第一章金屬材料的性能

復習思考題

1.什么是塑性變形？什么是彈性變形？

答：金屬材料在外力作用下，發生不可逆的永久變形稱為塑性變形。金屬材料在外力作

用下，金屬材料發生變形，失去外力金屬材料又恢復到原來狀態的變形叫彈性變形。

2.Rpo.2的含意是什么？為什么低碳鋼不用此指標？

答：睨。,2的含意是對于高碳鋼、鑄鐵、銅、鋁等金屬材料，沒有明顯的屈服現象，拉伸

曲線上沒有小鋸齒狀平臺，通常規定試樣產生0.2%塑性變形時的應刀作為其規定非比例延

伸強度，用以。,2表示。低碳鋼有明顯屈服現象，可以測定其上屈服強度RcH和下屈服強度

&L，所以不用此指標。

3.抗拉強度與硬度之間有沒有一定的關系？為什么？

答：抗拉強度與硬度之間有一定的關系，低碳鋼：&產2.7HBS、高碳鋼：&M3.8HBS、

合金調質鋼：&a4.3HBS、灰鑄鐵：a產1.0HBS。由于硬度和強度以天同形式反映了材料在

外力作用下抵抗變形和斷裂的能力，故二者之間有一定的關系。

4.沖擊吸收能量K代表什么指標？為什么K不直接用于設計計算？

答：K值是試驗中測定的吸收能量，它反映的是材料在沖擊載荷下彈性變形、塑性變形

和斷裂過程中吸收能量的能力。也就是金屬材料的沖擊韌性。

在沖擊能量相對不太大的情況下,金屬材料承受多次重復沖擊的能力，主要取決于強度,

而不是要求過高的沖擊韌性。即沖擊韌性較低而強度較高的材料壽命較長。因此，用K值

來衡量和設計這些機械零件是不太合適的，一般只用K值作為選擇材料的參考。

5.某低碳鋼拉伸試樣，直徑為10mm,原始標距為50mm,屈服階段拉力值首次下降

前的最大拉力為18840N,屈服階段不計初始瞬時效應時的最小拉力為18740N,屈服之后、

斷裂前的最大拉力為35320N,拉斷后將試樣接起來，標距之間的長度為73mm,斷口處截

面平均直徑為6.7mm。問該低碳鋼的“，凡H，凡L，乙4各是多少？其硬度大約是多少？

答：人=區=—35320=450MPa

-3.14心

R0H*=18840

7=240MPa

>010

3.14x

F18740

R=^239MPa

CLSo

3.14x

S-S

Z=-2~JLx|(X)%=x100%=55%

So

T73-50

A=u-I^xl00%=xl00%=46%

L。50

因為是低碳鋼：/?,n*2.7HBS

HBS==167

2.72.7

第二章金屬的晶體結構

復習思考題

1.已知Cu的原子直徑為2.56A（"=1（）T°m）,求Cu的晶格營數，并計算1mn?Cu

中的原子個數。

答：銅的晶體結構為面心立方晶格，晶格常數與原子半徑之間的關系為：”號

e..2.56-Jiao

因此,----=-----,a=3.62A

24

原子個數〃=4x4=3￡x4=8.43xl（T個

a33.623

2.何謂晶體？何謂晶胞？

答：晶體是原子都按一定次序作規則排列的固體材料。

能夠完全代表晶格中原子排列規律的最小幾何單元稱為晶胞。

3.按幾何形態不同，晶體缺陷可分為哪三大類？

答：晶體缺陷可分為：點缺陷、線缺陷和面缺陷三大類。

4.在實際生產中，如何控制液態金屬的結晶過程，以獲得細小晶粒？

答：（1）增大金屬的過冷度；（2）變質處理；（3）振動；（4）攪拌。

5.何謂同素異構轉變？舉例說明。

答：金屬在固態時改變其晶格類型的過程稱為同素異構轉變。如純鐵在固態下的三種晶

|394℃917℃

格類型的轉變為：、y-Fe、、a-Fe。

6.一塊質量一定的純鐵，發生a-Fe912c＞「Fe時,其尺寸（體積）如何變化?

答：a-Fe轉變為y-Fe時致密度變大，因此體積減小。

7.何謂枝晶偏析？如何消除或改善？

答：晶體內部化學成分不均勻的現象稱為枝晶偏析。

消除或改善措施：擴散退火。

附：解釋下列名詞：合金、組元、相、組織、相圖、固溶體、金屬化合物。

答：合金是指由一種金屬元素與非金屬元素或其它金屬元素通過溶煉或燒結，或用其它

方法結合而形成的具有金屬特性的物質。

組成合金最基本的、獨立的物質稱為組元。

相是指在金屬或合金中，凡成分相同、結構相同并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。

通常，將在顯微鏡下所觀察到的晶粒或組成相的大小、多少、形態和分布等特征稱為顯

微組織，也稱金相組織。

相圖是合金的相結構（或狀態）隨溫度、壓力以及成分的改變而發生變化的圖形。

合金由液態結晶為固態時，一種組元的原子溶入另一組元的晶格D所形成的均勻固相稱

為固溶體。

金屬化合物是合金組元間發生相互作用而生成的晶格類型和性能不同于任一組元的物質。

第三章鐵碳合金相圖

復習思考題

1.解釋下列名詞：合金、組元、相、組織、相圖、固溶體、金屬化合物、鐵素體、奧氏

體、滲碳體、珠光體、菜氏體、F%C］、Fe3C?,Fe3CIN,亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼。

