（建筑工程管理）工程材
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工程材料习题
<习题一>
1、抗拉强度：是材料在破断前所能承受的最大应力。屈服强度：是材料开始产生明显塑性变形时的最低应
力。刚度：材料抵抗弹性变形的能力。疲劳强度：经无限次循环而不发生疲劳破坏的最大应力。冲击韧
性：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。断裂韧性：材料抵抗裂纹扩展的能力。
2、材料的弹性模量与塑性无关。
3、由大到小的顺序，抗拉强度：2、1、3、4。屈服强度：1、3、2、4。刚度：1、3、2、4。塑性：
3、2、4、1。
4、布氏、洛氏、维氏和显微硬度。由于各种硬度测试方法的原理不同，所以测出的硬度值不能直接进行比
较。
5、（1）洛氏或维氏硬度（2）布氏硬度（3）布氏硬度（4）洛氏或维氏硬度（5）显微硬度
6、冲击功或冲击韧性。由于冲击功或冲击韧性代表了在指定温度下，材料在缺口和冲击载荷共同作用下脆
化的趋势及其程度，所以不同条件下测得的这种指标不能进行比较。冲击韧性是一个对成分、组织、结构
极敏感的参数，在冲击试验中很容易揭示出材料中的某些物理现象，如晶粒粗化、冷脆、热脆和回火脆性
等，故目前常用冲击试验来检验冶炼、热处理以及各种加工工艺的质量。此外，不同温度下的冲击试验可
以测定材料的冷脆转变温度。同时，冲击韧性对某些零件（如装甲板等）抵抗少数几次大能量冲击的设计
有一定的参考意义。
7、产生疲劳断裂的原因一般认为是由于在零件应力集中的部位或材料本身强度较低的部位，如原有裂纹、
软点、脱碳、夹杂、刀痕等缺陷，在交变应力的作用下产生了疲劳裂纹，随着应力循环周次的增加，疲劳
裂纹不断扩展，使零件承受载荷的有效面积不断减小，当减小到不能承受外加载荷的作用时，零件即发生
突然断裂。
可以通过以下途径来提高其疲劳抗力。改善零件的结构形状以避免应力集中；提高零件表面加工光洁度；
尽可能减少各种热处理缺陷(如脱碳、氧化、淬火裂纹等)；采用表面强化处理，如化学热处理、表面淬
火、表面喷丸和表面滚压等强化处理，使零件表面产生残余压应力，从而能显著提高零件的疲劳抗力。
8、断裂韧性表示材料抵抗裂纹扩展的能力。
断裂韧性的实用意义在于：只要测出材料的断裂韧性，用无损探伤法确定零件中实际存在的缺陷尺寸，就
可以判断零件在工作过程中有无脆性开裂的危险；测得断裂韧性和半裂纹长度后,就可以确定材料的实际承
载能力。所以，断裂韧性为设计、无损伤探伤提供了定量的依据。
5
<习题二>
1、略
2、金属键，大量自由电子，良好导电导热性，又因金属键的饱和性无方向性，结构高度
对，故有良好的延展性。
离子键，正负离子的较强电吸引，导致高硬度，高熔点，高脆性，因无自由电子，固态
导电性差。
共价键，通过共用电子对实现搭桥联系，键能高，高硬度，高熔点，高介电性。
分子键，因其结合键能低，低熔点，低强度，高柔顺性。
3、有体心立方，面心立方，密排六方三种，其排列特点见表 2-1
α-Fe，δ-Fe，Cr，V属体心，
γ-Fe，Cu，Ni，Pb属面心，
Mg，Zn属密排六方。
4、由有（m）故α-Fe 的晶格常数为。
1mm3中α-Fe 的原子数
个。
5、（111）、（011）、（001）,
[111]、[011]、（001）。
6、
7、这是因为单晶体在各个晶面和晶向上原子排列密度是有差异的，所以表示出晶体的各向
异性。
而多晶体是由众多细小的晶粒所构成的集合体，各个晶粒的晶轴取向是随机分布的。这
样，多晶体的性能在各个方向上表示出的是统计平均值的大小，所以是各向同性的。
8、α-Fe 的原子排列密度为 ，
γ-Fe 的原子排列密度为 ，
由于γ-Fe 的晶格间隙较大，所以，γ-Fe 的渗碳能力大于α-Fe。
9、体积会膨胀，这是因为α-Fe 的密度小于γ-Fe。
10、有点缺陷（空位、间隙原子），线缺陷（位错）和面缺陷（晶界面、相界面）三种。一
般来说，缺陷密度越高，位错滑移阻力越大，材料强度、硬度越高，塑性、韧性越低。
11、固溶体是以溶剂元素的晶格类型为基础，再溶入一些溶质原子。因为是对称性高的晶
格结构，往往具有较好的塑性。而金属间化合物的晶格结构不同于组成元素的晶格，且
因为离子键或共价键特质，键能较高。故硬度、强度高，脆性大。
12、两种。置换型和间隙型。形成固溶体后，由于溶质原子造成的晶格畸变，固溶体会产
生所谓固溶强化现象，即强度、硬度上升，塑性、韧性下降。
13、有正常价化合物（离子化合物、共价化合物），电子浓度化合物和间隙相等。它们在合
金中一般可作为强化相。
14、一般高分子化合物的分子量都十分巨大，且具有键状结构，键节之间属共价键联接，
键与键之间属分子键联接。
15、主要键型有离子键，共价键，构成陶瓷的晶体相主要是氧化物和含氧酸盐。
5
<习题三>
1、略。
2、形核与长大。
晶核的形核率与生长率的影响因素有：过冷度、熔点、熔化潜热、铸型冷却能力和外力
形核质点的类型和数量等。
3、铸造生产中，控制晶粒大小的措施有：1）、增加过冷度，2）、孕育处理（变质处理），
3）、附加振动等。
（1）中金属模铸件晶粒小，
（2）低温浇注的晶粒小，
（3）采用振动的晶粒小。
4、共晶：L→α+β
包晶：L+α→β
共析：α→β+γ。
5、（1）错（2）对（3）错
6、（！）见下图。不会有纯 Mg相，从相图看 Mg会溶解一部分 Cu形成α固溶体。
7、
8、接近共晶成分的合金流动性好，铸造性能好。而固溶体合金的塑性好，适合压力加工。
5
<习题四>
6、可以金相法区分。
一是看有无莱氏体或石墨组织，有即为 %C的铁碳合金。
二是看有无二次渗碳体，有即为 %C的过共析钢。
剩下的两种合金只要比较珠光体的数量即可，多者为 %C少者为 %C的合金。
7（1）因为渗碳体的体积分数大，材料就硬；
（2）低温莱氏体中有大量共晶渗碳体，故材料的差；
（3）%C的钢在 1100℃时为单相奥氏体，塑性好，故可锻造。而 %C的生铁在 1100℃
时为高温莱氏体，有共晶渗碳体，故不可锻造。
（4）这是因为有时因冶金质量不高，钢中留有低熔点的三元硫共晶在晶界上分布。在
950～1100℃时，硫共晶会熔化，形成所谓“热脆”现象。
（5）对低碳钢而言，确是如此。这样可以保证是在单相奥氏体相区内进行压力加工。
（6）塑性好。
（7）钢丝中碳量越高，钢丝的强度就越大（在共析成分以下）。
（8）T8，T10，T12是工具钢，材料中有大量二次渗碳体，故难锯。
（9）铸铁因其成分接近共晶点，有良好的流动性，故适合铸造；而钢因其基体相为α.Fe
（铁素体），塑性好，且高温下可转变为奥氏体，塑性更好，故适合压力加工。
8主要有 Si，Mn，P，S等.
