金属材料及热处理2

本次作业是本门课程本学期的第2次作业，注释如下： 一、单项选择题(只有一个选项正确，共15道小题) 1. 二元合金在发生共晶转变时，其相组成是（ ）。 (D) 三相共存

2. 实际金属结晶时，通过控制晶核形成率N和成长率G的比值来控制晶粒的大小，在下列（ ）情况下获得粗大的晶粒： (B) N/G很小时

3. 常温铁素体是碳溶解在（ ）中所形成的间隙固溶体。 (A) α-Fe

4. （ ）属于冶金缺陷。 (D) 缩孔

5. 铁素体的机械性能特点是（ ） (C) 高塑性、低强度

6. 共晶成分的铁碳合金发生共晶反应时，其反应式为( )。 (C) L?A+Fe3C

7. （ ）为共晶体。 (A) 莱氏体

8. 在Fe-Fe3C相图中，Acm线也称为（ ）。 (D) 固溶度线

9. 下列铁碳合金在室温平衡状态，（ ）成分的强度最高。 (B) 0.8％

10. 铸铁的含碳量一般为（ ）。 (C) 2.11～6.69%

11. 钢的含碳量一般为（ ）。 (A) 0.0218～2.11%

12. 脆性相以（ ）析出的危害最大。 (A) 网状

13. 热处理能使钢的性能发生变化，其根本原因是（ ）。 (A) 铁有同素异构转变

14. 比较以下（ ）的强度最高。 (D) S

15. 钢经调质处理后获得的组织是( )。 (C) 回火索氏体

二、不定项选择题(有不定个选项正确，共10道小题)

16. 渗碳体的机械性能特点是（ ） [不选全或者选错，不算完成] (C) 高硬度 (D) 高脆性

17. （ ）是碳溶解在Fe中形成的间隙固溶体。 [不选全或者选错，不算完成] (A) 铁素体 (B) 奥氏体

18. 马氏体组织有（ ）形态。 [不选全或者选错，不算完成] (C) 板条状 (D) 针状

19. 铸铁的力学性能可取决于（ ）。 [不选全或者选错，不算完成] (A) 基体组织 (B) 石墨的形态 (C) 变质处理 (D) 石墨化程度

20. 大多数合金元素均在不同程度上有细化晶粒的作用，其中细化晶粒作用最为显著的有（ ）。或者选错，不算完成] (B) Ti (D) V

21. 含有合金元素（ ）较多的钢可能是本质粗晶钢。 [不选全或者选错，不算完成]

(A) Mn (C) P

不选全 [22. 钢中常含有的有益元素主要有（ ）。 [不选全或者选错，不算完成] (A) Mn (D) Si

23. 钢经调质处理后的机械性能（ ） [不选全或者选错，不算完成] (B) 强度比正火高 (C) 塑性比正火更好 (D) 韧性比正火更好

24. 齿轮类零件的主要失效形式有（ ）。 [不选全或者选错，不算完成] (B) 疲劳断裂 (C) 过载断裂 (D) 表面损伤

25. 选材的主要原则有（ ）。 [不选全或者选错，不算完成] (A) 使用性能原则 (B) 工艺性能原则 (C) 经济性原则 (D) 环境与资源原则

三、判断题(判断正误，共10道小题)

26. 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（ ） 正确答案：说法错误

27. 非晶体是各向同性的。（ ） 正确答案：说法正确

28. 单晶体和多晶体都表现为各向异性。（ ） 正确答案：说法错误

29. 合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为组织。（ ） 正确答案：说法错误

30. 固溶体的强度和硬度，比组成固溶体的溶剂金属的强度和硬度高。（ ） 正确答案：说法正确

31. 在平衡结晶条件下，由于匀晶转变在整个结晶过程中，固相的成分沿着固相线变化，因此，结晶完成后，得到固体的成分是不均匀的。（ ） 正确答案：说法正确

32. 无限固溶体一定是置换固溶体。（ ） 正确答案：说法正确

33. Fe3CI与Fe3CⅡ的形态和晶体结构均不相同。（ ）

正确答案：说法错误

34. 在Fe－Fe3C相图中，含碳量大于2.11%的成分在结晶过程中均会发生共晶反应。（ ） 正确答案：说法正确

35. 只有共析成分的铁碳合金才能发生共析反应。（ ） 正确答案：说法错误

四、主观题(共20道小题)

