金屬學(xué)與熱處理課后習(xí)題答案(含有9·10章)

第一章1.作圖表示出立方晶系（123）、（0-1-2）、（421）等晶面和[-102]、[-211]、[346]等晶向3.某晶體的原子位于正方晶格的節(jié)點(diǎn)上，其晶格常數(shù)a=b≠c，c=2/3a。今有一晶面在X、Y、Z坐標(biāo)軸上的截距分別是5個(gè)原子間距，2個(gè)原子間距和3個(gè)原子間距，求該晶面的晶面參數(shù)。解：設(shè)X方向的截距為5a，Y方向的截距為2a，則Z方向截距為3c=3X2a/3=2a，取截距的倒數(shù)，分別為1/5a，1/2a，1/2a化為最小簡單整數(shù)分別為2,5,5故該晶面的晶面指數(shù)為（255）4.體心立方晶格的晶格常數(shù)為a，試求出（100）、（110）、（111）晶面的晶面間距，并指出面間距最大的晶面解：（100）面間距為a/2，（110）面間距為√2a/2，（111）面間距為√3a/3三個(gè)晶面晶面中面間距最大的晶面為（110）7.證明理想密排六方晶胞中的軸比c/a=1.633證明：理想密排六方晶格配位數(shù)為12，即晶胞上底面中心原子與其下面的3個(gè)位于晶胞內(nèi)的原子相切，成正四面體，如圖所示則OD=c/2，AB=BC=CA=CD=a因△ABC是等邊三角形，所以有OC=2/3CE由于(BC)2=(CE)2+(BE)2則有(CD)2=(OC)2+(1/2c)2，即因此c/a=√8/3=1.6338.試證明面心立方晶格的八面體間隙半徑為r=0.414R解：面心立方八面體間隙半徑r=a/2-√2a/4=0.146a面心立方原子半徑R=√2a/4，則a=4R/√2，代入上式有R=0.146X4R/√2=0.414R9.a）設(shè)有一剛球模型，球的直徑不變，當(dāng)由面心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格時(shí)，試計(jì)算其體積膨脹。b）經(jīng)X射線測定，在912℃時(shí)γ-Fe的晶格常數(shù)為0.3633nm，α-Fe的晶格常數(shù)為0.2892nm，當(dāng)由γ-Fe轉(zhuǎn)化為α-Fe時(shí)，求其體積膨脹，并與a）比較，說明其差別的原因。解：a）令面心立方晶格與體心立方晶格的體積及晶格常數(shù)分別為V面、V踢與a面、a體，鋼球的半徑為r，由晶體結(jié)構(gòu)可知，對(duì)于面心晶胞有4r=√2a面，a面=2√2/2r，V面=（a面）3=（2√2r）3對(duì)于體心晶胞有4r=√3a體，a體=4√3/3r，V體=（a體）3=（4√3/3r）3則由面心立方晶胞轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶胞的體積膨脹△V為△V=2×V體-V面=2.01r3B）按照晶格常數(shù)計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)變體積膨脹△V實(shí)，有△V實(shí)=2△V體-V面=2x(0.2892)3-(0.3633)3=0.000425nm3實(shí)際體積膨脹小于理論體積膨脹的原因在于由γ-Fe轉(zhuǎn)化為α-Fe時(shí),Fe原子的半徑發(fā)生了變化，原子半徑減小了。10.已知鐵和銅在室溫下的晶格常數(shù)分別為0.286nm和0.3607nm，求1cm3中鐵和銅的原子數(shù)。解：室溫下Fe為體心立方晶體結(jié)構(gòu)，一個(gè)晶胞中含2個(gè)Fe原子，Cu為面心立方晶體結(jié)構(gòu)，一個(gè)晶胞中含有4個(gè)Cu原子1cm3=1021nm3令1cm3中含F(xiàn)e的原子數(shù)為NFe，含Cu的原子數(shù)為NCu，室溫下一個(gè)Fe的晶胞題解為VFe，一個(gè)Cu晶胞的體積為VCu，則NFe=1021/VFe=1021/(0.286)3=3.5x1018NCu=1021/VCu=1021/(0.3607)3=2.8X101811.一個(gè)位錯(cuò)環(huán)能不能各個(gè)部分都是螺型位錯(cuò)或者刃型位錯(cuò)，試說明之。解：不能，看混合型位錯(cuò)13.試計(jì)算{110}晶面的原子密度和[111]晶向原子密度。解：以體心立方{110}晶面為例{110}晶面的面積S=ax√2a{110}晶面上計(jì)算面積S內(nèi)的原子數(shù)N=2則{110}晶面的原子密度為ρ=N/S=√2a-2[111]晶向的原子密度ρ=2/√3a15.有一正方形位錯(cuò)線，其柏式矢量如圖所示，試指出圖中各段線的性能，并指出任性位錯(cuò)額外串排原子面所在的位置。DCbABAD、BC段為刃型位錯(cuò)；DC、AB段為螺型位錯(cuò)AD段額外半原子面垂直直面向里BC段額外半原子面垂直直面向外第二章1.證明均勻形核時(shí)，形成臨界晶粒的ΔGk與其體積V之間的關(guān)系為ΔGk=V/2△Gv證明：由均勻形核體系自由能的變化（1）可知，形成半徑為rk的球狀臨界晶粒，自由度變化為（2）對(duì)（2）進(jìn)行微分處理，有(3)將（3）帶入（1），有（4）由于，即3V=rkS（5）將（5）帶入（4）中，則有2.如果臨界晶核是邊長為a的正方形，試求其△Gk和a的關(guān)系。為什么形成立方晶核的△Gk比球形晶核要大？3.為什么金屬結(jié)晶時(shí)一定要有過冷度，影響過冷度的因素是什么，固態(tài)金屬融化時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)過熱，為什么？答：由熱力學(xué)可知，在某種條件下，結(jié)晶能否發(fā)生，取決于固相的自由度是否低于液相的自由度，即?G=GS-GL<0；只有當(dāng)溫度低于理論結(jié)晶溫度Tm時(shí)，固態(tài)金屬的自由能才低于液態(tài)金屬的自由能，液態(tài)金屬才能自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬，因此金屬結(jié)晶時(shí)一定要有過冷度。影響過冷度的因素：影響過冷度的因素：1）金屬的本性，金屬不同，過冷度大小不同；2）金屬的純度，金屬的純度越高，過冷度越大；3）冷卻速度，冷卻速度越大，過冷度越大。固態(tài)金屬熔化時(shí)會(huì)出現(xiàn)過熱度。原因：由熱力學(xué)可知，在某種條件下，熔化能否發(fā)生，取決于液相自固態(tài)金屬熔化時(shí)會(huì)出現(xiàn)過熱度。原因：由度是否低于固相的自由度，即?G=GL-GS<0；只有當(dāng)溫度高于理論結(jié)晶溫度Tm時(shí)，液態(tài)金屬的自由能才低于固態(tài)金屬的自由能，固態(tài)金屬才能自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)金屬，因此金屬熔化時(shí)一定要有過熱度。4.試比較均勻形核和非均勻形核的異同點(diǎn)。相同點(diǎn)：均勻形核與非均勻形核具有相同的臨界晶核半徑，非均勻形核的臨界形核功也等于三分之一.不同點(diǎn)：非均勻形核要克服的位壘比均勻形核的小得多，在相變的形核過程通常都是非均勻形核優(yōu)先進(jìn)行。核心總是傾向于以使其總的表面能和應(yīng)變能最小的方式形成，因而析出物的形狀是總應(yīng)變能和總表面能綜合影響的結(jié)果。5.說明晶體成長形狀與溫度梯度的關(guān)系（1）、在正的溫度梯度下生長的界面形態(tài)：光滑界面結(jié)晶的晶體，若無其它因素干擾，大多可以成長為以密排晶面為表面的晶體，具有規(guī)則的幾何外形。粗糙界面結(jié)構(gòu)的晶體，在正的溫度梯度下成長時(shí)，其界面為平行于熔點(diǎn)等溫面的平直界面，與散熱方向垂直，從而使之具有平面狀的長大形態(tài)，可將這種長大方式叫做平面長大方式。（2）、在負(fù)的溫度梯度下生長的界面形態(tài)粗糙界面的晶體在負(fù)的溫度梯度下生長成樹枝晶體。主干叫一次晶軸或一次晶枝。其它的叫二次晶或三次晶。對(duì)于光滑界面的物質(zhì)在負(fù)的溫度梯度下長大時(shí)，如果杰克遜因子α不太大時(shí)可能生長為樹枝晶，如果杰克遜因子α很大時(shí)，即使在負(fù)的溫度梯度下，仍有可能形成規(guī)則形狀的晶體。6.簡述三晶區(qū)形成的原因及每個(gè)晶區(qū)的性能特點(diǎn)形成原因：1）表層細(xì)晶區(qū)：低溫模壁強(qiáng)烈地吸熱和散熱，使靠近模壁的薄層液體產(chǎn)生極大地過冷，形成原因形成原模壁又可作為非均勻形核的基底，在此一薄層液體中立即產(chǎn)生大量的晶核，并同時(shí)向各個(gè)方向生長。