工程材料与热处理 第3章作业题参考答案

1、. 1. 置换固溶体中，被置换的溶剂原子哪里去了？ 答：溶质把溶剂原子置换后，溶剂原子重新加入晶体排列中，处于晶格的格点位置。 2. 间隙固溶体和间隙化合物在晶体结构与性能上的区别何在？举例说明之。 答：间隙固溶体是溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而形成的固溶体，间隙固溶体的晶体结构与溶剂组元的结构相同，形成间隙固溶体可以提高金属的强度和硬度，起到固溶强化的作用。如：铁素体F是碳在-Fe中的间隙固溶体，晶体结构与-Fe相同，为体心立方，碳的溶入使铁素体F强度高于纯铁。 间隙化合物的晶体结构与组元的结构不同，间隙化合物是由H、B、C、N等原子半径较小的非金属元素（以X表示）与过渡族金属元素（以M表示

2、）结合，且半径比r/rMX0.59时形成的晶体结构很复杂的化合物，如Fe3C间隙化合物硬而脆，塑性差。 3. 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？ （1） 形成二元匀晶相图的A与B两个相元的晶格类型可以不同，但是原子大小一定相等。 （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） 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不相同，故在平衡态下固溶体的成分是不均匀的。 答：（1）错：Cu-Ni合金形成匀晶相图，但两者的原子大小相差不大。 （2）对：在同

3、一温度下做温度线，分别与固相和液相线相交，过交点，做垂直线与成分线AB相交，可以看出与固相线交点处B含量高于另一点。 (3)错：虽然结晶出来成分不同，由于原子的扩散，平衡状态下固溶体的成分是均匀的。 4. 共析部分的Mg-Cu相图如图所示： 精选范本. Mg相存在？为什么？(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 中的固溶体）在Mg（为答: Mg-Mg2Cu系的相组成物如下图：Cu 中的固溶体，在（为Mg-Mg2Cu系的组织组成物如下图：CuMg） 精选范本. 以固溶体形式存在。Mg相存在，此时Mg在各区域中不会有纯 、400时各相的成分和重量百分比。500(2) 求出2

4、0%Cu合金冷却到b Cu 为wt%, 如右图所示: 相的成分为a 液相里含合金冷却到答: 20%Cu500时, 根据杠杆原理可知:wt%,a/ab*100%= OW=Ob/ab*100%, W 11L n wt%,相里含Cu 为冷却到同理: 400时，相的成分为m wt%, Mg2Cum/mn*100% W= O W=On/mn*100%, 22mg2Cu 合金自液相冷却到室温的曲线，并注明各阶段的相与相变过程。画出(3) 20%Cu 如右图所示各相变过程如下():答: 的固熔体相Mg,液相冷却至p点开始析出xp: 点结束点开始到的固熔体相从py: Mgpy 精选范本. yy: 剩余的液相y

5、开始发生共晶反应,L?+MgCu ,2 yq:随着T的降低, Cu在Mg的固熔体相的固溶度降低. , 5. 试分析比较纯金属、固溶体、共晶体三者在结晶过程和显微组织上的异同之处。 答：相同的是,三者都是由原子无序的液态转变成原子有序排列的固态晶体。不同的是， 纯金属和共晶体是恒温结晶，固溶体是变温结晶，纯金属和固溶体的结晶是由一个液相结晶出一个固相，而共晶体结晶是由一个液相同时结晶两个固相。纯金属和固溶体的显微组织是单一固相，而共晶体的显微组织是两个相的机械混合物。 6. 为什么亚共晶合金的共晶转变温度与共晶合金的共晶转变温度相同？ 答:共晶转变是一定液相成分在一定的温度下结晶出两个成分一定的

6、固相。因此，共晶转变的温度是一定的。虽然亚共晶合金和共晶合金的成分不相同，但亚共晶合金结晶先析出固溶相，使剩余液相的成分达到共晶合金的成分再发生共晶反应，所以亚共晶合金的共晶转变温度与共晶合金的共晶转变温度相同。 7. 根据下表所列要求，归纳比较固溶体、金属化合物及机械混合物的特点。 名称 种类 举例 晶格特点 相数 性能特点 固溶体 间隙固溶体 置换固溶体 铁素体，奥氏体 Cu(Ni),Ni(Cu)与溶剂晶格 类型相同 单相材料的强度硬度随固 溶强化增大金属化合物 正价化合物 电子化合物 间隙化合物Mg2Pb CuZn TiC,Fe3C晶格类型与组成化合物的各组元完全不同 单相熔点较高，性能

