工程材料部分笔记
一、名次解释
结构材料——以力学性能为主,兼有一定物理化学性能的一类工程材料。
功能材料——以特殊的物理化学性能为主,兼有一定力学性能的一类工程材料。
高速钢 ——是一种高C且含有大量的W、Mo、Cr、V、Co等合金元素的合金刃具钢。 调质处理——淬火+高温回火,得到回火索氏体。调质钢的综合特性,强度韧性都比较好。 红硬性 ——指钢在受热情况下,能够保持足够高的硬度和切削能力。
灰口铸铁——铸铁中,碳主要以片状石墨的形式存在,断口呈灰色。
白口铸铁——铸铁中,碳主要以渗碳体形式存在,断口呈白亮色。
麻口铸铁——铸铁中,碳既以游离态石墨存在,又以碳化物形式存在,断口夹杂着白亮的渗碳体和暗灰色的石墨。
HT250 ——是灰铸铁的一种标准或牌号,代表单铸Ф30mm试棒的最低抗拉强度大于等于250Mp。
QT500-2——是球墨铸铁的一种标准或牌号,代表单铸试棒的最低抗拉强度大于等于500Mp且延伸率不低于2%。
KTH350-10——是黑心可锻铸铁的一种标准或牌号,代表单铸试样的最低抗拉强度大于等于350Mp,且延伸率不低于10%。(Z表示珠光体可锻铸铁,H表示黑心可锻铸铁,B表示白心可锻铸铁)
青 铜——相对于黄铜,白铜而言,除Cu外,加入非Zn,Ni以外的其他元素为主要合金元素的铜合金。(如锡青铜,铝青铜,硅青铜,铍青铜等。)
黄 铜——相对于青铜,白铜而言,以Zn为主加合金元素的铜合金。(商业黄铜H62,弹壳黄铜H68,色泽美观用于装饰镀层的H80;加入其他元素形成的锰黄铜,铝黄铜,铅黄铜,锡黄铜等。) 白 铜——相对于黄铜,青铜而言,以Ni为主加合金元素的铜合金。(B5,B18,B30;锌黄铜,锰黄铜)
变形铝合金——铝合金组织中为单相固溶体,这种合金材料塑性好,适宜进行锻造,轧制等压力加工。(LY12,LD10)
铸造铝合金——铝合金中有共晶组织,这种合金材料的流动性较高,适宜薄壁复杂件的铸造成型。 (ZL101,ZL109)
冷作模具——在工作中与冷态金属相接触,包括:冷镦模、冷挤压模、压弯模、拉丝模等。 热作模具——在工作中与热态金属相接触,包括:锤锻模、热挤压模、压铸模等。
二、填空
1、工程上常见的三种失效形式:变形、断裂、磨损。
2、工艺性能包括:铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。
3、当钢中合金含量小于等于5%时,称为低合金钢;5%~10%时,称为中合金钢;大于10%时候,称为高合金钢。
4、S、P等元素加入钢中,以(1)固溶体形式存在;(2)形成强化相;(3)形成非金属夹杂物;(4)在钢中以游离态存在。碳钢中的碳有时候也以自由状态(石墨)存在。
5、钢中合金元素的强化作用主要有:固溶强化,晶界强化,第二相强化,位错强化。
6、构件用钢以工艺性能为主,力学性能为辅。
7、弹簧应具有1)高的弹性极限,屈服极限;(2)高的屈强比;(3)高的疲劳极限;(4)具有一定的塑性和韧性;(5)在高温、易腐蚀条件下,具有耐热性和抗蚀性。
8、工具钢根据用途不同,可以分为刃具钢、模具钢、量具钢;根据成分不同可以分为碳素工具钢、合金工具钢、高速钢。
9、量具的性能要求是:高硬度好高耐磨性,高的尺寸稳定性,足够的韧性,在特殊环境下具有抗腐蚀性。
10、球化处理同时进行孕育处理以生长球径小、圆整度好、分布均匀、单位面积石墨球数量多的石墨。
11、二元Al—Si合金,随Si提高密度下降硬度上升。
12、铝硅合金的变质处理变质前:粗大、多条、多角变质后:细小、均匀、纤维化。
三、问答题
1、 举例说明工程选材的一般原则。
答:如机床床身,它几何形状复杂,几何尺寸大,在工作中受压,受振动,因此我们在选材时,必须选择能减振、抗压、耐磨的金属材料。
在使用性能方面,普通钢能满足机床床身的一般要求,但钢的吸振性不如灰铸铁,而且灰铸铁具有较好的减振、抗压、耐磨、流动性。
在工艺性能方面,灰铸铁中的碳以片状石墨形式存在,使灰铸铁的铸造性能好,切削性能好,适于铸造复杂、尺寸大的零件。
