工程材料复习题及答案.pdf

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1、工程材料复习思考题参考答案 06 级用 第一章材料的性能 1.如图 1 所示，为五种材料的应力-应变曲线： a 45 钢、 b 铝青铜、 c 35 钢、 d 硬铝、 e 纯铜。 试问：（1）当外加应力为35MPa 时，各材料处于什么状态？ （2）有一用35 钢制做的轴，使用中发现弹性变形较大。如改用45 钢制作该轴，能 否减少弹性变形？ 答： （1）从图中可以看出，当外加应力为35MPa 时： a 45 钢为弹性状态；b 铝青铜、 c 35 钢、 d 硬铝均处在强化阶段，即为加工硬化状态；e 纯铜已被拉断。 （2）否，从图中可以看出，45 钢与 35 钢的弹性模量是相同的，即它们抵抗弹性变形的

2、能 力是相同的。 2.设计刚性好的零件，应根据何种指标选择材料？采用何种材料为宜？ 答：应根据弹性模量E 的大小来选材，应选择E 值大的材料，如陶瓷材料、黑色金属材料等。 3.常用的硬度方法有哪几种？其应用范围如何？这些方法测出的硬度值能否进行比较？ 答： 实际常使用的硬度试验方法有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。三种硬度试验值有 大致的换算关系，机械、机械工艺或金属材料的手册上面一般都有换算关系表。 布氏硬度：布氏硬度的使用上限是HB450 ，适用于测定硬度较低的金属材料，如退火、 正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。 洛氏硬度：是工业生产中最常用的硬度测量的方法，因为操作简便、迅速，可

3、以直接读 出硬度值，缺点是因压痕小，对材料有偏析及组织不均匀的情况，测量结果分离 度大，再现性较差。洛氏硬度有A、B、C 等几种标尺，其中C 标尺（即HRC ） 用的最多，该硬度有效范围是20-67(相当于HB230-700)，适用于测定硬度较 高的金属材料，如淬火钢及调质钢。 维氏硬度：试验时加载的压力小，压入深度浅，对工件损伤小。特别适用于测量零件的 表面淬硬层及经过表面化学处理的硬度，精度比布氏、洛氏硬度精确。但是维氏 硬度的试验操作较麻烦，一般在生产上很少使用，多用于实验室及科研方面。 4.图 2 为三种不同材料的拉伸曲线（试样尺寸相同），试比较这三种材料的抗拉强度、屈服 强度和塑性的

4、大小，并指出屈服强度的确定方法。 答：抗拉强度：2 1 3；屈服强度：3 2；塑性： 3 2 1；屈服强度的确定方法：3 可 以直接得到，2 可以通过测量产生0.2%的塑变来确定，即得到o.2，1 没有明显的塑性变 形，所以无屈服强度，只有抗拉强度。 5.有一碳钢制支架刚度不足，有人要用热处理方法；有人要另选合金钢；有人要改变零件载 面形状解决。哪种方法合理？为什么？ 答：改变零件载面形状的方法合理。用热处理方法和另选合金钢都不合理，因为零件的刚度取 决于二个方面：一是材料的弹性模量，另一个是零件的载面形状，而材料的弹性模量是相 对稳定的力学性能指标外（即这一指标对材料的组织状态不敏感），用热

5、处理方法无法改 变，对于同一合金系当成分改变时，材料的弹性模量也不变化。 6.在图样上，为什么只用硬度来表示对机件的力学性能要求? 答： 硬度试验方法简单易行； 无损于零件； 0 图 1 变形量 L 载 荷 P 图 2 L0 是综合性的力学性能指标，即它具有代表性，通过它可以间接了解其它力学性能指标。 第二章金属的晶体结构与结晶 1解释下列名词 点缺陷，线缺陷，面缺陷，位错，单晶体，多晶体，过冷度，自发形核，非自发形核，变质 处理，变质剂，同素异构转变（重结晶）。 答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换 原子等。 线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一

6、个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺 寸很小。如位错。 面缺陷： 原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。 如晶界和亚晶界。 位错：晶体中在两排原子面之间多出不完整的原子面的现象。位错可认为是晶格中一部分 晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为 位错线。 如果相对滑移的结果上半部分多出一半，多余半原子面的边缘好像插入晶 体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。 单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。 多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。 过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过