36. 现有形状、尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们的碳含量分别为0.2%，0.4%， 1.2%，3.5%的合金。根据你所学的知识，可有哪些方法区别它们？ 参考答案：

答：测量四块合金的硬度，其硬度随含碳量增加而升高。

观察四块合金的金相，0.2%和0.4%的合金均为亚共析钢，其组织为珠光体+铁素体，珠光体的量随含碳量增加而增加；1.2%的合金为过共析钢，其组织为珠光体+二次渗碳体；3.5%的合金为亚共晶白口铁，其组织为珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体。

观察四块合金与砂轮磨出的火花，随着含碳量的增加，流线数量和爆花数量都急剧增多，碳含量超过0.8%以后，增多的趋势逐渐缓和。

37. 根据铁碳相图解释下列现象： 含碳量1.0%的钢比含碳量0.5%的钢硬度高；在室温平衡状态下，含碳量为0.8%的钢比含碳量为1.2%的钢强度高；室温下莱氏体比珠光体塑性差。 参考答案：

1) 含碳量1.0%的钢比含碳量0.5%的钢硬度高；

钢由较软的铁素体和较硬的渗碳体组成，随着含碳量的提高，钢中渗碳体的量提高，因此硬度提高。

2) 在室温平衡状态下，含碳量为0.8%的钢比含碳量为1.2%的钢强度高； 钢的强度是典型的对组织敏感的性能指标，细密相间的两相组织珠光体具有较高的强度，因此提高珠光体的比例可改善钢的强度，而连续分布在原奥氏体晶界上的二次渗碳体将降低钢的强度。0.8%的钢中珠光体的比例高于1.2%的钢，同时1.2%的钢含有更多的二次渗碳体，故0.8%的钢比1.2%的钢强度高。

3) 室温下莱氏体比珠光体塑性差；

室温下莱氏体Fe3C+P，即珠光体分布渗碳体相的基底上，而渗碳体基底的脆性极大，莱氏体表现为脆性的，几乎不能塑性变形。

38. 将含碳量分别为0.2%和0.6%的碳钢加热到860℃，保温相同时间，使奥氏体均匀化，问哪一种钢奥氏体晶粒易粗大？为什么？ 参考答案：

0.2%和0.6%的碳钢加热到860℃，均为完全奥氏体化，其奥氏体中的含碳量分别为0.2%和0.6%，由于奥氏体中C%↑→ 晶粒长大↑，故含碳量为0.6%的碳钢奥氏体晶粒易粗大。

39. 试比较S和S’、M和M’在形成条件、金相形态与性能上的主要区别。 参考答案：

答：

形成条件 正火 金相形态 铁素体和渗碳体相间分布呈细层性能特点 S’的强度、硬度、S

片状 S’ 淬火+高温回火 M 淬火 细小弥散的渗碳体粒分布在铁素体基体（等轴晶）上 韧性、塑性均高于S 低碳M呈板条状，高碳M呈针状M’保持了M的高（竹叶状） 硬度，同时降低了M的脆性及残余应力。 M’ 淬火+低温回火 亚稳定的ε-Fe2.4C碳化物分布于过饱和的α’（ 板条或针状）上 40. 试说明淬火钢回火的必要性。 参考答案：

