金屬表面的實際構成示意圖

時間：2021-11-02 15:23:34

關鍵字：金屬示意圖

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[導讀]金屬學與熱處理總結

一、金屬的晶體結構

重點內(nèi)容：面心立方、體心立方金屬晶體結構的配位數(shù)、致密度、原子半徑，八面體、四面體間隙個數(shù);晶向指數(shù)、晶面指數(shù)的標定;柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。

基本內(nèi)容：密排六方金屬晶體結構的配位數(shù)、致密度、原子半徑，密排面上原子的堆垛順序、晶胞、晶格、金屬鍵的概念。晶體的特征、晶體中的空間點陣。

晶格類型

晶胞中的原子數(shù)

原子半徑

配位數(shù)

致密度

體心立方

68%

面心立方

74%

密排六方

74%

晶格類型

fcc(A1)

bcc(A2)

hcp(A3)

間隙類型

正四面體

正八面體

四面體

扁八面體

四面體

正八面體

間隙個數(shù)

原子半徑rA

間隙半徑rB

晶胞：在晶格中選取一個能夠完全反映晶格特征的最小的幾何單元，用來分析原子排列的規(guī)律性，這個最小的幾何單元稱為晶胞。

金屬鍵：失去外層價電子的正離子與彌漫其間的自由電子的靜電作用而結合起來，這種結合方式稱為金屬鍵。

位錯：晶體中原子的排列在一定范圍內(nèi)發(fā)生有規(guī)律錯動的一種特殊結構組態(tài)。

位錯的柏氏矢量具有的一些特性：

①用位錯的柏氏矢量可以判斷位錯的類型;②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量與回路起點及回路途徑無關;③位錯的柏氏矢量個部分均相同。

刃型位錯的柏氏矢量與位錯線垂直;螺型平行;混合型呈任意角度。

晶界具有的一些特性：

①晶界的能量較高，具有自發(fā)長大和使界面平直化，以減少晶界總面積的趨勢;②原子在晶界上的擴散速度高于晶內(nèi)，熔點較低;③相變時新相優(yōu)先在晶界出形核;④晶界處易于發(fā)生雜質或溶質原子的富集或偏聚;⑤晶界易于腐蝕和氧化;⑥常溫下晶界可以阻止位錯的運動，提高材料的強度。

二、純金屬的結晶

重點內(nèi)容：均勻形核時過冷度與臨界晶核半徑、臨界形核功之間的關系;細化晶粒的方法，鑄錠三晶區(qū)的形成機制。

基本內(nèi)容：結晶過程、阻力、動力，過冷度、變質處理的概念。鑄錠的缺陷;結晶的熱力學條件和結構條件，非均勻形核的臨界晶核半徑、臨界形核功。

相起伏：液態(tài)金屬中，時聚時散，起伏不定，不斷變化著的近程規(guī)則排列的原子集團。

過冷度：理論結晶溫度與實際結晶溫度的差稱為過冷度。

變質處理：在澆鑄前往液態(tài)金屬中加入形核劑，促使形成大量的非均勻晶核，以細化晶粒的方法。

過冷度與液態(tài)金屬結晶的關系：液態(tài)金屬結晶的過程是形核與晶核的長大過程。從熱力學的角度上看，沒有過冷度結晶就沒有趨動力。根據(jù) 可知當過冷度為零時臨界晶核半徑Rk為無窮大，臨界形核功()也為無窮大。臨界晶核半徑Rk與臨界形核功為無窮大時，無法形核，所以液態(tài)金屬不能結晶。晶體的長大也需要過冷度，所以液態(tài)金屬結晶需要過冷度。

細化晶粒的方法：增加過冷度、變質處理、振動與攪拌。

鑄錠三個晶區(qū)的形成機理：表面細晶區(qū)：當高溫液體倒入鑄模后，結晶先從模壁開始，靠近模壁一層的液體產(chǎn)生極大的過冷，加上模壁可以作為非均質形核的基底，因此在此薄層中立即形成大量的晶核，并同時向各個方向生長，形成表面細晶區(qū)。柱狀晶區(qū)：在表面細晶區(qū)形成的同時，鑄模溫度迅速升高，液態(tài)金屬冷卻速度減慢，結晶前沿過冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散熱最快，因而晶體沿相反方向生長成柱狀晶。中心等軸晶區(qū)：隨著柱狀晶的生長，中心部位的液體實際溫度分布區(qū)域平緩，由于溶質原子的重新分配，在固液界面前沿出現(xiàn)成分過冷，成分過冷區(qū)的擴大，促使新的晶核形成長大形成等軸晶。由于液體的流動使表面層細晶一部分卷入液體之中或柱狀晶的枝晶被沖刷脫落而進入前沿的液體中作為非自發(fā)生核的籽晶。

三、二元合金的相結構與結晶

重點內(nèi)容：杠桿定律、相律及應用。

基本內(nèi)容：相、勻晶、共晶、包晶相圖的結晶過程及不同成分合金在室溫下的顯微組織。合金、成分過冷;非平衡結晶及枝晶偏析的基本概念。

相律：f = c – p + 1其中，f 為自由度數(shù)，c為組元數(shù)，p為相數(shù)。

偽共晶：在不平衡結晶條件下，成分在共晶點附近的亞共晶或過共晶合金也可能得到全部共晶組織，這種共晶組織稱為偽共晶。

合金：兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬，經(jīng)熔煉或燒結、或用其它方法組合而成的具有金屬特性的物質。

合金相：在合金中，通過組成元素(組元)原子間的相互作用，形成具有相同晶體結構與性質，并以明確界面分開的成分均一組成部分稱為合金相。

四、鐵碳合金

重點內(nèi)容：鐵碳合金的結晶過程及室溫下的平衡組織，組織組成物及相組成物的計算。

基本內(nèi)容：鐵素體與奧氏體、二次滲碳體與共析滲碳體的異同點、三個恒溫轉變。

鋼的含碳量對平衡組織及性能的影響;二次滲碳體、三次滲碳體、共晶滲碳體相對量的計算;五種滲碳體的來源及形態(tài)。

奧氏體與鐵素體的異同點：

相同點：都是鐵與碳形成的間隙固溶體;強度硬度低，塑性韌性高。

不同點：鐵素體為體心結構，奧氏體面心結構;鐵素體最高含碳量為0.0218%，奧氏體最高含碳量為2.11%，鐵素體是由奧氏體直接轉變或由奧氏體發(fā)生共析轉變得到，奧氏體是由包晶或由液相直接析出的;存在的溫度區(qū)間不同。

二次滲碳體與共析滲碳體的異同點。

相同點：都是滲碳體，成份、結構、性能都相同。

不同點：來源不同，二次滲碳體由奧氏體中析出，共析滲碳體是共析轉變得到的;形態(tài)不同二次滲碳體成網(wǎng)狀，共析滲碳體成片狀;對性能的影響不同，片狀的強化基體，提高強度，網(wǎng)狀降低強度。

成分、組織與機械性能之間的關系：如亞共析鋼。亞共析鋼室溫下的平衡組織為F+P，F(xiàn)的強度低，塑性、韌性好，與F相比P強度硬度高，而塑性、韌性差。隨含碳量的增加，F(xiàn)量減少，P量增加(組織組成物的相對量可用杠桿定律計算)。所以對于亞共析鋼，隨含碳量的增加，強度硬度升高，而塑性、韌性下降

