工程材料课后布置习题的参考解答.doc

科学出版社《工程材料》（杨瑞成等编著，2023.1）
课后布置习题（参课件）的参考解答
第1章 机械工程对材料性能的规定
1名词解释：参考书上相应部分。
3机械零件在工作条件下也许承受哪些负荷？这些负荷对零件产生什么作用？
工程构件与机械零件（以下简称零件或构件）在工作条件下也许受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用。有时只受到一种负荷作用，更多时候将受到两种或三种负荷的同时作用。
在力学负荷作用条件下，零件将产生变形，甚至出现断裂；
在热负荷作用下，将产生尺寸和体积的改变，并产生热应力，同时随温度的升高，零件的承载能力下降；
环境介质的作用重要表现为环境对零件表面导致的化学、电化学腐蚀及摩擦磨损等作用。
4常用机械工程材料按化学组成分为几个大类？各自的重要特性是什么？
机械工程中使用的材料常按化学组成分为四大类：
金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。
材料
结合键
重要特性
金属材料
金属键
优点：良好的综合力学性能（强度和塑性等）、导电性、导热性和工艺性能等，并呈特有的金属光泽。
缺陷：在特别高的温度以及特殊介质环境中，由于化学稳定性问题，一般金属材料难以胜任。
高分子材料
共价键和
分子键
优点：具有较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性及重量轻等优良性能，并且易于成形。
缺陷：耐热差，尺寸稳定性低，强度硬度低，易老化。
陶瓷材料
离子键或
共价键
优点：熔点高、硬度高、化学稳定性高，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘和热膨胀系数小的特点。
缺陷：脆性大、不易加工成形。
复合材料
多种键复合
优点：具有单一材料所不具有的优异性能，可按需要进行人为设计、制造。
缺陷：价格昂贵
提醒：按强度、塑性等力学性能，化学稳定性、高温性能、电学、热学等方面特性回答。
7常用哪几种硬度实验？如何选用？硬度实验的优点何在？
硬度实验
选用
布氏硬度
常用于退火状态下的钢材、铸铁、有色金属及调质钢的硬度测试（即材料硬度相对偏中低水平的）。
不适宜于测量硬度较高的零件、成品零件及薄而小的零件。
洛氏硬度
可测量较高硬度的材料（如一般淬火解决的钢或工具钢），也可测量硬度不太高的材料（如调质钢）等，并且测量中压痕小、不易损伤零件表面。
组织粗大且不均匀的材料，测量结果不够准确、反复性差。
维氏硬度
维氏硬度多用于薄工件或薄表面硬化层的硬度测试。
显微硬度用于材料微区硬度（如单个晶粒、夹杂物、某种组成相等）的测试。
其他
莫氏硬度用于陶瓷和矿物的硬度测定。
邵氏硬度常用于橡胶、塑料的硬度测定。
硬度实验有以下优点：
l 实验设备简朴，操作迅速方便；
l 实验时一般不破坏成品零件，因而无需加工专门的试样，实验对象可以是各类工程材料和各种尺寸的零件；
l 硬度作为一种综合的性能参量，与其它力学性能如强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，由此可按硬度估算强度而免做复杂的拉伸实验（强韧性规定高时则例外）；
l 材料的硬度还与工艺性能之间有联系，如塑性加工性能、切削加工性能和焊接性能等，因而可作为评估材料工艺性能的参考；
l 硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，故可用来检查原材料和控制冷、热加工质量。
（提醒：设备简朴；试样方便（无需专门加工）；在一定范围可与力学性能、工艺性能建立联系；工程中常用）
11 下列各种工件或钢材可用那些硬度实验法测定其硬度值?