答：鐵素體是碳溶于a-Fe中形成的固溶體。

奧氏體是碳溶于y-Fe中形成的固溶體。

滲碳體是鐵與碳形成的金屬化合物Fe.，C。

珠光體是鐵素體和滲碳體組成的兩相混合物。

萊氏體是奧氏體和滲碳體組成的兩相混合物。

Fe5C,：從液體金屬中直接結晶出的滲碳體稱為一次滲碳體。

Fe3Cn：從A中析出的滲碳體稱為二次滲碳體。

Fe3CMI：由F中析出的滲碳體稱為三次滲碳體。

亞共析鋼：0.0218%V股V0.77%,室溫組織為F+P。

共析鋼：%=0.77%,室溫組織為P。

過共析鋼：0.77%V%,,2.11%,室溫組織為P+FesGn。

2.根據簡化的鐵碳合金相圖，描繪下列鐵碳合金從高溫液態緩冷至室溫時的組織轉變

過程。

(1)%=0.77%；(2)%=1.5%；(3)%=3.5%；(4)%=4.3%

答：⑴股=0.77%：LTL+A—A—P

(2)wc=1.5%：L-*L+A-*A+Fe3cH-*P+Fe3Cin

(3)wc=3.5%：L--L+A-A+Fe3cH—P+Fe3c川+Ld-P+Fe,Cm+Ld'

(4)%=4.3%：L—LdfEd'

3.根據簡化的鐵碳合金相圖計算：

(1)室溫下，%=0.45%的亞共析鋼中珠光體和鐵素體各占多少？

(2)室溫下，共析鋼中鐵素體和滲碳體各占多少？

(3)鐵碳合金中，Fe3cli和FejCw的最大百分含量是多少？

解：(1)室溫下，%=0.45%的亞共析鋼中鐵素體和珠光體的相對量為

Fx(0.45-0)=(100%-F)x(0.77-0.45)

077-045

F=-———xl00%=41.6%

0.77

P=100%-41.6%=58.4%

(2)室溫下，共析鋼中鐵素體和滲碳體的相對量為

Fx(0.77-0)=(100%-F)x(6.69-0.77)

F=669一°刀xlOo%=88.5%

6.69

Fe3Cu=100%-88.5%=11.5%

(3)鐵碳合金中，和Fe3cHi的最大百分含量:

0.0218-0.00081…M

Fe3。=-------------------x100%=0.31%

6.69

o11_Q77

Fe3C?=-X100%=20%

6.69

4.從某倉庫找出一根積壓的碳鋼棒料經金相分析后發現其組織為珠光體和鐵素體，其

中鐵素體占80%,問此鋼材的含碳量大約是多少？

解：設此鋼材的含碳量為x%,鐵素體和珠光體的相對量為

Fx(x-0)=(100%-F)x(0.77-x)

80%x(x-0)=(100%-80%)x(0.77-x)

