工程材料 复习思考题及答案

《机械工程材料》复习思考题

适用教材：于永泗，齐民. 机械工程材料(第七版) . 大连理工大学出版社 2007

第一章 材料的性能

1材料的力学性能主要有哪些？

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）。

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？ 2与理想的晶体相比较，实际晶体在结构上有何特征？

3为何晶粒越细，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好？ 4 名词解释： 相 固溶体 金属化合物 固溶强化 弥散强化

5 固态合金中的相分为几类？它们是如何定义的？（提示：晶格类型）

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？

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？

2金属结晶的基本规律是什么？ 3名词解释：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。 5什么是相图？制定相图的条件是什么？

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？ 7在两相共存区，相成份的变化有何规律？

8工业条件下有可能产生哪两类成份偏析？应如何消除？ 9碳在钢铁材料中有哪几种存在形态？

10简述Fe-Fe 3C 相图中的两个基本反应，写出反应式并注明含碳量和温度。 11指出下列组织的主要区别： ⑪高温莱氏体与低温莱氏体；

⑫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。 12含碳量对碳钢的力学性能有何影响？

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： ⑪1.4%C的钢比0.9%C的钢的硬度高；

⑫室温下，0.9%C的钢比1.3%C的钢的抗拉强度高。

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。

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？

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？ 4将弹簧钢丝冷绕成形后，为何要进行回复退火？

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？ 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。

7金属塑性变形为何会造成残余应力？残余应力有何利弊？

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？

第五章 钢的热处理

1填空题

⑪共析钢加热时，其A 体化过程包括（ ）（ ）、（ ）、和（ ）四个基本阶段。

⑫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（ ），转变后的A R 量越（ ）。

⑬亚共析钢的淬火温度范围是（ ），过共析钢的淬火温度范围是（ ）。 ⑭钢的淬透性越高，则C 曲线的位置越（ ），临界冷却速度越（ ）。 ⑮共析钢的临界冷却速度比亚共析钢（ ），比过共析钢（ ）。

⑯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（ ），原因是（ ）。

2试述选择过共析钢淬火加热温度范围的理由。

3判断下列说法是否正确，如不正确则请更正，并说明理由：

⑪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。

⑫完全退火适用于过共析钢。

⑬对过共析钢进行正火的目的是调整硬度，改善切削加工性。 ⑭M 体的硬度主要取决于过冷A 体的冷却速度。

⑮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。 ⑯M 体转变时，钢的体积将因急剧冷却而会发生收缩。

⑰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。 ⑱对工件进行表面淬火后，还须进行高温回火。 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。

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：

⑪哪把车刀的M 体组织粗大？ ⑫哪把车刀的M 体含碳量较高？ ⑬哪把车刀中的A R 较多？

⑭你认为哪个淬火加热温度合适？为什么？

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？ 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？

8为何经M 体淬火后的钢必须进行回火？ 9分别述叙： ⑪45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； ⑫T10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。

10 ⑪什么是调质？目的是什么？得到什么组织？ ⑫什么钢适合于调质？试述理由。

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？ 12试比较下列钢的淬透性和淬硬性：

⑪20钢与60钢； ⑫T8钢与T13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？

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？

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：相同之处——工件的性能要求上；工艺上都需要淬火加低温回火。不同之处——表层化学成份；对象上，中载与重载、冲击；工艺上，表面淬火与整体淬火。）

16选用碳素钢（具体牌号）制造下列零件，并拟定各零件的加工路线：

⑪锉刀； ⑫沙发弹簧； ⑬车床主轴； ⑭錾子；⑮汽车变速齿轮； ⑯轻型卡车的弹簧钢板。

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。

1. 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、18Cr2Ni4W A （渗碳钢）}、{45、40Cr 、40CrNiMoA 调质钢}、{65Mn、60Si2Mn 、50CrV A 弹簧钢}、{GCr15滚动轴承钢}、{ZGMn13高锰钢，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和1Cr28（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？

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。 4. 渗碳钢、弹簧钢、调质钢的回火各有何特点？

5. 试解释下列现象：⑪高速钢的钢锭在使用前必须反复锻造；⑫高速钢热锻后必须 缓冷；⑬高速钢淬火后必须进行三次高温回火。

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？

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？

8. 试述强化金属材料的基本方法。（提示：四种。）

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）

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：

⑪制造普通车床的齿轮，应选用（ ）；⑫制造汽车板簧应选用（ ）； ⑬制造滚动轴承应选用（ ）； ⑭制造盘形铣刀应选用（ ）； ⑮制造大桥衍架应选用（ ）； ⑯制造大尺寸冷作模具应选用（ ）； ⑰制造重载变速齿轮应选用（ ）； ⑱制造热锻模钢应选用（ ）； ⑲制造手术刀应选用（ ）； ⑳制造耐热（或耐酸）罐体应选用（ ）。

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

(2)汽车板簧

(3)连杆、主轴、普通齿轮

(4)普通车床变速齿轮

(5)重载变速齿轮

(6)铣刀、齿轮滚刀

(7)锉刀

(8)錾子

(9)精密量具

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？

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？ 3决定铸铁力学性能的两大因素是什么？

4 HT300、QT600-3、KTH300-06分别表示什么意思？ 5 灰铸铁可否进行表面淬火？若能，其目的是什么？

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？

复习思考题答案

第二章 材料的结构

2 ①多晶体结构；②具有晶体缺陷。

第三章 材料的凝固

1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 ①能量条件：过冷度。②阶段性：形核、晶核长大。 4 否。如果过冷度超过一定的限度后，晶粒可能变粗。

5 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 纯金属和共晶合金均为恒温凝固。 8 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 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 非常重要！一定要会写出来（包括含碳量和温度）！略。

14 ①随着含碳量↑，渗碳体含量↑，硬度↑。②二次渗碳体结成连续的网状，破坏了基体的连续性，故强度↓。

第四章 金属的塑性变形与再结晶

1. 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. 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略（p.68）

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. 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. 消除应力；定型。回复退火又称去应力退火（250～300℃）。 5. 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. 为热加工，且发生了回复、再结晶，晶粒主要为等轴晶粒。

7. p.68之4.3.3。 利：有利于提高疲劳极限；弊：变形、开裂以及应力腐蚀。 8. 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

3. （1）除Co 以外，所有溶于A 的合金元素都使C 曲线右移，钢的淬透性随之提高。钢的淬透性取决于其临界冷却速度（或C 曲线的位置，或？的含量） 4 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 前三问均为2号。第四问：1号，部分奥氏体化。

7. 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. 预期组织，以满足零件的力学性能要求。

9. （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体【因为球化退火还使得珠光体中的片状渗碳体也变为球状】；淬火后为细淬火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. （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. 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. （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 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

14 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。

第六章 工业用钢

1. 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高锰钢，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. 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. 渗碳钢低温回火；弹簧钢中温回火；调质钢高温回火。

★5. （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：红硬性；热作模具钢：抗热疲劳性能、抗氧化性；冷作模具钢：韧性（或冲击韧性）；量具：尺寸稳定性。

7. 内应力和残余奥氏体。冷处理和时效可防止之。 ★8. 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）。

★9. 提高基体电极电位，获得单相组织，表面形成致密稳定的保护膜。 10. 将上述1中的所有材料按照本题的要求来做。注意，{45、65、65Mn 优质碳素结构钢}中45号钢应写为碳素调质钢，65、65Mn 应写为碳素弹簧钢等。本大题答案略。