四、简答题
1.答 材料的使用性能是指保证工件正常工作应具备的性能，即在使用过程中表现出的性能，如力学性能、物理性能、化学性能等。
材料的工艺性能是指材料在被加工过程中适应各种冷热加工的性能，如切削加工性能、热处理性能、焊接性能、铸造性能、可锻性能等。
2.答 强度是指材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。强度的主要判据有屈服强度和抗拉强度等。
3.答 屈服强度是材料产生塑性变形而力不增加的应力，也表示材料发生明显塑性变形的最低应力。保证正常服役，一般机械零件是不允许产生明显塑性变形的，也就是说所受的应力不允许超过屈服强度，故在强度设计时主要应以屈服强度作为参考依据。
4.答 金属常采用压入法测量硬度。压入法测硬度的常用方法有布氏硬度法、洛氏硬度法和维氏硬度法。
硬度测量具有简便快捷，能反映材料的其他性能（如强度），并且硬度试验属于非破坏性试验，不需特别制成试样，可以在原材料、半成品和成品上直接测量，所以硬度测量是最常用的力学性能试验法。
5.答 当金属承受交变载荷时，即使应力峰值远小于材料的屈服强度，也会在使用中出现疲劳断裂。其原因是这种交变应力的作用使材料内部的疲劳源（小裂纹、夹杂、划痕、应力集中等部位）处产生裂纹并不断扩展，使零件的有效承载面积减小，这种一处或多处产生的局部永久性积累损伤，最后导致零件的断裂。
6.解 这批钢材的力学性能计算如下：
1）试样的原始标距长度：L0=5d0=5×10mm=50mm（因为试验采用标准短试样）。
2）试样的原始截面积：
。
3）试样断口截面积：
。
4）抗拉强度：
。
5）屈服强度：
。
6）断后伸长率：
。
7）断面收缩率：
。
答 对照15钢国家标准，这批钢材的各项力学性能指标均符合要求，为合格品。
7.答 供应态碳素钢——布氏硬度HBW。
淬火钢——洛氏硬度HRC。
铸铁——布氏硬度HBW。
铝合金——布氏硬度HBW。
硬质合金——洛氏硬度HRA或维氏硬度HV。
8.答 一般在常温下使用的金属，晶粒越细，其强度、塑性和韧性越好。生产中细化晶粒的主要方法是进行变质处理和增加过冷度，同时也可采用附加振动的方法。
9.答 厚大铸件表面与心部的冷却速度不一致，表面冷却速度较大，结晶过冷度大，结晶后的晶粒较细，而心部的冷却速度较小，结晶过冷度小，结晶后的晶粒较粗，因此，一般铸件表面的性能优于心部的性能。若铸件的加工余量过大，则将表面细晶粒部分过多地切除，从而降低铸件的强度。
10.答 合金中的基本组成相有固溶体和金属化合物。合金中的组元间形成固溶体后，产生固溶强化，固溶体的强度一般优于组成固溶体的纯金属，同时固溶体还具备良好的塑性和韧性，因此，合金组织中的基体一般应为这种强韧性兼备的固溶体；金属化合物具有高的熔点和硬度，但脆性较大，一般作为合金中的强化相，当其量少、呈细小均匀分布时，可强化合金，提高硬度和耐磨性等，但当其量大、呈粗大分布时，会增加合金的脆性。
11.答 默画相图（略，见第三章图3-3）。Fe-Fe3C相图的主要用途有：
（1）在选材方面的应用 相图揭示了铁碳合金中碳含量与组织的关系，从而可判断不同成分铁碳合金的性能，可根据性能要求选择不同碳含量的钢材。例如，一般用于建筑结构的各种型钢，需要具备良好的塑性、韧性，应选用w（C）＜0.25%的低碳成分的钢材；机械工程中的各种轴、齿轮等受力较大的零件，需要兼有高的强度、塑性和韧性，应选用w（C）=0.30%～0.55%的中碳成分的钢材；而各种工具要求具备高的硬度、耐磨性，多选用w（C）=0.70%～1.2%的碳含量高的钢材。