五、三元合金相圖

重點內(nèi)容：固態(tài)下無溶解度三元共晶相圖投影圖中不同區(qū)、線的結晶過程、室溫組織。

基本內(nèi)容：固態(tài)下無溶解度三元共晶相圖投影圖中任意點的組織并計算其相對量。

三元合金相圖的成分表示法;直線法則、杠桿定律、重心法則。

六、金屬及合金的塑性變形與斷裂

重點內(nèi)容：體心與面心結構的滑移系;金屬塑性變形后的組織與性能。

基本內(nèi)容：固溶體強化機理與強化規(guī)律、第二相的強化機理。霍爾——配奇關系式;單晶體塑性變形的方式、滑移的本質。

塑性變形的方式：以滑移和孿晶為主。

滑移：晶體的一部分沿著一定的晶面和晶向相對另一部分作相對的滑動?；频谋举|是位錯的移動。

體心結構的滑移系個數(shù)為12，滑移面：{110}，方向<111>。面心結構的滑移系個數(shù)為12，滑移面：{111}，方向<110>。

金屬塑性變形后的組織與性能：顯微組織出現(xiàn)纖維組織，雜質沿變形方向拉長為細帶狀或粉碎成鏈狀，光學顯微鏡分辨不清晶粒和雜質。亞結構細化，出現(xiàn)形變織構。性能：材料的強度、硬度升高，塑性、韌性下降;比電阻增加，導電系數(shù)和電阻溫度系數(shù)下降，抗腐蝕能力降低等。

七、金屬及合金的回復與再結晶

重點內(nèi)容：金屬的熱加工的作用;變形金屬加熱時顯微組織的變化、性能的變化，儲存能的變化。

基本內(nèi)容：回復、再結的概念、變形金屬加熱時儲存能的變化。再結晶后的晶粒尺寸;影響再結晶的主要因素性能的變化規(guī)律。

變形金屬加熱時顯微組織的變化、性能的變化：隨溫度的升高，金屬的硬度和強度下降，塑性和韌性提高。電阻率不斷下降，密度升高。金屬的抗腐蝕能力提高，內(nèi)應力下降。

再結晶：冷變形后的金屬加熱到一定溫度之后，在原來的變形組織中重新產(chǎn)生了無畸變的新晶粒，而性能也發(fā)生了明顯的變化，并恢復到完全軟化狀態(tài)，這個過程稱之為再結晶。

熱加工的主要作用(或目的)是：①把鋼材加工成所需要的各種形狀，如棒材、板材、線材等;②能明顯的改善鑄錠中的組織缺陷，如氣泡焊合，縮松壓實，使金屬材料的致密度增加;③使粗大的柱狀晶變細，合金鋼中大塊狀碳化物初晶打碎并使其均勻分布;④減輕或消除成分偏析，均勻化學成分等。使材料的性能得到明顯的改善。

影響再結晶的主要因素：①再結晶退火溫度：退火溫度越高(保溫時間一定時)，再結晶后的晶粒越粗大;②冷變形量：一般冷變形量越大，完成再結晶的溫度越低，變形量達到一定程度后，完成再結晶的溫度趨于恒定;③原始晶粒尺寸：原始晶粒越細，再結晶晶粒也越細;④微量溶質與雜質原子，一般均起細化晶粒的作用;⑤第二相粒子，粗大的第二相粒子有利于再結晶，彌散分布的細小的第二相粒子不利于再結晶;⑥形變溫度，形變溫度越高，再結晶溫度越高，晶粒粗化;⑦加熱速度，加熱速度過快或過慢，都可能使再結晶溫度升高。

塑性變形后的金屬隨加熱溫度的升高會發(fā)生的一些變化：

顯微組織經(jīng)過回復、再結晶、晶粒長大三個階段由破碎的或纖維組織轉變成等軸晶粒，亞晶尺寸增大;儲存能降低，內(nèi)應力松弛或被消除;各種結構缺陷減少;強度、硬度降低，塑性、韌度提高;電阻下降，應力腐蝕傾向顯著減小。

八、擴散

重點內(nèi)容：影響擴散的因素;擴散第一定律表達式。

基本內(nèi)容：擴散激活能、擴散的驅動力。柯肯達爾效應，擴散第二定律表達式。

柯肯達爾效應：由置換互溶原子因相對擴散速度不同而引起標記移動的不均衡擴散現(xiàn)象稱為柯肯達爾效應。

影響擴散的因素：

①溫度：溫度越高，擴散速度越大;

② 晶體結構：體心結構的擴散系數(shù)大于面心結構的擴散系數(shù);

③ 固溶體類型：間隙原子的擴散速度大于置換原子的擴散速度;

④ 晶體缺陷：晶體缺陷越多，原子的擴散速度越快;

⑤ 化學成分：有些元素可以加快原子的擴散速度，有些可以減慢擴散速度。

擴散第一定律表達式：擴散第一定律表達式：

其中，J為擴散流量;D為擴散系數(shù);為濃度梯度。

擴散的驅動力為化學位梯度，阻力為擴散激活能

九、鋼的熱處理原理

重點內(nèi)容：冷卻時轉變產(chǎn)物(P、B、M)的特征、性能特點、熱處理的概念。

基本內(nèi)容：等溫、連續(xù)C-曲線。奧氏體化的四個過程;碳鋼回火轉變產(chǎn)物的性能特點。

熱處理：將鋼在固態(tài)下加熱到預定的溫度，并在該溫度下保持一段時間，然后以一定的速度冷卻下來，讓其獲得所需要的組織結構和性能的一種熱加工工藝。

轉變產(chǎn)物(P、B、M)的特征、性能特點：片狀P體，片層間距越小，強度越高，塑性、韌性也越好;粒狀P體，F(xiàn)e3C顆粒越細小，分布越均勻，合金的強度越高。第二相的數(shù)量越多，對塑性的危害越大;片狀與粒狀相比，片狀強度高，塑性、韌性差;上貝氏體為羽毛狀，亞結構為位錯，韌性差;下貝氏體為黑針狀或竹葉狀，亞結構為位錯，位錯密度高于上貝氏體，綜合機械性能好;低碳馬氏體為板條狀，亞結構為位錯，具有良好的綜合機械性能;高碳馬氏體為片狀，亞結構為孿晶，強度硬度高，塑性和韌性差。

等溫、連續(xù)C-曲線。

十、鋼的熱處理工藝

重點內(nèi)容：退火、正火的目的和工藝方法; 淬火和回火的目的和工藝方法。

基本內(nèi)容：淬透性、淬硬性、熱應力、組織應力、回火脆性、回火穩(wěn)定性、過冷奧氏體的概念。淬火加熱缺陷及其防止措施。

熱應力：工件在加熱(或冷卻)時，由于不同部位的溫度差異，導致熱脹(或冷縮)的不一致所引起的應力稱為熱應力。

組織應力：由于工件不同部位組織轉變不同時性而引起的內(nèi)應力。

淬透性：是表征鋼材淬火時獲得馬氏體的能力的特性。

可硬性：指淬成馬氏體可能得到的硬度。

回火穩(wěn)定性：淬火鋼對回火時發(fā)生軟化過程的抵抗能力。

回火脆性：鋼在一定的溫度范圍內(nèi)回火時，其沖擊韌性顯著下降，這種脆化現(xiàn)象叫做鋼的回火脆性。

過冷奧氏體：在臨界溫度以下處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體稱為過冷奧氏體。

退火的目的：均勻鋼的化學成分及組織;細化晶粒;調(diào)整硬度，改善鋼的成形及切削加工性能;消除內(nèi)應力和加工硬化;為淬火做好組織準備。

正火的目的：改善鋼的切削加工性能;細化晶粒，消除熱加工缺陷;消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火;提高普通結構零件的機械性能。

