工程材料习题

<习题一>

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。 <习题二>

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。 Pb ， Mg，Zn各属何种晶体结构？

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？α-Fe，δ-Fe，Cr，V ， γ-Fe，Cu，Ni，

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 α-Fe，δ-Fe，Cr，V属体心， γ-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1mmFe中的原子数。 由√3/4a=r有a=（2.54*10/2）/√3/4=2.933*10（m）故α-Fe的晶格常数为 2.933*10m。 1mm中α-Fe的原子数

（1*10）*2/（2.933*10） =7.927*10 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。

-3

3

-10

3

19

3

-10

-10

-10

3

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。

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α-Fe与 γ-Fe晶格的原子排列紧密程度和容碳能力。 α-Fe的原子排列密度为0.68， γ-Fe的原子排列密度为0.74，

由于γ-Fe的晶格间隙较大，所以，γ-Fe的渗碳能力大于α-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α-Fe的体心致密度小于γ-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。

电阻率逐渐升高，导电性逐渐下降，磁矫顽力升高等等。 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。

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。

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。

<习题三>

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∕s·mm3）； 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mm∕s）； 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：①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。

②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；

<习题四>

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δ反应生成具有J点成分的固相A

L0.77+δ0.09→（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+Fe3C6.69

3、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 ；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；

1.2%C ；

(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950～1100℃

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α.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：T8>T12>45，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：T12>T8>45，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。

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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α-Fe中间隙固溶体 良好的塑性 良好的导磁性能 碳溶在γ-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 <习题五>

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(70～90％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 (70～90％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500～650℃。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 2～l0％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。 <习题六>

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930℃±10℃，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α—Fe中的过饱和固溶体。 （3）奥氏体：碳溶在γ—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（Ac1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30—50℃，过共析钢加热到 上30—50℃，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（>0.4μm ）硬度为170—200HBS，索氏体在等温温度在650—600范围内得到层片间距较小（0.2—0.4μm ） 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（<0.2μm），硬度为330-400HBS。 3 贝氏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？ 贝氏体组织最为常见的是上贝氏体和下贝氏体

上贝氏体使过冷奥氏体在550-350℃ 温度范围内等温度形成的。呈羽毛状，有粗大的片状铁素体和粗大的，分布不均匀的渗碳体组成。韧性显著降低，硬度为HBC35~45。下贝氏体使是过冷奥氏体在350~230℃温度范围内等温形成的，下贝氏体中的铁素体针细小，渗碳体弥散度大。分布更均匀，强度，硬度进一步提高。塑性，韧性有所改善，具有更好的综合机械性能。

4、马氏体组织有哪几种基本类型？他们的形成条件、晶体结构、组织形态、性能有何特点？马氏体的硬度与含碳量关系如何？

马氏体的组织形态主要有两种：板条状马氏体和片状马氏体。

高温奥氏体中含碳量大于1.0%时，淬火组织中马氏体的 形态是片状的，亚结构主要是栾晶，在片体边界上沿[111]m方向呈点状规则排列有螺形位错。片状马氏体韧性和塑性差。高温奥氏体中含碳量小于0.30%时，淬火组织中马氏体的形态是板条状的，体内有高容度位错，{111}r为其惯习面。板条状马氏体的韧性和塑性好。

马氏体的硬度主要取决于含碳量，随着马氏体含碳量的增高，硬度随之提高，当含碳量超过0.6%以后硬度增加趋于平缓。

5、何谓连续冷却及等温冷却？试绘出奥氏体这两种冷却方式的示意图。

连续冷却是以某一速度连续冷却到室温，使过冷奥氏体在 连续冷需冷却过程中发生转变，等温冷却是快速冷却到Ar1以下某一温度，并等温停留一段时间，使过冷奥氏体发生转变，然后在冷却到室温。 6、说明共析碳钢C曲线各个区、各条线的物理意义，并指出影响C曲线形状和位置的主要因素。 共析钢C曲线中，过冷奥氏体开始转变点的连线称为转变开始线；过冷奥氏体转变结束点的连线称为转变结束线。水平线A1表示奥氏体与珠光体的平衡温度。在A1线以上是奥氏体稳定存在的区域，A1线以下，转变开始线以左是过冷奥氏体区，转变结束线以右是转变产物区，转变开始线和结束线之间是过冷奥氏体和转变产物共存区。