(1)车刀（钢制）、锉刀——用洛氏硬度HRC；
(2)供货状态的各种碳钢钢材——用布氏硬度HBS或HBW；
(3)硬质合金刀片——用维氏硬度HV或洛氏硬度HRA；
(4)铝合金半成品——用布氏硬度HBS或HBW；
(5)耐磨工件的表面硬化层——用维氏硬度HV或洛氏硬度HRA。
第2章 材料的组成和内部结构特性
1 名词解释：参考书上相应部分。
9在铁碳合金中重要的相是哪几个？两个最重要的恒温反映是什么？其生成的组织是什么？它们的性能有什么特点？
答：铁碳合金相图中共有五个基本相，即液相L、铁素体相F、高温铁素体相δ、奥氏体相A及渗碳体相Fe3C。
在ECF水平线（1148℃）发生共晶转变L4.3→A2.11+Fe3C。转变产物为渗碳体基体上分布着一定形态、数量的奥氏体的机械混合物（共晶体），称为莱氏体，以符号“Ld”表达，性能硬而脆。
在PSK线（727℃）发生共析转变A0.77→F0.0218+Fe3C。转变产物为铁素体基体上分布着一定数量、形态的渗碳体的机械混合物（共析体），称为珠光体，以符号“P”表达。珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。
10根据铁碳相图对铁碳合金进行分类，试分析不同铁碳合金成分、室温平衡组织及性能之间关系。
答：由Fe—C相图可将铁碳合金分为以下几类：
①工业纯铁：wC≤0.0218%， 组织为F+Fe3CIII

亚共析钢：0.0218%<wC<0.77%， 组织为F+P(F+Fe3C)
②钢 共析钢：wC=0.77%， 组织为珠光体P(F+Fe3C)
过共析钢：0.77%<wC<2.11%， 组织为P+ Fe3CII（网状）

亚共晶（白口）铸铁：2.11%<wC<4.3%， 组织为P+ Fe3CII+ Ld＇
③（白口）铸铁 共晶（白口）铸铁：wC=4.3%，组织为Ld (A+ Fe3C)或Ld＇
过共晶（白口）铸铁：4.3%<wC<6.69%， 组织为 Ld＇+ Fe3CI
由F和Fe3C两相构成的铁碳合金的室温平衡组织，随着含碳量的增长其变化规律为：
F（+少量Fe3CIII）→F+P→P→P+ Fe3CII（网状）→P+ Fe3CII+Ld’ →Ld’ →Ld’+Fe3CI
随着含碳量的增长，组织组成发生相应的变化，硬度增长，塑韧性减少；强度的变化是先增长后减少，大约在含碳量为0.9%时为最大值。合金中组织的不同引起的性能差异很大，这与Fe3C的存在形式密切相关，当Fe3C与F（基体）构成片层状的P组织时，合金的强度和硬度均随含碳量增长而增长，而当Fe3C以网状分布在晶界上时，不仅使塑韧性减少，也使强度减少；当Fe3C以粗大形态存在时（Ld’或Fe3CI），塑韧性和强度会大大减少。
13 从铁一碳相图的分析中回答：
（1）随碳质量百分数的增长，硬度、塑性是增长还是减小？
答：随着含碳量的增长，硬度增长，塑韧性减少；由于随含碳量增长Fe3C数量越来越多。
（2）过共析钢中网状渗碳体对强度、塑性的影响如何？
答：对基体产生严重的脆化，使强度和塑性下降。
（3）钢有塑性而白口铁几乎无塑性？
答：钢是以塑韧的F为基体，而白口铁是以硬脆的Fe3C为基体，所以钢有塑性，而白口铁几乎无塑性。
（4）哪个区域熔点最低？哪个区域塑性最佳？
答：共晶白口铸铁熔点最低。A区塑性最佳。
14 根据Fe-Fe3C相图，说明产生下列现象的因素：
（1）含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高；
答：由于钢的硬度随含碳量的增长（即硬相Fe3C数量增长）而增长。
（2）在室温下含碳量0.8%的钢其强度比含碳量1.2%的钢强度高；
答：含碳量超过0.9%后，Fe3C以网状分布在晶界上，从而使钢的强度大大下降。
（3）低温莱氏体的塑性比珠光体的塑性差；
答：由于低温莱氏体是由粗大、脆性的共晶Fe3C、Fe3CII和珠光体组成，因此比起但纯的珠光体来说，其塑性要差。
（4）在1100℃，含碳量0.4%的钢能进行锻造，含碳量4.0%的生铁不能锻造；
答：由于在1100℃，含碳量0.4%的钢处在A单相奥氏体区，而含碳量4.0%的生铁处在A+ Fe3CII+Ld’亚共晶区；
（5）钢铆钉一般用低碳钢制成；
