《金属材料与热处理》部分习题参考答案

《金属材料与热处理》

部分习题参考答案

模块一金属的力学性能

综合训练——课题1强度与塑性

1.解释下列名词（略）

2.说明下列力学性能指标的意义（略）

3.低碳钢拉伸试验的基本过程：

低碳钢在拉伸力作用下的表现过程可分为弹性变形阶段、屈服阶段、均匀塑

性变形阶段、缩颈（集中塑性变形阶段）和断裂阶段。

1）完全弹性变形阶段：拉伸力在Fp以下阶段（Op段），试样在受力时发

生变形，在此阶段中拉伸力和伸长量成正比例关系，卸除拉伸力后变形能完全

恢复，该阶段为完全弹性变形阶段。

2）屈服阶段当所加的拉伸力F超过Fe后，拉伸力不增大或变化不大，试

样仍继续伸长，开始出现明显的塑性变形。曲线上出现平台或锯齿（曲线ess'

段），

3）均匀塑性变形阶段在曲线的s'b段，拉伸力增大，伸长沿整个试样长

度均匀进行，继而进入均匀塑性变形阶段。同时随着塑性变形的不断增加，试

样的变形抗力也逐渐增加，产生形变强化，这个阶段是材料的强化阶段。

4）颈缩和断裂阶段在曲线的最高点（b点），达到最大拉伸力Fb时，试

样再次产生不均匀的塑性变形，变形主要集中于试样的某一局部区域，该处横截

面积急剧减小，结果就形成了所谓“缩颈”现象。随着缩颈处截面不断减小，承

载能力不断下降，到k点时，试样发生断裂。

4.弹性极限在工程上的实际意义：

材料受到外力时，儿乎所有的弹性元件在工作时都不允许产生微小的塑性变

形，只允许在弹性范围内工作。制造这类工件的材料应以能保持弹性变形按正比

例变化的最大抗力作为失效抗力指标。

屈服强度工程意义：屈服强度可以理解为金属材料开始产生明显塑性变形

的最小应力值，其实质是金属材料对初始塑性变形的抗力。屈服强度是工程技术

上重要的力学性能指标之一，也是大多数工程构件和机器零件选材和设计的依

据。传统的设计方法，对于韧性材料以屈服强度为标准。

抗拉强度工程意义：抗拉强度的物理意义是韧性材料抵抗大量均匀塑性变形

的能力。铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的

断裂强度。断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也是工程设计和选材

的主要指标，特别是对脆性材料而言。

5.断后伸长率和断面收缩率的工程意义：根据断后伸长率和断面收缩率的相对大

小，可以判断金属材料拉伸时是否形成缩颈。若材料的断后伸长率大于或等于断

面收缩率，则该材料只有均匀变形而无缩颈现象，是低塑性材料;反之，则有

缩颈现象，是高塑性材料。任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显然，断

后伸长率（6）与断面收缩率（w）越大，发生的塑性变形量越大，也就是材

料的塑性越好。塑性好的金属材料可以发生大量塑性变形而不破坏，便于通过

各种压力加工方法（锻造、轧制、冷冲压等）获得形状复杂的零件或构件。

综合训练——课题2硬度

1.(略)

2.见电子教案

3.(1)(8)HV；(2)RC；(3)(4)(6)HB(5)HV或HR

4.在一定条件下，HB与HRC可以查表互换。其心算公式可大概记为：

1HRC«1/1OHB,因此不能说甲比乙硬度高。

综合训练——课题3冲击韧性与疲劳极限

1.解释下列名词(略)

2.(1)Ak：冲击能量，即冲断试样所需要的能量，或试样变形和断裂所消耗的

功，称为冲击能量。(2)AkU：U形缺口试样的冲击能量。(3)AkV：

V形缺口试样的冲击能量(4)ak：试样缺口处的横截面积S去除AkU和

AkV,可得到材料的冲击韧度指标。

(5)o-l：材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下测定的，对称弯曲疲劳

极限。(6)or(N)：规定循环周次不发生疲劳断裂的最大循环应力值，称为

条件疲劳极限，又称为疲劳强度。

3.脆性大的材料：木材、陶瓷、玻璃。

韧性好的材料：低碳钢、铝合金、纯金属，橡胶。

4.金属的疲劳：金属材料在受到交变应力或重复循环应力时往往在工作应力小

于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。

疲劳断裂的特点：由于疲劳的应力比屈服强度低，所以不论是韧性材料还

是脆性材料，在疲劳断裂前，均没有明显的塑性变形，它是在长期累积损伤过程

中，经裂纹萌生和缓慢扩展到临界尺寸时突然发生的。由于断裂前没有明显的预

兆，故疲劳断裂危险性极大。宏观断口一般可明显地分为三个区域，即疲劳源，

疲劳裂纹扩展区和瞬间断裂区。疲劳源多在机件的表面处。

模块二金属的晶体结构

综合训练——课题1金属的晶体结构

1.（略）

2.金属实际晶体中存在点缺陷、线缺陷和面缺陷三种晶体缺陷。

这些缺陷对金属性能的影响如下：

1）点缺陷造成局部晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，密度发生

变化。

2）线缺陷形成位错对金属的机械性能影响很大，位错极少时，金属强度很

高，位错密度越大，金属强度也会提高。

3）面缺陷晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高，金属塑变的能力

越大，塑性越好。

总之，随着三种晶体缺陷量的增加，材料的强度硬度增加。随着点、线

缺陷量的增加，材料的塑性韧性下降，而随着面缺陷量的增加，塑性和韧性反而

提高。

3.金属中常见的晶体结构有：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格

三种。

综合训练——课题2合金的相结构

1（略）

2.固溶体根据溶质在溶剂中所占据的位置不同分为：间隙固溶体和置换固溶

体。

固溶体与化合物的区别是：

I）固溶体的晶格结构保持了溶剂的晶格结构，化合物的晶格结构不同

于任何一种组元。

2）化合物的硬度高而脆，熔点高，通常不做为主相，而作为强化相。

模块三金属的结晶

综合训练——课题1纯金属的结晶

1.纯金属结晶时出现的现象：

1）结晶在恒温下进行（结晶平台）;

