工程材料课后习题参考答案.pdf

工程材料课后习题参考答案工程材料 思考题参考答案第一章金属的晶体结构与结晶1.解释以下名词点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，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。答：点缺陷：原子排列不规那么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：原子排列的不规那么区域在空间一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：原子排列不规那么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。亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块,它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。2亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。刃型位错:位错可认为是晶格中一局部晶体相对于另一局部晶体的局部滑移而造成。滑移局部与未滑移局部的交界线即为位错线。如果相对滑移的结果上半局部多出一半原子面，多余半原子面的边缘好似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，那么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,原子呈规那么排列的结晶核心。非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒外表所形成的晶核。变质处理：在液态金属结晶前，特意参加某些难熔3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：在浇注前所参加的难熔杂质称为变质剂。2.常见的金属晶体结构有哪几种？a-Fe Y-F e、A l、C u、N i、P b、C r、V、Mg、Zn 各属何种晶体结构？答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；a Fe、Cr V属于体心立方晶格；Y-F e、Al、Cu Ni P b属于面心立方晶格；Mg、Z n属于密排六方晶格；3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。晶体中配位数和致密度越大，那么晶体中原子排列越紧密。4.晶面指数和晶向指数有什么不同？答：晶向是指晶格中各种原子列的位向，用晶向指数来表示，形式为 时；晶面是指晶格中不同方位上4的原子面，用晶面指数来表示，形式为（必/）。5 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。6,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。7.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，那么过冷度也越大。随着冷5却速度的增大，那么晶体内形核率和长大速度都加快，加速结晶过程的进行，但当冷速到达一定值以后那么结晶过程将减慢，因为这时原子的扩散能力减弱。过冷度增大，A 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。8.金属结晶的根本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？答：金属结晶的根本规律是形核和核长大。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。9.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：采用的方法：变质处理，钢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，特意参加6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。第二章金属的塑性变形与再结晶1.解释以下名词：加工硬化、回复、再结晶、热加工、冷加工。答：加工硬化：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7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。热加工：将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行压力加工。冷加工：在再结晶温度以下进行的压力加工。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8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局部，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局部，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所消除。4 .与冷加工比拟，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9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开展。