《金属材料与热处理》复习资料

《金属材料与热处理》复习思考题参考 第一章 金属的力学性能 1．解释下列名词金属的力学性能 ，弹性极限，载荷 ，应力 ，强度，硬度 ，塑性。 答：金属的力学性能：是指金属在外力作用下所表现出来的性能。 弹性极限：是指金属材料在外力作用下，只发生弹性变形而不发生塑性变时所能承受的最大应力。 载荷：是指金属材料在加工及使用过程中所受到的各种外力。其符号用F表示。 应力：指单位面积上的内应力。 强度：是指金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力，是技术上重要的力学性能指标。 硬度：材料抵抗局部变形特别是塑性变性压痕或划痕的能力。 塑性：是金属材料断裂前产生塑性变形的能力。 2、什么是金属的疲劳？简述疲劳断裂的特点。 答：金属材料在受到交变应力或重复循环应力时往往在工作应力小于屈服强度的情况下突 然断裂，这种现象称为疲劳。 疲劳断裂的特点：由于疲劳的应力比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前，均没有明显的塑性变形，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢扩展到临界尺寸时突然发生的。由于断裂前没有明显的预兆，故疲劳断裂危险性极大。宏观断口一般可明显地分为三个区域，即疲劳源，疲劳裂纹扩展区和瞬间断裂区。疲劳源多在机件的表面处。 第二章 金属的晶体结构 1．解释下列名词 点缺陷，线缺陷，面缺陷，晶体，晶格，晶胞，单晶体，晶粒，晶界，合金，组亓，相，固溶体，金属化合物。 答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。 线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如位错。 面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。如晶界和亚晶界。 晶体：是指组成物质的原子或分子在空间排列是有规则、有序排列的物体。 晶格：把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格架称为晶格。 晶胞：构成晶格的最基本单元。 单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。 晶粒：多晶体中的每个外形不规则的、呈颗粒状的小晶体称为晶粒。 晶界：晶粒与晶粒之间的分界线称为晶界。 合金：通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。 组亓：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元 相：在纯金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均称之为相。 固溶体：合金的组元之间以不同的比例混合，混合后形成的固相的晶格结构与组成合金的某一组元的相同，这种相称为固溶体。 金属化合物：合金的组元间发生相互作用形成的一种具有金属性质的新相，称为金属化合物。它的晶体结构不同于任一组元，用分子式来表示其组成。 2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、 Pb 、 Cr 、 V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？ 答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格； α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格； γ－Fe 、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格； Mg、Zn属于密排六方晶格； 3.实际金属晶体中存在哪几种缺陷？这些缺陷对金属性能有何影响？ 答：金属实际晶体中存在点缺陷、线缺陷和面缺陷三种晶体缺陷。这些缺陷对金属性能的影响如下：1）点缺陷造成局部晶格畸变，使金属的电阻率，屈服强度增加，密度发生变化。2）线缺陷形成位错对金属的机械性能影响很大，位错极少时，金属强度很高。3）面缺陷晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高金属塑变的能力越大，塑性越好。 总之，材料的强度硬度增加，随着点、线缺陷量的增加，材料的塑性韧性下降，而随着面缺陷量的增加，塑性和韧性反而提高。 4.金属中常见的晶体结构有哪几种？ 答：金属中常见的晶体结构有：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种 5.固溶体有哪几种类型？固溶体与化合物有何区别？ 答：间隙固溶体固溶体根据溶质在溶剂中所占据的位置不同分为和置换固溶体。固溶体与化合物的区别是：固溶体与化合物的区别是： 1） 固溶体的晶格结构保持了溶剂的晶格结构，化合物的晶格结构不同于任何一种组元。 2）化合物的硬度高而脆，熔点高，通常不做为主相，而作为强化相。 6.为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？ 答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。 第三章 纯金属的结晶 1．解释下列名词： 机械混合物；枝晶偏析。 答： 机械混合物：合金的组织由不同的相以不同的比例机械的混合在一起，称机械混合物。 枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较 多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。 