工程材料学 第3章
工程材料学课后习题答案
第一章钢的合金化基础1、合金钢是如何分类的？1) 按合金元素分类：低合金钢，含有合金元素总量低于5%；中合金钢，含有合金元素总量为5%-10%；中高合金钢，含有合金元素总量高于10%。
2) 按冶金质量S、P含量分：普通钢，P≤0.04%,S≤0.05%;优质钢，P、S均≤0.03%；高级优质钢，P、S均≤0.025%。
3) 按用途分类：结构钢、工具钢、特种钢2、奥氏体稳定化，铁素体稳定化的元素有哪些？奥氏体稳定化元素, 主要是Ni、Mn、Co、C、N、Cu等铁素体稳定化元素, 主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等3、钢中碳化物形成元素有哪些（强-弱），其形成碳化物的规律如何？1) 碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe等(按形成的碳化物的稳定性程度由强到弱的次序排列) ，在钢中一部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗碳体, 含量高时可形成新的合金碳化物。
2) 形成碳化物的规律a) 合金渗碳体—— Mn与碳的亲和力小，大部分溶入α-Fe或γ-Fe中，少部分溶入Fe3C中，置换Fe3C中的Fe而形成合金渗碳体（Mn,Fe）3C; Mo、W、Cr少量时，也形成合金渗碳体b) 合金碳化物——Mo、W 、Cr含量高时，形成M6C(Fe2Mo4C Fe4Mo2C),M23C6(Fe21W2C6 Fe2W21C6)合金碳化物c) 特殊碳化物——Ti 、V 等与碳亲和力较强时i. 当rc/rMe<0.59时，碳的直径小于间隙，不改变原金属点阵结构，形成简单点阵碳化物（间隙相）MC、M2C。
ii. 当rc/rMe>0.59时，碳的直径大于间隙，原金属点阵变形，形成复杂点阵碳化物。
★4、钢的四种强化机制如何？实际提高钢强度的最有效方法是什么？1) 固溶强化：溶质溶入基体中形成固溶体能够强化金属；2) 晶界强化：晶格畸变产生应力场对位错运动起到阻碍达到强化，晶格越细，晶界越细，阻碍位错运动作用越大，从而提高强度；3) 第二相强化：有沉淀强化和弥散强化，沉淀强化着眼于位错运动切过第二相粒子；弥散强化着眼于位错运动绕过第二相粒子；4) 位错强化：位错密度越高则位错运动越容易发生相互交割形成割阶，引起位错缠结，因此造成位错运动困难，从而提高了钢强度。
3 第三章 金属的结晶、变形与再结晶——【工程材料学】
（1） 形核
形核方式有两种：均匀形核和非均匀形核。
均匀形核即晶核在液态金属中均匀的形成；非均匀形核 即晶核在液态金属中非均匀的形成。
实际生产中，金属中存在杂质并且凝固过程在容器或铸 型中进行，这样，形核将优先在某些固态杂质表面及容器 或铸型内壁进行，这就是非均匀形核。
非均匀形核所需过冷度显著小于均匀形核，实际金属的 凝固形核基本上都属于非均匀形核。
颗粒钉扎作用的电镜照片
3.2.2 塑性变形对金属组织与性能的影响
一、 塑性变形对金属组织与结构的影响
1. 显微组织的变化 滑移带 孪晶带 晶粒形状
金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶 粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量 很大时，只能观察到纤维状的条纹（晶粒变成细条状），称 之为纤维组织。
Hall-Pitch关系：σs =σ0 + Kyd-1/2
三、 合金的塑性变形 根据组织，合金可分为单相固溶体和多相混合物两种。合
金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同。
奥氏体
珠光体
1. 单相固溶体的塑性变形 单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与
多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度 提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。
3.1 金属的结晶及铸件晶粒大小控制
凝固
金属由液态转变为固态的过程。
结晶
结晶是指从原子不规则排列的液 态转变为原子规则排列的晶体状 态的过程。
3.1.1 冷却曲线及结晶一般过程