077

x=^-xl00%=0.154

5

因此，此鋼材的含碳量大約是0.154%。

5.某退火碳鋼進行金相分析，發現其組織為鐵素體和粒狀滲碳體，其中粒狀滲碳體占

18%,問此鋼的含碳量大約是多少？

解：設此鋼材的含碳量為x%,鐵素體和滲碳體的相對量為：

（100%-18%）x（x-0）=18%x（6.69-x）

x=6.69x18%

x=1.2

因此，此鋼材的含碳量大約是0.012%。

第四章鋼的熱處理

復習思考題

1.一批由直徑為5mm的共析鋼制成的銷子，采用什么熱處理方法可以得到下列組織：

（1）珠光體；（2）托氏體十索氏體；（3）下貝氏體；

（4）回火索氏體；（5）馬氏體+殘余奧氏體

答：（1）共析鋼退火獲得珠光體；（2）共析鋼正火處理獲得托氏體+索氏體；（3）等溫

淬火獲得下貝氏體；（4）調質處理獲得回火索氏體；（5）淬火處理獲得馬氏體+殘余奧氏體

2.試述共析鋼奧氏體形成的幾個階段，并分析亞共析鋼奧氏體和過共析鋼奧氏體形成

的主要特點。

答：共析鋼加熱形成奧氏體可分為四個階段：（1）奧氏體晶核的形成，這個過程稱為奧

氏體形核；（2）奧氏體晶核的長大；（3）殘余滲碳體的溶解，當鐵素體全部轉變為奧氏體后，

還會有部分滲碳體沒有溶解，這部分滲碳體稱為殘余滲碳體。隨著時間的延長，殘余滲碳體

會不斷溶解，直至全部消失。（4）奧氏體成分的均勻化延長保溫時間，通過碳原子的擴散,

可使奧氏體的含碳量趨于均勻一致。

亞共析鋼加熱到AQ溫度時，珠光體轉變成奧氏體，但鐵素體不會全部轉變成奧氏體,

只有加熱到AC3溫度時，才能形成單一奧氏體。同樣的道理，對過共析鋼需要加熱到Aqm

線以上，才能形成單一的奧氏體。

3.說明共析鋼C曲線各個區、各條線的物理意義，在曲線上標注出各類轉變產物的組

織名稱及其符號和性能，并指出影響c曲線形狀和位置的主要因素。

答：共析鋼C曲線，過冷奧氏體的等溫轉變，按得到的產物組織的不同，可分為三種

類型：珠光體型轉變、貝氏體型轉變和馬氏體型轉變。過冷奧氏體在4以下至550C溫度

范圍內的某一溫度保溫，發生等溫轉變，其產物稱為珠光體型組織；貝氏體轉變是過冷奧氏

體在“鼻子”溫度至Ms點(550?230℃)范圍內進行的轉變；奧氏體以極大的冷卻速度過冷

到Ms點以下發生的轉變稱為馬氏體型轉變。

若以等溫轉變溫度為縱坐標，轉變時間為橫坐標，將所有的轉變開始點連接成一條曲線

稱為等溫轉變開始線；同樣，將所有的轉變終了點也連成一條曲線稱為等溫轉變終了線。

影響過冷奧氏體等溫轉變的因素是奧氏體成分和合金元素。

4.試述馬氏體轉變的特點。定性說明兩種主要類型馬氏體的組織形態和性能差異。

答：馬氏體轉變的主要特點首先是無擴散性。馬氏體轉變是非擴散性轉變，這是由于相

變是在相當低的溫度下進行，并且轉變速度極快，在這樣的條件下，鐵原子和碳原子的擴散

都不能進行。因而轉變過程中沒有成分變化，馬氏體含碳量和原來的奧氏體的相同。其次,

馬氏體轉變是在Ms?W的溫度范圍內進行的，其轉變量隨溫度的下降而增加，一旦溫度停

止下降，轉變立即中止。

5.正火和退火的主要區別是什么？

答：正火的冷卻速度比退火快，獲得的組織和性能也不一樣。

6.甲、乙兩廠同時生產一種45鋼零件，硬度要求為220HBs?250HBS。甲廠采用正

火處理，乙廠采用調質處理，都達到硬度要求。試分析甲、乙兩廠產品組織和性能的差異？

試分析采用哪種處理工藝更合理？

答：甲廠采用正火處理,得到的是鐵素體+索氏體組織,硬度較高但塑性和沖擊韌性一般。

乙廠采用調質處理,得到的是回火索氏體組織,硬度較高,并且塑性和沖擊韌性也較高。

采用調質處理工藝更合理。

第五章機械工程材料

復習思考題

1.鋼中的殘存元素有哪些？對鋼的性能有哪些影響？

答：鋼中的殘存元素主要有硅、鋅、硫、磷、氫、氮、氧等元素。

錦能溶于鐵素體，使鐵素體強化，也能溶于滲碳體，提高其硬度。錦還能增加并細化珠

光體，從而提高鋼的強度和硬度。錦可與硫形成MnS,因MnS的熔點高，密度小而浮出金

屬液，從而消除硫的有害作用，因此缽在鋼中是有益的元素。但缽在非合金鋼中的含量在

0.25%?0.8%范圍內時，對鋼的力學性能影響不大。

硅能溶于鐵素體使之強化，從而使鋼的強度、硬度、彈性都得到提高。因此硅在鋼中也

是有益的元素。硅在非合金鋼中的含量一般不大于0.37%,對鋼力學性能影響也不大。