2）有一定的过冷度。

2.金属形核的方式有：自发形核（均质形核）和非自发形核（异质形核）两

种。

金属通常以非自发形核为主要形核方式。（需能量小）

晶粒的形态通常为树枝晶。

3.金属结晶的条件：

1）有一定的过冷度，过冷度不为零时结晶成为自发过程；

2）结构条件（结构起伏），有与固态金属相同原子排列的原子团体，此原

子团在某一时刻存在，另一时刻可能消失，这种原子团成为结晶的基础；

3）能量条件，规则排列的原子团并不能都成为结晶的核心，只有尺寸大到

一定程度才能成为核心，此时当原子团处于能量峰值就成为核心，当其处于低谷

时就会融化。

4.影响晶粒大小的因素是形核率（N）和长大速度（G）。

形核率提高的比长大速度更快，即N/G增大时，晶粒更细小。

5.晶粒大小对金属力学性能的影响：晶粒越细小，金属材料的强度、硬度、

塑性和韧性越高。

细化晶粒的原理：

（1）晶粒细化，增加了晶界，位错移动变得困难，因此强度提高，从而硬

度也提高；

（2）塑性提高是因为晶粒细小了使其塑性变形量可分配给更多的晶粒，从

而可使金属承受更大的塑性变形量；

（3）韧性提高是因为晶粒细小了，裂纹扩展的路程变长了，消耗的功就变

大了，即冲击能量就提高了，韧性便提高了。

细化晶粒的措施

（1）提高过冷度；（2）变质处理；（3）附加震动、搅拌。

6.同素异晶转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一

种晶格的现象称为同素异晶转变。

同素异晶转变与金属的结晶相同点：

1)过程都包括形核与长大两过程

2)且都在恒温下进行

3)同时都是相变。

不同点：同素异晶转变是固态下的相变；而纯金属的结晶是液态向固态转

变的相变。

综合训练——课题2合金的结晶

1.(1)B(2)B(3)B

(1)①L+x②x+b③a+0④a+x

(2)x和a的同素异晶转变；共晶转变

(3)合金I的平衡结晶过程：当温度在1点以上为液态金属；当温度下

降到1点时，有x固溶体晶核出现，随着温度的下降L相的量不断减少，固溶

体x的量不断增加，当温度降到2点，全部为x固溶体；温度在2-3之间是单相

x固溶体；温度下降到3点，固溶体x开始向a转变，温度继续下降，x的量不

断减少，a的量不断增加，当温度降到4点全部转变为a固溶体；温度在4-5之

间是单相a固溶体；当温度下降到5点，a固溶体中的B组元达到饱和，温度低

于5点，从a固溶体中析出B.，温度不断下降的量不断增多，a固溶体的

量不断减少。

合金I到室温下的组织为a+B

3.共晶组织的形态有：层片状、点状、放射状、针状、螺旋状等。金属界

面通常为粗糙界面，亚金属和非金属通常为光滑界面，所以，金属-金属型的

两相共晶组织大多为层片状或棒状，金属-非金属型的两相共晶组织大多为树

枝状、针片状或骨骼状等。

初晶的形态：如果是固溶体，•般的形态呈树枝状(包含组织的卵形相)，

若是亚金属和非金属(如Sb、Bi、Si等)或化合物(如Fe3c等)，则一般具有

较规则的外形。

4.在相图中三相水平线处：在转变前后相和组织能用杠杆定律来计算，转变

过程中不能。转变前后的相是两相，转变过程中为3相，杠杆定律只适用于两相

区。

5.Si量为56.5%的Mg-Si合金为共晶合金，

计算共晶前相的相为单相L,含量为100%；共晶前组织的L组织，量为

100%。

共晶后的相MgzSi和Si两相，其相对含量为：

W(Mg2Si)=(100-56.2)/(100-36.8)X100%=69.3%

W(Si)=1-W(MgzSi)=1-69.3%=31.7%

共晶后组织为(Mg2Si+Si),量为100%。

6.若要铸造某一工件，其所用合金材料的组元已确定，其组元含量确定方

法：先找到此合金相图，然后再找出相图中固液相线距离较小的合金，即为铸造

用合金。

7.设a中B的最大溶解度为x,共晶合金成分为y,则

(25%-x)/(y-25%)=26(2/3)/73(1/3)(1)

(50%-x)/(y-50%)=60/40(2)

由式(1)、(2)得：x=3.7%,y=80.9%

P中B的最大溶解度为96.3%

因此参考相图为:

模块四铁碳合金

综合训练——课题1铁碳合金的基本相与铁碳合金相图

1.名词解释(略)

