工程材料复习题及答案

工程材料复习题及答案内容摘要：

（ A+α） %=1A%=50% 相： A%=（ 9020） /90*100%=78% α%=1A%=22% 10．某合金相图如图所示。 1） 试标注 ① — ④ 空白区域中存在相的名称； 2） 指出此相图包括哪几种转变类型； 3） 说明合金 Ⅰ 的平衡结晶过程及室温下的显微组织。 答： (1)①： L+γ ② : γ +β ③ : β +(α+β )+ αⅡ ④ : β +αⅡ (2)匀晶转变；共析转变 (3)合金①在 1点以上全部为液相 ,冷至 1点时开始从液相中 析出γ固溶体至 2点结束 ,2～ 3点之间合金全部由γ固溶体所组成 ,3 点以下 ,开始从γ固溶体中析出 α 固溶体 ,冷至 4 14 点 结束 ,4～ 5之间全部由 α固溶体所组成 ,冷到 5点以下 ,由于 α固溶体的浓度超过了它的溶解度限度 ,从 α中析出第二相β固溶体 ,最终得到室稳下的显微组织 : α+β Ⅱ 11．有形状 、 尺寸相同的两个 CuNi 合金铸件，一个含 90% Ni ，另一个含 50% Ni,铸后自然冷却，问哪个铸件的偏析较严重。 答： 含 50% Ni 的 CuNi 合金铸件偏析较严重。 在实际冷却过程中，由于冷速较快，使得先结晶 部分含高熔 点组元多， 后结晶部分 含低熔点组元多，因为 含 50% Ni 的 CuNi 合金铸件固相线与液相线范围比 含 90% Ni 铸件 宽，因此它所造成 的化学成分不均匀现象要比 含 90% Ni 的 CuNi 合金铸件 严重。 第五 章 铁碳合金 1．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。 答：由于条件（温度或压力）变化引起金属晶体结构的转变，称同素异构转变。 （ F） ,奥氏体（ A），渗碳体（ Fe3C），珠光体 （ P） ,莱氏体（ Ld）。 它们的结构、组织形态、性能等各有何特点。 答：铁素 体（ F） ： 铁素体是碳在 Fe 中形成的间隙固溶体，为体心立方晶格。 由于碳在 Fe 15 中的溶解度 `很小，它的性能与纯铁相近。 塑性、韧性好，强度、硬度低。 它在钢中一般呈块状或片状。 奥氏体（ A） ：奥氏体是碳在 Fe 中形成的间隙固溶体，面心立方晶格。 因其晶格间隙尺寸较大，故碳在 Fe 中的溶解度较大。 有很好的塑性。 渗碳体（ Fe3C） ： 铁和碳相互作用形成的具有复杂 晶格的间隙化合物。 渗碳体 具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。 在钢中以片状 存在 或网络状存在于晶界。 在莱氏体 中为连续的基体，有时呈鱼骨状。 珠光体 （ P） ：由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 铁素体和渗碳体呈层片状。 珠光体 有较高的强度和硬度，但塑性较差。 莱氏体（ Ld） ：由 奥氏体 和 渗碳体 组成的机械混合物。 在 莱氏体 中， 渗碳体 是连续分布的相 ，奥氏体 呈颗粒状分布在 渗碳体 基体上。 由于 渗碳体 很脆，所以 莱氏体 是塑性很差的组织。 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 巨大的 实际 指导意义。 ① 为选材提供成分依据：CFeF 3 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。 例如，各种工程钢制结构件要求塑性和韧性好，因此选用含碳量低的钢材；各种机器零件需要塑性、韧性、强度都较好的钢材，应选用含碳 量适中的中碳钢；工具用材要求硬度高、耐磨，应选用含碳量高的钢种 ；白口铸铁硬度、高脆性大、不能切削加工，也不能锻造和难于焊接，但有良好的铸造性能，所以主要作为灰口铸铁的原材料。 ② 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： CFeF 3 16 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。 2： ① 由于铁碳相图是以无限缓慢加热和冷却的速度得到的， 其组织是平衡组织， 而在实际加热和冷却通常都 比较快， 钢的实际组织与状态图上的组织就有区别。 ②铁碳相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态，实际生产中用的钢铁材料，除了铁和碳外，往往还含有其它组元，此时铁碳相图形状将发生变化。 