在经济方面,灰铸铁价格便宜,消耗的原料容易获得。
综合工程选材的三大原则,我们选择灰铸铁而不选普碳钢作为机床床身的加工材料。
2、 齿轮可由渗碳钢、调质钢来作,试述它们的制作过程、热处理,以及最终组织状态。 答:因为齿轮要求表面硬度高、耐磨、耐疲劳,芯部韧性好、耐冲击,因此
○1若用调质钢来作,则一般的工作流程为:型材→改锻→毛坯热处理→切削加工→最终热处理→磨削。
热处理:型材改锻后,表面硬度可能升高,毛坯经过高温回火的热处理后,可以软化材料和组织,便于加工,综合特性、强度、韧性都比较好。
最终热处理:调质处理,淬火(得马氏体)+高温回火→回火索氏体组织
○2若用渗碳钢来作,则一般工作流程为:型材→改锻→毛坯热处理→切削加工→最终热处理→磨削。
热处理:淬火,即将渗碳钢加热到临界点以上,保温一段时间,使齿轮表面奥氏体含量增加,能做到表面坚硬,芯部韧性好。
最终热处理:低温回火,最后得到回火马氏体组织。
3、 机床床身、内燃机曲轴、摩托车凸轮轴选材
答:○1机床床身的选材略。
○2因曲轴在工作中不断受到交变应力、磨损以及疲劳应力的影响,且在工作中要求曲轴耐磨、耐疲劳、抗拉,有一定的韧性指标。如果我们用锻钢来作,它本身能满足曲轴的工作要求,但是,球墨铸铁不但可以满足曲轴的工作要求,而且铸造方法比锻造方法好,成形简单,且球墨铸铁的经济性能也比锻钢好,因此我们选择球墨铸铁。
○3因凸轮轴在工作中,高速旋转,易磨损,不断受到交变压力,且凸轮尺寸小,壁薄,零件小,因此我们要求材料具有可靠性、高强度、高韧性,耐磨、抗变性能力强等特点。在这种要求下,可锻铸铁比低合金铸铁好,而且球墨铸铁的耐磨性也不如可锻铸铁,因此我们选择可锻铸铁。
4、 什么是低合金灰铸铁?在孕育良好的前提下,为什么它的指标比不加合金的δb↑,δb/HB↑? 答:低合金灰铸铁指除了C、Si、Mn、P、S五大元素外,加入的Cr、Mo、Co、Ni等合金的总量在3~5%内的灰铸铁。
在孕育良好的前提下,少量的合金元素影响了石墨片的存在,细化了石墨,而低合金化更多的影响了石墨结晶,其中C 的一次结晶影响不明显,更多的影响二次结晶过程,使石墨外的基本部分更容易获得珠光体,其强度比铁素体大,使固态的碳化物分解变慢,使δb↑。在孕育良好的情况下,低合金形成的碳化物很难生成,硬度增加不明显,故δb/HB↑。
5、 Al-Si为什么不能通过热处理强化?
答:从热处理强化类型来看:○1相变强化来看,固态α相从高温到低温，没有相的变化，因此相变强化不可以。
○2固溶强化,理论上可以,但实际在淬火过程中,Si在Al中的扩散速度很快,不能形成有效的过饱和固溶体,要从淬火到室温保持饱和不可能,因此固溶强化不现实。
○3时效强化,前提要有过饱和固溶体的形成,在这过程中尽管有过饱和固溶体的形成,但时间很短,在淬火和保温过程中,Si很容易析出,Al-Si合金没有时效强化相,不能出现时效现象。 所以工程上Al-Si合金只能去应力淬火,不能热处理强化。
6、 ZCuSn5Pb5Zn5(锡青铜)
1) Sn构成合金最主要的元素○1主要固溶于α-Cu中强化基体○2使原基体Cu的电极电位提高,耐腐蚀性提高○3摩擦系数减少
2) Pb既不溶于基体中,也不与合金元素形成金属间化合物,以游离态形式存在,结晶温度范围大,熔点低○1能提高合金的致密度○2改善切削加工性能○3能够承载,接受冲击载荷④改善合金的耐磨性能
3) Zn ○1能够缩小二元锡青铜的结晶温度范围,提高流动性,铸造性 ○2可以强化α-Cu基体,使Cu基体强度到达中高强度。
7、列举结晶时细化晶粒的方法,并说明原因。
1)增加过冷度(ΔT),过冷速度(V)上升,形核率上升,即ΔT↑,V↑,N↑
2)孕育处理(变质处理),变质处理中加入的高熔点,固体颗粒,不仅显著增加晶核数量,同时也阻碍晶核生长,使晶粒细化。
3)振动和搅拌,能向金属溶液中输入额外能量,提供形核能量,促进晶核形成,还可以使枝晶碎化,增加晶核数量,从而达到细化晶粒的目的。
02~04真题
2004年试题
一、名词解释
