简答题1. 什么叫材料的使用性能?什么叫工艺性能?
材料的使用性能是指保证工件正常工作应具备的性能,即在使用过程中表现出的性能,如力学性能、物理性能、化学性能等。
工艺性能是指材料在被加工过程中适应各种冷热加工的性能,如切削加工性能、热处理性能、焊接性能、铸造性能、锻压性能等。
2. 什么叫强度?强度有哪些常用的判据?
强度是指材料在力的作用下,抵抗塑性变形和断裂的能力。强度的主要判据有屈服点σs和抗拉强度σb等。
3. 为什么零件在强度设计时主要参考依据采用σ
s?
σs是材料的屈服点,是材料产生塑性变形而力不增加的应力值,亦表示材料发生明显塑性变形的最低应力值。一般机械零件为保障正常服役是不允许产生明显塑性变形的,也就是说所受的应力不允许超过σs,故在强度设计时主要应以σs作为参考依据。
4. 常用的硬度测量方法有哪些?为什么硬度试验是最常用的力学性能试验法?
金属常采用压入法测量硬度,压入法测硬度的常用方法有布氏硬度法、洛氏硬度法和维氏硬度法。
硬度测量具有简便快捷,并能反映材料的其他性能(如强度),而且硬度试验属非破坏性试验,不需特别制成试样,可以在原材料、半成品和成品上直接测量,所以硬度测量是最常用的力学性能试验法。
5. 金属的疲劳断裂是怎样产生的?
当金属承受交变载荷时,即使应力峰值远小于材料的屈服点,也会在使用中出现疲劳断裂。其原因是这种交变应力的作用使材料内部的疲劳源(小裂纹、夹杂、划痕、应力集中等部位)处产生裂纹并不断扩展,使零件的有效承载面积减小,这种一处或多处产生的局部永久性积累损伤,最后导致零件的断裂。
6. 某厂购进一批15钢,按国家标准规定,力学性能应符合如下要求:σ
b≥375MPa、σ
s≥225MPa、δ
5≥27%、ψ=55%,入厂检验时采用d
0=10mm的标准短试样进行拉伸试验,测得F
b=33.70kN、F
s=20.50kN、L
1=64.0mm、d
1=6.5mm,试列式计算并回答这批钢材的力学性能是否合格?
这批钢材的力学性能计算如下:
试样的原始标距长度:L
0=5d
0=5×10mm=50mm(因为试验采用标准短试样)
试样的原始截面积:
试样断口截面积:
抗拉强度:
屈服点:
断后伸长率:
断面收缩率:
答:对照15钢国家标准,这批钢材的各项力学性能指标均符合要求,为合格品。
7. 下列材料各宜采用何种硬度试验方法来测定其硬度值?
供应态碳钢 淬火钢 铸铁 铝合金 硬质合金
供应态碳钢——布氏硬度HBS。
淬火钢——洛氏硬度HRC。
铸铁——布氏硬度HBS。
铝合金——布氏硬度HBS。
硬质合金——洛氏硬度HRA或维氏硬度HV。
8. 金属的晶粒大小对力学性能有何影响?生产中有哪些细化晶粒的方法?
一般在常温下使用的金属,晶粒越细,其强度、塑性和韧性越好。生产中细化晶粒的主要方法是进行变质处理和增加过冷度,同时也可采用附加振动的方法。
9. 试分析厚大铸件表面和心部晶粒大小的区别,为什么铸件加工余量过大会使加工后铸件的强度降低?
厚大铸件表面与心部的冷却速度不一致,表面冷却速度较大,结晶过冷度大,结晶后的晶粒较细,而心部的冷却速度较小,结晶过冷度小,结晶后的晶粒较粗。因此,一般铸件表面的性能优于心部的性能。若铸件的加工余量过大,则将表面细晶粒部分过多地切除,从而降低铸件的强度。
10. 合金中的基本组成相有哪两类?它们的性能各有何特点?
合金中的基本组成相有固溶体和金属化合物。合金中的组元间形成固溶体后,产生固溶强化,固溶体的强度一般优于组成固溶体的纯金属,同时固溶体还具备良好的塑性和韧性,因此,合金组织中的基体一般应为这种强韧性兼备的固溶体;金属化合物具有高的熔点和硬度,但脆性较大,一般作为合金中的强化相,当其量少、呈细小均匀分布时,可强化合金,提高硬度和耐磨性等,但当其量大、呈粗大分布时,会增加合金的脆性。
11. 简述该相图有何用途?
