机械制造基础第二章习题及答案

第二章习题及答案

2-1晶体和非晶体的主要区别是什么？

答：晶体是指其原子呈周期性规则排列的固态物体。晶体具有周期性规则的原子排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡的结果。晶体还具有固定的熔点和各向异性的特征。非晶体则原子排列无规则，没有固定的熔点，且各向同性。

2-2试述纯金属的结晶过程。

答：纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所对应的时间内发生的，实质上是金属原子由不规则排列过渡到规则排列而形成晶体的过程，它是一个不断形成晶核和晶核不断长大的过程。

1）形核

当液态金属的温度下降到接近T1时，液体的局部会有一些原子规则地排列起来，形成极细小的晶体，这些小晶体很不稳定，遇到热流和振动就会消失，时聚时散，此起彼伏。当低于理论结晶温度时，稍大一点的细小晶体，有了较好的稳定性，就有可能进一步长大成为结晶核心，称为晶核。

晶核的形成有两种方式：一种为自发形核，即如前所述的，液态金属在过冷条件下，由其原子自己规则排列而形成晶核；一种为非自发形核，即依靠液态金属中某些现成的固态质点作为结晶核心进行结晶的方式。非自发形核在金属结晶过程中起着非常重要的作用。

2）长大

晶核形成之后，会吸附其周围液体中的原子不断长大，在晶核长大的同时，液体中又会产生新的晶核并长大，直到液态金属全部消失，晶体彼此接触为止。

2-3何谓为过冷度？影响过冷度大小的因素是什么？

答：实际结晶温度低于理论结晶温度的现象，称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度的差值，称为过冷度。

过冷度与金属液体的冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度越大。

2-4晶粒粗细对金属的力学性能有何影响？细化晶粒可采取哪些措施？

答：晶粒越细小，晶界越多、越曲折，晶粒与晶粒之间相互咬合的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，增强了彼此间的结合力。不仅使强度、硬度提高，而且塑性、韧性也越好。

为了能够获得细晶组织，实际生产中常采用增大过冷度⊿T、变质处理和附加振动等方法。

2-5什么是合金相图？什么是共晶转变和共析转变？

答：合金相图是通过实验方法建立的。先在极缓慢冷却的条件下，作出该合金系中一系列不同成分合金的冷却曲线，确定冷却曲线上的结晶转变温度（临界点），然后把这些临界点在温度—成分坐标系中标出，最后把坐标图上的各相应点连接起来，就可得出该合金系的相图。

具有共晶成分（w C＞2.11%）的液相在共晶温度1148℃时，要同时结晶出奥氏体与渗碳体的共晶体，称为共晶转变。

含碳量大于0.0218％的铁碳合金在PSK线上都发生共析反应，同时析出铁素体与渗碳体的机械混合物，称为共析转变。

2-6试述纯铁的同素异构转变。

答：纯铁熔点为1538℃，温度变化时发生同素异构转变，如图所示。

2-7何谓钢的热处理？试述热处理的工艺过程。

答：钢的热处理是通过加热、保温和冷却的工艺方法使钢的内部组织发生变化，从而获得所需性能的一种加工工艺。

热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。2-8共析钢加热时组织结构如何变化？

答：将共析钢加热至Ac1温度时，将发生珠光体向奥氏体的转变，其转变过程是一个形核和长大的过程；奥氏体化完成后，继续在较高温度下加热或进行长时间保温，奥氏体的晶粒容易长大。钢在加热时获得的奥氏体晶粒大小，直接影响到冷却后转变产物的晶粒大小和力学性能。

2-9热处理加热后保温的目的是什么？

答：使奥氏体晶粒均匀化。

2-10过冷奥氏体等温转变时，按过冷度的不同，能得到哪几种组织？

答：过冷奥氏体的等温转变分为珠光体型转变、贝氏体型转变和马氏体型转变。

珠光体型转变，转变产物为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状组织，即珠光体组织。

贝氏体型转变，转变产物为由含碳过饱和的铁素体和弥散分布的渗碳体组成的组织，即贝氏体组织。

马氏体型转变，转变产物主要为马氏体。马氏体是碳在γ-Fe中所形成的过饱和固溶体，用符号M表示。

2-11过冷奥氏体连续冷却时的临界冷却速度表示什么意义？

答：冷却速度v k表示了使过冷奥氏体在连续冷却过程中不分解而全部冷至Ms温度以下转变为马氏体的最小冷却速度，即钢在淬火时为抑制非马氏体转变所需的最小冷却速度，称为马氏体临界冷却速度。

