机械工程材料.docx

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机械工程材料

1．何谓金属的同素异构转变？

试画出纯铁的结晶冷却曲线和晶体结构变化图。

答：

由于条件（温度或压力）变化引起金属晶体结构的转变，称同素异构转变。

2．为什么γ-Fe和α-Fe的比容不同？

一块质量一定的铁发生（γ-Fe→α-Fe）转变时，其体积如何变化？

答：

因为γ-Fe和α-Fe原子排列的紧密程度不同，γ-Fe的致密度为74%,α-Fe的致密度为68%，因此一块质量一定的铁发生（γ-Fe→α-Fe）转变时体积将发生膨胀。

3.何谓铁素体（F）,奥氏体（A），渗碳体（Fe3C），珠光体（P）,莱氏体（Ld）？

它们的结构、组织形态、性能等各有何特点？

答：

铁素体（F）：

铁素体是碳在

中形成的间隙固溶体，为体心立方晶格。

由于碳在

中的溶解度`很小，它的性能与纯铁相近。

塑性、韧性好，强度、硬度低。

它在钢中一般呈块状或片状。

奥氏体（A）：

奥氏体是碳在

中形成的间隙固溶体，面心立方晶格。

因其晶格间隙尺寸较大，故碳在

中的溶解度较大。

有很好的塑性。

渗碳体（Fe3C）：

铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物。

渗碳体具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。

在钢中以片状存在或网络状存在于晶界。

在莱氏体中为连续的基体，有时呈鱼骨状。

珠光体（P）：

由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。

铁素体和渗碳体呈层片状。

珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。

莱氏体（Ld）：

由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。

在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体基体上。

由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。

4.Fe-Fe3C合金相图有何作用？

在生产实践中有何指导意义？

又有何局限性？

答：

①碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。

铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用，各种热加工工艺的制订以及工艺废品原因的分析等方面都有重要指导意义。

②为选材提供成分依据：

相图描述了铁碳合金的组织随含碳量的变化规律，合金的性能决定于合金的组织，这样根据零件的性能要求来选择不同成分的铁碳合金；为制定热加工工艺提供依据：

对铸造，根据相图可以找出不同成分的钢或铸铁的熔点，确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏。

对于锻造：

根据相图可以确定锻造温度。

对焊接：

根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性；对热处理：

相图更为重要，如退火、正火、淬火的加热温度都要参考铁碳相图加以选择。

③由于铁碳相图是以无限缓慢加热和冷却的速度得到的，而在实际加热和冷却通常都有不同程度的滞后现象。

5.画出Fe-Fe3C相图，指出图中S、C、E、P、N、G及GS、SE、PQ、PSK各点、线的意义，并标出各相区的相组成物和组织组成物。

答:

C：

共晶点1148℃4.30%C，在这一点上发生共晶转变，反应式：

，当冷到1148℃时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物——莱氏体

E：

碳在

中的最大溶解度点1148℃2.11%C

G：

同素异构转变点（A3）912℃0%C

H：

碳在

中的最大溶解度为1495℃0.09%C

J：

包晶转变点1495℃0.17%C在这一点上发生包晶转变，反应式：

当冷却到1495℃时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相δ反应生成具有J点成分的固相A。

N：

同素异构转变点（A4）1394℃0%C

P：

碳在

中的最大溶解度点0.0218%C727℃

S：

共析点727℃0.77%C在这一点上发生共析转变，反应式：

，当冷却到727℃时从具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物——珠光体P（

）

ES线：

碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm温度线，随温度的降低，碳在奥化体中的溶解度减少，多余的碳以

形式析出，所以具有0.77%～2.11%C的钢冷却到Acm线与PSK线之间时的组织

，从A中析出的

称为二次渗碳体。

GS线：

不同含碳量的奥氏体冷却时析出铁素体的开始线称A3线，GP线则是铁素体析出的终了线，所以GSP区的显微组织是

。

PQ线：

碳在铁素体中的溶解度曲线，随温度的降低，碳在铁素体中的溶解度减少，多余的碳以

形式析出，从

中析出的

称为三次渗碳体

，由于铁素体含碳很少，析出的

很少，一般忽略，认为从727℃冷却到室温的显微组织不变。

PSK线：

共析转变线，在这条线上发生共析转变

，产物（P）珠光体，含碳量在0.02～6.69%的铁碳合金冷却到727℃时都有共析转变发生。

6.简述Fe-Fe3C相图中三个基本反应：

包晶反应,共晶反应及共析反应，写出反应式，标出含碳量及温度。

答：

共析反应：

冷却到727℃时具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物。

γ0.8

F0.02+Fe3C6.69

包晶反应：

冷却到1495℃时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相δ反应生成具有J点成分的固相A。

L0.5+δ0.1

γ0.16

共晶反应：

1148℃时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物。

L4.3

γ2.14+Fe3C6.69

7.何谓碳素钢？

何谓白口铁？

两者的成分组织和性能有何差别？

答：

碳素钢：

含有0.02%~2.14%C的铁碳合金。

白口铁：

含大于2.14%C的铁碳合金。

碳素钢中亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成，其中珠光体中的渗碳体以细片状分布在铁素体基体上，随着含碳量的增加，珠光体的含量增加，则钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。