Fe-Fe3C相图的主要用途有:
1)在选材方面的应用相图揭示了铁碳合金含碳量与组织的关系,从而可判断不同成分铁碳合金的性能,可根据性能要求选择不同含碳量的钢材。例如,一般用于建筑结构的各种型钢,需要具备良好的塑性、韧性,应选用w(C)<0.25%的低碳成分的钢材;机械工程中的各种轴、齿轮等受力较大的零件,需要兼有高的强度、塑性和韧性,应选用w(C)=0.30%~0.55%范围内的中碳成分的钢材;而各种工具却要求具备高的硬度、耐磨性,则多选用w(C)=0.70%~1.2%范围内的含碳量高的钢材。
2)在铸造方面的应用 可根据Fe-Fe3C相图,适宜铸造的合金和确定铸造温度,一般共晶成分(w(C)=4.3%)附近的合金具有低的熔点和良好的流动性,适宜铸造,浇注温度为液相线以上50~100℃。
3)在锻造方面的应用根据Fe-Fe3C相图,可确定锻造加热温度,一般为液相线以下100~200℃,获得单相奥氏体组织时具有良好的塑性和小的变形抗力,适宜于锻造。
4)在热处理方面的应用热处理加热时为获得全部奥氏体或部分奥氏体,需要在不同的温度下加热,根据Fe-Fe3C相图,可确定不同成分的铁碳合金热处理的加热温度。
12. 根据Fe-Fe
3C相图,判断表中四种含碳量的铁碳合金在给定温度下的组织。
碳的质量分数(%) | 温度/℃ | 显微组织 | 温度/℃ | 显微组织 |
0.2 | 770 | | 950 | |
0.4 | 500 | | 770 | |
0.77 | 650 | | 790 | |
1.0 | 750 | | 950 | |
四种合金在不同温度下的显微组织如下表所示:
碳的质量分数(%) |
温度/℃ |
显微组织 |
温度/℃ |
显微组织 |
0.2 |
770 |
F+A |
950 |
A |
0.4 |
500 |
F+P |
770 |
F+A |
0.77 |
650 |
P |
790 |
A |
1.0 |
750 |
P+Fe3CⅡ |
950 |
A |
13. 简述退火状态下钢中碳的质量分数、显微组织与力学性能的关系。
退火后的钢获得接近平衡状态的组织,根据Fe-Fe3C相图可知,碳的质量分数小于0.77%的亚共析钢,平衡组织为F+P,随含碳量的增加,组织中P的量增多,因此,其强度、硬度升高,而塑性、韧性下降;碳的质量分数为0.77%的共析钢,平衡组织为P,其强度、硬度高于亚共析钢,而塑性、韧性不及亚共析钢;碳的质量分数为0.77%~2.11%的过共析钢,平衡组织为P+Fe3CⅡ,其强度、硬度较高,塑性、韧性比共析和亚共析钢差,但若碳的质量分数过高(>0.9%),组织中的二次渗碳体呈连续网状分布,使强度下降。综上所述,钢中含碳量增加,组织中Fe3C相的数量增加,其强度、硬度升高,而塑性、韧性下降,但当碳的质量分数大于0.9%时,过共析钢的强度开始下降。
14. 试比较碳的质量分数w(C)分别为0.10%、0.45%、1.2%的三种钢,在退火状态下的力学性能有何不同?为什么?
碳的质量分数为0.10%的碳钢,退火后组织为F+P,且F的量较多,因此,塑性、韧性良好,而强度、硬度不高;碳的质量分数为0.45%的钢,退火后组织同样为F+P,但其中P和F的量相当,因此,既有一定的强度、硬度,又有较好的塑性、韧性;碳的质量分数为1.2%的钢,退火后的组织为P+Fe3CⅡ,其硬度较高,但塑性、韧性较差。
15. 奥氏体化对钢热处理的意义是什么?奥氏体的晶粒大小对热处理后的组织和性能有何影响?
热处理加热的主要目的是获得全部或部分奥氏体的组织,以便通过不同的冷却方式使过冷奥氏体转变为所需的组织和性能,亦即钢在热处理后所获得的冷却组织都是由过冷奥氏体转变而成的。
奥氏体的晶粒越细,冷却后的转变组织越细,强度、塑性和韧性也越好,尤其对淬火钢回火的韧性具有很大的影响。
16. 过冷奥氏体在不同温度下等温时会发生哪些组织转变?其最终产物的性能如何?
