工程材料習(xí)題與輔導(dǎo)答案

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁第一章6、實際金屬晶體中存在哪些缺陷？它們對性能有什么影響？答：點缺陷：空位、間隙原子、異類原子。點缺陷造成局部晶格畸變，使金屬的電阻率、屈服強度增強，密度發(fā)生變化。線缺陷：位錯。位錯的存在極大地影響金屬的機械性能。當(dāng)金屬為理想晶體或僅含極少量位錯時，金屬的屈服強度σs很高，當(dāng)含有一定量的位錯時，強度降低。當(dāng)舉行形變加工時，為錯密度增強，σs將會增高。面缺陷：晶界、亞晶界。亞晶界由位錯垂直羅列成位錯墻而構(gòu)成。亞晶界是晶粒內(nèi)的一種面缺陷。在晶界、亞晶界或金屬內(nèi)部的其他界面上，原子的羅列偏離平衡位置，晶格畸變較大，位錯密度較大（可達(dá)1016m-2以上）。原子處于較高的能量狀態(tài)，原子的活性較大，所以對金屬中的許多過程的舉行，具有極為重要的作用。晶界和亞晶界均可提高金屬的強度。晶界越多，晶粒越細(xì)，金屬的塑性變形能力越大，塑性越好。8、什么是固溶強化？造成固溶強化的緣故是什么？答：形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。固溶體隨著溶質(zhì)原子的溶入晶格發(fā)生畸變。晶格畸變隨溶質(zhì)原子濃度的提高而增大。晶格畸變增大位錯運動的阻力，使金屬的滑移變形變得越發(fā)艱難，從而提高合金的強度和硬度。9、間隔固溶體和間隔相有什么不同？答：合金組元通過溶解形成一種成分和性能勻稱的，且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體。間隙固溶體中溶質(zhì)原子進入溶劑晶格的間隙之中。間隙固溶體的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑相同。第二章1、金屬結(jié)晶的條件和動力是什么?答：液態(tài)金屬結(jié)晶的條件是金屬必須過冷，要有一定的過冷度。液體金屬結(jié)晶的動力是金屬在液態(tài)和固態(tài)之間存在的自由能差(ΔF)。2、金屬結(jié)晶的基本邏輯是什么?答：液態(tài)金屬結(jié)晶是由生核和長大兩個密切聯(lián)系的基本過程來實現(xiàn)的。液態(tài)金屬結(jié)晶時，首先在液體中形成一些極極小的晶體(稱為晶核)，然后再以它們?yōu)楹诵牟粩嗟亻L大。在這些晶體長大的同時，又浮上新的品核并逐漸長大，直至液體金屬出現(xiàn)。3、在實際應(yīng)用中，細(xì)晶粒金屬材料往往具有較好的常溫力學(xué)性能，細(xì)化晶粒、提高金屬材料使用性能的措施有哪些？答：（1）提高液態(tài)金屬的冷卻速度，增大金屬的過冷度。（2）舉行變質(zhì)處理。在液態(tài)金屬中參加孕育劑或變質(zhì)劑，增強晶核的數(shù)量或者妨礙晶核的長大，以細(xì)化晶粒和改善組織。（3）在金屬結(jié)晶的過程中采用機械振動、超聲波振動等主意。（4）電磁攪拌。將正在結(jié)晶的金屬置于一個交變的電磁場中，因為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液態(tài)金屬會翻滾起來，沖斷正在結(jié)晶的樹枝狀晶體的晶枝，增強了結(jié)晶的核心，從而可細(xì)化晶粒。4、倘若其他條件相同，試比較在下列鑄造條件下鑄件晶粒的大小。（1）金屬模澆注與砂模澆注；（2）變質(zhì)處理與不變質(zhì)處理；（3）鑄成薄件與鑄成厚件；（4）澆注時采用震動與不采用震動。答：（1）金屬模澆注比砂模澆注，鑄件晶粒?。唬?）變質(zhì)處理比不變質(zhì)處理，鑄件晶粒??；（3）鑄成薄件比鑄成厚件，鑄件晶粒小；（4）澆注時采用震動比不采用震動，鑄件晶粒小。5、為什么鋼錠希翼盡量減少柱狀晶區(qū)?答：柱狀是由外往里順序結(jié)晶的，品質(zhì)較致密。但柱狀品的接觸面因為常有非金屬夾雜或低熔點雜質(zhì)而為弱面，在熱軋、鍛造時容易開裂，所以對于熔點高和雜質(zhì)多的金屆，例如鐵、鎳及其合金，不希翼生成柱狀晶。6、將20kg純銅與30kg純鎳熔化后慢冷至如圖l—6溫度T1，求此時：①兩相的化學(xué)成分；②兩相的質(zhì)量比；③各相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；④各相的質(zhì)量。解：①兩相的化學(xué)成分L相成分：ω(Ni)；50％ω(Cu)＝50％②兩相質(zhì)量比：合金成分：ω(Ni)=80%ω(Cu)=20%二相的質(zhì)量比：Qα/Qβ=(60-50)/(80-60)=0.5③各相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)二相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：ω（α）=（60-50）/（80-50）=33.3%ω（L）=1-33.3%=66.7%④各相的質(zhì)量。二相質(zhì)量：Qα＝(20十30)×33.3％＝16.65(kg)QL＝50一16.65＝33.35(kg)7、求碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5％的質(zhì)量為10kg的鐵碳合金從液態(tài)緩慢冷卻到共晶溫度(但尚未發(fā)生共晶反應(yīng))時所剩下的液體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及液體的質(zhì)量。