材料工程基础答案

一、金属材料的制备

1.简要说明高炉的结构及高炉内主要区域分布。

高炉本体是冶炼生铁的主体设备。由耐火材料砌筑成竖式圆筒形，外有钢板炉壳加固密封，内嵌冷却设备保护；高炉内部工作空间的形状称为高炉内型。高炉内型从下往上分为炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉五个部分，该容积总和为它的有效容积，反映高炉所具备的生产能力。根据物料存在形态的不同，可将高炉划分为五个区域：块状带、软熔带、滴落带、风口前回旋区、渣体聚集区。

2高炉炼铁的主要原料和产品分别是什么？

原料：铁矿石：含铁矿物+脉石=机械混合物

天然铁矿石按其主要矿物分为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等几种

产品：（1）生铁-----不是纯铁！！

含Fe、C、Si、Mn、P、S等元素组成的合金。w(C)在2%左右，实际上可达3.5%-4.5%

铸造生铁：即灰口生铁，碳以游离石墨形式存在，断面呈灰色

炼钢生铁：即白口生铁，碳以Fe3C形式存在，断面呈银白色

特种生铁：高锰、高硅生铁

（2）高炉煤气：含CO、CO2、CH4、H2等

（3）炉渣

3高炉炼铁的主要理化过程有哪些？主要的反应有哪些？

1）燃烧过程:C＋O2——CO2↑

CO2在上升过程中：CO2＋C——CO↑

2）溶剂分解:CaCO3——CaO＋CO2↑

3）铁的还原:FeO＋CO——CO2＋Fe(间接还原)

FeO＋C——Fe＋CO （直接还原）

4）增碳：铁水在与焦碳的接触中会增碳－扩散

过程，使铁水被C所饱和。

5）其他元素的还原:

Mn，Si 部分被还原，被还原后进入铁水中

Al不被还原，只能和熔剂形成渣

6）去S: FeS＋CaO——CaS＋FeO

7）P还原：Ca3(PO4)2＋5C －3CaO＋2P＋5CO

8）造渣：SiO2、Al2O3、CaO等

铁水中：C饱和，溶有部分Mn，Si，S以及全部的P。

4炼钢有哪些主要方法？炼钢过程的主要反应是什么？

主要方法：转炉炼钢：氧气转炉炼钢法

电炉炼钢：电弧炉炼钢法

平炉炼钢

炼钢过程的主要反应：

脱C

Si、Mn的氧化

脱P

脱S

脱O

5说明连铸机的组成及作用。

钢的连铸机由钢包，中间包，结晶器，结晶振动装置，二次冷却装和铸坏导向装置，拉坯矫直装置，切割装置、出坯装置等部分组成。

作用:连铸就是通过连铸机直接把钢液凝固成钢坯，从而可以逐步代替传统的锭模浇注和钢坯开坯工序，实现钢铁生产的连续化和自动化。

6简要叙述拜耳法生产氧化铝的原理和工序。

（l）用NaOH溶液溶出铝土矿，所得到的铝酸钠溶液在添加晶种、不断搅拌的条件下，溶液中的氧化铝呈氢氧化铝析出，即种分过程。

（2）分解得到的母液，经蒸发浓缩后在高温下可用来溶出新的铝土矿，即溶出过程。交替使用这两过程，就能够每处理一批矿石得到一批氢氧化铝，构成所谓的拜耳法循环。

工序：原浆的制备—高压溶出—压煮矿浆的稀释、赤泥洗涤及分离—晶种分解—氢氧化铝的分级—氢氧化铝的焙烧—母液蒸发和苏打苛化

7说明火法炼铜的基本原理与工艺，造锍熔炼的目的是什么？

基本原理：

工艺：造锍熔炼-吹炼-火法精炼-电解精炼

造锍熔炼的目的是使炉料中的铜尽可能全部进入冰铜，部分铁以FeS形式也进入冰铜，使大部分铁氧化成FeO与脉石矿物造渣；其次使冰铜与炉渣分离。

二、金属的液态成型

1.合金的铸造性能有哪些？

铸造性能是合金在铸造生产中所表现出来的工艺性能，是保证铸件质量的主要因素，是衡量铸造合金的主要指标。

铸造性能有充型能力与流动性、收缩性、吸气性和偏析等。

2.什么是铸造应力？铸造应力对铸件的质量有何影响？生产中常采用哪些措施来防止和

减少应力对铸件的危害？

铸造应力：铸件完全凝固后便进入了固态收缩阶段，若铸件的固态收缩受到阻碍，将在铸件内部产生应力，称为铸造应力。

影响：

3.缩孔和缩松是如何形成的？采用何种措施进行防止？

液态合金在凝固过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。容积比较大且集中的孔洞称为缩孔，细小且分散的的孔洞称为缩松。

缩孔、缩松的防止措施

采用冒口、冷铁的顺序凝固（结晶温度窄的合金）

4.什么是顺序凝固和同时凝固？各需要采用什么措施来实现？它们分别适用于哪些场

合？

顺序凝固，就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固，而后是靠近冒口部位凝固，最后才是冒口本身的凝固。措施：在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口，同时增设冷铁等工艺措施。适用场合：结晶温度窄的合金，适用于对铸钢，白口铸铁及铝合金、铜合金铸件的补缩。

同时凝固：采取工艺措施保证铸件结构上的各部分之间没有温差或温差很小，使各部分同时凝固。措施：将内浇口开在铸件的薄壁处，以减缓其冷却速度；而在铸件的厚壁处放置冷铁，以加快其冷却速度。适用场合：（1）结晶温度宽的合金，容易产生缩松的合金，对气密性要求不高时，可采用同时凝固原则，使工艺简化。（2）壁厚均匀的铸件，倾向用同时凝固，尤其是均匀薄壁铸件，消除缩松有困难，应采用同时凝固原则。（2）从合金性质看，适合采用顺序凝固原则的铸件，当热裂、变形成为主要矛盾时，也可以采用同时凝固原则。

5.浇注系统一般有哪几个基本组元组成？各组元的作用是什么？

浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道，通常有浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道等组成。

（1）浇口杯（外浇口）：浇注时外浇口应保持充满状态，以便熔融金属比较平稳的流到铸型內并使熔渣上浮。（2）直浇道：利用其高度产生一定的液态静压力，使熔融金属产生充填能力。（3）横浇道：将熔融金属分配进入内浇道并起挡渣作用。（4）内浇道：控制熔融金属流入型腔的速度与方向。

6简述熔模铸造的工艺过程、生产特点和适用范围。

工艺过程：母模—压型—融蜡—铸造蜡模—单独蜡模—组合蜡模—结壳、溶出蜡模—填砂、浇注

生产特点：可生产形状复杂、轮廓清晰、薄壁铸件；铸件精度高，表面质量好；能够铸造各种合金铸件；生产批量不受限制；工序繁多，生产周期较长，铸件不能太长、太大，铸件成本比砂型铸件高。

适用范围：

6.金属型铸造有何优越性？为什么它不能完全取代砂型铸造？

金属型铸造一型多铸，生产率高，劳动条件好；铸件的组织致密、晶粒细小，机械性能高；铸件精度高、表面粗糙度值低。

属型铸造成本高，周期长，工艺要求严格，铸件易出现浇不足、冷隔、裂纹等缺陷，易产生白口现象，外形不易复杂，所以金属型铸造不宜生产铸铁件，而广泛应用于铜、铝合金铸件的大批量生产，故它不能取代砂型铸造。

7.低压铸造的工作原理与压力铸造有何不同？

低压铸造是一种介于金属型铸造和压力铸造之间的一种方法，它是在低压下将金属液注入型腔，并在压力下凝固成型，以获得铸件的方法.与压力铸造相比，所受压力大小不同，液态金属流动方向不同。