答：必要性——淬火组织的问题：

a. 消除淬火应力，降低脆性

b. 稳定工件尺寸，由于M，残余A不稳定

c. 获得要求的强度、硬度、塑性、韧性。

41. 为什么钢淬火后回火是钢最有效的强化手段？ 参考答案：

答：①淬火形成Ｍ：

固溶强化：过饱和C和Me， 位错强化：高密度位错

细晶强化：极细小、不同取向的马氏体束 ②回火

第二相强化：析出细小碳化物粒子

基本保持了淬火态的细小晶粒、高密度位错及一定的固溶强化作用。

42. 确定下列钢件的退火方法及退火后的组织

1) 经冷轧后的15钢钢板。要求降低硬度 2) 65钢切削加工前

3) 改善T12钢的切削加工性能

4) ZG35的铸造齿轮铸造后存在枝晶偏析

参考答案：

答：1）再结晶退火，退火后的组织——F+P

2）完全退火，退火后的组织——F+P

3）球化退火，退火后的组织——球状渗碳体分布于铁素体基体上 4）扩散退火，退火后的组织——F+P

43. 指出下列工件的回火温度，并说明回火后的组织

1) 45钢轴 2) 60钢弹簧 3) T12钢锉刀

参考答案：

答：1）560~600℃，回火后的组织——S’

2）350-500℃，回火后的组织——T’ 3）150-250℃，回火后的组织——M’

44. 写出下列零件的最终热处理方式及其组织：(1)60Si2Mn弹簧；(2)高速钢车刀。 参考答案：

答：

60Si2Mn弹簧 高速钢车刀 最终热处理方式（各3分） 淬火+中温回火 最终组织（各2分） 淬火+550-570（600）℃回火三次 M’+K T’ 45. 试说明表面淬火、渗碳、氮化处理在适用钢种、性能、应用等方面的差别。 参考答案：

答：

适用钢种 性能特点 应用 机床主轴，齿轮，发动 表面淬火——通过快速加中碳钢、合获得高硬度，高耐磨性的表面，而心部仍热，使刚件表面很快到淬火金调质钢 的温度，在热量来不及穿到然保持的良好韧性。 机的曲轴等 工件心部就立即冷却，实现局部淬火。 渗碳处理——使低碳钢的低碳钢、合更高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。 飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。 工件具有高碳钢的表面层，金渗碳钢 再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。 氮化处理——指在一定温中碳钢、合优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温。 钻头、螺丝攻、挤压模、压铸模、鍜压机用鍜造模、螺杆、连杆、曲轴、吸气及排气活门及齿轮凸轮等 度（一般在AC1）以下，使金调质钢 活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。氮化温度低、变形小。 46. 钢的回火脆性有哪几类？其发生是否可逆？如何避免？ 参考答案：

答：回火脆性是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象。回火脆性可分为第一类回火脆性（250~400℃）和第二类回火脆性（450~650℃）。

第一类回火脆性与碳化物片沿M晶界析出有关，具有不可逆性，与回火后的冷却速度无关。因此只能避免在此温度回火。

第二类回火脆性与P等元素在原A晶界偏聚有关，具有可逆性，与回火后的冷却速度有关，回火保温后，缓冷出现，快冷不出现，出现脆化后可重新加热后快冷消除。因此可提高钢材的纯度（↓P等杂质元素含量）；加入适量的Mo、W等有益的合金元素；采用回火后快冷的方法。

47. 为什么过共析钢的淬火温度不选择在ACCM以上？

参考答案：

答：如过共析钢的淬火温度选择在ACCM以上，（1）淬火温度过高→A粗大→M粗大，从而→①力学性能↓，→②淬火应力↑→变形，开裂↑； （2）A中C%↑→M中C%↑→残余A↑→M脆性↑、HRC↓、耐磨性↓。因此过共析钢的淬火温度不选择在ACCM以上。