解：L中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：w(C)＝4.3％L中的質(zhì)量分?jǐn)?shù):w(L)=(3.5-2.11)/(4.3-2.11)=63.5％L的質(zhì)量：QL＝10×63.5％＝6.35(kg)8、比較退火狀態(tài)下的45鋼、T8鋼、T12鋼的硬度、強度和塑性的高低，簡述緣故。答：硬度：45鋼最低，T8鋼較高，T12鋼最高。因為退火狀態(tài)下的45鋼組織是鐵素體+珠光體，T8鋼組織是珠光體，T12鋼組織是珠光體+二次滲碳體。因為鐵素體硬度低，因此45鋼硬度最低。因為二次滲碳體硬度高，因此T12鋼硬度最高。強度：因為鐵素體強度低，因此45鋼強度最低。T8鋼組織是珠光體，強度最高。T12鋼中含有脆性的網(wǎng)狀二次滲碳體，隔斷了珠光體之間的結(jié)合，所以T12鋼的強度比T8鋼要低。但T12鋼中網(wǎng)狀二次滲碳體不多，強度降低不大，因此T12鋼的強度比45鋼強度要高。塑性：因為鐵素體塑性好，因此45鋼塑性最好。T12鋼中含有脆性的網(wǎng)狀二次滲碳體，因此T12鋼塑性最差。T8鋼無二次滲碳體，所以T8鋼塑性較高。9、同樣形狀的兩塊鐵碳合金，其中一塊石退火狀態(tài)的15鋼，一塊是白口鑄鐵，用什么簡便主意可疾馳區(qū)別它們？答：因為退火狀態(tài)的15鋼硬度很低，白口鑄鐵硬度很高。因此可以用下列主意疾馳區(qū)別：（1）兩塊材料互相敲打一下，有印痕的是退火狀態(tài)的15鋼，沒有印痕的是白口鑄鐵。（2）用銼刀銼兩塊材料，容易銼掉的是退火狀態(tài)的15鋼，不容易銼掉的是白口鑄鐵。（3）用硬度計測試，硬度低的是退火狀態(tài)的15鋼，硬度高的是白口鑄鐵。10、為什么碳鋼舉行熱鍛、熱軋時都要加熱到奧氏體區(qū)？答：因為奧氏體是面心立方晶格，其滑移變形能力大，鋼處于奧氏體狀態(tài)時強度較低，塑性較好，因此鍛造或軋制選在單相奧氏體區(qū)內(nèi)舉行。11、下列零件或工具用何種碳鋼發(fā)明：手鋸鋼條、普通螺釘、車床主軸。答：手鋸鋸條用T10鋼發(fā)明。普通螺釘用Q195鋼、 Q215鋼發(fā)明。車床主軸用45鋼發(fā)明。12、為什么細(xì)晶粒鋼強度高，塑性、韌性也好？答：多晶體中，因為晶界上原子羅列不很規(guī)矩，妨礙位錯的運動，使變形抗力增大。金屬晶粒越細(xì)，晶界越多，變形抗力越大，金屬的強度就越大。多晶體中每個晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向臨近于最大切應(yīng)力方向（稱晶粒處于軟位向），另一些晶粒的滑移面和滑移方向與最大切應(yīng)力方向相差較大（稱晶粒處于硬位向）。在發(fā)生滑移時，軟位向晶粒先開始。當(dāng)位錯在晶界受阻逐漸堆積時，其他晶粒發(fā)生滑移。因此多晶體變形時晶粒分批地逐步地變形，變形凝聚在材料各處。晶粒越細(xì)，金屬的變形越凝聚，減少了應(yīng)力擴散，推遲裂紋的形成和發(fā)展，使金屬在斷裂之前可發(fā)生較大的塑性變形，從而使金屬的塑性提高。因為細(xì)晶粒金屬的強度較高、塑性較好，所以斷裂時需要消耗較大的功，因而韌性也較好。因此細(xì)晶強化是金屬的一種很重要的強韌化手段。13、與單晶體的塑性變形相比較，說明多晶體塑性變形的特點。答：①多晶體中，因為晶界上原子羅列不很規(guī)矩，妨礙位錯的運動，使變形抗力增大。金屬晶粒越細(xì)，品界越多，變形抗力越大，金屬的強度就越大。②多晶體中每個晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向臨近于最大切應(yīng)力方向(稱晶粒處于軟位向)，另一些晶粒的滑移面和滑移方向與最大切應(yīng)力方向相差較大(稱晶粒處于硬位向)。在發(fā)生滑移時，軟位向晶粒先開始。當(dāng)位錯在晶界受阻逐漸堆積時，其他晶粒發(fā)生滑移。因此多晶體變形時晶粒分批地逐步地變形，變形凝聚在材料各處。晶粒越細(xì)，金屬的變形越凝聚，減少了應(yīng)力擴散，推遲裂紋的形成和發(fā)展，使金屬在斷裂之前可發(fā)生較大的塑性變形，因此使金屬的塑性提高。14、金屬塑性變形后組織和性能會有什么變化?答：金屬發(fā)生塑性變形后，晶粒發(fā)生變形，沿形變方向被拉長或壓扁。當(dāng)變形量很大時，晶粒變成細(xì)條狀(拉伸時)，金屬中的夾雜物也被拉長，形成纖維組織。金屬經(jīng)大的塑性變形時，因為位錯的密度增大和發(fā)生交互作用，大量位錯堆積在局部地區(qū)，并互相纏結(jié)，形成不勻稱的分布，使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊，而在晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞晶粒。金屬塑性變形到很大程度(70％以上)時，因為晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，使備品粒的位向趨近于一致，形成異常的擇優(yōu)取向，這種有序化的結(jié)構(gòu)叫做形變織構(gòu)。金屬發(fā)生塑性變形，隨變形度的增大，金屬的強度和硬度顯著提高。塑性和韌性顯然下降。