸等零件。調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火），回火索氏體。 3、優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼類(lèi)T10 優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，1.0%C。刃具、冷模具，淬火+低溫回火，M回+碳化物（Fe3C）+少量A殘。4、合金滲碳鋼類(lèi)20CrMnTi 合金滲碳鋼，0.2%C，1%Cr，1%Mn，1%Ti。齒輪等零件，滲碳+淬火+低溫回火，回火馬氏體。5、合金調(diào)質(zhì)鋼類(lèi)40CrNiMo合金調(diào)質(zhì)鋼，0.4%C，1%C

13、r，1%Ni，1%Mo。軸等零件，調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火），回火索氏體。6、合金彈簧鋼類(lèi)65Mn 合金彈簧鋼，0.65%C，1%Mn。彈簧，淬火+中溫回火，回火托氏體。60Si2Mn 合金彈簧鋼，0.60%C，2%Si，1%Mn。彈簧，淬火+中溫回火，回火托氏體。50CrV 合金彈簧鋼，0.50%C，1%Cr，1%V。彈簧，淬火+中溫回火，回火托氏體。7、滾動(dòng)軸承鋼類(lèi)GCr15 滾動(dòng)軸承鋼 1.0%C，1.5%Cr。軸承，淬火+低溫回火，回火馬氏體+碳化物+少量A殘。8、合金工具鋼類(lèi)9SiCr 刃具鋼或冷模具鋼 0.9%C，1%Si，1%Cr。淬火+低溫回火，回火馬氏體+碳化物+少量A殘。W

14、18Cr4V 刃具鋼，0.8%C，18%W，4%Cr，1%V。淬火+560三次回火，回火馬氏體+碳化物+少量A殘。Cr12MoV 冷模具鋼，1.2%C，12%Cr，1%V。冷沖模等，淬火+低溫回火，回火馬氏體 + 碳化物 +少量A殘。注：該鋼520回火，仍然為回火馬氏體。5CrNiMo 熱模具鋼，0.5%C，1%Cr，1%Ni，1%Mo。熱錘鍛模等，淬火+高溫回火，回火索氏體；淬火+中溫回火，回火托氏體。9、不銹鋼類(lèi)1Cr13 馬氏體不銹鋼，0.1%C，13%Cr。耐蝕的結(jié)構(gòu)件，淬火+高溫回火，回火索氏體。0Cr18Ni10 奧氏體不銹鋼，0.1%C，18%Cr，9%Ni，耐蝕的結(jié)構(gòu)件，固溶處

15、理+穩(wěn)定化處理，奧氏體。10、耐磨鋼類(lèi)ZGMn13 耐磨鋼，1%C，13%Mn。耐磨件，水韌處理1050固溶處理+水冷，奧氏體，變形后馬氏體。11、灰口鑄鐵類(lèi)HT350 灰口鑄鐵，最低抗拉強(qiáng)度350MPa。12、可鍛鑄鐵類(lèi)KTH330-08 黑心可鍛鑄鐵，最低抗拉強(qiáng)度330MPa，最低延伸率8%。13、球墨鑄鐵類(lèi)QT600-3 球墨鑄鐵，最低抗拉強(qiáng)度600MPa，最低延伸率3%。14、蠕墨鑄鐵類(lèi)RuT260 蠕墨鑄鐵，最低抗拉強(qiáng)度260 MPa。15、鑄造鋁合金類(lèi)ZAlSi12 鑄造鋁硅合金，12%Si。16、黃銅類(lèi)HPb59-1 鉛黃銅，含59%Cu，1%Pb，余量為Zn。五、選材類(lèi)提示 根