2.金属形核的方式有几种？通常金属结晶时形核的主要方式是哪一种？晶粒的形态如何？ 答：金属形核的方式有：自发形核（均质形核）和非自发形核（异质形核）两种。 金属通常以非自发形核为主要形核方式。（需能量小） 晶粒的形态通常为树枝晶。 3.影响晶粒大小的因素有哪些？如何影响晶粒大小？ 答：影响晶粒大小的因素是形核率（N）和长大速度（G）。 形核率提高的比长大速度更快，即N/G增大时，晶粒更细小。 4.什么叫同素异晶转变？其转变与纯金属的结晶有何异同？ 答： 同素异晶转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为 另一种晶格的现象称为同素异晶转变。 同素异晶转变与金属的结晶相同点： 1） 过程都包括形核与长大两过程 2） 且都在恒温下进行 3） 同时都是相变。 不同点：同素异晶转变是固态下的相变；而纯金属的结晶是液态向固态转变的相变。 5．指出下列名词的主要区别： 1）置换固溶体与间隙固溶体； 答：置换固溶体：溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固溶体称置换固溶体。 间隙固溶体：溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体。 2）相组成物与组织组成物； 相组成物：合金的基本组成相。 组织组成物：合金显微组织中的独立组成部分。 6．固溶体和金属化合物在结构和性能上有什么主要差别？ 答：在结构上：固溶体的晶体结构与溶剂的结构相同，而金属化合物的晶体结构不同于组成它的任一组元，它是以分子式来表示其组成。 在性能上：形成固溶体和金属化合物都能强化合金，但固溶体的强度、硬度比金属间化合物低，塑性、韧性比金属间化合物好，也就是固溶体有更好的综合机械性能。 7. 何谓共晶反应、包晶反应和共析反应?试比较这三种反应的异同点. 答：共晶反应：指一定成分的液体合金，在一定温度下，同时结晶出成分和晶格均不相同的两种晶体的反应。 包晶反应：指一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另外一种固相的反应过程。 共析反应：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具有一定晶体结构的固相的反应。 共同点：反应都是在恒温下发生，反应物和产物都是具有特定成分的相，都处于三相平衡状态。 不同点：共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应；共析反应是一种固相在恒温下生成两种固相的反应；而包晶反应是一种液相与一种固相在恒温下生成另一种固相的反应。 8．二元合金相图表达了合金的哪些关系？ 答：二元合金相图表达了合金的状态与温度和成分之间的关系。 9．在二元合金相图中应用杠杆定律可以计算什么？ 答：应用杠杆定律可以计算合金相互平衡两相的成分和相对含量。 10.在相图中三相水平线处相和组织是否能用杠杆定律来计算，为什么？ 答：在相图中三相水平线处：在转变前后相和组织能用杠杆定律来计算，转变过程中不能。转变前后的相是两相，转变过程中为3相，杠杆定律只适用于两相区。 11．某合金相图如图所示，回答下列问题。 1）试标注①—④空白区域中存在相的名称； 2）指出此相图包括哪几种转变类型； 3）说明合金Ⅰ的平衡结晶过程及室温下的显微组织。 答：(1)①：L+γ ②: γ+β ③: β+(α+β) ④: β+αⅡ (2)匀晶转变；共析转变 (3)合金①在1点以上全部为液相,冷至1点时开始从液相中析出γ固溶体至2点结束,2～3点之间合金全部由γ固溶体所组成,3点以下,开始从γ固溶体中析出α固溶体,冷至4点时合金全部由α固溶体所组成,4～5之间全部由α固溶体所组成,冷到5点以下,由于α固溶体的浓度超过了它的溶解度限度,从α中析出第二相β固溶体,最终得到室温下稳定的显微组织: α+βⅡ 12．有形状、尺寸相同的两个 Cu-Ni 合金铸件，一个含 90% Ni ，另一个含 50% Ni,铸后自然冷却，问哪个铸件的偏析较严重？ 答：含 50% Ni的Cu-Ni 合金铸件偏析较严重。在实际冷却过程中，由于冷速较快，使得先结晶部分含高熔点组元多，后结晶部分含低熔点组元多，因为含 50% Ni的Cu-Ni 合金铸件固相线与液相线范围比含 90% Ni铸件宽，因此它所造成的化学成分不均匀现象要比含 90% Ni的Cu-Ni 合金铸件严重。 13.过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？ 答：①冷却速度越大，则过冷度也越大。②随着冷却速度的增大，则晶体内形核率和长大速度都加快，加速结晶过程的进行，但当冷速达到一定值以后则结晶过程将减慢，因为这时原子的扩散能力减弱。③过冷度增大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。 14.金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？ 答：①金属结晶的基本规律是形核和核长大。②受到过冷度的影响，随着过冷度的增大，晶核的形成率和成长率都增大，但形成率的增长比成长率的增长快；同时外来难熔杂质以及振动和搅拌的方法也会增大形核率。 15.在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？在生产中如何应用变质处理？ 答：①采用的方法：变质处理，钢模铸造以及在砂模中加冷铁以加快冷却速度的方法来控制晶粒大小。②变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒。③机械振动、搅拌。 第四章 铁碳合金 1.选择题： （1）下列组织中塑性最好的是（ A ）。 A.铁素体 B.珠光体 C.