一、 冷却曲线
温 度
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)
Tm
Tn
△T 过冷度
实际冷却曲线
时间
工程材料第三章PPT
金属结晶过程示意图 ★杂质符合“结构相似，尺寸相当” 原则
★实际金属和合金中以非自发形核为主
（2）晶核的长大：（实质就是原子 由液体向固体表面的转移。）
1）平面长大：冷却速度较小，表面向前平行推移长大
2）树枝状长大：冷却速度较大，形成负温度梯度，树枝 状的形状长大。
金属结晶示意图
平面长大的规则形状晶体 金 属 的 树 枝 晶
( L)
4)两相的重量。
L重量 66.7% 50 33.4kg
重量 33.3% 50 16.7kg
例：求30%Ni合金在1280 时相的相对量
温 度
时间
A 15 30 50
70
B
3．成分偏析
实际生产条件下为非平衡 结晶，因此，先后结晶的部 分成分会不相同。 ① 枝晶偏析（晶内偏析）： 先结晶的枝轴与后结晶的枝 轴间成分不同。 ② 区域偏析：由于不平衡冷 却造成宏观区域成分不一致。 例如焊接接头中的中心线偏 析和层状偏析。
4．杠杆定理 不同条件下，相的成分及其相对量可用杠杆定理求得。 1）确定两平衡相的成分 如图（a）所示，水平线与液相 线L的交点 即为相的成分。 2）确定两平衡相的相对量
QL
Qα
方法是：
① 设试验合金总量Q Me为1，液、固相的量分别为QL、Qα ， 则 Q Me =QL+Qα =1 ② 设液、固相含Ni浓度分别为α、c，而x（b）为试验合金中的平均 含Ni量(%)， 则 QL α +Qα c = Q Me b
QLα +Qα c = Q Me b = （QL+Qα ）b = QL b +Qα b Qαc -Qα b = QL b - QL α Qα（c -b ）= QL（ b – α）
工程材料第三章
TC
A
L+
L
L+
B N G
M
+ Sn%
E
F
Pb
Sn
β—Pb溶解于Sn中形成有限固溶体
一定成分的液相，在一定温度下同时结晶出成分不
同的两种固相的转变。 (α+β)—共晶体(组织)，均匀的机械混合物
(2)典型合金结晶过程
①端部固溶体合金I (wSn＜19.2%) 匀晶反应+二次析出 一次相(初生相) —直接从液相中结晶出的固相。 二次相(次生相) —由已有固相析出的新固相 二次析出—形成二次相的过程
3、典型转变
1394℃
-Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe
体心立方
面心立方
912℃
体心立方
3.2 二元合金相图
相图(状态图或平衡图) —合金在缓慢冷却条件下平衡相
与成分、温度之间的关系图形。
平衡状态：当外界条件不变时，体系的状态不随时间而 改变，即体系内各相的成分、结构和相对量 等均不发生变化。 平衡相：平衡状态时合金中的各相。 平衡组织：由平衡相所构成的组织。 平衡结晶：指合金在极缓慢条件下进行结晶的过程， 此时原子充分扩散。
3.2.1 合金相图的建立
热分析法。 纵坐标—T℃，
横坐标—成分。
Cu-Ni合金相图的建立
3.2.2 二元合金相图的基本类型
1、二元匀晶相图：二组元在液态和固态均能无限互溶所 构成的相图。如Cu－Au、Au－Ag、
Cu－Ni 等合金相图。
匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的结晶过程
(1)相图分析
①点 ②线 ③区
③钢中的重要硬化相。
它的数量、形状、大小和分布对钢的性能影响很大
工程材料第三章第3章的3.8和3.9节
第3章混凝土3.8 混凝土质量控制与评定3.8.1 混凝土质量的波动混凝土是多组分多物相，具有堆聚结构特征的非匀质材料，因此在一定尺度范围内其各部分的性质也会有一定差异。
在工程应用中，受诸多因素的影响，以主要性能指标衡量的混凝土质量会出现更加明显的波动，为保证工程质量和促进混凝土技术总体水平的提高，须加强混凝土质量控制。
在现代混凝土工程建设质量要求和混凝土预拌技术（混凝土商品化供应）的条件下，现行标准要求控制混凝土质量（性能）的内容主要包括：拌合物性能、力学性能、长期性能和耐久性能。
以混凝土强度作为质量指标为例，例如，在工地从同批混凝土中取样成型一批试件，在标准养护28 d后，试件抗压强度测试值不会是完全一样的。
其测试值波动的大小，既与混凝土所用的原材料质量有关，又与试块的制作和试验条件的控制有关。