晶核數(shù)目多，晶核很快彼此相遇，不能繼續(xù)生長，在靠近模壁處形成薄層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。2）柱狀晶區(qū)：模壁溫度升高導(dǎo)致溫度梯度變得平緩；過冷度小，不能生成新晶核，但利于細(xì)晶區(qū)靠近液相的某些小晶粒長大；遠(yuǎn)離界面的液態(tài)金屬過熱，不能形核；垂直于模壁方向散熱最快，晶體擇優(yōu)生長。3）中心等軸晶區(qū)：柱狀晶長到一定程度后，鑄錠中部開始形核長大---中部液體溫度大致是均勻的，每個(gè)晶粒的成長在各方向上接近一致，形成等軸晶。性能特點(diǎn)：1）表層細(xì)晶區(qū)：組織致密，力學(xué)性能好；2）柱狀晶區(qū)：組織較致密，存在弱面，力學(xué)性能有方向性；3）中心等軸晶區(qū)：各晶粒枝杈搭接牢固，無弱面，力學(xué)性能無方向性。7.為了得到發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)應(yīng)采用什么措施，為了得到發(fā)達(dá)的等軸晶區(qū)應(yīng)采取什么措施？其基本原理如何？答：為了得到發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)應(yīng)采取的措施：1）控制鑄型的冷卻能力，采用導(dǎo)熱性好與熱容量大的鑄型為了得到發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)應(yīng)采取的措施：材料，增大鑄型的厚度，降低鑄型的溫度。2）提高澆注溫度或澆注速度。3）提高熔化溫度?；驹恚夯驹恚?）鑄型冷卻能力越大，越有利于柱狀晶的生長。2）提高澆注溫度或澆注速度，使溫度梯度增大，有利于柱狀晶的生長。3）熔化溫度越高，液態(tài)金屬的過熱度越大，非金屬夾雜物溶解得越多，非均勻形核數(shù)目越少，減少了柱狀晶前沿液體中的形核的可能，有利于柱狀晶的生長。為了得到發(fā)達(dá)的等軸晶區(qū)應(yīng)采取的措施：為了得到發(fā)達(dá)的等軸晶區(qū)應(yīng)采取的措施：1）控制鑄型的冷卻能力，采用導(dǎo)熱性差與熱容量小的鑄型材等軸晶區(qū)應(yīng)采取的措施料，增大鑄型的厚度，提高鑄型的溫度。2）降低澆注溫度或澆注速度。3）降低熔化溫度。基本原理：基本原理：1）鑄型冷卻能力越小，越有利于中心等軸晶的生長。2）降低澆注溫度或澆注速度，使溫度梯度減小，有利于等軸晶的生長。3）熔化溫度越低，液態(tài)金屬的過熱度越小，非金屬夾雜物溶解得越少，非均勻形核數(shù)目越多，增加了柱狀晶前沿液體中的形核的可能，有利于等軸晶的生長。第三章1.在正溫度梯度下，為什么純金屬凝固時(shí)不能呈樹枝狀生長，而固溶體合金卻能呈樹枝狀成長？純金屬凝固時(shí)，要獲得樹枝狀晶體，必需在負(fù)的溫度梯度下；在正的溫度梯度下，只能以平面狀長大。而固溶體實(shí)際凝固時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生成分過冷，當(dāng)成分過冷區(qū)足夠大時(shí)，固溶體就會(huì)以樹枝狀長大。2.何謂合金平衡相圖，相圖能給出任一條件下的合金顯微組織嗎？合金平衡相圖是研究合金的工具，是研究合金中成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。其中二元合金相圖表示二元合金相圖表示在平衡狀態(tài)下，合金的組成相或組織狀態(tài)與溫度、成分、壓力之間關(guān)系的簡明圖解。平衡狀態(tài)：合金的成分、質(zhì)量份數(shù)不再隨時(shí)間而變化的一種狀態(tài)。合金的極緩慢冷卻可近似認(rèn)為是平衡狀態(tài)。三元合金相圖是指獨(dú)立組分?jǐn)?shù)為3的體系，該體系最多可能有四個(gè)自由度，即溫度、壓力和兩個(gè)濃度項(xiàng)，用三維空間的立體模型已不足以表示這種相圖。若維持壓力不變，則自由度最多等于3，其相圖可用立體模型表示。若壓力、溫度同時(shí)固定，則自由度最多為2，可用平面圖來表示。通常在平面圖上用等邊三角形(有時(shí)也有用直角坐標(biāo)表示的)來表示各組分的濃度。不能，相圖只能給出合金在平衡條件下存在的合金顯微組織4.何謂成分過冷？成分過冷對(duì)固溶體結(jié)晶時(shí)晶體長大方式和鑄錠組織有何影響？在固溶體合金凝固時(shí)，在正的溫度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所差別，導(dǎo)致固液界面前沿的熔體的溫度低于實(shí)際液相線溫度，從而產(chǎn)生的過冷稱為成分過冷。這種過冷完全是由于界面前沿液相中的成分差別所引起的。溫度梯度增大，成分過冷減小。成分過冷必須具備兩個(gè)條件：第一是固~液界面前沿溶質(zhì)的富集而引起成分再分配；第二是固~液界面前方液相的實(shí)際溫度分布，或溫度分布梯度必須達(dá)到一定的值。對(duì)合金而言，其凝固過程同時(shí)伴隨著溶質(zhì)再分配，液體的成分始終處于變化當(dāng)中，液體中的溶質(zhì)成分的重新分配改變了相應(yīng)的固液平衡溫度，這種關(guān)系有合金的平衡相圖所規(guī)定。利用“成分過冷”判斷合金微觀的生長過程。第四章1.分析分析ωc=0.2%,wc=0.6%,wc=1.2%的鐵碳合金從液態(tài)平衡冷卻到室溫的轉(zhuǎn)變過程。ωc=0.2%:L---L+δ---δ→γ(1495度)---γ+L---γ----α+γ----γ→α(727度)---α+Fe3C;(γ=A,α=F;下同)ωc=0.6%:L---γ+L---γ----α+γ----γ→α(727度)---α+Fe3C;ωc=1.2%:L---γ+L---γ----Fe3C+γ----γ→α(727度)---α+Fe3C;室溫下相組成物的相對(duì)含量:ωc=0.2%，滲碳體相對(duì)含量=(0.2-0.02)/6.67%,余量鐵素體ωc=0.6%，滲碳體相對(duì)含量=(0.6-0.02)/6.67%,余量鐵素體ωc=1.2%滲碳體相對(duì)含量=(1.2-0.02)/6.67%,余量鐵素體室溫下組織組成物的相對(duì)含量:ωc=0.2%，珠光體相對(duì)含量=(0.2-0.02)/0.77%,余量鐵素體ωc=0.6%，珠光體相對(duì)含量=(0.6-0.02)/0.77%,余量鐵素體ωc=1.2%,滲碳體相對(duì)含量=(1.2-0.77)/6.67%,余量珠光體2.分析ωc=3.5%、ωc=4.7%的鐵碳合金從液態(tài)到室溫的平衡結(jié)晶過程，畫出冷卻曲線和組織轉(zhuǎn)變示意圖，并計(jì)算室溫下的組織組成物和相組成物。解：下圖表示ωc=3.5%%的鐵碳合金從液態(tài)到室溫的平衡結(jié)晶過程：下圖表示ωc=4.7%的鐵碳合金從液態(tài)到室溫的平衡結(jié)晶過程：3.計(jì)算鐵碳合金中二次滲碳體和三次滲碳體最大可能含量。答：鐵碳合金中二次滲碳體即Fe3CⅡ的最大可能含量產(chǎn)生在2.11%C的鐵碳合金中，因此（Fe3CⅡ）max=（2.11-0.77）/（6.69-0.77）x100%=22.64%三次滲碳體即Fe3CⅢ的可能最大含量在0.0218%C的鐵碳合金中，因此（Fe3CⅢ）max（0.0218-0.006）/（6.69-0.006）x100%=0.24%4.分別計(jì)算萊氏體中共晶滲碳體、二次滲碳體、共析滲碳體的含量。解：在萊氏體中，F(xiàn)e3C共晶%=（4.3-2.11）/（6.69-2.11）*100%=47.8%Fe3CⅡ%=[（6.69-4.3）/（6.69-2.11）]*[（2.11-0.77）/（6.69-0.77）]*100%=11.8%Fe3C共析%=[（6.69-4.3）/（6.69-2.11）-11.8%]*[（0.77-0.0218）/（6.69-0.0218）]*100%=4.53%5.為了區(qū)分兩種弄混的鋼，工人分別將A、B兩塊碳素鋼試樣加熱至850℃保溫后緩冷，金相組織分別為：A試樣的先共析鐵素體面積為41.6%，珠光體面積為58.4%；B試樣的二次滲碳體面積為7.3%，珠光體面積為92.7%；設(shè)鐵素體和滲碳體的密度相同,鐵素體的含碳量為零，求A、B兩種碳素鋼的含碳量。解：這兩個(gè)試樣處理后都是得到的平衡態(tài)組織，首先判斷A試樣為亞共析鋼，根據(jù)相圖杠桿原理列出方程如下：(0.77-X)/(0.77-0.0218)=41.6%

