工程材料及其应用课后答案（西交）

第一章 材料的性能

1-1什么是金属材料的力学性能？金属材料的力学性能包含哪些方面?

所谓力学性能，是指材料抵抗外力作用所显示的性能。力学性能包括强度刚度硬度塑性韧性和疲劳强度等

1-2什么是强度？在拉伸试验中衡量金属强度的主要指标有哪些？他们在工程应用上有什么意义？

强度是指材料在外力作用下，抵抗变形或断裂的能力。在拉伸试验中衡量金属强度的主要指标有屈服强度和抗拉强度。

屈服强度的意义在于：在一般机械零件在发生少量塑性变形后，零件精度降低 或其它零件的相对配合受到影响而造成失效，所以屈服强度就成为零件设计时的主要依据之一。

抗拉强度的意义在于：抗拉强度是表示材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。脆性材料在拉伸过程中，一般不产生颈缩现象，因此，抗拉强度就是材料的断裂强度，它表示材料抵抗断裂的能力。抗拉强度是零件设计时的重要依据之一。 1-3什么是塑性？在拉伸试验中衡量塑性的指标有哪些？

塑性是指材料在载荷作用下发生永久变形而又不破坏其完整性的能力。拉伸试验中衡量塑性的指标有延伸率和断面收缩率。

1-4什么是硬度？指出测定金属硬度的常用方法和各自的优缺点。

硬度是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。 生产中测定硬度最常用的方法有是压入法，应用较多的布氏硬度洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。

布氏硬度试验法的优点：因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测试材料的平均硬度，故实验结果较精确，特别适用于测定灰铸铁轴承合金等具有粗大经理或组成相得金属材料的硬度；压痕较大的另一个优点是试验数据稳定，重复性强。其缺点是对不同材料需要换不同直径的压头和改变试验力，压痕直径的测量也比较麻烦；因压痕大，不以测试成品和薄片金属的硬度。

洛氏硬度试验法的优点是：操作循序简便，硬度值可直接读出；压痕和较小，可在工件上进行试验；采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属厚薄不一的式样的硬度，因而广泛用于热处理质量检验。其缺点是：因压痕较小，对组织比较粗

大且不均匀的材料，测得的结果不够准确；此外，用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接进行比较。

维氏硬度试验法的优点是：不存在布氏硬度试验时要求试验力与压头直径之间满足所规定条件的约束，也不洛氏硬度试验是不同标尺的硬度无法统一的弊端，硬度值较为精确。唯一缺点是硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，因此工作效率比洛氏硬度低得多。

1-5在下面几种情况下，该用什么方法来测试硬度？写出硬度符号。

（1）检查锉刀、钻头成品硬度；（2）检查材料库中钢材硬度；（3）检查薄壁工件的硬度或工件表面很薄的硬化层；（4）黄铜轴套；（5）硬质合金刀片；

（1）检查锉刀、钻头成品硬度采用洛氏硬度试验来测定，硬度值符号 HRC。 （2）检查材料库中钢材硬度采用布氏硬度试验来测定，硬度值符号 HBW。 （3）检查薄壁工件的硬度或工件表面很薄的硬化层硬度采用洛氏硬度试验来测定，硬度值符号 HRC。

（4）黄铜轴套硬度采用布氏硬度试验来测定，硬度值符号 HBW。 （5）硬质合金刀片采用洛氏硬度试验来测定，硬度值符号 HRC。 1-6什么是冲击韧性？aK指标有什么应用意义？

冲击韧性是指金属材料在冲击力作用下，抵抗破坏的能力。

冲击韧性aK代表了在指定温度下，材料在缺口和冲击载荷共同作用下脆化的趋势及其程度，是一个对成分、组织、结构极敏感的参数。一般把冲击韧性值aK低的材料称为脆性材料，把冲击韧性值aK高的称为韧性材料。

1-7为什么疲劳断裂对机械零件有很大的潜在危险？交变应力与重复应力有什么区别？试举出一些零件在工作中分别存在着两种应力的例子。

疲劳断裂与静载荷作用下得断裂不同，无论是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂都是突然发生的脆性断裂，而且往往工作应力低于其屈服强度，固有很大的危险性。

随时间做周期性变化的应力称为交变应力，应力每重复变化一次的过程成为一个应力循环。常见的循环应力有以下几种：(1)对称交变应力，如火车轴的弯曲对称交变应力，曲轴的扭转交变应力。(2)脉动应力，如齿轮齿根的循环弯曲应力；轴承应力则为循环脉动压应力。(3)波动应力，如发动机缸盖螺栓的循环

应力。(4)不对称交变应力，如汽车，拖拉机和飞机零件在运行工作时因道路或云层的变化，其变动应力呈随机变化。

第二章 材料的结构

2-1：1g铁在室温和1000℃时各含有多少个晶胞？（Fe的相对原子质量56） 在室温：铁为体心立方结构，每个晶胞中的原子数为2个，所以1g铁含有的晶胞数为N=

111?NA=NA 211256111?NA=NA

2245641000℃时: 铁为面心立方结构，每个晶胞中的原子数为4个，所以1g铁含有的晶胞数为N=

2-2在立方晶格中，画出下列晶向和晶面指数：（111），（110），（211）（-111），[111]，[110]，[112]，[-111]。

2-3求面心立方晶体中[112]晶向上的原子间距。 d=√(a2+(√2/2a)2= √(3/2) a

2-4单晶体和多晶体有何差别？为什么单晶体具有各向异性，多晶体具有各项同性？

单晶体是由原子排列位向或方式完全一致的晶格组成的；多晶体是由很多个小的单晶体所组成的，每个晶粒的原子位向是不同的。√

因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。

2-5简述实际金属晶体和理想晶体在结构与性能上的主要差异。

理想晶体中原子完全为规则排列，实际金属晶体由于许多因素的影响，使这些原子排列受到干扰和破坏，内部总是存在大量缺陷。

如果金属中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随着晶体中缺陷的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。因此，无论点缺陷，线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变，从而使晶体强度增加。同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻，

