金属材料及热处理第八章 有色金属
金属材料与热处理课后习题
第一章金属材料基础知识1、什么是强度？材料强度设计的两个重要指标分别是什么？2、什么是塑性？塑性对材料的使用有何实际意义？3、绘出简化后的Fe-Fe3C相图。
4、根据Fe-Fe3C相图，说明下列现象的原因。
（1）含碳量1%的铁碳合金比含碳量0.5%的铁碳合金的硬度高。
（2）一般要把钢材加热到1000~1250℃高温下进行锻轧加工。
（3）靠近共晶成分的铁碳合金的铸造性能好。
5、随着含碳量的增加，钢的组织性能如何变化？6、铁碳相图中的几个单相分别是什么？其本质及性能如何？第二章钢的热处理原理1、何谓奥氏体？简述奥氏体转变的形成过程及影响奥氏体晶粒长大的因素。
奥氏体晶粒的大小对钢热处理后的性能有何影响？2、什么是过冷奥氏体与残余奥氏体。
3、为什么相同含碳量的合金钢比碳素钢热处理的加热温度要高、保温时间要长？4、画出共析钢过冷奥氏体等温转变动力学图。
并标出：（1）各区的组织和临界点（线）代表的意义；（2）临界冷却曲线；，S，T＋M组织的冷却曲线。
（3）分别获得M、P、B下5、什么是第一类回火脆性和第二类回火脆性？如何消除？6、说明45钢试样（Φ10mm）经下列温度加热、保温并在水中冷却得到的室温组织：700℃，780℃，860℃，1100℃。
7、马氏体的本质是什么？它的硬度为什么很高？是什么因素决定了它的脆性？8、简述随回火温度升高，淬火钢在回火过程中的组织转变过程与性能的变化趋势。
第三章钢的热处理工艺1、简述退火的种类、目的、用途。
2、什么是正火？正火有哪些应用？3、什么是淬火，淬火的主要目的是什么？4、什么是临界冷却速度？它与钢的淬透性有何关系？5、什么是表面淬火？表面淬火的方法有哪几种？表面淬火适应于什么钢？简述钢的表面淬火的目的及应用。
6、有一具有网状渗碳体的T12钢坯，应进行哪些热处理才能达到改善切削加工性能的目的？试说明热处理后的组织状态。
7、简述化学热处理的几个基本过程。
渗碳缓冷后和再经淬火回火后由表面到心部是由什么组织组成？8、什么是钢的淬透性和淬硬性？影响钢的淬透性的因素有哪些？如何影响？9、过共析钢一般在什么温度下淬火？为什么？10、将共析钢加热至780℃，经保温后，请回答：（1）若以图示的V1、V2、V3、V4、V5和V6的速度进行冷却，各得到什么组织？（2）如将V1冷却后的钢重新加热至530℃，经保温后冷却又将得到什么组织？力学性能有何变化？11、甲、乙两厂生产同一种零件，均选用 45 钢，硬度要求 220 ～ 250HBS 。
金属材料及热处理
金属材料及热处理一、（一）材料：是人们用来制作各种产品的物质。
现代材料各类目前已多达40多万种，且每年以5%的速度增加。
(二)机械工程材料：指机械工程中使用的材料。
分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料。
1、金属材料：分为黑色金属和有色金属。
黑色金属包括铸铁、碳钢、合金钢。
铸铁和碳钢又称为铁碳合金。
有色金属分为轻有色金属（铝、镁）、重有色金属（铜、铅）、稀有色金属和稀土。
2、高分子材料：有塑料、合成橡胶、合成纤维。
3、陶瓷材料：分为硅酸盐材料和工程陶瓷。
硅酸盐材料包括玻璃、传动陶瓷、耐火材料。
工程陶瓷包括除Sio2之外的其他氧化物、碳化物、氮化物。
4、复合材料包括纤维增强复合材料、粒子增强复合材料、复合材料。
（三）金属材料：1、概念：一般指工业应用中的纯金属或合金。
自然界中的纯金属大约有种，常见的有：金、银、铜、铁、锡、铝、铅、锌、镍等。
而合金是指两种或两种以上的金属或金属与非金属结合而成的，具有金属特性的材料。
常见的合金有：铁碳合金（钢），铜锌合金（黄铜）。
金属：是指具有光泽（强可见光、强烈反射），富有延展性（可塑性），具有良好的导电性和导热性的物质。
除汞以液态存在外，其余的都以固态形式存在，其最大特点是其晶体内含有自由电子（通常为正）且有易失去自由电子的倾向。
