1西南交大第三学期金属材料及热处理

1金属材料及热处36.请给出两种材料的分类方法，并说明如何加以分类？答：材料可按其化学键特点加以分类：金属材料、无机非金属材料（陶瓷材料）、高分子材料、复合材料。材料还可按其应用时性能特点加以分类：结构材料、功能材料37.根据退火的低碳钢的拉伸图，指出与下列力学性能指标相关的点与物理量：（1）断面收缩率；（2）抗拉强度；（3）比例极限；（4）刚度38.分析HB和HRC实验方法的原理及适用性。：39.α-Fe、Al、Cu、Zn各属何种晶体结构？试画出体心立方、面心立方和密排六方晶体中原子排列最密的晶面和晶向。并算出其滑移系的个数。240.在常温下，已知铜的原子直径为2.55×10-10m，求铜的晶格常数。答：常温下铜为fcc结构，原子直径2d=21/2a，a=3.61×10-10m41.试分析体心立方、面心立方和密排六方晶体的滑移系对金属塑性的影响。答：滑移系数目↑，材料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑,（滑移方向的作用大于滑移面的作用）。因此FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个；FCC的滑移方向多于BCC。金属塑性：Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）42.再结晶晶粒大小和哪些因素有关。答：①温度：T↑—D↑—↑晶界迁移—晶粒长大↑；②预变形度：预变形度＜临界变形度时，无明显影响预变形度＝临界变形度时，再结晶将出现异常粗大晶粒预变形度＞临界变形度时，预变形度↑—再结晶驱动力↑—再结晶形核率↑—晶粒尺寸↓，当预变形度很大时，出现形变织构，再结晶将出现异常粗大晶粒。43.未进行冷变形的金属加热时，能否发生回复和再结晶，为什么？答：未进行冷变形的金属加热时，不发生回复和再结晶。因为回复和再结晶的驱动力是金属变形储存能（晶格畸变能），未进行冷变形的金属不存在再结晶的驱动力。44.金属塑性变形后力学性能有哪些变化？答：①出现各向异性——当形成纤维组织（晶界取向排列）或形变织构（晶粒的位向出现择优取向）时。②加工硬化（形变硬化）——随着变形度的增加，位错大量增殖→位错相互作用→位错运动阻力加大→变形抗力↑→其强度、硬度提高，塑性、韧性下降。45.在热加工过程中，金属能否产生加工硬化？试分析原因。答：在热加工过程中，金属塑性变形与金属动态再结晶过程同时进行，金属不产生加工硬化。46.晶界对多晶体塑性变形有何影响？为何细晶粒钢强度高，塑性、韧性也好？答：晶界一方面是滑移的主要障碍；另一方面通过晶界自身变形→协调变形→以维持相邻晶粒变形保持连续；因此导致细晶强化。3晶粒小→晶界面积大→变形抗力大→强度大；晶粒小→单位体积晶粒多→变形分散→相邻晶粒不同滑移系相互协调；晶粒小→晶界多→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑性变形。因此晶粒细化→强度、硬度提高，塑性、韧性提高；细晶粒钢强度高，塑性、韧性也好。47.已知钨和铅的熔点分别为3380˚C和327˚C，试问钨在1100˚C加工、铅在室温加工各为何种加工？答：纯金属的再结晶温度：TR=0.4-0.35Tm(K)钨的再结晶温度：钨TR=0.4-0.35Tm(K)=1461-1278(K)；钨在1100˚C加工为冷加工铅的再结晶温度：铅TR=0.4-0.35Tm(K)=240-210(K)；铅在室温加工为冷加工48.滑移的本质是什么？试比较低碳钢塑性变形前（状态A）、经历塑性变形（状态B）以及再结晶退火后（状态C）的力学性能，并分析性能变化的原因。答：滑移的本质是滑移面上位错的运动。低碳钢塑性变形后会出现加工硬化，即强度、硬度提高，塑性、韧性下降，是因为随着变形度的增加，位错大量增殖→位错相互作用→位错运动阻力加大→变形抗力↑；经再结晶退火后，低碳钢加工硬化消除力学性能恢复，即强度、硬度下降，塑性、韧性提高，是因为无形变的再结晶晶粒的形成，位错密度大幅度降低→变形抗力↓；但再结晶退火后低碳钢的强度、硬度、塑性、韧性均高于塑性变形前的低碳钢，是因为再结晶退火后形成的再结晶晶粒小于塑性变形前的晶粒，细晶强化作用造成强度、硬度、塑性、韧性的提高。