作业解答(3)

高而均匀的综合力学性能，特别是高的屈强比。这些元素还有显著强化铁素体的作用，当它们含量在一定范围时，还可提高铁素体的韧度。

6-5 拖拉机变速齿轮，材料为20CrMnTi钢，要求齿面硬度58～64HRC，分析说明采用什么热处理工艺才能达到这一要求？

答：可采用渗碳（900°C～930°C）后，预冷至870°C左右直接淬火，再经过150°C～200°C低温回火的热处理工艺。

分析：20CrMnTi钢是典型的渗碳合金钢，碳的平均质量分数为0.2%，齿面的硬度要求很高，所以要进行渗碳处理，预冷后淬火，再经低温回火，其齿面组织为合金渗碳体＋回火马氏体＋少量残余奥氏体。其硬度可达到58～64HRC。可以满足要求。

6-6 有一Φ10的杆类零件，受中等交变拉压载荷的作用，要求零件沿截面性能均匀一致，供选材料有：16Mn、45钢、40Cr、T12。要求（1）选择合适的材料；（2）编制简明工艺路线；（3）说明各热处理工序的主要作用；（4）指出最终组织。

答：选择40Cr；锻造——退火——粗加工——半精加工——调质——精加工； 退火的主要作用：消除锻造的内应力，降低硬度以便切削加工，细化晶粒，为后面的调质作好准备；

调质的主要作用：使零件具有较高的硬度、强度、塑性及韧度等综合的力学性能。以满足零件受中等交变拉压载荷的作用。由于40Cr的淬透性好，能满足沿截面性能均匀的要求；最终组织为回火索氏体。

6-7 为什么合金弹簧钢多用Si、Mn作为主要合金元素？为什么要采用中温回火？得到什么样的组织？其性能如何？

答：弹簧钢以Si、Mn作为主要合金元素，因为Si、Mn元素可显著提高钢的淬透性和回火稳定性，对铁素体有明显的强化作用，可提高屈强比，其力学性能明显高于碳钢，而且价格便宜。

弹簧钢经淬火＋中温回火，可得到回火托氏体，硬度为40～48HRC，其组织性能是具有高的弹性强度和疲劳强度，并有一定的塑性和韧度。如果回火温度过低，会使弹性强度、塑性和韧度不足，如果回火温度过高，会使其强度不足。

6-10 T9和9SiCr钢都属于工具钢，含碳量基本相同，它们在使用上有何不同？下列工具应分别选用它们中的哪一种？

机用丝锥，木工刨刀，钳工锯条，铰刀，钳工量具。

答：T9钢是优质碳素工具钢，容易锻造，加工性能好，硬度高，能承受一定的冲击，而且价格便宜，但淬透性低，淬火变形较大，回火抗力差；适合制造手工工具等。木工刨刀、钳工锯条可选用T9钢制造。

9SiCr钢是应用较广泛的低合金工具钢，具有较好的淬透性和回火稳定性，碳化物细小均匀，其红硬性可达250～300°C，适于制造各种薄刃刀具。机用丝锥、铰刀和钳工量具可选用9SiCr制造。

6-11 高速钢经铸造后为什么要反复锻造？锻造后在切削加工前为什么必须退火？为何W18Cr4V钢的淬火温度要高达1280°C？淬火后为什么要经三次560°C回火？

答：高速钢含有大量的合金元素，使C在γ-Fe中的最大溶解度E点显著左移，所以在高速钢的铸态组织中将出现莱氏体，属于莱氏体钢。其共晶碳化物形状是鱼骨状，粗大而质脆。这种碳化物用热处理方法不能消除，必须借助于反复锻造将其打碎，使之均匀化。以提高刀具质量和延长使用寿命。

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锻造后在切削加工前必须进行等温退火处理。其目的不仅是降低硬度，消除应力，以改善切削加工性能，而且也为以后淬火作组织准备。退火后的组织为索氏体和均匀细小的粒状的碳化物。

