复习题答案0910Word格式.docx

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金属的塑性变形是借助位错的运动实现的，因此金属的强度与塑性等力学性能均与位错有密切关系。

任何阻碍位错运动的因素可能提高金属的强度，晶界阻碍位错的运动引起位错的塞积，晶粒细化可以提高多晶体金属的强度。

异类合金原子（以置换原子、间隙原子存在）与位错交互作用会引起固溶强化效应；

间隙原子和位错的交互作用是形成金属屈服现象的重要原因。

3、在常温下，已知铜的原子直径为2.55×

10-10m，求铜的晶格常数。

常温下铜为fcc结构，原子直径2d=21/2a，a=3.61×

10-10m

4、什么是过冷度？

为什么金属结晶时一定要有过冷度？

实验证明，纯金属液体被冷却到熔点Tm（理论结晶温度）时保温，无论保温多长时间结晶都不会进行，只有当温度明显低于Tm时，结晶才开始。

也就是说，金属要在过冷（Undercooled）的条件下才能结晶。

理论结晶温度与实际结晶温度的差值即为过冷度。

从结晶热力学分析：

结晶驱动力为体系的自由能差ΔG≤0，结晶阻力为结晶出的新生液固界面能。

当温度T>

Tm时，ΔG>

0，液相稳定；

当温度T=Tm时，ΔG=0，液固平衡状态；

当温度T<

Tm时，ΔG<

0, 

固相稳定。

因此，只有当T<

Tm时，体系才获得可以克服其结晶阻力的驱动力。

5、过冷度与冷却速度有什么关系？

它对金属结晶后的晶粒大小有什么影响？

液态金属的冷却速度越快，结晶所需的过冷度越大。

过冷度△T↑，N↑↑，G↑——N/G增大，晶粒细化。

6、列举几种实际生产中采用的细化铸造晶粒的方法。

①提高过冷度：

过冷度△T↑，N↑↑，G↑——N/G增大，晶粒细化；

②变质处理：

在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。

③振动，搅拌等

第四章金属的塑性变形

2、再结晶晶粒大小和哪些因素有关。

①温度：

T↑—D↑—↑晶界迁移—晶粒长大↑；

②预变形度：

预变形度＜临界变形度时，无明显影响

预变形度＝临界变形度时，再结晶将出现异常粗大晶粒

预变形度＞临界变形度时，预变形度↑—再结晶驱动力↑—再结晶形核率↑—晶粒尺寸↓，

当预变形度很大时，出现形变织构，再结晶将出现异常粗大晶粒。

3、未进行冷变形的金属加热时，能否发生回复和再结晶，为什么？

未进行冷变形的金属加热时，不发生回复和再结晶。

因为回复和再结晶的驱动力是金属变形储存能（晶格畸变能），未进行冷变形的金属不存在再结晶的驱动力。

4、金属塑性变形后组织和性能有哪些变化？

①晶粒形貌及结构变化——晶粒变形（拉长或压扁）形成纤维组织（组织），出现各向异性；

形变↑→位错密度↑（１０６→１０１１-１２）→位错缠结→胞壁→亚晶，形成形变亚结构。

②形变织构产生——金属塑性变形到很大程度（70%）时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋于一致，形成特殊的择优取向，即形变织构产生，出现各向异性。