三、金属塑性成形

1.常见的塑形成形加工方法有哪些？

体积成形: 轧制、挤压、拉拔、锻造板料成形：剪切、弯曲、拉伸、胀形

2.与铸件相比，锻件有何优点？

（1）锻件中，由于工件经受塑性变形和再结晶，粗大的树枝状结晶组织被压碎，疏松和空隙被压实，因而可以避免铸件存在的偏析、缩孔、疏松等缺陷。

（2）锻件能保留金属的流线型，可以显著提高金属材料的力学性能。

（3）锻件适用于性能要求高，形状复杂的零件，而铸件不适用。

3.简述影响金属塑性成形性能的主要因素。

（1）材料的本质：①化学成分

②金属组织

（2）成型加工条件:①变形温度

②变形塑性

③应力状态

4.金属塑形成形的基本定律是什么？

最小阻力定律、体积不变规则、材料的塑性成形

5.一般情况下，模锻的模膛包括哪几个部分？

预锻模膛：让坯料变形到接近锻件的形状和尺寸，以使金属易于充满终锻模膛。

终锻模膛：让坯料变形到接近锻件的形状和尺寸，以使金属易于充满终锻模膛。

6.简述热轧无缝钢管的主要生产工序

穿孔—轧管—匀整—定径和减径

7.什么是控制轧制？简述控制轧制三阶段的显微组织变化特点。

控制轧制是指在热轧的过程中通过对金属的加热制度、变形制度和温度制度的合理控制，是塑性变形与固态相变相结合，以获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的一种轧制方法。

三阶段：（1）奥氏体再结晶区控制轧制：

（2）奥氏体未再结晶区控制轧制：

（3）奥氏体+铁素体两相区控制轧制：

8.板料冲压主要包含哪些内容？分别说明各种冲压工艺的特点及其应用范围。

四、金属热处理原理及工艺

1.简述奥氏体化的过程及奥氏体晶粒大小的影响因素。

钢加热时奥氏体的形成过程过程称为奥氏体化。

以奥氏体为例：奥氏体的形核—奥氏体长大—剩余渗碳体溶解—奥氏体均匀化

奥氏体晶粒大小的影响因素：（1）加热温度和保温时间的影响（2）加热速度的影响（3）钢的化学成分影响

2.绘制共析钢的等温冷却曲线和连续冷却曲线，说明每条线和区域的金属学意义。

3.解释名词：片状珠光体、粒状珠光体、索氏体、屈氏体、马氏体、贝氏体。

片状珠光体：由片层相间的铁素体和渗碳体组成。

粒状珠光体：铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织。

索氏体：在650～600℃形成片间距较小的珠光体(0.2~0.4m)，在光学显微镜800~1500×能分辨出其为铁素体薄层和碳化物（渗碳体）薄层交替重叠的复相组织称为细珠光体或索氏体，

屈氏体：600～550℃形成片层间距极小的珠光体(0.2m) ，在光学显微镜下高倍放大已无法分辨出其内部构造，在电子显微镜下可观测到很薄的铁素体层和碳化物（渗碳体）层交替重叠的复相组织，称为极细珠光体或屈氏体，用字母T表示

马氏体：马氏体是碳在α—Fe中的过饱和固溶体。是奥氏体通过无扩散性相变转变成的亚稳定相。

贝氏体组织：贝氏体（B）是渗碳体分布在碳过饱和的F基体上的两相混合物；

4.试述钢中马氏体组织转变特点及其影响马氏体强韧性的因素，为什么马氏体转变不能进

行彻底，而总要保留一部分残余奥氏体？

马氏体组织转变的特点：（1）非扩散型转变，M 是碳在α-Fe 中的过饱和固溶体；M为体心正方晶格。（2）M 的形成速度很快，无孕育期，是一个连续冷却的转变过程；（3）M形成时造成时会体积膨胀，在钢中造成很大的内应力，严重时将使被处理零件开裂;（4）M 转变不彻底，总要残留少量A 。残余A的质量分数与Ms、Mf的的高低有关。A中的碳质量分数越高，Ms、Mf 越低，残余A质量分数就越高。w(c)>0.6％，标上A’（5）