7、冷度。 自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。 非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。 变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶 核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒， 这种处理方法即为变质处理。 变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。 同素异构转变（重结晶）：金属的晶体结构随温度变化而改变的现象。 2.常见的金属晶体结构有哪几种？-Fe 、 - Fe 、Al 、Cu 、Ni 、 Pb 、 Cr 、 V 、Mg 、 Zn 各属何种晶体结构？ 答：常见金属晶体结构：体

8、心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格； Fe、Cr、V 属于体心立方晶格； Fe 、Al 、Cu、Ni、Pb 属于面心立方晶格； Mg 、Zn 属于密排六方晶格； 3.实际晶体中的点缺陷，线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响？ 答：如果金属中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随着晶体中缺陷的增加，金属 的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。因此， 无论点缺陷，线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变，从而使晶体强度增加。同时晶体缺陷的 存在还会增加金属的电阻，降低金属的抗腐蚀性能。 4.为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？ 答：因为单晶

9、体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异 性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各 向同性。 5.过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？ 答：冷却速度越大，则过冷度也越大。随着冷却速度的增大，则晶体内形核率和长大速度 都加快，加速结晶过程的进行，但当冷速达到一定值以后则结晶过程将减慢，因为这时原 子的扩散能力减弱。过冷度增大，F 大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且 N 的增加比G 增加得快，提高了N 与 G 的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化 不利，结晶发生困难。 6.金属

10、结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？ 答：金属结晶的基本规律是形核和晶核按树枝状长大。受到过冷度的影响，随着过冷度的 增大， 晶核的形成率和成长率都增大，但形成率的增长比成长率的增长快；同时外来难熔杂 质以及振动和搅拌的方法也会增大形核率。 7.在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？在生产中如何应用变质处理？ 答：加快冷却速度：用金属模铸造以及在砂模中加冷铁以加快冷却速度的方法来控制晶粒大 小。变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非 自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒。 机械振动、搅拌。 8.

11、从原子结合的观点看，金属、陶瓷和高分子材料有何主要区别？在性能上有何表现？ 答：金属材料以金属键结合，金属键没有方向性和饱和性，金属晶体中，自由电子弥漫在整个 体积中，称为电子云，它就象“胶水”一样把金属的原子（或离子）连结在一起，金属 的原子（或离子）处在相同的环境中，当外力作用使晶体发生滑移时，滑移面两侧的原子 （或离子）仍能通过自由电子结合，所以具有良好的延展性（即塑性）；自由电子在电场 作用下容易定向迁移，自由电子受到光的作用容易在不同能级间跃迁，所以金属具有良好 的导电性和金属光泽。 陶瓷材料是通过共价键和离子键结合的，这两种键都要求离子之间的价电子方位是确定 的，当外力作用使晶体滑

12、移时，就会破坏离子之间的价电子方位，造成离子之间的分离， 所以陶瓷材料不具有延展性，又因这两种键的结合力大，无自由电子，宏观上表现为材 料的熔点、强度、硬度很高，而脆性大，绝缘性好。 高分子材料具有长分子链构，分子链中的离子靠共价键结合，而分子链之间是靠分子键 （包括氢键）结合，分子键属于物理键（金属键、共价键和离子键属于化学键），其结合 力比化学键小12 个数量级，所以高分子材料的强度、硬度低，弹性模量小；由于长分 子链在外力作用下可以伸直和卷曲，所以弹性变形量大。 第三章金属的塑性变形与再结晶 1解释下列名词： 加工硬化、回复、再结晶、热加工、冷加工，纤维组织，变形强化，细晶强化。 答：加

13、工硬化：随着塑性变形的增加，金属的强度、硬度迅速增加；塑性、韧性迅速下降的现 象。 回复：为了消除金属的加工硬化现象，将变形金属加热到某一温度，以使其组织和性能发 生变化。在加热温度较低时，原子的活动能力不大，这时金属的晶粒大小和形状没 有明显的变化，只是在晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移等变化，因此，这时 金属的强度、 硬度和塑性等机械性能变化不大，而只是使内应力及电阻率等性能显 著降低。此阶段为回复阶段。 再结晶：被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能力，使晶粒的外形开始变化。 从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒形状相似，晶格类型相同， 把这一阶段称为“再结晶”。 热