十一、工業(yè)用鋼

重點內(nèi)容：材料強化方法;鋼的分類和編號。

基本內(nèi)容：常用合金元素在鋼中的主要作用。材料韌化的方法、鋼的化學成分、金相組織熱處理工藝和機械性能之間的關系。

合金鋼：在碳鋼的基礎上有意地加入一種或幾種合金元素，使其使用性能和工藝性能得以提高的以鐵為基的合金即為合金鋼。

金屬學與熱處理習題及參考解

一、論述四種強化的強化機理、強化規(guī)律及強化方法。

1、形變強化

形變強化：隨變形程度的增加，材料的強度、硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象叫形變強化或加工硬化。

機理：隨塑性變形的進行，位錯密度不斷增加，因此位錯在運動時的相互交割加劇，結果即產(chǎn)生固定的割階、位錯纏結等障礙，使位錯運動的阻力增大，引起變形抗力增加，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而提高金屬的強度。

規(guī)律：變形程度增加，材料的強度、硬度升高，塑性、韌性下降，位錯密度不斷增加，根據(jù)公式Δσ=αbGρ1/2 ，可知強度與位錯密度(ρ)的二分之一次方成正比，位錯的柏氏矢量(b)越大強化效果越顯著。

方法：冷變形(擠壓、滾壓、噴丸等)。

形變強化的實際意義(利與弊)：形變強化是強化金屬的有效方法，對一些不能用熱處理強化的材料可以用形變強化的方法提高材料的強度，可使強度成倍的增加;是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金屬均勻變形，使工件或半成品的成形成為可能，如冷拔鋼絲、零件的沖壓成形等;形變強化還可提高零件或構件在使用過程中的安全性，零件的某些部位出現(xiàn)應力集中或過載現(xiàn)象時，使該處產(chǎn)生塑性變形，因加工硬化使過載部位的變形停止從而提高了安全性。另一方面形變強化也給材料生產(chǎn)和使用帶來麻煩，變形使強度升高、塑性降低，給繼續(xù)變形帶來困難，中間需要進行再結晶退火，增加生產(chǎn)成本。

2、固溶強化

隨溶質原子含量的增加，固溶體的強度硬度升高，塑性韌性下降的現(xiàn)象稱為固溶強化。強化機理：一是溶質原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，對滑移面上運動的位錯有阻礙作用;二是位錯線上偏聚的溶質原子形成的柯氏氣團對位錯起釘扎作用，增加了位錯運動的阻力;三是溶質原子在層錯區(qū)的偏聚阻礙擴展位錯的運動。所有阻止位錯運動，增加位錯移動阻力的因素都可使強度提高。

固溶強化規(guī)律：①在固溶體溶解度范圍內(nèi)，合金元素的質量分數(shù)越大，則強化作用越大;②溶質原子與溶劑原子的尺寸差越大，強化效果越顯著;③形成間隙固溶體的溶質元素的強化作用大于形成置換固溶體的元素;④溶質原子與溶劑原子的價電子數(shù)差越大，則強化作用越大。

方法：合金化，即加入合金元素。

3、第二相強化

鋼中第二相的形態(tài)主要有三種，即網(wǎng)狀、片狀和粒狀。

①網(wǎng)狀特別是沿晶界析出的連續(xù)網(wǎng)狀Fe3C，降低的鋼機械性能，塑性、韌性急劇下降，強度也隨之下降;

②第二相為片狀分布時，片層間距越小，強度越高，塑性、韌性也越好。符合σs=σ0+KS0-1/2的規(guī)律，S0 片層間距。

③第二相為粒狀分布時，顆粒越細小，分布越均勻，合金的強度越高，符合的規(guī)律，λ粒子之間的平均距離。第二相的數(shù)量越多，對塑性的危害越大;

④片狀與粒狀相比，片狀強度高，塑性、韌性差;

⑤沿晶界析出時，不論什么形態(tài)都降低晶界強度，使鋼的機械性能下降。

第二相無論是片狀還是粒狀都阻止位錯的移動。

方法：合金化，即加入合金元素，通過熱處理或變形改變第二相的形態(tài)及分布。

4、細晶強化

細晶強化：隨晶粒尺寸的減小，材料的強度硬度升高，塑性、韌性也得到改善的現(xiàn)象稱為細晶強化。

細化晶粒不但可以提高強度又可改善鋼的塑性和韌性，是一種較好的強化材料的方法。

機理：晶粒越細小，位錯塞集群中位錯個數(shù)(n)越小，根據(jù)，應力集中越小，所以材料的強度越高。

細晶強化的強化規(guī)律：晶界越多，晶粒越細，根據(jù)霍爾-配奇關系式σs=σ0+Kd-1/2 晶粒的平均直(d)越小，材料的屈服強度(σs)越高。

細化晶粒的方法：結晶過程中可以通過增加過冷度，變質處理，振動及攪拌的方法增加形核率細化晶粒。對于冷變形的金屬可以通過控制變形度、退火溫度來細化晶粒?？梢酝ㄟ^正火、退火的熱處理方法細化晶粒;在鋼中加入強碳化物物形成元素。

二、改善塑性和韌性的機理

晶粒越細小，晶粒內(nèi)部和晶界附近的應變度差越小，變形越均勻，因應力集中引起的開裂的機會也越小。晶粒越細小，應力集中越小，不易產(chǎn)生裂紋;晶界越多，易使裂紋擴展方向發(fā)生變化，裂紋不易傳播，所以韌性就好。

提高或改善金屬材料韌性的途徑：① 盡量減少鋼中第二相的數(shù)量;② 提高基體組織的塑性;③ 提高組織的均勻性;④ 加入Ni及細化晶粒的元素;⑤ 防止雜質在晶界偏聚及第二相沿晶界析出。

三、Fe—Fe3C相圖，結晶過程分析及計算

1. 分析含碳0.53～0.77%的鐵碳合金的結晶過程，并畫出結晶示意圖。

①點之上為液相L;①點開始L→γ;②點結晶完畢;②～③點之間為單相γ;

③點開始γ→α轉變;④點開始γ→ P共析轉變;室溫下顯微組織為α+ P。

結晶示意圖：

2. 計算室溫下亞共析鋼(含碳量為)的組織組成物的相對量。

組織組成物為α、P，相對量為：

或

3. 分析含碳0.77～2.11%的鐵碳合金的結晶過程。

①點之上為液相L;①點開始L→γ;①～②之間為L+γ;②點結晶完畢;②～③點之間為單相γ;③點開始γ→Fe3C轉變;④點開始γ→ P共析轉變;室溫下顯微組織為P + Fe3C。