49.过冷度与冷却速度有什么关系？它对金属结晶后的晶粒大小有什么影响？50.列举几种实际生产中采用的细化铸造晶粒的方法。4答：①提高过冷度：过冷度△T↑，N↑↑，G↑——N/G增大，晶粒细化；②变质处理：在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。③振动，搅拌等51.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点。：52.试分析含碳量为2.11%的铁碳含金从液态冷却到室温时的平衡结晶过程，计算其室温组织组成物的相对含量，并判断其属于哪一类铁碳合金。53.有两块退火钢样经组织分析发现其中珠光体占80%，但硬度差别较大，请分别计算它们的含碳量。答：第一块属于亚共析钢，P%=（X-0.02）/（0.77-0.02）=80%，求出X=0.55，含碳量为0.55%。第二块属于过共析钢，P%=（6.69-X）/（6.69-0.77）=80%，求出X=1.95，含碳量为1.95%。54.画出T12钢的平衡组织和淬火组织示意图并标出组织，计算其平衡组织中各组织组成物的相对含量。555.现有两种铁-碳合金，其中一种合金的显微组织中珠光体量占75%，铁素体量占25%；另一种合金的显微组织中珠光体量占92%，二次渗碳体量占8%。这两种合金各属于哪一类合金？其含碳量各为多少？答：第一种合金属于亚共析钢，P%=（X-0.0218）/（0.77-0.0218）=75%，求出X=0.54，含碳量为0.54%。第二种合金属于过共析钢，P%=（6.69-X）/（6.69-0.77）=92%，求出X=1.24，含碳量为1.24%。36.现有形状、尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们的碳含量分别为0.2%，0.4%，1.2%，3.5%的合金。根据你所学的知识，可有哪些方法区别它们？答：测量四块合金的硬度，其硬度随含碳量增加而升高。观察四块合金的金相，0.2%和0.4%的合金均为亚共析钢，其组织为珠光体+铁素体，珠光体的量随含碳量增加而增加；1.2%的合金为过共析钢，其组织为珠光体+二次渗碳体；3.5%的合金为亚共晶白口铁，其组织为珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体。观察四块合金与砂轮磨出的火花，随着含碳量的增加，流线数量和爆花数量都急剧增多，碳含量超过0.8%以后，增多的趋势逐渐缓和。637.根据铁碳相图解释下列现象：含碳量1.0%的钢比含碳量0.5%的钢硬度高；在室温平衡状态下，含碳量为0.8%的钢比含碳量为1.2%的钢强度高；室温下莱氏体比珠光体塑性差。：1)含碳量1.0%的钢比含碳量0.5%的钢硬度高；钢由较软的铁素体和较硬的渗碳体组成，随着含碳量的提高，钢中渗碳体的量提高，因此硬度提高。2)在室温平衡状态下，含碳量为0.8%的钢比含碳量为1.2%的钢强度高；钢的强度是典型的对组织敏感的性能指标，细密相间的两相组织珠光体具有较高的强度，因此提高珠光体的比例可改善钢的强度，而连续分布在原奥氏体晶界上的二次渗碳体将降低钢的强度。0.8%的钢中珠光体的比例高于1.2%的钢，同时1.2%的钢含有更多的二次渗碳体，故0.8%的钢比1.2%的钢强度高。3)室温下莱氏体比珠光体塑性差；室温下莱氏体Fe3C+P，即珠光体分布渗碳体相的基底上，而渗碳体基底的脆性极大，莱氏体表现为脆性的，几乎不能塑性变形。38.将含碳量分别为0.2%和0.6%的碳钢加热到860℃，保温相同时间，使奥氏体均匀化，问哪一种钢奥氏体晶粒易粗大？为什么？：0.2%和0.6%的碳钢加热到860℃，均为完全奥氏体化，其奥氏体中的含碳量分别为0.2%和0.6%，由于奥氏体中C%↑→晶粒长大↑，故含碳量为0.6%的碳钢奥氏体晶粒易粗大。739.试比较S和S’、M和M’在形成条件、金相形态与性能上的主要区别。答：形成条件金相形态性能特点S正火铁素体和渗碳体相间分布呈细层片状S’的强度、硬度、韧性、塑性均高于SS’淬火+高温回火细小弥散的渗碳体粒分布在铁素体基体（等轴晶）上M淬火低碳M呈板条状，高碳M呈针状（竹叶状）M’保持了M的高硬度，同时降低了M的脆性及残余应力。