（2）在铸造方面的应用 可根据Fe-Fe3C相图选择适宜铸造的合金和确定铸造温度，一般共晶成分[w（C）=4.3%]附近的合金具有低的熔点和良好的流动性，适宜铸造，浇注温度为液相线以上50～100℃。
（3）在锻造方面的应用 根据Fe-Fe3C相图，可确定锻造加热温度，一般为液相线以下100～200℃，获得单相奥氏体组织时具有良好的塑性和小的变形抗力，适宜于锻造。
（4）在热处理方面的应用 热处理加热时为获得全部奥氏体或部分奥氏体，需要在不同的温度下加热，根据Fe-Fe3C相图，可确定不同成分的铁碳合金热处理的加热温度。
12.答 四种合金在不同温度下的显微组织如下表所示：
13.答 退火后的钢获得接近平衡状态的组织，根据Fe-Fe3C相图可知，碳的质量分数小于0.77%的亚共析钢，平衡组织为F+P，随着碳含量的增加，组织中P的量增多，因此，其强度、硬度升高，而塑性、韧性下降；碳的质量分数为0.77%的共析钢，其平衡组织为P，其强度、硬度高于亚共析钢，而塑性、韧性不及亚共析钢；碳的质量分数为0.77%～2.11%的过共析钢，其平衡组织为P+Fe3CⅡ，其强度、硬度较高，塑性、韧性比共析钢和亚共析钢差，但若碳的质量分数过高（＞0.9%），则组织中的二次渗碳体呈连续网状分布，使强度下降。综上所述，钢中碳含量增加，组织中Fe3C相的数量增加，其强度、硬度升高，而塑性、韧性下降，但当碳的质量分数大于0.9%时，过共析钢的强度开始下降。
14.答 碳的质量分数为0.10%的碳素钢，退火后组织为F+P，且F的量较多，因此，其塑性、韧性良好，而强度、硬度不高；碳的质量分数为0.45%的钢，退火后组织同样为F+P，但其中P和F的量相当，因此，其既有一定的强度、硬度，又有较好的塑性、韧性；碳的质量分数为1.2%的钢，退火后的组织为P+Fe3CⅡ，其硬度较高，但塑性、韧性较差。
15.答 热处理加热的主要目的是获得全部或部分奥氏体组织，以便通过不同的冷却方式使过冷奥氏体转变为所需的组织和性能，即钢在热处理后所获得的冷却组织都是由过冷奥氏体转变而成的。
奥氏体的晶粒越细，冷却后的转变组织越细，强度、塑性和韧性也就越好，尤其对淬火钢回火的韧性具有很大的影响。
16.答 过冷奥氏体的等温转变产物分为：高温转变的珠光体型组织，中温转变的贝氏体型组织。随着转变过冷度下降（转变温度下降），组织越来越细，其强度、硬度也就越高。
17.答 普通热处理的四把“火”是指退火、正火、淬火、回火。
18.答 热处理加热、保温和冷却工艺不当，都会造成热处理缺陷。主要热处理缺陷有氧化、脱碳、过热、过烧、变形、裂纹、硬度不足、软点等。
19.答 淬火的目的是获得马氏体或下贝氏体组织，强化钢材，以便通过随后的回火工艺获得所需要的使用性能。
20.答 淬火后的钢存在很大的淬火应力，如不及时消除，易造成变形和开裂；淬火后获得的马氏体是亚稳定组织，且具有一定的脆性。为消除淬火应力，防止变形、开裂和稳定组织，从而稳定淬火零件的尺寸，消除马氏体的脆性和改善韧性，一般淬火后的钢应及时进行回火处理。
21.答 根据回火温度的不同，回火工艺分为低温回火、中温回火、高温回火。各回火工艺的温度、组织、性能及应用见下表：
22.答 感应淬火具有加热速度快、效率高，热处理后表面晶粒细、性能好，淬硬层深度易控制，生产过程易实现自动化等优点，但设备投资大，维修复杂，需要根据零件实际制作感应器，所以不适合单件生产，而主要用于成批、大量的生产。
