工程材料问答题

习题1 材料的力学性能

问答题

请解释材料的工艺性能、使用性能和力学性能含义

答：材料的工艺性能是指将材料加工成零件的难易性，包括可切削性、铸造性、锻压性、焊接性等。材料的工艺性好坏与所采用的加工方法有关。使用性能是指材料加工成零件后，是否好用、耐用，使用性能包括力学性能、物理性能、化学性能。力学性能是指材料受载荷作用时表现岀的与变形、断裂相关的一系列性能，主要有强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等。

什么叫强度？常用的强度指标是哪两个？分别代表什么？

答：强度一一材料受静载荷作用时，抵抗塑性变形和断裂的能力。常用的强度指标是：

屈服强度b s ――材料受静载荷作用时，抵抗塑性变形的能力。

抗拉强度（强度极限）b b ――材料受静载荷作用时，抵抗断裂的能力。

什么叫塑性？常用的塑性指标是哪两个？材料的塑性在工程上有何实用意义？

答：塑性一一材料在受载荷作用时，发生永久性变形的能力。常用的塑性指标是：延伸率S、断面收缩率^。塑性在工程上的实用意义：

塑性是变形加工（锻压）的条件。塑性较好的材料才可以进行变形加工。

塑性好的材料，不易脆断，应用时安全性比较好。

比较布氏硬度、洛氏硬度的测量方法、压头形状和硬度值有效范围。并指岀各自的应用范围洛氏硬度在测试时可以直接在读数表上读岀硬度值。

金属材料的硬度与抗拉强度之间存在什么关系？这种关系有什么实用意义？

答：金属材料的硬度与强度有一定正比关系。在实际工作中，在不方便测试零件的强度时，常常通过测试其硬度

来换算岀强度，既简便，成本又低。但需要注意这样换算的数据是比较粗略的

材料的力学性能指标有很多（如强度、塑性、硬度、冲击韧度等），但是在零件图上，常常只标注硬度值要求，这

是为什么？

答：测试强度、塑性需采用拉伸试验、测试韧性要用冲击试验，这些试验都是破坏性的，显然不适合于成品零件。

硬度试验很简便，对试验对象的损伤非常小，故适合于测试零件。硬度与其它性能指标之间有一定的对应关系，只要测得零件的

硬度值，就可以估算其他性能的数值。

用洛氏硬度HRC标尺测得某钢件的硬度为15HRC这个硬度值说明了什么？遇到这种情况应当怎样处理？答：这个测试值低于HRC标尺的有效范围，说明被测材料的硬度很低，用HRC来测量不合适。可以改用洛氏

HRB 标尺或布氏标尺HBS来测试

下列材料需要测试硬度，各选用什么硬度试验方法？

（1）退火的钢（2）淬火的钢（3）铝合金、铜合金（4）硬质合金

答：（1）退火的钢：用HBS或HRB （2）淬火的钢：用HRC

（3）铝合金、铜合金：用HBS或HRB （4）硬质合金：用HRA

什么叫冲击韧性？材料冲击韧性的好坏有什么意义？

答：冲击韧性ak ——材料受冲击载荷时，抵抗断裂的能力。冲击韧性高的材料，使用安全性好。什么叫材料的疲劳现象？疲劳

的危害是怎样体现的？答：疲劳现象是零件（材料）在交变载荷长时间作用下，产生裂纹并逐渐扩展，最终导致突然断裂的现

象。在裂纹萌生和扩展的较长一段时间中，是不易被发现的，而最终的断裂却是在瞬间发生的。因此，疲劳现象对于运行中的

机器，尤其对飞行中的飞机，是危害性极大的事故隐患。飞机要进行定期检修，其中一个目的就是要检查一些关键零件是否产生

了疲劳裂纹。

提高零件疲劳寿命的方法有哪些？答：疲劳裂纹通常在零件薄弱部位的表面萌生。下列方法能提高零件抗疲劳性：提高零件表面光洁度（降低表面粗糙度）。零件截面和形状变化之处，设计为圆弧过渡，以减轻应力集中现象。

