《金属工艺学》课后习题

第一章金属学基础知识1．什么是强度？什么是塑性？衡量这两种性能的指标有哪些？各用什么符号表示？金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力，称为强度。常用的强度指标有弹性极限σe、屈服点σs、抗拉强度σb。塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。常用的塑性指标有断后伸长率δ和断面收缩率Ψ。2．什么是硬度？HBS、HBW、HRA、HRB、HRC各代表用什么方法测出的硬度？各种硬度测试方法的特点有何不同？硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。HBS：用淬火钢球作压头时的布氏硬度。不能测试太硬的材料，一般在450HBS以上的就不能使用。通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。HBW：用硬质合金球作压头的布氏硬度。用于测试硬度在650HBW以下的材料。HRA：洛氏硬度，表示试验载荷588.4N（60KG），使用顶角为120度的金刚石圆锥压头试压。用于硬度极高的材料，例如硬质合金。HRB：洛氏硬度，表示试验载荷980.7N（100KG），使用直径1.59MM的淬火钢球试压。用于硬度较低的材料，例如退火钢、铸铁等。HRC：洛氏硬度，表示试验载荷1471.1N（150KG），使用顶角为120度的金刚石圆锥头试压。用于硬度很高的材料，例如淬火钢等。3．简述各力学性能指标是在什么载荷作用下测试的。静载荷作用下测试：强度、塑性、硬度。动载荷作用下测试：冲击韧度、疲劳强度。4．试对晶体、晶格、晶胞、单晶体和多晶体作简要解释。晶体：物质的原子都是按一定几何形状有规则地排列的称为晶体。晶格：用于描述原子在晶体中排列规律的空间架格称为晶格。晶胞：能够完整地反映晶格结构特征的最小几何单元，称为晶胞。单晶体：如果一块晶体内部的晶格位向（即原子排列的方向）完全一致，称这块晶体为单晶体。多晶体：由许多晶格位向不同的晶粒集合组成的晶体称为多晶体。5．常见金属晶格类型有哪几种？试绘图说明。①体心立方晶格②面心立方晶格③密排六方晶格6．晶体的各向异性是如何产生的？为何实际晶体一般都显示不出各向异性？在相同晶格中，由于不同晶面和晶向上的原子排列情况不同，因而原子间距不同，原子间相互作用的强弱不同，从而导致晶体的宏观性能在不同方向上具有不同数值，此现象称为晶体的各向异性。实际晶体一般是由许多单晶体组成的多晶体。在多晶体中，各晶粒的原子排列规律相同，只是位向不同而已。由于晶粒的性能在各个方向上互相影响，再加上晶界的作用，就完全掩盖了每个晶粒的各向异性，故测出多晶体的性能在各个方向上都几乎相等，显示出各向同性的性质。7．实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？对性能有何影响？①点缺陷（空位和间隙原子）：产生晶格畸变。②线缺陷（位错）：对金属晶体的生长、相变、扩散、塑性变形、断裂及其他许多物理化学性能都有重要影响，同时材料中的位错愈多，其强度就越高。③面缺陷（晶界与亚晶界）晶体中的这些缺陷使其晶格畸变，引起塑性变形、抗力增大，从而使金属的强度提高。8．什么是过冷度？过冷度和冷却速度有何关系？理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。冷却速度越大，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。9．晶粒大小对力学性能有何影响？控制晶粒大小的途径有哪些？一般情况下，晶粒细小则金属强度、塑性、韧性好。细化晶粒的途径有：增加过冷度、变质处理、振动处理。10．什么是固溶体、金属化合物和多相复合组织？它们在晶体结构上有什么特点？固溶体：在固态下，组成合金的一种或多种组元溶入另一组元的晶格中所组成的晶体叫固溶体。在固溶体中由于溶质原子的溶入而使溶剂晶格发生晶格畸变，晶格畸变阻碍了位错的运动，使晶格间的滑移变得困难，从而提高了合金抵抗塑性变形的能力，使合金的强度、硬度升高，而塑性下降，这种现象称为固溶强化。金属化合物：金属组元间按照一定的原子数比发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。这种化合物可以由金属与金属组成，也可以由金属与非金属组成，其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。