影响C曲线形状和位置的主要因素有：（1）碳的影响。在亚共析钢中，随含碳量增加，C曲线向右移动；在过共析钢中，随含碳量的增加，C曲线则向右移动。（2）合金元素的影响：除钴外，所有的合金元素使C曲线位置右移，碳化物形成元素含量较多时，不仅影响C曲线位置，还会改变C曲线的形状。（3）加热温度和保温时间的影响：随着加热温度的提高和保温时间的延长，C曲线右移。

8、确定下列钢件的退火方法，并指出退火目的及退火后的组织 （1）经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度（2）ZG35的铸造齿轮（3）锻造后热的60钢锻坯（4）具有片状渗碳体的T12钢坯

（1）完全退火，目的是消除轧制工艺不合要求而产生的带状组织缺陷，并适当降低硬度，提高塑性和改善切屑加工性能。退火后组织为珠光体+铁素体

（2）去应力退火：目的是消除铸件的内应力，退火后组织为珠光体+铁素体

（3）去应力退火，目的是消除段柸的热应力，避免使用工程中变形和开裂，退火后组织为珠光体+铁素体。

（4）球化退火，目的是将珠光体的渗碳体由片状转化为球状，得到球状珠光体，降低钢的硬度，改善切削加工性能，得到的组织为球状珠光体+球状渗碳体 9、 共析钢加热奥氏体化后，按图中V1~V7的方式冷却，（1）指出图中①~⑩各点处的组织（2）写出V1~V5的热处理工艺名称。

①过冷奥氏体+珠光体②过冷奥氏体③ 铁素体 ④过冷奥氏体+屈氏体⑤ 过冷奥氏体+屈氏体+贝氏体 ⑥下贝氏体 ⑦过冷奥氏体+下贝氏体 ⑧下贝氏体+马氏体+残余奥氏体⑨ 过冷奥氏体 ⑩马氏体+残余奥氏体

（2）V1：退火 V2：正火 V3：等温淬火 V4：分级淬火 V5：双液淬火 10体

、（

a

）

马

氏

体

(b)

屈

氏

体

+

贝贝

氏氏

体体

++

马马

氏氏

(c)

体 (d)屈氏体+索氏体+珠光体 11、淬火的目的是什么？亚共析钢和过共析钢淬火加热温度应如何选择？ 淬火的目的是为了获得马氏体或贝氏体组织。提高钢的机械性能。

为了防止奥氏体晶粒粗化，一般淬火温度不宜太高，只允许超出临界点30-50℃。亚共析钢的淬火加热温度是Ac3+30-50℃。过共析钢的淬火温度是Ac1+30-50℃。

12、 冷却后组织 加热后组织

700℃： 珠光体+铁素体 珠光体+铁素体 760℃： 马氏体+铁素体 奥氏体+铁素体 840℃： 马氏体+残余奥氏体 马氏体+奥氏体 1100℃：粗大的马氏体+粗大的残余奥氏体 粗大的奥氏体

13、淬透性与淬硬层深度两者有何联系和区别？影响钢淬透性的因素有哪些？影响钢制零件淬硬层深度的因素有哪些？

淬透性表示钢在淬火时获得马氏体的能力。而淬硬层深度为钢的表面至半马氏体区的距离。淬透性是钢在规定条件下的一种工艺性能，是确定的可以比较的，为钢材本身固有的属性。淬硬层深度是实际工件在具体条件下淬得的马氏体和半马氏体的深度，是变化的，与钢的淬透性及外在因素（如淬火介质，零件尺寸）有关。

影响钢淬透性的因素：钢的临界冷却速度（VK）。凡是影响C曲线位置的因素均能影响钢的淬透性。 淬硬性主要与马氏体的含碳量有关，含碳量愈高，淬火后硬度愈高。 14、机械设计中应如何考虑钢的淬透性？

