湖南科技大学机械工程材料模拟卷.docx
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湖南科技大学机械工程材料模拟卷
湖南科技大学机械工程材料模拟卷
名词解释
1.合金:
一种金属元素同另一种或几种金属或非金属元素,通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。
2.固溶强化:
通过形成固溶体使金属的强度和硬度提高的现象。
3.加工硬化:
随冷塑性变形量增加,金属的强度、硬度提高,塑性、韧性下降的现象.
4.晶体的各向异性:
在晶体中,不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同,它们之间的结合力的大小也不相同,因而金属晶体不同方向上的性能不同。
5.晶体:
内部原子在三维空间按一定几何形状有规则排列的固体。
6.密排面、密排方向:
在晶体中,不同晶面和晶向上原子排列方式和排列密度不同,原子密度最大的面为密排面;原子密度最大的方向为密排方向。
7.固溶体:
合金组元通过溶解形成的一种成分和性能均匀、且结构与组元之一相同的固相。
8.结晶:
金属从一种原子排列状态到另一种原子规则排列状态的转变。
9.同素异构转变:
金属的晶格因温度改变而发生晶格类型变化的现象。
10.使用性能:
为保证机械零件或工具正常工作,材料应具备的性能,它包括物理性能、化学性能和力学性能。
11.工艺性能:
在制造机械零件或工具的过程中,材料适应各种冷、热加工和热处理的性能,它包括铸造、锻造、焊接、切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等。
12.相:
在金属或合金中,化学成分、晶体结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。
13.刚度:
是指材料受力时抵抗弹性变形的能力。
14.滑移:
晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。
15.孪生:
指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。
16.疲劳:
工程结构在服役过程中,由于承受交变载荷而导致裂纹的产生、扩展以至断裂失效的现象。
17.共晶转变:
二元合金系中,一定成分的液相,在一定温度下同时结晶出两种不相同的固相的转变,称为共晶转变。
18.共析反应:
一定温度下,由一定成分的固相分解为另外两个一定成分的固相的转变过程。
19.第一类回火脆性:
又称不可逆回火脆性,是指淬火钢在250~350℃回火时出现的脆性。
20.第二类回火脆性:
又称可逆回火脆性,指淬火钢在500~650℃范围内回火后缓冷时出现的脆性。
21.淬透性:
钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。
22.热处理:
是指将钢在固态下加热、保温和冷却,以改变钢的组织结构,获得所需要性能的一种工艺。
填空题
1.晶体结构的类型:
体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。
2.晶体与非晶体由于原子排列方式不同导致了在性能上的区别,其主要体现为:
晶体熔化时有固定熔点,非晶体存在一个软化温度范围,无固定熔点;晶体具有各向异性,非晶体具有各向同性。
3.晶体缺陷主要分为点缺陷(晶格空位、间隙原子、异类原子)、线缺陷(位错)、面缺陷(晶界、亚晶界)。
4.固溶强化、塑性变形是金属强化的重要形式。
5.金属铸锭的结晶组织特点:
表层细晶区、柱状细晶区、中心等轴晶区。
6.根据刚的脱氧程度不同分为镇静钢、沸腾钢、半镇静钢。
7.第一类会火脆性是指刚在250-350℃内的不可逆回火脆性无论是碳钢还是合金钢都存在影响其的因素是化学成分;第二类回火脆性在450-650℃下存在,其影响因素为化学成分P、Sn、Sb、As等引起;Ni、Cr、Mn等促进;Mo、W等抑制。
8.铁素体和渗碳体是碳钢中的两个基本相。
9.失效形式分为:
断裂失效、过量变形失效、表面损失失效。
简答题
1.金属晶粒大小对金属的性能有何影响?
说明铸造时细化晶粒的方法及其原理?
答:
金属晶粒越细,金属的强度越高,塑性和韧性也越好,反之力学性能越差。
铸造时细化晶粒的方法有:
(1)增加过冷度:
当过冷度增大时,液态金属的结晶能力增强,形核率可大大增加,而长大速度增加较少,因而可使晶粒细化。
(2)变质处理:
在液态金属结晶前,加入一些细小的变质剂,使金属结晶时形核率N增加,因而可使晶粒细化。
(3)振动处理:
在金属结晶时,对液态金属附加机械振动、超声波振动或电磁振动等措施使已生长的晶粒因破碎而细化,同时破碎的晶粒尖端也起净核作用,增加了形核率,使晶粒细化。
.2.某过共析钢工件因终锻温度过高,其组织中出现了网状渗碳体,对工件的机性有何影响?
