机械工程材料与热处理

工程材料与热处理课程期末考查授课学期2011 学年至2012 学年第二学期学院职业技术师范学院专业机械设计制造及其自动化学号201013201276姓名屈定兵任课教师李祖裕讲师交稿日期2012年7月3日成绩阅读教师签名日期2011-2012学年第二学期工程材料与热处理课程期末考查题目课程代码：ZX323394 任课教师：李祖裕一、基础知识（40分）1. 机械工程材料的应用，主要根据材料的力学性能进行选材，以符合工程应用的条件。

请叙述材料力学性能中：（1）强度指标：弹性极限、屈服强度、抗拉强度的定义和原理，并配必要的图表和计算公式进行说明；（2）塑性指标：延伸率和断面收缩率的定义，并配备必要的公式进行说明；（3）硬度指标：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度的测试方法，以及三者之间的近似换算方法（公式），并简述各种硬度测试的应用范围。

2. 简述常见三种金属晶格的类型，并通过绘制晶胞简图，对比三种晶格类型的差异。

3. 完成下列合金材料的内容：（1）简述相，元，合金系，组织，固溶体，金属化合物的概念；（2）举例说明二元合金、三元合金的组成，简述固溶体和金属化合物的异同。

4. 下图为工业用Cu-Ni 合金相图。

其中A 点为纯铜熔点，B 点为纯镍的熔点。

请完成以下内容：（1）简述什么是均晶相图；（2）在两图中标示出液相区（L ）、固相区（α）和固液两相区（L+α）；（3）指出图（a ）中的液相线和固相线。

Ni /%A 温度/℃(a) Cu-Ni合金相图(b) Cu-Ni合金冷却时的结晶5.绘制Pb-Sn 的合金相图，并简要介绍相图的含义。

6.描述纯铁在结晶后继续冷却至室温的过程中，所发生的晶格转变过程，简述纯铁同素异构转变现象的意义。

7.简述纯铁、钢和铸铁的区别。

8.针对铁碳二元合金，完成以下内容：（1）详细介绍铁碳合金中的相结构；（2）绘制铁碳二元合金相图（可绘制简化图）；（3）找出并介绍相图中各主要特性线的含义，如液相线，固相线，包晶转变线，共晶转变线，共析转变线等。

（4）根据含碳量和组织的不同，铁碳合金有哪三类，分别是什么，并介绍各类的特征或力学性能。

9.完成钢的热处理相关内容：（1）所有钢的热处理中，都是由三个阶段组成，是哪三个阶段；（2）绘制钢在加热和冷却时的组织转变示意图，用相应符号描绘在加热时的相变点和在冷却时的相变点：（3）简述什么是奥氏体化，为何要进行奥氏体化，影响奥氏体转变的因素有哪些，影响奥氏体晶粒长大的因素有哪些？（4）简述什么是过冷奥氏体及过冷奥氏体等温转变的组织形态及性能；（5）简述马氏体的概念，并简述马氏体的性能和特征。

（6）简述钢的退火，正火，淬火，回火的定义和各自的目的、种类或方法，并说明退火和正火的区别和适用状况。

（7）分别介绍钢的表面热处理的种类、原理和应用，简述发蓝或发黑处理原理；（8）钢的表面化学处理中，渗碳、渗氮、碳氮共渗的原理和方法；二、材料的应用（40分）1.分别简述钢中杂质硅、锰、磷、硫及其它杂质的影响；2.什么是低碳钢、中碳钢、高碳钢？各自应用范围有哪些？碳钢根据用途分类有哪些？3.举例说明普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、铸钢的牌号和性能及其应用；4.碳钢与合金钢的区别在哪里，各自有哪些优缺点；5.合金元素对钢的性能影响有哪些，分别是哪些合金元素；6.简述合金钢按合金元素含量和按用途分类；7.分别简单介绍以下合金钢的成分和牌号定义，举例说明热处理工艺和应用：（1）低合金高强度结构钢：（2）合金渗碳钢；（3）合金调质钢；（4）合金弹簧钢；（5）滚动轴承钢；8.简述下列工具用钢的成分和牌号，举例说明热处理工艺和应用：（1）工具用碳钢；（2）量具用钢；（3）模具用钢；（4）高速工具钢；9.分类介绍几种常用不锈钢、耐热钢、耐磨钢的牌号及应用范围和特点；10.完成以下有关铸铁的内容：（1）铸铁的分类；（2）介绍铸铁的石墨化过程和意义；（3）灰铸铁的化学成分、组织、性能和热处理；（4）球墨铸铁的化学成分、牌号、组织、性能和热处理；（5）可锻铸铁的化学成分、牌号、性能和热处理；11.简述铝合金、铜合金、钛合金、镁合金的分类、、牌号、应用范围。

