《金屬學及熱處理》-郭海華 習題及解答 第1-5章

習題1(第一章力學性能）1.塑性指標在工程上有哪些實際意義？塑性是指材料在破壞前所能產(chǎn)生的最大塑性變形能力。塑性好的材料可以順利地進行鍛壓、軋制等加工；在超載情況下不至突然斷裂而提高了工作安全性。2.提高金屬材料的強度有什么實際工程意義？材料抵抗變形和破壞的能力稱為強度，強度指標的具體含義是材料單位面積上所能承受力的能力。強度的提高，意味著在同樣外力的情況下，材料的橫截面積可以減小，最終可以節(jié)約材料，降低成本；同理，強度的提高，在相同橫截面積的情況下，材料承受外力的能力提高了，可以用于要求更高、更重要的加工制造。3.金屬疲勞斷裂有哪些特點？防止金屬疲勞斷裂的方法有哪些？在交變力作用下，金屬會發(fā)生疲勞斷裂現(xiàn)象，材料抗疲勞斷裂的能力稱為疲勞強度。疲勞強度是指在交變力作用下，材料經(jīng)無限次應力循環(huán)而不斷裂的最大應力值。這個最大應力值往往低于材料的屈服強度（如很多材料是其屈服強度的0.3～0.6倍），這說明交變力比靜力具有更大的破壞性；其次，疲勞斷裂沒有明顯塑性變形的過程，突然斷裂具有更大的危險性。防止措施有：合理選材，減少氧化、脫碳、裂紋、夾雜等缺陷；改善零件結(jié)構(gòu)形狀：減少開孔、挖槽、缺口等，盡量避免尖角和截面突變，避免引起應力集中；降低零件表面粗糙度，應盡量減少刀痕、磨痕、擦傷、腐蝕等表面加工損傷；采用各種表面強化處理如滲碳、滲氮、表面淬火、噴丸和滾壓等在材料表面形成一定深度的殘余壓應力。4.某廠購入一批40鋼，按相關標準規(guī)定其力學性能指標應為：ReL≥340MPa，Rm≥540MPa，Z≥45%。驗收時，取樣將其制成d0=10mm的試樣做拉伸試驗，測得FeL=31.4KN，F(xiàn)m=47.1KN，斷后直徑dU=7.3mm。請計算相關力學性能，判斷該批鋼材是否合格。答：計算得該材料ReL=400MPa計算得該材料Rm=600MPa計算得該材料Z=46.7%可見：該批材料的ReL、Rm、Z實際值均大于材料的應達指標值，故：該批鋼材合格。5.一批鋼制拉桿，工作時不允許產(chǎn)生明顯的塑性變形，最大工作應力Rmax＝350MPa。今欲選用某鋼制作該拉桿?，F(xiàn)將該鋼制成d0＝10mm的標準拉抻試樣進行拉抻試驗，測得FeL＝21500N，F(xiàn)m＝35100N，試判斷該鋼是否滿足使用要求？為什么？計算得ReL≈274MPa可見：ReL＜Rmax或：Fmax≈27475N可見：Fmax＞FeL故：該鋼不滿足使用要求。下列材料或工件的硬度適宜哪種硬度測試法測量？（1）鑄鐵發(fā)動機殼體HBW.（2）金屬表面鍍層HV.（3）退火鋼HRBW/HBW.（4）鉗工手錘HRC.（5）大型銅錠HBW（6）鋼中的金屬化合物相HV.（7）硬質(zhì)合金HRA.（8）高硬度鑄鐵HRC.7.金屬常用的力學性能有：強度、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞強度，現(xiàn)有一沖裁彈簧墊圈鋼板的小型冷作模具，請按該模具的使用情況，將其所要求的力學性能從高到低進行排序。硬度、強度、沖擊韌性、疲勞抗力習題2（第2章金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶）常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有哪幾種？α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各屬何種晶體結(jié)構(gòu)？