精选工程材料与热处理-第3章作业题参考答案.docx

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1、工程材料与热处理-第3章作业 题参考答案反响。L-A+Fe3c (共晶) 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+ Fe3c （共析）10.画出Fe-Fe3c相图钢的局部，试分析45钢,T8钢，T12钢在极缓慢的冷却条件下的组织转变过程，并绘出室温显微组织示意图。 答：Fe-Fe3c相图如以下列图所示Fe2(x)c*10056 6.6945钢为亚共析钢(组制 组织转变过程如下：Lf L+ S L+ 5 + y - L+ y 1 f a + 丫 f a +P+ y f a + P（析出 Fe3CIH）T8钢近似为共析钢(组 组织转变过程如下

2、:LL+ 丫 f 丫 f P+ yfP ( a+ Fe3C)(2) T12为过共析钢(组织FLf L+ 丫 丫 f 丫 +Fe3C I-P + Fe3CII11.为什么铸造合金常选用靠近共晶成分的合 金，而压力加工合金那么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。12.根据Fe-Fe3c相图，确定下表中三种钢在指定温度下的显微组织名称。钢 号温度 ()显微组织温度 ()显微组织20770F+A900AT8680P77

3、0AT12700P+Fe3Cn770A+Fe3Cn.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，/%: 07740：77-0.0218此钢材碳的含量大约0. 17 wt%,与20钢接近.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：最简单的方法就是用钢铿，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）

4、.现有两种铁碳合金，在显微镜下观察其组织，并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 F%= 0.77-口 珠光体占75%,铁素体占25%,此钢应为亚共析 钢,其碳的质量分数约为0. 58 wt%.C= x0.77369-0：77珠光体占92%,二次渗碳体占8%,此钢应为过共析钢，其碳的质量分数约为1. 24 wt%.13 .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0. 20%、 0. 40% 1.2% 3. 5%o根据

5、你所学过的知识,可有哪些方法来区别它们?答：方法一：硬度测试。硬度值大小顺序是：白口铸铁T12钢45钢20钢。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2.11%C) T12 钢(1.2%C) 45 钢(0. 45%) 20钢(0.2%C)O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O亚共析钢组织为（F+P）,且亚共析钢中随含碳量增加铁素体减少，珠光体增多；过共析钢组织为（P+Fe3Cn）,且当Wc0.9%时，为3身沿晶界呈网状分布；白口铸铁的组织中有莱氏体。所以, 组织为（F+P）而铁素体少的为20钢、珠光体 多的为45钢；组织中有

6、Fe3Cn沿晶界呈网状分 布的T12钢，有莱氏体组织存在的是白口铸铁。 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45钢T12钢 白口铸铁。17 .根据Fe-Fe3c相图解释以下现象：(1)在进行热轧和锻造时，通常将钢加热到 1000-1200；(2)钢钾钉一般用低碳钢制作；(3)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(60钢、65钢、 70钢等制成)；(4)在1100C时,Wc=0.4%的碳钢能进行锻造, 而Wc=4.0%的铸铁不能进行锻造；(5)在室温下Wc=0.8%的碳钢比Wc=l.2%的碳钢强度高;(6)钢锭在正常温度(950-1

7、100)下轧制有时会造成开裂；答: (7)钳工锯割T8钢、T10钢等钢料比锯割10 钢、20钢费力，锯条易钝；此区域为单相奥氏体,相对较软,易变形低碳钢塑性较好铁丝强度低,塑性好；60钢、65钢、70钢等钢丝强度高(4)因为机二4.0%在此温度下组织有高温莱氏体，其中含有共晶渗碳体,此组织塑性极差,不 能锻造，Wc=0.4%的碳钢，在此温度为单相奥氏 体,塑性好,故可进行锻造工艺(5)硬度随含C量增加而增加,但强度不一样,强度和组织有关,Wc=0.8%和Wc=l.2%钢的组织为珠光体和晶界析出的二次渗碳体，两者组织 中的含量不一样，二次渗碳体是一种脆性相， 对强度影响很大，而Wc=l.2%钢中

8、二次渗碳体 比 Wc=0. 8%多 o(6)因冶金质量不高，钢中存在硫，硫与铁生成FeS, FeS与Fe能形成低熔点共晶体(FeS+Fe),熔点仅为985,低于钢材热加工的温度。因此，在热加工时，分布在晶界上的共晶体熔化 导致钢的开裂，这种现象称为热脆。 高碳钢T8钢和T10钢比低碳钢10钢和20 钢硬度高，更耐磨，所以锯割T8钢、T10钢等 钢料比锯割10钢、20钢费力，锯条易钝。18 .试以钢的显微组织说明20钢、45钢和T8 钢的力学性能有何不同。答：20钢含碳量约为0. 2%,为低碳钢，在平衡 状态下，显微组织为铁素体和少量珠光体，所以硬度较低，强度也较低。45钢含碳量约为0. 45%