7、硬而 脆机械混合物 珠光体由两种不同晶体结构的相彼此机械混合组 成2 其性能与两相的性 能、大小和分布有关 8. 何谓金属的同素异晶转变？试以纯铁为例说明金属的同素异晶转变。 答：金属在固态下随温度的变化，由一种晶格变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异晶转变。 液态纯铁冷却到1538时，结晶成具有体心立方晶格的-Fe；继续冷到1394时发生同素异晶的转变，体心立方晶格-Fe转变为面心立方晶格-Fe；再继续冷却到912时，-Fe又转变为体心立方晶格的-Fe。纯铁变为固态后发生了两次同素异晶转变。 9. 何谓共晶转变和共析转变？以铁碳合金为例写出转变表达式。 答：共晶转变：在一定的温度下,一定成

8、分的液体同时结晶出两种一定成分的固相的反应。 L?A+FeC(共晶) 3共析转变:在一定温度下，由成分一定的固相同时析出两种成分一定且不相同的新固相的转变。 A?F+ FeC(共析) 3 C相图钢的部分，试分析45钢，T8钢，T12钢在极缓慢的冷却条件下的组织Fe-Fe 画出10.3转变过程，并绘出室温显微组织示意图。 答：Fe-FeC相图如下图所示 3 精选范本. (组织图参考右)（1）45钢为亚共析钢 组织转变过程如下： L+ LL+L+ + P +P+ Fe3C）（析出 组织图参考右)(2（）T8钢近似为共析钢 : 组织转变过程如下 P+L+L + Fe3CP（） 组织图参考右(T12）

9、3（为过共析钢) 精选范本. LL+Fe3C P + Fe3C 11. 为什么铸造合金常选用靠近共晶成分的合金，而压力加工合金则选用单相固溶体成分合金？ 答：铸造合金需要流动性能好，充型能力强，而接近共晶成分合金，凝固温度区间小，且结晶温度低，恰好满足这个特点；压力加工的合金需要塑性好组织均匀，变形抗力小，有好的伸长率，单相固溶体恰好满足这些要求。 C相图，确定下表中三种钢在指定温度下的显微组织名称。 Fe-Fe根据12. 3钢号 温度（） 显微组织 温度（） 显微组织 20 770 F+A 900 A T8 680 P 770 A T12 700 P+Fe3C 770 A+Fe3C 13.

10、某厂仓库中积压了许多碳钢（退火状态）由于钢材混杂不知其化学成分，现找出一根，经金相分析后发现组织为珠光体和铁素体，其中铁素体量占80%。问此钢材碳的含量大约是多少？是哪个钢号？ 答：由杠杆原理可知, 0.77?xF%? 0.77?0.0218 此钢材碳的含量大约0.17 wt%,与20钢接近 14. 有形状和大小一样的两块铁碳合金，一块是低碳钢，一块是白口铁。问用什么简便的方法可迅速将它们区分开来？ 答：最简单的办法就是用钢锉，挫一挫，白口铸铁由于碳以化合物形式大量存在，比较硬，挫不动，打滑，低碳钢碳化物少，比较软，一挫就掉末。(此方法可行) 15. 现有两种铁碳合金，在显微镜下观察其组织，并

11、以面积分数评定各组织的相对量。一种合金的珠光体占75%，铁素体占25%；另一种合金的显微组织中珠光体占92%，二次渗碳体占8%。这两种铁碳合金各属于哪一类合金？其碳的质量分数各为多少？ 答： 0.77?x?%F0218.0?77.0 ,此钢应为亚共析钢25%,75%珠光体占，铁素体占其碳的质量分数约为0.58 wt%. 精选范本. x?0.77?FeCII77.69?06.3 1.24 wt%., 其碳的质量分数约为珠光体占92%，二次渗碳体占8%,此钢应为过共析钢 、0.20% 现有形状尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们碳的质量分数分别为16. 。根据你所学过的知识，可有哪些方法来区

