工程材料課后習(xí)題參考答案

1、工程材料思考題參考答案第一章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1解釋下列名詞點缺陷，線缺陷，面缺陷，亞晶粒，亞晶界，刃型位錯，單晶體，多晶體，過冷度，自發(fā)形核，非自發(fā)形核，變質(zhì)處理，變質(zhì)劑。答：點缺陷：原子排列不規(guī)則的區(qū)域在空間三個方向尺寸都很小，主要指空位間隙原子、置換原子等。線缺陷：原子排列的不規(guī)則區(qū)域在空間一個方向上的尺寸很大，而在其余兩個方向上的尺寸很小。如位錯。面缺陷：原子排列不規(guī)則的區(qū)域在空間兩個方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。如晶界和亞晶界。亞晶粒：在多晶體的每一個晶粒內(nèi)，晶格位向也并非完全一致，而是存在著許多尺寸很小、位向差很小的小晶塊，它們相互鑲嵌而成晶粒，稱亞晶粒。亞晶界：兩

2、相鄰亞晶粒間的邊界稱為亞晶界。刃型位錯：位錯可認(rèn)為是晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體的局部滑移而造成。滑移部分與未滑移部分的交界線即為位錯線。如果相對滑移的結(jié)果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的邊緣好像插入晶體中的一把刀的刃口，故稱“刃型位錯”。單晶體：如果一塊晶體，其內(nèi)部的晶格位向完全一致，則稱這塊晶體為單晶體。多晶體：由多種晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)稱為“多晶體”。過冷度：實際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之差稱為過冷度。自發(fā)形核：在一定條件下，從液態(tài)金屬中直接產(chǎn)生，原子呈規(guī)則排列的結(jié)晶核心。非自發(fā)形核：是液態(tài)金屬依附在一些未溶顆粒表面所形成的晶核。變質(zhì)處理：在液態(tài)金屬結(jié)晶前，特意加入某些難熔固態(tài)顆

3、粒，造成大量可以成為非自發(fā)晶核的固態(tài)質(zhì)點，使結(jié)晶時的晶核數(shù)目大大增加，從而提高了形核率，細化晶粒，這種處理方法即為變質(zhì)處理。變質(zhì)劑：在澆注前所加入的難熔雜質(zhì)稱為變質(zhì)劑。2.常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有哪幾種？-fe 、- fe 、al 、cu 、ni 、 pb 、 cr 、 v 、mg、zn 各屬何種晶體結(jié)構(gòu)？答：常見金屬晶體結(jié)構(gòu)：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；fe、cr、v屬于體心立方晶格；fe 、al、cu、ni、pb屬于面心立方晶格；mg、zn屬于密排六方晶格；3.配位數(shù)和致密度可以用來說明哪些問題？答：用來說明晶體中原子排列的緊密程度。晶體中配位數(shù)和致密度越大，則晶體中原子排列越緊

4、密。4.晶面指數(shù)和晶向指數(shù)有什么不同？答：晶向是指晶格中各種原子列的位向，用晶向指數(shù)來表示，形式為；晶面是指晶格中不同方位上的原子面，用晶面指數(shù)來表示，形式為。5.實際晶體中的點缺陷，線缺陷和面缺陷對金屬性能有何影響？答：如果金屬中無晶體缺陷時，通過理論計算具有極高的強度，隨著晶體中缺陷的增加，金屬的強度迅速下降，當(dāng)缺陷增加到一定值后，金屬的強度又隨晶體缺陷的增加而增加。因此，無論點缺陷，線缺陷和面缺陷都會造成晶格崎變，從而使晶體強度增加。同時晶體缺陷的存在還會增加金屬的電阻，降低金屬的抗腐蝕性能。6.為何單晶體具有各向異性，而多晶體在一般情況下不顯示出各向異性？答：因為單晶體內(nèi)各個方向上原子

5、排列密度不同，造成原子間結(jié)合力不同，因而表現(xiàn)出各向異性；而多晶體是由很多個單晶體所組成，它在各個方向上的力相互抵消平衡，因而表現(xiàn)各向同性。7.過冷度與冷卻速度有何關(guān)系？它對金屬結(jié)晶過程有何影響？對鑄件晶粒大小有何影響？答：冷卻速度越大，則過冷度也越大。隨著冷卻速度的增大，則晶體內(nèi)形核率和長大速度都加快，加速結(jié)晶過程的進行，但當(dāng)冷速達到一定值以后則結(jié)晶過程將減慢，因為這時原子的擴散能力減弱。過冷度增大，f大，結(jié)晶驅(qū)動力大，形核率和長大速度都大，且n的增加比g增加得快，提高了n與g的比值，晶粒變細，但過冷度過大，對晶粒細化不利，結(jié)晶發(fā)生困難。8.金屬結(jié)晶的基本規(guī)律是什么？晶核的形成率和成長率受到哪

6、些因素的影響？答：金屬結(jié)晶的基本規(guī)律是形核和核長大。受到過冷度的影響，隨著過冷度的增大，晶核的形成率和成長率都增大，但形成率的增長比成長率的增長快；同時外來難熔雜質(zhì)以及振動和攪拌的方法也會增大形核率。9.在鑄造生產(chǎn)中，采用哪些措施控制晶粒大小？在生產(chǎn)中如何應(yīng)用變質(zhì)處理？答：采用的方法：變質(zhì)處理，鋼模鑄造以及在砂模中加冷鐵以加快冷卻速度的方法來控制晶粒大小。變質(zhì)處理：在液態(tài)金屬結(jié)晶前，特意加入某些難熔固態(tài)顆粒，造成大量可以成為非自發(fā)晶核的固態(tài)質(zhì)點，使結(jié)晶時的晶核數(shù)目大大增加，從而提高了形核率，細化晶粒。機械振動、攪拌。第二章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶1解釋下列名詞：加工硬化、回復(fù)、再結(jié)晶、熱加工、

