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习题集部分参考答案 习题集部分参考答案 4 合金的结构与相图 4 合金的结构与相图 思考题思考题 1.何谓合金？合金中基本的相结构有哪些？何谓合金？合金中基本的相结构有哪些？ 答： 合金是指两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。 合 金中基本的相结构有固溶体、金属化合物两类。 2.相组成物和组织组成物有何区别？相组成物和组织组成物有何区别？ 答：相组成物是指组成合金中化学成分、结构和性能均匀一致的部分。 组织组成物是指显微组织中具有某种形貌特征的独立部分。 两者的区别在于相组成物是不涉及金相形态的。 3.固溶体合金和共晶合金的力学性能和工艺性能有什么特点？固溶体合金和共晶合金的力学性能和工艺性能有什么特点？ 答：固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，但由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变， 阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度、硬度提高，且大多固溶体还保持着良好的塑性。而 共晶合金组织为二相混合物时，合金的性能与成分呈直线关系。当共晶组织十分细密时，硬 度和强度会偏离直线关系而出现峰值。共晶合金熔点低，流动性好，易形成集中缩孔，不易 形成分散缩孔，铸造性能较好。 4.合金的结晶必须满足哪几个条件？合金的结晶必须满足哪几个条件？ 答：合金的结晶需要满足结构、能量和化学成分三个条件（或者叫三个起伏） 。 5.纯金属结晶与合金结晶有什么异同？纯金属结晶与合金结晶有什么异同？ 答：相同点：形成晶核、晶核长大；能量和结构条件。 不同点：合金结晶还需要“化学成分条件” ；从结晶的自由度看，纯金属结晶是一 个恒温过程，而合金的结晶常常在某个温度范围内进行。 6.固溶体的主要类型有哪些固溶体的主要类型有哪些?影响固溶体的结构形式和溶解度的因素有哪些？影响固溶体的结构形式和溶解度的因素有哪些？ 答：按溶质原子在固溶体(溶剂)晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体；按 固溶度可分为有限固溶体和无限固溶体； 置换固溶体按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点可 分为无序固溶体和有序固溶体。 影响固溶体的结构形式和溶解度的因素很多， 目前比较公认 的有原子尺寸因素；晶体结构因素；电负性因素；电子浓度因素。 7、试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理，并说明三者的区别。、试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理，并说明三者的区别。 答：固溶强化是由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶 体的强度和硬度增加。 加工硬化是金属在冷塑性变形时，随着变形量的增加，出现位错的缠结，位错密度 增加，造成材料的强度、硬度增加的现象。 弥散硬化是当超细第二相(强化相)大量均匀分布在材料基体中，造成位错运动受阻 第 1 页 共 15 页 而引起的强度、硬度升高的现象。 异同点： 三种强化都是利用位错运动受阻来强化合金的。 不同的是固溶强化和弥散强化 都是利用合金化来强化合金的； 而加工硬化而是通过力的作用产生塑性变形， 增大位错密度 以增大位错运动阻力来强化合金。 8、固溶体和金属化合物在结构和性能上有什么主要区别？、固溶体和金属化合物在结构和性能上有什么主要区别？ 答：固溶体晶体结构同于组成固溶体的溶剂的晶体结构，大多具有强而韧的性能特点； 而金属化合物的晶格类型完全不同于组成金属化合物的任一组元的晶体结构， 金属化合物一 般具有硬而脆的性能特点。 9、机械混合物的构成方式有哪几种？、机械混合物的构成方式有哪几种？ 答： 机械混合物是各相按照一定的重量比组成的物质。 各相之间在一定的条件下既不溶 解，也不化合，保持各自的晶格结构，各相之间是纯机械混合。它们的构成方式常有：固溶 体与固溶体的组成，也有固溶体与金属化合物的组成等。 10、合金结晶中可能出现的三种偏析应如何控制并使之尽量减少？、合金结晶中可能出现的三种偏析应如何控制并使之尽量减少？ 答：1晶内（枝晶）偏析，该情况取决于浇铸时的冷却速度，偏析元素扩散能力和液 固相线的距离等，可以通过退火将偏析消除。 区域性偏析：在较大范围内化学成分不均匀的现象，退火无法将该情况消除，这种 偏析与浇温、浇速等有关。 比重偏析：合金凝固时由于合金中组元比重的不同所引起的偏析。