14、加工：将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行的压力加工。 冷加工：在再结晶温度以下进行的压力加工。 纤维组织：经过一定塑性变形后，金属组织（特别是晶界上存在的杂质）沿变形方向的 流线分布叫纤维组织。 变形强化：即利用加工硬化有利的一面：经过一定塑性变形来增加金属的强度、硬度的 方法。 细晶强化：通过细化晶粒达到提高金属材料的强度、硬度迅速、塑性、韧性的方法。 2产生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金属加工中有什么利弊？ 答：随着变形的增加，晶粒逐渐被拉长，直至破碎，这样使各晶粒都破碎成细碎的亚晶粒， 变形愈大， 晶粒破碎的程度愈大，这样使位错密度显著增加；同时细碎的亚晶粒也随着晶 粒的拉长而被

15、拉长。因此，随着变形量的增加，由于晶粒破碎和位错密度的增加，金属的 塑性变形抗力将迅速增大，即强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬 化”现象。 金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难，如钢板在冷轧过程中 会越轧越硬， 以致最后轧不动。另一方面人们可以利用加工硬化现象，来提高金属强度和 硬度，如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度的。加工 硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因素。如冷拉钢丝拉过模孔的部分，由于发生 了加工硬化， 不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔的部分，这样钢丝才可以继续通 过模孔而成形。 3划分冷加工和热加工的主要条件是

16、什么？ 答：主要是再结晶温度。在再结晶温度以下进行的压力加工为冷加工，产生加工硬化现象；反 之为热加工，产生的加工硬化现象被再结晶及时消除。 4与冷加工比较，热加工给金属件带来的益处有哪些？ 答： （1）通过热加工，可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得以提高。 （ 2）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，机械性能提高。 （ 3）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变，使它们沿着变 形的方向细碎拉长，形成热压力加工“纤维组织”（流线），使纵向的强度、塑性和韧性 显著大于横向。如果合理利用热加工流线，尽量使流线与零件工作时承受的最大拉应力 方向

17、一致，而与外加切应力或冲击力相垂直，可提高零件使用寿命。 5为什么细晶粒钢强度高，塑性，韧性也好？ 答：晶界是阻碍位错运动的，而各晶粒位向不同，互相约束，也阻碍晶粒的变形。因此，金属 的晶粒愈细，其晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈多，对塑性变形的 抗力也愈大。因此，金属的晶粒愈细强度愈高。同时晶粒愈细，金属单位体积中的晶粒数 便越多，变形时同样的变形量便可分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，而不致 造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产生和发展。因此，塑性，韧性也越好。 6金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化？ 答：晶粒沿变形方向拉长，产生纤维组织，性能趋于各向异性，

18、如纵向的强度和塑性远大于 横向等；晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化，即随着变形量的增加，强度和硬度 显著提高，而塑性和韧性下降；织构现象的产生，即随着变形的发生，不仅金属中的晶 粒会被破碎拉长，而且各晶粒的晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动，转动结果金 属中每个晶粒的晶格位向趋于大体一致，产生织构现象；冷压力加工过程中由于材料各 部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间的变形不均匀，金属内部会形成残余的内应 力。 7分析加工硬化对金属材料的强化作用？ 答：随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割、位错缠结加剧， 使位错运动的阻力增大，引起变形抗力的增加。这样，

19、金属的塑性变形就变得困难，要继续 变形就必须增大外力，因此提高了金属的强度。 8已知金属钨、铁、铅、锡的熔点分别为3380、 1538、 327、 232，试计算这些金属 的最低再结晶温度，并分析钨和铁在1100下的加工、铅和锡在室温（20）下的加工各为何 种加工？ 答： T再=0.4T熔； 钨 T再=0.4* （3380+273） -273=1188.2 ;铁 T再=0.4* （1538+273） -273=451.4 ; 铅 T再=0.4* （ 327+273）-273=-33 ;锡 T再=0.4* （232+273）-273=-71. 由于钨 T再为 1188.2 1100，因此属于热加