這種現(xiàn)象稱為加工硬化，也叫形變強化。另外，因為纖維組織和形變織構(gòu)的形成，使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。15、在圖1—7所示的晶面、晶向中，哪些是滑移面?哪些是滑移方向?圖中情況能否構(gòu)成滑移系?答：(a)FCC：(101)晶面不是滑移面，[110]晶向是滑移方向，但兩者不能構(gòu)成滑移系。(b)FCC：(111)晶面是滑移面，其上的[110]晶向也是滑移方向，兩者能構(gòu)成滑移系。(c)BCC：(111)晶面不是滑移面，其上的[101]晶向不是滑移方向，兩者不能構(gòu)成滑移系。(d)BCC：(110)晶面是滑移面，晶向也是滑移方向，但不在(110)晶面上，故兩者不能構(gòu)成滑移系。16、用低碳鋼鋼板冷沖壓成形的零件，沖壓后發(fā)現(xiàn)各部位的硬度不同，為什么?答：主要是因為冷沖壓成形時，鋼板形成零件的不同部位所需發(fā)生的塑性變形量不同，因而加工硬化程度不同所造成。17、已知金屬鎢、鉛的熔點分離為3380℃和327℃，試計算它們的最低再結(jié)晶溫度，并分析鎢在9000C加丁、鉛在室溫加丁時各為何種加工?答：金屬的最低再結(jié)晶溫度為：T再＝(0.35～0.4)T熔點對金屬鎢：T熔點＝273十3380＝3653KT再＝(0.35～0.4)T熔點＝l279～146lK＝1006～l188℃在900℃對金屬鎢舉行加工，略低于其最低再結(jié)晶溫度，應(yīng)屬冷加工。對金屬鉛：T熔點＝273十327＝600KT再＝(0.35～0.4)T熔點＝210～240K＝－63～－33℃在室溫(如23℃)對金屬鉛舉行加工，顯然高于其最低再結(jié)晶溫度的上限－33℃，應(yīng)屬熱加工。18、何謂臨界變形度?分析造成臨界變形度的緣故。答：塑性變形后的金屬再舉行加熱發(fā)生再結(jié)晶，再結(jié)晶后晶粒大小與預(yù)先變形度有關(guān)。使品粒發(fā)生異常長大的預(yù)先變形度稱做臨界變形度。金屬變形度很小時，因不足以引起再結(jié)晶，晶粒不變。當(dāng)變形度達(dá)到2％～10％時，金屬中少數(shù)晶粒變形，變形分布很不勻稱，所以再結(jié)晶時生成的晶核少，晶粒大小相差極大，異常有利于晶粒發(fā)生吞并過程而很快長大，結(jié)果得到極粗壯的晶粒。19、在發(fā)明齒輪時，偶爾采用噴丸處理(將金屬丸噴射到零件表面上)，使齒面得以強化。試分析強化緣故。答：噴丸處理時，大量的微細(xì)金屬丸被噴射到零件表面上，使零件表層發(fā)生一定的塑性變形，因而對零件表面產(chǎn)生了加工硬化效應(yīng)，同時也在表面形成殘余壓應(yīng)力，有助于提高零件的疲勞強度。20、再結(jié)晶和重結(jié)晶有何不同？答：再結(jié)晶是指冷變形（冷加工）的金屬加熱到最低再結(jié)晶溫度以上，通過原子蔓延，使被拉長（或壓扁）、破碎的晶粒通過重新形核、長大變成新的勻稱、細(xì)小的等軸晶，同時消除加工硬化現(xiàn)象，使金屬的強度和硬度、塑性和韌性恢復(fù)至變形前的水平。對鋼而言，再結(jié)晶溫度低于共析溫度727℃，因此不會發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)類型的改變。有些金屬在固態(tài)下，存在兩種或兩種以上的晶格形式，如鐵、鈷、鈦等。這類金屬在冷卻或加熱過程中，其晶格形式會發(fā)生變化。金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格改變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)改變，也叫做重結(jié)晶。重結(jié)晶也是一個通過原子蔓延舉行的形核、長大過程，但同時發(fā)生晶格結(jié)構(gòu)類型的改變。21、熱軋空冷的45鋼鋼材在重新加熱到超過臨界點后再空冷下來時，組織為什么能細(xì)化?答：熱軋空冷的45鋼在室溫時組織為鐵素體十索氏體。重新加熱到臨界點以上，組織改變?yōu)閵W氏體。奧氏體在鐵素體和滲碳體的界面處形核。因為索氏體中鐵素體、滲碳體的層片細(xì)、薄，因此奧氏體形核數(shù)目多，奧氏體晶粒細(xì)小。奧氏體再空冷下來時，細(xì)小的奧氏體晶粒通過重結(jié)晶又改變成鐵素體十索氏體，此時的組織就比熱軋空冷的45鋼組織細(xì)，達(dá)到細(xì)化和勻稱組織的目的。23、試述馬氏體改變的基本特點。答：過冷A改變?yōu)轳R氏體是低溫改變過程，改變溫度在MS～Mf，之間，其基本特點如下：（1）過冷A改變?yōu)轳R氏體是一種非蔓延型改變。鐵和碳原子都不舉行蔓延。馬氏體就是碳α-Fe中的過飽和固溶體。過飽和碳使α-Fe的晶格發(fā)生很大畸變，產(chǎn)生很強的固溶強化。（2）馬氏體的形成速度很快。奧氏體冷卻到MS以下后，無孕育期，瞬時改變?yōu)轳R氏體。（3）馬氏體改變是不徹底的?？傄獨埩羯倭繆W氏體。奧氏體中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，則MS、Mf和越低，殘余A質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高。MS、Mf越低，殘余A質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高。