結晶過程示意圖。

4. 計算室溫下過共析鋼(含碳量為)的組織組成物的相對量。

組織組成物為P、Fe3CⅡ，相對量為：

或

5. 分析共析鋼的結晶過程，并畫出結晶示意圖。

①點之上為液相L;①點開始L→γ;②點結晶完畢;②～③點之間為單相γ;③點γ→ P共析轉變;室溫下顯微組織為P。

結晶示意圖：

計算含碳3.0%鐵碳合金室溫下組織組成物及相組成物的相對量。

含碳3.0%的亞共晶白口鐵室溫下組織組成物為P、Fe3CⅡ，相對量為：

相組成物為F、Fe3C，相對量為：

7. 相圖中共有幾種滲碳體?說出各自的來源及形態(tài)。

相圖中共有五種滲碳體: Fe3CⅠ、Fe3CⅡ 、Fe3CⅢ 、Fe3C共析、Fe3C共晶 ;

Fe3CⅠ：由液相析出，形態(tài)連續(xù)分布(基體); Fe3CⅡ：由奧氏體中析出，形態(tài)網(wǎng)狀分布; Fe3CⅢ：由鐵素體中析出，形態(tài)網(wǎng)狀、短棒狀、粒狀分布在鐵素體的晶界上;Fe3C共析：奧氏體共析轉變得到，片狀;Fe3C共晶：液相共晶轉變得到，粗大的條狀。

8. 計算室溫下含碳量為合金相組成物的相對量。

相組成物為α、Fe3C，相對量為：

9. Fe3C?的相對量：

當x=6.69時Fe3C? 含量最高，最高百分量為：

10. 過共析鋼中Fe3CⅡ 的相對量：

當x=2.11時Fe3CⅡ含量最高，最高百分量為：

11. Fe3CⅢ 的相對量計算：

當x=0.0218時Fe3CⅢ含量最高，最高百分量為：

12. 共析滲碳體的相對百分量為：

13. 共晶滲碳體的相對百分量為：

14. 說出奧氏體與鐵素體的異同點。

相同點：都是鐵與碳形成的間隙固溶體;強度硬度低，塑性韌性高。

15. 說出二次滲碳體與共析滲碳體的異同點。

相同點：都是滲碳體，成份、結構、性能都相同。

16. 舉例說明成分、組織與機械性能之間的關系

如亞共析鋼。亞共析鋼室溫下的平衡組織為F+P，F(xiàn)的強度低，塑性、韌性好，與F相比P強度硬度高，而塑性、韌性差。隨含碳量的增加，F(xiàn)量減少，P量增加(組織組成物的相對量可用杠桿定律計算)。所以對于亞共析鋼，隨含碳量的增加，強度硬度升高，而塑性、韌性下降。

17. 說明三個恒溫轉變，畫出轉變特征圖

包晶轉變(LB+δHγJ)含碳量0.09%～0.53%范圍的鐵碳合金，于HJB水平線(1495℃)均將通過包晶轉變，形成單相奧氏體。

共晶轉變(LCγE+Fe3C)含碳放2.11%一6.69%范圍的鐵碳合金，于ECF平線上(1148℃)均將通過共晶轉變，形成奧氏體和滲碳體兩相混合的共晶體，稱為菜氏體(Ld)。

共析轉變(γS αP+Fe3C);含碳雖超過0.02%的鐵碳合金，于PSK水平線上(727℃)均將通過共析轉變，形成鐵素體和滲碳體兩相混合的共析體，稱為珠光體(P)。

轉變特征圖

包晶轉變：

共晶轉變：

共析轉變：

各點成分為(C%)：B：0.53 ;H：0.09;J：0.17;C：4.3;E：2.11 S：0.77;P：0.0218。

18. 說出Fe -Fe3C相圖中室溫下的顯微組織

工業(yè)純鐵(<0.0218%C)室溫組織：α

亞共析鋼(0.0218%～0.77%C)室溫組織： P+α;

共析鋼：0.77%C;室溫組織：P

過共析鋼：0.77%～2.11%C室溫組織：P+ Fe3CⅡ

亞共晶白口鐵：2.11%～4.30%C;室溫組織：

共晶白口鐵：4.30%C;室溫組織：

過共晶白口鐵：4.30%～6.69%C。室溫組織：

四、晶面指數(shù)與晶向指數(shù)

1)、標出圖①、圖②中晶面的晶面指數(shù)及圖③中所示晶向(AB，OC)的晶向指數(shù)。

Z Z Z

Y Y A O B Y

X X X

① ② ③

① ： ②：(012)

AB： OC：[101]

2)、標出圖①、圖②中晶面的晶面指數(shù)及圖③中所示晶向(AC，OB )的晶向指數(shù)。

Z Z C Z

Y Y A O Y

X X X B

① ② ③

①： ②：(112)

AC： OB：[120]

3)、畫出下列指數(shù)的晶向或晶面

(111) (0 21) [1 1 0]

Z Z Z

(021)

Y Y Y

(111) (110) X X [110]

[001]

五、固態(tài)下互不溶解的三元共晶相圖的投影圖如圖所示。

1. 說出圖中各點(M、N、P、E)室溫下的顯微組織。

M：B+(B+C)+(A+B+C); N：(A+B) +(A+B+C);

P：C+(A+B+C); E：(A+B+C)。

2. 求出E點合金室溫下組織組成物的相對量和相組成物的相對量。

E點合金室溫下組織組成物的相對量(A+B+C)為100%

相組成物的相對量為：

WA=Ea/Aa×100%

WB=Eb/Bb×100%

WC=Ec/Cc×100%

A E1 c B% B

· N

A% E· ·M C%

b K E2

E3 ·P a

3. 分析M點合金的結晶過程。

先從液相中結晶出B組元，當液相成分為K時，發(fā)生二元共晶轉變，轉變產(chǎn)物為(B+C)，當液相成分為E時，發(fā)生三元共晶轉變，轉變產(chǎn)物為(A+B+C)。室溫下的顯微組織為：B+(B+C)+(A+B+C)。

六、固態(tài)下互不溶解的三元共晶相圖的投影圖如圖所示。

A e1 B% B

A% E ·

e3 e2

1. 確定出E點合金A、B、C三個組元的化學成分。

2. 計算E點合金組織組成物的相對量

3. 計算E點合金相組成物的相對量

4. E點合金的化學成分與相組成物相對量之間有什么關系?為什么?

A b D e1 B% B

A% E · c

F H

e3 a e2

1、 A、B、C三個組元的化學成分為：A=Ca% ，B=Ab% ，C=Bc%

2、E點合金組織組成物的相對量為：W(A+B+C)=100%

3、E點合金相組成物的相對量為：，，

4、E點合金的化學成分與相組成物相對量是相等的，即：Ca=EH/AH，Ab=EF/BF，

Bc=ED/CD。因為三個組元在固態(tài)下互不溶解，都已純金屬的形成存在，所以三個相(A、B、C)的相對量就應該等于其各自的化學成分。

七、鍛造或軋制的作用是什么?為什么鍛造或軋制的溫度選擇在高溫的奧氏體區(qū)?