降低比重偏析 的方法有，如使合金成分均匀；尽量缩短液态合金的放置时间；加快冷却速度及合理控制 铸件的凝固方向等 11、什么是杠杆定律？它有什么用途？、什么是杠杆定律？它有什么用途？ 答： 组成合金二相的质量比等于这二相成分点到合金成分点距离的反比叫杠杆定律。 它 能够确定二相区内任一成分的合金在任一温度下处于平衡时各相的质量。 12、合金的性能与相图之间的关系如何？、合金的性能与相图之间的关系如何？ 答：相图表示合金在平衡条件下合金的状态与成分、温度之间的关系图解。它是在十分 缓慢的条件下用热分析法测定的。 利用相图可以知道不同成分的合金在不同温度、 平衡条件 下存在哪些相、各相的相对数量、化学成分及条件变化时可能发生的相变，相图是研究合金 组织及其变化规律的有效工具。 13、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？、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： 共晶反应是指一定成分的液相在一定温度下， 转变为两种成分不同结构不同的固相 的反应。 包晶反应是指在一定温度下， 一定成分的固相与包围它的成分一定的液相相互作用， 形 成一个一定成分的固相的反应。 共析反应是指一定成分的固相在一定温度下， 转变为两种成分不同结构不同的固相的反 应。 异同点：三个反应都是在恒温过程，反应时都必须具备温度和成分条件。不同的是共晶 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 第 2 页 共 15 页 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。 14、二元合金相图表达了合金的哪些关系？ 、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。 15、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。简述纯铁的性能和用途。 、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。简述纯铁的性能和用途。 答：金属在结晶之后继续冷却时或由固态加热直至熔化前皆会发生晶体结构的变化， 凑够一种晶格转变为另外一种晶格， 这种现象称为同素异构转变。 纯铁的结晶冷却曲线和晶 体结构变化如下： 图略（见教材 P27 ，图 3.10） 。 纯铁较软，具有较好的抗腐蚀性，韧性和延展性较高，硬度和强度较低。纯铁在工业中 应用较少，主要用于实验研究。 16、默画出、默画出Fe-Fe3C相图，并按组织组成物填写各个相区。相图，并按组织组成物填写各个相区。 答： 17、何谓一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体和共析渗碳体？ 它们之间有何异同？其金相形态如何？ 、何谓一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体和共析渗碳体？ 它们之间有何异同？其金相形态如何？ 答：一次渗碳体：在Fe-Fe3C相图相图中，碳含量大于 4.3时，在LFe3C两相区内结 晶析出的初生Fe3C为一次渗碳体，形成温度于共晶温度 1148以上，形貌呈条状。碳含量 于 4.3%6.69%是其典型成分区间。 二次渗碳体： 在Fe-Fe3C相图中， 碳含量大于 0.77时， 在AFe3C两相区内析出的Fe3C 为二次渗碳体，形成温度于共晶温度 1148与共析温度 727之间，形貌呈网状。碳含量于 第 3 页 共 15 页 0.77%6.69是其典型成分区间。 三次渗碳体：在Fe-Fe3C相图中，FFe3C两相区内析出的Fe3C为三次渗碳体，形成温度 于共析温度 727以下，形貌呈断续网状（细片状） 。 共晶渗碳体：于共晶温度 1148形成的共晶组织AFe3C中的Fe3C体。形貌呈基体状。 碳含量约为 4.3%。 共析渗碳体：于共析温度 727形成的共析组织F+Fe3C中的Fe3C，形貌呈片状。碳含量 约为 0.77%。 18、为何各种非共晶成分的合金也能在共晶温度发生部分共晶转变？、为何各种非共晶成分的合金也能在共晶温度发生部分共晶转变？ 答：各种非共晶成分的合金在结晶过程中，随着温度的降低，开始从液体中析出固 溶体或 固溶体，液相的成分随着液相线变化，固相成分随着固相线变化，当温度降到共晶 温度时，此时合金中液相的成分变到了共晶点，于是剩下的合金液相将发生共晶转变，这一 转变一直在恒温下进行到剩余液相全部转变为共晶组织为止。 19、Fe-Fe3C相图在选材、热处理、锻造、铸造等方面有什么用途？相图在选材、热处理、锻造、铸造等方面有什么用途？ 答：根据Fe-Fe3C相图中合金成分、组织和性能之间的变化规律，可以根据零件的服役 条件来选择材料。