他们的熔点、沸点、密度等都较高，绝大多数以化合物形式存在，少数的以游离态存在（金、银），大部分金属为银白色或争灰色，少数不是，如金为黄赤色，铜为暗红色。
2、金属的分类：分为黑色金属和有色金属。
（1）黑色金属：包括碳钢、铸铁、合金钢。
碳钢是含碳量≤2.11%，并含有少量硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。
铸铁是含碳量为2.5%—4.0%的铁碳合金。
合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入合金元素，如加入铬、镍、硅、钨、钼等。
（2）有色金属：除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金或除钢铁以外的其它金属及其合金。
3、钢的分类（1）按化学成份：碳素钢、合金钢（2）按品质普通钢、优质钢、高级优质钢（3）按含碳量：低碳钢〔＜0.25%〕、中碳钢〔0.25—0.6%〕、高碳钢〔﹥0.6%〕（4）按用途：建筑及工程用钢、结构钢、工具钢、特殊性能钢、专业用钢。
金属材料及其热处理
㈡ 热处理工艺
工艺
目的
加热温度
组织
退火
1.调整硬度,便于切削加工。 2.细化晶粒,为最终热处理作组织准备。
亚共析钢Ac3+30~50℃ 共析钢 Ac1+30~50℃ 过共析钢Ac1+30~50℃
F+P P P球
正火
1.低中碳钢同退火。 2.过工析钢：消除网状二次渗碳体。 3.普通件最终热处理
三、组织
㈠ 纯金属的组织 1、结晶：金属由液态转变为晶体的过程 ⑴ 结晶的条件——过冷：在理论结晶温度以下发生结晶的现象。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。 ⑵ 结晶的基本过程——晶核形成与晶核长大 形核——自发形核与非自发形核 长大——均匀长大与树枝状长大
⑶ 结晶晶粒度控制方法：①增加过冷度；②变质处理；③机械振动、搅拌 2、纯金属中的固态转变 同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。 固态转变的特点：①形核部位特殊；②过冷倾向大;③伴随着体积变化。
2、冷却时的转变
⑴ 等温转变曲线及产物
650℃
600℃
550℃
350℃
A1
MS
Mf
时间
P
S
T
B上
B下
M
M+A’
A→P
A→S
A→T
A→B上
A→B下
《金属材料与热处理》教学大纲
《金属材料与热处理》教学大纲一、课程名称金属材料与热处理二、先修课程高等数学大学物理工程力学三、课程性质、目的及任务《金属材料与热处理》是机械类专业必修的技术基础课。
该课程理论性较强，新概念较多，同时又与生产实际有着密切联系。
为了使学生较好地消化所学知识，在学习本课程前，学生应安排金工实习，使他们对金属冶炼、加工及热处理有一个概括认识。
主要讲授金属材料典型组织、结构的基本概念，金属材料的成分、组织结构变化对性能的影响，热处理的基本类型及简单热处理工艺的制定，合金钢种类、牌号、热处理特点及应用，为学生从事机械设计、制造及相关的工作打下基础。
四、本课程的基本要求通过本课程学习，要求学生1、统掌握金属材料基本理论及基本知识，初步具备应用所学理论知识分析解决实际问题的能力，为选材和热处理工艺制定打下一定的基础。
2、使学生在金属材料基础理论及基本知识方面具备应用阅读一般专业文献及进一步提高自修能力。
3、初步具备应用光学金相分析金属及合金组织的能力。
五、课程内容与学时分配六、课程的内容第一章金属的结构和结晶（一）教学目的了解金属的特征；金属的晶体结构；实际金属晶体中的晶体缺陷；金属结晶的基本概念（二）教学的重点、难点重点：体心立方，面心立方，密排六方的三种常见晶体结构；结晶的形核和长大，晶粒大小控制难点：冷却曲线、过冷度（三）教学内容金属与非金属特性；金属的晶格、点阵、晶胞、体心立方，面心立方，密排六方晶格；点缺陷、面缺陷；线缺陷；液金属与固态金属的相同与不同之处，结晶过各的形核与长大，形核与过冷度关系，晶粒大小与性能关系、晶粒大小的控制（四）本章小结实际金属是多晶体，由许多晶粒构成。