鍛造或軋制的作用是：把材料加工成形，通過鍛造或軋制使鑄錠中的組織缺陷得到明顯的改善，如氣泡焊合，縮松壓實，使金屬材料的致密度增加;粗大的柱狀晶變細;合金鋼中大塊狀碳化物初晶打碎并較均勻分布;使成分均勻，使材料的性能得到明顯的改善。

奧氏體穩(wěn)定存在是在高溫區(qū)，溫度升高材料的強度、硬度下降，塑性韌性升高，有利于變形;奧氏體為面心結構，塑性比其它結構好，塑性好，有利于變形;奧氏體為單相組織，單相組織的強度低，塑性韌性好，有利于變形;變形為材料的硬化過程，變形金屬高溫下發(fā)生回復與再結晶，消除加工硬化，即為動態(tài)回復再結晶，適合大變形量的變形。

八、什么是柯肯達爾效應?如何解釋柯肯達爾效應?

由置換互溶原子因相對擴散速度不同而引起標記移動的不均衡擴散現(xiàn)象稱為柯肯達爾效應。

Cu Ni

分析表明Ni向左側擴散過來的原子數(shù)目大于Cu向右側擴散過來的原子數(shù)目，且Ni的原子半徑大于Cu的原子半徑。過剩的Ni的原子使左側的點陣膨脹，而右邊原子減少的地方將發(fā)生點陣收縮，其結果必然導致界面向右側漂移。

九、影響擴散的因素有哪些?

①溫度：溫度越高，擴散速度越大;

② 晶體結構：體心結構的擴散系數(shù)大于面心結構的擴散系數(shù);

③ 固溶體類型：間隙原子的擴散速度大于置換原子的擴散速度;

④ 晶體缺陷：晶體缺陷越多，原子的擴散速度越快;

⑤ 化學成分：有些元素可以加快原子的擴散速度，有些可以減慢擴散速度。

十、寫出擴散第一定律的數(shù)學表達式，說出各符號的意義。

擴散第一定律表達式：

其中，J為擴散流量;D為擴散系數(shù);為濃度梯度。

擴散的驅動力為化學位梯度，阻力為擴散激活能

十一、寫出擴散系數(shù)的數(shù)學表達式，說出各符號的意義及影響因素。

擴散系數(shù)D可用下式表示：

式中，D0為擴散常數(shù)，Q為擴散激活能，R為氣體常數(shù)，T為熱力學溫度。由式上式可以看出，擴散系數(shù)D與溫度呈指數(shù)關系，溫度升高，擴散系數(shù)急劇增大。

十二、固態(tài)金屬擴散的條件是什么?

①溫度要足夠高，溫度越高原子熱振動越激烈原子被激活而進行遷移的幾率越大;②時間要足夠長，只有經(jīng)過相當長的時間才能造成物質的宏觀遷移;③擴散原子要固溶，擴散原子能夠溶入基體晶格形成固溶體才能進行固態(tài)擴散;④擴散要有驅動力，沒有動力擴散無法進行，擴散的驅動力為化學位梯度。

十三、為什么晶體的滑移通常在密排晶面并沿密排晶向進行?

晶體滑移的實質是位錯在滑移面上運動的結果，位錯運動的點陣阻力為：，位錯運動的點陣阻力越小，位錯運動越容易，從公式中可以看出，d值越大、b值越小，位錯運動的點陣阻力越小。d為晶面間距，密排面的晶面間距最大;b為柏氏矢量，密排方向的柏氏矢量最小。所以，晶體的滑移通常在密排晶面并沿密排晶向進行。

十四、晶界具有哪些特性?

十五、簡述位錯與塑性、強度之間的關系。

位錯：晶體中原子的排列在一定范圍內(nèi)發(fā)生有規(guī)律錯動的一種特殊結構組態(tài)。

晶體塑性變形的方式有滑移和孿晶，多數(shù)都以滑移方式進行?；频谋举|就是位錯在滑移面上的運動，大量位錯滑移的結果造成了晶體的宏觀塑性變形。

位錯滑移的結果造成了晶體的宏觀塑性變形，使材料發(fā)生屈服，位錯越容易滑移，強度越低，因此增加位錯移動的阻力，可以提高材料的強度。溶質原子造成晶格畸變還可以與位錯相互作用形成柯氏氣團，都增加位錯移動的摩擦阻力，使強度提高。晶界、相界可以阻止位錯的滑移，提高材料的強度。所以細化晶粒、第二相彌散分布可以提高強度。

十六、論述鋼的滲碳通常在奧氏體區(qū)(930～950℃)進行，而且時間較長的原因。

雖然碳原子在α-Fe比γ-Fe中擴散系數(shù)大(1分)，但鋼的滲碳通常在奧氏體區(qū)進行，因為可以獲得較大的滲層深度。因為：①根據(jù)，，溫度(T)越高，擴散系數(shù)(D)越大，擴散速度越快，溫度越高原子熱振動越激烈，原子被激活而進行遷移的幾率越大，擴散速度越快;②溫度高，奧氏體的溶碳能力大，1148℃時最大值可達2.11%，遠比鐵素體(727℃，0.0218%)大，③鋼表面碳濃度高，濃度梯度大，擴散速度越快;④時間要足夠長，只有經(jīng)過相當長的時間才能造成碳原子的宏觀遷移;

十七、與滑移相比孿晶有什么特點?

①孿晶是一部分晶體沿孿晶面對另一部分晶體做切變，切變時原子移動的距離不是孿晶方向原子間距的整數(shù)倍;②孿晶面兩邊晶體的位相不同，成鏡面對稱;③由于孿晶改變了晶體的取向，因此孿經(jīng)晶拋光后仍能重現(xiàn);④孿晶是一種均勻的切變。

十八、影響再結晶的主要因素有哪些?

①再結晶退火溫度：退火溫度越高(保溫時間一定時)，再結晶后的晶粒越粗大;②冷變形量：一般冷變形量越大，完成再結晶的溫度越低，變形量達到一定程度后，完成再結晶的溫度趨于恒定;③原始晶粒尺寸：原始晶粒越細，再結晶晶粒也越細;④微量溶質與雜質原子，一般均起細化晶粒的作用;⑤第二相粒子，粗大的第二相粒子有利于再結晶，彌散分布的細小的第二相粒子不利于再結晶;⑥形變溫度，形變溫度越高，再結晶溫度越高，晶粒粗化;⑦加熱速度，加熱速度過快或過慢，都可能使再結晶溫度升高。

十九、論述間隙原子、置換原子、位錯、晶界對材料力學性能的影響。

間隙原子、置換原子與位錯相互作用形成柯氏氣團，柯氏氣團增加位錯移動的阻力;溶質原子造成晶格畸變，增加位錯移動的摩擦阻力，使強度提高，這就是固溶強化的機理。晶界越多，晶粒越細，根據(jù)霍爾—配奇關系式σs=σ0+Kd-1/2 晶粒的平均直徑d越小，材料的屈服強度σs越高。晶粒越細小，晶粒內(nèi)部和晶界附近的應變度差越小變形越均勻，因應力集中引起的開裂的機會也越小，塑性越好。晶粒越細小，應力集中越小，不易產(chǎn)生裂紋，晶界越多，易使裂紋擴展方向發(fā)生變化，裂紋不易傳播，所以韌性就好。

位錯密度越高，則位錯運動時越易發(fā)生相互交割，形成割階，造成位錯纏結等位錯運動的障礙，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而提高金屬的強度。根據(jù)公式?σ=abGρ1/2 ，位錯密度(ρ)越大，強化效果越顯著。

二十、什么是再結晶溫度?影響再結晶溫度的因素有哪些?