降低金属的抗腐蚀性能。

2-6简述间隙固溶体和间隙化合物的异同点。

间隙固溶体和间隙化合物都是溶质原子嵌入晶格间隙形成的。

间隙固溶体的晶体结构与溶剂的结构相同，而间隙化合物的晶体结构不同于组成它的任一组元，它是以分子式来表示其组成。

2-7有两种乙烯和丙烯的共聚物，其组成相同，但其中一种在是温室时是橡胶状的，温度一直降低值约-70时才变硬；而另一种是温室时却是硬而韧又不透明的材料。试解释他们在结构上的区别。

高聚物在不同温度下有三种力学状态：玻璃态、高弹态、粘流态。

前者在室温下是橡胶态，-70℃时变硬，说明其玻璃态转变温度Tg约为-70℃ 2-8陶瓷的典型组织由哪几部分组成？他们对陶瓷性能各起什么作用？ 陶瓷材料是多相多晶材料，其结构中同时存在：晶体相（晶相）、玻璃相、气相，各组成相的结构、数量、形态、大小及分布决定了陶瓷的性能。

晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用，晶相的结合键为：离子键、共价键、混合键；且晶体缺陷还可加速陶瓷的烧结扩散过程，影响陶瓷性能；陶瓷晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。

玻璃相在陶瓷中的作用是：将分散的晶体粘结起来，填充晶体之间的空隙，提高晶体的致密度；降低烧成温度，加快烧结过程；阻止晶体转变，抑制晶体长大并填充气孔间隙；获得一定程度的玻璃特性。但玻璃相对陶瓷的强度、介电性能、耐热耐火性能是不利的。

气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔。它能使陶瓷强度降低、介电损耗增大，电击穿强度下降，绝缘性降低。

第三章 材料的凝固与结晶

3-1为什么金属结晶时必须过冷？

由热力学第二定律可知：在等温等压条件下，过程自动进行的方向总是向着系统自由能降低的方向。即ΔG=GS-GL<0；只有当温度低于理论结晶温度 Tm 时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态金属才能自发地转变为固态金属，因此金属结晶时一定要有过冷度。

3-2为什么金属结晶时常以枝晶方式长大？

在不平衡凝固过程中，固相中溶质浓度分布不均匀，凝固结束时，晶体中成分也不均匀，即有成分偏析现象。而当成分过冷很大时，固溶体晶体以树枝状生长时，先结晶的枝晶主干溶质浓度低，枝晶外围部分溶质浓度高，形成树枝状偏析。

3-3常用的管路焊锡为成分w(Pb=50%)、w(Sn=50%) 的Pb-Sn合金。若该合金以及慢速度冷却至室温，求合金显微组织中相组成物和组织组成物的相对量。

图3-1 Pb-Sn合金相图 图3-2 w(Pb=50%)Pb-Sn合金室温组织

由相图（图3-1）可知，成分为w(Pb=50%)、w(Sn=50%) 的Pb-Sn合金（亚共晶合金）以慢速度冷却至室温时发生的结晶过程为：先进行匀晶转变(L→α), 匀晶转变剩余的液相再进行共晶转变。极慢冷却至室温后形成的组织为先共晶固溶体α和共晶组织(α+β)。由于α固溶体的溶解度随温度变化较大，所以先共晶固溶体α中有点状βII析出（图3-2）。

相组成：先共晶α相的相对量为：1-（50-19.2）/(61.9-19.2)=72.13%

共晶组织中的α相占全部合金的相对量：（97.5-6.1.90）

/(97.5-19.2)*72.13%=32.82%

共晶组织中的β相相对量为1-32.82%=67.18%

3-4请根据图3.44分析解答下列问题：

（1） 分析合金1、2的平衡结晶过程，并会出冷却曲线；

（2） 说明室温下1、2的相和组织是什么，并计算相和组织的相对含量； （3） 如果希望得到的组织为：共晶组织和5%的?初，求该合金的成分。

解（1）（2）：

合金的冷却曲线如图3-3所示。

T L 1 L→α 2 α→β∏ 3 0 t 图3-3 合金I的冷却曲线

其结晶过程为： 1以上，合金处于液相；

1~2时，L→α，L和α的成分分别沿液相线和固相线变化，到达2时，全部凝固完毕；

2时，为单相α；

2~3时，α→βII。α→β室温下，I合金由两个相组成，即α和β相，其相对量为 Mα=(0.90-0.20)/(0.90-0.05)*100%=82% Mβ=1- Mα=18%

I合金的组织为α+βII,其相对量与组成物相同。 II合金的冷却曲线如图3-4所示。

T L L→β初 2 L→α+β ，2 α→β∏ 0 t

图3-4 合金II的冷却曲线

其结晶过程如下：

1以上，合金处于均匀的液相； 1~2时，进行匀晶转变L→β初； 2时，两相平衡共存，L0.50==β0.90； 2~2，时，剩余液相发生共晶反应：

L0.50==α0.20+β0.90 2~3时，发生脱溶转变，α→β∏

室温下，II合金由两个相组成，即α相和β相，其相对量为： Mα=(0.90-0.80)/(0.90-0.05)*100%=12%

Mβ=1- Mα=88%

II合金的组织为：β初+（α+β）共晶；组织组成物的相对量为： mβ初=(0.80-0.50)/(0.90-0.50)*100%=75%

m（α+β）共晶=1- mβ初=25%

解(3)：

设合金的成分为wB=x，由题意知：

mβ初=(x-0.50)/(0.90-0.50)*100%=5% 所以x=0.52，即该合金成分为wB=0.52.

