工程材料第二章知识点.docx

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工程材料第二章知识点

工程材料

第二章金属材料组织和性能的控制

一、名词解释。

一次结晶过冷度二次结晶自发晶核非自发晶核同素异构转变变质处理相图支晶偏析扩散退火变质处理共晶反应组织（组成物）变形织构加工硬化再结晶临界变形度热处理过冷奥氏体退火马氏体淬透性淬硬性调质处理滑移再结晶冷加工热加工过冷度实际晶粒度本质晶粒度淬火回火正火

一次结晶：

通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶

过冷度：

理论结晶温度与开始结晶温度之差叫做过冷度，它表明金属在液体和固态之间存在一个自能差

二次结晶：

金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶

（或金属的同素异构转变）

自发晶核：

从液体结构内部由金属原子本身自发长出的结晶核心叫做自发晶核

非自发结晶：

杂质的存在常常能够促进晶核形成，依附于杂质而生成的晶核叫做非自发结晶

同素异构转变：

金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变

变质处理：

指在液体金属中加入孕育剂或变质剂，增加非自发晶核的数量或者阻止晶核的长大，以细化晶粒和改善组织

相图：

是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示意图，也称为平衡图或状态图

支晶偏析：

固溶体在结晶过程中冷却过快，原子扩散不能充分形成成分不均匀的固溶体

的现象

扩散退火：

为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线的温度，长时间保温并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火

共晶反应：

有一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应

组织（组成物）：

指合金组织中具有确定本质、一定形成机制的特殊形态的组成部分。

组织组成物可以是单相，或是两相混合物

变形织构：

金属塑性变形很大（变形量达到70%以上）时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋于一致，这种结构叫做形变织构

加工硬化：

金属发生塑性变形，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降，这种现象称为加工硬化

再结晶：

变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉成（或压扁）破碎的晶粒通过重新形核和长大变成新的均匀、细小的等轴晶，这个过程称为再结晶

临界变形度：

再结晶时使晶粒发生异常长大的预先变形度称做临界变形度

热处理：

是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺

过冷奥氏体：

从铁碳相图可知，当温度在A1（PSK线/共析反应线）以上时奥氏体是稳定的，能长期存在，当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体（过冷A）

退火：

将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却）热处理工艺叫做退火-

马氏体：

碳在α－Fe中的过饱和固溶体

淬透性：

钢接受淬火时形成马氏体的能力叫做钢的淬透性

淬硬性：

钢淬火后硬度会大幅度提高，能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性

调质处理：

通常把淬火加高温回火称为调质处理

滑移：

在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动的过程叫做滑移

冷加工：

在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工

热加工：

在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工

实际晶粒度：

某一具体的热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫做实际晶粒度

本质晶粒度：

钢加热到（930±10℃），保温8h，冷却后测得的晶粒度叫做本质晶粒度

淬火：

将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火

回火：

钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的组织和性能，将其加热到Ac1（PSK线/共析反应线）以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火

正火：

钢材或钢件加热到Ac3（对于亚共析钢）、Ac1（对于共析钢）和Accm（对于过共析钢）以上30~50℃，保温适当时间后，在自由流动的空气中均匀冷却的热处理称为正火

一次渗碳体是从液相包晶过程中直接析出

二次渗碳体是从奥氏体中析出

三次渗碳体是从铁素体中析出

珠光体：

铁素体+渗碳体eiangbian______________________________________________________________________________________________________________________

高温莱氏体Le（A+Fe3C）：

奥氏体+渗碳体

低温莱氏体Le’（P+Fe3CⅡ+Fe3C）：

珠光体+二次渗碳体+渗碳体

二、填空。

1、Fe—Fe3C相图中存在五种相，分别为液相L、δ相（高温铁素体）、α相（铁素体）、

γ相（奥氏体）和Fe3C相。

Fe—Fe3C相图中存在七个两相区，分别为α+γ、δ+γ、L+δ、L+γ、

L+Fe3C、γ+Fe3C和α+Fe3C。

2、工业纯铁的室温平衡组织为F（铁素体）；共析钢的室温平衡组织为P（珠光体）；亚共析钢的室温平衡组织为F+P；过共析钢的室温平衡组织为P+Fe3CⅡ（二次渗碳体）ilaisitii_________________________________________________________________________________________________________________；共晶白口铸铁的室温平衡组织为Le’（低温莱氏体）；亚共晶白口铸铁的室温平衡组织为P+Fe3CⅡ+Le’；过共晶白口铸铁的室温平衡组织为Ie’+Fe3CⅠ（一次渗碳体）。

