工程材料课后答案

1—５在下面几种情况下,该用什么方法来测试硬度?写出硬度符号。(1)检查锉刀、钻头成品硬度;(２)检查材料库中钢材硬度;(３)检查薄壁工件得硬度或工件表面很薄得硬化层;(4)黄铜轴套;(5)硬质合金刀片; (1)检查锉刀、钻头成品硬度采用洛氏硬度试验来测定,硬度值符号HＲC。

(２)检查材料库中钢材硬度采用布氏硬度试验来测定,硬度值符号HＢW。

(3)检查薄壁工件得硬度或工件表面很薄得硬化层硬度采用洛氏硬度试验来测定,硬度值符号HRC。

(4)黄铜轴套硬度采用布氏硬度试验来测定,硬度值符号ＨBW。

(5)硬质合金刀片采用洛氏硬度试验来测定,硬度值符号HRC。

２-4单晶体与多晶体有何差别?为什么单晶体具有各向异性,多晶体具有各项同性？

单晶体就是由原子排列位向或方式完全一致得晶格组成得;多晶体就是由很多个小得单晶体所组成得,每个晶粒得原子位向就是不同得。因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同,造成原子间结合力不同,因而表现出各向异性;而多晶体就是由很多个单晶体所组成,它在各个方向上得力相互抵消平衡,因而表现各向同性、

２-５简述实际金属晶体与理想晶体在结构与性能上得主要差异。

理想晶体中原子完全为规则排列,实际金属晶体由于许多因素得影响,使这些原子排列受到干扰与破坏,内部总就是存在大量缺陷、如果金属中无晶体缺陷时,通过理论计算具有极高得强度,随着晶体中缺陷得增加,金属得强度迅速下降,当缺陷增加到一定值后,金属得强度又随晶体缺陷得增加而增加、因此,无论点缺陷,线缺陷与面缺陷都会造成晶格崎变,从而使晶体强度增加。同时晶体缺陷得存在还会增加金属得电阻,降低金属得抗腐蚀性能。

2—6简述间隙固溶体与间隙化合物得异同点。

间隙固溶体与间隙化合物都就是溶质原子嵌入晶格间隙形成得、间隙固溶体得晶体结构与溶剂得结构相同,而间隙化合物得晶体结构不同于组成它得任一组元,它就是以分子式来表示其组成、

3－３常用得管路焊锡为成分ｗ(Ｐb=５０%)、w(Sｎ=５０％) 得Ｐb－Sn合金。若该合金以及慢速度冷却至室温,求合金显微组织中相组成物与组织组成物得相对量、

图3－1Pb－Ｓn合金相图图3-2 w(Ｐb=50%)Pb-Sn合金室温组织

由相图(图3－1)可知,成分为w(Pb=50%)、w(Sｎ=5０％) 得Pb－Sn合金(亚共晶合金)以慢速度冷却至室温时发生得结晶过程为:先进行匀晶转变(L→α),匀晶转变剩余得液相再进行共晶转变、极慢冷却至室温后形成得组织为先共晶固溶体α与共晶组织(α+β)。由于α固溶体得溶解度随温度变化较大,所以先共晶固溶体α中有点状βII析出(图３-2)。

相组成:先共晶α相得相对量为:1—(50－19、2)/(6１。9-19。2)=72。13% 共晶组织中得α相占全部合金得相对量:45、5％＊7２.13%＝32、82％

共晶组织中得β相相对量为１－3２、８2％=67、18％

３—４请根据图３、44分析解答下列问题:

分析合金1、2得平衡结晶过程,并会出冷却曲线;

说明室温下1、2得相与组织就是什么,并计算相与组织得相对含量;

如果希望得到得组织为:共晶组织与５%得?初,求该合金得成分、

解(1)(2):合金得冷却曲线如图3-３所示。

图3—3 合金I 得冷却曲线

其结晶过程为:

1以上,合金处于液相;

1～2时,L→α,L 与α得成分分别沿液相线与固相线变化,到达２时,全部凝

固完毕;

２时,为单相α;

2～3时,α→βIＩ、α→β室温下,I合金由两个相组成,即α与β相,其相对量为

Mα＝(0。90-0.20)/(0。９0—0.05)＊100%=８2%Ｍβ＝1- Mα=18％

I合金得组织为α+βII,其相对量与组成物相同。

ＩＩ合金得冷却曲线如图3-4所示、

图３－４合金II得冷却曲线其结晶过程如下:

1以上,合金处于均匀得液相;

1~2时,进行匀晶转变L→β初;

