工程材料学课程习题及答案.doc

1、 1 工程材料习题 一、晶向、晶面指数 习题 在立方晶系的单位晶胞上作图表示 (1 1 1)、 (1 1 0)、 (1 0 0) 晶面和 1 1 1、 1 1 0、 0 0 1、 1 0 0、 0 1 0 晶向。 解 X X Y Z (1 0 0) X Y Z 1 1 1 X Y Z (1 1 0) X Y Z (1 1 1) X Y Z 0 0 1 X Y Z 1 0 0 X Y Z 0 1 0 X Y Z 1 1 0 2 二 、 Fe-C 相图类 提示 Fe-C 相图是确定钢热处理、铸造、锻造、焊接加热工艺的依据，应熟练掌握相图 的绘制 、 不同成分钢的冷却相变过程及室温组织。 习题 画出

2、 Fe-Fe3C 合金相图 （ 要求标明 B、 E、 C、 F、 P、 S 点的成分及共晶线和共析线的温度 ） ，分析含碳量 0.4% （ 0.7%、 0.77%、 1.0% ） 的铁碳合金从液态缓冷到室温时 的 结晶过 程 （ 要 利用文字和冷却曲线加以说明 ），画出室温组织的示意图并利用杠杆定律计算其组织组成物的相对质量 分数 。 分析 Fe-Fe3C 相图看似 复杂，但若掌握规律就容易了。相图由包晶相变、共晶相变、共析相变三部分组成。绘制时应先绘制三条水平线、确定水平线的温度及每条线上的三个成分点，然后再连接其余曲线即可。 Fe-C 相图 含碳量 分为亚共析钢（ 0.0218% C 0.

3、77% ）、共析钢（ 0.77% C ）和过共析钢（ 0.77 % C 2.11%）三大类型 ，其区别在于有先共析铁素体析出、无先共析铁素体和无二次渗碳体析出、有二次渗碳体析出。 解 1、铁碳相图 Fe-C 相图见图 1.0， 要求 各相区、线、字母 、温度 要准确。 2、 共析钢（ 0.77%C） （ 1）结晶过程分析 冷却曲线见图 2.1。在 Fe-C 相图中要 画出表示合金成分的垂线 （图中虚线）；冷却曲线中要 标明交点及点的顺序；冷却曲线 点的顺序 要 和 相图中 垂线一致，恒温 转变为水平线 。 1 点以上 ： 液 态 ； 1-2 点：匀晶转变 析出 奥氏体 ， L ； 2-3 点

4、： 降温阶段， 无 组织变化； 3-3 / 点 ： 奥氏体 发生共析 转变， 转变为珠光体 ， CFe7 2 7 30 21 8.077.0 （ P）； 6.69 图 1.0 Fe-Fe3C 合金相图 0 1 2 3 4 5 602004006008001000120014001600ABJNGPQE ( 2.11) C ( 4.30)DFKLS ( 0.77)L1148 727 6.69Fe3CF e C% L Fe3C Fe3CL +Fe3C L+ 温度/0.53 0.0218 3 3 / 点 到 室温， 从铁素体 中 析出 少量 三次渗碳体 Fe3C 。 （ 2）室温组织 显微组织为 珠

5、光体 ， 见图 2.2。示意图 要表明珠光体为层片状 。 （ 3） 质量分数 组织组成物为 “ 铁素体 ” 和 “ 渗碳体 ” ， 以 0.77% （合金碳含量） 为支点 ，分别 以 0.0008% （铁素体碳含量）和 6.69% （ 渗碳体碳含量） 为端点，计算两者的 质量分数分别 为： 铁素体 Q = ( 6.690.77 ) / (6.69-0.0008 ) 100% = 88.5% 渗碳体 Q Fe3C = 100% - 88.5% = 11.5% 3、 亚共析钢（ 0.09% C 0.77% ） 亚共析钢按含碳量又 分为 发生包晶反应 （ 0.09% C 0.53%）和 不发生包晶反