当含碳量达到0.8%时就是珠光体的性能。

过共析钢组织由珠光体和二次渗碳体所组成，含碳量接近1.0%时，强度达到最大值，含碳量继续增加，强度下降。

由于二次渗碳体在晶界形成连续的网络，导致钢的脆性增加。

白口铁中由于其组织中存在大量的渗碳体，具有很高的硬度和脆性，难以切削加工。

8.亚共析钢、共析钢和过共析钢的组织有何特点和异同点。

答：

亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成。

其中铁素体呈块状。

珠光体中铁素体与渗碳体呈片状分布。

共析钢的组织由珠光体所组成。

过共析钢的组织由珠光体和二次渗碳体所组成，其中二次渗碳体在晶界形成连续的网络状。

共同点：

钢的组织中都含有珠光体。

不同点：

亚共析钢的组织是铁素体和珠光体，共析钢的组织是珠光体，过共析钢的组织是珠光体和二次渗碳体。

9.分析含碳量分别为0.20%、0.60%、0.80%、1.0%的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织.

答：

0.80%C:

在1~2点间合金按匀晶转变结晶出A，在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。

冷到3点时（727℃），在恒温下发生共析转变，转变结束时全部为珠光体P，珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体，当温度继续下降时，珠光体中铁素体溶碳量减少，其成分沿固溶度线PQ变化，析出三次渗碳体

，它常与共析渗碳体长在一起，彼此分不出，且数量少，可忽略。

室温时组织P。

0.60%C：

合金在1~2点间按匀晶转变结晶出A，在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。

冷到3点时开始析出F，3-4点A成分沿GS线变化，铁素体成分沿GP线变化，当温度到4点时，奥氏体的成分达到S点成分（含碳0.8%），便发生共析转变，形成珠光体，此时，原先析出的铁素体保持不变，称为先共析铁素体，其成分为0.02%C，所以共析转变结束后，合金的组织为先共析铁素体和珠光体，当温度继续下降时，铁素体的溶碳量沿PQ线变化，析出三次渗碳体，同样

量很少，可忽略。

所以含碳0.40%的亚共析钢的室温组织为：

F+P

1.0%C：

合金在1~2点间按匀晶转变结晶出奥氏体，2点结晶结束，合金为单相奥氏体，冷却到3点，开始从奥氏体中析出二次渗碳体

，

沿奥氏体的晶界析出，呈网状分布，3-4间

不断析出，奥氏体成分沿ES线变化，当温度到达4点（727℃）时，其含碳量降为0.77%，在恒温下发生共析转变，形成珠光体，此时先析出的

保持不变，称为先共析渗碳体，所以共析转变结束时的组织为先共析二次渗碳体和珠光体，忽略

。

室温组织为二次渗碳体和珠光体。

10．指出下列名词的主要区别：

1）一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体与共析渗碳体；

答：

一次渗碳体：

由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。

二次渗碳体：

从A中析出的

称为二次渗碳体。

三次渗碳体：

从

中析出的

称为三次渗碳体

。

共晶渗碳体：

经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。

共析渗碳体：

经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。

2）热脆与冷脆。

答：

热脆：

S在钢中以FeS形成存在，FeS会与Fe形成低熔点共晶，当钢材在1000℃~1200℃压力加工时，会沿着这些低熔点共晶体的边界开裂，钢材将变得极脆，这种脆性现象称为热脆。

冷脆：

P使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变脆，这种现象称为“冷脆”。

11．根据Fe-Fe3C相图，计算：

1）室温下，含碳0.6%的钢中珠光体和铁素体各占多少；

2）室温下，含碳1.2%的钢中珠光体和二次渗碳体各占多少；

3）铁碳合金中，二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量。

答：

1）Wp=（0.6-0.02）/（0.8-0.02）*100%=74%Wα=1-74%=26%

2）Wp=（2.14-1.2）/（2.14-0.8）*100%=70%WFe3CⅡ=1-70%=30%

3）WFe3CⅡ=（2.14-0.8）/（6.69-0.8）*100%=23%

WFe3CⅢ=0.02/6.69*100%=33%

12．某工厂仓库积压了许多碳钢（退火状态），由于钢材混杂，不知道钢的化学成分，现找出其中一根，经金相分析后，发现其组织为珠光体+铁素体，其中铁素体占80%，问此钢材的含碳量大约是多少？