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？10答：晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性，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局部的变形不均匀或晶粒内各局部和各晶粒间的变形不均匀，金属内部会形成剩余的内应力，这在一般情况下都是不利的，会引起零件尺寸不稳定。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，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 .金属铝、铁、铅、锡的熔点分别为3 3 8 0、1 5 3 8、11327 232,试计算这些金属的最低再结晶温度，并分析铝和铁在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；铝 T 再=0.4*(3380+273)-273=1188.2;铁 丁 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.由于鸽 T 再 为 1188.21100,因此属于热加工；铁T再为451.4CV1100,因此属于冷加工；铅T再 为-3 3 C V 2 0 C,属于冷加工；锡T再 为-71 c(%)Fe3CC：共晶点1148 4.30%C,在这一点上发生共晶转变，反响式：L c AE+Fe3C,当冷到1148 c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一一莱氏体（）-缶后+a 3。）E：碳在 中的最大溶解度点1148 c 2.11%CG：FeoFe同素异构转变点（A3）9 12 0%CH：碳在R e 中的最大溶解度为149 5 c 0.09%CJ：包晶转变点149 5 0.17%C 在这一点上发生包晶转变，反响式：LK+8H 4 当冷却到149 5 c时具有B 点成分的液相与具有H 点成分的固相6反响生成具有J点成分的固相A oN：夕-彘=5-F e 同素异构转变点（A。139 4 0%C25P：碳在a中的最大溶解度点0.0218%C 727S：共析点727 0.77%C在这一点上发生共析转变，反响式：A,=外+Fe3c,当冷却到7 2 7 c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 S+Fe3c）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Fe3c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A+Fe3Gl，从A中析出的Fe3c称为二次渗碳体。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线那么是铁素体析出的终了线，所以GSP区的显微组织是尸 +A。PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线，随温度的降低，碳在铁素体中的溶解度减少，多余的碳以Fe3c形式析出，从尸中析出的Fe3c称为三次渗碳体Fe.Cm,由于铁素体含碳很少，析出的Fe3GH很少，一般忽略，认为从7 27 c冷却到室温的显微组织不变。PSK线：共析转变线，在 这 条 线 上 发 生 共 析 转 变=弓+3。，产 物（P）珠光体,含碳量在0.026.69%的铁碳合金冷却到7 2 7 c时都有共析转变发生。6.简述Fe-Fe3c相图中三个根本反响：包晶反响，共晶反响及共析反响，写出反响式，标出含碳量及温度。答：共析反响：冷却到7 2 7 c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。YO.8 Fo.o2+Fe3C6.69包晶反响：冷却到1495时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相6反响生成26具有J 点成分的固相A。Us+So.,1495a Y 0.16共晶反响：U 4 8 C 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。L430T Y 2,M+Fe3c6.697.何谓碳素钢？何谓白口铁？两者的成分组织和性能有何差异？答：碳素钢：含有0.02%2.14%C的铁碳合金。白口铁：含大于2.14%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，那么钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。当含碳量到达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，强度到达最大值,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。8.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。9.分析含碳量分别为0.2 0%、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(72 7),在恒温下发生共析转变，转变结束时全部为珠光体P,27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P Q 变化，析出三次渗碳体F/G n，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P0.60%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，奥氏体的成分到达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FeaGu量很少，可忽略。