6、应 （ 0.53% C 0.77%）的 两类 ，分述如下 。 3.1 发生包晶反应 的 亚共析钢 以 0.4 % C 钢为例 （ 1） 结 晶过程分析 冷却曲线见图 3.1，要求 与 共析钢 的相同 。 和共析钢比，有三 点不同 ， 多 “ 匀晶转变 L 、包晶反应 L + 和从 中析出 ” 。 1 0 1 2 3 4 5 602004006008001000120014001600( 6.69 )( 6.69 )0.0218ABJNGPQE ( 2.11) C ( 4.30)DFKLS ( 0.77)L1148 727 6.69Fe3CF e C% L Fe3C Fe3CL +Fe3C L+

7、 123453 1 2 3/ 4 2 3 4 图 2.1 0.77% 钢的 冷却曲线 0.77 0.0008 6.69 图 2.2 0.77% C 钢的 室温 组织示意图 P 4 1 点以上：液相； 1-2 点：匀晶析出 铁素体 ， L ； 2-2/ 点： 铁素体与液相发生 包晶转变 ，生成奥氏体 ； 2/-3 点： 剩余的液相匀晶 析出 奥氏体 ， L ； 3-4 点 ： 奥氏体降温阶段， 无 组织变化； 4-5点 ： 奥氏体晶界上 开始 析出铁素体 ， ； 5-5/ 点：剩余奥氏体的成分到达 S 点， 共析 转变 为珠光 体 ； 5/ 点以下 ： 从铁素体 中 析出 很少量的 三次渗碳体

8、， Fe3C 。 （ 2）室温组织 为 铁素体 +珠光体 ， 示意图要表明珠光体为层片状，铁素体为等轴状 ， 见图 3.2。 （ 3） 质量分数 组织组成物为 “ 铁素体 ” 和 “ 珠光体 ” 。 以 0.4% （合金碳含量） 为支点 ，分别 以 0.0008%（铁素体碳含量）和 0.77%（珠光体碳含量）为端点，两者的 质量分数分别 为： QP = (0.4 0.0008) /(0.77 0.0008) 100% = 51.9%， Q = 100% 58.40% = 48.1%。 3.2 不 发生包晶反应的亚共析钢 以 0.7 % C 钢为例 （ 1）结晶过程分析 冷却曲线见图 4.1，要

9、求 与 共析钢 的相同 。 和 0.53% C 的 亚共析钢 比，没有包晶相变；和共析钢比，多 “从 中析出 ”。 1点以上：液相； 1 2点： 匀晶转变 析出 奥氏体 ， L ； 2 3 点奥氏体降温阶段， 无 组织变化； 3 4 点 ： 奥氏体晶界上 开始 析出 铁素体 ， ； 2/ 1 2 3 4 5 5/ 图 3.1 0.4 % 钢的 冷却曲线 图 3.2 0.4% C 钢的 室温 组织示意图 F P 0.4 0.0008 0.77 14950 .5 3 0 .0 9 0 .1 7L 0 .7 7 0 .0 2 1 8 3727 F e C 5 4 4/ 点：剩余奥氏体的成分到达 S点

10、， 共析 转变 为珠光体 ， CFe7 2 7 30 21 8.077.0 ； 4/ 点以下 ： 从铁素体 中 析出 很少量的 三次渗碳体 ， Fe3C 。 （ 3）室温组织 为 铁素体 +珠光体 ， 其中珠光体比 0.4%C 的多。 示意图要表明珠光体为层片状，铁素体为等轴状 ， 见图 4.2。 （ 4） 质量分数 组织组成物为 “ 铁素体 ” 和 “ 珠光体 ”。 以 0.7 % （合金碳含量） 为支点 ，分别 以 0.0008%（铁素体碳含量）和 0.77%（珠光体碳含量）为端点，两者的 质量分数分别 为： QP = (0.7 0.0008) /(0.77 0.0008) 100% =