3、珠光体的本质为铁素体与渗碳体的共析混合物。

4、一块纯铁在912℃发生α－Fe→γ—Fe转变时，体积将减少。

5、在铁碳合金室温平衡组织中，含Fe3CII最多的合金成分点为E，含Le最多的合金成分点为C，含P最多的合金成分点为s。

6、用显微镜观察亚共析钢，若估计其中珠光体含量为80%，则此钢的碳的质量分数为

80%*0.77%=0.616%。

7、结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，这两个过程是形核和长大，

金属晶体是以树枝状方式长大的。

（平面长大较为少见）

8、当对金属晶体进行变质处理时，变质剂的作用是增加非自发晶核的数量或

阻止晶核的长大。

9、液态金属结晶时，结晶过程的推动力是金属在液态和固态之间的能量差，

阻力是建立晶体界面的表面能。

晶核的形成两种方式自发形核和非自发形核，在实际金属和合晶中，非自发形核

往往起优先和主导的作用。

10、过冷度是指理论结晶温度与实际结晶温度之差，其表示符号为ΔT。

11、典型铸锭结构的三个晶区分别是细等轴晶区、柱状晶区和粗等轴晶区。

12、改变金属整体组织的热处理有退火、正火、淬火和回火四种；改变金属表面或局部组织的热处理工艺有表面淬火和化学热处理两种。

13、用电子显微镜观察，上贝氏体的组织形态呈羽毛状状，而下贝氏体则呈黑色针状状。

14、马氏体的显微组织形态主要有板条马氏体和针状马氏体两种，其中板条马氏体的韧性较高。

15、钢的淬透性越高，则其C曲线的位置越右移，说明临界冷却速度越慢。

16、球化退火的主要目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前需先进行正火使网状二次渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能，并为以后的淬火做作组织准备，它主要适用于过共析钢、共析钢。

如工具钢、滚珠轴承钢

17、亚共析钢的正常淬火温度范围是Ac3（完全退火温度）以上30~50℃，过共析钢（和共析钢）的正常淬火温度范围是Ac1（球化退火温度）以上30~50℃。

18、过冷奥氏体的高温转变产物是珠光体型组织，转变温度越低，片层间距越小；按片层间距珠光体型组织分为珠光体（P）、索氏体（S）和屈氏体（T）。

珠光体是铁素体和渗碳体的机构混合物。

19、过冷奥氏体的中温转变产物是贝氏体型组织，分为上贝氏体（上B）和

下贝氏体（下B）两种。

20、过冷奥氏体的低温转变产物是马氏体型组织，分为板条马氏体（低碳马氏体）和针状马氏体（高碳马氏体）两种，其亚结构分别对应为位错马氏体和

孪晶马氏体，其中低碳马氏体的韧性好。

21、根据回火温度的不同，钢的回火分为低温回火，回火温度为150~250℃；

中温回火，回火温度为350~500℃；高温回火，回火温度为500~650℃。

22、渗碳的目的是提高低碳钢件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而使心部仍保持良好的韧性和塑性，渗碳后的淬火方法有直接淬火、一次淬火和二次淬火。