20、工；铁T 再为 451.4 1100，因此属于冷加工；铅 T 再为-33 20，属于冷加工；锡T再为-71 20，属于冷加工。 9在制造齿轮时，有时采用喷丸法（即将金属丸喷射到零件表面上）使齿面得以强化。试分 析强化原因。 答：高速金属丸喷射到零件表面上，使工件表面层产生塑性变形，形成一定厚度的加工硬化层， 使齿面的强度、硬度升高。 10用下述三种方法制成齿轮，哪种方法较为理想？为什么？ （ 1）用厚钢板切出圆饼再加工成齿轮。 （ 2）用粗钢棒切下圆饼再加工成齿轮。 （ 3）由圆棒锻成圆饼再加工成齿轮。 （ 4）由圆棒用整体模锻的方法制造。 答：本题从纤维组织分布的合理性去自行分析，分析过程最

21、好通过画图说明。 第四章合金的结构与二元状态图 1解释下列名词： 合金，组元，相，组织组成物，相图；固溶体，金属间化合物，机械混合物；枝晶偏析，比 重偏析；固溶强化，弥散强化。 答：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。 组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。 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。 组织组成物： 通常把能够在显微镜下清楚地区别开，并具有一定形态特征的组成部分，称为 组织组成物。 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

22、。 固溶体： 合金的组元之间以不同的比例混合，混合后形成的固相的晶格结构与组成合金的某 一组元的相同，这种相称为固溶体。 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。 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。 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。 比重偏析：比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起的。如果先共晶相与溶液之 间的密

23、度差别较大，则在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液体中上浮 或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致，产生比重偏析。 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。 2指出下列名词的主要区别： 1）置换固溶体与间隙固溶体； 答：置换固溶体：溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固溶体称置换固溶体。 间隙固溶体：溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体。 2）相组成物与组织组成物； 相组成物：指合金

24、组织中的基本组成相。 组织组成物：指合金显微组织中能够清楚地区别开，并具有一定形态特征、相对的独立组 成部分。 3下列元素在-Fe 中形成哪几种固溶体? Si 、 C、N、Cr、Mn 答： Si 、Cr、Mn形成置换固溶体；C、N形成间隙固溶体。 4试述固溶强化、变形强化（加工强化）和弥散强化的强化原理, 并说明三者的区别. 答：固溶强化：溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时受到阻力 增大，材料的强度提高。 弥散强化：金属化合物本身有很高的硬度，因此合金中以固溶体为基体再有适量的金属间 化合物均匀细小弥散分布时，会提高合金的硬度及耐磨性；金属间化合物会增 大位错运动阻力

25、，使合金的强度也提高、这种用金属间化合物来强化合金的方 式为弥散强化。 变形强化（加工强化） ：通过产生塑性变形来增大位错密度，从而增大位错运动阻力，引起 塑性变形抗力的增加，提高合金的强度和硬度。 区别：固溶强化和弥散强化都是利用合金的组成相来强化合金，固溶强化是通过产生晶格 畸变，使位错运动阻力增大来强化合金；弥散强化是利用金属化合物本身的高强度 和硬度来强化合金；而加工强化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；三者相比，通过固溶强化得到的强度、硬度最低，但 塑性、韧性最好，变形强化（加工强化）得到的强度、硬度最高，但塑韧性最差， 弥散强化介于两者之间。

26、5固溶体和金属间化合物在结构和性能上有什么主要差别？ 答：在结构上：固溶体的晶体结构与溶剂的结构相同，而金属间化合物的晶体结构不同于组成 它的任一组元，它是以分子式来表示其组成。 在性能上：形成固溶体和金属间化合物都能强化合金，但固溶体的强度、硬度比金属间化 合物低， 塑性、 韧性比金属间化合物好，也就是固溶体有更好的综合机械性能， 固溶体在合金中主要充当基体角色，占的比例大；而金属间化合物充当强化相 角色，占的比例小。 6. 何谓共晶反应和共析反应?试比较这二种反应的异同点. 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。 共析反应：由特定

