金属材料及热处理 第2版 习题及答案 王晓丽

《金属材料及热处理》课后思考题参考答案项目1金属材料的性能与检测1.说明以下符号的名称、单位和意义:σe、Re、Rm、S、E、A、Z、HBW、HRC、HV。符号名称单位意义σe弹性极限MPa材料产生弹性变形所承受的最大应力值。Re屈服强度MPa材料开始发生塑性变形的最低应力，衡量抵抗塑性变形能力Rm抗拉强度MPa拉伸试验最大载荷对应的应力，表征材料抵抗断裂的极限能力，也是材料的断裂抗力(断裂强度)指标。S疲劳强度MPa是材料承受无限次交变载荷不发生断裂的最大应力，用于评价动载荷下零件抵抗疲劳破坏的能力，是轴类、齿轮等回转零件设计的重要依据。E弹性模量MPa指的是在应力-应变曲线上完全弹性变形阶段中应力与应变的比值。是表示材料抵抗弹性变形能力和衡量材料“刚度”的指标。A断后伸长率%拉伸断裂后标距伸长量与原始标距比值，表征塑性好坏Z断面收缩率%断裂处横截面积缩减比例，塑性指标，可靠性高于AHBW布氏硬度无单位硬质合金球压入，测压痕面积，适合铸铁、非鉄合金、退火及调质软钢，不适宜测量成品或薄片金属的硬度HRC用C标尺测定的洛氏硬度值无单位120°金刚石圆锥体作压头，分两级试验力压人试样表面，测量压痕深度，适合淬火回火钢、高硬度刀具、轴承HV维氏硬度无单位用C标尺测定的洛氏硬度值金刚石正四棱锥压头，可测薄试样、表层硬度、渗碳氮化层2.在机械零件设计时，选取Re还是选取Rm，应以什么情况为依据?答：（1）绝大多数承受静载荷、不允许发生永久变形的机械零件，按屈服强度Re选材，以屈服作为失效判据，保证使用中不产生塑性变形；并加上适当的安全系数，保证工作应力远低于Re。但由于抗拉强度Rm测定较方便，而且数据也较准确，所以设计零件时有时也可以直接采用抗拉强度Rm，但需使用较大的安全系数。（2）对于脆性材料（铸铁、高硬度淬火工具钢），无明显屈服现象，无法用Re，只能以抗拉强度Rm作为强度设计依据，防止断裂失效。3.在测定屈服强度指标时，Re和Rr0.2有什么不同?答：Re：上/下屈服强度，仅适用于低碳钢等有明显屈服平台的塑性材料，拉伸曲线上载荷下降出现屈服台阶直接读取；Rr0.2：规定残余延伸强度，针对无明显屈服现象的高碳钢、合金钢、有色金属等，拉伸曲线平滑过渡，找不到屈服点。人为规定残余塑性变形0.2%时对应的应力作为等效屈服强度；即：有屈服台阶用Re，无屈服台阶用Rr0.2替代屈服强度。4.设计刚度好的零件，应根据何种指标选择材料?采用何种材料为宜?答：（1）选材依据：以弹性模量E为主要指标，E越大，相同截面、载荷下变形越小，刚度越高；轻量化设计补充比刚度E/ρ；（2）适宜材料：一般机床床身、箱体：灰铸铁（减振好、易铸造成复杂刚性结构）；重载传动受力零件（轴、支架、立柱）：碳钢或合金钢（弹性模量最高，刚性最优）5.常用的测量硬度方法有几种?其应用范围如何?答：（1）布氏硬度HBW压头：硬质合金球；压痕大。适用：硬度较低的材料——退火正火钢材、灰铸铁、铜铝等有色金属、毛坯锻件。不适用：淬火硬钢、薄工件。（2）洛氏硬度HRC（最常用）压头：120°金刚石圆锥；压痕小。适用：淬火钢、回火结构钢、刀具、模具、轴承等高硬度工件；可测成品小件。（3）维氏硬度HV压头：金刚石四棱锥体，载荷可极小。适用：薄片金属、表面淬火层、渗碳/渗氮薄层、镀层、小件硬度精确测量，硬度全域通用。6.反映材料受冲击载荷的性能指标是什么?不同条件下测得的这种指标能否比较?答：（1）反映材料抵抗冲击载荷能力的指标是冲击韧度，符号αK，单位：J/cm2。通过夏比冲击试验测定，数值越大，材料抗冲击、抗脆断能力越好。（2）不同测试条件下结果不能直接对比原因：①试样缺口形式不同（V型缺口、U型缺口），测出冲击值差异很大；②试验温度影响显著，低温下材料易冷脆，αK急剧下降；③试样尺寸、冲击试验机型号、加工粗糙度都会影响数据。结论：只有试样规格、缺口类型、试验温度完全一致时，冲击韧度数值才能相互比较。7.疲劳破坏是怎样形成的?提高零件疲劳寿命的方法有哪些?答：（1）疲劳断裂形成三阶段①交变循环应力长期作用，零件应力集中处（圆角、划痕、键槽、裂纹）产生微观疲劳裂纹；②裂纹在循环载荷下不断向内扩展，有效承载截面持续减小；③剩余截面不足以承受载荷，发生瞬时脆性断裂，断口分为疲劳扩展区与瞬时断裂区。（2）提高疲劳寿命方法结构设计：避免尖角、截面突变，加大过渡圆角，减少应力集中；表面强化：表面淬火、渗碳、滚压、喷丸，引入表层压应力抑制裂纹萌生；加工工艺：降低表面粗糙度，避免刀痕、划伤、磕碰缺陷；材料与热处理：细化晶粒，减少内部夹杂、气孔、疏松等冶金缺陷；合理调质获得均匀组织。8.绘制低碳钢应力-应变曲线，并描述低碳钢应力应变曲线上的几个变形阶段。答：四个阶段（从原点开始）①弹性变形阶段：应力与应变成正比，符合胡克定律，卸载后完全恢复原状，斜率为弹性模量E；②屈服阶段：应力基本不变，应变持续大幅增加，出现屈服平台，下屈服点对应(Re)，产生不可逆塑性变形；③强化阶段（加工硬化阶段）：材料塑性变形后强度升高，应力继续上升直至最高点(Rm)（抗拉强度），工件整体均匀伸长、变细；④颈缩与断裂阶段：超过Rm后试样局部急剧收缩形成颈缩，承载能力快速下降，最终断裂。项目2非铁金属材料不同铝合金可通过哪些途径达到强化目的?答：（1）铝合金的强化途径：①固溶强化：加入Cu、Mg、Si、Zn等合金元素形成铝基固溶体，晶格畸变阻碍位错运动，提升强度；②时效强化（热处理强化）：可热处理强化铝合金经固溶淬火得到过饱和铝基固溶体，自然/人工时效析出弥散强化相，大幅提升强度硬度；③铝合金回归处理：将已经时效强化的铝合金，重新加热到200~270℃之间，经短时间保温，然后在水中急冷，使合金恢复到淬火状态的处理。经回归处理后合金与新淬火的合金一样，仍能进行正常的自然时效。④过剩相强化：合金元素超出极限溶解度，形成硬而脆金属间化合物（过剩相）弥散分布，阻碍位错运动，使合金强化；多用于铸造、耐热铝合金；⑤细化组织强化：变质处理、细化晶粒/过剩相，细晶提升强度与韧性；⑥加工硬化：冷塑性变形产生大量位错，进一步提高变形铝合金强度。（2）变形铝合金：固溶处理+时效强化（淬火时效）、冷变形加工（加工硬化）、晶粒细化强化；铸造铝合金：变质处理、细化晶粒、固溶时效热处理；通用：杂质/合金元素固溶强化、弥散第二相颗粒强化。何谓硅铝明?它属于哪一类铝合金?为什么硅铝明具有良好的铸造性能?在变质处理前后其组织及性能有何变化?这类铝合金主要用在何处?答：（1）硅铝明：铝硅系铸造合金，以Si为主要合金元素，硅含量11%～13%左右；（2）属于铸造铝合金。（2）铸造性能好原因：Al-Si合金成分接近共晶点，熔点低、流动性极好、收缩小，不易产生缩孔、裂纹，充型能力强。（3）变质处理对比变质前：粗大针状针状、板状初生硅相，脆性大，合金塑性极低，力学性能差，易断裂；变质后：硅相细化为粒状、短杆状，割裂基体作用消失，塑性、韧性显著提升，强度提高。