Si是有益于提高钢的铁素体的强度，主要是固溶强化。
Mn也是有益于提高钢的铁素体的强度，主要是固溶强化和形成合金渗碳体。
P提高钢的冷脆转变温度范围，不利于钢的韧性。
S主要是引起钢的热脆性，这是因为 S会在钢中形成低熔点三元硫共晶。
9强度：T8>T12>45#，碳素钢中以珠光体的综合机械性能为最好，强度最好，T8钢中珠光体
的体积分数最大，其次为 T12和 45#钢；
硬度：T12>T8>45#，碳素钢中以渗碳体相的硬度为最高，T12钢中渗碳体的体积分数最大，
其次为 T8和 45#钢。
塑性：45#>T8>T12，碳素钢中以铁素体相的塑性最好，45#钢中铁素体的体积分数最大，其
次为 T8钢和 T12钢。
10（1）普通碳素结构钢对杂质元素控制不严，用于各种热轧型材和要求不高的机械结构。
（2）优质碳素结构钢对杂质元素控制严格，用于制造一般的机械零件。
（3）高级优质碳素工具钢对杂质元素控制非常严格，用于制造一般形状简单且速度不高
的工具和刃具。
11见表 4—5。
<习题五>
1、（1）滑移：所谓滑移是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面发生相对的滑动。孪生：晶体的一部分
相对于另一部分沿着一定的晶面(孪生面)产生一定角度的切变(即转动)，这种变形方式叫做“孪生”。
（2）再结晶：变形金属加热到较高温度时，原子具有较强的活动能力，有可能在破碎的亚晶界处重新形核
和长大，使原来破碎拉长的晶粒变成新的、内部缺陷较少的等轴晶粒。这一过程，使晶粒的外形发生了变
化，而晶格的类型无任何改变，故称为“再结晶”。二次再结晶：通常再结晶后获得细而均匀的等轴状晶
粒。如果温度继续升高或保温较长时间后，少数晶粒会吞并周围许多晶粒而急剧长大，形成极粗的晶粒，
为了与通常晶粒的正常长大相区别，把这种现象称为“二次再结晶”。再结晶温度：变形金属开始进行再结
晶的最低温度称为金属的再结晶温度。
（3）热加工：凡在再结晶温度以上的加工过程称为热加工。冷加工：凡在再结晶温度以下的加工过程称为
冷加工。
（4）加工硬化：晶粒破碎和位错密度增加，使金属的强度和硬度提高，塑性和韧性下降，产生了所谓加工
硬化(或冷作硬化)现象。
（5）回复：加热温度较低时，变形金属中的一些点缺陷和位错，在某些晶内发生迁移变化的过程，称为回
复。
（6）再结晶：变形金属加热到较高温度时，原子具有较强的活动能力，有可能在破碎的亚晶界处重新形核
和长大，使原来破碎拉长的晶粒变成新的、内部缺陷较少的等轴晶粒。这一过程，使晶粒的外形发生了变
化，而晶格的类型无任何改变，故称为“再结晶”。
（7）织构：当金属变形量达到一定值(70～90％以上)时，金属中的每个晶粒的位向都趋于大体一致，这种
现象称为“织构”现象，或称“择优取向”。
2、因为锌、镁属于密排六方晶格，纯铜属于面心立方晶格。孪生变形仅在滑移系较少而不易产生滑移的密
排六方金属(如 Mg、Zn、Cd等)中易于发生，而面心立方晶格金属（如 Al、Cu等）中由于滑移系较多，故
易产生滑移。
3、弯折一根铁丝时，开始感觉省劲，后来逐渐感到有些费劲，是由于在外力的作用下，铁丝随着外形的变
化，其内部组织也要发生变化，晶粒破碎和位错密度增加，使金属的强度和硬度提高，塑性和韧性下降，
产生了所谓加工硬化(或冷作硬化)现象，金属的加工硬化，给进一步加工带来困难，所以后来逐渐感到有
些费劲。再进一步变形时，由于金属的强度和硬度提高，塑性和韧性下降，很快铁丝就因为疲劳而发生断
裂。
4、金属的晶粒粗细，对其机械性能的影响是很大的。晶粒愈细，晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同位向
的晶粒数愈多。因此，塑性变形抗力也愈大。另外，晶粒的愈细，不仅使强度增高，而且也增加其塑性和
韧性。因为晶粒愈细，金属单位体积中的晶粒数愈多，变形可以分散在更多的晶粒内进行，各晶粒滑移量
的总和增大，故塑性好。同时，由于变形分散在更多的晶粒内进行，引起裂纹过早产生和发展的应力集中
得到缓和，从而具有较高的冲击载荷抗力。所以，工业上常用细化晶粒的方法来使金属材料强韧化。
5、在外力的作用下，金属随着外形的变化，其内部组织也要发生如下的变化：
(一)晶粒形状的变化。塑性变形后晶粒的外形沿着变形方向被压扁或拉长，形成细条状或纤维状，晶界变
得模糊不清，且随变形量增大而加剧。这种组织通常叫做“纤维组织”。
(二)亚结构的形成。在未变形的晶粒内部存在着大量的位错壁(亚晶界)和位错网，随着塑性变形的发生，
即位错运动，在位错之间产生一系列复杂的交互作用，使大量的位错在位错壁和位错网旁边造成堆积和相
互纠缠，产生了位错缠结现象。随着变形的增加，位错缠结现象的进一步发展，便会把各晶粒破碎成为细
碎的亚晶粒。变形愈大，晶粒的碎细程度便愈大，亚晶界也愈多，位错密度显著增加。同时，细碎的亚晶
粒也随着变形的方向被拉长。
(三)形变织构的产生。在定向变形情况下，金属中的晶粒不仅被破碎拉长，而且各晶粒的位向也会朝着变
形的方向逐步发生转动。当变形量达到一定值(70～90％以上)时，金属中的每个晶粒的位向都趋于大体一
致，这种现象称为“织构”现象，或称“择优取向”。
塑性变形对金属性能的影响：组织上的变化，必然引起性能上的变化。如纤维组织的形成，使金属的性能
具有方向性，纵向的强度和塑性高于横向。晶粒破碎和位错密度增加，使金属的强度和硬度提高，塑性和
韧性下降，产生了所谓加工硬化(或冷作硬化)现象。
6、影响再结晶温度的因素是：
（1）预先的变形程度。变形程度愈大，金属畸变能愈高，向低能量状态变化的倾向也愈大，因此再结晶温
度愈低。
(2)原始晶粒大小。金属原始晶粒越小，则变形的抗力越大，变形后储存的能量较高，再结晶温度则较低。
(3)金属的纯度及成分。金属的化学成分对再结晶温度的影响比较复杂。当金属中含有少量元素，特别是高
熔点元素时，常会阻碍原子扩散或晶界的迁移，而使再结晶温度升高。如纯铁的再结晶温度约为 450℃，
加入少量碳变成钢时，其再结晶温度提高至 500～650℃。在钢中再加入少量的 W、Mo、V等，还会更进一
步提高再结晶温度。当合金元素含量较高时，可能提高也可能降低再结晶温度，这要看合金元素对基体金
属原子扩散速度比对再结晶形核时的表面能的影响而定。有利于原子扩散和降低表面能的则降低再结晶温
度；反之，则升高再结晶温度。
(4)加热速度和保温时间。再结晶过程需要有一定时间才能完成，故加热速度的增加会使再结晶推迟到较高
温度才发生；而保温时间延长，原子扩散充分，可使再结晶过程在较低温度下完成。
由于铸造组织没有经过塑性变形所以不能通过再结晶退火来消除粗大铸造组织。
7、金属在冷拔过程中会产生加工硬化，金属的加工硬化，给进一步加工带来困难。为此，在其加工过程中
必须安排一些中间退火工序，来消除加工硬化现象。
8、塑性变形后晶粒的外形沿着变形方向被压扁或拉长，形成细条状或纤维状，晶界变得模糊不清，且随变
形量增大而加剧。这种组织通常叫做“纤维组织”。纤维组织的形成，使金属的性能具有方向性，纵向的强
度和塑性高于横向。晶粒破碎和位错密度增加，使金属的强度和硬度提高，塑性和韧性下降，产生了所谓
加工硬化(或冷作硬化)现象。
9、变形度的影响实际上是一个变形均匀的问题。变形度愈大，变形便愈均匀，再结晶后的晶粒度便愈细。
当变形度很小时，由于晶格畸变小，不足以引起再结晶，故晶粒度保持原样。当变形度在 2～l0％时再结
晶后的晶粒十分粗大，因此时金属中只有部分晶粒发生变形，变形很不均匀，再结晶时的形核数目少，再
结晶后的晶粒度很不均匀，故晶粒极易吞并长大。这个变形度称为“临界变形度”，生产中应设法避免。
10、热加工虽然不致引起加工硬化，但仍能使金属的组织和性能发生显著的变化：
(一)可使钢中的气孔焊合，分散缩孔压实，从而使材料的致密度增加。
