工程材料與熱處理-第3章作業(yè)題參考答案

1、1. 置換固溶體中，被置換的溶劑原子哪里去了？ 答：溶質(zhì)把溶劑原子置換后，溶劑原子重新加入晶體排列中，處于晶格的格點(diǎn)位置。2. 間隙固溶體和間隙化合物在晶體結(jié)構(gòu)與性能上的區(qū)別何在？舉例說(shuō)明之。答：間隙固溶體是溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙中而形成的固溶體，間隙固溶體的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑組元的結(jié)構(gòu)相同，形成間隙固溶體可以提高金屬的強(qiáng)度和硬度，起到固溶強(qiáng)化的作用。如：鐵素體F是碳在-Fe中的間隙固溶體，晶體結(jié)構(gòu)與-Fe相同，為體心立方，碳的溶入使鐵素體F強(qiáng)度高于純鐵。間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)與組元的結(jié)構(gòu)不同，間隙化合物是由H、B、C、N等原子半徑較小的非金屬元素（以X表示）與過(guò)渡族金屬元素（以M表示）結(jié)合，且

2、半徑比rX/rM0.59時(shí)形成的晶體結(jié)構(gòu)很復(fù)雜的化合物，如Fe3C間隙化合物硬而脆，塑性差。3. 現(xiàn)有A、B兩元素組成如圖所示的二元?jiǎng)蚓鄨D，試分析以下幾種說(shuō)法是否正確？為什么？（1） 形成二元?jiǎng)蚓鄨D的A與B兩個(gè)相元的晶格類型可以不同，但是原子大小一定相等。（2） K合金結(jié)晶過(guò)程中，由于固相成分隨固相線變化，故已結(jié)晶出來(lái)的固溶體中含B量總是高于原液相中含B量.（3） 固溶體合金按勻晶相圖進(jìn)行結(jié)晶時(shí)，由于不同溫度下結(jié)晶出來(lái)的固溶體成分和剩余液相成分不相同，故在平衡態(tài)下固溶體的成分是不均勻的。 答：（1）錯(cuò)：Cu-Ni合金形成勻晶相圖，但兩者的原子大小相差不大。（2）對(duì)：在同一溫度下做溫度線，分

3、別與固相和液相線相交，過(guò)交點(diǎn)，做垂直線與成分線AB相交，可以看出與固相線交點(diǎn)處B含量高于另一點(diǎn)。(3)錯(cuò)：雖然結(jié)晶出來(lái)成分不同，由于原子的擴(kuò)散，平衡狀態(tài)下固溶體的成分是均勻的。4. 共析部分的Mg-Cu相圖如圖所示：(1) 填入各區(qū)域的組織組成物和相組成物。在各區(qū)域中是否會(huì)有純Mg相存在？為什么？答: Mg-Mg2Cu系的相組成物如下圖：（為Cu在Mg中的固溶體）Mg-Mg2Cu系的組織組成物如下圖：（為Cu在Mg中的固溶體，） 在各區(qū)域中不會(huì)有純Mg相存在，此時(shí)Mg以固溶體形式存在。(2) 求出20%Cu合金冷卻到500、400時(shí)各相的成分和重量百分比。答: 20%Cu合金冷卻到500時(shí),如

4、右圖所示: 相的成分為a wt%, 液相里含Cu 為b wt%,根據(jù)杠桿原理可知: W=O1b/ab*100%, WL= O1a/ab*100%同理: 冷卻到400時(shí)，相的成分為m wt%, Mg2Cu相里含Cu 為n wt%, W=O2n/mn*100%, Wmg2Cu= O2m/mn*100%(3) 畫(huà)出20%Cu合金自液相冷卻到室溫的曲線，并注明各階段的相與相變過(guò)程。答:各相變過(guò)程如下(如右圖所示):xp: 液相冷卻,至p點(diǎn)開(kāi)始析出Mg的固熔體相py: Mg的固熔體相從p點(diǎn)開(kāi)始到y(tǒng)點(diǎn)結(jié)束yy,: 剩余的液相y開(kāi)始發(fā)生共晶反應(yīng),L+ Mg2Cuy,q:隨著T的降低, Cu在Mg的固熔體相的

