1、作业一1. 何谓失效？零件的失效方式有哪些？失效：在使用过程中因零件的外部形状尺寸和内部结构发生变化而失去原有的设计功能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现象称为失效。失效方式：（1）过量变形失效：a、过量弹性变形 b、过量塑性变形（2）断裂失效：a、韧性断裂 b、脆性断裂 c、低应力断裂 d、疲劳断裂 e、蠕变断裂 f、介质加速断裂（3）表面损伤失效：a、磨损失效 b、腐蚀失效 c、表面接触疲劳（4）物理性能降级：电磁、热等性能衰减2. 静载性能指标有哪些？它们分别与那种失效形式关联？1、刚度和强度指标刚度：弹性模量强度：比例极限，弹性极限，屈服强度，抗拉强度，断裂强度2、弹性和塑形指标弹
2、性：弹性能塑形：断后伸长率，断面收缩率3、硬度指标失效形式 强度 ：断裂、塑性变形塑性：塑性变形刚度：过量弹性变形硬度：磨损韧性和疲劳强度：断裂3. 过量弹性变形、过量塑性变形而失效的原因是什么？如何预防？失效的责任主要在于设计者的考虑不周、计算错误或选材不当，故防止措施主要应从设计方面考虑。过量弹性变形产生变形的主要原因是材料刚度不够。预防途径：1 选择合适的材料或结构2 确定适当的匹配尺寸3 采用减少变形影响的转接件，比如在系统中采用软管等柔性构件，可显著减少弹 性变形的有害影响。过量塑性变形产生变形的主要原因是材料的弹性极限，屈服强度不够。预防途径：1 降低实际应力：降低工作应力；减少残
3、余应力；降低应力集中。2 提高材料的屈服强度：通过合金化、热处理等方法。4. 何谓冲击韧性？如何根据冲击韧性来判断材料的低温脆性倾向？冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，即反映材料承受外来冲击负荷而不断裂的抵抗能力。冲击韧性指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。材料的冲击吸收功随温度降低而降低，当温度低于韧脆转变温度时，材料由韧性状态变为脆性状态的现象，称为低温脆性。从试样结果看（参见沈莲机械工程材料第三版 P10 图 1-4）冲击韧性高的材料的低温脆性倾向小。但如果在低温条件下使用的零件，设计要考虑冲击韧性和韧脆转变温度。作业二1. 何谓断裂韧性？影响脆断的主要因素
4、有哪些？材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性。是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。通常主要以断裂韧度来衡量。影响脆断的主要因素有：1、加载方式和材料本质：冶金缺陷会引起冷脆，比如过热引起晶粒异常长大，非金属夹杂物颗粒沿晶界析出；有害杂质元素沿晶界偏聚，减弱了晶界结合力等。2、温度和加载速度：降低使用温度和增加加载速度都会引起材料脆断倾向增大。3、应力集中4、零件尺寸设计不合理2. 压力容器钢的 S=1000MPa，K IC =170MPam1/2 ; 铝合金的 S=400MPa，K IC =25MPam1/2 。试问这两种材料制作压力容器时发生低应力脆断时裂纹的临界尺寸是多少设裂纹的几何形状因
5、子 Y= 1/2？哪一种材料更适合做压力容器？解：裂纹的临界尺寸 ac=(KIC/Y*S)2压力容器钢: a c=(170/(1.77*1000) 2=0.0092m铝合金: ac=(25/(1.77*400) 2=0.0012m由于压力容器钢的零件允许存在的裂纹最大尺寸大于铝合金的，所以压力容器钢更适合做压力容器。3. 查资料，到现场（汽车系、机械系、材料系实验室） ，从下列汽车零件中任选一种，分析它在使用中的主要失效形式，你选材时主要考虑哪些主要力学性能，为什么？变速箱齿轮，驾驶室外壳（车身） ，发动机中的活塞，发动机缸体，发动机缸盖，曲轴，半轴，减振弹簧（钢板弹簧）常见汽车零件的工作条件
6、及失效形式：1、 齿轮工作条件、失效形式及性能要求齿轮是汽车中应用最广的零件之一，主要用于传递扭矩和调节速度。（1）工作条件1）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力；2）齿面相互滑动和滚动，承受较大的交变接触力及强烈的摩擦；3）由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击；（2）主要失效形式1）疲劳断裂 主要发生在齿根。它是齿轮最严重的失效形式；2）齿面磨损；3）齿面接触疲劳破坏；4）过载断裂；（3）性能要求1）高的弯曲疲劳强度2）高的接触疲劳强度和耐磨性3）齿轮心部要有足够的强度和韧性4) 较好的热处理性能，热处理变形小。2. 汽车发动机曲轴的工作条件、失效形式及性能要求（1）工作条件1