(二)可使钢中的粗大枝晶和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，机械性能提高。
(三)可使钢中的各种夹杂物沿着变形方向伸长(塑性夹杂物如 FeS和细碎脆性夹杂物如氧化物等)，但晶粒
通过再结晶变成细等轴晶，而夹杂物却被保留下来，形成了“纤维组织”，在宏观试样上呈现为条状(塑性
夹杂物)和链状(脆性夹杂物)。这种组织使钢的机械性能有了方向性，在沿着纤维的方向上(纵向)具有较高
的机械性能，而且在垂直纤维方向上(横向)性能较低。
钢材在热加工（如锻造）时，加工温度处于其再结晶温度以上，即使发生加工硬化，也会通过再结晶而消
除，故不产生加工硬化。
11、用细棒料压制的齿轮好。
5
<习题六>
第六章习题参考答案
1（1）奥氏体的起始晶粒度：起始晶粒度事指珠光体向奥氏体转变刚刚终了时的奥氏体晶粒度。
实际晶粒度：钢在具体加热条件下实际得到的奥氏体晶粒尺寸。
本质晶粒度：钢加热到 930℃±10℃，保温 8h，冷却后得到的晶粒度。
（2）珠光体：层比较大的铁素体与渗碳体的机械混合物。
索氏体：层片间距较小的铁素体与渗碳体的机械混合物。
屈氏体：层片间距较小的铁素体与渗碳体的机械混合物。
贝氏体：过饱和的铁素体和碳化物的机械混合物。
马氏体：碳在α—Fe中的过饱和固溶体。
（3）奥氏体：碳溶在γ—Fe中的间隙固溶体。
过冷奥氏体：钢在高温时所形成的奥氏体，过冷到 Ar1以下，成为热力学不稳定状态的过冷奥氏体。
残余奥氏体：过冷奥氏体向马氏体转变时，冷至室温或 Mf点尚未转变的奥氏体。
（4）退火：钢的退火是把钢加热到高于或低于临界点（Ac1或 Ac3）的某一温度，保温一定时间，然后随
炉缓慢冷却以获得接近平衡组织的一种热处理工艺。
正火：正火时把亚共析钢加热到以上 30—50℃，过共析钢加热到上 30—50℃，保温后在空气中冷却的工
艺。
淬火：将钢加热到 Ac1或 Ac3以上 30-50℃，保温后快速的操作，称为淬火。
回火：将淬火钢加热到 A1以下某一温度，保温一定时间，然后快速冷却到室温的热处理工艺。
冷处理：将退火钢继续冷却带室温以下某一温度并停留一定时间，使残余奥氏体转变为马氏体，然后在恢
复到室温。
临界淬火冷却速度（Vk）：使获得全部马氏体组织的最小冷却速度。
淬透性：淬透性表示钢在淬火时或得马氏体的能力。
淬硬性：淬硬性使指钢在理想条件下进行淬火硬化（即得到马氏体组织）所能达到的最高硬度的能力。
2珠光体组织使按层间距大小分为珠光体，索氏体，屈氏体三种。
珠光体在等温温度在制 650温度范围内获得，层片较大（>μm）硬度为 170—200HBS，索氏体在等温温
度在 650—600范围内得到层片间距较小（—μm）硬度为 230-320HBS，屈氏体在等温温度在 600-
550范围内得到，层间距更小（<μm），硬度为 330-400HBS。
3贝氏体组织最为常见的是上贝氏体和下贝氏体
上贝氏体使过冷奥氏体在 550-350℃温度范围内等温度形成的。呈羽毛状，有粗大的片状铁素体和粗大
的，分布不均匀的渗碳体组成。韧性显著降低，硬度为 HBC35~45。下贝氏体使是过冷奥氏体在 350~230℃
温度范围内等温形成的，下贝氏体中的铁素体针细小，渗碳体弥散度大。分布更均匀，强度，硬度进一步
提高。塑性，韧性有所改善，具有更好的综合机械性能。
4、马氏体的组织形态主要有两种：板条状马氏体和片状马氏体。
高温奥氏体中含碳量大于 %时，淬火组织中马氏体的形态是片状的，亚结构主要是栾晶，在片体边界上
沿[111]m方向呈点状规则排列有螺形位错。片状马氏体韧性和塑性差。高温奥氏体中含碳量小于 %
时，淬火组织中马氏体的形态是板条状的，体内有高容度位错，{111}r为其惯习面。板条状马氏体的韧性
和塑性好。
马氏体的硬度主要取决于含碳量，随着马氏体含碳量的增高，硬度随之提高，当含碳量超过 %以后硬度
增加趋于平缓。
5、连续冷却是以某一速度连续冷却到室温，使过冷奥氏体在连续冷需冷却过程中发生转变，等温冷却是快
速冷却到 Ar1以下某一温度，并等温停留一段时间，使过冷奥氏体发生转变，然后在冷却到室温。
6、共析钢 C曲线中，过冷奥氏体开始转变点的连线称为转变开始线；过冷奥氏体转变结束点的连线称为转
变结束线。水平线 A1表示奥氏体与珠光体的平衡温度。在 A1线以上是奥氏体稳定存在的区域，A1线以
下，转变开始线以左是过冷奥氏体区，转变结束线以右是转变产物区，转变开始线和结束线之间是过冷奥
氏体和转变产物共存区。
影响 C曲线形状和位置的主要因素有：（1）碳的影响。在亚共析钢中，随含碳量增加，C曲线向右移动；
在过共析钢中，随含碳量的增加，C曲线则向右移动。（2）合金元素的影响：除钴外，所有的合金元素使
C曲线位置右移，碳化物形成元素含量较多时，不仅影响 C曲线位置，还会改变 C曲线的形状。（3）加热
温度和保温时间的影响：随着加热温度的提高和保温时间的延长，C曲线右移。
8、（1）完全退火，目的是消除轧制工艺不合要求而产生的带状组织缺陷，并适当降低硬度，提高塑性和改
善切屑加工性能。退火后组织为珠光体+铁素体
（2）去应力退火：目的是消除铸件的内应力，退火后组织为珠光体+铁素体
（3）去应力退火，目的是消除段柸的热应力，避免使用工程中变形和开裂，退火后组织为珠光体+铁素
体。
（4）球化退火，目的是将珠光体的渗碳体由片状转化为球状，得到球状珠光体，降低钢的硬度，改善切削
加工性能，得到的组织为球状珠光体+球状渗碳体
9、①过冷奥氏体+珠光体②过冷奥氏体③铁素体④过冷奥氏体+屈氏体⑤过冷奥氏体+屈氏体+贝氏体⑥下贝
氏体⑦过冷奥氏体+下贝氏体⑧下贝氏体+马氏体+残余奥氏体⑨过冷奥氏体⑩马氏体+残余奥氏体
（2）V1：退火 V2：正火 V3：等温淬火 V4：分级淬火 V5：双液淬火
10、（a）马氏体(b)贝氏体+马氏体(c)屈氏体+贝氏体+马氏体(d)屈氏体+索氏体+珠光体
11、淬火的目的是为了获得马氏体或贝氏体组织。提高钢的机械性能。
为了防止奥氏体晶粒粗化，一般淬火温度不宜太高，只允许超出临界点 30-50℃。亚共析钢的淬火加热温
度是 Ac3+30-50℃。过共析钢的淬火温度是 Ac1+30-50℃。
12、冷却后组织加热后组织
700℃：珠光体+铁素体珠光体+铁素体
760℃：马氏体+铁素体奥氏体+铁素体
840℃：马氏体+残余奥氏体马氏体+奥氏体
1100℃：粗大的马氏体+粗大的残余奥氏体粗大的奥氏体
13、淬透性表示钢在淬火时获得马氏体的能力。而淬硬层深度为钢的表面至半马氏体区的距离。淬透性是
钢在规定条件下的一种工艺性能，是确定的可以比较的，为钢材本身固有的属性。淬硬层深度是实际工件
在具体条件下淬得的马氏体和半马氏体的深度，是变化的，与钢的淬透性及外在因素（如淬火介质，零件
尺寸）有关。
影响钢淬透性的因素：钢的临界冷却速度（VK）。凡是影响 C曲线位置的因素均能影响钢的淬透性。
淬硬性主要与马氏体的含碳量有关，含碳量愈高，淬火后硬度愈高。
14、机械设计中应考虑钢的淬透性。界面较大或形状复杂以及受力情况特殊的重要零件，要求界面的力学
性能均匀的零件，应选用淬透性好的钢：而陈寿扭转或弯曲再和的轴类零件，外层受力较大，心不受力较
小，可选用淬透性较低的钢种，只要淬透性深度为轴半径的 1/3-1/2即可，这样，既满足了性能的要求降
低了成本。
15、索氏体：正火所得，层片状，HB和回火索氏体相当，屈服强度，冲击韧性都比或会索氏体略低。
回火索氏体：调质所得，铁素体+细小颗粒碳化物，综合机械性能优越。
屈氏体：6000-500℃范围内所得，层片状，硬度 330-400HBS。
回火屈氏体：350-500℃回火所得，硬度为 35-45HRC，又较高的弹性和屈服极限，同时有一定韧性。
马氏体：钢在 Ms点以下发生无扩散转变所得，高强度高硬度，塑性、韧性较差。
回火马氏体易于腐蚀，金相显微镜下为暗黑针片状，HRC58-64.