如要求良好的焊接和冲压性能的零件，应选用组织中铁素体较多、塑性较 好的低碳钢来制造；如要求具有良好综合力学性能的零件，应选用中碳钢来制造；如要求高 硬度、高耐磨性，就应该选用高碳钢；性质复杂的箱体和机座，则应该选中铸造性能较好的 铸铁来制造。 在锻造方面， 钢处于单相奥氏体时， 塑性较好， 变形抗力较小， 便于锻造成型。 从Fe-Fe3C 相图中，可以看到共晶成分或接近共晶成分的合金不仅熔点低，而且凝固温度区间也较小， 具有较好的铸造流动性，不易形成分散缩孔，适宜于铸造，在生产中得到了广泛的应用。根 据对工件材料性能要求的不同，各种不同热处理方法的加热温度选择都必须参考Fe-Fe3C相 图，才能满足响应的性能要求。 20、何谓铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体？它们的结构、组织、形 态、性能等各有何特点？ 、何谓铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体？它们的结构、组织、形 态、性能等各有何特点？ 答：铁素体是在碳在 -Fe 中的固溶体。为体心立方晶格，具有磁性及良好的塑性，硬 度较低，用 3%-4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析刚中铁 素体呈块状分布。 奥氏体是碳溶于 -Fe 形成的间隙固溶体，晶体结构为面心立方，其溶碳能力较大，强 度低，可塑性强，顺磁相。 渗碳体是铁和碳形成的一种化合物，其含碳量为 6.69%，质硬而脆，耐腐蚀性强，经 3%-4%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体能被染成 黑色或棕红色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体与渗碳体。按照成分和形成条件的不 同，渗碳体可以呈现不同的形态：一次渗碳体是直接由液体中结晶出来的，故在白口铸铁中 呈粗大的条片状；二次渗碳体是从奥氏体中析出的，往往呈网络状沿奥氏晶界分布；三次渗 碳体是从铁素体中析出的， 通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处,数量极微可忽略不计。 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。在一般退火处理情况下,是由铁素体与渗碳体 相互混合交替排列形成的层片状组织。经硝酸酒精溶液侵蚀后,在不同放大倍数的显微镜下 可以看到具有不同特性的珠光体组织。 莱氏体是在室温时珠光体及二次渗碳体和渗碳体所组成的机械混合物。含碳量为 4.3% 第 4 页 共 15 页 的共晶白口铸铁在 1148时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体,其中奥氏体冷却时析出二 次渗碳体,并在 727以下分解为珠光体。 莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上 相间地分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起,从形式上 难以区分。 21、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？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：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。 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。 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时的相变 过程通常都有不同程度的滞后现象。 22、简述、简述Fe-Fe3C相图中三个基本反应：包晶反应、共晶反应及共析反应。写出 反应式，标出含碳量及温度。 相图中三个基本反应：包晶反应、共晶反应及共析反应。写出 反应式，标出含碳量及温度。 答：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A。0.09%0.0218%。 CFeFA PS3 277 + 23、何谓碳素钢？何谓白口铁？二者的成分、组织和性能有何差别？、何谓碳素钢？何谓白口铁？二者的成分、组织和性能有何差别？ 答：碳素钢：含有 0.0218%2.11%C 的铁碳合金。白口铁：含大于 2.11%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 0.77%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。 