答：钢铆钉需要有良好的塑韧性，此外需要兼有一定的抗剪切强度，因而使用低碳钢制成；
（6）钳工锯0.8%C、1.0%C等钢材比锯0.1%C、0.2%C钢材费力，锯条容易磨损；
答：0.8%C、1.0%C、1.2%C中的含碳量高，组织中的Fe3C的含量远比0.1%C、0.2%C钢中的含量高，因此比较硬，比较耐磨，较难以锯削；
（7）钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于铸导致型；
答：铸铁的熔点低，合金易熔化、铸造过程易于实行，故而宜于铸导致型；钢的含碳量比铸铁低，通过加热可进入单相固溶体区，从而具有较好的塑性、较低的变形抗力，不易开裂，因此适宜于压力加工成形。
第3章 工程材料成形过程中的行为与性能变化
1 名词解释：参考书上相应部分。
3 金属晶粒大小对机械性能有什么影响？细化晶粒的措施有哪些？
答：机械工程中应用的大多数金属材料是多晶体。同样的金属材料在相同的变形条件下，晶粒越细，晶界数量就越多，晶界对塑性变形的抗力越大，同时晶粒的变形也越均匀，致使强度、硬度越高，塑性、韧性越好。因此，在常温下使用的金属材料，一般晶粒越细越好。
晶粒度的大小与结晶时的形核率N和长大速度G有关。形核率越大，在单位体积中形成的晶核数就越多，每个晶粒长大的空间就越小，结晶结束后获得的晶粒也就越细小。同时，假如晶体的长大速度越小，则在晶体长大的过程中也许形成的晶粒数目就越多，因而晶粒也越小。细化晶粒的方法有：
1）增大过冷度——提高形核率和长大速度的比值，使晶粒数目增大，获得细小晶粒；
2）加入形核剂——可促进晶核的形成，大大提高形核率，达成细化晶粒的目的；
3）机械方法——用搅拌、振动等机械方法迫使凝固中的液态金属流动，可以使附着于铸型壁上的细晶粒脱落，或使长大中的树枝状晶断落，进入液相深处，成为新晶核形成的基底，因而可以有效地细化晶粒。
5 金属铸锭通常由哪几个晶区组成？它们的性能特点如何？
答：金属铸锭的宏观组织由三个晶区组成的，由外至里分别是细等轴晶粒区、柱状晶粒区和中心等轴晶粒区。其性能特点如下：
（1）表面细等轴晶区：晶粒细小，有较高的致密度，其力学性能也较好。但因其厚度太小，往往在随后的机械加工过程中去除，因而对铸锭总体性能的影响可以忽略不计。
（2）柱状晶区：柱状晶区的各个晶粒平行地向中心长大，彼此互相妨碍，不能产生发达的分枝，结晶后的组织比较致密。但晶粒较粗大，晶粒间交界处容易聚集杂质形成脆弱区，受力时容易沿晶界开裂。因此，柱状晶的力学性能具有较明显的各向异性。一般铸件中应尽量限制出现较大的柱状晶区。
（3）中心等轴晶区：等轴晶分枝比较发达，凝固后容易形成显微缩松，晶体致密度较低，但杂质在等轴晶间的分布比较均匀，不会出现明显的各向异性，铸锭晶间的缩松还可在后续的压力加工过程中焊合。因此，对于铸锭和一般使用条件下的铸件，希望获得等轴晶组织。
7. 室温下，对一根铁丝进行反复弯曲—拉直实验，通过一定次数后，铁丝变得越来越硬，试分析因素。假如将这根弯曲—拉直实验后的铁丝进行一定温度的加热后，待冷至室温，然后再试着弯曲，发现又比较容易弯曲了，试分析因素。
答：铁丝进行反复弯曲—拉直的过程是塑性变形的过程，在通过一定次数后铁丝产生了加工硬化，因此强度硬度越来越高；若进行一定温度的加热后，变形的铁丝发生了回复、再结晶，加工硬化消除，硬度减少，所以又比较容易弯曲了。
8什么是金属的回复和再结晶过程？回复和再结晶过程中金属的组织性能发生了哪些变化？
答：回复：塑性变形后的金属加热时，开始阶段由于加热温度不高，原子获得的活动能力较小，只能进行短距离的扩散，金属的显微组织仍保持纤维组织，力学性能也不发生明显的变化。在这一阶段内，原子的短距离扩散使晶体在塑性变形过程中产生的晶体缺陷减少，晶格畸变大部分消除，材料中的残余应力基本消除，导电性和抗腐蚀能力也基本恢复至变形前的水平。
再结晶：把经历回复阶段的金属加热到更高温度时，原子活动能力增大，金属晶粒的显微组织开始发生变化，由破碎的晶粒变成完整的晶粒，由拉长的纤维状晶粒转变成等轴晶粒。该过程无相变发生，也为原子扩散导致的形核、长大过程，因此称为再结晶。金属在再结晶过程中，由于冷塑性变形产生的组织结构变化基本恢复，力学性能也随之发生变化，金属的强度和硬度下降，塑性和韧性上升，加工硬化现象逐渐消失，金属的性能重新恢复至冷塑性变形之前的状态。
