白口铸铁中碳化物的类型 根据碳化物的结晶点阵形式，碳化物可分为两大类型： 1．简单密排结构的间隙碳化物当r C/r M<0.59时，碳原子处在简单的点阵间隙之间，形成不同于原金属结晶点阵的间隙相。这类金属元素是Mo、W、V、Ti、Nb、Zr，形成的碳化物有： MC型——WC、VC、TiC、NbC、ZrC M2C型——W2C、Mo2C 如果同时存在多种过渡族金属元素，将形成复杂的碳化物。在满足点阵类型、电化因素和尺寸因素三条件时，其中的金属原子可互相置换，如TiC–VC系形成(Ti、V)C；VC–NbC系形成(Nb、V)C；TiC–ZrC系形成(Ti、Zr)C等。 MC型碳化物中的金属原子M具有面心简单六方结构，其中八面体间隙相都被碳原子占领，所以，M：C=1：1，晶体为NaCl型结构。 M2C碳化物具有密排六方结构，例如：W2C、Mo2C、V2C、Nb2C，碳原子处于四面体的空隙中。 2．复杂密排结构的间隙碳化物当r C/r M>0.59时，碳不可能与金属元素形成简单密排的间隙相，而是形成一种结晶点阵复杂的间隙化合物。Cr、Mn、Fe的碳化物属于复杂密排结构，其中M23C6、M6C为复杂立方、M7C3为复杂六方、M3C为斜方点阵。常见到的复杂密排结构的碳化物为 M3C型——Fe3C、Mn3C或(Cr、Fe)3C，简称K c； M7C3型——Cr7C3、Mn7C3或(Cr、Fe)7C3，简称K2； M23C6型——Cr23C6、Mn23C6，及三元碳化物Fe21W2C6、Fe21Mo2C6、(Cr、Fe)23C6，简称K1； M6C型——Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C、Fe4Mo C等三元碳化物。 (1)M3C型碳化物：最常见的是普通白口铸铁中的渗碳体(Fe3C)。渗碳体的晶体结构为斜方晶格，晶格常数a=0.45144μm，b=0.50787μm，c=0.67287μm。渗碳体的晶体结构见图1所示。在每个碳原子外围都有六个铁原子，它们构成八面体，各八面体的轴彼此倾斜一个角度形成菱晶。因为每个八面体内部都有一个C原子，而每个Fe原子都同时属于两个八面体，因此正好满足分子式中Fe3C的Fe/C原子比。一个渗碳体的空间八面体的投影为菱形的链状结构(见图2)。从整体看，菱形面之间互相平行，呈层状排列。在每个菱晶中，Fe–C原子由共价键连接，它是由四个碳原子的共价电子和四个最近位于菱晶顶尖的铁原子3d电子来实现的。其余的两个铁原子处于邻近的菱晶中，在那里，铁原子与下一个碳原子的距离较小，因而在各层上便具有了牢固的联系。此外铁和碳之间的电负性差更增强了Fe–C的结合，故Fe–C结合强度约为Fe–Fe结合强度的两倍。而层与层之间则由铁原子之间的金属键连接，层间的结合力弱，使渗碳体形成强烈的各向异性。往铁碳二元合金中加入第三元素，可使Fe–C键的强度发生变化。使Fe–C键增强的元素促进渗碳体更稳定；而使Fe–C键变弱的元素，Fe–C键容易断开，削弱渗碳体稳定，结果促进石墨化。
珠光体（P）索氏体（S）屈氏体（T） 1、铁素体和渗碳体的共析混合物（机械混合物）（铁素体+片状渗碳体）用符号P表示 奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。，含碳量为ωc＝0.77％。 2、珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间, 强度较高,硬度适中，强韧性较好。 其抗拉强度为750 ~900MPa,硬度180 ~280HBS（HB170-220）,伸长率为20 ~25%, 冲击功为24 ~32J，力学性能介于铁素体与渗碳体之间, ,塑性和韧性较好σb=770MPa,180HBS,δ=20%~35%,AKU=24~32J) 3、在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体的数量大大多于渗碳体,所以铁素体层片要比渗碳体厚得多。铁素体的体积约是渗碳体的8倍，所以在金相显微镜下，较厚的是铁素体，较薄的是渗碳体。 4、按碳化物分布形态又可分为片状珠光体和球状珠光体二种。在相同的成分下，粒状珠光体的硬度比片状珠光体的硬度稍低，但塑性较好，但有较好的冷加工性能。 