工程材料与热加工(一)习题答案第9章
第9章固态相变和热处理
4
9.1.2 钢的临界温度
平衡转变温度： A1、 A3、Acm
实际加热时转变温度：
Ac1、 Ac3、Accm
实际冷却时转变温度：
Ar1、Ar3、Arcm
5
9.2 钢在加热时的转变
9.2.1 共析钢的奥氏体形成过程 >Ac1 As（ ） P（α＋ Fe3C） Wc%: 0.02 6.69 晶格： b.c.c 正交 0.77 f.c.c
36
9.3.4过冷奥氏体连续冷却转变曲线及其应用 上临界冷却速度与下临界冷却速度
vk表示过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解， 全部冷至Ms点以下发生马氏体转变的最小冷却速 度，称为上临界冷却速度或临界淬火速度； （critical cooling rate） vk′表示过冷奥氏体全部得到珠光体的最大冷却速度， 称为下临界冷却速度。 当实际冷却速度大于vk时只发生马氏体转变；当其 小于vk′时，只发生珠光体转变；当大于vk′而小于vk 时，则先发生珠光体转变后发生马氏体转变。
500
400 300
转变开始线 M+过冷A
200
100 0 -100 0
Mf
M
1 10 102 103
104
时间(s)
27
3.孕育期 －－转变开始线与纵坐标轴之间的距离。 过冷奥氏体的稳定性取决于其转变的孕育期 （incubation period） 在曲线的“鼻尖”处(约550℃)孕育期最短，过 冷奥氏体的稳定性最小，在该温度等温，其转 变速度最快 。 鼻尖温度至A1温度之间，随温度下降(即过冷度 增大)，孕育期变短，转变速度加快，过冷奥氏 体的稳定性降低； 在鼻尖温度至Ms之间，随着温度下降，孕育期 变长，转变速度减慢，过冷奥氏体的稳定性提 高。
工程材料与热加工试题
《工程材料与热加工》综合练习题一、填空题。
1．金属材料的力学性能主要有强度（）、（）、（）和疲劳强度。
2．金属抵抗永久变形和断裂的能力称为（），常用的力学指标有Ъs和（）。
3．（）是指材料表面抵抗局部塑性变形的能力，是反映材料软硬程度的力学性能指标，常用的有布氏硬度符号（），（）硬度符号（）。
（）硬度符号（），4．常见的金属晶格有体心立方晶格和（），（）。
5．常用的塑性指标有延伸率和（）两项，分别用符号（），（）表示。
6．一种组元均匀熔解在另一种组元中而形成的晶体称。
7．根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，可将固溶体分为（）固溶体和（）固溶体两大类。
8．渗碳体是（）与（）的化合物，其分子式为（）。
9．纯金属液态结晶过程是（）形成及（）长大的过程。
10．理论结晶温度与实际结晶温度之差称（）。
11．钢锭组织是由表层细晶粒区，（）和（）组成的。
12．细化铸件晶粒大小的方法有增大过冷度，（）和（）。
13．铁碳合金状态图是用来表示合金元素的组织与（）和温度之间的关系图形。
14．铁素体是碳溶解于（）中的间隙固溶体。
15．奥氏体是碳溶解于r－Fe中的（）固溶体。
16．铁素体和渗碳体的机械混合物称（）。
17．含碳量＜2.11%的铁碳合金称为（）。
18．含碳量＞2.11%的铁碳合金称为（）。
19．根据铁碳相图把铁碳合金中的钢分为亚共析钢，（）和（）。
把白口铸铁分为亚共晶白口铸铁，（）和（）。
20．钢的热处理是钢在固态范围内通过加热（）和（）的方法。
21．钢的普通热处理分为退火（）淬火和（）。
22．钢的回火按加热温度不同分为低温回火（）和（）。
23．碳钢中常存的有益元素有（）、（）有害元素有（）、（）。
24．在固态下，随温度的变化，其晶格类型会发生转变的现象称（）转变。
25．碳钢按钢中含碳量可分为低碳钢（）、（）。
26．生产中淬火常用的冷却介质有水，盐水（）和（）等。
27．（）是将钢加热到Ac3以上30～50℃，保温一定时间，随炉冷至600℃以下，再出炉空冷的退火工艺。
工程材料与热处理作业题参考答案
⼯程材料与热处理作业题参考答案1.置换固溶体中，被置换的溶剂原⼦哪⾥去了？答：溶质把溶剂原⼦置换后，溶剂原⼦重新加⼊晶体排列中，处于晶格的格点位置。
2.间隙固溶体和间隙化合物在晶体结构与性能上的区别何在？举例说明之。
答：间隙固溶体是溶质原⼦进⼊溶剂晶格的间隙中⽽形成的固溶体，间隙固溶体的晶体结构与溶剂组元的结构相同，形成间隙固溶体可以提⾼⾦属的强度和硬度，起到固溶强化的作⽤。
如：铁素体F是碳在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构与α-Fe相同，为体⼼⽴⽅，碳的溶⼊使铁素体F强度⾼于纯铁。