FeFe3C 相图，指出图中 S 、 C 、 E 、 P、 G 及 GS 、 SE 、 PSK 各点 、 线的意义，并标出各相区的相组成物和组织组成物。 答 : S：共析点 727℃ %C 在这一点上发生共析转变，反应式： cFeFA ps 3 ，当冷却到 727℃时从具有 S点成分的奥氏体中同时析出具有 P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物 —— 珠光体 P（ cFeFp 3 ） C：共晶点 1148℃ %C，在这一点上发生共晶转变，反应式： CFeALc E 3 ，当冷到 1148℃时具有 C点成分的液体中同时结晶出具有 E点成分的奥氏体和渗碳体的两 17 相混合物 —— 莱氏体    CFeALe E 3 E： 碳在 Fe 中的最大溶解度点 1148℃ %C ES 线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称 Acm 温度线，随温度的降低，碳在奥化体中的溶解度减少，多余的碳以 CFe3 形式析出，所以具有 %～ %C 的钢冷却到Acm 线与 PSK 线之间时的组织 ⅡCFeA 3 ，从 A 中析出的 CFe3 称为二次渗碳体 ，以 ⅡCFe3 表示。 GS 线 ：不同含碳量的奥氏体冷却时析出铁素体的开始线称 A3 线， GP 线则是铁素体析出的终了线，所以 GSP 区的显微组织是 AF。 PSK 线：共析转变线，在这条线上发生共析转变 CFeFA PS 3 ，产物（ P）珠光体，含碳量在 ～ %的铁碳合金冷却到 727℃时都有共析转变发生。 FeFe3C 相图中 二 个基本反应： 共晶反应 和 共析反应，写出反应式，标出含碳量及温度。 答： 共析反应 ： 冷却到 727℃时 具有 S 点成分的奥氏体中同时析出具有 P 点成分 的铁素体和渗碳体的两相混合物。 γ   230。 727 + 共晶反应 ： 1148℃时具有 C 点成分的液体中同时结晶出具有 E 点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物。   230。 1147 γ +。 何谓白口铁。 两者的成分组织和性能有何差别。 答：碳素钢：含有 %~%C 的铁碳合金。 白口铁：含大于 %C 的铁碳合金。 碳素钢中 亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成，其中珠光体中的 渗 碳体以细片状分布在铁素体基体上， 随着含碳量的增加， 珠光体的含量增加，则钢的 强度、硬度增加，塑性、韧性降低。 当含碳量 达到 %时就是珠光体的性能。 过共析钢组织由珠光体和二次渗碳体所组成，含碳量接近 %时， 强度达到最大值， 含碳量继续增加，强度下降。 由于二次渗碳体 在晶界形成连续的网络 ，导致钢的 脆性增加。 18 白口铁中 由于其组织中存在大量的 以 渗碳体 为基体的莱氏体（钢中无这种组织） ， 因此 具有很高的硬度和脆性，难以切削加工。 、共析钢和过共析钢的组织有何特点和异同点。 答：亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所 组成。 其中铁素体呈块状。 珠光体中铁素体与渗碳体呈片状分布。 共析钢的组织由珠光体所组成。 过共析钢的组织由珠光体和 二次渗碳体所组成，其中 二次渗碳体 分布 在晶界 ，当其含量多时将 形成连续的网络状。 共同点：钢的组织中都含有珠光体。 不同点：亚共析钢的组织是铁素体和珠光体，共析钢的组织是珠光体，过共析钢的组织是珠光体和 二次渗碳体。 % 、 % 、 % 、 % 的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织 . 答： %C:在 1~2 点间合金按匀晶转变结晶出 A， 在 2 点结晶结束，全部转变为奥氏体。 冷到3 点时（ 727℃ ），在恒温下发生共析转变，转变结束时全部为珠光体 P，珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体，当温度继续下降时，珠光体中铁素体溶碳量减少，其成分沿固溶度线 PQ 变化，析出三次渗碳体 ⅢCFe3 ，它常与共析渗碳体长在一起，彼此分不出，且数量少，可忽略。 室温时组织 P。 % C： 合金在 1~2 点间按匀晶转变结晶出 A，在 2 点结晶结束，全部转变为奥氏体。 