金属工艺学第五版上册课后答案

金属工艺学第五版上册课
后答案
Newly compiled on November 23, 2020
1、说明σS 、σ、σb、σ－1 、δ％、αk、45-50HRC、300HBS的名称含义
答案：见教材。

45-50HRC表示洛氏硬度为45-50；300HBS表示布氏硬度为300.
2、解释应力与应变的概念
答：应力：物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。

在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。

应变：物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同。

用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。

为此可在该点处到一单元体，比较变形前后单元体大小和形状的变化。

1、说明晶粒粗细对力学性能的影响。

一般情况下，晶粒越细小，金属材料的强度和硬度越高，塑性和韧性越好。

因为晶粒越小，晶界越多。

晶界处的晶体排列是非常不规则的，晶面犬牙交错，互相咬合，因而加强了金属间的结合力。

工业中常用细化晶粒的方法来提高金属材料的机械性能，称为细晶强化。

晶粒的大小与过冷度和变质处理密切相关：
过冷度：过冷度越大，产生的晶核越多，导致晶粒越细小。

通常采用改变浇注温度和冷却条件的办法来细化晶粒。

变质处理：也叫孕育处理。

金属液中晶核多，则晶粒细小。

通常采用浇注前添加变质剂的办法来促进晶核产生，以拟制晶粒长大。

2、你如何理解相与组织，指出Fe -C状态图中的相与组织。

相与组织
相是指材料中结构相同、化学成分及性能同一的组成部分，相与相之间有界面分开。

“相”是合金中具有同一原子聚集状态，既可能是一单相固溶体也可能是一化合物；组织一般系指用肉眼或在显微镜下所观察到的材料内部所具有的某种形态特征或形貌图像，实质上它是一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体的总称。

因此，相与组织的区别就是结构与组织的区别，结构描述的是原子尺度，而组织则指的是显微尺度。

合金的组织是由相组成的，可由单相固溶体或化合物组成，也可由一个固溶体和一个化合物或两个固溶体和两个化合物等组成。

正是由于这些相的形态、尺寸、相对数量和分布的不同，才形成各式各样的组织，即组织可
由单相组成，也可由多相组成。

相组成物与组织组成物是人们把在合金相图分析中出现的“相”称为相组成物，出现的“显微组织”称为组织组成物。

组织是材料性能的决定性因素。

在相同条件下，不同的组织对应着不同的性能。

Fe -C状态图中的相与组织
1). 铁碳合金基本相
铁素体奥氏体渗碳体
2). 铁碳合金基本组织
三种单相组织；三种双相组织
铁碳合金基本组织
组织定义符号C溶解度 /% 结构性能特点
单
项铁素体 F 0～体心立方软、韧
奥氏体 A 0～面心立方塑性好
渗碳体Fe3C = 斜方硬、脆
双
项珠光体P = 体心立方+斜方综合性能好高温莱氏体Ld = 面心立方+斜方硬、脆
低温莱氏体L′d = 体心立方+斜方硬、脆
3、说明F、A、 Fe 3C、P的名称、含碳量、晶体类型及力学性能特征。

F：铁素体，含碳量%—% 体心立方晶格力学性能特征见教材p16倒一段。

A：奥氏体，含碳量，<% ，727℃时含碳量为%，面心立方晶格力学性能特征见教材p17第六行。

Fe 3C：渗碳体，含碳量为%，金属化合物，复杂的正交晶格，力学性能特征：硬度很高HBW＝800，塑性、韧性几乎为零，脆性很大，延伸率接近于零。

P：珠光体，含碳量为％，铁素体和渗碳体组成的机械混合物。

其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物。

力学性能特征介于铁素体和渗碳体之间,强韧性较好.其抗拉强度为750 ~900MPa,180 ~280HBS,伸长率为20 ~25%,冲击功为24 ~32J.力学性能介于铁素体与渗碳体之间,强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好σb=770MPa,180HBS,δ=20%~35%,AKU=24~32J
.
4、依Fe -C状态图分析缓慢冷却条件下45钢和T10钢的结晶过程与室温组织，并划出各自的冷却曲线。