所以含碳0.40%的亚共析钢的室温组织为：F+P1.0%C：合金在1-2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FeQn,a3cH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（727C）时，其含碳量降为0.77%,在恒温下发生共析转变,形成珠光体，此时先析出的尻3Gl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，忽略好3。川。室温组织为二次渗碳体和珠光体。10.指出以下名词的主要区别：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。二次渗碳体：从A中析出的Fe3c称为二次渗碳体。28三次渗碳体：从尸中析出的F e 3 c 称为三次渗碳体电3。川。共晶渗碳体：经共晶反响生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。共析渗碳体：经共析反响生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。2)热脆与冷脆。答:热脆:S在钢中以F e S 形成存在,F e S 会与F e 形成低熔点共晶，当钢材在10 0 0 120 0 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 。11.根 据 F e-F e 3 c 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，二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量。答：1)Wp=(0.6-0.0 2)/(0.8-0.0 2)*10 0%=7 4%Wa=l-7 4%=26%2)Wp=(2.14-1.2)/(2.14-0.8)*10 0%=7 0%WF e3 c n=l-7 0%=3 0%3)WF e3 c n =(2.14-0.8)/(6.6 9-0.8)*10 0%=23%W F e3 c m=0.0 2/6.6 9*10 0%=3 3%12.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8 0%,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。W =8 0%=(0.8-W c)/(0.8-0.0 2)*1 0 0%Wc=0.1 8%1 3 .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+渗碳体(粒状)，其中渗碳体占1 8%,问此碳钢的含碳量大约是多少？29答：WFe 3 Cn=1 8%=(W c-O.0 2)/(6.6 9-0.0 2)*1 0 0%Wc=l.22%1 4 .对某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9 3%,问此碳钢的含碳量大约为多少？答：Wp=9 3%=(2.1 4-Wc)/(2.1 4-0.8)*1 0 0%=7 0%Wc=0.8 9%1 5 .计算Fe-1.4%C合金在7 0 0 C下各个相及其组分数量和成分。答：含 1.4%C合金属于过共析钢，其组织为珠光体+二次渗碳体，相为铁素体和渗碳体。Wp=(2.1 4-1.4)/(2.1 4-0.8)*1 0 0%=5 5%WFe 3 c n=l-5 5%=4 5%Wa=(6.6 9-1.4)/(6.6 9-0.0 2)*1 0 0%=7 9%WFe 3 C=l-7 9%=21%1 6 .根 据 Fe-Fe 3 c 相图，说明产生以下现象的原因：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 1 1 0 0,含 碳 0.4%的钢能进行锻造，含 碳 4.0%的生铁不能锻造；答：在 1 1 0 0 C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渗碳体，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、6 5、7 0、7 5 等钢制成)；答：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 6 0、6 5、307 0、75钢有高的强度和高的弹性极限。这样在吊重物时不会断裂。5）钳工锯T8,T10,T12 等钢料时比锯10,2 0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%,因而钢中渗碳体含量高，钢的硬度较高；而 10,2 0钢为优质碳素结构钢，属于低碳钢，钢的硬度较低，因此钳工锯T8,T10,T12 等钢料时比锯10,2 0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%2.14%之间，渗碳体含量较少，铁素体含量较多，而铁素体有较好的塑韧性，因而钢适宜于压力加工；而铸铁组织中含有大量以渗碳体为基体的莱氏体，渗碳体是硬脆相，因而铸铁适宜于通过铸造成形。17.钢中常存杂质有哪些？对钢的性能有何影响？答：钢中常存杂质有Si、M n、S、P 等。