工程材料徐自立主編課后習題答案

工程材料徐自立主編課后習題答案

第一章材料的性能

14什么是金屬材料的力學性能？金屬材料的力學性能包含哪些方面？

所謂力學性能，是指材料抵抗外力作用所顯示的性能。力學性能包括強度剛度硬度塑

性韌性和疲勞強度等

1-2什么是強度？在拉伸試驗中衡量金屬強度的主要指標有哪些？他們在工程應用上有什

么意義？

強度是指材料在外力作用下，抵抗變形或斷裂的能力。在拉伸試驗中衡量金屬強度的

主要指標有屈服強度和抗拉強度。

屈服強度的意義在于；在一般機械零件在發(fā)生少量塑性變形后，零件精度降低或其它

零件的相對配合受到影響而造成失效，所以屈服強度就成為零件設計時的主要依據(jù)之一。

抗拉強度的意義在于：抗拉強度是表示材料抵抗大量均勻塑性變形的能力。脆性材料

在拉伸過程中，一般不產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，因此，抗拉強度就是材料的斷裂強度，它表示材料

抵抗斷裂的能力。抗拉強度是零件設計時的重要依據(jù)之一。

1?3什么是塑性？在拉伸試驗中衡量塑性的指標有哪些？

塑性是指材料在載荷作用下發(fā)生永久變形而又不破壞其完整性的能力。拉伸試驗中衡

量塑性的指標有延伸率和斷面收縮率。

1?4什么是硬度？指出測定金屬硬度的常用方法和各自的優(yōu)缺點。

硬度是指材料局部抵抗硬物壓入其外表的能力。生產(chǎn)中測定硬度最常用的方法有是壓

入法，應用較多的布氏硬度洛氏硬度和維氏硬度等試驗方法。

布氏硬度試驗法的優(yōu)點：因壓痕面積較大，能反映出較大范圍內(nèi)被測試材料的平均硬

度，股實驗結果較精確，特別適用于測定灰鑄鐵牯承合金等具有粗大經(jīng)理或組成相得金屬

材料的硬度；壓痕較大的另一個優(yōu)點是試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復性強。其缺點是對不同材料需

要換不同直徑的壓頭和改變試驗力，壓痕直徑的測量也比擬麻煩；因壓痕大，不宜測試成

品和薄片金屬的硬度。

洛氏硬度試驗法的優(yōu)點是：操作循序簡便，硬度值可直接讀出；壓痕較小，可在工件

上進行試驗；采用不同標尺可測定各種軟硬不同的金屬厚薄不一的式樣的硬度，因而廣泛

用于熱處理質量檢驗。其缺點是：因壓痕較小，對組織比擬粗大且不均勻的材料，測得的

結果不夠準確；此外，用不同標尺測得的硬度值彼此沒有聯(lián)系，不能直接進行比擬。

維氏硬度試驗法的優(yōu)點是：不存在布氏硬度試驗時要求試驗力與壓頭直徑之間滿足所

規(guī)定條件的約束，也不洛氏硬度試驗是不同標尺的硬度無法統(tǒng)一的弊端，硬度值較為精確。

唯一缺點是硬度值需要通過測量壓痕對角線長度后才能進行計算或查表，因此工作效率比

洛氏硬度低得多。

1?5在下面幾種情況下，該用什么方法來測試硬度？寫出硬度符號。

(1)檢查鏗刀、鉆頭成品硬度；(2)檢查材料庫中鋼材硬度；(3)檢查薄壁工件的硬

度或工件外表很薄的硬化層；(4)黃銅軸套；(5)硬質合金刀片；

(1)檢查鏗刀、鉆頭成品硬度采用洛氏硬度試驗來測定，硬度值符號HRC。

(2)檢查材料庫中鋼材硬度采用布氏硬度試驗來測定，硬度值符號HBWa

(3)檢查薄壁工件的硬度或工件外表很薄的硬化層硬度采用洛氏硬度試驗來測定，硬

度值符號HRCo

(4)黃銅軸套硬度采用布氏硬度試驗來測定，硬度值符號HBWo

(5)硬質合金刀片采用洛氏硬度試驗來測定，硬度值符號HRCo

L6什么是沖擊韌性？aK指標有什么應用意義？

沖擊韌性是指金屬材料在沖擊力作用下，抵抗破墳的能力。

沖擊韌性aK代表了在指定溫度下，材料在缺口和沖擊載荷共同作用下脆化的趨勢及其

程度，是一個對成分、組織、結構極敏感的參數(shù)。一般把沖擊韌性值aK低的材料稱為脆性

材料，值高的稱為韌性材料。

1-7為什么疲勞斷裂對機械零件有很大的潛在危險？交變應力與重復應力有什么區(qū)別？試

舉出一些零件在工作中分別存在著兩種應力的例子。

疲勞斷裂與靜載荷作用下得斷裂不同，無論是脆性材料還是塑性材料，疲勞斷裂都是

突然發(fā)生的脆性斷裂，而且往往工作應力低于其屈服強度，固有很大的危險性。

第二章材料的結構

24：1g鐵在室溫和1000C時各含有多少個晶胞？(Fe的相對原子質量56)