這樣得到X=45.0%，大概是45鋼的成分范圍。同理B試樣為過共析鋼(6.69-X)/(6.69-0.77)=92.7%；X=1.2%，大概是T12鋼的范圍，當(dāng)然相應(yīng)地還可以利用杠桿的另外一端來求了。6.利用Fe-FeC3相圖說明鐵碳合金的成分、組織和性能的關(guān)系。從相組成物的情況來看，鐵碳合金在室溫下的平衡組織均由鐵素體和滲碳體組成，當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為零時(shí)，合金全部由鐵素體所組成，隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵素體的量呈直線下降，到wc為6.69%時(shí)降為零，相反滲碳體則由零增至100%。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化不僅引起鐵素體和滲碳體相對(duì)量的變化，而且兩相相互組合的形態(tài)即合金的組織也將發(fā)生變化，這是由于成分的變化引起不同性質(zhì)的結(jié)晶過程，從而使相發(fā)生變化的結(jié)果，由圖3-35可見，隨碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵碳合金的組織變化順序?yàn)椋篎→F+Fe3CⅢ→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Le→Le→Le+Fe3CⅠwc<0.0218%時(shí)的合金組織全部為鐵素體，wc=0.77%時(shí)全部為珠光體，wc=4.3%時(shí)全部為萊氏體，wc=6.69%時(shí)全部為滲碳體，在上述碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間則為組織組成物的混合物；而且，同一種組成相，由于生成條件不同，雖然相的本質(zhì)未變，但其形態(tài)會(huì)有很大的差異。如滲碳體，當(dāng)wc<0.0218%時(shí)，三次滲碳體從鐵素體中析出，沿晶界呈小片狀分布；經(jīng)共析反應(yīng)生成的共析滲碳體與鐵素體呈交替層片狀分布；從奧氏體中析出的二次滲體則以網(wǎng)狀分布于奧氏體的晶界；共晶滲碳體與奧氏體相關(guān)形成，在萊氏體中為連續(xù)的基體，比較粗大，有時(shí)呈魚骨狀；從液相中直接析出的一次滲碳體呈規(guī)則的長條狀?？梢?，成分的變化，不僅引起相的相對(duì)量的變化，而且引起組織的變化，從而對(duì)鐵碳合金的性能產(chǎn)生很大的影響。1)切削加工性能鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)切削加工性能有一定的影響。低碳鋼的平衡結(jié)晶組織中鐵素體較多，塑性、韌性很好，切削加工時(shí)產(chǎn)生的切削熱較大，容易黏刀，而且切屑不易折斷，影響表面粗糙度，因此，切削加工性能不好；高碳鋼中滲碳體較多，硬度較高，嚴(yán)重磨損刀具，切削性能也不好；中碳鋼中鐵素體與滲碳體的比例適當(dāng)，硬度與塑性也比較適中，切削加工性能較好。一般說來，鋼的硬度在170～250HBW時(shí)切削加工性能較好。2)壓力加工性能金屬壓力加工性能的好壞主要與金屬的鍛造性有關(guān)。金屬的鍛造性是指金屬在壓力加工時(shí)能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。鋼的鍛造性主要與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及組織有關(guān)，低碳鋼的鍛造性較好，隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鍛造性逐漸變差。由于奧氏體具有良好的塑性，易于塑性變形，鋼加熱到高溫獲得單相奧氏體組織時(shí)可具有良好的鍛造性。白口鑄鐵無論在低溫或高溫，其組織都是以硬而脆的滲碳體為基體，鍛造性很差，不允許進(jìn)行壓力加工。3)鑄造性能隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼的結(jié)晶溫度間隔增大，先結(jié)晶形成的樹枝晶阻礙未結(jié)晶液體的流動(dòng)，流動(dòng)性變差。鑄鐵的流動(dòng)性要好于鋼，隨碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，亞共晶白口鐵的結(jié)晶溫度間隔縮小，流動(dòng)性隨之提高；過共晶白口鐵的流動(dòng)性則隨之降低；共晶白口鐵的結(jié)晶溫度最低，又是在恒溫下結(jié)晶，流動(dòng)性最好。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋼的收縮性也有影響，一般說來，當(dāng)澆注溫度一定時(shí)，隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼液溫度與液相線溫度差增加，液態(tài)收縮增大；同時(shí)，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鋼的凝固溫度范圍變寬，凝固收縮增大，出現(xiàn)縮孔等鑄造缺陷的傾向增大。此外，鋼在結(jié)晶時(shí)的成分偏析也隨碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。

