材料加工组织性能控制(第四章)
材料加工工艺习题【考研】【复习】
《材料加工工艺》考研习题第一章绪论第二章液态金属成形1.金属及合金的结晶包括哪两个基本过程？什么是均质形核和非均质形核？在实际铸造生产中铸造合金结晶的形核是以哪种形核为主，为什么？2.什么是液态金属的充型性能，它与哪些因素有关？铸造合金流动性的好与差对铸件质量有何影响？影响铸造合金流动性的主要因素有哪些？生产中如何采取措施提高铸造合金的流动性？3.铸造合金由液态冷却到室温时要经过哪三个收缩阶段？收缩对铸件质量有什么影响？其收缩大小与哪些因素有关？4.缩孔、缩松是铸件中的常见缺陷之一，哪些因素影响其形成？生产中如何采取措施进行防止？5.什么是铸造应力？铸造应力大小对铸件质量有什么影响？热应力是如何形成的？哪些因素影响其大小？生产中常采取哪些措施来防止和减小应力对铸件的危害？6.铸造合金中的气体主要来源于哪些方面？又以哪些形式存在于铸造合金中？对铸件质量有什么影响？7.铸造合金中的夹杂物是如何分类的？对铸件质有什么影响？如何防止和减小其对铸件的危害？8.湿型粘土砂的主要成分是什么？它有哪些优缺点？适合生产哪些铸件？9.湿型粘土砂的造型方法有哪些？试比较应用震击、压实、射压、高压、气冲和静压等各种造型方法的紧实的砂型紧实度分布（沿砂箱高度方向）。
为什么需要用高密度湿粘土砂型生产铸件？10.树脂自硬砂、水玻璃砂与粘土砂比较有哪些优点？各适用于哪些铸件的生产？11.砂芯的作用是什么？经常使用哪些粘结剂来制芯？常用的制芯工艺有哪些？12.砂型和砂芯涂料的作用是什么？其主要组成有哪些？13.什么是顺序凝固原则？什么是同时凝固原则？各需采用什么措施来实现？上述两种凝固原则各适用于哪些场合？14.铸件的壁厚为什么不能太薄，也不能太厚，而且应尽可能厚薄均匀？为什么要规定铸件的最小壁厚？不同铸造合金要求一样吗？为什么？。
15.为便于生产和保证铸件质量，通常对铸件结构有哪些要求？16.何谓铸件的浇注位置？它是否指铸件上的内绕道位置？铸件的浇注位置对铸件的质量有什么影响？应按何原则来选择？17.试述分型面与分模面的概念？分模造型时，其分型面是否就是其分模面？从保证质量与简化操作两方面考虑，确定分型面的主要原则有哪些？18.试确定图2-116所示铸件的浇注位置及分型面。
第2章 金属材料的组织与性能控制
1. 同素异构转变。 2. 匀晶相图的分析方法。 3. 合金相图与性能的关系。
思考题
1. 为什么要生产合金？与纯金属相比，合金有哪些优越性？ 2. 固溶体中，溶质元素含量增加时，其晶体结构和性能会发生什么变化？ 3. 试比较共晶反应和共析反应的异同点。 4. 为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金，而压力加工的合金常选用
ES线：C在A中的固溶线
PQ线：C在F中的固溶线
2．铁碳合金的平衡结晶过程
Fe-C 合金分类
工业纯铁 —— C % ≤ 0.0218 %
钢 —— 0.0218 % ＜ C % ≤ 2.11 % 亚共析钢 ＜ 0.77 % 共析钢 ＝ 0.77 % 过共析钢 ＞ 0.77 %
白口铸铁 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 %
室温组织
F + Fe3CⅢ (微量)
500×
(2)共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程
P中各相的相对量：
Fe3C % = ( 0.77 – xF ) / ( 6.69 – xF )