27、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。 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；共析反应是一种固相在恒温下 生成两种固相的反应。 7二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。 8在二元合金相图中应用杠杆定律可以计算什么？杠杆定律的支点和两个端点如何确定？ 答：应用杠杆定律可以计算合金相互平衡两相的成分和相对质量比例，支点是合金的成分，两 个端点待求两个相的成分。应注意只能用在两相区。 9. 已知

28、 A（熔点 600 ）与B(500) 在液态无限互溶；在固态 300 时 A 溶于 B 的最大溶 解度为 30% ，室温时为10% ，但 B 不溶于A；在 300 时，含 40% B 的液态合金发生共晶反 应。现要求： 1）作出 A-B 合金相图； 2）分析 20% A,45%A,80%A 等合金的结晶过程，并确定室温下的组织组成物和相组成物的相 对量。 答： （1） （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

29、中析出二次相A，因此最终显微组织： +A 相组成物 : +A A%= （90-80/90 ）*100%=11% %=1-A%=89% 45%A合金如图： 合金在 1 点以上全部为液相，冷至1 点时开始从液相中析出固溶体，此时液相线成 分沿线 BE变化，固相线成分沿BD线变化，当冷至2 点时，液相线成分到达E点，发 生共晶反应，形成（A+ ）共晶体，合金自2 点冷至室温过程中，自固溶体中析出二 次相 A，因而合金室温组织： A+ +(A+ ) 相组成物 :A+ 组织： （ A+ ）%=（70-55）/(70-40） *100%=50% A%=（55-40 ）/ （70-40 ）*20/90*10

30、0%=11% %= （55-40 ）/ （ 70-40） *70/90*100%=39% 或 =50%- 11%=39% 相： A%= （90-55 ）/90*100%=39% %=1-A%=61% 80%A合金如图： 合金在 1 点以上全部为液相，冷至1 点时开始从液相中析出A，此时液相线成分沿AE 线变化，冷至2 点时，液相线成分到达点，发生共晶反应，形成(A+ )共晶体，因而合 金的室温组织：A+ (A+ ) 相组成物： A+ 组织： A%= （40-20 ）/40*100%=50% （A+ ）%=1-A%=50% 相： A%=（90-20 ）/90*100%=78% %=1-A%=22

31、% 10某合金相图如图所示。 1）试标注空白区域中存在相的名称； 2）指出此相图包括哪几种转变类型； 3）说明合金的平衡结晶过程及室温下的显微组织。 答： (1) ： L+: +: +( +)+ : + (2)匀晶转变；共析转变 (3)合金在 1 点以上全部为液相, 冷至 1 点时开始从液相中析出固溶体至 2点结束 ,2 3 点之间合金全部由固溶体所组成,3 点以下 , 开始从 固溶体中析出固溶体 , 冷至 4 点结束 ,4 5 之间全部由 固溶体所组成, 冷到 5 点以下 , 由于 固溶体的浓度超过了它 的溶解度限度, 从 中析出第二相固溶体 , 最终得到室稳下的显微组织: + 11有形状、

32、尺寸相同的两个 Cu-Ni 合金铸件，一个含 90% Ni ，另一个含 50% Ni,铸后自 然冷却，问哪个铸件的偏析较严重？ 答：含 50% Ni 的 Cu-Ni 合金铸件偏析较严重。在实际冷却过程中，由于冷速较快，使得先结 晶部分含高熔点组元多，后结晶部分含低熔点组元多，因为含 50% Ni 的 Cu-Ni 合金铸件 固相线与液相线范围比含 90% Ni 铸件宽，因此它所造成的化学成分不均匀现象要比含 90% Ni 的 Cu-Ni 合金铸件严重。 第五章铁碳合金 1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。 答：由于条件（温度或压力）变化引起金属晶体结构的转变，称同

33、素异构转变。 2. 何谓铁素体（F）, 奥氏体（ A） ，渗碳体（ Fe3C） ，珠光体（ P）, 莱氏体（ Ld）？它们的结构、 组织形态、性能等各有何特点？ 答：铁素体（F） ： 铁素体是碳在Fe中形成的间隙固溶体，为体心立方晶格。 由于碳在Fe 中的溶解度 很小，它的性能与纯铁相近。塑性、韧性好，强度、硬度低。它 在钢中一般呈块状或片状。 奥氏体（ A） ：奥氏体是碳在 Fe 中形成的间隙固溶体，面心立方晶格。因其晶格间隙尺寸 较大，故碳在 Fe 中的溶解度较大。有很好的塑性。 渗碳体（ Fe3C） ：铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体具有很高的硬度， 但塑性很差，延伸