机械设计中应考虑钢的淬透性。界面较大或形状复杂以及受力情况特殊的重要零件，要求界面的力学性能均匀的零件，应选用淬透性好的钢：而陈寿扭转或弯曲再和的轴类零件，外层受力较大，心不受力较小，可选用淬透性较低的钢种，只要淬透性深度为轴半径的1/3-1/2即可，这样，既满足了性能的要求降低了成本。

15、指出下列组织的主要区别：（1）索氏体与回火索氏体（2）屈氏体与回火屈氏体（3）马氏体与回火马氏体

索氏体：正火所得，层片状，HB和回火索氏体相当，屈服强度，冲击韧性都比或会索氏体略低。

回火索氏体：调质所得，铁素体+细小颗粒碳化物，综合机械性能优越。 屈氏体：6000-500℃范围内所得，层片状，硬度330-400HBS。

回火屈氏体：350-500℃回火所得，硬度为35-45HRC，又较高的弹性和屈服极限，同时有一定韧性。 马氏体：钢在Ms点以下发生无扩散转变所得，高强度高硬度，塑性、韧性较差。 回火马氏体易于腐蚀，金相显微镜下为暗黑针片状，HRC58-64.

16、甲厂产品的组织为珠光体+铁素体。乙厂产品的组织为回火索氏体，与甲厂产品相比，乙厂产品具有良好的综合机械性能。

17、对低碳钢齿轮进行渗碳，渗碳后表面组织从珠光体+铁素体变成马氏体+残余奥氏体，硬度和耐磨性大幅提高。

对中碳钢齿轮进行表面淬火，表面淬火后表面组织从珠光体+铁素体变成马氏体+残余奥氏体，硬度

和耐磨性提高。

18、表面淬火一般用中碳钢和中碳合金钢，也可用高碳工具钢和低合金工具钢以及铸铁等。渗碳用钢通常为含碳量0.15-0.25%的低碳钢和低碳合金钢。氮化用钢通常是含有Al、Cr、Mo等合金元素的钢。 表面淬火后，表面硬度，耐磨性和疲劳强度均提高。三者相比较，淬火后硬度值一般在HRC45-60之间，渗碳后硬度值在HRC58-60之间，渗氮后硬度值在67-74之间。渗碳与渗氮相比，工件变形大，渗层厚。 表面淬火可用于齿轮、轧辊等；渗碳可用于齿轮、大小轴、凸轮轴、活塞销及机床零件、大型轴承等；渗氮主要用于各种高速传动精密齿轮，高精度机床主轴（如镗床镗杆，磨床主轴），在交变载荷条件下要求疲劳强度很高的零件，以及要求变形很小和具有一定抗热、耐蚀能力的耐磨零件。 <习题七>

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。①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500～600℃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500～600℃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γ-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α-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γ相区的元素外，大多合金元素与铁相互作用能缩

小γ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0.15～0.25％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(0.001～0.004％)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 0.25～0.50％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 0.95～1.15％，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D>30～50mm的滚珠)，还须加入适量的Si(0.40～0.65％)和Mn(0.90～1.20％)，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550～570℃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60～62HRC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1270～1280℃ 时奥氏体中约含有7～8％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20～25％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3～5％，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回火由于残余奥氏体转变为马氏体所产生的内应力。 14、CrWMn钢制造精密量具所需的热处理工艺。

热处理工艺为：球化退火（降低硬度，便于切削加工，为最终热处理做组织准备）

淬火：其目的是为了保证块规具有高的硬度（62～65HRC），耐磨性何和长期的尺寸稳定性。

冷处理后的低温回火：是为了减小应力，并使冷处理后的过高硬度（66 HRC左右）降低至所要求的硬度（62～65HRC）

时效处理原则：是为了消除新生的磨削应力，使量具残余应力保持在最小程度。 15、Cr12MoV钢制造冷作磨具，如何热处理？

Cr12MoV钢类似于高速钢，也需要反复的锻打，把大块的碳化物击碎，锻造后也要进行球化退火，以便降低硬度，便于奥氏体加工。经机械加工后进行淬火，回火处理。必须指出，如果对Cr12MoV钢还要求有良好的热硬性时，一般可将淬火温度适当提高至1115～1130℃，但会因组织粗化而使钢的强度和韧性有所将低。淬火后，由于组织中存在大量残余奥氏体（>80%）而使硬度仅为42～50HRC，但在510～520℃回火时会出现二次硬化现象，是使钢的硬度回升至60～61HRC。