≈ 0.77 / 6.69 = 12 %
F % ≈ 1 – 12 % = 88 %
珠光体
强度较高，塑性、韧性和硬度介于 Fe3C 和 F 之间。
Ni 80 100
匀晶合金的结晶过程
L
T,C
T,C
L
1500
1455
L
1400 1300
c
a
L+
匀晶转变 L
1200d
1100 1000 1083
b
L
C匀u 晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的N熔i 点，
《金属材料与热处理》第四章铁碳合金
学习情境四：铁碳合金 4.3
4、在焊接方面的应用 焊接时由焊缝到母材各区域的温度是不同的，根据Fe－Fe3C 相图可知，受到不同加热温度的各区域在随后的冷却中可能 会出现不同的组织和性能。这需要在焊接之后采用相应的热 处理方法加以改善。 5、在热处理方面的应用
Fe－Fe3C相图是制订热处理工艺的依据。应用Fe－Fe3C相 图可以正确选择各种碳钢的退火、正火、淬火等热处理的 加热温度范围。由于含碳量的不同，各种碳钢热处理的加 热温度和组织转变也各不相同，都可从状态图中求得。
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学习情境四：铁碳合金 4.4
1、在钢铁材料选用方面的应用
Fe－Fe3C相图反映了铁碳合金的组织、性能随成分的变化 规律，为钢铁材料的选用提供了依据。如各种型钢及桥梁、船 舶、各种建筑结构等，都需要强度较高、塑性及韧性好、焊接 性能好的材料，故一般选用含碳量较低（WC＜0.25％）的钢材； 各种机械零件要求强度、塑性、韧性等综合性能较好的材料， 一般选用碳含量适中（WC＝0.30％～0.55％）的钢；各类工具、 刃具、量具、模具要求硬度高，耐磨性好的材料，则可选用含 碳量较高（WC＝0.70％～1.2％）的钢。纯铁的强度低，不宜 用作工程材料。白口铸铁硬度高、脆性大，不能锻造和切削加 工，但铸造性能好，耐磨性高，适于制造不受冲击、要求耐磨、 形状复杂的工件，如冷轧辊、球磨机的铁球等。
29
学习情境四：铁碳合金 4.4
低碳钢：Wc=0.1-0.25% 中碳钢：Wc=0.25-0.6% 高碳钢：Wc=0.6-1.4% 随着Wc的增加，硬度、强度都增加。
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学习情境四：铁碳合金 4.3
三、铁碳合金状态图的应用
1、在钢铁材料选用方面 2、在铸造生产上的应用 3、在锻造方面的应用 4、在焊接方面的应用 5、在热处理方面的应用
塑性成形理论基础
内力和应力
当所加外力使工件内部原子间距发生变化时，原子间便出现 相应的内力与外力平衡。
内力的强度(大小)称为应力。 如图，工件受若干外力 F1 …….Fn作用。在其内 一点Q处 截取一微小面素dA ，由于平衡， 面素两侧的应力相等dFA= dFB = dF则：
23 2 3
2
31 3 1
2
12 2 1
2
根据主应力的排序规则，最大切应力为：
max 1 3
2
球应力张量与偏差应力张量
应力张量可作如下分解：
xx xy xz xx m xy
xz m 0 0
ij yx
yy
yz
yx
yy m
yz
0
m
0
zx zy zz zx
材料成形原理
第四章 塑性成形理论基础 (物理基础、力学基础)
塑性加工原理的内容
力 1. 塑性加工力学条件
学 基
2. 塑性加工中的摩擦与涧滑
础 3. 不均匀变形
4. 塑性变形机制
物 理
5. 塑性变形中组织性能演变
基 础
6. 金属的塑性与变形抗力