M n：大局部溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化：另一局部M n 溶于 Fe3c中，形成合金渗碳体，这都使钢的强度提高，M n 与 S 化合成MnS,能减轻S 的有害作用。当M n 含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响并不明显。Si：Si与 M n 一样能溶于铁素体中，使铁素体强化，从而使钢的强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。当Si含量不多，在碳钢中仅作为少量夹杂存在时,它对钢的性能影响并不显著。S：硫不溶于铁，而以FeS形成存在，FeS会与Fe形成共晶，并分布于奥氏体的晶界上，当钢材在100012 00压力加工时，由于FeS-Fe共 晶（熔点只有989）已经熔化，并使晶粒脱开，钢材将变得极脆。P：磷在钢中全部溶于铁素体中，虽可使铁素体的强度、硬度有所提高，但却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。18.试述碳钢的分类及牌号的表示方法。答：分类：1）按含碳量分类31低碳钢：含碳量小于或等于0.25%的钢，0.010.25%C W0.25%C中碳钢：含碳量为0.30-0.55%的钢 0.250.6%C高碳钢：含碳量大于0.6%的钢 0.61.3%C 0.6%C(2按质量分类：即含有杂质元素S、P 的多少分类：普通碳素钢：0.055%PW0.045%优质碳素钢：S、PW0.0350.040%高级优质碳素钢：0.02-0.03%；PW 0.03-0.035%(3)按用途分类碳素结构钢：用于制造各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等，及机器零件，如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等。碳素工具钢：用于制造各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢，在质量上都是优质钢或高级优质钢。牌号的表示方法：(1)普通碳素结构钢：用 Q+数字表示，Q”为屈服点，“屈”汉语拼音，数字表示屈服点数值。假设牌号后面标注字母A、B、C、D,那么表示钢材质量等级不同，A、B、C、D质量依次提高，F表示沸腾钢，b为半镇静钢，不标F和 b的为镇静钢。(2)优质碳素结构钢：牌号是采用两位数字表示的，表示钢中平均含碳量的万分之几。假设钢中含镐量较高，须将镒元素标出，(3)碳素工具钢：这类钢的牌号是用“碳 或 T字后附数字表示。数字表示钢中平均含碳量的千分之几。假设为高级优质碳素工具钢，那么在钢号最后附以A”字。19.低碳钢、中碳钢及高碳钢是如何根据含碳量划分的？分别举例说明他们的用途？答：低碳钢：含碳量小于或等于0.25%的钢；08、10、钢，塑性、韧性好，具有优良的冷32成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等；15、2 0、2 5钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、外表要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞钢、样板等。中碳钢：含碳量为0.300.55%的 钢；30、35、40、45、50钢 经 热 处 理（淬火+高温回火）后具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件；高碳钢：含碳量大于0.6%的 钢；60、65钢 热 处 理（淬火+高温回火）后具有高的弹性极限，常用作弹簧。T7、T8、用于制造要求较高韧性、承受冲击负荷的工具，如小型冲头、凿子、锤子等。T9、T10、T 1 K用于制造要求中韧性的工具，如钻头、丝锥、车刀、冲模、拉丝模、锯条。T12、T13、钢具有高硬度、高耐磨性，但韧性低，用于制造不受冲击的工具如量规、塞规、样板、铿刀、刮刀、精车刀等。2 0.以下零件或工具用何种碳钢制造：手锯锯条、普通螺钉、车床主轴。答：手锯锯条：它要求有较高的硬度和耐磨性，因此用碳素工具钢制造，如T9、T9A、T10、T10A、T H、TllAo普通螺钉：它要保证有一定的机械性能，用普通碳素结构钢制造，如Q195、Q2 15、Q2 35。车床主轴：它要求有较高的综合机械性能，用优质碳素结构钢，如30、35、40、45、50o2 1.指出以下各种钢的类别、符号、数字的含义、主要特点及用途：Q2 35-AF、Q2 35-C、Q195-B、Q2 55-D、40、45、08、2 0、2 0R、2 0G、T8、T10A、T12 A答：Q2 35-AF：普通碳素结构钢，屈服强度为2 35MPa的A级沸腾钢。Q2 35-C:屈服强度为2 35MPa的C级普通碳素结构钢，Q195-B:屈服强度为195MPa的B级普通碳素结构钢，33Q2 5 5-D:屈服强度为2 5 5 MPa 的D级普通碳素结构钢，Q1 9 5、Q2 3 5 含碳量低，有一定强度，常扎制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，也可制造普通的即钉、螺钉、螺母、垫圈、地脚螺栓、轴套、销轴等等，Q2 5 5 钢强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接。通常扎制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造连杆、键、销、简单机械上的齿轮、轴节等。4 0:含碳量为0.4%的优质碳素结构钢。