48. 试分析金属的主要强化机制。 参考答案：

答：（1）固溶强化：溶质原子 → 晶格畸度 → 与位错相互作用 → 阻碍位错运动→强化。

（2）细晶强化：晶界 → 阻碍位错运动 → 强化

（3）位错强化：位错 → 增殖并相互作用 → 阻碍位错运动 → 强化 （4）第二相强化：第二相粒子 → 阻碍位错运动 → 强化

49. 合金元素对钢的等温转变“C”曲线有哪些影响？又是如何影响淬透性的？ 参考答案：

答：①“C”曲线位置：除Co以外的合金元素均使“C”曲线右移，因此提高淬透性。

②“C”曲线形状：碳化物形成元素(Mn,Cr,Mo,W,V,Nb,Zr,Ti)使“C”曲线上下分离成两个C形

③Ｍ转变临界温度：除Co、Al以外的合金元素均使Ｍ转变临界温度下降。

50. 合金元素对钢的回火转变有哪些影响？ 参考答案：

答：（1）提高回火稳定性：V、Si、Mo、W、Ni、Mn、Co；（2）产生二次硬化：沉淀硬化：V、Mo、W、Cr (Ni、Co协同）；（3）影响回火脆性：（第 二类回火脆性——450-600oC高温，与P有关）：增大第二类回火脆性：Mn、Cr、Ni，消除第二类回火脆性：Mo(0.5%)、W(1%)

51. 为何要向不锈钢中加入大量的Cr和Ni？

参考答案：

答：加入Cr：↑电极电位——含量＞12.5%电极电位跃升(如马氏体不锈钢)；

形成单相F ——Cr量＞12.7%→单相F(如铁素体不锈钢)；

加入Ni：形成单相A（如奥氏体不锈钢）

52. 手工锯条、普通螺钉、机床主轴分别用何种碳钢制造？ 参考答案：

答：手工锯条——T12；普通螺钉——Q235；机床主轴——45

53. 试对比渗碳钢和调质钢的合金化和热处理特点 参考答案：

答：

合金化特点 ①低C：0.1%～0.25% 热处理特点 正火——渗碳——淬火渗碳钢 ②加入提高淬透性元素：Cr，Ni，Mn，B ——低温回火 ③加入Mo、W、V、Nb、Ti等阻碍A晶粒长大和形成ｋ(碳化物)提高耐磨性 ④Ni增加渗层塑、韧性 调质钢 ①中C：0.25%～0.50%，以0.4左右为主 正火——淬火——高温②主：加入提高淬透性元素Cr,Ni,Mn,Si,B 回火（——表面淬火） ③辅：加入Mo,W消除回火脆性 54. 简述高速钢的热处理和性能特点，并说明合金元素的作用。 参考答案：

答：高速钢的性能特点：①高硬度：HRC＞60；②高耐磨性；③高热硬性；④足够塑性和韧性。

靠加入的合金元素的作用来保证：①高C:0.7 %～1.5%→↑M硬度，形成高硬度的碳化物；②加入Cr（4％）提高淬透性→保证获得M；③加入W,Mo,形成二次硬化→保证高的热硬性；加入V形成高硬度的碳化物→提高耐磨性。

如W系——W18Cr4V热硬性突出；W-Mo系——W6Mo5Cr4V2热塑性、韧性突出。

55. 请分析高速钢工具的最终热处理中需回火三次的原因及使用态组织。 参考答案：

答：淬火时1220-1280oC高温加热使合金元素充分溶解于奥氏体中，显著提高回火稳定性，550-570oC回火仍然处于低温回火阶段，三次回火后碳化物的充分析出，形成显著的二次硬化效应。

最终组织：M'+K+A'

如W系——W18Cr4V热硬性突出；W-Mo系——W6Mo5Cr4V2热塑性、韧性突出。

55. 请分析高速钢工具的最终热处理中需回火三次的原因及使用态组织。 参考答案：

答：淬火时1220-1280oC高温加热使合金元素充分溶解于奥氏体中，显著提高回火稳定性，550-570oC回火仍然处于低温回火阶段，三次回火后碳化物的充分析出，形成显著的二次硬化效应。

最终组织：M'+K+A'

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