7、冷加工。答：加工硬化：隨著塑性變形的增加，金屬的強度、硬度迅速增加；塑性、韌性迅速下降的現(xiàn)象?；貜?fù)：為了消除金屬的加工硬化現(xiàn)象，將變形金屬加熱到某一溫度，以使其組織和性能發(fā)生變化。在加熱溫度較低時，原子的活動能力不大，這時金屬的晶粒大小和形狀沒有明顯的變化，只是在晶內(nèi)發(fā)生點缺陷的消失以及位錯的遷移等變化，因此，這時金屬的強度、硬度和塑性等機械性能變化不大，而只是使內(nèi)應(yīng)力及電阻率等性能顯著降低。此階段為回復(fù)階段。再結(jié)晶：被加熱到較高的溫度時，原子也具有較大的活動能力，使晶粒的外形開始變化。從破碎拉長的晶粒變成新的等軸晶粒。和變形前的晶粒形狀相似，晶格類型相同，把這一階段稱為“再結(jié)晶”。熱加工：將

8、金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上一定溫度進行壓力加工。冷加工：在再結(jié)晶溫度以下進行的壓力加工。2產(chǎn)生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金屬加工中有什么利弊？答：隨著變形的增加，晶粒逐漸被拉長，直至破碎，這樣使各晶粒都破碎成細碎的亞晶粒，變形愈大，晶粒破碎的程度愈大，這樣使位錯密度顯著增加；同時細碎的亞晶粒也隨著晶粒的拉長而被拉長。因此，隨著變形量的增加，由于晶粒破碎和位錯密度的增加，金屬的塑性變形抗力將迅速增大，即強度和硬度顯著提高，而塑性和韌性下降產(chǎn)生所謂“加工硬化”現(xiàn)象。金屬的加工硬化現(xiàn)象會給金屬的進一步加工帶來困難，如鋼板在冷軋過程中會越軋越硬，以致最后軋不動。另一方面人們可以利用加工硬化現(xiàn)象，來

9、提高金屬強度和硬度，如冷拔高強度鋼絲就是利用冷加工變形產(chǎn)生的加工硬化來提高鋼絲的強度的。加工硬化也是某些壓力加工工藝能夠?qū)崿F(xiàn)的重要因素。如冷拉鋼絲拉過模孔的部分，由于發(fā)生了加工硬化，不再繼續(xù)變形而使變形轉(zhuǎn)移到尚未拉過?？椎牟糠?，這樣鋼絲才可以繼續(xù)通過模孔而成形。3劃分冷加工和熱加工的主要條件是什么？答：主要是再結(jié)晶溫度。在再結(jié)晶溫度以下進行的壓力加工為冷加工，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象；反之為熱加工，產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象被再結(jié)晶所消除。4與冷加工比較，熱加工給金屬件帶來的益處有哪些？答：（1）通過熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的氣孔焊合，從而使其致密度得以提高。（2）通過熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的枝晶和柱狀晶破碎，

10、從而使晶粒細化，機械性能提高。（3）通過熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的枝晶偏析和非金屬夾雜分布發(fā)生改變，使它們沿著變形的方向細碎拉長，形成熱壓力加工“纖維組織”（流線），使縱向的強度、塑性和韌性顯著大于橫向。如果合理利用熱加工流線，盡量使流線與零件工作時承受的最大拉應(yīng)力方向一致，而與外加切應(yīng)力或沖擊力相垂直，可提高零件使用壽命。5為什么細晶粒鋼強度高，塑性，韌性也好？答：晶界是阻礙位錯運動的，而各晶粒位向不同，互相約束，也阻礙晶粒的變形。因此，金屬的晶粒愈細，其晶界總面積愈大，每個晶粒周圍不同取向的晶粒數(shù)便愈多，對塑性變形的抗力也愈大。因此，金屬的晶粒愈細強度愈高。同時晶粒愈細，金屬單位體積中的晶粒

11、數(shù)便越多，變形時同樣的變形量便可分散在更多的晶粒中發(fā)生，產(chǎn)生較均勻的變形，而不致造成局部的應(yīng)力集中，引起裂紋的過早產(chǎn)生和發(fā)展。因此，塑性，韌性也越好。6金屬經(jīng)冷塑性變形后，組織和性能發(fā)生什么變化？答：晶粒沿變形方向拉長，性能趨于各向異性，如縱向的強度和塑性遠大于橫向等；晶粒破碎，位錯密度增加，產(chǎn)生加工硬化，即隨著變形量的增加，強度和硬度顯著提高，而塑性和韌性下降；織構(gòu)現(xiàn)象的產(chǎn)生，即隨著變形的發(fā)生，不僅金屬中的晶粒會被破碎拉長，而且各晶粒的晶格位向也會沿著變形的方向同時發(fā)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動結(jié)果金屬中每個晶粒的晶格位向趨于大體一致，產(chǎn)生織構(gòu)現(xiàn)象；冷壓力加工過程中由于材料各部分的變形不均勻或晶粒內(nèi)各部分和

12、各晶粒間的變形不均勻，金屬內(nèi)部會形成殘余的內(nèi)應(yīng)力，這在一般情況下都是不利的，會引起零件尺寸不穩(wěn)定。 7分析加工硬化對金屬材料的強化作用？答：隨著塑性變形的進行，位錯密度不斷增加，因此位錯在運動時的相互交割、位錯纏結(jié)加劇，使位錯運動的阻力增大，引起變形抗力的增加。這樣，金屬的塑性變形就變得困難，要繼續(xù)變形就必須增大外力，因此提高了金屬的強度。8已知金屬鎢、鐵、鉛、錫的熔點分別為3380、1538、327、232，試計算這些金屬的最低再結(jié)晶溫度，并分析鎢和鐵在1100下的加工、鉛和錫在室溫（20）下的加工各為何種加工？答：t再=0.4t熔；鎢t再=0.4*（3380+273）-273=1188.2

