2009年高考重庆数学(理科)试题及参考答案

钢的基本组成元素:钢的组织和特性铁固态铁的晶体结构体心立方结构面心立方结构体心立方结构α-Fe:温度低于912℃的固态铁δ-Fe:温度高于1394℃的固态铁γ-Fe:温度介于912-1394℃之间的固态铁碳在钢中的存在形式固溶体渗碳体(Fe3C):碳与铁形成铁碳化合物铁素体:碳溶于α-Fe奥氏体:碳溶于γ-Fe最大溶解度为2.11%铁素体+渗碳体钢冷却过程中过饱和珠光体呈片状相间排列的混合物一般碳素钢在室温下的金相组织由铁素体、珠光体和渗碳体组成。在碳素钢基础上加入各种合金元素，可制成各种合金钢。加入不同的合金元素，可使合金钢具有耐热、耐腐蚀、耐磨、高强度等特殊性能。合金元素按其与碳的亲和力不同分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素；按其对钢的组织转变影响不同分为扩大奥氏体区元素和缩小奥氏体区元素。合金元素还影响铁碳相图中特征点位置、相变、碳的扩散及钢的淬透性等。除加入合金元素外，通过热处理工艺，也可改变钢的组织结构和性能，如提高钢的强度、增加韧性、获得良好的加工工艺性能等。钢的分类钢冶炼方法平炉钢转炉钢电炉钢化学成分碳素钢合金钢用途结构钢工具钢特殊钢金相组织普通钢优质钢高级优质钢品质磷≤0.045％、硫≤0.055％用以制造各种切削刀具、量具、模具和其他耐磨工具耐热钢、耐磨钢、不锈钢、电工钢、低温钢、易切削钢等供货方式轧钢锻钢铸钢磷、硫≤0.035％磷、硫≤0.03％用以制造各种承力结构件和机械零件亚共析钢铁素体加珠光体组织共析钢珠光体组织过共析钢碳化物加珠光体组织珠光体钢贝氏体钢马氏体钢奥氏体钢铁素体钢或金属材料的定义及分类金属材料的定义:由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。金属材料黑色金属有色金属特种金属材料金属材料的分类：黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90％以上的工业纯铁，含碳2％～4％的铸铁，含碳小于2％的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。钢铁材料：按生产成型工艺分铸造金属变形金属喷射成形金属铸造金属通过铸造工艺成型，主要有铸钢、铸铁和铸造有色金属及合金变形金属通过压力加工如锻造、轧制、冲压等成型，其化学成分与相应的铸造金属略有不同粉末冶金材料喷射成形金属是通过喷射成形工艺制成具有一定形状和组织性能的零件和毛坯金属材料的性能特点：金属材料性能工艺性能使用性能工艺性能是保证生产出优质、高效、低成本产品的性能，主要包括液态金属的流动性、凝固收缩性和热裂性、最大塑性、变形温度范围、最大变形程度、再结晶温度、可焊性、残余应力以及淬透性（淬火时形成淬硬层）等使用性能多为为材料本身所具有的力学性能，如抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、蠕变强度，以及延伸率、断面收缩率、冲击韧性、断裂韧性等结构性能功能性能功能性能多为材料的化学、物理性能，如应力腐蚀、化学和电化学腐蚀、抗氧化、抗氢脆性能，密度、熔点、比热、线膨胀、光学效应、电学效应、磁学效应等说明：金属材料的各种性能指标通过材料物理试验、化学试验和工艺性能试验的方法获得。金属材料的热处理：热处理淬火正火退火回火将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性，因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齿轮、轧辊、渗碳零件等）。通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求。另外淬火还可使一些特殊性能的钢获得一定的物理化学性能，如淬火使永磁钢增强其铁磁性、不锈钢提高其耐蚀性等。淬火工艺主要用于钢件。常用的钢在加热到临界温度以上时，原有在室温下的组织将全部或大部转变为奥氏体。随后将钢浸入水或油中快速冷却，奥氏体即转变为马氏体。与钢中其他组织相比，马氏体硬度最高。钢淬火的目的就是为了使它的组织全部或大部转变为马氏体，获得高硬度，然后在适当温度下回火，使工件具有预期的性能。淬火时的快速冷却会使工件内部产生内应力，当其大到一定程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂。为此必须选择合适的冷却方法。根据冷却方法，淬火工艺分为单液淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火4类。将工件加热到适当温度，保温一段时间后从炉中取出在空气中冷却的金属热处理工艺。正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。正火的主要应用范围有：①用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理。②用于中碳钢，可代替调质处理作为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理。③用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织。④用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能。⑤用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向。⑥用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件将工件加热到预定温度，保温一定的时间后缓慢冷却的金属热处理工艺。退火的目的在于：①改善或消除钢铁在铸造、锻压、轧制和焊接过程中所造成的各种组织缺陷以及残余应力，防止工件变形、开裂。②软化工件以便进行切削加工。③细化晶粒，改善组织以提高工件的机械性能。④为最终热处理（淬火、回火）作好组织准备。常用的退火工艺有：①完全退火。用以细化中、低碳钢经铸造、锻压和焊接后出现的力学性能不佳的粗大过热组织。