23.答 化学热处理可以通过改变材料表面的化学成分、组织，从而获得所需要的表面性能（表面高硬度或耐腐蚀）。常用的化学热处理工艺有渗碳、渗氮、碳氮共渗和氮碳共渗等。
24.答 去应力退火和回火两者在生产工艺中所处的工序位置不一样，一般去应力退火安排在毛坯生产之后或零件机械加工之后，以去除由于各种冷热加工所产生的内应力，而材料的组织和性能不发生变化；回火是紧随淬火之后的热处理工艺，用于消除淬火内应力，获得所需的稳定回火组织和性能。
25.答 表面淬火、渗碳、渗氮三种工艺的比较见下表：
(https://www.daowen.com)
26.答 热处理的主要发展方向是清洁热处理、精密热处理、节能热处理和少无氧化的热处理等。
27.答 常用的表面防护方法有电镀、化学镀及热浸蚀，化学转化膜技术（钢铁的发蓝、发黑和磷化，铝及铝合金的氧化处理），涂料涂装法。常用的表面装饰法有表面抛光、表面着色、光亮装饰镀、美术装饰漆。
28.答 钢中的硫与磷一般是有害元素。硫含量过高，会使钢出现“热脆”现象，在高温下锻造或轧制时，因晶界处易熔化而出现锻轧热裂纹；磷含量过高，会使钢出现“冷脆”现象，在低温下的韧性急剧下降，易出现脆性断裂。
29.答 由于这四种钢中碳的质量分数不同，因此其力学性能不同。在相同状态下，20钢的塑性最好，但强度较低；45钢具有良好的综合力学性能；T8钢的强度和硬度高，具有一定的韧性；T12钢的硬度高，耐磨性优良，但强度和韧性较差。
30.答 Q235AF钢属于碳素结构钢，其屈服强度为235MPa，质量等级为A级，沸腾钢。
08钢属于优质碳素结构钢，碳的平均质量分数为0.08%。
45钢属于优质碳素结构钢，碳的平均质量分数为0.45%。
T10A钢属于碳素工具钢，碳的平均质量分数为1.0%，质量为高级优质。
31.答 T10钢属于高碳钢（碳的平均质量分数为1.0%），其强度和硬度高，所以锯削时费力，锯条也易磨损；10钢属于低碳钢（碳的平均质量分数为0.1%），强度和硬度低，所以锯削时省力。
32.答 不适用。因为碳素工具钢的热硬性不高，温度升高至300℃时，硬度即降至55HRC以下，而铣刀、麻花钻等高速切削的刀具使用时温度易升高（可升至500℃以上），若采用热硬性不高的碳素工具钢制作，则刀具会很快因发热软化而失效。
33.答 重要的零件一般承受较大或者较复杂的应力，要求材料具有高的强韧性，而大截面的零件在淬火时，为保证零件能获得马氏体组织或小的淬火变形，要求材料具有良好的淬透性。合金钢与碳素钢相比，由于合金元素的作用，钢的强韧性和淬透性提高，因此这种零件应采用强度较高、淬透性良好的合金钢制作。
34.答 渗碳零件一般要求表面具有高的硬度和耐磨性，而心部应具有良好的韧性以承受冲击力的作用。采用低碳成分的渗碳钢进行渗碳处理后，可使表面碳含量增加而心部保持低碳成分，从而满足零件“内韧外硬”的性能要求。
35.答 调质钢主要用于制造在多种载荷（如扭转、弯曲、冲击等）下工作，受力比较复杂的重要零件，这些零件要求具有良好综合力学性能，所以应采用中碳成分的钢。
36.答 合金刃具钢与碳素工具钢同属于高碳成分，所以两者硬度相当，但由于合金刃具钢中加入的合金元素可以使其淬火+回火后获更多种类和数量的碳化物，使刃具更耐磨，所以其使用寿命更长。