（4）硅铝明主要应用：内燃机活塞、气缸体、缸盖、水泵壳体等形状复杂、气密性要求高的压铸件/砂铸件。铜合金的性能有何特点?铜合金在工业上的主要用途是什么?答：（1）性能特点①优良导电、导热性；②塑性极佳，冷热易压力加工；③耐大气、海水腐蚀能力强；④部分铜合金具备减摩耐磨、抗疲劳、弹性好特性。（2）主要用途纯铜：电线电缆、导电元件、散热器、化工换热设备；黄铜：管路、紧固件、船舶零件、弹壳、水暖件；青铜：耐磨轴套、齿轮、弹性元件、耐蚀化工配件；白铜：海水冷凝器、精密仪表、医疗器械。何谓粉末冶金?答：以金属（或金属+非金属）粉末为原料，经压制成形、高温烧结，制造金属制品或材料的工艺技术，属于少无切削加工工艺。可制备熔炼法无法生产的特殊性能材料。简述粉末冶金工业过程。答：四道核心工序：①粉料制备：制取金属粉末，按配比混合均匀；②压制成型：混料装入模具加压，得到固定形状、密度的生坯；③烧结：高温焙烧，粉末颗粒扩散焊合，孔隙减少，获得稳定力学性能；④后处理：按需整形、浸油、蒸汽处理、硫化等，提升精度、耐磨性、防锈性。钛合金分为哪三类?性能上各有什么特点?答：（1）α钛合金（TA）：组织全为α相；高温热稳定性、抗氧化、焊接、低温韧性好；只能退火软化，不可热处理强化；长期500℃下使用，适合低温容器、航空耐热构件。（2）β钛合金（TB）：室温稳定β相；冷成形性极佳，淬火+时效后强度极高；缺点：耐热差、组织性能不稳定、成本高；多用于高强度薄板、复杂紧固件。（3）α+β钛合金（TC，代表TC4）：两相共存，兼具前两者优点；塑性、热强性、耐海水腐蚀优良，可淬火时效强化；400℃长期工作，综合性能最优，应用最广，用于发动机叶片、舰船、锻件。镁合金分为哪几类?性能上各有什么特点?答：（1）铸造镁合金：铸造流动性好，易铸造成复杂壳体，减振、减重优势突出，强度一般；用于变速箱壳体、笔记本外壳、轮毂。（2）变形镁合金：经挤压、锻造、轧制加工，强度、塑性、致密度高于同成分铸造镁合金，可冲压折弯；用于板材、型材、结构受力件。（3）稀土镁合金：加入稀土元素，耐热性、抗蠕变、耐腐蚀性显著提升，高温性能优良；汽车动力部件、航空高温轻量零件。项目3非金属材料一、名词解释高分子材料：又称高聚物，是以高分子化合物为主要组分的材料；按力学性能与使用状态可分为橡胶、塑料、合成纤维、胶黏剂、涂料五类，分子以共价键结合，密度低、绝缘性好、耐腐蚀，但耐热性较差。机械工程中是三大非金属基础材料之一。塑料：以有机合成树脂为基础，搭配填充剂、增塑剂、稳定剂等助剂制成的高分子材料，可在加热加压条件下塑造成型；分为产量大、价格低的通用塑料，以及力学、耐热性能优良、可作结构件的工程塑料。复合材料：由两种及两种以上不同性质的材料复合而成的多相固体材料；既保留各组元原有特性，又产生单一材料不具备的新综合性能，一般由基体相和增强相构成，可人为设计组分、结构以适配复杂工况。二、简答题1.简述作为工程材料的聚合物材料的优缺点(与金属材料比较)。答：（1）优点①密度极低，多数密度1.0~2.0g/cm³，聚丙烯仅0.91g/cm³，比强度高，部分工程塑料比强度优于钢材；②绝缘性能优异，无自由电子，电、热、声绝缘效果好；③化学稳定性强，耐酸碱、水、各类无机腐蚀介质，聚四氟乙烯可耐王水；④摩擦系数低，自带自润滑特性，适合制作耐磨传动件；⑤成型工艺简单，可批量制作复杂外形零件，减振、消声性能好。（2）缺点①耐热性差，高温易软化变形，长期使用温度远低于金属；②整体强度、刚度、硬度低于金属，承载能力有限；③易老化，受光、热、氧气作用后性能快速下降；④热膨胀系数大，尺寸稳定性差，易蠕变；⑤低温易脆化，低温冲击韧性大幅降低。2.常用的塑料成型工艺有哪几种?答：共三种核心成型工艺：（1）挤出成型：熔融塑料经螺杆加压，通过固定截面口模连续挤出，生产管材、线缆外皮、型材，效率高、适配性强，占热塑性制品40%~50%；（2）吹塑成型：将熔融型坯放入模具，通入压缩空气吹胀贴合模腔，冷却后得到中空制品（塑料瓶、油箱等）；（3）注射成型：熔融塑料高速注入低温模具冷却定型，生产周期短，可制造各类复杂精密塑料零件。3.天然橡胶和合成橡胶各有何特性?应用上有何区别?答：（1）天然橡胶（NR）特性：弹性极高、抗撕裂、加工性能好、易与其他材料共混、耐磨；缺点：耐油/耐溶剂差、易老化，无法长期在100℃以上高温使用。应用：优先制造汽车、工程机械轮胎，各类通用减振、密封橡胶制品。（2）合成橡胶特性：种类多，性能针对性强：丁苯耐磨耐老化；丁腈耐油；硅橡胶耐高低温；乙丙橡胶耐臭氧绝缘；但多数合成橡胶生胶强度、综合弹性不如天然橡胶，部分加工性差。应用：按工况专用：丁腈做耐油油管、密封垫圈；硅橡胶制作高低温密封件、绝缘件；丁基橡胶做轮胎内胎；氯丁橡胶做耐蚀胶管、胶黏剂；弥补天然橡胶耐油、耐温、耐老化短板。4.陶瓷性能的主要缺点是什么?分析其原因，并指出改进的方法。答：（1）主要缺点常温下脆性极大、几乎无塑性，受冲击易断裂；韧性差，抗裂纹扩展能力弱；部分陶瓷存在气孔，降低强度；加工难度大。（2）产生原因陶瓷以离子键、共价键结合，原子间结合力极强，但无自由位错可滑移；外力作用下无法通过塑性变形分散应力，应力集中后直接发生脆性断裂；内部存在气孔、晶界、微裂纹等缺陷，会加速裂纹扩展。（3）改进方法①晶粒纳米超细化，高温下可实现陶瓷超塑性；②纤维/金属颗粒增韧（如碳纤维、金属纤维复合陶瓷），阻止裂纹延伸；③优化烧结工艺，减少内部气孔，提升致密度；④采用颗粒弥散复合、层状复合结构，提高韧性。5.复合材料的基本性能(优点)是什么?请简答6个要点。答：（1）比强度、比刚度极高：增强纤维密度小、强度模量高，远优于钢、铝合金等传统金属；（2）抗疲劳性能好，减振能力强，疲劳寿命优于金属材料；（3）高温性能优良，增强纤维高温下仍能保持高强度与弹性模量，抗蠕变；（4）耐磨、耐腐蚀性优异，适配化工、航空腐蚀、摩擦工况；（5）断裂安全性高：纤维分散承载，局部纤维断裂后应力重新分配，不会瞬间整体失效；（6）可设计性强：自由搭配基体、增强相，调整纤维含量、排布方向，按需定制材料性能。6.试分析复合材料的应用及发展。答：（1）应用领域①航空航天：碳纤维树脂复合材料制造飞行器机身、火箭壳体、卫星构件；硼纤维、碳纤维金属复合材料用于高温航空发动机部件；玻璃钢制作轻量化机身辅件；②交通运输：玻璃钢汽车壳体、轮胎增强材料、轻量化轨道交通构件；碳纤维轻量化新能源汽车底盘、车身；③机械化工：耐磨传动件、耐腐蚀化工储罐、管道、密封件；金属陶瓷刀具、高温耐磨模具；④电气电子：绝缘玻璃钢、碳纤维印制电路板、磁性功能复合材料、轻量化电气外壳；⑤民生与医疗：玻璃钢卫浴、船体；碳纤维假肢、医用耐蚀复合材料；⑥国防军工：耐高温防热复合材料、雷达透波材料、武器轻量化结构件。