16、甲厂产品的组织为珠光体+铁素体。乙厂产品的组织为回火索氏体，与甲厂产品相比，乙厂产品具有良
好的综合机械性能。
17、对低碳钢齿轮进行渗碳，渗碳后表面组织从珠光体+铁素体变成马氏体+残余奥氏体，硬度和耐磨性大
幅提高。
对中碳钢齿轮进行表面淬火，表面淬火后表面组织从珠光体+铁素体变成马氏体+残余奥氏体，硬度和
耐磨性提高。
18、表面淬火一般用中碳钢和中碳合金钢，也可用高碳工具钢和低合金工具钢以及铸铁等。渗碳用钢通常
为含碳量 %的低碳钢和低碳合金钢。氮化用钢通常是含有 Al、Cr、Mo等合金元素的钢。
表面淬火后，表面硬度，耐磨性和疲劳强度均提高。三者相比较，淬火后硬度值一般在 HRC45-60之间，渗
碳后硬度值在 HRC58-60之间，渗氮后硬度值在 67-74之间。渗碳与渗氮相比，工件变形大，渗层厚。
表面淬火可用于齿轮、轧辊等；渗碳可用于齿轮、大小轴、凸轮轴、活塞销及机床零件、大型轴承等；渗
氮主要用于各种高速传动精密齿轮，高精度机床主轴（如镗床镗杆，磨床主轴），在交变载荷条件下要求疲
劳强度很高的零件，以及要求变形很小和具有一定抗热、耐蚀能力的耐磨零件。
5
<习题七>
1、合金钢中的合金元素通常分为以下几类：
碳化物形成元素：Mn,Cr,W，Mo,V,Ti,Nb,Zr
非碳化物形成元素：Ni,Cu,Co,Si,Al。
2、除 Co外，所有合金元素溶于奥氏体后，都增大其稳定性，使奥氏体分解转变速度减慢，即 C曲线右
移，从而提高钢的淬透性。碳化物形成碳化物形成元素，如 Mo、W、V、Ti等，当它们含量较多时，不仅使
C曲线右移，而且还会使 C曲线的形状发生变化，甚至出现两组 C曲线，上部的 C曲线反映了奥氏体向珠
光体的转变，而下部的 C曲线反映了奥氏体向贝氏体的转变。
3、（1）合金元素溶入铁素体中形成合金铁素体，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变，产
生固溶强化效应。①非碳化物形成元素：如 Ni、Si、Al、Co等，它们不与碳形成化合物，基本上都溶于铁
素体内，以合金铁素体形式存在；碳化物形成元素，基本上是置换渗碳体内的铁原子而形成合金渗碳体或
合金碳化物，如：Cr7C3等。
（2）钢在淬火后回火时的组织转变主要是马氏体分解、残余奥氏体的分解及碳化物形成、析出和聚集的过
程，这个过程也是依靠元素之间的扩散来进行的。由于合金元素扩散速度小，而又阻碍碳原子扩散，从而
使马氏体的分解及碳化物的析出和聚集速度减慢，将这些转变推迟到更高的温度，导致合金钢的硬度随回
火温度的升高而下降的速度比碳钢慢。这种现象称之为回火稳定性。合金元素一般都能提高残余奥氏体转
变的温度范围。在碳化物形成元素含量较高的高合金钢中，淬火后残余奥氏体十分稳定，甚至加热到
500～600℃仍不分解，而是在回火冷却过程中部分转变为马氏体，使钢的硬度反而增加，这种现象称之为
二次硬化。其次，在高合金钢中，由于 Ti、V、W、Mo等在 500～600℃温度范围内回火时，将沉淀析出特
殊碳化物，这些碳化物以细小弥散的颗粒状存在，因此，这时硬度不但不降低，反而再次增加，这种现象
称之为“沉淀型”的二次硬化，亦称为弥散硬化或沉淀硬化。合金元素对淬火及回火后钢的机械性能的不
利影响是回火脆性问题。
4、（1）奥氏体：碳在γ-Fe 中的一种间隙固溶体。合金奥氏体：溶在合金元素中的奥氏体。奥氏体钢：钢
的组织为奥氏体的钢。
（2）铁素体：碳在α-Fe 中的一种间隙固溶体。合金铁素体：溶在合金元素中的铁素体。铁素体钢：钢的
组织为铁素体的钢。
（3）渗碳体即碳化三铁 Fe3C。合金渗碳体：溶有合金元素的渗碳体，如(Fe、Cr)3C等。特殊碳化物：指
稳定性特高的碳化物，如：WC等。
5、（1）除 Mn、Ni等扩大γ相区的元素外，大多合金元素与铁相互作用能缩小γ相区，使 A4下降，A3
上升，因此使钢的淬火加热温度高于碳钢。
（2）钢在淬火后回火时的组织转变主要是马氏体分解、残余奥氏体的分解及碳化物形成、析出和聚集的过
程，这个过程也是依靠元素之间的扩散来进行的。由于合金元素扩散速度小，而又阻碍碳原子扩散，从而
使马氏体的分解及碳化物的析出和聚集速度减慢，将这些转变推迟到更高的温度，导致合金钢的硬度随回
火温度的升高而下降的速度比碳钢慢。这种现象称之为回火稳定性。
（3）从合金元素对铁碳相图的影响可知，由于合金元素均使相图中的 S点和 E点左移，因此使共析点和奥
氏体的最大溶碳量相应地减小，出现了当含 Cr量为 12％时，共析点地含碳量小于 ％,含碳量 12％时奥
氏体最大含碳量小于 ％。
（4）由于高速钢中含有大量地合金元素，使其具有很高的淬透性，在空气中冷却即可得到马氏体组织。
6、用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。渗碳钢的含碳量一般都很低(在 ～％之间)，属于低碳
钢，这样的碳含量保证了渗碳零件的心部具有良好的韧性和塑性。为了提高钢的心部的强度，可在钢中加
入一定数量的合金元素，如 Cr、Ni、Mn、Mo、W、Ti、B等。其中 Cr、Mn、Ni等合金元素所起的主要作用
是增加钢的淬透性，使其在淬火和低温回火后表层和心部组织得到强化。另外，少量的 Mo、W、Ti等碳化
物形成元素，可形成稳定的合金碳化物，起到细化晶粒的作用。微量的 B(～％)能强烈地增加
合金渗碳钢的淬透性。
7、调质钢一般指经过调质处理后使用的碳素结构钢和合金结构钢。调质钢的含碳量一般在 ～％
之间，属于中碳钢。碳量过低，钢件淬火时不易淬硬，回火后达不到所要求的强度。碳量过高，钢的强
度、硬度虽增高，但韧性差，在使用过程中易产生脆性断裂。常用合金调质钢通常加入的合金元素有
Cr、Ni、Si、Mn、B等，主要是为了提高钢的淬透性及保证强度和韧性而加入的。
8、弹簧钢可分为碳素弹簧钢与合金弹簧钢。碳素弹簧钢是常用的弹簧材料之一，其含碳量为 ～
％。合金弹簧钢的含碳量低一些，约介于 ～％之间，考虑到合金元素的强化作用，降低含碳量有
利于提高钢的塑性和韧性。合金弹簧钢中所含合金元素经常有 Si、Mn、Cr、V等，它们的主要作用是提高
钢的淬透性和回火稳定性，强化铁素体和细化晶粒，从而有效地改善了弹簧钢的力学性能。根据弹簧的加
工成型状态不同，弹簧分为热成型弹簧与冷成型弹簧，热成型弹簧的最终热处理为淬火后中温回火；冷成
型弹簧则是用冷拉弹簧钢丝经冷卷后成型，然后进行低温去应力退火。
9、滚动轴承钢的含碳量为 ～％，这样高的含碳量是为了保证滚动轴承钢具有高的硬度和耐磨
性。主加元素是 Cr，其作用可增加钢的淬透性，铬与碳所形成的(Fe、Cr)3C合金渗碳体比一般 Fe3C渗碳
体稳定，能阻碍奥氏体晶粒长大，减小钢的过热敏感性，使淬火后得到细小的组织，而增加钢的韧性。Cr
还有利于提高回火稳定性。对于大型滚动轴承(如 D>30～50mm的滚珠)，还须加入适量的 Si(～％)
和 Mn(～％)，以便进一步改善淬透性，提高钢的强度和弹性极限而不降低韧性。
10、
钢种 表面组织 心部组织 晶粒大小 性能 原因
20钢
回火马氏体＋渗
碳体
F+P 较细小 外硬内韧
20CrMnTi
回火马氏体＋合
金碳化物
F+P（细）＋低碳回火
马氏体
更细小
表面强度、硬度更高，心部不仅强、硬度
较高，同时韧性好。
加入合金元素不仅改善了组织，同时
性能也得以提高。
11、下料→球化退化→机械加工→淬火+低温回火→磨平面→抛槽→开口
球化退火：降低硬度，便于机械加工，并为最终热处理做好组织上的准备。
淬火+低温回火：保证最终使用性能（高的硬度和良好的韧性），减小变形（分级淬火），降低残余内应力。
最终组织为：下贝氏体＋碳化物。硬度大于 60HRC。
12、热硬性（红硬性）是指外部受热升温时工具钢仍能维持高硬度（大于 60HRC）的功能。W18Cr4V出现二