7、）承受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力。2）曲轴颈与轴承发生滑动摩擦3）承受一定的冲击载荷（2）主要失效形式1）疲劳断裂 长期受扭转和弯曲交变载荷作用2）磨损失效 轴颈严重磨损（3）对曲轴用材料性能要求1）高的强度；2）一定的冲击韧度；3）足够的弯曲、扭转疲劳强度；4）足够的刚度；轴径表面有高的硬度和耐磨性。3、汽车弹簧零件的工作条件、失效形式及性能要求（1）工作条件1）弹簧在外力作用下，压缩、拉伸、扭转时材料将承受很大的弯曲应力或扭转应力。2）缓冲、减震或复原用的弹簧，承受很大的交变应力和冲击载荷的作用（2）主要失效形式1）刚度不足引起的过度变形2）疲劳断裂（3）对弹簧用材性能要求1）
8、高的弹性极限和屈强比（s/b）2）高的疲劳强度3）好的表面质量4）良好的耐蚀性和耐热性4、半轴零件的工作条件、失效形式及性能要求（1）半轴的工作条件1）工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；2）轴与轴上零件有相对运动, 相互间存在摩擦和磨损；3）轴在高速运转过程中会产生振动, 使轴承受冲击载荷；4）多数轴会承受一定的过载载荷。（2） 半轴的失效方式1）长期交变载荷下的疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂） ；2）大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂；3）与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损。（3）半轴的性能要求1）综合机械性能： 足够强度、塑性和一定韧性，以防过载断裂、冲击断裂；2）
9、高疲劳强度， 对应力集中敏感性低，以防疲劳断裂；3）表面要有高硬度、高耐磨性， 以防磨损失效；4）足够淬透性，良好切削加工性能，价格便宜。5、活塞零件的工作条件、失效形式及性能要求（1）活塞的工作条件活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。1）活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达 2500K 以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达 600700K，且温度分布很不均匀；2）活塞顶部承受气体压力很大，特别是做功行程压力最大，汽油机高达35MPa，柴油机高达 69MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；3）活塞在气缸内以很高的速度(812m/s)往复
10、运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。（2）活塞失效形式1）活塞顶面裂纹；2）活塞环槽过度磨损；3）活塞销座裂纹，销孔咬合；4）环岸和裙部脆断。（3）活塞的性能要求1）要有足够的强度、刚度、质量小、重量轻，以保证最小惯性力。2）导热性好、耐高温、高压、腐蚀，有充分 的散热能力,受热面积小。3）活塞与活塞壁间应有较小的摩擦系数。4）温度变化时，尺寸、形状变化要小，和汽缸壁间要保持最小的间隙。5）热膨胀系数小，比重小，具有较好的减磨性和热强度。6、发动机缸体
11、零件的工作条件、失效形式及性能要求（1）发动机缸体的工作条件缸体通常在处于高温、高载荷、磨损剧烈的状态下工作，承受较大的热冲击作用和承受较大的压力，同时工作在液体油的沉浸下，工作环境潮湿。（2）发动机缸体失效形式1）过量变形；2）缸体渗漏（3）发动机缸体的性能要求1）要有足够高的刚度、强度、硬度，高的耐磨性；2）配气机构能够准时的进气排气，气缸内密封性好，无漏油；3）缸体工作时内部高压高温，因此需要有良好的散热条件；4）良好的减震性；4）发动机缸体形状复杂，因此要便于成型。7、发动机缸盖零件的工作条件、失效形式及性能要求（1）发动机缸盖的工作条件缸盖安装在缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室
12、。它经常与高温高压燃气相接触，因此承受很大的热负荷和机械负荷。（2）发动机缸盖失效形式过量塑性变形，拆卸后重装密封性下降；（3）发动机缸盖的性能要求1）高的高温强度；2）好的密封性；3）良好的导热性；4）发动机缸盖形状复杂，因此要便于成型。8、汽车车身的工作条件、失效形式及性能要求（1）汽车车身的工作条件汽车车身既是外观装饰性的零件，又是封闭薄壳状的受力零件。它主要起的是支撑作用以及防止在行驶过程中损坏和驾驶人在冲击过程中受到伤害的作用。由于长期暴露在空气中，所以要求有一定的防腐蚀作用，当然其形状的设计也要符合一定的力学规律，即减少在行驶过程中的受力，用以降低损耗。（2）汽车车身的失效形式1）