（2）发展方向高性能化：开发更高强度、耐高温、耐极端环境的碳纤维、陶瓷基复合材料，适配超音速飞行器、核工业高温设备；低成本化：改良成型工艺、低成本增强纤维（再生玻纤、低成本碳纤），降低成本拓展民用市场；多功能一体化：发展功能复合材料，同时具备结构承载、导电、吸波、隔热、抗菌等多重功能；梯度功能复合材料：解决金属-陶瓷界面热应力问题，用于航天耐热构件、核能设备；绿色可降解复合材料：生物基树脂、植物纤维复合材料，减少塑料污染；智能化复合：复合传感、自修复纤维，开发智能复合材料，用于结构健康监测、自适应构件；金属基、陶瓷基复合材料普及：弥补树脂基耐热不足，拓展高温、重载工业场景应用。项目4金属的结构分析1.什么是晶体，什么是非晶体?简述二者在结构与性能上的差别。答：（1）定义晶体：原子在空间呈周期性规则排列（长程有序排列）的固体，绝大多数固态金属、金刚石、石墨属于晶体。非晶体：原子排列无周期性规则，仅存在近程有序，玻璃、沥青、金属玻璃属于非晶体。（2）结构差别晶体：原子长程有序，周期性重复排列；有规则外形；非晶体：仅近邻原子排列有序，长程无序。（3）性能差别晶体：有固定熔点；导热导电，不同方向性能不同（各向异性）；可发生塑性变形；非晶体：无固定熔点（仅存在软化温度区间）；各方向性能一致（各向同性）；塑性极差、硬度高脆性大。2.常见的金属晶格类型有哪些?Fe、Cu、Al、Ni、Pb、W、Mo、V、Ti、Zn、Mg等各属于哪种晶体结构?答：（1）三大典型晶格体心立方晶格（BCC）面心立方晶格（FCC）密排六方晶格（HCP）（2）金属对应分类体心立方晶格（BCC）：α-Fe（＜912℃）、W、Mo、V面心立方晶格（FCC）：γ-Fe（912～1394℃）、Cu、Al、Ni、Pb密排六方晶格（HCP）：Ti、Zn、Mg3.列举常见的点缺陷、线缺陷、面缺陷?答：（1）点缺陷（三维尺寸均为原子级）：空位、间隙原子、置换原子（2）线缺陷（一维延伸）：各类位错（刃型位错、螺型位错、混合位错）（3）面缺陷（二维延展）：晶界、亚晶界、相界、堆垛层错、外表面4.螺型位错和刃型位错各有什么重要特征?答：（1）刃型位错①存在多余半原子面；②畸变管道同时存在正应力、切应力；③位错线与滑移方向垂直，位错运动方向垂直于自身位错线；④分正、负刃型位错，间隙/置换原子易向位错区聚集钉扎位错。（2）螺型位错①无多余半原子面；②畸变管道仅存在切应力，无正应力，应力场轴对称；③位错线与滑移方向平行，运动方向垂直自身位错线；④原子绕位错线呈螺旋排列，分左、右螺型位错。5.柏氏矢量与刃型位错和螺型位错有什么关系?答：（1）刃型位错：柏氏矢量垂直于位错线；（2）螺型位错：柏氏矢量平行于位错线；（3）柏氏矢量是表征位错滑移、畸变大小的核心物理量，所有位错的滑移方向均由柏氏矢量决定。6.什么是固溶体?什么是金属化合物?它们的结构特点和性能特点各是什么?答：（1）固溶体定义：溶质原子溶入溶剂晶格，保留溶剂原有晶格的合金固相，分置换、间隙固溶体。结构特点：晶格类型与溶剂完全一致，仅局部因异类原子产生晶格畸变。性能特点：塑性、韧性良好；溶质溶入产生固溶强化，强度、硬度随溶质含量升高而提升。（2）金属化合物（中间相）定义：组元间发生化学作用形成新晶格类型的固相，具备金属特性（如Fe₃C渗碳体）。结构：晶格类型与任一纯组元均不相同，结构复杂。性能：熔点高、硬度极高；塑性、韧性极差，脆性大；可作为强化相提升合金硬度、耐磨性，但会降低塑性。7.什么是合金?与纯金属比较合金有哪些优点?答：（1）合金定义由两种或两种以上金属元素（或金属+非金属）经熔炼、烧结等方法结合而成的具有金属特性的物质。（2）合金优点·强度、硬度远高于纯金属；·可调控耐磨性、耐蚀性、耐热性，获得磁性、导电性、热膨胀性等特殊理化性能；·铸造、锻造、热处理工艺性能更优良；·成本更低，可通过配比大幅降低贵重金属用量。8.纯铁的三个同素异构体各叫什么名称?晶体结构是什么?答：（1）δ-Fe（高温δ铁）：体心立方晶格（BCC），1394～1538℃稳定存在；（2）γ-Fe（奥氏体γ铁）：面心立方晶格（FCC），912～1394℃稳定存在；（3）α-Fe（铁素体α铁）：体心立方晶格（BCC），室温～912℃稳定存在。项目5金属的结晶过程与控制1、简述纯金属的结晶过程?与纯金属相比，固溶体合金结晶有何特点?答：（1）纯金属结晶过程结晶分为孕育期、形核、晶核长大三个阶段，恒温结晶，液固成分始终相同。液态金属温度降到理论结晶温度以下，产生过冷，依靠结构起伏、能量起伏形成临界尺寸晶胚（晶核）；形核：晶核不断产生；晶核长大，晶核自由生长、相互碰撞接触形成晶界，直至全部液态转变为固态多晶体。固溶体合金结晶特点①在一个温度区间结晶，无恒温平台，存在液相L+固相α两相共存区；②结晶过程中液相、固相成分持续变化（液相沿液相线、固相沿固相线改变）；③实际冷却易产生枝晶偏析，成分不均匀；④结晶结束后需扩散均匀化，平衡组织为单相固溶体。2.液态金属结晶时，为什么必须过冷?答：热力学条件：等温等压下物质自发向吉布斯自由能更低的状态转变。结晶本质是液态转变为固态，需要系统自由能降低作为相变驱动力。理论结晶温度Tm时，液相自由能(GL)=固相自由能(GS)，结晶无驱动力，相变无法自发进行；只有实际温度低于理论结晶温度（产生过冷），固态自由能低于液态，才有足够能量差驱动形核与晶体长大，因此必须过冷。3.什么叫过冷现象、过冷度?过冷度与冷却速度有何关系?对结晶后的晶粒大小有何影响?答：（1）过冷现象：液态金属冷却至理论结晶温度（熔点）时仍不结晶，需继续降温才开始凝固结晶的现象。（2）过冷度ΔT：理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn的差值，ΔT=Tm-Tn。（3）过冷度与冷却速度关系：冷却速度越快，过冷度越大；冷却越慢，过冷度越小。（4）对晶粒大小影响：冷却速度大→过冷度大→形核率提升幅度远大于晶核长大速率→晶粒细小；冷却速度小→过冷度小→晶核少、晶粒易长大→晶粒粗大。4、金属晶粒大小对力学性能有何影响?控制金属晶粒大小的方法有哪些?答：（1）晶粒大小对性能影响晶粒越细小，金属强度、硬度越高（细晶强化），同时塑性、韧性越好；粗晶材料强度偏低、塑性韧性差，易断裂。（2）控制晶粒大小方法增大冷却速度，增大过冷度：采用金属铸型、降低浇注温度，加快冷却；；变质处理：向液态加入孕育剂/形核剂，增加非均匀形核核心；振动/搅拌：机械振动、电磁、超声搅拌，打碎枝晶，增加晶核数量；固态通过压力加工+再结晶退火细化晶粒。5.为了得到发达的柱状晶应采取哪些措施?为了得到发达的等轴晶应采取哪些措施?其基本原理是什么?答：（1）获得发达柱状晶措施：提高浇注温度、采用导热性强铸型、减小冷却速度、避免液态金属搅拌振动、减少杂质形核质点。