5、固溶度降低.5. 試分析比較純金屬、固溶體、共晶體三者在結(jié)晶過(guò)程和顯微組織上的異同之處。答：相同的是,三者都是由原子無(wú)序的液態(tài)轉(zhuǎn)變成原子有序排列的固態(tài)晶體。不同的是，純金屬和共晶體是恒溫結(jié)晶，固溶體是變溫結(jié)晶，純金屬和固溶體的結(jié)晶是由一個(gè)液相結(jié)晶出一個(gè)固相，而共晶體結(jié)晶是由一個(gè)液相同時(shí)結(jié)晶兩個(gè)固相。純金屬和固溶體的顯微組織是單一固相，而共晶體的顯微組織是兩個(gè)相的機(jī)械混合物。6. 為什么亞共晶合金的共晶轉(zhuǎn)變溫度與共晶合金的共晶轉(zhuǎn)變溫度相同？答:共晶轉(zhuǎn)變是一定液相成分在一定的溫度下結(jié)晶出兩個(gè)成分一定的固相。因此，共晶轉(zhuǎn)變的溫度是一定的。雖然亞共晶合金和共晶合金的成分不相同，但亞共晶合金結(jié)晶先析出固

6、溶相，使剩余液相的成分達(dá)到共晶合金的成分再發(fā)生共晶反應(yīng)，所以亞共晶合金的共晶轉(zhuǎn)變溫度與共晶合金的共晶轉(zhuǎn)變溫度相同。7. 根據(jù)下表所列要求，歸納比較固溶體、金屬化合物及機(jī)械混合物的特點(diǎn)。 名稱種類舉例晶格特點(diǎn)相數(shù)性能特點(diǎn)固溶體間隙固溶體置換固溶體鐵素體，奧氏體Cu(Ni),Ni(Cu)與溶劑晶格類型相同單相材料的強(qiáng)度硬度隨固溶強(qiáng)化增大金屬化合物正價(jià)化合物電子化合物間隙化合物Mg2PbCuZnTiC,Fe3C晶格類型與組成化合物的各組元完全不同單相熔點(diǎn)較高，性能硬而脆機(jī)械混合物珠光體由兩種不同晶體結(jié)構(gòu)的相彼此機(jī)械混合組成2其性能與兩相的性能、大小和分布有關(guān)8. 何謂金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變？試以純鐵為例

7、說(shuō)明金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變。答：金屬在固態(tài)下隨溫度的變化，由一種晶格變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變。液態(tài)純鐵冷卻到1538時(shí)，結(jié)晶成具有體心立方晶格的-Fe；繼續(xù)冷到1394時(shí)發(fā)生同素異晶的轉(zhuǎn)變，體心立方晶格-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц?Fe；再繼續(xù)冷卻到912時(shí)，-Fe又轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的-Fe。純鐵變?yōu)楣虘B(tài)后發(fā)生了兩次同素異晶轉(zhuǎn)變。9. 何謂共晶轉(zhuǎn)變和共析轉(zhuǎn)變？以鐵碳合金為例寫(xiě)出轉(zhuǎn)變表達(dá)式。答：共晶轉(zhuǎn)變：在一定的溫度下,一定成分的液體同時(shí)結(jié)晶出兩種一定成分的固相的反應(yīng)。LA+Fe3C(共晶)共析轉(zhuǎn)變:在一定溫度下，由成分一定的固相同時(shí)析出兩種成分一定且不相同的新固相的轉(zhuǎn)變。AF+

8、Fe3C(共析)10. 畫(huà)出Fe-Fe3C相圖鋼的部分，試分析45鋼，T8鋼，T12鋼在極緩慢的冷卻條件下的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程，并繪出室溫顯微組織示意圖。答：Fe-Fe3C相圖如下圖所示 （1）45鋼為亞共析鋼(組織圖參考右)組織轉(zhuǎn)變過(guò)程如下： LL+L+L+P+ P （析出Fe3C）（2）T8鋼近似為共析鋼(組織圖參考右) 組織轉(zhuǎn)變過(guò)程如下:LL+P+P（+ Fe3C）（3）T12為過(guò)共析鋼(組織圖參考右)LL+Fe3C P + Fe3C 11. 為什么鑄造合金常選用靠近共晶成分的合金，而壓力加工合金則選用單相固溶體成分合金？答：鑄造合金需要流動(dòng)性能好，充型能力強(qiáng)，而接近共晶成分合金，凝固溫度區(qū)間

