工程材料习题集参考答案(第四章)

习题集部分参考答案4合金的结构与相图思考题1.何谓合金？合金中基本的相结构有哪些？答：合金是指两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。

合金中基本的相结构有固溶体、金属化合物两类。

2.相组成物和组织组成物有何区别？答：相组成物是指组成合金中化学成分、结构和性能均匀一致的部分。

组织组成物是指显微组织中具有某种形貌特征的独立部分。

两者的区别在于相组成物是不涉及金相形态的。

3.固溶体合金和共晶合金的力学性能和工艺性能有什么特点？答：固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，但由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度、硬度提高，且大多固溶体还保持着良好的塑性。

而共晶合金组织为二相混合物时，合金的性能与成分呈直线关系。

当共晶组织十分细密时，硬度和强度会偏离直线关系而出现峰值。

共晶合金熔点低，流动性好，易形成集中缩孔，不易形成分散缩孔，铸造性能较好。

4.合金的结晶必须满足哪几个条件？答：合金的结晶需要满足结构、能量和化学成分三个条件（或者叫三个起伏）。

5.纯金属结晶与合金结晶有什么异同？答：相同点：形成晶核、晶核长大；能量和结构条件。

不同点：合金结晶还需要“化学成分条件”；从结晶的自由度看，纯金属结晶是一个恒温过程，而合金的结晶常常在某个温度范围内进行。

6.固溶体的主要类型有哪些?影响固溶体的结构形式和溶解度的因素有哪些？答：按溶质原子在固溶体(溶剂)晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体；按固溶度可分为有限固溶体和无限固溶体；置换固溶体按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点可分为无序固溶体和有序固溶体。

影响固溶体的结构形式和溶解度的因素很多，目前比较公认的有①原子尺寸因素；②晶体结构因素；③电负性因素；④电子浓度因素。

7、试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理，并说明三者的区别。

答：固溶强化是由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度和硬度增加。

加工硬化是金属在冷塑性变形时，随着变形量的增加，出现位错的缠结，位错密度增加，造成材料的强度、硬度增加的现象。

弥散硬化是当超细第二相(强化相)大量均匀分布在材料基体中，造成位错运动受阻而引起的强度、硬度升高的现象。

异同点：三种强化都是利用位错运动受阻来强化合金的。

不同的是固溶强化和弥散强化都是利用合金化来强化合金的；而加工硬化而是通过力的作用产生塑性变形，增大位错密度以增大位错运动阻力来强化合金。

8、固溶体和金属化合物在结构和性能上有什么主要区别？答：固溶体晶体结构同于组成固溶体的溶剂的晶体结构，大多具有强而韧的性能特点；而金属化合物的晶格类型完全不同于组成金属化合物的任一组元的晶体结构，金属化合物一般具有硬而脆的性能特点。

9、机械混合物的构成方式有哪几种？答：机械混合物是各相按照一定的重量比组成的物质。

各相之间在一定的条件下既不溶解，也不化合，保持各自的晶格结构，各相之间是纯机械混合。

它们的构成方式常有：固溶体与固溶体的组成，也有固溶体与金属化合物的组成等。

10、合金结晶中可能出现的三种偏析应如何控制并使之尽量减少？答：1．晶内（枝晶）偏析，该情况取决于浇铸时的冷却速度，偏析元素扩散能力和液固相线的距离等，可以通过退火将偏析消除。

２．区域性偏析：在较大范围内化学成分不均匀的现象，退火无法将该情况消除，这种偏析与浇温、浇速等有关。

３．比重偏析：合金凝固时由于合金中组元比重的不同所引起的偏析。

降低比重偏析的方法有，如使合金成分均匀；尽量缩短液态合金的放置时间；加快冷却速度及合理控制铸件的凝固方向等11、什么是杠杆定律？它有什么用途？答：组成合金二相的质量比等于这二相成分点到合金成分点距离的反比叫杠杆定律。

它能够确定二相区内任一成分的合金在任一温度下处于平衡时各相的质量。

12、合金的性能与相图之间的关系如何？答：相图表示合金在平衡条件下合金的状态与成分、温度之间的关系图解。

它是在十分缓慢的条件下用热分析法测定的。

利用相图可以知道不同成分的合金在不同温度、平衡条件下存在哪些相、各相的相对数量、化学成分及条件变化时可能发生的相变，相图是研究合金组织及其变化规律的有效工具。

13、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？答：共晶反应是指一定成分的液相在一定温度下，转变为两种成分不同结构不同的固相的反应。

包晶反应是指在一定温度下，一定成分的固相与包围它的成分一定的液相相互作用，形成一个一定成分的固相的反应。

共析反应是指一定成分的固相在一定温度下，转变为两种成分不同结构不同的固相的反应。

异同点：三个反应都是在恒温过程，反应时都必须具备温度和成分条件。

不同的是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。

14、二元合金相图表达了合金的哪些关系？答：二元合金相图表达了合金的状态与温度和成分之间的关系。

15、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。

简述纯铁的性能和用途。

答：金属在结晶之后继续冷却时或由固态加热直至熔化前皆会发生晶体结构的变化，凑够一种晶格转变为另外一种晶格，这种现象称为同素异构转变。

纯铁的结晶冷却曲线和晶体结构变化如下：图略（见教材P27 ，图3.10）。

纯铁较软，具有较好的抗腐蚀性，韧性和延展性较高，硬度和强度较低。

纯铁在工业中应用较少，主要用于实验研究。

16、默画出Fe-Fe3C相图，并按组织组成物填写各个相区。

答：17、何谓一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体和共析渗碳体？它们之间有何异同？其金相形态如何？答：一次渗碳体：在Fe-Fe3C相图相图中，碳含量大于4.3％时，在L＋Fe3C两相区内结晶析出的初生Fe3C为一次渗碳体，形成温度于共晶温度1148℃以上，形貌呈条状。

