工程材料复习思考题(全)

《机械工程材料》复习思考题

陈永泰

第一章材料的性能

1材料的力学性能主要有哪些？

强度，塑性，硬度，韧性及疲劳强度。

2简述低碳钢的应力－应变曲线（分为几个阶段，各特征点表示什么含义）。

弹性变形阶段，屈服阶段，塑性变形阶段，颈缩阶段。（画图）

第二章材料的结构

1体心立方晶格的密排面和密排方向各有那些？面心立方晶格呢？

{110}，<111>；{111}，<110>

2与理想的晶体相比较，实际晶体在结构上有何特征？

①多晶体结构；②具有晶体缺陷。

3为何晶粒越细，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好？

金属的晶粒越细，晶界的总面积越大，位错阻碍越多，要协调的具有不同位向的晶粒越多，金属塑性变形的抗力越高，从而导致金属强度和硬度越高。

金属晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，同时参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，使得在断裂前发生较大的塑性变形，在强度和硬度同时增加的情况下，金属在断裂前消耗的功增大，因而其韧性也较好，因此，金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越好。

4 名词解释：相固溶体金属化合物固溶强化弥散强化

相：金属或合金中，凡成分相同，结构相同，并与其它成分有界面分开的均匀组成部分。

固溶体：合金中，其晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称为固溶体。

金属化合物：合金中，其晶体结构与组成元素之一的晶体结构均不相同的固相称为金属化合物。

固溶强化：随溶质质量增加，固溶体的强度，硬度增加，塑性，韧性下降，这种现象称为固溶强化。

弥散强化：即沉淀强化。若合金中的第二相以细小弥散的微粒均匀分布在基体上，则可以显著提高合金的强度，称为弥散强化。

固溶体：合金中，其晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称为固溶体。

金属化合物：合金中，其晶体结构与组成元素之一的晶体结构均不相同的固相称为金属化合物。

6 铁素体、奥氏体和渗碳体哪些是固溶体，哪些是金属化合物，为什么？它们都是间隙型吗？

铁素体，奥氏体是固溶体，渗碳体是金属化合物。按定义划分，渗碳体是间隙化合物。（未完）

第三章材料的凝固

1为什么过冷是液态结晶的必要条件？液态结晶有那两种基本的形核方式？哪种形核方式需要的过冷度较小？在相同的过冷度下，哪种形核方式具有较高的形核率？

只有“过冷”，才会存在相变驱动力，即能量条件。自发形核和非自发形核。非自发形核需要的过冷度较小。非自发形核。

2金属结晶的基本规律是什么？

①能量条件：过冷度。②阶段性：形核、晶核长大。

3名词解释：细晶强化

通过细化晶粒而使金属材料力学性能（强度，塑性，硬度，韧性及疲劳强度）提高的方法称为细晶强化。

4为了细化晶粒，是否应使液态金属冷得越快越好？试述理由。

否。如果过冷度超过一定的限度后，晶粒可能变粗。

5什么是相图？制定相图的条件是什么？

相图是表示合金系中各合金在极其缓慢的冷却条件下结晶过程的简明图解。

6哪些材料属于恒温凝固？哪些材料在某种温度范围内凝固？

纯金属和共晶合金均为恒温凝固。

7在两相共存区，相成份的变化有何规律？

各相成分沿着各自相关的线发生变化。

8工业条件下有可能产生哪两类成份偏析？应如何消除？

微观偏析（枝晶偏析）：扩散退火；宏观偏析：大变形锻造（如高速钢之锻造）。

9碳在钢铁材料中有哪几种存在形态？

游离态的石墨、化合态的渗碳体、固溶体的A和F。石墨和渗碳体为碳在铁碳合金相图中的主要存在形式。

10简述Fe-Fe3C相图中的两个基本反应，写出反应式并注明含碳量和温度。

共析反应：)(30218.077.0C Fe p +→αλ 生成珠光体， 727度 共晶反应：)(311.23.4C Fe Le L +→γ 生成高温莱氏体， 1148度