在室溫：鐵為體心立方結構，每個晶胞中的原子數(shù)為2個，所以1g鐵含有的晶胞數(shù)為

1。00℃時：鐵為面心立方結構，每個晶胞中的原子數(shù)為4個，所以1g鐵含有的晶胞數(shù)為

2?2在立方晶格中,畫出以下晶向和晶面指數(shù)：(111),(110),(211)(-111),[111],[110],

[112],[-lll]o

2-3求面心立方晶體中[H2]晶向上的原子間距。

2?4單晶體和多晶體有何差異？為什么單晶體具有各向異性，多晶體具有各項同性？

單晶體是由原子排列位向或方式完全一致的晶格組成的；多晶體是由很多個小的單晶

體所組成的，每個晶粒的原子位向是不同的。

因為單晶體內(nèi)各個方向上原子排列密度不同，造成原子間結合力不同，因而表現(xiàn)出各

向異性；而多晶體是由很多個單晶體所組成，它在各個方向上的力相互抵消平衡，因而表

現(xiàn)各向同性。

2-5簡述實際金屬晶體和理想晶體在結構與性能上的主要差異。

理想晶體中原子完全為規(guī)那么排列，實際金屬晶體由于許多因素的影響，使這些

原子排列受到干擾和破壞，內(nèi)部總是存在大量缺陷。

如果金屬中無晶體缺陷時，通過理論計算具有極高的強度，隨著晶體中缺陷的增

力口，金屬的強度迅速下降，當缺陷增加到一定值后，金屬的強度又隨晶體缺陷的增加

而增加。因此，無論點缺陷，線缺陷和面缺陷都會造成晶格崎變，從而使晶體強度增

力U。同時晶體缺陷的存在還會增加金屬的電阻，降低金屬的抗腐蝕性能。

2-6簡述間隙固溶體和間隙化合物的異同點。

間隙固溶體和間隙化合物都是溶質原子嵌入晶格間隙形成的。

間隙固溶體的晶體結構與溶劑的結構相同，而間隙化合物的晶體結構不同于組成它的

任一組元，它是以分子式來表示其組成。

2-7有兩種乙烯和丙烯的共聚物，其組成相同，但其中一種在是溫室時是橡膠狀的，溫度

一直降低值約?70時才變硬；而另一種是溫室時卻是硬而韌又不透明的材料。試解釋他們

在結構上的區(qū)別。

高聚物在不同溫度下有三種力學狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)。

前者在室溫下是橡膠態(tài)，-70C時變硬，說明其玻璃態(tài)轉變溫度Tg約為-70C

2-8陶瓷的典型組織由哪幾局部組成？他們對陶瓷性能各起什么作用？

陶瓷材料是多相多晶材料，其結構中同時存在：晶體相(晶相)、玻璃相、氣相，各組成相

的結構、數(shù)量、形態(tài)、大小及分布決定了陶瓷的性能。

晶相是陶瓷材料的主要組成相，對陶瓷的性能起決定性作用，晶相的結合鍵為：離子

鍵、共價鍵、混合鍵；且晶體缺陷還可加速陶瓷的燒結擴散過程，影響陶瓷性能；陶瓷晶

粒愈細，陶瓷的強度愈高。

玻璃相是一種非晶態(tài)固體，是陶瓷燒結時，各組成相與雜質產(chǎn)生一系列物理化學反響

形成的液相在冷卻凝固時形成的。將分散的品相粘結在一起；降低燒結溫度；抑制晶相的

晶粒長大；填充氣孔。

氣相指陶瓷孔隙中的氣體即氣孔。它能使陶瓷強度降低、介電損耗增大，電擊穿強度

下降，絕緣性降低。

第三章材料的凝固與結晶

3-1為什么金屬結晶時必須過冷？

由熱力學第二定律可知：在等溫等壓條件下，過程自動進行的方向總是向著系統(tǒng)自由能

降低的方向。

金屬在過冷的條件下，那些處于能量較低狀態(tài)的原子集團就可能成為自發(fā)形核的晶胚，

這是結晶的必要階段。所以結晶的熱力學條件是有一定的過冷度。

3-2為什么金屬結晶時常以枝晶方式長大？

在不平衡凝固過程中，固相中溶質濃度分布不均勻，凝固結束時，晶體中成分也不均勻，

即有成分偏析現(xiàn)象。而當成分過冷很大時，固溶體晶體以樹枝狀生長時，先結晶的枝晶主

干溶質濃度低，枝晶外圍局部溶質濃度高，形成樹枝狀偏析。

3-3常用的管路焊錫為成分w（Pb=50%）、w（Sn=50%）的Pb-Sn合金。假設該合金以及慢

速度冷卻至室溫，求合金顯微組織中相組成物和組織組成物的相對量。

圖3-1Pb-Sn合金相圖圖3-2w（Pb=50%）Pb-Sn合金室溫組織

由相圖（圖3-1）可知，成分為w（Pb=50%）、w（Sn由0%）的Pb-Sn合金（亞共晶合金）

以慢速度冷卻至室溫時發(fā)生的結晶過程為：先進行勻晶轉變（乙一。），勻晶轉變剩余的液相再

進行共晶轉變。極慢冷卻至室溫后形成的組織為先共晶固溶體a和共晶組織（"0。由于a

固溶體的溶解度隨溫度變化較大，所以先共晶固溶體〃中有點狀析出（圖3-2）。

相組成：先共晶a相的相對量為：1-（）/（61.9-19.2）=72.13%

共晶組織中的a相占全部合金的相對量：45.5%*72.13%=32.82%

共晶組織中的（3相相對量為1-32.82%=67.18%

3-4請根據(jù)圖分析解答以下問題：

（1）分析合金1、2的平衡結晶過程，并會出冷卻曲線；

(2)說明室溫下1、2的相和組織是什么，并計算相和組織的相對含量；

(3)如果希望得到的組織為：共晶組織和5%的B初，求該合金的成分。

解(1)(2)：

合金的冷卻曲線如圖3-3所示。

圖3-3合

金I的冷卻曲線

其結晶過程為：

1以上，合金處于液相；

b2時，L-a,L和a的成分分別沿液相線和固相線變化，到達2時，全部凝固完畢;