2.选择题

(1)A(2)C,A

3.判断题

(1)V(2)X(3)V

4.分析问答题

(1)略

（2）铁碳合金的基本相有

名称定义晶格结构碳含量性能

碳在a-Fe溶碳能力低。与纯铁相似，强度

F中形成的间体心立方727℃最大,wc=0.0218%；硬度低，塑性韧性

隙固溶体室温时,wc=0.0008%好。6=30〜50%

碳在Y-Fe727c时，wc=0.77%,强度硬度不高，塑

A中形成的间面心立方1148℃时最大,性韧性良好，8

隙固溶体wc=2.11%=40-60%

铁与碳生成硬度很高，约

复杂晶格

Fe3c的金属化合wc=6.69%800HBW,塑性和

结构

物韧性几乎为零。

（3）答：绑扎物件需要的强度较低，低碳钢丝可满足要求；起重机吊重物

的钢丝绳需要高强度，需含碳量较高的钢因此需60、65、70钢制成。

综合训练——课题2典型铁碳合金的冷却过程及组织转变

根据铁碳合金相图，回答问题：

1.答：热轧和锻造需要材料的塑性良好，而当钢加热到1000℃以上才能得到

塑性良好的奥氏体组织。

2.答:在1100C时碳含量为0.4%的钢的组织为A组织，塑性良好适合于锻

造；含碳量为4.2%的铸铁在1100℃时组织为A+渗碳体，渗碳体是硬而脆的组织,

锻造时易开裂因此不适合锻造。

3.答：45钢在600C时组织为F+P,750C时组织为F+A,900℃时组织为A

组织。

4.答：70钢和T10钢属于高碳钢，硬度很高，20钢和30钢含碳量比70钢

和T10钢低很多，因此硬度也低很多，锯条70钢和T10钢时易磨钝。

5.答：略（见课本75-77页）

综合训练——课题3碳含量对铁碳合金平衡组织和性能的影响

1.答：1）随着，HBSt、obt；61、AkI；由于钢在室温下有F和

Fe3c两相组成，F软而韧，Fe3C硬而脆，随Wct,F量I,Fe3Ct。

2）Wc=0.9%时，ob达到最高；Wc>0.9%时，随Wet,obi；

由于Fe3CH成网状，使。bl,因此，工业用钢的含碳量一般不超过

1.3%o

2.答：见1题的2）

3.答：亚共析钢和亚共晶白口铸铁的相组成都为F和Fe3c两相；

亚共析钢的组织为F+P

亚共晶白口铸铁的组织为P+Fe3CH+Ld'。

4.答：方法一硬度由高至必氐Wc=4.5%,Wc=2.0%,Wc=0.2%

方法二金相组织不同Wc=0.2%为F+P

Wc=2.0%为P+Fe3CII

Wc=4.5（Vi^Ld'+一次Fe3c

5.答：合金的固液相线间距越小，铸造性能越好，钢的结晶温度范围不为零,

且含碳量大于0.25%的比小于0.25%的钢结晶温度宽；而含碳量为4.3%的铸铁结

晶温度是恒温，结晶温度差为零，因此含碳量为4.3%的铸铁铸造性能好于钢，

含碳量大于0.25%的比小于0.25%的钢铸造性能差。

综合训练——课题4Fe-Fe3C相图的应用及局限性

1.答：（略）

2.答：钢的锻造温度一般应选在1000℃以上。

3.答：结晶温度范围窄：纯铁和碳含量较低的钢以及共晶白口铸铁和成分接

近共晶成分的铁碳合金适合于铸造。

4.答：铁碳相图在热处理方面的应用：热处理的温度要依据铁碳相图；

铁碳相图在焊接方面的应用：含碳量低的钢焊接性能越好。

5.答：同课题3综合训练5题。

综合训练——课题5合金元素对铁碳合金的影响

1.判断题（1）错误（2）错误

2.分析问答题

（1）答：钢中常含的杂质元素有硅、镒、硫、磷等。

硅:来自炼钢原料，强脱氧剂（有益元素），强化铁素体，提高钢的强度、

硬度，降低塑性和韧性；

镒:来自生铁和脱氧剂,具有一定的脱氧能力（有益元素），使铁素体强化；

硫:强化铁素体，热脆（有害元素）

磷：强化铁素体，冷脆（有害元素）

（2）答：合金元素对钢性能的影响：固溶强化、弥散强化、提高钢的淬透

性、提高回火稳定性、可造成二次硬化，使其热处理加热温度更高，保温时间更

长。

（3）答：扩大奥氏体相区：Mn、Ni等合金元素；

缩小奥氏体相区：Cr、Mo、W、V、Ti、Si等。

（4）答：合金元素对铁碳合金相图的影响：改变A1线和A3线；使S、E

点左移。

模块五金属的塑性变形与再结晶

综合训练——课题1金属的塑性变形

L答：金属塑性变形的基本方式有滑移和李生。

2.答：单晶体塑性变形原理：只有在切应力的作用下，才能产生塑性变形，

切应力则使晶体产生弹性歪扭，并在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生

相对滑移。当切应力较小时，晶格发生弹性歪扭，若去除外力，晶格弹性歪扭也

随之消失，晶体恢复到原始状态，即产生弹性变形;若切应力继续增大到超过原

