机械工程材料课后答案_西北工业大学出版社

工程材料习题1、 抗拉强度： 是材料在破断前所能承受的最大应力。 屈服强度：是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力。 塑性：是指材料在载荷作用下，产生永久变形而不破坏的能力韧性：材料变形时吸收变形力的能力硬度：硬度是衡量材料软硬程度的指标，材料表面抵抗更硬物体压入的能力。刚度：材料抵抗弹性变形的能力。疲劳强度：经无限次循环而不发生疲劳破坏的最大应力。 冲击韧性：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。断裂韧性：材料抵抗裂纹扩展的能力。2 、材料的弹性模量与塑性无关。3 、四种不同材料的应力应变曲线，试比较抗拉强度，屈服强度，刚度和塑性。由大到小的顺序，抗拉强度： 2 、 1 、 3 、 4 。屈服强度： 1 、 3 、 2 、 4 。刚度： 1 、 3 、 2 、 4 。塑性： 3 、 2 、 4 、 1 。4、常用的硬度测试方法有几种？这些方法测出的硬度值能否进行比较？布氏、洛氏、维氏和显微硬度。由于各种硬度测试方法的原理不同，所以测出的硬度值不能直接进行比较。5、以下工件应该采用何种硬度试验法测定其硬度？（1 ）锉刀：洛氏或维氏硬度 （2）黄铜轴套：布氏硬度 （3）供应状态的各种碳钢钢材：布氏硬度 （4）硬质合金刀片：洛氏或维氏硬度 （5 ）耐磨工件的表面硬化层：显微硬度6、反映材料承受冲击载荷的性能指标是什么？不同条件下测得的这些指标能否进行比较？怎样应用这些性能指标？冲击功或冲击韧性。 由于冲击功或冲击韧性代表了在指定温度下，材料在缺口和冲击载荷共同作用下脆化的趋势及其程度，所以不同条件下测得的这种指标不能进行比较。冲击韧性是一个对成分、组织、结构极敏感的参数，在冲击试验中很容易揭示出材料中的某些物理现象，如晶粒粗化、冷脆、热脆和回火脆性等，故目前常用冲击试验来检验冶炼、热处理以及各种加工工艺的质量。此外，不同温度下的冲击试验可以测定材料的冷脆转变温度。同时，冲击韧性对某些零件（如装甲板等）抵抗少数几次大能量冲击的设计有一定的参考意义。7、疲劳破坏时怎样形成的？提高零件疲劳寿命的方法有哪些？产生疲劳断裂的原因一般认为是由于在零件应力集中的部位或材料本身强度较低的部位，如原有裂纹、软点、脱碳、夹杂、刀痕等缺陷，在交变应力的作用下产生了疲劳裂纹，随着应力循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，使零件承受载荷的有效面积不断减小，当减小到不能承受外加载荷的作用时，零件即发生突然断裂。可以通过以下途径来提高其疲劳抗力。改善零件的结构形状以避免应力集中；提高零件表面加工光洁度；尽可能减少各种热处理缺陷 (如脱碳、氧化、淬火裂纹等)；采用表面强化处理，如化学热处理、表面淬火、表面喷丸和表面滚压等强化处理，使零件表面产生残余压应力，从而能显著提高零件的疲劳抗力。8、断裂韧性是表示材料何种性能的指标？为什么要在设计中要考虑这些指标？断裂韧性表示材料抵抗裂纹扩展的能力。断裂韧性的实用意义在于：只要测出材料的断裂韧性 ，用无损探伤法确定零件中实际存在的缺陷尺寸，就可以判断零件在工作过程中有无脆性开裂的危险；测得断裂韧性和半裂纹长度后,就可以确定材料的实际承载能力。所以，断裂韧性为设计、无损伤探伤提供了定量的依据。1、晶体：物质的质点（分子，原子或离子）在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质的晶体非晶体：是指组成物质的质点不呈空间有规则周期性排列的的固体。晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子叫做晶格晶胞：从晶格中确定一个最基本的几何单元来表达其排列形式的特征，组成晶格的这种最基本的几何单元。叫做晶胞晶格常数：晶胞的各边尺寸 a，b，c 叫做晶格常数致密度：致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。晶面指数：表示晶面的符号叫做晶面指数晶向指数：表示晶向的符号叫做晶向指数晶体的各向异性：由于晶体中不同晶面和晶向上原子的密度不同，因此在晶体上不同晶面和晶向上原子结合力就不同，从而在不同晶面和晶向上显示出不同的性能。点缺陷:是指在晶体中形成的空位和间隙原子面缺陷:其特征是在一个方向尺寸上很小，另外两个方向上扩展很大，也称二维缺陷，晶界、相界、孪晶界和堆垛层错都属于面缺陷。线缺陷:晶格中一部分晶体相对另一部分晶体局部滑移，已滑移部分的交界线为位错线，即线缺陷。亚晶界:相邻亚晶粒之间的界面称为亚晶界。位错: 晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移。已滑移部分和未滑移部分的交界线成为位错亚晶粒：是实际金属晶体中，一个晶粒的内部，其晶格位向并不是像理想晶体那样完全一致，而是存在许多尺寸更小，位向差也很小的小晶块，它们相互镶嵌成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒。单晶体: 当一块晶体内部位向完全一致时。我们称这块晶体为单晶体多晶体 :由许多彼此位向不同的晶粒组成的晶体结构成为多晶体固溶体: 当合金由液态结晶为固态时，组成元素间会像合金溶液那样相互溶解。