2-12何谓退火？退火分为哪几类？

答：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺称为退火，又称

为焖火。

常用的退火方法可分为完全退火、球化退火和去应力退火等。

2-13完全退火的目的是什么？为什么不宜用于过共析钢？

答：完全退火的目的是降低钢的硬度，细化晶粒，充分消除内应力。

过共析钢不宜采用完全退火，因为过共析钢完全退火需加热到Ac cm以上，在缓慢冷却时，钢中将析出网状渗碳体，使钢的力学性能和切削加工性变坏。

2-14去应力退火时钢中有无相的变化？为什么？

答：去应力退火的加热温度一般为500～600℃，保温后随炉缓冷至室温。由于加热温度在A1以下，去应力退火过程中一般不发生相变。

2-15何谓正火？正火的目的是什么？

答：将工件加热到奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺，称为正火。

正火的目的是细化晶粒、均匀组织、调整硬度和消除网状的二次渗碳体组织，与退火相似。

2-16为什么低碳钢用正火比退火更为合适？

答：低碳钢的硬度和强度较低，正火组织的晶粒比较细小，强度、硬度比退火后要略高一些。

2-17淬火加热温度如何选择？为什么？

答：碳钢的淬火加热温度可根据Fe-Fe3C相图来确定。适宜的淬火温度是：亚共析钢为Ac3以上30～100℃；共析钢、过共析钢为Ac1以上30～70℃。合金钢在碳钢的基础上还有考虑合金元素的影响，加热温度可根据其相变点来选择，但由于大多数合金元素在钢中都具有细化晶粒的作用，因此合金钢的淬火温度可以适当提高。

2-18淬火方法分哪几类？各有何特点？

答：常用的淬火方法有以下几种：

1）单液淬火法：水淬、油淬都属于单液淬火法，操作方便，容易实现机械化、自动化，然而都存在一定的局限性。水淬可得到较深的淬硬层与高的硬度，但变形和开裂倾向大。油淬的淬硬层薄。一般适用于形状简单、性能要求不太高的零件。

2）双介质淬火法：这种方法既能保证淬硬，又能减少产生变形和裂纹的倾向。但操作较难掌握，主要用于形状较复杂的碳钢件和形状简单、截面较大的合金钢件。

3）分级淬火：分级淬火是防止变形和开裂的有效淬火方法。

4）等温淬火：等温淬火处理的内应力显著下降，变形量小，但生产周期较长，常用于形状复杂，尺寸要求精确，强度、韧性要求较高的小型钢件，如各种模具、成型刃具和弹簧等。

2-19试述回火的分类及其目的。

答：常用的回火方法有低温回火、中温回火和高温回火

回火的目的如下：

1）获得所需要的力学性能

在通常情况下，工件淬火后强度和硬度有很大的提高，但塑性和韧性却有明显降低，而工件的实际工作条件要求有良好的强度和韧性。选择适当的温度进行回火后，可以获得所需要的力学性能。

2）稳定组织、稳定尺寸

淬火后钢的组织中的马氏体和残留奥氏体有自发转变的趋势，只有经回火后才能稳定组织，使工件在使用过程中的性能与尺寸得到稳定。

3）消除内应力

一般淬火后钢的内部存在很大的内应力，如不及时消除，将引起工件的变形与开裂。

2-20说明不同温度下回火的组织变化。

答：在150～250℃进行的低温回火工艺，所得组织为回火马氏体，基本保持了马氏体的高硬度、高耐磨性，同时提高韧性，降低内应力。主要用于刀具、模具、量具、滚动轴承、渗碳体或表面淬火的零件。

在300～500℃进行的中温回火工艺，所得的组织为回火托氏体，硬度约为35～45HRC。中温回火后具有高的弹性极限和屈服点，同时有较好的韧性，消除了淬火应力。主要用于各种弹簧、弹簧夹头及某些要求较高强度的零件，如刀柄、轴套等。

在550～650℃进行的高温回火，所得组织为回火索氏体，硬度在25～40HRC之间。高温回火后钢具有一定的强度、硬度，而又有较好的塑性、韧性。主要用于受力复杂的重要结构件。

2-21说明感应加热淬火的特点及其应用。

答：与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火具有如下特点：

1）加热速度快，只需几秒至几十秒就可将工件表层一定深度加热至淬火温度，使表层获得晶粒细小的奥氏体组织，淬火后表层组织为细隐晶马氏体，表面硬度比普通淬火高2～3HRC，且脆性较小。

2）因加热时间短，减少了氧化脱碳工件。

3）因工件内部并未加热，淬火变形小。

4）易于控制淬硬层深度，可满足各种工件对淬硬层深度的不同要求。

5）便于机械化和自动化生产，生产率高，适于大批量生产。

但感应加热表面淬火设备比较昂贵，零件形状复杂时感应器制造困难，因而不适于单件小批生产。

2-22什么叫钢的化学热处理？常用的化学热处理方法有哪几种？

答：钢的化学热处理是将钢铁零件置于一定温度的化学活性介质中加热、保温，通过向钢的表层渗入一种或几种合金元素，改变钢的表层化学成分，从而使钢零件表面具有某些特殊的力学性能或物理、化学性能的热处理工艺。

根据渗入元素的不同，化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等。

2-23有一传动齿轮，用20钢制作，要求齿表面具有高的硬度（60HRC）和耐磨性，心部具有良好的韧性，试编制其热处理工艺。

答：20钢齿轮属于低碳钢的齿轮，先要进行渗碳处理，之后机加工，然后淬火回火，达到工艺要求。