《工程材料及成形工艺基础》复习思考题答案-第五章.docx

第五章 机械工程材料
复习思考题
1．钢中的残存元素有哪些？对钢的性能有哪些影响？
答：钢中的残存元素主要有硅、锰、硫、磷、氢、氮、氧等元素。
锰能溶于铁素体，使铁素体强化，也能溶于渗碳体，提高其硬度。锰还能增加并细化珠光体，从而提高钢的强度和硬度。锰可与硫形成MnS，因MnS的熔点高，密度小而浮出金属液，从而消除硫的有害作用，因此锰在钢中是有益的元素。但锰在非合金钢中的含量在0.25%～0.8%范围内时，对钢的力学性能影响不大。
硅能溶于铁素体使之强化，从而使钢的强度、硬度、弹性都得到提高。因此硅在钢中也是有益的元素。硅在非合金钢中的含量一般不大于0.37%，对钢力学性能影响也不大。
硫在钢中会使钢产生“热脆”现象。这是因为Fe在液态时能溶解大量的S，但在固态是几乎不溶。因此，残S量较高的钢液在凝固时S几乎全部以FeS（熔点1 190℃）形式析出，同时，这些FeS又可与Fe形成低熔点的共晶体（FeS +Fe）（熔点985℃），分布于A晶界上。将这样的钢加热到1 000℃～1 200℃进行塑性成形加工时，会由于（FeS＋Fe）共晶体和FeS熔化导致钢沿晶界开裂，产生“热脆”。
磷在钢中会使钢产生“冷脆”现象。这是因为Fe在固态、液态时都能溶解P，固态时P全部溶入铁素体中，虽然可以提高钢的强度，但是，却使其塑性和韧性显著下降，在低温时表现尤为突出。这种在低温时由磷导致钢严重变脆的现象称为钢的“冷脆”。
氢在钢中会使钢产生“氢脆”现象。因为钢中来不及逸出的氢以分子状态存在于钢组织中，在局部可造成数千个大气压的巨大压力。当这个压力超过钢的极限时，就会使钢在该处产生发裂。发裂在钢的横断面表现为细长的发丝状裂纹，在钢的纵断面上呈圆形或椭圆形银白色斑点，故称为白点。白点会使钢变脆，产生“氢脆”。
氮在钢中会过饱和地溶解于钢中，放置一段较长的时间后，将以氮化物形式析出。它们将使钢变脆。
在钢中残留的氧是以MnO、SiO2、Al2O3等非金属夹杂物的形式存在，它们会使钢的塑性，冲击韧性和疲劳强度下降。
2．合金钢中经常加入的合金元素主要有哪些？对钢的性能有哪些影响？
答：合金钢中经常加入的合金元素有：锰、硅、铬、镍、钼、钨、钛、硼、铝等。
合金元素的加入会对合金起到固溶强化，稳定组织、细化晶粒的作用，在一定程度上提高钢的强度和硬度，并且使钢保持较好的塑性和韧性。还可以提高钢的氧化性和耐腐蚀能力。另外除Co和大于2.5%的铝以外，合金元素的加入会提高钢的淬透性。
3．指出下列哪些元素是强碳化物形成元素，哪些是弱碳化物形成元素?哪些是非碳化物形成元素?它们对奥氏体的形成及晶粒长大起何作用？
（1）Ni； （2）Si； （3）Al； （4）Co； （5）Mn；
（6）Cr； （7）Mo； （8）W； （9）V； （10）Ti
答：Ti，V，W，Mo，Cr，Mn为碳化物形成元素，它们与碳的亲合力依次由强渐弱。Si，Ni，Al，Co为非碳化物形成元素；
铬、钒、钛、钼、钨等碳化物形成元素，它们使钢的临界点升高，降低Fe和C的扩散系数，自身扩散速度也较Fe和C低，且形成的碳化物加热时不易溶解。因此，这类合金钢与非合金钢相比，奥氏体化温度一般较高，时间较长，减缓奥氏体化过程，而Co，Ni等部分非碳化物形成元素，因增大碳的扩散速度，使奥氏体的形成速度加快。另外，Al，Si，Mn等对奥氏体形成速度影响不大。
碳化物形成元素Mo、W，Ti，V等，因其形成的碳化物稳定性高，加热时不易溶解进入奥氏体，通常以细小的质点弥散分布在奥氏体基体上，会阻止奥氏体晶界迁移，抑制奥氏体晶粒长大，因而可通过合金化降低钢的过热敏感性。非碳化物形成元素Si，Co，Ni等阻止奥氏体晶粒长大的作用较弱。Mn，P，B具有促进奥氏体晶粒长大的倾向。
4．第3题中各合金元素对钢的C曲线和Ms点有何影响。
答：除Co外，大多数合金元素都增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，临界冷却速度减小，提高钢的淬透性。但必须指出，合金元素只有溶于奥氏体中才能使C曲线右移，如果奥氏体中存在未溶化合物（稳定的碳化物、氮化物、氧化物等），那么反而会成为奥氏体分解时产生新相形核的准备质点，使分解速度加快，降低淬透性。
除Co，Al外，大多数合金元素都使Ms，Mf点下降，并增加残余奥氏体量。
5．指出下列各材料的类别、牌号意义、主要性能和用途。