晶粒内部原子是规则排列的，其晶粒的晶体结构大都为体心立方，面心立方，密排六方。
液态金属变为固态金属的过程称为结晶，结晶是在一定的过冷度下过行的。
晶煜细小，金属的综合性能就好。
（五）本章思考题和实中内容概念题：巩固所学基本概念实训内容：观察金相试样或标准金相图片。
金属材料与热处理(最全)PPT课件
铁碳合金和铁碳相图
3.1 铁碳合金中的组元和基本相 3.2 Fe-Fe3C相图 3.3 典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织 3.4 铁碳合金的成分－组织－性能关系 3.5 铁碳相图在工业中的应用
• 工业纯铁：塑性较好 ，强度较低，具有铁 磁性，在一般的机器 制造中很少应用，常 用的是铁碳合金
• 铁素体（F）：碳溶 于 -Fe中的一种间 隙固溶体，体心立方 晶体结构，组织和性 能与工业纯铁相同
珠光体（P）：铁 素体和渗碳体 的机械混合物 ，是两者呈层 片相间的组织 ，即层片状组 织特征，可以 通过热处理得 到另一种珠光 体的组织形态
五个单相区： ABCD 以上-液相区（L） ；AHNA- 固溶体 区（ ）； NJESGN- 奥 氏 体 区 （ A）；GPQ 以 上-铁素体区（F） ；DFKL-渗碳体区 （Fe-Fe3C）
• 奥氏体（A）：碳溶 于 -Fe中的一种间隙 固溶体，具有面心立 方晶体结构，塑性好 ，变形抗力小，易于 锻造成型
铁碳合金中的组元和基本相
渗碳体：铁和碳 的金属化合物 （ 即 Fe3C） 属 于复杂结构的 间隙化合物， 硬而脆，强度 很低，耐磨性 好，是一个亚 稳定的化合物 ，在一定温度 下可分解为铁 和石墨
七个两相区（两相邻 的单相区之间） ：
L+,L+A,L+Fe3C, +A,F+A,A+Fe3C,F +Fe3C
Fe-Fe3C相图
包晶反应： HJB水平线
LB＋H（1495°） AJ
包晶反应仅可能在含碳 量0.09～0.53％的铁 碳合金中，其结果 生成生成奥氏体
恒温转变线
共晶反应： ECF水平线
Ae＋Fe3C （1148°） Lc
金属材料热处理工艺
奥氏体型不锈钢：固溶处理，性能更好塑料，韧性，耐腐蚀性，焊接 性能等不能通过热处理强化；
铁素体：也是不能通过热处理强化，高温抗氧化性好及具有更好的耐 腐蚀性。
金属材料热处理工艺
有色金属热处理：
铝合金： LY12 T6处理
固溶+时效
490-500℃
固溶
快冷
150℃ 时效
金属材料热处理工艺
硬度
静载压入法：布氏硬度、洛氏硬度、 维氏硬度和显微硬度。 （HB； HR； HV）
奥氏体：A、γ
珠光体：P
屈氏体：T 索氏体：S
回火屈氏体：T’
回火索氏体：S’
残余奥氏体：Ar、γR、AR 铁素体：F、α
渗碳体：Fe3C
马氏体：M 贝氏体：B（ B上、B下 ）
金属材料热处理工艺
工艺-组 织
工艺-性 能
组织-性 能
力学性能
金属材料热处理工艺 热处理相关规律
一个规律：组织－成分－结构－工艺－性 能 二个文件：Fe－Fe3C相图、TTT图(C曲线） 三个过程：加热、保温、冷却 四把火：淬火、回火、正火、退火 五大相变：奥氏体转变、珠光体转变、马 氏体转变、贝氏体转变、回火转变（合金 时效） 六大方面：晶体学、形态学、热力学、动 力学、力学性能、相变机理
金属材料热处理工艺
布氏硬度HBS或HBW：
压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表
示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。