加工硬化（形变硬化）——随着变形度的增加，位错大量增殖→位错相互作用→位错运动阻力加大→变形抗力↑→其强度、硬度提高，塑性、韧性下降。

形成残余内应力（第一类、第二类、第三类）

5、在热加工过程中，金属能否产生加工硬化？

试分析原因。

在热加工过程中，金属塑性变形与金属动态再结晶过程同时进行，金属不产生加工硬化。

6、为何细晶粒钢强度高，塑性、韧性也好？

晶粒小→晶界面积大→变形抗力大→强度大；

晶粒小→单位体积晶粒多→变形分散→相邻晶粒不同滑移系相互协调；

晶粒小→晶界多→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑性变形。

因此晶粒细化→强度、硬度提高，塑性、韧性提高；

细晶粒钢强度高，塑性、韧性也好。

7、与单晶体相比，多晶体塑性变形有何特点？

与单晶体相比，多晶体塑性变形还要受晶界和晶粒位向的影响。

晶界一方面是滑移的主要障碍；

另一方面通过晶界自身变形→协调变形→以维持相邻晶粒变形保持连续；

因此导致细晶强化。

处于不同位向的晶粒，作用在滑移面上的切应力不同，只有滑移面上的切应力大于临界切应力的晶粒能够变形；

同时变形的晶粒发生转到，导致变形的晶粒及其相邻晶粒位向的改变，达到可变形晶粒的位向条件，分批进行变形。

8、试画出体心立方、面心立方和密排六方晶体的一组滑移系，并分析其对金属塑性的影响。

滑移系数目↑，材料塑性↑；

滑移方向↑，材料塑性↑,（滑移方向的作用大于滑移面的作用）。

因此FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个；

FCC的滑移方向多于BCC。

金属塑性：

　Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）

9、已知钨和铅的熔点分别为3380˚C和327˚C，试问钨在1100˚C加工、铅在室温加工各为何种加工？

纯金属的再结晶温度：

TR=0.4-0.35Tm（K）

钨的再结晶温度：

钨TR=0.4-0.35Tm（K）=1461-1278（K）；

钨在1100˚C加工为冷加工

铅的再结晶温度：

铅TR=0.4-0.35Tm（K）=240-210（K）；

铅在室温加工为冷加工

10、滑移的本质是什么？

试分析低碳钢塑性变形后及再结晶退火后性能变化的原因。

滑移的本质是滑移面上位错的运动。

低碳钢塑性变形后会出现加工硬化，即强度、硬度提高，塑性、韧性下降，是因为随着变形度的增加，位错大量增殖→位错相互作用→位错运动阻力加大→变形抗力↑；

经再结晶退火后，低碳钢加工硬化消除力学性能恢复，即强度、硬度下降，塑性、韧性提高，是因为无形变的再结晶晶粒的形成，位错密度大幅度降低→变形抗力↓；

但再结晶退火后低碳钢的强度、硬度、塑性、韧性均高于塑性变形前的低碳钢，是因为再结晶退火后形成的再结晶晶粒小于塑性变形前的晶粒，细晶强化作用造成强度、硬度、塑性、韧性的提高。

第五章铁碳合金相图及钢的热处

2、现有两种铁-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？

第一种合金属于亚共析钢，P%=（X-0.0218）/（0.77-0.0218）=75%，求出X=0.54，含碳量为0.54%。

第二种合金属于过共析钢，P%=（6.69-X）/（6.69-0.77）=92%，求出X=1.24，含碳量为1.24%。

3、 

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？

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。

4、根据铁碳相图解释下列现象：

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。

5、奥氏体晶粒大小受哪些因素影响？

a.加热工艺：

加热温度↑，保温时间↑，→晶粒长大↑

b.钢的成分——合金化：

C%：

奥氏体中C%↑→晶粒长大↑；

但碳化物%↑→晶粒长大↓

碳化物形成元素：

细化晶粒→本质细晶钢

Mn、P促进长大

6、研究奥氏体晶粒大小有何意义？

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？

晶粒大小对材料的性能有很大影响，细小的晶粒可改善材料的强度、韧性和塑性，细晶强化是钢强韧化的重要手段。

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。

7、述P、S、T、B上、B下、M的形态特征

P、S、T——铁素体和渗碳体相间分布呈层片状，片层间距P＞S＞T；

B上——碳化物分布在过饱和碳的铁素体片间呈羽毛状；

B下——碳化物分布在针状的过饱和碳的铁素体片上；

M——低碳M呈板条状，高碳M呈针状（竹叶状）

8、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。

形成条件

金相形态

性能特点

S

正火

铁素体和渗碳体相间分布呈细层片状

S’的强度、硬度、韧性、塑性均高于S

S’