马氏体的硬度很高，含碳量越高马氏体的硬度越高（6）A 转变为M 时体积会膨胀

5.什么是贝氏体组织？上贝氏体、下贝氏体及粒状贝氏体的形貌特征如何？

贝氏体组织：贝氏体（B）是渗碳体分布在碳过饱和的F基体上的两相混合物；

上贝氏体：550℃~350℃，B上，呈羽毛状，小片状渗碳体分布在成排的F 片之间

下贝氏体：350 ℃~ Ms ，B下，黑色针状，细小无方向性，而F 内碳化物细小弥散，

粒状贝氏体：形成于上贝氏体转变区上限温度范围内。组织特征是在粗大的块状或针状铁素体内或晶界上分布着一些孤立的小岛，小岛形态呈粒状或者长条状等。

6.何谓魏氏组织？它的形成条件如何？对钢的性能有何影响？如何消除？

魏氏组织：奥氏体晶粒上生长出来的铁素体或渗碳体近乎平行，呈羽毛状或呈三角形状，其间存在着珠光体组织，这种组织称为魏氏体

对钢的性能的影响：使钢的机械性能尤其是塑性和冲击韧性显著降低。还会使脆性转折温度升高。

消除：采用细化晶粒的正火、退火以及锻造等，严重可采用二次正火。

7.什么是上临界冷却速度？

8.比较钢的退火和正火的异同。

9.淬火的目的是什么？试比较各种淬火方法的优缺点。简要说明钢的淬火加热温度选择原

则，为什么过共析钢的淬火加热温度不能超过Accm温度？

经过奥氏体化的钢以大于临界冷却速度vk进行冷却，获得不平衡组织（马氏体或下贝氏体）的热处理工艺

单液淬火法:缺点：水淬则淬火应力大，容易产生变形与开裂；

用油淬则不易淬硬，容易产生软点。

优点：操作简单，容易实现机械化和自动化。

双液淬火法：优点：即可以保证工件得到马氏体组织，又可以降低工件在马氏体区的冷却速度，减小组织应力，从而减小工件的变形，开裂的倾向。

缺点：操作复杂，对工人技术水平要求高。

分级淬火:优点：淬火时工件内部温度均匀，组织转变几乎同时进行，因而减小了内应力，显著降低了变形开裂倾向。

缺点：液态介质（熔盐等）的冷却能力有限

等温淬火：优点：工件的强度、硬度高，塑性、韧性好

淬火应力小，变形小

缺点：生产周期长

10.何谓钢的淬透性和淬硬性？其各自的影响因素分别是什么？

淬透性（Hardenability)：指钢在淬火时形成马氏体的能力，其大小用钢在一定条件下淬火所获得的淬透层深度来表示。

影响淬透性的因素：(1) 碳含量(2) 合金元素(3) 奥氏体化温度(4) 钢中未溶第二相

淬硬性：表示钢淬火时的硬化能力。

影响淬硬性的因素：马氏体中的含碳量。

11.什么是回火？钢经过淬火后为什么一定要进行回火？

回火：钢的回火是将淬火后的钢再加热到相变点以下的温度，保温后以适当的冷却速度冷却的热处理工艺。

回火可以稳定组织，减小或消除淬火应力提高钢的塑性和韧性，获得强度、硬度和塑性、韧性的适当配合，以满足不同工件的性能要求。

提高e及

在保留高硬度、

s，同时使

淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质。

12.什么是第一类回火脆性和第二类回火脆性？产生的原因是什么？如何消除？

有些钢在某一温度范围内回火时，其冲击韧性比在较低温度回火时还显著下降，这种脆化现象称为回火脆性。发生在250～400℃的称为第一类回火脆性，发生在450～650℃的称为第二类回火脆性

第一类回火脆性形成原因：

由于碳化物χ-Fe5C2和θ-Fe3C沿着马氏体条或片的界面呈薄片状析出，形成脆性薄壳，割裂了马氏体基体，因而脆性大增。

防止方法：

避免在脆化温度范围内回火(无法消除，只能避开）。

第二类回火脆性形成原因：由于P、As、Sb、Sn等微量杂质元素在晶界上偏聚和析出，降低了晶界断裂强度。

防止措施：

1 高温回火后快速冷却

2 降低钢中杂质元素含量

3 在钢中加入合金元素（Mo、W）

4 采用亚临界淬火工艺

14.试比较表面淬火和表面化学热处理的异同。