11指出下列组织的主要区别： ?高温莱氏体与低温莱氏体；

高温莱氏体：共晶奥氏体和共晶渗碳体的机械混合物 低温莱氏体：珠光体和共晶渗碳体

?共晶渗碳体，共析渗碳体，一次渗碳体，二次渗碳体，三次渗碳体。 共晶渗碳体：共晶反应产生的渗碳体 共析渗碳体：共析反应产生的渗碳体 一次渗碳体：由液相直接析出的渗碳体 二次渗碳体：奥氏体中析出的渗碳体 三次渗碳体：铁素体中析出的渗碳体

12含碳量对碳钢的力学性能有何影响？

从相的角度看，贴碳合金在室温下只有铁素体和渗碳体两个相，随含碳量增加，渗碳体的量呈线性增加。从组织的角度看，随含碳量增加，组织中渗碳体不仅数量增加，而且形态也在变化：

三次渗碳体（不连续的网状或片状）共析渗碳体（在珠光体中，片状）二次渗碳体（连续网状）共晶渗碳体（存在低温莱氏体中，作为基体）一次渗碳体（粗条片状）

13熟练画出Fe-Fe 3C 相图，分析含碳量为3.5%、0.4%和1.3%的铁碳合金从液态缓冷至室温的结晶过程，并画出该合金在室温下的显微组织示意图。

14依据Fe-Fe 3C 相图，说明产生下列现象的原因： ?1.4%C 的钢比0.9%C 的钢的硬度高；

①随着含碳量↑，渗碳体含量↑，所以硬度↑

?室温下，0.9%C 的钢比1.3%C 的钢的抗拉强度高。

② 当含碳量小于0.9%时，随着含碳量↑，渗碳体含量↑，且弥散分布，起到弥散强化的作用，所以强度升高，但含碳量超过0.9％时，二次渗碳体结成连续的网状，不再起到弥散强化的作用，而是主要表现为渗碳体的性能特点，也即脆性大、强度低，故强度↓。

15计算0.6%C 的Fe-C 二元合金平衡结晶时，其室温组织的相对量。

16试计算：室温下，珠光体中铁素体和渗碳体的相对含量。

17某优质碳素结构钢钢的试样经金相分析，其组织为铁素体加珠光体，其中珠光体的面积约占40%。试判断其钢号。

18计算平衡结晶时，3.2%C的铁碳合金，室温下，其组织的相对量。

第四章金属的塑性变形与再结晶

1简述金属发生塑性变形的机理。

.塑性变形机理：金属原子在切应力的作用下，以位错运动方式产生滑移。

2何谓冷变形强化（形变强化、加工硬化、冷变形硬化）？原因何在？它在工程上

有何利弊？

加工硬化：随着塑性变形量的增加，金属的强度、硬度升高、塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化，又称为冷变形强化，或形变强化。

产生加工硬化的原因：

①晶体内部存在位错源，变形时发生了位错增值，随着变形量增加，位

错密度增加。由于位错之间的相互作用（堆积，缠结等），使变形抗

力增加。

②随着形变量增加，亚结构细化，亚晶界对位错运动有阻碍作用。

③随着变形量增加，空位密度增加。

④由于晶粒由有利位向转到不利位向而发生几何硬化，因此使变形抗力

增加。

加工硬化是强化金属材料的重要手段之一。特别是对那些具有良好塑性且不能以热处理强化的材料来说，尤为重要。

但是，加工硬化会给金属的进一步加工带来困难。

3什么是锻造流线？它有何特性？它给材料的力学性能带来什么影响？

.锻造可使铸态金属中的非金属夹杂物沿着变形方向伸长，形成彼此平行的宏观条纹，称为流线，又称锻造流线。

流线使金属材料的性能呈现明显的各向异性，拉伸时沿着流线伸长的方向（纵向）具有较好的力学性能，垂直于与流线方向的力学性能较差。【在热加工时应力求使流线与零件工作时的最大应力方向一致，而与冲击应力或切应力的方向垂直】