23、化学热处理的三个基本过程是渗碳、氮化和碳氮共渗。

24渗碳的方法有气体渗碳法、液体渗碳法和固体渗碳法。

25、钢在常温下的变形加工为冷加工，而铅在常温下的变形加工称为热加工。

26、造成加工硬化的根本原因是位错密度增加，位错间的交互作用增强，相互缠结，

造成位错运动阻力的增大。

27、变形金属的最低再结晶温度与熔点的关系是T再=（0.35~0.4）*T熔点。

28、再结晶后晶粒度的大小主要取决于加热温度和预先变形度。

29、单晶体金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生，

滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。

30、塑性变形的金属在再加热时，随加热温度的升高，将发生回复、再结晶

与晶粒长大等过程。

31、鉄素体的本质为碳在α－Fe中的间隙固溶体。

32、奥氏体的本质为碳在β－Fe中的间隙固溶体。

33、莱氏体的本质为奥氏体与渗碳体的共晶混合物。

34、鉄的同素异晶体有δ—Fe其晶体结构为体心立方晶格、γ—Fe其晶体结构为面心立方晶格和α—Fe其晶体结构为体心立方晶格三种。

35、铸锭的结构中主要的缺陷有缩孔、疏松和气孔。

36、纯组元和共晶成分的合金的流动性最好、缩孔集中，铸造性能好。

37、单相合金的锻造性能好。

三、是非题。

1、马氏体是碳在α—Fe中的过饱和固溶体。

当奥氏体向马氏体转变时，体积要收缩。

（错）

2、当把亚共析钢加热到Ac1和Ac3之间的温度时，将获得由铁素体和奥氏体构成的两相组织，在平衡条件下，其中奥氏体的碳质量分数总是大于钢的碳质量分数。

（对）

3、当把过共析钢加热到Ac1和Ac3之间的温度时，将获得由渗碳体和奥氏体构成的两相组织，在平衡条件下，其中奥氏体的碳质量分数总是小于钢的碳质量分数。

（对）

4、当原始组织为片状珠光体的钢加热奥氏体化时，细片状珠光体的奥氏体化速度要比粗片状珠光体的奥氏体化速度快。

（对）

5、共析成分的奥氏体在冷却发生珠光体转变时，温度越低，其转变产物组织越粗。

（错）

6、是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。

（错）

7、温下，金属晶粒越细，则强度越高，塑性越低。

（对）

8、实际金属和合金中，自发形核往往起着优先和主导的作用。

（错）

9、形成树枝状晶体时，枝晶的各次晶轴将具有不同的位向，故结晶后形成的枝晶是

一个多晶体。

（错）

10晶粒粒度级数数值越大，晶粒越细。

（对）

11、铁素体的本质是碳在α－Fe中的间隙相。

（错）

12、20钢比T12钢的碳质量分数要高。

（错）

13、在退火状态（接近平衡组织）45钢比20钢的塑性和强度都高。

（对）

14、在铁碳合金平衡结晶过程中，只有碳质量分数为4.3%的铁碳合金才能发生共晶反应。

（错）

15、在铁碳合金平衡结晶过程中，只有碳质量分数为0.77%的铁碳合金才能发生共析反应。

（错）

16、再结晶是一个没有晶格类型变化的结晶过程。

（对）

四、选择正确答案。

1、钢经调质处理获得的组织是：

c、回火索氏体

a、回火马氏体；b、回火屈氏体；c、回火索氏体；

2、共析钢的过冷奥氏体在550℃~350℃的温度区间等温转变时，所形成的组织是：

a索氏体d上贝氏体

a、索氏体；b、下贝氏体；c、珠光体；

3、若合金元素能使C曲线右移，钢的淬透性将：

b、提高

a、降低；b、提高；c、不变；

4、马氏体的硬度取决于：

c、含碳量

a、冷却速度；b、转变温度；c、含碳量；

5、淬硬性好的钢：

b、具有高的含碳量

a、具有高的合金元素含量；b、具有高的含碳量；c、具有低的含碳量；

6、对开头复杂，截面变化大的零件进行淬火时，应选用：

a、高淬透性钢

a、高淬透性钢；b、中淬透性钢；c、低淬透性钢；

7、直径为10㎜的40钢的常规淬火温度大约为：

b、850℃

a、750℃；b、850℃；c、920℃；

8、完全退火主要适用于：

a、亚共析钢

a、亚共析钢；b、共析钢；c、过共析钢；

9、钢的回火处理是在：

c、淬火后进行

a、退火后进行：

b、正火后进行；c、淬火后进行；

10、20钢的渗碳温度范围是：

c、900~950℃

a、600~650℃；b、800~820℃；c、900~950℃；d、1000~1050℃；

11、钢的淬透性主要取决于：

临界冷却速度

a、碳含量；b、冷却介质；c、合金元素；

12、钢的淬硬性主要取决于：