2時，為單相a；

2~3時，a—加。a—0室溫下，I合金由兩個相組成，即a和0相，其相對量為

Ma=(0.90-0.20)/(0.90-0.05)*100%=82%

Mp=l-Ma=18%

I合金的組織為a+削，其相對量與組成物相同。

n合金的冷卻曲線如圖3-4所示。

圖3-4合金n的冷卻曲線

其結晶過程如下：

1以上，合金處于均勻的液相；

1~2時，進行勻品轉變LTp初；

2時，兩相平衡共存，L=P；

2~2,時，剩余液相發(fā)生共晶反響：

L=a+P

2~3時，發(fā)生脫溶轉變，a^pn

室溫下，H合金由兩個相組成，即a相和0相，其相對量為：

Ma=(0.90-0.80)/(0.90-0.05)*100%=12%

Mp=l-Ma=88%

H合金的組織為：0初+(a+p)共品；組織組成物的相對量為：

mptt=(0.80-0.50)/(0.90-0.50)*100%=75%

ma+p)共晶=1-mp的=25%

解⑶：

設合金的成分為WB二X,由題意知：

呻tt=(x-0.50)/(0.90-0.50)*l0()%=5%

所以，即該合金成分為WB=0.52.

3?5畫出相圖，標出相區(qū)及各主要點的成分和溫度，并答復以下問題：

(1)45、60、T12鋼的室溫平衡組織分別是什么？它們從高溫也太平衡冷卻到室溫要經(jīng)過

哪些轉變？

45鋼室溫平衡組織：鐵素體a+珠光體P

冷卻過程：勻晶轉變L0.45-L0.53+L包晶轉變，同素異晶轉變，共析轉變yO.77T

(a+Fe3C)o

60鋼

室溫平衡組織：鐵素體。+珠光體P

冷卻過程：勻晶轉變L0.60—L0.53+6,包晶轉變，同素異晶轉變，共析轉變丫0.77一

(a+Fc3C)o

T12鋼

室溫平衡組織：珠光體P+滲碳體Fe3c

冷卻過程：過共析鋼在液態(tài)到室溫的冷卻過程中，首先進行勻晶轉變，形成單相固溶體”

當溫度到達成線以下時，過飽和的固溶體》中析出滲碳體(二次滲碳體

Fe3CH),奧氏體y的成分變到共析點S(0.77%C)；共析轉變y0.77—

(a+Fe3C),形成珠光體P。

(2)畫出純鐵45鋼T12鋼的室溫平衡組織，并標注其中的組織。

圖3-345鋼的室溫平衡組織(鐵素體a+珠光體P)

圖3-4TI2鋼的室溫平衡組織(珠光體尸+滲碳體Fe3C)

(3)計算室溫下45鋼T12鋼的平衡組織中相組成和組織組成物的相對量。

應用杠桿定律計算45鋼中鐵素體a和珠光體P的相對量，選擇a+y二相區(qū)，共析溫

度727℃o

T12鋼的Qa=(2.11-1.2)/(2.11-0.0218)=33.9%

QP=1-33.9%=66.1%

14)計算^碳合金中二次滲碳體和三次滲碳體最大的相對量。

WFe3cn=(2.14-0.8)/(6.69-0.8)*100%=23%

WFe3cm=0.02/6.69*100%=33%

二次滲碳體的最大百分含量為22.6%,三次滲碳體的最大百分含量為0.33%

(5)應用相圖解釋以下現(xiàn)象：

①鋼柳丁一般用低碳鋼合成；

鋼柳廠一般要求具有良好的塑性利韌性，所以鋼柳丁一般要求用低碳鋼合成。

②綁扎物件一般用鐵絲(鍍鋅低碳鋼絲)，而起重機吊重物時卻用鋼絲繩(60鋼65鋼

7()剛等組成);

亞共析鋼［碳的質量分數(shù)在0.0218%~0.77%)室溫下的組織為鐵素體加珠九體，低碳鋼絲

［碳的質量分數(shù)在().0218%?0.25%)組織中鐵素體的比例大，所以低碳鋼絲塑性、韌性好,

綁扎物件時，易于操作；而60鋼、65鋼、70鋼等組織中珠光體的量多，所以強度，適于

作起重機吊重物用的鋼絲繩。

③T8鋼的強度高于T12鋼的強度。

強度,T12鋼，因為強度是一個組織敏感量，當含碳量超過0.9%以后，二次滲碳體呈

網(wǎng)狀分布，將珠光體分割開，因此強度下降。

3?6現(xiàn)有兩種^碳合金，其中一種合金的顯微組織中珠光體量占75%,鐵素體量占25%；

另一種合金的顯微，組織中珠光體量占92%,二次滲碳體量占8%,這兩種合金各屬于哪

一類合金？其含碳量各為多少？

答：第一種是亞共析鋼，含碳量為0.0218%到0.77%之間，后面一種是過共析鋼碳含量

為0.77%到2.11%。

3-7現(xiàn)有形狀尺寸完全相同的4塊平衡狀態(tài)的^碳合金，他們的含碳量分別為w(C)=0.2%>

w(C)=0.4%xw(C)=1.2%、w(C)=3.5%o根據(jù)你所學的知識，可用那些方法來區(qū)別他們？

答：第一種：根據(jù)金相實驗鐵碳相圖來區(qū)別它們：含碳量分別為w(C)=0.2%的^碳合金金

相中全部是單相的a相。而含碳量分別為w(C戶0.4%的^碳合金金相由a相和珠光體(P)