37.答 量具在使用过程中经常与被测量工件接触而磨损，影响其测量精度，因此要求具有高的硬度和耐磨性。高精度的量具还要求热处理变形小，尺寸稳定。所以，量具钢一般采用高碳成分的钢材并采用淬火、低温回火工艺，高精度量具淬火后还应采用冷处理工艺。一般量具可采用碳素工具钢（如T8、T12等），高精度量具可采用滚动轴承钢（如GCr15）和合金工具钢（如CrWMn、9SiCr等）制作。
38.答 热作模具和冷作模具的使用温度和性能要求不同。
冷作模具是在较低温度下使用的模具，典型的有冷冲模、冷挤压模等。这些模具要求高的硬度（60～62HRC）、耐磨性和足够的强韧性。小型或一般用途的冷作模具可采用T10、9SiCr等钢制作，大型或重要用途的冷作模具可采用Cr12钢制作。
热作模具是在较高温度下使用的模具，典型的有热锻模、热挤压模和压铸模等。热作模具要求具有一定的强韧性和硬度（40～50HRC），并且有良好的导热性和抗热疲劳性。一般热锻模常采用5CrNiMo和5CrMnMo钢制作，热挤压模和压铸模常采用3Cr2W8V和4Cr5W2VSi钢制作。
39.答 不适宜。高速工具钢属于高合金钢，其原材料成本和加工成本均较高。高速工具钢的特点是热硬性比一般工具钢高，若用于低速切削的刀具，将造成材料的浪费。对于低速切削的刀具，选用价格相对便宜的碳素工具钢或合金刃具钢制作较合适。
40.答 20CrMnTi——合金渗碳钢；50CrVA——合金弹簧钢；GCr15——滚动轴承钢；W18Cr4V——高速工具钢；12Cr18Ni9——不锈钢；5CrNiMo——热作模具钢；38CrMoAl——渗氮钢；Cr12——冷作模具钢；ZG100Mn13——高锰耐磨钢；40Mn2——合金调质钢；Q345——低合金高强度结构钢；9SiCr——合金刃具钢。
41.答 灰铸铁中有石墨存在，使其具有以下性能特点：力学性能不如钢（但抗压强度与钢相当），具有良好的铸造性能，良好的切削加工性能，良好的减振性和吸音性能，低的缺口敏感性。
42.答 灰铸铁的组织为钢的基体+片状石墨。灰铸铁力学性能不高的主要原因是组织中有片状石墨，石墨的力学性能几乎为零，片状石墨对基体的“割裂”作用很大，使基体性能的利用率只有30%左右。热处理只改变基体的组织，不能改变片状石墨的形状、数量和分布，故灰铸铁热处理后力学性能没有明显改善。
43.答 HT300——抗拉强度不低于300MPa的灰铸铁；QT600-3——抗拉强度不低于600MPa，断后伸长率不低于3%的球墨铸铁；KTH300-06——抗拉强度不低于300MPa，断后伸长率不低于6%的黑心可锻铸铁（铁素体基体可锻铸铁）；RuT420——抗拉强度不低于420MPa的蠕墨铸铁。
44.答 球墨铸铁中的石墨呈球状，与灰铸铁中的片状石墨相比，对基体的割裂作用明显减小，应力集中减轻，能充分发挥基体的性能，基体强度的利用率可达70%～90%，所以球墨铸铁的强度、塑性与韧性都大大优于灰铸铁。
45.答 按其成分和工艺性能，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金的塑性好，适合于压力加工，因此，变形铝合金常经轧制、挤压、拉拔等变形加工成为型材供应市场。铸造铝合金的塑性、韧性差，但是流动性好，适宜于铸造形状复杂的零件。
46.答 根据化学成分，铜合金分为黄铜、白铜、青铜三类。黄铜是指以铜为基，以锌为主加元素的铜合金；白铜是指以铜为基，以镍为主加元素的铜合金；青铜是指除黄铜和白铜以外的铜合金，主要有锡青铜、铝青铜、铍青铜等。
根据加工方法，铜合金又可分为压力加工铜合金和铸造铜合金。