24、亚共析钢，共析钢和过共析钢的组织有何异同点？、亚共析钢，共析钢和过共析钢的组织有何异同点？ 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。 第 5 页 共 15 页 25、分析含碳量分别为、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。 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 12 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 12 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 0.0218%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 12 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，可忽略。 室温组织为二次渗碳体和珠光体。 习题习题 1.名词解释名词解释 组元；合金；合金系；相；显微组织；固溶体；金属间化合物；相图；匀晶 转变；共晶转变；共析转变；包晶转变；细晶强化；枝晶偏析；固溶强化；弥 散强化；机械混合物；高温莱氏体；低温莱氏体。 组元；合金；合金系；相；显微组织；固溶体；金属间化合物；相图；匀晶 转变；共晶转变；共析转变；包晶转变；细晶强化；枝晶偏析；固溶强化；弥 散强化；机械混合物；高温莱氏体；低温莱氏体。 答：组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。 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。 合金系：由给定组元按不同比例配制出一系列不同成分的合金，这一系列合金就构成 一个合金系统，简称合金系。 相： 在金属或合金中， 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。 显微组织：借助光学或电子显微镜所观察到的，涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、 排列状况等组成关系的构造情况。 固溶体： 它是组元间在固态下形成的单一均匀的新相， 其晶体结构同于组成该相的溶剂 的晶体结构。 金属间化合物： 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 间化合物。它的晶体结构不同于任一组元，用分子式来表示其组成。 相图：用来表示合金系中平衡状态下合金的成分、温度与组织之间的关系图形。 匀晶转变： 晶体材料从高温液相冷却下来的凝固转变产物包括多相混合物晶体和单相固 第 6 页 共 15 页 溶体两种，其中由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。 共晶转变：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 两种晶体的反应过程。 共析转变：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过程。 包晶转变：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。 细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化 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。 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、 硬度升高的现象称为固 溶强化。 弥散强化： 合金中以固溶体为主再有适量的金属间化合物弥散分布， 会提高合金的强度、 硬度及耐磨性，这种强化方式为弥散强化。 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。 高温莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称高温莱氏体，用符号Ld或（A+Fe3C） 表示。 低温莱氏体：高温莱氏体冷却到 727以下时，将转变为珠光体和渗碳体机械混合物 （P+Fe3C）,称低温莱氏体，用Ld表示。 2.现有现有 A、B 两组元形成的二元匀晶相图，试分析以下几种说法是否正确？为什 么 两组元形成的二元匀晶相图，试分析以下几种说法是否正确？为什 么? （1） 形成二元匀晶相图的） 形成二元匀晶相图的 A 与与 B 两组元的晶格类型可以不同，但是原子大小一 定相等。 