子间结合力，则在某个晶面两侧的原子将发生相对滑移，滑移的距离为原子间

距的整数倍，此时，如果使切应力消失，晶格歪扭可以恢复，但已经滑移的原子

不能恢复到变形前的位置，即产生塑性变形。如果切应力继续增大，其他晶面上

的原子也产生滑移，从而使晶粒塑性变形继续下去。许多晶面上都发生滑移后就

形成了单晶体的整体塑性变形。

通过挛生方式的变形，使李生面两侧的晶体形成了镜面对称关系（镜面即李

生面）。整个晶体经变形后，只有挛晶带中的晶格位向发生了变化，而李晶带两

边外侧晶体的晶格位向没发生变化，但相距一定距离，李生与滑移的主要区别

是:挛生变形时，李晶带中相邻原子面的相对位移为原子间距的分数值，晶体位

向发生变化与未变形部分形成对称;而滑移变形时，滑移的距离是原子间距的

整数倍，晶体的位向不发生变化。金属的塑性变形过程中，滑移和挛生往往是交

替进行的，这样就可以获得较大的变形量。

多晶体塑性变形原理：多晶体塑性变形的基本方式仍然是滑移和李生。但由

于晶界的存在和每个晶粒中晶格位向的不同，多晶体的塑性变形要比单晶体复杂

得多，表现出以下不同于单晶体的特点。1）一个有先后和不均匀的塑性变形过

程；2）晶粒间位向差阻碍滑移；3）晶界阻碍位错运动。

3.答：当合金由多相混合物构成时，除了基本相变形之外，第二相的性质、

形状、大小、数量和分布情况，在塑性变形中，也常起决定性的作用。

1）若合金内两相含量相差不大，且两相的变形性能相近，则合金的变形性能

为两相的平均值。

2）若合金中的两相变形性能相差很大，其中一相塑性较好，故变形先在这塑

性较好的相内进行；另一相硬而脆，难以变形。

因此，这第二相在室温下无显著变形，它主要是对基体变形起阻碍作用。

第二相阻碍变形的作用由于其形状、大小和分布不同而有很大差异。

（1）如果第二相连续网状分布在塑性相晶界上，这样塑性相的晶粒被脆相包

围，使其变形能力无从发挥，晶界处的应力集中也难于松弛，合金的塑性将大大

降低，经很少量变形就会在脆性相的网络处产生断裂。脆性相数量越多，网的连

续性越严重，合金的塑性也越差，甚至强度也随之下降。

（2）如果脆性的第二相呈层片状分布时，则对塑性变形的危害比较小，特别

是层片越细小，合金的力学性能越高。

（3）若第二相以颗粒状尤其以弥散质点均匀分布在基体上，则使位错或其他

缺陷的运动受到更大的阻碍，可显著提高合金的强度。第二相质点弥散度越大，

合金的强度越高。

4.答：塑性变形对组织结构的影响1）晶粒被拉长2）形成亚结构（3）形成

变形织构（择优取向）。

5.加工硬化晶界处大量堆积的位错，均会阻碍位错的运动，使金属塑性变

形抗力增大，强度和硬度显著提高。随着变形程度增加，金属强度和硬度升高，

塑性和韧性下降的现象。

有利：1）可利用冷变形强化来强化金属，提高其强度、硬度和耐磨性。

尤其是对于不能经过热处理强化的金属更为重要。

2）使金属变形趋于均匀。

3）冷变形强化可提高构件在使用过程中的安全性。

不利：使进一步塑性变形更困难。

6.答：残余应力有（1）宏观内应力（第一类内应力）

（2）晶间内应力（第二类内应力）

（3）晶格畸变内应力（第三类内应力）

作用范围依次变小。

综合训练——课题2冷变形金属在加热时的变化

1.答：当加热温度较低时原子活动能力较弱，金属的显微组织没有明显变化,

力学性能变化也不大，但残留应力显著降低，其物理和化学性能也基本恢复到变

形前的情况，称这一阶段为回复或恢复。特点：残留应力显著降低。

2.答：当继续加热升温时，原子活动能力增大，金属的显微组织发生明显的

变化，破碎的、被拉长或被压扁的晶粒变成均匀细小的等轴晶粒，这一变化过程

也是通过形核和晶核长大方式进行的，故称再结晶。

特点：消除了加工硬化。

再结晶后的晶粒大小的影响因素有1）加热温度的影响；2）预先冷变形度的影响。

综合训练——课题3金属的热变形加工

1.答：从金属学观点以再结晶温度为区分。

热变形加工的优点：

（1）金属变形抗力低，消耗能量少。

（2）金属塑性升高，产生断裂的倾向减小。

（3）相对于冷变形加工不易产生织构。

（4）在生产过程中，不需要像冷加工那样的中间退火，从而可使生产工序

简化，生产效益提高。

缺点：

（1）对薄或细的轧件保温困难。对这些件目前仍采用冷变形加工（如冷轧、

冷拉）的方法；

（2）加工工件的表面不如冷变形加工时光洁，尺寸也不够精确；

（3）加工后金属材料的强度、硬度不及冷变形加工；

（4）对有些金属不宜进行热变形加工。例如当钢中含有较多的FeS时，会

产生“热脆”，容易使晶间破坏，引起金属的断裂，所以不适合热变形加工。

2.答：热变形加工时组织的变化:

（1）使金属组织致密；

（2）使晶粒细化，夹杂物破碎;