5、片状珠光体一般经退火得到，是铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织，疏密程度不同。经3~5%硝酸酒精溶液或苦味酸溶液浸蚀后，铁素体和渗碳体皆呈白亮色，但其边界被浸蚀呈黑色线条。在不同放大倍下观察是组织具有不太一样的特征。铁素体的体积约是渗碳体的8倍，所以在金相显微镜下，较厚的是铁素体，较薄的是渗碳体。 奥氏体分解成粗片状的珠光体和铁素体。这种组织不仅增加切削加工的难度，而且在以后淬火时容易产生组织不均匀，过热组织和变形量大等缺陷 6、粒状（球状）珠光体 由铁素体和粒状碳化物组成（铁素体+颗粒状渗碳体）。它由过共析钢经球化退火或马氏体在650℃~A1温度范围内回火形成。其特征是碳化物成颗粒状分布在铁素体上球状珠光体比片状珠光体的比体积大，强度大，所以经过预备球化热处理的工件淬火变形相对较小。同时有良好冲制性能，冲压件常使用这种工艺。 球状珠光体的成因：在720°C退火时，由于成分的不均匀，在渗碳体和铁素体的晶界处局部萌芽奥氏体晶核，原来的片状渗碳体破断。由于渗碳体呈球体时，表面的自由能最低，所以有长大成球状的趋势，奥氏体缓冷时，以渗碳体为核心，逐步长大因而呈球状。 在720°C退火，实际是在这个温度附近震荡，在震荡过程中，片状渗碳体不断破断，并逐渐长成球状。 球状珠光体，经球化退火获得，渗碳体成球粒状分布在铁素体基体上；渗碳体球粒大小，取决于球化退火工艺，特别是冷却速度。球状珠光体可分为粗球状、球状和细球状和点
Mo2C形成的过程与金属储氧的过程相似，可以预测C原子进入体心立方的Mo 的结构后，形成了更小的，可能更适合原子储存的间隙。 人们己经发现很多碳化物具有良好的储氧性能：如在低温，高压的条件下，SiC纳米管、BC纳米管的储氢容量分别可高达、并且WC纳米管储氢的理论可行性也已经被报道. 根据Mo2C性质与结构可以推测材料可能具有可观的电化学储氢性能，经过电化学储氢测试与循环伏安测试，表明二者均具有很高的电化学储氢容量，其充放电循环性能有待进一步加强。二者均是潜在的储氢材料，潜在的电池的负极材料。 金属间化合物材料分为两大类：结构材料和功能材料。结构材料是以强度、韧性、刚度、耐磨性的等力学性能为主要特征，用以制造以受力为主的结构器件；功能材料则是具有特殊物理性能、化学性能、生物性能等而主要作为制作功能器件的材料。 理论计算表明碳化物中的成键同时包含金属键、共价键和离子键的成分。金属键与金属-金属的键合有关，共价键源于碳原子的2s轨道与金属的d轨道的相互作用，而离子键和金属原子与碳原子的相互作用有关。过渡金属碳化物的离子性取决于金属组分的电负性，从ⅣB到ⅥB族，电负性增加，碳
化物中离子性成分也增加。对于碳化钼(或钨)，XPS等表征结果显示电子是由金属原子向碳原子转移，碳原子获得电子就意味着碳化物中碳原子周围的电子密度有所增加。这一结果是与用APW理论计算的结果相一致的，但却与简单的原子轨道线性组合(LCAO)的计算结果不相符。电子从金属原子转移到碳原子就减小了金属原子核外d电子的填充程度，但金属与间歇碳原子形成合金时，金属原子间距M-M增加，导致d带产生收缩，d带收缩就会使得d带的填充程度增大其费米能级附近的d带态密度数字增高且类似于Ⅷ族金属，尽管有电子从金属原子向外转移。d带收缩就会导致金属原子核外电子的局域化，使得在催化过程中不易被化学吸附的分子的重叠轨道所获得，于是就减小了它们的结合能，这就会导致被化学吸附的分子的活化所需要的能量减小。 根据过渡金属碳化物的一些性能，讨论了在结构材料或结构增强材料和功能材料方面的应用。 （稀土碳化钼和碳化钼的制备）
1．根据 Fe-Fe C 相图，说明产生下列现象的原因： 3 1）含碳量为 1.0% 的钢比含碳量为 0.5% 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 1.0% 的钢比含碳量为 0.5% 的钢硬度高。 2）在室温下，含碳 0.8% 的钢其强度比含碳 1.2% 的钢高； 答：因为在钢中当含碳量超过1.0%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 0.8% 的钢其强度比含碳 1.2% 的钢高。 