13、一般在长时间工作后由于受到内部震动影响容易出现部分部位脱焊的状况，直接导致失效；2）部分区域应力集中发生非弹性变形、扭曲；3）磨损、锈蚀也是其常见的一种失效形式。（3）汽车车身的性能要求由于汽车车身具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高等特点，所以要求有以下性能：1）足够的强度；2）良好的塑性和韧性，良好的冲压性能；3）一定的刚性和尺寸稳定性；4）良好的焊接性能；作业 31、有一根轴向尺寸很大的轴（圆形截面杆件各截面中心点的连线叫轴线，沿这个方向叫轴向；自截面中心点放射方向叫径向。自杆件端点到轴线上某点的距离长短叫轴向尺寸） ，在500温度下工作，承受交扭转载荷和交变弯曲载荷，轴颈处
14、（轴和轴承配合的部分）承受摩擦力和接触压应力，试分析此轴的失效形式可能有几种？设计时需要考核哪几个力学性能指标？答：根据其工作条件，此轴失效方式主要是疲劳断裂和轴颈处磨损，也可能出现冲击过载断裂，塑性变形或高温蠕变。从失效分析看，设计时需要考核力学性能指标：高的疲劳强度，防止疲劳断裂；优良的综合力学性能，即较高的屈服强度和抗拉强度、较高的韧性，防止塑性变形和冲击过载断裂；轴颈处具有高的硬度和耐磨性，防止磨损失效；高的蠕变抗力、耐蚀性等。2、 实际晶体中的晶体缺陷有哪几种类型，它们分别对金属材料力学性能有何影响？试分别举一例在实际生产（生活）的应用。答：实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为
15、晶体缺陷。根据缺陷在晶体中分布的几何特点, 可将其分为 3 大类, 即点缺陷、线缺陷和面缺陷。点 缺 陷 会 使 周 围 的 晶 格 发 生 畸 变 ， 进 而 使 位 错 运 动 时 阻 力 增 大 ， 从 而 引 起 材 料 强 度 、硬 度 上 升 ， 塑 性 、 韧 性 下 降 。 生 产 中 固 溶 强 化 就 是 利 用 此 原 理 ， 比 如 热 处 理 （ 淬 火 ） ；加 合 金 元 素 固 溶 于 奥氏体、铁素体、马氏体中，产生固溶强化。位错是一种及重要的晶体缺陷，它对金属的塑性变形，强度与断裂有很重要的作用，塑性变形就其原因就是位错的运动，而强化金属材料的基本途径之一就是
16、阻碍位错的运动。深入了解位错的基本性质与行为，对建立金属强化机制将具有重要的理论和实际意义。金属材料的强度与位错在材料受到外力的情况下如何运动有很大的关系。如果位错运动受到的阻碍较大，则材料强度、硬度就会较高。实际材料在发生塑性变形时，位错的运动是比较复杂的，位错之间相互反应、位错受到阻碍不断塞积、材料中的溶质原子、第二相等都会阻碍位错运动，从而使材料出现加工硬化。比如生产中的表面喷丸强化技术。面缺陷原子排列不规则，常温下晶界对位错运动起阻碍作用，塑性变形抗力提高，晶界有较高的强度和硬度。晶粒越细，材料的强度越高，这就是细晶强化。比如，生产中的孕育处理，加合金元素细化奥氏体和铁素体晶粒及马氏体
17、针条等。3、 何谓过冷度？为什么结晶需要过冷度？它对结晶后晶粒大小有何影响？为什么？答：过冷度是指金属其熔点（理论结晶温度）与实际结晶温度的差值，合金的过冷度等于其相图中液相线温度与实际结晶温度的差值。过冷度是指平衡结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。根据热力学第二定律，在等温等压条件下，一切自发过程都朝着使系统自由能降低的方向进行。从液、固金属自由能 G 与温度 T 的关系曲线可知，二曲线相交点对应的温度称为平衡结晶温度。在低于平衡结晶温度时，固体的自由能低于液体的自由能，液体结晶为固体为自发过程，所以要使液体结晶，就必须具有一定的过冷度，以提供结晶的驱动力，过冷度愈大，液体结晶的倾向愈大
18、。过冷度愈大，冷却速度越大，生核速率就越大，晶粒就越细小作业四1、 根据铁碳相图指出渗碳体的种类、形成过程及对铁碳合金力学性能的影响。答：根据铁碳相图渗碳体一般分为 5 种一次渗碳体（从液体相中析出）其呈白色条带状分布在莱氏体之间。二次渗碳体（从奥氏体中析出） ，沿奥氏体晶界网状分布。沿原始奥氏体晶界析出且呈网状分布，从而勾划出奥氏体晶界，故成网状的二次渗碳体。当奥氏体转变成珠光体后，二次渗碳体便呈连续网状分布在珠光体的边界上。三次渗碳体（从铁素体中析出） ，其分布在铁素体晶界上，但因量少、极分散，一般看不到。共晶渗碳体是由液态铁碳合金中直接结晶出来的；由于液体原子活动能力强，故共晶渗碳体常以