间隙化合物的晶体结构与组元的结构不同，间隙化合物是由H、B、C、N等原⼦半径较⼩的⾮⾦属元素（以X表⽰）与过渡族⾦属元素（以M表⽰）结合，且半径⽐rX /rM＞0.59时形成的晶体结构很复杂的化合物，如Fe3C间隙化合物硬⽽脆，塑性差。
3.现有A、B两元素组成如图所⽰的⼆元匀晶相图，试分析以下⼏种说法是否正确？为什么？（1）形成⼆元匀晶相图的A与B两个相元的晶格类型可以不同，但是原⼦⼤⼩⼀定相等。
（2）K合⾦结晶过程中，由于固相成分随固相线变化，故已结晶出来的固溶体中含B量总是⾼于原液相中含B量.（3）固溶体合⾦按匀晶相图进⾏结晶时，由于不同温度下结晶出来的固溶体成分和剩余液相成分不相同，故在平衡态下固溶体的成分是不均匀的。
答：（1）错：Cu-Ni合⾦形成匀晶相图，但两者的原⼦⼤⼩相差不⼤。
（2）对：在同⼀温度下做温度线，分别与固相和液相线相交，过交点，做垂直线与成分线AB相交，可以看出与固相线交点处B含量⾼于另⼀点。
(3)错：虽然结晶出来成分不同，由于原⼦的扩散，平衡状态下固溶体的成分是均匀的。
4.共析部分的Mg-Cu相图如图所⽰：(1)填⼊各区域的组织组成物和相组成物。
在各区域中是否会有纯Mg相存在？为什么？答: Mg-Mg2Cu系的相组成物如下图：（α为Cu在Mg中的固溶体）Mg-Mg2Cu系的组织组成物如下图：（α为Cu在Mg中的固溶体，）在各区域中不会有纯Mg相存在，此时Mg以固溶体形式存在。
工程材料与热加工习题参考答案
第1章习题参考答案自测题一、填空题1. 强度、刚度、硬度、塑性、韧性2. σe σs σb3. 屈服点规定残余伸长率为0.2%时的应力值塑性变形4. 断后伸长率断面收缩率断面收缩率5. 应力场强度因子断裂韧度断裂二、判断题1.（×）2.（×）3.（×）4.（×）习题与思考题1.①因为δ5=L1L0L5d0100%=1100%=25% L05d0δ10=L1L0L10d0100%=1100%=25% L010d0所以L1（5）=6.25d0同理L1（10）=12.5d0②长试样的塑性好。
设长试样为A,短试样为B,已知δ所以δ5B=δ10A，因为同一种材料，δ5〉δ10，5B=δ10A<δ5A,则δ5B<δ5A，即长试样的塑性好。
2.合格。
因为σs=FS21100268.79MP >225 MP aa S03.1425σb=Fb34500439.5 MP >372MPaa S03.1425L15d065500100%30%>27% 100%=505d0δ5=S0S15232ψ=100%64%>55% 所以，该15钢合格2S033.（1）洛氏硬度HRC；（2）洛氏硬度HRB；（3）洛氏硬度HRA；（4）布氏硬度HB；（5）维氏硬度HV。
第2章习题解答参考自测题一、填空题1. 体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格2. （1）A （2）F （3）Fe3C （4）P （5）Ld （6）Ld'3. F+P 大高低4. 过冷过冷度细好5. 固溶体金属化合物成分、组织、状态、温度6.二、判断题1.（×）2.（√）3.（×）习题与思考题1.根据晶体缺陷的几何形态特征，实际金属晶体中存在有点、线、面缺陷。
在这些缺陷处及其附近，晶格均处于畸变状态，使金属的强度、硬度有所提高。
2.(1）钢材加热到1000～1250℃时为单相奥氏体组织，奥氏体强度、硬度不高，塑性、韧性好，变形抗力小，适于热轧、锻造。
第9章半固态成形技术
液态加工 （铸造成形）
半固态加工 (流变/触变成形)
固态加工 （塑性成形）
重力铸造 精密铸造 压力铸造
高流 速变 连铸 续造
铸 造
液态模锻 液态铸轧 连续铸挤 半固态轧制 半固态挤压 半固态压铸 半固态锻造
连连 续铸 带轻 液压 芯下 压 下
轧制 锻压 挤压 超塑成形 特种固体成形
图1 金属在高温下三态成形加工方法的相互关系
②枝晶臂根部熔断机制。
晶体在表面积减小的正常长大过 程中，枝晶臂由于受到流体的快速 扩散、温度涨落引起的热震动及在 根部产生应力的作用，有利于熔断， 同时固相中根部溶质含量较高，也 降低熔点，促进此机制的作用，机 理如图9所示。
图9 枝晶臂发生熔断示意图
③枝晶臂弯曲机制。 此机制认为，位错的产生并积累导致塑性变形。在两相区，位错
图8 球形微粒固态金属加工两种方法(流变成形和触变成形)的工艺流程图
半固态浆料搅动时的组织演变受很多因素影响，半固态浆料的 温度、固相分数和剪切速率是三个基本因素。
有色金属半固态组织的演变机制主要有以下三种：
①枝晶臂根部断裂机制。因剪切力的作用使枝晶臂在根部断裂。
最初形成的树枝晶是无位错和切口的理想晶体，很难依靠沿着自 由浮动的枝晶臂的速度梯度方向产生的力来折断。因此，必须加强 力搅拌，在剪切力作用下从根部折断。
(1)半固态成形技术定义
半固态成形原理
利用非枝晶半固态金属(Semi-Solid Metals，简称SSM)独有的 流变性和搅熔性来控制铸件的质量。