13、; 鐵t再=0.4*（1538+273）-273=451.4; 鉛t再=0.4*（327+273）-273=-33; 錫t再=0.4*（232+273）-273=-71.由于鎢t再為1188.21100，因此屬于熱加工；鐵t再為451.41100，因此屬于冷加工；鉛t再為-3320，屬于冷加工；錫t再為-7120，屬于冷加工。9在制造齒輪時，有時采用噴丸法（即將金屬丸噴射到零件表面上）使齒面得以強化。試分析強化原因。答：高速金屬丸噴射到零件表面上，使工件表面層產(chǎn)生塑性變形，形成一定厚度的加工硬化層，使齒面的強度、硬度升高。第三章 合金的結(jié)構(gòu)與二元狀態(tài)圖1解釋下列名詞：合金，組元，相，相圖；固溶

14、體，金屬間化合物，機械混合物；枝晶偏析，比重偏析；固溶強化，彌散強化。答：合金：通過熔煉，燒結(jié)或其它方法，將一種金屬元素同一種或幾種其它元素結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的新物質(zhì)，稱為合金。組元：組成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)稱為組元。相：在金屬或合金中，凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開的均勻組成部分，均稱之為相。相圖：用來表示合金系中各個合金的結(jié)晶過程的簡明圖解稱為相圖。固溶體：合金的組元之間以不同的比例混合，混合后形成的固相的晶格結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元的相同，這種相稱為固溶體。金屬間化合物：合金的組元間發(fā)生相互作用形成的一種具有金屬性質(zhì)的新相，稱為金屬間化合物。它的晶體結(jié)構(gòu)不同

15、于任一組元，用分子式來表示其組成。 機械混合物：合金的組織由不同的相以不同的比例機械的混合在一起，稱機械混合物。枝晶偏析：實際生產(chǎn)中，合金冷卻速度快，原子擴散不充分，使得先結(jié)晶出來的固溶體合金含高熔點組元較多，后結(jié)晶含低熔點組元較多，這種在晶粒內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為枝晶偏析。比重偏析：比重偏析是由組成相與溶液之間的密度差別所引起的。如果先共晶相與溶液之間的密度差別較大，則在緩慢冷卻條件下凝固時，先共晶相便會在液體中上浮或下沉，從而導(dǎo)致結(jié)晶后鑄件上下部分的化學(xué)成分不一致，產(chǎn)生比重偏析。固溶強化：通過溶入某種溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬的強度、硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強化。彌散強化：合金中以固溶體

16、為主再有適量的金屬間化合物彌散分布，會提高合金的強度、硬度及耐磨性，這種強化方式為彌散強化。2指出下列名詞的主要區(qū)別：1）置換固溶體與間隙固溶體；答：置換固溶體：溶質(zhì)原子代替溶劑晶格結(jié)點上的一部分原子而組成的固溶體稱置換固溶體。間隙固溶體：溶質(zhì)原子填充在溶劑晶格的間隙中形成的固溶體，即間隙固溶體。2）相組成物與組織組成物；相組成物：合金的基本組成相。組織組成物：合金顯微組織中的獨立組成部分。3下列元素在-fe 中形成哪幾種固溶體?si、c、n、cr、mn答：si、cr、mn形成置換固溶體；c、n形成間隙固溶體。4試述固溶強化、加工強化和彌散強化的強化原理,并說明三者的區(qū)別.答：固溶強化：溶質(zhì)原

17、子溶入后，要引起溶劑金屬的晶格產(chǎn)生畸變，進而位錯運動時受到阻力增大。彌散強化：金屬化合物本身有很高的硬度，因此合金中以固溶體為基體再有適量的金屬間化合物均勻細小彌散分布時，會提高合金的強度、硬度及耐磨性。這種用金屬間化合物來強化合金的方式為彌散強化。加工強化：通過產(chǎn)生塑性變形來增大位錯密度，從而增大位錯運動阻力，引起塑性變形抗力的增加，提高合金的強度和硬度。區(qū)別：固溶強化和彌散強化都是利用合金的組成相來強化合金，固溶強化是通過產(chǎn)生晶格畸變，使位錯運動阻力增大來強化合金；彌散強化是利用金屬化合物本身的高強度和硬度來強化合金；而加工強化是通過力的作用產(chǎn)生塑性變形，增大位錯密度以增大位錯運動阻力來強

18、化合金；三者相比，通過固溶強化得到的強度、硬度最低，但塑性、韌性最好，加工強化得到的強度、硬度最高，但塑韌性最差，彌散強化介于兩者之間。5固溶體和金屬間化合物在結(jié)構(gòu)和性能上有什么主要差別？答：在結(jié)構(gòu)上：固溶體的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑的結(jié)構(gòu)相同，而金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)不同于組成它的任一組元，它是以分子式來表示其組成。 在性能上：形成固溶體和金屬間化合物都能強化合金，但固溶體的強度、硬度比金屬間化合物低，塑性、韌性比金屬間化合物好，也就是固溶體有更好的綜合機械性能。6. 何謂共晶反應(yīng)、包晶反應(yīng)和共析反應(yīng)?試比較這三種反應(yīng)的異同點.答：共晶反應(yīng)：指一定成分的液體合金，在一定溫度下，同時結(jié)晶出成分和晶格均不