多相复合组织：由两种以上相组成的多相组织合金，称多相复合组织。包含两种或两种以上的固溶体和金属化合物。多相复合合金的性质是以组成它的物质的性质之算术平均值来估算的。11．解释下列概念，并说明其性能和显微组织特征：铁素体，奥氏体，渗碳体，珠光体，莱氏体。铁素体：碳溶于α-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体，称为铁素体，用F表示。Α-Fe是体心立方晶体。由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的组织和性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。奥氏体：碳溶于γ-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体，为奥氏体，用A表示。γ-Fe是面心立方晶格。由于奥氏体的溶碳量比铁素体多，因此奥氏体的强度和硬度较铁素体高，并且是单一的固溶体，所以其塑性较好，变形抗力较低。渗碳体：渗碳体是含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物。渗碳体具有复杂的斜方晶体结构，它的硬度很高，而塑性和韧性很差，脆性大。珠光体：铁素体和渗碳体组成的两相复合组织，称为珠光体，用P表示。珠光体的含碳量为0.77%，其机械性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。莱氏体：含碳量为4.3%的铁碳合金，在1148℃时同时由液体中结晶出奥氏体和渗碳体后所形成的复合组织即为高温莱氏体，用Ld表示。在室温时，莱氏体由珠光体和渗碳体组成，即为低温莱氏体，用L’d表示。莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度高、塑性差。12．根据Fe—Fe3C相图，确定下列三种钢在给定温度时的组织。钢号温度/℃组织20（ωc=0.2%）770铁素体和奥氏体900单一奥氏体T8（ωc=0.8%）680珠光体和二次渗碳体770奥氏体和二次渗碳体T10（ωc=1.0%）700珠光体和二次渗碳体770奥氏体和二次渗碳体13．说明下列各渗碳体的生成条件：一次渗碳体，二次渗碳体，三次渗碳体。一次渗碳体：直接由液态结晶出来的渗碳体，形态是白色长条状。二次渗碳体：由奥氏体超出碳溶解度而析出来的，形态是沿着奥氏体晶界分布，成网状。三次渗碳体：由铁素体超出碳溶解度而析出来的，形态是沿着铁素体晶界分布，由于含量太少，形不成网状，以短棒状分布于铁素体晶界。14．根据Fe—Fe3C相图解释下列现象：（1）在进行热轧和锻造时，通常将钢材加热到1000~1250℃。转变为单一奥氏体，塑性较好，易锻造成型。（2）钢铆钉一般用低碳钢制作。塑性好易变形，产生加工硬化延长铆钉使用寿命。（3）在1100℃时，ωc=0.4%的碳钢能进行锻造，而ωc=4.0%的铸铁不能进行锻造。因碳钢在1100℃时为单一奥氏体组织，易锻造成型。而铸铁在1100℃时是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，锻造易开裂，故铸铁不能进行锻造只能铸造。（4）钢适于压力加工成形，而铸铁适用于铸造成形。钢加热时可以变为单一奥氏体组织，而铸铁加热时不能变为单一奥氏体组织，它是奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物，故钢适于压力加工成形，而铸铁适于铸造成形。（5）在室温ωc=0.8%的碳钢比ωc=1.2%的碳钢强度高。含碳量越高，钢的强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。而含碳量超过0.9%时，析出的二次渗碳体在晶界形成连续的网络状，使得钢脆性增加，强度下降。第二章钢的热处理1．指出Ac1、Ac3、Accm、Ar1、Ar3、Arcm各相变点的意义。Ac1：实际加热时的共析转变线。Ac3：实际加热时奥氏体析出铁素体的开始线。Accm：实际加热时碳在奥氏体中的溶解度曲线。Ar1：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。Arcm：实际冷却时碳在奥氏体中的溶解度曲线。2．简述共析钢的奥氏体化过程。①奥氏体晶核的形成②奥氏体晶核的长大③残余渗碳体溶解④奥氏体的均匀化3．