7.Fe-FeC3相圖有哪些應(yīng)用，又有哪些局限性答：鐵—滲碳體相圖的應(yīng)用：1）在鋼鐵選材方法的應(yīng)用；2）在鑄造工藝方法的應(yīng)用；3）在熱鍛、熱軋、熱鍛工藝方法的應(yīng)用；4）在熱處理工藝方法的應(yīng)用。滲碳體相圖的局限性：1）只反映平衡相,而非組織；2）只反映鐵二元合金中相的平衡；3）不能用來分析非平衡條件下的問題第五章1.試在A、B、C成分三角形中，標(biāo)出注下列合金的位置：1）ωC=10%，ωC=10%，其余為A；2）ωC=20%，ωC=15%，其余為A；3）ωC=30%，ωC=15%，其余為A；4）ωC=20%，ωC=30%，其余為A；5）ωC=40%，A和B組元的質(zhì)量比為1:4；6）ωA=30%，A和B組元的質(zhì)量比為2:3；解：6）設(shè)合金含B組元為WB，含C組元為WC，則WB/WC=2/3WB+WC=1?30%可求WB=42%，WC=28%。2.在成分三角形中標(biāo)注P（ωA=70%、ωB=20%、ωC=10%）；Q（ωA=30%、ωB=50%、ωC=20%）；N（ωA=30%、ωB=10%、ωC=60%）合金的位置，然后將5kgP合金、5kgQ合金和10kgN合金熔合在一起，試問新合金的成分如何？解：設(shè)新合金的成分為ω新A、ω新B、ω新C，則有ω新A=(5×ωPA+5×ωQA+10×ωNA)/(5+5+10)=(5×70%+5×30%+10×30%)/20=40.0%;ω新B=(5×ωPA+5×ωQA+10×ωNA)/(5+5+10)=(5×20%+5×50%+10×10%)/20=22.5%;ω新C=(5×ωPA+5×ωQA+10×ωNA)/(5+5+10)=(5×10%+5×20%+10×60%)/20=37.5%;所以，新合金的成分為：ω新A=40.0%、ω新B=22.5%、ω新C=37.5%。第六章1.屈服載荷/N620252184148174273525φ角/（°）8372.56248.530.51765λ角/（°）25.5263466374.882.5τk8.688×1052.132×1062.922×1063.633×1063.088×106cosλcosφ0.1100.2700.3700.4600.391-0.2620.130計(jì)算方法τk=σs·cosλcosφ=F/Acosλcosφ4.試用多晶體的塑性變形過程說明金屬晶粒越細(xì)強(qiáng)度越高、塑性越好的原因是什么？答：由Hall-Petch公式可知，屈服強(qiáng)度σs與晶粒直徑平方根的倒數(shù)dv2呈線性關(guān)系。在多晶體中，滑移能否從先塑性變形的晶粒轉(zhuǎn)移到相鄰晶粒主要取決于在已滑移晶粒晶界附近的位錯(cuò)塞積群所產(chǎn)生的應(yīng)力集中能否激發(fā)相鄰晶?；葡抵械奈诲e(cuò)源，使其開動(dòng)起來，從而進(jìn)行協(xié)調(diào)性的多滑移。由τ=nτ0知，塞積位錯(cuò)數(shù)目n越大，應(yīng)力集中τ越大。位錯(cuò)數(shù)目n與引起塞積的晶界到位錯(cuò)源的距離成正比。晶粒越大，應(yīng)力集中越大，晶粒小，應(yīng)力集中小，在同樣外加應(yīng)力下，小晶粒需要在較大的外加應(yīng)力下才能使相鄰晶粒發(fā)生塑性變形。在同樣變形量下，晶粒細(xì)小，變形能分散在更多晶粒內(nèi)進(jìn)行，晶粒內(nèi)部和晶界附近應(yīng)變度相差較小，引起的應(yīng)力集中減小，材料在斷裂前能承受較大變形量，故具有較大的延伸率和斷面收縮率。另外，晶粒細(xì)小，晶界就曲折，不利于裂紋傳播，在斷裂過程中可吸收更多能量，表現(xiàn)出較高的韌性。6.滑移和孿生有何區(qū)別，試比較它們在塑性變形過程的作用。答：區(qū)別：1）滑移：一部分晶體沿滑移面相對(duì)于另一部分晶體作切變，切變時(shí)原子移動(dòng)的距離是滑移方向原區(qū)別：區(qū)別子間距的整數(shù)倍；孿生：一部分晶體沿孿生面相對(duì)于另一部分晶體作切變，切變時(shí)原子移動(dòng)的距離不是孿生方向原子間距的整數(shù)倍；2）滑移：滑移面兩邊晶體的位向不變；孿生：孿生面兩邊的晶體的位向不同，成鏡面對(duì)稱；3）滑移：滑移所造成的臺(tái)階經(jīng)拋光后，即使再浸蝕也不會(huì)重現(xiàn)；孿生：由于孿生改變了晶體取向，因此孿生經(jīng)拋光和浸蝕后仍能重現(xiàn)；4）滑移：滑移是一種不均勻的切變，它只集中在某些晶面上大量的進(jìn)行，而各滑移帶之間的晶體并未發(fā)生滑移；孿生：孿生是一種均勻的切變，即在切變區(qū)內(nèi)與孿生面平行的每一層原子面均相對(duì)于其毗鄰晶面沿孿生方向位移了一定的距離。作用：晶體塑性變形過程主要依靠滑移機(jī)制來完成的；孿生對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)比滑移小得多，但孿生改變了部分晶體的空間取向，使原來處于不利取向的滑移系轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌挠欣∠?，激發(fā)晶體滑移。7.試述金屬塑性變形后組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，闡明加工硬化在機(jī)械零構(gòu)件生產(chǎn)和服役過程中的重要試述金屬塑性變形后組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，意義。答：關(guān)系：隨著塑性變形程度的增加，位錯(cuò)密度不斷增大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加，金屬的強(qiáng)度、硬度增加，而關(guān)系：關(guān)系塑性、韌性下降。重要意義：1）提高金屬材料的強(qiáng)度；2）是某些工件或半成品能夠加工成形的重要因素；3）提高零件或構(gòu)件在使用過程中的安全性。8.金屬材料經(jīng)塑性變形后為什么會(huì)保留殘留內(nèi)應(yīng)力？研究這部分殘留內(nèi)應(yīng)力有什么實(shí)際意義？金屬材料經(jīng)塑性變形后為什么會(huì)保留殘留內(nèi)應(yīng)力？研究這部分殘留內(nèi)應(yīng)力有什么實(shí)際意義？答：殘余內(nèi)應(yīng)力存在的原因1）塑性變形使金屬工件或材料各部分的變形不均勻，導(dǎo)致宏觀變形不均勻；2）塑性變形使晶?；騺喚ЯＷ冃尾痪鶆?，導(dǎo)致微觀內(nèi)應(yīng)力；3）塑性變形使金屬內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)或空位，使點(diǎn)陣中的一部分原子偏離其平衡位置，導(dǎo)致點(diǎn)陣畸變內(nèi)應(yīng)力。實(shí)際意義：可以控制材料或工件的變形、開裂、應(yīng)力腐蝕；可以利用殘留應(yīng)力提高工件的使用壽命。9.何謂脆性斷裂和塑性斷裂，若在材料中存在裂紋時(shí)，試述裂紋對(duì)脆性材料和塑性材料斷裂過程中的影響。答：塑性斷裂又稱為延性斷裂，斷裂前發(fā)生大量的宏觀塑性變形，斷裂時(shí)承受的工程應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度。在塑性和韌性好的金屬中，通常以穿晶方式發(fā)生塑性斷裂，在斷口附近會(huì)觀察到大齡的塑性變形痕跡，如縮頸。金屬脆性斷裂過程中，極少或沒有宏觀塑性變形，但在局部區(qū)域任然存在著一定的微觀塑性變形。斷裂時(shí)承受的工程應(yīng)力通常不超過材料的屈服強(qiáng)度，甚至低于按宏觀強(qiáng)度理論確定的許用應(yīng)力，因此又稱為低應(yīng)力斷裂。在塑性材料中，斷裂是胃口形成、擴(kuò)大和連接的過程，在打的應(yīng)力作用下，基體金屬產(chǎn)生塑性變形后，在基體和非金屬夾雜物、析出相粒子周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，使界面拉開，或使異相顆粒折斷形成微孔。微孔擴(kuò)大和鏈接也是基體金屬塑性變形的結(jié)果。當(dāng)微孔擴(kuò)大到一定的程度，相鄰微孔見的金屬產(chǎn)生較大的塑性變形后就發(fā)生微觀塑性失穩(wěn)，就像宏觀實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生縮頸一樣，此時(shí)微孔將迅速擴(kuò)大，直至細(xì)縮成一線，最后由于金屬與金屬件的連線太少，不足以承載而發(fā)生斷裂。脆性材料中，由于斷裂前既無宏觀塑性變形，又無其他預(yù)兆，并且一旦開裂后，裂紋擴(kuò)展迅速，造成整體斷裂或河大的裂口，有時(shí)還產(chǎn)生很多碎片，容易導(dǎo)致嚴(yán)重事故。10.何謂斷裂韌度，它在機(jī)械設(shè)計(jì)中有何作用？答：在彈塑性條件下，當(dāng)應(yīng)力場強(qiáng)度因子增大到某一臨界值，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致材料斷裂，這個(gè)臨界或失穩(wěn)擴(kuò)展的應(yīng)力場強(qiáng)度因子即斷裂韌度。它反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展即抵抗脆斷的能力，是材料的力學(xué)性能指標(biāo)。第七章1.用冷拔銅絲制成導(dǎo)線，冷拔之后應(yīng)如何處理，為什么？答：冷拔之后應(yīng)該進(jìn)行退火處理。因?yàn)槔浒问窃谠俳Y(jié)晶溫度以下進(jìn)行加工，因此會(huì)引起加工硬化，所以要通過回復(fù)再結(jié)晶，使金屬的強(qiáng)度和硬度下降，提高其塑性。2.一塊厚純金屬板經(jīng)冷彎并再結(jié)晶退火后，試畫出界面上的顯微組織示意圖。3.已知W、Fe、Cu的熔點(diǎn)分別為3399℃、1538℃和1083℃，試估算其再結(jié)晶溫度。