原理：形成单向定向散热，热量仅向模壁传导；垂直模壁方向散热最快，该方向晶粒优先快速长大，侧向生长被抑制，形成粗大柱状晶。（2）获得发达等轴晶措施：降低浇注温度、降低冷却速度、变质处理、浇注时搅拌/振动、铸型缓慢冷却减慢定向散热。原理：①增加大量外来晶核；②打碎枝晶形成新晶核；③消除单向温度梯度，熔体各方向过冷均匀，晶粒各向均匀生长，形成等轴晶。6.金属铸锭组织通常由哪几个晶区组成?各晶区有何特点?答：铸锭宏观三层晶区：表层细晶区、中间柱状晶区、中心等轴晶区（1）表层细晶区：模壁强冷却，过冷度极大，大量晶核同时生成；晶粒细小、等轴，组织致密，厚度薄。（2）中间柱状晶区：单向散热，晶粒垂直模壁定向生长，晶粒粗大呈长条状；晶界杂质富集，存在薄弱界面，力学性能有方向性。（3）中心等轴晶区：中心熔体温度均匀，碎枝晶、杂质作为晶核；晶粒粗大、等轴，性能无方向性，枝晶发达，内部显微缩孔、疏松较多，但热加工易焊合。7.什么是合金相图?简述合金相图的建立方法。答：（1）合金相图定义在平衡条件下，表示合金系中温度、成分、相组成三者之间关系的图形，又称平衡相图，是分析合金结晶、热处理相变的工具。（2）建立方法（热分析法为主）①配制一系列不同成分的合金试样；②分别测定各合金缓慢冷却的冷却曲线（温度—时间曲线），确定结晶开始、结束临界点；③找出曲线上的结晶开始、结晶终了的临界点温度；④以成分为横坐标、温度为纵坐标，把所有临界点标注在坐标系中；⑤连接相同意义临界点，划分出液相区、固相区、两相区，得到完整二元合金相图。8.A-B二元匀晶合金相图如图5-35所示。应用杠杆定律计算，当wg=40%的合金冷却到1000°时，结晶出了多少固相(相对量)?剩余多少液相(相对量)?答：杠杆定律：两相区中，相的质量分数=线段长度/两相总线段长度设：1000℃水平线交液相线成分(wB(L)=30)，交固相线成分(wB(α)=60)液相质量分数：固相质量分数：9.试述含碳量对碳素钢组织和性能有何影响。答：（1）对组织影响碳是钢中主要强化元素，随含碳量上升：室温组织：铁素体（F）减少，珠光体（P）增多；碳超过0.77%出现网状二次渗碳体；碳＞2.111%进入铸铁范畴，出现莱氏体。（2）对力学性能影响强度、硬度：随碳含量升高持续上升，渗碳体起强化作用；碳过高后网状渗碳体割裂基体，强度下降；塑性、韧性：随碳含量升高持续降低，钢材变脆；工艺性能：低碳钢塑性好，易冲压、焊接；高碳钢硬度高，切削、焊接性能变差。10.工业用铁碳合金是怎样进行分类的?试根据Fe-Fe3C相图来说明。答：以含碳量wC=2.11%、wC=0.0218%为分界，分为三大类：（1）工业纯铁：(wC＜0.0218%)室温组织几乎全为铁素体，塑性极好、强度低，多用于电工软磁材料。（2）碳素钢：(0.0218%＜wC＜2.11%)亚共析钢：(0.0218%＜wC＜0.77%)，组织F+P；共析钢：(wC=0.77%)，组织全珠光体P；过共析钢：(0.77%＜wC＜2.11%)，组织P+网状Fe3CⅡ。（3）白口铸铁：(2.11%＜wC＜6.69%)共晶反应生成莱氏体，大量渗碳体，硬而脆，无法塑性加工，用于耐磨铸件。亚共晶白口铸铁：(wC=2.11%～4.3%)，组织P+Ld'+Fe3CⅡ；共晶白口铸铁：(wC=4.3%)，组织低温莱氏体Ld'；过共晶白口铸铁：(wC=4.3%～6.69%)，组织Ld'+粗大一次渗碳体。（4）纯渗碳体（wC=6.69%）为金属化合物，极硬极脆，无实用工程价值。简单总结分界：＜2.11%为钢；2.11%～6.69%为白口铸铁；6.69%为渗碳体。项目6金属的塑性变形认知一、名词解释滑移：切应力作用下，晶体的一部分原子沿原子密排晶面（滑移面）、密排晶向（滑移方向）相对另一部分发生均匀平移滑动的塑性变形方式；本质是位错在滑移面上的运动，变形后晶体点阵类型不变，表面会形成滑移带、滑移线。李生：切应力作用下，晶体局部区域沿特定孪生面、孪生方向发生均匀切变，变形区原子切变量与距孪生面距离成正比（非原子间距整数倍）；变形部分与基体呈镜面对称孪晶，滑移受阻时才发生，可改变晶体取向辅助滑移提升塑性。固溶强化：溶质原子溶入溶剂基体形成单相固溶体，溶质原子阻碍位错运动，使合金强度、硬度上升，塑性、韧性下降的强化机制。加工硬化；（形变强化）金属冷塑性变形时，随变形量增加，位错密度大幅升高、位错相互交割缠结，金属强度、硬度提高，塑性、韧性持续下降的现象。回复：冷变形金属加热至再结晶温度以下，光学显微组织无明显变化，仅空位、位错发生迁移运动，消除大部分第一类宏观残余应力，强度小幅下降、塑性略有提升，加工硬化基本保留的热处理阶段。再结晶：冷变形金属加热至再结晶温度以上，变形纤维组织中形核、长大出无畸变等轴新晶粒，位错密度急剧降低，加工硬化完全消除，材料恢复变形前塑性韧性的过程；晶格类型、成分不发生改变，不属于相变。晶粒长大：再结晶完成后，继续升温或延长保温时间，细小等轴晶粒通过晶界迁移相互吞并、尺寸持续增大的过程；分为均匀正常长大与异常二次再结晶。再结晶温度：经70%以上重度冷变形的金属，保温1h可完成95%以上再结晶转变的最低加热温度；并非固定常数，满足经验公式\(T再≈δTm\)（热力学温度），工业纯金属δ=0.35~0.4。二、简答题1.什么是滑移与孪生?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?答：（1）滑移、孪生定义-滑移：晶体沿密排滑移面、滑移方向，通过位错运动产生原子平移的塑性变形，是金属最主要变形方式，变形量更大。-孪生：晶体局部发生均匀切变形成镜面对称孪晶，变形贡献小，仅滑移难以进行时作为辅助变形方式。（2）锌、镁（密排六方金属）易出现孪晶密排六方晶体对称性低，滑移系数量极少，大部分晶体取向下滑移临界分切应力很高，滑移难以启动；外力作用下优先通过孪生变形，且孪生可改变晶粒取向，激活新滑移系，因此极易观察到孪晶。（3）纯铜（面心立方金属）易产生滑移带铜为面心立方结构，对称性高，滑移系数量多，滑移临界分切应力低，常温下塑性变形几乎全部依靠滑移完成；变形后抛光表面会形成大量平行滑移线组成的滑移带，几乎不发生孪生，仅极低温下才会出现孪晶。2.试根据纯金属及合金塑性变形的特点，说明有哪些强化金属性能的方式。答：（1）细晶强化多晶体中晶界阻碍位错滑移，晶粒越细、晶界越多，强度越高；同时细晶可同步提升塑性韧性，是唯一强塑韧同步提升的强化手段。（2）固溶强化单相固溶体中溶质原子钉扎位错、增大滑移阻力，提升合金强度硬度。（3）加工硬化（形变强化）冷塑性变形大幅提升位错密度，阻碍位错运动，适用于不可热处理强化的铝、铜等金属。（4）第二相强化（弥散/沉淀强化）多相合金中弥散细小硬脆第二相粒子阻碍位错运动；分两类：-片状/粒状第二相：珠光体细片间距提升强度；-弥散析出粒子：均匀分布的析出相大幅提高变形抗力。