硫在鋼中會使鋼產生“熱脆”現象。這是因為Fe在液態時能溶解大量的S,但在固態

是幾乎不溶。因此，殘S量較高的鋼液在凝固時S幾乎全部以FeS（熔點1190℃）形式析

出，同時，這些FeS又可與Fe形成低熔點的共晶體（FeS+Fe）（熔點985℃）,分布于A晶

界上。將這樣的鋼加熱到1000℃-1200c進行塑性成形加工時，會由于（FeS+Fe）共晶

體和FeS熔化導致鋼沿晶界開裂，產生“熱脆”。

磷在鋼中會使鋼產生“冷脆”現象。這是因為Fe在固態、液態時都能溶解P,固態時

P全部溶入鐵素體中，雖然可以提高鋼的強度，但是，卻使其塑性和韌性顯著下降，在低溫

時表現尤為突出。這種在低溫時由磷導致鋼嚴重變脆的現象稱為鋼的“冷脆二

氫在鋼中會使鋼產生“氫脆”現象。因為鋼中來不及逸出的氫以分子狀態存在于鋼組織

中，在局部可造成數千個大氣壓的巨大壓力。當這個壓力超過鋼的極限時，就會使鋼在該處

產生發裂。發裂在鋼的橫斷面表現為細長的發絲狀裂紋，在鋼的縱斷面上呈圓形或橢圓形銀

白色斑點，故稱為白點。白點會使鋼變脆，產生“氫脆”。

氮在鋼中會過飽和地溶解于鋼中，放置一段較長的時間后，將以氮化物形式析出。它們

將使鋼變脆。

在鋼中殘留的氧是以MnO、SiCh、AI2O3等非金屬夾雜物的形式存在，它們會使鋼的塑

性，沖擊韌性和疲勞強度下降。

2.合金鋼中經常加入的合金元素主要有哪些？對鋼的性能有哪些影響？

答：合金鋼中經常加入的合金元素有：鋅、硅、銘、銀、鉗、鐺、鈦、硼、鋁等。

合金元素的加入會對合金起到固溶強化，穩定組織、細化晶粒的作用，在一定程度上提

高鋼的強度和硬度，并且使鋼保持較好的塑性和韌性。還可以提高鋼的氧化性和耐腐蝕能力。

另外除Co和大于2.5%的鋁以外，合金元素的加入會提高鋼的淬透性。

3.指出下列哪些元素是強碳化物形成元素，哪些是弱碳化物形成元素?哪些是非碳化物

形成元素?它們對奧氏體的形成及晶粒長大起何作用？

(1)Ni；(2)Si；(3)Al；(4)Co：(5)Mn：

(6)Cr；(7)Mo；(8)W；(9)V；(10)Ti

答：Ti,V,W,Mo,Cr,Mn為碳化物形成元素，它們與碳的親合力依次由強漸弱。

Si,Ni,Al,Co為非碳化物形成元素；

珞、鈕、鈦、鋁、鋁等碳化物形成元素，它們使鋼的臨界點升高，降低Fe和C的擴散

系數，自身擴散速度也較Fe和C低，且形成的碳化物加熱時不易溶解。因此，這類合金鋼

與非合金鋼相比，奧氏體化溫度一般較高，時間較長，減緩奧氏體化過程，而Co,Ni等部

分非碳化物形成元素，因增大碳的擴散速度，使奧氏體的形成速度加快。另外，Al,Si,

Mn等對奧氏體形成速度影響不大。

碳化物形成元素Mo、W,Ti,V等，因其形成的碳化物穩定性高，加熱時不易溶解進

入奧氏體，通常以細小的質點彌散分布在奧氏體基體上，會阻止奧氏體晶界遷移，抑制奧氏

體晶粒長大，因而可通過合金化降低鋼的過熱敏感性。非碳化物形成元素Si,Co,Ni等阻

止奧氏體晶粒長大的作用較弱。Mn,P,B具有促進奧氏體晶粒長大的傾向。

4.第3題中各合金元素對鋼的C曲線和點有何影響。

答：除C。外，大多數合金元素都增加過冷奧氏體的穩定性，使C曲線右移，臨界冷卻

速度減小，提高鋼的淬透性。但必須指出，合金元素只有溶于奧氏體中才能使C曲線右移，

如果奧氏體中存在未溶化合物(穩定的碳化物、氮化物、氧化物等)，那么反而會成為奧氏

體分解時產生新相形核的準備質點，使分解速度加快，降低淬透性。

除Co,A1外，大多數合金元素都使Ms,W點下降，并增加殘余奧氏體量。

5.指出下列各材料的類別、牌號意義、主要性能和用途。

(1)Q235A；(2)08；(3)45；

(4)T8；(5)Q345；(6)20Cr；

(7)40Cr；(8)20CrMnTi；(9)12Crl3；

(10)60Si2CrA；(11)W18Cr4V；(12)ZGMnl3；

(13)HT100；(14)QT600-3；(15)KTH370-12

答：列表如下：

牌號類別牌號意義主要性能用途

屈服強度不小于含碳量低、塑性好、用作螺栓、螺母、拉桿、

Q235A碳素結構鋼

235MPa的A級質焊接性能好。銷子、吊鉤和不太重要的

量的碳素結構鋼機械零件以及建筑結構

中的螺紋鋼、工字鋼、槽

鋼，鋼筋等：

含碳量低，塑性、常用于沖壓件、焊接

優質碳素結含碳量為0.08%焊接性好，S,P含量件、強度要求不高的零