9什么是加工硬化？试述金属塑性变形中发生加工硬化的因素？试分析加工硬化的利与弊。
答：加工硬化：金属在塑性变形过程中，随着变形限度增长，强度、硬度上升，塑性、韧性下降，这种现象称加工硬化（也叫形变强化）。
加工硬化的因素：金属变形过程重要是通过位错沿着一定的晶面滑移实现的。在滑移过程中，位错密度大大增长，位错间又会互相干扰互相缠结，导致位错运动阻力增长，同时亚晶界的增多，从而出现加工硬化现象。
利与弊：加工硬化加大了金属进一步变形的抗力，甚至使金属开裂，对压力加工产生不利的影响，因此需要采用措施加以软化，恢复其塑性，以利于继续形变加工。但是，对于某些不能用热解决方法强化的合金，加工硬化又是一种提高其强度的有效的强化手段。加工硬化还能提高零件应力集中部位的承载能力和安全性，以及保证板材的（冲压）成形。
第4章 改善材料性能的热解决、合金化及改性
1 名词解释：参考书上相应部分。
3 说明共析钢过冷奥氏体在不同温度等温冷却所得的转变组织及其性能的重要特性。
A1～550℃为珠光体转变区（P区），奥氏体分解为铁素体和渗碳体相间的片层状组织，它是靠Fe与C原子长距离扩散迁移，铁素体和渗碳体交替形核长大而形成的，为全扩散型转变。稍低于A1的等温转变产物的片层间距较大。而随着转变温度下降，过冷度加大，过冷奥氏体稳定性变小，孕育期变短，转变产物也变细。P区产物按转变温度的高低分别称为珠光体P（A1～650℃）、索氏体S（650～600℃）和屈氏体T（600～550℃）。这三种组织仅片层粗细不同，并无本质差异，片层越细，硬度、强度越高，它们统称为珠光体类型转变组织。
从550℃到Ms的范围内，过冷奥氏体发生贝氏体转变（B区）。由于转变温度较低，Fe几乎不扩散，仅C原子作短距离扩散，故转变产物的形态、性能及转变过程都与珠光体不同，是含过饱和碳的铁素体和渗碳体的非片层状混合物，为半扩散型转变。按组织形态的不同，将贝氏体分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。共析钢的B上在550～350℃形成，是自原奥氏体晶界向晶内生长的稍过饱和铁素体板条，具有羽毛状的金相特性，条间有小片状的Fe3C。在350～240℃形成的B下，其典型形态是呈一定角度的针片状高过饱和铁素体与其内部沉淀的超细小不完全碳化物（Fe2.4C）片粒，在光学显微镜下常呈黑色针状形态。
M区----无扩散相变，成分不变、形成极度过饱和的α固溶体（马氏体）。一般转变不完全，形成部分残余奥氏体。
板条M：Wc＜0.25% ，强度高兼有一定韧性。
片状M：Wc＞1.0% ， 硬而脆。其碳含量之间，为混合M。
6 试说明预先热解决与最终热解决的重要区别，以及它们之间的联系。
答：预先热解决在零件加工工序的前面阶段（粗加工阶段），常用的工艺方法有退火、正火、调质。通过预先热解决获得的无成分偏析、无热加工缺陷的稳定组织，尚有助于零件在最终淬火（最终热解决）时各个部分均得到同等限度的淬火效果，使零件整个截面上的力学性能均匀一致；并且还可以减少零件淬火时尺寸和形状的变化等热解决缺陷。此外，良好的预先热解决组织还可为表面硬化零件提供心部的强韧性。因此，预先热解决可认为零件的最终热解决和表面强化解决做好组织准备。
最终热解决在零件加工工序的后面阶段（精加工阶段），其作用是保证零件的最终性能（图纸规定），工艺方法重要是淬火、回火，尚有化学热解决和其他表面改性解决。
8 钢淬火后为什么一定要回火？说明回火的种类及重要应用范围。
答：淬火钢一般不能直接使用，这是由于：
①零件处在高应力状态（可达300～500MPa以上），在室温下放置或使用时很易引起变形和开裂；
②淬火态（M+A′）是亚稳定状态，使用中会发生组织、性能和尺寸变化；
③淬火组织中的片状马氏体硬而脆，不能满足零件的使用规定。
回火能使这些状况得到改善，获得所规定的力学性能。由于在回火过程中随着温度的提高逐渐发生了各种组织变化，钢的性能也会逐渐改变。根据回火温度可以分为三类回火，如下表所示：
类别
回火温度
/℃
组织和硬度
/HRC
回火目的
应用举例
低温回火
150～250
回火马氏体
58～64
保持高硬度高耐磨性，消除应力，减少脆性