16、与马氏体不锈钢相比，奥氏体的特点？为提高耐蚀性采用什么工艺？

奥氏体不锈钢中加入了扩大γ相区降低 Ms点的合金元素（如Ni），使钢室温下具有单相奥氏体组织。钢中加Ti是为了消除钢的晶间腐蚀倾向。为提高其耐腐蚀性常用的热处理工艺有固溶处理，稳定性处理及除应力处理。

17、常用的耐热钢有哪几种？合金元素在钢中作用？用途？ 耐热钢包括抗氧化钢和热强钢。

提高钢的氧化性，钢中通常加入足够的Cr, Si, Al和稀土等元素。使钢在高温下与氧接触时，表面能生成致密的高熔点的氧化膜，它严密的覆盖在钢的表面，可以保护免于高温气体的继续腐蚀。抗氧化钢多用来制造炉用零件和热交换器。加强钢中常加入铬，镍，钼，钨，钒，锰等元素，用以提高钢的高温强度。汽轮机、燃气轮机的转子和叶片，锅炉过热器，高温工作的螺栓和弹簧，内燃机排气阀等用钢都是热强钢。

18 、指出下列钢类别，用途，碳及合金元素的主要作用和热处理特点。

（ 1 ）、 20CrMnTi ： 渗碳钢。用于承受较强烈的冲击作用和受磨损的条件下进行工作的零件。 0 ． 2 ％ 的碳含量保证了渗碳零件的心部具有良好的韧性和塑性， Cr、Mn、Ti等合金元素所起的主要作用是增加钢的淬透性，提高钢的心部的强度。另外，少量的Ti可形成稳定的合金碳化物，起到细化晶粒、抑制钢件在渗碳时发生过热的作用。渗碳钢的主要热处理工序一般是在渗碳之后再进行淬火和低温回火。处理后零件的心部为具有足够强度和韧性的低碳马氏体组织，表层为硬而耐磨的回火马氏体和一定量的细小碳化物组织。

（ 2 ）、 40MnVB ： 调质钢。这类钢在多种负荷下工作，受力情况比较复杂的重要零件，要求具有高强度与良好的塑性及韧性的配合，即具有良好的综合机械性能。 0 ． 4 ％的含碳量保证 调质钢零件获得良好的综合机械性能；合金元素的加入，主要是为了提高钢的淬透性及保证强度和韧性而加入的。调质钢经过调质热处理后得到回火索氏体组织。调质钢零件，通常除了要求有良好的综合机械性能外，往往还要求表面有良好的耐磨性。为此，经过调质热处理的零件往往还要进行感应加热表面淬火。如果对表面耐磨性能的要求极高，则需要选用专门的调质钢进行专门的化学热处理。

（ 3）、 60Si2Mn ：弹簧钢。用于通过弹性变形储存能量，从而传递力和机械运动或缓和机械振动与冲击，如汽车、火车上的各种板簧和螺旋弹簧、仪表弹簧等，要求必须具有高的弹性极限。 0.6％的含碳量为了保证弹簧的强度要求；合金元素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。淬火后中温回火，得到回火屈氏体组织。

（ 4）、9Mn2V（5）、Crl2MoV：冷作模具钢。用来制造在冷态下使金属变形的模具钢种。为了保证模具经过热处理后获得高硬度和高耐磨性，冷作模具钢含有比较高的碳量。加入的合金元素，其作用主要是为了提高钢的淬透性，耐磨性及减少变形等。热处理采用淬火+低温回火的热处理工艺。