3）在 1100℃，含碳 0.4% 的钢能进行锻造，含碳 4.0% 的生铁不能锻造； 答：在 1100℃时，含碳 0.4% 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 4.0% 的生铁的组织中含有大量的渗碳体，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：绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选用低碳钢有很好的塑韧性，镀锌低碳钢丝；而起重机吊重物用钢丝绳除要求有一定的强度，还要有很高的弹性极限，而60 、 65 、 70 、 75钢有高的强度和高的弹性极限。 这样在吊重物时不会断裂。 5）钳工锯 T8 ， T10,T12 等钢料时比锯 10,20 钢费力，锯条容易磨钝； 答：T8 ， T10,T12属于碳素工具钢，含碳量为0.8%，1.0%，1.2%，因而钢中渗碳体含量高，钢的硬度较高；而10,20钢为优质碳素结构钢，属于低碳钢，钢的硬度较低，因此钳工锯 T8 ， T10,T12 等钢料时比锯 10,20 钢费力，锯条容易磨钝。 6）钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于通过铸造成形。 答：因为钢的含碳量范围在0.02%~2.14%之间，渗碳体含量较少，铁素体含量较多，而铁素体有较好的塑韧性，因而钢适宜于压力加工；而铸铁组织中含有大量以渗碳体为基体的莱氏体，渗碳体是硬脆相，因而铸铁适宜于通过铸造成形。 2.钢中常存杂质有哪些？对钢的性能有何影响？ 答：钢中常存杂质有Si、Mn、S、P等。 Mn：大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化：另一部分Mn溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，这都使钢的强度提高，Mn与S化合成MnS，能减轻S的有害作用。当Mn含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响并不明显。 Si：Si与Mn一样能溶于铁素体中，使铁素体强化，从而使钢的强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。当Si含量不多，在碳钢中仅作为少量夹杂存在时，它对钢的性能影响并不显著。 S：硫不溶于铁，而以FeS形成存在，FeS会与Fe形成共晶，并分布于奥氏体的晶界上，当钢材在1000℃~1200℃压力加工时，由于FeS-Fe共晶（熔点只有989℃）已经熔化，并使晶粒脱开，钢材将变得极脆。 P：磷在钢中全部溶于铁素体中，虽可使铁素体的强度、硬度有所提高，但却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。 3．下列零件或工具用何种碳钢制造：手锯锯条、普通螺钉、车床主轴。 答：手锯锯条：它要求有较高的硬度和耐磨性，因此用碳素工具钢制造，如T9、T9A、T10、T10A、T11、T11A。普通螺钉：它要保证有一定的机械性能，用普通碳素结构钢制造，如Q195、Q215、Q235。 车床主轴：它要求有较高的综合机械性能，用优质碳素结构钢，如30、35、40、45、50。 4.指出下列各种钢的类别、符号、数字的含义、主要特点及用途： Q235-AF、Q235-C、Q195-B、Q255-D、40、45、08、20、T8、T10A、T12A 答：Q235-AF：普通碳素结构钢，屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。 Q235-C:屈服强度为235MPa的C级普通碳素结构钢， Q195-B: 屈服强度为195MPa的B级普通碳素结构钢， Q255-D: 屈服强度为255MPa的D级普通碳素结构钢， Q195、Q235含碳量低，有一定强度，常扎制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，也可制造普通的铆钉、螺钉、螺母、垫圈、地脚螺栓、轴套、销轴等等，Q255钢强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接。