9、小，且結(jié)晶溫度低，恰好滿足這個(gè)特點(diǎn)；壓力加工的合金需要塑性好組織均勻，變形抗力小，有好的伸長(zhǎng)率，單相固溶體恰好滿足這些要求。12. 根據(jù)Fe-Fe3C相圖，確定下表中三種鋼在指定溫度下的顯微組織名稱。鋼號(hào)溫度（）顯微組織溫度（）顯微組織20770F+A900 AT8680 P770 AT12700P+Fe3C770A+Fe3C13. 某廠倉(cāng)庫(kù)中積壓了許多碳鋼（退火狀態(tài)）由于鋼材混雜不知其化學(xué)成分，現(xiàn)找出一根，經(jīng)金相分析后發(fā)現(xiàn)組織為珠光體和鐵素體，其中鐵素體量占80%。問(wèn)此鋼材碳的含量大約是多少？是哪個(gè)鋼號(hào)？答：由杠桿原理可知,此鋼材碳的含量大約0.17 wt%,與20鋼接近14. 有形狀和大小

10、一樣的兩塊鐵碳合金，一塊是低碳鋼，一塊是白口鐵。問(wèn)用什么簡(jiǎn)便的方法可迅速將它們區(qū)分開(kāi)來(lái)？答：最簡(jiǎn)單的辦法就是用鋼銼，挫一挫，白口鑄鐵由于碳以化合物形式大量存在，比較硬，挫不動(dòng)，打滑，低碳鋼碳化物少，比較軟，一挫就掉末。(此方法可行)15. 現(xiàn)有兩種鐵碳合金，在顯微鏡下觀察其組織，并以面積分?jǐn)?shù)評(píng)定各組織的相對(duì)量。一種合金的珠光體占75%，鐵素體占25%；另一種合金的顯微組織中珠光體占92%，二次滲碳體占8%。這兩種鐵碳合金各屬于哪一類合金？其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)各為多少？答：珠光體占75%，鐵素體占25%,此鋼應(yīng)為亞共析鋼,其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.58 wt%.珠光體占92%，二次滲碳體占8%,此鋼應(yīng)為過(guò)

11、共析鋼, 其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.24 wt%.16. 現(xiàn)有形狀尺寸完全相同的四塊平衡狀態(tài)的鐵碳合金，它們碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.20%、0.40%、1.2%、3.5%。根據(jù)你所學(xué)過(guò)的知識(shí)，可有哪些方法來(lái)區(qū)別它們？答：方法一：硬度測(cè)試。硬度值大小順序是：白口鑄鐵>T12鋼>45鋼>20鋼。因?yàn)殍F碳合金的硬度隨含碳量的增加而升高；四種鐵碳合金的含碳量是：白口鑄鐵（大于2.11%C） > T12鋼（1.2%C）>45鋼（0.45%）>20鋼（0.2%C）。方法二：分別制備四種材料的金相試樣，在金相顯微鏡上進(jìn)行顯微組織觀察。亞共析鋼組織為（FP），且亞共析鋼中隨含碳量

12、增加鐵素體減少，珠光體增多；過(guò)共析鋼組織為（PFe3C），且當(dāng)Wc>0.9時(shí)，F(xiàn)e3C沿晶界呈網(wǎng)狀分布；白口鑄鐵的組織中有萊氏體。所以，組織為（FP）而鐵素體少的為20鋼、珠光體多的為45鋼；組織中有Fe3C沿晶界呈網(wǎng)狀分布的T12鋼，有萊氏體組織存在的是白口鑄鐵。方法三：塑性測(cè)試（斷后伸長(zhǎng)率或者斷面收縮率）。塑性值大小順序是：20鋼>45鋼>T12鋼>白口鑄鐵。17. 根據(jù)Fe-Fe3C相圖解釋下列現(xiàn)象：（1） 在進(jìn)行熱軋和鍛造時(shí)，通常將鋼加熱到1000-1200；（2） 鋼鉚釘一般用低碳鋼制作；（3） 綁扎物件一般用鐵絲（鍍鋅低碳鋼絲），而起重機(jī)吊重物時(shí)卻用鋼絲繩（

13、60鋼、65鋼、70鋼等制成）；（4） 在1100時(shí)，WC=0.4%的碳鋼能進(jìn)行鍛造，而WC=4.0%的鑄鐵不能進(jìn)行鍛造；（5） 在室溫下WC=0.8%的碳鋼比WC=1.2%的碳鋼強(qiáng)度高；（6） 鋼錠在正常溫度（950-1100）下軋制有時(shí)會(huì)造成開(kāi)裂；（7） 鉗工鋸割T8鋼、T10鋼等鋼料比鋸割10鋼、20鋼費(fèi)力，鋸條易鈍；答：(1) 此區(qū)域?yàn)閱蜗鄪W氏體,相對(duì)較軟,易變形(2) 低碳鋼塑性較好(3) 鐵絲強(qiáng)度低,塑性好；60鋼、65鋼、70鋼等鋼絲強(qiáng)度高 (4) 因?yàn)閃C=4.0%在此溫度下組織有高溫萊氏體，其中含有共晶滲碳體,此組織塑性極差,不能鍛造, WC=0.4%的碳鋼,在此溫度為單相奧

