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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