常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。體心立方晶格：α-Fe、V、Cr面心立方晶格：γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb密排六方晶格：Cr、Mg、Zn常見的晶體缺陷有哪幾種？各自有何特征？點缺陷：晶體空間三維方向上的尺寸都很小的缺陷，不超過幾個原子間距。如空位、間隙原子、置換原子及其復合體；線缺陷：晶體空間三維方向上有兩維方向上的尺寸很小（與點缺陷相似），在另一維方向的尺寸相對很大而呈線狀分布的缺陷。如：刃型位錯、螺型位錯；面缺陷：晶體空間三維方向上有一維方向上的尺寸很?。ㄅc點缺陷相似），另外兩維方向上的尺寸相對很大的缺陷，如晶界、亞晶界、相界等；金屬結(jié)晶的基本規(guī)律是什么？晶核的形成率和成長率受到哪些因素的影響？（1）金屬結(jié)晶是一個形核和長大的過程；這個過程需要過冷度，在T0條件下結(jié)晶處于平衡狀態(tài)無法順利進行，過冷度是結(jié)晶的推動力；純金屬結(jié)晶過程是一個恒溫過程，結(jié)晶時溫度保持不變，結(jié)晶結(jié)束后，溫度又繼續(xù)下降。（2）隨著過冷度的增加，形核速率N和長大速度G都增加，并在一定過冷度下達到最大值，但隨著過冷度的進一步增加，兩者都減小。其次，液態(tài)金屬中一些雜質(zhì)、難熔微粒的存在，以及采用振動和攪拌的方法，都可促進形核，利于晶粒細化。計算密排六方晶格的致密度。答案可參見教材21頁。設：晶胞原子排列為理想狀態(tài)，底邊長為a，原子半徑為r,高為c。如左圖所示，底面正六邊形的對角線長度為2a，則有：，。如右圖示，得出：，。密排六方晶胞內(nèi)有六個原子，致密度k為：什么是過冷度？過冷度與冷卻速度有何關系？過冷度的大小對金屬結(jié)晶后晶粒尺寸有何影響？理論結(jié)晶溫度T0與實際結(jié)晶溫度Tn之差稱為過冷度，用ΔT表示，ΔT=T0-T1。當冷卻速度越大時，實際結(jié)晶溫度越低，過冷度越大，結(jié)晶的推動力越大，生成的自發(fā)晶核越多，晶粒越細??；過冷度越小，晶粒越粗大。在鑄造生產(chǎn)中，一般采用哪些措施控制晶粒大小？在生產(chǎn)中如何應用變質(zhì)處理？鑄造生產(chǎn)中常用加快冷卻速度以增大結(jié)晶過冷度的方法，主要有：降低澆注溫度、采用散熱快的金屬鑄型、降低金屬鑄型的預熱溫度、減小鑄型涂料層的厚度以及采用水冷鑄型等。其次還有機械振動和攪拌、變質(zhì)處理（孕育處理）措施細化晶粒。對于大型零件宜采用變質(zhì)處理，即向在出爐或澆包中的液態(tài)金屬加入孕育劑或變質(zhì)劑（不熔微粒），以增加非自發(fā)形核的數(shù)目。簡述鑄件缺陷及其產(chǎn)生的原因。鑄件組織容易出現(xiàn)晶粒粗大、成分不均勻、縮孔、縮松、氣孔等缺陷。（1）縮孔：液體金屬中最后一部分液體凝固后沒有得到及時補充而留下的孔洞；縮松：細小分散的縮孔。結(jié)晶時剩余液體被樹枝狀晶體分隔成眾多小區(qū)域，當其最后凝固得不到及時補充就形成縮松；形成原因：材料成分選擇不合理，澆注溫度過高或過低、砂型的剛度不夠等，在液態(tài)收縮和凝固收縮過程中造成。（2）氣孔：液體金屬中的氣體在金屬液結(jié)殼之前未及時逸出形成；形成原因：原材料銹蝕、潮濕；砂型透氣性低、出氣冒口等工藝措施不合理等。（3）偏析：鑄件化學成分和組織的不均勻現(xiàn)象，分為晶內(nèi)偏析、區(qū)域偏析等。