由于高速钢中含有大量的W、Mo、Cr、V的难溶碳化物，它们只有在1000°C以上才能并使合金元素充分溶于奥氏体中，以保证淬火、回火后获得高的红硬性，因此，高速钢的淬火加热温度要高达1280°C。

高速钢淬火后的组织为：淬火马氏体、剩余合金碳化物和大量残余奥氏体，经过一次560°C回火后，消除了淬火应力，稳定组织，减少残余奥氏体的数量；但高速钢中的残余奥氏体的量很多，其质量分数为30%左右，经过一次回火难以将其完全转变为回火马氏体，而必须在560°C回火下经三次回火才能使之绝大部分转变为马氏体。经三回火后，可得回火马氏体、细小的颗粒状碳化物和少量的残余奥低体，其硬度为62～65HRC。可达到使用要求。

第7章习题

7-1 与钢相比，铸铁化学成分有何特点？铸铁作为工程材料有何优点？

答：碳钢是指含碳量0.02%～2.11%的铁碳合金，铸铁是指大于2.11%的铁碳合金。与钢相比，铸铁中含碳及含硅量较高。比碳钢含有较多硫、磷等杂质元素。

钢中的碳是以渗碳体的形式存在，白口铸铁组织中存在着共晶莱氏体；灰口铸铁中碳以石墨形式存在。一般说来，铸铁中的碳主要以石墨形式存在时，才能被广泛地应用。

铸铁优点：其生产设备和工艺简单，价格便宜，且有良好的铸造性能，缺口敏感性小、耐磨性好、切削加工性能及减振性等好，有优良使用性能和工艺性能。但力学性能差。

7-2 说明石墨形态对铸铁性能的影响。灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁的石墨形态有何不同？

答：灰铸铁中石墨呈片状，片状石墨的强度、塑性、韧性几乎为零，存在石墨地方就相当于存在孔洞、微裂纹，它不仅破坏了基体的连续性，减少了基体受力的有效面积，而且在石墨片尖端处形成应为集中，使材料形成脆性断裂。石墨片的数量越多，尺寸越粗大，分布越不均匀，铸铁的抗拉强度和塑性就越低。由于灰铸铁的抗压强度、硬度与耐磨性主要取决于基体，石墨存在对其影响不大。故灰铸铁的抗压强度一般是抗拉强度的3-4倍。

球墨铸铁中石墨呈球状，所以对金属基体的割裂作用较小，使得基体比较连续，在拉伸时引起应力集中的现象明显下降，从而使基体强度提高。这就使球墨铸铁的抗拉强度、塑性和韧性、疲劳强度不仅高于其它铸铁，而且可以与相应组织的铸钢相比。

可锻铸铁中石墨呈团絮状。与灰铸铁相比对金属基体的割裂作用较小，可锻铸铁具有较高的力学性能，尤其是塑性与韧性有明显的提高。

7-5 何谓球墨铸铁？球墨铸铁的成分和组织有何特点？可进行何种热处理？ 答：铁水经过球化处理而使石墨大部分呈球状的铸铁称为球墨铸铁。 球墨铸铁比普通灰铸铁的含碳、硅量高，硫、磷杂质含量严格控制。与灰铸铁相比，它的碳、硅含量较高，以有利于石墨球化。球墨铸铁按基体组织可分为：铁素体球墨铸铁、铁素体-珠光体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁。由于石墨呈球状，其割裂基体的作用及应力集中现象大为减小，可以充分发挥金属基体的性能。

可进行退火、正火、调质和等温淬火等热处理。

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7-6 说明下列铸铁的类型，主要性能指标及用途：（1）HT200；（2）HT350；（3）KTH300-06；（4）KTZ550-04；（5）QT400-18；（6）QT800-2。