2时,两相平衡共存,Ｌ０.５0=＝β0。9０;

2～２,时,剩余液相发生共晶反应: Ｌ０。５0=＝α0、20+β0、90

2~3时,发生脱溶转变,α→β∏

室温下,II合金由两个相组成,即α相与β相,其相对量为:

Mα＝(0.90—０。８0)/(0.90-0、０5)*１0０%=12％Mβ=1－Mα=88％

II合金得组织为:β初+(α+β)共晶;组织组成物得相对量为:

ｍβ初=(０.80-0。５0)/(0.９0—0、50)*10０%=７５%ｍ(α+β)共晶=1-mβ初=25%

解(3):设合金得成分为wB=x,由题意知:

mβ初=(ｘ-0。５0)/(0、90—０。5０)*100％=5%

所以ｘ=0.５2,即该合金成分为ｗB=0。52。

3-５画出相图,标出相区及各主要点得成分与温度,并回答下列问题: (1)45、60、T12钢得室温平衡组织分别就是什么？它们从高温也太平衡冷却到室温要经过哪些转变？

45钢室温平衡组织: 铁素体?+珠光体P

冷却过程:匀晶转变L0.４5→ Ｌ0。5３+δ,包晶转变L0.5３+δ→ γ0.45,同素异晶转变γ0。45→α ＋γ０。77,共析转变γ0。７7→ (α+Ｆe３Ｃ)、

60钢室温平衡组织:铁素体?+ 珠光体P

冷却过程:匀晶转变L0.60→Ｌ0。53+ δ,包晶转变Ｌ0。５3 ＋δ→ γ０。6０,同素异晶转变γ0、60→ α+ γ０。７7,共析转变γ０。７7 → (α +Ｆｅ３C)。

T12钢室温平衡组织:珠光体P + 渗碳体Fe3C

冷却过程:过共析钢在液态到室温得冷却过程中,首先进行匀晶转变,形成单相固溶体γ;当温度到达ES线以下时,过饱与得固溶体γ中析出渗碳体(二次渗碳体Fe3CIＩ),奥氏体γ得成分变到共析点S(０、77％

C);共析转变γ０、7７→(α+Fe3Ｃ),形成珠光体P。

(2)画出纯铁４5钢Ｔ12钢得室温平衡组织,并标注其中得组织。

图3—345钢得室温平衡组织(铁素体?+ 珠光体P)

图３-4 Ｔ12钢得室温平衡组织(珠光体Ｐ+ 渗碳体Ｆe３C)

(３)计算室温下４5钢T1２钢得平衡组织中相组成与组织组成物得相对量。

应用杠杆定律计算4５钢中铁素体α与珠光体P得相对量,选择α +γ二相区,共析温度７27oC。

Ｔ12钢得Qα＝(2、11—1。2)/ (2、11-０.0２18)=３3.9% QP＝1—３3。９%＝６6。1%

(4)计算鉄碳合金中二次渗碳体与三次渗碳体最大得相对量。

WFｅ3CⅡ＝(2。1４-0。８)／(６、6９－0。８)*10０％=23％?W Ｆe3CⅢ=0、02／6、69*1０0%＝３３%

二次渗碳体得最大百分含量为２2.6%,三次渗碳体得最大百分含量为0、3３％

(5)应用相图解释下列现象:

①钢柳丁一般用低碳钢合成;

钢柳丁一般要求具有良好得塑性与韧性,所以钢柳丁一般要求用低碳钢合成、

②绑扎物件一般用铁丝(镀锌低碳钢丝),而起重机吊重物时却用钢丝绳(60钢６5钢70刚等组成);

亚共析钢(碳得质量分数在0.0218%～０。７7%)室温下得组织为铁素体加珠光体,低碳钢丝(碳得质量分数在0.021８%~0。25％)组织中铁素体得比例大,所以低碳钢丝塑性、韧性好,绑扎物件时,易于操作;而６0钢、65钢、70钢等组织中珠光体得量多,所以强度,适于作起重机吊重物用得钢丝绳。

③T8钢得强度高于T12钢得强度。

强度〉Ｔ１２钢,因为强度就是一个组织敏感量,当含碳量超过0。9％以后,二次渗碳体呈网状分布,将珠光体分割开,因此强度下降。

3－6现有两种鉄碳合金,其中一种合金得显微组织中珠光体量占75％,铁素体量占25％;另一种合金得显微,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:第一种就是亚共析钢,含碳量为0.０２18％到0.77%之间,后面一种就是过共析钢碳含量为0.77％到2.１1%。

3－７现有形状尺寸完全相同得４块平衡状态得鉄碳合金,她们得含碳量分别为w(C)=0.2%、w(C)=０、4％、ｗ(C)=1.2％、w(C)=３。５％。根据您所学得知识,可用那些办法来区别她们?

