西南交大第三学期金属材料及热处理

1、金属材料及热处36. ?请给出两种材料的分类方法，并说明如何加以分类？答：材料可按其化学键特点加以分类：金属材料、无机非金属材料（陶瓷材料）、高分子 材料、复合材料。?材料还可按其应用时性能特点加以分类：结构材料、功能材料37. ?根据退火的低碳钢的拉伸图，指出与下列力学性能指标相关的点与物理量：（1）断面收缩率；（2）抗拉强度；（3）比例极限；（4）刚度38. ?分析HB和HRC实验方法的原理及适用性。布氏硬度H比一 3"心 幽,> 压头为一定直径D（mrn）的软钢（或硬底合金）球，载荷P一般3000kg,现爆压痕平均直径。（mm） /> 一般用于专能材料，H日应45。

2、卡 ,洛氏硬度HRd由压痕的度求出材料的硬度.以0 Q02受米作为一个硬度单位。w>压头为反再1加。的金刚石圆锥体，载荷一般为住。明，”一般用于硬度校高的材札适用范围HM2。-":39. ? a-Fe、Al、Cu、Zn各属何种晶体结构？试画出体心立方、面心立方和密排六方晶体中原子排列最密的晶面和晶向。并算出其滑移系的个数。40. ?在常温下，已知铜的原子直径为 2.55 X10-10m ,求铜的晶格常数。答：常温下铜为fcc结构，原子直径2d=21/2a, a=3.61 x 10-10m41. ?试分析体心立方、面心立方和密排六方晶体的滑移系对金属塑性的影响。答：滑移系数目t

3、,材料塑性t ；滑移方向t ,材料塑性t,（滑移方向的作用大于滑移面的作用）。因此 FCC口 BCC勺滑移系为12个，HCW 3个；FCC的滑移方向多于 BCC 金属塑性： Cu （FCC >Fe （ BCC > Zn （ HCP42. ?再结晶晶粒大小和哪些因素有关。答：温度：TT DT T晶界迁移一晶粒长大T ；预变形度：预变形度(临界变形度时，无明显影响预变形度=临界变形度时，再结晶将出现异常粗大晶粒预变形度临界变形度时，预变形度T ?再结晶驱动力T ?再结晶形核 率T 一?晶粒尺寸；,当预变形度很大时，出现形变织构，再结晶将出现异常粗大晶粒。43. ?未进行冷变形的金属加热

4、时，能否发生回复和再结晶，为什么？答：未进行冷变形的金属加热时，不发生回复和再结晶。因为回复和再结晶的驱动力是金属变形储存能(晶格畸变能)， 未进行冷变形的金属不存在再结晶的驱动力。44. ?金属塑性变形后力学性能有哪些变化？答：出现各向异性一一当形成纤维组织(晶界取向排列)或形变织构(晶粒的位向出现 择优取向)时。加工硬化(形变硬化)一一随着变形度的增加，位错大量增殖7位错相互作用” 位错运动阻力加大“变形抗力？”其强度、硬度提高，塑性、韧性下降。45. ?在热加工过程中，金属能否产生加工硬化？试分析原因。答：在热加工过程中，金属塑性变形与金属动态再结晶过程同时进行，金属不产生加工硬化。46

5、. ?晶界对多晶体塑性变形有何影响？为何细晶粒钢强度高，塑性、韧性也好？答：品界一方面是滑移的主要障碍；另一方面通过晶界自身变形-协调变形-以维持相邻晶粒变形保持连续；因此导致细晶强化。晶粒小“晶界面积大”变形抗力大”强度大；晶粒小”单位体积晶粒多“变形分散“相邻晶粒不同滑移系相互协调；晶粒小“晶界多“不利于裂纹的传播“断裂前承 受较大的塑性变形。因此晶粒细化“强度、硬度提高，塑性、韧性提高；细晶粒钢 强度高，塑性、韧性也好。47. ?已知鸨和铅的熔点分别为3380?C和327?C,试问鸨在1100?C加工、铅在室温加工各为何种加工？答：纯金属的再结晶温度：TR=0.4-0.35Tm(K)?鸨