（4）馬氏體形成時體積膨脹，在鋼中造成很大的內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時導(dǎo)致開裂。24、試比較索氏體和回火索氏體、馬氏體和回火馬氏體之間的形成條件、組織形態(tài)與性能上的主要區(qū)別。答：索氏體是鋼的過冷奧氏體在高溫改變溫度(620℃左右)等溫改變或在正火條件下形成的主要組織。索氏體為層片狀組織，即片狀滲碳體平行分布在鐵素體基體上?；鼗鹚魇象w是鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理(淬火+高溫回火)后形成的，淬火馬氏體在高溫回火條件下過飽和的碳原子所有脫溶析出為粒狀滲碳體、自身改變?yōu)殍F索體，即回火索氏體是細(xì)小的粒狀滲碳體彌散的分布在鐵素體基體上。因為粒狀滲碳體比片狀滲碳體對于阻止斷裂過程的發(fā)展有利，所以在碳及合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時，索氏體和回火索氏體兩者硬度相近，但是回火索氏體的強度、韌性、塑性要好得多。馬氏體是鋼淬火后的主要組織，低碳馬氏體為板條狀、高碳馬氏體為針狀。馬氏體存在有內(nèi)應(yīng)力，容易產(chǎn)生變形和開裂。馬氏體是不穩(wěn)定的，在工作中會發(fā)生分解，導(dǎo)致零件尺寸發(fā)生變化。高碳馬氏體硬而脆，韌性很低?；鼗瘃R氏體是淬火馬氏體經(jīng)低溫回火形成的?；鼗瘃R氏體由極細(xì)的ε碳化物和低過飽和度的α固溶體組成，低碳回火馬氏體是暗板條狀，高碳回火馬氏體是黑針狀?；鼗瘃R氏體和馬氏體相比，內(nèi)應(yīng)力小、韌性提高，同時保持了馬氏體的高硬度和高耐磨性。25、馬氏體的本質(zhì)是什么？它的硬度為什么很高？為什么高碳馬氏體的脆性大？答：馬氏體的本質(zhì)：馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。因為過飽和的間隙碳原子造成晶格的嚴(yán)重畸變，形成強烈的應(yīng)力場并與位錯發(fā)生強烈的交互作用產(chǎn)生固溶強化。馬氏體改變時在晶體內(nèi)造成晶格缺陷密度很高的亞結(jié)構(gòu)（板條狀馬氏體的高密度位錯，片狀馬氏體的微細(xì)孿晶）妨礙位錯運動，提高了馬氏體的硬度（馬氏體相變強化）。馬氏體形成后，碳及合金元素向位錯或其他缺陷蔓延偏聚析出，釘扎位錯，使位錯難以運動（馬氏體時效強化）。因此馬氏體的硬度很高。高碳馬氏體因為碳的過飽和度大，晶格嚴(yán)重畸變，淬火應(yīng)力大，同時存在孿晶結(jié)構(gòu)和高密度顯微裂紋，所以脆性大，塑性、韌性極差。26、為什么鋼件淬火后普通不直接使用。需要舉行回火?答：鋼件淬火后，為了消除內(nèi)應(yīng)力并獲得所要求的組織和性能，必須將其加熱到Acl以下的某一溫度，保溫一定時光舉行回火處理。這是因為：第一，淬火后得到的是性能很脆的馬氏體組織，并存在內(nèi)應(yīng)力，容易產(chǎn)生變形和開裂；第二，淬火馬氏體和殘余奧氏體都是不穩(wěn)定組織，在工作中會發(fā)生分解，會導(dǎo)致零件尺寸的變化，而這對精密零件是不允許；第三，為了獲得要求的強度、硬度、塑性和韌性，以滿意零件的使用要求。27、直徑為6mm的共析鋼小試樣加熱到相變點Al以上30℃，用圖1—9所示的冷卻曲線舉行冷卻，試分析所得到的組織，說明各屬于什么熱處理主意。答：a：馬氏體十殘余奧氏體，單介質(zhì)淬火(水冷)。b：馬氏體十殘余奧氏體，分級淬火。c：屈氏體十馬氏體十殘余奧氏體，單介質(zhì)淬火(油冷)。d：下貝氏體，等溫淬火。e：索氏體，正火。f：珠光體，退火。g：珠光體，等溫退火。28、調(diào)質(zhì)處理后的40鋼齒輪，經(jīng)高頻感應(yīng)加熱后的溫度分布如圖1-10所示。試分析高頻感應(yīng)加熱水淬后，輪齒由表面到中央各區(qū)(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ)的組織。答：加熱到Ⅲ區(qū)的部分，加熱溫度丁低于相變臨界點溫度Ac1，不發(fā)生相變。水冷后40鋼齒輪仍保持調(diào)質(zhì)處理后的鐵素體基體十粒狀滲碳體(回火索氏體)組織，但是高于原調(diào)質(zhì)處理的回火溫度的部分中，粒狀滲碳體變得較粗壯。加熱到Ⅲ區(qū)的部分組織為：回火索氏體。加熱到Ⅱ區(qū)的部分，加熱溫度為人Ac3＞T＞Ac1“浮上了部分奧氏體，所以加熱時Ⅱ區(qū)部分的組織為：鐵素體十奧氏體。水冷后Ⅱ區(qū)部分的組織為：鐵素體+馬氏體。加熱到I區(qū)的部分，加熱溫度T＞Ac3，已經(jīng)徹低奧氏體化，所以加熱時I區(qū)部分的組織為：奧氏體。水冷后I區(qū)部分的組織為：馬氏體。29、決定下列鋼件的退火主意，并指出退火目的及退火后的組織。⑴經(jīng)冷軋后的鋼板，要求降低硬度；⑵ZG35的鑄造齒輪；⑶改善T12鋼的切削加工性能。答：⑴再結(jié)晶退火。退火目的：消除加工硬化現(xiàn)象，恢復(fù)鋼板的韌性和塑性。再經(jīng)晶退火后的組織：生成與鋼板冷軋前晶格類型相同的細(xì)小、等軸晶。冷軋鋼板普通為低碳鋼，再結(jié)晶退火后的組織為鐵素體+珠光體。⑵徹低退火。退火目的：通過徹低重結(jié)晶，使鑄造過程中生成的粗壯、不勻稱的組織細(xì)化，消除魏氏組織，以提高性能，同時消除內(nèi)應(yīng)力。退火后的組織：鐵素體+珠光體。⑶球化退火。