相組成；而含碳量分別為w［C)=1.2%的跳碳合金金相由珠光體(P)相和二次滲碳體組成；

而含碳量分別為w(C)=3.5%的跳碳合金金相主要由變態(tài)萊氏體1Ldl相和一次滲碳體相組

成。

第二種：隨著含碳量的增加，鐵碳合金的硬度隨之增加，分別測試其硬度，按照其硬度大

小可得其含碳量的大小。

3-8簡述晶粒大小對金屬力學性能的影響，并列舉幾種實際生產(chǎn)中細化鑄造晶粒的方法。

晶粒大小對金屬力學性能和工藝性能有很大影響。在一般情況下，晶粒愈細小，

金屬的強度、塑性、韌性及抗疲勞能力愈好，所以，細化晶粒是強化金屬材料的最重

要途徑之一。為了細化鑄件晶粒以改善其性能，常采用以下方法：增加過冷度；進行

變質處理(孕育處理)；振動和攪拌。

3-9說明金屬實際凝固時，鑄錠的3種宏觀組織的形成機制。

金屬鑄錠凝固時，由于外表和中心的結晶條件不同，其結構是不均勻的，整個體積中

明顯的分為二種晶粉狀態(tài)區(qū)域：細等軸晶區(qū)、柱狀晶區(qū)利粗等軸晶區(qū)C(I)液體金屬注入

錠模時，由丁錠模溫度不高，傳熱快，外層金屬受到激冷，過冷度大，生成大量的晶核。

同時模壁也能起非自發(fā)晶核作用。結果，在金屬的表層形成一層厚度不大、晶粒很細的細

晶區(qū)。（2）細晶區(qū)形成的同時，錠模溫度升高，液體金屬的冷卻速度降低，過冷度減小，

生核速率降低，但此時長大的速度受到的影響較小，結晶過程進行的方式主要是，優(yōu)先長

大方向與散熱最快方向的反方向一致的晶核向液體內(nèi)部平行長大，結果形成柱狀晶區(qū)。（3）

隨著柱狀晶區(qū)的開展，液體金屬的冷卻速度很快降低，過冷度大大減小，溫度差不斷降低,

趨于均勻化，散熱逐漸失去方I句性，所以在某個時候，剩余液體中被推米的雜質及從柱狀

晶上被沖下來的晶枝碎塊，可能成為晶核，向各個方向均勻長大，最后形成粗大的等軸晶

區(qū)。

第四章金屬的塑性變形及再結晶

4」為什么室溫下金屬的晶粒越細，強度硬度越高，塑性與韌性也越好？

晶界是阻礙位錯運動的，而各晶粒位向不同，互相約束，也阻礙晶粒的變形。因此，

金屬的晶粒愈細，其晶界總面積愈大，每個晶粒周圍不同取向的晶粒數(shù)便愈多，對塑性變

形的抗力也愈大。因此，金屬的晶粒愈細強度愈高。同時晶粒愈細，金屬單位體積中的晶

粒數(shù)便越多，變形時同樣的變形量便可分散在更多的晶粒中發(fā)生，產(chǎn)生較均勻的變形，而

不致造成局部的應力集中，引起裂紋的過早產(chǎn)生和開展。因此，塑性，韌性也越好。

4?2用手來回玩著一根鐵絲時，開始感覺省勁，后來逐漸感覺有些費力，最后鐵絲被折斷,

試解釋該過程演變的原因。

不斷來回折的過程使鐵絲產(chǎn)生了塑性變形，開始時發(fā)生的是可恢復的彈性變形，后來發(fā)生

的是永久變形，故鐵絲會發(fā)生斷裂，這個過程中鐵絲發(fā)生了形變強化，當變形量很大時，

金屬出現(xiàn)各向異性；第二，不斷折的過程中產(chǎn)生了位錯塞積，使鐵絲的屈服強度增大。

4.3什么是加工硬化？其產(chǎn)生的原因是什么？加工硬化在工程上帶來哪些利弊？

金屬在再結晶溫度以卜.進行塑性變形，變形后硬度、強度升高，塑性、韌性降低的現(xiàn)