半固态 成形方法
流变成形 rheoforming
在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作 用，充分破碎树枝状的初生固相，得到一种 液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生 固相的固-液混合浆料(固相组分一般为50%左 右)，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进 行成形加工的方法称之为半固态金属的流变 成形。
工程材料与热处理复习题及答案
晶体与非晶体的本质区别是什么？定义：【晶体】具有规则几何形状的固体【非晶体】指组成它的原子或离子不是作有规律排列的固态物质区别：具有一定的熔点是一切晶体的宏观特性，也是晶体和非晶体的主要区别。
特点：晶体点阵是晶体粒子所在位置的点在空间的排列。
相应地在外形上表现为一定形状的几何多面体，这是它的宏观特性晶体的另一基本特点是有一定的熔点，不同的晶体有它不相同的熔点。
且在熔解过程中温度保持不变。
非晶体没有固定的熔点，随着温度升高，物质首先变软，然后由稠逐渐变稀，成为流体。
＊课外习题：一判断题1．碳素工具钢都是优质或高级优质钢。
( x )2．做普通小弹簧应用15钢。
( x )3．T12A和CrW5都属高碳钢，它们的耐磨性、红硬性也基本相同( x )4．除Fe和C外还含有其他元素的钢就是合金钢。
( x )5．Crl2Mo钢是不锈钢。
( x )6．不锈钢中的含碳量越高，其耐腐蚀性越好。
( x )8．Q295是低合金结构钢。
( x )9．1Crl8Ni9Ti是高合金工具钢。
( x )10．受力小、形状简单的模具，常用碳素工具钢制造。
( V )12．60Si2Mn的最终热处理方法是淬火后进行高温回火。
． ( x )13．预先热处理的目的，是为了消除或改善前工序引起的缺陷。
( V )14．大型铸件在扩散退火后不再进行一次正火或完全退火。
( x )15．去应力退火，一般可在Ac1点以上温度加热，保温4—6h后，缓冷至200—300℃再出炉 (x)。
16．含碳量高于0.8％的钢，一般不能采用正火工艺。
( V )17．钢在加热时，往往在600℃以上才开始发生氧化现象。
( x )18．钢中的杂质元素中，硫使钢产生热脆性，磷使钢产生冷脆性，因而硫、磷是有害元素。
( V )19．退火与回火都可以消除钢中的应力，所以在生产中可以通用。
( x )20．淬火过程中常用的冷却介质是水、油、盐和碱水溶液。
( x )21．碳素工具钢的含碳量都在0．7％以上，而且都是优质钢。
工程材料及热工艺课后习题答案
材料工程及热工艺（陈培里版）课后习题答案第二章2、金属具有哪些特性？请用金属键结合的特点予以说明。
答案要点：特性：好的导电、导热性能，好的塑性；强度、硬度有高有低，熔点有高有低，但机械行业常用那些好的综合力学性能（强度、硬度、塑性、韧性）、好的工艺性能的材料；金属键：由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。
在金属晶格中，自由电子作穿梭运动，它不专属于某个金属原子而为整个金属晶体所共有。
在外电场作用下，自由电子定向运动，产生电流，即导电。
这种结构，很容易温度变化时，金属原子与电子的振动很容易一个接一个传递，即导热。
当金属晶体受外力作用而变形时，尽管原子发生了位移，但自由电子的连接作用并没变，金属没有被破坏，故金属晶体有较好的塑性、韧性。
因为金属键的结合强度有高有低，故金属的强度、硬度、熔点有高有低。
6、实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对力学性能有何影响？答案要点：存在着点缺陷（空位、间隙原子、置换原子），线缺陷（位错），面缺陷（晶界、亚晶界）。
点缺陷引起晶格畸变，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。
线缺陷很少时引起各项力学性能均下降，当位错密度达一定值后，随位错密度升高，强度、硬度升高，塑性、韧性下降，机械制造用材中位错密度基本均大于这一值。
面缺陷的影响力：晶界越多(即晶粒越细)，四种机能均升高。
7、晶体的各向异性是如何产生的？为何实际晶体一般都显示不出各向异性？答案要点：因为理想晶体中原子作规则排列，不同方向的晶面与晶向的原子密度不同，导致不同方向的原子面的面间距、原子列的列间距不同，即不同方向的原子间的作用力不同，也就体现出各向异性。
实际晶体常为多晶体，各种晶面、晶向沿各个方向的分布机率均等，所以各向同性。
第三章1、从滑移的角度阐述为什么面心立方金属比体心立方和密排六方金属的塑性好？答案要点：塑性变形的实质是滑移面上的位错沿滑移方向滑移造成的，而滑移面是晶体中的密排面，滑移方向是密排方向。