碳含量于4.3%～6.69%是其典型成分区间。

二次渗碳体：在Fe-Fe3C相图中，碳含量大于0.77％时，在A＋Fe3C两相区内析出的Fe3C 为二次渗碳体，形成温度于共晶温度1148℃与共析温度727℃之间，形貌呈网状。

碳含量于0.77%～6.69％是其典型成分区间。

三次渗碳体：在Fe-Fe3C相图中，F＋Fe3C两相区内析出的Fe3C为三次渗碳体，形成温度于共析温度727℃以下，形貌呈断续网状（细片状）。

共晶渗碳体：于共晶温度1148℃形成的共晶组织A＋Fe3C中的Fe3C体。

形貌呈基体状。

碳含量约为4.3%。

共析渗碳体：于共析温度727℃形成的共析组织F+Fe3C中的Fe3C，形貌呈片状。

碳含量约为0.77%。

18、为何各种非共晶成分的合金也能在共晶温度发生部分共晶转变？答：各种非共晶成分的合金在结晶过程中，随着温度的降低，开始从液体中析出α固溶体或ß固溶体，液相的成分随着液相线变化，固相成分随着固相线变化，当温度降到共晶温度时，此时合金中液相的成分变到了共晶点，于是剩下的合金液相将发生共晶转变，这一转变一直在恒温下进行到剩余液相全部转变为共晶组织为止。

19、Fe-Fe3C相图在选材、热处理、锻造、铸造等方面有什么用途？答：根据Fe-Fe3C相图中合金成分、组织和性能之间的变化规律，可以根据零件的服役条件来选择材料。

如要求良好的焊接和冲压性能的零件，应选用组织中铁素体较多、塑性较好的低碳钢来制造；如要求具有良好综合力学性能的零件，应选用中碳钢来制造；如要求高硬度、高耐磨性，就应该选用高碳钢；性质复杂的箱体和机座，则应该选中铸造性能较好的铸铁来制造。

在锻造方面，钢处于单相奥氏体时，塑性较好，变形抗力较小，便于锻造成型。

从Fe-Fe3C 相图中，可以看到共晶成分或接近共晶成分的合金不仅熔点低，而且凝固温度区间也较小，具有较好的铸造流动性，不易形成分散缩孔，适宜于铸造，在生产中得到了广泛的应用。

根据对工件材料性能要求的不同，各种不同热处理方法的加热温度选择都必须参考Fe-Fe3C相图，才能满足响应的性能要求。

20、何谓铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体？它们的结构、组织、形态、性能等各有何特点？答：铁素体是在碳在α-Fe中的固溶体。

为体心立方晶格，具有磁性及良好的塑性，硬度较低，用3%-4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析刚中铁素体呈块状分布。

奥氏体是碳溶于γ-Fe形成的间隙固溶体，晶体结构为面心立方，其溶碳能力较大，强度低，可塑性强，顺磁相。

渗碳体是铁和碳形成的一种化合物，其含碳量为6.69%，质硬而脆，耐腐蚀性强，经3%-4%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体能被染成黑色或棕红色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体与渗碳体。

按照成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的形态：一次渗碳体是直接由液体中结晶出来的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体是从奥氏体中析出的，往往呈网络状沿奥氏晶界分布；三次渗碳体是从铁素体中析出的，通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处,数量极微可忽略不计。

珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。

在一般退火处理情况下,是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织。

经硝酸酒精溶液侵蚀后,在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特性的珠光体组织。

莱氏体是在室温时珠光体及二次渗碳体和渗碳体所组成的机械混合物。

含碳量为4.3%的共晶白口铸铁在1148℃时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体,其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体,并在727℃以下分解为珠光体。

莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。

二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起,从形式上难以区分。

21、Fe-Fe 3C 合金相图有何作用？在生产实践中有何指导意义？又有何局限性？答：①碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。

铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用，各种热加工工艺的制订以及工艺废品原因的分析等方面都有重要指导意义。

②为选材提供成分依据： 相图描述了铁碳合金的组织随含碳量的变化规律，合金的性能决定于合金的组织，这样根据零件的性能要求来选择不同成分的铁碳合金；为制定热加工工艺提供依据：对铸造，根据相图可以找出不同成分的钢或铸铁的熔点，确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏。

对于锻造：根据相图可以确定锻造温度。

对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性；对热处理：相图更为重要，如退火、正火、淬火的加热温度都要参考铁碳相图加以选择。

③由于铁碳相图是以无限缓慢加热和冷却的速度得到的，而在实际加热和冷却时的相变过程通常都有不同程度的滞后现象。