采用表面热处理、喷丸等方法对零件表面进行强化。防止零件表面被划伤、腐蚀。

此外，采用无损检测技术定期对重要零件进行检测，争取在早期发现零件上的疲劳裂纹，也是预防疲劳断裂恶性事故的有效手段。

习题2 金属材料的基础知识

问答题：

什么需要了解金属的内部组织结构？答：因为金属内部组织结构决定金属的性能，所以，要了解金属的性能及其变化规律，就有

必要认识了解金属的内部组织结构。

金属的常见晶体结构有哪几种类型？下面几种金属的晶体结构各属于哪种类型？

a铁、丫铁、铜、铝、铬、镁、锌

答：体心立方晶格：a铁、铬；面心立方晶格：丫铁、铜、铝；

密排六方晶格：镁、锌

在常温下，比较铁、铜、镁的塑性，哪一个的最好？哪一个最差？（提示：金属的塑性好坏与其晶体结构类型有关。）

答：铜是面心立方晶格，塑性最好；镁是密排六方晶格，塑性最差；铁在常温时体心立方晶格，塑性介于二者之间。

为什么单晶体是各向异性的，而多晶体却是各向同性的？

答：在单晶体晶格的不同方向上，原子间距不同，相互间的作用力不同，因此在不同方向上的性能存在差异，即

“各向异性”。多晶体是分许多晶粒^成的，每颗晶粒都是各向异性的小单晶，但大量晶粒的各向异性相互抵消, 因此多晶体是

各向同性的。组织_____ k性能

请在下面的框图中填八热响金理属材料----------------- --------------------- 为什么多晶体的金属在塑性变形以

后也会出现各向异性？

答：多晶体的金属在塑性变形以后，晶粒沿变形方向被拉长或压扁，形成纤维组织，致使多晶体金属岀现各向异

性一一在平行于纤维的方向上性能较好，在垂直于纤维的方向上性能较差

什么叫金属的加工硬化？加工硬化在生产中会带来哪些利弊？试举例说明。

答：当金属在发生塑性变形的时候，随着塑性变形程度的增大，金属的强度和硬度逐渐升高，塑性和韧性则逐渐降低，这种现象称为加工硬化。

除了加工硬化以外，塑性变形对金属还带来哪些影响？

答：塑性变形除了影响金属的力学性能外，还会使物理性能和化学性能发生变化，例如使金属的电阻率增大，抗腐蚀性降低等。经过塑性变形的金属在加热时，随着温度的升高，会发生哪些变化过程？

答：经过塑性变形的金属处于一种不稳定的状态，如果其加热，就会使其组织和性能发生一系列变化，最终达到

稳定的状态。这个变化过程可分为三个阶段，即：回复、再结晶和晶粒长大。

什么叫回复？回复原理在生产中有何应用？

答：将经过塑性变形的金属在低于再结晶温度的条件加热，其组织没有变化，仍然保持先前塑性变形时形成的纤维组织?加工硬化效应也保持下来，但内应力显著降低了，这种现象称为恢复。

生产中，一些在常温下经塑性变形制造的成品零件，为了使其保持加工硬化带来的高强度，而又基本消除有

害的内应力，可将零件在回复的温度范围内加热保温，达到上述目的。这种热处理工艺叫做去应力退火。例

如用冷拉钢丝制造的弹簧，绕成后在250?300 C去应力退火，使得弹簧既有较高的强度和弹性，外形和尺寸

又很稳定。

什么叫再结晶？再结晶原理在生产中有何应用？

答：经过塑性变形的金属，被加热到高于再结晶温度时，将逐渐生成颗粒状的晶粒，取代变形的品粒，这个过程

称为再结晶。当再结晶过程完成时，先前塑性变形造成的加工硬化也就消失，同时内应力也彻底消除了。

根据再结晶的原理，在生产中常常把经过冷变形加工的金属半成品加热到再结晶温度之上保温，使之发生再结晶,

消除加工硬化，以利于继续变形加工。这种热处理工艺称为再结晶退火

冷变形与热变形有哪些区别？

答：在再结晶温度以上进行的塑性变形称为热变形，在再结晶温度以下进行的称为冷变形。在冷变形的时候，金属要发生加工硬化，使变形越来越困难；在热变形的时候，金属既要发生加工硬化，同时又要发生再结晶软化。