19、树枝状形态生长，而且比较粗大；由于形成共晶渗碳体的液态合金碳含量较高（4.3%)，故合金中共晶渗碳体的量大。共析渗碳体是由固态下（奥氏体中）形成的；以比较细小的片状形式存在；由于形成共析渗碳体的合金的碳含量较低（0.77%） ，故共析渗碳体的量少。渗碳体是铁碳合金中的强化相。渗碳体对性能的影响，既取决于形貌，也取决于数量，随着碳的质量分数的增加，强度、硬度增加，塑性、韧性下降。二次渗碳体因呈连续网状分布在珠光体的边界上，所以会使材料脆性增加。一次渗碳体出现在过共晶铸铁，具有很高的硬度，脆性大，难以加工，强度也低于钢。2、 并根据 Fe-Fe3C 相图分析下列各性能变化的原因：答：渗碳体是铁碳合
20、金中的强化相，随着含碳量的增加，渗碳体的量增加，所以材料的强度、硬度增加，塑性、韧性降低，当含碳量大于 1.0%,由于网状渗碳体的出现，导致材料强度下降。当含碳量大于 2.11%,出项粗大的一次渗碳体，材料变得硬脆。3、 画出 Fe -C 状态图，填出图中各区的相和组织。分析缓慢冷却条件下 T10 钢和含碳量为 5.0%铁的结晶（凝固）过程，要求分别画出其冷却曲线并写出各温度区间组织（相）转变，以及其室温组织。答：作图略。参见课件和机械工程材料过共析钢和过共晶铸铁的结晶过程。T10 室温组织 P+Fe3C 过共晶铸铁室温组织：Le+ Fe 3CI4、 应用杠杆定律分别计算 45 钢（含 C=0
21、.45%）,铁素体（ F）和 Fe3C 两相各占多少（相对质量分数）？有一钢的金相观察发现其 F:95%; Fe3C：5%；求钢的含碳量？解：(1)45 号钢的室温组织是为 F（Wc=0.0218% C）+P（F+Fe 3C） （Wc =0.77%C）所以 45 钢的室温相是 F 和 Fe3C (Wc=6.69%)，根据杠杆定律：相的相对量：W F=(6.69-0.45)/(6.69-0.0218)=0.9357=93.6%WFe3C=1-93.6%=6.4% 或 WFe3C =(0.45-0.0218)/(6.69-0.0218)=0.064=6.4%(2) 根据 WF=(6.69-X)/(
22、6.69-0.0218)=0. 95解得：X=6.69-0. 95*(6.69-0.0218)=0.355答（1）铁素体（F）和 Fe3C 两相各占 93.6%和 6.4%（2）钢的含碳量约为 0.35 5、 查资料，指出下列钢的类别、成分、室温显微组织及用途Q215-A-F；Q255-B ；10 钢；40Cr；60Si2Mn；W18Cr4V答：Q215-A-F 普通碳素结构钢，显微组织 F+P。 其余见金属工艺学 P31Q255-B 普通碳素结构钢，显微组织 F+P。其余见金属工艺学 P31T10 钢 碳素工具钢，显微组织 Fe3C+P。 其余见金属工艺学 P32 40Cr 合金结构钢，显微
23、组织 F+P。 其余见金属工艺学 P34 60Si2Mn 合金结构钢，显微组织 P（较多）+F。其余见金属工艺学 P35 W18Cr4V 合金工具钢，显微组织 P（大量）+F。其余见金属工艺学 P35 作业五1. 在钢中加入合金元素的主要目的是什么？答：（1） 改善钢的热处理工艺性能1） 细化奥氏体晶粒2） 提高淬透性3） 提高回火抗力(2)、合金元素提高钢的使用性能1）合金元素使钢强化（固溶强化、第二相强化、细晶强化）2）合金元素使钢获得特殊性能3）形成稳定的单相组织4）形成致密氧化膜5）形成金属间化合物请分别说出它们的代表钢号及其使用零件。根据前面的作用，合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢
24、中各选一种钢号和零件。2、 共析钢奥氏体等温转变产物的形成条件、组织形态及性能各有何特点？答：其等温转变在不同温度区间可能发生三种类型：珠光体型转变（高温转变） ；贝氏体型转变（中温转变） ；马氏体型转变（低温转变） 。 1) 珠光体型转变 转变的产物为珠光体、索氏体和托氏体。其形成的条件为共析钢在 727550（实际温度要低于该值）之间等温转变就行。温度在 727650之间，形成珠光体（层片之间距离比较大，如果在 727附近保温时间较长，会形成球状珠光体） ；在 650600之间，形成索氏体（放大千倍可以分辨出片层状） ；在 600550之间（用电子显微镜可以看出片层状） 。其中片层间距离越
25、小，P 的强度、硬度、塑性和韧性都越高。2) 贝氏体型转变 转变产物为贝氏体。其形成的条件为共析钢在 230550（实际温度要低于该值）之间等温转变。温度在 350550之间，形成上贝氏体。在光学显微镜下可以明显见到成束的、自晶界向晶粒内部生成的铁素体条，它的分布具有羽毛状特征，上贝氏体塑性和韧性较差，在生产中很少应用；在 350230之间形成下贝氏体，它容易被腐蚀，在显微镜下显黑色状。其具有较高的硬度和耐磨性，它的强度、韧度和塑性均高于上贝氏体。3) 马氏体型转变 转变产物为马氏体和残余奥氏体。其形成条件为共析钢在230以下等温转变就行，当奥氏体中 W(C)1%时，得到的是片状马氏体（呈双凸