解：T再=σTm，其中σ=0.35~0.4，取σ=0.4，則W、Fe、Cu的再結(jié)晶溫度分別為3399℃×0.4=1359.6℃、1538℃×0.4=615.2℃和1083℃×0.4=433.2℃4.說明以下概念的本質(zhì)區(qū)別：1）一次再結(jié)晶和二次再結(jié)晶；2）再結(jié)晶時(shí)晶核長大和再結(jié)晶后晶粒長大。解：1）再結(jié)晶：當(dāng)退火溫度足夠高、時(shí)間足夠長時(shí)，在變形金屬或合金的顯微組織中，產(chǎn)生無應(yīng)變的新晶粒──再結(jié)晶核心。新晶粒不斷長大，直至原來的變形組織完全消失,金屬或合金的性能也發(fā)生顯著變化,這一過程稱為再結(jié)晶。過程的驅(qū)動(dòng)力也是來自殘存的形變貯能。與金屬中的固態(tài)相變類似，再結(jié)晶也有轉(zhuǎn)變孕育期，但再結(jié)晶前后，金屬的點(diǎn)陣類型無變化。再結(jié)晶完成后，正常的晶粒應(yīng)是均勻的、連續(xù)的。但在某些情況下，晶粒的長大只是少數(shù)晶粒突發(fā)性地、迅速地粗化，使晶粒之間的尺寸差別越來越大。這種不正常的晶粒長大稱為晶粒的反常長大。這種晶粒的不均勻長大就好像在再結(jié)晶后均勻細(xì)小的等軸晶粒中又重新發(fā)生了再結(jié)晶，所以稱為二次再結(jié)晶。其發(fā)生的基本條件是正常晶粒長大過程被分散相粒子、織構(gòu)或表面熱蝕等所強(qiáng)烈阻礙，當(dāng)一次再結(jié)晶組織被繼續(xù)加熱時(shí)，上述阻礙因素一旦被消除，少數(shù)特殊晶界將迅速遷移，導(dǎo)致少數(shù)晶粒變大，而大晶粒界面通常是凹向外側(cè)的，因此在晶界能的驅(qū)動(dòng)下，大晶粒將繼續(xù)長大，直至相互接觸形成二次再結(jié)晶組織。二次再結(jié)晶為非形核過程，不產(chǎn)生新晶核，而是以一次再結(jié)晶后的某些特殊晶粒作為基礎(chǔ)而長大的。5.分析回復(fù)和再結(jié)晶階段空位與位錯(cuò)的變化及其對(duì)性能的影響。答：回復(fù)可分為低溫回復(fù)，中溫回復(fù)以及高溫回復(fù)。低溫回復(fù)階段主要是空位濃度明顯降低。原因：低溫回復(fù)階段主要是空位濃度明顯降低。中溫回復(fù)階段由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致異號(hào)位錯(cuò)合并而相互抵消，此階段由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致異號(hào)位錯(cuò)合并而相互抵消，位錯(cuò)密度有所降低，但降幅不大。所以力學(xué)性能只有很少恢復(fù)。密度有所降低，但降幅不大。所以力學(xué)性能只有很少恢復(fù)。高溫回復(fù)的主要機(jī)制為多邊化。多邊化由于同號(hào)刃型位錯(cuò)的塞積而導(dǎo)致晶體點(diǎn)陣彎曲，由于同號(hào)刃型位錯(cuò)塞積而導(dǎo)致晶體點(diǎn)陣彎曲，在退火過程中通過刃型位錯(cuò)的攀移和滑移，通過刃型位錯(cuò)的攀移和滑移，使同號(hào)刃型位錯(cuò)沿垂直于滑移面的方向排列成小角度的亞晶界。此過程稱為多邊（形）化。多晶體金屬塑性變形時(shí)，多晶體金屬塑性變形時(shí)，金屬塑性變形時(shí)滑移通常是在許多互相交截的滑移面上進(jìn)行，截的滑移面上進(jìn)行，產(chǎn)生由纏結(jié)位錯(cuò)構(gòu)成的胞狀組織。因此，多邊化后不僅所形成的亞晶粒小得多，而且許多亞晶界是由位錯(cuò)網(wǎng)組成的。對(duì)性能影響：去除殘余應(yīng)力，使冷變形的金屬件在基本保持應(yīng)變硬化狀態(tài)的條件下，降低其內(nèi)應(yīng)力，以免變形或開裂，保持應(yīng)變硬化狀態(tài)的條件下，降低其內(nèi)應(yīng)力，以免變形或開裂，并改善工件的耐蝕性。并改善工件的耐蝕性。再結(jié)晶是一種形核和長大的過程，靠原子的擴(kuò)散進(jìn)行。冷變形金屬加熱時(shí)組織與性能最顯著的變化就是在再結(jié)晶階段發(fā)生的。特點(diǎn)：1）、組織發(fā)生變化，由冷變形的伸長晶粒變?yōu)樾碌牡容S晶粒；2）、力學(xué)性能發(fā)生急劇變化，強(qiáng)度、硬度急劇下降，應(yīng)變硬化全部消除，恢復(fù)到變形前的狀態(tài)3）、變形儲(chǔ)能在再結(jié)晶過程中全部釋放。三類應(yīng)力（點(diǎn)陣畸變）、變形儲(chǔ)能在再結(jié)晶過程中全部釋放。對(duì)性能影響：強(qiáng)度迅速下降，強(qiáng)度迅速下降，塑性迅速升高。冷變形金屬在加熱過程中性能隨溫度升高而變化，冷變形金屬在加熱過程中性能隨溫度升高而變化，在再結(jié)晶階段發(fā)生突變。6.何謂臨界變形度，在工業(yè)生產(chǎn)中有何意義。再結(jié)晶后的晶粒大小與冷變形時(shí)的變形程度有一定關(guān)系，在某個(gè)變形程度時(shí)再結(jié)晶后得到的晶粒特別粗大，對(duì)應(yīng)的冷變形程度稱為臨界變形度粗大的經(jīng)歷對(duì)金屬的力學(xué)性能十分不利，故在壓力加工時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免在臨界變形程度范圍內(nèi)進(jìn)行加工，一面再結(jié)晶后產(chǎn)生粗晶。此外，在鍛造零件時(shí)，如鍛造工藝或鍛模設(shè)計(jì)不當(dāng)，局部區(qū)域的變形量可能在臨界變形度范圍內(nèi)，則退貨后造成局部粗晶區(qū)，時(shí)零件在這些部位遭到破壞。7.一塊純錫板被槍彈擊穿，經(jīng)再結(jié)晶退火后，大孔周圍的晶粒大小有何特征，并說明原因。答：晶粒異常長大，因?yàn)槭茏訌棑舸┖?，大孔周圍產(chǎn)生了較大的變形度，由于變形度對(duì)再結(jié)晶晶粒大小有著重大影響，而且在受擊穿空洞的周圍其變形度呈現(xiàn)梯度變化，因此當(dāng)變形度達(dá)到某一數(shù)值的時(shí)候，就會(huì)得到特別粗大的晶粒了。10.金屬材料在熱加工時(shí)為了獲得較小的晶粒組織，應(yīng)該注意什么問題？答：應(yīng)該注意其變形度避開金屬材料的臨界變形度；提高再結(jié)晶退火溫度；盡量使原始晶粒尺寸較細(xì)；一般采用含有較多合金元素或雜志的金屬材料，這樣不僅增加變形金屬的儲(chǔ)存能，還能阻礙晶界的運(yùn)動(dòng)，從而起到細(xì)化晶粒的作用。11.為了獲得較小的晶粒組織，應(yīng)該根據(jù)什么原則制定塑性變形以及退火工藝？答：在熱軋或鍛造過程中：在熱軋或鍛造過程中：1)控制變形度；控制變形度；控制變形度2)控制熱軋或鍛造溫度?？刂茻彳埢蝈懺鞙囟取？刂茻彳埢蝈懺鞙囟燃?xì)化晶粒方法在熱處理過程中：控制加熱和冷卻工藝參數(shù),控制加熱和冷卻工藝參數(shù)利用相變重結(jié)晶來細(xì)化晶粒。重結(jié)晶來細(xì)化晶粒。對(duì)冷變形后退火態(tài)使用的合金：1)控制變形度；控制變形度；控制變形度2)控制再結(jié)晶退火溫度和時(shí)間。控制再結(jié)晶退火溫度和時(shí)間。控制再結(jié)晶退火溫度和時(shí)間第八章1.何謂擴(kuò)散，固態(tài)擴(kuò)散有哪些種類？答：擴(kuò)散是物質(zhì)中原子（或分子）的遷移現(xiàn)象，是物質(zhì)傳輸?shù)囊环N方式。固態(tài)擴(kuò)散根據(jù)擴(kuò)散過程是否發(fā)生濃度變化可以分為自擴(kuò)散和異擴(kuò)散；根據(jù)擴(kuò)散是否與濃度梯度的方向相同可分為上坡擴(kuò)散和下坡擴(kuò)散；根據(jù)擴(kuò)散過程是否出現(xiàn)新相可分為原子擴(kuò)散和反應(yīng)擴(kuò)散。2.何謂上坡擴(kuò)散和下坡擴(kuò)散?試舉幾個(gè)實(shí)例說明之。上坡擴(kuò)散是沿著濃度升高的方向進(jìn)行擴(kuò)散，即由低濃度向高濃度方向擴(kuò)散，使?jié)舛劝l(fā)生兩級(jí)分化。例如奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的過程中，碳原子由濃度較低的奧氏體向濃度較高的滲碳體擴(kuò)散，就是上坡擴(kuò)散。下坡擴(kuò)散就是沿著濃度降低的方向進(jìn)行的擴(kuò)散，使?jié)舛融呌诰鶆蚧?，例如鑄件的均勻化退火、滲碳等過程都是下坡擴(kuò)散。3.擴(kuò)散系數(shù)的物理意義是什么?影響因素有哪些？擴(kuò)散系數(shù)D=D0e(-Q/RT)，其物理意義相當(dāng)于濃度梯度為1時(shí)的擴(kuò)散通量，D的值越大，則擴(kuò)散越快。影響因素：4.固態(tài)金屬中要發(fā)生擴(kuò)散必須滿足哪些條件。固態(tài)金屬要發(fā)生擴(kuò)散，必須滿足：1）擴(kuò)散要有驅(qū)動(dòng)力2）擴(kuò)散原子要固溶3）溫度要足夠高4）時(shí)間要足夠長5.鑄造合金均勻化退火前的冷塑性變形對(duì)均勻化過程有何影響?是加速還是減緩?為什么。塑性變形有細(xì)化晶粒的作用，使均勻擴(kuò)散原子遷移的距離縮短，所以應(yīng)該是加速，因?yàn)?）內(nèi)能提高；2）粗大的枝晶被打碎，擴(kuò)散距離縮短，擴(kuò)散過程加快。.6.已知銅在鋁中的擴(kuò)散常數(shù)D0＝0.84×10-5m2／s，Q＝136×103J／mol，試計(jì)算在477℃和497℃時(shí)銅在鋁中的擴(kuò)散系數(shù)。解：由擴(kuò)散系數(shù)D=D0e(-Q/RT)及已知條件D0＝0.84×10-5m2／s，Q＝136×103J／mol帶入到擴(kuò)散系數(shù)公式中，可得D1=D0e(-Q/RT)=0.84×10-5×e-136×10^3/[8.31×(477+273)]=2.8022×