因此可将引起混凝土强度波动的基本因素归纳为表3－20所示的两类。
可以看出，引起混凝土强度波动的原因是多方面的，而且，有些因素是不可避免的。
表3－20 引起混凝土强度波动的主要因素混凝土施工过程中，控制生产或对一个构筑物或构件进行质量评定时，需要多次取样制成试块，以其强度试验值来了解混凝土的质量情况。
另一方面，必须选用适当的数理统计方法来分析和评价试验结果。
实践证明，用统计特征值来反映混凝土的总体质量的变异程度，并由此来评定结构或构件中混凝土质量是否满足设计要求，是一个比较合理而有效的方法。
3.8.2 混凝土质量控制（1）混凝土质量的初步控制混凝土质量的初步控制包括组成材料的质量检验与控制和混凝土配合比的合理确定。
施工过程中不得随意改变配合比，并应根据水泥强度、骨料品质与种类、坍落度、水胶比、混凝土强度等混凝土质量的动态信息，及时通过试验进行调整，以保证合理施工配合比的正确实施。
（2）混凝土质量的生产控制混凝土质量的生产控制包括组成材料的计量、混凝土拌合物的搅拌与运输、浇注和养护等工序的控制。
1）计量与拌和 工程施工时，应在装备先进机械设备的混凝土拌合站集中生产混凝土。
工程材料 第一、二、三章
10
三 材料的发展历程
按材料的发展划分历史阶段：
工具：石斧、石刀、石块等， 用途：狩猎、耕作，获取生活必需品 工具或用具：青铜剑、铲、铜鼎、铜 罐、铜餐具等， 用途：兵器，农具，生活用品 工具：犁、锄 头、剪刀、釜 、火钳等 农业、手工业用具。 用途：农业、手工业，大大促进生产。
公元前10万年 石器时代
3
4
5
教材： 《工程材料》，刘天模 徐幸梓 编
参考书目： 《机械工程材料》，王运炎,朱莉 编 《机械工程材料》 ，王忠 编
6
课程结构
绪言
绪论、第一章 第二章 材料的结构 第三章材料制备过程 第四章相图 第五章材料的变形
材料的基础理论
工艺
第六章 钢的热处理
常用材料及其性能
A
O
O
O
ε
(a) (b)
ε
(c)
ε
拉伸试验（视频）
26
韧性的测量
27
硬度
硬度是材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划裂的能力。
通常材料的强度越高，硬度也越高。 硬度测试通常采用压入法： 在一定载荷作用下，用比工件更硬的压头缓慢压入被测工 件表面，使材料局部塑性变形而形成压痕，然后根据压痕面积大小 或压痕深度来确定硬度值。 工程上常用的硬度指标：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
结构材料：
主要利用其力学性能，用来制造承受载荷、传 递动力的零件和构件。 如：机床底座、钢梁、汽车的曲轴、传动轴等。
功能材料： 主要利用其物理性能，包括声、光、电、磁、
热等。用来制造具有特殊性能的元件。
如集成电路、信息记录材料、传感器、超导等。
33
思考题
零件设计时，选取σ0.2（σS）还是选取σb，
工程材料学第3章 材料的凝固与结晶
V冷
△T
N
晶粒细小
变质处理
机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
晶粒度即晶粒大小，一般情况下，晶粒愈小，则金属的强度、塑性、 韧性愈好，因此工程上细化晶粒是提高金属机械性能的最重要的途 径之一
凝固体的结构
表层等轴细晶区 晶粒细小，取向随机，尺 寸等轴，因为浇铸时锭模温度低，大的 过冷度加上模壁和涂料帮助形核，大的 形核率使与锭模接触的表层得到等轴细 晶区。 柱状晶区 随模具温度的升高，只能随 锭模的散热而降低温度，形核困难，只 有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长 速度不一样，那些较生长有利的部分晶 粒同时向内长大，掩盖了大量的晶粒， 形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒 区。 中心等轴晶区 凝固的进行后期，四周 散热和液体的对流，中心的温度达到均 匀，降到凝固店以下后，表层晶粒的沉 降、生长中碎断晶枝的冲入可作为核心， 且可向四周均匀生长，形成等轴晶。晶 核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗 大
二) 金属化合物的主要性能
具有一定程度的金属性质。 具有较高的熔点。 硬度较高。 脆性高。
(三）. 机械混合物 ( mechanical impurity )