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。答：（1）初期省力：铁丝未发生大量变形，位错密度低，滑移阻力小，塑性变形容易进行。（2）逐渐费劲（加工硬化）：反复弯折属于冷塑性变形，变形量持续增加，内部位错大量增殖、缠结交割，位错运动阻力急剧上升，金属强度硬度提高、塑性下降，弯折需要更大外力。（3）最终断裂：持续变形使加工硬化不断加剧，材料塑性耗尽；同时变形产生滑移带、微裂纹，裂纹不断扩展，最终铁丝发生塑性断裂。4.什么是变形金属的回复、再结晶?再结晶晶粒度受哪些因素的影响?答：（1）回复、再结晶定义-回复：冷变形金属低温加热，纤维组织形貌不变，仅点缺陷、位错迁移，释放部分残余应力，加工硬化基本保留。-再结晶：冷变形金属加热至再结晶温度以上，变形组织内生成无畸变等轴新晶粒，完全消除加工硬化与残余应力，塑性恢复。（2）影响再结晶晶粒大小的因素①冷变形量-临界变形量（2%~10%）：G/N比值极大，退火后晶粒极度粗大，生产需避开；-变形量＞临界值：变形越大，形核率N增速大于长大速度G，晶粒越细小；变形量超过90%晶粒尺寸趋于稳定。②退火温度与保温时间温度越高、保温时间越长，晶界迁移越快，晶粒持续粗大；高温易诱发二次再结晶，产生异常粗晶。③加热速度快速加热抑制回复、提高形核率，得到细晶粒；慢速回复充分、储存能降低，形核少，晶粒粗大。④原始晶粒度原始晶粒越细，晶界越多，再结晶形核位点充足，退火后晶粒更细小。⑤合金元素与杂质溶质原子、弥散第二相粒子阻碍晶界迁移，抑制晶粒长大，细化再结晶晶粒。5.当金属继续冷拔有困难时，可以通过什么热处理解决?为什么?答：可以通过再结晶退火热处理解决原理：（1）冷拔属于冷塑性变形，会产生严重加工硬化：金属强度硬度升高、塑性大幅下降，继续拉拔易开裂。（2）再结晶退火将工件加热至再结晶温度以上保温，变形纤维组织全部转变为无畸变等轴晶粒，位错密度大幅降低，完全消除加工硬化与残余应力，金属塑性、韧性恢复，可继续冷拔成形。（3）若仅需消除应力、保留强度，可采用低温回复退火（去应力退火），但无法恢复塑性，不能解决持续冷拔困难。6.能否通过再结晶退火来消除粗大的铸造晶粒及组织?为什么?答：不能，原因：（1）再结晶退火仅针对冷变形后的金属，驱动力是冷变形储存的畸变能；铸态金属未经过冷塑性变形，内部无大量位错、无畸变储存能，不满足再结晶形核的能量条件，加热不会生成新等轴晶粒。（2）铸态粗大晶粒经再结晶退火只会发生晶粒正常长大，晶粒进一步粗化，无法细化铸造粗晶。（3）改善粗大铸造组织只能依靠热塑性加工（锻造/轧制），利用高温变形打碎粗大铸态晶粒，产生变形储存能，后续再结晶退火才能细化晶粒；或采用高温均匀化退火+相变热处理细化晶粒。7.金属热加工与冷加工的区别?对金属组织和性能有何影响?答：（一）冷、热塑性加工核心区分标准（金属学定义）-冷加工：再结晶温度以下进行塑性变形（如冷轧、冷拔、冲压）；铅、锡室温再结晶，室温加工属于热加工；钨再结晶温度1200℃，1000℃加工仍为冷加工。-热加工：再结晶温度以上进行塑性变形（热轧、锻造、热挤压）；变形同时发生动态回复/动态再结晶，硬化与软化同步进行。核心区别对比对比项冷塑性加工热塑性加工变形抗力大，随变形量持续升高（加工硬化）小，高温软化抵消硬化，无明显加工硬化塑性低，变形量有限，需中间退火高，可实现大变形量开坯组织变化产生纤维组织、形变织构、大量位错、残余应力铸造缺陷焊合压实，形成流线（纤维组织）、带状组织、魏氏组织尺寸精度尺寸精准、表面光洁精度差，表面氧化烧损，粗糙度高工艺特点无需高温加热，工序多，需中间退火高温加热，可一次大变形，生产效率高（三）对组织与性能的影响1.冷加工的组织、性能影响组织变化①晶粒沿变形方向拉长，形成纤维组织；②位错密度激增，亚结构大幅细化；③大变形量产生择优取向形变织构；④存在三类残余内应力。性能变化①力学：加工硬化，强度、硬度上升，塑性韧性下降；②物理：电阻率升高、导热、磁性能下降；③耐蚀：内能升高，腐蚀速度加快；④各向异性：织构造成冲压制耳等缺陷。2.热加工的组织、性能影响，有利组织变化①铸态疏松、气孔焊合，致密度提升，粗大柱状晶破碎细化；②成分偏析部分消除，夹杂物均匀分散；③动态回复/动态再结晶获得细等轴亚晶/再结晶晶粒，综合力学性能提升。不利组织缺陷①形成流线纤维组织，力学性能各向异性；②复相合金产生带状组织，横向塑性韧性大幅下降；③过热易生成魏氏组织、晶界网状碳化物，显著降低韧性；④终锻温度过高、冷却慢会造成晶粒粗大。性能影响①塑性、韧性远优于铸态，强度适中；②流线沿受力方向布置可提升疲劳寿命；③带状、魏氏、网状碳化物会恶化冲击韧性，提高冷脆转变温度；④无加工硬化，强度低于冷加工制品。项目7钢的热处理原理1.已知金属钨、铁、铅、锡的熔点分别为3380°C，1528°C，327°C和232°C，试分析钨和铁在1100°C下的加工，锡和铅在室温(20°C)下的加工各为何种加工?答：核心判断依据：金属再结晶温度≈0.4倍熔点（热力学温度K），高于再结晶温度为热加工，低于为冷加工（1）钨（熔点3380℃=3653K）再结晶温度：0.4×3653=1461.2\mathrmK=1188.2℃加工温度1100℃＜1188.2℃，属于冷加工。（2）铁（熔点1528℃=1801K）再结晶温度：0.4×1801=720.4\mathrmK=447.4℃加工温度1100℃＞447.4℃，属于热加工。（3）铅（熔点327℃=600K）再结晶温度：0.4×600=240\mathrmK=-33℃室温20℃＞-33℃，属于热加工。（4）锡（熔点232℃=505K）再结晶温度：0.4×505=202\mathrmK=-71℃室温20℃＞-71℃，属于热加工。总结：钨1100℃冷加工；铁1100℃热加工；铅、锡室温下均为热加工。2.热加工对金属的组织和性能有何影响?钢材在热变形加工(如锻造)时，为什么不出现硬化现象?答：（1）热加工对组织与性能的影响①消除铸态缺陷：铸锭内部气孔、疏松被压实焊合；粗大树枝晶破碎、细化；减轻成分偏析，组织与成分均匀化，致密性大幅提升。②形成锻造流线（纤维组织）：钢中杂质、夹杂物沿变形延伸方向拉长，形成流线；力学性能呈各向异性，平行流线方向强度、塑性更好，垂直方向韧性偏低。③细化晶粒：高温变形引发动态再结晶，破碎粗大原始晶粒，获得细小均匀等轴晶，提升强度、塑性、冲击韧性。④改善碳化物分布：高碳钢中网状、粗大碳化物被打碎，均匀弥散分布，改善后续热处理工艺性能。（2）热加工无加工硬化的原因加工硬化是塑性变形产生大量位错、晶格畸变导致强度上升、塑性下降的现象，仅在低于再结晶温度的冷加工中累积。热加工温度高于金属再结晶温度，变形过程中同步发生动态再结晶：变形产生的高位错、畸变晶格通过原子扩散重新形成无畸变、低位错的新等轴晶粒，变形带来的加工硬化会被再结晶完全抵消，因此不会出现硬化现象。