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-15m2／sD2=D0e(-Q/RT)=0.84×10-5×e-136×10^3/[8.31×(497+273)]=4.9391

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-15m2／s故在477℃和497℃時(shí)銅在鋁中的擴(kuò)散系數(shù)分別為2.8022×

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-15m2／s和4.9391

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-15m2／s。8.可否用鉛代替鉛錫合金作對(duì)鐵進(jìn)行釬焊的材料，試分析說明之。答：不能，因?yàn)殄a在鐵中的擴(kuò)散速度要比鉛快得多，因此用鉛錫合金作為釬焊材料，有助于保證焊接接頭的強(qiáng)度，若用鉛代替，則鉛在鐵中的擴(kuò)散速率較低，異擴(kuò)散速度較慢，因此將使焊接接頭性能大大降低。10.滲碳是將零件置于滲碳介質(zhì)中使碳原子進(jìn)入工件表面，然后以下坡擴(kuò)散的方式使碳原子從表層向內(nèi)部擴(kuò)散的熱處理方法。試問：(1)溫度高低對(duì)滲碳速度有何影響?(2)滲碳應(yīng)當(dāng)在r-Fe中進(jìn)行還是應(yīng)當(dāng)在α-Fe中進(jìn)行?(3)空位密度、位錯(cuò)密度和晶粒大小對(duì)滲碳速度有何影響？答：1）溫度高時(shí)滲碳速度加快。溫度是影響擴(kuò)散系數(shù)的最主要因素。隨著溫度的升高，擴(kuò)散系數(shù)急劇增大。這是由于溫度越高，則原子的振動(dòng)能越大，因此借助于能量起伏而越過勢壘進(jìn)行遷移的原子幾率越大。此外，溫度升高，金屬內(nèi)部的空位濃度提高，這也有利于擴(kuò)散。2）應(yīng)當(dāng)在γ-Fe中進(jìn)行。盡管碳原子在α-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)比在γ-Fe中的大，可是滲碳溫度仍選在奧氏體區(qū)域。其原因一方面是由于奧氏體的溶碳能力遠(yuǎn)比鐵素體大，可以獲得較大的滲層深度；另一方面是考慮到溫度的影響，溫度提高，擴(kuò)散系數(shù)也將大大增加。在位錯(cuò)、空位等缺陷處的原子比完整晶格處的原子擴(kuò)散容易得多。原子沿晶界擴(kuò)散比晶內(nèi)快。因此，空位密度、位錯(cuò)密度越大，晶粒越小，則滲碳速度越快。第九章1、簡述鋼中板條馬氏體和片狀馬氏體的形貌特征和亞結(jié)構(gòu)，并說明它們在性能上的差異。(10分)一般認(rèn)為板條馬氏體為位錯(cuò)馬氏體，馬氏體內(nèi)部有很多位錯(cuò)。片狀馬氏體為攣晶馬氏體，馬氏體內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)為攣晶。板條馬氏體的組織特征：每個(gè)單元呈窄而細(xì)長的板條，板條體自奧氏體晶界向晶內(nèi)相互平行排列成群，其中的板條束為慣習(xí)面相同的平行板條組成。板條寬度0.1～0.2微米，長度小于10微米，板條間有一層奧氏體膜；一個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)包含幾個(gè)板條群。片狀馬氏體的特征：馬氏體片互不平行而是呈一定的夾角排列，在顯微鏡下觀察時(shí)呈針狀或竹葉狀。初生者較厚較長，橫貫整個(gè)奧氏體晶粒（第一片分割?yuàn)W氏體晶粒，以后的馬氏體片愈來愈小。）第十章1、影響加熱速度的因素有哪些?為什么?(H)

答:(1)加熱方法(加熱介質(zhì))的不同.