1)结构材料
2)功能材料
3)钢的合金化
4)钢的应变时效
5)高速钢(风钢)
6)钢结硬质合金
7)钢的热稳定性
8)麻口铸铁
9)HT200和QT450-10
10)特殊黄铜
二、填空题
1) 材料的使用性能是指材料在使用过程中能够安全可靠地工作所必须具备的性能,它包括材料的_________性能、_________性能和___________性能
2) 材料的组织状态包括:_________、_________、_________
3) 材料用钢以_________性能为主,_________性能为辅;机器零件用钢以_________性能为主、_________性能为辅。
4) 钢中合金元素的强化作用主要有以下四种方式:_________、_________、_________、以及_________
5) 钢中合金元素的存在形式主要有:______、______、______和______。
6) 机器零件用钢的力学性能要求为:______、______、______和______。
7) 热作模具包括:______、______和______三类。
8) 塑料模具用钢应满足:______、______、______、______
9) 莱氏体是指______和______两相共存的共晶反应产物,主要表现在______铸铁中。
10)石墨晶体在空间上呈______结构,因而石墨在铁液中生长如不受外界影响时具有______特性。
11)石墨铸铁中石墨呈球状分布,因而这种工程结构材料的______高同时______好。
12)根据二元Al-Si相图,当含Si量超过共晶点(12.5%Si)后,获得的结晶组织为______,其中Si晶体有两种结晶形态,分别为______和______。
三、问答题
1) 以汽车发动机曲轴为例,说明工程金属材料选材的一般原则。
2) 汽车发动机缸体、减速机齿轮和耐酸泵泵体三个零件选用何种工程结构金属材料制造为好?为什么?
3) 何为调质处理?调质钢的性能特点是什么?某材料成型模具要求用调质钢制造,请推荐一种钢材,简要介绍该模具的制造过程。
4) 二元Al-Cu合金热处理强化实质是什么?简要介绍其原理。
5) 球墨铸铁炉前球化处理的同时,必须进行孕育处理。这是为什么?
6) ZCuSn5Pb5Zn5是青铜还是黄铜?元素Sn、Pb、Zn在该合金中的存在形式和作用是什么?
2003年试题
一、名词解释
1、结构材料和工程材料
2、调质处理及调质钢的性能特点
3、钢的红硬性及高速钢
4、灰口铸铁和白口铸铁
5、HT300和QT800-2
6、变形铝合金和铸造铝合金(举例说明)
7、青铜和黄铜(举例说明)
二、填空题
1、金属材料的工艺性能是指金属材料对各种加工工艺手段所表现出来的特性,即材料的可加工性,包括: 性能、 性能、 性能、 性能、 性能等。
2、工程上常见金属材料的失效的形式主要有: 、 、 。
3、钢中合金元素的强化作用主要有以下四种方式: 、 、 、 。
4、构件用钢的力学性能的三大特点是: 、 、 。
5、作为构件用钢应具有的性能要求是: 、 、 。
6、构件用钢以 性能为主, 性能为辅。机器零件用钢以 性能为主,
性能为辅。
7、根据用途不同,工具钢可分为 、 和 。按化学成分不同,工具钢又可分为 、 和 。
8、弹簧钢应具有的力学性能特征是: 、 、 。
9、随着含碳量的增加,白口铸铁的硬度 ,而灰口铸铁的硬度 。
10、如果铸铁结晶按稳定系进行,则铸铁中的高碳相为 ,如果按介稳定系结晶,则高碳相为 。
11、球墨铸铁球化处理良好的标志是: 、 、 。
12、二元Al-Si合金中随着含Si量的增加,合金的密度 而硬度 ;合金金相组织中的Si晶体在变质处理前以 形态分布,而变质(或细化)处理后以 形态分布。
三、问答题
1、举例说明工程金属材料选材的一般原则
2、齿轮是一种典型的机器零件,即可用调质钢制造,也可用渗碳钢制造。请简要介绍用这两种合金制作齿轮的一般过程,重点介绍热处理的基本原理和最终组织性能特征。