3-5画出相图，标出相区及各主要点的成分和温度，并回答下列问题：

（1）45、60、T12钢的室温平衡组织分别是什么?它们从高温平衡冷却到室温要经过哪些转变？ 45钢

室温平衡组织： 铁素体? + 珠光体P

冷却过程：匀晶转变L0.45→ L0.53+ δ，包晶转变L0.53 + δ → γ0.45，同素

异晶转变γ0.45→ α + γ0.77，共析转变γ0.77 → (α +Fe3C)。

60钢

室温平衡组织：铁素体? + 珠光体P

冷却过程：匀晶转变L0.60→ L0.53+ δ，包晶转变L0.53 + δ → γ0.60，同素

异晶转变γ0.60→ α + γ0.77，共析转变γ0.77 → (α +Fe3C)。

T12钢

室温平衡组织：珠光体P + 渗碳体Fe3C

冷却过程：过共析钢在液态到室温的冷却过程中，首先进行匀晶转变，形

成单相固溶体γ；当温度到达ES线以下时，过饱和的固溶体γ中析出渗碳体（二次渗碳体Fe3CII），奥氏体γ的成分变到共析点S(0.77%C)；共析转变γ0.77 → (α+Fe3C)，形成珠光体P。

（2）画出纯铁 45钢 T12钢的室温平衡组织，并标注其中的组织。

图3-3 45钢的室温平衡组织（铁素体? + 珠光体P）

图3-4 T12钢的室温平衡组织（珠光体P + 渗碳体Fe3C） （3）计算室温下45钢 T12钢的平衡组织中相组成和组织组成物的相对量。

应用杠杆定律计算45钢中铁素体α和珠光体P的相对量，选择α +γ二相区，共析温度727oC。

0.77?0.45?42.77%0.77?0.02180.45?0.0218QP??57.23%0.77?0.0218 Q??T12钢的Qα=(2.11-1.2)/ (2.11-0.0218)=33.9% QP=1-33.9%=66.1%

（4）计算鉄碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大的相对量。

WFe3CⅡ=(2.11-0.77)/(6.69-0.8)*100%=23% W Fe3CⅢ=0.02/6.69*100%=33%

二次渗碳体的最大百分含量为22.6%，三次渗碳体的最大百分含量为0.33% （5）应用相图解释下列现象：

①钢柳丁一般用低碳钢合成；

钢柳丁一般要求具有良好的塑性和韧性，所以钢柳丁一般要求用低碳钢合成。 ②绑扎物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物时却用钢丝绳（60钢 65钢 70刚等组成）；

亚共析钢（碳的质量分数在0.0218%～0.77%）室温下的组织为铁素体加珠光体，低碳钢丝（碳的质量分数在0.0218%～0.25%）组织中铁素体的比例大，所以低碳钢丝塑性、韧性好，绑扎物件时，易于操作；而60钢、65钢、70钢等

组织中珠光体的量多，所以强度，适于作起重机吊重物用的钢丝绳。 ③T8钢的强度高于T12钢的强度。

强度＞T12钢，因为强度是一个组织敏感量，当含碳量超过0.9%以后，二次渗碳体呈网状分布，将珠光体分割开，因此强度下降。

3-6现有两种鉄碳合金，其中一种合金的显微组织中珠光体量占75%，铁素体量占25%；另一种合金的显微，组织中珠光体量占92%，二次渗碳体量占8%，这两种合金各属于哪一类合金？其含碳量各为多少？

答：第一种是亚共析钢，含碳量为0.0218%到0.77%之间，后面一种是过共析钢碳含量为0.77%到2.11%。

3-7现有形状 尺寸完全相同的4块平衡状态的鉄碳合金，他们的含碳量分别为w(C)=0.2%、w(C)=0.4%、 w(C)=1.2% 、w(C)=3.5%。根据你所学的知识，可用那些办法来区别他们？

答：第一种：根据金相实验铁碳相图来区别它们：含碳量分别为w(C)=0.2%的鉄碳合金金相中全部是单相的α相。而含碳量分别为w(C)=0.4%的鉄碳合金金相由α相和珠光体（P）相组成；而含碳量分别为w(C)=1.2%的鉄碳合金金相由珠光体（P）相和二次渗碳体组成；而含碳量分别为w(C)=3.5%的鉄碳合金金相主要由变态莱氏体（Ld’）相和一次渗碳体相组成。

第二种：随着含碳量的增加，铁碳合金的硬度随之增加，分别测试其硬度，按照其硬度大小可得其含碳量的大小。

3-8简述晶粒大小对金属力学性能的影响，并列举几种实际生产中细化铸造晶粒的方法。

晶粒大小对金属力学性能和工艺性能有很大影响。在一般情况下，晶粒愈细小，金属的强度、塑性、韧性及抗疲劳能力愈好，所以，细化晶粒是强化金属材料的最重要途径之一。为了细化铸件晶粒以改善其性能，常采用以下方法：增加过冷度；进行变质处理（孕育处理）；振动和搅拌。 3-9说明金属实际凝固时，铸锭的3种宏观组织的形成机制。

铸锭或铸件的凝固组织通常分为表层细晶区，柱状晶生长区和中心等轴晶三个部分。

当高温液体浇入铸模后，液体受到强烈冷却获得很大过冷，又由于模具是非均匀形核的有利位置，因而在模壁表面上产生大量晶核，这些晶核迅速长大至相互接触，便形成了表层细晶区。

细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小，生核速率降低，此时长大的速度受到的影响较小。晶核优先与散热最快方向的反方向平行长大，形成柱状晶区。

中心等轴晶的形成，一是柱状晶在生长过程中由于锭模内液体的对流，树枝被打碎悬浮在液体中，在铸模中心的温度过冷到熔点以下时得以任意生长。另一个原因是随着凝固过程的进行铸模中心的温度梯度越来越平缓，合金很容易产生成分过冷，大的成分过冷范围，是柱状晶停止生长，前方可能产生一些新的晶核。