机械混合物的结构特点 具有重量百分比的关系 溶剂A + 溶质B = C bcc fcc bcc + fcc 例如 88.5％F + 11.5％Fe3C = 100％P 体心 复杂结构 体心 + 复杂
工程材料学
第三章 材料的凝固与相图
纯金属的结晶 合金的相结构 合金的结晶与相图
第一节 纯金属的结晶 ( Crystal of Simple Metal )
凝固与结晶的概念
结晶的现象与规律
同素异晶(构)转变
工程材料学 第03章 结晶相图
二、二元相图
1. 概念： 所谓二元相图就是指仅含两个组元的合金体系对应的相图。相图 通常是通过测量不同成分的合金液体在冷却过程中的相变来获得的。 组元: 组元大多数情况下是元素。
2、相图特征（构成）
：
（1）7条线 AE、BE为液相线，温度在液相线上， 为单一液态； AC、BD为固相线，温度在此以下为 单一固溶体； CED：共晶反应线， 对应L+； CG、DH为 ， 固溶体的溶解度变 化线， 即：，固溶体的溶解度 随温度变化而发生变化的曲线。 （2） 6个相区 3个单相区：L、 、 3个两相区： L+, L+ 、 + 注：两个单相区由一个双相区分隔 (相律） （3）一个点 E：共晶成分点， 液体温度最低点。 成分在E点以左，为亚共晶（成分在 CE 范围） 成分在E点以右，为过共晶（成分在 ED 范围）
（2）间隙固溶体：一些小原子 （如C，O，N，H，Be）位于金 属晶格的间隙中，而不占据 晶格结点位置。形成的固溶 体（如：钢）。
2、金属间化合物：合金组元之间发 生相互作用，发生化学反应而生成一 种不同于各组元晶格的新的晶格结构 的相——金属间化合物，又称为中间 相（一般位于相图的中间位置） 金属间化合物类别：正常价化合物 电子化合物 间隙化合物
U——内能， S——熵 对于固态: GS＝US－TSS
从图中可以看出，在温度Tm处，两条曲线相交，在此温度处，两相
自由能相同
当T>Tm，GL<GS 液态稳定 当T<Tm，GL>GS 固态稳定 所以，只有当 T 在 Tm 以下， 才能保证液态转变为固态时自由 能是降低的，如在 Tn 温度处，两 者能量差为 Gv ，这能量差为液 →固转变的驱动力。 T ＝Tm－Tn 为过冷度，过 冷度愈大，Δ G愈大，结晶驱动 力愈大。
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同素异构转变
韧性、塑性好; 强度低、硬度低。
(体心立方) 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
2
(2) 渗碳体( Fe3C)
具有复杂结构的间隙化合物，Fe原子与C原子 之比3：1。
Fe3C熔点高（1227℃），不发生同素异晶转变。 Fe3C硬而脆，塑性、韧性几乎为零。 室温平衡状态下，铁碳合金中的碳大多以Fe3C
L
同素异构转变
D
C
L+ Fe3C F
γ+ Fe3C
K
Fe3CII Fe3CIII
三次渗碳体
Fe3C
49
相组成物： Fe3C ；F
相相对量：
F% 6.69 x 100% 6.69 0.0008
Fe3C%
x 0.0008 6.69 0.0008
100%
组织组成物：F（等轴晶）和Fe3CIII（小片状）
44
(4) GS线——A3线 合金冷却时自奥氏体A中开始析
出铁素体F的开始线；或者，加 热时F溶入A的终了线。
A
H
L+
B
NJ
γ+
γ
G
α α+γ S
P
Q Fe
L+γ
E
L
D
C
L+ Fe3C F
γ+ Fe3C
K
α+ Fe3C
C%
Fe3C 45
§3-3 铁碳合金平衡结晶分析
§3-3-1铁碳合金的分类
γ+ Fe3C
K
α+ Fe3C
Fe
C%
Fe3C26
N点
温度：1394℃； 碳质量分数：0%； 意义： -Fe →γ-Fe同素异构转变点。
27
A
L+
B
H
J
N
γ+
γ
G
α
α+γ S
P
L+γ
E
【P点】
L
D
C
L+ Fe3C F
γ+ Fe3C
K
α+ Fe3C
Fe
C%
Fe3C28
P点
温度：727℃； 碳质量分数：0.0218%； 意义： 碳在α-Fe中的最大溶解度。
γ+
γ
L+γ
E
【线1】
L
D
C
L+ Fe3C F
G
α α+γ S
P
Q Fe
γ+ Fe3C α+ Fe3C
C%
K
34
Fe3C
①包晶点J与包晶转变线HJB
1495 ℃ ，C%=0.17％ LB+δH→AJ