19、相同的兩種晶體的反應(yīng)。 包晶反應(yīng)：指一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另外一種固相的反應(yīng)過程。共析反應(yīng)：由特定成分的單相固態(tài)合金，在恒定的溫度下，分解成兩個新的，具有一定晶體結(jié)構(gòu)的固相的反應(yīng)。共同點：反應(yīng)都是在恒溫下發(fā)生，反應(yīng)物和產(chǎn)物都是具有特定成分的相，都處于三相平衡狀態(tài)。不同點：共晶反應(yīng)是一種液相在恒溫下生成兩種固相的反應(yīng)；共析反應(yīng)是一種固相在恒溫下生成兩種固相的反應(yīng)；而包晶反應(yīng)是一種液相與一種固相在恒溫下生成另一種固相的反應(yīng)。 7二元合金相圖表達了合金的哪些關(guān)系？答：二元合金相圖表達了合金的狀態(tài)與溫度和成分之間的關(guān)系。8在二元合金相圖中應(yīng)用杠桿定律可以計算什么？答：應(yīng)用杠桿定律可以

20、計算合金相互平衡兩相的成分和相對含量。9. 已知a（熔點 600）與b(500) 在液態(tài)無限互溶；在固態(tài) 300時a溶于 b 的最大溶解度為 30% ，室溫時為10%，但b不溶于a；在 300時，含 40% b 的液態(tài)合金發(fā)生共晶反應(yīng)?，F(xiàn)要求：1）作出a-b 合金相圖；2）分析 20% a,45%a,80%a 等合金的結(jié)晶過程，并確定室溫下的組織組成物和相組成物的相對量。答：（1） （2）20%a合金如圖： 合金在1點以上全部為液相，當(dāng)冷至1點時，開始從液相中析出固溶體，至2點結(jié)束，23點之間合金全部由固溶體所組成，但當(dāng)合金冷到3點以下，由于固溶體的濃度超過了它的溶解度限度，于是從固溶體中析出

21、二次相a，因此最終顯微組織：+a 相組成物: +a a=（90-80/90）*100%=11% =1-a%=89% 45%a合金如圖：合金在1點以上全部為液相，冷至1點時開始從液相中析出固溶體，此時液相線成分沿線be變化，固相線成分沿bd線變化，當(dāng)冷至2點時，液相線成分到達e點，發(fā)生共晶反應(yīng)，形成（a+）共晶體，合金自2點冷至室溫過程中，自中析出二次相a，因而合金室溫組織：a+(a+) 相組成物:a+組織：a=（70-55）/70*100%=21% =1- a=79% a+=（70-55）/(70-40）*100%=50%相：a=（90-55）/90*100%=50% =1-a%=50%80%

22、a合金如圖：合金在1點以上全部為液相，冷至1點時開始從液相中析出a，此時液相線成分沿ae線變化，冷至2點時，液相線成分到達點，發(fā)生共晶反應(yīng)，形成(a+)共晶體，因而合金的室溫組織：a+ (a+) 相組成物：a+組織：a=（40-20）/40*100%=50% a+=1-a%=50%相： a=（90-20）/90*100%=78% =1-a%=22%10某合金相圖如圖所示。1）試標(biāo)注空白區(qū)域中存在相的名稱；2）指出此相圖包括哪幾種轉(zhuǎn)變類型；3）說明合金的平衡結(jié)晶過程及室溫下的顯微組織。答：(1)：l+ : + : +(+) : + (2)勻晶轉(zhuǎn)變；共析轉(zhuǎn)變 (3)合金在1點以上全部為液相,冷至1

23、點時開始從液相中析出固溶體至2點結(jié)束,23點之間合金全部由固溶體所組成,3點以下,開始從固溶體中析出固溶體,冷至4點時合金全部由固溶體所組成,45之間全部由固溶體所組成,冷到5點以下,由于固溶體的濃度超過了它的溶解度限度,從中析出第二相固溶體,最終得到室穩(wěn)下的顯微組織: +11有形狀、尺寸相同的兩個 cu-ni 合金鑄件，一個含 90% ni ，另一個含 50% ni,鑄后自然冷卻，問哪個鑄件的偏析較嚴(yán)重？答：含 50% ni的cu-ni 合金鑄件偏析較嚴(yán)重。在實際冷卻過程中，由于冷速較快，使得先結(jié)晶部分含高熔點組元多，后結(jié)晶部分含低熔點組元多，因為含 50% ni的cu-ni 合金鑄件固相線

24、與液相線范圍比含 90% ni鑄件寬，因此它所造成的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象要比含 90% ni的cu-ni 合金鑄件嚴(yán)重。第四章 鐵碳合金1何謂金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變？試畫出純鐵的結(jié)晶冷卻曲線和晶體結(jié)構(gòu)變化圖。答：由于條件（溫度或壓力）變化引起金屬晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，稱同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。2為什么-fe 和- fe 的比容不同？一塊質(zhì)量一定的鐵發(fā)生（-fe -fe ）轉(zhuǎn)變時，其體積如何變化？答：因為-fe和- fe原子排列的緊密程度不同，-fe的致密度為74%,- fe的致密度為68%，因此一塊質(zhì)量一定的鐵發(fā)生（-fe -fe ）轉(zhuǎn)變時體積將發(fā)生膨脹。3.何謂鐵素體（f）,奧氏體（a），滲碳體（fe3c），珠光

25、體（p）,萊氏體（ld）？它們的結(jié)構(gòu)、組織形態(tài)、性能等各有何特點？答：鐵素體（f）：鐵素體是碳在中形成的間隙固溶體，為體心立方晶格。由于碳在中的溶解度很小，它的性能與純鐵相近。塑性、韌性好，強度、硬度低。它在鋼中一般呈塊狀或片狀。奧氏體（a）：奧氏體是碳在中形成的間隙固溶體，面心立方晶格。因其晶格間隙尺寸較大，故碳在中的溶解度較大。有很好的塑性。滲碳體（fe3c）：鐵和碳相互作用形成的具有復(fù)雜晶格的間隙化合物。滲碳體具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。在鋼中以片狀存在或網(wǎng)絡(luò)狀存在于晶界。在萊氏體中為連續(xù)的基體，有時呈魚骨狀。珠光體（p）：由鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。鐵素體和滲碳體