淬火+高温回火

细小弥散的渗碳体粒分布在铁素体基体（等轴晶）上

M

淬火

低碳M呈板条状，高碳M呈针状（竹叶状）

M’保持了M的高硬度，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

9、分级淬火与等温淬火的主要区别是什么？

举例说明它们的应用。

分级淬火——将加热的工件先放入温度稍高于马氏体转变温度点的盐浴和碱浴中，保温2-5分钟，待其表面与心部的温度均匀后，立即取出在空气中冷却，使之发生马氏体转变。

该法可有效减少内应力，防止变形和开裂。

等温淬火——将加热的工件放入温度稍高于Ms点的硝盐浴或碱浴中，保温足够长的时间使其完成贝氏体转变，获得下贝氏体组织。

此法适用于尺寸较小，形状复杂，要求变形小，处理后具有高硬度和强韧性的塑性和韧性。

其主要区别在于前者以获得马氏体为目的，后者以获得下贝氏体为目的；

因此后者再硝盐浴或碱浴中保温时间较长。

10、说明淬火钢回火的必要性和可能性。

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。

可能性——淬火组织不稳定，回火可引起组织转变，改善上述淬火组织的问题

a.马氏体分解（200℃以下）：

析出亚稳定ε-Fe2.4C碳化物，形成回火马氏体M’（过饱和α十亚稳定ε碳化物），降低晶格畸变，下降淬火应力。

b.残余A分解（200-300℃）：

A→M’（或A→B下），形成回火马氏体M’

其中：

高碳回火马氏体——强度、硬度高、耐磨性优异，塑性、韧性差；

低碳回火马氏体——高的强度与韧性，硬度、耐磨性也较好

c.回火屈氏体T’形成（250-400℃）：

ε→Fe3C;

α→F（维持M’外形），形成回火屈氏体T’（F+Fe3C），T’屈服强度与弹性极限高。

d.碳化物的聚集长大，铁素体的回复与再结晶（>

400℃），形成回火索氏体S’（等轴晶F+Fe3C粒），S’综合机械性能好

11、为什么钢淬火后回火是钢最有效的强化手段？

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。

12、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）ZG35的铸造齿轮

3）改善T12钢的切削加工性能

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

13、指出下列工件的回火温度，并说明回火后的组织

1）45钢轴260钢弹簧3，T12钢锉刀

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’

