工程材料概念题文档格式.docx

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合金的组元之间以不同的比例混合，混合后形成的固相的晶格结构与组成合金的某一组元的相同，这种相称为固溶体。

金属间化合物：

合金的组元间发生相互作用形成的一种具有金属性质的新相，称为金属间化合物。

它的晶体结构不同于任一组元，用分子式来表示其组成。

机械混合物：

合金的组织由不同的相以不同的比例机械的混合在一起，称机械混合物。

枝晶偏析：

实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。

2．指出下列名词的主要区别：

1）置换固溶体与间隙固溶体；

置换固溶体：

溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固溶体称置换固溶体。

间隙固溶体：

溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体。

2）相组成物与组织组成物；

相组成物：

合金的基本组成相。

组织组成物：

合金显微组织中的独立组成部分。

5．固溶体和金属间化合物在结构和性能上有什么主要差别？

在结构上：

固溶体的晶体结构与溶剂的结构相同，而金属间化合物的晶体结构不同于组成它的任一组元，它是以分子式来表示其组成。

在性能上：

形成固溶体和金属间化合物都能强化合金，但固溶体的强度、硬度比金属间化合物低，塑性、韧性比金属间化合物好，也就是固溶体有更好的综合机械性能。

6.何谓共晶反应、包晶反应和共析反应?

试比较这三种反应的异同点.

共晶反应：

指一定成分的液体合金，在一定温度下，同时结晶出成分和晶格均不相同的两种晶体的反应。

包晶反应：

指一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另外一种固相的反应过程。

共析反应：

由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具有一定晶体结构的固相的反应。

共同点：

反应都是在恒温下发生，反应物和产物都是具有特定成分的相，都处于三相平衡状态。

不同点：

共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应；

共析反应是一种固相在恒温下生成两种固相的反应；

而包晶反应是一种液相与一种固相在恒温下生成另一种固相的反应。

8．在二元合金相图中应用杠杆定律可以计算什么？

应用杠杆定律可以计算合金相互平衡两相的成分和相对含量。

第四章铁碳合金

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。

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。

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？

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。

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：

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：

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。

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

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？

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。

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。

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.

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；

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

三次渗碳体：

从

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。

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。

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？

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？

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？

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。

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；

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；

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；

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）；

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；

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。

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？

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。

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。

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。

18.试述碳钢的分类及牌号的表示方法。

分类：

1）按含碳量分类

低碳钢：

含碳量小于或等于0.25%的钢，0.01~0.25%C≤0.25%C

中碳钢：

含碳量为0.30~0.55%的钢0.25~0.6%C

高碳钢：

含碳量大于0.6%的钢0.6~1.3%C＞0.6%C

（2）按质量分类：

即含有杂质元素S、P的多少分类：

普通碳素钢：

S≤0.055%P≤0.045%

优质碳素钢：

S、P≤0.035~0.040%

高级优质碳素钢：

S≤0.02~0.03%；

P≤0.03~0.035%

（3）按用途分类

碳素结构钢：

用于制造各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等，及机器零件，如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等。

碳素工具钢：

用于制造各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢，在质量上都是优质钢或高级优质钢。

牌号的表示方法：

（1）普通碳素结构钢：

用Q+数字表示，“Q”为屈服点，“屈”汉语拼音，数字表示屈服点数值。

若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，A、B、C、D质量依次提高，“F”表示沸腾钢，“b”为半镇静钢，不标“F”和“b”的为镇静钢。