压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，
适用于布氏硬度在650以下的材料。
布 氏 硬 度
金属材料热处理工艺
洛氏硬度 • 洛氏硬度用符号HR表示
• 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标
(完整)金属材料及热处理习题 有答案
第1章钢的热处理一、填空题1．热处理根据目的和工序位置不同可分为预备热处理和最终热处理.2．热处理工艺过程由加热、保温和冷却三个阶段组成。
3．珠光体根据层片的厚薄可细分为珠光体、索氏体和屈氏体。
4．珠光体转变是典型的扩散型相变,其转变温度越低,组织越细，强度、硬度越高。
5．贝氏体分上贝氏体和下贝氏体两种.6．感应加热表面淬火,按电流频率的不同，可分为高频感应加热淬火、中频感应加热淬火和工频感应加热淬火三种.而且感应加热电流频率越高，淬硬层越薄。
7．钢的回火脆性分为第一类回火脆性和第二类回火脆性,采用回火后快冷不易发生的是第二类回火脆性 . 8．化学热处理是有分解、吸收和扩散三个基本过程组成.9．根据渗碳时介质的物理状态不同，渗碳方法可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种.10．除Co外，其它的合金元素溶入奥氏体中均使C曲线向右移动，即使钢的临界冷却速度变小，淬透性提高。
11．淬火钢在回火时的组织转变大致包括马氏体的分解,残余奥氏体的分解,碳化物的转变，碳化物的集聚长大和a相的再结晶等四个阶段。
12．碳钢马氏体形态主要有板条和片状两种，其中以板条强韧性较好。
13、当钢中发生奥氏体向马氏体转变时，原奥氏体中碳含量越高，则Ms点越低，转变后的残余奥氏体量就越多二、选择题1．过冷奥氏体是C温度下存在，尚未转变的奥氏体。
A．Ms B．M f C．A12．过共析钢的淬火加热温度应该选择在A,亚共析钢则应该选择在C。
A．Ac1+30~50C B．Ac cm以上 C．Ac3+30~50C3．调质处理就是C。
A．淬火＋低温回火 B．淬火＋中温回火 C．淬火＋高温回火4．化学热处理与其他热处理方法的基本区别是C.A．加热温度 B．组织变化 C．改变表面化学成分5．渗氮零件在渗氮后应采取（ A ）工艺。
A.淬火+低温回火B.淬火+中温回火 C。
淬火+高温回火 D.不需热处理6．马氏体的硬度主要取决于马氏体的（C ）A.组织形态B.合金成分 C。
金属热处理习题及答案
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。
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？3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？4.晶面指数和晶向指数有什么不同？5.实际晶体中的点缺陷，线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响？6.为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？7.过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？8.金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？9.在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？在生产中如何应用变质处理？第二章金属的塑性变形与再结晶1．解释下列名词：加工硬化、回复、再结晶、热加工、冷加工。