晶內(nèi)偏析：指晶粒內(nèi)各部分化學成分不均勻的現(xiàn)象。形成原因：由不同溫度下，合金具有不同的溶解度引起，凝固溫度范圍越寬，晶內(nèi)偏析越嚴重，且冷卻速度越大，偏析元素在固溶體中的擴散能力越小，偏析越嚴重。區(qū)域偏析：指鑄件由里到外或由上至下化學成分和組織不均勻現(xiàn)象。形成原因：由鑄件各部分凝固存在先后順序、冷卻速度過快引起。習題3（第3章合金的結(jié)構(gòu)與相圖)1.簡要說明二元合金勻晶相圖的獲得過程。以Cu-Ni合金為例：（1）配制一系列不同成分的Cu-Ni合金；（2）用熱分析法分別測出它們的冷卻曲線；（3）找出圖中各冷卻曲線上合金結(jié)晶的上、下臨界點；（4）將合金的臨界點標注在“溫度—成分”坐標圖中相應的成分軸上。其中橫坐標數(shù)值為右下角元素質(zhì)量百分比。”（5）再將意義相同的臨界點連接起來。上臨界點連接線為液相線，下臨界點連線為固相線。2.試以Pb-Sn合金相圖（圖3-7）說明：共晶點和共晶轉(zhuǎn)變線有什么關系？C點是共晶點，是共晶轉(zhuǎn)變ECF線上的一個點，它所對應的成分是含錫量61.9%，具有該點成分的液相冷卻到共晶轉(zhuǎn)變線溫度時，會發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成（α+β）共晶體。此時，α相、β相的固溶度最大，分別是共晶轉(zhuǎn)變ECF線上的兩個端點E點和F點所對應的成分。而共晶轉(zhuǎn)變ECF線所對應的合金成分是從含錫量19%～97.5%的合金范圍。該范圍的合金，當溫度冷卻到共晶轉(zhuǎn)變線溫度時，液體的成分都將沿液相線逐漸變化達到共晶點C，從而發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。3.Pb-Sn合金相圖中（圖3-7），合金Ⅱ（Sn=38%）在共晶溫度發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時，試用杠桿定律計算共晶體所占百分比以及合金中所有α固溶體所占百分比。在共晶轉(zhuǎn)變線上建立杠桿為E2C，2點為杠桿支點。Q(α+β)=E2/2C=（38-19）/（61.9-38）=79.5%Qα=1-Q(α+β)=20.5%4.如圖3-12所示為A、B兩組元形成的二元合金相圖。請?zhí)畛龈飨鄥^(qū)的組織，并寫出圖示四種成分的合金緩冷至室溫組織變化過程。L→L+α→αL→L+α→α→α+βⅡL→L+α→α+(α+β)→α+βⅡ+(α+β)L→(α+β)5.某合金相圖如圖3-13示，試標出1-4空白區(qū)域相的名稱，指出此相圖包括幾種轉(zhuǎn)變類型？并說明合金1的平衡結(jié)晶過程及室溫下顯微組織。①L+γ②γ+β③(α+β)+β+αⅡ④β+αⅡ包括：勻晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變。L→L+γ→γ→γ+α→α→α+βⅡ6.分析共析相圖和共晶相圖的區(qū)別和聯(lián)系，共析體和共晶體有什么區(qū)別和聯(lián)系？在共析線附近反復加熱和冷卻，能否獲得特別細密的顯微組織？共析相圖與共晶相圖很相似，不同之處在于共析轉(zhuǎn)變是出自同一種固相的轉(zhuǎn)變，而非同一液相。共析相圖的上方是固相區(qū)，共晶相圖的上方是液相區(qū)。共析體和共晶體都是由一種相同時轉(zhuǎn)變出的兩個不同相構(gòu)成的，在形態(tài)上有相似之處：交錯排列、緊密混合的機械混合物。