退火目的：使二次滲碳體及珠光體中的滲碳體球狀化，以降低硬度，改善切削加工性能，并為以后的淬火做組織決定。退火后的組織：球化體（鐵素體基體+球狀滲碳體）。30、說明直徑為6mm的45鋼退火試樣分離經(jīng)下列溫度加熱：700℃、760℃、840℃、1100答：加熱到1100℃保溫后水冷的組織：粗壯馬氏體；加熱到840℃保溫后水冷的組織：細(xì)小馬氏體；加熱到760℃保溫后水冷的組織：鐵素體十馬氏體；加熱到700℃31、兩個碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的碳鋼薄試樣，分離加熱到780℃和900℃，保溫相同時光奧氏體化后，以大于淬火臨界冷卻速度的速度冷卻到室溫。試分析：哪個溫度加熱淬火后馬氏體晶粒較粗壯？哪個溫度加熱淬火后馬氏體中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少？哪個溫度加熱淬火后殘余奧氏體量較多？（4）哪個溫度加熱淬火后未溶碳化物量較多？答：（1）加熱溫度高者奧氏體粗壯，粗壯奧氏體冷卻后改變組織也粗壯，因此加熱到900℃的試樣淬火后馬氏體晶粒較粗壯。（2）將試樣加熱到900℃時，其組織為單相奧氏體，奧氏體中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%。將試樣加熱到780℃時，其組織為奧氏體+滲碳體，因為有滲碳體，即一部分碳存在于滲碳體中，奧氏體中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)必然降低（奧氏體中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)可用鐵碳相圖決定：約為0.95%），因此加熱到780℃時的試樣淬火后馬氏體中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少。（3）奧氏體中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，淬火后殘余奧氏體量越多，因此加熱到900℃的試樣淬火后殘余奧氏體量較多。（4）將試樣加熱到900℃時，其組織為單相奧氏體，淬火后組織為馬氏體+殘余奧氏體。將試樣加熱到780℃時，其組織為奧氏體+滲碳體，淬火后組織為馬氏體+滲碳體+殘余奧氏體。故加熱到780℃的試樣淬火后未溶碳化物量較多。32、指出下列工件的淬火溫度及回火溫度，并說明回火后獲得的組織。（1）45鋼小軸（要求綜合性能好）；（2）60鋼彈簧；（3）T12鋼銼刀答：（1）45鋼小軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，綜合性能好，其淬火溫度為830～840℃（水冷），回火溫度為580～600℃?；鼗鸷螳@得的組織為回火索氏體。（2）60鋼彈簧的淬火溫度為840℃（油冷）回火溫度為480℃?；鼗鸷螳@得的組織為回火屈氏體。（3）T12鋼銼刀的淬火溫度為770～780℃（水冷），回火溫度為160～180℃，回火后獲得的組織為回火馬氏體+二次滲碳體+殘余奧氏體。33、兩根45鋼發(fā)明的軸，直徑分離為l0mm和100mm，在水中淬火后，橫截面上的組織和硬度是如何分布的?答：45鋼發(fā)明的軸，直徑為10mm時可認(rèn)為基本淬透，橫截面上外層為馬氏體，中央為半馬氏體(還有屈氏體十上貝氏體)。硬度基本勻稱分布。直徑為100mm時，軸表面冷速大，越逼近中央冷速越小。橫截面上外層為馬氏體，逼近外層為油淬火組織：馬氏體十屈氏體十上貝氏體，中央廣大區(qū)域為正火組織：索氏體。硬度不勻稱，表面硬度高，越逼近中央硬度越低。34、甲、乙兩廠生產(chǎn)同一種零件，均選用45鋼，硬度要求220～250HB，甲廠采用正火，乙廠采用調(diào)質(zhì)處理，均能達(dá)到硬度要求，試分析甲、乙兩廠的組織和性能差別。答：選用45鋼生產(chǎn)同一種零件，甲廠采用正火，其組織為鐵素體+索氏體。乙廠采用調(diào)質(zhì)處理，其組織為回火索氏體。索氏體為層片狀組織，即片狀滲碳體平行分布在鐵素體基體上，回火索氏體是細(xì)小的粒狀滲碳體彌散的分布在鐵素體基體上。因為粒狀滲碳體比片狀滲碳體對于阻止斷裂過程的發(fā)展有利，即兩者強度、硬度相近，但是回火索氏體的韌性、塑性要好得多。所以乙廠生產(chǎn)的零件性能要更好。35、試說明表面淬火、滲碳、氮化處理工藝在選用鋼種、性能應(yīng)用范圍等方面的差別。答：表面淬火普通用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr、40MnB鋼等。這類鋼經(jīng)預(yù)先熱處理（正火或調(diào)質(zhì)）后表面淬火，心部保持較高的綜合機械性能，而表面具有較高的硬度（50HRC）和耐磨性，主要用于軸肩部位、齒輪。高碳鋼也可表面淬火，主要用于受較小沖擊和交變載荷的工具、量具等?；铱阼T鐵發(fā)明的導(dǎo)軌、缸體內(nèi)壁等常用表面淬火提高硬度和耐磨性。滲碳普通用于低碳鋼和合金滲碳鋼。滲碳使低碳鋼件表面獲得高碳濃度（碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1），經(jīng)過適當(dāng)熱處理后，可提高表面的硬度、耐磨性和疲勞強度，而心部依然保持良好的塑性和韌性，因此滲碳主要用于同時受嚴(yán)重磨損和較大沖擊的零件，如齒輪、活塞銷、套筒等。