冲模、量具、渗碳件、表面淬火件、轴承
中温回火
350～500
回火屈氏体
35～50
获得高的屈服强度和弹性极限
弹簧、弹簧夹头、模锻锤杆、热作模具
高温回火
500～650
回火索氏体
25～35
得到高的综合机械性能
连杆、轴、等重要结构件
19 有低碳钢齿轮和高碳钢齿轮各一个，规定齿面具有高的硬度和耐磨性，应分别采用如何的热解决？并比较它们在热解决后组织与性能上的差别。
答：高碳钢齿轮应球化退火后进行感应加热淬火和低温回火，热解决后沿齿廓的组织为“较细小回火马氏体+粒状碳化物+少量残余奥氏体”，其内部仍为球化退火后的粒状珠光体。
低碳钢齿轮应正火后进行渗碳，然后进行淬火和低温回火，热解决后表层为细小回火马氏体＋较多碳化物＋残余奥氏体，有很高的硬度和耐磨性，而心部保持低碳钢的高韧性及高塑性，也达成表硬心韧。总的来讲，两者相比，后者的性能较好于前者。
22有两种共析钢试样，分别加热到780℃和880℃，并保温相同时间，使之达成平衡状态，然后以大于临界冷却速度的冷速冷至室温。试问：
（1）那种加热温度的马氏体晶粒粗大？
答：880℃
（2）那种加热温度马氏体的含碳量较高？
答：880℃
（3）那种加热温度的残余奥氏体较多？
答：880℃
（4）那种加热温度的未溶解渗碳体较少？
答：880℃
（5）那种加热温度淬火最合适？为什么？
答780℃，由于该加热温度淬火后马氏体晶粒比较细小，马氏体含碳量较低从而组织应力较小，残余奥氏体量较少，加上未溶解碳化物，有助于提高钢的硬度和耐磨性。
第5章 常用金属材料及性能
4 何谓渗碳钢？试分析此类钢的用途及性能特点、合金化原则、热解决特点，并列举其典型钢种。
答：渗碳钢是指经渗碳、淬火和低温回火后使用的结构钢。
用途及性能特点：用于承受较大冲击负荷、同时表面经受强烈摩擦磨损的零件(如换档齿轮等)。经渗碳及淬、回火后，表硬内韧。
合金化原则：
①低碳(≤0.25%)，保证渗碳及热解决后表、里的良好配合。
②加提高淬透性元素，Cr、Mn、Ni、B等，保证心部良好强韧性。
③加V、Ti、W等，阻止渗碳时晶粒长大。
热解决特点：渗碳后淬火和低温回火，获得具有高硬度、高耐磨性的高碳回火马氏体。
典型钢种：低淬透性15(20)、20Cr；
中淬透性20CrMnMo、20MnTiB；
高淬透性18Cr2Ni4W、20Cr2Ni4。
5 何谓调质钢？试分析此类钢的用途及性能特点、合金化原则、热解决特点，并列举其典型钢种。
答：调质钢指调质（淬火+高温回火）后使用的中碳钢及中碳合金钢。
•用途及性能特点：
高强度（承受较大负荷）及高韧性（防止断裂事故）的重要零件（如机床主轴），具有良好的综合力学性能。
•合金化原则：①中碳（0.30%～0.5%），保证热解决后足够强度，又不致太脆。
②加淬透性元素（Cr、Ni、Mn、Si、B），保证大截面均一的性能。
③加细化晶粒元素V、W、Mo等。
④加Mo，消除回火脆性。
•热解决：调质即淬火+高温回火（500～650℃）。
•常用典型钢种：低淬透性:45、40Cr、40MnB；
中淬透性:35CrMo、30CrMnSi；
高淬透性:40CrNiMo、40CrMnMo。
6 何谓弹簧钢？试分析此类钢的用途及性能特点、合金化原则、热解决特点，并列举其典型钢种。
答：弹簧钢重要用于制造各类弹簧和其他弹性元器件的钢。
•用途、性能：重要用于制造弹簧；弹簧钢应具有高的弹性极限、高的疲劳强度和足够的塑性与韧性。
•合金化：①中、高碳（0.45%～0.7%）；
②加Si提高σe及（σs/σb）；
③加Mn、Si、或Cr提高淬透性；
   ④加Mo、W、V细化晶粒（重要弹簧）。
•热解决：淬火＋中温回火，回火屈氏体；42～48HRC。
•常用钢种：65；65Mn；60Si2Mn；50CrV。
7 何谓滚动轴承钢？试分析此类钢的用途及性能特点、合金化原则、热解决特点，并列举其典型钢种。
•用途、性能：重要用于制造轴承零件的高碳低合金Cr钢（也可用于制造工模具）；应具有高的抗压强度和接触疲劳强度、高的硬度和耐磨性，同时应具有一定的韧性和抗腐蚀性。
•成分特点：①高碳（0.95～1.15%）,以保证高硬度高耐磨性；
②0.4～1.65%Cr（常为1.5%Cr）, 以保证较和淬透性以及一定的耐腐蚀性，以及某些特殊规定的成分.