14、氏體,塑性好,故可進(jìn)行鍛造工藝(5) 硬度隨含C量增加而增加,但強(qiáng)度不一樣,強(qiáng)度和組織有關(guān)，WC=0.8% 和WC=1.2%鋼的組織為珠光體和晶界析出的二次滲碳體，兩者組織中的含量不一樣，二次滲碳體是一種脆性相，對(duì)強(qiáng)度影響很大，而WC=1.2%鋼中二次滲碳體比WC=0.8%多。(6) 因冶金質(zhì)量不高，鋼中存在硫，硫與鐵生成FeS, FeS與Fe能形成低熔點(diǎn)共晶體（FeS+Fe），熔點(diǎn)僅為985，低于鋼材熱加工的溫度。因此，在熱加工時(shí)，分布在晶界上的共晶體熔化導(dǎo)致鋼的開(kāi)裂，這種現(xiàn)象稱為熱脆。(7) 高碳鋼T8鋼和T10鋼比低碳鋼10鋼和20鋼硬度高, 更耐磨，所以鋸割T8鋼、T10鋼等鋼料比鋸割

15、10鋼、20鋼費(fèi)力，鋸條易鈍。18. 試以鋼的顯微組織說(shuō)明20鋼、45鋼和T8鋼的力學(xué)性能有何不同。答：20鋼含碳量約為0.2%，為低碳鋼，在平衡狀態(tài)下，顯微組織為鐵素體和少量珠光體，所以硬度較低，強(qiáng)度也較低。45鋼含碳量約為0.45%，為中碳鋼，顯微組織為鐵素體和珠光體，強(qiáng)度和硬度比低碳鋼高。前兩者都是亞共析鋼。T8鋼含碳量約為0.8%，顯微組織主要是珠光體，當(dāng)然強(qiáng)度和硬度在三者中是最高的了。19. 下列說(shuō)法是否正確？為什么？(1) 鋼的碳含量越高，質(zhì)量越好；(2) 共析鋼在727發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成單相珠光體；(3) WC=4.3%的鋼在1148發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成萊氏體；(4) 鋼的含碳量越高，

16、其強(qiáng)度和塑性也越高；答(1) 不對(duì), 鋼的碳含量越高，硬度越大，跟質(zhì)量越好沒(méi)關(guān)系(2) 不對(duì),珠光體是兩相混合組織(3) 不對(duì), WC=4.3%的鐵在1148發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成萊氏體 (4) 不對(duì), 鋼的含碳量越高，其塑性越低，而強(qiáng)度隨碳含量先增后降。20. 下列工件，由于管理的差錯(cuò)，造成鋼材錯(cuò)用，問(wèn)使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)哪些問(wèn)題？(1) 把Q235-A當(dāng)做45鋼制造齒輪；(2) 把30鋼當(dāng)做T13鋼制成銼刀；(3) 把20鋼當(dāng)做60鋼制成彈簧；答: (1) Q235為低碳鋼,45鋼為中碳鋼, 使用過(guò)程會(huì)遇到強(qiáng)度不夠,易變形和斷裂(2) 30鋼為中碳鋼，T13鋼為工具鋼，使用過(guò)程會(huì)遇到硬度不夠,易磨損

17、(3) 20鋼為低碳鋼，60鋼為高碳鋼，使用過(guò)程會(huì)遇到強(qiáng)度和彈性不夠,易塑性變形和斷裂21. 根據(jù)括號(hào)內(nèi)提供的鋼號(hào)（08F；20；T8；T12；65；）選擇下列工件所采用的材料：冷沖壓件；螺釘；齒輪；小彈簧；銼刀。答: 冷沖壓件08F；螺釘20；齒輪45；小彈簧65；銼刀T12。22. 什么是相?什么是組織?共晶體(a+b)、次生相a和b是相還是組織?答：在金屬或者合金中，凡是化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其他部分分開(kāi)的均勻組成部分叫做相。組織是由于組成相的種類、相對(duì)數(shù)量、晶粒形狀、大小及分布形態(tài)等的不同，而分別具有不同形貌特征的相的組合物。共晶體(a+b)、次生相a和b是組織。23.