答案：45钢为亚共析钢，其结晶过程与室温组织，冷却曲线参考课件中亚共析钢部分
T10钢为过共析钢，其结晶过程与室温组织，冷却曲线参考课件中亚共析钢部分
1、何谓退火和正火两者的特点和用途有什么不同
退火是将钢件加热到Ac1或Ac3以上（30~50℃），保温一段时间，然后再缓慢的冷却（一般用炉冷）。

正火是将钢件加热到Ac3或Acm以上（30~50℃），保温一段时间，然后在空气中冷却，冷却速度比退火稍快。

退火与正火的主要区别是：
正火是完全退火的一种变态或特例，二者仅是冷却速度不同，通常退火是随炉冷而正火是在空气中冷却，正火既适用于亚共析钢也适用于过共板钢，对于共析钢，正火一般用于消除网状碳化物；对于亚共析钢，正火的目的与退火基本相同，主要是细化晶粒，消除组织中的缺陷，但正火组织中珠光体片较退火者细，且亚共析钢中珠光数量多铁素体数量少，因此，经正火后钢的硬度、强度均较退火的高，由此可知，在生产实践中，钢中有网状渗碳体的材料需先经正火消除后方可使用其他工艺，而对热处理后有性能要求的材料，则据要求的不同及钢种不同选择退火工艺，如：要求热处理后有一定的强度、硬度，可选择正火工艺；要求有一定的塑性，尽量降低强度、硬度的则应选择退火工艺。

生产上常用的退火操作种类
（1）完全退火（俗称退火）主要用于亚共桥钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材，有的也用做焊接结构件，其目的是细化晶粒，改善组织，消除残余应力，降低硬度、提高塑性，改善切削加工性能，完全退火是一种时间很长的退火工艺，为了缩短其退火时间，目前常采用等温火的工艺来取代完全退火工艺，同完全退火比较，等温火的目的与完全退火相同，但它大大缩短了退火时间。

（2）球化退火主要用于过共析钢及合金工具钢（如刀具、量具、模具以及轴承等所有钢种）。

其目的主要是降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作好准备。

（3）去应力退火（又称低温退火）主要用来消除铸件、锻件及焊接件、热轧件等内应力。

（4）再结晶退火用来消除冷加工（冷拉、冷冲、冷轧等）产生的加工硬化。

目的是消除内应力，提高塑性，改善组织。

（5）扩散退火主要用于合金钢，特别是合金钢的铸件和钢锭。

目的是利用高温下原子具有较大的扩散能力来减轻或消除钢中化学成分不均匀的现象。

2、钢淬火后所获得的马氏体组织与铁素体有何相同和不同之处钢中的马氏体组织表现出什么特性
在钢中马氏体和铁素体具有相同的结构，都是碳在a铁中的固溶体，但马氏体是碳在a铁中的过饱和固溶体，铁素体是碳在a铁中的间隙固溶体。

马氏体中过饱和溶解有碳元素，所以它可以很硬，实际上低碳马氏体的硬度并不高。

马氏体中还有大量位错和其它亚结构，也是使它硬度增大的因素，马氏体的三维组织形态通常有片状或者板条状，但是在金相观察中（二维）通常表现为针状。

高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一。

3、钢在淬火后为什么要回火三种类型回火的加热温度规范、目的和应用有什么不同
淬火后的马氏体加残余奥氏体组织，是一种不稳定的组织，如果碰到适宜的条件，会随时发生转变，引起零件形状和尺寸的变化，这对机械零件配合的要求(一般情况下，淬火部位大多数是配合面)来说是不允许的。