③S、P规定严，冶金质量高。
•热解决：球化退火（预先热解决）及淬火、低温回火，60～64HRC。
•典型钢种：GCr15（中小型轴承）； G20Cr2Ni4（大型渗碳轴承）；9Cr18（不锈轴承）。
10何谓高速钢？试分析此类钢的用途及性能特点、合金化原则、热解决特点，并列举其典型钢种。
答：高速钢是一类具有很高耐磨性和很高热硬性的工具钢，在高速切削条件刃部温度达成500～600℃时仍能保持很高的硬度，使刃口保持锋利，因此得名。
•用途及性能特点：用于高速切削的刀具；具有高硬度、高耐磨性及高热硬性。
•合金化原则：①高碳（ωc>0.8%）,以形成大量碳化物，保证高硬度、高耐磨性。
②较多W与Mo（>10%）,产生W2C、Mo2C等细小弥散硬化，保证热硬性。
③4%Cr，保证淬透性。
④加V，提高硬度、耐磨性。
•热解决特点：先在800℃～850℃之间预热，1200-1300℃ 高温淬火，三次 560℃回火（为了消除淬火钢中大量的残余奥氏体（可达30%左右），使合金碳化物弥散析出，以保证具有高的热硬性）,组织回火马氏体+碳化物+残余A；63～66HRC。
•典型钢种：W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V、W18Cr4V。
11 试比较冷作模具钢和热作模具钢的常用钢号、热解决特点和性能特点。
答：1)冷作模具钢：高碳（合金）钢。
•常用钢号：T8、T10、T12；9Mn2V、9SiCr、GCr15；Cr12MoV、65Nb、W6Mo5Cr4V2。
•性能特点：高硬度高耐磨性、足够整体强度与韧性。用于各种冷冲压、冷成型模具；
•热解决特点：淬火+低温回火，≥58HRC，细小马氏体+粒状碳化物+少量残余奥氏体。
2)热作模具钢：中碳合金钢
•常用钢号如： 5CrNiMo、5CrMnMo； 3Cr2W8V；H11(4Cr5MoSiV)、H13(Cr5MoSiV1)。
•性能特点：耐热性、高温强度，耐热疲劳，高淬透性和导热性。用于锻模、热挤压模、热弯模等；
•热解决特点：淬火、中温回火（高于工作温度），35～50HRC，得到回火屈氏体。
第6章 非金属材料
1 解释下列名词术语：
答：塑料：以树脂（即高分子化合物）为基本原料，加入能改善其性能或减少其成本的添加
剂，在一定的温度和压力下塑制成形，并在常温下能保持其形状不变的材料或制品的总称。
热塑性塑料：具有可溶可熔性的塑料。
热固性塑料：具有不溶不熔性，加热温度很高时直接分解、碳化的塑料。
工程塑料：有良好的力学性能和尺寸稳定性，可以作为工程结构件的塑料。
胶粘剂：通过粘附作用，使同质或异质材料连接在一起，并在胶接面上有一定强度的物质。
橡胶：以生胶为原料，加入适量的配合剂所组成的一种高弹性的高分子化合物。
涂料：涂敷于物体表面，能与基体材料很好粘结并形成完整而坚韧保护膜的物料。
陶瓷：由天然或人工原料经高温烧结而成的致密固体材料。
水泥：细磨成粉末状，加水拌和成塑性浆体后，能胶结砂、石等适当材料并能在空气中硬化的粉状水硬性胶凝材料。
玻璃：一种较为透明的无定形材料。其狭义定义为：一种在凝固时基本不结晶的无机熔融物；其广义定义为具有玻璃化转变现象的非晶态固体。
复合材料：由基体（即连续相）和增强材料（即增强相）通过一定的工艺方法组合而成的多相体系。
2热塑性塑料和热固性塑料的特点是什么？重要各有哪些品种？
答：热塑性塑料的特点是加热温度不超过其分解温度时，可反复加热、冷却；可溶解在一定的溶剂中；成型工艺形式多，生产效率高，可直接注射、挤压、吹塑成型；耐热性和刚性都较差。重要有聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等。
热固性塑料的特点是：固化后不溶于有机溶剂，再次加热时也不熔化；抗蠕变性强，不易变形；耐热性较高；成型工艺复杂，生产效率低。重要有酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料等。
3 试以机械设备中两三种塑料零件为例，分析它们选用塑料的因素。
答：低压聚乙烯质地坚硬、耐热、耐磨、耐蚀性及介电性，可用来制作齿轮、滑轮。
聚酰胺强韧、耐疲劳、耐摩擦、自润滑、电绝缘性好、使用温度范围宽，可用来制作齿轮、轴承、油管、密封圈等零件。
聚丙烯的强度、硬度和刚度高，几乎不吸水，化学稳定性和电绝缘性较好，易成型，且价格低廉，可用来制作阀门。
8 陶瓷材料的性能特点是什么？适宜制作什么零件？
陶瓷材料弹性模量高、硬度高、熔点高、化学稳定性好、电绝缘性好、导热率低，但塑性变形能力差，且难切屑加工，适宜制作电绝缘零件，耐蚀、耐高温零件等。