6、的再结晶温度：鸨TR=0.4-0.35Tm(K)=1461-1278(K);鸨在1100?C加工为冷加工?铅的再结晶温度：铅 TR=0.4-0.35Tm(K)=240-210(K) ；铅在室温加工为冷加工48. ?滑移的本质是什么？试比较低碳钢塑性变形前（状态 A）、经历塑性变形（状态B）以及再结晶退火后（状态C）的力学性能，并分析性能变化的原因。答：滑移的本质是滑移面上位错的运动。低碳钢塑性变形后会出现加工硬化，即强度、硬度提高，塑性、韧性下降，是因为随 着变形度的增加，位错大量增殖一位错相互作用一位错运动阻力加大一变形抗力T ;经再结晶退火后，低碳钢加工硬化消除力学性能恢复，即强度、硬度下

7、降，塑性、韧性提高，是因为无形变的再结晶晶粒的形成，位错密度大幅度降低一变形抗力；;但再结晶退火后低碳钢的强度、硬度、塑性、韧性均高于塑性变形前的低碳钢，是因 为再结晶退火后形成的再结晶晶粒小于塑性变形前的晶粒，细晶强化作用造成强度、硬度、塑性、韧性的提高。49. ?过冷度与冷却速度有什么关系？它对金属结晶后的晶粒大小有什么影响？50. ?列举几种实际生产中采用的细化铸造晶粒的方法。答：提高过冷度：过冷度 ?TT , NTT , GTN/G增大，晶粒细化；变质处理：在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发品核的核心，以细化晶粒 和改善组织。振动，搅拌等51. ?试分析比较纯金属、固溶体、共晶体

8、三者在结晶过程和显微组织上的异同点结晶过程炉固体显微组织+同产异'同+、用纯金属平面长大厂恒温过程；结晶出一个固相,炉©出固溶体。树栈状长大变温过程j结晶出一 个国相3两相区内（结晶温度区间 内）,温度一定，葩相成分确定（E8 温度变化为两相身成比例一定口，娥晶/共晶体2树枝状长大,恒温过程5结晶出两 个固相，结晶师三1®生存，有确定 的三相成分和比例。一6两相相间混合的共晶体+52. ?试分析含碳量为2.11%的铁碳含金从液态冷却到室温时的平衡结晶过程，计算其室温组织组成物的相对含量，并 判断其属于哪一类铁碳合金。有两块退火钢样经组织分析发现其中珠光体占80%，但

9、硬度差别较大，请分别计算它们的含碳量。答：？第一块属于亚共析钢，P%=(X-0.02 ) / (0.77-0.02 ) =80% 求出X=0.55,含碳量为 0.55%。?第二块属于过共析钢，P%=(6.69-X) / (6.69-0.77 ) =80% 求出X=1.95,含碳量为1. 95%。54. ?画出 T12 钢的平衡组织和淬火组织示意图并标出组织，计算其平衡组织中各组织组成物的相对含量。55. ?现有两种铁- 碳合金，其中一种合金的显微组织中珠光体量占75%，铁素体量占25%；另一种合金的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

10、：第一种合金属于亚共析钢，P%=( X-0.0218) /( 0.77-0.0218 ) =75%，求出X=0.54，含碳量为0.54%。?第二种合金属于过共析钢，P%=(6.69-X) / (6.69-0.77 ) =92%求出X=1.24,含碳量 为 1.24%。36. ?现有形状、尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们的碳含量分别为0.2% ， 0.4% ， 1.2% ， 3.5% 的合金。根据你所学的知识，可有哪些方法区别它们？答：测量四块合金的硬度，其硬度随含碳量增加而升高。观察四块合金的金相，0.2%和 0.4%的合金均为亚共析钢，其组织为珠光体+铁素体，珠光体的量随含碳量增加