第四章 金属的塑性变形及再结晶

4-1为什么室温下金属的晶粒越细，强度硬度越高，塑性与韧性也越好？

晶界是阻碍位错运动的，而各晶粒位向不同，互相约束，也阻碍晶粒的变形。因此，金属的晶粒愈细，其晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈多，对塑性变形的抗力也愈大。因此，金属的晶粒愈细强度愈高。同时晶粒愈细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的变形量便可分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，而不致造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产生和发展。因此，塑性，韧性也越好。

4-2用手来回玩着一根铁丝时，开始感觉省劲，后来逐渐感觉有些费劲，最后铁丝被折断，试解释该过程演变的原因。

不断来回折的过程使铁丝产生了塑性变形，开始时发生的是可恢复的弹性变形，后来发生的是永久变形，故铁丝会发生断裂，这个过程中铁丝发生了形变强化，当变形量很大时，金属出现各向异性；第二，不断折的过程中产生了位错塞积，使铁丝的屈服强度增大。

4-3什么是加工硬化？其产生的原因是什么？加工硬化在工程上带来哪些利弊？

金属在再结晶温度以下进行塑性变形，变形后硬度、强度升高，塑性、韧性降低的现象称为应变硬化，或加工硬化。

原因：（1）位错密度剧增；（2）晶粒破碎，晶界增多，造成晶界强化；（3）

吸收、存储部分变形能，有残余应力存在。

金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难，如钢板在冷轧过程中会越轧越硬，以致最后轧不动。另一方面人们可以利用加工硬化现象，来提高金属强度和硬度，如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度的。加工硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因素。如冷拉钢丝拉过模孔的部分，由于发生了加工硬化，不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔的部分，这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。 4-4冷变形对金属组织和性能有何影响？

①晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性，如纵向的强度和塑性远大于横向等；②晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化，即随着变形量的增加，强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降；③织构现象的产生，即随着变形的发生，不仅金属中的晶粒会被破碎拉长，而且各晶粒的晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动，转动结果金属中每个晶粒的晶格位向趋于大体一致，产生织构现象；④冷压力加工过程中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间的变形不均匀，金属内部会形成残余的内应力，这在一般情况下都是不利的，会引起零件尺寸不稳定。

4-5金属在冷塑性变形过程中产生哪几种残余应力？残余应力对材料产生哪些影响？

金属在冷塑性变形过程中会产生残余压应力和残余拉应力。残余应力会导致工件或材料在实际应用过程中产生开裂、变形、扭曲等，应该予以退火处理消除之。

4-6用冷拔铜丝做导线，冷拔后应如何处理？为什么？

应进行退火处理，由于温度升高原子的能动性增加，即原子的扩散能力提高，而回复阶段只是消除了由于冷加工应变能产生的残余内应力，大部分应变能仍然存在，变形的晶粒仍未恢复原状。所以，随着保温时间加长，新的晶粒核心便开始形成并长大成小的等轴晶粒，这就是再结晶的开始。随着保温时间的加长或温度的升高，再结晶部分愈来愈多，直到原来的晶粒全部被新的小晶粒所代替。进一步保温或升温，新晶粒尺寸开始增大，这就是晶粒长大现象。

4-7金属再结晶温度受那些因素的影响？能否通过再结晶退火来消除粗大铸造组

织，为什么？

（1）温度：加热温度越高，再结晶速度越快，产生一定体积分数的再结晶组织需要的时间越短。

（2）变形程度：变形程度越大，储能越多，再结晶驱动力越大，因此变形程度越大，再结晶速度越快。

（3）材料的纯度：微量的溶质原子对再结晶影响巨大。溶质或杂质原子偏聚在位错和晶界处，对位错的运动和晶界的迁移起阻碍作用，因此不利于再结晶，使再结晶温度升高。

（4）原始晶粒尺寸：原始晶粒越细或者退火时间增长都会降低在结晶温度。 （5）第二相粒子：粒子较粗大，间距较远——促进再结晶，粒子细小，间距小——阻碍再结晶。

4-8热变形对金属组织和性能有何影响？钢材在热加工（如锻造时）为什么不产生加工硬化现象？

金属与合金在再结晶温度以上进行的塑性变形，称为热变形或热加工。 （1）改善铸造组织缺陷：铸造组织往往含有缩松、气孔等缺陷，热变形时被压合消除；铸态组织(晶粒)粗大，通过变形和再结晶变成细小的等轴晶；改善铸态组织中的成分偏析，提高成分均匀性。以上这些都对提高力学性能有利。因此，材料经热变形后，虽然没有应变硬化，但力学性能明显提高。

（2）形成纤维组织，出现各向异性：由于铸态组织中的夹杂物多分布在晶界处，热变形时被拉长或打碎成为链状，都是沿变形方向呈纤维状分布。这些夹杂物很稳定，再结晶时仍能保留下来，纤维组织使材料呈现各向异性。

（3）带状组织的形成：带状组织也使材料具有各向异性，并且破坏材料的切削性能，应避免和消除。

（4）热变形后的晶粒变化：终止热变形时的温度、总变形量和热变形后的冷却速度，决定了热变形后晶粒的大小。合理控制这些因素，就可以得到细小的晶粒，从而获得高的力学性能。采用低的终止变形温度，大的变形量，快的冷却速度，可以得到细小的晶粒。

金属的热变形可看成是两个过程的组合：一方面它像冷加工那样发生晶粒的伸长与加工硬化；另一方面又发生了回复和再结晶过程，又形成了等轴晶粒消除

了加工硬化。

4-9 在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬。随后如果在室温放置一段时间后再进行弯折，铅板又像最初一样柔软，这是什么原因？（已知铅的熔点为328℃） 小于再结晶温度的加工称为冷加工；大于再结晶温度的加工称为热加工。

热加工也有加工硬化现象，但由于处于再结晶温度以上，硬化的同时发生了再结晶而使材料软化，即消除了加工硬化现象，故热加工最终结果，材料并不存在加工硬化。经计算：T铅再＝－33℃