如果再结晶过程足够快，能够抵消加工硬化，则金属在热变形时就能保持低强度、高塑性的状态，使塑性变形加

工得以持续顺利进行。在锻压生产中，要预先把金属加热到一定温度再锻压，就是利用了热变形的原理。

将铜管弯曲成一定形状，随着弯曲程度增加，感觉越弯越费劲，而且铜管还容易破裂，这是什么原因？如何消除这种现象？答：是因为铜管逐渐发生了加工硬化，使强度升高，继续变形需要更大的变形力；使塑性降低，继续变形就容易开裂。采用再结晶退火，能够消除加工硬化，使铜管的可变形性得到恢复。

用冷变形的方法将冷轧黄铜片做成弹簧，此弹簧有较高弹性和强度，但尺寸不稳定，而且耐腐蚀性不好。用什么

方法可以保持其高弹性、高强度，同时又改善其尺寸稳定性和耐腐蚀性？

答：用低温去应力的方法，在再结晶温度之下加热保温，可达上述目的。

习题3 铁碳合金

问答：

铁碳合金的平衡组织有哪些？哪一种强度硬度低而塑性好？哪些硬而脆？哪一种具有较好的综合力学性能？

答：有铁素体（F）、珠光体（P）、渗碳体（Fe3C）、奥氏体（A）、莱氏体（Ld）。其中铁素体、奥氏体的强度硬度低而塑性好；渗碳体、莱氏体硬而脆；珠光体具有较好的综合力学性能。

铁碳合金状态图表达的内容是什么？

答：铁碳状态图反映了铁碳合金在平衡条件下，合金的组织与成分（含碳量）、温度之间的关系；以及组织变化的

规律。

根据铁碳状态图填写下表：

根据所具有的平衡组织，钢可以分为哪三类？各类的组织有何特点？含碳量在什么范围?

一般所说的低碳钢、中碳钢、高碳钢的含碳量各在什么范围？要制造下列产品，各选用哪一类钢？为什么？

冲压成型的电器外壳；

轴、齿轮等机器零件；

刀具、冷冲压模。

答：低碳钢wc v 0.3%;中碳钢wc=0.3%~ 0.6%;

高碳钢wc> 0.6%。

在冲压生产中，要求被冲压的板材的强度低、塑性好，所以应选用低碳钢板。

机械零件一般要求具有良好的综合力学性能，通常选用中等含碳量的钢。

刀具、冷冲压模要求具有高的硬度和耐磨性，通常选用含碳量高的钢。

根据铁碳状态图的知识解释下列现象：

在进行锻造和热轧之前，先要将钢加热到1000?1200 °Co

钢可以锻造加工，而白口铁却不可以。

绑扎物件一般用铁丝（W C< 0.2%的镀锌低碳钢丝），而起重机钢缆却是用W 0.4%的钢丝制成的。

在常温，W C=1.2%的钢的强度反而比W C=0.8%的钢低。

用手锯锯W=1.0%的钢，比据W=0.2%的钢要费力些，而且锯条容易磨钝。

答：

在钢的热变形加工（如锻造、热轧）中，首先要把钢加热到1000?1200 C,得到单一的奥氏组

织，因为奥氏体的强度低，塑性好，适宜锻造。而且此时钢的温度已远高于它的再结晶温度，

一旦变形就可以迅速地发生再结晶，这样就能保持“柔软的”状态，这对于塑性变形加工是十分有利的。

钢被加热到足够高的温度，都可以得到单一的奥氏体，强度低而塑性好，适合锻造。白口铸铁

力卩热时不能得到单一的奥氏体组织，塑性始终很低，因此不能锻造。

低碳钢丝的强度低、塑性好，易于弯曲变形，适合用于捆绑物件。而含碳量较高的钢丝强度较

高，适于承受较大的拉力，可用于起重。

W C=0.8%的钢的组织是珠光体，W=1.2%的钢的组织中除了珠光体以外还有网状渗碳体，网状渗

碳体会使钢的强度下降。

答：含碳量越高的钢硬度越高，故而锯起来费力，而且容易使锯条磨钝。

习题4 钢的热处理

什么叫热处理？钢的热处理工艺是如何分类的？

答：热处理是采用适当的方式对固体材料进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构和性能的工艺。热处