（3）形成纤维组织；

（4）形成带状组织。

模块六钢的热处理

综合训练——课题1热处理基本原理

1.答：钢的热处理是将钢件在一定的介质中加热到一定的温度并保温一定

的时间，然后冷却，以期改变其整体或者表面组织，从而获得所需要的组织结构

与性能的一种热加工工艺。

通过热处理可消除上一工艺过程所产生的金属材料内部组织结构上的某些

缺陷，改善切削性能，还可进一步提高金属材料的性能，充分发挥材料性能的潜

力，延长机器零件的使用寿命。

2.略

3.略

4.答：奥氏体化的过程1）形核；2）长大；3）残余渗碳体溶解；4）奥氏

体成分均匀化。

影响奥氏体形成速度的因素：

1）加热温度和保温时间的影响。温度的作用最为显著。随着温度的提高，

奥氏体形成速度越快，在较低温度下长时间保温和较高温度下短时间保温都可

以得到相同的奥氏体状态；

2）原始组织的影响，原始组织越细小，相界面越多，形核率越高，奥氏体

形成速度越快；

3）成分的影响，当Wc=0.77%时，铁素体和渗碳体的相界面最多，奥氏体

化速度最快；在含有合金元素的钢中除了碳的均匀化之外，还有合金元素的均匀

化过程，因此变慢。

5.答：起始晶粒度对生产实际指导意义不大；本质晶粒度说明了钢在奥氏体

化时晶粒长大倾向，生产中选择了本质细晶粒钢，其实际加热温度和保温时间可

适当放宽，否则要严格控制；实际晶粒度直接决定了热处理后钢的晶粒大小，直

接决定了热处理后的组织与性能。

影响奥氏体晶粒大小的因素：

（1）加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间越长，因此奥氏体晶

粒越粗大。

（2）加热速度加热速度越快，奥氏体实际形成温度越高，形核率提高，

由于时间短晶粒来不及长大，可获得细小的起始晶粒。

（3）化学成分在一定的含碳量范围内，随着奥氏体中含碳量的提高，碳

在奥氏体中的扩散速度以及铁的自扩散速度均增加，奥氏体晶粒长大倾向增加，

但当含碳量超过一定量时，由于形成二次渗碳体，会阻碍奥氏体晶粒长大。

合金元素钛（Ti）、错（Zr）、钮（V）、鸨（W）、锯（Nb）等形成的碳化物

熔点较高，弥散分布在奥氏体中，阻碍奥氏体晶粒长大;非碳化物形成元素硅

（Si）、锲（Ni）等对奥氏体长大速度影响不大;而镒（Mn）、磷（P）、氧（0）

等元素会增大奥氏体晶粒长大倾向。

6.答：影响过冷奥氏体等温转变的因素有：

（1）碳含量的影响，共析成分，过冷奥氏体稳定性最高；

（2）合金元素的影响，除钻（Co）、铝（A1）外，其他合金元素均使过

冷奥氏体稳定性增加，使“C”曲线右移；

（3）奥氏体晶粒大小的影响，加热温度高保温时间长，奥氏体晶粒粗大，

成分均匀性提高，奥氏体稳定性增加，“C”曲线右移，反之“C”曲线左移。

（4）原始组织的影响，原始组织越细小，单位体积内晶界越多，过冷奥氏

体转变的形核率越高，同时原始组织越细小，有利于碳原子扩散，使奥氏体形

成时均匀化时间短，长大时间相对长，相同条件下易使奥氏体长大并且均匀性

提高，“C”曲线右移。

过冷奥氏体等温和连续冷却转变曲线不同:

（1）形状后者半个“C”；

（2）位置后者在前者的右下方；

(3)后者测定更难。

(4)应用用“C”曲线可估计连续冷却时转变的组织产物。

7.答：珠光体分为珠光体、索氏体和屈氏体或托氏体，

珠光体形成温度为Al-650℃,片层较厚，500倍光镜下可辨；

索氏体形成温度为650〜600℃,片层较薄；

屈氏体形成温度为600〜550℃,片层极薄，电镜下可辨。

珠光体型组织的性能主要取决于片间距，片间距越小，相界面越多，塑性变

形越困难，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。

8.答：过冷奥氏体在350〜550℃之间转变产物称为上贝氏体。在光镜下呈羽

毛状，在电镜下放大1000倍时为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶

内平行生长的铁素体条之间。其形成温度较高，条状或片状铁素体从奥氏体晶界

开始向晶内以同样方向平行生长，随着铁素体的伸长和变宽，其中的碳原子向条

间的奥氏体中富集，当浓度足够高时，便在铁素体内断续地析出渗碳体短棒，奥

氏体消失，形成典型的羽毛状上贝氏体；

由于上贝氏体中的铁素体片较宽，塑性变形抗力较低，且渗碳体分布在铁素

体片之间，易引起脆断，强度和韧性都较差。

过冷奥氏体在350℃〜MS之间转变产物称为下贝氏体。下贝氏体在光镜下

呈竹叶状，即黑色针状，在电镜下放大1000倍时为细片状碳化物分布于铁素体

针上，并与铁素体针长轴方向呈55°〜60°角，其形成温度较低，碳原子扩散

能力更差，铁素体在奥氏体的晶界或某些晶面上长成针状，碳原子在铁素体内一

定的晶面上以断续碳化物小片的形式析出，从而形成了下贝氏体。

下贝氏体中铁素体针细小，无方向性，碳过饱和度大，碳化物分布均匀，弥

散度大，位错密度高，所以硬度高，韧性好，有实际应用价值。

9.答：马氏体型转变温度在MS〜Mf之间，属于低温转变。由于转变温度低,

铁原子和碳原子都不扩散，因此又称非扩散型转变。马氏体实际是碳在a-Fe中

的过饱和固溶体，晶体结构仍为体心结构，但由于碳的溶入使原体心立方结构变

成体心正方结构，即C轴伸长。

马氏体常见的形态分板条和片状两类。第一种是板条马氏体，其立体形态为

细长的扁棒状，在光学显微镜下板条马氏体为一束束的细条组织，每束内条与

条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的

马氏体束，在电镜下板条内的亚结构主要是高密度的位错（P=1012/cm2）,

又称位错马氏体，其含碳量低，也叫低碳马氏体。第二种是片状马氏体，其立体

形态为双凸透镜形的片状，与试样磨面相截则呈针状或竹叶状，所以又称针状马

氏体。含碳量较高，也叫高碳马氏体。在电镜下，亚结构主要是挛晶，又称挛晶

马氏体。

性能：马氏体是一种高强度、高硬度的组织。低碳、平行的板条、亚结构为

大量的位错，因此板条马氏体有较好的塑性韧性；高碳、相交的片、亚结构为大

量的挛晶，因此片状塑性韧性差。

碳含量越高，马氏体的硬度越高。

10.答：如下图工艺曲线所示（1）珠光体（2）索氏体（3）屈氏体（4）上

贝氏体（5）下贝氏体（6）屈氏体+马氏体（7）马氏体+少量残余奥氏体

综合训练——课题2钢的热处理基本工艺

1.