11、90.9% ； Q = 100% 77.9% = 9.1% 。 3、过 共析钢 （ 0.77 % C 2.11% ， 以 1.0 % C 钢为例 ） （ 1）结晶过程分析 冷却曲线见图 5.1，要求与共析钢的相同。 和共析钢比，有一 点不同 ， 多 “ 从 奥氏体 中析出二次 渗碳体， Fe3C ” 。 1 点 以上：液相； 1-2 点： 匀晶转变 析出 奥氏体 ， L ； 2-3 点 ： 奥氏体降温阶段，无组织变化； 3-4 点：从奥氏体晶界上开始析出 二次渗碳体，呈网状分布 ， Fe3C ； 4-4/ 点：剩余奥氏体的成分到达 S 点， 共析转变为珠光 体， CFe7 2 7 30 21

12、8.077.0 ； 4/ 点以下：从铁素体中析出少量三次渗碳体 ， Fe3C 。 1 2 3 4 1 2 3 4 4/ 图 4.1 0.7 % 钢的 冷却曲线 图 4.2 0.7 % C钢的 室温 组织示意图 F P 0.7 0.0008 0.77 6 （ 2）室温组织 为 珠光体 +二次渗碳体 ， 示意图要表明珠光体为层片状，二次渗碳体呈网状 ，见 图 5.2。 （ 3） 质量分数 组织组成物为“ 珠光体 ” 和 “ 渗碳体 ”。 以 1.0 % （合金碳含量） 为支点 ，分别 以 0.77%（ 珠光体 碳含量）和6.69%（ 渗碳体 碳含量）为端点，两者的 质量分数分别 为： Q P =（

13、 6.69 1.0） /（ 6.69 0.77） 100 % = 96.1 % ； Q Fe3C = 100% 96.1 % = 3.9 % 。 三、 C 曲线 类 提示 连续冷却曲线（ C 曲线）是确定钢热处理、铸造、锻造、焊接冷却时显微组织的依据，需熟练掌握。 应知晓 A1、 Ms、 Mf、开始线、终了线及各区的含义。 共析钢常用的 5 种 热处理 工艺、冷却方式及相应的显微组织 如表 1 所示。 表 1 C 曲线冷却工艺及组织 热处理 工艺 冷却方式 显微组织 退火 炉冷 珠光体 正火 空冷 索氏体 水冷淬火 水冷 马氏体 + 残余奥氏体 油冷淬火 油冷 托氏体 + 马氏体 + 残 余奥

14、氏体 等温淬火 硝盐等温 冷却 下贝氏体 图 5.2 1.0 % 钢的 室温 组织示意图 P Fe3C 图 5.1 1.0 % C 钢的 室温 组织示意图 1 2 3 4 4 / 1.0 0.77 6.69 7 习题 画出共析钢的 C 曲线，并在其上示意地绘出共析钢退火、正火、 油冷淬火、 等温淬火、淬火的工艺曲线，写出所得组织。 解 共析钢连续冷却曲线 （ C 曲线 ） 、各种热处理工艺冷却曲线 如图 6 所示，相应的冷却方法及显微组织见表 1。 四、 材料 牌号类 提示 金属材料特别是 钢 的 牌号 繁多 ， 难度较大， 但 若掌握 规律、特点， 则 方便 理解、 记忆。 下面 举例说明

15、其规律。 习题 说明下列各牌号金属材料所属类别（钢按用途分类），元素含量或性能指标，并指出用 途和最终热处理的工艺名称及获得的组织。 1、工程结构钢 类 Q235 工程结构钢 ，最低屈服强度不低于 235MPa，工程结构用。 2、 优质碳素结构钢类 08F 优质碳素结构钢， 0.08%C，薄板冲压件，不热处理强化。 20 钢 优质碳素结构钢， 0.2%C，渗碳钢，齿轮 等。 渗碳 +淬火 +低温回火，回火马氏体。 45 钢 优质碳素结构钢， 0.45%C，调质钢，轴等 零件 。 调质处理（淬火 +高温回火），回火索氏体。 3、 优质碳素工具钢 类 T10 优质碳素工具钢， 1.0%C。 刃具、