26、呈層片狀。珠光體有較高的強度和硬度，但塑性較差。萊氏體（ld）：由奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。在萊氏體中，滲碳體是連續(xù)分布的相，奧氏體呈顆粒狀分布在滲碳體基體上。由于滲碳體很脆，所以萊氏體是塑性很差的組織。4.fe-fe3c合金相圖有何作用？在生產(chǎn)實踐中有何指導(dǎo)意義？又有何局限性？答：碳鋼和鑄鐵都是鐵碳合金，是使用最廣泛的金屬材料。鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的重要工具，了解與掌握鐵碳合金相圖，對于鋼鐵材料的研究和使用，各種熱加工工藝的制訂以及工藝廢品原因的分析等方面都有重要指導(dǎo)意義。為選材提供成分依據(jù)：相圖描述了鐵碳合金的組織隨含碳量的變化規(guī)律，合金的性能決定于合金的組織，這樣根據(jù)零件的性

27、能要求來選擇不同成分的鐵碳合金；為制定熱加工工藝提供依據(jù)：對鑄造，根據(jù)相圖可以找出不同成分的鋼或鑄鐵的熔點，確定鑄造溫度；根據(jù)相圖上液相線和固相線間距離估計鑄造性能的好壞。對于鍛造：根據(jù)相圖可以確定鍛造溫度。對焊接：根據(jù)相圖來分析碳鋼焊縫組織，并用適當(dāng)熱處理方法來減輕或消除組織不均勻性；對熱處理：相圖更為重要，如退火、正火、淬火的加熱溫度都要參考鐵碳相圖加以選擇。由于鐵碳相圖是以無限緩慢加熱和冷卻的速度得到的，而在實際加熱和冷卻通常都有不同程度的滯后現(xiàn)象。5.畫出 fe-fe3c 相圖，指出圖中 s 、c 、e 、p、n 、g 及 gs 、se 、pq 、psk 各點、線的意義，并標(biāo)出各相區(qū)的

28、相組成物和組織組成物。答: c：共晶點1148 4.30%c，在這一點上發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，反應(yīng)式：，當(dāng)冷到1148時具有c點成分的液體中同時結(jié)晶出具有e點成分的奧氏體和滲碳體的兩相混合物萊氏體e：碳在中的最大溶解度點1148 2.11%cg：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點（a3）912 0%ch：碳在中的最大溶解度為1495 0.09%cj：包晶轉(zhuǎn)變點1495 0.17%c 在這一點上發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，反應(yīng)式：當(dāng)冷卻到1495時具有b點成分的液相與具有h點成分的固相反應(yīng)生成具有j點成分的固相a。n：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點（a4）1394 0%cp：碳在中的最大溶解度點 0.0218%c 727s：共析點727 0.77%c

29、在這一點上發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，反應(yīng)式：，當(dāng)冷卻到727時從具有s點成分的奧氏體中同時析出具有p點成分的鐵素體和滲碳體的兩相混合物珠光體p（）es線：碳在奧氏體中的溶解度曲線，又稱acm溫度線，隨溫度的降低，碳在奧化體中的溶解度減少，多余的碳以形式析出，所以具有0.77%2.11%c的鋼冷卻到acm線與psk線之間時的組織，從a中析出的稱為二次滲碳體。gs線：不同含碳量的奧氏體冷卻時析出鐵素體的開始線稱a3線，gp線則是鐵素體析出的終了線，所以gsp區(qū)的顯微組織是。pq線：碳在鐵素體中的溶解度曲線，隨溫度的降低，碳在鐵素體中的溶解度減少，多余的碳以形式析出，從中析出的稱為三次滲碳體，由于鐵素體含碳很少

30、，析出的很少，一般忽略，認(rèn)為從727冷卻到室溫的顯微組織不變。psk線：共析轉(zhuǎn)變線，在這條線上發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，產(chǎn)物（p）珠光體，含碳量在0.026.69%的鐵碳合金冷卻到727時都有共析轉(zhuǎn)變發(fā)生。6.簡述 fe-fe3c 相圖中三個基本反應(yīng)：包晶反應(yīng),共晶反應(yīng)及共析反應(yīng)，寫出反應(yīng)式，標(biāo)出含碳量及溫度。答：共析反應(yīng)：冷卻到727時具有s點成分的奧氏體中同時析出具有p點成分的鐵素體和滲碳體的兩相混合物。0.8f0.02+fe3c6.69包晶反應(yīng)：冷卻到1495時具有b點成分的液相與具有h點成分的固相反應(yīng)生成具有j點成分的固相a。 l0.5+0.10.16共晶反應(yīng)：1148時具有c點成分的液體中同時結(jié)

31、晶出具有e點成分的奧氏體和滲碳體的兩相混合物。 l4.32.14+ fe3c6.697.何謂碳素鋼？何謂白口鐵？兩者的成分組織和性能有何差別？答：碳素鋼：含有0.02%2.14%c的鐵碳合金。白口鐵：含大于2.14%c的鐵碳合金。碳素鋼中亞共析鋼的組織由鐵素體和珠光體所組成，其中珠光體中的滲碳體以細片狀分布在鐵素體基體上，隨著含碳量的增加，珠光體的含量增加，則鋼的強度、硬度增加，塑性、韌性降低。當(dāng)含碳量達到0.8%時就是珠光體的性能。過共析鋼組織由珠光體和二次滲碳體所組成，含碳量接近1.0%時，強度達到最大值，含碳量繼續(xù)增加，強度下降。由于二次滲碳體在晶界形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致鋼的脆性增加。白口