形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其他元素原子的新相，成为固溶体金属间化合物: 凡是由相当程度的金属键结合，并具有明显金属特性的化合物，成为金属化合物固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度，硬度升高的现象叫做固溶强化结合键:是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小，结合键分为化学键和物理键两大类，化学键包括金属键、离子键和共价键；物理键即范德华力。2、金属键，离子键，共价键及分子键结合的材料其性能有何特点？金属键，大量自由电子，良好导电导热性，又因金属键的饱和性无方向性，结构高度对，故有良好的延展性。离子键，正负离子的较强电吸引，导致高硬度，高熔点，高脆性，因无自由电子，固态导电性差。共价键，通过共用电子对实现搭桥联系，键能高，高硬度，高熔点，高介电性。分子键，因其结合键能低，低熔点，低强度，高柔顺性。3、常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？-Fe，-Fe，Cr，V ， -Fe，Cu，Ni，Pb ， Mg，Zn 各属何种晶体结构？有体心立方，面心立方，密排六方三种，体心立方晶格的晶胞通常只用一个晶格常数 a 表示，它的每个角上和晶胞中心都排列一个原子，面心立方晶格也只用一个晶格常数表示，它的每个角上和晶胞的六个面的中心都排列一个原子。密排六方晶格有两个晶格常数，一个是柱体的高度 c，另一个是六边形的边长 a，它的每个角上和下，下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中心还有三个原子。-Fe，-Fe，Cr，V 属体心，-Fe，Cu，Ni，Pb 属面心，Mg，Zn 属密排六方。4、已知 Fe 的原子直径为 2.54*10-10m，求 Fe 的晶格常数。并计算 1mm3Fe 中的原子数。由3/4a=r 有 a=（2.54*10 -10/2）/3/4=2.933*10 -10（m）故 -Fe 的晶格常数为2.933*10-10m。1mm3中 -Fe 的原子数（1*10 -3） 3*2/（2.933*10 -10） 3 =7.927*1019 个。5、注意晶面指数与晶向指数的求法：晶面对各轴的截距，倒数，比例晶向在原点引出，随意一点坐标，比例6、画出立方晶格中（110）晶面与（111）晶面。并画出在晶格中和（110） （111）晶面上原子排列情况完全相同而空间位向不同的几个晶面。7、为什么单晶体具有各向异性？而多晶体在一般情况下不显示各向异性？这是因为单晶体在各个晶面和晶向上原子排列密度是有差异的，所以在晶体中不同晶面和晶向上原子结合力不同，从而在不同晶面和晶向上显示出晶体的各向异性。而多晶体是由众多细小的晶粒所构成的集合体，各个晶粒的晶轴取向是随机分布的。这样，通常测出多晶体的性能在各个方向上表示是不同晶粒的平均性能，所以不显示各向异性的。8、试比较 -Fe 与 -Fe 晶格的原子排列紧密程度和容碳能力。-Fe 的原子排列密度为 0.68，-Fe 的原子排列密度为 0.74，由于 -Fe 的晶格间隙较大，所以，-Fe 的渗碳能力大于 -Fe。9、金属的晶体结构由面心立方转变为体心立方时，其体积变化如何？为什么？体积会膨胀，这是因为 -Fe 的体心致密度小于 -Fe。10、实际金属晶体中存在那些晶体缺陷，对性能有什么影响？有点缺陷（空位、间隙原子） ，是金属中原子扩散的主要方式之一，对热处理过程很重要线缺陷（位错）金属晶体中的位错线往往大量存在，相互连接呈网状分布面缺陷（晶界、亚晶界）会引起晶格能量的提高，并使金属的物理化学和机械性能发生显著地变化。一般来说，缺陷密度越高，位错滑移阻力越大，材料强度、硬度越高，塑性、韧性越低。11、简述固溶体和金属间化合物在晶体结构与机械性能方面的区别。固溶体形成的是一种在某种元素的晶格结构中包含有其他元素原子的新相，金属间化合物是由相当程度的金属间结合，并具有明显金属特性的化合物。固溶体的强度 韧性和塑性之间能有较好的配合，所以对综合机械性能要求较高的结构材料，金属化合物通常能提高合金的强度，硬度和耐磨性，会降低塑性和韧性。12、固溶体可分为几种类型？形成固溶体后对合金的性能有什么影响？为什么？两种。置换型和间隙型。形成固溶体后，由于溶质原子造成的晶格畸变，固溶体会产生所谓固溶强化现象，即强度、硬度上升，塑性、韧性下降。电阻率逐渐升高，导电性逐渐下降，磁矫顽力升高等等。固溶强化的产生是由于溶质原子融入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而使位错移动时所收到的阻力增大的缘故。13、金属间化合物有几种类型？它们在钢中起什么作用？有正常价化合物（离子化合物、共价化合物） ，电子化合物和间隙化合物。正常价化合物和电子化合物在合金中一般可作为强化相。能提高钢的强度，硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。间隙化合物起细化晶粒的作用14、高分子化合物在结构上有哪些特点？1.一般高分子化合物的分子量都十分巨大，2.。高分子化合物的分子是由许许多多结构相同的链节所组成。3 组成高分子链的所有原子之间的结合键都属共价键15、陶瓷材料的主要键性有哪些？各有什么特点？主要键型有离子键与共价键的混合键，构成陶瓷的的是晶相，玻璃相，气相晶相：由某些固溶体或化合物组成，晶向常常不止一个，而是多相多晶体玻璃相：非晶态的低熔点固体相气相：陶瓷内孔隙中的气体晶相分类及特点：氧化物的特点是较大的氧离子紧密堆积（如六角紧密堆积和立方紧密堆积） ，较小的正离子则填充它们的孔隙内。