因为不管什么零件，一旦成形后，我们总希望它尺寸稳定。

零件淬火后有较大的热应力和组织应力存在，如果不及时消除这些应力，就会进一步扩展；而这种应力又往往分布在尖角、缺口、孔眼等部位，形成应力集中。

应力的集中和扩展，会使零件变形和开裂，所以应当及时消除应力。

有部分零件需要通过热处理来提高它的机械性能，如强度、韧性等，使它在运转过程中具有一定的抗力，以保证较长的使用寿命。

这样的热处理往往安排在粗加工之后。

要满足零件机械性能的要求，使它有良好的切削加工性能，还必须把淬火后得到的含碳过饱和的马氏体作回火处理，使碳原子析出形成粒状的渗碳体，从而得到回火索氏体或回火屈氏体等组织。

综上所述，为了稳定组织，稳定尺寸，及时消除内应力，避免变形和裂纹的产生；为了调整组织，使零件具有良好的加工性能和使用性能，就必须将淬火后的零件及时地进行回火。

回火操作一般可分三类：即高温回火，指温度在A1线以下至500℃范围内的回火；中温回火，指温度在250一500℃范围内的回火；低温回火，指温度在250℃以下的回火。

高温回火的目的是为了获得回火索氏体或珠光体
为主的组织，以得到良好的综合机械性能(既有较高的硬度、强度，又有较好的塑性、韧性)。

所以高温回火常作为调质工序，(即淬火加高温回火)此外也可用于不淬火状态下的零件，以消除应力，预防变形的处理，如焊接结构件消除焊接应力的处理。

高温回火还作为表面淬火返工处理的中间工序，以消除应力，降低硬度，代替退火工序。

高温回火用在正火后，则常常是为了降低硬度、改善切削加工性能。

高温回火还可以用来作复杂零件和高合金钢制造的零件在热处理前(包括渗碳等)的预处理工序。

中温回火能保证零件有较高的弹性极限和抗疲劳强度，这时零件的金相组织是回火屈氏体或回火索氏体。

根据这种特性，中温回火常用于弹簧、高强度齿轮、锤扦、模具、高车(俗称天车、行车)车轮及其它车轮踏面的热处理。

低温回火所得到的组织是回火马氏体或回火马氏体加回火屈氏体。

一般说来，这种回火不降低或少降低硬度，它的目的主要是为了消除应力，故对于要求高硬度、高耐磨性的零件如高速齿轮、铀承等零件都采用这种回火。

调质即淬火和高温回火的综合热处理工艺。

调质件大都在比较大的动载荷作用下工作，它们承受着拉伸、压缩、弯曲、扭转或剪切的作用，有的表面还具有摩擦，要求有一定的耐磨性等等。

总之，零件处在各种复合应力下工作。

这类零件主要为各种机器和机构的结构件，如轴类、连杆、螺栓、齿轮等，在机床、汽车和拖拉机等制造工业中用得很普遍。

尤其是对于重型机器制造中的大型部件，调质处理用得更多．因此，调质处理在热处理中占有很重要的位置。

4、说明锯条、汽车钢板弹簧、车床主轴、变速箱齿轮、发动机曲轴的最终热处理工艺。

锯条：退火后加工成型，再淬火+低温回火>端部发蓝处理（防锈）
汽车钢板弹簧：油淬+中温回火
其余见教材P35表1-8
发动机曲轴：曲轴的热处理关键技术是表面强化处理。

球墨铸铁曲轴一般均采用正火处理，为表面处理做好组织准备，表面强化处理一般采用感应淬火或氮化工艺+回火。

锻钢曲轴则采用轴颈与圆角淬火工艺+回火。

1、金属液态成形有何最突出的优点通常有哪些液态成形方法
金属液态成形具有如下最突出的优点：
（1）可制造出内腔、外形很复杂的毛坯。

如各种箱体、机床床身、汽缸体、缸盖等。

（2）工艺灵活性大，适应性广。

液态成型件的大小几乎不限，其重量可由几克到几百吨，其壁厚可由到1m左右。

工业上凡能溶化成液态的金属材料均可用于液态成型。

对于塑性很差的铸铁，液态成型是生产其毛坯或零件的唯一的方法。

（3）液态成型件成本较低。

液态成型可直接利用废机件和切屑，设备费用较低。

同时，液态成型件加工余量小，节约金属。

通常的液态成形方法：
通常分为两大类：砂型铸造成形工艺和特种铸造成形工艺（如：金属型铸造、熔模铸造、压力铸造、低压铸造、实型铸造、离心铸造等）
2、金属铸造工艺性能主要以何种物理特性来表征其影响因素如何请分别予以分析
金属铸造工艺性能主要以液态金属的充型能力来表征。