7. 塑性变形中组织性能控制
塑性加工/成形原理
力学基础(塑性力学基础)
应力、应变分析，屈服准则 本构关系，塑性问题
物理基础(金属学基础)
变形机制、组织性能演变、塑性与 变形抗力
材料科学与工程学科基础课
塑性成形理论基础
之
力学基础
应力、应变分析，屈服准则 本构关系，塑性问题
材料成形原理
一、应力分析
塑性成形/加工中工件所受外力
主要有作用力和约束反力。
第四章 工件材料的切削加工性
二二、、金金属属材材料料化化学学成成分分的的影影响响
铬能在铁素体中固溶，又能形成碳化物。 当含铬量小于0.5％，对切削加工性的影响 很小。含铬量进一步增加，则钢的硬度、强 度提高，切削加工性有所下降。
镍：镍能在铁素体中固溶，使钢的强度 和韧性均有所提高，导热系数降低，使切削 加工性变差。当含镍量大于8％后，形成了 奥氏体钢，加工硬化严重，切削加工性就更 差了。
3.普通铸铁：与具有相同基体组织的碳素 钢相比，切削加工性好
其金相组织是金属基体加游离态石墨。 石墨：降低了铸铁的塑性，切屑易断，有
润滑作用，使切削力小，刀具磨损小。 但石墨易脱落，使已加工表面粗糙。切削
铸铁时形成崩碎切屑，造成切屑与前刀面 的接触长度非常短，使切削力、切削热集 中在刃区，最高温度在靠近切削刃的后刀 面上。
二、金属材料化学成分的影响
氮：它在钢中会形成硬而脆的 氮化物，使切削加工性变差。
各种元素在小于2％的含量时对钢的切削加工性的影响
三、金属材料热处理状态和金相组织的影响
铁素体 ： 由于铁素体含碳很少，故其性能接近
于纯铁，是一种很软而又很韧的组织。在 切削铁素 体时，虽然刀具不易被擦伤， 但与刀面冷焊现象严重，使刀具产生冷焊 磨损。又容易产生积屑瘤，使加工表面质 量恶化。故铁素体的切削加工性并不好。 通过热处理(如正火)或冷作变形，提高其 硬度，降低其韧性，可使切削加工性得到 改善。
二、金属材料化学成分的影响
钼：钼能形成碳化物，能提高钢的硬度， 降低塑性。含钼量在0.15％—0.4％范围内， 切削加工性略有改善。大于0.5％后，切削 加工性降低。
钒：钒能形成碳化物，并能使钢的 组织细密，提高硬度，降低塑性。当 含量增多后使切削加工性变差，含量 少时对切削加工性略有好处。
西华大学《材料性能学》总复习题
绪论二、单项选择题1、下列不是材料力学性能的是（）A、强度B、硬度C、韧性D、压力加工性能2、属于材料物理性能的是（）A、强度B、硬度C、热膨胀性D、耐腐蚀性三、填空题1、材料的性能可分为两大类：一类叫_ _，反映材料在使用过程中表现出来的特性，另一类叫_ _，反映材料在加工过程中表现出来的特性。
2、材料在外加载荷（外力）作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下所表现的行为，叫做材料_ 。
四、简答题1、材料的性能包括哪些方面？2、什么叫材料的力学性能？常用的金属力学性能有哪些？第一章材料单向静拉伸的力学性能一、名词解释弹性极限：强度:屈服强度：抗拉强度：塑性变形：韧性：二、单项选择题1、根据拉伸实验过程中拉伸实验力和伸长量关系，画出的力——伸长曲线（拉伸图）可以确定出金属的（）A、强度和硬度B、强度和塑性C、强度和韧性D、塑性和韧性2、试样拉断前所承受的最大标称拉应力为（）A、抗压强度B、屈服强度C、疲劳强度D、抗拉强度3、拉伸实验中，试样所受的力为（）A、冲击B、多次冲击C、交变载荷D、静态力4、常用的塑性判断依据是（）A、断后伸长率和断面收缩率B、塑性和韧性C、断面收缩率和塑性D、断后伸长率和塑性5、工程上所用的材料，一般要求其屈强比（）A、越大越好B、越小越好C、大些，但不可过大D、小些，但不可过小6、工程上一般规定，塑性材料的δ为（）A、≥1%B、≥5%C、≥10%D、≥15%7、形变强化是材料的一种特性，是下列（）阶段产生的现象。