由于共析轉(zhuǎn)變的溫度低，易獲得較大過冷度，因而形核率高；同時因在固態(tài)下進行，原子擴散比較困難，因此，共析體較共晶體更加細小。在共析線附近反復加熱和冷卻，可以通過反復形核獲得特別細密的顯微組織。習題4(第4章鐵碳合金）簡述鐵素體、奧氏體和滲碳體的概念及性能特點。（1）鐵素體（F）是碳溶解在α-Fe中的間隙固溶體。鐵素體溶碳能力很低，室溫下溶碳能力僅為C=0.0008%，固溶強化效果不明顯，其性能近似于純鐵，即強度、硬度低而塑性、韌性好（Rm=180～230MPa，80HB，A≈40%，αK≈250J/cm2），適用于形變加工。鐵素體在770℃以下呈鐵磁性。（2）奧氏體（A）是碳溶解在γ－Fe中的間隙固溶體。在大于727℃高溫條件下才能穩(wěn)定存在的組織。奧氏體溶碳能力較大，強度和硬度比鐵素體高，但塑性、韌性很好（Rm≈400MPa，160～200HB，A=40～50%），鋼材為高溫奧氏體相時更易發(fā)生塑性變形。奧氏體呈非鐵磁性。（3）滲碳體（Fe3C）是鐵與碳形成的金屬化合物，滲碳體熔點高（約1227℃）、硬度很高（860HV），能輕易刻劃玻璃，但塑性、韌性極差（A≈0，αK≈0）。2.分析含碳量為0.45%的鋼在平衡條件下從液態(tài)冷卻至室溫的結(jié)晶過程；并計算其室溫組織中組織組成物和相組成物的含量。（1）結(jié)晶過程如下：由圖4-7：含碳量0.45%的鋼為亞共析鋼，合金在冷卻至GS線之前，已結(jié)晶出全部的奧氏體（C=0.45%）。當冷到GS線上時，開始在A晶界上析出F，并隨溫度的下降，F(xiàn)量不斷增多，A量不斷減少。F含碳量沿GP線變化，而剩余奧氏體碳含量則沿GS線變化。當溫度至727℃時，F(xiàn)的成分達到P點，剩余A含量到達S點發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。此時，鋼的組織就由先共析鐵素體和珠光體組成。共析線溫度以下，鐵素體將析出三次滲碳體，但其數(shù)量很少，可以忽略。故該合金的室溫組織可以認為是鐵素體與珠光體。（2）相和組織組成物的占比1）組織組成物的相對含量：

組織：鐵素體+珠光體，鐵素體含量用QF表示，珠光體含量用QP表示，室溫鐵素體含碳量為0.0008%：

QF=（0.77-0.45）/(0.77-0.0008)≈41.6%QP=1-41.6%=58.4%2）相組成物的相對量鐵碳合金均由鐵素體+滲碳體兩相組成，鐵素體用QF表示，滲碳體用QFe3C表示，室溫鐵素體含碳量為0.0008%：

QF=（6.69-0.45）/(6.69-0.0008)≈93.3%

QFe3C=1-93.3%=6.7%

3、某鋼材倉庫積壓了許多鋼材（退火態(tài)），由于鋼材混雜，鋼的化學成分未知，取其中一根經(jīng)金相組織分析后，其組織為P+Fe3C，P占93%，試根據(jù)鐵碳相圖計算此鋼材含碳量大約是多少？由組織P+Fe3C，可知該鋼屬于過共析鋼。設其含碳量為x%，根據(jù)鐵碳相圖及杠杠定律：QP=（6.69-x）/(6.69-0.77)=93%解得x≈1.2此鋼材含碳量約為1.2%。4.簡述鋼的成分、室溫平衡組織及力學性能之間的關系。亞共析鋼平衡組織為F+P。共析鋼為全部P；過共析鋼為P+Fe3C。組織不同，但均由F和Fe3C兩相構(gòu)成。隨碳含量增加,Fe3C量增加，合金硬度提高,塑性和韌性下降；當碳含量小于1%時,隨碳含量增加，強度增高；當碳含量達1%后,由于Fe3C數(shù)量多并沿晶界呈網(wǎng)狀分布，使強度將隨碳含量的增加而下降。5．采用何種簡便方法可將形狀、大小相同的低碳鋼與白口鑄鐵材料迅速區(qū)別開？