渗碳体 莱氏体 （2）Fe—Fe3C相图上所形成的共析线是（ C ），共晶线是（ A ）。 A.ECF线 B.ACD线 C.PSK线 2.判断题： （1）渗碳体中碳的质量分数是6.69%。（ √ ） （2）碳溶于α—Fe中所形成的间隙固溶体为奥氏体。（ × ） （3）共析转变是在恒温下进行的。（ √ ） 3．何谓金属的同素异构转变？试画出纯铁的结晶冷却曲线和晶体结构变化图。 答：由于条件（温度或压力）变化引起金属晶体结构的转变，称同素异构转变。 4.何谓铁素体（F）,奥氏体（A），渗碳体（Fe3C），珠光体（P）,莱氏体（Ld）？它们的结构、组织形态、性能等各有何特点？ 答：铁素体（F）：铁素体是碳在 中形成的间隙固溶体，为体心立方晶格。由于碳在 中的溶解度`很小，它的性能与纯铁相近。塑性、韧性好，强度、硬度低。它在钢中一般呈块状或片状。 奥氏体（A）：奥氏体是碳在 中形成的间隙固溶体，面心立方晶格。因其晶格间隙尺寸较大，故碳在 中的溶解度较大。有很好的塑性。 渗碳体（Fe3C）：铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。在钢中以片状存在或网络状存在于晶界。在莱氏体中为连续的基体，有时呈鱼骨状。 珠光体（P）：由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体呈层片状。珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。 莱氏体（Ld）：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体基体上。由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。 5.Fe-Fe3C合金相图有何作用？在生产实践中有何指导意义？又有何局限性？ 答：①碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用，各种热加工工艺的制订以及工艺废品原因的分析等方面都有重要指导意义。②为选材提供成分依据： 相图描述了铁碳合金的组织随含碳量的变化规律，合金的性能决定于合金的组织，这样根据零件的性能要求来选择不同成分的铁碳合金；为制定热加工工艺提供依据：对铸造，根据相图可以找出不同成分的钢或铸铁的熔点，确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏。对于锻造：根据相图可以确定锻造温度。对焊接： 根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性；对热处理： 相图更为重要，如退火、正火、淬火的加热温度都要参考铁碳相图加以选择。③由于铁碳相图是以无限缓慢加热和冷却的速度得到的，而在实际加热和冷却通常都有不同程度的滞后现象。 6.画出 Fe-Fe3C 相图，指出图中 S 、C 、E 、P、N 、G 及 GS 、SE 、PQ 、PSK 各点、线的意义，并标出各相区的相组成物和组织组成物。 答: C：共晶点1148℃ 4.30%C，在这一点上发生共晶转变，反应式： ，当冷到1148℃时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物——莱氏体 E：碳在 中的最大溶解度点1148℃ 2.11%C G： 同素异构转变点（A3）912℃ 0%C H：碳在 中的最大溶解度为1495℃ 0.09%C J：包晶转变点1495℃ 0.17%C 在这一点上发生包晶转变，反应式： 当冷却到1495℃时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相δ反应生成具有J点成分的固相A。 N： 同素异构转变点（A4）1394℃ 0%C P：碳在 中的最大溶解度点 0.0218%C 727℃ S：共析点727℃ 0.77%C 在这一点上发生共析转变，反应式： ，当冷却到727℃时从具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物——珠光体P（ ） ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm温度线，随温度的降低，碳在奥化体中的溶解度减少，多余的碳以 形式析出，所以具有0.77%～2.11%C的钢冷却到Acm线与PSK线之间时的组织 ，从A中析出的 称为二次渗碳体。 GS线：不同含碳量的奥氏体冷却时析出铁素体的开始线称A3线，GP线则是铁素体析出的终了线，所以GSP区的显微组织是 。 PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线，随温度的降低，碳在铁素体中的溶解度减少，多余的碳以 形式析出，从 中析出的 称为三次渗碳体 ，由于铁素体含碳很少，析出的 很少，一般忽略，认为从727℃冷却到室温的显微组织不变。 PSK线：共析转变线，在这条线上发生共析转变 ，产物（P）珠光体，含碳量在0.02～6.69%的铁碳合金冷却到727℃时都有共析转变发生。 7.何谓碳素钢？何谓白口铁？两者的成分组织和性能有何差别？ 答：碳素钢：含有0.02%~2.14%C的铁碳合金。 白口铁：含大于2.14%C的铁碳合金。 碳素钢中亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成，其中珠光体中的渗碳体以细片状分布在铁素体基体上，随着含碳量的增加，珠光体的含量增加，则钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。当含碳量达到0.8%时就是珠光体的性能。过共析钢组织由珠光体和二次渗碳体所组成，含碳量接近1.0%时，强度达到最大值，含碳量继续增加，强度下降。由于二次渗碳体在晶界形成连续的网络，导致钢的脆性增加。 