象稱為應變硬化，或加工硬化。

原因：（1）位錯密度劇增；（2）晶粒破碎，晶界增多，造成晶界強化；（3）吸收、存

儲局部變形能，有剩余應力存在。

金屬的加工硬化現(xiàn)象會給金屬的進一步加工帶來困難，如鋼板在冷軋過程中會越軋越

硬，以致最后軋不動。另一方面人們可以利用加工硬化現(xiàn)象，來提高金屬強度和硬度，如

冷拔高強度鋼絲就是利用冷加工變形產(chǎn)生的加工硬化來提高鋼絲的強度的。加工硬化也是

某些壓力加工工藝能夠實現(xiàn)的重要因素。如冷拉鋼絲拉過?？椎木植?，由丁發(fā)生了加工硬

化，不再繼續(xù)變形而使變形轉移到尚未拉過?？椎木植?，這樣鋼絲才可以繼續(xù)通過?？锥?/p>

成形。

4-4冷變形對金屬組織和性能有何影響？

①晶粒沿變形方向拉長，性能趨于各向異性，如縱向的強度和塑性遠大于橫向等；②

晶粒破碎，位錯密度增加，產(chǎn)生加工硬化，即隨著變形量的增加，強度和硬度顯著提高，

而塑性和韌性下降；③織構現(xiàn)象的產(chǎn)生，即隨著變形的發(fā)生，不僅金屬中的晶粒會被破碎

拉長，而且各晶粒的晶格位向也會沿著變形的方向同時發(fā)生轉動，轉動結果金屬中每個晶

粒的晶格位向趨于大體一致，產(chǎn)生織構現(xiàn)象；④冷壓力加工過程中由于材料各局部的變形

不均勻或晶粒內(nèi)各局部和各晶粒間的變形不均勻，金屬內(nèi)部會形成剩余的內(nèi)應力，這在一

般情況下都是不利的，會引起零件尺寸不穩(wěn)定。

4-5金屬在冷塑性變形過程中產(chǎn)生哪幾種剩余應力？剩余應力對材料產(chǎn)生哪些影響？

金屬在冷塑性變形過程中會產(chǎn)生剩余壓應力和剩余拉應力。剩余應力會導致工件或材料

在實際應用過程中產(chǎn)生開裂、變形、扭曲等，應該予以退火處理消除之。

4?6用冷拔銅絲做導線，冷拔后應如何處理？為什么？

應進行退火處理，由于溫度升高原子的能動性增加，即原子的擴散能力提高，而回復階

段只是消除了由于冷加工應變能產(chǎn)生的剩余內(nèi)應力，大局部應變能仍然存在，變形的晶粒

仍未恢復原狀。所以，隨著保溫時間加長，新的晶粒核心便開始形成并長大成小的等軸晶

粒，這就是再結晶的開始。隨著保溫時間的加長或溫度的升高，再結晶局部愈來愈多，直

到原來的晶粒全部被新的小晶粒所代替。進一步保溫或升溫，新晶粒尺寸開始增大，這就

是晶粒長大現(xiàn)象。

4-7金屬再結晶溫度受那些因素的影響？能否通過再結晶退火來消除粗大鑄造組織，為什

么？

(1)溫度：加熱溫度越高，再結晶速度越快，產(chǎn)生一定體積分數(shù)的再結晶組織需要的時間

越短。

(2)變形程度：變形程度越大，儲能越多，再結晶驅動力越大，因此變形程度越大，再結

晶速度越快。

(3)材料的純度：微量的溶質原子對再結晶影響巨大,溶質或雜質原子偏聚在位錯和晶界

處，對位錯的運動和晶界的遷移起阻礙作用，因此不利于再結晶，使再結晶溫度升高。

(4)原始晶粒尺寸：其他條件相同時，原始晶粒越細，冷變形抗力越大，變形后儲存能越

多，再結晶溫度越低；同樣變形度，原始晶粒越細，晶界總面積越大，可供再結晶形核的

地方越多，形核率高，再結晶速度快。

(5)第二相粒子：粒子較粗大，間距較遠——促進再結晶，粒子細小，間距小——阻礙再

結晶。

4-8熱變形對金屬組織和性能有何影響？鋼材在熱加工(如鍛造時)為什么不產(chǎn)生加工硬

化現(xiàn)象？

金屬與合金在再結晶溫度以上進行的塑性變形，稱為熱變形或熱加工。

(1)改善鑄造組織缺陷：鑄造組織往往含有縮松、氣孔等缺陷，熱變形時被壓合消除；鑄

態(tài)組織(晶粒)粗大，通過變形和再結晶變成細小的等軸晶；改善鑄態(tài)組織中的成分偏析，提

高成分均勻性。以上這些都對提高力學性能有利。因此，材料經(jīng)熱變形后，雖然沒有應變

硬化，但力學性能明顯提高。

(2)形成纖維組織，出現(xiàn)各向異性：由于鑄態(tài)組織中的夾雜物多分布在晶界處，熱變形時

被拉長或打碎成為鏈狀，都是沿變形方向呈纖維狀分布。這些夾雜物很穩(wěn)定，再結晶時仍

能保存下來，纖維組織使材料呈現(xiàn)各向異性。

(3)帶狀組織的形成：帶狀組織也使材料具有各向異性，并且破壞材料的切削性能，應防

止和消除。

(4)熱變形后的晶粒變化：終止熱變形時的溫度、總變形量和熱變形后的冷卻速度，決定

了熱變形后晶粒的大小。合理控制這些因素，就可以得到細小的晶粒，從而獲得高的力學

性能。采用低的終止變形溫度，大的變形量，快的冷去J速度，可以得到細小的晶粒。

4-9在室溫下對鉛板進行彎折，越彎越硬。隨后如果在室溫放置一段時間后再進行彎折，

鉛板又像最初一樣柔軟，這是什么原因？(鉛的熔點為328C)