即 L0.53+ δ0.09 → A0.17 包晶反应生成碳在γ-Fe中的间隙固溶体，
即奥氏体组织，用A表示。 碳的质量分数0.09%～0.53%的铁碳合
K
α+ Fe3C
C%
Fe3C
41
ES线：碳在奥氏体A中的固溶线——Acm
1148 ℃ ，2.11%（E）； 727 ℃，0.77% （S）
碳的质量分数大于0.77%的铁碳合金自 1148℃冷至727℃的过程中，将从A中析出 Fe3C，称为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。
42
A
H
L+
B
NJ
γ+
G点
温度：912℃； 碳质量分数：0%； 意义：γ-Fe →α-Fe同素异构转变。
21
A
L+
B
HJ
N
γ+
γ
G
α
α+γ S
P
L+γ
E
【H点】
L
D
C
L+ Fe3C F
γ+ Fe3C
K
α+ Fe3C
Fe
C%
Fe3C22
H点
温度：1495℃； 碳质量分数：0.09%； 意义：碳在 -Fe中的最大溶解度。
LC → AE+Fe3C
15
A
L+
B
H
J
N
γ+
γ
G
α
α+γ S
P
L+γ
E
【D点】
L
D
C
L+ Fe3C F
γ+ Fe3C
K
α+ Fe3C
Fe
C%
Fe3C16
D点
温度：1227℃； 碳质量分数：6.69%； 意义：Fe3C的熔点。
17
A
L+
B
H
J
N
γ+
γ
G
α
α+γ S
P
【E点】
L+γ
39
(2) 液固相线
A
H
L+
B
NJ
γ+
γ
G
α α+γ S
P
Q Fe
液相线ABCD 固相线AHJECF
L
D
L+γ
E
C
L+ Fe3C F
γ+ Fe3C
K
α+ Fe3C
C%
Fe3C
40
(3) 溶解度线
A
H
L+
B
NJ
γ+
γ
G
α α+γ S
P
Q Fe
【ES线】
L+γ
E
L
D
C
L+ Fe3C F
γ+ Fe3C
的机械混合物，称为莱氏体组织(Ld)。 碳的质量分数在2.11%～6.69%间的铁碳合
金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。
37
A
H
L+
B
NJ
γ+
γ
G
α α+γ S
P
Q Fe
【线3】
L+γ
E
L
D
C
L+ Fe3C F
γ+ Fe3C
K
α+ Fe3C
C%
Fe3C
38
③共析点S与共析转变线PSK——A1线
23
A
L+
B
H
NJ
γ+
γ
G
α
α+γ S
P
L+γ
E
【J点】
L
D
C
L+ Fe3C F
γ+ Fe3C
K
α+ Fe3C
Fe
C%
Fe3C24
J点
温度：1495℃； 碳质量分数：0.17%； 意义：包晶点，
LB + H→AJ
25
A
L+
B
H
N
J
γ+
γ
G
α
α+γ S
P
L+γ
E
【N点】
L
D
C
L+ Fe3C F
L+
B
H
J
N
γ+
γ
L+γ
E
【A点】
L
D
C
L+ Fe3C F
G
γ+ Fe3C
α
α+γ S
K
P
α+ Fe3C
Fe
C%
Fe3C10
A点
温度：1538℃； 碳质量分数：0%； 意义：纯铁的熔点。
11
A
H
L+
B
J
N
γ+
γ
G
α
α+γ S
P
L+γ
E
【B点】
L
D
C
L+ Fe3C F
γ+ Fe3C
K
根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为三类：
(1) 工业纯铁[wc ≤0.0218%] (2) 钢[0.0218%< wc ≤2.11%
(3) 白口铸铁[2.11%< wc <6.69%]
46
工业纯铁室温平衡组织为铁素体（F），呈白色 状。强度低、硬度低，不宜用作结构材料。
钢的共同特点：高温下都有塑性良好的奥氏体 （A）组织，适合于压力加工。
29
A
L+
B
H
J
N
γ+
γ
G
S α
α+γ
P
L+γ
E
【S点】
L
D
C
L+ Fe3C F
γ+ Fe3C
K
α+ Fe3C
Fe
C%
Fe3C30
S点
温度：727℃； 碳质量分数：0.77%； 意义： 共析点，
AS→FP+Fe3C
31
A
L+
B
H
J
N
γ+
γ
G
α
α+γ S
P
Q
α+ Fe3C
Fe
C%
Fe3C12
B点
温度：1495℃； 碳质量分数：0.53%； 意义：包晶转变时（LB + H →AJ）
液相合金的成分。
13
A
L+