白口铁中由于其组织中存在大量的渗碳体，具有很高的硬度和脆性，难以切削加工。 8.亚共析钢、共析钢和过共析钢的组织有何特点和异同点。 答：亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成。其中铁素体呈块状。珠光体中铁素体与渗碳体呈片状分布。共析钢的组织由珠光体所组成。过共析钢的组织由珠光体和二次渗碳体所组成，其中二次渗碳体在晶界形成连续的网络状。 共同点：钢的组织中都含有珠光体。不同点：亚共析钢的组织是铁素体和珠光体，共析钢的组织是珠光体，过共析钢的组织是珠光体和二次渗碳体。 9.分析含碳量分别为 0.20% 、 0.60% 、 0.80% 、 1.0% 的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织. 答：0.80%C:在1~2点间合金按匀晶转变结晶出A，在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。冷到3点时（727℃），在恒温下发生共析转变，转变结束时全部为珠光体P，珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体，当温度继续下降时，珠光体中铁素体溶碳量减少，其成分沿固溶度线PQ变化，析出三次渗碳体 ，它常与共析渗碳体长在一起，彼此分不出，且数量少，可忽略。 室温时组织P。 0.60% C：合金在1~2点间按匀晶转变结晶出A，在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。冷到3点时开始析出F，3-4点A成分沿GS线变化，铁素体成分沿GP线变化，当温度到4点时，奥氏体的成分达到S点成分（含碳0.8%），便发生共析转变，形成珠光体，此时，原先析出的铁素体保持不变，称为先共析铁素体，其成分为0.02%C，所以共析转变结束后，合金的组织为先共析铁素体和珠光体，当温度继续下降时，铁素体的溶碳量沿PQ线变化，析出三次渗碳体，同样 量很少，可忽略。 所以含碳0.40%的亚共析钢的室温组织为：F+P 1.0% C：合金在1~2点间按匀晶转变结晶出奥氏体，2点结晶结束，合金为单相奥氏体，冷却到3点，开始从奥氏体中析出二次渗碳体 ， 沿奥氏体的晶界析出，呈网状分布，3-4间 不断析出，奥氏体成分沿ES线变化，当温度到达4点（727℃）时，其含碳量降为0.77%，在恒温下发生共析转变，形成珠光体，此时先析出的 保持不变，称为先共析渗碳体，所以共析转变结束时的组织为先共析二次渗碳体和珠光体，忽略 。 室温组织为二次渗碳体和珠光体。 10．指出下列名词的主要区别： 1）一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体与共析渗碳体； 答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。 二次渗碳体：从A中析出的 称为二次渗碳体。 三次渗碳体：从 中析出的 称为三次渗碳体 。 共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。 共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。 2） 热脆与冷脆。 答：热脆：S在钢中以FeS形成存在，FeS会与Fe形成低熔点共晶，当钢材在1000℃~1200℃压力加工时，会沿着这些低熔点共晶体的边界开裂，钢材将变得极脆，这种脆性现象称为热脆。 冷脆：P使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变脆，这种现象称为“冷脆”。 11．根据 Fe-Fe3C 相图，计算： 1）室温下，含碳 0.6% 的钢中珠光体和铁素体各占多少； 2）室温下，含碳 1.2% 的钢中珠光体和二次渗碳体各占多少； 3）铁碳合金中，二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量。 答：1）Wp=(0.6-0.02)/(0.8-0.02)*100%=74% Wα=1-74%=26% 2）Wp=(2.14-1.2)/(2.14-0.8)*100%=70% WFe3CⅡ=1-70%=30% 3）WFe3CⅡ=(2.14-0.8)/(6.69-0.8)*100%=23% W Fe3CⅢ=0.02/6.69*100%=33% 12．对某退火碳素钢进行金相分析，其组织的相组成物为铁素体+渗碳体（粒状），其中渗碳体占 18% ，问此碳钢的含碳量大约是多少？ 答： WFe3CⅡ=18% =( WC-0.02)/(6.69-0.02)*100% WC=1.22% 13．对某退火碳素钢进行金相分析，其组织为珠光体+渗碳体（网状），其中珠光体占 93% ，问此碳钢的含碳量大约为多少？ 答：Wp=93% =(2.14- WC)/(2.14-0.8)*100%=70% WC=0.89% 14．根据 Fe-Fe3C 相图，说明产生下列现象的原因： 1）含碳量为 1.0% 的钢比含碳量为 0.5% 的钢硬度高； 答：钢中随着含碳量的增加，渗碳体的含量增加，渗碳体是硬脆相，因此含碳量为 1.0% 的钢比含碳量为 0.5% 的钢硬度高。 2）在室温下，含碳 0.8% 的钢其强度比含碳 1.2% 的钢高； 答：因为在钢中当含碳量超过1.0%时，所析出的二次渗碳体在晶界形成连续的网络状，使钢的脆性增加，导致强度下降。因此含碳 0.8% 的钢其强度比含碳 1.2% 的钢高。 3）在 1100℃，含碳 0.4% 的钢能进行锻造，含碳 4.0% 的生铁不能锻造； 答：在 1100℃时，含碳 0.4% 的钢的组织为奥氏体，奥氏体的塑性很好，因此适合于锻造；含碳 4.0% 的生铁的组织中含有大量的渗碳体，渗碳体的硬度很高，不适合于锻造。 