3.用一根冷拉钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热至1000°C，当出炉后再次吊装工件时，钢丝绳发生断裂，试分析其原因。答：（1）原始冷拉钢丝绳状态：冷拉属于冷加工，钢丝绳内部存在大量加工硬化、残余内应力，晶粒被拉长纤维化，依靠加工硬化获得高强度。（2）1000℃高温加热的变化-温度远高于钢的再结晶温度，冷变形拉长的晶粒发生完全再结晶，粗大等轴晶粒取代变形纤维组织，加工硬化效应彻底消失，钢丝绳强度大幅下降；-高温下晶粒明显粗化，钢材塑性上升、强度、冲击韧性显著降低；-冷拉产生的残余内应力在高温下释放，同时高温氧化损伤钢丝表面，产生微裂纹。（3）出炉吊装断裂：再结晶软化+晶粒粗化+表面氧化缺陷，使钢丝绳承载强度远低于原始冷拉状态，承受工件载荷时发生脆性断裂。4.说明下列符号Ac1、Ar1、Ar3、Ac3、Accm、Arcm的物理意义及加热速度。答：一、各符号物理意义平衡临界点A1、A3、Acm是极缓慢加热/冷却下铁碳合金相变温度；实际加热、冷却存在温度滞后，加热临界标c，冷却临界标r：1.Ac1：钢加热时，珠光体开始向奥氏体转变的实际临界温度（平衡A1之上）。2.Ar1：钢冷却时，奥氏体开始分解出珠光体的实际临界温度（平衡A1之下）。3.Ac3：亚共析钢加热时，先共析铁素体完全溶入奥氏体、得到单相奥氏体的实际临界温度（平衡A3之上）。4.Ar3：亚共析钢冷却时，单相奥氏体开始析出先共析铁素体的实际临界温度（平衡A3之下）。5.Accm：过共析钢加热时，二次渗碳体完全溶入奥氏体、得到单相奥氏体的实际临界温度（平衡Acm之上）。6.Arcm：过共析钢冷却时，单相奥氏体开始析出网状二次渗碳体的实际临界温度（平衡Acm之下）。二、加热/冷却速度的滞后规律1.相变存在温度滞后：加热转变温度高于平衡临界点（Ac系列＞A平衡线）；冷却转变温度低于平衡临界点（Ar系列＜A平衡线）。2.速度越快，滞后越显著：加热速度越大，Ac1、Ac3、Accm数值越高；冷却速度越大，Ar1、Ar3、Arcm数值越低。3.极缓慢升降温时，Ac≈A、Ar≈A，滞后几乎消失，接近平衡相变条件。项目8钢的热处理工艺一、简答题1.何谓钢的淬透性?影响淬透性的因素有哪些?答：（1）淬透性定义淬透性是奥氏体化后的钢淬火时获得马氏体的能力，用规定条件下淬火的淬透层深度表示，是钢材固有工艺属性；过冷奥氏体越稳定，临界淬火速度越小，淬透层越深，淬透性越好。区分：淬透性≠淬硬性，淬硬性指淬火后能达到的最高硬度，仅由马氏体含碳量决定。（2）影响因素①化学成分：碳、合金元素（Cr、Mn、Ni、Mo等）提高过冷奥氏体稳定性，降低临界冷却速度，显著提升淬透性；碳含量越高，淬透性先升后降。②奥氏体化条件：加热温度越高、保温越充分，奥氏体晶粒粗大、成分均匀，淬透性提升。③原始组织：原始组织越细、碳化物弥散，奥氏体均匀化更快，淬透性更好。2.试分析下列说法是否正确:(1)钢中合金元素的含量越多，则淬火后硬度越高。答：错误。淬火硬度由马氏体含碳量（淬硬性）决定，和合金元素总量无直接关系。高碳工具钢淬硬性高，但合金元素多的低碳合金钢淬火硬度反而很低；合金元素主要提升淬透性、回火稳定性，不直接提高淬火硬度。(2)同一钢材在相同加热条件下，水淬比油淬的淬透性好，小件比大件的淬透性好。答：错误。淬透性是钢材自身固有属性，与淬火介质、工件尺寸无关。水淬冷却速度快，实际淬硬层更深；小件整体冷却更快，更容易全部淬透，只是实际淬透深度不同，钢材本身淬透性不变。3.退火与正火的目的是什么?答：（1）退火核心目的①均匀钢的成分与组织，细化晶粒，消除铸造/锻造/焊接产生的内应力、加工硬化；②调整硬度，降低硬度，改善切削加工性能；③消除组织缺陷，为后续淬火等热处理做好组织准备；④稳定工件尺寸，防止后续加工变形开裂；受力小、要求低的零件可作为最终热处理。（2）正火核心目的①细化晶粒、消除魏氏组织、带状组织、过共析钢网状渗碳体，优化原始组织；②调整硬度：低碳钢提高硬度改善切削性，中碳钢获得适中硬度；③作为预备热处理，为球化退火、淬火铺垫；④受力不大的普通结构件可直接作为最终热处理，获得良好综合力学性能；⑤大型复杂件可替代调质，减少变形开裂。4.过共析钢淬火加热温度为什么不超过Accm?答：过共析钢淬火加热规范为Ac1以上30~50℃，不加热至Accm以上，原因：（1）若加热到Accm以上，全部渗碳体溶入奥氏体，奥氏体碳含量大幅升高，淬火后残余奥氏体量剧增，硬度、耐磨性下降；（2）高温导致奥氏体晶粒粗大，淬火得到粗大针状马氏体，钢脆性大幅提升，易淬火开裂；（3）保留少量粒状渗碳体，淬火后隐晶马氏体+均匀粒状碳化物，兼顾高硬度、耐磨性与韧性；（4）高温加热加剧工件氧化、脱碳，增大热处理变形。5、亚共析钢正火与退火相比哪个硬度高?为什么?答：正火硬度更高。（1）冷却速度差异：退火随炉极慢冷却，正火空冷，冷却速度远快于退火；（2）组织差异：正火冷却快，先共析铁素体析出量少，珠光体（索氏体）片层更细、弥散度更高；退火缓冷，铁素体多、珠光体粗大片层；（3）细珠光体强化效果更强，因此正火后强度、硬度高于退火。6.用T12钢(锻后缓冷)做一切削工具，工艺过程为:正火一球化退火一机加工成形一淬火一低温回火。各热处理工艺的目的是什么?得到什么组织?各种组织具有什么性能?答：（1）正火-目的：消除锻后网状二次渗碳体，细化粗大片状珠光体，为球化退火做组织准备；-组织：细索氏体；-性能：硬度适中，网状碳化物消除，避免球化后碳化物呈连续网状。（2）球化退火-目的：使片状珠光体转变为粒状珠光体，降低硬度，改善切削加工性，为淬火铺垫；-组织：粒状珠光体（铁素体+球状渗碳体）；-性能：硬度低、塑性好，易切削，淬火后不易变形开裂。（3）机加工成形：切削成型，无组织转变。（4）淬火（Ac1+30～50℃）-目的：获得高硬度马氏体，提升耐磨性；-组织：隐晶马氏体+少量粒状渗碳体+微量残余奥氏体；-性能：高硬度、高耐磨性，但内应力大、脆性高，易开裂。（5）低温回火（150～250℃）-目的：消除淬火残余内应力，降低脆性，稳定尺寸，保留高硬度；-组织：回火马氏体+粒状渗碳体；-性能：58～64HRC，高硬度、高耐磨，韧性提升，尺寸稳定。7、什么是淬火?目的是什么?具体工艺有哪些?简述淬火加热温度的确定原则。答：（1）淬火定义将钢加热至Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析/过共析钢）以上保温，以大于临界冷却速度快速冷却，获得马氏体（等温淬火为下贝氏体）的热处理工艺。（2）淬火目的大幅提高钢的硬度、强度、耐磨性；配合不同回火，获得多样化综合性能：-淬火+低温回火：刀具、轴承高耐磨；-淬火+中温回火：弹簧高弹性极限；-淬火+高温回火（调质）：轴、齿轮优良强韧性。