08

構鋼的優質碳素結構鋼低，非金屬夾雜物也件，例如機革、焊接容器、

較少。墊圈等

含碳量適中，調質主要用于受力較大的

優質碳素結含碳量為0.45%

45后具有良好的綜合力機械零件，如曲軸、連桿、

構鋼的優質碳素結構鋼

學性能。齒輪、機床主軸等

含碳量為0.8%的含碳量高，具有較沖頭木工工具、剪切金

T8碳素工具鋼

碳素工具鋼高的硬度和耐磨性。屬用剪刀等

船舶，鍋爐，壓力容器，

屈服強度不小于高強度、高韌性和

低合金高強石油儲罐，橋梁，電站設

Q345345MPa的低合金良好的焊接性能和冷

度結構鋼備,起重運輸機械及其他

高強度結構鋼成形性能。

較高載荷的焊接結構件

含璇量0.20%,截面在30mm-以下載

荷不大的零件，如機床及

20Cr合金滲碳鋼含Cr量小于1.5%

小汽車齒輪、活塞銷等

的合金滲碳鋼經滲碳后直接淬火

或滲碳后二次淬火+汽車、拖拉機截面在

含碳量0.20%,低溫回火。可得到表30mm2以下，承受高速、

Cr、Mn、Ti含量均層硬度高：而心部韌中或重載荷以及沖擊、摩

20CrMnTi合金滲碳鋼

小于1.5%的合金滲性好的力學性能。擦的重要滲碳件，如齒

碳鋼輪、軸、齒輪軸、爪形離

合器、蝸桿等

調質處理后可獲得汽車后半軸、機床齒

含碳量0.40%,輪、軸、花鍵軸、頂尖套

強度、高韌性相結合

40Cr合金調質鋼含Cr量小于1.5%

的良好綜合力學性

的合金調質鋼

能。

具有良好的力學性制作抗弱腐蝕性介質、

含減量0.12%,能承受沖擊載荷的零件，

能和加工工藝性能，

12Crl3不銹鋼Cr含量13%的馬氏如汽輪機葉片、水壓機

且具有良好的耐腐蝕閥、結構架、螺栓、螺帽

體型不銹鋼

性能。等。

適當熱處理后得到用作承受高應力及

300?350七以下的彈簧，

含碳量0.6%,含彈性極限和屈服強度

如汽輪機氣封彈簧、破碎

Si量2%,含Cr量高的性能。具有足夠機用彈簧等

60Si2CrA合金彈簧鋼

小于1.5%的優質合的疲勞強度和韌性，

金彈簧鋼能承受交變載荷和沖

擊教荷的作用。

W含量14%,Cr制造一般高速切削用

車刀、刨刀、鉆頭、銃刀

含量4%,V含量小具有良好的熱硬

W18Cr4V高速工具鋼等。

于1.5%的高速工具性。

鋼。

ZGMnl3耐磨鋼Mn含量為13%水韌處理后具有較球磨機的襯板、挖掘機

的高看耐磨鋼高的耐磨性和耐沖擊的鏟斗、各種碎石機的鄂

性能。板、鐵道上的道岔、拖拉

機和坦克的履帶板等。

抗拉強度…抗拉強度低，具有負荷小、對摩擦、磨損

無特殊要求的零件，例

灰鑄鐵的普通良好的減震性和耐磨

HT100100MPa如:蓋、外罩、油盤、手

灰鑄鐵性。輪、支架、底板、重錘等

載荷大、受力復雜的零

件，如汽車、拖拉機曲軸、

抗拉強度…

連桿、凸輪軸，部分磨床、

600MPa,斷后伸具有較高的強度和

QT600-3球墨鑄鐵銃床、車床的主軸、機床

長率…3%的球墨良好的鑄造性能。

渦桿、渦輪、軋鋼機軋輻，

鑄鐵

大齒輪，氣缸體，橋式起

重機大小滾輪等

抗拉強度…

汽車、拖拉機上的前后

370MPa,斷后伸具有一定沖擊韌性

KTH370-12可鍛鑄鐵輪殼、差速機殼、轉向節

長率…12%的黑和耐腐蝕性

殼、制動器等

心可鍛鑄鐵

6.為什么汽車變速齒輪常采用20CrMnTi鋼制造，而機床上同樣是變速齒輪卻采用45

鋼或40cl?鋼制造？

答：20CrMnTi是滲碳鋼，45鋼和40Cr鋼屬于調質鋼，都經適當熱處理后，滲碳鋼與

調質鋼相比，其強硬度和耐磨性高，當然成本也高。

因為汽車在運行過程中對變速齒輪的性能要求比機床高，要求齒輪具備高的耐磨性、疲

勞強度和沖擊韌性，而20CrMnTi在制造齒輪時一般采取滲碳淬火和低溫回火，可使齒輪齒

面具有高硬度、高耐磨性和高的疲勞性能，心部保持良好的強韌性。機床齒輪傳遞動力不大，

轉速中等，工作平穩，無強烈沖擊。45或40Cr調質處理后有較高的綜合力學性能，具有一

定的耐磨性，能承受較大的沖擊載荷，可滿足使用要求。

7.灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵在組織上的根本區別是什么？

答：根本區別在于：灰鑄鐵中的石墨稱層片狀，球墨鑄鐵中的石墨成球狀，蠕墨鑄鐵中