18、什么是固溶強(qiáng)化?引起固溶強(qiáng)化的原因是什么?答: 通過(guò)溶入某種溶質(zhì)元素來(lái)形成固溶體而使金屬?gòu)?qiáng)化的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。原因是溶質(zhì)原子尺寸與溶劑原子不同,溶質(zhì)原子的溶入造成晶格畸變，晶格畸變?cè)龃罅宋诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使滑移難以進(jìn)行，從而使合金固溶體的強(qiáng)度與硬度增加。24. 固溶體和金屬化合物的晶體結(jié)構(gòu)有何不同特點(diǎn)?兩者的性能各有何特點(diǎn)?固溶體晶體結(jié)構(gòu)與組成它的溶劑相同，而金屬化合物的晶體結(jié)構(gòu)與組成它的組元都不同，通常較復(fù)雜。固溶體的力學(xué)性能高于純金屬，這是由于溶質(zhì)的“固溶強(qiáng)化效應(yīng)”所致。金屬化合物通常硬度高，熔點(diǎn)高，脆性大。25. 什么叫合金相圖?指出相圖中的液相線與固相線的金屬學(xué)意義?答:合金系在平衡條

19、件下(即緩慢加熱或者冷卻條件)下,不同溫度、成分下的各相的關(guān)系叫合金相圖。液相線和固相線表示合金系在平衡狀態(tài)下冷卻時(shí)結(jié)晶始點(diǎn)和終點(diǎn)以及加熱時(shí)熔化的終點(diǎn)和始點(diǎn)。26. 何謂共晶轉(zhuǎn)變,包晶轉(zhuǎn)變和共析轉(zhuǎn)變?試比較這三種轉(zhuǎn)變的異同點(diǎn),并寫(xiě)出它們的反應(yīng)式. 答：共晶反應(yīng)：指一定成分的液體合金，在一定溫度下，同時(shí)結(jié)晶出成分一定且不相同的兩種固相的反應(yīng)。包晶反應(yīng)：指一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另一種成分一定的固相反應(yīng)。共析反應(yīng)：指一定成分的單相固態(tài)合金，在恒定的溫度下，分解成兩個(gè)成分一定且不相同新固相反應(yīng)。共同點(diǎn)：反應(yīng)都是在恒溫下發(fā)生，反應(yīng)物和產(chǎn)物都是具有特定成分的相，都處于三相平衡狀態(tài)。不同點(diǎn)

20、：共晶反應(yīng)是一種液相在恒溫下生成兩種固相的反應(yīng)；共析是一種固相在恒溫下生成兩種固相的反應(yīng)；而包晶反應(yīng)是一種液相與一種固相在恒溫下生成另一種固相的反應(yīng)。27. 畫(huà)出Fe-Fe3C相圖（左上角可略）指出圖中S、C、E、P、N、G、及ECF、PSK、SE、GS、PQ、各點(diǎn)線的意義，并標(biāo)出各區(qū)域的相組成物和組織組成物（相組成物加表示）。S:共析點(diǎn) C:共晶點(diǎn) E:碳在g-Fe中的最大溶解度 P：碳在a-Fe中的最大溶解度 N:d-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)間-Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)。G: g-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)?a-Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn) ECF：共晶線 PSK：共析線 SE：碳在g-Fe中的溶解度曲線。28. 何謂碳素鋼？何謂

21、白口鐵？?jī)烧叩某煞?，組織和力學(xué)性能有何差別？答：碳素鋼是指含碳量低于2.11%的鐵碳合金，白口鐵是含碳量高于2.11%，低于6.69%的鐵碳合金，是常說(shuō)的生鐵，其中碳與鐵化合以Fe3C存在，斷口呈白色。兩者的碳含量不同，組織不同（見(jiàn)上圖），碳素鋼的綜合機(jī)械性能較好，被廣泛使用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。白口鐵硬度高、脆性大、耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，但不能切削加工，不能鍛造，主要用于要求耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件。29. 試回答下列名詞的主要區(qū)別：（1）萊氏體與低溫萊氏體；（2）一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體、共晶滲碳體、共析滲碳體；（3）鐵素體與a-Fe；（4）奧氏體與g-Fe。（1）萊氏體Le：Le是由奧氏體和滲碳體組成的共晶混合物 低溫萊氏體Le(P+Fe3C+Fe3C)是樹(shù)枝狀的珠光體分布在共晶滲碳體的基體上（2）一次滲碳體：由液相中直接析出來(lái)的滲碳體； 二次滲碳體：從A中析出的Fe3C稱為二次滲碳體；三次滲碳體：從F中析出的Fe3C稱為三次滲碳體；共晶滲碳體：經(jīng)共晶反應(yīng)形