16、冷模具 ， 淬火 +低温回火， M 回 +碳化 物（ Fe3C） +少量 A 残 。 4、 合金 渗碳钢 类 20CrMnTi 合金渗碳钢， 0.2%C， 1%Cr， 1%Mn， 1%Ti。 齿轮等 零件 ， 渗碳 +淬火 +低温回火，回火马氏体。 A1 淬火等温淬火正火退火MS Mf 温度时间 S 图 6 共析钢的 C 曲线 油冷 8 5、 合金调质钢类 40CrNiMo 合金调质钢， 0.4%C， 1%Cr， 1%Ni， 1%Mo。 轴等 零件 ， 调质处理（淬火 +高温回火），回火索氏体。 6、 合金弹簧钢类 65Mn 合金弹簧钢， 0.65%C， 1%Mn。 弹簧，淬火 +中温回火，回

17、火托氏体。 60Si2Mn 合金弹簧钢， 0.60%C， 2%Si， 1%Mn。 弹簧，淬火 +中温回火，回火托氏体。 50CrV 合金弹簧钢， 0.50%C， 1%Cr， 1%V。 弹簧，淬火 +中温回火，回火托氏体。 7、 滚动轴承钢类 GCr15 滚动轴承钢 1.0%C， 1.5%Cr。 轴承，淬火 +低温回火，回火马氏体 +碳化物 +少量 A 残 。 8、 合金工具钢类 9SiCr 刃具钢或冷模具钢 0.9%C， 1%Si， 1%Cr。 淬火 +低温回火， 回火马氏体 +碳化物 +少量 A 残 。 W18Cr4V 刃具 钢 ， 0.8%C， 18%W， 4%Cr， 1%V。 淬火 +5

18、60 三次回火，回火马氏体 +碳化物 +少量 A 残 。 Cr12MoV 冷模具钢， 1.2%C， 12%Cr， 1%V。 冷冲模等 ， 淬火 +低温回火，回火马氏体 + 碳化物 + 少量 A 残 。注：该钢 520 回火，仍然为回火马氏体。 5CrNiMo 热模具钢， 0.5%C， 1%Cr， 1%Ni， 1%Mo。 热锤锻模等，淬火 +高温回火， 回火索氏体； 淬火 +中温回火， 回火托氏体。 9、 不锈钢类 1Cr13 马氏体不锈钢， 0.1%C， 13%Cr。 耐蚀的结构件，淬火 +高温回火，回火索氏体。 0Cr18Ni10 奥氏体不锈钢 ， 0.1%C， 18%Cr， 9%Ni，耐蚀

19、的结构件，固溶处理 +稳定化处理，奥氏体。 10、 耐磨钢类 ZGMn13 耐磨 钢， 1%C， 13%Mn。 耐磨件，水韧处理 1050 固溶处理 +水冷，奥氏体 ， 变形后 马氏体 。 11、 灰口 铸铁 类 HT350 灰口铸铁，最低抗拉强度 350MPa。 12、 可锻铸铁类 KTH330-08 黑心可锻铸铁，最低抗拉强度 330MPa，最低延伸率 8%。 13、 球墨铸铁类 QT600-3 球墨铸铁，最低抗拉强度 600MPa，最低延伸率 3%。 14、 蠕墨铸铁类 RuT260 蠕墨铸铁，最低抗拉强度 260 MPa。 15、 铸造铝合金类 ZAlSi12 铸造铝硅合金， 12%S

20、i。 16、 黄铜类 HPb59-1 铅黄铜，含 59%Cu， 1%Pb，余量为 Zn。 9 五 、 选材 类 提示 根据给定的零件 ，分析其服役条件， 合理选材及制定加工工艺路线 及热处理工艺 ， 知晓材料显微组织和性能之间的关系， 是学习本门课程的最终目的，应熟练掌握。 习题 某公司计划生产下列零件，（ 1）选用一种材料，写出牌号；（ 2）编写加工工艺路线；（ 3）回答各热处理工序的目的及使用状态下的组织。 （ 1） 普通机床变速箱齿轮 （ 2） 汽车半轴 （ 3） 承受中等载荷、转速不高的机床主轴 （ 4） 内燃机曲轴 （ 5） 汽车变速箱齿轮 （ 6） 汽车活塞销 （ 7） 弹簧 说明