16、據(jù)給定的零件，分析其服役條件，合理選材及制定加工工藝路線及熱處理工藝，知曉材料顯微組織和性能之間的關(guān)系，是學(xué)習(xí)本門(mén)課程的最終目的，應(yīng)熟練掌握。習(xí)題 某公司計(jì)劃生產(chǎn)下列零件，（1）選用一種材料，寫(xiě)出牌號(hào)；（2）編寫(xiě)加工工藝路線；（3）回答各熱處理工序的目的及使用狀態(tài)下的組織。（1）普通機(jī)床變速箱齒輪（2）汽車(chē)半軸（3）承受中等載荷、轉(zhuǎn)速不高的機(jī)床主軸（4）內(nèi)燃機(jī)曲軸（5）汽車(chē)變速箱齒輪（6）汽車(chē)活塞銷(xiāo)（7）彈簧說(shuō)明 此7種類(lèi)型幾乎包括了所有的零件類(lèi)型，若完全掌握，則完全可以勝任零件設(shè)計(jì)的選材工作。解 1、普通機(jī)床變速箱齒輪（詳見(jiàn)教材189頁(yè)） 選材：45鋼、40Cr等。 加工工藝路線：下料鍛造正

17、火粗加工調(diào)質(zhì)精加工高頻淬火、低溫回火精磨。 熱處理工序目的見(jiàn)附錄。 組織：心部：回火索氏體，表面高頻淬火層：回火馬氏體。2、汽車(chē)半軸 （詳見(jiàn)教材196頁(yè)） 選材：45、40Cr、40CrNi。半軸的壽命主要取決于花鍵齒的抗壓陷和耐磨損性能，因此要表面強(qiáng)化。 加工工藝路線：下料鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工花鍵齒部分高頻淬火、低溫回火噴丸。 熱處理工序目的見(jiàn)附錄。 組織：心部：回火索氏體，花鍵齒處表面高頻淬火層：回火馬氏體。3、承受中等載荷、轉(zhuǎn)速不高的機(jī)床主軸 （詳見(jiàn)教材191頁(yè)） 選材：45鋼、40Cr等。 加工工藝路線：鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工軸頸表面淬火及低溫回火磨削加工。 熱處理工序目的見(jiàn)附錄

18、。 組織：心部回火索氏體，軸頸表面高頻淬火層：回火馬氏體。4、內(nèi)燃機(jī)曲軸（1）鑄鐵曲軸 （詳見(jiàn)教材192頁(yè)） 選材：可選QT700-2,其加工工藝路線如下： 加工工藝路線：鑄造高溫正火高溫回火切削加工軸頸氣體滲氮。 高溫正火獲得珠光體基體（強(qiáng)度比鐵素體基體的高）；高溫回火，消除正火產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。組織：基體珠光體 + 球狀石墨。（2）鍛鋼曲軸 選材：40Cr、42CrMo等。 加工工藝路線：鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工軸頸氮化低溫去應(yīng)力退火。 熱處理工序目的見(jiàn)附錄。 組織：心部：回火索氏體，軸頸表面：氮化層（氮化物）。5、汽車(chē)變速箱齒輪 （詳見(jiàn)教材189-190頁(yè)） 選材：20CrMnTi。 加工

19、工藝路線：下料鍛造正火切削加工滲碳、淬火及低溫回火噴丸磨削加工。 熱處理工序目的見(jiàn)附錄。 組織：心部：低碳的回火馬氏體；表面滲碳層：高碳的回火馬氏體+碳化物+少量A殘余。注：滲層是否含有“碳化物”依淬火溫度而定，如果淬火溫度超過(guò)Accm，則沒(méi)有“碳化物”。6、汽車(chē)活塞銷(xiāo) 選材：20鋼、20Cr、20CrMnTi。 加工工藝路線：下料鍛造正火切削加工滲碳、淬火及低溫回火磨削加工。 熱處理工序目的見(jiàn)附錄。 組織：心部：低碳的回火馬氏體；表面滲碳層：高碳的回火馬氏體+碳化物+少量A殘余。注：滲層是否含有“碳化物”依淬火溫度而定，如果淬火溫度超過(guò)Accm，則沒(méi)有“碳化物”。7、彈簧 選材：65Mn、6