由綜合傳熱公式Q=а(T介-T工)得知,當(dāng)加熱介質(zhì)與被加熱工件表面溫度差(T介-T工)越小,單位表面積上在單位時(shí)間內(nèi)傳給工件表面的熱量越小,因而加熱速度越慢.

(2)工件在爐內(nèi)排布方式的影響.

工件在爐內(nèi)的排布方式直接影響熱量傳遞的通道,例如輻射傳遞中的擋熱現(xiàn)象及對(duì)流傳熱中影響氣流運(yùn)動(dòng)情況等,從而影響加熱速度.

(3)工件本身的影響.

工件本身的幾何形狀、工件表面積與其體積之比以及工件材料的物理性能(C、l、g等)直接影響工件內(nèi)部的熱量傳遞及溫度,從而影響加熱速度.同種材料制成的工件,當(dāng)其特征尺寸s與形狀系數(shù)k的乘積相等時(shí),以同種方式加熱時(shí)則加熱速度相等

2、回火爐中裝置風(fēng)扇的目的是什么?氣體滲碳爐中裝置風(fēng)扇的目的是什么?(J)

回火爐中裝置風(fēng)扇的目的是為了溫度均勻,避免因?yàn)闇囟炔痪斐刹牧匣鼗鸷蟮挠捕炔痪?氣體滲碳爐中裝置的風(fēng)扇的目的是為了氣氛的均勻,避免造成貧碳區(qū)從而影響組織性能.

3、今有T8鋼工件在極強(qiáng)的氧化氣氛中分別與950度和830度長時(shí)間加熱,試述加熱后表層緩冷的組織結(jié)構(gòu),為什么?(H)

根據(jù)題意,由于氣氛氧化性強(qiáng),則爐火碳勢低.在950℃長時(shí)間加熱時(shí),加熱過程中工件表面發(fā)生氧化脫碳.工件最外層發(fā)生氧化反應(yīng),往里,由于950℃高于Fe-C狀態(tài)圖中的G點(diǎn),所以無論氣氛碳勢如何低,脫碳過程中從表面至中心始終處于A狀態(tài),緩冷后,由表面至中心碳濃度由于脫碳和擴(kuò)散作用,碳含量依次升高直至0.8%,所以組織依次為鐵素體和珠光體逐漸過渡到珠光體,再至相當(dāng)于碳含量為0.8%的鋼的退火組織(P+C).當(dāng)工件在830℃加熱時(shí),溫度低于G點(diǎn),最外層依然會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng).往里,工件將在該溫度下發(fā)生脫碳.由于氣氛氧化性極強(qiáng),則碳勢將位于鐵素體和奧氏體的雙相區(qū),所以工件發(fā)生完全脫碳.由外及里的組織在緩冷后依次是鐵素體,鐵素體加珠光體,珠光體加滲碳體.

4、什么叫回火穩(wěn)定性?能明顯提高回火穩(wěn)定性的合金元素有哪些?提高鋼的回火穩(wěn)定性有什么作用?(J)

回火穩(wěn)定性:淬火鋼隨回火溫度升高,材料的強(qiáng)度和硬度下降快慢的程度,也稱回火抗力或抗回火軟化能力(如馬氏體的分解,碳化物的析出與鐵素體的再結(jié)晶)的抵抗能力.通常以鋼的回火溫度-硬度曲線來表示,硬度下降慢則表示回火穩(wěn)定性高或回火抗力大.回火穩(wěn)定性也是與回火時(shí)組織變化相聯(lián)系的,它與鋼的熱穩(wěn)定性共同表征鋼在高溫下的組織穩(wěn)定性程度,表征模具在高溫下的變形抗力.

提高鋼的回火穩(wěn)定性:這主要表現(xiàn)為合金元素在回火過程中推遲了馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變,提高了鐵素體的再結(jié)晶溫度,使碳化物難以聚集長大而保持較大的彌散度,從而提高了鋼對(duì)回火軟化的抗力,即提高了鋼的回火穩(wěn)定性.提高回火穩(wěn)定性作用較強(qiáng)的合金元素有:V、Si、Mo、W、Ni、Co等.提高鋼的回火穩(wěn)定性,可以使得合金鋼在相同溫度下回火時(shí),比同樣碳含量的碳鋼具有更高的硬度和強(qiáng)度(對(duì)工具鋼和耐熱鋼特別重要),或者在保證相同強(qiáng)度的條件下,可在更高的溫度下回火,而使韌性更好些(對(duì)結(jié)構(gòu)鋼很重要).

5、影響淬火介質(zhì)冷卻能力的因素;

分為材料本身的物理性質(zhì)的影響和外界條件的影響:

介質(zhì)本身:(1)比熱容:比熱容越大,介質(zhì)冷卻能力越大;(2)導(dǎo)熱率:導(dǎo)熱系數(shù)越大,冷卻能力越小;(3)粘度:粘度越大,冷卻能力越小;(4)汽化熱:汽化熱越大,冷卻能力越大;(5)蒸汽壓:蒸汽壓越小,冷卻能力越大;(6)添加劑改善淬火介質(zhì)的冷卻能力.

外界條件:(1)溫度:溫度越高,冷卻能力越小;(2)攪拌:加快淬火介質(zhì)的運(yùn)動(dòng),故對(duì)冷卻能力有很大影響;(3)工件的運(yùn)動(dòng)狀況,運(yùn)動(dòng)程度越劇烈,淬火介質(zhì)冷卻能力越大.

6、20GrMnTi鋼拖拉機(jī)傳動(dòng)齒輪,鍛后要進(jìn)行車內(nèi)孔,拉花鍵及滾齒等機(jī)械加工,然后進(jìn)行滲碳淬火,回火.問鍛后和機(jī)械加工前是否需要熱處理?若需要,應(yīng)進(jìn)行何種熱處理?主要工藝參數(shù)如何選擇?(J)

鍛后和機(jī)械加工前需要正火處理,這樣可使同批毛坯具有相同的硬度(便于切削加工),可以細(xì)化精粒,均勻組織,為后續(xù)的滲碳與淬火提供良好的組織狀態(tài);二則應(yīng)該是把硬度調(diào)整到利于切削加工的硬度

正火工藝:正火加熱溫度為Ac3以上120~150(即在960℃左右),其原則是在不引起晶粒粗話的前提下盡量采用高的加熱溫度,以加速合金碳化物的溶解和奧氏體的均勻化,然后風(fēng)冷5分鐘左右,接著在640℃等溫適當(dāng)時(shí)間后空冷,硬度在HB180左右,利于切削加工.

7、45鋼普通車床傳動(dòng)齒輪,其工藝路線為鍛造---熱處理---機(jī)械加工----高頻淬火m回火.試問鍛后應(yīng)進(jìn)行何種熱處理,為什么?常用淬火介質(zhì)及冷卻特性;(H)

進(jìn)行正火處理,45鋼市中碳鋼,正火后其硬度接近于最佳切削加工的硬度.對(duì)45鋼,雖然碳含量較高,硬度稍高,但由于正火生產(chǎn)率高,成本低,隨意采用正火處理.

8、65Mn鋼制彈簧,已知該種鋼直徑30mm的軸在循環(huán)水中淬時(shí)可以完全淬透,現(xiàn)有彈簧系由直徑為15mm的圓鋼盤制,試問,用循環(huán)油淬火時(shí)能否淬透?(G)

可以淬透.水的淬火烈度為1.2,油的為0.4,在理想臨界直徑、實(shí)際臨界直徑與淬火烈度的關(guān)系圖中,可以得到該鋼的理想臨界直徑為44mm,再從此處向上引垂線,與H=0.4相交,再從交點(diǎn)引水平線與縱坐標(biāo)交于16mm處,即該種鋼在油淬中的臨界直徑為16mm,故15mm的圓鋼盤油中能淬透.

9、設(shè)有一種490柴油機(jī)連桿螺栓,直徑12mm,長77mm,材料為40Cr鋼,調(diào)質(zhì)處理.要求淬火后心部硬度大于HRC45,調(diào)質(zhì)處理后心部為HRC22~33,試制定調(diào)質(zhì)處理工藝.(W)

淬火后心部硬度大于45,即完全淬透,可采有在825~860攝氏度油冷(H=0.4),淬火后低溫回火,可得板條狀M,可滿足調(diào)質(zhì)后心部硬度要求.