4）绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却用钢丝绳（用 60 、 65 、 70 、 75 等钢制成）； 答：绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选用低碳钢有很好的塑韧性，镀锌低碳钢丝；而起重机吊重物用钢丝绳除要求有一定的强度，还要有很高的弹性极限，而60 、 65 、 70 、 75钢有高的强度和高的弹性极限。这样在吊重物时不会断裂。 5）钳工锯 T8 ， T10,T12 等钢料时比锯 10,20 钢费力，锯条容易磨钝； 答：T8 ， T10,T12属于碳素工具钢，含碳量为0.8%，1.0%，1.2%，因而钢中渗碳体含量高，钢的硬度较高；而10,20钢为优质碳素结构钢，属于低碳钢，钢的硬度较低，因此钳工锯 T8 ， T10,T12 等钢料时比锯 10,20 钢费力，锯条容易磨钝。 6）钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于通过铸造成形。 答：因为钢的含碳量范围在0.02%~2.14%之间，渗碳体含量较少，铁素体含量较多，而铁素体有较好的塑韧性，因而钢适宜于压力加工；而铸铁组织中含有大量以渗碳体为基体的莱氏体，渗碳体是硬脆相，因而铸铁适宜于通过铸造成形。 15.钢中常存杂质有哪些？对钢的性能有何影响？ 答：钢中常存杂质有Si、Mn、S、P等。 Mn：大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化：另一部分Mn溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，这都使钢的强度提高，Mn与S化合成MnS，能减轻S的有害作用。当Mn含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响并不明显。 Si：Si与Mn一样能溶于铁素体中，使铁素体强化，从而使钢的强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。当Si含量不多，在碳钢中仅作为少量夹杂存在时，它对钢的性能影响并不显著。 S：硫不溶于铁，而以FeS形成存在，FeS会与Fe形成共晶，并分布于奥氏体的晶界上，当钢材在1000℃~1200℃压力加工时，由于FeS-Fe共晶（熔点只有989℃）已经熔化，并使晶粒脱开，钢材将变得极脆。 P：磷在钢中全部溶于铁素体中，虽可使铁素体的强度、硬度有所提高，但却使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变脆。 16.试述碳钢的分类及牌号的表示方法。 答：分类：1）按含碳量分类 低碳钢：含碳量小于或等于0.25%的钢，0.01~0.25%C ≤0.25%C 中碳钢：含碳量为0.30~0.55%的钢 0.25~0.6%C 高碳钢：含碳量大于0.6%的钢 0.6~1.3%C ＞0.6%C （2）按质量分类：即含有杂质元素S、P的多少分类： 普通碳素钢：S≤0.055% P≤0.045% 优质碳素钢：S、P≤0.035~0.040% 高级优质碳素钢：S≤0.02~0.03%；P≤ 0.03~0.035% （3）按用途分类 碳素结构钢：用于制造各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等，及机器零件，如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等。 碳素工具钢：用于制造各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢，在质量上都是优质钢或高级优质钢。 牌号的表示方法：（1）普通碳素结构钢： 用Q+数字表示，“Q”为屈服点，“屈”汉语拼音，数字表示屈服点数值。若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同， A、B、C、D质量依次提高，“F”表示沸腾钢，“b”为半镇静钢，不标“F”和“b”的为镇静钢。 （2）优质碳素结构钢： 牌号是采用两位数字表示的，表示钢中平均含碳量的万分之几。若钢中含锰量较高，须将锰元素标出， （3）碳素工具钢： 这类钢的牌号是用“碳”或“T”字后附数字表示。数字表示钢中平均含碳量的千分之几。若为高级优质碳素工具钢，则在钢号最后附以“A”字。 17.低碳钢、中碳钢及高碳钢是如何根据含碳量划分的？分别举例说明他们的用途？ 答：低碳钢：含碳量小于或等于0.25%的钢；08、10、钢，塑性、韧性好，具有优良的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等；15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞钢、样板等。 中碳钢：含碳量为0.30~0.55%的钢 ；30、35、40、45、50钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件； 高碳钢：含碳量大于0.6%的钢 ；60、65钢热处理（淬火+高温回火）后具有高的弹性极限，常用作弹簧。T7、T8、用于制造要求较高韧性、承受冲击负荷的工具，如小型冲头、凿子、锤子等。T9、T10、T11、用于制造要求中韧性的工具，如钻头、丝锥、车刀、冲模、拉丝模、锯条。T12、T13、钢具有高硬度、高耐磨性，但韧性低，用于制造不受冲击的工具如量规、塞规、样板、锉刀、刮刀、精车刀等。 18．下列零件或工具用何种碳钢制造：手锯锯条、普通螺钉、车床主轴。 答：手锯锯条：它要求有较高的硬度和耐磨性，因此用碳素工具钢制造，如T9、T9A、T10、T10A、T11、T11A。 普通螺钉：它要保证有一定的机械性能，用普通碳素结构钢制造，如Q195、Q215、Q235。 车床主轴：它要求有较高的综合机械性能，用优质碳素结构钢，如30、35、40、45、50。 