2.答：钢的表面热处理与普通热处理相比较其特点有：可满足内外性能要求

不一致的零件；可提高零件的疲劳强度。

3.答：欠热又称加热不足。

（1）欠热欠热可通过退火或正火来矫正。

（2）过热不严重的过热可通过退火或正火来矫正。

（3）过烧加热温度过高，使钢的晶界氧化或局部熔化，致使零件报废。

过烧是无法挽救的缺陷。

（4）氧化加热温度越高，保温时间越长，氧化现象越明显。

（5）脱碳加热时间越长，工件的脱碳现象越严重。一般来说，工件在盐

浴炉中加热，可减轻钢的氧化和脱碳。另外，还可采用保护气氛加热、真空加热

及在工件表面涂层保护的办法来减小这类缺陷的发生。

4.答：①正确选材。对形状复杂，要求变形小的精密零件，应选用高淬透性

钢。

②合理进行零件的结构设计。

③选择或制定合理的淬火工艺。如淬火加热，尽量采用下限温度;淬火冷却，

尽可能选择冷却缓慢的淬火介质或采用双介质淬火等。

5.答：（1）正火：消除锻造应力，细化晶粒，提高硬度，改善切削加工性能。

渗碳：目的是为了提高工件表层的含碳量并在其中形成一定的含碳量梯度，

经淬火和低温回火后提高工件表面硬度和耐磨性，使心部保持良好的韧性。

淬火：得到M,提高硬度、强度。

低温回火：保持淬火后的高硬度，高耐磨性，消除应力。

（2）最终热处理为淬火、低温回火

淬火：加热温度Ac3线以上30℃〜50℃,水中冷却

低温回火：温度低于250C,空气中冷却

（3）最终热处理后表面组织为：回火M、渗碳体、残余A

性能：高强度、高硬度、高耐磨性。

6.答：（1）第一道热处理为预先热处理：球化退火，消除锻造应力，为了使

渗碳体球化，降低硬度，改善切削加工性能，为最终热处理做组织准备。

最后一道热处理为淬火、低温回火，得到M,提高硬度、强度；低温回火:

保持淬火后的高硬度，高耐磨性，消除应力。

（2）最终热处理为淬火、低温回火

淬火：加热温度Acl线以上30C〜50℃,水中冷却

低温回火：温度低于250C,空气中冷却.