影响液态金属充型能力的因素有：合金的流动性，铸型性质，浇注条件，铸件结构等。

合金的流动性是指金属液的流动能力。

流动性越好的金属液，充型能力越强。

铸型性质的影响：
（1）铸型材料铸型的蓄热系数大，充型能力越差。

（2）铸型温度铸型温度越高，充型能力越强。

（3）铸型中的气体
浇注条件的影响
（1）浇注温度：一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。

（2）充型压力：压力越大，充型能力越强。

（3）浇注系统结构结构复杂，流动阻力大，充型能力差。

铸件结构的影响：
（1）铸件壁厚厚度大，热量散失慢，充型能力就好。

（2）铸件复杂程度结构复杂，流动阻力大，充型困难。

3、铸造凝固方式，根据合金凝固特性分成哪几类它们对铸件质量将分别产生什么影响
铸造凝固方式，根据合金凝固特性分成逐层凝固、糊状凝固、中间凝固。

合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固；凝固区域愈宽，愈倾向于糊状凝固；对于一定成分的合金，结晶温度范围已定，凝固方式取决于铸件截面的温度梯度，温度梯度越大，对应的凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。

对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区域的宽窄，铸件的凝固与铸造缺陷的关系：一般说来，逐层凝固有利于合金的充型及补缩，便于防止缩孔和缩松；糊状凝固时，难以获得组织致密的铸件，如果凝固和收缩得不到合理的控制，铸件内部就会出现缩孔、缩松、铸造应力、变形、裂纹等缺陷。

4、金属液态成形中，其收缩过程分为哪几个相互联系的阶段，对铸件质量将产生什么影响如何防止缩孔和缩松的产生
金属从液态冷却到室温，要经历三个相互联系的收缩阶段：
液态收缩——从浇注温度冷却至凝固开始温度之间的收缩。

凝固收缩——从凝固开始温度冷却到凝固结束温度之间的收缩。

固态收缩——从凝固完毕时的温度冷却到室温之间的收缩。

收缩导致的铸件缺陷：(1)缩孔和缩松缩松的形成是由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足；或者因合金呈糊状凝固，被树枝状晶体分隔开的液体小区得不到补缩所致。

缩松分为宏观缩松和显微缩松两种。

【宏观缩松是用肉眼或放大镜可以看见的小孔洞，多分布在铸件中心轴线处或缩孔下方。

显微缩松是分布在晶粒之间的微小孔洞，要用显微镜才能看见。

这种缩松分布更为广泛，有时遍及整个截面。

显微缩松
难以完全避免，对于一般铸件多不作为缺陷对待；但对气密性、力学性能、物理性能或化学性能要求很高的铸件，则必须设法减少。

】不同的铸造合金形成缩孔和缩松的倾向不同。

逐层凝固合金(纯金属、共晶合金或窄结晶温度范围合金)的缩孔倾向大，缩松倾向小；糊状凝固的合金缩孔倾向虽小，但极易产生缩松。

由于采用一些工艺措施可以控制铸件的凝固方式，因此，缩孔和缩松可在一定范围内互相转化。

缩孔和缩松的防止：实现“顺序凝固”使铸件从远离冒口的部分到冒口之间建立一个递增的温度梯度，凝固从远离冒口的部分开始，逐渐向冒口方向顺序进行，最后是冒口本身凝固。

这样就能实现良好的补缩，使缩孔移至冒口，从而获得致密的铸件。

(2)铸造应力、变形和裂纹（见下一题）
5、何谓铸件热应力和机械应力它们对铸件质量将产生什么影响如何防止铸件变形
铸件的固态收缩受到阻碍而引起的应力，称为铸造应力。