19.指出下列各种钢的类别、符号、数字的含义、主要特点及用途： Q235-AF、Q235-C、Q195-B、Q255-D、40、45、08、20、20R、20G、T8、T10A、T12A 答：Q235-AF：普通碳素结构钢，屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。 Q235-C:屈服强度为235MPa的C级普通碳素结构钢， Q195-B: 屈服强度为195MPa的B级普通碳素结构钢， Q255-D: 屈服强度为255MPa的D级普通碳素结构钢， Q195、Q235含碳量低，有一定强度，常扎制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，也可制造普通的铆钉、螺钉、螺母、垫圈、地脚螺栓、轴套、销轴等等，Q255钢强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接。通常扎制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造连杆、键、销、简单机械上的齿轮、轴节等。 40:含碳量为0.4%的优质碳素结构钢。 45含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。 40、45钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件。 08：含碳量为0.08%的优质碳素结构钢。塑性、韧性好，具有优良的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等。 20：含碳量为0.2%的优质碳素结构钢。用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞钢、样板等。 20R：含碳量为0.2%的优质碳素结构钢，容器专用钢。 20G：含碳量为0.2%的优质碳素结构钢，锅炉专用钢。 T8：含碳量为0.8%的碳素工具钢。用于制造要求较高韧性、承受冲击负荷的工具，如小型冲头、凿子、锤子等。 T10A：含碳量为1.0%的高级优质碳素工具钢。用于制造要求中韧性的工具，如钻头、丝锥、车刀、冲模、拉丝模、锯条。 T12A：含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。具有高硬度、高耐磨性，但韧性低，用于制造不受冲击的工具如量规、塞规、样板、锉刀、刮刀、精车刀。 第五章 金属的塑性变形与再结晶： 1．解释下列名词： 滑移、加工硬化、回复、再结晶、热加工、冷加工。 答：滑移：指在切应力作用下，晶体的一部分对于另一部分沿一定晶面（滑移面）发生相对的滑动。 加工硬化：随着塑性变形的增加，金属的强度、硬度迅速增加；塑性、韧性迅速下降的现象。 回复：为了消除金属的加工硬化现象，将变形金属加热到某一温度，以使其组织和性能发生变化。在加热温度较低时，原子的活动能力不大，这时金属的晶粒大小和形状没有明显的变化，只是在晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移等变化，因此，这时金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，而只是使内应力及电阻率等性能显著降低。此阶段为回复阶段。 再结晶：被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能力，使晶粒的外形开始变化。从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒形状相似，晶格类型相同，把这一阶段称为“再结晶”。 热加工：将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行压力加工。 冷加工：在再结晶温度以下进行的压力加工。 2．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：①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。②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。 3．划分冷加工和热加工的主要条件是什么？ 答：主要是再结晶温度。在再结晶温度以下进行的压力加工为冷加工，产生加工硬化现象；反之为热加工，产生的加工硬化现象被再结晶所消除。 4．与冷加工比较，热加工给金属件带来的益处有哪些？ 答：（1）通过热加工，可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得以提高。 （2）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，机械性能提高。 （3）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变，使它们沿着变形的方向细碎拉长，形成热压力加工“纤维组织”（流线），使纵向的强度、塑性和韧性显著大于横向。如果合理利用热加工流线，尽量使流线与零件工作时承受的最大拉应力方向一致，而与外加切应力或冲击力相垂直，可提高零件使用寿命。 5．为什么细晶粒钢强度高，塑性，韧性也好？ 答：晶界是阻碍位错运动的，而各晶粒位向不同，互相约束，也阻碍晶粒的变形。因此，金属的晶粒愈细，其晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈多，对塑性变形的抗力也愈大。因此，金属的晶粒愈细强度愈高。