采用何种工艺可将之削除?
答:
将使工件的强度下降,力学性能变坏。
可以采用正火的热处理方法来消除。
3.高碳高合金钢工件淬火时极易开裂,采取什么措施可有效防止其开裂?
(1)合理设计零件结构;
(2)淬火前进行退火或正火,以细化晶粒并使组织均匀化,减少淬火产生的内应力;
(3)淬火加热时严格控制加热温度,防止过热使奥氏体晶粒粗化,同时也可减少淬火时的热应力;
(4)采用适当的冷却方法;(5)淬火后及时回火,以消除应力,提高工件的韧性。
4.试说明淬火钢中出现残余奥氏体的原因是什么,对其性能有何影响,采用什么工艺能将之消除?
答:
淬火钢中出现残余奥氏体的原因是:
马氏体转变是在一定温度范围内(Ms-Mf),连续冷却的任何停顿和减慢,都增大奥氏体的稳定性和残余奥氏体的量;另外马氏体形成时体积膨胀,对未转变的奥氏体构成大的压应力,也使马氏体转变不能进行到底,而总要保留一部分不能转变的(残余)奥氏体。
残余奥氏体存在马氏体之间可改善钢的韧性。
采用回火工艺能将之消除。
5.金属晶粒大小对金属的性能有何影响?
说明铸造时细化晶粒的方法及其原理?
金属晶粒越细,金属的强度越高,塑性和韧性也越好,反之力学性能越差。
铸造时细化晶粒的方法有:
(1)增加过冷度:
当过冷度增大时,液态金属的结晶能力增强,形核率可大大增加,而长大速度增加较少,因而可使晶粒细化。
(2)变质处理:
在液态金属结晶前,加入一些细小的变质剂,使金属结晶时形核率N增加,因而可使晶粒细化。
(3)振动处理:
在金属结晶时,对液态金属附加机械振动、超声波振动或电磁振动等措施使已生长的晶粒因破碎而细化,同时破碎的晶粒尖端也起净核作用,增加了形核率,使晶粒细化。
6.有一传动轴(最大直径φ20mm)受中等交变拉压载荷作用要求沿截面性能均匀一致,
(1)选择合适的材料,
(2)编制简明工艺路线,(3)说明各热处理工艺的主要作用:
(4)指出最终组织.
可供选择材料:
16Mn,20CrMnTi,45,40Cr,40CrNiMo,T12,”6”,”5”
(1)选用20CrMnTi
(2)简明工艺路线:
备料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火、低温回火→机械加工。
(3)热处理工艺的主要作用如下:
正火:
主要为了消除毛坯的锻造应力,降低硬度以改善切削加工性,同时也均匀组织,细化晶粒,为以后的热处理做组织准备。
渗碳:
为了保证传动轴表层的含碳量及渗碳层深度的要求。
淬火+低温回火:
提高表面的硬度和耐磨性,而心部具有足够的韧性,其中低温回火的作用是消除淬火应力及减少脆性。
7.比较20钢和T10钢的退火,正火,淬火组织的异同?
退火:
20钢:
奥氏体
T10钢:
珠光体
正火:
20钢:
奥氏体
T10钢:
珠光体
淬火:
20钢:
马氏体
T10钢:
马氏体
8.某40MnB钢主轴,要求整体有足够的韧性,表面要求有较高的硬度和耐磨性,采用何种热处理工艺可满足要求?
简述理由?
采用正火、调质(预备热处理),以及淬火+低温回火(最终热处理)。
(1)正火:
主要为了消除毛坯的锻造应力,降低硬度以改善切削加工性,同时也均匀组织,细化晶粒,为以后的热处理做组织准备。
(2)调质:
主要使主轴具有高的综合力学性能。
(3)淬火+低温回火:
提高表面的硬度和耐磨性,而心部具有足够的韧性,其中低温回火的作用是消除淬火应力及减少脆性。
9.现有下列零件及可供选择的材料,给各零件选择合适的材料,并选择合适的最终热处理方法(或使用状态).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
自行车架:
16Mn焊接
连杆螺栓:
40Cr最终热处理方法:
调质;
车厢板簧:
60Si2Mn最终热处理方法:
淬火+中温回火;
滑动轴承:
ZQSn6-6-3使用状态:
铸造;
变速齿轮:
20CrMnTi最终热处理方法:
渗碳后淬火、低温回火;
机床床身:
HT200最终热处理方法:
去应力退火;
柴油机曲轴:
QT600-2最终热处理方法:
等温淬火
10.确定下列工件的退火工艺,并说明其原因:
(1)冷轧15钢钢板要求降低硬度.