26、透镜状） ，具有高强度高硬度，但韧性很差，其特点是硬而脆；W(C) 端部发蓝处理（防锈）汽车钢板弹簧：油淬+ 中温回火车床主轴、变速箱齿轮见教材 P35 表 1-8发动机曲轴：曲轴的热处理关键技术是表面强化处理。球墨铸铁曲轴一般均采用正火处理，为表面处理做好组织准备，表面强化处理一般采用感应淬火或氮化工艺+回火。锻钢曲轴则采用轴颈与圆角淬火工艺+回火。作业 81、 金属液态成形有何最突出的优点？通常有哪些液态成形方法？答：金属液态成形具有如下最突出的优点：（1）可制造出内腔、外形很复杂的毛坯。如各种箱体、机床床身、汽缸体、缸盖等。（2）工艺灵活性大，适应性广。液态成型件的大小几乎不限，其重量可
27、由几克到几百吨，其壁厚可由 0.5mm 到 1m 左右。工业上凡能溶化成液态的金属材料均可用于液态成型。对于塑性很差的铸铁，液态成型是生产其毛坯或零件的唯一的方法。（3）液态成型件成本较低。液态成型可直接利用废机件和切屑，设备费用较低。同时，液态成型件加工余量小，节约金属。通常的液态成形方法：通常分为两大类：砂型铸造成形工艺和特种铸造成形工艺（如：金属型铸造、熔模铸造、压力铸造、低压铸造、实型铸造、离心铸造等）2、 金属铸造工艺性能主要以何种物理特性来表征？其影响因素如何？请分别予以分析？答：金属铸造工艺性能主要以液态金属的充型能力来表征。影响液态金属充型能力的因素有：合金的流动性，铸型性质，
28、浇注条件，铸件结构等。合金的流动性是指金属液的流动能力。流动性越好的金属液，充型能力越强。铸型性质的影响：（1）铸型材料 铸型的蓄热系数大，充型能力越差。（2）铸型温度 铸型温度越高，充型能力越强。（3）铸型中的气体浇注条件的影响（1）浇注温度：一般 T 浇越高，液态金属的充型能力越强。（2）充型压力：压力越大，充型能力越强。（3）浇注系统结构 结构复杂，流动阻力大，充型能力差。铸件结构的影响：（1）铸件壁厚 厚度大，热量散失慢，充型能力就好。（2）铸件复杂程度 结构复杂，流动阻力大，充型困难。 3、铸造凝固方式，根据合金凝固特性分成哪几类？它们对铸件质量将分别产生什么影响？答： 铸造凝固方式
29、，根据合金凝固特性分成逐层凝固、糊状凝固、中间凝固。合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固；凝固区域愈宽，愈倾向于糊状凝固；对于一定成分的合金，结晶温度范围已定，凝固方式取决于铸件截面的温度梯度，温度梯度越大，对应的凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区域的宽窄，铸件的凝固与铸造缺陷的关系：一般说来，逐层凝固有利于合金的充型及补缩，便于防止缩孔和缩松；糊状凝固时，难以获得组织致密的铸件，如果凝固和收缩得不到合理的控制，铸件内部就会出现缩孔、缩松、铸造应力、变形、裂纹等缺陷。4、 金属液态成形中，其收缩过程分为哪几个相互联系的阶段，对铸件
30、质量将产生什么影响？答：金属从液态冷却到室温，要经历三个相互联系的收缩阶段：液态收缩从浇注温度冷却至凝固开始温度之间的收缩。凝固收缩从凝固开始温度冷却到凝固结束温度之间的收缩。固态收缩从凝固完毕时的温度冷却到室温之间的收缩。收缩导致的铸件缺陷：(1)缩孔和缩松 (2)铸造应力、变形和裂纹5、如何防止缩孔和缩松的产生？答：（1）缩孔形成机理是：纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围窄的合金，在一般铸造条件下按由表及里逐层凝固的方式凝固。由于金属或合金在冷却过程中发生的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，从而在铸件最后凝固的部位形成尺寸较大的集中缩孔。（2）缩松的形成机理是：铸件最后凝固的收缩未能得到补足
31、，或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。不同的铸造合金形成缩孔和缩松的倾向不同。逐层凝固合金(纯金属、共晶合金或窄结晶温度范围合金)的缩孔倾向大，缩松倾向小；糊状凝固的合金缩孔倾向虽小，但极易产生缩松。由于采用一些工艺措施可以控制铸件的凝固方式，因此，缩孔和缩松可在一定范围内互相转化。缩孔和缩松的防止：防止铸件产生缩孔的途径：采用顺序凝固。措施：加冒口：使铸件从远离冒口的部分到冒口之间建立一个递增的温度梯度，凝固从远离冒口的部分开始，逐渐向冒口方向顺序进行，最后是冒口本身凝固。这样就能实现良好的补缩，使缩