10 什么是复合材料？复合材料具有哪些结构特点和性能特点？试举一纤维增强复合材料
应用的例子，并简述其增强原理。
复合材料是由基体（即连续相）和增强材料（即增强相）通过一定的工艺方法组合而成的多相体系，其结构涉及基体和增强体，具有比强度和比模量高、抗疲劳性能好、减振性能好、高温性能好以及工艺性能好等性能特点。
如高强度碳纤维增强环氧树脂复合材料，外力作用时，环氧树脂将复合材料所受负荷通过一定的方式传递并分布给高强度碳纤维，使得纤维承担大部分外力，环氧树脂则重要提供塑性和韧性。
第7章 工程设计、制造与材料选择
1 零件失效有哪些类型？试分析零件失效的重要因素。
答：机器零件的失效可以分为过量变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类。每一类失效又可细分为若干具体的失效形式。
失效的重要因素有以下四个方面：
（1）设计
1）应力计算错误——表现为对零件的工作条件或过载情况估计局限性导致的应力计算错误。
2）热解决结构工艺性不合理 ——热解决结构工艺性是指零件结构对热解决工艺性的影响及零件结构对失效的影响。如把零件受力大的部位设计成尖角或厚薄悬殊等，这样导致应力集中、应变集中和复杂应力等，从而容易产生不同形式的失效。
（2）选材与热解决
1）选材错误——材料牌号选择不妥、错料、混料，均会导致零件的热解决缺陷或力学性能得不到保证和使用寿命下降。
2）热解决工艺不妥——材料选择合理，但是热解决工艺或是热解决操作上出现了毛病，即使零件装配前没有报废，也容易初期失效。
3）治金缺陷——夹杂物、偏析、微裂纹、不良组织等超标，均会产生废品和零件失效。
（3）加工缺陷
冷加工和热加工工艺不合理睬引起加工的缺陷，缺陷部位也许成为失效的起源。如切削加工缺陷重要指敏感部位的粗糙度值太高，存在较深的刀痕；由于热解决或磨削工艺不妥导致的磨削回火软化或磨削裂纹；应力集中部位的圆角太小，或圆角过渡不好；零件受力大的关键部位精度偏低，运转不良，甚至引发振动等，均也许导致失效。
（4）装配与使用
装配时零件配合表面调整不好、过松或过紧、对中不好、违规操作、对某些零件在使用过程中未实行或未坚持定期检查、润滑不良以及过载使用等，均也许成为零件失效的因素。
5 选材三原则是什么？零件选材时应注意什么问题？
答：选材三原则是使用性能原则、工艺性原则、经济性原则。
使用性能原则——使用性能是选材的必要条件，是零件乃至机器完毕其功能的基本保证。使用性能可由力学性能、物理性能和化学性能表征。机械零件重要是力学性能。
工艺性原则——是指材料经济地适应各种加工工艺而获得规定使用性能或形状的能力。
经济性原则——选材要讲经济效益，要考虑多项成本。
10 指出下列工艺路线的错误：
（1）高精度精密机床床身，选用灰铸铁：铸→时效→粗加工→半精加工→时效→精加工；
（2）高频表面感应加热淬火零件，使用退火圆料：下料→粗加工→高频淬火、回火→半精加工→精加工；
（3）渗碳零件：锻→调质→精加工→半精加工→渗碳、淬火、回火。
答：对的工艺如下：
⑴高精度精密机床床身，选用灰铸铁：铸→粗加工→时效→半精加工→时效→精加工；
⑵高频感应加热淬火零件：下料→调质或正火→粗加工→半精加工→高频淬火、回火→精加工
⑶渗碳零件：锻→正火→粗加工→半精加工→渗碳、淬火、回火→精加工
11材料库中存有：35CrMo；、GCr15、T12、60Si2Mn。现要制作锉刀、齿轮、汽车板簧，请选用材料，并说明其热解决方法及使用状态下的组织。
答：锉刀——T12，淬火、低温回火，回火马氏体+ 细粒状碳化物；
齿轮——35CrMo,调质+高频淬火+低温回火，回火马氏体；
汽车板簧——60Si2Mn，淬火、中温回火，回火屈氏体。
14如镗杆选用38CrMoAl制造，其工艺路线如下：
下料→锻造→退火→粗加工→调质→半精加工→去应力退火→粗磨→氮化→精磨→研磨，试从力学性能和成分的角度说明选择38CrMoAl的因素及各热解决工序的作用。
答：38CrMoAl为中碳调质钢，为氮化专用钢。
从力学性能角度上，镗杆工作时承受较大冲击载荷，而表面规定具有高硬度、高耐磨性，且尺寸精度高，故选择氮化专用钢；
成分上，38CrMoAl为中碳钢，Cr、Mo提高淬透性，使心部能获得韧性较好的低碳马氏体，还可产生固溶强化；Mo可形成稳定碳化物，阻止奥氏体晶粒长大，其细晶强韧化作用；Mo和Al促进渗氮，Mo还防止高温回火脆性。
热解决工序的作用：
退火：消除锻造应力，改善组织、便于切削加工；