21、 此 7 种 类型几乎包括 了 所有的零件类型，若完全掌握，则完全可以胜任零件设计的选材工作。 解 1、 普通机床变速箱齿轮 （详见教材 189 页） 选材： 45 钢、 40Cr 等。 加工工艺路线：下料锻造 正火 粗加工 调质 精加工 高频淬火 、 低温回火 精磨。 热处理工序目的见附录。 组织：心部：回火索氏体，表面高频淬火层：回火马氏体。 2、 汽车半轴 （详见教材 196 页） 选材： 45、 40Cr、 40CrNi。半轴的寿命主要取决于花键齿的抗压陷和耐磨损性能，因此要表面强化。 加工工艺路线 ：下料锻造 正火 粗加工 调质 精加工花键齿部分 高频淬火 、 低温回火 喷丸。 热处

22、理工序目的见附录。 组织：心部： 回火索氏体， 花键齿处表面高频淬火层：回火马氏体。 3、 承受中等载荷、转速不高的机床主轴 （ 详见 教材 191 页） 选材： 45 钢、 40Cr 等。 加工工艺路线：锻造 正火 粗加工 调质 精加工 轴颈表面淬火及低温回火 磨削加工 。 热处理工序目的见附录。 组织：心部回火索氏体，轴颈表面高频淬火层：回火马氏体。 4、 内燃机曲轴 （ 1）铸铁曲轴 （ 详见 教材 192 页） 选材：可选 QT700-2,其加工工艺路线如下： 加工工艺路线：铸造 高温正火 高温回火 切削加工轴颈气体 渗氮 。 高温正火 获得珠光体基体（强度比铁素体基体的高）；高温回火

23、，消除正火产生的残余应力。 组织：基体 珠光体 + 球状石墨 。 （ 2）锻钢曲轴 选材： 40Cr、 42CrMo 等。 10 加工工艺路线：锻造 正火 粗加工 调质 精加工 轴颈氮化 低温去应力退火 。 热处理工序目的见附录。 组织：心部：回火索氏体，轴颈表面：氮化层 （ 氮化物 ） 。 5、 汽车变速箱齿轮 （ 详见 教材 189-190 页） 选材： 20CrMnTi。 加工工艺路线：下料锻造 正火 切削加工 渗碳、淬火及低温回火 喷丸磨削加工 。 热处理工序目的见附录。 组织：心部：低碳的回火马氏体；表面渗碳层：高碳的回火马氏体 +碳化物 +少量 A 残余 。 注：渗层是否含有“碳化

24、物”依淬火温度而定，如果淬火温度超过 Accm，则没有“碳化物”。 6、 汽车活塞销 选材： 20 钢、 20Cr、 20CrMnTi。 加工工艺路线：下料锻造 正火 切削加工 渗碳、淬火及低温回火 磨削加工 。 热处理工序目的见附录。 组织：心部：低碳的回火马氏体；表 面渗碳层：高碳的回火马氏体 +碳化物 +少量 A 残余 。 注：渗层是否含有“碳化物”依淬火温度而定，如果淬火温度超过 Accm，则没有“碳化物”。 7、 弹簧 选材： 65Mn、 60Si2Mn 等。 加工工艺路线： 汽车板簧：热轧钢带（板）冲裁下料压力成型 淬火 中温回火 喷丸强化 。 火车螺旋弹簧：热轧钢棒下料两头制扁热

25、卷成形 淬火 中温回火 喷丸强化端面磨平 。 热处理工序目的见附录。 组织：回火托氏体。 附录 上述加工工艺路线中“热处理工序的作用”总结如下： 1、 正火 组织：索氏体。 目的： 改善组织；细化晶粒；调整硬度，提高切削加工性能。 说明：正火为淬火前的预先热处理，为淬火做组织准备。 2、 调质 组织：回火索氏体。 目的：获得良好的综合力学性能（足够的强度，高的塑韧性）。 说明： 3、 高频感应表面淬火 +低温回火 组织：淬火获得“马氏体”；低温回火获得“回火马氏体”。 目的：提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度。 说明：齿轮、凸轮轴等机械零件，既要求心部有良好的综合力学性能，又要求表面耐磨、高的疲劳强度，为此先对零件整体进行调质，获得良好的综合力学性能；然后在调质的基础上，再对单独表面进行强 化，以提高表面的