32、鐵中由于其組織中存在大量的滲碳體，具有很高的硬度和脆性，難以切削加工。8.亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼的組織有何特點和異同點。答：亞共析鋼的組織由鐵素體和珠光體所組成。其中鐵素體呈塊狀。珠光體中鐵素體與滲碳體呈片狀分布。共析鋼的組織由珠光體所組成。過共析鋼的組織由珠光體和二次滲碳體所組成，其中二次滲碳體在晶界形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀。 共同點：鋼的組織中都含有珠光體。不同點：亞共析鋼的組織是鐵素體和珠光體，共析鋼的組織是珠光體，過共析鋼的組織是珠光體和二次滲碳體。9.分析含碳量分別為 0.20% 、 0.60% 、 0.80% 、 1.0% 的鐵碳合金從液態(tài)緩冷至室溫時的結(jié)晶過程和室溫組織.答：0.80

33、%c:在12點間合金按勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)晶出a，在2點結(jié)晶結(jié)束，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。冷到3點時（727），在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變結(jié)束時全部為珠光體p，珠光體中的滲碳體稱為共析滲碳體，當(dāng)溫度繼續(xù)下降時，珠光體中鐵素體溶碳量減少，其成分沿固溶度線pq變化，析出三次滲碳體，它常與共析滲碳體長在一起，彼此分不出，且數(shù)量少，可忽略。室溫時組織p。0.60% c：合金在12點間按勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)晶出a，在2點結(jié)晶結(jié)束，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。冷到3點時開始析出f，3-4點a成分沿gs線變化，鐵素體成分沿gp線變化，當(dāng)溫度到4點時，奧氏體的成分達到s點成分（含碳0.8%），便發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體，此時，原先析出的鐵素體保

34、持不變，稱為先共析鐵素體，其成分為0.02%c，所以共析轉(zhuǎn)變結(jié)束后，合金的組織為先共析鐵素體和珠光體，當(dāng)溫度繼續(xù)下降時，鐵素體的溶碳量沿pq線變化，析出三次滲碳體，同樣量很少，可忽略。所以含碳0.40%的亞共析鋼的室溫組織為：f+p1.0% c：合金在12點間按勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)晶出奧氏體，2點結(jié)晶結(jié)束，合金為單相奧氏體，冷卻到3點，開始從奧氏體中析出二次滲碳體，沿奧氏體的晶界析出，呈網(wǎng)狀分布，3-4間不斷析出，奧氏體成分沿es線變化，當(dāng)溫度到達4點（727）時，其含碳量降為0.77%，在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體，此時先析出的保持不變，稱為先共析滲碳體，所以共析轉(zhuǎn)變結(jié)束時的組織為先共析二次滲碳體

35、和珠光體，忽略。室溫組織為二次滲碳體和珠光體。10指出下列名詞的主要區(qū)別：1）一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體、共晶滲碳體與共析滲碳體；答：一次滲碳體：由液相中直接析出來的滲碳體稱為一次滲碳體。二次滲碳體：從a中析出的稱為二次滲碳體。三次滲碳體：從中析出的稱為三次滲碳體。共晶滲碳體：經(jīng)共晶反應(yīng)生成的滲碳體即萊氏體中的滲碳體稱為共晶滲碳體。共析滲碳體：經(jīng)共析反應(yīng)生成的滲碳體即珠光體中的滲碳體稱為共析滲碳體。2） 熱脆與冷脆。答：熱脆：s在鋼中以fes形成存在，fes會與fe形成低熔點共晶，當(dāng)鋼材在10001200壓力加工時，會沿著這些低熔點共晶體的邊界開裂，鋼材將變得極脆，這種脆性現(xiàn)象稱為熱脆

36、。冷脆：p使室溫下的鋼的塑性、韌性急劇降低，并使鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度有所升高，使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為“冷脆”。11根據(jù) fe-fe3c 相圖，計算：1）室溫下，含碳 0.6% 的鋼中珠光體和鐵素體各占多少；2）室溫下，含碳 1.2% 的鋼中珠光體和二次滲碳體各占多少；3）鐵碳合金中，二次滲碳體和三次滲碳體的最大百分含量。答：1）wp=(0.6-0.02)/(0.8-0.02)*100%=74% w=1-74%=26%2）wp=(2.14-1.2)/(2.14-0.8)*100%=70% wfe3c=1-70%=30%3）wfe3c=(2.14-0.8)/(6.69-0.8)*100%=23% w

37、fe3c=0.02/6.69*100%=33%12某工廠倉庫積壓了許多碳鋼（退火狀態(tài)），由于鋼材混雜，不知道鋼的化學(xué)成分，現(xiàn)找出其中一根，經(jīng)金相分析后，發(fā)現(xiàn)其組織為珠光體+鐵素體，其中鐵素體占 80% ，問此鋼材的含碳量大約是多少？答：由于組織為珠光體+鐵素體，說明此鋼為亞共析鋼。 w=80%=(0.8-wc)/(0.8-0.02)*100% wc=0.18%13對某退火碳素鋼進行金相分析，其組織的相組成物為鐵素體+滲碳體（粒狀），其中滲碳體占 18% ，問此碳鋼的含碳量大約是多少？答： wfe3c=18% =( wc-0.02)/(6.69-0.02)*100% wc=1.22%14對某退火

38、碳素鋼進行金相分析，其組織為珠光體+滲碳體（網(wǎng)狀），其中珠光體占 93% ，問此碳鋼的含碳量大約為多少？答：wp=93% =(2.14- wc)/(2.14-0.8)*100%=70% wc=0.89%15.計算fe-1.4%c合金在700下各個相及其組分?jǐn)?shù)量和成分。答：含1.4%c合金屬于過共析鋼，其組織為珠光體+二次滲碳體，相為鐵素體和滲碳體。wp=(2.14-1.4)/(2.14-0.8)*100%=55% wfe3c=1-55%=45%w=（6.69-1.4）/（6.69-0.02）*100%=79% wfe3c=1-79%=21%16根據(jù) fe-fe3c 相圖，說明產(chǎn)生下列現(xiàn)象的原因