再結晶溫度：經(jīng)過嚴重冷變形(變形度在70%以上)的金屬，在約1小時的保溫時間內(nèi)能夠完成再結晶(>95%轉變量)的溫度。再結晶溫度并不是一個物理常數(shù)，這是因為再結晶前后的晶格類型不變，化學成分不變，所以再結晶不是相變。

影響再結晶溫度的因素：純度越高T再越低;變形度越大T再越低;加熱速度越小T再越高。

二十一、塑性變形后的金屬隨加熱溫度的升高會發(fā)生的一些變化：

二十二、什么是晶面間距?計算低指數(shù)晶面的晶面間距。

晶面間距(d)：兩個平行晶面之間的垂直距離。通常，低指數(shù)的晶面間距較大，而高指數(shù)晶面間距較小。晶面間距越大，則該晶面上原子排列越密集。

對于簡單立方點陣 dhkl=a·(h2+k2+l2)-1/2

fcc : ,,

bcc:,

二十三、什么是過冷度?為什么金屬結晶一定要有過冷度?

過冷度：理論結晶溫度與實際結晶溫度的差稱為過冷度。

液態(tài)金屬結晶的過程是形核與晶核的長大過程。從熱力學的角度上看，沒有過冷度結晶就沒有趨動力。根據(jù) 可知當過冷度為零時臨界晶核半徑Rk為無窮大，臨界形核功()也為無窮大。臨界晶核半徑Rk與臨界形核功為無窮大時，無法形核，所以液態(tài)金屬不能結晶。晶體的長大也需要過冷度，所以液態(tài)金屬結晶需要過冷度。

二十四、簡述鑄錠三個晶區(qū)的形成機理。

表面細晶區(qū)：當高溫液體倒入鑄模后，結晶先從模壁開始，靠近模壁一層的液體產(chǎn)生極大的過冷，加上模壁可以作為非均質形核的基底，因此在此薄層中立即形成大量的晶核，并同時向各個方向生長，形成表面細晶區(qū)。柱狀晶區(qū)：在表面細晶區(qū)形成的同時，鑄模溫度迅速升高，液態(tài)金屬冷卻速度減慢，結晶前沿過冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散熱最快，因而晶體沿相反方向生長成柱狀晶。中心等軸晶區(qū)：隨著柱狀晶的生長，中心部位的液體實際溫度分布區(qū)域平緩，由于溶質原子的重新分配，在固液界面前沿出現(xiàn)成分過冷，成分過冷區(qū)的擴大，促使新的晶核形成長大形成等軸晶。由于液體的流動使表面層細晶一部分卷入液體之中或柱狀晶的枝晶被沖刷脫落而進入前沿的液體中作為非自發(fā)生核的籽晶。

二十五、影響置換固溶體溶解度的因素有哪些?

1、原子尺寸因素：尺寸差越小溶解度越大。

2、負電性因素：在形成固溶體的情況下，溶解度隨負電性差的減小而增大。

3、電子濃度因素：電子濃度越小，越易形成無限固溶體。

4、晶體結構因素：晶格類型相同溶解度較大。

二十六、退火與正火的目的是什么?

退火的目的：均勻鋼的化學成分及組織;細化晶粒;調(diào)整硬度，改善鋼的成形及切削加工性能;消除內(nèi)應力和加工硬化;為淬火做好組織準備。

正火的目的：改善鋼的切削加工性能;細化晶粒，消除熱加工缺陷;消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火;提高普通結構零件的機械性能。

二十七、固溶體與金屬化合物有何異同點?

相同點：都具有金屬的特性;

不同點：結構不同，固溶體的結構與溶劑的相同，金屬化合物的結構不同于任一組元;鍵合方式不同，固溶體為金屬鍵，金屬化合物為金屬鍵、共價鍵、離子鍵混合鍵;性能不同，固溶體的塑性好、強度、硬度低，金屬化合物，硬度高、熔點高、脆性大;在材料中的作用不同固溶體多為材料的基體，金屬化合物為強化相。

二十八、合金元素Cr、Mn、Ni、強碳化物形成元素在鋼中的主要作用是什么?

Cr在鋼中的主要作用有：溶入基體，提高淬透性，固溶強化;形成第二相提高強度、硬度;含量超過13%時提高耐腐蝕性;在表面形成致密的氧化膜，提高抗氧化能力。Cr促進第二類回火脆性的發(fā)生。

Mn在鋼中的主要作用有：溶入基體，提高淬透性，固溶強化;形成第二相提高強度、硬度;含量超過13%時形成奧氏體鋼，提高耐磨性;消除硫的有害作用。Mn促進第二類回火脆性的發(fā)生，促進奧氏體晶粒的長大。

Ni在鋼中的主要作用有：溶入基體，提高淬透性，固溶強化;擴大奧氏體區(qū)，提高鋼的韌性，降低冷脆轉變溫度。

強碳化物形成元素(Ti、Nb、Zr，V)的主要作用有：形成碳化物提高硬度、強度、耐磨性，提高回火穩(wěn)定性，細化晶粒，防止晶間腐蝕。

二十九、論述鋼材在熱處理過程中出現(xiàn)脆化現(xiàn)象的主要原因及解決方法。

答：①過共析鋼奧氏體化后冷卻速度較慢出現(xiàn)網(wǎng)狀二次滲碳體時，使鋼的脆性增加，脆性的網(wǎng)狀二次滲碳體在空間上把塑性相分割開，使其變形能力無從發(fā)揮。解決方法，重新加熱正火，增加冷卻速度，抑制脆性相的析出。②淬火馬氏體在低溫回火時會出現(xiàn)第一類回火脆性，高溫回火時有第二類回火脆性，第一類回火脆性不可避免，第二類回火脆性，可重新加熱到原來的回火溫度，然后快冷恢復韌性。③工件等溫淬火時出現(xiàn)上貝氏體時韌性降低，重新奧氏體化后降低等溫溫度得到下貝氏體可以解解。④奧氏體化溫度過高，晶粒粗大韌性降低。如：過共析鋼淬火溫度偏高，晶粒粗大，獲得粗大的片狀馬氏體時，韌性降低;奧氏體晶粒粗大，出現(xiàn)魏氏組織時脆性增加。通過細化晶?？梢越鉀Q。

三十、20CrMnTi 、40CrNiMo、60Si2Mn、T12屬于哪類鋼?含碳量為多少?鋼中合金元素的主要作用是什么?淬火加熱溫度范圍是多少?常采用的熱處理工藝是什么?最終的組織是什么?性能如何?