（3）常用淬火方法单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火、冷处理。（4）淬火加热温度确定原则以获得细小均匀奥氏体晶粒为核心：1.亚共析钢：Ac3以上30～50℃，保证完全奥氏体化，无游离铁素体，避免硬度不足；2.共析、过共析钢：Ac1以上30～50℃，保留少量粒状渗碳体，防止晶粒粗大、残余奥氏体过多；3.辅助修正因素：大件、原始组织有网状碳化物可适当升温；形状复杂、冷却介质冷却能力强则降低温度；合金钢可适当提高温度。8.正火、退火工艺选用的原则是什么?答：（1）按含碳量选择-wC<0.25%低碳钢：优先正火，提高硬度改善切削性，避免退火硬度过低；-wC=0.25%~0.5%中碳钢：优先正火，成本低、效率高；碳含量偏高、切削困难时用完全退火；-wC=0.5%~0.75%中高碳钢：完全退火，降低硬度便于切削；-wC>0.75%高碳工具钢：球化退火；存在网状渗碳体先正火再球化退火。（2）按工艺作用-消除偏析、大应力、冷加工硬化：均匀化退火、去应力退火、再结晶退火；-细化晶粒、消除网状碳化物、简化工序：优先正火；-合金钢、大截面工件、要求极低硬度：选用退火（等温退火、完全退火）。（3）经济性原则性能满足前提下，优先正火：周期短、操作简单、能耗低、成本更低。9、为什么马氏体的塑性和韧性与其碳含量(或形态)密切相关?答：（1）碳含量影响马氏体是碳过饱和固溶体，碳含量越高，晶格畸变越大、内应力越高；高碳马氏体孪晶亚结构多，脆性大、塑性韧性差；低碳板条马氏体位错亚结构，畸变小，塑韧性优良。（2）形态影响-板条马氏体（低碳）：位错亚结构，裂纹扩展阻力大，塑性、韧性好；-针状（片状）马氏体（高碳）：大量孪晶，易产生微裂纹，脆性大，塑韧性差。10.比较下贝氏体与高碳马氏体的主要不同点。答：（1）相变类型与形成温度高碳马氏体：Ms点以下低温，无扩散切变相变，瞬时形成；下贝氏体：Ms～250℃等温，半扩散相变，碳原子短程扩散析出碳化物，需保温。（2）显微组织高碳马氏体：粗大针/片状，内部大量孪晶，无碳化物；下贝氏体：细竹叶状铁素体针，针内平行分布细小渗碳体，无孪晶。（3）晶体与碳分布高碳马氏体：体心正方、碳高度过饱和，晶格畸变极大；下贝氏体：近体心立方，碳大量析出，基体过饱和度低。（4）力学性能高碳马氏体：硬度更高，但脆性大、残余应力大，易开裂；下贝氏体：硬度稍低，强韧性匹配好，残余应力小，不易变形开裂。（5）工艺与回火稳定性高碳马氏体：普通淬火得到，回火稳定性差；下贝氏体：等温淬火获得，回火稳定性更优。珠光体、贝氏体、马氏体的特征、性能特点是什么?答：（1）珠光体（奥氏体高温区共析转变产物）-组织：铁素体+片状渗碳体，分粗珠光体、索氏体、托氏体；-性能：强度、硬度随片层细化升高，塑性韧性较好；平衡组织，硬度低，易切削，适合预备热处理。（2）贝氏体（中温转变产物）-上贝氏体：羽毛状，铁素体+条状渗碳体，脆性大，工业少用；-下贝氏体：黑色针状，铁素体+粒状渗碳体，强韧性配合极佳，变形小；-性能：强度高于珠光体，韧性远优于高碳马氏体，淬火变形极小。（3）马氏体（低温切变产物）-低碳板条马氏体：位错亚结构，强韧性好；-高碳针状马氏体：孪晶亚结构，硬度极高、脆性大；-性能：硬度、强度最高，塑性韧性随碳含量升高急剧下降，存在巨大淬火内应力。二、论述题1.论述钢材在热处理过程中出现脆化现象的主要原因及解决方法。答：钢材热处理脆化分为回火脆性、过热/过烧脆化、渗碳/淬火组织脆化三类，核心如下：（1）第一类回火脆性（低温回火脆性，250～400℃，不可逆）-成因：回火时ε碳化物沿马氏体晶界析出，晶界强度大幅下降；所有钢均会产生，合金元素仅改变脆化温度区间，无法消除。-解决：热处理工艺避开250～400℃回火区间；要求该区间性能的工件改用等温淬火获得下贝氏体，替代淬火低温回火。（2）第二类回火脆性（高温回火脆性，450～650℃，可逆）-成因：Cr、Mn、Ni结构钢回火后缓冷，P、Sb、As等杂质元素在奥氏体晶界偏聚，弱化晶界；Mo、W可抑制该偏聚。-解决：①高温回火后快速水冷/油冷，缩短脆性温度区间停留时间；②钢中添加Mo、W合金元素；③采用亚温淬火；④选用低杂质优质钢材。（3）过热脆化-成因：加热温度过高/保温过长，奥氏体晶粒粗大，淬火后粗大马氏体，晶界薄弱，冲击韧性暴跌。-解决：严格控制淬火加热温度与保温时间；轻微过热延长回火时间补救；严重过热重新退火细化晶粒后再淬火。（4）过烧脆化（不可逆报废缺陷）-成因：温度过高，奥氏体晶界熔化、氧化，晶界完全破坏。-解决：严格控温，一旦过烧工件只能报废，无法修复。（5）网状碳化物脆化（过共析钢）-成因：锻后缓冷析出连续网状渗碳体，割裂基体，脆性大幅上升。-解决：锻后正火，溶解网状渗碳体，再球化退火。2.20CrMnTi、40CrNiMoA、60Si2Mn、T12各属于哪类钢?含碳量为多少?钢中合金元素的主要作用是什么?淬火加热温度范围是多少?常采用的热处理工艺是什么?最终的组织是什么?性能如何?答：（1）20CrMnTi渗碳合金结构钢-含碳量：wC≈0.20%（低碳）-合金元素作用：Cr、Mn提升淬透性；Ti细化奥氏体晶粒，防止渗碳过热粗晶；-淬火加热温度：渗碳900\950℃，预冷直接淬火860\880℃；-热处理工艺：渗碳→预冷淬火→180～220℃低温回火；-最终组织：表层回火马氏体+粒状碳化物，心部低碳回火马氏体；-性能：表面高硬度耐磨、高疲劳强度，心部韧性好，承受冲击，用于汽车齿轮。（2）40CrNiMoA调质合金结构钢-含碳量：wC≈0.40%（中碳）-合金元素作用：Cr、Ni大幅提升淬透性，保证大截面全淬透；Mo抑制第二类回火脆性，提升回火稳定性；-淬火加热温度：840～860℃；-热处理工艺：淬火+500~650℃高温回火（调质）；-最终组织：回火索氏体；-性能：优良综合力学性能，高强度、高韧性、抗冲击，用于重载曲轴、连杆、高强螺栓。（3）60Si2Mn弹簧钢-含碳量：wC≈0.60%（中高碳）-合金元素作用：Si提高弹性极限、回火稳定性；Mn提升淬透性；-淬火加热温度：850～870℃；-热处理工艺：淬火+350～500℃中温回火；-最终组织：回火托氏体；-性能：高弹性极限、屈服强度，抗疲劳，用于板簧、螺旋弹簧。（4）T12碳素工具钢-含碳量：wC≈1.2%（过共析高碳钢）-合金元素：无合金元素，依靠高碳获得高淬硬性；-淬火加热温度：760\780℃（Ac1+30\50℃）；-热处理工艺：锻后正火→球化退火→淬火+150～200℃低温回火；-最终组织：回火马氏体+球状渗碳体；-性能：极高硬度、耐磨性，韧性较差，用于低速切削刀具、锉刀、量具。项目9工业用钢1.低碳钢、中碳钢及高碳钢是如何根据含碳量划分的?分别举例说明它们的用途?答：(1）低碳钢：wC≤0.25%