47.答 钛合金的突出优点是强度高、密度小、耐蚀性好（优于不锈钢），而且某些钛合金在高温和低温下的力学性能优于一般钢。
48.答 滑动轴承合金应具有足够的抗压强度和抗疲劳性能，良好的减摩性（摩擦因数要小），良好的储备润滑油的功能，良好的磨合性，良好的导热性和耐蚀性，良好的工艺性能，使之制造容易，价格便宜。
常用的滑动轴承材料有锡基与铅基轴承合金、铜基合金、铝基合金、铸铁等。
49.答 硬质合金硬度高，常温下硬度可达86～93HRA（相当于69～81HRC）；热硬性好，可在900～1000℃不软化；抗压强度可达6000MPa，常温下工作时，不会产生塑性变形。但硬质合金脆性大，韧性低，抗拉强度低，很难被切削加工。用硬质合金制作刀具，其切削速度比高速工具钢提高5～7倍，刀具寿命可提高几十倍。用硬质合金制作模具等，使用寿命比工具钢高20～150倍。
50.答 H68——铜的质量分数为68%，余量为锌的普通黄铜；2A11——11号硬铝合金；ZAlSi12——2号铸造铝硅合金；ZCuZn16Si4——铸造硅黄铜；ZCuSn10P1——铸造锡青铜；QBe2——铍青铜；HSn62-1——锡黄铜。
51.答 热塑性塑料能溶于有机溶剂，加热可软化，易于加工成形，并能通过加热反复塑化成形，如聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚酰胺（PA）、聚甲醛塑料（POM）、聚碳酸酯（PC）；热固性塑料固化后重新加热不再软化和熔融，也不溶于有机溶剂，不能再成形使用，如酚醛塑料（PF）、氨基塑料（UF）、有机硅塑料（SI）、环氧塑料（EP）。
52.答 复合材料是由两种或两种以上性质不同的物质组成的多相材料。两种或多种材料复合后，仍保留各自的性能优点，从而使复合材料具有优良的综合性能。例如，玻璃钢船体、羽毛球拍、安全帽等均采用了复合材料。
53.答 当温度下降至某一临界温度时，超导材料的电阻完全消失，并且当电阻消失时，磁力线将不能通过超导体，即超导体具有抗磁性。
目前超导材料研究的难题是突破“温度障碍”，即寻找临界温度（Tc）高的高温超导材料。
54.答 纳米材料是指由纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100nm（1nm=10-9m）。
纳米材料具有特殊的物理性能和化学性能：纳米颗粒的熔点和晶化温度比常规粉末低得多，纳米金属微粒在低温下呈现电绝缘性，纳米微粒具有极强的吸光性，纳米材料具有奇异的磁性，纳米颗粒的化学活性远大于正常粉末，纳米材料的扩散率是普通状态下晶格扩散率的1014～1020倍。纳米材料的力学性能较特殊，一些纳米材料的强度和硬度成倍地提高。纳米材料还表现出超塑性状态，即断裂前产生很大的伸长量。
55.答
56.答 热处理1为正火，其主要作用是细化晶粒，为最后热处理做组织准备，调整硬度，改善切削加工性能。
热处理2为调质处理，作用是使齿轮获得回火索氏体组织，硬度达到34～38HRC，保证整体的良好综合性能要求。
热处理3为高频感应淬火、低温回火，使表面获得细小回火马氏体，齿面硬度达到50～55HRC，保证硬度和耐磨性要求。
57.答 热处理1为球化退火，其作用是获得球状珠光体，降低硬度，改善切削加工性能，为下一步切削加工做准备，也为最后热处理做组织准备。
热处理2为淬火、低温回火，其作用是获得回火马氏体和碳化物组织，使刀具具有高的硬度（＞62HRC）和耐磨性，符合刀具使用性能的要求。