热应力：由于铸件各部分冷却速度不同，以致在同一时期内收缩不一致，而且各部分之间存在约束作用，从而产生的内应力，称为热应
力。

铸件冷却至室温后，这种热应力依然存在，故又称为残余应力。

机械应力：是由于铸件的收缩受到机械阻碍而产生的，是暂时性的，只要机械阻碍一消除，应力也随之消失。

铸造应力的存在会带来一系列不良影响，诸如使铸件产生变形、裂纹，降低承载能力，影响加工精度等。

防止铸件变形的途径
①工艺方面
a.使铸件按“同时凝固”原则进行凝固。

为此，应将内浇道开设在薄壁处，在厚壁部位安放冷铁，使铸件各部分温差很小，同时进行凝固，由此热应力可减小到最低限度。

应该注意的是，此时铸件中心区域往往出现缩松，组织不够致密。

b.提高铸型和型芯的退让性，及早落砂、打箱以消除机械阻碍，将铸件放入保温坑中缓冷，都可减小铸造应力。

②结构设计方面
应尽量做到结构简单，壁厚均匀，薄、厚壁之间逐渐过渡，以减小各部分的温差，并使各部分能比较自由地进行收缩。

③铸件产生热应力后，可用自然时效、人工时效等方法消除。

1、灰口铸铁和白口铸铁在组织和性能上有何区别
（1）组织区别：白口铸铁中的碳全部以渗透碳体（Fe3c）形式存在，断口呈亮白色。

灰口铸铁碳大部或全部以自由状态片状石墨存在，断口呈灰色。

（2）性能区别：白口铸铁由于有大量硬而脆的Fe3c，故其硬度高、脆性大、韧性差，很难加工。

灰口铸铁因石墨存在，具有良好铸造性能、切削加工性好，减震性、减磨性好。

灰铸铁最适宜制造什么类型和用途的零件毛坯
根据牌号的不同可分别制造：（1）低负荷和不重要的零件，如防护罩、小手柄、盖板和重锤等；（2）承受中等负荷的零件，如机座、支架、箱体、带轮、轴承座、法兰、泵体、阀体、管路、飞轮和电动机座等；（3）承受较大负荷的重要零件，如机座、床身、齿轮、汽缸、飞轮、齿轮箱、中等压力阀体、汽缸体和汽缸套等；（4）承受高负荷、要求耐磨和高气密性的重要零件，如重型机床床身、压力机床身、高压液压件、活塞环、齿轮和凸轮等。

2、孕育铸铁将如何生产孕育铸铁有何组织和性能特点
孕育铸铁生产：在浇注前向铁液中加入少量孕育剂（如硅铁和硅钙合金），形成大量的、高度弥散的难熔质点，成为石墨的结晶核心，促进石墨的形核，得到细珠光体基体和细小均匀分布的片状石墨。

这种方法称为孕育处理，孕育处理后得到的铸铁叫做孕育铸铁。

孕育铸铁组织和性能特点：组织是细珠光体基体和细小均匀分布的片状石墨；性能特点：强度和韧性都优于普通灰铸铁，而且孕育处理使得不同壁厚铸件的组织比较均匀，性能基本一致。

故孕育铸铁常用来制造力学性能要求较高而截面尺寸变化较大的大型铸件。

3、铸铁石墨化的意义是什么影响铸铁石墨化的因素有哪些
（1）铸铁石墨化的意义：石墨化可将高硬度、性脆的白口铸铁转化为具有较高强度及其他性能的灰铸铁、球铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁。

（2）影响铸铁石墨化的因素：
铸铁的组织取决于石墨化进行的程度，为了获得所需要的组织，关键在于控制石墨化进行的程度。

实践证明，铸铁化学成分、铸铁结晶的冷却速度及铁水的过热和静置等诸多因素都影响石墨化和铸铁的显微组织。

4、（1）球墨铸铁是如何获得的
通过在浇注之前，往铁液中加入少量球化剂（通常为镁、稀土镁合金或含铈的稀土合金）和孕育剂（通常为硅铁），使铁水凝固后形成球状石墨而获得的。