小于再結晶溫度的加工稱為冷加工；大于再結晶溫度的加工稱為熱加工。

熱加工也有加工硬化現(xiàn)象，但由于處于再結晶溫度以上，硬化的同時發(fā)生了再結晶而

使材料軟化，即消除了加工硬化現(xiàn)象，故熱加工最終結果，材料并不存在加工硬化。經(jīng)計

算：T鉛再=一33℃

所以，室溫下彎折屬于熱加工，消除了加工硬化。

第五章鋼的熱處理

5」說明亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼奧氏體化的過程。

把實際加熱時發(fā)生的相變臨界溫度用Acl.AC3.Accm表示，而冷卻時的臨界溫度用Ark

Ar.3、Arcm

共析鋼加熱時組織轉變。在實際加熱條件下，當溫度到達或以上時，珠九體轉變?yōu)閵W

氏體。奧氏體的形成是通過形核與晶核長大來實現(xiàn)的，其根本過程可分為四步。（1）奧氏

佃形核。奧氏體晶核首先在鐵素體相界面處形成。（2）奧氏體長大。形成的奧氏體晶核依

靠Fe、C原子的擴散，同時向鐵素體和滲碳體兩個方向長大，直至鐵素體消失。（3）剩余

滲碳體溶解。在奧氏體形成的過程中，鐵素體首先消失，剩余的滲碳體隨著加熱和保溫時

閏的延長，不斷溶入奧氏體，直到全部消失。（4）奧氏體成分的均勻化。剛形成的奧氏體

其中碳濃度是不均勻的，在原滲碳體處C的質量分數(shù)較高，而原鐵素體處C的質量分數(shù)較

低，只有在繼續(xù)加熱和保溫過程中，通過C原子的擴散，才能使奧氏體中C的質量分數(shù)趨

于均勻，形成成分較為均勻的奧氏體。

亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體化過程與共析鋼的相似，不同的是，在室溫下它們的平

衡組織中除珠光體外，還有先共析相存在，當它們被加熱到Aci以上時，首先是其中的珠

光體轉變?yōu)閵W氏體（這一過程與共析鋼相同），而此時還有先共析相（鐵素體或滲碳體）存

在，要得到單一的奧氏體，必須提高加熱溫度，對亞共析鋼來說，加熱溫度超過Ac3后，

先共析鐵素體才逐漸轉變?yōu)閵W氏體；對共析鋼來說，加熱溫度超過Arcm后，先共析滲碳體

才會全部溶解到奧氏體中去。

5.2以共析鋼為例，說明將其奧氏體化后立即隨爐冷卻、空氣中冷卻、油中冷卻和水中冷

卻，各得到什么組織？力學性能有何差異？（如圖：溫度上限為MS線，冷速下限為Vk）

①當冷卻速度VVV；時，冷卻曲線與珠光體轉變開始線相交便發(fā)生與終了線

相交時，轉變便告結束，形成全部的珠光體。

②當冷速V；VVV晨時，冷卻曲線只與珠光體轉變開始線相交，而不再與轉變終了線

相交，但會與中止線相交，這時奧氏體只有一局部轉變?yōu)橹楣怏w。冷卻曲線一旦與中

止線相交就不再發(fā)生轉變，只有一直冷卻到Ms線以下才發(fā)生馬氏體轉變。并且隨著

冷速V的增大，珠光體轉變量越來越少，而馬氏體量越來越多。

③當冷速丫＞匕用寸，冷卻曲線不再與珠光體轉變開始線相交，即不發(fā)生yfP,而全

部過冷到馬氏體區(qū)，只發(fā)生馬氏體轉變。此后再增大冷速，轉變情況不再變化。由上

面分析可見，%是保證奧氏體在連續(xù)冷卻過程中不發(fā)生分解而全部過冷到馬氏體區(qū)的

最小冷速，稱為“上臨界冷速〃，通常也叫做“淬火臨界冷速〃。/那么是保證奧氏體

在連續(xù)冷卻過程中全局部解而不發(fā)生馬氏體轉變的最大冷速，稱為“下臨界冷速〃。

④共析碳鋼的連續(xù)冷卻轉變只發(fā)生珠光體轉變和馬氏體轉變，不發(fā)生貝氏體轉

變，也就是說，共析碳鋼在連續(xù)冷卻時得不到貝氏體組織。但有些鋼在連續(xù)冷卻時會

發(fā)生貝氏體轉變，得到貝氏體組織。

5-3過冷奧氏體在不同溫度等溫轉變時，可得到哪些轉變產(chǎn)物？試列表比擬他們的組織和

性能。

根據(jù)等溫溫度不同，其轉變產(chǎn)物有珠光體型和貝氏體型兩種。

高溫轉變

Acl?650c珠光體P粗片狀鐵素體與滲碳體混合物HRCX25；

65（）?60（）°C索氏體S60（）倍光學金相顯微鏡下才能分辨的細片狀珠光體HRC為25?