调质：获得心部良好的综合力学性能；为氮化做组织准备；
去应力退火：消除加工应力；
氮化：提高表面硬度和耐磨性。
第8章 常用机器零件选材
1指出下列零件在选材和制定热解决技术条件中的错误，并说明理由及改善意见。
①直径30mm、规定良好综合力学性能的传动轴，材料用40Cr钢，热解决技术条件：调质40～45HRC；
答：调质40～45HRC，为错误！应为调质220～250HBS
②转速低、表面耐磨及心部强度规定不高的齿轮，材料用45钢，热解决技术条件：渗碳+淬火，58～62HRC；
答：此齿轮规定不高，可以选用中碳钢45，但不能采用渗碳，而用高频表面感应加热淬火，50～55HRC。
③弹簧（直径Φ15mm），材料用45钢，热解决技术条件：淬火+回火，55～60HRC；
答：弹簧（直径Φ15mm）不能用45钢，可以选用65Mn或60Si2Mn，淬火+中温回火，42-45HRC。
④机床床身，材料用QT400-15。采用退火热解决。
答：机床床身可以选用灰口铸铁HT200，采用时效解决（消除应力、稳定化）。
⑤拉杆（直径f70mm）规定截面上的性能均匀，心部σb＞900MPa，材料使用40Cr钢，热解决技术条件：调质200～300HBS。
答：此拉杆（直径f70mm）规定截面上的性能均匀，心部σb＞900MPa，40Cr钢的淬透性不能保证，可采用40CrMnMo、40CrNiMo等高淬透性的调质钢。另，应规定调质250～280HBS 。
2 根据下列零件的性能规定及技术条件，试选择热解决工艺方法。
①45钢制机床主轴，其轴颈部分和轴承接触，规定耐磨，52～56HRC，硬化层深1mm。
答：45钢制机床主轴采用整体调质以及其轴颈部分高频表面感应加热淬火、低温回火。
②20CrMnTi制汽车传动齿轮，规定表面高硬度高耐磨性，58～63HRC，硬化层深0.8mm。
答：20CrMnTi制汽车传动齿轮采用表面渗碳、淬火和低温回火解决。
③65Mn制作直径为5mm的某弹簧，规定高弹性，38～40HRC，回火屈氏体组织。
答：65Mn制作直径为5mm的弹簧采用淬火和中温回火解决
④HT250制作减速器壳，规定具有良好的刚度、强度、尺寸稳定性。
答：HT250制作减速器壳采用时效解决（消除应力、稳定化）。
3汽车、拖拉机变速箱齿轮多用渗碳钢制造，而机床变速箱齿轮又多采用调质钢制造，因素何在？
答：汽车、拖拉机变速箱齿轮要承受冲击负荷、较严重的摩擦磨损以及较大的弯曲负荷等，即规定表硬内韧，故而多用（合金）渗碳钢制造；而机床变速箱齿轮是室内工作条件，工作平稳、负荷较小，故采用调质钢制造即可。
4制造直径为Ф60mm的轴，规定心部硬度为30～40HRC、轴颈表面硬度为50～55HRC。现库存45、20CrMnTi、40CrNi、40Cr四种钢，问选用哪种钢为宜？其工艺路线如何安排？说明热解决的重要目的及工艺方法。
答：选用40CrNi，工艺路线如下：
下料→锻造→退火→粗加工→调质→半精加工→表面淬火及低温回火→磨削加工。
退火是为了改善锻造组织，得到合适的硬度，便于切削加工；
调质是为了使主轴得到高的综合力学性能和疲劳强度，还为最终的（高频）表面淬火做准备。为了更好地发挥调质的效果，安排在粗加工后进行。
对轴颈和锥孔进行表面淬火、低温回火，旨在提高硬度，增长耐磨性。
7指出下列工件应采用所给材料中的哪一种？并选定热解决方法。
工件：汽车齿轮、镗床镗杆、车辆缓冲弹簧、发动机连杆螺栓、机床床身、发动机排气阀门弹簧、自来水管弯头、自行车车架、电风扇机壳。
材料：40Cr、45、38CrMoAl、50CrVA、16Mn、HT200、60Si2Mn、ZL102、20CrMnTi、KTH300-06。
答：汽车齿轮——20CrMnTi，采用表面渗碳、淬火和低温回火解决；
镗床镗杆——38CrMoAl，采用表面气体氮化解决；
车辆缓冲弹簧——60Si2Mn，采用淬火和中温回火解决；
发动机连杆螺栓——40Cr，采用调质解决；
机床床身——HT200，采用时效解决；
发动机排气阀门弹簧——50CrVA，采用淬火和中温回火解决；
自来水管弯头——KTH300-06，采用退火解决；
自行车车架——16Mn，不解决（原轧制供货状态）；
电风扇机壳——ZL102，退火解决。
第9章 常用机械用材情况与机械工业节材
1 机床、汽车、工程机械的用材相同吗？各自的用材有什么特点？为什么？
答：很不同，因其工况各不相同，具体如下。
机床用材特点——
•工作条件：工作环境好、受力较小且平稳；但精度规定高和保持精度的寿命规定较高。
•选材规定：保证刚度，保证摩擦副零件的耐磨性，承