A、弹性变形；B、冲击变形；C、均匀塑性变形；D、屈服变形。
8、在拉伸过程中，在工程应用中非常重要的曲线是（）。
A、力—伸长曲线；B、工程应力—应变曲线；C、真应力—真应变曲线。
9、空间飞行器用的材料，既要保证结构的刚度，又要求有较轻的质量，一般情况下使用（）的概念来作为衡量材料弹性性能的指标。
A、杨氏模数；B、切变模数；C、弹性比功；D、比弹性模数。
机械制造工艺学的课程设计
机械制造工艺学的课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握机械制造工艺学的基本概念、工艺过程和加工方法；2. 使学生了解不同材料的机械加工性能及其对加工工艺的影响；3. 帮助学生理解机械制造中的精度、表面质量等关键技术指标及其控制方法。
技能目标：1. 培养学生运用机械制造工艺学知识解决实际问题的能力；2. 提高学生分析加工过程中出现的问题，并提出合理解决方案的能力；3. 培养学生熟练使用机械加工设备、工具和量具，进行简单零件的加工操作。
情感态度价值观目标：1. 培养学生热爱机械制造专业，树立良好的职业素养；2. 培养学生具有团队合作精神，学会尊重、关心、帮助他人；3. 增强学生的环保意识，养成节能、减排、低碳的生产和生活方式。
课程性质分析：本课程为机械制造工艺学的基础课程，旨在让学生掌握机械加工的基本知识和技能，为后续专业课程打下坚实基础。
学生特点分析：学生为初中年级，具有一定的物理、数学基础，但对机械制造工艺学了解较少，动手能力有待提高。
教学要求：1. 理论联系实际，注重培养学生的动手操作能力；2. 采用启发式教学，引导学生主动思考、分析问题；3. 注重学生的个体差异，因材施教，提高学生的学习兴趣和积极性。
二、教学内容1. 基本概念：机械制造工艺基本术语、工艺过程、加工方法；2. 材料加工性能：金属材料的力学性能、切削性能、热处理性能；3. 加工工艺：车削、铣削、磨削、钻孔、镗孔、刨削等加工方法及其适用范围；4. 精度与表面质量：加工精度、表面粗糙度、精度控制方法；5. 加工设备与工具：常用机械加工设备、刀具、量具的选用和使用方法；6. 零件加工：典型零件的加工工艺分析、加工顺序、工艺参数选择；7. 机械加工新技术：数控加工、激光加工、精密加工等。
教学大纲安排：第一周：基本概念、工艺过程；第二周：材料加工性能；第三周：加工工艺（车削、铣削）；第四周：加工工艺（磨削、钻孔、镗孔）；第五周：精度与表面质量；第六周：加工设备与工具；第七周：零件加工；第八周：机械加工新技术。
材料基础-第四章固体材料的缺陷
例如，Fe的剪切模量大约100GPa，则理论剪切 模量应为3000MPa。但是，单晶体Fe的实际强度仅 为1－10MPa，晶面之间的滑移用相当小剪力就能移 动。理论值与实际值相差巨大。因而，人们就猜测 晶体中存在着象位错这样的线缺陷。 当时仅是理论上的一种推测，没有真正看到。 直到50年代，透射电镜（TEM）的研发成功，才从 实验中观察到实际的位错形貌。 当晶体的一部分相对于另一部分进行局部滑移 时，晶体的已滑移部分与未滑移部分的交界线形成 分界线，即位错，用TEM可观察到(见图4-4)。 位错主要分两种类型：刃型位错和螺型位错。