(2）中碳钢：0.25%<wC≤0.60%

(3）高碳钢：wC>0.60%

用途举例

-低碳钢：08、20钢，冲压件、焊接件、螺钉、钢管、渗碳齿轮

-中碳钢：40、45钢，轴、齿轮、连杆、螺栓、机床主轴（调质件）

-高碳钢：T8、T10、65Mn，手工刀具、弹簧、锉刀、锯条2.下列零件或工具用何种碳素钢制造:手锯锯条、普通螺钉、车床主轴。答：(1）手锯锯条：T10/T12（高碳碳素工具钢，高硬度耐磨）

(2）普通螺钉：Q235/20钢（低碳结构钢，塑性好易冲压）

(3）车床主轴：45钢（中碳钢，调质后综合力学性能好）3.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（S、P、Mn、Si）(1）硫S

形成FeS，与Fe生成低熔点共晶，热脆；热加工开裂，有害杂质，含量严格限制。

(2）磷P

固溶于铁素体，大幅降低塑性韧性，低温冷脆，有害杂质。

(3）锰Mn

脱硫，减轻热脆；强化铁素体，细化珠光体，有益杂质。

(4）硅Si

脱氧，强化基体，提高强度硬度，有益杂质。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、Q195-B,40,08,20,T8.答：（1）Q235-AF

-类别：碳素结构钢

-符号含义：Q=屈服强度；235=屈服强度235MPa；A=质量等级A（不做冲击）；F=沸腾钢

-特点：塑性、焊接性好，强度中等，成本低

-用途：普通螺栓、钢板、型材、建筑构件

（2）Q195-B

-类别：碳素结构钢

-含义：屈服强度195MPa；B级常温冲击；镇静/半镇静钢

-特点：强度低、塑性极好，易冲压

-用途：薄铁皮、铁丝、冲压小件

（3）40

-类别：优质碳素结构钢（中碳钢）

-含义：平均含碳量0.40%

-特点：调质后综合力学性能优良，强度韧性匹配

-用途：轴、连杆、齿轮、受力螺栓

（4）08

-类别：优质碳素结构钢（低碳钢）

-含义：平均含碳0.08%

-特点：极软、塑性极佳，深冲压性能好

-用途：汽车覆盖件、深冲钢板

（5）20

-类别：优质碳素低碳钢

-含义：平均碳0.20%

-特点：塑性好，可渗碳强化表面

-用途：渗碳齿轮、套筒、焊接结构件

（6）T8

-类别：碳素工具钢

-含义：T=工具钢，平均含碳0.8%

-特点：淬火后高硬度，韧性优于T10/T12

-用途：錾子、斧头、手工刀具、冲头。为什么比较重要的大截面的结构零件如重型运输机械和矿山机器的轴类，大型发电机转子等都必须用合金钢制造?与碳素钢比较，合金钢有何优缺点?影响?将引起钢在热处理、组织和性能方面的什么变化?答：大型轴、发电机转子必须用合金钢制造的原因：①大截面工件碳素钢淬透性极差，心部无法淬硬，整体韧性强度不足；合金元素大幅提高淬透性，大件整体均匀淬透，心部获得良好综合性能。②合金钢强度、韧性、回火稳定性更高，重载、冲击工况可靠性更强。

（2）合金钢优点①淬透性高，大截面零件整体强化；②综合力学性能（强韧性）更好；③回火稳定性高，高温不易软化；④可获得特殊性能：耐热、耐磨、耐腐蚀、无磁等。

合金钢缺点①冶炼、加工成本高，价格贵；②导热性差，锻造、淬火易开裂；③热处理工艺更复杂，工艺窗口窄。6.合金元素Mn、Cr、W、Mo、V、Ti、Zr、Ni对钢的C奥氏体等温转变图和Ms点有何影响？将引起钢在热处理、组织和性能方面的什么变化？答：对奥氏体等温转变（C曲线）的影响

除Co外，所有合金元素溶入奥氏体均推迟珠光体/贝氏体转变，C曲线右移，提高淬透性：①Mn、Ni：扩大奥氏体区，强烈右移C曲线；②Cr、Mo、W、V、Ti、Zr：碳化物形成元素，显著推迟转变，C曲线分离（珠光体、贝氏体两条鼻尖）。

（2）对Ms点（马氏体开始转变温度）的影响①Mn、Cr、Ni、V、Ti、Zr、Mo、W：降低Ms点，增加淬火残余奥氏体，淬火变形增大；②Mn、Ni降低Ms幅度最明显。

（3）热处理、组织和性能方面的变化①需更高加热温度：碳化物元素难溶，需高温均匀化奥氏体；②淬透性提升，大件可整体淬火；③回火稳定性提高，高温回火不易软化；④残余奥氏体增多，需多次回火消除；⑤细化晶粒（V、Ti、Zr强细化），提升韧性。7.合金元素对回火转变有何影响?答：(1）提高回火稳定性：Cr、Mo、W、V等阻滞碳化物析出长大，相同回火温度下硬度更高，可高温回火获得高强韧性；

(2）产生二次硬化：W、Mo、V、Ti，500~600℃回火析出细小合金碳化物，硬度不降反升（高速钢核心原理）；

(3）抑制回火脆性：Mo、W消除第二类回火脆性；Mn、Cr、Ni加剧回火脆性；

(4）推迟马氏体分解、残余奥氏体转变，回火所需保温时间更长。8.何谓调质钢?为什么调质钢的含碳量均为中碳?合金调质钢中常含哪些合金元素?它们在调质钢中起什么作用?答：（1）调质钢定义

经淬火+高温回火（调质）使用，具备高强度、高塑性、高韧性综合力学性能的结构钢。

（2）为什么含碳量为中碳（0.25%~0.50%）

①碳过低：淬火后硬度不足，强度偏低；

②碳过高：淬火后马氏体脆性大，高温回火后韧性差，易断裂；

③中碳淬火得到回火索氏体，强韧性均衡，满足轴、连杆等重载零件需求。

（3）常用合金元素及作用

①Cr、Mn、Ni：提高淬透性，保证大截面零件整体淬透；Ni显著提升低温韧性；

②Mo、W：抑制第二类回火脆性，提高回火稳定性；

③V、Ti：细化奥氏体晶粒，防止高温加热粗晶，提升韧性。9.W18Cr4V钢的Ac1约为820℃，若以一般工具钢Ac1+30～50℃常规方法来确定淬火加热温度，在最终热处理后能否达到高速切削刃具所要求的性能?为什么?W18Cr4V钢刀具在正常淬火后都要进行560℃三次回火，又是为什么?答：W18Cr4V高速钢淬火温度问题；560℃三次回火原因

（1）按Ac1+30～50℃加热无法达到高速刀具性能

W18Cr4VAc1≈820℃，若仅850~870℃加热：

大量W、V、Cr合金碳化物不溶入奥氏体，奥氏体合金度极低：

①淬透性不足，淬火硬度低；

②无足够合金元素产生二次硬化，高温切削快速软化；

标准淬火温度1270～1280℃，高温让碳化物充分溶入奥氏体，保证红硬性、高硬度。

（2）560℃三次回火原因

①高速钢淬火后大量残余奥氏体（20%～30%），单次回火无法完全转变；

②560℃回火析出W、V细小碳化物，产生二次硬化，硬度上升至62～66HRC；

③每次回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体，产生新淬火应力；三次回火逐步消除残余奥氏体与回火内应力，防止刀具使用开裂。10.解释下列现象:(1)在相同含碳量情况下，除了含Ni和Mn的合金钢外，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳素钢高。答：Cr、W、Mo、V、Ti为碳化物形成元素，形成稳定合金碳化物，溶解温度高；碳钢只有渗碳体，低温即可溶入奥氏体。Ni、Mn不形成碳化物，固溶易，加热温度与碳钢接近。(2)在相同含碳量情况下，含碳化物形成元素的合金钢比碳素钢具有较高的回火稳定性。答：Cr、Mo、V、W等合金原子扩散慢，阻滞渗碳体粗化，延缓马氏体分解；高温回火仍能保持高硬度，回火稳定性优于仅含Fe₃C的碳钢。(3)wc≥0.40%、wcr=12%的铬钢属于过共析钢，而wc=1.5%、wcr=12%的钢属于莱氏体钢。答：Cr强烈稳定碳化物，大幅降低共析含碳量：

1）12%Cr钢共析碳量远低于0.4%，0.4%C已超过共析成分，为过共析；

2）碳提高至1.5%，凝固时直接析出初生铬碳化物，室温组织含莱氏体共晶碳化物，属于莱氏体钢。（4）高速工具钢在热锻或热轧后，经空冷获得马氏体组织。答：高速钢合金元素极高，C曲线大幅右移，临界冷却速度极低；空气冷却速度即可大于临界冷速，奥氏体直接转变为马氏体，无需水冷/油冷。项目10铸铁1、白口铸铁、灰铸铁和钢，这三者的成分、组织和性能有何主要区别?答：（1）成分

-钢：wC<2.11%，Si低；

-灰铸铁：wC=2.5%~4.0%，高Si，促进石墨化；

-白口铸铁：C、S