所以，室温下弯折属于热加工，消除了加工硬化。

第五章 钢的热处理

5-1说明亚共析钢、共析钢、过共析钢奥氏体化的过程。

把实际加热时发生的相变临界温度用Ac1、Ac3、Accm表示，而冷却时的临界温度用Ar1、Ar3、Arcm表示。

共析钢加热时组织转变。在实际加热条件下，当温度达到或以上时，珠光体转变为奥氏体。奥氏体的形成是通过形核与晶核长大来实现的，其基本过程可分为四步。（1）奥氏体形核。奥氏体晶核首先在铁素体相界面处形成。（2）奥氏体长大。形成的奥氏体晶核依靠Fe、C原子的扩散，同时向铁素体和渗碳体两个方向长大，直至铁素体消失。（3）残余渗碳体溶解。在奥氏体形成的过程中，铁素体首先消失，残余的渗碳体随着加热和保温时间的延长，不断溶入奥氏体，直到全部消失。（4）奥氏体成分的均匀化。刚形成的奥氏体其中碳浓度是不均匀的，在原渗碳体处C的质量分数较高，而原铁素体处C的质量分数较低，只有在继续加热和保温过程中，通过C原子的扩散，才能使奥氏体中C的质量分数趋于均匀，形成成分较为均匀的奥氏体。

亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢的相似，不同的是，在室温下它们的平衡组织中除珠光体外，还有先共析相存在，当它们被加热到Ac1以上时，首先是其中的珠光体转变为奥氏体（这一过程与共析钢相同），而此时还有先共析相（铁素体或渗碳体）存在，要得到单一的奥氏体，必须提高加热温度，对亚共析钢来说，加热温度超过Ac3后，先共析铁素体才逐渐转变为奥氏体；对共析钢来说，加热温度超过Arcm后，先共析渗碳体才会全部溶解到奥氏体中去。

5-2以共析钢为例，说明将其奥氏体化后立即随炉冷却、空气中冷却、油中冷却和水中冷却，各得到什么组织？力学性能有何差异？（如图：温度上限为MS线，冷速下限为Vk）

① 当冷却速度V＜VK/时，冷却曲线与珠光体转变开始线相交便发生??P，与终了线相交时，转变便告结束，形成全部的珠光体。

② 当冷速VK/＜V＜VK时，冷却曲线只与珠光体转变开始线相交，而不再与转变终了线相交，但会与中止线相交，这时奥氏体只有一部分转变为珠光体。冷却曲线一旦与中止线相交就不再发生转变，只有一直冷却到Ms线以下才发生马氏体转变。并且随着冷速 V 的增大，珠光体转变量越来越少，而马氏体量越来越多。

③ 当冷速V＞VK 时，冷却曲线不再与珠光体转变开始线相交，即不发生??P，而全部过冷到马氏体区，只发生马氏体转变。此后再增大冷速，转变情况不再变化。由上面分析可见，VK 是保证奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷速，称为“上临界冷速”，通常也

叫做“淬火临界冷速”。VK/则是保证奥氏体在连续冷却过程中全部分解而不发生马氏体转变的最大冷速，称为“下临界冷速”。

④ 共析碳钢的连续冷却转变只发生珠光体转变和马氏体转变，不发生贝氏体转变，也就是说，共析碳钢在连续冷却时得不到贝氏体组织。但有些钢在连续冷却时会发生贝氏体转变，得到贝氏体组织。

5-3过冷奥氏体在不同温度等温转变时，可得到哪些转变产物？试列表比较他们的组织和性能。

根据等温温度不同，其转变产物有珠光体型和贝氏体型两种。 高温转变

Ac1～650℃ 珠光体 P 粗片状铁素体与渗碳体混合物 HRC<25； 650～600℃ 索氏体 S 600倍光学金相显微镜下才能分辨的细片状珠

光体HRC为25～35；

600～550℃ 托氏体 T 在光学金相显微镜下已无法分辨的极细片状珠

光体HRC为35～40；

中温转变

550～350℃ 上贝氏体 B上 羽毛状组织 HRC40～45；

350℃～Ms 下贝氏体 B下 黑色针状或称竹叶状组织 HRC45～55； 5-4什么是Vk？其主要影响因素有哪些？

Vk是指淬火临界冷却速度。其主要受化学成分的影响：亚共析钢中随着含碳量的增加，C曲线右移，过冷奥氏体稳定性增加，则Vk减小，过共析钢中随着含碳量的增加，C曲线左移，过冷奥氏体稳定性减小，则Vk增大；合金元素中，除Co和Al(>2.5%)以外的所有合金元素，都增大过冷奥氏体稳定性，使C曲线右移，则Vk减小。

5-5什么是马氏体？其组织形态和性能取决于什么因素？马氏体转变有何特点？

马氏体最初是在钢（中、高碳钢）中发现的：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。

其组织形态和性能取决于材料和淬火速率。

马氏体相变属于一种广义的位移型无扩散相变，以切变位移为其特征，新旧

相成分不变。相变特征是：

①新相与母相之间有一定的位向关系。例如 Fe-C合金的体心四方马氏体（M）与面心立方奥氏体(γ)──碳在γ-Fe中的固溶体──间有

。

② 相界面是确定的晶面，称为惯习面。例如含碳量为 0.5～1.4C 的Fe-C合金的惯习面是

。惯习面在相变过程中不畸变不转动（即所谓不变平面）。

，

③转变区由于形成马氏体发生切变，所以在平的样品表面上会出现浮凸。 ④马氏体形态呈片状或条状，内有亚结构，往往是孪晶。 ⑤是一级相变，具有成核成长过程。 ⑥晶体长大速率接近声速

⑦相变动力学有两类：a.变温转变，成核率很大，马氏体形成数量只是温度的函数，不依赖于时间。b.等温转变，成核率（或孕育期）依赖于温度,具有“C”字形动力学曲线。变温转变可视为很快的阶梯式的等温转变；而等温转变如仅考虑转变后期马氏体的极限量则同样满足变温转变的动力学方程。