39、：1）含碳量為 1.0% 的鋼比含碳量為 0.5% 的鋼硬度高；答：鋼中隨著含碳量的增加，滲碳體的含量增加，滲碳體是硬脆相，因此含碳量為 1.0% 的鋼比含碳量為 0.5% 的鋼硬度高。2）在室溫下，含碳 0.8% 的鋼其強度比含碳 1.2% 的鋼高；答：因為在鋼中當(dāng)含碳量超過1.0%時，所析出的二次滲碳體在晶界形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀，使鋼的脆性增加，導(dǎo)致強度下降。因此含碳 0.8% 的鋼其強度比含碳 1.2% 的鋼高。3）在 1100，含碳 0.4% 的鋼能進行鍛造，含碳 4.0% 的生鐵不能鍛造；答：在 1100時，含碳 0.4% 的鋼的組織為奧氏體，奧氏體的塑性很好，因此適合于鍛造；含碳 4.

40、0% 的生鐵的組織中含有大量的滲碳體，滲碳體的硬度很高，不適合于鍛造。4）綁軋物件一般用鐵絲（鍍鋅低碳鋼絲），而起重機吊重物卻用鋼絲繩（用 60 、 65 、 70 、 75 等鋼制成）；答：綁軋物件的性能要求有很好的韌性，因此選用低碳鋼有很好的塑韌性，鍍鋅低碳鋼絲；而起重機吊重物用鋼絲繩除要求有一定的強度，還要有很高的彈性極限，而60 、 65 、 70 、 75鋼有高的強度和高的彈性極限。這樣在吊重物時不會斷裂。5）鉗工鋸 t8 ， t10,t12 等鋼料時比鋸 10,20 鋼費力，鋸條容易磨鈍；答：t8 ， t10,t12屬于碳素工具鋼，含碳量為0.8%，1.0%，1.2%，因而鋼中滲碳

41、體含量高，鋼的硬度較高；而10,20鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，屬于低碳鋼，鋼的硬度較低，因此鉗工鋸 t8 ， t10,t12 等鋼料時比鋸 10,20 鋼費力，鋸條容易磨鈍。6）鋼適宜于通過壓力加工成形，而鑄鐵適宜于通過鑄造成形。答：因為鋼的含碳量范圍在0.02%2.14%之間，滲碳體含量較少，鐵素體含量較多，而鐵素體有較好的塑韌性，因而鋼適宜于壓力加工；而鑄鐵組織中含有大量以滲碳體為基體的萊氏體，滲碳體是硬脆相，因而鑄鐵適宜于通過鑄造成形。17.鋼中常存雜質(zhì)有哪些？對鋼的性能有何影響？答：鋼中常存雜質(zhì)有si、mn、s、p等。mn：大部分溶于鐵素體中，形成置換固溶體，并使鐵素體強化：另一部分mn溶于

42、fe3c中，形成合金滲碳體，這都使鋼的強度提高，mn與s化合成mns，能減輕s的有害作用。當(dāng)mn含量不多，在碳鋼中僅作為少量雜質(zhì)存在時，它對鋼的性能影響并不明顯。si：si與mn一樣能溶于鐵素體中，使鐵素體強化，從而使鋼的強度、硬度、彈性提高，而塑性、韌性降低。當(dāng)si含量不多，在碳鋼中僅作為少量夾雜存在時，它對鋼的性能影響并不顯著。s：硫不溶于鐵，而以fes形成存在，fes會與fe形成共晶，并分布于奧氏體的晶界上，當(dāng)鋼材在10001200壓力加工時，由于fes-fe共晶（熔點只有989）已經(jīng)熔化，并使晶粒脫開，鋼材將變得極脆。p：磷在鋼中全部溶于鐵素體中，雖可使鐵素體的強度、硬度有所提高，但卻

43、使室溫下的鋼的塑性、韌性急劇降低，并使鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度有所升高，使鋼變脆。18.試述碳鋼的分類及牌號的表示方法。答：分類：1）按含碳量分類低碳鋼：含碳量小于或等于0.25%的鋼，0.010.25%c 0.25%c中碳鋼：含碳量為0.300.55%的鋼 0.250.6%c高碳鋼：含碳量大于0.6%的鋼 0.61.3%c 0.6%c（2）按質(zhì)量分類：即含有雜質(zhì)元素s、p的多少分類：普通碳素鋼：s0.055% p0.045%優(yōu)質(zhì)碳素鋼：s、p0.0350.040%高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼：s0.020.03%；p 0.030.035%（3）按用途分類碳素結(jié)構(gòu)鋼：用于制造各種工程構(gòu)件，如橋梁、船舶、建筑構(gòu)件等，

44、及機器零件，如齒輪、軸、連桿、螺釘、螺母等。碳素工具鋼：用于制造各種刀具、量具、模具等，一般為高碳鋼，在質(zhì)量上都是優(yōu)質(zhì)鋼或高級優(yōu)質(zhì)鋼。牌號的表示方法：（1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：用q+數(shù)字表示，“q”為屈服點，“屈”漢語拼音，數(shù)字表示屈服點數(shù)值。若牌號后面標(biāo)注字母a、b、c、d，則表示鋼材質(zhì)量等級不同， a、b、c、d質(zhì)量依次提高，“f”表示沸騰鋼，“b”為半鎮(zhèn)靜鋼，不標(biāo)“f”和“b”的為鎮(zhèn)靜鋼。（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：牌號是采用兩位數(shù)字表示的，表示鋼中平均含碳量的萬分之幾。若鋼中含錳量較高，須將錳元素標(biāo)出，（3）碳素工具鋼：這類鋼的牌號是用“碳”或“t”字后附數(shù)字表示。數(shù)字表示鋼中平均含碳量的千分之