按晶体缺陷的几何特征，可以分成四种 基本类型：点缺陷、线缺陷(位错)、面缺陷 和体缺陷，如图4-1所示。 但需记住，这些缺陷只代表理想原子排 列中的缺陷。而实用上，为了获得所要求的 材料性能如强度、硬度、塑性等，有时要有 意地制造一些缺陷，即通过合金化、扩散、 热处理和表面处理，设计和控制这些缺陷。 因此，设计和控制晶体缺陷是改进产品 质量的关键，特别是对晶体生长以及使用过 程中控制缺陷的形成、类型以及变化，都是 极为重要的。
图4-3 晶格节点的置换原子
4. 点缺陷对材料性能的影响 在一般情况下，点缺陷主要影响晶体的物 理性质，如比容、比热容、电阻率等。 （1）比容 为了在晶体内部产生一个空位，需将该处 的原子移到晶体表面上，这就导致体积的增加。
（2）比热容 由于形成点缺陷，需向晶体提供附加的能 量(空位生成焓)，因而引起附加的比热容。
断裂，而不会沿垂直截面的方向断裂，原因在于 材料在变形过程中发生了滑移，如图4-10所示。
图4-10 单晶体的拉伸断裂 及晶面滑移形貌
这是因为，材料的塑性变形通常会沿着晶体原子 的密排方向滑移，见图4-11 外加拉应力、滑移方向和滑移面的关系
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4.2 控制轧制过程中微合金元素碳氮化合物 的析出 4.2.1 各阶段中Nb(C、N)的析出状态 (1)出炉前： 加热到1200C，均热2h：90%以上铌都固溶到 奥氏体基体中，有极少数粗大Nb(C、N)没有 固溶到奥氏体中。 1260C ：保温30min，Nb(C、N)全部溶解。
4.2.2 影响Nb(C、N)析出的因素 (1)变形量和析出时间
开始随时间增 长而增加，但 很快达到饱和。
随变形量增加， 析出量增加。
图4-6 在含有0.06%C、0.041%Nb和0.0040%N的钢中，变形量对沉淀的影响 1-67%变形；2-50%变形；3-33%变形；4-17%变形
(2)变形温度
VC： NbC和TiC： (2)晶格结构特点； (3)氮化物与碳化物的比 较； (4)含钛钢：首先形成氮 化钛。
图4-1 中碳化物和氮化物的溶度积
对晶粒的细化作用：
特点： （1）铌钢： （2）钒钢和Si-Mn钢： （3）钛钢： 机理：沉淀对奥氏体晶 粒边界起钉扎作用使钛 钢具有高于1250℃的极 高的晶粒细化温度。
(2)出炉后到轧制前：
出炉后尚未变形
加热1200 C ， 分别冷到1050 C 、930 C 、 820 C ，钢中 析出物数量与 1200 C时未固 溶的量相当。
在轧制前，从固溶体中析出Nb(C、N)数量很少。
(3)在变形奥氏体中：
在 1图N0b904(00P-03)C：钢C：变在中约形沉析为后淀出5N0相Nb(1中b量C2、5的与NNÅ变)；b析量形在出占变1的0钢量0质0种和～点N变1b：2量形030的后0C～%停：5留0为Å时；1间1950的～0关27系0 Å。 析■出为质未点变大形小的与奥与氏变体形；温∆度为、形保变温量时43间%；有○关为。形变量73%
1）析出量相等时，未 再结晶区轧制所需时间 短。原因：
2）析出量一定时，在 高温所需等温时间短， 低温所需等温时间长。
图4-7 温度-时间-沉淀动力学曲线、形变对沉淀动力学的影响 规程1：在再结晶区变形、发生了再结晶
规程2：附加有未再结晶区变形、未发生再结晶
(3)钢的成分变化Fra bibliotek不同成分的钢随 析出时间增加析 出量都增加，但 钢的成分不同， 析出量不同。
图4-10 铌对三种基本成分相同钢的奥氏体晶粒度的影响（1h， 加热到1250C)
4.3.2 再结晶的延迟
(1) 微合金元素的作用
含铌量增加，再 结晶开始时间 显著延长。含碳 0.002％钢中， 几乎所有铌原子 均会固溶，会延 迟回复和再结晶 的发生。