32、孔移至冒口，从而获得致密的铸件。防止铸件产生缩松途径：（1）选用近共晶成分和结晶范围较窄的合金生产铸件；（2）提高铸件温度梯度：铸件温度梯度大，则其对应的凝固区窄。措施：铸件缩松处设置冒口，安放冷铁或冷铁与冒口联用；采取细化品粒的措施；改进铸件在铸型中的位置降低浇注温度和浇注速度6、何谓铸件热应力和机械应力？它们对铸件质量将产生什么影响？如何防止铸件变形？铸件的固态收缩受到阻碍而引起的应力，称为铸造应力。热应力：由于铸件各部分冷却速度不同，以致在同一时期内收缩不一致，而且各部分之间 存在约束作用，从而产生的内应力，称为热应力。铸件冷却至室温后，这种热应力依然存在 ，故又称为残余应力。机械应力：
33、是由于铸件的收缩受到机械阻碍而产生的，是暂时性的，只要机械阻碍一经消除，应力也随之消失。铸造应力的存在会带来一系列不良影响，诸如使铸件产生变形、裂纹 ，降低承载能力，影响加工精度等。防止铸件变形的途径（1） 使铸件各部分冷却速度尽量一致： （2） 减少铸件的收缩的机械阻碍；措施：（1）采用同时凝固的原则；（2）工艺方面提高铸型和型芯的退让性，及早落砂、打箱以消除机械阻碍，将铸件放入保温坑中缓冷，都可减小铸造应力。（3）结构设计方面应尽量做到结构简单，壁厚均匀，薄、厚壁之间逐渐过渡，以减小各部分的温差，并使各部分能比较自由地进行收缩。 （4）可用自然时效、人工时效等方法消除。作业 91、铸铁石墨
34、化的意义是什么？影响铸铁石墨化的因素有哪些？答：意义：石墨化可将高硬度、性脆的白口铸铁转化为具有较高强度及其他性能的灰铸铁、球铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁，拓展了铸铁的使用范围。影响铸铁石墨化的因素：（1）化学成分的影响:通常促进铸铁石墨化的元素有硅(Si)、钛(Ti)、镍(Ni)、铜 (Cu)、铝(AD 和钴(Co)等。硅是强烈的石墨化元素， 既促进石墨结晶，又促进渗碳体分解。铬(Cr)、锑 (Te)、硫(S)、钒(V)、锰(Mn)、钼(Mo)、磷(P)、 钨(W)、镁(Mg)、硼(B)、氧(O)、氢(H)和氮(N)等 都是阻碍石墨化过程的元素，即促进碳以碳化物形式存 在的元素。（2）冷却速度的影
35、响: 石墨从固溶体中析出时，冷却速度对其有很大影响。冷却速度大可阻止石墨化的进展过程。(3)高温下保温时间的影响:可锻铸铁在高温下保温时，石墨晶核在奥氏体/渗碳体界面处形核后依照双重的铁碳状态图，奥氏体中的含碳量在与渗碳体邻近的界面处高于其与石墨邻近的界面处，如此碳原子从浓度高处向浓度低处扩散， 从而破坏了各界面处的平衡，完成石墨化过程。2、孕育铸铁将如何生产？孕育铸铁有何组织和性能特点？答：孕育铸铁生产：在浇注前向铁液中加入少量孕育剂（如硅铁和硅钙合金），形成大量的、高度弥散的难熔质点，成为石墨的结晶核心，促进石墨的形核，得到细珠光体基体和细小均匀分布的片状石墨。这种方法称为孕育处理，孕育处
36、理后得到的铸铁叫做孕育铸铁。孕育铸铁组织和性能特点：组织是细珠光体基体和细小均匀分布的片状石墨；性能特点：强度和韧性都优于普通灰铸铁，而且孕育处理使得不同壁厚铸件的组织比较均匀，性能基本一致。故孕育铸铁常用来制造力学性能要求较高而截面尺寸变化较大的大型铸件。3、蠕墨铸铁是如何获得的？蠕墨铸铁有何组织和性能特点？说明蠕墨铸铁在汽车制造中的应用。答：（1）蠕墨铸铁生产：目前，国内外都是通过一定形式向一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂来获得蠕墨铸铁。蠕化处理方式和球墨铸铁的处理工艺相似，但远比球化处理难以控制。这主要是由于铁水中的蠕化元素残留量范围很窄造成的（2）蠕墨铸铁组织和性能特点蠕铁的组织特点：
37、基体组织：一般蠕墨铸铁基体组织具有强烈形成铁索体的倾向，铸态基体组织以铁素体为主，与珠光体组成的混合基体。蠕墨铸铁的石墨形态是蠕虫状，它比片状石墨短、粗，对基体的割裂作用比片状小，而且蠕虫状石墨的端部呈圆形，应力集中小。主要性能：力学性能：由于蠕虫状石墨形态介于灰铸铁和球墨铸铁的石墨形态使其组织和性能处于球墨铸铁和灰铸铁之间，具有良好的综合性能，即具有较高的强度和塑性、韧性，力学性能明显优于灰铸铁。蠕墨铸铁的蠕化率越高，断面厚度对蠕化率的敏感性越小。蠕墨铸铁抗拉强度随壁厚的增加而呈下降趋势，但下降趋势比较缓慢，即蠕墨铸铁抗拉强度的断面敏感性小于灰铸铁。铸造性能：流动性：蠕墨铸铁碳当量高，接近共