（2）球墨铸铁有何组织和性能特点
组织：珠光体+球状石墨或铁素体+球状石墨；即P + F少+G球或F + P 少+G球
性能：具有优良机械性能，球铁的强度和韧性比其他铸铁高。

（3）说明球墨铸铁在汽车制造中的应用
东风汽车公司采用铸态珠光体球铁制造曲轴，东风汽车公司与南京汽车厂分别用铸态铁素体球铁大量制造汽车底盘零件。

5、对比分析铸钢和球墨铸铁在力学性能、铸造性能、生产成本以及应用上的区别。

铸钢的综合机械性能好于球铁，尤其是抗拉强度和抗冲击性能。

但球墨铸铁具有更高的屈服强度和较好的疲劳强度，其屈服强度最低为40k，而铸钢的屈服强度只有36k。

球墨铸铁的耐腐蚀性和抗氧化性都超过铸钢。

由于球墨铸铁的球状石墨微观结构，在减弱振动能力方面，球墨铸铁优于铸钢；球墨铸铁铸造性能好于铸钢；球墨铸铁比铸钢生产成本低。

球墨铸铁以其优良的性能，在使用中有时可以代替昂贵的铸钢，在机械制造工业中得到广泛应用，甚至能代替锻钢做成曲轴,齿轮等重要零件，抗蚀性能也优于普通铸钢，通常做阀门、减压阀。

但在重型机械中用于制造承受大负荷的零件，如轧钢机机架、水压机底座等；在铁路车辆上用于制造受力大又承受冲击的零件如摇枕、侧架、车轮和车钩等，建议使用铸钢。

6、简述铸造非铁合金的种类、性能和应用上的区别。

（1）铸造铜合金
用于生产铸件的铜合金。

例如铸造铍青铜和铸造锡青铜，这类合金塑性极差，不能进行压力加工，有较高的力学性能和耐蚀性,耐磨性较好，可切削性能良好。

铸造铍青铜主要用作防爆工具、模具、海底电缆中继器的结构件、焊接电极等。

铸造锡青铜，铸造铝青铜，铸造黄铜主要用作轴瓦、轴套、衬套、轴承、齿轮、管件等。

（2）铸造铝合金
据主要合金元素差异有四类铸造铝合金。

①铝硅系合金，也叫“硅铝明”或“矽铝明”。

有良好铸造性能和耐磨性能，热胀系数小，在铸造铝合金中品种最多，用量最大的合金，含硅量在10％～25％。

有时添加％～％镁的硅铝合金，广泛用于结构件，如壳体、缸体、箱体和框架等。

有时添加适量的铜和镁，能提高合金的力学性能和耐热性。

此类合金广泛用于制造活塞等部件。

②铝铜合金，含铜％～％合金强化效果最佳，适当加入锰和钛能显着提高室温、高温强度和铸造性能。

主要用于制作承受大的动、静载荷和形状不复杂的砂型铸件。

③铝镁合金，密度最小cm3)，强度最高(355MPa左右)的铸造铝合金，含镁12％，强化效果最佳。

合金在大气和海水中的抗腐蚀性能好，室温下有良好的综合力学性能和可切削性，可用于作雷达底座、飞机的发动机机匣、螺旋桨、起落架等零件，也可作装饰材料。

④铝锌系合金，为改善性能常加入硅、镁元素，常称为“锌硅铝明”。

在铸造条件下，该合金有淬火作用，即“自行淬火”。

不经热处理就可使用，以变质热处理后，铸件有较高的强度。

经稳定化处理后，尺寸稳定，常用于制作模型、型板及设备支架等。

7、举例列表说明各种铸造合金牌号、组织、主要力学性能及其应用。

从教材或课件上的找几种铸造合金（灰铸铁、球铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁、铸钢、铸造铜合金、铸造铝合金）列表。

1．砂型铸造的关键技术包含哪些内容。