次硬化的原因是在 550～570℃温度范围内钨及钒的碳化物（WC,VC）呈细小分散状从马氏体中沉淀析出，
产生了弥散硬化作用。同时，在此温度范围内，一部分碳及合金元素从残余奥氏体中析出，从而降低了残
余奥氏体中碳及合金元素含量，提高了马氏体转变温度。当随后回火冷却时，就会有部分残余奥氏体转变
为马氏体，使钢的硬度得到提高。由于以上原因，在回火时便出现了硬度回升的“二次硬化”现象。
而 65钢虽然淬火后硬度可达 60～62HRC但由于其热硬性差，钢中没有提高耐磨性的碳化物，因此不能制造
所要求耐磨的车刀。
13、高的热硬性主要取决于马氏体中合金元素的含量，即加热时溶于奥氏体中合金元素的量，由于对高速
钢热硬性影响最大的两个元素——W及 V,在奥氏体中的溶解度只有在 1000℃以上时才有明显的增加，在
1270～1280℃时奥氏体中约含有 7～8％的钨，4％的铬，1％的钒。温度再高，奥氏体晶粒就会迅速长大变
粗，淬火状态残余奥氏体也会迅速增多，从而降低高速钢性能。这就是淬火温度定在 1280℃的原因。选择
三次回火是因为因为 W18Cr4V钢在淬火状态约有 20～25％的残余奥氏体，仅靠一次回火是难以消除的。因
为淬火钢中的残余奥氏体是在随后的回火冷却过程中才能向马氏体转变。回火次数愈多，提供冷却的机会
就愈多，就越有利于残余奥氏体向马氏体转变，减少残余奥氏体量(残余奥氏体一次回火后约剩 15％，二
次回火后约剩 3～5％，第三次回火后约剩下 2％)。而且，后一次回火还可以消除前一次回火由于残余奥氏
体转变为马氏体所产生的内应力。
14、热处理工艺为：球化退火（降低硬度，便于切削加工，为最终热处理做组织准备）
淬火：其目的是为了保证块规具有高的硬度（62～65HRC），耐磨性何和长期的尺寸稳定性。
冷处理后的低温回火：是为了减小应力，并使冷处理后的过高硬度（66HRC左右）降低至所要求的硬度
（62～65HRC）
时效处理原则：是为了消除新生的磨削应力，使量具残余应力保持在最小程度。
15、Cr12MoV钢类似于高速钢，也需要反复的锻打，把大块的碳化物击碎，锻造后也要进行球化退火，以
便降低硬度，便于奥氏体加工。经机械加工后进行淬火，回火处理。必须指出，如果对 Cr12MoV钢还要求
有良好的热硬性时，一般可将淬火温度适当提高至 1115～1130℃，但会因组织粗化而使钢的强度和韧性有
所将低。淬火后，由于组织中存在大量残余奥氏体（>80%）而使硬度仅为 42～50HRC，但在 510～520℃回
火时会出现二次硬化现象，是使钢的硬度回升至 60～61HRC。
16、奥氏体不锈钢中加入了扩大γ相区降低 Ms点的合金元素（如 Ni），使钢室温下具有单相奥氏体组
织。钢中加 Ti是为了消除钢的晶间腐蚀倾向。为提高其耐腐蚀性常用的热处理工艺有固溶处理，稳定性处
理及除应力处理。
17、耐热钢包括抗氧化钢和热强钢。
提高钢的氧化性，钢中通常加入足够的 Cr,Si,Al和稀土等元素。使钢在高温下与氧接触时，表面能生成致
密的高熔点的氧化膜，它严密的覆盖在钢的表面，可以保护免于高温气体的继续腐蚀。抗氧化钢多用来制
造炉用零件和热交换器。加强钢中常加入铬，镍，钼，钨，钒，锰等元素，用以提高钢的高温强度。汽轮
机、燃气轮机的转子和叶片，锅炉过热器，高温工作的螺栓和弹簧，内燃机排气阀等用钢都是热强钢。
18、（1）、20CrMnTi：渗碳钢。用于承受较强烈的冲击作用和受磨损的条件下进行工作的零件。0．2％的碳
含量保证了渗碳零件的心部具有良好的韧性和塑性，Cr、Mn、Ti等合金元素所起的主要作用是增加钢的淬
透性，提高钢的心部的强度。另外，少量的 Ti可形成稳定的合金碳化物，起到细化晶粒、抑制钢件在渗碳
时发生过热的作用。渗碳钢的主要热处理工序一般是在渗碳之后再进行淬火和低温回火。处理后零件的心
部为具有足够强度和韧性的低碳马氏体组织，表层为硬而耐磨的回火马氏体和一定量的细小碳化物组织。
（2）、40MnVB：调质钢。这类钢在多种负荷下工作，受力情况比较复杂的重要零件，要求具有高强度与良
好的塑性及韧性的配合，即具有良好的综合机械性能。0．4％的含碳量保证调质钢零件获得良好的综合机
械性能；合金元素的加入，主要是为了提高钢的淬透性及保证强度和韧性而加入的。调质钢经过调质热处
理后得到回火索氏体组织。调质钢零件，通常除了要求有良好的综合机械性能外，往往还要求表面有良好
的耐磨性。为此，经过调质热处理的零件往往还要进行感应加热表面淬火。如果对表面耐磨性能的要求极
高，则需要选用专门的调质钢进行专门的化学热处理。
（3）、60Si2Mn：弹簧钢。用于通过弹性变形储存能量，从而传递力和机械运动或缓和机械振动与冲击，如
汽车、火车上的各种板簧和螺旋弹簧、仪表弹簧等，要求必须具有高的弹性极限。％的含碳量为了保证
弹簧的强度要求；合金元素的主要作用是提高钢的淬透性和回火稳定性，强化铁素体和细化晶粒，从而有
效地改善了弹簧钢的力学性能。淬火后中温回火，得到回火屈氏体组织。
（4）、9Mn2V（5）、Crl2MoV：冷作模具钢。用来制造在冷态下使金属变形的模具钢种。为了保证模具经过
热处理后获得高硬度和高耐磨性，冷作模具钢含有比较高的碳量。加入的合金元素，其作用主要是为了提
高钢的淬透性，耐磨性及减少变形等。热处理采用淬火+低温回火的热处理工艺。
（6）、5CrNiMo：热作模具钢。用来制造在受热状态下对金属进行变形加工的模具用钢。碳：％C，保
证一定的强度、硬度和耐磨性；铬：主要是提高淬透性，并能提高回火稳定性，形成的合金碳化物还能提
高耐磨性，并使钢具有热硬性；镍：镍与铬共同作用能显著提高淬透性，镍固溶于铁素体中，在强化铁素
体的同时还增加钢的韧性。锰：在提高淬透性方面不亚于镍，但 Mn固溶于铁素体中，在强化铁素体的同时
使钢的韧性有所降低。钼：其主要作用是防止产生第二类回火脆性。另外钼也有细化晶粒，增加淬透性，
提高回火稳定性等作用。热处理采用淬火+低温回火的热处理工艺。
（7）、1Crl3：马氏体型不锈钢。用于要求韧性较高与受冲击载荷下的耐腐蚀的结构钢零件。铬：能在阳极
区表面上形成一层富 Cr的氧化物保护膜，这层氧化膜会阻碍阳极区域的电化学反应，并能增加钢的电极电
位而使其电化学腐蚀过程减缓，从而使含铬不锈钢获得一定的耐蚀性。热处理采用淬火＋高温回火，得到
回火索氏体组织。
（8）、1Cr18Ni9Ti：奥氏体型不锈钢。含碳量很低，属于超低碳范围，这是因为含碳量增高对耐蚀性是不
利的。合金元素铬主要产生钝化膜，阻碍阳极电化学腐蚀反应，增加钢的耐蚀性；含约 9％Ni主要作用是
扩大γ区并降低 Ms点(降低至室温以下)。使钢在室温时具有单相奥氏体组织。热处理：固溶处理，让所
有碳化物全部溶于奥氏体，然后水淬快速冷却，不让奥氏体在冷却过程中有碳化物析出或发生相变，在室
温下获得单相的奥氏体组织，提高耐蚀性。
（9）、ZGMnl3：高锰耐磨钢。用于制造有强烈摩擦或撞击时的抗磨损的工件。Mn:C比值不小于 10。为了使
高锰钢全部获得奥氏体组织须进行“水韧处理”。
5
<习题八>
一、名词解释：
1．白口铸铁：碳除少量溶于铁素体外，其余全部以化合态的渗碳体析出，凝固后断口呈白亮的颜色，故称
为白口铸铁。
2．灰口铸铁：碳大部分以游离状态的石墨析出，凝固后断口呈暗灰色，故称为灰口铸铁
3．可锻铸铁：可锻铸铁是先将铁水浇注成白口铸铁,然后经过石墨化退火,使游离渗碳体发生分解形成团絮
状石墨的一种高强度灰口铸铁。
4．球墨铸铁：石墨呈球状分布在基体上的灰口铸铁称为球墨铸铁。
5．石墨化：铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程.根据铁合金双重状态图,铸铁的石墨化过程可分为三个
阶段.第一阶段,液相至共晶结晶阶段.第二阶段,共晶至共析转变之间阶段.第三阶段,共析转
变阶段.