11、而增加；1.2%的合金为过共析钢，其组织为珠光体+二次渗碳体；3.5%的合金为亚共晶白口铁，其组织为珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体。观察四块合金与砂轮磨出的火花，随着含碳量的增加，流线数量和爆花数量都急剧增多，碳含量超过0.8%以后，增多的趋势逐渐缓和。37. ?根据铁碳相图解释下列现象：含碳量 1.0% 的钢比含碳量0.5% 的钢硬度高；在室温平衡状态下，含碳量为0.8%的钢比含碳量为1.2% 的钢强度高；室温下莱氏体比珠光体塑性差。1) ?含碳量1.0%的钢比含碳量0.5%的钢硬度高；钢由较软的铁素体和较硬的渗碳体组成，随着含碳量的提高，钢中渗碳体的量提高，因此硬度提高。2) ?在室温平衡

12、状态下，含碳量为0.8%的钢比含碳量为1.2%的钢强度高；钢的强度是典型的对组织敏感的性能指标，细密相间的两相组织珠光体具有较高的强度，因此提高珠光体的比例可改善钢的强度，而连续分布在原奥氏体晶界上的二次渗碳体将降低钢的强度。0.8%的钢中珠光体的比例高于1.2%的钢，同时1.2%的钢含有更多的二次渗碳体，故0.8%的钢比1.2%的钢强度高。3) ?室温下莱氏体比珠光体塑性差；?S温下莱氏体FeC+P即珠光体分布渗碳体相的基底上，而渗碳体基底的脆性极大， 莱氏体表现为脆性的，几乎不能塑性变形。38. ?将含碳量分别为0.2% 和 0.6% 的碳钢加热到860 ， 保温相同时间，使奥氏体均匀化，

13、问哪一种钢奥氏体晶粒易粗大？为什么？53. ?0.2%)?口 0.6%的碳钢力口热至I 860 C ,均为完全奥氏体化，其奥氏体中的含碳量分别为0.2御0.6%,由于奥氏体中C用一？晶粒长大T,故含碳量为0.6%的碳钢奥氏体晶粒易粗大。39. ?试比较S和S'、M和M'在形成条件、金相形态与性能上的主要区别。形成条件金相形态性能特点S正火铁素体和渗碳体相间分布呈细层片状S'的强度、硬度、韧 性、塑性均高于SS，淬火+高温回火细小弥散的渗碳体粒分布在铁素体基 体(等*由晶)上M淬火低碳M呈板条状，高碳M呈针状(竹 叶状)M保才!了 M的高硬 度，同时降低了 M的 脆性及残

14、余应力。M淬火+低温回火亚稳定的e -Fe2.4C碳化物分布于过饱 和的a' (?板条或针状)上40. ?试说明淬火钢回火的必要性。答：必要性一一淬火组织的问题：a.?消除淬火应力，降低脆性b.?稳定工件尺寸，由于 M残余A不稳定c.?获得要求的强度、硬度、塑性、韧性。41. ?为什么钢淬火后回火是钢最有效的强化手段？答：淬火形成M:固溶强化：过饱和c和Me位错强化：高密度位错细品强化：极细小、不同取向的马氏体束?回火第二相强化：析出细小碳化物粒子基本保持了淬火态的细小晶粒、高密度位错及一定的固溶强化作用42. ?确定下列钢件的退火方法及退火后的组织1)?经冷轧后的15钢钢板。要求降低

15、硬度2) ?65钢切削加工前3)?改善T12钢的切削加工性能4) ?ZG35的铸造齿轮铸造后存在枝晶偏析答：1)再结晶退火，退火后的组织一一F+P2)完全退火，退火后的组织一一F+P3)球化退火，退火后的组织一一球状渗碳体分布于铁素体基体上4)扩散退火，退火后的组织一一F+P43. ?指出下列工件的回火温度，并说明回火后的组织1) ?45 钢轴2) ?60钢弹簧3) ?T12 钢锤刀答：1) 560600)，回火后白组织 S'4) 350-500 ),回火后的组织 3） 150-250,回火后的组织 M44. ?写出下列零件的最终热处理方式及其组织：（1）60Si2Mn 弹簧；（2）高