理可作如下分类：

普通热处理：退火、正火、淬火、回火

热处理表面热处理表面淬火

2.在机械制造过程中，热处理可以起哪些作用渗氮

答：（1）在制造过程的前期，通过热处理改善材料或毛坯的工艺性能，使之易于加工成型。（例如降低硬度，改善可切削性；提高塑性，改善变形加工性），起这种作用的热处理工艺称为预备热处理。（2）在制造过程后期，这时零件已经或接近于成型，通过热处理赋予零件良好的使用性能（例如使刀具获得高硬度和耐磨性；使受力结构零件获得高强度）?起这样作用的热处理工艺称为最终热处理。（3）有些热处理工艺可起到消除零件的内应力，稳定零件的组织和性能，稳定零件的形状和尺寸的作用。例如用冷拉钢丝冷绕成型的弹簧的去应

力退火，铸件退火等，就是起上述用途的

11. 什么叫退火？退火可以起哪些作用？

答：退火是将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火工艺有多种，不

同的退火工艺所起的作用和能达到的目的也不尽相同，概括起来大体如下：

降低钢件的硬度，以利于切削加工；改善钢件的塑性，以利于变形加工。

消除钢件中的残余内应力，防止变形和开裂。

细化晶粒，改善组织，并为最终热处理做好组织准备。

12. 什么叫完全退火？完全退火的适用范围如何？起什么作用？

答：完全退火是将钢完全奥氏体化以后，缓慢地冷却，获得接近于平衡状态组织的退火工艺。完全退火主要适用

于中等含碳量的碳钢和合金钢的铸件、锻件和焊件。完全退火的作用是：消除在铸、锻、焊、热轧等热加工过程

中产生的不良组织和内应力，降低钢的强度、硬度，以便切削加工；提高塑性，以便进行冷变形加工。

13. 什么叫球化退火？球化退火的适用范围如何？起什么作用？

答：球化退火主要用于高碳的过析钢和过共析钢，得到的组织是球化体。球化退火的作用是使硬度降低、塑性提

高，改善切削加工和冷变形的工艺性能，并且为淬火热处理作好组织准备。

14 .什么叫去应力退火，去应力退火的适用范围如何？起什么作用？

答：去应力退火是将钢和铸铁工件加热到500?650C,经一定时间保温后，随炉缓慢冷却的工艺。在铸件、锻件、焊件中存在着内应力，内应力会使上述钢件在切削加工过程中或使用过程中岀现变形.甚至产生裂纹。去应力退

火的作用就是消除上述产品中的内应力。

15. 什么叫正火？正火的适用范围如何？起什么作用？

答：正火一一将钢加热至完全奥氏体状态，然后在空气中冷却的热处理工艺。正火的应用:

用于中碳钢，代替完全退火，消除不良组织，改善可加工性。与完全退火相比，能够缩短工艺周期。

改善低碳钢（Wc< 0.3%）的可切削性一一克服粘刀现象。

代替调质热处理，降低处理成本一一对于那些性能要求不高的一般机械零件，用正火代替调质，可简化

热处理工艺，降低热处理成本。

16. 针对下列情况，选择合适的退火或正火工艺。

Wc=0.20 %的钢件，切削时有粘刀现象。

WX 0.20 %的钢，在冷变形加工中，当变形量达到一定程度后，继续变形岀现困难。

Wc=O.45%的锻造钢件，硬度偏高，切削时刀具磨损快。

WO 0.77 %的锻造钢件，硬度偏高，切削时刀具磨损快。

钢或铸铁材料的铸件，发现其形状和尺寸不稳定Wc=0.45 %钢制造的轴，对使用性能的要求不很

高。

用冷拉钢丝冷绕的弹簧，需要稳定形状和尺寸。

答：①选用正火。②选用再结晶退火。③选用完全退火（或正火）。

④选用球化退火。⑤选用去应力退火。⑥选用正火。

⑦选用低温去应力退火。

17. 什么叫淬火？钢淬火的目的是什么？

答：淬火一一将钢加热至奥氏体状态，随后快速冷却的热处理工艺。淬火的目的：是使钢件得到马氏体组织，从

而使钢件的强度和硬度显著提高。淬火是强化钢件的重要手段。

21. 什么叫回火？钢件在淬火后为什么必须回火？

回火一一将经过淬火的钢件加热至727 C以下的某一温度，保温一段时间，然后冷却的热处理工艺。淬火虽然能

大幅度地提高钢件的强度和硬度，但同时又使塑性和韧性明显降低；并且由于急速冷却，会在钢件中产生很大的内应力，可能造成钢件变形、开裂。由于上述原因，淬火的钢件必须经过回火才能投入使用。而且回火应当紧接着淬火及时进行。

22. 回火的作用是什么？

答：回火的作用是：

改善淬火钢件的塑性和韧性，调整力学性能，以满足使用性能的要求。

降低因淬火产生的内应力，防止变形和开裂。

稳定钢件的性能、尺寸和形状。

26. 什么叫钢的淬透性？淬违睦受哪些因素影响？

答：淬透性一一钢在一定的淬火条件下，获得M组织的可能性。影响淬透性的因素： 1 ）钢的淬透性主要取决于

钢中的合金元素，合金元素能显著提高钢的淬透性。2）含碳量对钢的淬透性有一定影响，但不及合金元素显著。

27. 对于形状复杂的零件或高精度的零件，如果需要淬火时，为什么通常选用合金钢来制造？

答：因为合金钢的淬透性比较好，淬火时可以采用冷却速度较为缓和的油冷，淬火内应力较小，零件变形和开裂的可能性相应地也比较小。

28 .什么叫钢的淬硬性？淬硬性受什么因素影响？

答：淬硬性一一钢经过淬火获得马氏体组织后，所能达到的硬度。钢的淬硬性取决于含碳量。含碳量高的钢，淬硬性比较高。

29. 在什么条件下工作的零件需要进行表面热处理？表面热处理可以起什么作用？

答：有些零件在工作时，既要承受很大的静载荷与冲击载荷，表面又要受摩擦磨损。要求这些零件表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有良好的综合力学性能。普通热处理不能使钢件达到上述要求，需要进行表面热处理。

30. 请叙述表面淬火的原理。常用的表面淬火方法有哪两种？

答：表面淬火是对钢件进行快速加热，使其表层迅速奥氏体化，然后快冷，使表层获得马氏体组织而得以强化。由于

整个过程是在很短的时间内完成的，温度的变化尚未波及钢件心部，故心部的组织和性能不会发生变化。

31. 表面淬火适用于什么钢制造的零件?配套的热处理是什么?零件最终获得怎样的组织和性能

答：表面淬火的适用对象：要求表面硬而耐磨、心部强韧的中碳钢零件。在表面淬火之前应先进行调质处理。最终将得到上面所要求的性能。

32. 什么叫化学热处理? 答：化学热处理——在高温下向零件表层渗入某些元素的原子，改变表层化学成分，从而改变表层

的组织和性能的热处理工艺。

33. 对钢件渗碳的作用是什么?为什么渗碳后还必须淬火、低温回火?

答：渗碳的作用是提高钢件表层的含碳量。渗碳后的钢件，虽然表面硬度有所提高，但也很有限(W 20HRC,必

须经过淬火，才能使表层得到有效强化。表层硬度可达约60HRC。

34. 适合于渗碳的钢的含碳量在什么范围?经过渗碳、淬火和低温回火后，组织和性能是怎样的？

答：适合于渗碳的钢的含碳量一般W 0.2%。经过渗碳、淬火和低温回火后，可获得表面硬而耐磨、心部强韧的性

能。

39. 请为下列钢件选择合适的热处理工艺：