将工件加热到铁素体全部转变为奥氏体的温度以上30～50℃，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却，在冷却过程中奥氏体再次发生转变，即可使钢的组织变细。②球化退火。用以降低工具钢和轴承钢锻压后的偏高硬度。将工件加热到钢开始形成奥氏体的温度以上20～40℃，保温后缓慢冷却，在冷却过程中珠光体中的片层状渗碳体变为球状，从而降低了硬度。③等温退火。用以降低某些镍、铬含量较高的合金结构钢的高硬度，以进行切削加工。一般先以较快速度冷却到奥氏体最不稳定的温度，保温适当时间，奥氏体转变为托氏体或索氏体，硬度即可降低。④再结晶退火。用以消除金属线材、薄板在冷拔、冷轧过程中的硬化现象（硬度升高、塑性下降）。加热温度一般为钢开始形成奥氏体的温度以下50～150℃，只有这样才能消除加工硬化效应使金属软化。⑤石墨化退火。用以使含有大量渗碳体的铸铁变成塑性良好的可锻铸铁。工艺操作是将铸件加热到950℃左右，保温一定时间后适当冷却，使渗碳体分解形成团絮状石墨。⑥扩散退火。用以使合金铸件化学成分均匀化，提高其使用性能。方法是在不发生熔化的前提下，将铸件加热到尽可能高的温度，并长时间保温，待合金中各种元素扩散趋于均匀分布后缓冷。⑦去应力退火。用以消除钢铁铸件和焊接件的内应力。对于钢铁制品加热后开始形成奥氏体的温度以下100～200℃，保温后在空气中冷却，即可消除内应力将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。钢铁工件在淬火后具有以下特点：①得到了马氏体、贝氏体、残余奥氏体等不平衡（即不稳定）组织。②存在较大内应力。③力学性能不能满足要求。因此，钢铁工件淬火后一般都要经过回火。作用回火的作用在于：①提高组织稳定性，使工件在使用过程中不再发生组织转变，从而使工件几何尺寸和性能保持稳定。②消除内应力，以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。③调整钢铁的力学性能以满足使用要求。回火之所以具有这些作用，是因为温度升高时，原子活动能力增强，钢铁中的铁、碳和其他合金元素的原子可以较快地进行扩散，实现原子的重新排列组合，从而使不稳定的不平衡组织逐步转变为稳定的平衡组织。内应力的消除还与温度升高时金属强度降低有关。一般钢铁回火时，硬度和强度下降，塑性提高。回火温度越高，这些力学性能的变化越大。有些合金元素含量较高的合金钢，在某一温度范围回火时，会析出一些颗粒细小的金属化合物，使强度和硬度上升。这种现象称为二次硬化；要求用途不同的工件应在不同温度下回火，以满足使用中的要求。①刀具、轴承、渗碳淬火零件、表面淬火零件通常在250℃以下进行低温回火。低温回火后硬度变化不大，内应力减小，韧性稍有提高。②弹簧在350～500℃下中温回火，可获得较高的弹性和必要的韧性。③中碳结构钢制作的零件通常在500～600℃进行高温回火，以获得适宜的强度与韧性的良好配合。淬火加高温回火的热处理工艺总称为调质。钢在300℃左右回火时，常使其脆性增大，这种现象称为第一类回火脆性。一般不应在这个温度区间回火。某些中碳合金结构钢在高温回火后，如果缓慢冷至室温，也易于变脆。这种现象称为第二类回火脆性。在钢中加入钼，或回火时在油或水中冷却，都可以防止第二类回火脆性。将第二类回火脆性的钢重新加热至原来的回火温度，便可以消除这种脆性几种类型钢种介绍：不锈钢碳素钢合金钢工具钢耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。又称不锈耐酸钢。实际应用中，常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异，前者不一定耐化学介质腐蚀，而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素，当钢中含铬量达到12％左右时，铬与腐蚀介质中的氧作用，在钢表面形成一层很薄的氧化膜（自钝化膜），可阻止钢的基体进一步腐蚀。除铬外，常用的合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。不锈钢通常按基体组织分为：①铁素体不锈钢。含铬12％～30％。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢。②奥氏体不锈钢。含铬大于18％，还含有8％左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好，可耐多种介质腐蚀。③奥氏体；铁素体双相不锈钢。兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点，并具有超塑性。④马氏体不锈钢。强度高，但塑性和可焊性较差高速钢模具钢含碳量小于1.35％，除铁、碳和限量以内的硅、锰、磷、硫等杂质外，不含其他合金元素的钢。碳素钢的性能主要取决于含碳量。含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性和可焊性降低。与其他钢类相比，碳素钢使用最早，成本低，性能范围宽，用量最大。通常按含碳量分为低碳钢(碳含量为0.04％～0.25％)、中碳钢（碳含量为0.25％～0.6％）、高碳钢（碳含量为0.6％～1.35％）。按质量分为普通碳素钢，其有害杂质磷、硫含量均小于0.05％，包括甲类钢（A类钢，保证力学性能）、乙类钢（B类钢，保证化学成分）和特类钢（C类钢，保证力学性能和化学成分）；优质碳素钢，有害杂质磷、硫含量均小于0.04％；高级优质碳素钢，有害杂质磷、硫含量小于0.03％。按用途又分为碳素结构钢和碳素工具钢，前者主要用于制造各种结构件和机器零件，一般属低碳钢和中碳钢；后者用于制造刀具、量具、模具等，一般属高碳钢在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。其中钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素，只要有足够的碳，在适当条件下，就能形成各自的碳化物，当缺碳或在