氮化鋼中普通含有Al、Cr、Mo、W、V等合金元素，使生成的氮化物穩(wěn)定，并在鋼中勻稱分布，提高鋼表面的硬度，在也不降低，常用的氮化鋼有35CrAlA、38CrMoAlA、38CrWVAlA等。碳鋼及鑄鐵也可用氮化提高表面的硬度。氮化的目的在于更大地提高零件的表面硬度和耐磨性，提高疲勞強度和抗蝕性。因為氮化工藝復(fù)雜，時光長，成本高，普通只用于耐磨性和精度都要求較高的零件，或要求抗熱、抗蝕的耐磨件，如發(fā)動機汽缸、排氣閥、精密絲杠、鏜床主軸汽輪機閥門、閥桿等。36、試述固溶強化、加工硬化和彌散強化的強化原理。答：金屬材料的強度(主要指屈服強度)反映金屬材料對塑性變形的抗力。金屬材料塑性變形本質(zhì)上大多數(shù)情況下是由材料內(nèi)部位錯運動引起的。凡是妨礙位錯運動的因素都使金屬材料強化。固溶強化原理：固溶體隨著溶質(zhì)原子的溶人晶格發(fā)生畸變，品格畸變增大了位錯運動的阻力，使金屬的滑移變形變得越發(fā)艱難，從而提高合金的強度和硬度。這種通過形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。加工硬化原理：金屬發(fā)生塑性變形時，位錯密度增強，位錯間的交互作用增強，互相纏結(jié)，造成位錯運動阻力的增大，引起塑性變形抗力提高。另一方面因為晶粒破碎細(xì)化，晶界增多。因為晶界上原子羅列不很規(guī)矩，妨礙位錯的運動，使變形抗力增大，從而使強度得以提高。金屬發(fā)生塑性變形，隨變形度的增大，金屬的強度和硬度顯著提高，塑性和韌性顯然下降。這種現(xiàn)象稱為加工硬化，也叫形變強化。彌散強化原理：許多金屬材料的組織由基體(常為固溶體)和第二相組成，第二相普通為金屬化合物。當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小質(zhì)點的形態(tài)勻稱、彌散分布在合金中時，一方面因為第二相和基體之間的界面(相界)增強，造成相界周圍基體品格畸變，使位錯運動受阻，增強了滑移抗力，從而強度得到提高。另一方面第二相質(zhì)點本身就是位錯運動的障礙物，位錯移動時不能直接越過第二相質(zhì)點。在外力作用下，位錯可以環(huán)抱第二相質(zhì)點發(fā)生彎曲，位錯移過后，在第二相質(zhì)點周圍留下位錯環(huán)。這增強了位錯運動的阻力，也使滑移抗力增強。以上2個緣故使金屬材料得以強化。第二相以細(xì)小質(zhì)點的形態(tài)勻稱、彌散分布在合金中使合金顯著強化的現(xiàn)象稱為彌散強化。37、合金元素提高鋼的回火穩(wěn)定性的緣故何在？答：合金元素在回火過程中推遲馬氏體的分解和殘余奧氏體的改變（即在較高溫度才開始分解和改變）;提高鐵元素的再結(jié)晶溫度，使碳化物難以聚攏長大而保持較大的彌散度，因此提高了鋼對回火軟化的抗力，即提高了鋼的回火穩(wěn)定性。38、什么是鋼的回火脆性?如何避免?答：鋼在回火過程中浮上的沖擊韌性降低的現(xiàn)象標(biāo)為回火脆性。回火后快冷(通常用油冷)，抑制雜質(zhì)元素在晶界偏聚，可防止其發(fā)生。鋼中參加適當(dāng)Mo或W[ω(Mo)＝0.5％，ω(W)＝1％]，因強烈妨礙和延遲雜質(zhì)元素等往晶界的蔓延偏聚，也可基本上消除這類脆性。39、為什么說得到馬氏體隨后回火處理是鋼的最經(jīng)濟而又最有效的強韌化主意？答：淬火形成馬氏體時，馬氏體中的位錯密度增高，而屈服強度是與位錯密度成正比的。馬氏體形成時，被分割成許多較小的取向不同的區(qū)域（馬氏體束），產(chǎn)生相當(dāng)于晶粒細(xì)化的作用，馬氏體中的合金元素也有固溶強化作用，馬氏體是過飽和固溶體，回火分析出碳化物，使間隙固溶強化效應(yīng)大大減小，但使韌性大大改善，同時析出的碳化物粒子能造成強烈的第二相強化。所以，獲得馬氏體并對其回火是鋼的最經(jīng)濟和最有效的綜合強化主意。40、為什么碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%，鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的鉻鋼屬于過共析鋼，而碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的鋼屬于萊氏體鋼？答：因參加12%鉻，使共析點S和E點碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，即S點和E點左移，使合金鋼的平衡組織發(fā)生變化（不能徹低用Fe-Fe3C來分析），碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的鉻鋼浮上了二次碳化物，因而屬于過共析鋼；而碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的鋼已具有萊氏體鋼。43、用T10鋼發(fā)明形狀容易的車刀，其工藝路線為：鍛造一熱處理一機加丁一熱處理一磨加工。①寫出其中熱處理工序的名稱及作用。②制定總算熱處理(磨加工前的熱處理)的工藝規(guī)范，并指出車刀在使用狀態(tài)下的顯微組織和大致硬度。答：①鍛造一正火一球化退火一機加工一淬火、低溫回火一磨加工。正火：得到S+二次滲碳體、細(xì)化組織，消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火做決定。球化退火：使二次滲碳體及珠光體中的滲碳體球狀化，得到球狀珠光體。改善機加工性能，同時為淬火做組織決定。淬火：得到馬氏體十粒狀滲碳體十殘余奧氏體。