45、幾。若為高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在鋼號最后附以“a”字。19.低碳鋼、中碳鋼及高碳鋼是如何根據(jù)含碳量劃分的？分別舉例說明他們的用途？答：低碳鋼：含碳量小于或等于0.25%的鋼；08、10、鋼，塑性、韌性好，具有優(yōu)良的冷成型性能和焊接性能，常冷軋成薄板，用于制作儀表外殼、汽車和拖拉機上的冷沖壓件，如汽車車身，拖拉機駕駛室等；15、20、25鋼用于制作尺寸較小、負荷較輕、表面要求耐磨、心部強度要求不高的滲碳零件，如活塞鋼、樣板等。中碳鋼：含碳量為0.300.55%的鋼 ；30、35、40、45、50鋼經(jīng)熱處理（淬火+高溫回火）后具有良好的綜合機械性能，即具有較高的強度和較高的塑性、韌性，用于制作軸類

46、零件； 高碳鋼：含碳量大于0.6%的鋼 ；60、65鋼熱處理（淬火+高溫回火）后具有高的彈性極限，常用作彈簧。t7、t8、用于制造要求較高韌性、承受沖擊負荷的工具，如小型沖頭、鑿子、錘子等。t9、t10、t11、用于制造要求中韌性的工具，如鉆頭、絲錐、車刀、沖模、拉絲模、鋸條。t12、t13、鋼具有高硬度、高耐磨性，但韌性低，用于制造不受沖擊的工具如量規(guī)、塞規(guī)、樣板、銼刀、刮刀、精車刀等。 20下列零件或工具用何種碳鋼制造：手鋸鋸條、普通螺釘、車床主軸。答：手鋸鋸條：它要求有較高的硬度和耐磨性，因此用碳素工具鋼制造，如t9、t9a、t10、t10a、t11、t11a。普通螺釘：它要保證有一定的

47、機械性能，用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼制造，如q195、q215、q235。車床主軸：它要求有較高的綜合機械性能，用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如30、35、40、45、50。21.指出下列各種鋼的類別、符號、數(shù)字的含義、主要特點及用途： q235-af、q235-c、q195-b、q255-d、40、45、08、20、20r、20g、t8、t10a、t12a答：q235-af：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，屈服強度為235mpa的a級沸騰鋼。q235-c:屈服強度為235mpa的c級普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，q195-b: 屈服強度為195mpa的b級普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，q255-d: 屈服強度為255mpa的d級普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，q195、q

48、235含碳量低，有一定強度，常扎制成薄板、鋼筋、焊接鋼管等，用于橋梁、建筑等鋼結(jié)構(gòu)，也可制造普通的鉚釘、螺釘、螺母、墊圈、地腳螺栓、軸套、銷軸等等，q255鋼強度較高，塑性、韌性較好，可進行焊接。通常扎制成型鋼、條鋼和鋼板作結(jié)構(gòu)件以及制造連桿、鍵、銷、簡單機械上的齒輪、軸節(jié)等。40:含碳量為0.4%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。45含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。40、45鋼經(jīng)熱處理（淬火+高溫回火）后具有良好的綜合機械性能，即具有較高的強度和較高的塑性、韌性，用于制作軸類零件。08：含碳量為0.08%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。塑性、韌性好，具有優(yōu)良的冷成型性能和焊接性能，常冷軋成薄板，用于制作儀表外殼、汽車

49、和拖拉機上的冷沖壓件，如汽車車身，拖拉機駕駛室等。20：含碳量為0.2%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。用于制作尺寸較小、負荷較輕、表面要求耐磨、心部強度要求不高的滲碳零件，如活塞鋼、樣板等。20r：含碳量為0.2%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，容器專用鋼。20g：含碳量為0.2%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，鍋爐專用鋼。t8：含碳量為0.8%的碳素工具鋼。用于制造要求較高韌性、承受沖擊負荷的工具，如小型沖頭、鑿子、錘子等。t10a：含碳量為1.0%的高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。用于制造要求中韌性的工具，如鉆頭、絲錐、車刀、沖模、拉絲模、鋸條。t12a：含碳量為1.2%的高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。具有高硬度、高耐磨性，但韌性低，用于制造不受沖擊

50、的工具如量規(guī)、塞規(guī)、樣板、銼刀、刮刀、精車刀。第五章 鋼 的 熱 處 理1.何謂鋼的熱處理？鋼的熱處理操作有哪些基本類型？試說明熱處理同其它工藝過程的關(guān)系及其在機械制造中的地位和作用。 答：（1）為了改變鋼材內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，以滿足對零件的加工性能和使用性能的要求所施加的一種綜合的熱加工工藝過程。 （2）熱處理包括普通熱處理和表面熱處理；普通熱處理里面包括 退火、正火、淬火和回火，表面熱處理包括表面淬火和化學(xué)熱處理，表面淬火包括火焰加熱表面淬火和感應(yīng)加熱表面淬火，化學(xué)熱處理包括滲碳、滲氮和碳氮共滲等。（3）熱處理是機器零件加工工藝過程中的重要工序。一個毛坯件經(jīng)過預(yù)備熱處理，然后進行切削加工，再經(jīng)過最終熱處理，經(jīng)過精加工，最后裝配成為零件。熱處理在機械制造中具有重要的地位和作用，適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢燥@著提高鋼的機械性能，延長機器零件的使用壽命。熱處理工藝不但可以強化金屬材料、充分挖掘材料潛力、降低結(jié)構(gòu)重量、節(jié)省材料和能源，而且能夠提高機械產(chǎn)品質(zhì)量、大幅度延長機器零件的使用壽命，做到一個頂幾個、頂十幾個。此外，通過熱處理還可使工件表面具有抗磨損、耐腐蝕等特