6．孕育铸铁：经过孕育处理，获得基体组织上分布细小片状石墨的灰铸铁，称为孕育铸铁。
二、铸铁的石墨化过程是如何进行的？影响石墨化的主要因素有哪些？
1.铸铁的石墨化过程：
铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程.根据铁合金双重状态图,铸铁的石墨化过程可分为三个阶段.
第一阶段,液相至共晶结晶阶段.包括从过共晶成分的液相中直接结晶出一次石墨和共晶成分的液相结
晶出奥氏体和石墨；以及由一次渗碳体和共晶渗碳体在高温退火时分解为奥氏体和石墨。
第二阶段,共晶至共析转变之间阶段.包括从奥氏体中直接析出二次石墨和二次渗碳体在此温度区间内
分解为奥氏体和石墨
第三阶段,共析转变阶段.包括共析转变时，奥氏体转变为铁素体和石墨及共析渗碳体退火时分解为铁
素体和石墨。
2．影响石墨化过程的主要因素：
A.铸铁的化学成分对石墨化的影响
①碳和硅:碳和硅都是强烈促进石墨化的元素.
②锰:锰是阻碍石墨化的元素.它能溶于铁素体和渗碳体中,其固碳的作用,从而阻碍石墨化.
③硫:硫是有害元素,阻碍石墨化并使铸铁变脆.
④磷:磷是一个促进石墨化不显著的元素.
B:冷却速度对石墨化过程的影响
冷却速度越慢，越有利于石墨化。
三、试述石墨形态对铸铁性能的影响。
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。
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。
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,从而使基体强度利用率从灰铸铁的 30%~50%提高到 70%~90%,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。
总之，石墨的形状越接近于球形，铸铁的强度、塑性及韧性越高。
四、比较各类铸铁的性能特点，与钢相比铸铁在性能（包括工艺性能）上有何优缺点？
白口铸铁组织中存在着共晶莱氏体,性能硬而脆,很难切削加工,但其耐磨性好，铸造性能优良。
灰铸铁组织中碳全部或大部分以片状石墨形式存在,断口呈暗灰色。其铸造性能、切削加工性、减摩
性、消震性能良好，缺口敏感性较低。
与钢相比，铸铁中含碳及含硅量较高。同时，含有较多硫、磷等杂质元素。铸铁的抗拉强度，塑性和
韧性要比碳钢低．一般说来，石墨数量愈少，形状愈接近球形，则铸铁的强度，塑性及韧性愈高.石墨的存
在虽然降低了铸铁的力学性能,但却赋予铸铁为许多钢件所不及的性能:
①优良的铸造性能
②良好的切削加工性
③较好的耐磨性和减振性
④较低的缺口敏感性
五、试从下列几个方面来比较 HTl50铸铁和退火状态 20钢。
(1)成分(2)组织(3)抗拉强度(4)抗压强度(5)硬度(6)减摩性(7)铸造性能(8)锻造性能(9)可焊性(10)切削加
工性
成分：20钢含碳量平均为 %，硅含量约 ～%；
HT150对成分无严格要求，只要求其力学性能。作为灰铸铁，其含碳量通常大于 %，硅含量也
较高。
组织：20钢退火组织为铁素体+珠光体；HT150为铁素体+珠光体的基体上分布着片状石墨。
性能比较
抗拉强度,
MPa
抗压强
度，MPa
硬度
HBS
减摩性 铸造性
能
锻造性
能
可焊性 切削加
工性
20钢 ≥410 100~120 好 好
HT150 ≥150 650 170~240 好 好 好
六、现有铸态下球墨铸铁曲轴一根，按技术要求，其基体应为珠光体组织，轴颈表层硬度为 HRC50－55。
试确定热处理方法。
若要使基体获得珠光体组织，须进行高温正火处理：将铸件加热到共析温度范围以上 30~50℃，保温
一段时间后，出炉空冷。
由于要求表层硬度为 HRC50-55，还需进行表面淬火处理，如高频淬火等
七、如何获得高强度球墨铸铁？
首先应严格控制化学成分，控制 S,P含量，以保证球化质量和减少磷共晶等夹杂。适当添加合金元素
以提高淬透性等。其次，提高球化与孕育质量，使石墨的圆整度好，球径小，分布均匀。最后，根据要求
采用适当的热处理工艺，如调质处理，等温淬火等。
5
<习题九>
1、按照铝合金的组织和加工特点，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。
如图 9-1所示，成分在 Dˊ点以左的合金，在加热至固溶度线以上温度时，可得到单相固溶体，塑性好，
适宜压力加工，称为变形铝合金；成分在 Dˊ点以右的合金，凝固时发生共晶反应出现共晶体，合金熔点
低，流动性好，适宜铸造，称为铸造铝合金。
变形铝合金还可按其能否进行热处理强化，又可分为两类：成分在 F点以左的合金，固溶体成分不随温度
发生变化，因而不能用热处理方法强化，称为不能热处理强化的铝合金；成分在 F～Dˊ之间的铝合金，固
溶体成分随温度而变化，可用热处理方法强化，称为能热处理强化的铝合金。
2、在变形铝合金中，对不能热处理强化的铝合金，可通过冷变形（加工硬化）达到强化目的；对能热处理
强化的铝合金，主要通过固溶＋时效处理（时效强化）达到强化目的；铸造铝合金，可通过变质处理（细
晶强化）以及固溶时效处理达到强化目的。
3、Al－Si系铸造铝合金通常称为硅铝明。由于其成分近似于共晶成分，铸造后几乎全部得
到共晶组织，因而这种合金的流动性好，有良好的铸造性能。变质处理前，Al－Si二元合金铸态组织几乎
全部为（α＋Si）共晶组织，其中 Si晶体为硬脆相，并呈粗大针状，故该合金的强度低、塑性差；经变质
处理后，共晶 Si晶体由粗大针状变为细小粒状，结晶组织也由原来的共晶组织变为亚共晶组织，使合金的
强度和塑性明显提高。简单硅铝明用于制造形状复杂但强度要求不高的铸件，如仪表外壳、汽车发动机机
壳等；特殊硅铝明常用于制造形状复杂、强度要求较高的铸件，如发动机活塞、气缸体、风机叶片等。
4、铜合金按化学成分，分为黄铜、青铜、白铜三类。
黄铜的强化方法主要是固溶强化和第二相强化。锌溶入铜中可形成固溶体，产生固溶强化，当含锌量（或
加其他合金元素后的名义含锌量）超过铜的最大溶解度以后，便出现较硬的第二相，则产生第二相强化。
青铜中，锡青铜的强化方法和特点与黄铜相似；无锡青铜如铍青铜、硅青铜等，由于铍、硅等元素在铜中
的溶解度随温度的降低而明显减小，因此它们可进行固溶（淬火）时效强化。
白铜中镍与铜在固态下可形成无限固溶体，具有很好的冷、热加工性能，可通过固溶强化和加工硬化提高
强度。
5、H68属单相黄铜，室温组织为单相α固溶体，故该黄铜塑性好、强度低；H62属两相黄铜，室温组织为
α＋β′，由于组织中出现硬脆的βˊ相，故与前者相比,H62的强度、硬度较高，而塑性较低。
6、根据铜中加入的合金元素主要是锡还是其他元素可将青铜分为两类，即锡青铜和无锡青铜。无锡青铜中
按主要加入元素如 Al、Si、Be等的不同，分别称为铝青铜、硅青铜、铍青铜等。
在锡青铜中，随含锡量的不同，其组织和性能也不同。含锡量在 5％～6％以下时，室温组织为单相α固
溶体，由于 Sn的溶入产生固溶强化，使锡青铜的强度随含锡量增加而升高，塑性略有改善。当含锡量超过
5％～6％时，由于组织中出现硬脆的δ相（Cu31Sn8），合金的强度仍继续升高，但塑性大为降低。当含锡
量大于 20％时，由于δ相大量出现，使合金变脆，以致强度急剧下降。因此，工业锡青铜的含锡量一般
为 3％～14％之间。
