1西南交大第三学期金属材料及热处理

金属材料及热处

36.请给出两种材料的分类方法，并说明如何加以分类？

答：材料可按其化学键特点加以分类：金属材料、无机非金属材料（陶瓷材料）、高分子材料、复合材料。

材料还可按其应用时性能特点加以分类：结构材料、功能材料

37.根据退火的低碳钢的拉伸图，指出与下列力学性能指标相关的点与物理量：（1）断面收缩率；（2）抗拉强度；（3）比例极限；（4）刚度

38.分析HB和HRC实验方法的原理及适用性。

：

39.α-Fe、Al、Cu、Zn各属何种晶体结构？试画出体心立方、面心立方和密排六方晶体中原子排列最密的晶面和晶向。并算出其滑移系的个数。

40.在常温下，已知铜的原子直径为2.55×10-10m，求铜的晶格常数。

答：常温下铜为fcc结构，原子直径2d=21/2a，a=3.61×10-10m

41.试分析体心立方、面心立方和密排六方晶体的滑移系对金属塑性的影响。

答：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）

42.再结晶晶粒大小和哪些因素有关。

答：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。

43.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？

答：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。

44.金属塑性变形后力学性能有哪些变化？

答：①出现各向异性——当形成纤维组织（晶界取向排列）或形变织构（晶粒的位向出现择优取向）时。

②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。

45.在热加工过程中，金属能否产生加工硬化？试分析原因。

答：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。

46.

晶界对多晶体塑性变形有何影响？为何细晶粒钢强度高，塑性、韧性也好？答：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。

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。

47.

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？

=0.4-0.35Tm(K)

答：纯金属的再结晶温度：T

R

钨的再结晶温度：钨T

=0.4-0.35Tm(K)=1461-1278(K)；钨在1100?C加工为

R

冷加工

铅的再结晶温度：铅T R=0.4-0.35Tm(K)=240-210(K)；铅在室温加工为冷加工

48.

滑移的本质是什么？试比较低碳钢塑性变形前（状态A）、经历塑性变形（状态B）以及再结晶退火后（状态C）的力学性能，并分析性能变化的原因。

答：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。

49.

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？

50.

列举几种实际生产中采用的细化铸造晶粒的方法。

答：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

51.

试分析比较纯金属、固溶体、共晶体三者在结晶过程和显微组织上的异同点。：

52.试分析含碳量为2.11%的铁碳含金从液态冷却到室温时的平衡结晶过程，计算其室温组织组成物的

相对含量，并判断其属于哪一类铁碳合金。

53.

有两块退火钢样经组织分析发现其中珠光体占80%，但硬度差别较大，请分别计算它们的含碳量。

答：第一块属于亚共析钢，P%=（X-0.02）/（0.77-0.02）=80%，求出X=0.55，含碳量为0.55%。

第二块属于过共析钢，P%=（6.69-X）/（6.69-0.77）=80%，求出X=1.95，含碳量为1.95%。

54.画出T12钢的平衡组织和淬火组织示意图并标出组织，计算其平衡组织中各组织组成物的相对含量。

55.

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2 5%；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？

答：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=1.2 4，含碳量为1.24%。

36.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？

答：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。

37.根据铁碳相图解释下列现象：含碳量1.0%的钢比含碳量0.5%的钢硬度高；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；室温下莱氏体比珠光体塑性差。

：

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Fe

C+P，即珠光体分布渗碳体相的基底上，而渗碳体基底的脆

3

性极大，莱氏体表现为脆性的，几乎不能塑性变形。

38.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？

：

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。

39.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。

40.试说明淬火钢回火的必要性。

答：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。

41.为什么钢淬火后回火是钢最有效的强化手段？

答：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。

42.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)65钢切削加工前

3)改善T12钢的切削加工性能

4)ZG35的铸造齿轮铸造后存在枝晶偏析

答：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

4）扩散退火，退火后的组织——F+P

43.指出下列工件的回火温度，并说明回火后的组织

1)45钢轴

2)60钢弹簧

3)T12钢锉刀

答：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’

44.写出下列零件的最终热处理方式及其组织：(1)60Si2Mn弹簧；(2)高速钢车刀。

45.试说明表面淬火、渗碳、氮化处理在适用钢种、性能、应用等方面的差别。

46.钢的回火脆性有哪几类？其发生是否可逆？如何避免？

答：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。

47.为什么过共析钢的淬火温度不选择在ACCM以上？

以上，（1）淬火温度过高→A粗大→M粗答：如过共析钢的淬火温度选择在A

CCM

大，从而→①力学性能↓，→②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以上。

选择在A

CCM

48.试分析金属的主要强化机制。

答：（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

49.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？

答：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。

50.合金元素对钢的回火转变有哪些影响？

答：（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%)

51.为何要向不锈钢中加入大量的Cr和Ni？

答：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）

52.手工锯条、普通螺钉、机床主轴分别用何种碳钢制造？

答：手工锯条——T12；普通螺钉——Q235；机床主轴——45

53.试对比渗碳钢和调质钢的合金化和热处理特点

54.简述高速钢的热处理和性能特点，并说明合金元素的作用。

答：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。

55.请分析高速钢工具的最终热处理中需回火三次的原因及使用态组织。

答：淬火时1220-1280oC高温加热使合金元素充分溶解于奥氏体中，显著提高回火稳定性，550-570oC回火仍然处于低温回火阶段，三次回火后碳化物的充分析出，形成显著的二次硬化效应。

最终组织：M'+K+A'