4将弹簧钢丝冷绕成形后，为何要进行回复退火？

消除应力；定型。回复退火又称去应力退火（250～300℃）。

5试分析再结晶与重结晶有何相同之处？有何不同之处？工业上如何利用再结晶？

同：皆遵循结晶的基本规律。

异：重结晶，相变过程；再结晶，不是相变过程。

工业上，可利用再结晶消除加工硬化，恢复材料的塑性，以利于进一步变形。

6在20℃的室温下，一块纯锡（熔点232℃）被枪弹击穿。弹孔周围的晶粒有何特

征？试说明原因。

为热加工，且发生了回复、再结晶，晶粒主要为等轴晶粒。

7金属塑性变形为何会造成残余应力？残余应力有何利弊？

内应力是指平衡于金属内部的应力，它是由于金属在外力作用下，内部变形不均匀而引起的。

利：有利于提高疲劳极限；弊：引起零件在加工、淬火过程中变形、开裂以及使金属耐腐蚀性下降。

8将塑变后的金属置于再结晶温度下长时间保温或继续升到较高的温度，金属的晶粒为什么会长大？对材料的力学性能会带来什么影响？

再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长加热时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低。

第五章钢的热处理

1填空题

?共析钢加热时，其A体化过程包括（奥氏体晶核形成）、（奥氏体晶核长大）、（残余奥氏体溶解）和（奥氏体成分均匀化）四个基本阶段。

?当钢中发生过冷A体→M体转变时，原A体中含碳量越高，则Ms越（低），转变后的A R量越（多）。

?亚共析钢的淬火温度范围是（Ac3+(30~50)度），共析钢和过共析钢的淬火温度范围是（Ac1+(30~50)度）。

?钢的淬透性越高，则C曲线的位置越（靠右），临界冷却速度越（小）。

?共析钢的临界冷却速度比亚共析钢（小），比过共析钢（小）。

?采用感应加热表面淬火时，所选择的电流频率越高，则工件的淬硬层深度越（浅），原因是（集肤效应）。

集肤效应又叫趋肤效应，当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，这种现象交集肤效应。电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，会聚集于表层，而非平均分布于整个导体的截面积中。频率越高，集肤效应越显著。

2试述选择过共析钢淬火加热温度范围的理由。

过共析钢的淬火温度范围是（Ac1+(30~50)度）。

过共析钢由于淬火前经过球化退火，因此淬火后组织为细晶马氏体加颗粒渗碳体和少量残余奥氏体，分散分布的颗粒渗碳体对提高钢的硬度和耐磨性有利，如果将过共析钢加热到Acm以上，则由于奥氏体晶粒粗大，含碳量提高，使淬火后马氏体晶粒也粗大，且残余奥氏体量增多，这使得钢的硬度、耐磨性下降，脆性和变形开裂倾向增加。