答:第一种:根据金相实验铁碳相图来区别它们:含碳量分别为w(C)=0.2％得鉄碳合金金相中全部就是单相得α相。而含碳量分别为w(C)＝0。4%得鉄碳合金金相由α相与珠光体(P)相组成;而含碳量分别为w(C)=1、2%得鉄碳合金金相由珠光体(P)相与二次渗碳体组成;而含碳量分别为w(C)=3、５%得鉄碳合金金相主要由变态莱氏体(Ld’)相与一次渗碳体相组成。

第二种:随着含碳量得增加,铁碳合金得硬度随之增加,分别测试其硬度,按照其硬度大小可得其含碳量得大小。

3-８简述晶粒大小对金属力学性能得影响,并列举几种实际生产中细化铸造晶粒得方法。

晶粒大小对金属力学性能与工艺性能有很大影响。在一般情况下,晶粒愈细小,金属得强度、塑性、韧性及抗疲劳能力愈好,所以,细化晶粒就是强化金属材料得最重要途径之一。为了细化铸件晶粒以改善其性能,常采用以下方法:增加过冷度;进行变质处理(孕育处理);振动与搅拌、

3－9说明金属实际凝固时,铸锭得3种宏观组织得形成机制、

金属铸锭凝固时,由于表面与中心得结晶条件不同,其结构就是不均匀得,整个体积中明显得分为三种晶粒状态区域:细等轴晶区、柱状晶区与粗等轴晶区。(1)液体金属注入锭模时,由于锭模温度不高,传热快,外层金属受到激冷,过冷度大,生成大量得晶核、同时模壁也能起非自发晶核作用。结果,在金属得表层形成一层厚度不大、晶粒很细得细晶区。(2)细晶区形成得同时,锭模温度升高,液体金属得冷却速度降低,过冷度减小,生核速率降低,但此时长大得速度受到得影响较小,结晶过程进行得方式主要就是,优先长大方向与散热最快方向得反方向一致得晶核向液体内部平行长大,结果形成柱状晶区、(3)随着柱状晶区得发展,液体金属得冷却速度很快降低,过冷度大大减小,温度差不断降低,趋于均匀化,散热逐渐失去方向性,所以在某个时候,剩余液体中被推来得杂质及从柱状晶上被冲下来得晶枝碎块,可能成为晶核,向各个方向均匀长大,最后形成粗大得等轴晶区。

5－3过冷奥氏体在不同温度等温转变时,可得到哪些转变产物？试列表比较她们得组织与性能。

根据等温温度不同,其转变产物有珠光体型与贝氏体型两种、

高温转变

Ac1～６５０℃珠光体P 粗片状铁素体与渗碳体混合物HRC<２５;

6５０～600℃索氏体S 600倍光学金相显微镜下才能分辨得细片状珠光体HRC为25~3５;

６０0～550℃托氏体T 在光学金相显微镜下已无法分辨得极细片状珠光体HRC为35～40;

中温转变

550~３５0℃上贝氏体B上羽毛状组织ＨＲＣ4０～4５;

3５0℃～Ｍs 下贝氏体Ｂ下黑色针状或称竹叶状组织HＲC ４5~55;

5-4什么就是Ｖk？其主要影响因素有哪些？

Vｋ就是指淬火临界冷却速度。其主要受化学成分得影响:亚共析钢中随着含碳量得增加,C曲线右移,过冷奥氏体稳定性增加,则Vk减小,过共析钢中随着含碳量得增加,C曲线左移,过冷奥氏体稳定性减小,则Vk增大;合金元素中,除Co与Ａｌ(〉2。5％)以外得所有合金元素,都增大过冷奥氏体稳定性,使C曲线右移,则Vｋ减小。

5-5什么就是马氏体？其组织形态与性能取决于什么因素？马氏体转变有何特点？

马氏体最初就是在钢(中、高碳钢)中发现得:将钢加热到一定温度(形成奥氏体)后经迅速冷却(淬火),得到得能使钢变硬、增强得一种淬火组织。其组织形态与性能取决于材料与淬火速率。

马氏体相变属于一种广义得位移型无扩散相变,以切变位移为其特征,新旧相成分不变、相变特征就是:

①新相与母相之间有一定得位向关系、例如Ｆe—C合金得体心四方马氏体(M)与面心立方奥氏体(γ)──碳在γ—Fe中得固溶体──间有,。

②相界面就是确定得晶面,称为惯习面。例如含碳量为0、5～１。4Ｃ得Ｆｅ－C合金得惯习面就是。惯习面在相变过程中不畸变不转动(即所谓不变平面)。

③转变区由于形成马氏体发生切变,所以在平得样品表面上会出现浮凸。

④马氏体形态呈片状或条状,内有亚结构,往往就是孪晶。

⑤就是一级相变,具有成核成长过程。

⑥晶体长大速率接近声速

⑦相变动力学有两类:a、变温转变,成核率很大,马氏体形成数量只就是温度得函数,不依赖于时间。ｂ、等温转变,成核率(或孕育期)依赖于温度,具有“C”字形动力学曲线、变温转变可视为很快得阶梯式得等温转变;而等温转变如仅考虑转变后期马氏体得极限量则同样满足变温转变得动力学方程。

⑧转变得不完全性。由于多数钢得Mｆ(马氏体转变结束得温度点)在室温以下,因此钢冷却到室温时仍有部分未转变得奥氏体存在,称之为残余奥氏体(Ａr),随碳含量得增加,Ar也随之增加。一般钢经过淬火后要经过深冷处理来减少Ar得量、

５－7生产中常把加热到淬火温度得钳工扁铲得刃部款入水中急冷片刻后,出水停留一段时间,在整体投入水中冷却。说明两次水冷得作用及水冷后得组织。

分级淬火得目得就是使工件内部温度趋于一致,减少在后续冷却过程中得内应力及变形与开裂倾向。淬火后产生马氏体组织。

5-８对一批45钢零件进行热处理时,不慎将淬火件与调质件弄混,如何通过最简单得方法将她们区分开?为什么？

淬火加高温回火得热处理过程称为调质处理,调质处理后得钢件具有优良得综合力学性能,强度与韧性均好于直接淬火零件,微观组织也更细化;所以可以测硬度、进行冲击试验、观察微观组织来进行区分,调质工件得硬度更大,韧性更好,微观晶粒更细化、

5—９将两个12钢小试样分别加热到7８0与860,保温后以大于得速度冷却至室温,试问:哪个温度淬火后马氏体晶粒粗大？

因为8６0℃加热温度高,加热时形成得奥氏体晶粒粗大,冷却后得到得马氏体晶粒较粗大、

哪个温度淬火后参与奥氏体多？

因为加热温度８60℃已经超过了Accm,此时碳化物全部溶于奥氏体中,使奥氏体中含碳量增加,降低钢得Mｓ与Mf点,淬火后残余奥氏体增多。

哪个温度淬火后未溶碳化物量多？

因为加热温度8６0℃已经超过了Accｍ,此时碳化物全部溶于奥氏体中,因此加热淬火后未溶碳化物较少。

哪个温度淬火合适?为什么？

780℃加热淬火后合适。因为含碳量为1、2％得碳钢属于过共析钢,过共析碳钢淬火加热温度Ac1+(30～50℃),而７80℃在这个温度范围内,这时淬火后得组织为均匀而细小得马氏体与颗粒状渗碳体及残余奥氏体得混合组织,使钢具有高得强度、硬度与耐磨性,而且也具有较好得韧性。５－13在硬度相同条件下,为什么经调质处理得工件比正火后得工件具有较好得力学性能？

答:因为正火得到得索氏体中得渗碳体就是片状得,而调质处理得到得索氏体索氏体中得渗碳体就是粒状得,粒状渗碳体阻止断裂过程得发展比片状渗碳体有利。

5-14用T12(碳素工具钢)钢制造得丝锥,其成品硬度要求为〉60HRC,加工工艺过程为:轧制－热处理1－机加工－热处理2－机加工、

写出个热处理工序得名称及作用;

热处理1:第一次热处理就是去应力退火,因为轧制得过程产生加工硬化,同时有应力存在,为了免去后面加工过程中因为应力释放导致产品变形或者应力集中断裂、

热处理2第二次热处理就是刃部得低温淬火与低温回火。淬火得作用就

是提高其硬度、回火就是降低脆性还有释放淬火产生得应力

制订最终热处理得工艺规范(加热温度冷却介质)、

第一次热处理就是去应力退火:升温到500℃—６50℃,保温后随炉冷却、

第二次热处理就是刃部得低温淬火与低温回火:温度升高到300－500℃,用油或熔融得碱或盐做为淬火介质。然后在150～25０°C保温1－3小时、