数目相等的氧离子和金属离子组成的氧化物结构（如 MgO，CaO 等）属简单的面心立方晶格，当两种离子的数目不等时，则可形成其他类的晶体结构。常见的含氧酸盐为硅酸盐，特点是不论何种硅酸盐，硅总是在四个氧离子形成的四面体的中心，形成（SiO4）四面体。四面体之间又都以共有顶点氧离子相互连接起来。1、解释下列名词的涵义：过冷度，晶核形核率 N，生长速率 G，凝固，结晶，自由能差 F；变质处理，变质剂；合金，组元，相，相图；机械混合物；枝晶偏析，比重偏析，相组成物，组织组成物；平衡状态，平衡相。答：过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之间的温度差叫过冷度；晶核形核率 N：单位时间，单位体积液态金属中生成的晶核数目（晶核形核数目smm 3） ；生长速率 G：表示晶核形成过程和晶体生长过程的快慢 (单位时间内晶核长大的线长度mms） ；凝固：物质从液态到固态的转变过程统称为凝固；结晶：通过凝固形成晶体结构，可称为结晶；自由能：物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外做功的这一部分能量叫做自由能；自由能差F；液体结晶时，其温度低于理论结晶温度，造成液体与晶体间的自由能差（F=F 液 -F 晶 ）变质处理：在液态金属结晶前，加入一些细小的变质剂使金属结晶时的晶核形核率 N增加或生长速率 G 降低，这种细化晶粒的方法，称为变质处理；变质剂：能够使物质变质的其它物质叫做变质剂合金：合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素经一定方法所组成的具有金属特性的物质；组元：通常把组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质称为组元；相：指在没有外力作用下，物理、化学性质完全相同，成分相同的均匀物质的聚焦态。相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或平衡图。机械混合物：通过共晶或共析反应形成的混合物叫机械混合物。枝晶偏析：固溶体的结晶一般是按树枝状方式成长的，这就使先结晶的枝干成分与后结晶的分枝成分不同，由于这种偏析呈树枝状分布，故又称枝晶偏析；比重偏析：亚共晶或过共晶合金结晶时，若初晶的比重与剩余液相的比重相差很大时，则比重小的初晶将上浮，比重大的初晶将下沉。这种由于比重不同而引起的偏析，称为比重偏析或区域偏析；相组成物：有三种，铁素体，奥氏体，渗碳体；组织：通常把在镜像显微镜下观察到的具有某种形貌或形态特征的部分，称为组织；组织组成物：由相组成物组成的物质，也可以是单一相够成。平衡状态物质达到的一种稳定的状态。：平衡相：指在合金系中，达到平衡状态时，相对质量和相的浓度不再改变的参与或相变过程的各相。2、技术结晶的基本规律是什么？晶核的形核率和生长速率受到哪些因素的影响？答：金属洁净的基本规律是形核与长大。受到过冷度的影响，随着过冷度的增大，晶核的形核率和成长率都增大，但形成率的增长率比成长率的增长快；同时外来难溶杂质以及振动和搅拌的方法也会增大形核率。3、在铸造生产中，采取哪些措施控制晶粒大小？如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小。（1 ） 、金属模浇注和砂模浇注；（2 ） 、高温浇注与低温浇注；（3 ） 。浇注时采用震动与不采用震动；答：铸造生产中，控制晶粒大小的措施有：1） 、增加过冷度， 2） 、孕育处理（变质处理） ，3） 、附加振动等。（1）金属模铸件晶粒小，（2）低温浇注的晶粒小，（3）采用振动的晶粒小。4、何谓共晶反应、包晶反应和共析反应？试比较三种反应的异同点。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，形成另一种固相的反应过程。共析反应：有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。5 、现有 A 、 B 两元素组成如图所示的二元匀晶相图，试分析以下几种说法是否正确 ? 为什么 ? （ l ）形成二元匀晶相图的 A 和 B 两个组元的晶格类型可以不同，但原子大小一定要相等。 （ 2 ） K 合金结晶过程中，由于固相成分随固相线变化，故已结晶出来的固溶体中含 B 量总是高于原液相中含 B 量。 （ 3 ）溶体合金按匀晶相图进行结晶时，由于不同温度下结晶出来的固溶体成分和剩余液相成分都不相同，故在平衡状态下固溶体的成分是不均匀的。 答：（1）错（2 ）对：在同一温度下做温度线，分别与固液相交于一点，过交点，做垂直线可以看出与固相线交点处 B 含量冥想高于另一点。（3 ）错：虽然结晶出来成份不同，但平衡液体中成份是平衡的。6、分析部分 Mg-Cu 相图 ( 如图所示 ) ：(1) 填入各区域的组织组成物和相组成物，在各区域中是否会有纯 Mg 相存在 ? 为什么 ? (2) 求出 30%Cu 合金冷却到 500 、 400 时各相的成分和重量百分比。 (3) 画出 30%Cu 合金自液相冷到室温的冷却曲线，并注明各阶段的相与相变过程。答：（1）不会，应为 Mg 与 Gu 发生化学反应（2） ！（3）7 、二元匀晶相图、共晶相图与合金的机械性能、物理性能和工艺性能存在什么关系 ?