16、速钢车刀。60Si2Mn 弹簧高速钢车刀最终热处理方式（各3分）:淬火+中温回火淬火+550-570 （600） C回火三次最终组织（各2分）一M +K45. ?试说明表面淬火、渗碳、氮化处理在适用钢种、性能、应用等方面的差别。适用钢种性能特点应用1表面淬火通过快速加热，使刚件表面很快到淬火的温 度，在热量来不及穿到工件心 部就立即冷却，实现局部淬 火。中碳钢、合 金调质钢获得高硬度，高耐磨性 的表面，而心部仍然保 持的良好韧性。机床主轴，齿 轮，发动机的 曲轴等渗碳处理一一使低碳钢的工 件具有高碳钢的表面层，再经 过淬火和低温回火，使工件的 表面层具有图硬度和耐磨性， 而，件的中心部分仍然保

17、持 着低碳钢的韧性和塑性。低碳钢、合 金渗碳钢史局的表面硬度、局的 耐磨性和疲劳强度，并 保持心部有低碳钢淬火 后的强韧性，使工件能 承受冲击载荷。飞机、汽车 和拖拉机等 的机械零件 ,如齿轮、 轴、凸轮轴 等。氮化处理一一指在一定温度 （一M在AC1以下，使活性氮原子渗入工件表面的化学 热处理工艺。氮化温度低、变 形小。中碳钢、合 金调质钢优异的耐磨性、耐疲劳 性、耐蚀性及耐高温。钻头、螺丝 攻、挤压模、 压铸模、欺压 机用1g造模、 螺杆、连杆、 曲轴、吸气及 排气活门及 齿轮凸轮等46. ?钢的回火脆性有哪几类？其发生是否可逆？如何避免？答：回火脆性是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象。回

18、火脆性可分为第一类回火脆性（250400C）和第二类回火脆性（450650C）。第一类回火脆性与碳化物片沿 M晶界析出有关，具有不可逆性，与回火后的冷却速度 无关。因此只能避免在此温度回火。第二类回火脆性与P等元素在原A晶界偏聚有关，具有可逆性，与回火后的冷却速度 有关，回火保温后，缓冷出现，快冷不出现，出现脆化后可重新加热后快冷消除。因此可提高钢材的纯度（；P等杂质元素含量）；加入适量的Mo W等有益的合金元素；采用回火后快冷的方法。47. ?为什么过共析钢的淬火温度不选择在ACCM以上？答：如过共析钢的淬火温度选择在 Acc以上，（1）淬火温度过高一 A粗大一 M粗大，从而 一力学性能一淬

19、火应力T 一变形，开裂T; ? （2） A中C% 一 M中C用一残余A T -M脆性3 HRQ、耐磨性；。因此过共析钢的淬火温度不选择在 Acc以上。48. ?试分析金属的主要强化机制。答：（1）固溶强化：溶质原子？一？晶格畸度？一？与位错相互作用？一？阻碍位错运动一强 化。（2）细晶强化：晶界？一？阻碍位错运动？一？强化（3）位错强化：位错？一？增殖并相互作用？一？阻碍位错运动？一？强化（4）第二相强化：第二相粒子？一？阻碍位错运动？一？强化？49. ?合金元素对钢的等温转变 “Cffi线有哪些影响？又是如何影响淬透性的？答："C'曲线位置：除Co以外的合金元素均使“ C&

20、#39;曲线右移，因此提高淬透性。“C”曲线形状：碳化物形成元素（Mn,Cr,Mo,W,V,Nb,Zr,Ti）使“C'曲线上下分离成 两个C形M转变临界温度：除Co Al以外的合金元素均使M转变临界温度下降。50. ?合金元素对钢的回火转变有哪些影响？答：（1）提高回火稳定性：V、Si、Mo W Ni、Mn Co； （2）产生二次硬化：沉淀硬化： V、Mo W Cr （Ni、Co协同）；（3影响回火脆性：（第二类回火脆性一一 450-600oC 高温，与P有关）：增大第二类回火脆性：Mn Cr、Ni,消除第二类回火脆性：Mo（0.5%）、W（1%）51. ?为何要向不锈钢中加入大量的