38、晶成份，又经蠕化剂去硫去氧，因而具有良好的流动性。收缩性：蠕墨铸铁的线收缩率 0911，与灰铸铁的相当。蠕墨铸铁的体收缩率与蠕化率有关，蠕化率高，体收缩小，蠕化率低，体收缩大。蠕墨铸铁体收缩处于灰铸铁与球墨铸铁之间。白口倾向：蠕墨铸铁在薄壁及尖角处的白口倾向比灰铸铁大，比球墨铸铁小。使用性能：耐磨性：蠕虫状石墨对机体的削弱不像片状石墨那样严重，而吸油、自润滑、储油性能又优于球墨铸铁。一般认为，蠕墨铸铁具有较好的“减磨”、“耐磨”综合性能。减震性：若以灰铸铁 10，则蠕墨铸铁为 06，球墨铸铁为 O35。切削性能：蠕墨铸铁的切削性能介于球墨铸铁和灰铁铁之间，耐热疲劳性能：热疲劳失效形式是开裂、龟
39、裂和变形，决定材料耐疲劳性能的主要因素有材料的常温、高温强度与变形抗力以及导热性、组织定性与抗氧化、抗生长性能。蠕墨铸铁的耐变形能力优于铁素体球墨铸铁，耐开裂能力和耐龟裂能力比球墨铸铁差，但优于灰铸铁。综合考虑，在多种情况下，铁素体蠕墨铸铁比球墨铸铁和灰铸铁更适合于制造耐热疲劳的零件。具有综合的耐热疲劳性能是蠕墨铸铁的一大特色。（3）蠕墨铸铁在汽车制造中的应用近几年，蠕墨铸铁的应用，特别是在欧洲，得到了长足的进展。这是人们在发现蠕墨铸铁后，国外首次把它作为一种材料在发动机缸体等重要铸件上广泛使用。应用的同时又掀起了相应地进一步深入研究的高潮。美国 Ashland 公司的 MWSwartzlan
40、der 把球铁、等温淬火球铁(ADI)和最近应用的蠕墨铸铁称之为形成了“新的铁时代”。例如宝马汽车公司(BMW)的 v8 柴油发动机缸体，戴姆勒克莱斯勒汽车公司的 12 升排量 8 缸发动机缸体，达夫公司的 126 升排量、功率为 390kW 的六缸发动机缸体都用蠕墨铸铁铸造。爱森布吕公司在充分对比的基础上，已开始在轿车发动机缸体上使用蠕墨铸铁。德国阿乌哥斯特坎泼公司年生产 3 万 6 千吨蠕墨铸铁件，主要供奥迪、奔驰、大众、宝马、司科达等汽车公司的排气管与增压器壳体。美国福特(Ford)公司与辛特(Sinter)合作，在巴西已生产出 10 万个蠕墨铸铁 V6 缸体。瑞典达劳斯(Daros)活
41、塞环厂开发了蠕墨铸铁活塞环。福特汽车公司率先在其 26 升的 V61ino 柴油机上使用由蠕墨铸铁铸造的发动机气缸体，福特汽车公司采用蠕墨铸铁工艺后，在发动机性能、尺寸、重量和成本方面将占有优势。欧宝公司对 2 升直列 4 缸气缸体采用原灰铸铁工装生产，并在原灰铸铁生产线上加工，对两种材质的成品气缸体进行噪音和震动性评价，结果表明，采用蠕墨铸铁气缸体装的发动机较灰铸铁气缸体发动机相当大的降低了噪音，而减震性得到了提高。东风汽车公司对蠕墨铸铁的研究和实践始于 1979 年。于 1984 年 5 月正式在流水线上生产，成为我国第一家大量流水生产蠕墨排气管铸铁件的工厂。据统计，近几年来国内蠕墨铸铁作
42、为铸造合金增长幅度较大，其主要原因是蠕墨铸铁在轿车发动机上的大规模应用。我国山东汶上精良机械有限公司、戚墅堰机车工艺研究所等单位生产的火车用内燃机气缸盖，一汽无锡柴油机厂生产的汽车用内燃机气缸盖已广泛应用蠕墨铸铁。4、球墨铸铁是如何获得的？球墨铸铁有何组织和性能特点？说明球墨铸铁在汽车制造中的应用。答：（1）球墨铸铁生产：通过在浇注之前，往铁液中加入少量球化剂（通常为镁、稀土镁合金或含铈的稀土合金）和孕育剂（通常为硅铁），使铁水凝固后形成球状石墨而获得的。（2）球墨铸铁组织和性能特点组织：珠光体+球状石墨 性能：强度较高，具有一定疲劳强度和耐磨性能铁素体+球状石墨 性能：具有一定强度、良好的冲
43、击韧性和塑性奥氏体-贝氏体+球墨 性能：具有高强度、高韧性（3）说明球墨铸铁在汽车制造中的应用球铁应用于汽车中的三个主要地方：(1)动力源一发动机部件；(2)动力传递一一齿轮系、齿轮和轴套；(3)车物悬置、制动器和转向装置。动力源曲轴是承受连续变化的弯曲、扭转和剪切载荷的零件，福特汽车公司的几乎所有曲轴都用这种材料来制造。世界上大多数汽油机汽车都装上球铁曲轴来代替锻钢曲轴，这种应用被认为是价值工程的典型例子。东风汽车公司采用铸态珠光体球铁制造曲轴，东风汽车公司与南京汽车厂分别用铸态铁素体球铁大量制造汽车底盘零件。装有涡轮增压器的排气管的温度提高到 500 一 700，在这种条件下，氧化和蠕变强
44、度变得重要了。具有优良性能的球铁正在取代灰铸铁应用于排气管，随着温度的提高，将更进一步使用硅铝合金球铁。汽车动力传递方面，有将球铁应用于圆片离合器、分速器箱、后轴和轮壳等的强烈的趋势。瑞士 Sehaffhausen 的 G.Fiseher 铸造厂在这方面有许多应用，他们把铸钢件、锻钢件以及可锻铸铁件转变为球墨铸铁件。球铁经常用作悬置部件如弹簧挂钩以及制动系统主要安全部件(制动卡钳)和转向关节。5、目前常用的液态成形工艺方法有哪些？各适用什么合金？并举出各自在汽车零件生产上的应用实例。答：（1）砂型铸造钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。在汽车零件方面主要用于生产汽缸壳体、汽缸盖、