4 5 含碳量为0.4 5%的优质碳素结构钢。4 0、4 5 钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件。0 8：含碳量为0.0 8%的优质碳素结构钢。塑性、韧性好，具有优良的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等。2 0：含碳量为0.2%的优质碳素结构钢。用于制作尺寸较小、负荷较轻、外表要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞钢、样板等。2 0 R：含碳量为0.2%的优质碳素结构钢，容器专用钢。2 0 G：含碳量为0.2%的优质碳素结构钢，锅炉专用钢。T 8：含碳量为0.8%的碳素工具钢。用于制造要求较高韧性、承受冲击负荷的工具,如小型冲头、凿子、锤子等。T 1 0 A：含碳量为1.0%的高级优质碳素工具钢。用于制造要求中韧性的工具，如钻头、丝锥、车刀、冲模、拉丝模、锯条。T 1 2 A：含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。具有高硬度、高耐磨性，但韧性低,用于制造不受冲击的工具如量规、塞规、样板、铿刀、刮刀、精车刀。第 五 章 钢 的 热 处 理341.何谓钢的热处理？钢的热处理操作有哪些根本类型？试说明热处理同其它工艺过程的关系及其在机械制造中的地位和作用。答：(1)为了改变钢材内部的组织结构，以满足对零件的加工性能和使用性能的要求所施加的一种综合的热加工工艺过程。(2 )热 处 理 包 括 普 通 热 处 理 和 外 表 热 处 理；普 通 热 处 理 里 面 包 括退火、正火、淬火和回火，外表热处理包括外表淬火和化学热处理，外表淬火包括火焰加热外表淬火和感应加热外表淬火，化学热处理包括渗碳、渗氮和碳氮共渗等。(3)热处理是机器零件加工工艺过程中的重要工序。一个毛坯件经过预备热处理，然后进行切削加工，再经过最终热处理，经过精加工，最后装配成为零件。热处理在机械制造中具有重要的地位和作用，适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料潜力、降低结构重量、节省材料和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命，做到一个顶几个、顶十几个。此外，通过热处理还可使工件外表具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。2 .解释以下名词：1)奥氏体的起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度；答：(1)起始晶粒度：是指在临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚接触时的晶粒大小。(2)实际晶粒度：是指在某一具体的热处理加热条件下所得到的晶粒尺寸。(3)本质晶粒度：根据标准试验方法，在9 3 0土1 0 保 温 足 够 时 间(3-8小时)后测定的钢中晶粒的大小。2)珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体；答：珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物。索氏体：在6 5 0 6 0 0 温度范围内形成层片较细的珠光体。35屈氏体：在6 0 0 5 5 0 温度范围内形成片层极细的珠光体。贝氏体：过饱和的铁素体和渗碳体组成的混合物。马氏体：碳 在a-F e中的过饱和固溶体。3）奥氏体、过冷奥氏体、剩余奥氏体；答:奥氏体：碳在/一茶中形成的间隙固溶体.过冷奥氏体：处于临界点以下的不稳定的将要发生分解的奥氏体称为过冷奥氏体。剩余奥氏体：M转变结束后剩余的奥氏体。4）退火、正火、淬火、回火、冷处理、时 效 处 理（尺寸稳定处理）；答：退火：将工件加热到临界点以上或在临界点以下某一温度保温一定时间后，以十分缓慢 的 冷 却 速 度（炉冷、坑冷、灰冷）进行冷却的一种操作。正火：将工件加热到q或A四以上3 0 8 0 ,保温后从炉中取出在空气中冷却。淬火：将钢件加热到A c,或A s以 上3 0 5 0 ,保温一定时间，然 后快速冷却（一般为油冷或水冷），从而得马氏体的一种操作。回火：将淬火钢重新加热到由点以下的某一温度，保温一定时间后，冷却到室温的一种操作。冷处理：把冷到室温的淬火钢继续放到深冷剂中冷却，以减少剩余奥氏体的操作。时效处理：为使二次淬火层的组织稳定，在1 1 0 1 5 0 经 过6 3 6小时的人工时效处理，以使组织稳定。5）淬火临界冷却速度（V J,淬透性，淬硬性；答：淬火临界冷却速度（Vk）：淬火时获得全部马氏体组织的最小冷却速度。淬透性：钢在淬火后获得淬硬层深度大小的能力。淬硬性：钢在淬火后获得马氏体的最高硬度。6）再结晶、重结晶；答：再结晶：金属材料加热到较高的温度时，原子具有较大的活动能力，使晶粒的36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。重结晶：由于温度变化，引起晶体重新形核、长大，发生晶体结构的改变，称为重结晶。7）调质处理、变质处理。答：调质处理：淬火后的高温回火。变质处理：在液态金属结晶前，特意参加某些难熔固态颗粒，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。3.指出 A 1、A 3、Acn；Aci AC3 Accn；Ari、Ar3、Arcm 各临界点的意乂。答：A】：共析转变线，含碳量在0.02 6.69%的铁碳合金冷却到72 7c时都有共析转变发生,形 成P。A3：奥氏体析出铁素体的开始线。