工程材料课后习题参考答案 华科大版
第一章金属的晶体结构与结晶1．解释下列名词点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体，过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。
答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。
线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。
如位错。
面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。
如晶界和亚晶界。
亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。
亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。
刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。
滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。
如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。
单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。
多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。
过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。
自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。
非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。
变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。
变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。
2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、 Pb 、 Cr 、 V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格；γ－Fe 、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格；Mg、Zn属于密排六方晶格；3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。
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第9章习题解答参考
自测题
一、名词解释
1. 余块：
为了简化锻件形状以便于进行自由锻造而增加的这一部分金属，称为余块，如键槽、齿槽、退刀槽以及小孔、盲孔、台阶等难以用自由锻方法锻出的结构，必须暂时添加一部分金属以简化锻件的形状。
2. 拉深：
拉深是指变形区在一拉一压的应力状态作用下,使板料（或浅的空心坯）成形为空心件（或深的空心件）而厚度基本不变的加工方法。
3. 可锻性：
材料在锻造过程中经受塑性变形而不开裂的能力叫金属的可锻性。
金属的可锻性可用塑性和塑性变形抗力来综合衡量。
塑性越高，变形抗力越小，金属的可锻性就越好。
4. 锻造比：
锻造生产中代表金属变形大小的一个参数，一般用锻造过程中的典型工序的变形程度来表示：
如镦粗工序，锻造比为：y=A
A0
=
H0
H
；拔长锻造比：y=
A0
A
=
L
L0
式中：A0、A为锻前、锻后工件的截面积，H0、L0、H、L为锻前、锻后工件的高(或长)度。
二、填空题
1. 塑性大小变形抗力塑性变形抗力
2. 增加下降降低
3. 锥体凸台圆柱相贯
4. 最小弯曲半径
5. 塑性
6. 好于
7. 好
三、判断题
1.（×）
2.（√）
3.（√）
习题与思考题
一、简答题
1.
钢的锻造温度范围是指锻件由始锻温度至终锻温度的范围。
始锻温度过高,容易产生过热和过烧缺陷,一般控制在固相线以下200℃左右。
终锻温度应能保证坯料有足够的塑性和停锻后能获得细小的晶粒。
终锻温度过高时,再结晶后的细小晶粒会继续长大；终锻温度过低时,不能保证钢的再结晶过程充分进行,使锻件产生冷变形强化和残余应力,有时因塑性太差而产生锻造裂纹。
2.