（3）球化退火后的组织为：粒状珠光体；

淬火后的组织为M、渗碳体、残余A；低温回火后的组织为回火M、渗碳体、

残余A。

7.答：（1）锻造-正火-机加工-表面淬火、低温回火-装配使用

（2）锻造-正火-粗机加工-调质-半精加工-表面淬火、低温回火-装配使用

（3）锻造-正火一粗机加工-调质-半精加工-渗氮-装配使用。

模块七工业用钢

综合训练——课题1工程结构用钢

1.答：工程结构用钢的基本要求：足够的强度和良好的焊接性能、成型工艺

性及一定的耐蚀性。

2.答：常用碳素结构钢按屈服强度可分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275

五个牌号。

Q195、Q215的主要特性：具有高的塑性、韧性和焊接性能，良好的压力

加工性能，但强度低；用于制造铁钉和各种薄板，如黑铁皮、白铁皮（镀锌薄钢

板）、马口铁（镀锡薄钢板），也可用作冲压板材或焊接结构件。

Q235的主要特征：具有良好的塑性、韧性、焊接性能、冷冲压性能，以及

一定的强度、好的冷弯性可以满足钢结构的要求；应用最广、最多，常扎制成各

种型钢、钢板、钢筋、棒材等，用来制造各种钢结构以及机器零件，如拉杆、螺

栓、连杆、焊接件等。

Q255的主要特性：具有较高的强度、塑性和韧性，较好的焊接性能和冷、

热压力加工性能用于制造强度要求不太高的零件，如螺栓、键、摇杆、轴、拉杆

和钢结构用各种型钢、钢板等。

Q275的主要特性：具有较高的强度、较好的塑性和切削加工性能、一定的

焊接性能。小型零件可以淬火强化用于制造强度要求较高的零件，如齿轮、轴、

链轮、键、螺栓、螺母、农机用型钢、链条等。

3.答：低合金高强度钢按屈服强度可分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460

五个牌号。

Q295钢中只含有极少量的合金元素，强度不高，但有良好的塑性、冷弯、

焊接及耐蚀性能建筑结构，工业厂房，低压锅炉，低、中压化工容器，油罐，管

道。

Q345、Q390综合力学性能好，焊接性、冷、热加工性能和耐蚀性能均

好，C、D、E级钢具有良好的低温韧性，船舶，锅炉，压力容器，石油储罐，

桥梁，电站设备，起重运输机械及其他较高载荷的焊接结构件。

Q420强度高，特别是在正火或正火加回火状态有较高的综合力学性能

大型船舶，桥梁，电站设备，中、高压锅炉，高压容器，机车车辆，起重机械,

矿山机械及其他大型焊接结构件。

Q460强度最高，经正火或淬火+回火后有很高的综合力学性能，冶炼时用

A1脱氧，质量等级为C、D、E级，可保证钢的良好韧性备用钢种，用于各种大

型工程结构及要求强度高、载荷大的轻型结构。

4.答：成分：Q235不含合金元素具有良好的塑性、韧性、焊接性能、冷冲

压性能，以及一定的强度、好的冷弯性可以满足钢结构的要求，常扎制成各种型

钢、钢板、钢筋、棒材等，用来制造各种钢结构以及机器零件，如拉杆、螺栓、

连杆、焊接件等。

Q345中含有合金元素，综合力学性能好，焊接性、冷、热加工性能和耐蚀

性能均好，C、D、E级钢具有良好的低温韧性，常用作船舶，锅炉，压力容

器，石油储罐，桥梁，电站设备，起重运输机械及其他较高载荷的焊接结构件。

5.答：采用0.1%以下碳含量，锯、钮、钛微合金化和热机械控制处理工艺，

发展了微珠光体低合金高强度钢有很好的焊接性、低温韧度和强度等综合性能，

大量的输送石油、天然气的管线。

一些强度、焊接性、低温冲击韧度等要求更高的场合，在低合金钢的基础上,

当钢中的碳含量低于0.06%时添加适量的Mn、Mo、Nb等其他因素，形成一种

具有高密度位错亚结构的“针状铁素体”组织的钢，针状铁素体钢的典型成分为

0.06C-1.9Mn-0.3Mo-0.06Nbo这种钢已成功地应用于现场焊接条件极苛刻的寒冷

地带的管线用钢。

另外还有双相低合金高强度钢，它是指显微组织主要由铁素体和5%〜20%

的马氏体所组成的钢。由于基体为铁素体，可以保证钢具有良好的塑性、韧性

和冲压成型性，一定的马氏体可以保证提高钢的强度。由于双相钢有良好的特

性，目前得到广泛的应用。冲压型双相钢主要是板材，典型的用途是汽车大梁和

滚型车轮、前后保险杠等。

综合训练——课题2机器零件用钢

1.答：略

2.答：机床齿轮工作条件：转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击，•

般选中碳钢45钢或40钢。预先热处理选正火，最终热处理表面淬火+低温回火。

汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击

韧性等，均要求比机床齿轮高，用低碳钢进行渗碳处理来作重要齿轮，选合金渗

碳钢20CrMnTi。预先热处理选正火，最终热处理渗碳、淬火+低温回火。

重型机械齿轮受力大，强度高，又是大截面，要求淬透性好，因此通常选淬

透性好的合金钢40CrNiMo。预先热处理选正火、最终热处理选调质，若表面需

很好的耐磨性，还可进行表面淬火+低温回火或氮化。

3.答：随着含碳量的增加，钢的强度、硬度和耐磨性升高，而塑性、韧度

下降。含碳量过低，强度硬度不够，含碳量过高，塑性韧性过差。

4.答：调质钢中常用的合金元素有Cr、Mn、Mo、V、Si、Ni、B等。其主要

作用是:提高钢的淬透性，如Mn、Cr、Si、Ni、B等，尤其是几种元素的复

合作用效果更好，全部淬透的零件，在高温回火后，可获得高而均匀的综合

力学性能;细化晶粒及提高钢的回火稳定性，如W、Mo、V、Ti等，使钢具

有更好的综合力学性能;防止或减缓高温回火脆性，如W、M。等。

5.答：调质

6.答：弹簧的主要作用是储能减振，它一般是在动负荷下工作，即在冲击、

振动或长期均匀的周期改变应力的条件下工作，起到缓和冲击力，使与它配

合的零部件不致受到冲击而早期破坏。

含碳量在0.5%-0.75%之间时有高强度，高的弹性极限以及有足够的韧性。

7.答：冷卷成型相当于冷变形强化，产生内应力，要让弹簧定型，需去应力

退火。

弹簧中温回火后有高的强度，高的弹性极限以及有足够的韧性。

8.答：合金元素Cr(<1.65%)用以提高钢的淬透性，并使其在热处理后与碳

形成均匀细小的碳化物，提高钢的强度、硬度和耐磨性，同时还能提高钢的

防锈性。制造大型轴承的钢，为了进一步提高其淬透性，还应加入Si、Mn

等元素。

但Cr含量过高，则会增加淬火后残余奥氏体量，使硬度及尺寸稳定性

下降，同时会增加碳化物不均匀性，从而使疲劳强度下降。

9.答：淬火+低温回火

综合训练——课题3工具钢

1.(1)答：因为9SiCr中有合金元素，提高了奥氏体化温度。

(2)答：不能，因为9SiCr是合金钢，淬透性高，而T9是碳钢，淬透

性差。

(3)答：因为9SiCr是合金钢，合金元素可提高回火稳定性。

(4)答：9SiCr是合金钢，合金元素可过冷奥氏体稳定，淬火时冷却速度较

慢，淬火应力较小，从而变形较小。而且合金元素与碳结合形成碳化物熔点高、

硬度高，可进一步提高硬度和耐磨性。

2.答：T10A烧红后空冷，是正火，得到索氏体组织；W18Cr4V烧红后空冷,

由于含有大量并有多种合金元素，过冷奥氏体稳定好，空冷后会得到马氏体组织。

3.答：高速钢反复锻造为了打碎鱼骨状的碳化物。

锻造后退火是为了降低硬度，改善切削加工性能。

4.答：高温淬火：为了让更多的合金元素溶入奥氏体，为二次硬化打下基础;