由于锡青铜的结晶温度范围较宽，使得它在铸造性能上具有流动性小，偏析倾向大，易产生分散缩孔，铸
造致密性不高的特点，但这种合金在凝固时的体积收缩率很小，充满铸型的能力高，有利于获得形状精确
与复杂结构的零件。
7、轴承合金应具备以下性能：
（1）、在工作温度下具有足够的机械性能，特别是抗压强度、疲劳强度和冲击韧性。
（2）、要求摩擦系数小，减摩性好，良好的磨合性和抗咬合能力，蓄油性好，以减少轴颈磨损并防止咬
合。
（3）、具有小的膨胀系数和良好的导热性和耐蚀性。以保证轴承不因温度升高而软化或熔化，耐润滑油的
腐蚀。
（4）、容易制造，价格低廉。
轴承合金的组织应该是：在软的基体上均匀分布着硬质点，或者是在硬的基体上均匀分布着软质点。
8、按退火组织可将钛合金分为三类：α型钛合金、β型钛合金、（α＋β）型钛合金。
镁合金主要有 Mg－Mn系、Mg－Al－Zn系、Mg－Zn－Zr系等合金系。其中 Mg－Mn系合金具有良好的耐蚀性
和焊接性，主要用于制造蒙皮、壁板等焊接件及外形复杂的耐蚀件；Mg－Al－Zn系合金具有较高的耐蚀
性、热塑性和较好的铸造性能，可用于生产形状复杂的锻件、铸件及受力较大的飞机和发动机零件；Mg－
Zn－Zr系合金具有较高的强度、良好的塑性和铸造性能，但耐热性较差，主要用于制造 150°C以下温度工
作的飞机、导弹、发动机中承受较高载荷的结构件或壳体；Mg－Re－Zr系合金具有良好的铸造性能，常温
强度和塑性较低，但耐热性较高，主要用于制造 250°C以下温度工作的高气密零件。
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<习题十>
1、高分子材料所特有的复杂链状大分子结构及独特的多重热运动单位，使其力学性能有以下三个特点：
⑴强度不高、刚度小和韧性较低的机械性能阻碍其用于工程构件和机械零件；⑵独特的高弹性，使其弹性
变形量大，最大可达 1000%，而弹性模量低，约为 2-20MN/m2；⑶突出的粘弹性，表现出蠕变、应力松驰、
滞后和内耗等力学松弛现象。
物理性能有以下三个特点：⑴非常小的密度(
低熔点，不耐热、导热率低、大的线膨胀系数、易燃性；⑶优异的电绝缘性和极易表面发生静电现象。
化学性能有以下二个特点：⑴优良的化学稳定性，在各种化学介质中不易发生化学腐蚀和电化学腐蚀；⑵
本质决定存在的老化现象。
2、由于内外因素综合作用，高聚物的物理、化学和机械性能随时间推移逐渐变坏的现象，称之为高聚物的
老化。
防止老化方法有：⑴改性处理，通过改变高聚物结构消除引发老化内因，如交联改性或共聚改性；⑵防老
化设计，合成具有抗老化性能的结构的高聚物；⑶改进成型加工工艺，提高纯度、减少杂质和残留，减少
支链和不饱和结构；⑷表面处理，给高聚物表面喷(镀)金属、耐老化涂料或石腊等保护涂层；⑸控制环境
条件，尽量避免日晒、雨淋、氧化、过热和机械作用，防止微生物和昆虫滋生；⑹加入稳定剂，添加抗氧
化剂、热稳定剂、紫外线吸收剂、光屏蔽剂等抑制老化反应发生。
3、工程材料按物性分类为：金属材料、有机高分子材料和无机非金属材料。金属材料含钢、铁和有色金属
材料，其化学键为金属键，导电导热、强度高、韧性好、耐腐蚀性能差；有机高分子材料含塑料、橡胶和
纤维材料等，其化学键为共价键、密度小、独特的高弹性和粘弹性、电绝缘性好、隔热隔音减振、耐腐
蚀、耐热性差、易燃易老化；无机非金属材料含陶瓷、玻璃、胶凝和耐火材料等，其化学健为离子键和混
合键，硬度高、刚性大、脆性大、熔点高、绝缘性好、导热性差、耐腐蚀。
4、常用橡胶按来源分：天然橡胶和合成橡胶二大类。
按化学组成分：碳链橡胶和杂链橡胶二大类。
按用途分：
通用橡胶----天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、异戍橡胶等。合成橡胶其组成和性能及应用类
似天然橡胶，具有优异的高弹性、较好机械性能、电绝缘性、耐低温性、不透水性及加工性，但耐油、耐
溶剂和耐高温性能差，主要用于不要求耐油和耐热的轮胎、胶带、胶管及日用品类。
准通用橡胶----丁基橡胶、乙丙橡胶、丁晴橡胶。该类组成类似塑料，高弹性能不如天然橡胶，但在耐化
学性、耐油、耐热等性能优良，应用于工业领域胶管、胶带、胶辊、密封圈、衬里等。
特种橡胶-----硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶等。该类组成特殊，因而在耐热、耐化学品、耐磨等性能方面
特别优异，所以用于要求上述特殊性能的零部件方面。
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<习题十一>
1、用无机非金属物质为原料，经原料处理、成型和高温烧成工艺过程而得到的制品或材料称为陶瓷。用硅
酸盐天然矿物原料经粉碎配料、成型、烧成工艺过程获得制品或材料称为传统陶瓷，用合成无机化合物经
精密控制制备工艺烧结而成的制品或材料称为先进陶瓷。
陶瓷的组织是由晶体相、玻璃相和气相三相组成。晶体相是陶瓷主要组成相，对陶瓷性能起主要作用。通
过改变其结构、形态、数量及分布从而起到改变陶瓷力学、物理和化学性能作用。玻璃相是将晶体相相互
连接起来的连接相，它可通过填充空隙提高陶瓷致密度，降低烧成温度加快烧结过程，阻止晶体转变抑制
晶体长大，所以对陶瓷性能改变起辅助作用。当玻璃相含量较高时，可使陶瓷获得一定的玻璃特性，并对
陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火性起到不利作用。气相是陶瓷中的气孔，对陶瓷性能影响极大。它
降低强度、增大介电损耗、造成裂纹形成，对机械工程材料和绝缘材料来说是要尽量减少的。对需要隔热
和过滤材料来说，是要控制增加的。根椐陶瓷中的气相情况，可分陶瓷为致密陶瓷、多孔陶瓷和无开口孔
陶瓷。
2、在工程材料中，陶瓷的力学性能是刚度最大、硬度最高、良好的抗压能力、理论强度很高但实际强度较
低、塑性极低，韧性极低戓脆性极高。陶瓷的物理和化学性能是熔点高、热膨胀系数很小、导热性差、热稳
定性很低、化学稳定性极好、导电性变化范围大、大多数陶瓷是良绝缘体，少数是半导体。
3、常用工程陶瓷按性能划分有：
普通陶瓷----日用陶瓷、艺术陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电工陶瓷等，其是传统的硅酸盐陶瓷，应用于
日用品、艺术品、建筑的屋面、墙面、地板、卫生洁具等、化工的耐腐蚀容器、衬里、管道等、电工器材
的绝缘材料等。
特种陶瓷----结构陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷，其是先进陶瓷，主要由人工合成的无机化合物如氧化物、
碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等精选原料，精确控制化学组成、显微结构和工艺过程制备的，具有优
异特性的陶瓷。结构陶瓷应用于高温下结构件材料，如火箭喷管喉衬、各种热机耐热部件、机械化工等领
域的高温构件、耐磨耐腐蚀部件、切削刀具等。功能陶瓷是检测、传递机、电、声、光、热、磁及其之间
耦合的材料，又称电子陶瓷，应用于电子、信息、自动化等领域，如热敏电阻、快离子导体、智能性的陶
瓷变阻器等。
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<习题十二>