两组元的晶格类型可以不同，但是原子大小一 定相等。 （2）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 ）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量总是高于原液相中含 B 量。 量。 （3）固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。 ）固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。如 Cu-Ni 二元匀晶相图，二组元原子大小就不相等。 （2）对。从合金相图中可知。 （3）错。固溶体合金按匀晶相图进行结晶时前提条件是非常缓慢，原子能够有充分的 时间进行扩散。 3.二元匀晶相图、共晶相图、共析相图与合金的力学性能、物理性能和工艺性能 存在什么关系？ 二元匀晶相图、共晶相图、共析相图与合金的力学性能、物理性能和工艺性能 存在什么关系？ 答：合金组织为二相混合物时，如二相的大小与分布都比较均匀，合金的性能大致是二 相性能的算术平均值，即合金的性能与成分呈直线关系。此外，当共晶组织十分细密时，强 度、硬度会偏离直线关系而出现峰值。单相固溶体的性能与合金成分呈曲线关系，反映出固 溶强化的规律，在对应化合物的曲线上则出现奇异点。 固溶体中溶质含量越高，铸造性能愈差；共晶成分的合金铸造性能最好，即流动性好， 分散缩孔少，偏析程度小，所以铸造合金的成分常选共晶成分或接近共晶成分。 4.一个一个 A-B 二元共晶反应如下：二元共晶反应如下： 第 7 页 共 15 页 L(75%B)(15%B)+(15%B)+(95%B95%B) （1）求含）求含 50%B 的合金完全凝固时：的合金完全凝固时： 初晶与共晶（+初晶与共晶（+）的质量百分数； ）的质量百分数； 相与相与 相的质量百分数； 相的质量百分数； 共晶体中相与共晶体中相与 相的质量百分数。相的质量百分数。 （2）若显微组织中测出）若显微组织中测出 初相与（+初相与（+）共晶各占一半，求该合金成分。）共晶各占一半，求该合金成分。 解： （1）=（0.75-0.5）/0.75-0.15)100%=41.7%。 +=1-=58.3%。 =（0.95-0.5）/（0.95-0.15）100%=56.3%。 =1-56.3%=43.7%。 共晶体中相与 相的质量百分数： 由和得到 50%B的合金中共晶体中的=56.3%-41.7%=14.6% =58.3-14.6=43.7%。 （2） 若显微组织中测出初相与（+）共晶各占一半， 即 =50%，+=50%。 设该合金的成分为 x，则根据杠杠定律（0.95-x）/0.95-0.75)100%=50%。 故 x=0.85，该合金为 85%B、15%A。 5、已知、已知 A（熔点（熔点 600）与）与 B(500) 在液态无限互溶；在固态在液态无限互溶；在固态 300时时 A 溶 于 溶 于 B 的最大溶解度为的最大溶解度为 30% ，室温时为，室温时为 10%，但，但 B 不溶于不溶于 A；在；在 300时， 含 时， 含 40% B 的液态合金发生共晶反应。的液态合金发生共晶反应。 （1）作出）作出 A-B 合金相图；合金相图； （2）分析）分析 20% A 的合金的结晶过程，并确定室温下的组织组成物和相组成物 的相对量。 的合金的结晶过程，并确定室温下的组织组成物和相组成物 的相对量。 解： （1）图略。 （2）20%A 合金如图：合金在 1 点以上全部为液相，当冷至 1 点时，开始从液相 中析出固溶体，至 2 点结束，23 点之间合金全部由固溶体所组成，但当合金冷到 3 点以下，由于固溶体的浓度超过了它的溶解度限度，于是从固溶体中析出二次相 A，因 此最终显微组织：+AII。 相组成物：+A； A=（90-80/90）100%=11%；=1-A=89%。 组织组成物：+AII； =89%；AII=1-=11%。 6、根据下图，说明、根据下图，说明 28%Sn 的的 Pb-Sn 合金在下列各温度时组织中有哪些相？并 求出相的相对量。 合金在下列各温度时组织中有哪些相？并 求出相的相对量。 （1）高于）高于 300； （2）刚冷到）刚冷到 183，共晶转变尚未开始；，共晶转变尚未开始； （3）在）在 183，共晶转变完毕。，共晶转变完毕。 解： （1）从图中可知，高于 300，全部为液相（L） 。L =100%。 （2）刚冷到 183，共晶转变尚未开始，为L+。 根据杠杆定理，L=(28-19.2)：(61.9-19.2)100%=20.6%； 第 8 页 共 15 页 =(61.9-28)：(61.9-19.2)100%=79.4%。 （3）在 183，共晶转变完毕，为+相， 根据杠杆定理， =(97.5-28)：(97.5-19.2)100%=89.1%； =(28-19.2)：(97.5-19.2)100%=10.9%。 7、说明共晶线与共析线的含义，写出共晶转变式和共析转变式。、说明共晶线与共析线的含义，写出共晶转变式和共析转变式。 答：在 1148恒温下，2.11%0.0218%的铁碳合金缓慢冷却时均发生共析反应， 生成珠光体(P)。 铁碳相图上的水平线PSK称为共析线。转变式为。 CFeFA PS3 277 + 8、在铁碳合金相图中有哪些相、在铁碳合金相图中有哪些相?哪些组织哪些组织?他们各自的性能如何他们各自的性能如何? 答：在铁碳合金相图中有A、F、Fe3C相。 组织：铁素体(F)、奥氏体(A)、渗碳体(Fe3C)、珠光体(P)和莱氏体(Ld)。 铁素体(F)是 C 在-Fe 中形成的间隙固溶体，强度和硬度较低，塑性和韧性较好。 奥氏体(A)是 C 在 -Fe 中形成的间隙固溶体，高温组织，在727存在。塑性好， 轻度和硬度高于 F，在锻造、轧制时常要加热 A，提高塑性，易于加工。 渗碳体(Fe3C)是铁与碳形成的金属化合物。硬度极高，脆性大，不能单独使用。 珠光体(P)是F和Fe3C组成的机械混合物，A共析产物。力学性能介于F和Fe3C 之间。 莱氏体(Ld)是A和Fe3C组成的机械混合物，分高温莱氏体(Ld)和低温莱氏体(Ld)。 Ld是P和Fe3C组成。力学性能与Fe3C相似，硬度高，塑性极高。 9、写出下列渗碳体的生成条件：、写出下列渗碳体的生成条件： 一次渗碳体；二次渗碳体；三次渗碳体；共晶渗碳体；共析渗碳体。一次渗碳体；二次渗碳体；三次渗碳体；共晶渗碳体；共析渗碳体。 答：一次渗碳体：碳含量大于 4.3时，在LFe3C两相区内结晶析出的初生Fe3C为一 次渗碳体，形成温度于共晶温度（1148）以上，形貌为大的片（其间为共晶组织） 。碳含 量于 4.3%6.69%是其典型成分区间。 二次渗碳体：碳含量大于 0.77时，在AFe3C两相区内析出的Fe3C为二次渗碳体，形 成温度于共晶温度 （1148） 与共析温度 （727） 之间， 形貌以网状为典型。 碳含量于 0.77% 6.69是其典型成分区间。 三次渗碳体： FFe3C两相区内析出的Fe3C为三次渗碳体， 形成温度于共析温度 （727） 以下，形貌为细片状或粒状。 共晶渗碳体：于共晶温度（1148）形成的共晶组织（AFe3C）中的Fe3C体。形貌为 片状的共晶组织形貌。碳含量约为 4.3%。 第 9 页 共 15 页 共析渗碳体：于共析温度（727）形成的共析组织（F+Fe3C)中的Fe3C，形貌为片状的 共析组织形貌。碳含量约为 0.77%。 10、试分析、试分析 45 钢、钢、T8 钢、钢、T12 钢在极缓慢的冷却过程中相变的过程（用冷却曲 线分析） 。 钢在极缓慢的冷却过程中相变的过程（用冷却曲 线分析） 。 答： 45 钢含碳量为 0.45%，属亚共析钢，在极其缓慢的冷却过程中，不断从 L 中结晶 出铁，冷却至 1495时发生包晶反应，然后从 L 相中不断结晶出 A，后全部转变为 A， 继续冷却， 从 A 从析出 F。 在 727时发生共析转变， 该合金组织的平衡组织为 F+P。冷却曲线分析图见教材 P49，图 4.27。 JHB AL + 4951 PAs 277 T8 钢含碳量为 0.8%，属共析钢，在极其缓慢的冷却过程中，不断从 L 中结晶出 A，在 727时发生共析转变，室温下的组织为 P。 PAs 277 T12 钢含碳量为 1.2%，属于过共析钢，在极其缓慢的冷却过程中，不断从L中结晶出A， 随着温度的降低，从A中析出沿A晶界分布、呈网状的Fe3CII，在 727时发生共析转变， ，室温下的组织为P+Fe3CII。 PAs 277 11、某碳素钢钢号不清，经金相检查其显微组织是、某碳素钢钢号不清，经金相检查其显微组织是 F+P,其中其中 P 约占约占 20%。可否 据此判断出它的钢号是什么？ 。可否 据此判断出它的钢号是什么？ 解：从铁碳相图可知，该钢为亚共析钢。设该合金钢的含碳量为 x%,根据杠杠定理可 知：（x-0.0218）/(0.77-0.0218)100%=20% 故含碳量约为 0.17%，钢号为 17 号钢。 12、过共析钢在结晶过程中，当温度由、过共析钢在结晶过程中，当温度由 1148下降到下降到 727时，为何会有二次渗 碳体析出，二次渗碳体对过共析钢的性能有何影响？它和一次渗碳体有何不 同？二次渗碳体的数量与什么因素有关？ 时，为何会有二次渗 碳体析出，二次渗碳体对过共析钢的性能有何影响？它和一次渗碳体有何不 同？二次渗碳体的数量与什么因素有关？ 答：过共析钢的结晶过程中会生成奥氏体（A）,A 在 1148时的含碳量为 2.11%，随着温 度的降低，含碳量会逐渐降低，在 727时会降到 0.77%，过共析钢此时析出二次渗碳体。二次 渗碳体一般以网状形式沿奥氏体晶界分布。 渗碳体脆而硬，它会使共析钢减小韧性，变脆，力学性能降低。 