⑧转变的不完全性。由于多数钢的Mf（马氏体转变结束的温度点）在室温以下，因此钢冷却到室温时仍有部分未转变的奥氏体存在，称之为残余奥氏体（Ar），随碳含量的增加，Ar也随之增加。一般钢经过淬火后要经过深冷处理来减少Ar的量。

5-6下列说法是否正确？为什么？

（1） 马氏体是硬而脆的相；(错，马氏体是硬的相,渗碳体才是脆的相) （2） 过冷奥氏体的冷却速度大于Vk时，则冷速越大，所得马氏体的硬度越高；

（马氏体硬度取决于含碳量,与冷却速度无关）

（3） 本质细晶粒钢的晶粒总是比本质粗晶粒钢的晶粒细；（错,晶粒的大小与加

热温度和保温时间有关.本质细晶粒钢只是加热时长大的趋向比本质粗晶粒钢小,但不代表本身比本质粗晶粒钢的晶粒细）

（4） 同种钢材在同样的加热条件下，总是水冷的比油冷的淬透性好，小件比大

件的淬透性好；（错，钢的淬透性取决于其临界冷却速度,与工件尺寸和冷却介质无关）

（5） 马氏体中的碳含量等于钢中的碳含量；

（6） 低碳钢和高碳钢零件为了切削方便，可预先进行球化退火处理。（低碳钢

多采用正火）

5-7生产中常把加热到淬火温度的钳工扁铲的刃部款入水中急冷片刻后，出水停留一段时间，在整体投入水中冷却。说明两次水冷的作用及水冷后的组织。

分级淬火的目的是使工件内部温度趋于一致，减少在后续冷却过程中的内应力及变形和开裂倾向。淬火后产生马氏体组织。

5-8对一批45钢零件进行热处理时，不慎将淬火件和调质件弄混，如何通过最简单的方法将他们区分开？为什么？

淬火加高温回火的热处理过程称为调质处理，调质处理后的钢件具有优良的综合力学性能，强度和韧性均好于直接淬火零件，微观组织也更细化；所以可以测硬度、进行冲击试验、观察微观组织来进行区分，调质工件的硬度更大，韧性更好，微观晶粒更细化。

5-9 将两个12钢小试样分别加热到780和860，保温后以大于的速度冷却至室温，试问：

（1） 哪个温度淬火后马氏体晶粒粗大？

因为860℃加热温度高，加热时形成的奥氏体晶粒粗大，冷却后得到的马氏体晶粒较粗大。

（2） 哪个温度淬火后参与奥氏体多？

因为加热温度860℃已经超过了Accm，此时碳化物全部溶于奥氏体中，使奥氏体中含碳量增加，降低钢的Ms和Mf点，淬火后残余奥氏体增多。 （3） 哪个温度淬火后未溶碳化物量多？

因为加热温度860℃已经超过了Accm，此时碳化物全部溶于奥氏体中，因此加热淬火后未溶碳化物较少。 （4） 哪个温度淬火合适？为什么？

780℃加热淬火后合适。因为含碳量为1.2%的碳钢属于过共析钢，过共析碳钢淬火加热温度Ac1+（30～50℃），而780℃在这个温度范围内，这时淬火后的组织为均匀而细小的马氏体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混

合组织，使钢具有高的强度、硬度和耐磨性，而且也具有较好的韧性。 5-10 什么是钢的淬透性和淬硬性？它们对于钢材的使用各有何意义？

淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层的能力。淬硬性：是指钢以大于临界冷却速度冷却时，获得的马氏体组织所能达到的最高硬度。 5-11回火的目的是什么？为什么淬火工件务必要及时回火？

回火是工件淬硬后加热到AC1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。回火的目的有一下几方面：

1．降低脆性，消除或减少内应力，钢件淬火后存在很大内应力和脆性，如不及时回火往往会使钢件发生变形甚至开裂。

2．获得工件所要求的机械性能，工件经淬火后硬度高而脆性大，为了满足各种工件的不同性能的要求，可以通过适当回火的配合来调整硬度，减小脆性，得到所需要的韧性，塑性。 3．稳定工件尺寸，保证精度；

4．对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火（或正火）后常采用高温回火，使钢中碳化物适当聚集，将硬度降低，以利切削加工。

淬火工件务必要及时回火是为了降低脆性，防止开裂。

5-12 为什么生产中对刃具、冷作模具、量具、滚动轴承等热处理常采用淬火+低温回火，对弹性零件则采用淬火+中温回火，而对轴 连杆等零件却采用淬火+高温回火？

答：刃具、冷作模具、量具、滚动轴承的材质要求要较高的硬度，而淬火+低温回火热处理可以得到高硬度的回火马氏体室温组织。弹性零件的材质要求要有高的弹性模量，而用淬火+中温回火热处理可以得到高弹性模量的回火屈氏体室温组织组织。轴 连杆等零件的材质要求材质要有高的力学综合性能，而淬火+高温回火的热处理可以得到综合力学性能良好的回火索氏体。

5-13在硬度相同条件下，为什么经调质处理的工件比正火后的工件具有较好的力学性能？

答：因为正火得到的索氏体中的渗碳体是片状的，而调质处理得到的索氏体索氏体中的渗碳体是粒状的，粒状渗碳体阻止断裂过程的发展比片状渗碳体有利。

5-14用T12（碳素工具钢）钢制造的丝锥，其成品硬度要求为 〉60HRC，加工工艺过程为：轧制-热处理1-机加工-热处理2-机加工。 （1） 写出个热处理工序的名称及作用；

热处理1：第一次热处理是去应力退火，因为轧制的过程产生加工硬化，同时有应力存在，为了免去后面加工过程中因为应力释放导致产品变形或者应力集中断裂。

热处理2第二次热处理是刃部的低温淬火和低温回火。淬火的作用是提高其硬度。回火是降低脆性还有释放淬火产生的应力

（2） 制订最终热处理的工艺规范（加热温度 冷却介质）。

第一次热处理是去应力退火：升温到500℃-650℃，保温后随炉冷却。 第二次热处理是刃部的低温淬火和低温回火：温度升高到300-500℃，用油或熔融的碱或盐做为淬火介质。然后在150~250°C保温1-3小时。 5-15用20钢进行表面淬火和45钢进行渗碳处理是否合适？为什么？