3判断下列说法是否正确，如不正确则请更正，并说明理由：

?除Co和≥2.5%Al外，所有的AE(Alloy Elements)都使C曲线左移，钢的淬透性随之下降。

错误。右移，提高。

?完全退火适用于过共析钢。

错误。适用于亚共析钢。

?对过共析钢进行正火的目的是调整硬度，改善切削加工性。

?M体的硬度主要取决于过冷A体的冷却速度。

错误。主要取决于含碳量。

?直径为10mm的45钢棒料，加热到850℃投入盐水中，其显微组织为：马氏体。

正确。

?M体转变时，钢的体积将因急剧冷却而会发生收缩。

错误。膨胀。

?在切削加工前对低碳钢进行正火处理可以调整其硬度，改善切削加工性。

正确。

?对工件进行表面淬火后，还须进行高温回火。

错误。低温回火。

4试述下列组织在来源（获得的方法）、组织形貌和力学性能上有何不同？

M体与M回；S体与S回。

M体：过冷A，硬而脆；M回：M体，硬且耐磨性好；

S体：正火，片状渗碳体；S回：调质，颗粒状渗碳体，强度、硬度、塑性、韧性均好于S体。

5两把T12车刀，现将1号刀加热到780℃，2号刀加热到950℃，保温后，水冷至室温。请分析：

?哪把车刀的M体组织粗大？

?哪把车刀的M体含碳量较高？

?哪把车刀中的A R较多？

?你认为哪个淬火加热温度合适？为什么？

前三问均为2号。第四问：1号，部分奥氏体化。

6为什么对合金钢件，通常采用油冷方式进行淬火？而对碳钢件常用水冷方式淬火？

答：合金钢临界冷却速度小。（补充？）

7在对工具钢毛坯件进行切削加工前，通常须进行何种热处理？目的是什么？得到何种组织？

碳素工具钢的预备热处理一般为球化退火，其目的是降低硬度（≤217HB），便于切削加工，并为淬火做组织准备。组织为铁素体基体＋细小均布的粒状渗碳体。

8为何经M体淬火后的钢必须进行回火？

①减少或消除淬火内应力。②稳定零件的尺寸。③使M+A’ 预期组织，以满足零件的力学性能要求。

9分别述叙：

?45钢在淬火前（正火状态）、淬火后和高温回火后的组织情况，及调质后的力学性能；

?T10钢在淬火前（球化退火状态）、淬火后和低温回火后的组织情况，及低温回火后的力学性能。

答：（1）对于45号钢，淬火前（正火态）为铁素体＋索氏体；淬火后为淬火M，高温回火后为回火S。调质后由于渗碳体为颗粒状，教材91页表5-2表明，回火S的强度、硬度、塑性、韧性均好于S体(通常又称为正火S体)。

（2）对于T10钢，淬火前（球化退火态）为铁素体基体上分布着颗粒状的渗碳

M【高碳M】+ 颗粒状＋少量残余奥氏体。低温回火后为回火M ＋颗粒状＋少量残余奥氏体，低温回火后的产物硬度高，耐磨性好。

10 ?什么是调质？目的是什么？得到什么组织？

?什么钢适合于调质？试述理由。

答：（1）调质也即淬火＋高温回火。目的使获得良好的综合力学性能。得到回火S。

（2）含碳量0.30~0.50%的中碳钢适合于调质处理，含碳量过低，则影响钢的强度指标，而含碳量过高则韧性不足。

11什么是淬火应力？对需要淬火的零件，在设计时有哪些要求？

淬火应力包括热应力和相变应力。

热应力是指工件在冷却过程中由于表面和心部的温差引起的工件体积胀缩不均匀所产生的内应力。而组织应力则是指由于工件快速冷却时表层与心部相变不同时而产生的内应力。

正确设计零件结构，尽量做到：

(1) 璧厚均匀，形状对称。

(2) 截面尺寸变化处，应用过渡段。

(3) 避免薄边、尖角。

12试比较下列钢的淬透性和淬硬性：

?20钢与60钢；?T8钢与T13钢。

（1）60钢与20钢都是亚共析钢，但60钢更接近于共析钢，或者讲亚共析钢的C曲线随着含碳量的增加，C曲线右移，其临界冷却速度小些，故60钢的淬透性好些。【钢的淬透性取决于过冷奥氏体稳定性的高低，表现为临界冷却速度的大小】20钢淬火后得到的为低碳M，而60钢淬火产物则为低碳M和高碳M的混合物，故60钢的含碳量高些，故60钢的淬硬性好些。【因为淬硬性取决于M的含碳量】

（2）T8钢为共析钢，故在碳钢中其淬透性最好【C曲线最右】。T8钢淬火产物则为低碳M和高碳M的混合物，T13钢淬火产物全为高碳M，故T13的淬硬性好于T8钢。

13为何过冷A体：①在等温冷却条件下M体转变量只与冷却温度有关？②在连续冷却条件下，M体转变量与冷却速度有关？

M转变的特点之一为降温形成，在Ms以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变即停止。而连续冷却时，冷却速度<临界冷却速度，可能会形成珠光体等。

14采用20钢进行高频感应淬火是否合适？为什么？采用45钢（或65Mn、T10钢）进行渗碳处理是否合适？为什么？

20钢进行高频感应淬火不合适，因为含碳量过低会降低表面层的硬度和耐磨性。45钢（65Mn、T10钢等）均不适于进行渗碳处理，因为含碳量提高，将降低工件心部的韧性。