10、回火溫度的選擇和確定;

9、熱處理加熱時(shí)間的確定.(G)

回火溫度的選擇和確定主要取決于工件的使用性能,技術(shù)要求,材料類型及淬火狀態(tài).

(1)采用強(qiáng)烈的淬火介質(zhì)淬火時(shí),回火溫度取上限,分級(jí)淬火或等溫淬火的工件,回火溫度取下限.

(2)采用油冷淬火時(shí),如果工件出油溫度較高,尤其是大件,回火溫度取下限.

(3)裝箱工件回火溫度取上限,甚至更高些,不裝箱工件取下限.

(4)箱型回火爐取上限,鹽熔爐回火取下限;

(5)合金工具鋼,滲碳件,高碳鋼淬火后硬度超過HRC56,中碳硬度超過HRC45,按正常溫度回火,若低于上述硬度,回火溫度應(yīng)取低一些.

回火時(shí)間:一般空氣爐中按2-5min/mm選取,但整個(gè)工件的回火時(shí)間不小于80-40min.在液體介質(zhì)中回火是時(shí)間可縮短50-60%.

11、有直徑25mm,長125mm光軸一種,離軸端1/3處有5x5x25鍵槽一個(gè),45鋼制,自820度水淬,入水方向?yàn)檩S線垂直水面,試分析淬火后可能引起的變形.(W)

(1)淬火前后組織變化而引起的體積變形45號(hào)鋼為亞共析鋼,淬火前的組織為先共析鐵素體和珠光體,即鐵素體和滲碳體的混合組織,而淬火后大部分為為馬氏體組織.由于這些組織的幽邃不同,淬火前后將引起體積變化,體面產(chǎn)生變形.

(2)入水方向?yàn)檩S線垂直水面,結(jié)構(gòu)上含鍵槽,高溫時(shí)冷卻不均勻,將會(huì)發(fā)生扭曲變形.

(3)直徑25MM,大于45號(hào)鋼的臨界淬透直徑,故不能完全淬透,所產(chǎn)生的應(yīng)力我與熱應(yīng)力類似,尺寸較大的一方縮小,而尺寸較小的一方剛脹大,對(duì)于上述構(gòu)件,長度方向縮短,直徑方向脹大.鍵槽處壁向內(nèi)凸出.

12、何謂透入式加熱和傳導(dǎo)式加熱?試比較它們的優(yōu)缺點(diǎn).如何選擇這兩種假如方式?(C)

感應(yīng)加熱的類型及其特性

特性

感應(yīng)加熱的類型

傳導(dǎo)式加熱

透入式加熱

零件熱能的產(chǎn)生

在表面

在淬硬層內(nèi)為主

溫度分布

按熱傳導(dǎo)定律

陡,接近直角

表面過熱度

快速加熱時(shí)較大

小(快速加熱時(shí)亦小)

零件非淬火部分受熱

較大

小

加熱時(shí)間

較長(按分計(jì)),特別在要求深度大、過熱度小時(shí)

較短(按秒計(jì)),在要求深度大、過熱度小時(shí)也相同

勞動(dòng)生產(chǎn)率

低高零件加熱熱效率

低,當(dāng)表面過熱度Dt=100℃時(shí),e=13%

高,當(dāng)表面過熱度Dt=100℃時(shí),e>30%

透入式加熱也稱作熱容量加熱,即當(dāng)零件加熱時(shí),電流熱透入深度大于淬硬層深度.可用下式表示:d熱>X淬.透入式加熱時(shí)淬硬層的熱能由渦流產(chǎn)生,整個(gè)層中的溫度基本上是均勻的.

傳導(dǎo)式加熱也稱作表層加熱,即當(dāng)零件加熱時(shí),電流熱透入深度小于淬硬層深度.可用下式表示d熱<X淬.傳導(dǎo)式加熱時(shí),熱能只產(chǎn)生在d熱這一層,超過d熱后的金屬,其溫度的提高完全依靠熱傳導(dǎo).

透入式加熱較傳導(dǎo)式加熱有如下特點(diǎn):

(a)表面的溫度超過A2點(diǎn)以后,最大密度的渦流流向內(nèi)層,表層加熱速度開始變慢,不易過

熱,而傳導(dǎo)式加熱隨著加熱時(shí)間的延長,表面繼續(xù)加熱容易過熱.

(b)加熱迅速,熱損失小,熱效率高

(c)熱量分布較陡,淬火后過渡層較窄,使表面壓應(yīng)力提高.

如何選擇:(1)在大量生產(chǎn)條件下應(yīng)選擇透入式加熱

(2)透人式加熱電能消耗少,淬火成本低.

(3)傳導(dǎo)式加熱時(shí),隨著淬硬層深度的增加,熱的有效利用率更加降低,淬火成本

更趨增高.

13、淬火變形的控制.(G)

(1)改進(jìn)工件結(jié)構(gòu),合理選材,調(diào)整加工余量;

(2)增加預(yù)熱或去應(yīng)力退火工藝;

(3)采用多次預(yù)熱、預(yù)冷淬火、雙液淬火、分級(jí)淬火、等溫淬火等多種操作方法;

(4)合理支撐捆綁淬火加熱工件;

(5)對(duì)變形工件進(jìn)行校直.

14、試比較高頻感應(yīng)加熱,火焰加熱之異同點(diǎn),以及它們在表面淬火時(shí)的特點(diǎn).(W)

原理:感應(yīng)加熱表面淬火即以電磁感應(yīng)原理在工件表面門生電流密度很高朋滿座渦流來加熱工件表面的淬火方法.火焰淬火即用溫度極高的可燃?xì)怏w火焰直接加熱工件表面的表面淬火方法.

感應(yīng)加熱所需熱能除渦流產(chǎn)生的熱效應(yīng)處,還有"磁滯現(xiàn)象"所引起的熱效應(yīng).由于集膚效應(yīng),交變頻率越高,電流密度分布不均的現(xiàn)象越嚴(yán)重,工件表面能迅速被加熱,其心部剛幾乎未被加熱.加熱方式分為透入式加熱和傳導(dǎo)式加熱.感應(yīng)加熱溫度與加熱速度和淬火前原始組織有關(guān),一般高頻加熱淬火溫度可比普通加熱淬火溫度高30~200度.常用感應(yīng)加熱有兩種方式,同時(shí)加熱法和連續(xù)加熱法.通常借控制加熱時(shí)間來控制加熱溫度最常用的盜劫方式是噴射冷卻法和浸液冷卻法.常用的淬火介質(zhì)有水,聚已烯醇水溶液,聚丙烯水溶液,乳化液和油.感應(yīng)加熱淬火后一般只進(jìn)行低溫回火,其目的是為了降低瑹應(yīng)力和脆性,而又不度,一回火方式有爐中回火,自回火和感應(yīng)加熱回火.

火焰加油表面淬火的優(yōu)點(diǎn)是:設(shè)備簡單,使用方便,成本低;不受工件體積大小的限制,可靈活移動(dòng)使用;淬火后表面清潔,無氧化,脫碳現(xiàn)象,變形也小.其缺點(diǎn)是:表面容易過熱;較難得到小于2MM的淬硬層嘗試,只適用于火焰噴射方便的表層上下一心所采用的混合氣體有爆炸危險(xiǎn).

15、淬透性曲線在工藝上的應(yīng)用(G)

(1)根據(jù)淬火曲線合理選擇鋼材,以滿足心部硬度的要求;

(2)預(yù)測材料的組織和硬度;

(3)根據(jù)端淬試驗(yàn)曲線,確定熱處理工藝,如在給定工件所用材料及淬火硬度的要求情況下,選用淬火介質(zhì)等.

16、鋼在非平衡加熱時(shí)的相變特點(diǎn);(G)

(1)在一定的加熱速度范圍內(nèi),臨界點(diǎn)隨加熱速度的增加而提高;

(2)奧氏體成分不均勻性隨著加熱速度的增大而增大,