答：（1）HT200：灰口铸铁，最低抗拉强度为200Mpa，主要制造：端盖、箱体、管子等零件。

（2）HT350：灰口铸铁，最低抗拉强度为350Mpa，主要制造：汽缸、齿轮、液压泵体等零件。

（3）KTH300-06：铁素体可锻铸铁，最低抗拉强度为300Mpa，最低伸长率为6%，主要制造：弯头、三通等零件。

（4）KTZ550-04：珠光体可锻铸铁，最低抗拉强度为550Mpa，最低伸长率为4%，主要制造：曲轴、连杆、齿轮等管件。

（5）QT400-18：球墨铸铁，最低抗拉强度为400Mpa，最低伸长率为18%，主要制造：汽车底盘、气阀阀体等零件。

（6）QT800-2：球墨铸铁，最低抗拉强度为800Mpa，最低伸长率为2%，主要制造：曲轴、机床主轴、缸套等零件。

第8章

8-3 解释铝合金的时效强化现象。什么是人工时效？什么是自然时效？二者给材料造成的性能有何不同？哪种类型铝合金时效强化的效果最好？

答：在Al-Cu合金中，当把Cu的质量分数为0.5%～5.7%的合金加热到固溶线温度以上时，形成单相α固溶体，随后快速淬火冷却后，由于从α固溶体中来不及析出CuAl2相，所获得的组织为α过饱和固溶体，这种过饱和的固溶体不稳定，有自发地向稳定状态（α＋CuAl2）转变的确趋势。这种由过饱和固溶体中沉淀析出强化相的过程，称为时效过程。时效过程若是在某一温度下进行，则称为人工时效；时效过程若是在室温下进行，则称为自然失效。

人工时效可使时效速度加快，温度越高，所获得的强度峰值越低。自然时效进行得缓慢，但可以获得很大强度峰值。

硬铝合金和超硬铝合金时效强化的效果最好。

8-5 硅铝明是指的哪一类铝合金？它们为什么要进行变质处理？

答：硅铝明是Al-Si系铝合金，如ZL102、ZL102、ZL103、…、ZL111。它们通常称为硅铝明。其中ZL102成分简单，仅由Al、Si两组元组成，称为简单硅铝明，其Si含硅量为10%～13%，正好处于共晶点附近（Al-Si合金共晶成分为ωSi=11.7%），具有优良的铸造性能。在铸造缓冷后，该合金几乎全部由共晶组织(α十Si)组成；由于共晶组织中的共晶硅常呈粗大的针状且性能硬脆，其强度及塑性很低，不能满足使用要求。在合金的熔体中加入钠盐混合物（2/3NaF＋1/3NaCl）进行变质处理，可使硅铝明合金获得亚共晶组织α＋（α＋Si）其强度和塑性明显提高。

在简单硅铝明的基础上加入Cu、Mg、Mn等合金元素，就构成复杂硅铝明，其牌号如ZL104、ZL107、ZL109等。这类合金的组织中出现更多的强化相，如CuAl2、MgS及Al2CuMg，在变质处理与时效强化的综合作用下，可使强度升高至200～300Mpa。

8-6 下列零件常使用铜合金制造，试选择适宜的铜合金类型并推荐合金牌号：（1）船用螺旋桨；（2）弹壳；（3）发动机轴承；（4）冷凝器；（5）高精度弹簧；（6）钟表齿轮。

答：（1）船用螺旋桨：选用特殊黄铜（锰黄铜），如ZHMn55-3-1； （2）弹壳：选用普通黄铜，如H68；

（3）发动机轴承：选用特殊黄铜（锰黄铜），如HMn58-2；

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（4）冷凝器：选用特殊黄铜（硅黄铜），如ZHSi80-3； （5）高精度弹簧：选用普通黄铜，如H62； （6）钟表齿轮：选用特殊黄铜（铅黄铜），如HPb59-1。