20钢不适合行行表面淬火。表面淬火的具体方法是将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未达到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法；其目的为提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限；而心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。

含碳量为0.4-0.5%C的中碳钢适合进行表面淬火，若含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降，若含碳量过高，心部韧性下降。

45钢不适合进行渗碳处理。渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25％)。渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑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。

5-16现有20钢和45钢制造的齿轮各一个，为了提高齿轮齿面的硬度和耐磨性，宜采用何种热处理工艺？热处理后的组织和性能有何不同？

答：20钢（低碳钢）：渗碳后淬火+低温回火，表面得到高碳回火马氏体，

硬度、耐磨性提高。45钢（中碳钢）制造的齿轮：表面感应加热淬火，控制冷却时间可实现自回火，可以不用专门进行低温回火，表面的硬度提高，内部的性能和组织不发生变化。

第六章 钢铁材料

6-1合金钢和碳钢相比，为什么它的力学性能好，热处理变形小？为什么合金工具钢的耐磨性、热硬性比碳钢高？

（1）合金元素加入后并经适当的热处理，可使钢的力学性能提高或得意改善。（2）合金元素（除Co外）加入后使钢的淬透性增加，因此获得同样组织时合金钢可选择较缓的冷却介质，故热处理变形小。（3）合金工具钢由于含有一些合金元素，与钢中的碳形成合金碳化物，而这些合金碳化物的硬度高。熔点高，所以合金工具钢的耐磨性、热硬性比碳钢高。

6-2低合金高强度钢中合金元素主要通过哪些途径起强化作用？这类钢经常用于哪些场合？

答：低合金高强度钢主加合金元素为锰，锰具有固溶强化作用；辅加元素为V、Ti、Nb、Al等强碳（氮）化合物形成元素，所产生的细小化合物质点即可通过弥散强化进一步提高强度，又可细化钢基体晶粒而起到细晶强韧化（尤其是韧化）作用。这类钢经常用于制作大型构件。

6-3现有40Cr钢制造的机床主轴，心部要求良好的强韧性（200~300HBW），轴颈处要求硬而耐磨（54~58HRC），试问： （1） 应进行那种预备热处理和最终热处理？

预备热处理：淬火+高温回火；最终热处理：轴颈表面淬火 （2） 热处理后各获得什么组织？

预备热处理后获得回火索氏体；最终热处理后获得表面回火马氏体、心部回火索氏体。

（3） 各热处理工序在加工工艺路线中位置安排？

6-4现有20CrMnTi钢制造的汽车齿轮，要求齿面硬化层，齿面硬度为58~62HRC，心部硬度为35~40 HRC，请确定其最终热处理方法及最终获得的表层与心部组织。

⑴ 齿轮生产工艺路线：

下料→锻造→正火→加工齿形→渗碳→预冷淬火→低温回火→喷丸→精磨

⑵

20CrMnTi齿轮最终热处理工艺曲线

温度（℃） 920～940 6h 840 90min 油冷230 90min ⑶ 正火：消除锻造应力；细化晶粒；降低硬度，改善切削加工性能。 预冷淬火＋低温回火：获得表层的高硬度；心部的高强度和高韧性。 喷丸：消除表面氧化皮，提高表面质量；使表面留存残余压应力，提高疲劳强度。

⑷ 表层：高碳回火马氏体＋渗碳体或碳化物；

心部：低碳回火马氏体＋屈氏体。

6-5弹簧为什么要进行淬火，中温回火？弹簧的表面质量对其使用寿命有何影响？可采用哪些措施提高弹簧使用寿命？

为了提高弹簧的疲劳寿命，对淬火加回火处理后的弹簧采用喷丸处理，经喷丸处理后弹簧表层处于压应力状态，形成一层极薄变形层，可使疲劳寿命成倍提高。 6-6滚动轴承钢除专用于制造滚动轴承外，是否可用来制造其他结构零件和工具？举例说明。

可以，高碳铬轴承钢也可用于制造精密量具，冷冲模，机床丝杠等耐磨件。 6-7在20Cr、40Cr 、GC9 、50CrV等钢中，铬的质量分数都小于1.5％，问铬在钢中的存在形式、钢的性能、热处理及用途上是否相同？为什么？

碳化物形成元素Cr少量溶于铁素体，主要溶于渗碳体形成(FeCr)3C、Cr7C3等合金渗碳体。 20Cr是渗碳钢，具有较高的屈服强度和冲击韧性，渗碳后表面硬度大于HRC60； 热处理：（930±10）℃渗碳，预冷至略高至Ar3(850-880℃)后直接淬火，然后进行150-230℃、1-2h低温回火。主要用作小齿轮、小轴、活塞销等。

40Cr是调质钢，调质钢调质后具有良好的综合力学性能，热处理为：850℃左右淬火，在进行500-650℃高温回火。常用做轴类零件、齿轮、连杆；

空冷 时间

GCr9是高碳的轴承钢，有较高的淬透性、屈服强度、弹性极限、高的接触疲劳强度、足够的韧性和良好的尺寸稳定性。热处理：830-850℃淬火和150-160℃、2-3h的回火。常用作直径小于20mm的滚珠；

50CrV为弹簧钢，高的疲劳强度、屈服极限、弹性极限、以及足够的塑性和韧性。 热处理：950℃以上直接淬火，然后再420-500℃进行中温回火。用作弹簧。 6-9 试分析高速工具钢中，碳与合金元素的作用及高速工具钢热处理工艺特点。为什么高速工具钢中，含碳量有普遍提高的趋势？