15表面淬火与渗碳处理有何相同？有何不同？各适合于处理什么钢？（提示：相同

对象上，中载与重载、冲击；工艺上，表面淬火与整体淬火。）

第六章工业用钢

1.熟练掌握各类合金钢的典型钢号、成份特点和主加AE的作用。

典型钢号：

{Q235(又称A3钢，武汉长江大桥)碳素结构钢}

{45、65、65Mn优质碳素结构钢}

{Q345A~E（16Mn，南京长江大桥）低合金高强度结构钢}

{20CrMnTi、18Cr2Ni4WA（渗碳钢）}

{45、40Cr、40CrNiMoA调质钢}

{65Mn、60Si2Mn、50CrV A弹簧钢}

{GCr15滚动轴承钢}

{ZGMn13耐磨钢，A钢}

{W18Cr4V（0.7~0.8%C）

W6Mo5Cr4V2（0.8～0.9%C）高速钢}

{T7～13（A）碳素工具钢}

{9SiCr、CrWMn低合金工具钢}

{Cr12和Cr12MoV冷作模具钢}

{5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V热作模具钢，中碳合金工具钢}

{T10～12（A）、CrWMn、GCr15可作量具用钢}、

{Cr13型(M不锈钢)}

{1Cr17（F不锈钢）}

{1Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti（A不锈钢，无磁性）}

{HT150、QT700-2铸铁}、{ZG200-400铸钢}

2.与普通碳素结构钢相比，低合金高强度结构钢有何优点？

①强度高于碳素结构钢，从而可降低结构自重、节约钢材（因为加入了元素Mn）；

②具有足够的塑性、韧性及良好的焊接性能（小于0.2%C）；

③具有良好的耐蚀性和低的冷脆转变温度（含碳量低、锰还能降低钢的冷脆转变温度）。

3.哪些钢按化学成份编号，哪些钢按力学性能编号？试分析原因。

工程用钢（碳素结构刚、低合金高强度结构钢）、铸钢按力学性能编号。HT150（最低抗拉强度）、QT700-2（最低抗拉强度和伸长率）铸铁、ZG200-400（最低屈服强度和最低抗拉强度，MPa）。铸铁和铸钢强调其性能。此外，铸钢还可用化学成分表示。其他钢一般按化学成分编号。