同时晶粒愈细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的变形量便可分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，而不致造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产生和发展。因此，塑性，韧性也越好。 6．金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化？ 答：①晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性，如纵向的强度和塑性远大于横向等；②晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化，即随着变形量的增加，强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降；③织构现象的产生，即随着变形的发生，不仅金属中的晶粒会被破碎拉长，而且各晶粒的晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动，转动结果金属中每个晶粒的晶格位向趋于大体一致，产生织构现象；④冷压力加工过程中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间的变形不均匀，金属内部会形成残余的内应力，这在一般情况下都是不利的，会引起零件尺寸不稳定。 7．分析加工硬化对金属材料的强化作用？ 答：随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割、位错缠结加剧，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力的增加。这样，金属的塑性变形就变得困难，要继续变形就必须增大外力，因此提高了金属的强度。 8．已知金属钨、铁、铅、锡的熔点分别为3380℃、1538℃、327℃、232℃，试计算这些金属的最低再结晶温度，并分析钨和铁在1100℃下的加工、铅和锡在室温（20℃）下的加工各为何种加工？ 答：T再=0.4T熔；钨T再=[0.4*（3380+273）]-273=1188.2℃; 铁T再=[0.4*（1538+273）]-273=451.4℃; 铅T再=[0.4*（327+273）]-273=-33℃; 锡T再=[0.4*（232+273）]-273=-71℃.由于钨T再为1188.2℃＞1100℃，因此属于热加工；铁T再为451.4℃＜1100℃，因此属于冷加工；铅T再为-33℃＜20℃，属于热加工；锡T再为-71＜20℃，属于热加工。 9．在制造齿轮时，有时采用喷丸法（即将金属丸喷射到零件表面上）使齿面得以强化。试分析强化原因。 答：高速金属丸喷射到零件表面上，使工件表面层产生塑性变形，形成一定厚度的加工硬化层，使齿面的强度、硬度升高。 第六章 钢 的 热 处 理 1.何谓钢的热处理？钢的热处理操作有哪些基本类型？试说明热处理同其它工艺过程的关系及其在机械制造中的地位和作用。 答：（1）为了改变钢材内部的组织结构，以满足对零件的加工性能和使用性能的要求所施加的一种综合的热加工工艺过程。 （2）热处理包括普通热处理和表面热处理；普通热处理里面包括 退火、正火、淬火和回火，表面热处理包括表面淬火和化学热处理，表面淬火包括火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火，化学热处理包括渗碳、渗氮和碳氮共渗等。 （3）热处理是机器零件加工工艺过程中的重要工序。一个毛坯件经过预备热处理，然后进行切削加工，再经过最终热处理，经过精加工，最后装配成为零件。热处理在机械制造中具有重要的地位和作用，适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料潜力、降低结构重量、节省材料和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命，做到一个顶几个、顶十几个。此外，通过热处理还可使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。 2.解释下列名词： 1）奥氏体的起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度； 答：（1）起始晶粒度：是指在临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚接触时的晶粒大小。 （2）实际晶粒度：是指在某一具体的热处理加热条件下所得到的晶粒尺寸。 （3）本质晶粒度：根据标准试验方法，在930±10℃保温足够时间（3-8小时）后测定的钢中晶粒的大小。 2）珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体； 答：珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物。 索氏体：在650～600℃温度范围内形成层片较细的珠光体。 屈氏体：在600～550℃温度范围内形成片层极细的珠光体。 贝氏体：过饱和的铁素体和渗碳体组成的混合物。 马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体。 3）奥氏体、过冷奥氏体、残余奥氏体； 答：奥氏体: 碳在 中形成的间隙固溶体. 过冷奥氏体: 处于临界点以下的不稳定的将要发生分解的奥氏体称为过冷奥氏体。 残余奥氏体：M转变结束后剩余的奥氏体。 4）退火、正火、淬火、回火、冷处理、时效处理（尺寸稳定处理）； 答：退火：将工件加热到临界点以上或在临界点以下某一温度保温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度（炉冷、坑冷、灰冷）进行冷却的一种操作。 正火：将工件加热到Ac3或Accm以上30～80℃，保温后从炉中取出在空气中冷却。 