26.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？

答：常用铸铁的组织是由钢的基体组织与石墨组成，由于石墨的强度和韧性极低，石墨相当于钢基体上的裂纹或空洞，减少基体有效截面积，割裂基体并引起应力集中。常用铸铁中的石墨形态可分为，片状石墨、球状石墨、蠕虫状石墨和团絮状石墨，分别对应于灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁。其中由于片状石墨引起严重应力集中，灰口铸铁的塑性和韧性低、强度不高（经变质处理后，石墨片细化，强度可提高）；而球状石墨的作用最轻，引起的应力集中最小，球墨铸铁不仅强度提高，塑性和韧性也获得改善；团絮状和蠕虫状石墨形态介于片状和球状石墨之间，其性能（强度、塑性和韧性）也介于灰口铸铁和球墨铸铁之间。

与钢相比铸铁有良好的吸振性能，良好的耐磨减摩性能，良好的易切削性，较低的缺口敏感性。

27.试辨析以下金属材料牌号Q215、08F、T10、ZG25、KT300-06、QT400-18、20Cr、GCr15、60Si2Mn、5CrMnMo、1Cr18Ni9Ti：（1）说明材料的类别；（2）说明牌号中下划线部分的意义。答：

Q215：普通碳素结构钢，215——屈服强度

08F：优质碳素结构钢，F——沸腾钢

T10：碳素工具钢，10——含碳量1.0%

ZG25：25号铸钢，ZG——铸钢

KT300-06：可锻铸铁，KT——可锻铸铁

QT400-18：球墨铸铁，400——最低抗拉强度

20Cr：合金渗碳钢，20——含碳量0.2%

GCr15：滚珠轴承钢，15——Cr含量中间值1.5%

60Si2Mn：合金弹簧钢，60——含碳量中间值0.6%

5CrMnMo：合金模具钢，5——含碳量中间值0.5%

1Cr18Ni9Ti：奥氏体不锈钢，1——含碳量中间值0.1%

28. LF21、LY10、LY12、LC4、LD5、ZL105各属于何种铝合金？分析它们的性能特点，强化方法及用途（请各举一例）。

29.铝合金淬火和时效的目的是什么？

答：铝合金淬火（固溶处理——加热后快速冷却）的目的是为了获得过饱和的固溶体

时效（经长时间室温停留或加热至100-200℃一定时间保温）后，在母相固溶体的一定晶面上出现一个原子层厚度的铜或其它原子的偏聚区，偏聚区边缘发生晶格畸变，阻碍位错运动，因而目的是为了提高合金的强度、硬度。

30.轴承合金的组织有什么特点？为什么？

答：轴承合金的组织是在软基体（硬基体）上分布着硬质点（软质点），软基体(软质点)被磨损而凹陷，保持润滑油；硬质点(硬基体)耐磨而相对凸起，支持轴的压力并使轴与轴瓦接触面积减小；从而使轴与轴瓦接触面积减小保证近乎理想的摩擦条件和极低的摩擦系数。

31.试依据轴类零件的工作条件和失效形式，分析该类零件主要要求哪些性能

32.试说明哪些钢材适用于轴类零件的选材要求，并指出其热处理工艺

33.试依据齿轮类零件的工作条件和失效形式，分析该类零件主要要求哪些性能。

34.试说明哪些钢材适用于齿轮类零件的选材要求，并指出其热处理工艺。

35.已知某内燃机主动牵引齿轮由20CrMnTi制造，请（1）设计热处理工艺路线，（2）分析使用态组

织。

答：

1）900--950℃渗碳→ 820～850℃油淬→ 180--200℃低温回火

2）使用态组织：心部——M’（低碳）；表面——M’(高碳）+A’+K

36.已知某小轿车半轴由40Cr制造，请设计热处理工艺路线并指出最终热处理工序的作用。

答：

热处理工艺路线：正火——调质处理（淬火+高温回火）——（轴颈）表面淬火+低温回火

最终热处理工序的作用：调质处理——获得具有良好综合机械性能的S'组织；（轴颈）表面淬火+低温回火——轴颈表面获得M以提高耐磨损性。

37.请在45、65、T8钢中为某机床主轴选材，并（1）设计最终热处理工序并说明其作用，（2）指出

使用态组织。

答：选材——45

最终热处理工序：调质处理（淬火+高温回火）——（轴颈）表面淬火+低温回火最终热处理工序的作用：调质处理——获得具有良好综合机械性能的S'组织；（轴颈）表面淬火+低温回火——轴颈表面获得M'以提高耐磨损性。

使用态组织：S'+表面M'

38.在20Cr、9SiCr、GCr15中选择一种钢材制作汽车变速箱齿轮（高速中载受冲击），并写出热处理

工艺路线，说明各热处理工序的作用。

答：选择——20Cr

工艺路线：900--950℃渗碳→ 820～850℃油淬→ 180--200℃低温回火

各热处理工序的作用：渗碳——表面高碳而心部维持低碳成分；淬火+低温回火——心部形成低碳M’具有较好强韧性；表面形成M’(高碳）+A’+K具有高硬度、耐磨损。

39.结构材料：

：以力学性能为主要性能要求的工程材料。

40.功能材料：

：以物理、化学性能为主要性能要求的工程材料。

41.刚度：

：材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。

42.屈服强度：

：材料开始明显塑性变形的抗力；条件屈服强度：以产生一定的微量塑性变形的极限应力值来表示的屈服抗力。

43.抗拉强度：

：材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值。

44.疲劳极限：

：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。条件疲劳极限：经受一定应力循环（如107）而不致断裂的最大应力值。

45.塑性：

：材料在载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力，用延伸率和断面收缩率表征。