提高硬度，提高車刀的耐磨性。低溫回火：得到回火馬氏體十粒狀滲碳體十殘余奧氏體，降低淬火應(yīng)力，提高工件韌性，同時保證淬火后的高硬度和高耐磨性。②淬火：加熱溫度760℃，保溫后水冷低溫回火：加熱溫度150—250℃，保溫后(＜2h)爐冷或空冷。成品組織：回火馬氏體十碳化物十殘余奧氏體；硬度：58—64HRC第三章1、說出Q235A、15、45、65、T8、T12等鋼的鋼類、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，各舉出一個應(yīng)用實例。答：如表1-1所示鋼類碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)用實例Q235A碳素結(jié)構(gòu)鋼0.14%～0.22%鋼筋、鋼板、鋼管等15優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼約0.15%沖壓件及焊接件，經(jīng)熱處理后可發(fā)明軸、銷等零件45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼0.42%～0.50%齒輪、軸類、套筒等零件65優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼0.62%～0.70%彈簧T8碳素工具鋼0.75%～0.84%沖頭、鑿子、錘子等工具T12碳素工具鋼1.15%～1.24%銼刀、刮刀等刃具和量規(guī)、樣套等量具2、為什么低合金高強鋼用錳作為主要的合金元素?答：我國的低合金結(jié)構(gòu)鋼基本上不用珍貴的Ni、Cr等元素，而以資源豐盛的Mn為主要元素。錳除了產(chǎn)生較強的固溶強化效果外，因它大大降低奧氏體分解溫度，細(xì)化了鐵素體晶粒，并使珠光體片變細(xì)，消除了晶界上的粗壯片狀碳化物，提高了鋼的強度和韌性，所以低合金高強鋼用錳作為主要的合金元素。3、試述滲碳鋼和調(diào)質(zhì)鋼的合金化及熱處理特點。答：滲碳鋼的合金化特點是參加提高淬透性的合金元素如Cr、Ni、Mn等，以提高熱處理后心部的強度和韌性；參加妨礙奧氏體晶粒長大的元素如Ti、V、W、Mo等，形成穩(wěn)定的合金碳化物。并增強滲碳層的硬度，提高耐磨性。熱處理特點是滲碳后直接淬火，再低溫回火，得到的表面滲碳層組織由合金滲碳體與回火馬氏體及少量殘余奧氏體組成，心部多數(shù)情況為屈氏體、回火馬氏體和少量鐵素體。調(diào)質(zhì)鋼的合金化特點是參加提高淬透性的合金元素如Cr、Mn、Ni、Si、B等，并可提高鋼的強度，參加防止第二類回火脆性的元素如Mo、W；熱處理特點是淬火(油淬)后高溫回火，得到的組織是回火索氏體。4、有兩種高強螺栓，一種直徑為10mm，另一種直徑30mm，都要求有較高的中和機械性能：σb≥800MPa，αk≥600KJ/m2。試問應(yīng)挑選什么材料及熱處理工藝？答：為滿意機械性能要求，應(yīng)考慮材料的淬透性能。對于直徑為30mm的螺栓，挑選40Cr，該鋼有較好的滲透性。熱處理工藝為850℃油淬，520℃回火；對于直徑位為10mm的螺栓，挑選45鋼代替40Cr，可節(jié)約Cr且達(dá)到基本要求，熱處理工藝為840℃水淬，600℃回火。5、為什么合金彈簧鋼以硅為重要的合金元素?為什么要舉行中溫回火?答：硅元素的主要作用在于提高合金的淬透性，同時提高屈強比。舉行中溫回火的目的在于獲得回火屈氏體組織，具有很高的屈服強度，彈性極限高，并有一定的塑性和韌性。6、軸承鋼為什么要用鉻鋼？為什么對非金屬夾雜限制異常鄭重？答：鉻能提高淬透性，形成合金滲碳體（Fe,Cr）3C呈細(xì)密、勻稱分布，提高鋼的耐磨性，異常是疲勞強度，因此軸承鋼以鉻作為基本合金元素。軸承鋼中非金屬夾雜物和碳化物的不勻稱性對鋼的性能，尤其是對接觸疲勞強度影響很大，因為夾雜物往往是接觸疲勞破壞的發(fā)源點，因此，軸承鋼對非金屬夾雜物限制異常鄭重。7、簡述高速鋼的成分、熱處理和性能特點，并分析合金元素的作用。答：高速鋼的成分特點是：（1）高碳，其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.70%以上，最高可達(dá)1.50%左右，它一方面能保證與W、Cr、V等形成充足數(shù)量的碳化物；另一方面還要有一定數(shù)量的碳溶于奧氏體中，以保證馬氏體的高硬度。（2）參加W、Cr、V、Mo等合金元素。參加Cr提高淬透性，幾乎所有高速鋼的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為4%。鉻的碳化物Cr23C6在淬火加熱時差不多所有溶于奧氏體中，增強過冷奧氏體的穩(wěn)定性，大大提高鋼的淬透性。鉻還能提高鋼的抗氧化、脫碳的能力。參加W、Mo保證高的熱硬性，在退火狀態(tài)下，W、Mo以型碳化物形式存在。這類碳化物在淬火加熱時較難溶解，加熱時，一部分碳化物溶于奧氏體，淬火后W、Mo存在于馬氏體中，在隨后的560℃回火時，形成W2C或Mo2C彌散分布，造成二次硬化。這種碳化物在500～600℃溫度范圍內(nèi)異常穩(wěn)定，不易聚攏長大，從而使鋼具有良好的熱硬性；未溶得碳化物能起到阻止奧氏體晶粒長大及提高耐磨性的作用。V能形成VC（或V4C3），異常穩(wěn)定，極難熔解，硬度極高（大大超過的硬度）且顆粒細(xì)小，分布勻稱，能大大提高鋼的硬度和耐磨性。同時能阻止奧氏體晶粒長大，細(xì)化晶粒。