三、选材和编制热处理工艺路线（20分）现有下列零件及可供选择的材料，（1）给各零件选择合适的材料，（2）编制简明工艺路线，（3）说明热处理工艺的主要作用。

零件名称：自行车架，连杆螺栓，车厢板簧，滑动轴承，变速齿轮，机床床身，柴油机曲轴。

可选材料：60Si2Mn,ZQSn6-6-3,QT600-2,T12A,40Cr,HT200,16Mn,20CrMnTi.2011-2012学年第二学期工程材料与热处理课程期末考查题目解答一、基础知识（40分）1. 机械工程材料的应用，主要根据材料的力学性能进行选材，以符合工程应用的条件。

请叙述材料力学性能中：答：（1）强度指标：弹性极限、屈服强度、抗拉强度的定义和原理，并配必要的图表和计算公式进行说明；（2）塑性指标：延伸率和断面收缩率的定义，并配备必要的公式进行说明；（3）硬度指标：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度的测试方法，以及三者之间的近似换算方法（公式），并简述各种硬度测试的应用范围。

解：（1）强度指标：强度时指金属在静载荷作用下抵抗塑形变形和断裂的能力。

金属材料的强度指标是用内应力来表示的，即材料受载荷作用后内部产生一个与载荷相平衡的内力，单位面积上内力称为应力，一般用σ表示。

常用的强度指标有弹性极限、屈服点、抗力强度。

①弹性极限：弹性极限是指式样产生完全弹性变形时所承受的最大应力，用σe表示，工程上常用单位为MPa。

弹性极限的值可按下式计算。

σe =Fe/Ao式中，Fe—式样产生完全弹性变形时的最大载荷，N；Ao—式样原始横截面面积，mm2②屈服极限：屈服极限是指式样在拉伸试验过程中，力不断增加(保持恒定)仍然能继续伸长（变形）时的应力。

屈服极限是工程上极为重要的力学性能指标之一。

也是大多数机械零件选材和设计的依据。

屈服极限用符号σs表示，单位为MPa。

屈服点σ s的值可用下式计算式中，Fs —试样屈服时的载荷。

N;A0—试样原始横截面积， mm2 。

③抗拉强度。

抗拉强度是指试样拉断前所能承受的最大拉应力，用符号σb表示，单位为MPa. 可用下式计算式中， Fb—试样承受的最大拉伸力，N;A0—试样原始横截面面积， mm2 。

(2) 塑性指标：塑性是指金属在静载荷作用下发生不可逆变形的能力。

金属材料的塑性指标也是可以通过拉伸试验测得的。

材料的塑性指标可以用试样拉断时的最大相对变形量来表示，常用的有断后伸长率和断面收缩率，它们是工程上广泛使用的表征材料塑性好坏的主要力学性能指标。

(1)断后伸长率。

断后伸长率是试样拉断后的标距增长量与原始标距之比，用符号δ表示，可用下式计算（1-4）式中，L1—拉断后试样的标距长度，mm ;L0—试样原始标距，mm.式中，A0—试样原始横截面面积，mm;A1—试样断口处的横截面面积，mm.(2)断面收缩率。