Acn：碳在奥氏体中的溶解度曲线。加：实际加热时的共析转变线。Acs：实际加热时奥氏体析出铁素体的开始线。Acra：实际加热时碳在奥氏体中的溶解度曲线。Arl：实际冷却时的共析转变线。Ar3：实际冷却时奥氏体析出铁素体的开始线。Arca：实际冷却时碳在奥氏体中的溶解度曲线。4 .何谓本质细晶粒钢？本质细晶粒钢的奥氏体晶粒是否一定比本质粗晶粒钢的细？答：（1）本质细晶粒钢：加热到临界点以上直到930,随温度升高，晶粒长大速度很缓慢，称本质细晶粒钢。（2）不一定。本质晶粒度只代表钢在加热时奥氏体晶粒长大倾向的大小。本质粗晶粒钢在较低加热温度下可获得细晶粒，而本质细晶粒钢假设在较高温度下加37热也会得到粗晶粒。5 .珠光体类型组织有哪几种？它们在形成条件、组织形态和性能方面有何特点？答：(1)三种。分别是珠光体、索氏体和屈氏体。(2)珠光体是过冷奥氏体在5 5 0 C 以上等温停留时发生转变，它是由铁素体和渗碳体组成的片层相间的组织。索氏体是在6 5 0 6 0 0 C 温度范围内形成层片较细的珠光体。屈氏体是在6 0 0 5 5 0 温度范围内形成片层极细的珠光体。珠光体片间距愈小，相界面积愈大，强化作用愈大，因而强度和硬度升高，同时，由于此时渗碳体片较薄，易随铁素体一起变形而不脆断，因此细片珠光体又具有较好的韧性和塑性。6 .贝氏体类型组织有哪几种？它们在形成条件、组织形态和性能方面有何特点？答：(1)两种。上贝氏体和下贝氏体。(2)上贝氏体的形成温度在6 0 0 3 5 0 C。在显微镜下呈羽毛状，它是由许多互相平行的过饱和铁素体片和分布在片间的断续细小的渗碳体组成的混合物。其硬度较高，可达H R C 4 0 4 5,但由于其铁素体片较粗，因此塑性和韧性较差。下贝氏体的形成温度在3 5 0 M s,下贝氏体在光学显微镜下呈黑色针叶状,在电镜下观察是由针叶状的铁素体和分布在其上的极为细小的渗碳体粒子组成的。下贝氏体具有高强度、高硬度、高塑性、高韧性，即具有良好的综合机械性能。7 .马氏体组织有哪几种根本类型？它们在形成条件、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？答：(1)两种，板条马氏体和片状马氏体。(2)奥氏体转变后，所产生的M的形态取决于奥氏体中的含碳量，含碳量0.6%的为板条马氏体；含碳量在0.6-1.0%之间为板条和针状混合的马氏体；含碳量大于1.0%的为针状马氏体。低碳马氏体的晶体结构为体心立方。随含碳量增加，逐渐从体心立方向体心正方转变。含碳量较高的钢的晶体结构一般出38现体心正方。低碳马氏体强而韧，而高碳马氏体硬而脆。这是因为低碳马氏体中含碳量较低，过饱和度较小，晶格畸变也较小，故具有良好的综合机械性能。随含碳量增加，马氏体的过饱和度增加，使塑性变形阻力增加，因而引起硬化和强化。当含碳量很高时，尽管马氏体的硬度和强度很高，但由于过饱和度太大，引起严重的晶格畸变和较大的内应力，致使高碳马氏体针叶内产生许多微裂纹，因而塑性和韧性显著降低。(3)随着含碳量的增加，钢的硬度增加。8.何谓等温冷却及连续冷却？试绘出奥氏体这两种冷却方式的示意图。答：等温冷却：把奥氏体迅速冷却到An以下某一温度保温，待其分解转变完成后，再冷至室温的一种冷却转变方式。连续冷却：在一定冷却速度下，过冷奥氏体在一个温度范围内所发生的转变。9.为什么要对钢件进行热处理？答：通过热处理可以改变钢的组织结构，从而改善钢的性能。热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织和性能更加均39匀。10.试比拟共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线与连续转变曲线的异同点。答：首先连续冷却转变曲线与等温转变曲线临界冷却速度不同。其次连续冷却转变曲线位于等温转变曲线的右下侧，且没有C曲线的下局部，即共析钢在连续冷却转变时，得不到贝氏体组织。这是因为共析钢贝氏体转变的孕育期很长，当过冷奥氏体连续冷却通过贝氏体转变区内尚未发生转变时就已过冷到Ms点而发生马氏体转变，所以不出现贝氏体转变。11.淬火临界冷却速度V k的大小受哪些因素影响？它与钢的淬透性有何关系？答：(1)化学成分的影响：亚共析钢中随着含碳量的增加，C曲线右移，过冷奥氏体稳定性增加，那么Vk减小，过共析钢中随着含碳量的增加，C曲线左移，过冷奥氏体稳定性减小，那么Vk增大；合金元素中，除C。和A1(2.5%)以外的所有合金元素，都增大过冷奥氏体稳定性，使C曲线右移，那么Vk减小。(2)一定尺寸的工件在某介质中淬火，其淬透层的深度与工件截面各点的冷却速度有关。如果工件截面中心的冷速高于V k,工件就会淬透。然而工件淬火时外表冷速最大，心部冷速最小，由外表至心部冷速逐渐降低。只有冷速大于Vk的工件外层局部才能得到马氏体。因此，Vk越小，钢的淬透层越深，淬透性越好。12.将的mm的T8钢加热至760并保温足够时间，问采用什么样的冷却工艺可得到如下组织：珠光体，索氏体，屈氏体，上贝氏体，下贝氏体，屈氏体+马氏体，马氏体+少量剩余奥氏体；在C曲线上描出工艺曲线示意图。答：(D珠光体：冷却至线550范围内等温停留一段时间，再冷却下来得到珠光体组织。索氏体：冷却至650600C温度范围内等温停留一段时间，再冷却下来得到索光体组织。屈氏体：冷却至6005 5 0 c温度范围内等温停留一段时间，再冷却下来得到屈氏体组织。上贝氏体：冷却至600350C温度范围内等温停留一段时间，再冷却下来得40到上贝氏体组织。下贝氏体：冷 却 至3 5 0 M s温度范围内等温停留一段时间，再冷却下来得到下贝氏体组织。屈氏体+马氏体：以大于获得马氏体组织的最小冷却速度并小于获得珠光体组织的最大冷却速度连续冷却，获得屈氏体+马氏体。马氏体+少量剩余奥氏体：以大于获得马氏体组织