最簡單的辦法就是用鋼銼刀，挫磨材料表面，白口鑄鐵由于Fe3C高，硬度高，挫磨費力、打滑；低碳鋼碳化物少，更軟，有明顯劃痕和損傷。也可以用榔頭分別敲擊，聲音比較清脆、悠長的是鋼材，聲音沉悶、短促的是鑄鐵。6.試應用鐵碳合金狀態(tài)圖知識下列問題：（1）為改變鋼的力學性能而進行熱處理時，為何一定要加熱到A1溫度以上？（2）為何綁扎物體時一般用鐵絲（用低碳鋼制成）？而起重機起吊重物卻用鋼絲繩（用高碳鋼制成）？（3）鉗工鋸高碳鋼料時為何比鋸低碳鋼料時費力，且鋸條更容易磨損？（4）為什么鑄造合金常選用接近共晶成分的合金，而塑性成形合金常選用單相固溶體成分合金？（1）鋼力學性能要發(fā)生大的變化，必須有相的改變。鋼加熱到A1溫度以上才會引起相變。（2）根據(jù)碳鋼性能變化總體趨勢c↑：F↓Fe3C↑→Rm、HRC↑A、αK↓，高碳鋼含碳量高，抗拉強度好，適合吊重；低碳鋼含碳量低，塑性好，易于彎曲變形適合捆扎。（3）高碳鋼含碳量高，碳化物數(shù)量多，硬度高、耐磨性好；低碳鋼含碳量低，高碳化物少，比較軟。所以鋸高碳鋼料時更費力，鋸條更容易磨損。（4）因為共晶成分結(jié)晶溫度范圍窄，鑄造流動性好，易于鑄造成型。而單相固溶體成分的合金，塑性好，變形抗力小，易于加工成型。習題5（金屬的塑性變形、再結(jié)晶與強化）1.簡述金屬在受到一定外力時，為何會發(fā)生滑移，其實質(zhì)是什么？晶體滑移第一種途徑是晶體的一部分相對于另一部分作整體滑動，稱為剛性滑移。許多研究表明：剛性滑移所需外力很大，在實際金屬存在很多晶體缺陷的條件下，其滑移并非剛性滑移，而是通過位錯運動實現(xiàn)的，阻礙位錯運動即可阻礙金屬的塑性變形，從而使強度提高。2.何為加工硬化？產(chǎn)生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金屬加工中有什么利弊?隨著金屬變形量的增加，金屬的強度、硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱為加工硬化（或冷變形強化）。因塑性變形時位錯密度增加，位錯間交互作用增強，相互纏結(jié)，對位錯運動阻力增大；同時亞晶界的增多，均使強度提高。實際生產(chǎn)中常通過冷軋、冷拔，利用加工硬化現(xiàn)象以提高鋼材強度。但當我們需要材料持續(xù)變形時，加工硬化現(xiàn)象又會使阻力持續(xù)增大，如果再繼續(xù)加大外力促使材料繼續(xù)變形，將會使材料徹底喪失塑性，最終導致脆斷而報廢。3.金屬經(jīng)冷塑性變形后，組織和性能會發(fā)生什么變化？（1）產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象；（2）產(chǎn)生各向異性：纖維組織和織構(gòu)的形成，都會使金屬性能出現(xiàn)各向異性；（3）影響金屬物理性能和化學性能；塑性變形使金屬晶格發(fā)生畸變，變形儲存的能量增大了原子的活動能力，分別使電阻、耐腐蝕性等發(fā)生改變。（4）產(chǎn)生殘余內(nèi)應力：由于各部分之間受力不均導致各部分變形不均勻，從而使各部分之間產(chǎn)生或殘存相互作用的內(nèi)應力。4.在室溫下對鉛板進行彎折，越彎越硬，而稍隔一段時間后再進行彎折，鉛板又像最初一樣柔軟，這是為什么？開始對鉛板進行彎折時，會首先發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，材料強、硬度提高，感覺越彎越硬。由于鉛的再結(jié)晶溫度約-32.6℃，低