4.渗碳钢、弹簧钢、调质钢的回火各有何特点？

渗碳钢低温回火；弹簧钢中温回火；调质钢高温回火。

5.试解释下列现象：?高速钢的钢锭在使用前必须反复锻造；?高速钢热锻后必须

缓冷；?高速钢淬火后必须进行三次高温回火。

（1）高速钢反复锻造的目的：打碎莱氏体中的粗大碳化物。

（2）淬透性好，而锻造温度在A区，相当于A化，快冷会产生M，故热锻后须缓冷。

（3）三次高温回火的主要目的是减少残余奥氏体量，稳定组织，并产生二次硬化（详见p.118）。

6.刃具钢、热作模具钢、冷作模具钢和量具钢在性能要求上有何不同？

刃具钢：高红硬性；热作模具钢：导热性好、抗热疲劳性能；冷作模具钢：高硬度、韧性（或冲击韧性）；量具：高的尺寸稳定性。

7.如果热处理不当，为什么量具在长期的保存和使用过程中会发生尺寸变化？应如何防止？

内应力和残余奥氏体。冷处理和低温时效（120～150℃）可防止之。

8.试述强化金属材料的基本方法。（提示：四种。）

固溶强化、弥散强化（或第二相强化）、细晶强化、加工硬化（或冷变形硬化、冷变形强化、形变强化）。

9.试从合金化的角度分析：提高钢的耐蚀性的基本途径。（提示：电极电位，单相组织，钝化作用）

提高基体电极电位，获得均匀的单相组织，表面形成致密稳定的钝化膜。

10.依据编号原则，判断下列钢铁材料的类别，估算其主要的化学成份或力学性能。并对其中高级优质者给予注明。

11.现有下列牌号的钢：

①20CrMnTi；②W18Cr4V；③5CrNiMo；④60Si2Mn；⑤Q345；

⑥1Cr13；⑦40Cr；⑧1Cr18Ni9Ti；⑨GCr15；⑩Cr12MoV。

请按下列用途，选用上述钢号：

?制造普通车床的齿轮，应选用（⑦）；?制造汽车板簧应选用（④）；

?制造滚动轴承应选用（⑨）；?制造盘形铣刀应选用（②）；

?制造大桥桁架应选用（⑤）；?制造大尺寸冷作模具应选用（⑩）；

?制造重载变速齿轮应选用（①）；?制造热锻模钢应选用（③）；

?制造手术刀应选用（⑥）；?制造耐热（或耐酸）罐体应选用（⑧）。

12.制造下列零件，请选择材料（具体牌号），并拟定其加工路线：

(1)沙发螺旋弹簧

材料：65Mn

加工路线：冷卷成型去应力退火（250~300度）

(2)汽车板簧（轻型卡车的弹簧钢板）

材料：60Si2Mn

加工路线：下料锻造淬火+中回喷丸

(3)连杆、主轴、普通齿轮

材料：45钢

加工路线：下料锻造退火粗加工调质精加工表面淬火+低回喷丸磨削

(4)普通车床变速齿轮

材料：45钢；40Cr表面淬火

加工路线：下料锻造退火粗加工调质精加工表面淬火+低回喷丸磨削

(5)重载变速齿轮

材料：20Cr 渗碳20CrMnTi

加工路线：下料锻造正火机加工渗碳淬火+低回喷丸磨削

(6)铣刀、齿轮滚刀

材料：高速钢（W18Cr4V; W6Mo5; Cr4V2）

加工路线：下料锻造球化退火机加工淬火三次高温回火磨削

(7)锉刀

材料：T12; T13

加工路线：下料锻造正火球化退火机加工淬火低回校直

(8)錾子

材料：T7; T8

加工路线：下料锻造淬火中回刃磨

(9)精密量具

材料：GCr15

加工路线：下料锻造正火球化退火机加工淬火冷处理低回时效处理磨削

第七章铸铁

1铸铁中C的主要存在形式有哪两种？据此，铸铁可分为几种？

答：游离态石墨，化合态渗碳体；灰口铸铁，白口铸铁，麻口铸铁

2 影响铸铁石墨化的主要因素是什么？铸铁中C、Si的含量范围是什么？

答：化学成分和冷却速度；C的含量大于2.11%，Si的含量大于1.2%小于3.0%

3决定铸铁力学性能的两大因素是什么？

答：基体组织和石墨形态及其分布

4 HT300、QT600-3、KTH300-06分别表示什么意思？

答：HT300表示普通灰铸铁，最低抗拉强度值为300MPa

QT600-3表示球墨铸铁，最低抗拉强度值为600MPa，最低伸长率为3%

KTH300-06表示墨心可锻铸铁，最低抗拉强度值为300MPa，最低伸长率为6%

5 灰铸铁可否进行表面淬火？若能，其目的是什么？

答：能，目的是提高其耐磨性

6 依据石墨的形态，铸铁可分为哪几种？可锻铸铁可以锻造否？

答：四种，分别为灰铸铁（HT），可锻铸铁（KT），球墨铸铁（QT），蠕墨铸铁（RuT）；可锻铸铁不可以进行锻造

退火、正火、淬火均需首先加热，也即A化，这是它们的共同之处，而且加热的依据为变化后的铁碳合金相图；它们的之所以不同，是由于冷却速度不同，对于碳钢而言，炉冷为退火，空冷为正火，油冷或水冷获得M为淬火，而且冷却的依据为C曲线图。由此可见，两张图，也即铁碳平衡相图和C曲线图对我们这门课程来说，是非常重要的两张图。回火也需要加热，但加热温度在A1线之下，依据加热的温度范围分为低温回火、中温回火和高温回火。

铁碳平衡相图制定的条件是缓冷，所以其中的相均为平衡相，其中的组织一定为平衡组织。但如冷却速度较快时，获得的组织则为非平衡组织，所以第五章介绍的索氏体、贝氏体和马氏体均为非平衡组织。

一条线、两张图（铁碳平衡相图和C曲线图）、三种材料（碳钢、合金钢和铸铁）、四把火（退火、正火、淬火和回火）

图一课程线索