（ 6）、5CrNiMo：热作模具钢。用来制造在受热状态下对金属进行变形加工的模具用钢。碳： 0.50％C，保证一定的强度、硬度和耐磨性；铬：主要是提高淬透性，并能提高回火稳定性，形成的合金碳化物还能提高耐磨性，并使钢具有热硬性；镍：镍与铬共同作用能显著提高淬透性，镍固溶于铁素体中，在强化铁素体的同时还增加钢的韧性。锰：在提高淬透性方面不亚于镍，但Mn固溶于铁素体中，在强化铁素体的同时使钢的韧性有所降低。钼：其主要作用是防止产生第二类回火脆性。另外钼也有细化晶粒，增加淬透性，提高回火稳定性等作用。热处理采用淬火+低温回火的热处理工艺。

（ 7）、1Crl3：马氏体型不锈钢。用于要求韧性较高与受冲击载荷下的耐腐蚀的结构钢零件。铬：能在阳极区表面上形成一层富Cr的氧化物保护膜，这层氧化膜会阻碍阳极区域的电化学反应，并能增加钢的电极电位而使其电化学腐蚀过程减缓，从而使含铬不锈钢获得一定的耐蚀性。热处理采用淬火＋高温回火，得到回火索氏体组织。

（ 8）、1Cr18Ni9Ti：奥氏体型不锈钢。含碳量很低，属于超低碳范围，这是因为含碳量增高对耐蚀性是不利的。合金元素铬主要产生钝化膜，阻碍阳极电化学腐蚀反应，增加钢的耐蚀性；含约9％Ni主要作用是扩大γ区并降低Ms点(降低至室温以下)。使钢在室温时具有单相奥氏体组织。热处理：固溶处理，让所有碳化物全部溶于奥氏体，然后水淬快速冷却，不让奥氏体在冷却过程中有碳化物析出或发生相变，在室温下获得单相的奥氏体组织，提高耐蚀性。

（ 9）、ZGMnl3：高锰耐磨钢。用于制造有强烈摩擦或撞击时的抗磨损的工件。Mn:C比值不小于10。为了使高锰钢全部获得奥氏体组织须进行“水韧处理”。

<习题八>

一、名词解释：

1．白口铸铁：碳除少量溶于铁素体外，其余全部以化合态的渗碳体析出，凝固后断口呈白亮的颜色，故

称为白口铸铁。

2．灰口铸铁：碳大部分以游离状态的石墨析出，凝固后断口呈暗灰色，故称为灰口铸铁

3．可锻铸铁：可锻铸铁是先将铁水浇注成白口铸铁,然后经过石墨化退火,使游离渗碳体发生分解形成团

絮状石墨的一种高强度灰口铸铁。

4．球墨铸铁：石墨呈球状分布在基体上的灰口铸铁称为球墨铸铁。

5．石墨化：铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程.根据铁合金双重状态图,铸铁的石墨化过程可分为三

个阶段.第一阶段,液相至共晶结晶阶段. 第二阶段,共晶至共析转变之间阶段. 第三阶段,共析转变阶段.

6．孕育铸铁：经过孕育处理，获得基体组织上分布细小片状石墨的灰铸铁，称为孕育铸铁。 二、铸铁的石墨化过程是如何进行的？影响石墨化的主要因素有哪些？ 1. 铸铁的石墨化过程：

铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程.根据铁合金双重状态图,铸铁的石墨化过程可分为三个阶段. 第一阶段,液相至共晶结晶阶段.包括从过共晶成分的液相中直接结晶出一次石墨和共晶成分的液相结晶出奥氏体和石墨；以及由一次渗碳体和共晶渗碳体在高温退火时分解为奥氏体和石墨。

第二阶段,共晶至共析转变之间阶段.包括从奥氏体中直接析出二次石墨和二次渗碳体在此温度区间内分解为奥氏体和石墨

第三阶段,共析转变阶段.包括共析转变时，奥氏体转变为铁素体和石墨及共析渗碳体退火时分解为铁素体和石墨。

2．影响石墨化过程的主要因素： A.铸铁的化学成分对石墨化的影响

①碳和硅:碳和硅都是强烈促进石墨化的元素.