答：

由于组织为珠光体+铁素体，说明此钢为亚共析钢。

Wα=80%=（0.8-WC）/（0.8-0.02）*100%WC=0.18%

13．对某退火碳素钢进行金相分析，其组织的相组成物为铁素体+渗碳体（粒状），其中渗碳体占18%，问此碳钢的含碳量大约是多少？

答：

WFe3CⅡ=18%=（WC-0.02）/（6.69-0.02）*100%WC=1.22%

14．对某退火碳素钢进行金相分析，其组织为珠光体+渗碳体（网状），其中珠光体占93%，问此碳钢的含碳量大约为多少？

答：

Wp=93%=（2.14-WC）/（2.14-0.8）*100%=70%WC=0.89%

15.计算Fe-1.4%C合金在700℃下各个相及其组分数量和成分。

答：

含1.4%C合金属于过共析钢，其组织为珠光体+二次渗碳体，相为铁素体和渗碳体。

Wp=（2.14-1.4）/（2.14-0.8）*100%=55%WFe3CⅡ=1-55%=45%

Wα=（6.69-1.4）/（6.69-0.02）*100%=79%WFe3C=1-79%=21%

16．根据Fe-Fe3C相图，说明产生下列现象的原因：

1）含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高；

答：

钢中随着含碳量的增加，渗碳体的含量增加，渗碳体是硬脆相，因此含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高。

2）在室温下，含碳0.8%的钢其强度比含碳1.2%的钢高；

答：

因为在钢中当含碳量超过1.0%时，所析出的二次渗碳体在晶界形成连续的网络状，使钢的脆性增加，导致强度下降。

因此含碳0.8%的钢其强度比含碳1.2%的钢高。

3）在1100℃，含碳0.4%的钢能进行锻造，含碳4.0%的生铁不能锻造；

答：

在1100℃时，含碳0.4%的钢的组织为奥氏体，奥氏体的塑性很好，因此适合于锻造；含碳4.0%的生铁的组织中含有大量的渗碳体，渗碳体的硬度很高，不适合于锻造。

4）绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却用钢丝绳（用60、65、70、75等钢制成）；

答：

绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选用低碳钢有很好的塑韧性，镀锌低碳钢丝；而起重机吊重物用钢丝绳除要求有一定的强度，还要有很高的弹性极限，而60、65、70、75钢有高的强度和高的弹性极限。

这样在吊重物时不会断裂。

5）钳工锯T8，T10,T12等钢料时比锯10,20钢费力，锯条容易磨钝；

答：

T8，T10,T12属于碳素工具钢，含碳量为0.8%，1.0%，1.2%，因而钢中渗碳体含量高，钢的硬度较高；而10,20钢为优质碳素结构钢，属于低碳钢，钢的硬度较低，因此钳工锯T8，T10,T12等钢料时比锯10,20钢费力，锯条容易磨钝。

6）钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于通过铸造成形。

答：

因为钢的含碳量范围在0.02%~2.14%之间，渗碳体含量较少，铁素体含量较多，而铁素体有较好的塑韧性，因而钢适宜于压力加工；而铸铁组织中含有大量以渗碳体为基体的莱氏体，渗碳体是硬脆相，因而铸铁适宜于通过铸造成形。

17.钢中常存杂质有哪些？

对钢的性能有何影响？

答：

钢中常存杂质有Si、Mn、S、P等。

Mn：

大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化：

另一部分Mn溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，这都使钢的强度提高，Mn与S化合成MnS，能减轻S的有害作用。

当Mn含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响并不明显。

Si：

Si与Mn一样能溶于铁素体中，使铁素体强化，从而使钢的强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。

当Si含量不多，在碳钢中仅作为少量夹杂存在时，它对钢的性能影响并不显著。

S：

硫不溶于铁，而以FeS形成存在，FeS会与Fe形成共晶，并分布于奥氏体的晶界上，当钢材在1000℃~1200℃压力加工时，由于FeS-Fe共晶（熔点只有989℃）已经熔化，并使晶粒脱开，钢材将变得极脆。

P：

磷在钢中全部溶于铁素体中，虽可使铁素体的强度、硬度有所提高，但却使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变脆。