淬火：将钢件加热到Ac3或Ac1以上30～50℃，保温一定时间，然后快速冷却（一般为油冷或水冷），从而得马氏体的一种操作。 回火：将淬火钢重新加热到A1点以下的某一温度，保温一定时间后，冷却到室温的一种操作。 冷处理：把冷到室温的淬火钢继续放到深冷剂中冷却，以减少残余奥氏体的操作。 时效处理：为使二次淬火层的组织稳定，在110~150℃经过6~36小时的人工时效处理，以使组织稳定。 5）淬火临界冷却速度（Vk），淬透性,淬硬性； 答：淬火临界冷却速度（Vk）：淬火时获得全部马氏体组织的最小冷却速度。 淬透性：钢在淬火后获得淬硬层深度大小的能力。 淬硬性：钢在淬火后获得马氏体的最高硬度。 6）再结晶、重结晶； 答：再结晶：金属材料加热到较高的温度时，原子具有较大的活动能力，使晶粒的外形开始变化。从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒形状相似，晶格类型相同，把这一阶段称为“再结晶”。 重结晶：由于温度变化，引起晶体重新形核、长大，发生晶体结构的改变，称为重结晶。 7）调质处理、变质处理。 答：调质处理：淬火后的高温回火。 变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒。 3.指出 A1、A3、Acm； AC1、AC3、 Accm ； Ar1、Ar3、Arcm 各临界点的意义。 答：A1：共析转变线，含碳量在0.02～6.69%的铁碳合金冷却到727℃时都有共析转变发生，形成P。 A3：奥氏体析出铁素体的开始线。 Acm：碳在奥氏体中的溶解度曲线。 AC1：实际加热时的共析转变线。 AC3：实际加热时奥氏体析出铁素体的开始线。 Acm：实际加热时碳在奥氏体中的溶解度曲线。 Ar1：实际冷却时的共析转变线。 Ar3：实际冷却时奥氏体析出铁素体的开始线。 Arcm：实际冷却时碳在奥氏体中的溶解度曲线。 4.何谓本质细晶粒钢？本质细晶粒钢的奥氏体晶粒是否一定比本质粗晶粒钢的细？ 答：（1）本质细晶粒钢：加热到临界点以上直到930℃，随温度升高，晶粒长大速度很缓慢，称本质细晶粒钢。 （2）不一定。本质晶粒度只代表钢在加热时奥氏体晶粒长大倾向的大小。本质粗晶粒钢在较低加热温度下可获得细晶粒，而本质细晶粒钢若在较高温度下加热也会得到粗晶粒。 5.珠光体类型组织有哪几种？它们在形成条件、组织形态和性能方面有何特点？ 答：（1）三种。分别是珠光体、索氏体和屈氏体。 （2）珠光体是过冷奥氏体在550℃以上等温停留时发生转变，它是由铁素体和渗碳体组成的片层相间的组织。索氏体是在650～600℃温度范围内形成层片较细的珠光体。屈氏体是在600～550℃温度范围内形成片层极细的珠光体。珠光体片间距愈小，相界面积愈大，强化作用愈大，因而强度和硬度升高，同时，由于此时渗碳体片较薄，易随铁素体一起变形而不脆断，因此细片珠光体又具有较好的韧性和塑性。 6.贝氏体类型组织有哪几种？它们在形成条件、组织形态和性能方面有何特点？ 答：（1）两种。上贝氏体和下贝氏体。 （2）上贝氏体的形成温度在600～350℃。在显微镜下呈羽毛状，它是由许多互相平行的过饱和铁素体片和分布在片间的断续细小的渗碳体组成的混合物。其硬度较高，可达HRC40～45，但由于其铁素体片较粗，因此塑性和韧性较差。下贝氏体的形成温度在350℃～Ms，下贝氏体在光学显微镜下呈黑色针叶状，在电镜下观察是由针叶状的铁素体和分布在其上的极为细小的渗碳体粒子组成的。下贝氏体具有高强度、高硬度、高塑性、高韧性，即具有良好的综合机械性能。 7.马氏体组织有哪几种基本类型？它们在形成条件、晶体结构、组织形态、性能有何特点？马氏体的硬度与含碳量关系如何？ 答：（1）两种，板条马氏体和片状马氏体。 （2）奥氏体转变后，所产生的M的形态取决于奥氏体中的含碳量，含碳量＜0.6%的为板条马氏体；含碳量在0.6—1.0%之间为板条和针状混合的马氏体；含碳量大于1.0%的为针状马氏体。低碳马氏体的晶体结构为体心立方。随含碳量增加，逐渐从体心立方向体心正方转变。含碳量较高的钢的晶体结构一般出现体心正方。低碳马氏体强而韧，而高碳马氏体硬而脆。这是因为低碳马氏体中含碳量较低，过饱和度较小，晶格畸变也较小，故具有良好的综合机械性能。随含碳量增加，马氏体的过饱和度增加，使塑性变形阻力增加，因而引起硬化和强化。当含碳量很高时，尽管马氏体的硬度和强度很高，但由于过饱和度太大，引起严重的晶格畸变和较大的内应力，致使高碳马氏体针叶内产生许多微裂纹，因而塑性和韧性显著降低。 （3）随着含碳量的增加，钢的硬度增加。 8.何谓等温冷却及连续冷却？试绘出奥氏体这两种冷却方式的示意图。 答：等温冷却：把奥氏体迅速冷却到Ar1以下某一温度保温，待其分解转变完成后，再冷至室温的一种冷却转变方式。 连续冷却：在一定冷却速度下，过冷奥氏体在一个温度范围内所发生的转变。 9．为什么要对钢件进行热处理？ 答：通过热处理可以改变钢的组织结构，从而改善钢的性能。热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀。 10.试比较共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线与连续转变曲线的异同点。 答：首先连续冷却转变曲线与等温转变曲线临界冷却速度不同。其次连续冷却转变曲线位于等温转变曲线的右下侧，且没有C曲线的下部分，即共析钢在连续冷却转变时，得不到贝氏体组织。这是因为共析钢贝氏体转变的孕育期很长，当过冷奥氏体连续冷却通过贝氏体转变区内尚未发生转变时就已过冷到Ms点而发生马氏体转变，所以不出现贝氏体转变。 11.淬火临界冷却速度 Vk 的大小受哪些因素影响？它与钢的淬透性有何关系？ 答：（1）化学成分的影响：亚共析钢中随着含碳量的增加，C曲线右移，过冷奥氏体稳定性增加，则Vk减小，过共析钢中随着含碳量的增加，C曲线左移，过冷奥氏体稳定性减小，则Vk增大；合金元