过冷奥氏体的等温转变产物分为:高温转变的珠光体型组织,中温转变的贝氏体型组织。随着转变过冷度下降(转变温度下降),组织越来越细,其强度、硬度也越高。各转变产物的组织及性能见表4-2。
表4-2 共析钢等温转变产物及性能
|
转变类型 |
转变温度/℃ |
转变产物 |
符号 |
显微组织特征 |
硬度HRC |
高温转变 |
Ac1~650 |
珠光体 |
P |
粗片状铁素体与渗碳体混合物 |
<25 |
650~600 |
索氏体 |
S |
600倍光学金相显微镜下才能 分辨的细片状珠光体 |
25~35 |
600~550 |
托氏体 |
T |
在光学金相显微镜下已无法分 辨的极细片状珠光体 |
35~40 |
中温转变 |
550~350 |
上贝氏体 |
B上 |
羽毛状组织 |
40~45 |
350~Ms |
下贝氏体 |
B下 |
黑色针状或称竹叶状组织 |
45~55 |
17. 普通热处理的四把“火”分别指的是哪几种热处理工艺?
普通热处理的四把“火”是指退火、正火、淬火、回火。
18. 因热处理工艺不当会造成哪些缺陷?
热处理加热、保温和冷却工艺不当,都将造成热处理缺陷。主要热处理缺陷有氧化、脱碳、过热、过烧、变形、裂纹、硬度不足、软点等。
19. 淬火的目的是什么?
淬火的目的是获得马氏体或下贝氏体的组织,强化钢材,以便通过随后的回火工艺获得所需要的使用性能。
20. 为什么淬火后的钢一般需要及时进行回火处理?
淬火后的钢存在很大的淬火应力,如不及时消除,易造成变形和开裂;淬火后获得的马氏体是亚稳定组织,且具有一定的脆性。为消除淬火应力,防止变形、开裂和稳定组织,从而稳定淬火零件的尺寸,消除马氏体的脆性和改善韧性,一般淬火后的钢应及时进行回火处理。
21. 常用的回火工艺有哪几种?简述各自的用途。
根据回火温度的不同,分为低温回火、中温回火、高温回火。各回火工艺的温度、组织、性能及应用如下表所示:
回火方法 |
回火温度/℃ |
回火组织 |
回火后硬度 |
应 用 |
低温回火 |
<250 |
M回 |
58~64HRC |
要求高硬度和耐磨的工具和 零件,如切削刀具、冷冲模具、 量具、滚动轴承、渗碳件等 |
中温回火 |
250~500 |
T回 |
35~50HRC |
要求高屈服强度和一定韧性 的弹性元件,热作模具等 |
高温回火 |
>500 |
S回 |
200~350HBS |
要求综合力学性能的重要受 力零件,如轴、齿轮、连杆、 螺栓等 |
|
22. 感应加热淬火的特点是什么?
感应加热淬火具有加热速度快、效率高,热处理后表面晶粒细、性能好,淬硬层深度易控制,生产过程易实现自动化等优点,但设备投资大,维修复杂,需要根据零件实际制作感应器,所以不适合单件生产,而主要用于成批、大量的生产。
23. 化学热处理的目的是什么?常用的化学热处理方法有哪些?
化学热处理可以通过改变材料表面的化学成分、组织,从而获得所需要的表面性能(表面高硬度或耐腐蚀)。常用的化学热处理工艺有渗碳、渗氮、碳氮共渗和氮碳共渗等。
24. 去应力退火和回火都可消除内应力,试问两者在生产中是否通用?为什么?
去应力退火和回火两者在生产工艺中所处的工序位置不一样,一般去应力退火安排在毛坯生产之后或零件机械加工之后,是去除由于各种冷热加工所产生的内应力,而材料的组织和性能不发生变化;回火是紧随淬火之后的热处理工艺,用于消除淬火内应力,获得所需的稳定回火组织和性能。
25. 列表比较表面淬火、渗碳、渗氮工艺所适用的材料,最终能达到的表面性能、工艺成本。
表面淬火、渗碳、渗氮三种工艺的比较见下表:
方法 |
加热温度/℃ |
适用材料 |
表面硬度 |
工艺成本 |
表面淬火 |
Ac3+100~200 |
中碳钢与中碳合金钢; 工具钢、铸铁 |
50~55HRC |
大批量生产时 成本低 |
渗碳 |
900~950 |
低碳钢和低碳合金钢 |
58~64HRC |
成本较低 |
渗氮 |
500~560 |
渗氮钢 |
950~1200HV(相 当于65~72HRC) |
成本高 |
|
26. 热处理的发展方向有哪些?
当代热处理的主要发展方向是清洁热处理、精密热处理、节能热处理和少无氧化的热处理等。
27. 工程材料的表面防护和装饰方法有哪些?
常用的表面防护方法有电镀、化学镀及热浸蚀;化学转化膜技术(钢铁的发兰、发黑和磷化,铝及铝合金的氧化处理);涂料涂装法。常用的表面装饰法有表面抛光、表面着色、光亮装饰镀、美术装饰漆。