答：8 、为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金？为什么要进行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金 ? 答：因为共晶体在恒温下进行结晶，同时熔点又最低，具有较好的流动性，在结晶时易形成集中缩孔，铸件的致密度好，所以常选用接近共晶成份的合金。因为单相固溶体通过选择适当的组成元素和适量的组成关系，可以是合金获得较纯金属高得多的强度和硬度，并保持较高的塑性和韧性，具有良好的压力加工性能。9 、已知组元 A （熔点 700 ）与 B （熔点 600 ）在液态无限互溶；在固态 400 时 A 溶于 B 中的最大溶解度为 20% ，室温时为 10% ，而 B 却不溶于 A ；在 400 时，含 30%B 的液态合全发生共晶反应，现要求： (1) 绘制 A-B 合金相图，并标注各区域的相组成物和组织组成物； (2) 分析 15%A 、 50%A 、 80%A 合金的结晶过程，并确定室温下相组成物及组织组成物的对量； 1、 解释下列名词一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体二次渗碳体：从 A 中析出的 Fe3C 称为二次渗碳体三次渗碳体：从 F 中析出的 Fe3C 称为三次渗碳体共晶渗碳体：经共晶反应形成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体共析渗碳体：经共析反应形成的渗碳体即珠光体中的渗碳体铁素体：碳在 a-Fe 中形成的间隙固溶体奥氏体：碳在 y-Fe 中形成的间隙固溶体珠光体：由铁素体和渗碳体组成的共析混合物莱氏体：Ld 是由奥氏体和渗碳体组成的共晶混合物Ld(P+Fe3Cii+Fe3C)是树枝状的珠光体分布在共晶渗碳体的基体上热脆：S 在钢中以 FeS 形式存在，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、韧性急剧下降，并使钢的脆性转化、温度有所升高。使钢变脆，称为冷脆2 简述 Fe3C 相图中的三个基本反应：包晶反应、共晶反应及共析反应，写出反应式，注出含碳量和温度。共析反应：冷却到-727 时具有 S 点成分的奥氏体中同时折出具有 P 点，成分的铁素体和渗碳体的两相混合物r0.77(727 )F0.0218+Fe3C6.69包晶反应：冷却到 1495时具有 B 点成分的液相与具有 H 点成分的固相 反应生成具有J 点成分的固相 AL0.77+ 0.09（1495）r0.16共晶反应：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 L4.3（1148）r2.11+Fe3C6.693、画出 Fe-Fe 3 C 相图，并进行以下分析： (1) 标注出相图中各区域的组织组成物和相组成物； (2) 分析 0.4%C 亚共析钢的结晶过程及其在室温下组织组成物与相组成物的相对重量；(2)4 、现有两种铁碳合金 ( 退火状态 ) ；其中一种合金的显微组织为珠光体占 80% ，铁素体占 20% ；另一种合金的显微组织为珠光体占 94% ，二次渗碳体占 6% ，问这两种合金各属于那一类合金 ? 其含碳量各为多少 ? 5 、根据 Fe-Fe 3 C 相图；计算： (1) 室温下，含碳 0.6% 的钢中铁素体和珠光体各占多少 ? (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) 铁碳含金中，二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量。6 、现有形状尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们分别为 0.20%C ； 0.4%C ； 1.2%C ； 3.5%C 合金。根据所学知识，可有哪些方法来区别它们 ?、可以金相法区分。一是看有无莱氏体或石墨组织，有即为 3.5%C 的铁碳合金。二是看有无二次渗碳体，有即为 1.2%C 的过共析钢。剩下的两种合金只要比较珠光体的数量即可，多者为 0.4%C 少者为 0.2%C 的合金。7 根据 Fe-Fe 3 C 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；。 (2) 低温莱氏体的塑性比珠光体的塑性差； (3) 在 l100 ，含碳 0.4% 的钢能进行锻造，含碳 4.0% 的生铁不能锻造； (4) 钢锭在 950 1100 正常温度下轧制，有时会造成锭坯开裂； (5) 一般要把钢材加热到高温 ( 约 1000 1250 ) 下进行热轧或锻造； (6) 钢铆钉一般用低碳钢制成； (7) 绑扎物件一般用铁丝 ( 镀锌低碳钢丝 ) ，而起重机吊重物却用 60 、 65 、 70 、 75 等钢制成的钢丝绳； (8) 钳工锯 T8 、 T10 、 T12 等钢料时比锯 10 、 20 钢费力，锯条易磨钝； (9) 钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于通过铸造成形。（1）因为渗碳体的体积分数大，材料就硬；（2）低温莱氏体中有大量共晶渗碳体，故材料的差；（3）0.4%C 的钢在 1100时为单相奥氏体，塑性好，故可锻造。而 4.0%C 的生铁在1100时为高温莱氏体，有共晶渗碳体，故不可锻造。