第9章习题

9-2 举出四种常用的热塑性塑料和两种热固性塑料，并说明其主要的性能和用途。 答：常用的热塑性塑料有：聚乙烯、聚氯乙烯、ABS塑料和聚酰胺；

1、聚乙烯：质地坚硬，有良好的耐磨性，耐蚀性和电绝缘性能，而耐热性差； 主要制造：薄膜、包装材料、电绝缘材料、桶、管等。

高压聚乙烯化学稳定性高，有良好的高频绝缘性，柔软性，耐冲击性和透明性。 2、聚氯乙烯：强度较高，电绝缘性优良，对酸、碱抵抗力强，化学稳定性好，有良好的热成型性能，密度小。

主要用途：化工耐蚀的结构材料，如果输油管、容器、离心泵、阀门管件等。 3、ABS塑料：有高的冲击韧性和较高的强度，优良的耐油、耐水性和化学稳定性。好的电绝缘性和一定的耐磨性。

主要用途：制造齿轮、泵叶轮、轴承、方向盘、电视机、电话、计算机等的壳体以及废水排泄管道和接头。

4、聚酰胺：又称为尼龙，无味，无毒有较高的强度和良好的韧性，有一定的耐热性，可在100°C下使用，优良的耐磨性和自润滑性，而且耐油耐蚀，消音减振；

主要用途：制造要求耐磨、耐蚀的某些承载和传动零件，如轴承、齿轮、滑轮、螺钉、螺母及一些小型零件，芳香尼龙具有良好的耐磨、耐热、耐辐射性和电绝缘性；可作高压油密封圈。