1、复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料，即基体材料和增强材料组成的多相固体材料。
复合材料分类有：
按基体分类---金属基(Al、Mg、Ti、Cu等金属和合金)与非金属基(聚合物、陶瓷、碳、石墨等)两类。
按用途分-----结构复合材料与功能复合材料。前者用作承力结构材料，要求质量轻、强度和刚度高，并具
有一定的耐热、耐蚀等性能。后者是指提供力学性能以外其他物理性能材料，因而其性能有如导电、超
导、半导、磁性、压电、阻尼、吸音、吸波、屏蔽、摩擦等特性。
按增强材料分----颗粒复合材料(零维)、纤维复合材料(一维纤维状、二维片状、三维立体编织状)等。其
性能比组成材料好，改善了组成材料弱点，发挥了优点，并能进行材料最佳设计，创造新的性能或功能。
所以复合材料具有各类材料中最高的比强度和比模量、优良的抗疲劳性能、较强的减振能力、较好的高温
性能以及高的断裂安全性。
2、增强材料有：金属和无机非金属颗粒、晶须、玻璃纤维、碳纤维、高强有机纤维、陶瓷纤维等。
复合增强原理为：⑴颗粒增强复合材料中基体承载，细颗粒阻碍基体中位错运动或分子链运动，使复合材
料增强。⑵纤维增强复合材料中纤维承载，纤维尺寸小强度高韧性好，纤维表面受基体保护，基体有止裂
作用，断裂时纤维拔出要克服粘结力，以及纤维处于三向应力状态等。
3、常用复合材料有：
（1）、玻璃钢(玻纤)----热塑性玻璃钢----聚丙烯玻璃钢
聚酰胺玻璃钢、聚苯乙烯玻璃钢、聚酯玻璃钢、聚碳酸酯玻璃钢
和热固性聚合物基-----酚醛树脂玻璃钢
环氧树脂玻璃钢、不饱和聚酯玻璃钢、有机硅玻璃钢
（2）、纤维复合材料-----碳纤维树脂复合材料----环氧/碳纤维复合材料
酚醛/碳纤维复合材料、聚四氟乙烯/碳纤维复合材料、碳纤维/碳复合材料、碳纤维/金属复合材料、碳纤
维/陶瓷
4、常用纤维增强金属基复合材料是解决航空航天等高技术领域提高用材强度、弹性模量和减轻重量的需要
发展的先进材料，由于金属基机械性能远高于树脂、导电导热、无老化现象，经耐高温、高强、质轻的纤
维增强则其力学性能高、工作温度高、硬度高且耐磨、不吸湿无老化特点。其应用根椐强度和模量分为二
类：
（1）、高性能的硼纤维、CVD碳化硅纤维增强铝和钛基复合材料，其抗拉强度>1200MPa,弹性模量>200GPa
（2）、中等性能的碳纤维增强铝复合材料、碳纤维增强镁复合材料、碳化硅增强铝复合材料，其抗拉强度
在 600-1000MPa，弹性模量在 100-150Gpa之间。
目前已应用于航天、卫星、导弹构件、喷气发动机风扇叶片、传动轴及耐热耐磨件上。
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<习题十三>
1、零件失效是指其工作中丧失规定功能，主要形式为断裂、变形和表面损伤三大类型。具体失效形式与实
际工作时内、外因条件有关而取决其抗力最小者。因此防止零件失效可釆取主要措施有：
（1）精心设计，根椐零件工况、结构和环境等条件下可能发生的基本失效模式而建立的设计计算准则，进
行设计计算，保证在给定条件下正常工作。通常不仅要对零件进行强度设计、结构设计，而且要根据可能
失效形式进行摩擦磨损设计、疲劳设计、防腐蚀设计。在设计中尽量注意零件要有足够强度安全系数，结
构尽量避免引起应力集中的结构形式等。
（2）认真选材，在滿足设计条件前提下，选择加工性能好、性能稳定、经济的材料。
（3）正确实施制造工艺，在零件工艺制造过程中，尽量避免热加工和机加工过程产生材质内部缺陷、减少
和消除冷热残余应力，保证尺寸公差和表面粗糙度设计要求，防止表面氧化、微裂纹和硬化层过薄、梯度
过大、硬度不足等产生。
（4）装配调试良好，按正确装配工艺程序进行，适当调整，足时跑合，及时清洗调修。
2、选材有三大基本原则：
（1）使用性能原则，这是主要优先考虑原则。为保零件功能，最重要使用性能是机械性能。由工作条件和
失效形式确定使用性能要求，根据实验结果将其指标化，同时考虑许用值，然后利用手册等资料数据选
材；
（2）工艺性能原则，这是在使用性能确定下，对材料最终使用性能的保障原则。根椐实际加工条件，确定
工艺路线，提出具体工艺性能，选择工艺性能可行的材料。特殊情况下，工艺性能也可能成为选材主要依
据；
（3）经济性原则，这是保证零件生产和使用总成本最低原则。零件总成本与使用寿命、重量、加工、维护
费用以及材料价格等有关，所以在明确上述二个原则基础上才能定量分析经济性，使所选材料最经济。
3、（1）活塞是发动机曲柄连杆机构中在燃烧室内上下住复运动零件。它的主要功能是密封燃烧室，上下运
动压缩燃料气体和承受传递燃料爆燃膨胀力到曲轴。所以在工作中它的顶面受到周期变化的气体压力、它
与连杆联结的活塞销座受到机构惯性力、扭转、冲击力等、它的侧壁的密封环槽受到循环应力等。因比对
活塞的性能要求是：质量轻、耐热耐蚀、气密性好、强度高、冲击韧性、扭转疲劳强度较好。从质量轻、
耐热耐蚀性能考虑选择铝合金；从气密性好和机械性能较高方面，以强度、韧性为设计指标，考虑疲劳强
度，选择变形硬铝合金 LD7为宜。
（2）曲轴是发动机曲柄连杆机构中旋转轴零件。它的功能是将活塞传递的气体压力通过连杆转换为旋转机
械能。所以它要受到周期变化的拉压应力、旋转惯性力、扭转、弯曲应力、冲击力以及高速运动的扭转振
动力作用。因此曲轴的性能要求是高强度、良好的冲击韧性、弯曲和疲劳强度，还要考虑轴颈处的高硬度
和耐磨性。根据发动机功率和转速决定的曲轴工况应力确定强度、塑性和冲击韧性为设计指标，考虑疲劳
强度、耐磨性和经济性，选择小功率低转速时以高强球铁为宜、中高功率和转速时以中碳调质钢为宜。
（3）排气阀是发动机燃烧室排放燃烧完的废气阀门。它在工作时要经受高温废气的压力、不排气时要保证
密封不泄漏气体。因此它的性能要求是：高温下长期使用下有足够的高温强度、持久强度、抗蠕变、良好
的热疲劳强度、韧性和抗氧化性。同时它的组织在工作高温温度的要稳定，不能发生再结晶变化，才能保
证材料高温机械性能不恶化。所以选择热强钢材料为宜，考虑发动机排气阀工作温度约 600℃，高温性能
设计指标等，选用马氏体热强钢如 4Cr9Si2钢等。
（4）气门弹簧是发动机燃烧室外压紧气门的弹簧零件。在进或排气时凸轮挺杆的张力大于弹簧力，弹簧弹
性变形打开气门，随后外张力减小至消失，弹簧弹性收缩又压紧气门，如此不断周期循环工作。因此它的
性能要求是：滿足控制气门开启关闭的弹性极限、较高的疲劳极限和缺口疲劳极限、足够的塑性、韧性、
良好的表面质量、较好的淬透性、低的脱碳敏感性等。所以选择弹簧钢，进一步考虑强度没计和结构设计
性能指标和较小几何尺寸，选择 60Mn或 65Mn即可。
（5）滑动轴承是支承发动机内运动件并保证其正常运动的零件。它在工作时不仅承受轴的压力，而且与轴
颈之间有相对滑动，产生摩擦磨损。为保轴的磨损最小、并滿足轴承工作条件，滑动轴承的性能要求是：
在工作温度下有足够抗压强度、疲劳强度、塑性和韧性，与轴的摩擦系数最小并能贮存润滑油、具有良好
磨合能力、抗蚀性、导热性和较小膨胀系数，良好工艺加工性和经济性。考虑以上要求，所以选择轴承合
金。根椐发动机功率和转速确定的滑动轴承强度指标、工作温度、耐磨性等实际参数，具体确定那一类轴
承合金和牌号。通常大型重载低速发动机选择锡基轴承合金，中低载低速发动机选择铅基轴承合金，高速
高压发动机选择铜基轴承合金。