2．产生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金属加工中有什么利弊？3．划分冷加工和热加工的主要条件是什么？4．与冷加工比较，热加工给金属件带来的益处有哪些？5．为什么细晶粒钢强度高，塑性，韧性也好？6．金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化？7．分析加工硬化对金属材料的强化作用？8．已知金属钨、铁、铅、锡的熔点分别为3380℃、1538℃、327℃、232℃，试计算这些金属的最低再结晶温度，并分析钨和铁在1100℃下的加工、铅和锡在室温（20℃）下的加工各为何种加工？9．在制造齿轮时，有时采用喷丸法（即将金属丸喷射到零件表面上）使齿面得以强化。
试分析强化原因。
第三章合金的结构与二元状态图1．解释下列名词：合金，组元，相，相图；固溶体，金属间化合物，机械混合物；枝晶偏析，比重偏析；固溶强化，弥散强化。
2．指出下列名词的主要区别：1）置换固溶体与间隙固溶体；2）相组成物与组织组成物；3．下列元素在α-Fe 中形成哪几种固溶体?Si、C、N、Cr、Mn4．试述固溶强化、加工强化和弥散强化的强化原理,并说明三者的区别.5．固溶体和金属间化合物在结构和性能上有什么主要差别？6. 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.7．二元合金相图表达了合金的哪些关系？8．在二元合金相图中应用杠杆定律可以计算什么？9. 已知A（熔点600℃）与B(500℃) 在液态无限互溶；在固态300℃时A溶于B 的最大溶解度为30% ，室温时为10%，但B不溶于A；在300℃时，含40% B 的液态合金发生共晶反应。
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※ 可热处理强化的铝合金，合金元素含量 位于B、D之间，可通过热处理显著提 高机械性能。
包括硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金。
四、铝合金的强化机理
1、固溶强化
b、特殊硅铝明
为了增加铝合金强度，向合金加入能 形成强化相 CuAl2（θ相），Mg2Si（β相）， Al2CuMg（S相）的合金元素 Cu、Mg。
2、Al-Cu系铸造铝合金
合金中含有少量共晶组织，故铸造性 能不好，抗蚀性及强度也低于硅铝明，应 用较少。
如：ZL203 ZL201
3、Al-Mg系铸造铝合金 ZL301 ZL302
第八章 有色金属
有色金属：除钢铁以外的所有金属统称为有 色金属。
有色金属及其合金与钢铁相比，具有许 多特性：
☆ Al，Mg，Ti及其合金密度小 ☆ Au，Cu，Ag及其合金导电性好 ☆ Ni，Mo，Nb，Co及其合金耐高温 ☆ Cr，Ni，Ti及合金具有优良的耐蚀性
▲ 有色金属及其合金的应用越来越多，在国 民经济中占据越来越重要的地位。
五、铝合金的表示方法
1、铸造铝合金
ZL * ** 表示合金顺序号 表示合金系列 1-Si 2-Cu 3-Mg 4-Zn
铸造铝合金
2、变形铝合金
表示方法同前铝合金的牌号表示（P6）
六、常用铸造铝合金
1、 Al-Si 系铸造铝合金（硅铝明）
a、简单硅铝明
含11～13% Si，铸造Fra bibliotek几乎全部得到共晶组织，因而流动性很好，铸造发生热 裂的倾向小，但铸件致密度不高。可采用 压铸，增加致密度。
飞机制造业：轻金属占总重量的95%， 钢铁及其它材料占5%。
▲ 汽车制造业中铝合金、镁合金的使用量越 来越多。
▲ 镁合金在“3C”产品的应用近年来急剧增 长（年递增20%）。
C：COMPUTER C：COMMUNICATION C：CONSUMER ELECTRONICS PRODUCTS
▲钛及其合金在航天、航空、化工等领域应用 越来越多。
牌号中第二位数字或字母表示原始纯铝或铝 合金的改型情况，其中数字0和字母A分别表示 原始纯铝和原始合金，1~9或B~Y表示改型情况。