珠光体形成机制 （一）珠光体形成的热力学条件 珠光体相变的驱动力同样来自于新旧两相的体积自由能之差，相变的热力学条件是“要在一定的过冷度下相变才能进行”。 奥氏体过冷到A1以下，将发生珠光体转变。发生这种转变，需要一定的过冷度，以提供相变时消耗的化学自由能。由于珠光体转变温度较高，Fe和C原子都能扩散较大距离，珠光体又是在位错等微观缺陷较多的晶界成核，相变需要的自由能较小，所以在较小的过冷度下就可以发生相变。（二）片状珠光体的形成机制 1、珠光体相变的领先相 珠光体相变符合一般的相变规律，是一个形核及核长大过程。由于珠光体是由两个相组成，因此成核有领先相问题。晶核究竟是铁素体还是渗碳体？很明显，铁素体和渗碳体在同一微小区域同时出现的可能性是很小的。这个问题，由于很难通过实验来直接验证。所以到目前为止，还没有一个统一的认识。某些研究认为，珠光体形成的领先相，可以随相变发生的温度和奥氏体成分的不同而异。过冷度小时渗碳体是领先相；过冷度大时铁素体是领先相。在亚共析钢中铁素体是领先相，在过共析钢中渗碳体是领先相，而在共析钢中渗碳体和铁素体作领先相的趋势是相同的。但是，一般认为
共析钢中珠光体形成时的领先相是渗碳体，其原因如下：（1）珠光体中的渗碳体与从奥氏体中析出的先共析渗碳体的晶体位向相同，而珠光体中的铁素体与直接从奥氏体中析出的先共析铁素体的晶体位向不同； （2）珠光体中的渗碳体与共析转变前产生的渗碳体在组织上常常是连续的，而珠光体中的铁素体与共析转变前产生的铁素体在组织上常常是不连续的； （3）奥氏体中未溶解的渗碳体有促进珠光体形成的作用，而先共析铁素体的存在，对珠光体的形成则无明显的影响。 2、珠光体的形成机理 γ(0.77%C) →α(~0.02%C)+ cem(6.67%C) (面心立方) （体心立方）（复杂单斜） 从上面的反应方程，可以看出，珠光体的形成过程，包含着两个同时进行的过程，一个是碳的扩散，以生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体；另一个是晶体点阵的重构，由面心立方的奥氏体转变为体心立方点阵的铁素体和复杂单斜点阵的渗碳体。 （1）形核 条件：同样需要满足系统内的“结构起伏、成分起伏和能量起伏”。
工程材料习题集 绪论 1．一铜棒的最大拉应力为70MPa，若要承受2000kgf的载荷，它的直径是多少？ 2．有一直径15mm的钢棒所能承受的最大载荷为11800kgf，问它的强度是多少。 3．一根2米长的黄铜棒温度升高80℃，伸长量是多少？要使该棒有同样的伸长，问需要作用多少力？（黄铜线膨胀系数为20×10－6/℃，平均弹性模量为110000MPa）4．一根焊接钢轨在35℃时铺设并固定，因此不能发生收缩。问当温度下降到9℃时，钢轨内产生的应力有多大？（钢的线膨胀系数为12×10－6/℃，弹性模量为206000MPa）5．零件设计时，选取σ0.2（σS）还是选取σb，应以什么情况为依据？ 6．δ与ψ这两个指标，哪个能更准确地表达材料的塑性？并说明以下符号的意义和单位：σe；σs(σ0.2)；σb；δ；ψ；σ-1；ɑk 7．常用的测量硬度的方法有几种？其应用范围如何？ 8．有一碳钢制支架刚性不足，有人要用热处理强化方法；有人要另选合金钢；有人要改变零件的截面形状来解决。哪种方法合理？为什么？ 参考答案： 1．18.9mm 2．871MPa 3．3.2mm，176MPa 4．64.3MPa 第一章金属的结构与结晶 1．金属中常见的晶体结构类型有哪几种?α-Fe、γ-Fe、A1、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn 各属何种晶体结构? 2．单晶体与多晶体有何差别？为什么单晶体具有各向异性，而多晶体材料通常不表现出各向异性？ 3．简述金属常见的三种晶体结构的基本特点。 4．晶体缺陷有哪些？对材料有哪些影响？对所有的材料都有影响吗？ 5. 分别说明以下概念：晶格；晶胞；晶格常数；致密度；配位数；晶面；晶向；单晶体；多晶体；晶粒；晶界；各向异性；同素异构。 6.在立方晶格中，如果晶面指数和晶向指数的数值相同，该晶面与晶向间存在着什么关系？ 7. 何谓过冷度?为什么结晶需要过冷度?它对结晶后晶粒大小有何影响? 8. 何谓同素异构转变?纯铁在常压下有哪几种同素异构体?各具有何种晶体结构?