（1）Q235A； （2）08； （3）45；
（4）T8； （5）Q345； （6）20Cr；
（7）40Cr； （8）20CrMnTi； （9）12Cr13；
（10）60Si2CrA； （11）W18Cr4V； （12）ZGMn13；
（13）HT100； （14）QT600-3； （15）KTH370-12
答：列表如下：
牌号
类别
牌号意义
主要性能
用途
Q235A
碳素结构钢
屈服强度不小于235 MPa的A级质量的碳素结构钢
含碳量低、塑性好、焊接性能好。
用作螺栓、螺母、拉杆、销子、吊钩和不太重要的机械零件以及建筑结构中的螺纹钢、工字钢、槽钢，钢筋等；
08
优质碳素结构钢
含碳量为0.08%的优质碳素结构钢
含碳量低，塑性、焊接性好，S，P含量低，非金属夹杂物也较少。
常用于冲压件、焊接件、强度要求不高的零件，例如机罩、焊接容器、垫圈等
45
优质碳素结构钢
含碳量为0.45%的优质碳素结构钢
含碳量适中，调质后具有良好的综合力学性能。
主要用于受力较大的机械零件，如曲轴、连杆、齿轮、机床主轴等
T8
碳素工具钢
含碳量为0.8%的碳素工具钢
含碳量高，具有较高的硬度和耐磨性。
冲头木工工具、剪切金属用剪刀等
Q345
低合金高强度结构钢
屈服强度不小于345 MPa的低合金高强度结构钢
高强度、高韧性和良好的焊接性能和冷成形性能。
船舶，锅炉，压力容器，石油储罐，桥梁，电站设备，起重运输机械及其他较高载荷的焊接结构件
20Cr
合金渗碳钢
含碳量0.20%，含Cr量小于1.5%的合金渗碳钢
经渗碳后直接淬火或渗碳后二次淬火＋低温回火。可得到表层硬度高；而心部韧性好的力学性能。
截面在30 mm2以下载荷不大的零件，如机床及小汽车齿轮、活塞销等
20CrMnTi
合金渗碳钢
含碳量0.20%，Cr、Mn、Ti含量均小于1.5%的合金渗碳钢
汽车、拖拉机截面在30 mm2以下，承受高速、中或重载荷以及冲击、摩擦的重要渗碳件，如齿轮、轴、齿轮轴、爪形离合器、蜗杆等
40Cr
合金调质钢
含碳量0.40%，含Cr量小于1.5%的合金调质钢
调质处理后可获得强度、高韧性相结合的良好综合力学性能。
汽车后半轴、机床齿轮、轴、花键轴、顶尖套
12Crl3
不锈钢
含碳量0.12%，Cr含量13%的马氏体型不锈钢
具有良好的力学性能和加工工艺性能，且具有良好的耐腐蚀性能。
制作抗弱腐蚀性介质、能承受冲击载荷的零件，如汽轮机叶片、水压机阀、结构架、螺栓、螺帽等。
60Si2CrA
合金弹簧钢
含碳量0.6%，含Si量2%，含Cr量小于1.5%的优质合金弹簧钢
适当热处理后得到弹性极限和屈服强度高的性能。具有足够的疲劳强度和韧性，能承受交变载荷和冲击载荷的作用。
用作承受高应力及300～350℃以下的弹簧，如汽轮机气封弹簧、破碎机用弹簧等
W18Cr4V
高速工具钢
W含量14%，Cr含量4%，V含量小于1.5%的高速工具钢。
具有良好的热硬性。
制造一般高速切削用车刀、刨刀、钻头、铣刀等。
ZGMnl3
耐磨钢
Mn含量为13%的高锰耐磨钢
水韧处理后具有较高的耐磨性和耐冲击性能。
球磨机的衬板、挖掘机的铲斗、各种碎石机的鄂板、铁道上的道岔、拖拉机和坦克的履带板等
HT100
灰铸铁
抗拉强度100 MPa的普通灰铸铁
抗拉强度低，具有良好的减震性和耐磨性。
负荷小、对摩擦、磨损无特殊要求的零件，例如：盖、外罩、油盘、手轮、支架、底板、重锤等
QT600-3
球墨铸铁
抗拉强度600 MPa，断后伸长率3%的球墨铸铁
具有较高的强度和良好的铸造性能。
载荷大、受力复杂的零件，如汽车、拖拉机曲轴、连杆、凸轮轴，部分磨床、铣床、车床的主轴、机床涡杆、涡轮、轧钢机轧辊，大齿轮，气缸体，桥式起重机大小滚轮等
KTH370-12
可锻铸铁
抗拉强度370 MPa，断后伸长率12%的黑心可锻铸铁
具有一定冲击韧性和耐腐蚀性
汽车、拖拉机上的前后轮壳、差速机壳、转向节壳、制动器等
6．为什么汽车变速齿轮常采用20CrMnTi钢制造，而机床上同样是变速齿轮却采用45钢或40Cr钢制造？
答：20CrMnTi是渗碳钢，45钢和40Cr钢属于调质钢，都经适当热处理后，渗碳钢与调质钢相比，其强硬度和耐磨性高，当然成本也高。