冷到3 点时开始析出 F， 34 点 A 成分沿 GS 线变化，铁素体成分沿 GP 线变化，当温度到 4 点时，奥氏体的成分达到 S 点成分（含碳 %），便发生共析转变，形成珠光体，此时，原先析出的铁素体保持不变，称为先共析铁素体，其成分为 %C，所以共析转变结束后，合金的组织为先共析铁素体和珠光体，当温度继续下降时，铁素体的溶碳量沿 PQ 线变化，析出三次渗碳体，同样 ⅢCFe3 量很少，可忽略。 所以含碳 %的亚共析钢的室温组织为： F+P % C： 合金在 1~2 点间按匀晶转变结晶出奥氏体， 2 点结晶结束，合金为单相奥氏体，冷却到 3 点，开始从奥氏体中析出二次渗碳体 ⅡCFe3 ， ⅡCFe3 沿奥氏体的晶界析出， 19 呈网状分布， 34 间 ⅡCFe3 不断析出，奥氏体成分沿 ES 线变化，当温度到达 4 点（ 727℃ ）时，其含碳量降为 %，在恒温下发生共析转变，形成珠光体，此时先析出的 ⅡCFe3 保持不变，称为先共析渗碳体，所以共析转变结束时的组织为先共析二次渗碳体和珠光体，忽略 ⅢCFe3。 室温组织为二次渗碳体 和珠光体。 10．指出下列名词的主要区别： 1）一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体与共析渗碳体 ； 答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体 ，用 Fe3CⅠ 表示。 二次渗碳体：从 A 中析出的 CFe3 称为二次渗碳体 ，用 Fe3CⅡ 表示。 三次渗碳体：从 F 中析出的 CFe3 称为三次渗碳体 ⅢCFe3。 三次渗碳体通常可以忽略。 共晶渗碳体：经共 晶反应生成的 渗碳体即 莱氏体 中 作为基体 的渗碳体称为共晶渗碳体。 共析渗碳体：经共析反应生成的 渗碳体即珠光体中的 片层状 渗碳体称为共析渗碳体。 2） 热脆与冷脆。 答：热脆： S 在钢中以 FeS 形成存在， FeS 会与 Fe 形成低熔点共晶，当钢材在 1000℃ ~1200℃压力加工时， 会沿着这些 低熔点共晶体的边界开裂 ，钢材将变得极脆，这种脆性现象称为热脆。 冷脆： P 使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变脆，这种现象称为“冷脆”。 10． 根据 FeFe3C 相图，计算： 1） 室温下，含碳 % 的钢中珠光体和铁素体各占多少； 2）室温下，含碳 % 的钢中珠光体和二次渗碳体各占多少； 3）铁碳合金中，二次渗碳体 的最大百分含量。 答： 1） P%=()/()*100%=74% F%=174%=26% 2 ） P%=()/()*100%=93% Fe3C Ⅱ %=193%=7% 或 Fe3C 20 Ⅱ %=()/()*100%=7% 3） Fe3CⅡ %=()/()*100%=23% 11．某工厂仓库积压了许多碳钢（退火状态），由于钢材混杂，不知道钢的化学成分，现找出其中一根，经金相分析后，发现其组织为珠光体 +铁素体，其中铁素体占 50% ，问此钢材的含碳量大约是多少。 答： 由于 组织为珠光体 +铁素体 ，说明此钢为亚共析钢。 设成分为 X，则 F%=50%=()/()*100% X=，即 含碳量大约 是 % 12．对某退火碳素钢进行金相分析，其组织为珠光体 +渗碳体（网状），其中珠光体占 96% ，问此碳钢的含碳量大约为多少。 答 ： Wp=96% =( X)/()*100% X= 13．根据 FeFe3C 相图，说明产生下列现象的原因： 1）含碳量为 % 的钢比含碳量为 % 的钢硬度高； 答：钢中随着含碳量的增加，渗碳体的含量增加，渗碳体 是硬脆相，因此 含碳量为 % 的钢比含碳量为 % 的钢硬度高。 2）在室温下，含碳 % 的钢其强度比含碳 % 的钢高； 答：因为在钢中当含碳量超过 %时，所析出的 二次渗碳体 在晶界形成连续的网络状，使钢的脆性增加，导致强度 下降。 因此 含碳 % 的钢其强度比含碳 % 的钢高。 3）在 1100℃ ，含碳 % 的钢能进行锻造，含碳 % 的生铁不能锻造； 答： 在 1100℃时， 含碳 % 的钢 的组织为奥氏体，奥氏体的塑性很好，因此适合于锻造； 含碳 % 的生铁 的组织中含有大量的 莱氏体 ， 莱氏体 中 以连续的 渗碳体 为 基体 ，渗碳体的硬度很高，不适合于锻造。 4）绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却用钢丝绳（用 60 、 65 、 70 、 75 等钢制成）； 答： 为了便于 绑轧 ，要求有很好的塑性 ，因 此 应 选用 塑性很好。