20、0Si2Mn等。 加工工藝路線：汽車(chē)板簧：熱軋鋼帶（板）沖裁下料壓力成型淬火中溫回火噴丸強(qiáng)化?；疖?chē)螺旋彈簧：熱軋鋼棒下料兩頭制扁熱卷成形淬火中溫回火噴丸強(qiáng)化端面磨平。 熱處理工序目的見(jiàn)附錄。 組織：回火托氏體。附錄 上述加工工藝路線中“熱處理工序的作用”總結(jié)如下：1、正火組織：索氏體。目的：改善組織；細(xì)化晶粒；調(diào)整硬度，提高切削加工性能。說(shuō)明：正火為淬火前的預(yù)先熱處理，為淬火做組織準(zhǔn)備。2、調(diào)質(zhì)組織：回火索氏體。目的：獲得良好的綜合力學(xué)性能（足夠的強(qiáng)度，高的塑韌性）。說(shuō)明：3、高頻感應(yīng)表面淬火+低溫回火組織：淬火獲得“馬氏體”；低溫回火獲得“回火馬氏體”。目的：提高表面的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度

21、。說(shuō)明：齒輪、凸輪軸等機(jī)械零件，既要求心部有良好的綜合力學(xué)性能，又要求表面耐磨、高的疲勞強(qiáng)度，為此先對(duì)零件整體進(jìn)行調(diào)質(zhì)，獲得良好的綜合力學(xué)性能；然后在調(diào)質(zhì)的基礎(chǔ)上，再對(duì)單獨(dú)表面進(jìn)行強(qiáng)化，以提高表面的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。表面淬火是為表層獲得馬氏體，以硬化表層，但馬氏體脆性大，且有很大的殘余應(yīng)力，所以要低溫回火，以降低脆性和殘余應(yīng)力。低溫回火是為在保持高硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度的同時(shí)，降低脆性和殘余應(yīng)力。如果采用中溫或高溫回火，則硬度、耐磨性下降過(guò)多。4、氮化+低溫去應(yīng)力回火組織：氮化組織（氮化物+含氮相）目的：提高表面耐磨性。（其耐磨性高于滲碳的）說(shuō)明：對(duì)于曲軸等零件，同樣要求心部要有良好的綜

22、合力學(xué)性能，但又要求軸頸等部位要有非常高的耐磨性。所以也是先調(diào)質(zhì)，再對(duì)局部表面進(jìn)行氮化，氮化后，再低溫去應(yīng)力退火，消除氮化冷卻時(shí)形成的殘余應(yīng)力。5、滲碳、淬火及低溫回火組織：心部低碳回火馬氏體，表面高碳回火馬氏體。目的：滲碳：提高表面碳濃度；淬火：獲得馬氏體，提高心部強(qiáng)度，提高表面硬度、耐磨性；低溫回火：在保持高強(qiáng)度（心部）、高硬度（表層）的同時(shí)，降低馬氏體的脆性和殘余應(yīng)力。說(shuō)明：齒輪、活塞銷(xiāo)等零件，既要求心部高強(qiáng)度、高韌性，又要求表面耐磨、疲勞強(qiáng)度高。為此選用含碳量0.2%C的鋼，以使心部能夠獲得高的的強(qiáng)度和韌性；再對(duì)其表面進(jìn)行滲碳，以提高表層碳濃度，約1%C左右。淬火是為了獲得馬氏體，提高

23、心部的強(qiáng)度、表面的硬度和耐磨性。低溫回火是為了在保持高強(qiáng)度（心部）、高硬度（表層）的同時(shí)，降低馬氏體的脆性和殘余應(yīng)力。如果采用中溫回火或高溫回火，其強(qiáng)度、硬度將損失太多，故應(yīng)該采用低溫回火。6、淬火+中溫回火組織：回火托氏體。目的：提高彈簧的彈性。說(shuō)明：淬火是為強(qiáng)化，中溫回火是為了獲得高的彈性極限。如果采用低溫回火，馬氏體的脆性降低得不多，彈簧太脆，容易斷裂，另外，彈性也不高；如果采用高溫回火，則強(qiáng)度損失過(guò)多，彈性極限太低，故以中溫回火最為合適。六、熱加工部分提示 掌握鑄造、鍛造、焊接的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)等基礎(chǔ)知識(shí)。1.簡(jiǎn)述鑄造生產(chǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：零件的形狀復(fù)雜；工藝靈活；成本較低。缺點(diǎn)：機(jī)械性能較低；精度低；效率低；勞動(dòng)條件差。2.與砂型鑄造相比，特種鑄造有何特點(diǎn)？鑄件精度和表