（2）优质碳素结构钢：

牌号是采用两位数字表示的，表示钢中平均含碳量的万分之几。

若钢中含锰量较高，须将锰元素标出，

（3）碳素工具钢：

这类钢的牌号是用“碳”或“T”字后附数字表示。

数字表示钢中平均含碳量的千分之几。

若为高级优质碳素工具钢，则在钢号最后附以“A”字。

19.低碳钢、中碳钢及高碳钢是如何根据含碳量划分的？

分别举例说明他们的用途？

含碳量小于或等于0.25%的钢；

08、10、钢，塑性、韧性好，具有优良的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等；

15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞钢、样板等。

含碳量为0.30~0.55%的钢；

30、35、40、45、50钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件；

含碳量大于0.6%的钢；

60、65钢热处理（淬火+高温回火）后具有高的弹性极限，常用作弹簧。

T7、T8、用于制造要求较高韧性、承受冲击负荷的工具，如小型冲头、凿子、锤子等。

T9、T10、T11、用于制造要求中韧性的工具，如钻头、丝锥、车刀、冲模、拉丝模、锯条。

T12、T13、钢具有高硬度、高耐磨性，但韧性低，用于制造不受冲击的工具如量规、塞规、样板、锉刀、刮刀、精车刀等。

20．下列零件或工具用何种碳钢制造：

手锯锯条、普通螺钉、车床主轴。

手锯锯条：

它要求有较高的硬度和耐磨性，因此用碳素工具钢制造，如T9、T9A、T10、T10A、T11、T11A。

普通螺钉：

它要保证有一定的机械性能，用普通碳素结构钢制造，如Q195、Q215、Q235。

车床主轴：

它要求有较高的综合机械性能，用优质碳素结构钢，如30、35、40、45、50。

21.指出下列各种钢的类别、符号、数字的含义、主要特点及用途：

Q235-AF、Q235-C、Q195-B、Q255-D、40、45、08、20、20R、20G、T8、T10A、T12A

Q235-AF：

普通碳素结构钢，屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。

Q235-C:

屈服强度为235MPa的C级普通碳素结构钢，

Q195-B:

屈服强度为195MPa的B级普通碳素结构钢，

Q255-D:

屈服强度为255MPa的D级普通碳素结构钢，

Q195、Q235含碳量低，有一定强度，常扎制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，也可制造普通的铆钉、螺钉、螺母、垫圈、地脚螺栓、轴套、销轴等等，Q255钢强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接。

通常扎制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造连杆、键、销、简单机械上的齿轮、轴节等。

40:

含碳量为0.4%的优质碳素结构钢。

45含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。

40、45钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件。

08：

含碳量为0.08%的优质碳素结构钢。

塑性、韧性好，具有优良的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等。

20：

含碳量为0.2%的优质碳素结构钢。

用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞钢、样板等。

20R：

含碳量为0.2%的优质碳素结构钢，容器专用钢。

20G：

含碳量为0.2%的优质碳素结构钢，锅炉专用钢。

T8：

含碳量为0.8%的碳素工具钢。

用于制造要求较高韧性、承受冲击负荷的工具，如小型冲头、凿子、锤子等。

T10A：

含碳量为1.0%的高级优质碳素工具钢。

用于制造要求中韧性的工具，如钻头、丝锥、车刀、冲模、拉丝模、锯条。

T12A：

含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。

具有高硬度、高耐磨性，但韧性低，用于制造不受冲击的工具如量规、塞规、样板、锉刀、刮刀、精车刀。

第五章钢的热处理

1.何谓钢的热处理？

钢的热处理操作有哪些基本类型？

试说明热处理同其它工艺过程的关系及其在机械制造中的地位和作用。

（1）为了改变钢材内部的组织结构，以满足对零件的加工性能和使用性能的要求所施加的一种综合的热加工工艺过程。

（2）热处理包括普通热处理和表面热处理；

普通热处理里面包括退火、正火、淬火和回火，表面热处理包括表面淬火和化学热处理，表面淬火包括火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火，化学热处理包括渗碳、渗氮和碳氮共渗等。

（3）热处理是机器零件加工工艺过程中的重要工序。

一个毛坯件经过预备热处理，然后进行切削加工，再经过最终热处理，经过精加工，最后装配成为零件。

热处理在机械制造中具有重要的地位和作用，适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。

热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料潜力、降低结构重量、节省材料和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命，做到一个顶几个、顶十几个。

此外，通过热处理还可使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。

2.解释下列名词：

1）奥氏体的起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度；

（1）起始晶粒度：

是指在临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚接触时的晶粒大小。

（2）实际晶粒度：

是指在某一具体的热处理加热条件下所得到的晶粒尺寸。

（3）本质晶粒度：

根据标准试验方法，在930±

10℃保温足够时间（3-8小时）后测定的钢中晶粒的大小。

2）珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体；

珠光体：

铁素体和渗碳体的机械混合物。

索氏体：

在650～600℃温