20CrMnTi為滲碳鋼，含碳量為0.2%，最終熱處理工藝是淬火加低溫回火，得到回火馬氏體，表面為高碳馬氏體(滲碳后)，強度、硬度高，耐磨性好;心部低碳馬氏體(淬透)強韌性好。Mn與Cr 提高淬透性，強化基體，Ti阻止奧氏體晶粒長大，細化晶粒。

40CrNiMo為調(diào)質鋼，含碳量為0.4%，最終熱處理工藝是淬火加高溫回火，得到回火索氏體，具有良好的綜合機械性能，Cr、Ni提高淬透性，強化基體，Ni提高鋼的韌性，Mo細化晶粒，抑制第二類回火脆性。

60Si2Mn為彈簧鋼，含碳量為0.6%，最終熱處理工藝是淬火加中溫回火，得到回火托氏體(或回火屈氏體)，具有很高的彈性極限，Si、Mn提高淬透性，強化基體，Si提高回火穩(wěn)定性。

T12鋼為碳素工具鋼鋼，含碳量為1.2%，最終熱處理工藝是淬火加低溫回火，得到回火馬氏體+粒狀Fe3C+殘余奧氏體(γ')，強度硬度高、耐磨性高，塑性、韌性差。

三十一、計算體心立與面心立方方結構滑移面的原子密度及滑移方向上的線密度。

體心立方結構的滑移面為{110}，面密度

滑移方向為<111>，線密度

面心立方結構的滑移面為{111}，面密度

滑移方向為<110>，線密度

三十二、比較下貝氏體與高碳馬氏體的主要不同點

①顯微組織特征不同，下貝氏體為黑針狀或竹葉狀，高碳馬氏體為片狀;②亞結構不同，下貝氏體亞結構為位錯，高碳馬氏體的亞結構為孿晶;③性能特點不同，下貝氏體具有良好的綜合機械性能，高碳馬氏體強度硬度高，塑性和韌性差;④相變特點不同，下貝氏體為半擴散型相變，高碳馬氏體非擴散型相變。⑤下貝氏體為復相組織，高碳馬氏體為單相組織。

三十三、過共析鋼淬火加熱溫度為什么不超過Accm?

過共析鋼淬火加熱溫度為AC1+30～50℃。加熱溫度超過Accm時，溫度高，容易發(fā)生氧化、脫碳;奧氏體晶粒容易粗大，淬火后馬氏體粗大，產(chǎn)生顯微裂紋，強度下降;滲碳體全部溶解，失去耐磨相，奧氏體中的含碳量高，淬火后殘余奧氏體量多，硬度降低、強度降低。

三十四、亞共析鋼正火與退火相比哪個硬度高?為什么?

正火后硬度高。正火與退火相比，正火的珠光體是在較大的過冷度下得到的，因而對亞共析鋼來說，析出的先共析鐵素體較少，珠光體數(shù)量較多(偽共析)，珠光體片間距較小。此外由于轉變溫度較低，珠光體成核率較大，因而珠光體團的尺寸較小。

三十五、用T12鋼(鍛后緩冷)做一切削工具，工藝過程為：正火→球化退火→機加工成形→淬火→低溫回火。各熱處理工藝的目的是什么?得到什么組織?各種組織具有什么性能。

① 正火：消除網(wǎng)狀的二次滲碳體，同時改善鍛造組織、消除鍛造應力，得到片狀的珠光體，片狀的珠光體硬度較高，塑性韌性較差。

② 球化退火：將片狀的珠光體變成粒狀珠光體，降低硬度，便于機械加工;組織為粒狀珠光體，這種組織塑性韌性較好，強度硬度較低。

③ 淬火：提高硬度、強度和耐磨性;組織為馬氏體+粒狀碳化物+殘余奧氏體;這種組織具有高強度高硬度，塑性韌性差。

④ 低溫回火：減少或消除淬火應力，提高塑形和韌性;組織為回火馬氏體+粒狀碳化物+殘余奧氏體?；鼗鸾M織有一定的塑性韌性，強度、硬度高，耐磨性高。

三十六、什么是淬火?目的是什么?具體工藝有哪些?簡述淬火加熱溫度的確定原則。

把鋼加熱到臨界點(Ac1或Ac3)以上保溫并隨之以大于臨界冷卻速度(Vc)冷卻，以得到介穩(wěn)狀態(tài)的馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝方法稱為淬火。

淬火目的：提高工具、滲碳零件和其它高強度耐磨機器零件等的硬度、強度和耐磨性;結構鋼通過淬火和回火之后獲得良好的綜合機械性能;此外，還有很少數(shù)的一部分工件是為了改善鋼的物理和化學性能。如提高磁鋼的磁性，不銹鋼淬火以消除第二相，從而改善其耐蝕性等。

具體工藝有：單液淬火法;中斷淬火法(雙淬火介質淬火法);噴射淬火法;分級淬火法;等溫淬火法。

淬火加熱溫度，主要根據(jù)鋼的相變點來確定。對亞共析鋼，一般選用淬火加熱溫度為Ac3+(30～50℃)，過共析鋼則為Ac1+(30～50℃) ，合金鋼一般比碳鋼加熱溫度高。確定淬火加熱溫度時，尚應考慮工件的形狀、尺寸、原始組織、加熱速度、冷卻介質和冷卻方式等因素。在工件尺寸大、加熱速度快的情況下，淬火溫度可選得高一些。另外，加熱速度快，起始晶粒細，也允許采用較高加熱溫度。

三十七、某車床主軸(45鋼)加工路線為：

下料→鍛造→正火→機械加工→淬火(淬透)→高溫回火→花鍵高頻表面淬火→低溫回火→半精磨→人工時效→精磨。正火、淬火、高溫回火、人工時效的目的是什么?花鍵高頻表面淬火、低溫回火的目的是什么?表面和心部的組織是什么?

正火處理是為了得到合適的硬度，以便切削加工，同時改善鍛造組織，消除鍛造應力。淬火是為了得到高強度的馬氏體組織，高溫回火是為了得到回火索氏體，淬火+高溫回火稱為調(diào)質，目的是為使主軸得到良好的綜合力學性能。人工時效主要是為了消除粗磨削加工時產(chǎn)生的殘余應力?；ㄦI部分用高頻淬火后低溫回火是為了得到回火馬氏體，增加耐磨性。表面為回火馬氏體，心部為回火索氏體組織。

三十八、什么是退火?目的是什么?具體工藝有哪些?正火、退火工藝選用的原則是什么?

將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到適當?shù)臏囟?，保持一定時間，然后緩慢冷卻以達到接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝稱為退火。

退火的目的在于均勻化學成分、改善機械性能及工藝性能、消除或減少內(nèi)應力，并為零件最終熱處理準備合適的內(nèi)部組織。

具體工藝有：擴散退火、完全退火、不完全退火、球化退火、再結晶退火和消除應力退火。

三十九、正火、退火工藝選用的原則是什么?

含0.25%C以下的鋼，在沒有其它熱處理工序時，可用正火來提高強度。對滲碳鋼，用正火消除鍛造缺陷及提高切削加工性能。對含碳0.25～0.50%的鋼，一般采用正火。對含碳0.50～0.75%的鋼，一般采用完全退火。含碳0.75～1.0%的鋼，用來制造彈簧時采用完全退火作預備熱處理，用來制造刀具時則采用球化退火。含碳大于1.0%的鋼用于制造工具，均采用球化退火作預備熱處理。

四十、說出低碳鋼(15、20)、中碳鋼(40、45)、共析鋼(T8)獲得良好綜合力學性能的最終熱處理工藝及組織。

低碳鋼：淬火加低溫回火，組織為回火馬氏體。中碳鋼：淬火加高溫回火，組織為回火索氏體。共析鋼：等溫淬火，組織為下貝氏體。

四十一、比較回火索氏體與索氏體的主要異同點。

相同點：都是鐵素體與滲碳體的機械的機械混合物。

不同點：①滲碳體的形態(tài)不同，回火索氏體的滲碳體的形態(tài)為顆粒狀，索氏體的滲碳體的形態(tài)為片狀;②來源不同，回火索氏體是淬火馬氏體分解的到的，索氏體是奧氏體直接分解得到的;③性能特點不同，回火索氏體具有良好的綜合機械性能，索氏體的抗拉強度高;韌性比回火索氏體低。

四十二、珠光體、貝氏體、馬氏體的特征、性能特點是什么?