的石墨成蠕蟲狀，可鍛鑄鐵中的石墨成團絮狀。

8.為什么一般機器的支架、機床床身常用灰鑄鐵制造？

答：因為灰鑄鐵具備以下性能：良好的減振性，可有效降低加工過程中的沖擊對加工質

量的影響。良好的耐磨性，可提高導軌等使用壽命。價格便宜，提高經濟效益。

9.鋁合金分為幾類？各類鋁合金各自有何強化方法？

答：鋁合金依據其成分和工藝性能，可劃分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。

變形鋁合金分為防銹鋁合金（LF）、硬鋁合金（LY）、超硬鋁合金（LC）和鍛鋁合金（LD）

四類。

變形鋁合金還可進一步劃分成可熱處理強化變形鋁合金和不可熱處理強化變形鋁合金。

鑄造鋁合金按成分不同可分為ALSi,Al-Cu,Al-Mg,Al-Zn系四類。

鑄造鋁合金和變形鋁合金的界線并非是截然分開的，如鋁硅鑄造合金可軋制成薄板，變

形鋁合金亦可澆注成鑄件。

10.黃銅屬于什么合金？普通黃銅與特殊黃銅有什么不同？

答：黃銅是銅與鋅的合金。黃銅分為普通黃銅和特殊黃銅。普通黃銅是Cu-Zn二元合

金。特殊黃銅是在Cu-Zn二元合金的基礎上再加入Al,Sn,Pb,Si,Mn,Ni等一些其他元

素的多元銅合金。

（1）普通黃銅。普通黃銅的代號以“黃”字的漢語拼音字頭“H”加上數字表示，數

字代表銅的質量分數；例如H62,表示銅的含量為62%,其余為含鋅量。

普通黃銅力學性能與鋅的含量有關。當卬2n<32%時，其性能和純銅相似，具有很高的

塑性和良好的抗腐蝕性；當吸?=32%?47%時，在低溫下很脆，但在高溫下具有良好的塑

性；當物、>47%時，強度和硬度很低，工業上無應用價值。

普通黃銅可以用來制造散熱器、管材、板材，還可以用來制造汽車、拖拉機上的零件。

例如H68,H70,塑性好，適于沖壓成形狀復雜的工件，是制造彈殼的最好材料。H62,H59,

適宜熱變形成形，通常是以棒材供應。

（2）特殊黃銅。特殊黃銅的牌號以“H"+主元素符號+銅的質量分數+主元素的質

量分數來表示。如HMn58-2,表示含股。=58%,%—2%,其余為Zn的特殊黃銅。此外，

對于鑄造生產的黃銅，其代號前需加“鑄”字的漢語拼音字頭“Z”。

特殊黃銅按加入的元素不同，分為鉛黃銅、鋁黃銅、硅黃銅、銃黃銅等；按其生產方法

不同可分為塑性成形黃銅和鑄造黃銅兩種。塑性成形黃銅加入的合金元素較少，塑性好，有

足夠的變形能力。可用來制造齒輪、蝸輪、汽車、拖拉機及船舶上的許多零件，鑄造黃銅中

則加入了較多的合金元素，使其具有較高的強度和較好的鑄造性能。

11.什么叫熱固性塑料？什么叫熱塑性塑料？

答：熱塑性塑料為線型結構分子鏈，加熱時會軟化、熔融，冷卻時會凝固，變硬。此過

程可以反復進行。典型的品種有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚團胺（尼龍）、

有機玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）等。這類塑料強度較高，成型工藝性能良好，可反復成型、

再生使用。但耐熱性與剛性較差。

熱固性塑料為密網型結構分子捱，其形成是固化反應的結果。具有線型結構的合成樹脂，

初加熱時軟化、熔融，進一步加熱、加壓或加入固化劑，通過共價交聯而固化。固化后再加熱，

則不再軟化、熔融。品種有酚醛塑料、氨基塑料、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、有機硅樹脂等

構成的塑料。這類塑料具有較高的耐熱性與剛性；但脆性大，不能反復成型與再生使用。

12.何謂復合材料？它有哪些性能特點？

答：復合材料是由兩種或兩種以上物理、化學性質不同的物質，經人工合成的多相固體材料。

其性能特點是：比模量高、比強度大，具有良好的抗疲勞性能，良好的破斷安全性，優良

的高溫性能和良好的減振性。

第六章鑄造成形

復習思考題

1.試說明鑄造在機械制造生產中的地位。

答：機器零件的生產通常包括制造毛坯和對毛坯的切削加工兩部分。制造毛坯的方法有

鑄造成形、塑性成形和焊接成形等。鑄造成形在機器制造業中應用極其廣泛，現代各種類型

的機器設備中鑄件所占的比重很大。據統計，在機器設備中鑄件所占的比例很大，如汽車中

鑄件的重量約占20?30%,拖拉機中鑄件重量約占50?70%以上，機床中鑄件重量約占70?