9、, 为中碳钢，显微组织为铁素体和珠光体，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0.8%,显微组织主要是珠光体，当 然强度和硬度在三者中是最高的了。19 .以下说法是否正确？为什么？(1)钢的碳含量越高，质量越好；(2)共析钢在727C发生共析转变形成单相珠光体；(3) Wc=4.3%的钢在11480c发生共晶转变形成莱 氏体；(4)钢的含碳量越高，其强度和塑性也越高；答(1)不对,钢的碳含量越高，硬度越大，跟质量越好没关系(2)不对，珠光体是两相混合组织(3)不对，Wc=4.3%的铁在1148c发生共晶转变形成莱氏体(4)不对,钢的含碳量越高，其塑性越低，而强度随碳含量

10、先增后降。20.以下工件，由于管理的过失，造成钢材错用,问使用过程中会出现哪些问题?(1)把Q235-A当做45钢制造齿轮；(2)把30钢当做T13钢制成铿刀；(3)把20钢当做60钢制成弹簧；答：(1) Q235为低碳钢,45钢为中碳钢，使用过程 会遇到强度不够,易变形和断裂(2) 30钢为中碳钢，T13钢为工具钢，使用过程会遇到硬度不够,易磨损(3) 20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,易塑性变形和断裂.根据括号内提供的钢号(08F； 20； T8； T12； 65Mn； 4 5 )选择以下工件所采用的材料： 冷冲压件；螺钉；齿轮；小弹簧；铿刀。答：冷冲压件08

11、F；螺钉20；齿轮45；小弹簧 65Mn；铿刀 T12。21 .什么是相?什么是组织?共晶体(a+似、次生 相an和圆是相还是组织？答：在金属或者合金中，但凡化学成分相 同、晶体结构相同并有界面与其他局局部开的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，溶剂原子重新参加晶体排列中，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a-Fe中的

12、 间隙固溶体，晶体结构与a-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）结合，且半径比rx/rM0. 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两元素组成如下列图的二元匀晶相图, 试分析以下几种说法是否正确？为什么？均匀组成局部叫做相。组织是由于组成相的种 类、相对数量、晶粒形状、大小及分布形态等 的不同，而分别具有不同形貌特征的相的组合 物。共晶体(a+p)、次生相an和前是组织。23.什么是固

13、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。25 .什么叫合金相图?指出相图中的液相线与固相线的金属学意义?答:合金系在平衡条件下

14、（即缓慢加热或者冷却条件）下，不同温度、成分下的各相的关系叫合金相图。液相线和固相线表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熔 化的终点和始点。26 .何谓共晶转变，包晶转变和共析转变?试比 拟这三种转变的异同点，并写出它们的反响 式.答：共晶反响：指一定成分的液体合金，在一定温度下，同时结晶出成分一定且不相同的两 种固相的反响。包晶反响：指一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一种成分一定的固相反响。fdLe + % + 0d共析反响：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相同新固 相反响。%=九+4共同点：反响都是在恒温下发生，反响物和产 物都是

15、具有特定成分的相，都处于三相平衡状不同点：共晶反响是一种液相在恒温下生成两 种固相的反响；共析是一种固相在恒温下生成两 种固相的反响；而包晶反响是一种液相与一种固 相在恒温下生成另一种固相的反响。27 .画出Fe-Fe3c相图（左上角可略）指出图中S、C、E、P、N、G、及 ECF、PSK、SE、GS、PQ、各点线的意义，并标出各区域的相组成物和组织组成物（相组成物加口表示）。S:共析点C:共晶点E:碳在厂Fe中的最大溶 解度P：碳在a-Fe中的最大溶解度N:5-Fe转 变为y-Fe的同素异构转变点。G: 丫-Fe转变为 a-Fe的同素异构转变点ECF：共晶线PSK： 共析线SE：碳在厂Fe中

16、的溶解度曲线。0.1712001100/ + Fe)Cn727 (小)OK0.77：Fe)G+E/含碳地（%重量）1400 N13001000 G900_ _L2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5；5670 6； 690.00080.40.6 0.8 1.0 1.2B 149515380A 1500F + /口)嫂912p一.02180.532.111148诒ItI 0lg Fe 3cl + L(A u. +Fe)Cc+Fe3C) 1 +.TP + Fe3C( + P + FejCn + Fe3C).何谓碳素钢？何谓白口铁？两者的成分，组 织和力学性能有何差异？答：碳素钢是指含碳

17、量低于2.11%的铁碳合金，白口铁是含碳量高于2J1%,低于6.69%的铁碳合金，是常说的生铁，其中碳与铁化合以Fe3c存在，断口呈白色。两者的碳含量不同，组织不同（见上图），碳素钢的综合机械性能较好，被广泛使用在工农业生产中。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。28 .试答复以下名词的主要区别：(1)莱氏体与低温莱氏体;低温莱氏体;(2) 一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体；(3)铁素体与a-Fe； (4)奥氏体与y-Fe。(1)莱氏体Le： Le是由奥氏体和渗碳体组成的共晶混合物低温