45、变速箱壳体、曲轴等毛坯生产。（2）压力铸造压铸合金主要适合有色金属的锌、铝、镁和铜。在汽车零件方面主要用于生产铝合金汽车发动机缸体、缸盖，变速箱壳体；镁合金汽车零件，如仪表盘,坐椅框架、变速箱壳、舵杆件、气缸盖、吸入分支管、门框、大的车体外部件、发动机箱体、支撑柱等。（3）金属型铸造金属型合金主要适合于铜、铝、镁等有色合金铸件。在汽车零件方面主要用于生产铝合金活塞、铝合金车轮、铝合金汽车缸盖等（4）熔模铸造可用熔模铸造法生产的合金种类有碳素钢、合金钢、耐热合金、不锈钢、精密合金、永磁合金、轴承合金、铜合金、铝合金、钛合金和球墨铸铁等。在汽车零件方面主要用于生产汽车保安件、汽车工字前轴等（5）消
46、失模铸造消失模铸造法生产的合金种类有铸钢、铸铁、铝合金、铜合金等。意大利菲亚特公司在都灵建成欧洲最大规模的消失模生产车间，年产量 1.5 万吨。德国宝马公司建成年产 20万只各种规格铝合金气缸盖的消失模生产线。美国通用的 SMCO 建成目前世界上最先进、规模最大的消失模铸造厂。国内生产有汽车球铁轮毂铸件、汽车发动机缸体、铝合金进气管等。作业 101、何谓塑性变形？金属塑性变形的实质是什么？ 答：材料在外力作用下产生形变而在外力去除后不能恢复的那部分变形，称为塑性变形。或当应力超过材料的弹性极限，则产生的变形在外力去除后不能全部恢复，而残留一部分变形，材料不能恢复到原来的形状，这种残留的变形是不
47、可逆的塑性变形。金属塑性变形的实质是是晶体内部产生了滑移。金属变形时，晶内各部分在切应力作用下，沿原子排列最密的晶面（滑移面）和原子排列最密的晶向（滑移方向）发生相对滑移，晶体中大量滑移线的滑移量就构成了宏观塑性变形。实际生产中是位错运动引起滑移。2、铅在 20、钨在 1000时变形属于何种变形？为什么？（铅的熔点是 327，钨的熔点,3380 ）答：金属变形温度在再结晶温度以上称为热变形，以下称为冷变形。铅的熔点 327C,铅的再结晶温度 =(327+273)0.4=258K = -33C。钨的熔点 3380C,钨的再结晶温度 =(3380+273)0.4=1461K = 1188C。所以，
48、铅在 20时变形，因其变形温度在再结晶温度以上属于热变形；钨在 1000时变形，因其变形温度在再结晶温度以下属于冷变形。3、产生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金属加工中有什么利弊？ 答：原因：随着变形的增加，晶粒逐渐被拉长，直至破碎，这样使各晶粒都破碎成细碎的亚晶粒，变形愈大，晶粒破碎的程度愈大，这样使位错密度显著增加；同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长。因此，随着变形量的增加，由于晶粒破碎和位错密度的增加，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬化”现象。利弊：金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难，如钢板在冷轧过程中会越轧越硬，以
49、致最后轧不动。另一方面人们可以利用加工硬化现象，来提高金属强度和硬度，如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度的。加工硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因素。如冷拉钢丝拉过模孔的部分，由于发生了加工硬化，不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔的部分，这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。4、同种金属材料分别经过冷、热变形，其组织和性能有何差异？何谓金属再结晶？ 答：（1）冷变形：1）组织变化的特征：晶粒沿变形最大方向伸长；晶粒扭曲，产生内应力，变形织构；晶粒间产生碎晶。2）性能变化的特征：随着变形程度的增加，会其强度和硬度不断提高，塑性和韧性不断下降的现象（加工硬化） 。（2）热变形：1）组织变化的特征： 细化晶粒； 压合了铸造缺陷； 组织致密。2）性能变化的特征：无加工硬化现象；出现锻造流线，金属性能各向异性。金属再结晶：当温度升高到该金属熔点温度的 0.4 倍时，金属原子获得更多的热能，则开始以某些碎晶或杂质为核心结晶成新的晶粒，从而消除了全部加工硬化现象。这个过程称为再结晶。5、纤维组织是怎么形成的？它有什么性能特点？在设计和制造零件时应如何分布锻造流