（4）这是因为有时因冶金质量不高，钢中留有低熔点的三元硫共晶在晶界上分布。在9501100时，硫共晶会熔化，形成所谓“热脆”现象。（5）对低碳钢而言，确是如此。这样可以保证是在单相奥氏体相区内进行压力加工。（6）塑性好。（7）钢丝中碳量越高，钢丝的强度就越大（在共析成分以下） 。（8）T8，T10，T12 是工具钢，材料中有大量二次渗碳体，故难锯。（9）铸铁因其成分接近共晶点，有良好的流动性，故适合铸造；而钢因其基体相为.Fe（铁素体） ，塑性好，且高温下可转变为奥氏体，塑性更好，故适合压力加工。8 钢中常存的杂质元素有哪些，对钢的性能有何影响？主要有 Si，Mn，P，S 等.Si 是有益于提高钢的铁素体的强度，主要是固溶强化。Mn 也是有益于提高钢的铁素体的强度，主要是固溶强化和形成合金渗碳体。P 提高钢的冷脆转变温度范围，不利于钢的韧性。S 主要是引起钢的热脆性，这是因为 S 会在钢中形成低熔点三元硫共晶。9 在平衡条件下， 45 钢、 T 8 钢和 T12 钢的强度、硬度、塑性和韧性哪个大，哪个小，变化规律是什么，原因何在？强度：T8T1245 #，碳素钢中以珠光体的综合机械性能为最好，强度最好，T8 钢中珠光体的体积分数最大，其次为 T12 和 45#钢；硬度：T12T845 #，碳素钢中以渗碳体相的硬度为最高，T12 钢中渗碳体的体积分数最大，其次为 T8 和 45#钢。塑性：45 # T8 T12，碳素钢中以铁素体相的塑性最好，45 #钢中铁素体的体积分数最大，其次为 T8 钢和 T12 钢。10 指出下列各类钢的类别、主要特点及用途： (1)A3 ； (2)45 ； (3)T12A（1）普通碳素结构钢 对杂质元素控制不严，用于各种热轧型材和要求不高的机械结构。（2）优质碳素结构钢 对杂质元素控制严格，用于制造一般的机械零件。（3）高级优质碳素工具钢 对杂质元素控制非常严格，用于制造一般形状简单且速度不高的工具和刃具。11 名称 晶体 结构的特征 采用符号 含碳量（%）铁素体 体心立方晶格 F 0.008-0.0218奥氏体 面心立方晶格 A 0.77-2.11渗碳体 复杂的晶体结构 Fe3C 6.69显微组织的特征 机械性能 其它 碳溶在 -Fe 中间隙固溶体 良好的塑性 良好的导磁性能碳溶在 -Fe 中的间隙固溶体 塑性好，变形抗力小 无磁性复杂结构的间隙固溶体 硬度高，塑性和冲击韧性差 亚稳定的化合物 1、 （1）滑移 ：所谓滑移是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面发生相对的滑动。孪生 ：晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面 (孪生面)产生一定角度的切变(即转动)，这种变形方式叫做“孪生” 。（2）再结晶 ：变形金属加热到较高温度时，原子具有较强的活动能力，有可能在破碎的亚晶界处重新形核和长大，使原来破碎拉长的晶粒变成新的、内部缺陷较少的等轴晶粒。这一过程，使晶粒的外形发生了变化，而晶格的类型无任何改变，故称为“再结晶” 。二次再结晶 ：通常再结晶后获得细而均匀的等轴状晶粒。如果温度继续升高或保温较长时间后，少数晶粒会吞并周围许多晶粒而急剧长大，形成极粗的晶粒，为了与通常晶粒的正常长大相区别，把这种现象称为“二次再结晶” 。再结晶温度 ：变形金属开始进行再结晶的最低温度称为金属的再结晶温度。（3）热加工 ：凡在再结晶温度以上的加工过程称为热加工。冷加工 ：凡在再结晶温度以下的加工过程称为冷加工。（4）加工硬化 ：晶粒破碎和位错密度增加，使金属的强度和硬度提高，塑性和韧性下降，产生了所谓加工硬化(或冷作硬化)现象。（5）回复 ：加热温度较低时，变形金属中的一些点缺陷和位错，在某些晶内发生迁移变化的过程，称为回复。（6）再结晶 ：变形金属加热到较高温度时，原子具有较强的活动能力，有可能在破碎的亚晶界处重新形核和长大，使原来破碎拉长的晶粒变成新的、内部缺陷较少的等轴晶粒。这一过程，使晶粒的外形发生了变化，而晶格的类型无任何改变，故称为“再结晶” 。（7）织构 ：当金属变形量达到一定值(7090以上)时，金属中的每个晶粒的位向都趋于大体一致，这种现象称为“织构”现象，或称“择优取向” 。2、一般条件下进行塑性变形时，为什么在锌、镁中易出现孪晶？而在纯铜中易产生滑移带？因为锌、镁属于密排六方晶格，纯铜属于面心立方晶格。孪生变形仅在滑移系较少而不易产生滑移的密排六方金属 (如 Mg、Zn、Cd 等)中易于发生，而面心立方晶格金属（如Al、Cu 等）中由于滑移系较多，故易产生滑移。3、用手来回弯折一根铁丝时，开始感觉省劲，后来逐渐感到有些费劲，最后铁丝被弯断。试解释过程演变的原因？弯折一根铁丝时，开始感觉省劲，后来逐渐感到有些费劲，是由于在外力的作用下，铁丝随着外形的变化，其内部组织也要发生变化，晶粒破碎和位错密度增加，使金属的强度和硬度提高，塑性和韧性下降，产生了所谓加工硬化 (或冷作硬化)现象，金属的加工硬化，给进一步加工带来困难，所以后来逐渐感到有些费劲。再进一步变形时，由于金属的强度和硬度提高，塑性和韧性下降，很快铁丝就因为疲劳而发生断裂。4、为什么细晶粒钢强度高，塑性，韧性也好？ 金属的晶粒粗细，对其机械性能的影响是很大的。晶粒愈细，晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同位向的晶粒数愈多。因此，塑性变形抗力也愈大。另外，晶粒的愈细，不仅使强度增高，而且也增加其塑性和韧性。