a、含碳量

a、含碳量；b、冷却介质；c、合金元素；

13、金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将：

b越低

a越高；b越低；c越接近理论结晶温度

14、细化晶粒，可采用：

b加变质剂

a快速浇注；b加变质剂；c以砂型代金属型；

15、使单晶体产生塑性变形的方力为：

b切应力

a正应力；b切应力；c复合应力；

16、变形金属再结晶后：

d形成等轴晶，塑性升高

a形成等轴晶，强度增大；b形成柱状晶，塑性下降；

c形成柱状晶，强度升高；d形成等轴晶，塑性升高；

17、奥氏体是a.碳在γ-Fe中的间隙固熔体

a.碳在γ-Fe中的间隙固熔体；b.碳α－Fe在中的间隙固熔体；

b.碳α－Fe在中的有限固熔体

18、珠光体是一种b.两机混合物

a.单相固熔体；b.两机混合物；c.Fe和C的化合物

19、T10钢的碳的质量分数为：

b.1.0%

a.0.1%；b.1.0%；c.10%

20、铁素体的机械性能特点是c.强度低，塑性好，硬度低

a.强度高，塑性好，硬度低；b.强度低、塑性差、硬度低

c.强度低，塑性好，硬度低

五、综合分析题。

1、确定下列钢件的退火方法，并指出退火的目的及退火后的组织。

（1）经冷却后的15钢板（塑性加工过），要求降低硬度；

（2）ZG35的铸造齿轮；

（3）锻造过热的60钢锻坯；

（锻造过热是钢材在锻造前在加热温度过高或高温下保温时间过长，晶粒粗大大的现象。

过热使金属在锻造时塑性下降，降低了钢材的力学性能）

（4）改善T12钢的切削加工性能；

（1）经冷却后的15钢板，要求降低硬度；

15号钢的含碳量为0.15%，属于亚共析钢，采用再结晶退火。

目的：

使变形晶粒重新转变为等轴晶粒，以消除加工硬化现象，降低了硬度，消除内应力。

退火后组织：

等轴晶的大量铁素体和少量珠光体。

（2）ZG35的铸造齿轮；为已铸造好的齿轮

35号铸钢的含碳量为0.35%，属于亚共析钢，且为已铸造好的齿轮，采用完全退火，经铸造后的齿轮存在晶粒粗大并不均匀现象，且存在残余内应力。

因此退火目的：

细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。

退火后组织：

晶粒均匀细小的铁素体和珠光体。

（3）锻造过热的60钢锻坯；

60号钢锻坯，含碳量为0.6%，属于亚共析钢，且锻造过热，采用完全退火。

由于锻造过热后组织晶粒剧烈粗化并分布不均匀，且存在残余内应力。

因此退火目的：

细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。

退火后组织：

晶粒均匀细小的少量铁素体和大量珠光体

（4）改善T12钢的切削加工性能；

T12工具钢，含碳量为1.2%，属于过共析钢，采用球化退火。

由于T12钢坯里的渗碳体呈片状，因此不仅硬度高，难以切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂。

通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工性。

退火后组织：

粒状珠光体和球状渗碳体。

2、指出下列工件的淬火及回火温度并说明回火后获得的组织：

（1）45钢小轴；

（2）60钢弹簧；

（3）T12钢刀；

（1）45钢小轴；

840℃淬火后，550～650℃高温回火后获得回火索氏体组织，，硬度<35HRC，使钢具有高的强度同时又具有良好的塑性和韧性。

（2）60钢弹簧；

850℃淬火后，350～450℃中温回火后获得回火屈氏体组织，硬度40～50HRC，主要保证高的屈服强度及优良的弹性前提下，具有一定的塑性和韧性。

（3）T12钢刀；

800℃淬火后，150～250低温回火后获得回火马氏体组织，硬度>60HRC,工具钢在保持高硬度的条件下，回火主要是降低脆性，减小残余内应力。

3、甲、乙两厂生产同一种零件，均选用45钢，硬度要求220HB~250HB，甲厂采用正火，乙厂采用调质处理，均能达到硬度要求，试分析甲、乙两厂产品的组织和性能差别。

选用45钢生产同一种零件，甲厂采用正火，其组织为铁素体+索氏体，乙厂采用调质处理，其组织为回火索氏体，索氏体为曾片状组织，即片状渗碳体平行分布在铁素体基体上，回火索氏体是细小的粒状渗碳体弥散的分布在铁素体基体上，由于粒状渗碳体比片状渗碳体对于阻止断裂过程的发展有利，即两者强度，硬度相近，但是回火索氏体的韧性，塑性要好很多，所以乙厂生产的零件性能要好。