因为汽车在运行过程中对变速齿轮的性能要求比机床高，要求齿轮具备高的耐磨性、疲 劳强度和冲击韧性，而20CrMnTi在制造齿轮时一般采取渗碳淬火和低温回火，可使齿轮齿面具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳性能，心部保持良好的强韧性。机床齿轮传递动力不大，转速中等，工作平稳，无强烈冲击。45或40Cr调质处理后有较高的综合力学性能，具有一定的耐磨性，能承受较大的冲击载荷，可满足使用要求。
7．灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁在组织上的根本区别是什么？
答：根本区别在于：灰铸铁中的石墨称层片状，球墨铸铁中的石墨成球状，蠕墨铸铁中的石墨成蠕虫状，可锻铸铁中的石墨成团絮状。
8．为什么一般机器的支架、机床床身常用灰铸铁制造？
答：因为灰铸铁具备以下性能：良好的减振性，可有效降低加工过程中的冲击对加工质量的影响。良好的耐磨性，可提高导轨等使用寿命。价格便宜，提高经济效益。
9．铝合金分为几类？各类铝合金各自有何强化方法？
答：铝合金依据其成分和工艺性能，可划分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。
变形铝合金分为防锈铝合金（LF）、硬铝合金（LY）、超硬铝合金（LC）和锻铝合金（LD）四类。
变形铝合金还可进一步划分成可热处理强化变形铝合金和不可热处理强化变形铝合金。
铸造铝合金按成分不同可分为Al-Si，Al—Cu，Al—Mg，Al-Zn系四类。
铸造铝合金和变形铝合金的界线并非是截然分开的，如铝硅铸造合金可轧制成薄板，变形铝合金亦可浇注成铸件。
10．黄铜属于什么合金？普通黄铜与特殊黄铜有什么不同？
答：黄铜是铜与锌的合金。黄铜分为普通黄铜和特殊黄铜。普通黄铜是Cu-Zn二元合金。特殊黄铜是在Cu-Zn二元合金的基础上再加入Al，Sn，Pb，Si，Mn，Ni等一些其他元素的多元铜合金。
（1）普通黄铜。普通黄铜的代号以“黄”字的汉语拼音字头“H”加上数字表示，数字代表铜的质量分数；例如H62，表示铜的含量为62％，其余为含锌量。
普通黄铜力学性能与锌的含量有关。当时，其性能和纯铜相似，具有很高的塑性和良好的抗腐蚀性；当时，在低温下很脆，但在高温下具有良好的塑性；当时，强度和硬度很低，工业上无应用价值。
普通黄铜可以用来制造散热器、管材、板材，还可以用来制造汽车、拖拉机上的零件。例如H68，H70，塑性好，适于冲压成形状复杂的工件，是制造弹壳的最好材料。H62，H59，适宜热变形成形，通常是以棒材供应。
（2）特殊黄铜。特殊黄铜的牌号以“H”＋主元素符号＋铜的质量分数＋主元素的质量分数来表示。如HMn58-2，表示含，，其余为Zn的特殊黄铜。此外，对于铸造生产的黄铜，其代号前需加“铸”字的汉语拼音字头“Z”。
特殊黄铜按加入的元素不同，分为铅黄铜、铝黄铜、硅黄铜、锰黄铜等；按其生产方法不同可分为塑性成形黄铜和铸造黄铜两种。塑性成形黄铜加入的合金元素较少，塑性好，有足够的变形能力。可用来制造齿轮、蜗轮、汽车、拖拉机及船舶上的许多零件，铸造黄铜中则加入了较多的合金元素，使其具有较高的强度和较好的铸造性能。
11．什么叫热固性塑料？什么叫热塑性塑料？
答：热塑性塑料为线型结构分子链，加热时会软化、熔融，冷却时会凝固，变硬。此过程可以反复进行。典型的品种有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚团胺（尼龙）、有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）等。这类塑料强度较高，成型工艺性能良好，可反复成型、再生使用。但耐热性与刚性较差。
热固性塑料为密网型结构分子链，其形成是固化反应的结果。具有线型结构的合成树脂，初加热时软化、熔融，进一步加热、加压或加入固化剂，通过共价交联而固化。固化后再加热，则不再软化、熔融。品种有酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂等构成的塑料。这类塑料具有较高的耐热性与刚性；但脆性大，不能反复成型与再生使用。
12．何谓复合材料？它有哪些性能特点？
答：复合材料是由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经人工合成的多相固体材料。
其性能特点是：比模量高、比强度大，具有良好的抗疲劳性能，良好的破断安全性，优良的高温性能和良好的减振性。