90%,而鑄件成本僅占機器設備總成本的20?30%。因此，鑄造成形在機械制造生產中，具

有重要的基礎地位。

2.型砂和芯砂應具有哪些性能？這些性能對鑄件質量有哪些影響？

答：型砂是由石英砂、粘結劑（包括粘土、水玻璃和有機樹脂等）和其他附加物按一定

比例配合，經過混制后得到的具有一定性能的混合料。型砂的性能對鑄件質量具有重要影響。

型砂應具備以下主要性能要求。

（1）透氣性。若型砂透氣性差，部分氣體留在金屬液內不能排出，凝固后鑄件便會出

現氣孔缺陷。

（2）強度。若型砂的強度不夠時，容易造成塌箱、沖砂等問題。

（3）耐火度。若型砂的耐火度不足，砂粒會粘附在鑄件表面上形成一層硬皮，難清除

干凈，造成切削加工困難，嚴重時可使鑄件報廢。

（4）退讓性。若型砂的退讓性差，鑄件收縮時會受到較大的阻礙，將產生較大的收縮

應力，可能導致鑄件變形或開裂等鑄造缺陷。

3.簡述各主要造型方法的特點和應用。

答：砂型鑄造的造型方法分為手工造型和機器造型兩大類。

（1）手工造型。手工造型是傳統的造型方法，緊實型砂、起模、下芯、合型等一系列

過程都由手工完成。手工造型的優點是操作靈活、適應性強、生產準備工作簡單。缺點是鑄

件質量很大程度上取決于工人技術水平，不穩定；工人的勞動強度大，生產效率低。目前手

工造型主要用于單件、小批量，新產品試制等。

（2）機器造型是將造型過程中的填砂、緊實型砂、起模等主要工序實現了機械化。與

手工造型相比，它具有生產率高、鑄型質量好，便于組織自動化流水線生產，工人勞動強度

低等優點。但機器造型的設備和工藝裝備費用高、生產準備周期長，因此適用于成批、大量

生產。

4.下列鑄件在大批量生產時，應選用哪種鑄造方法？

（1）鋁活塞；（2）摩托車汽缸體；（3）縫紉機頭；

（4）大模數齒輪銃刀；（5）汽缸套；（6）汽輪機葉片；

（7）車床床身；（8）大口徑鑄鐵管

答：鋁活塞一金屬型鑄造；摩托車氣缸體一低壓鑄造；

縫紉機頭一砂型鑄造；大模數齒輪銃刀一熔模鑄造；

氣缸套一離心鑄造；汽輪機葉片一熔模鑄造；

車床床身f砂型鑄造；大口徑鑄鐵管一離心鑄造。

5.什么是合金的流動性？為什么應盡量選擇共晶成分或結晶溫度范圍摘要的合金作為

鑄造合金？

答：液態合金本身的流動能力，稱為合金的流動性。

共品成分或結晶間隔窄的合金，按逐層凝固方式結晶，結晶前沿比較平滑，對金屬的流

動阻力小，流動性好。流動性好的合金，充填鑄型的能力強。在相同的鑄造工藝條件下，流

動性好的鑄造合金，有利于充滿鑄型，可得到形狀、尺寸準確，輪廓清晰的致密鑄件；有利

于使鑄件在凝固期間產生的縮孔得到合金液的補縮:有利于使鑄件在凝固末期受阻而出現的

熱裂得到合金液的充填而彌合。

6.鑄件產生縮孔和縮松的原因是什么？防止產生縮孔的主要工藝措施有哪些？

答：合金的液態收縮和凝固收縮是鑄件產生縮孔和縮松缺陷的基本原因。基本條件是逐

層凝固。

為了防止鑄件產生縮孔缺陷，鑄造工藝中常采取定向凝固的方法對鑄件進行有效補縮。

所謂定向凝固就是在鑄件上可能出現縮孔的厚大部位，通過安放冒口或冒口加冷鐵的組合,

使鑄件遠離冒口的部位先凝固，然后是靠近冒口部位凝固，最后冒口凝固。按照這樣的凝固

順序，后凝固部位液態合金的補充先凝固部位的收縮，前邊的總收縮最后集中到冒口中形成

縮孔。冒口是鑄件之外的部分，云除后便得到了致密的鑄件。

7.”定向凝固原則”和“同時凝固原則”分別可以防止哪種鑄造缺陷？各需采取哪些工藝

措施才能實現？

答：定向凝固原則解決的是縮孔、縮松缺陷；同時凝固原則解決的是鑄造應力缺陷。

定向凝固就是在鑄件上可能出現縮孔的厚大部位，通過安放冒口或冒口加冷鐵的組合，

使鑄件遠離冒口的部位先凝固，然后是靠近冒口部位凝固，最后冒口凝固。

同時凝固原則是將內澆道設置在薄壁部位，澆入鑄型中的金屬液都從這里流過，薄壁部

位鑄型被加熱的時間長，溫度高于其它部位，并且這里液態合金的溫度也高于其它部位，因

此減緩了薄壁部分的冷卻速度。在最厚大部位設置一個冷鐵，加速了厚壁部分的冷卻速度，

因此使鑄件各部位實現了同時凝!3。

8.“高溫出爐、低溫澆注”具體是指什么？

答：高溫出爐是為了使液態合金中的渣、氣等在澆包中有充分的上浮排除時間，有利于

提高鑄件的力學性能。低溫澆注是為了減少液態收縮，盡量減少縮孔和縮松。

9.什么是鑄件的熱裂和冷裂？它們各自的產生條件是什么？應如何防止？

答：根據鑄件裂紋產生的原因和溫度范圍，分為熱裂和冷裂兩種。

熱裂是在凝固的末期，固相線附近出現的。此時，由于鑄件中結晶的骨架已經形成并開

始收縮，但晶粒間還有一定量的液態合金，合金的強度和塑性極低，收縮稍受阻礙即可開裂。

熱裂是鑄鋼件、可鍛鑄鐵件和某些有色合金鑄件中最常見的鑄造缺陷。其特征是：斷面

嚴重氧化，無金屬光澤，裂口沿晶粒邊界產生和發展，外觀形狀不規則。

冷裂是鑄件處于彈性狀態時，鑄造應力超過合金的強度極限時產生的。其特征是：外形

呈連續直線狀或圓滑曲線，而且常常是穿過晶粒延伸到整個斷面，裂口處表面干凈，具有金

屬光澤或呈輕微氧化色。

冷裂往往出現在鑄件受拉伸的部位，特別是應力集中的地方。

10.什么是鑄件的結構斜度？它與起模斜度有何不同？圖6-45口的鑄件結構是否合理?

如不合理如何改進？

圖645題圖

答：鑄件的結構斜度，是在鑄件的結構設計時，在垂直于分型面的直壁上設計出來的斜

度。直壁高度越小，角度越大。

鑄件的結構斜度與起模斜度不容混淆。前者，是零件結構的一部分；后者，是在繪制鑄

造工藝圖時，在垂直于分型面的耒面上設置的斜度。

這個鑄件的結構設計不合理。鑄件上與分型面垂直的外壁沒有設計出結構斜度，不便于

起模。上表面的孔壁雖然設計了結構斜度，但方向搞反了。改成反斜度，也就是變成上口小

下口大，便于起模，也便于用砂跺來成形孔，降低生產成本。

11.圖646中的鑄件結構有何缺點？應該如何改進？

圖646題圖

答：鑄件上的凸臺是孤立的，在造型時或者采用活塊造型，或者增加一個外砂芯，使鑄

造工藝復雜，生產成本提高。不合理。

將鑄件上的凸臺上延到與分型面相連接，則造型時就沒有這些麻煩了。簡化了造型工藝,

結構就合理了。

12.為什么鑄件要設計出結構圓角？圖6Y7中鑄件的哪些圓角不合理？應如何改進?