多次回火：为了减少残余奥氏体的量，提高硬度。

不能一次长时间回火。由于高速钢中残余奥氏体量多，经过第一次回

火后，仍有10%左右的残余奥氏体未转变，只有经过三次回火后，残余奥氏体

才基本转变完成。

560C回火属于高速钢的低温回火，因为合金元素量和种类多，使回火

稳定性大为提高，560。。回火其硬度并不降低。

5.答：钻头选材为T10钢为碳素钢，钻深孔，散热慢，钻削热容易使T10

钢的温度达三四百度，使其硬度大为下降。应选合金工具钢，最好选高速钢，因

为其热硬性好。

6.答：冷作模具在工作过程中其共同的特点是:工作温度不高，模具主要承

受高的压力和冲击力，金属之间有强烈的摩擦。其失效形式•般是磨损，也有因

断裂、崩刃和变形超差而提前报废的。因此冷作模具钢主要技术要求为具有高硬

度和高耐磨性，以及一定的韧性。在工艺上则要求具有足够的淬透性。另外，冷

变形加工后的零件一般不再加工或很少加工，因而还要求热处理时变形要小，以

保证模具较高的尺寸精度。

热作模具工作过程中承受很大的冲击载荷、复杂的应力及强烈的摩擦力，同

时还要经过反复加热和冷却。其主要失效形式是产生疲劳裂纹。因此要求热锻模

具钢具有较高的高温强度和耐磨性;良好的耐热疲劳性和导热性;良好的冲击韧度;

较大型锻模还要有高的淬透性等。

7.答：能。因为GCrl5钢的经热处理后能够满足量具和冷冲模具的性能要求。

8.答：保证量具尺寸稳定性的措施有：淬火（分级或等温）、回火、冷处理、

时效等工艺

综合训练——课题4特殊性能用钢

1.答：为了提高金属的耐蚀性，主要采取以下措施：

（1）加入合金元素，提高基体的电极电位，以增强其抗电化学腐蚀的能力。

主要加入Cr,在固溶体中溶解Cr量为12.5%、25%、37.5%（原子比）时，其

电极电位突然增高。所以不锈钢中Cr的含量均在13%以上。

（2）加入合金元素，使钢能在表面形成钝化膜，以提高其耐蚀能力。钢中

加入Cr、Si、Al等，能使钢在氧化性介质表面形成致密的Cr2O3、SiO2>Al2O3

膜而提高耐蚀性。

（3）加入合金元素，使钢在常温时以单相状态存在，以免形成微电池，从

而显著提高耐蚀性。

2.答：不锈钢分类：

（1）马氏体不锈钢：Crl3型不锈钢随着钢中碳含量的增加，钢的强度、硬

度、耐磨性提高，但耐蚀性则下降。这类钢的耐蚀性较差，但它的力学性能却

可通过热处理进行强化。而且价格低廉，因此在腐蚀性较弱的介质中，如大气、

水蒸气、淡水、海水等，且又要求高的力学性能的条件下得到了广泛应用。

（2）奥氏体不锈钢：也称为18-8型不锈钢。由于室温下为单相奥氏体组织，

所以奥氏体不锈钢除了有很好的耐蚀性外，还具有高的塑性、良好的焊接性、韧

度和低温韧度，由于奥氏体比铁素体的再结晶温度高，所以奥氏体不锈钢还可用

于550C以上的热强钢。但是奥氏体不锈钢由于含大量的Cr、Ni等合金元素，

所以价格比较贵，另外，奥氏体组织易产生加工硬化，使切削加工比较困难。由

于奥氏体不锈钢具有优良的不锈耐酸性、抗氧化性、高温和低温力学性能等，所

以在石油、化工、电力、交通、航空、航天以及医学、食品等领域都有广泛的应

用。这类钢主要用于制造在强腐蚀性介质（如酸、碱、盐溶液）中工作的零件，

在不锈钢中应用最广。

（3）铁素体不锈钢：铁素体不锈钢的力学性能和工艺性能比较差，脆性大、

韧-脆转变稳定在室温左右。所以，多用于受力不大的有耐酸和抗氧化要求的结

构部件。

4.答：奥氏体不锈钢和耐磨钢的淬火目的是为了八二次相（碳化物）溶进奥

氏体中，形成单一的奥氏体组织，提高耐蚀性、耐磨性，而一般钢的淬火是为了

得到M组织，提高强度和硬度。

5.答：错误。耐磨钢只有在受到强度的冲击和摩擦作用下才能耐磨，否则并

不耐磨。

6.答：低合金高强度结构钢含碳量较低，多数为0.1%〜0.2%,因为随着碳

含量的提高，强度提高，但是韧-脆转折温度显著提高，钢的焊接、成形困难，

特别是对于焊接工艺为主要加工方法的钢结构，容易引起结构件发生严重的变形

和开裂。

渗碳钢低的碳含量可保证心部在淬火时得到强韧性好的板条马氏体组织。

C与Cr的亲和力较大，易与Cr形成碳化物，钢中含C越高，形成Cr的碳

化物越多，固溶体中Cr的含量越少，基体的电极电位越低，钢的耐蚀性就会降

低。因此，不锈钢的含C量一般都比较低，大多数为0.1%〜0.2%,-•般不超过

0.4%o

7.答：提高金属高温强度的方法主要是改变金属的成分与组织结构，即

（1）设法提高金属的再结晶温度，其中包括改变金属的组织状态，如面心

立方的奥氏体的再结晶温度高于体心立方的铁素体，因而奥氏体钢的高温强度

高于铁素体钢。加