牌号中最后两位数字用以标识同一组中不同 的铝合金，纯铝则表示铝的最低质量分数中小数 点后面的两位。
如1070代表原始纯铝，AL含量99.7%
一、工业纯铝
① 具有面心立方晶格，无同素异构转变。
对于铸造铝合金，过剩相强化是主要手段。
4、细化晶粒强化
在铝合金中添加微量合金元素细化组织 是提高机械性能的另一种重要手段。细化组 织包括细化铝合金固溶体基体和过剩相组织。
铸造铝合金常加入微量变质剂，进行变 质处理。
常用变质剂：2/3 NaF +1/3 NaCl
变形铝合金中添加微量的钛、锆、铍及 稀土元素，它们能形成难溶化合物，在合金 结晶时作为非自发晶核，起细化晶粒作用， 以提高强度及塑性。
械性能，在铝中加入Cu、Zn、Mg、Si、Mn、
等元素制成铝合金。
铝合金仍保持纯铝密度小，抗蚀好等特 点，但机械性能比纯铝高得多。
2、组织特点
合金元素在铝中的溶解度一般都是有 限的，因此铝合金组织中除了形成铝基固 溶体（α）外，还有第二相（金属间化合 物）出现。
CuAl2 θ相；Mg2Si β相；Al2CuMg S相。
第一节 铝及其合金
铝是自然界中储量最丰富的金属元素之 一，在工业中成为仅次于钢铁材料的一种重 要工业金属。
我国新的国家标准对变形铝及铝合金的 命名方法，采用的是国际四位数字体系牌号 和四位字符体系牌号两种方式。
牌号中第一位数字表示铝及铝合金的组别， 其中1代表纯铝，2~7分别代表以铜、锰、硅、 镁、锌等为合金元素的铝合金，8代表以其它合 金元素为主要合金元素的铝合金，9代表备用合 金组。
合金元素加入纯铝中，形成铝基固溶体， 起固溶强化作用，使其强度提高。铝的合金 化一般都形成有限固溶体，且都具有较大的 极限溶解度。
2、时效强化
铝合金的热处理强化，主要是由于合金元 素在铝中有较大固溶度且随温度降低而急剧减 小，故铝合金经加热到一定温度淬火后，可以 得到过饱和的铝基固溶体，这种过饱和的铝基 固溶体放置在室温或加热到某一温度时，其强 度、硬度随时间的延长而提高，塑性、韧性则
优点：耐蚀性好，强度高，密度小（2.55 比纯铝还轻）。
缺点：铸造性能差。
4、Al-Zn系铸造铝合金 ZL401
优点：铸造性能好，强度高（铸造冷却时 自行淬火），经时效后就有较高的 强度，价格低。
三、铝合金的分类
根据合金元素的含量和加工工艺性能 特点，把铝合金分为：
变形铝合金 铸造铝合金
A
3
4B
C
Al D
1
2
1—变形铝合金 2—铸造铝合金 3—不能热处理强化的铝合金 4—能热处理强化的铝合金
1、铸造铝合金
一般而言，具有共晶成分的合金具有优 良的铸造性能。铸造铝合金为了保证足够的 机械性能，并不完全都是共晶成分，只是合 金元素含量较高，在8~25% 。
② 密度2.72g/cm3，约为铁的三分之一，铝合金 密度一般为2.5~2.88 g/cm3之间。
③ 具有良好的导电、导热性，仅次于银、铜、金。
④ 在大气中具有优良的抗腐蚀性（与氧亲和力大， 能形成一层致密的氧化膜Al2O3）。
⑤ 具有高塑性、较低的强度
二、铝合金
• 1、成分特点
纯铝的机械性能不高，为了提高铝的机
降低，这一过程称为时效（时效强化）。
淬火加时效处理是铝合金强化的重要手段。
3、过剩相强化
当铝中加入的合金元素超过其极限溶解 度时，淬火加热时便有一部分不能溶入固溶 体的第二相出现，成为过剩相。
这类过剩相多为硬而脆的金属间化合物，起 阻碍滑移和位错运动的作用，使铝合金强度、硬 度提高，但塑、韧性下降，过剩相过多时，合金 变脆，强度急剧下降。
2、变形铝合金
这类铝合金要经冷、热加工成各种型材， 因此要求具有良好的冷热加工工艺性能，组 织中不允许有过多的脆性第二相。所以变形 铝合金中合金元素的含量比较低，一般不超 过B点成分。合金元素总量<5%。
※ 变形铝合金按其成分和性能特点，又可 分为不能热处理强化的铝合金和可热处 理强化的铝合金。