圖647題圖

答：鑄件的結構圓角，也就是在鑄件壁的轉角處設計成圓角連接。采用直角連結存在如

下問題：（1）直角連接處會形成金屬的積聚，易產生縮孔、縮松；（2），在載荷的作用下，直

角連接處的內側易產生應力集中；（3）在合金結晶過程中，沿著散熱反方向形成垂直于型壁

的柱狀晶，在轉角處的對角線上形成整齊的分界線，削弱轉角處的力學性能。

當鑄件采用圓角結構時，可以有效克服上述缺點。另外，鑄造圓角還可防止金屬液流將

型腔尖角沖毀，以及美化鑄件外形和避免劃傷人體等。鑄件的分型面盡量平直

圖6-47所示鑄件上的圓角設計不合理。

鑄件的上表面有圓角，不是最大截面。若將分型面設置在上表面，則要挖砂造型。若采

用與上表面相符合的曲面，則會給制作模樣和造型都帶來很多麻煩。因此不合理。

合理的設計是將鑄件上表面的圓角去掉，改為把與上表面垂直的直壁設計成結構斜度,

保證上表面為最大截面，這樣分型面就可以設置在上表面，結構就合理了。

13.鑄件、模樣、零件三者在尺寸上有何關系？并分析這種尺寸關系的原因。

答：鑄件的尺寸加上該鑄造合金的線收縮量即為模樣的尺寸。零件的尺寸加上切削加工

余量即為鑄件的尺寸。

14.為什么空心球難以鑄造？應采用什么措施才能將空心球鑄造出來？試用圖表示。

答：因為空心球的空心是封閉的，如不采取特殊工藝措施，是沒辦法鑄出的。

鑄造時，可預先設計出工藝孔，等鑄出鑄件后，再想辦法將工藝孔堵住，就得到了空心

孔了。

15.某廠批量生產一種薄壁灰鑄鐵件，投產以來質量基本穩定，但最近突然出現澆不足、

冷隔等缺陷增多的現象，試分析其原因。

答：鑄件出現澆不足、冷隔缺陷，可能有以下一些原因：

（1）化學成分控制可能出現偏差，比如有利于提高合金流動性的碳、硅含量偏低，或

降低合金流動性的硫含量偏高。

（2）熔煉工藝可能出現問題，如合金氧化嚴重，渣量偏多等。

（3）澆注溫度可能過低，導致充型能力不足。

16.為什么要規定鑄件最小壁厚？灰鑄鐵件的壁厚過大或局部過薄會出現哪些問題？

答：每種鑄造合金都有其適宜的壁厚，選擇得當，既能保證鑄件的力學性能，又能防止

某些鑄造缺陷的產生。

如果鑄件的壁厚太厚，則容易在中間出現縮孔縮松缺陷。但鑄件的壁厚不能太薄，否則

容易出現澆不足和冷隔缺陷。

17.用內接圓法確定圖6-48中鑄件的熱節部位。在保證尺寸H的前提下，如何使鑄件

的壁厚盡量均勻？

圖6-48題圖

答:

縮松

圖6?52題圖

18.鑄造技術發展的新成果對你有何啟示？

答：針對鑄造中存在的問題，如：鑄造成形的工藝過程比較復雜，有的還難以精確控制；

鑄件內部晶粒粗大、組織不均勻、不致密，導致同一材質鑄件的力學性能比鍛件的低；有些結

構的鑄件，即使嚴格控制，也很難避免縮孔、縮松等。鑄造新技術都有了比較好的解決方案。

如鑄造成形數值模擬技術，就是利用計算機仿真技術，對鑄造過程進行數值模擬，如

通過對溫度場、流動場、應力場等進行數值模擬，來預測可能產生的鑄造缺陷和部位，進而

優化鑄造工藝設計。這，大大縮短了新產品的開發周期，降低了試制成本。

再比如半固態金屬鑄造技術，就是利用機械力、或電磁力的攪拌作用來細化晶粒，利用

壓力充型和凝固來消除縮孔和縮松，從而得到了晶粒細小、組織致密的高質量鑄件的技術。

第七章鍛壓成形

復習思考題

1.什么是酸壓成形？

答：鍛壓成形是在外力作用下使金屬坯料產生塑性變形，從而獲得具有一定形狀、尺寸

和力學性能的毛坯或零件的加工方法。

2.加工硬化對工件性能及加工過程有什么影響？

答：金屬經過冷塑性變形其內部組織的晶格扭曲，晶粒破碎，使得進一步滑移困難，改

變了其力學性能。隨變形程度增大，金屬的強度和硬度上升，而塑性和韌性下降，這種現象

稱為加工硬化。加工硬化現象在工業生產中