因为晶粒愈细，金属单位体积中的晶粒数愈多，变形可以分散在更多的晶粒内进行，各晶粒滑移量的总和增大，故塑性好。同时，由于变形分散在更多的晶粒内进行，引起裂纹过早产生和发展的应力集中得到缓和，从而具有较高的冲击载荷抗力。所以，工业上常用细化晶粒的方法来使金属材料强韧化。5、冷塑性变形对金属组织和性能有何影响？在外力的作用下，金属随着外形的变化，其内部组织也要发生如下的变化：(一)晶粒形状的变化。 塑性变形后晶粒的外形沿着变形方向被压扁或拉长，形成细条状或纤维状，晶界变得模糊不清，且随变形量增大而加剧。这种组织通常叫做“纤维组织” 。(二)亚结构的形成。 在未变形的晶粒内部存在着大量的位错壁 (亚晶界)和位错网，随着塑性变形的发生，即位错运动，在位错之间产生一系列复杂的交互作用，使大量的位错在位错壁和位错网旁边造成堆积和相互纠缠，产生了位错缠结现象。随着变形的增加，位错缠结现象的进一步发展，便会把各晶粒破碎成为细碎的亚晶粒。变形愈大，晶粒的碎细程度便愈大，亚晶界也愈多，位错密度显著增加。同时，细碎的亚晶粒也随着变形的方向被拉长。(三)形变织构的产生。 在定向变形情况下，金属中的晶粒不仅被破碎拉长，而且各晶粒的位向也会朝着变形的方向逐步发生转动。当变形量达到一定值 (7090以上)时，金属中的每个晶粒的位向都趋于大体一致，这种现象称为“织构”现象，或称“择优取向” 。塑性变形对金属性能的影响：组织上的变化，必然引起性能上的变化。如纤维组织的形成，使金属的性能具有方向性，纵向的强度和塑性高于横向。晶粒破碎和位错密度增加，使金属的强度和硬度提高，塑性和韧性下降，产生了所谓加工硬化 (或冷作硬化)现象。6、金属的再结晶温度受哪些因素的影响？能否通过在结晶退火来消除粗大铸造组织？为什么？影响再结晶温度的因素是：（1）预先的变形程度。 变形程度愈大，金属畸变能愈高，向低能量状态变化的倾向也愈大，因此再结晶温度愈低。(2)原始晶粒大小。 金属原始晶粒越小，则变形的抗力越大，变形后储存的能量较高，再结晶温度则较低。(3)金属的纯度及成分。 金属的化学成分对再结晶温度的影响比较复杂。当金属中含有少量元素，特别是高熔点元素时，常会阻碍原子扩散或晶界的迁移，而使再结晶温度升高。如纯铁的再结晶温度约为 450，加入少量碳变成钢时，其再结晶温度提高至 500650。在钢中再加入少量的 W、Mo、V 等，还会更进一步提高再结晶温度。当合金元素含量较高时，可能提高也可能降低再结晶温度，这要看合金元素对基体金属原子扩散速度比对再结晶形核时的表面能的影响而定。有利于原子扩散和降低表面能的则降低再结晶温度；反之，则升高再结晶温度。(4)加热速度和保温时间。 再结晶过程需要有一定时间才能完成，故加热速度的增加会使再结晶推迟到较高温度才发生；而保温时间延长，原子扩散充分，可使再结晶过程在较低温度下完成。由于铸造组织没有经过塑性变形所以不能通过再结晶退火来消除粗大铸造组织。7、 当金属继续冷拔有困难时，通常需要进行什么热处理？为什么？金属在冷拔过程中会产生加工硬化，金属的加工硬化，给进一步加工带来困难。为此，在其加工过程中必须安排一些中间退火工序，来消除加工硬化现象。8、试述纤维组织的形成及其对材料性能的影响。塑性变形后晶粒的外形沿着变形方向被压扁或拉长，形成细条状或纤维状，晶界变得模糊不清，且随变形量增大而加剧。这种组织通常叫做“纤维组织” 。纤维组织的形成，使金属的性能具有方向性，纵向的强度和塑性高于横向。晶粒破碎和位错密度增加，使金属的强度和硬度提高，塑性和韧性下降，产生了所谓加工硬化 (或冷作硬化)现象。9、何谓临界变形度？为什么实际生产中要避免在这一范围内进行变形加工？变形度的影响实际上是一个变形均匀的问题。变形度愈大，变形便愈均匀，再结晶后的晶粒度便愈细。当变形度很小时，由于晶格畸变小，不足以引起再结晶，故晶粒度保持原样。当变形度在 2l0时再结晶后的晶粒十分粗大，因此时金属中只有部分晶粒发生变形，变形很不均匀，再结晶时的形核数目少，再结晶后的晶粒度很不均匀，故晶粒极易吞并长大。这个变形度称为“临界变形度” ，生产中应设法避免。10、热加工对金属组织和性能有何影响？钢材在热加工（如锻造）时，为什么不产生加工硬化现象？热加工虽然不致引起加工硬化，但仍能使金属的组织和性能发生显著的变化：(一)可使钢中的气孔焊合，分散缩孔压实，从而使材料的致密度增加。(二)可使钢中的粗大枝晶和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，机械性能提高。(三)可使钢中的各种夹杂物沿着变形方向伸长(塑性夹杂物如 FeS 和细碎脆性夹杂物如氧化物等)，但晶粒通过再结晶变成细等轴晶，而夹杂物却被保留下来，形成了“纤维组织” ，在宏观试样上呈现为条状(塑性夹杂物)和链状(脆性夹杂物)。这种组织使钢的机械性能有了方向性，在沿着纤维的方向上(纵向)具有较高的机械性能，而且在垂直纤维方向上(横向)性能较低。钢材在热加工（如锻造）时，加工温度处于其再结晶温度以上，即使发生加工硬化，也会通过再结晶而消除，故不产生加工硬化。11 、如图所示，用细棒料压制的齿轮毛胚和直接用粗料毛胚（与齿轮外径相等）来加工成齿轮，试问用哪种方法制造出的齿轮质量好？为什么？用细棒料压制的齿轮好。1 （1）奥氏体的起始晶粒度：起始晶粒度事指珠光体向奥氏体转变刚刚终了时的奥氏体晶粒度。实际晶粒度：钢在具体加热条件下实际得到的奥氏体晶粒尺寸。本质晶粒度：钢加热到 93010，保温 8h，冷却后得到的晶粒度。（2） 珠光体：层比较大的铁素体与渗碳体的机械混合物。