12、别它们？、3.5%0.40%、1.2% 钢。钢>20答：方法一：硬度测试。硬度值大小顺序是：白口铸铁>T12钢>45因为铁碳合金的硬度随含碳量的增加而升高；四种铁碳合金的含碳量是：白口铸铁（大于 。0.2%C）0.45%）>20钢（）2.11%C > T12钢（1.2%C）>45钢（ 方法二：分别制备四种材料的金相试样，在金相显微镜上进行显微组织观察。，且亚共析钢中随含碳量增加铁素体减少，珠光体增多；过共析钢）P亚共析钢组织为（F沿晶界呈网状分布；白口铸铁的组织中有莱FeC，且当C）Wc>0.9时，组织为（PFe33Fe3C45钢；组织中有P）而铁素体

13、少的为20钢、珠光体多的为氏体。所以，组织为（F T12钢，有莱氏体组织存在的是白口铸铁。沿晶界呈网状分布的>T12>45钢方法三：塑性测试（断后伸长率或者断面收缩率）。塑性值大小顺序是：20钢 >白口铸铁。钢 C相图解释下列现象：Fe-Fe 根据17.3 1000-1200；） 在进行热轧和锻造时，通常将钢加热到（1 钢铆钉一般用低碳钢制作；（2）65钢、60 绑扎物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物时却用钢丝绳（3） ；钢、70钢等制成） 的铸铁不能进行锻造；的碳钢能进行锻造，而W=4.0%=0.4%W时， 在1100（4）CC 的碳钢强度高；W=1.2%的碳钢

14、比=0.8%W） 在室温下（5CC ）下轧制有时会造成开裂；钢锭在正常温度（950-1100（6） 钢费力，锯条易钝；钢、20钢、T10钢等钢料比锯割10）（7 钳工锯割T8 答： ,易变形此区域为单相奥氏体(1) ,相对较软 低碳钢塑性较好(2) 钢等钢丝强度高 65钢、70钢、(3) 铁丝强度低,塑性好；60不此组织塑性极差,=4.0%在此温度下组织有高温莱氏体，其中含有共晶渗碳体,W 因为(4)C 故可进行锻造工艺,塑性好,能锻造, W=0.4%的碳钢,在此温度为单相奥氏体C钢的=1.2%和W=0.8% W但强度不一样,强度和组织有关，硬度随含(5) C量增加而增加,CC组织为珠光体和晶

15、界析出的二次渗碳体，两者组织中的含量不一样，二次渗碳体是 =0.8%多。W=1.2%钢中二次渗碳体比W一种脆性相，对强度影响很大，而CC，）能形成低熔点共晶体（FeS+Fe与(6) 因冶金质量不高，钢中存在硫，硫与铁生成FeS, FeSFe，低于钢材热加工的温度。因此，在热加工时，分布在晶界上的共985熔点仅为 晶体熔化导致钢的开裂，这种现象称为热脆。钢T10更耐磨，所以锯割, T8钢、钢和钢和(7) 高碳钢T8T10钢比低碳钢1020钢硬度高 20钢、钢费力，锯条易钝。等钢料比锯割10 钢的力学性能有何不同。钢和钢、试以钢的显微组织说明18. 2045T8 精选范本 . ，为低碳钢，在平衡状

16、态下，显微组织为铁素体和少量珠光体，钢含碳量约为0.2%答：20，为中碳钢，显微组织为铁素体和珠光0.45%钢含碳量约为所以硬度较低，强度也较低。45，显微组织主要0.8%体，强度和硬度比低碳钢高。前两者都是亚共析钢。T8钢含碳量约为 是珠光体，当然强度和硬度在三者中是最高的了。 下列说法是否正确？为什么？19. 钢的碳含量越高，质量越好；(1) 共析钢在727发生共析转变形成单相珠光体；(2) =4.3%的钢在1148发生共晶转变形成莱氏体；W(3) C (4) 钢的含碳量越高，其强度和塑性也越高； 答 不对, 钢的碳含量越高，硬度越大，跟质量越好没关系(1) 不对,珠光体是两相混合组织(2