18、莱氏体Le (P+Fe3Cn+Fe3C)是树枝状的珠光体分布在共晶渗碳体的基体上(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：经共晶反响形 成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体；共析渗碳 体：经共析反响形成的渗碳体即珠光体中的渗 碳体(3)铁素体：碳在a-Fe中形成的间隙固溶体；a-Fe：纯铁在912以下的体心立方结构。(4)奥氏体：碳在y-Fe中形成的间隙固溶 体；y-Fe：纯铁在1394到912c之间的面心立方 结构。30.画出Fe-Fe3c相图(左上角略)。（1）分析含碳量为0.02

19、%的铁碳合金从液态缓冷至室温时的平衡结晶过程，画出冷却曲线，标明各温度区间的相及其转变，计算室温下该合金组织组成物各占多少？相成物各占多少？（2）分析合碳量为010%的铁碳合金从液态 缓冷至室温时的平衡结晶过程，画出冷却曲线，标明各温度区间的相及其转变，计算室温下该合金组织组成物各占多少？中463加忽 略）。画出Fe-Fe3c相图（左上角略）。L一液态金属,一奥氏体,G一石墨.8. a-铁素体.户一珠光体b56一 Ydyfa中析 Hi Fe3c1ng a+析出的Fe3cliT/mi n答：含碳量为0.02%的铁碳合金从液态缓冷 至室温时的平衡结晶过程如上图1线所 示；冷却转变过程： L一 L+

20、6一6一6+y7 一 a+y 一 a 一 a+ Fe3c in,冷却曲线如上图所示；组织组成物为铁素体和Fe3Cni,室温下该合金相成物各a和Fe3C,分别为%=Wa%=(6. 69-0. 02) / (6. 69-0. 0008)*1 00%,WFe3Cin% =WFe3C%=l-Wa%(L+ 6 Y ) 8-AAPQ Q (Y-a+p)a+pea中析出Fe30rag p+a中析出的Fe3cmT/min答：含碳量为0.10%的铁碳合金从液态缓冷至 室温时的平衡结晶过程如上图中线2所示, 冷却转变过程：Lf L+ 5 f L+ 6+yf+yf Yfa+yfa+P+Yfa + P (析出 Fes

21、Cm)冷却曲线如下列图:室温下该合金组织组成物 为珠光体和铁素体分别为Wa%=(0. 77-0. 1) /(0. 77-0. 0218) *100%, WP%=l-Wa-Fe%,相成物各为a和Fe3C,分别为Wa%= (6. 69-0. 1) /(6. 69-0. 0008) *100%, WFe3C%=l-Wa-Fe%(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

22、，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.共析局部的Mg-Cu相图如下列图:Mg 1020304050 Mg2Cu心*%)Mg 1020304050 Mg2Cu心*%)2呢痘(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？答:Mg-Mg2Cu系的相组成物如以下列图: (a为Cu在Mg中

23、的固溶体)Mg-Mg2Cu系的组织组成物如以下列图：(a为Cu在Mg中的固溶体J在各区域中不会有纯Mg相存在，此时Mg以固溶体形式存在。(2)求出20%Cu合金冷却到500 400 时各相的成分和重量百分比。答：20%Cu合金冷却到500时,如右图所示: a相的成分为a wt%,液相里含Cu为b wt%, 根据杠杆原理可知：W a =0ib/ab*100%, WL= 0ia/ab*100% 同理:冷却到400时，a相的成分为mwt%,Mg2Cu相里含Cu为n wt%,W a =02n/mn*100%,Wmg2Cu 02m/mn*100%(3)画出20%Cu合金自液相冷却到室温的曲线,并注明各阶

24、段的相与相变过程。答:各相变过程如下(如右图所示):xp:液相冷却，至p点开始析出Mg的固熔体 py： Mg的固熔体a相从p点开始到y点结束yy剩余的液相y开始发生共晶反响,L一 a + Mg2Cu yy：随着T的降低，Cu在Mg的固熔体a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

25、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，使剩余液相的成分到达共晶合金的成分再发生共晶反响，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O7.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

26、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Mg2PbCuZnTiC, Fe3C晶格类型与组成化合物的各组元完全小同单相熔点较高，性能硬而脆物机械 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1538c时，结晶成具 有体心立方晶格的6-Fe；继续冷到1394 时发生同素异晶的转变，体心立方晶格8 -Fe转变为面心立方晶格Y -Fe；再继续冷却 到912时，y-Fe又转变为体心立方晶格 的a-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Q答：共晶转变：在一定的温度下，一定成分 的液体同时结晶出两种一定成分的固相的