(2)正火态的T12钢钢坯要求改善其切削加工性.(3)锻造过热的60钢锻坯要求细化晶粒?
(1)完全退火;
(2)球化退火;
(3)等温退火
11.钢工件经正常淬火后其表面硬度比60钢低的原因是什么?
如何进一步提高其硬度?
原因是:
淬火加热温度过低、保温时间不足、冷却速度过低、工件表面脱碳或预先热处理不当等。
进一步提高其硬度的方法是将工件退火或正火后重新进行淬火。
12.示意画出钢的C曲线,并在C曲线上画出等温淬火和分级淬火的冷却工艺曲线?
13.退火目的
⑴降低硬度,提高塑性,改善切削加工性能或后续冷变性能
⑵消除组织缺陷,细化晶粒,均匀组织,提高力学性能,为最终热处理作准备;
⑶消除内应力,稳定工件尺寸,减少变形开裂倾向。
14.画出Fe-Fe3C相图,注明各相区的相名称,指出奥氏体和铁素体的溶解度曲线?
答:
奥氏体和铁素体的溶解度曲线分别是:
ES线、PQ线
(1)相图中的主要特性点
A点:
纯铁的熔点
C点:
共晶点
D点:
渗碳体的熔点
E点:
碳在γ-Fe中的最大溶解度
G点:
纯铁的同素异晶转变点
P点:
碳在α-Fe中的最大溶解度
S点:
共析点
Q点:
碳在α-Fe中的溶解度
(2)相图中的主要特性线
ACD线:
液相线,在ACD线以上合金为液态,用符号L表示。
液态合金冷却到此线时开始结晶,在AC线以下结晶出奥氏体,在CD线以下结晶出渗碳体,称为一次渗碳体(Fe3CⅠ)。
AECF线:
固相线,在此线以下合金为固态。
液相线与固相线之间为合金的结晶区域,这个区域内液体和固体共存。
ECF线:
共晶线,温度为1148℃。
液态合金冷却到该线温度时发生共晶转变,即C点成分的液态合金缓慢冷却到共晶温度(1148℃)时,从液体中同时结晶出E点成分的奥氏体和渗碳体。
共晶转变后的产物称为莱氏体,C点称为共晶点。
凡是碳的质量分数为2.11%~6.69%的铁碳合金均会发生共晶转变。
PSK线:
共析线,又称A1线,温度为727℃。
铁碳合金冷却到该线温度时发生共析转变,即S点成分的奥氏体缓慢冷却到共析温度时,同时析出P点成分的铁素体和渗碳体。
转变后的产物称为珠光体,S点称为共析点。
凡是碳的质量分数为0.0218%~6.69%的铁碳合金均会发生共析转变。
ES线:
碳在γ-Fe中的溶解度曲线,又称Acm线。
溶解度随温度的下降而减小,在1148℃时溶解度为2.11%(E点),到727℃时降为0.77%(S点)。
因此,凡碳的质量分数在0.77%以上的铁碳合金由1148℃冷却到727℃的过程中,都有渗碳体从奥氏体中析出,称为二次渗碳体(Fe3CⅡ)。
GS线:
又称A3线。
是冷却时由奥氏体中析出铁素体的开始线。
PQ线:
碳在α-Fe中的溶解度曲线。
碳在α-Fe中的溶解度随温度的下降而减小,在727℃时溶解度为0.0218%(P点),到600℃时降为0.008%(Q点)。
因此,铁碳合金从727℃向下冷却时,多余的碳从铁素体中以渗碳体的形式析出,这种渗碳体称为三次渗碳体。
用符号Fe3CⅢ表示。
因其数量极少,常予以忽略。
(3)相图中的相区
单相区:
L、F、A、Fe3C。
两相区:
L+A、L+Fe3C、F+A、A+Fe3C、F+Fe3C。
三相区(三相平衡线):
ECF、PSK。
1、W18Cr4V钢所制的刃具(如铣刀)的生产工艺路线如下:
下料→锻造→等温退火→机加工→最终热处理→喷砂→磨削。
1).指出合金元素W、Cr、V在钢中的主要作用。
2).指出W18Cr4V钢下料后每道工序的必要性和作用。
3).最终热处理(淬火+回火)工艺有何特点?
为什么?
4).写出最终组织组成。
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