17、) 发生共晶转变形成莱氏体 =4.3%的铁在1148, W 不对(3)C 钢的含碳量越高，其塑性越低，而强度随碳含量先增后降。不对(4) , 下列工件，由于管理的差错，造成钢材错用，问使用过程中会出现哪些问题？20. 钢制造齿轮；(1) 把Q235-A当做45 (2) 把30钢当做T13钢制成锉刀； (3) 把20钢当做60钢制成弹簧； : 答 易变形和断裂使用过程会遇到强度不够,Q235为低碳钢,45钢为中碳钢, (1) ,易磨损30钢为中碳钢，T13钢为工具钢，使用过程会遇到硬度不够 (2) 易塑性变形和断裂钢为低碳钢，60钢为高碳钢，使用过程会遇到强度和弹性不够,(3) 20 ；）选择下

18、列工件所采用的材T12；65；21. 根据括号内提供的钢号（08F；20T8； 料：冷冲压件；螺钉；齿轮；小弹簧；锉刀。 。45答: 冷冲压件08F；螺钉20；齿轮；小弹簧65；锉刀T12 是相还是组织?和、次生相?共晶体()+什么是组织22. 什么是相?晶体结构相同并有界面与其他部分分开的在金属或者合金中，凡是化学成分相同、答：晶粒形状、大小及分布形态等相对数量、均匀组成部分叫做相。组织是由于组成相的种类、 次生相(是组织。+)、和的不同，而分别具有不同形貌特征的相的组合物。共晶体 23. 什么是固溶强化?引起固溶强化的原因是什么? 答: 通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称

19、为固溶强化。原因是溶质原子尺寸与溶剂原子不同,溶质原子的溶入造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。 24. 固溶体和金属化合物的晶体结构有何不同特点?两者的性能各有何特点? 固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，而金属化合物的晶体结构与组成它的组元都不同，通常较复杂。固溶体的力学性能高于纯金属，这是由于溶质的“固溶强化效应”所致。金属化合物通常硬度高，熔点高，脆性大。 精选范本 . ?指出相图中的液相线与固相线的金属学意义?25. 什么叫合金相图成分下的各相的关系叫下,不同温度、答:合金系在平衡条件下(即缓慢加热或者冷却条件)液相线和固相线表

20、示合金系在平衡状态下冷却时结晶始点和终点以及加热时合金相图。 熔化的终点和始点。 并写出它们的反应式.26. 何谓共晶转变,包晶转变和共析转变?试比较这三种转变的异同点,同时结晶出成分一定且不相同在一定温度下， 答：共晶反应：指一定成分的液体合金，tc?的两种固相的反应。?L ecd形成另一种成分一定的固相反应。包晶反应：指一定成分的固相与一定成分的液相作用，td?L? dce共析反应：指一定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个成分一定且不tc?相同新固相反应。? edc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

21、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。 、NSEPSK、G、及ECF、C相图（左上角可略）指出图中SC、EP、Fe-Fe27. 画出3 。、各点线的意义，并标出各区域的相组成物和组织组成物（相组成物加、PQ表示）GS -FeN:中的最大溶解度 C:S:共析点 共晶点 E:碳在-Fe中的最大溶解度P：碳在-Fe共晶ECF： -Fe转变为 -Fe的同素异构转变点 的同素异构转变点。转变为-FeG: ：碳在-Fe中的溶解度曲线。 PSK线 ：共析线SE 精选范本 . 何谓碳素钢？何谓白口铁？两者的成分，组织和

22、力学性能有何差别？28. 6.69%的铁碳合金，白口铁是含碳量高于答：碳素钢是指含碳量低于2.11%，低于2.11%存在，断口呈白色。两者的碳含的铁碳合金，是常说的生铁，其中碳与铁化合以Fe3C，碳素钢的综合机械性能较好，被广泛使用在工农业生产量不同，组织不同（见上图）中。白口铁硬度高、脆性大、耐磨性好，铸造性能优良，但不能切削加工，不能锻造， 主要用于要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件。 一次渗碳体、二次渗碳体、）（2 29.试回答下列名词的主要区别：（1）莱氏体与低温莱氏体； -Fe。4三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体；（3）铁素体与-Fe；（）奥氏体与 Le是由奥氏体和渗碳体组成的共晶混合物（1）莱氏体Le： C)低温莱氏体Le'(P+FeC是树枝状的珠光体分布在共晶渗碳体的基体上+Fe 33C中析出的Fe（2）一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体； 二次渗碳体：从A3称为三次渗碳体；共晶渗碳体：经中析出的Fe称为二次渗碳体；三次渗碳体：从FC3共晶反应形