片狀P體，片層間距越小，強度越高，塑性、韌性也越好;粒狀P體，F(xiàn)e3C顆粒越細小，分布越均勻，合金的強度越高。第二相的數(shù)量越多，對塑性的危害越大;片狀與粒狀相比，片狀強度高，塑性、韌性差;上貝氏體為羽毛狀，亞結構為位錯，韌性差;下貝氏體為黑針狀或竹葉狀，亞結構為位錯，位錯密度高于上貝氏體，綜合機械性能好;低碳馬氏體為板條狀，亞結構為位錯，具有良好的綜合機械性能;高碳馬氏體為片狀，亞結構為孿晶，強度硬度高，塑性和韌性差。

四十三、W18Cr4V是什么鋼?主要性能特點是什么?合金元素在鋼中的主要作用是什么?為什么此鋼淬火加熱的奧氏體化溫度(1280±5℃)非常高?回火工藝是什么?最終組織是什么?

W18Cr4V是高速鋼，主要性能特點是具有很高的紅硬性，高硬度、高耐磨性和高的淬透性。

合金元素在鋼中的主要作用是：①提高淬透性。②形成高硬度碳化物，在回火時彌散析出，產(chǎn)生二次硬化效應，顯著提高鋼的紅硬性、硬度和耐磨性。③Cr能提高鋼的抗氧化、脫碳和抗腐蝕能力。

目的是讓鋼中的碳化物形成元素W、Cr、V更多地溶解到奧氏體中，充分發(fā)揮碳和合金元素的作用，淬火后獲得高碳、高合金的馬氏體，回火時以合金碳化物形式析出，從而保證高速鋼獲得高的淬透性、淬硬性和紅硬性。退火狀態(tài)下這些合金元素大部分存在于合金碳化物中，而這些合金碳化物的穩(wěn)定性很高，需要加熱到很高的溫度，才能使其向奧氏體中大量溶解。

回火工藝是：560℃三次回火，每次1小時。

金屬學與熱處理原理試題

第一部分金屬學

一、解釋下列名詞并說明其性能特點(本大題共2小題，每小題3分，總計6分)

1、滲碳體2、鐵素體

二、問答題(本大題共5小題，總計40分)

· 寫出Fe-Fe3C相圖中共析和共晶轉變式，并說明含碳量及溫度。(8分)

· 寫出Fick第一定律和第二定律的表達式，并說明應用范圍、區(qū)別及聯(lián)系。(8分)

· 圖示并說明什么是熱過冷。(4分)

· 何謂加工硬化?產(chǎn)生原因是什么?有何利弊?(12分)

· 無論置換固溶體還是間隙固溶體都會引起強度升高，試分析其原因。(8分)

三、計算題(本大題共2小題，每小題5分，總計10分)

1、計算萊氏體中Fe3C的相對含量。

2、已知Cu的熔點為1083℃，試估算其再結晶溫度。(δ≈0.35)

四、實驗題(本大題共2小題，每小題3分，總計6分)

1、試畫出含碳量為0.45%的鐵碳合金金相顯微組織示意圖;

2、試分析含碳量分別為0.20%、0.45%、0.65%的鐵碳合金在組織和力學性能上有何不同?

一、名詞解釋(本大題共3小題，每小題2分，總計6分)

1、熱處理2、馬氏體3、實際晶粒度

二、填空題(本大題共16個空，每空1分，總計16分)

1、馬氏體的基本形態(tài)有和，此外還有、和。通常低碳鋼所形成的馬氏體為，高碳鋼所形成的馬氏體為.

2、按回火溫度不同，通常將回火分為、和;

回火溫度分別是、和;其回火組織分別為、和。

三、何謂奧氏體?簡述奧氏體的轉變的形成過程及影響奧氏體晶粒長大的因素。(本大題6分)

四、問答題：(本大題共2小題，每小題5分，總計10分)

將共析鋼加熱至780℃，經(jīng)保溫后，請回答：

1、若以圖示的V1、V2、V3、V4、V5和V6的速度進行冷卻，各得到什么組織?

2、如將V1冷卻后的鋼重新加熱至530℃，經(jīng)保溫后冷卻又將得到什么組織?力學性能有何變化?

答案

一、

1.Fe3C為復雜晶體結構的間隙化合物，其硬度高，脆性大，塑性幾乎等于零，硬脆相，是鋼中主要強化相。

2. α-Fe中溶入溶質元素而構成的固溶體，鐵素體仍保持α-Fe的體心立方晶格，由于間隙小，溶碳極少，力學性能與純鐵相同，強度、硬度不高，具有良好的塑性，770 oC以下為鐵磁性。

二、

1.A0.77 (F0.0218+Fe3C)共析L4.3(A2.11+Fe3C)共晶;

2.　　　穩(wěn)態(tài)

非穩(wěn)態(tài)

第一擴散定律是第二擴散定律的特例。

ΔT=T0 - T1

過冷是由液固界面前沿實際溫度分布與平衡凝固溫度之差，稱熱過冷。

4. 冷加工變形后，金屬材料強度、硬度升高而塑性下降的現(xiàn)象叫加工硬化。是由于塑變中產(chǎn)生了大量位錯等晶體缺陷，相互交互作用，使位錯運動阻力增大，變形抗力增加，加工硬化是強化金屬材料重要方法，尤其是熱處理不能強化材料更重要，使材料在加工中成為可能。但同時變形抗力增加，進一步變形必消耗動力，塑性大幅下降，會導致開裂，有時為繼續(xù)變形必加中間再結晶退火，增加生產(chǎn)成本。

5. 一是溶質原子的溶入使晶格畸變，阻礙滑移面上位錯運動。

二是位錯線上偏聚的溶質原子對位錯的釘扎作用，形成“柯氏氣團”對位錯起釘扎作用。

三、計算題

2.T再=δTm=0.35(1083+273)=474.6K，即201.6 oC

四、實驗題

1、0.45%的鐵碳合金金相顯微組織示意圖;

2、隨含碳量↑，F(xiàn)↓，F(xiàn)e3C↑。塑性、韌性下降，強度硬度↑

一、名詞解釋(本大題共3小題，每小題2分，總計6分)

1、熱處理：將鋼在固態(tài)下進行加熱、保溫，冷卻，以改變其組織而得到所需性能的工藝方法。

2、馬氏體：C在α-Fe中的過飽和固溶體。

3、實際晶粒度：在某一加熱條件下(實際熱處理)所得到的實際奧氏體晶粒大小。

二、填空題(本大題共16個空，每空1分，總計16分)