常用的热固性塑料有：酚醛塑料和环氧塑料。

1、酚醛塑料：有优异的耐热、绝缘、化学稳定和尺寸稳定性，以及较高的强度、硬度和耐磨性，其抗蠕变性能优于许多热塑性工程塑料；

主要用途：广泛用于机械、电子、航空、船舶和仪表工业中，如制造高频绝缘件，耐酸、碱件及水润滑轴承。

2、环氧塑料：强度高，且耐热性、耐腐蚀性及可加工性优良，对很多材料有较好的胶接性能。

主要用途：制作塑料模、电气、电子元件和线圈的密封及固定元件。

9-7 说明橡胶和纤维的主要特点和用途。 答：

1、橡胶指使用温度范围内处于高弹态的高分子材料。

性能：橡胶具有良好的伸缩性，储能能力强和耐磨、隔音、绝缘等性能。

主要用途：制作轮胎、密封件、减振件、防振件、运输胶带、电线、电缆及电工绝缘材料等。

2、合成纤维：是以石油、煤、天然气等为原料制成的长度比本身直径大100倍的均匀条状或丝状的高分子材料，其具有强度高、耐磨、保暧、不霉烂等优点。

主要用途：作衣料等生活用品，应用于工业、农业、国防等部门，如汽车、飞机的轮胎帘线、渔网、索桥、船缆、降落伞等。

9-8 现代陶瓷材料有哪些力学性能特点？举例说明其主要应用领域。

答：现代陶瓷材料力学性能特点有：具有高的硬度、耐磨性和弹性模量；抗拉强度很低，抗弯强度较高，抗压强度很高。陶瓷质脆，塑性和韧性差。

应用：高温发动机耐热部件，如叶片、转子等；切削工具等。

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第10章习题

10-2 零件失效的类型有哪些？大致原因是什么？ 答：失效的形式及原因：

1、塑性变形：受静载的零件产生过量的塑性（屈服）变形，与其它零件相对位置发生改变，致使整个机器运转不良，导致失效。

2、弹性失稳：细长件或薄壁筒受轴向压缩时，发生弹性失稳，即产生产很大的侧向弯曲变形，丧失工作能力，甚至引起大的塑性弯曲工断裂。

3、蠕变断裂：受长期固定载荷的零件，特别虽在高温下工作，蠕变量超出规定的范围时，将处于不安全的状态，严重时可能与其它零件相碰，造成断裂。

4、磨损：两相互接触的零件相对运动时，表面发生磨损，磨损使零件尺寸发生变化，精度降低，甚至发生咬合、剥落，而不能继续工作。

5、快速断裂：是指受单调载荷的零件可发生韧性断裂或脆性断裂。韧性断裂是屈服变形的结果；脆性断裂无明显塑性变形，常在低应力下突然发生。

在高温、低温下均可发生；在静载、冲击载荷时也可发生；光滑、缺口构件也可发生。

发生脆性断裂最多的是有尖锐缺口或裂纹的构件，在低温或受冲击载荷时会发生低应力断裂。

6、疲劳断裂：指零件受交变应力作用时，在比静载屈服应力低得多的应力下发生突然断裂，断裂前往往没有明显征兆。

7、应力腐蚀断裂：指零件在某些环境中承载时，由于应力和腐蚀介质的联合作用，发生的低应力脆性断裂。

10-5 对下列零件做出材料选择，并说明选材的理由，制定其工艺路线，说明各热处理工序的作用。

（1）汽车齿轮；（2）机床主轴；（3）受力较大的弹簧。 答：

（1）汽车齿轮：选择20Cr或20CrMnNi； 理由：一般齿轮齿部承受很大的交变弯曲应力和接触应力的作用，齿面会有强烈的摩擦、冲击等，齿轮的损坏形式主要是齿部折断和齿面的过度磨损，故要求齿轮应具有高的弯曲疲劳强度与接触疲劳强度，高的硬度和耐磨性，齿心部应有足够的强度和韧度。汽车齿轮受力更大，高速运转且受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度和心部强度以及冲击韧度等的要求均比机床齿轮高，一般用调质钢高频淬火不能满足要求，所以要用低碳钢进行渗碳处理。

工艺路线：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火及低温回火→喷丸→磨削。 正火作用：锻造后采用正火可以改善其切削加工性；保证心部有较高的强度及韧度。 渗碳作用：提高齿面碳的质量分数，为淬火作准备。

淬火及低温回火：处理后，可得到合金渗碳体、回火马氏体及少量的残余奥氏体；其硬度为60～62HRC。心部一般为托氏体、少量回火马氏体及少量铁素体，硬度为25～40HRC。心部的冲击韧度一般都高于700J/cm2。

（2）机床主轴：选择45或40Cr。 理由：工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；轴与轴零件间有摩擦和磨损；有振动和冲击载荷。其失效形式为：疲劳断裂、过量变形和断裂、过度磨损。

零件的性能要求：良好的综合机械性能，足够的强度、塑性和一定的韧度；高的疲

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劳强度；足够的淬透性，表面有高强度和高耐磨性；良好的切削加工性。

工艺路线：下料→锻造→正火→切削加工→调质→半精加工→局部淬火及低温回火→精加工。

分析：正火是为了获得索氏体组织，细化学晶粒，其硬度为170～240HBS，以便切削加工。调质是为获得回火索氏体组织，使轴具有综合的力学性能，以满足工作需要。局部淬火及低温回火是为了提高轴上有磨损的部位的硬度及耐磨性。

（3）受力较大的弹簧。选择60Si2Mn 理由：工作时主要是利用弹性变形储存的能量可以使机件完成规定的动作。弹簧一般承受压缩、拉伸、扭转、交变的循环载荷和冲击载荷、有些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。其失效形式有：塑性变形、疲劳断裂、快速断裂、腐蚀断裂及永久变形。

零件的性能要求：具有很高的弹性强度、高的疲劳强度；具有一的塑性及韧度，并有良好的表面加工质量。有些弹簧还要具有良好的耐蚀性和耐热性。

工艺路线：冷卷成型→淬火→中温回火→喷丸强化→两端磨平。

分析：淬火及中温回火是为了获得回火托氏体，钢的屈服强度和弹性强度高，弹性好；喷丸是使钢具有高的疲劳强度。

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