21、Cr和Ni ?答：加入Cr： T电极电位含量12.5%电极电位跃升（如马氏体不锈钢）；形成单相F?电一Cr量12.7%-单相F（如铁素体不锈钢）；加入Ni:形成单相A （如奥氏体不锈钢）52. ?手工锯条、普通螺钉、机床主轴分别用何种碳钢制造？电：手工锯条一一T12;普通螺钉一一Q235;机床主轴一一4553. ?试对比渗碳钢和调质钢的合金化和热处理特点合金化特点热处理特点渗碳钢低 C: 0.1%0.25%加入提图淬透性兀素：Cr, Ni, Mn, B加入Mo W V、NB Ti等阻碍A晶粒长大和形成k （碳化物）提图耐磨性Ni增加渗层塑、韧性？正火一一渗碳一一淬火低温回火调质钢中C: 0.2

22、5%0.50%,以0.4左右为主主：加入提高淬透，性元素Cr,Ni,Mn,Si,B辅：加入Mo,W1f除回火脆性正火一一淬火一一高温回 火（ 表面淬火）54. ?简述高速钢的热处理和性能特点，并说明合金元素的作用。答：高速钢的性能特点：高硬度：HRO 60;高耐磨性；高热硬性；足够塑性和 韧性。靠加入的合金元素的作用来保证：高C:0.7 %1.5%- T M硬度，形成高硬度的碳化物；加入Cr （4%）提高淬透性一保证获得 M加入W,Mo形成二次硬化一保证高的热 硬性；加入V形成高硬度的碳化物一提高耐磨性。如 WW18Cr4B硬性突出；W-Mo 电W6Mo5Cr4V热塑性、韧性突出。55. ?请

23、分析高速钢工具的最终热处理中需回火三次的原因及使用态组织。答：淬火时1220-1280OC高温加热使合金元素充分溶解于奥氏体中，显着提高回火稳定性，550-570OC回火仍然处于低温回火阶段，三次回火后碳化物的充分析出，形成显着的二次 硬化效应。最终组织：M'+K+A'26. ?试述石墨形态对铸铁性能的影响，与钢相比铸铁有哪些优缺点？答：常用铸铁的组织是由钢的基体组织与石墨组成，由于石墨的强度和韧性极低，石墨相 当于钢基体上的裂纹或空洞，减少基体有效截面积，割裂基体并引起应力集中。常用铸铁 中的石墨形态可分为，片状石墨、球状石墨、蠕虫状石墨和团絮状石墨，分别对应于灰口 铸铁、球

24、墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁。其中由于片状石墨引起严重应力集中，灰口铸铁 的塑性和韧性低、强度不高（经变质处理后，石墨片细化，强度可提高）；而球状石墨的 作用最轻，引起的应力集中最小，球墨铸铁不仅强度提高，塑性和韧性也获得改善；团絮 状和蠕虫状石墨形态介于片状和球状石墨之间，其性能（强度、塑性和韧性）也介于灰口 铸铁和球墨铸铁之间。?与钢相比铸铁有良好的吸振性能，良好的耐磨减摩性能，良好的易切削性，较低的缺 口敏感性。27. ?试辨析以下金属材料牌号 Q215、08F、T10、ZG25、KT300-06 、QT400-18 、20Cr、GCr15、60Si2Mn、5CrMnMo、1CU8Ni9T

25、i : （1）说明材料的类别；（2 ）说明牌号中下划线部分的意义。答：Q215普通碳素结构钢，215屈服强度08F：优质碳素结构钢，F沸腾钢T10:碳素工具钢，10含碳量1.0%ZG25 25号铸钢，ZG-一铸钢KT300-06:可锻铸铁，KT-可锻铸铁QT400-18:球墨铸铁，400最低抗拉强度20Cr：合金渗碳钢，20含碳量0.2%GCU5:滚珠轴承钢，15Cr含量中间值1.5%60Si2Mn：合金弹簧钢，60含碳量中间值0.6%5CrMnMo合金模具钢，5含碳量中间值0.5%1Cr18Ni9Ti :奥氏体不锈钢，1含碳量中间值0.1%28. ?LF21、LY10、LY12、LC4、LD