熱處理特點是1220～1280℃淬火+550～570℃三次回火，得到的組織為回火馬氏體、細(xì)粒狀碳化物及少量殘余奧氏體。性能特點是具有高硬度、高耐磨性、一定的塑性和韌性。其在高速切割中刃部溫度達(dá)600℃時，其硬度無顯然下降。8、W18Cr4V鋼的Ac1約為820℃，若以普通工具鋼Ac1+（30～50）℃的常規(guī)主意來決定其淬火加熱溫度，總算熱處理后能否達(dá)到高速切削刀具所要求的性能？為什么？其實際淬火溫度是多少？答：若按照Ac1+（30～50）℃的常規(guī)主意來決定W18Cr4V鋼淬火加熱溫度，淬火加熱溫度為850～870℃，不能達(dá)到高速切削刀具要求的性能。因為高速鋼中含有大量的W、Mo、Cr、V的難溶碳化物，它們惟獨在1200℃以上才干大量地溶于奧氏體中，以保證鋼淬火、回火后獲得高的熱硬性，因此其淬火加熱溫度異常高，普通為1220～1280℃。9、不銹鋼的固溶處理與穩(wěn)定化處理的目的各是什么？答：不銹鋼固溶處理的目的是獲得單相奧氏體組織，提高耐蝕性。穩(wěn)定化處理的目的是使溶于奧氏體中的碳與鈦以碳化鈦的形式充足析出，而碳不再同鉻形成碳化物，從而有效地消除了晶界貧鉻的可能，避免了晶間腐蝕的產(chǎn)生。10、試分析20CrMnTi鋼和1Cr18Ni9Ti鋼中Ti的作用。答：20CrMnTi鋼種Ti的作用是阻止?jié)B碳時奧氏體晶粒長大、增強滲碳層硬度和提高耐磨性。1Cr18Ni9Ti鋼中Ti的作用是優(yōu)先與碳形成穩(wěn)定化合物，避免晶界貧鉻，防止晶間腐蝕，提高耐蝕性。11、試分析合金元素Cr在40Cr、GCr15、CrWMn、1Cr13、1Cr18Ni9Ti、4Cr9Si2等鋼中的作用。答：在40Cr中：提高淬透性，形成合金鐵素體，提高鋼的強度。在GCr15中：提高淬透性，形成合金滲碳體（Fe,Cr）3C呈細(xì)密、勻稱分布，提高鋼的耐磨性，異常是疲勞強度。在CrWMn中：提高淬透性。在1Cr13中：提高鋼基體的電極電位，使鋼的耐蝕性提高。在1Cr18Ni9Ti中：提高基體的電極電位，在氧化性介質(zhì)中極易鈍化，形成致密和穩(wěn)定的氧化膜，提高耐蝕性、抗氧化性，并有利于熱強性，提高淬透性。在4Cr9Si2中：提高抗氧化性，并有利于熱強性，提高淬透性。12、試就下列四個鋼號：20CrMnTi、65、T8、40Cr研究下列問題。在加熱溫度相同的情況下，比較其淬透性和淬硬性，并說明理由；各種鋼的用途、熱處理工藝、總算的組織。答：(1)加熱溫度相同的情況下，淬透性20CrMnTi>40Cr>T8>65，淬硬性T8>65>40Cr>20CrMnTi。決定淬透性的因素是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和合金元素，Cr、Mn等能顯著提高淬透性，合金鋼的淬透性普通要好于碳鋼。決定淬硬性的因素主要是馬氏體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。(2)如下表所示。用途熱處理工藝總算組織20CrMnTi汽車、拖拉機上的變速箱齒輪等重要零件滲碳—淬火—低溫回火（870℃油淬+200℃回火）表面為合金滲碳體、回火M和少量殘余奧氏體，心部多數(shù)情況下為T、回火M和少量鐵素體65彈簧淬火+中溫回火回火TT8沖頭、鑿子、錘子等工具淬火+低溫回火回火M40Cr連桿螺栓、進氣閥、重要齒輪、軸類件870℃油淬+520℃回火調(diào)質(zhì)處理+表面淬火+低溫回火回火S表面回火M、心部回火S14、要使球墨鑄鐵的基本組織為鐵素體、珠光體或下貝氏體，工藝上應(yīng)如何控制?答：要得到鐵素體基體的球墨鑄鐵，應(yīng)舉行退火處理；要得到珠光體基體的球墨鑄鐵，應(yīng)舉行正火處理；要得到下貝氏體基體的球墨鑄鐵，則舉行等溫淬火。15、有一灰口鑄鐵鑄件，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)石墨化不徹低，尚有滲碳體存在。試分析其緣故．并提出使這一鑄件徹低化的主意。答：緣故可能是鑄鐵結(jié)晶時冷卻速度太快，碳原子不能充足蔓延以石墨的形式析出，析出了滲碳體。要使該鑄件徹低石墨化，應(yīng)舉行高溫退火，使?jié)B碳體分解成石墨。如為共析滲碳體，可加熱到550℃16、試述石墨形態(tài)對鑄鐵性能的影響。答：石墨強度、韌性極低，相當(dāng)于鋼基體上的裂紋或空洞，它減小基體的有效截面，并引起應(yīng)力擴散。普通灰鑄鐵和孕育鑄鐵的石墨呈片狀，對基體的嚴(yán)重割裂作用使其抗拉強度和塑性都很低。球墨鑄鐵的石墨呈球狀，對基體的割裂作用顯著降低，具有很高的強度，又有良好的塑性和韌性，其綜合機械性能臨近于鋼。蠕墨鑄鐵的石墨形態(tài)為蠕蟲狀，雖與灰鑄鐵的片狀石墨類似，但石墨片的長厚比較小，端部較鈍，對基體的割裂作用減小，它的強度臨近于球墨鑄鐵，且有一定的韌性，較高的耐磨性?？慑戣T鐵的石墨呈團絮狀，對基體的割裂作用較小，具有較高的強度、一定的延伸率。17、試比較各類鑄鐵之間性能的優(yōu)劣順序，與鋼相比較鑄鐵性能有什么優(yōu)缺點？答：鑄鐵性能優(yōu)劣排序為：球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵、灰鑄鐵。與鋼相比，鑄鐵具有以下性能特點：(1)因為石墨的存在，造成脆性切削，鑄鐵的切削加工性能優(yōu)異；(2)鋼鐵的鑄造性能良好，鑄件凝結(jié)時形成石墨產(chǎn)生的膨脹，減小了鑄件體積的收縮，降低了鑄件中的內(nèi)應(yīng)力；(3