华侨大学09级《工程材料》试卷（A）院别考试日期2011 年12 月20 日姓名班级学号一、填空（20分，每空1分）1．许多机械零件如弹簧、轴、齿轮等，在工作时承受交变载荷，其应力低于屈服强度，但经过一定循环周期后，即发生断裂，这就是疲劳断裂现象。
2．刚度是指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力，它等于材料的弹性模量与零构件的横截面积或者面积的乘积。
3．金属中的晶格缺陷，按照几何形式分为_点缺陷__、线缺陷和__面缺陷____三种。
4．金属的塑性变形量在临界变形范围以内，其随后的再结晶晶粒将（异常）长大。
5．Fe—Fe3C相图中的P点表示__碳在a-Fe中的最大溶解度___；其对应含碳量为_0.0218_%，温度为_727_℃。
6．铁碳合金相图表述了在平衡条件下，温度，_碳的质量分数或含碳量和相或组织之间的关系。
7．滚动轴承钢中加入合金元素Cr，主要是为了提高__钢的淬透性_，并在热处理后形成细小均匀分布的碳化物，以提高钢的__耐磨性__、_硬度（或弹性极限）和接触疲劳极限。
8．提高铝及铝合金强度的主要途径有：变质处理（细晶强化）、冷变形（加工硬化）和热处理（时效强化）。
二、指出左列牌号各属于右列哪一类材料（连线并标出右列序号）（10分，每个1分）40CrMnMo ⑽⑴普通黄铜H59 ⑴⑵合金弹簧钢Q235 ⑺⑶硬质合金YW2 ⑶⑷合金渗碳钢W12Cr4V5Co5 ⑿⑸马氏体型不锈钢1Cr13 ⑸⑹高碳低合金工具钢20MnTiB ⑷⑺普通碳素结构钢CrWMn ⑹⑻高铬轴承钢60Si2CrA ⑵⑼球墨铸铁QT400-18 ⑼⑽合金调质钢⑾灰铸铁⑿高速钢三、选择及判断题（15分，每个1分）1、用40Cr钢和40钢制造相同尺寸的零件，要求相同硬度时，淬火后两者的回火温度是：（C）A、相同；B、40Cr钢的较低；C、40Cr钢的较高；2、从一个固相中同时析出成分和晶体结构不同的两种新固相的转变过程，称为：（ C ）A、共晶转变；B、包晶转变；C、共析转变；D、匀晶转变；3、溶质原子的溶入，提高了固溶体塑性变形的：（B ）A、能力；B、抗力；C、速度；4、用于制造凿子宜选用下列钢号中的：（B ）A、45钢；B、T7；C、T12；D、08F5、高锰钢ZGMn13 具有高耐磨性的原因是：（ C ）A、热处理提高了硬度和耐磨性；B、因有较多的Fe3C存在；C、表面产生强烈的加工硬化，并有马氏体相变发生。
6、为了改善45钢的切削性能，其毛坯的热处理方法是：（ A ）A、完全退火；B、球化退火；C、回火；D、正火；7、钢的淬透性取决于：（ B ）A、淬火冷却速度；B、钢的临界冷却速度；C、工件的尺寸、形状；8、由两种或两种以上的金属元素和非金属元素组成的物质，称为合金。
（×）9、钢材锻造时，通常要加热到奥氏体状态。
（√）10、珠光体的含碳量与形成温度无关。
（√）11、在工业生产中用硅锰脱氧的钢为本质细晶粒钢，用铝脱氧的钢为本质粗晶粒钢。
（×）12、高碳高合金钢如高速钢、高铬钢的冷压力加工性能较差。
（√）13、弹簧在热处理后再进行喷丸处理，目的是在表面形成残余压应力（√）14、钢的本质晶粒度主要取决于钢在加热后的冷却速度。
（×）15、含碳量大于一定值以后，碳钢的强度随含碳量的增加而下降。
（√）四、给下列零件从括号内选择一种材料，并写出决定其性能的热处理工艺。
（10分，每题2分）1.坐标镗床主轴（W18Cr4V、38CrMoAlA 、65Mn ）38CrMoAlA 调质渗氮。
2.板牙（CrWMn、45、20Cr）CrWMn 淬火+低温回火。
3.内燃机曲轴（YW2、40Cr 、QT600-3 ）QT600-3，调质/ 40Cr 调质表面淬火+低温回火。
4.汽车变速箱齿轮（40MnB、GCr15 、20MnTiB）20MnTiB 渗碳表面淬火+低温回火。
5.高速切削的铣刀（W18Cr4V、CrWMn 、ZGMn13）W18Cr4V 高温淬火+三次回火。
五、简答题：（25分，每题5分）1. 金属铸件的晶粒粗大时，能否通过再结晶退火来细化？为什么？答：不能通过再结晶退火来细化，再结晶退火是针对冷变形后晶粒被拉长压扁破碎的不稳定的变形组织，经过加热到一定的再结晶温度以上，原子活动能力增强，重新形核长大。
而金属铸件经过浇铸、冷却成形，组织相对稳定。
要实现细化晶粒，主要通过冷却过程中采取增大过冷度、增加晶核数量（变质处理）、振动打碎晶粒等方式；或者通过退火或正火使其进行重结晶。
2. 高速钢淬火后为什么会有大量的残余奥氏体？如何消除？为什么选择在570℃进行回火？，其回火后的组织是什么？答：高速钢含合金元素较多，淬火加热时大部分碳化物溶于奥氏体中，这种含合金元素较多的奥氏体，Ms 点较低，淬火后马氏体转换不完全还保留一部分（约30%）残余奥氏体，没有转变成马氏体，影响了高速钢的性能。