断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面面积的缩减量与原始横截面面积之比，用符号表示，可用下式计算（1-5）式中，A0—试样原始横截面面积，mm;A1—试样断口处的横截面面积，mm.（3）硬度指标：材料局部抵抗硬物压入其表面(抵抗塑性变形和破裂)的能力称为硬度。

它是衡量金属软硬程度的一种性能指标。

材料的硬度可通过硬度试验测得，根据其测试方法的不同，硬度试验可分为静压法(如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等)、划痕法(如莫氏硬度)、回跳法(如肖氏硬度)及显微硬度、高温硬度等多种方法。

对于金属材料的测量目前生产中应用较多的是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。

①布氏硬度:布氏硬度的试验原理是用一定直径D的淬火钢球或硬质合金球，在规定的试验载荷F的作用下压入被测金属表面(如图1-4所示)，停留一定的时间后卸除载荷，在被测金属表面上得到一直径为d的压痕，测量压痕直径d，并由此计算压痕的球缺面积S，然后再求出压痕的单位面积上所承受的平均压力，以此作为被测金属的布氏硬度值。

当选择淬火钢球为压头时，硬度的符号为HBS，适用于布氏硬度值低于450的金属材料;当选择硬质合金球为压头时，硬度的符号为HBW表示，适用于布氏硬度值为450 -650的金属材料。

图1-5为HB- 3000布氏硬度试验机。

布氏硬度值可用下式计算(1-6)式中，F—载荷，N ( kgf) ;D—压头的直径，mm ;d—被测金属的压痕直径，mm.由于金属有硬有软，工件有厚有薄，在进行布氏硬度试验时，压头直径D、载荷和载荷的保持时间应根据被测金属种类和厚度正确地进行选择。

可根据金属材料的种类和布氏硬度范围，按表1-1选定F/D2的值;黑色金属的载荷保持时间为10-15 s，有色金属的为30 s，布氏硬度值小于35时载荷保持时间为60 s .布氏硬度的标注方法是所测得的硬度值写在硬度符号的前面。

除了采用钢球直径D 为10 mm ,试验力为3 000 kgf(注:1 kgf = 9. 806 N，保持时间为10s的试验条件外，在其他试验条件下测得的硬度值，均应在硬度符号的后面用相应的数字注明压头直径、载荷大小和载荷保持时间。

②洛氏硬度:洛氏硬度试验法是用一个锥角为120o。

的金刚石圆锥体或直径为1. 588 mm的淬火钢球，在规定载荷作用下压入被测金属表面，由压头在金属表面所形成的压痕的深度来确定其硬度值。

③布氏硬度试验不能测定硬度较高的金属材料;洛氏硬度试验虽可用来测定由极软到极硬金属材料的硬度，但不同标尺的硬度间没有简单的换算关系，使用上很不方便。

为了能在同一种硬度标尺上，测定从极软到极硬金属材料的硬度值，因而特制定了维氏硬度试验法。

维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相似，如图1 -8所示为维氏硬度试验原理图，它是用一个相对面夹角为136o。

的金刚石正四棱锥体作压头，以规定的载荷F作用下压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，则被测金属表面上压出一个正四棱锥形的压痕，测量压痕投影的两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面面积A。

最后求出压痕单位表面面积上承受的平均压力，以此作为被测金属的硬度值，称为维氏硬度，用符号HV表示。

即式中，F—载荷，kgf;d—压痕两条对角线长度算术平均值，mm.维氏硬度适用范围宽，从极软到极硬的材料都可以测量。

尤其适用于零件表面层硬度的测量，如化学热处理的渗层硬度测量，其结果精确可靠。

但测取维氏硬度值时需要测量对角线长度，然后查表或计算，而且对试样表面的质量要求高，所以，测量效率较低，没有洛氏硬度方便，不适用于成批生产的常规试验。

布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三者之间的近似换算方法:查找法。

2. 简述常见三种金属晶格的类型，并通过绘制晶胞简图，对比三种晶格类型的差异。