15、什么是钢的回火脆性？

如何避免？

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。

16、为什么过共析钢的淬火温度不选择在ACCM以上？

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→

力学性能↓，→

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。

第六章钢铁材料

试分析金属的主要强化机制。

（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

1、合金元素对奥氏体相区有什么影响？

它们怎样改变E、S点和A1、A3线的位置？

扩大γ相区元素（奥氏体稳定化元素）：

A4↑，A3↓（Mn,Ni,Co作用最强，使α相消失，相扩大至室温；

Co,C,N,Cu作用次之。

）

缩小γ相区元素（F稳定化元素）：

A3↑，A4↓（Cr,Mo,W,V,Ti,Al,Si作用强，可使γ相区完全封闭；

B,Nb,Zr作用次之。

几乎所有合金元素使S、E点大大左移。

2、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？

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。

3、合金元素对钢的回火转变温度有哪些影响？

（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%）

4、为何要向不锈钢中加入大量的Cr和Ni？

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）

5、手工锯条、普通螺钉、机床主轴分别用何种碳钢制造？

手工锯条——T12；

普通螺钉——Q235；

机床主轴——45

6、试述渗碳钢和调质钢的合金化和热处理特点

合金化特点

热处理特点

渗碳钢

①低C：

0.1%～0.25%

②加入提高淬透性元素：

Cr，Ni，Mn，B

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

正火——渗碳——淬火——低温回火

调质钢

①中C：

0.25%～0.50%，以0.4左右为主

②主：

加入提高淬透性元素Cr,Ni,Mn,Si,B

③辅：

加入Mo,W消除回火脆性

正火——淬火——高温回火（——表面淬火）

10、简述高速钢的热处理和性能特点，并说明合金元素的作用。

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。

高速钢的热处理特点：

锻造（莱氏体碎化）——球化退火——（预热）淬火（1220-1280oC）——回火（550-570oC，三次）

由于合金元素的作用使S、E点大大左移，高速钢中有莱氏体组织，因此通过锻造使莱氏体碎化，降低脆性。

由于合金元素含量多，热应力大，采用预热；

加热至1220-1280oC高温使合金元素充分溶解于奥氏体中，以利于回火时提高回火稳定性和形成二次硬化。

采用三次回火，保证高硬度的碳化物的析出，形成二次硬化效应。

11、试述石墨形态对铸铁性能的影响，与钢相比铸铁有哪些优缺点？

石墨相当于钢基体上的裂纹或空洞，减少基体有效截面积，引起应力集中，因此铸铁的承载能力通常不如钢，但也具有比钢低的缺口敏感性。

与钢相比铸铁还具有更小的摩擦系数，更好的抗振性能，更好的铸造性能和切削性能。

由于热处理不能改变石墨形态，因此热处理通常不能有效地调控铸铁的性能。

片状石墨引起严重应力集中，团絮状和球状作用轻。

变质处理后，石墨片细化，割裂作用减轻，强度提高。

铸铁的强度、韧性、塑性一般低于钢；

但铸铁的铸造性能优于钢，与钢相比铸铁有更好的减振性、减摩性，以及较低的缺口敏感性。

12、 

如何使球墨铸铁的基体组织为珠光体和下贝氏体？

球墨铸铁正火可增加基体中珠光体的数量，细化基体组织，提高强度和耐磨性。

球墨铸铁等温淬火可获得下贝氏体基体，获得很高的强度，良好的塑性和韧性

13、 

试比较灰口铸铁和球墨铸铁的机械性能和主要用途。

第八章选材概述

1、一项合理的选材应满足哪些基本要求？

遵循怎样的基本程序进行？

一项合理的选材应满足：

使用性能原则——首要原则；

工艺性能原则；

经济性原则——根本原则；

环境与资源原则

基本程序：

见书。

2、如何确定零件使用性能要求？

在利用具体性能指标进行选材时应注意哪些问题？

确定零件使用性能要求：

（1）分析零件的工作条件：

首先应判断零件在工作中所受载荷的性质和大小，计算载荷引起的应力分布。

载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一

计算应力是确定材料使用性能的数量依据

考虑零件的工作环境：

环境因素会与零件的力学状态综合作用，提出更为复杂的性能要求。

最后还应充分考虑材料的某些特殊要求。

（2）进行失效分析

失效抗力取决于材料的性能，对零件主要失效形式的分析常常可以综合出零件所要求的主要使用性能

（3）零件性能要求的指标化

将零件对使用性能的要求具体转化为实验室力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）；

再根据工作应力、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数值。

受力状况不同，设计依据的性能指标、计算公式不同。

在利用具体性能指标进行选材时应注意：

（1）应综合考虑塑性、韧性和强度指标，并加以合理的配合。

（2）在利用具体性能指标进行选材时，必须注意实验室指标、手册性能数据、经验关系式的局限性。

塑性、韧性过剩而降低零件寿命。

例：

用35CrMo制造的10t模锻锤锤杆

调质处理（高塑性、韧性、承受较大的冲击载荷）----疲劳断裂；

淬火+中温回火（表面硬度提高）----寿命提高3－20倍以上。

追求强度越高越好，贸然将零件置于低应力脆断的危险中。

高周疲劳断裂：

材料的强度在σb＜1400MPa范围内----强度越高，疲劳强度亦高；

若材料的强度在σb＞1400Mpa范围----疲劳寿命随强度的增加反而降低

4、试述轴类零件的选材原理。

（1）性能要求

工作条件（传动）

失效形式

性能要求

交变扭转、

旋转弯曲应力

疲劳断裂

较高疲劳抗力

轴颈摩擦

磨损

轴颈耐磨性

冲击

过载或冲击断裂

较高强度与较好韧、塑性配合

（2）选材依据：

受力分析和强度计算

（3）选材分析：

主要使用钢材，如下表：

速度

载荷

冲击

大

钢种类别

热处理工艺

中碳钢

调质处理（淬火+高温回火）+表面淬火+低温回火

合金调质钢

调质处理（淬火+高温回火）+表面淬火+低温回火

合金渗碳钢

渗碳+淬火+低温回火

5、试述齿轮类零件的选材原理。

工作条件

齿根交变弯曲应力

高弯曲疲劳强度

齿面接触压应力、

滑动摩擦

表面损伤

高接触疲劳强度和耐磨性

轮齿冲击、应力

过载变形、断裂

较高强度及冲击韧性

（2）选材依据

弯曲疲劳强度

接触疲劳强度

其他

SB=k（HV）m

SB：

弯曲疲劳强度

HV：

齿面维氏硬度

k、m：

材料有关的常数

Sc=0.2（HV/100）2

Sc：

接触疲劳强度

齿面维氏硬度

A、齿心强度和硬度，如重载齿轮要求心部淬硬。

B、硬化