索氏体：层片间距较小的铁素体与渗碳体的机械混合物。屈氏体：层片间距较小的铁素体与渗碳体的机械混合物。贝氏体：过饱和的铁素体和碳化物的机械混合物。马氏体：碳在 Fe 中的过饱和固溶体。（3）奥氏体：碳溶在 Fe 中的间隙固溶体。过冷奥氏体：钢在高温时所形成的奥氏体，过冷到 A r1以下，成为热力学不稳定状态的过冷奥氏体。残余奥氏体：过冷奥氏体向马氏体转变时，冷至室温或 Mf 点尚未转变的奥氏体。（4）退火：钢的退火是把钢加热到高于或低于临界点（Ac 1或 Ac3 ）的某一温度，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却以获得接近平衡组织的一种热处理工艺。正火：正火时把亚共析钢加热到 以上 3050，过共析钢加热到 上 3050，保温后在空气中冷却的工艺。淬火：将钢加热到 Ac1或 Ac3 以上 30-50，保温后快速的操作，称为淬火。回火：将淬火钢加热到 A1 以下某一温度，保温一定时间，然后快速冷却到室温的热处理工艺。冷处理：将退火钢继续冷却带室温以下某一温度并停留一定时间，使残余奥氏体转变为马氏体，然后在恢复到室温。临界淬火冷却速度（Vk）： 使获得全部马氏体组织的最小冷却速度。淬透性：淬透性表示钢在淬火时或得马氏体的能力。淬硬性：淬硬性使指钢在理想条件下进行淬火硬化（即得到马氏体组织）所能达到的最高硬度的能力。2 珠光体类型组织有哪几种？他们在形成条件、组织形态和性能方面有何特点？珠光体组织使按层间距大小分为珠光体，索氏体，屈氏体三种。珠光体在等温温度在 制 650 温度范围内获得，层片较大（0.4m ）硬度为 170200HBS，索氏体在等温温度在 650600 范围内得到层片间距较小（0.20.4m ） 硬度为 230-320HBS，屈氏体在等温温度在 600-550 范围内得到，层间距更小（1、合金钢中经常加入哪些合金元素？如何分类？合金钢中的合金元素通常分为以下几类：碳化物形成元素：Mn, Cr, W，Mo, V, Ti, Nb ,Zr非碳化物形成元素：Ni, Cu, Co, Si, Al。2、合金元素 Mn Cr W Mo V Ti 对过冷奥氏体的转变有哪些影响？除 Co 外，所有合金元素溶于奥氏体后，都增大其稳定性，使奥氏体分解转变速度减慢，即 C 曲线右移，从而提高钢的淬透性。碳化物形成碳化物形成元素，如 Mo、W、V 、Ti 等，当它们含量较多时，不仅使 C 曲线右移，而且还会使 C 曲线的形状发生变化，甚至出现两组 C 曲线，上部的 C 曲线反映了奥氏体向珠光体的转变，而下部的 C 曲线反映了奥氏体向贝氏体的转变。3、合金元素对钢中基本相有何影响？对钢的回火转变有什么影响？（ 1）合金元素溶入铁素体中形成合金铁素体，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变，产生固溶强化效应。非碳化物形成元素：如 Ni、Si、Al 、Co 等，它们不与碳形成化合物，基本上都溶于铁素体内，以合金铁素体形式存在；碳化物形成元素，基本上是置换渗碳体内的铁原子而形成合金渗碳体或合金碳化物，如：Cr7 C3 等。（ 2）钢在淬火后回火时的组织转变主要是马氏体分解、残余奥氏体的分解及碳化物形成、析出和聚集的过程，这个过程也是依靠元素之间的扩散来进行的。由于合金元素扩散速度小，而又阻碍碳原子扩散，从而使马氏体的分解及碳化物的析出和聚集速度减慢，将这些转变推迟到更高的温度，导致合金钢的硬度随回火温度的升高而下降的速度比碳钢慢。这种现象称之为回火稳定性。合金元素一般都能提高残余奥氏体转变的温度范围。在碳化物形成元素含量较高的高合金钢中，淬火后残余奥氏体十分稳定，甚至加热到 500600仍不分解，而是在回火冷却过程中部分转变为马氏体，使钢的硬度反而增加，这种现象称之为二次硬化。其次，在高合金钢中，由于 Ti、V 、W、Mo 等在 500600 温度范围内回火时，将沉淀析出特殊碳化物，这些碳化物以细小弥散的颗粒状存在，因此，这时硬度不但不降低，反而再次增加，这种现象称之为“沉淀型”的二次硬化，亦称为弥散硬化或沉淀硬化。合金元素对淬火及回火后钢的机械性能的不利影响是回火脆性问题。4、区别下列名词的基本概念（ 1）奥氏体：碳在 -Fe 中的一种间隙固溶体。合金奥氏体：溶在合金元素中的奥氏体。奥氏体钢：钢的组织为奥氏体的钢。（ 2）铁素体：碳在 -Fe 中的一种间隙固溶体。合金铁素体：溶在合金元素中的铁素体。铁素体钢：钢的组织为铁素体的钢。（ 3）渗碳体即碳化三铁 Fe 3 C。合金渗碳体：溶有合金元素的渗碳体，如(Fe、Cr) 3 C 等。特殊碳化物：指稳定性特高的碳化物，如：WC 等。5、解释下列现象：（ 1）在含碳量相同的情况下，含碳除 Mn、Ni 等扩大 相区的元素外，大多合金元素与铁相互作用能缩小 相区，使 A 4 下降，A 3 上升，因此使钢的淬火加热温度高于碳钢。（ 2）钢在淬火后回火时的组织转变主要是马氏体分解、残余奥氏体的分解及碳化物形成、析出和聚集的过程，这个过程也是依靠元素之间的扩散来进行的。由于合金元素扩散速度小，而又阻碍碳原子扩散，从而使马氏体的分解及碳化物的析出和聚集速度减慢，将这些转变推迟到更高的温度，导致合金钢的硬度随回火温度的升高而下降的速度比碳钢慢。这种现象称之为回火稳定性。（ 3）含碳量大于等于 0.40%，含铬量为 12%的钢属于过共析钢。 ，而含碳量 1.5%，含铬量12%的钢属于莱氏体钢从合金元素对铁碳相图的影响可知，由于合金元素均使相图中的 S 点和 E 点左移，因此使共析点和奥氏体的最大溶碳量相应地减小，出现了当含 Cr 量为 12时，共析点地含碳量小于 0.4, 含碳量 12时奥氏体最大含碳量小于 1.5。（ 4）高速钢在热锻或热扎后，经空冷获得马氏体组织由于高速钢中含有大量地合金元素，使其具有很高的淬透性，在空气中冷却即可得到马氏体组织。6、何谓渗碳钢？为什么渗碳钢的含碳量均为低碳？合金渗碳钢中常加入哪些合金元素？它们在钢中起什么作用？用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。渗碳钢的含碳量一般都很低 (在 0.150.25之间) ，属于低碳钢，这样的碳含量保证了渗碳零件的心部具有良好的韧性和塑性。为了提高钢的心部的强度，可在钢中加入一定数量的合金元素，如 Cr、Ni、Mn 、Mo 、W、Ti、B 等。其中 Cr、 Mn、Ni 等合金元素所起的主要作用是增加钢的淬透性，使其在淬火和低温回火后表层和心部组织得到强化。另外，少量的 Mo、W 、Ti 等碳化物形成元素，可形成稳定的合金碳化物，起到细化晶粒的作用。微量的 B(0.0010.004)能强烈地增加合金渗碳钢的淬透性。7、何谓调质钢？为什么调质钢的含碳量均为中碳？合金调质钢中常加入哪些合金元素？它们在钢中起什么作用？调质钢一般指经过调质处理后使用的碳素结构钢和合金结构钢。调质钢的含碳量一般在 0.250.50之间，属于中碳钢。碳量过低，钢件淬火时不易淬硬，回火后达不到所要求的强度。碳量过高，钢的强度、硬度虽增高，但韧性差，在使用过程中易产生脆性断裂。常用合金调质钢通常加入的合金元素有 Cr、Ni、 Si、Mn、B 等，主要是为了提高钢的淬透性及保证强度和韧性而加入的。8、弹簧钢的含碳量应怎么确定？合金弹簧钢中常加入哪些合金元素？最终热处理工艺如何确定？ 弹簧钢可分为碳素弹簧钢与合金弹簧钢。碳素弹簧钢是常用的弹簧材料之一，其含碳量为 0.6 0.9。合金弹簧钢的含碳量低一些，约介于 0.45 0.70之间，考虑到合金元素的强化作用，降低含碳量有利于提高钢的塑性和韧性。合金弹簧钢中所含合金元素经常有Si、 Mn、Cr、V 等，它们的主要作用是提高钢的淬透性和回火稳定性，强化铁素体和细化晶粒，从而有效地改善了弹簧钢的力学性能。根据弹簧的加工成型状态不同，弹簧分为热成型弹簧与冷成型弹簧，热成型弹簧的最终热处理为淬火后中温回火；冷成型弹簧则是用冷拉弹簧钢丝经冷卷后成型，然后进行低温去应力退火。9、 滚动轴承钢的含碳量如何确定？钢中常加入的合金元素有哪些？其作用如何？滚动轴承钢的含碳量为 0.951.15 ，这样高的含碳量是为了保证滚动轴承钢具有高的硬度和耐磨性。主加元素是 Cr，其作用可增加钢的淬透性，铬与碳所形成的(Fe、Cr) 3 C 合金渗碳体比一般 Fe 3 C 渗碳体稳定，能阻碍奥氏体晶粒长大，减小钢的过热敏感性，使淬火后得到细小的组织，而增加钢的韧性。Cr 还有利于提高回火稳定性。对于大型滚动轴承(如 D3050mm 的滚珠) ，还须加入适量的 Si(0.400.65 ) 和 Mn(0.901.20 )，以便进一步改善淬透性，提高钢的强度和弹性极限而不降低韧性。11、 9SiCr 制造的圆板牙，写出加工简明工艺路线，说明各工序作用及板牙在使用状态下的组织及大致硬度。下料球化退化机械加工淬火 +低温回火磨平面抛槽开口球化退火：降低硬度，便于机械加工，并为最终热处理做好组织上的准备。淬火 +低温回火：保证最终使用性能（高的硬度和良好的韧性） ，减小变形（分级淬火） ，降低残余内应力。最终组织为：下贝氏体碳化物。硬度大于 60HRC。12、何谓红热性（红硬性）？为什么 W18Cr4V 钢在回火时会出现“二次强化”现象？65钢淬火后硬度可达 60-62HRC，为什么不能制车刀等要求耐磨的工具？热硬性（红硬性）是指外部受热升温时工具钢仍能维持高硬度（大于 60 HRC）的功能。W18Cr4V 出现二次硬化的原因是在 550570温度范围内钨及钒的碳化物（WC,VC）呈细小分散状从马氏体中沉淀析出，产生了弥散硬化作用。同时，在此温度范围内，一部分碳及合金元素从残余奥氏体中析出，从而降低了残余奥氏体中碳及合金元素含量，提高了马氏体转变温度。当随后回火冷却时，就会有部分残余奥氏体转变为马氏体，使钢的硬度得到提高。由于以上原因，在回火时便出现了硬度回升的“二次硬化”现象。而 65 钢虽然淬火后硬度可达 6062HRC 但由于其热硬性差，钢中没有提高耐磨性的碳化物，因此不能制造所要求耐磨的车刀。13、 W18Cr4V 钢淬火加热温度如何确定？按常规方法进行淬火加热能否达到性能要求？为什么？淬火后为什么进行三次回火？ 高的热硬性主要取决于马氏体中合金元素的含量，即加热时溶于奥氏体中合金元素的量，由于对高速钢热硬性影响最大的两个元素 W 及 V,在奥氏体中的溶解度只有在 1000以上时才有明显的增加，在 12701280 时奥氏体中约含有 78的钨，4 的铬，1的钒。温度再高，奥氏体晶粒就会迅速长大变粗，淬火状态残余奥氏体也会迅速增多，从而降低高速钢性能。这就是淬火温度定在 1280的原因。选择三次回火是因为因为W18Cr4V 钢在淬火状态约有 2025的残余奥氏体，仅靠一次回火是难以消除的。因为淬火钢中的残余奥氏体是在随后的回火冷却过程中才能向马氏体转变。回火次数愈多，提供冷却的机会就愈多，就越有利于残余奥氏体向马氏体转变，减少残余奥氏体量(残余奥氏体一次回火后约剩 1 5，二次回火后约剩 35 ，第三次回火后约剩下 2) 。而且，后一次回火还可以消除前一次