34、率接近于零。在钢中以片状存在或网络状存在于晶界。在 莱氏体中为连续的基体，有时呈鱼骨状。 珠光体（ P） ：由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体呈层片状。珠光体有较 高的强度和硬度，但塑性较差。 莱氏体（ Ld） ：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相， 奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体基体上。由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很 差的组织。 3.Fe-Fe 3C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：1：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

35、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巨大的实际指导意义。为选材提供成分依据： CFeF 3 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。例如，各种工程钢制结构件要 求塑性和韧性好，因此选用含碳量低的钢材；各种机器零件需要塑性、韧性、强度都较好 的钢材，应选用含碳量适中的中碳钢；工具用材要求硬度高、耐磨，应选用含碳量高的钢 种；白口铸铁硬度、高脆性大、不能切削加工，也不能锻造和难于焊接，但有良好的铸造 性能，所以主要作为灰口铸铁的原材料。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

36、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：CFeF 3 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。 2：由于铁碳相图是以无限缓慢加热和冷却的速度得到的，其组织是平衡组织，而在实 际加热和冷却通常都比较快，钢的实际组织与状态图上的组织就有区别。铁碳相图只反 映铁碳二元合金中相的平衡状态，实际生产中用的钢铁材料，除了铁和碳外，往往还含有 其它组元，此时铁碳相图形状将发生变化。 4. 画出 Fe-Fe3

37、C 相图，指出图中 S 、C 、E 、P、G 及 GS 、 SE 、PSK 各点、线的意义，并 标出各相区的相组成物和组织组成物。 答: S：共析点727 0.77%C 在这一点上发生共析转变，反应式：cFeFA ps3 ，当 冷却到 727时从具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和渗碳体的 两相混合物珠光体P（cFeFp 3 ） C：共晶点1148 4 .30%C，在这一点上发生共晶转变，反应式：CFeALc E3 ，当 冷到 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 相混合物莱氏体CFeALe E3 E：碳在Fe中的最大溶解度点1148 2.

38、11%C ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm温度线，随温度的降低，碳在奥化体中的 溶解度减少，多余的碳以CFe3形式析出，所以具有0.77%2.11%C 的钢冷却到 Acm线与 PSK线之间时的组织 CFeA 3 ，从 A中析出的CFe3 称为二次渗碳体， 以 CFe3 表示。 GS线：不同含碳量的奥氏体冷却时析出铁素体的开始线称A3线， GP线则是铁素体析出 的终了线，所以GSP 区的显微组织是AF。 PSK 线：共析转变线，在这条线上发生共析转变CFeFA PS3 ，产物（ P）珠光体， 含碳量在0.02 6.69%的铁碳合金冷却到727时都有共析转变发生。 5. 简述 Fe-F

39、e3C 相图中二个基本反应：共晶反应和共析反应，写出反应式， 标出含碳量及温度。 答：共析反应：冷却到727时具有S 点成分的奥氏体中同时析出具有P 点成分的铁素体和渗 碳体的两相混合物。0.8 ?727 F0.02+Fe3C6.69 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 ?1147 2.14+ Fe3C6.69 6. 何谓碳素钢？何谓白口铁？两者的成分组织和性能有何差别？ 答：碳素钢：含有0.02%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

40、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0.8%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以渗碳体为基体的莱氏体（钢中无这种组织），因此具 有很高的硬度和脆性，难以切削加工。 7. 亚共析钢、共析钢和过共析钢的组织有何特点和异同点。 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

41、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，其中二次渗碳体分布在晶界，当其含量多时将形成连续的网络状。 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。 8. 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. 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

42、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 CFe3 ，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0.02%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

43、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 CFe3 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 CFe3 ， CFe3 沿奥氏体的晶界析出， 呈网状分布，3-4 间 CFe3 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 CFe3 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，忽略