钢中加入较多的碳，起作用是既保证它的淬硬性，又保证淬火后有足够多的碳化物相；钨元素是提高钢红硬性的主要元素；Cr元素的加入可提高钢的淬透性，并能形成碳化物强化相，铬在高温下可形成三氧化二铬,能起到氧化膜的保护作用；V和C的亲和力很强，在高速钢中形成碳化物（VC）,它有很高的稳定性。VC的最高硬度可达到83~85HRC，在高温多次回火过程中VC呈弥散状析出，进一步提高了高速钢的硬度、强度和耐磨性；Co在高速钢中的主要作用是加强二次硬化的效果，提高红硬性。

高速工具钢的热处理工艺特点：高速钢锻后进行球化退火，以降低硬度，消除锻造应力，便于切削加工，并为淬火做好组织准备。退火后的组织为索氏体及粒状碳化物，为了缩短退火时间，生产中常采用等温退火工艺。高速钢的优越性能只有经过正确的淬火、回火才能获得。第一，高速工具钢中有大量的W、Mo、Cr、V的难溶碳化物，他们只有在1200℃以上的高温才能充分溶于奥氏体中，淬火后马氏体的强度高硬度高，且较稳定，回火后得到高热硬性 。因此高速钢淬火加热温度非常高；第二，高速钢中合金元素多，导热性较差。淬火加热时采用分级预热，一次预热温度600~650℃，二次预热在800~850℃，这样的加热工艺可避免由热应力而造成的变形或开裂。淬火冷却采用油中分级淬火法。高速钢的回火一般进行三次，回火温度560，每次1~1.5h。三次回火后高速钢残余奥氏体量从30％减少到3％~4％，与此同时，碳化物析出量增多，产生二次硬化现象，提高了刃具使用性能。

6-10高速工具钢经锻造后为什么要锻造？锻造后在切削加工前为什么必须退火？为什么高速工具钢退火温度较低[略高于Ac1（830℃）]而淬火温度却高达1280℃？淬火后为什么要经三次560℃回火？能否改用一次较长时间的回火？高速工具钢在560℃回火是否调质处理？为什么？

高速工具钢经锻造后的组织，不能用热处理办法矫正，必须借助于反复的压力热加工，一般选择多次轧制和锻压，将粗大的共晶碳化物和二次碳化物破碎，并使它们均匀分布在基体中。

锻造后必须进行回火，目的在于既调整硬度便于切削加工，又调整组织为淬火作准备。

高速工具钢中有大量的W、Mo、Cr、V的难溶碳化物，他们只有在1200以上的高温才能充分溶于奥氏体中，

三次560℃的回火的目的是为了降低或消除残余奥氏体；不能改用一次较长时间的回火，因为三次回火是利用每次回火后冷却时发生奥氏体向马氏体的转变来降低残奥的量，与回火时间长短无关。

6-13解释下列现象：

（1） 在含碳量相同的情况下，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高，保

温时间长。(合金元素增加碳化物的稳定性并阻碍碳在奥氏体中的扩散速度，使合金钢加热时奥氏体成分均匀化比较困难。)

（2） w(C)=0.4% 、w(C)=12%的铬钢为过共析钢，w(C)=1.5% 、w(C)=12%的

铬钢为莱氏体钢。（Cr为缩小奥氏体相区的元素）

（3） 高速工具钢在热轧或热锻后空冷，能获得马氏体组织。（高速钢中添加的

元素使冷却C曲线右移，还使其分离成上下两个C曲线。）

（4） 在砂轮上磨制各种钢制刀具时，需经常用水冷却，而磨硬质合金制成的工

具时，却不需要水冷。（W、Mo等强碳化物形成元素是其良好热硬性的保证）

6-14如果要用Cr13不锈钢制作机械零件 外科医用工具 滚动轴承及弹簧，应分别选择什么牌号和热处理方法？

0Cr13用于外科医用工具，热处理规范：1)退火,800～900℃缓冷或约750℃快冷; 2)

淬火(固溶),950～1000℃油冷;3)回火,700～750℃快冷。

1Cr13用于制造机械零件，热处理规范：1)退火,800～900℃缓冷或约750℃快冷; 2)淬火,950～1000℃油冷;3)回火,700～750℃快冷。

2Cr13用于制造滚动轴承，1)退火,800～900℃缓冷或约750℃快冷;2)淬

火,920～980℃油 冷;3)回火,600～750℃快冷

3Cr13制造弹簧，1）退火，800～900℃缓冷或约750℃快冷;2)淬火,920～980℃油 冷;3)回火,600～750℃快冷

6-15奥氏体不锈钢能否通过热处理来强化？为什么？生产中常用什么方法使其强化？

不能。因为奥氏体不锈钢在淬火后，由于没有相变，加之第二相微粒全部溶入奥氏体，所以淬火后，其硬度强度将至最低，所以不能通过热处理使其强化。生产中常用加工硬化方法使其强化。

6-16奥氏体不锈钢和耐磨钢淬火的目的与一般钢的淬火目的有何不同？高锰钢的耐磨原理与淬火钢的耐磨原理又有何不同？它们的应用场合有何不同？ 奥氏体不锈钢和耐磨钢淬火的目的是为了获得单一、成分均匀的奥氏体组织，防止出现第二相引起晶向腐蚀，因此奥氏体不锈钢淬火称固溶处理，而耐磨钢由于淬火后获得的单一奥氏体组织塑韧性较高，亦称其淬火为水韧处理。耐磨钢的耐磨原理是单一奥氏体组织在工作中受到强大的冲击、压力作用，从而产生应力诱发马氏体，使钢的耐磨性大大增加。淬火工具钢是通过淬火+低温回火，获得高硬度、高耐磨性的回火马氏体，使钢具有较高的耐磨性。耐磨钢用于制作承受强烈冲击、压力作用的工作零件，例推土机大铲，淬火工具钢用于不承受强烈冲击压力作用，要求耐磨性高的场合。

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