4、画出共析、亚共析、过共析钢的C曲线。

亚共析钢等温转变曲线左移,上移

过共析钢等温转变曲线下移右移

共析钢等温转变曲线

5、金属结晶的条件和动力是什么？

金属结晶的条件有两个：

液态金属结晶的条件是金属必须过冷，要有一定的过冷度。

液体金属结晶的动力是金属在液态和固态之间存在的自由能差（ΔF）

或

1.液态金属必须过冷（称为热力学条件）；

2.液体金属中有结构起伏（称为结构条件）。

金属结晶的驱动力是也向自由能减去固相自由能的差值。

差值为正时结晶，为负时熔化。

6、金属结晶的基本规律是什么？

液态金属结晶是由生核和长大两个密切联系的基本过程来实现的。

液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体（称为晶核），然后再以它们为核心不断地长大。

在这些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液体金属消失。

7、为什么铸锭希望尽量减少柱状晶区？

因为柱状晶的接触面常有非金属夹杂或低熔点杂质而成为弱面，在热轧、锻造时容易开裂，所以熔点高或杂质多的金属，例如铁、镍及其合金，不希望生成柱状晶

8、画Fe—Fe3C相图，标出S、E、C各点及其所处温度和含碳量，按组织组成填相图，分析T12钢的平衡结晶过程，写出其室温组织，计算该钢在室温下的Fe3C和F的相对含量，并画出该钢室温下平衡组织金相示意图。

Fe—Fe3C相图

9、、再结晶和重结晶有何不同？

再结晶是指将冷变形（冷加工）的金属加热到最低再结晶温度以上，通过原子扩散，使被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶，同时消除加工硬化现象，使金属的强度和硬度、塑性和韧性恢复至变形前的水平。

对钢而言，再结晶温度低于共析温度727℃，因此不会发生晶体结构类型的转变。

有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等。

这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。

金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变，也叫做重结晶。

重结晶也是一个通过原子扩散进行的形核、长大过程，但同时发生晶体结构类型的转变。

10、何为临界变形度，分析造成临界变形度的原因？

塑性变形后的金属再进行加热发生再结晶，再结晶后晶粒大小与预先变形度有关。

使晶粒发生异常长大的预先变形度称作临界变形度。

金属变形度很小时，因不足以引起再结晶，晶粒不变。

当变形度达到2%～10%时，金属中少数晶粒变形，变形分布很不均匀，所以再结晶时生成的晶核少，晶粒大小相差极大，非常有利于晶粒发生吞并过程而很快长大，结果得到极粗大的晶粒。

11、已知金属钨、铝的铁的熔点分别为3380℃、327℃和1538℃，试计算它们的最低再结晶温度，试分析钨、铁、在1100℃加工，铅在室温加工各为何种加工？

金属的最低再结晶温度为：

T再=（0.35～0.4）T熔点

对金属钨：

T熔点=273+3380=3653K

T再=（0.35～0.4）T熔点=1279～1461K=1006～1188℃

在900℃对金属钨进行加工，略低于其最低再结晶温度，应属冷加工。

对金属铅：

T熔点=273+327=600K

T再=（0.35～0.4）T熔点=210～240K=-63～-33℃

在室温（如23℃）对金属铅进行加工，明显高于其最低再结晶温度的上限-33℃，应属热加工。

12、为什么碳钢进行热锻、热轧时都要加热到奥氏体相区？

因为奥氏体是面心立方晶格，其滑移变形能力大，钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。

13、比较退火状态下的45钢，T8钢，T12钢的硬度，强度和塑性的高低，简述原因。

（根据其状态的组织物）

硬度：

45钢最低，T8钢较高，T12钢最高。

因为退火状态下的45钢组织是铁素体+珠光体，T8钢组织是珠光体，T12钢组织是珠光体+二次渗碳体。

因为铁素体硬度低，因此45钢硬度最低。

因为二次渗碳体硬度高，因此T12钢硬度最高。

强度：

因为铁素体强度低，因此45钢强度最低。

T8钢组织是珠光体，强度最高。

T12钢中含有脆性的网状二次渗碳体，隔断了珠光体之间的结合，所以T12钢的强度比T8钢要低。

但T12钢中网状二次渗碳体不多，强度降低不大，因此T12钢的强度比45钢强度要高。

塑性：

因为铁素体塑性好，因此45钢塑性最好。

T12钢中含有脆性的网状二次渗碳体，因此T12钢塑性最差。

T8钢无二次渗碳体，所以T8钢塑性较高。

14、同样形状的两块铁碳合金，其中一块是退火状态的15钢，一块是白口铸铁，用什么简便方法可以迅速区分它们？

因为退火状态的15钢硬度很低，白口铸铁硬度很高。

因此可以用下列方法迅速区分：

①两块材料互相敲打一下，有印痕的是退火状态的15钢，没有印痕的是白口铸铁。

②用锉刀锉两块材料，容易锉掉的是退火状态的15钢，不容易锉掉的是白口铸铁。

③用硬度计测试，硬度低的是退火状态的15钢，硬度高的是白口铸铁。