为使残余奥氏体转变，进一步提高硬度和耐磨性，一般要进行2~3次回火，回火温度570℃，每次保温一小时。
由于淬火马氏体和残余奥氏体合金含量高，回火稳定性高，在570°℃回火不仅不会降低硬度，还因析出弥散细小的碳化物而产生二次硬化。
回火组织为细针状马氏体+粒状碳化物+少量奥氏体。
3.含碳量为0.4%的亚共析钢的室温组织为何？并求组织组成物和相组成物的质量分数。
答：该钢的室温平衡组织为铁素体+珠光体其组织组成物：铁素体=（0.77-0.4/(0.77-0.0218)X100%=49.5%, 珠光体=1-49.5%=50.5%；其相组成物：铁素体=（0.77-0.4/(6.69-0.0008)X100%=94.3%，渗碳体=5.7%。
(此题应列式计算)4．有一根直径30mm的轴，要求摩擦部位的硬度为53～55HRC。
现采用30钢制造，经调质处理后表面高频淬火和低温回火，使用过程中发现摩擦部位严重磨损。
试分析失效原因，并提出再生产时的解决办法。
答：30钢含碳量为0.3% ，含碳量较低，经过表面高频淬火和低温回火，表面是低碳马氏体，所以耐磨损性能较差，可以先渗碳再表面高频淬火和低温回火。
或选用其它中碳钢如40Cr，经调质处理后表面高频淬火和低温回火。
5. 简述灰口铸铁和白口铸铁的区别，以及影响铸铁石墨化的主要因素。
铸铁中的碳除了少量固溶于铁素体和奥氏体外，大部分以游离态的石墨的形式存在，断口处呈灰黑色，称为灰口铸铁；而白口铸铁中的碳大部分以化合态的渗碳体的形式存在，断口呈白色。
由于铁的晶体结构与石墨的晶体结构差异很大，而铁与渗碳体的晶体结构要接近一些，所以普通铸铁在一般铸造条件下只能得到白口铸铁，而不易获得灰口铸铁。
白口铸铁硬而脆，很少直接作为机械零件使用。
影响铸铁石墨化的主要因素：(1) 化学成分：铸铁中的常存元素碳、硅、锰、磷、硫对其石墨化的影响是不同的。
（1分）碳、硅、磷会促进其石墨化，锰和硫则起着相反的作用。
由于磷和硫应是严格控制的杂质，因此在铸铁生产中，锰的含量也不能过高并应严格控制，而调整碳和硅的含量就成为控制铸铁组织和性能的基本措施之一。
(2) 冷却速度：铸件在高温慢冷的条件下，过冷度较小，由于碳原子能充分扩散，有利于按Fe-G相图进行转变，即有利于石墨化过程的进行（1分）；否则，有利于按Fe-Fe3C相图进行转变，即易出现渗碳体。
六、论述题：（20分，每题10分）1. 一根直径6mm的T12钢圆棒，球化退火后，先经780℃加热淬火，450℃回火。
然后从圆棒的一端加热，依靠热传导使圆棒各点达到如图所示的温度，试问：（1）圆棒由图中所示温度缓慢冷却至室温后，各点的组织是什么？（2）圆棒由图中所示温度在水中淬火冷却到室温后各点的组织又是什么？（１）20℃点、180℃点、450℃缓慢冷却至室温后的组织是回火屈氏体（回火托氏体）组织；600℃得到回火索氏体；780℃点缓慢冷却至室温后，得到细小珠光体+二次渗碳体组织；950℃缓慢冷却至室温后，得到粗大珠光体组织。
（5分）（２）由图中所示温度在水中淬火冷却到室温后，20℃点、180℃点、450℃得到回火屈氏体组织；600℃点得到回火索氏体组织；780℃点得到细小马氏体＋次渗碳体组织+残余奥氏体组织；950℃点得到粗大马氏体＋残余奥氏体组织；2.汽车半轴是差速器与驱动轮之间传递扭矩的实心轴，其内端一般通过花键与半轴齿轮连接，外端与轮毂连接。
汽车半轴工作时承受交变扭转载荷和交变弯曲载荷以及一定的冲击载荷。
为防止半轴疲劳断裂和花键齿磨损，要求半轴材料具有较高的强度和韧性，同时花键齿部位耐磨损。
试选择制造汽车半轴的合适材料，安排加工工艺路线，并说明各热处理工序的作用以及热处理后的组织和性能特点。
答：常用半轴材料应选用合金调质钢：40Cr、40MnB、40CrMnMo、40CrNiMo等（2分）。
经调质处理后进行喷丸强化或滚压强化处理，例如中型载重汽车选用40Cr，重型载重汽车选用40CrMnMo。
以40Cr为例，其加工工艺路线是：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→花键和轴颈部分高频表面淬火+低温回火→成品。
（4分）正火可改善切削加工性，得到合适的硬度，细化组织，消除锻造应力为调质作准备。
正火后的组织为细小珠光体。
（2分）调质（淬火+ 高温回火）保证具有适当的强度和足够的塑性和韧性，回火后组织是回火索氏体或回火托氏体，心部允许有铁素体存在。
（2分）花键和轴颈部分高频表面淬火+低温回火：提高硬度和耐磨性。