②锰:锰是阻碍石墨化的元素.它能溶于铁素体和渗碳体中,其固碳的作用,从而阻碍石墨化. ③硫:硫是有害元素,阻碍石墨化并使铸铁变脆. ④磷:磷是一个促进石墨化不显著的元素. B:冷却速度对石墨化过程的影响 冷却速度越慢，越有利于石墨化。

三、试述石墨形态对铸铁性能的影响。

灰铸铁中石墨呈片状，片状石墨的强度、塑性、韧性几乎为零,存在石墨地方就相当于存在孔洞、微裂纹,它不仅破坏了基体的连续性,减少了基体受力有效面积,而且在石墨片尖端处形成应为集中,使材料形成脆性断裂。石墨片的数量越多,尺寸越粗大,分布越不均匀,铸铁的抗拉强度和塑性就越低。

可锻铸铁中石墨呈团絮状。与灰铸铁相比对金属基体的割裂作用较小,可锻铸铁具有较高的力学性能,尤其是塑性与韧性有明显的提高。

球墨铸铁中石墨呈球状，所以对金属基体的割裂作用较小,使得基体比较连续,在拉伸时引起应力集中的现象明显下降,从而使基体强度利用率从灰铸铁的30%~50%提高到70%~90%,这就使球墨铸铁的抗拉强度、塑性和韧性、疲劳强度不仅高于其它铸铁,而且可以与相应组织的铸钢相比。

总之，石墨的形状越接近于球形，铸铁的强度、塑性及韧性越高。

四、比较各类铸铁的性能特点，与钢相比铸铁在性能（包括工艺性能）上有何优缺点？

白口铸铁组织中存在着共晶莱氏体,性能硬而脆,很难切削加工,但其耐磨性好，铸造性能优良。 灰铸铁组织中碳全部或大部分以片状石墨形式存在,断口呈暗灰色。其铸造性能、切削加工性、减摩性、消震性能良好，缺口敏感性较低。

与钢相比，铸铁中含碳及含硅量较高。同时，含有较多硫、磷等杂质元素。铸铁的抗拉强度，塑性和韧性要比碳钢低．一般说来，石墨数量愈少，形状愈接近球形，则铸铁的强度，塑性及韧性愈高.石墨的存在虽然降低了铸铁的力学性能,但却赋予铸铁为许多钢件所不及的性能: ①优良的铸造性能 ②良好的切削加工性 ③较好的耐磨性和减振性 ④较低的缺口敏感性

五、试从下列几个方面来比较 HTl50 铸铁和退火状态 20 钢。

(1) 成分 (2) 组织 (3) 抗拉强度 (4) 抗压强度 (5) 硬度 (6) 减摩性 (7) 铸造性能 (8) 锻造性能 (9) 可焊性 (10) 切削加工性 成分：20钢含碳量平均为0.20%，硅含量约0.17～0.37%；

HT150对成分无严格要求，只要求其力学性能。作为灰铸铁，其含碳量通常大于2.4%，硅含量也较高。

组织：20钢退火组织为铁素体+珠光体；HT150为铁素体+珠光体的基体上分布着片状石墨。 性能比较 20钢 HT150 抗拉强度,MPa ≥410 ≥150 抗压强硬度 度，MPa HBS 650 100~120 170~240 减摩性 铸造性能 好 好 锻造性能 好 可焊性 切削加工性 好 好 六、现有铸态下球墨铸铁曲轴一根，按技术要求，其基体应为珠光体组织，轴颈表层硬度为 HRC50－55 。试确定热处理方法。

若要使基体获得珠光体组织，须进行高温正火处理：将铸件加热到共析温度范围以上30~50℃，保温一段时间后，出炉空冷。

由于要求表层硬度为HRC50-55，还需进行表面淬火处理，如高频淬火等 七、如何获得高强度球墨铸铁？

首先应严格控制化学成分，控制S,P含量，以保证球化质量和减少磷共晶等夹杂。适当添加合金元素以提高淬透性等。其次，提高球化与孕育质量，使石墨的圆整度好，球径小，分布均匀。最后，根据要求采用适当的热处理工艺，如调质处理，等温淬火等。