35；

600?550C托氏體T在光學金相顯微鏡下已無法分辨的極細片狀珠光體HRC為

35?40；

中溫轉變

550?350℃上貝氏體B上羽毛狀組織HRC40?45；

350c?Ms下貝氏體B下黑色針狀或稱竹葉狀組織HRC45?55；

5.4什么是Vk?其主要影響因素有哪些？

Vk是指淬火臨界冷卻速度。其主要受化學成分的影響：亞共析鋼中隨著含碳量的增加，C

由線右移，過冷奧氏體穩(wěn)定性增加，那么Vk減小，過共析鋼中隨著含碳量的增加，C曲線

左移，過冷奧氏體穩(wěn)定性減小，那么Vk增大；合金元素中，除C。和Al（＞2.5%）以外的所

有合金元素，都增大過冷奧氏體穩(wěn)定性，使C曲線右移，那么Vk減小。

5?5什么是馬氏體？其組織形態(tài)和性能取決于什么因素？馬氏體轉變有何特點？

馬氏體最初是在鋼（中、高碳鋼）中發(fā)現(xiàn)的：將鋼加熱到一定溫度1形成奧氏體）

后經(jīng)迅速冷卻（淬火），得到的能使鋼變硬、增強的一種淬火組織。

其組織形態(tài)和性能取決于材料和淬火速率。

馬氏體相變屬于一種廣義的位移型無擴散相變，以切變位移為其特征，新舊相成分不

變。相變特征是：

①新相與母相之間有一定的位向關系。例如Fe-C合金的體心四方馬氏體（M）與面心

立方奧氏體（丫）一碳在中的固溶體一間有

y-Fe[Il1]M#[01I]YO

②相界面是確定的晶面，稱為慣習面。例如含碳量為?1.4C的Fe-C合金的慣習面是

“乃打。慣習面在相變過程中不畸變不轉動（即所謂不變平面）。

③轉變區(qū)由于形成馬氏體發(fā)生切變，所以在平的樣品外表上會出現(xiàn)浮凸。

④馬氏體形態(tài)呈片狀或條狀，內(nèi)有亞結構，往往是李晶。

⑤是一級相變，具有成核成長過程。

⑥晶體長大速率接近聲速。

⑦相變動力學有兩類：a.變溫轉變，成核率很大，馬氏體形成數(shù)量只是溫度的函數(shù)，

不依賴于時間。b.等溫轉變，成核率（或孕育期）依賴于溫度，具有“C〃字形動力學曲線。

變溫轉變可視為很快的階梯式的等溫轉變；而等溫轉變?nèi)鐑H考慮轉變后期馬氏體的極限量

那么同樣滿足變溫轉變的動力學力程。

⑧轉變的不完全性。由于多數(shù)鋼的M「（馬氏體轉變結束的溫度點）在室溫以下，因此

鋼冷卻到室溫時仍有局部未轉變的奧氏體存在，稱之為剩余奧氏體（AJ,隨碳含量的增力口,

A,也隨之增加。一般鋼經(jīng)過淬火后要經(jīng)過深冷處理來減少A「的量。

5-6以下說法是否正確？為什么？

（1）馬氏體是硬而脆的相；

（2）過冷奧氏體的冷卻速度大于時，那么冷速越大，所得馬氏體的硬度越高；

（3）本質細晶粒鋼的晶?？偸潜缺举|粗晶粒鋼的晶粒細；

（4）同種鋼材在同樣的加熱條件下，總是水冷的比油冷的淬透性好，小件比大件的淬

透性好；

（5）馬氏體中的碳含量等于鋼中的碳含量；

（6）低碳鋼和高碳鋼零件為了切削方便，可預先進行球化退火處理。

5-7生產(chǎn)中常把加熱到淬火溫度的鉗工扁鏟的刃部款入水中急冷片刻后，出水停留一段時

間，在整體投入水中冷卻。說明兩次水冷的作用及水冷后的組織。

分級淬火的目的是使工件內(nèi)部溫度趨于一致，減少在后續(xù)冷卻過程中的內(nèi)應力及

變形和開裂傾向。淬火后產(chǎn)生馬氏體組織。

5.8對一批45鋼零件進行熱處理時，不慎將淬火件和調質件弄混，如何通過最簡單的方法

將他們區(qū)分開？為什么？

淬火加高溫回火的熱處理過程稱為調質處理，調質處理后的鋼件具有優(yōu)良的綜合力學

性能，強度和韌性均好于直接淬火零件，微觀組織也更細化；所以可以測硬度、進行沖擊

試驗、觀察微觀組織來進行區(qū)分，調質工件的硬度更大，韌性更好，微觀晶粒更細化。

5-9將兩個12鋼小試樣分別加熱到780和860,保溫后以大于的速度冷卻至室溫，試問：

（1）哪個溫度淬火后馬氏體晶粒粗大？

因為86（）℃加熱溫度高，加熱時形成的奧氏體晶粒粗大，冷卻后得到的馬氏體晶粒

較粗大。

(2)哪個溫度淬火后參與奧氏體多？

因為加熱溫度86()℃已經(jīng)超過了Accni,此時碳化物全部溶于奧氏體中，使奧氏體中含碳

量增加，降低鋼的Ms和M「點，淬火后剩余奧氏體增多。

(3)哪個溫度淬火后未溶碳化物量多？

因為加熱溫度860℃已經(jīng)超過了Accm，此時碳化物全部溶于奧氏體中，因此加熱淬

火后未溶碳化物較少。

(4)哪個溫度淬火適宜？為什么？

780℃加熱淬火后適宜。因為含碳量為1.2%的碳鋼屬于過共析鋼，過共析碳鋼淬火

加熱溫度Ac"130?5()℃),而780℃在這個溫度范圍內(nèi)，這時淬火后的組織為均勻

而細小的馬氏體和顆粒狀滲碳體及剩余奧氏體的混合組織，使鋼具有高的強度、硬

度和耐磨性，而且也具有較好的韌性。

5-10什么是鋼的淬透性和淬硬性？它們對于鋼材的使用各有何意義？

淬透性是指鋼在淬火時獲得淬硬層的能力。淬硬性：是指鋼以大于臨界冷卻速度冷卻

時，獲得的馬氏體組織所能到達的最高硬度。

5-11回火的目的是什么？為什么淬火工件務必要及時回火？

回火是工件淬硬后加熱到AC1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室

溫的熱處理工藝。回火的目的有一下兒方面：

1.降低脆性，消除或減少內(nèi)應力，鋼件淬火后存在很大內(nèi)應力和脆性，如不及

時回火往往會使鋼件發(fā)生變形甚至開裂。

2.獲得工件所要求的機械性能，工件經(jīng)淬火后硬度高而脆性大，為了滿足各種工件

的不同性能的要求，可以通過適當回火的配合來調整硬度，減小脆性，得到所需要的

韌性，塑性。

3.穩(wěn)定工件尺寸，保證精度；

4.對于退火難以軟化的某些合金鋼，在淬火(或正火)后常采用高溫回火，使鋼中

碳化物適當聚集，將硬度降低，以利切削加工。

淬火工件務必要及時回火是為了降低脆性，防止開裂。

5-12為什么生產(chǎn)中對刃具、冷作模具、量具、滾動軸承等熱處理常采用淬火+低溫回火，

對彈性零件那么采用淬火+中溫回火，而對軸連桿等零件卻采用淬火+高溫回火？

答：刃具、冷作模具、量具、滾動軸承的材質要求要較高的硬度，而淬火+低溫回熾熱處理

可以得到高硬度的回火馬氏體室溫組織。彈性零件的材質要求要有高的彈性模量，而用淬

火+中溫回熾熱處理可以得到高彈性模量的回火屈氏體室溫組織組織。軸連桿等零件的材質

要求材質要有高的力學綜合性能，而淬火十高溫回火的熱處理可以得到綜合力學性能良好的

回火索氏體。

5-13在硬度相同條件下，為什么經(jīng)調質處理的工件比正火后的工件具有較好的力學性能？

答：因為正火得到的索氏體中的滲碳體是片狀的，而調質處理得到的索氏體索氏體中

的滲碳體是粒狀的，粒狀滲碳體阻止斷裂過程的開展比片狀滲碳體有利。

5?14用T12（碳素工具鋼）鋼制造的絲錐，其成品硬度要求為〉60HRC,加工工藝過程為:

軋制?熱處理1?機加工-熱處理2-機加工。

（1）寫出個熱處理工序的名稱及作用；

熱處理1:第一次熱處理是去應力退火，因為軋制的過程產(chǎn)生加工硬化，同時有應力

存在，為了免去后面加工過程中因為應力釋放導致產(chǎn)品變形或者應力集中斷裂。

熱處理2第二次熱處理是刃部的低溫淬火和低溫回火。淬火的作用是提高其硬度?；?/p>

火是降低脆性還有釋放淬火產(chǎn)生的應力

（2）制訂最終熱處理的工藝標準（加熱溫度冷卻介質）o

第一次熱處理是去應力退火：升溫到500℃-650℃,保溫后隨爐冷卻。

第二次熱處理是刃部的低溫淬火和低溫回火：溫度升高到300-500℃,用油或熔融的堿或鹽

做為淬火介質。然后在150~250℃保溫1-3小時。

5.15用20鋼進行外表淬火和45鋼進行滲碳處理是否適宜？為什么？

20鋼不適合行行外表淬火。外表淬火的具體方法是將工件外表快速加熱到奧氏體區(qū)，

在熱量尚未到達心部時立即迅速冷卻，使外表得到一定深度的淬硬層，而心部仍保持原始

組織的一種局部淬火方法；其目的為提高外表硬度，俁持心部良好的塑韌性。使外表具有

高的硬度、耐磨性和疲勞極限；而心部在保持一定的強度、硬度的條件下，具有足夠的塑

性和韌性。即表硬里韌。適用于承受彎曲、扭轉、摩擦和沖擊的零件。含碳量為0.4-0.5%C

的中碳鋼適合進行外表淬火，假設含碳量過低，那么外表硬度、耐磨性下降，假設含碳量

過高，心部韌性下降。

45鋼不適合進行滲碳處理。滲碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼（含碳量小

于％）。滲碳后，鋼件外表的化學成分可接近高碳鋼。工件滲碳后還要經(jīng)過淬火，以

得到高的外表硬度、高的耐磨性和疲勞強度，并保持心部有低碳鋼淬火后的強韌性

，使工件能承受沖擊載荷。

5?16現(xiàn)有20鋼和45鋼制造的齒輪各一個，為了提高齒輪齒面的硬度和耐磨性，宜采用何

種熱處理工藝？熱處理后的組織和性能有何不同？

答：2（）鋼（低碳鋼）：滲碳后淬火+低溫回火，外表得到高碳回火馬氏體，硬度、耐磨性提

高。45鋼（中碳鋼）制造的齒輪：外表感應加熱淬火，控制冷卻時間可實現(xiàn)自回火，可以

不用專門進行低溫回火，外表的硬度提高，內(nèi)部的性能和組織不發(fā)生變化。

第六章鋼鐵材料

6-1合金鋼和碳鋼相比，為什么它的力學性能好，熱處理變形小？為什么合金工具鋼的耐

磨性、熱硬性比碳鋼高？

（1）合金元素參加后并經(jīng)適當?shù)臒崽幚?，可使鋼的力學性能提高或得意改善。（2）合金元

素（除C。外）參加后使鋼的淬透性增加，因此獲得同樣組織時合金鋼可選擇較緩的冷卻介

質，故熱處理變形小。（3）合金工具鋼由于含有一些合金元素，與鋼中的碳形成合金碳化

物，而這些合金碳化物的硬度高。熔點高，所以合金工具鋼的耐磨性、熱硬性比碳鋼高。

6-2低合金高強度鋼中合金元素主要通過哪些途徑起強化作用？這類鋼經(jīng)常用于哪些場

合？

答：低合金高強度鋼主加合金元素為鎰，鎰具有固溶強化作用；輔加元素為V、Ti、Nb、

Al等強碳（氮）化合物形成元素，所產(chǎn)生的細小化合物質點即可通過彌散強化進一步提高

強度，又可細化鋼基體晶粒而起到細晶強韌化〔尤其是韌化）作用。這類鋼經(jīng)常用于制作

大型構件。

6?3現(xiàn)有40Cr鋼制造的機床主軸，心部要求良好的強韌性（200~300HBW）,軸頸處要求

硬而耐磨（54~58HRC）,試問：

（1）應進行那種預備熱處理和最終熱處理？

預備熱處理：淬火+高溫回火；最終熱處理：軸頸外表淬火

：2）熱處理后各獲得什么組織？

預備熱處理后獲得回火索氏體；最終熱處理后獲得外表回火馬氏體、心部回火索氏體。

（3）各熱處理工序在加工工藝路線中位置安排？

6-4現(xiàn)有20CrMnTi鋼制造的汽車齒輪，要求齒面硬化層，齒面硬度為58~62HRC,心部

硬度為35-40HRC,請確定其最終熱處理方法及最終獲得的表層與心部組織。

⑴齒輪生產(chǎn)工藝路線：

下料f鍛造f正火一加工齒形f滲碳f預冷淬火f低溫回火一噴丸f精磨

（2）

230

⑶正火：消除鍛造應力；細化晶粒；降低硬度，改善切削加工性能。

預冷淬火+低溫回火：獲得表層的高硬度；心部的高強度和高韌性。

噴丸：消除外表氧化皮，提高外表質量；使外表留存剩余壓應力，提高疲勞強度。

⑷表層：高碳回火馬氏體+滲碳體或碳化物；

心部：低碳回火馬氏體+屈氏體。

6-5彈簧為什么要進行淬火，中溫回火？彈簧的外表質量對其使用壽命有何影響？可采用

哪些措施提高彈簧使用壽命？

為了提高彈簧的疲勞壽命，對淬火加回火處理后的彈簧采用噴丸處理，經(jīng)噴丸處理后彈簧

表層處于壓應力狀態(tài)，形成一層極薄變形層，可使疲勞壽命成倍提高。

6-6滾動軸承鋼除專用于制造滾動軸承外，是否可用來制造其他結構零件和工具？舉例說

明。

6,在200、40Cr、GC9、50CrV等鋼中，銘的質量分數(shù)