自由锻是指用简单的通用性工具,或在锻造设备的上、下砧铁之间直接对坯料施加外力，使坯料产生变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件的加工方法。
自由锻基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲、扭转、错移及锻接等。
拔长是使坯料横断面积减小、长度增加的锻造工序。
拔长常用于锻造杆、轴类零件。
镦粗是使毛坯高度减小，横断面积增大的锻造工序。
主要用于锻造齿轮坯、圆饼类锻件。
冲孔是在坯料上冲出透孔或不透孔的锻造工序。
切割是指将坯料分成几部分或部分地割开,或从坯料的外部割掉一部分,或从内部割出
一部分的锻造工序。
弯曲是采用一定的工模具将坯料弯成所规定的外形的锻造工序,称为弯曲。
扭转是将毛料的一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的锻造工序,该工序多用于锻造多拐曲轴和校正某些锻件。
错移是指将坯料的一部分相对另一部分平行错开一段距离，但仍保持轴心平行的的锻造工序，常用于锻造曲轴零件。
锻接是将坯料在炉内加热至高温后，用锤快击，使两者在固态结合的锻造工序。
锻接的方法有搭接、对接、咬接等。
锻接后的接缝强度可达被连接材料强度的70%～80%。
3.
自由锻生产的锻件多为简单的圆柱体、棱柱体和简单的弧形表面。
结构工艺性方面，锻件上应避免有锥形和楔形表面；应避免出现加强肋，工字形截面等复杂结构；应避免曲面与曲面相交。
4.
金属的可锻性可用塑性和塑性变形抗力来综合衡量。
塑性越高，变形抗力越小，金属的可锻性就越好；低的塑性变形抗力使设备耗能少；优良的塑性使产品获得准确的外形而不遭破裂。
影响金属可锻性的主要因素有：金属的本质和变形条件。
金属的本质：
（1）化学成分：纯金属比合金的可锻性好；含合金元素少的合金，其可锻性好。
（2）组织：单相组织（纯金属或固溶体）的可锻性好；化合物呈弥散分布的合金，其可锻性优于呈网状分布的；细晶粒组织的可锻性优于粗晶粒组织。
变形条件：
（1）加热温度：加热温度高，可锻性好。
但温度过高，会引起过烧或过热。
（2）变形速度：变形速度不大时，回复和再结晶来不及消除加工硬化，可锻性下降；变形速度大于一定值后，由于塑性变形的热效应使材料温度升高，回复和再结晶充分，可锻性提高。
（3）应力状态：压应力越多，材料的塑性越好；拉应力越多，塑性越差。
5.
使板料经分离或成形而得到制件的工艺统称为冲压。
生产中常用的冲压工序可分为两大类：一类是分离工序,主要包括切断、落料、冲孔、切口、切边等，剪刀或模具在外力作用下,使板料发生剪断而分离。
另一类是变形工序,主要包括弯曲、拉深、翻边、起伏、缩口和胀形等，模具在外力作用下,使板料发生塑性变形而改变其形状和尺寸。
冲压是锻压加工中的先进加工方法之一。
冲压有如下特点：
（1）多用于压制形状复杂的薄壁零件,并且能使其强度高,刚度大,重量轻。
（2）冲压件表面光滑且有足够的尺寸精度,不需要进一步切削加工即可满足一般互换性要求。
（3）操作简单迅速,易于实现自动化,生产率高。
（4）冲模制造复杂,大批量冲压生产时才能使冲压件成本降低。
冲压所需的板料必须具有足够的塑性,常用的金属板材有低碳钢、高塑性的合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金等
二、综合题
1.
主要工序：双面冲孔、芯棒拔长
2.
图9-47 自由锻锻件
3.
图a: 所示结构不合理，图中有加强筋，不适合用自由锻成型。
图b: 所示结构不合理，图中有锥形结构，不适合用自由锻成型。
图c: 所示结构不合理，图中有凸台结构，不适合用自由锻成型。
图d: 所示结构不合理，图中有尖角结构，不适合用模锻成型。
图e: 所示结构不合理，图中有深孔，不适合用模锻成型。
图f: 所示结构不合理，图示分型,上、下模膛过深，模锻成型时不能充满模膛。
图g: 所示结构不合理，图中圆柱孔邻近弯曲处，弯曲变形之外侧与圆柱孔交接处应力集中程度大，过大拉应力易使工件断裂。
图h: 所示结构不合理，落料件有尖角，易损伤模具。
图i: 所示结构不合理，拉深件底部应有圆角，否则易拉裂。