一次渗碳体只有在含碳量大于 2.11%的铁碳合金（白口铁）中才能见到。其形貌可以是 大块的板条（过共晶白口铁中） 。二次渗碳体最典型的就是过共析钢退火平衡组织中，沿晶 界网状分布的那些。 钢中的含碳量越多，二次渗碳体的数量越多。二次渗碳体呈网状分布于晶界上。 13、根据、根据Fe-Fe3C相图，并通过必要的计算回答下面的问题。相图，并通过必要的计算回答下面的问题。 （1）室温时，）室温时，c =0.5%的钢中珠光体和铁素体各占多少？铁素体和渗碳体又各 占多少？ 的钢中珠光体和铁素体各占多少？铁素体和渗碳体又各 占多少？ （2）室温时，）室温时，c =1.0%的钢中组织组成物的相对质量是多少？相组成物的相对 质量又为多少？ 的钢中组织组成物的相对质量是多少？相组成物的相对 质量又为多少？ （3） 65 钢在室温时的相组成物和组织组成为是多少？其相对质量百分数各是多 少？ 钢在室温时的相组成物和组织组成为是多少？其相对质量百分数各是多 少？ 第 10 页 共 15 页 （4）T8（按共析钢对待）在室温时相组成物和组织组成为是多少？其相对质量 百分数各是多少？ （按共析钢对待）在室温时相组成物和组织组成为是多少？其相对质量 百分数各是多少？ （5）T12 钢在室温时相组成物和组织组成为是多少？各占多大比例？钢在室温时相组成物和组织组成为是多少？各占多大比例？ （6）铁碳合金中，二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量各是多少？）铁碳合金中，二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量各是多少？ 解：（1）c =0.5%的钢中珠光体和铁素体相对质量百分数如下： p p=(0.5-0.0218)/(0.77-0.0218)100%=63.91%。 F F=1-p p=1-63.91%=36.09%。 c =0.5%的钢中铁素体和渗碳体相对质量百分数如下： F F=(6.69-0.5)/(6.69-0.0008)100%=92.54%。 Fe3c Fe3c =1-92.54%=7.46%。 (2)c =1.0%的钢中 组织组成物：p p=(6.69-1.0)/(6.69-0.77)100%=96.12%。 Fe3c Fe3cII =1-96.12%=3.88%。 相组成物：F F=(6.69-1.0)/(6.69-0.0008)100%=85.06%。 Fe3c Fe3c =1-85.06%=14.94%。 （3） 65 钢的含碳量为 0.65%。 属于亚共析钢,室温下组织为F+P,相组成物为F+Fe3C。 组织组成物：F F=(0.77-0.65)/(0.77-0.0218)100%=16.04%。 p p=1-F F=1-16.04%=83.96%。 相组成物：F F=(6.69-0.65)/(6.69-0.0008)100%=90.3%。 Fe3c Fe3c =1-90.7%=9.7%。 （4）T8（按共析钢对待）含碳量为 0.77%。该合金的室温组织为 P。 室温下P中F和Fe3C的相对质量百分数为： F F=(6.69-0.77)/(6.69-0.0008)100%=88.5%。 Fe3c Fe3c =1-88.5%=11.5%。 （5）T12 的含碳量为 1.2%，为过共析钢。室温下组织组成物为P+Fe3CII，相组成 物为F+Fe3C。 组织组成物：p p=(6.69-1.2)/(6.69-0.77)100%=92.7%。 第 11 页 共 15 页 Fe3CII =1-92.7%=7.3%。 相组成物：F F=(6.69-1.2)/(6.69-0.0008)100%=82%。 Fe3C =1-82%=18%。 （6）二次渗碳体的最大含量: Fe3CII=（2.11-0.77）/(6.69-0.77)100%=22.64%。 三次渗碳体的最大含量: Fe3CIII=（0.0218）/(6.69)100%=0.33%。 14、某亚共析钢，其中铁素体占、某亚共析钢，其中铁素体占 80%，问此钢的含碳量是多少？，问此钢的含碳量是多少？ 解：亚共析钢在常温下组织为 F+P。设此钢的含碳量为 x%,根据杠杠定律，可知： (0.77-x)/(0.77-0.0218)100%=80%。 故含碳量约为 0.17%。 15、根据、根据Fe-Fe3C相图，试完成下列问题：相图，试完成下列问题： （1）根据组织特征，写出铁碳合金按含含碳量划分的类型。）根据组织特征，写出铁碳合金按含含碳量划分的类型。 （2）写出相图中三条水平线上的反应及反应类型。）写出相图中三条水平线上的反应及反应类型。 （3）分别写出亚共析钢、亚共晶白口铸铁在冷却过程中的相变过程并画出结晶 组织示意图。 ）分别写出亚共析钢、亚共晶白口铸铁在冷却过程中的相变过程并画出结晶 组织示意图。 （4）40 钢从液态缓冷至室温，计算其在室温下各相组成物和各组织组成物的相 对质量百分含量。 钢从液态缓冷至室温，计算其在室温下各相组成物和各组织组成物的相 对质量百分含量。 解：(1)工业纯铁：c c0.0218%，室温组织：F。 亚共析钢：0.0218%c c0.77%，室温组织：F+P。 共析钢：c c=0.77%，室温组织：P。 过共析钢：0.77%c c2.11%，室温组织：P+Fe3CII。 亚共晶白口铸铁：2.11%c c4.30%，室温组织：P+Fe3CII+Ld。 共晶白口铸铁：c c=4.30%，室温组织：Ld。 过共晶白口铸铁：4.30%c c6.69%，室温组织：Ld+Fe3CII。 （2）HJB：包晶转变线，。 JHB AL + 4951 ECF：共晶转变线，。 CFeAL EC3 1148 + PSK：共析转变线，。 CFeFAs P3 277 + 第 12 页 共 15 页 (3)亚共析钢在缓冷时，不断从 L 中结晶出铁，冷却至 1495时发生包晶反应， ，然后从 L 相中不断结晶出 A，后全部转变为 A，继续冷却，从 A 从 析出 F。在 727时发生共析转变，该合金组织的平衡组织为 F+P。结晶 结构示意图见教材 P50，图 4.28。 JHB AL + 4951 PAs 277 亚共晶白口铸铁在在缓冷时，不断从L中结晶出A，温度继续下降，剩余L相的成分达 到共晶成分，发生共析转变，继续下降，在 727发生共析转变， ，形成P，该合金的室温平衡组织为P+Fe3CII+Ld。结晶结构示意 图见教材P52，图 4.32。 CFeAL EC3 1148 + CFeFAs P3 277 + (4)40 钢的含碳量为 0.4%，属于亚共析钢。室温组织组成物为F+P。相组成物为F+Fe3C。 组织组成物： F F= (0.77-0.40)/(0.77-0.0218)100%=37.82%。 p p= 1-37.82%=62.18%。 相组成物：F F= (6.69-0.40)/(6.69-0.0008)100%=94.03% Fe3C= 1-94.03%=5.97%。 16、根据已学到的知识解释下列现象。、根据已学到的知识解释下列现象。 (1)螺钉、螺母等标准件常用低碳钢制造。螺钉、螺母等标准件常用低碳钢制造。 (2)室温时平衡状态下室温时平衡状态下 T10 比比 T12 抗拉强度高，但硬度却低。抗拉强度高，但硬度却低。 (3)捆绑用的镀锌钢丝常用低碳钢丝，而起重用的钢丝绳和绕制弹簧所用钢丝捆绑用的镀锌钢丝常用低碳钢丝，而起重用的钢丝绳和绕制弹簧所用钢丝 却是却是 65Mn 或或 65。 (4)锉刀常用锉刀常用 T12 制造，而钳工钢锯条常用制造，而钳工钢锯条常用 T10 制造。制造。 (5)钢锭在正常热轧温度下轧制有时开裂。钢锭在正常热轧温度下轧制有时开裂。 (6)钢适于各种变形加工成形，不易铸造成形。钢适于各种变形加工成形，不易铸造成形。 (7)钢在锻造时始锻温度选钢在锻造时始锻温度选 10001250，停锻选，停锻选 800左右。左右。 答：（1）低碳钢塑性、韧性好，有一定强度，具有优良的冷成型性能。 （2）T10、T12 含碳量为 1.0%,1.2%，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，塑性韧性不断下降，而硬度呈直线上升。 （3）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 65Mn 或 65 钢有高的强度和高的弹性极限。这样在吊重物时不会断裂。 （4）T10、T12 属于碳素工具钢，含碳量为 1.0%,1.2%，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，受冲击能力下降。T10 韧性中等，通常用作钳工钢锯条；T12 韧性低，用于制造不受冲击的工具，如锉刀等。 （5）热轧温度低于结晶温度以下发生塑性变形时，由于晶粒发生滑移，出现位错的缠 结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，使金属的强度和硬度升高，塑性和韧性降低，故轧制时有 时开裂。 （6）铸造要求结晶温度间隔小、流动性好、分散缩孔少。常选用铁碳相图中结晶共晶 第 13 页 共 15 页 成分附近的合金。共晶点的含碳量为 4.3%。而钢的含碳量一般小于 2.11%。钢中 F 较多，塑 性好。容易加工成型。 （7）当钢加热到 10001250，组织为单相奥氏体（A）,可锻性好，当温度在 800 以下是，会析出渗碳体，由于渗碳体脆而硬，不宜锻造。 17、 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17、 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