26、5、ZL105各属于何种铝合金？分析它们的性能特点，强化方法及用途（请各举一例）。类别性能特点强化方法用途（一例）LF21人类：及形铝行 金小类：防锈铝合 金强度低、塑性 好、易于压力 加工，具有良 好的抗腐蚀 性能和焊接 性能形变强化（/、可热处 理）制造承受低载荷的深拉 伸零件、焊接件和在腐蚀 介质中工作的零件，如航 空油箱、油管、冷冲压件、 怫钉及受力小的零件。LY10, LY12人类：及形铝行 金小类：硬铝合金强度和耐热 性能均好，但 耐蚀性不如热处理强化该类合金广泛应用于各 种构件和怫钉材料。LY107W钉用合金，肩较纯铝和防锈 铝合金。常用 包铝方法提 高硬铝制品 在海洋和潮 湿大

27、气中的 耐蚀性。高的剪切强度，怫接过程 不受热处理时间的限制， 但耐腐性不好。LY12（高 强度硬铝）主要用于飞机 结构、怫钉、导弹构件、 卡车轮毂、螺旋桨元件及 其他结构件，LC4人类：及形铝行 金小类：超硬铝合 金强度戢高的 铝合金，比强 度更局，缺点 是抗蚀性差， 抗应力腐蚀 性差。热处理强化用於制造承力构件和高 载荷零件。用于制作飞机 的蒙皮、螺钉、承力构件、 大梁桁条、隔框和翼肋 等。LD5人类：及形铝行 金小类：锻铝合金具有良好的 热塑性及耐 蚀性。淬火时 效后均可提 高强度。热处理强化用於制造形状复杂和中 等强度的锻件和冲压件 等，主要用于飞机结构件 上。ZL105大类：铸造铝合

28、金小类：Al-Si合金具有良好的 铸造性能，适 于铸造，但/、 适于压力to 工。足够的强 度，而且密度 小。热处理强化用得最广的铸造铝合金， 一般用于制作质轻、耐 蚀、形状复杂及有一定机 械性能的零件。：铝合金淬火（固溶处理一一加热后快速冷却）的目的是为了获得过饱和的固溶体时效（经长时间室温停留或加热至 100-200 C 一定时间保温）后，在母相固溶体的一 定晶面上出现一个原子层厚度的铜或其它原子的偏聚区，偏聚区边缘发生品格畸变， 阻碍位错运动，因而目的是为了提高合金的强度、硬度。30. ?轴承合金的组织有什么特点？为什么？答：轴承合金的组织是在软基体（硬基体）上分布着硬质点（软质点），软

29、基体 （软质点） 被磨损而凹陷，保持润滑油；硬质点（硬基体）耐磨而相对凸起，支持轴的压力并使轴 与轴瓦接触面积减小；从而使轴与轴瓦接触面积减小保证近乎理想的摩擦条件和极低 的摩擦系数。31. ?试依据轴类零件的工作条件和失效形式，分析该类零件主要要求哪些性能工作条件（传动）？失效形式？性能要求？交父扭转、 旋转弯曲应力？疲劳断裂？较图疲劳抗力?轴颈摩擦？磨损？轴颈耐磨性冲击？过载或冲击断裂？较图强度与较好切、塑 性配合32. ?试说明哪些钢材适用于轴类零件的选材要求，并指出其热处理工艺悭度 W荷 冲击E损？?大？钢种类别？热处理工艺？中碳钢？调质处理（淬火+高温回火）+表面 淬火M氐温回火？合金调质钢？调质处理（淬火+高温回火）+表面 淬火M氐温回火合金渗碳钢？渗碳+淬火+低温回火？33. ?试依据齿轮类零件的工作条件和失效形式，分析该类零件主要要求哪些性能。工作条件？失效形式？性能要求？齿根父父弯曲应力？疲劳断裂？局弯曲疲劳强度？齿面接触压应力、 滑动摩擦？表面损伤？局接触疲劳强度和耐磨性？轮齿冲击、应力？过载及形、断裂？较图强度及冲击韧性？34. ?试说明哪些钢材适用于齿轮类零件的选材要求，并指出其热处理工艺速度、载荷、冲击大钢种类别？热处理工艺？中碳钢？调质处理（淬火+高温回火）+表面淬火M氐 温回火？合金调质钢？调质处理（淬火+高温回火）+表面淬火M氐 温