44、CFe3 。 室温组织为二次渗碳体和珠光体。 10指出下列名词的主要区别： 1）一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体与共析渗碳体； 答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体，用Fe3C表示。 二次渗碳体：从A中析出的CFe3称为二次渗碳体，用Fe3C表示。 三次渗碳体：从F中析出的CFe3称为三次渗碳体 CFe3 。三次渗碳体通常可以忽略。 共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中作为基体的渗碳体称为共晶渗碳体。 共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的片层状渗碳体称为共析渗碳体。 2） 热脆与冷脆。 答：热脆： S 在钢中以FeS 形成存在， FeS会与

45、Fe 形成低熔点共晶，当钢材在10001200 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、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变 脆，这种现象称为“冷脆”。 10根据 Fe-Fe3C 相图，计算： 1）室温下，含碳 0.6% 的钢中珠光体和铁素体各占多少； 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）铁碳合金中，二次渗碳体的最大百分含量。 答： 1）P%=(0.6-0.02)/(0.77-0.02)*100%=74% F%=1-74%=26% 2 ）P%=(6.69-1.2)/(6.

46、69-0.77)*100%=93% Fe3C% =1-93%=7% 或Fe3C % =(1.2-0.77)/(6.69-0.77)*100%=7% 3）Fe3C% =(2.11-0.77)/(6.69-0.77)*100%=23% 11某工厂仓库积压了许多碳钢（退火状态），由于钢材混杂，不知道钢的化学成分，现找出 其中一根，经金相分析后，发现其组织为珠光体+铁素体，其中铁素体占 50% ，问此钢材的含 碳量大约是多少？ 答：由于组织为珠光体+铁素体，说明此钢为亚共析钢。设成分为X，则 F%=50%=(0.77-X)/(0.77-0.02)*100% X=0.4，即含碳量大约是0.4% 12对某

47、退火碳素钢进行金相分析，其组织为珠光体+渗碳体（网状） ，其中珠光体占 96% ， 问此碳钢的含碳量大约为多少？ 答： Wp=96% =(6.69- X)/(6.69-0.77)*100% X=1.0 13根据 Fe-Fe3C 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； 答：钢中随着含碳量的增加，渗碳体的含量增加，渗碳体是硬脆相，因此含碳量为 1.0% 的钢 比含碳量为 0.5% 的钢硬度高。 2）在室温下，含碳 0.8% 的钢其强度比含碳 1.2% 的钢高； 答：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

48、钢的 脆性增加，导致强度下降。因此含碳 0.8% 的钢其强度比含碳 1.2% 的钢高。 3）在 1100 ，含碳 0.4% 的钢能进行锻造，含碳 4.0% 的生铁不能锻造； 答：在 1100 时，含碳 0.4% 的钢的组织为奥氏体，奥氏体的塑性很好，因此适合于锻造；含 碳 4.0% 的生铁的组织中含有大量的莱氏体，莱氏体中以连续的渗碳体为基体，渗碳体的 硬度很高，不适合于锻造。 4） 绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝） ，而起重机吊重物却用钢丝绳（用 60 、 65 、 70 、 75 等钢制成）； 答：为了便于绑轧，要求有很好的塑性，因此应选用塑性很好的低碳钢丝；而起重机吊重物用 钢丝绳除要

49、求高的强度并要求有一定的韧性，60 、 65 、 70 、 75 属于中、高碳钢，比 低碳钢的强度高得多，且有一定的韧性，这样在吊重物时不会产生塑性变形和突然断裂而 造成事故。 5）钳工锯 T8 ， T10,T12 等钢料时比锯 10,20 钢费力，锯条容易磨钝； 答： T8 ， T10,T12 属于碳素工具钢，含碳量为0.8%，1.0%，1.2%，钢中渗碳体含量高，钢的 硬度较高；而10,20 钢为优质碳素结构钢，属于低碳钢，钢中渗碳体含量少，钢的硬度较 低，因此钳工锯 T8 ， T10,T12 等钢料时比锯 10,20 钢费力，锯条容易磨钝。 6）钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于通过铸造成形。 答：因为钢的含碳量范围在0.02%2.11%之间，渗碳体含量较少，