M’淬火+低温回火亚稳定的ε-Fe2.4C碳化物分布于过饱和的α’（板条或针状）上40.试说明淬火钢回火的必要性。答：必要性——淬火组织的问题：a.消除淬火应力，降低脆性b.稳定工件尺寸，由于M，残余A不稳定c.获得要求的强度、硬度、塑性、韧性。41.为什么钢淬火后回火是钢最有效的强化手段？答：①淬火形成Ｍ：固溶强化：过饱和C和Me，位错强化：高密度位错细晶强化：极细小、不同取向的马氏体束②回火第二相强化：析出细小碳化物粒子基本保持了淬火态的细小晶粒、高密度位错及一定的固溶强化作用。42.确定下列钢件的退火方法及退火后的组织1)经冷轧后的15钢钢板。要求降低硬度2)65钢切削加工前3)改善T12钢的切削加工性能4)ZG35的铸造齿轮铸造后存在枝晶偏析答：1）再结晶退火，退火后的组织——F+P82）完全退火，退火后的组织——F+P3）球化退火，退火后的组织——球状渗碳体分布于铁素体基体上4）扩散退火，退火后的组织——F+P43.指出下列工件的回火温度，并说明回火后的组织1)45钢轴2)60钢弹簧3)T12钢锉刀答：1）560~600℃，回火后的组织——S’2）350-500℃，回火后的组织——T’3）150-250℃，回火后的组织——M’44.写出下列零件的最终热处理方式及其组织：(1)60Si2Mn弹簧；(2)高速钢车刀。答：60Si2Mn弹簧高速钢车刀最终热处理方式（各3分）淬火+中温回火淬火+550-570（600）℃回火三次最终组织（各2分）T’M’+K45.试说明表面淬火、渗碳、氮化处理在适用钢种、性能、应用等方面的差别。答：适用钢种性能特点应用表面淬火——通过快速加热，使刚件表面很快到淬火的温度，在热量来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。中碳钢、合金调质钢获得高硬度，高耐磨性的表面，而心部仍然保持的良好韧性。机床主轴，齿轮，发动机的曲轴等渗碳处理——使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。低碳钢、合金渗碳钢更高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。氮化处理——指在一定温度（一般在AC1）以下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。氮化温度低、变形小。中碳钢、合金调质钢优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温。钻头、螺丝攻、挤压模、压铸模、鍜压机用鍜造模、螺杆、连杆、曲轴、吸气及排气活门及齿轮凸轮等46.钢的回火脆性有哪几类？其发生是否可逆？如何避免？答：回火脆性是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象。回火脆性可分为第一类回9火脆性（250~400℃）和第二类回火脆性（450~650℃）。第一类回火脆性与碳化物片沿M晶界析出有关，具有不可逆性，与回火后的冷却速度无关。因此只能避免在此温度回火。第二类回火脆性与P等元素在原A晶界偏聚有关，具有可逆性，与回火后的冷却速度有关，回火保温后，缓冷出现，快冷不出现，出现脆化后可重新加热后快冷消除。因此可提高钢材的纯度（↓P等杂质元素含量）；加入适量的Mo、W等有益的合金元素；采用回火后快冷的方法。47.为什么过共析钢的淬火温度不选择在ACCM以上？答：如过共析钢的淬火温度选择在ACCM以上，（1）淬火温度过高→A粗大→M粗大，从而→①力学性能↓，→②淬火应力↑→变形，开裂↑；（2）A中C%↑→M中C%↑→残余A↑→M脆性↑、HRC↓、耐磨性↓。因此过共析钢的淬火温度不选择在ACCM以上。48.试分析金属的主要强化机制。答：（1）固溶强化：溶质原子→晶格畸度→与位错相互作用→阻碍位错运动→强化。（2）细晶强化：晶界→阻碍位错运动→强化（3）位错强化：位错→增殖并相互作用→阻碍位错运动→强化（4）第二相强化：第二相粒子→阻碍位错运动→强化49.合金元素对钢