图4-11 不同含铌量的0.002%C-1.54%Mn 钢中，铌含量对软化行为的影响
硫(S)、钙(Ca)、稀土金属(REM)及锆(Zr)。 影响
钢的塑性。
微合金化元素: 特点：与碳、氮结合成碳化物、氮化物和 碳氮化物，高温下溶解，低温下析出。 作用：(1)加热：阻碍原始奥氏体晶粒长 大；(2)轧制：抑制再结晶及再结晶后的晶 粒长大；(3)低温：析出强化作用。
特点： (1)TiN：
Nb(C、N)平均析出速度：
高温、低 温析出都 很慢。
终轧控温制度轧的制影就响是：应用这种微细的Nb(C、N)析出质 高温点轧固制定后亚（晶再界结而晶阻轧止制奥，氏如体10晶50粒C再）结:铌晶的，平达到 均析细出化速晶度粒不的大目、的析。出颗粒较大（ 200 Å左右）。
原因: 低温轧制后（未再结晶轧制，如900800C） ： 加大了铌的析出速度,析出颗粒细（ 50100Å ）。
原因:
(4) 奥氏体向铁素体转变过程中 碳氮化物在和中的溶解度不同相变后，产 生快速析出。 相间析出（相间沉淀）： 冷却速度大、析出温度低相间沉淀排间距小 析出质点也小。 析出时间长质点长大。
（5）在铁素体内 相变后内剩余的固溶铌继续析出，质点大小决 定于冷却速度。
（6）冷却到室温，1015％左右的铌未从铁素体 中析出。
图4-8 铌钢经50%变形 后在900C 时的沉淀图
曲线
钢号
铌，%
氮，%
碳，%
钼，%
1
76320
0.04
0.003
0.19
-
2
D43
0.04
0.008
0.10
-
3
D45
0.05
0.005
0.12
0.23
4
32675A 0.045
0.006
0.10
0.17
4.3 微量元素在控制轧制控制冷却中的作用 4.3.1 加热时阻止奥氏体晶粒长大
（3）温度和含碳量的作用
图4-13 含铌0.097%的钢中，温度和 含碳量对软化行为的影响
含碳较高的钢 在900C和850C 时，软化速率比 含碳低的钢慢得 多，而在1000C 时，这两种钢几 乎表现出相同的 软化行为。
图4-14 0.002%C-0.097%Nb钢、0.006%C0.097%Nb钢和0.019%C-0.095%Nb钢于900C 时，碳氮化铌应变诱发沉淀析出的过程
4. 微合金元素在控制轧制中的作用
HSLA钢中常用合金元素及夹杂元素分类：
1)微合金化元素：铌(Nb)、钒(V)、
控制钢的强
钛(Ti)、铝(Al)(B)。
度、韧性、
2)置换元素：硅(Si)、锰(Mn)、 钼(Mo)、铜(Cu)、镍(Ni)(Cr)。
相变显微组 织
3)夹杂及硫化物形状控制的添加元素：磷(P)、
图4-3 中的静态再结晶动力学 (a)Si-Mn钢；(b)含0.04%Nb的钢
预应变为0.50
图4-4 中的静态再结晶动力学 (含0.08%Ti的钢；(b)含0.10%V的 钢 变形温度900C预应变为0.50
（2）温度的作用
而对于含铌钢， 随温度的下降， 再结晶开始受到 显著延迟。
图4-12 含铌或不含铌的0.002%C1.56%Mn钢的软化行为与温度的关系
Nb Ti
V
图4-9 碳化物及氮化物形成元素的 含量对奥氏体晶粒粗化温度的影 响
作用：
铌、钛含量在0.10%以下时， 可以提高奥氏体粗化温度到 1050-1100C，作用明显。 高对止钒长含度奥晶在大量弥氏界小的大散体迁于作于的晶移00用..碳界，不1100氮起阻大%%时时化固止，，，物定晶当阻随小作界铌止合颗用长和晶金粒，大钒粒含，阻。 量的增多粗化温度继续提高， 当含量达到0.16%时则趋于稳 定，粗化温度不再提高。