试画出共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线，以此说明各种转变产物的名称及转变温度区范围、转变产物性能。①高温转变区（珠光体型转变区）：过冷奥氏体在A1线至550℃温度范围的转变产物为铁素体和渗碳体片层相间的珠光体型组织。②中温转变区（贝氏体型转变区）：过冷奥氏体在550℃至Ms线温度范围的转变产物为贝氏体组织，是过饱和铁素体和渗碳体组织的多相复合组织。③低温转变区（马氏体型转变区）：当奥氏体被连续急冷至Ms线以下温度时，由于过冷度很大，原子扩散困难，过冷奥氏体发生特殊的马氏体转变。部分未来得及转变的奥氏体，称为残余奥氏体。马氏体具有很高的硬度和强度，耐磨性也很高。4．热处理使钢奥氏体化时，原始组织以粗粒状珠光体好还是以细片状珠光体好？为什么？粗粒状珠光体好。原始组织越细，相界面越多，提供的奥氏体晶核就愈多，加速奥氏体的形成。一般奥氏体化速度快的组织，完成奥氏体化后容易晶粒粗大。奥氏体晶粒粗大，转变产物的强度、塑性、韧性就比较低。5．珠光体、贝氏体和马氏体的组织和性能有什么区别？珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。其有珍珠般的光泽。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。强韧性较好。贝氏体是过冷奥氏体的中温（550℃～Ms）转变产物，α-Fe和Fe3C的复相组织。温度偏高区域（550～350℃）转变产物叫上贝氏体，外观貌似羽毛状，冲击韧性较差。温度偏低区域（Ms～350℃）转变产物叫下贝氏体。其强度和硬度高，并有良好的塑性和韧性，是一种综合力学性能好的组织。马氏体（M）是碳溶于α-Fe的过饱和固溶体，是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相。板条状马氏体是低碳钢、马氏体时效钢、不锈钢等铁系合金的典型组织；片状马氏体则常见于高、中碳钢。高的强度和硬度是马氏体的主要特征之一，同时，片状马氏体脆性也比较高。6．简述退火、正火的概念、目的、种类和应用范围。退火工艺是指将钢材或钢件加热到适当温度，保温一定时间缓慢冷却，从而获得接近平衡状态组织的热处理工艺。退火目的：①降低硬度，改善切削加工性能。②消除残余内应力，防止变形与开裂，稳定尺寸。③细化晶粒，均匀组织及成分，改善钢性能，并为以后的热处理作准备。退火种类：①完全退火：中碳钢，低、中碳合金结构钢；②等温退火：高碳钢、合金工具钢和高合金钢；③球化退火：共析钢和过共析钢；④去应力退火：铸钢件、锻轧件、焊接件和机加工零件；⑤扩散退火：钢锭和铸钢件。正火工艺是指将钢材或钢件加热到临界温度Ac3或Accm以上某一适当温度，经保温一定时间后在空气中冷却，以获得珠光体组织的热处理工艺。正火目的：①改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性；②用于普通结构零件或大型结构零件的最终热处理；③消除过共析钢中的网状渗碳体；④作为预备热处理：中碳钢和合金结构钢。7．淬火的目的是什么？亚共析钢和过共析钢淬火加热温度如何选择？淬火的目的是把奥氏体化的钢件淬成马氏体，然后和不同回火温度相配合，获得所需的力学性能。选择淬火加热温度的依据是钢的相变点，原则上亚共析钢为Ac3+(30~50℃)，共析钢和过共析钢为Ac1+(30~50℃)。8．对淬火讲，什么样的冷却介质才是理想的？理想的淬火冷却介质在冷却过程中，要求在C曲线的“鼻子”上温度缓冷，以减小急冷所产生的热应力；在“鼻子”处具有保证奥氏体不发生分解的冷却速度，而在进行马氏体转变时，即在Ms点以下的温度时，冷却速度尽量小，以减少组织转变的应力。9．将ωc=0.45%和ωc=0.8%的两种钢试样，分别加热到600℃、780℃、900℃，然后在水中淬火。各获得什么组织？硬度随加热温度如何变化？为什么？①ωc=0.45%600℃：未达到相变温度，因此没有发生相变，组织为铁素体和珠光体。780℃：加热温度在Ac1～Ac3之间，因此组织为铁素体、马氏体和少量残余奥氏体。900℃：加热温度在Ac3以上，加热时全部转变为奥氏体，冷却后的组织为马氏体和少量残余奥氏体。②ωc=0.8%600℃：未达到相变温度，因此没有发生相变，组织为珠光体和二次渗碳体。780℃：加热温度在Ac1～Ac3之间，因此组织为二次渗碳体、马氏体和少量残余奥氏体。900℃：加热温度在Ac3以上，加热时全部转变为奥氏体，冷却后的组织为马氏体和少量残余奥氏体。加热温度越高，硬度越高。因为