珠光体转变珠光体的组织形态与晶体结构 珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较高的温度范围内进行的转变，共析碳钢约在A1~500℃温度之间发生，又称高温转变。珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程，因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组。由于相变在较高的温度下进行，铁、碳原子都能进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散型相变。 珠光体转变在热处理实践中极为重要，因为在钢的退火与正火时所发生的都是珠光体转变。退火与正火可以作为最终热处理，即工件经退火或正火后直接交付使用，因此在退火与正火时必须控制珠光体转变产物的形态（如片层的厚度、渗碳体的形态等），以保证退火与正火后所得到的组织具有所需要的强度、塑性与韧性等。退火与正火也可以作为预备热处理，即为最终热处理作好组织准备，这就要求退火或正火所得组织能满足最终热处理的需要。另外，为使奥氏体能过冷到低温，使之转变为马氏体或贝氏体，必须要保证奥氏体在冷却过程中不发生珠光体转变。为了解决上述一系列问题，就必须对珠光体转变过程、转变机理、转变动力学、影响因素以及珠光体转变产物的性能等进行深入的研究。 珠光体……Pearlite
一、珠光体的组织形态与晶体结构 （一）珠光体的组织形态 珠光体是过冷奥氏体在A 1以下的共析转变产物，是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。通常根据渗碳体的形态不同，把珠光体分为片状珠光体、粒状（球状）珠光体和针状珠光体，其中片状和粒状珠光体是两种常见的珠光体组织。 1、片状珠光体 渗碳体呈片状，是由一层铁素体和一层渗碳体层层紧密堆叠而成。 （1）珠光体团 片层排列方向大致相同的区域，称为珠光体团、珠光体领域或珠光体晶粒。在一个原奥氏体晶粒内可以形成几个珠光体团。 （2）珠光体的片间距离S 0 在片状珠光体中，一片铁素体和一片渗碳体的总厚度或相邻两片渗碳体或铁素体中心之间的距离，称为珠光体的片间距离，用S 0表示。 S 0与珠光体的形成温度有关，可用下面的经验公式表示： T C S ?=0 式中C=8.02×104（?·K ），ΔT ……过冷度（K ） S 0的大小取决于珠光体形成温度的原因，可以用碳原子
1.钢中存在哪几种类型的碳化物？比较它们稳定性的强弱。碳化物的稳定性对钢的性能及 热处理有什么意思？ 答：分类：复杂点阵结构碳化物、简单点阵碳化物、合金碳化物、合金渗碳体。 性能意义：碳化物稳定性高，可使钢在高温下工作并保持其较高的强度和硬度。钢的红硬性、热强性好。相同硬度条件下，碳化物稳定性高的钢可在更高温度下回火，使钢的塑性、韧性更好。合金钢较相同硬度的碳钢综合力学性能好。碳化物的稳定性高，在高温和应力作用下不易聚集长大，也不易因原子扩散作用而发生合金元素的再分配。钢的抗扩散蠕变性能好。热处理意义：（1）特殊碳化物稳定性高，合金钢奥氏体化的温度要提高、保温时间要延长。（2）碳化物的稳定性过高，加热时不溶于奥氏体，随后冷却时加速奥氏体的分解，降低钢的淬透性；碳化物的稳定性低，加热时溶于奥氏体中，增大过冷奥氏体的稳定性，提高淬透性。（3）碳化物的稳定性高，淬火钢的回火稳定性高。 2.合金钢二次硬化现象的本质是什么？对钢的性能有什么影响？ 答：二次硬化为淬火钢在回火时出现的硬度回升现象，原因是特殊碳化物的弥散强化+二次淬火。影响：提高热强性，红硬性。 3.低合金高强度钢中的主加合金元素Mn对钢的性能有哪些影响？为什么它会有这些影 响？ 答：锰是A形成元素，能降低A→P转变的温度Ar1，并减缓其转变速度，可细化P，↑钢的强度和硬度。锰的加入可使Fe-C状态图中“S”点左移，使基体中P数量增多，可使钢在相同含碳量下，P量增多，致使强度不断↑。锰还能↓钢的韧脆转变温度。原因：锰属于复杂立方点阵，其点阵类型及原子尺寸与α-Fe相差较大，因而锰的固溶强化效果较强。 4.机器零件用钢中的主加合金元素有哪些？他们的作用？ 答：主加合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、B，作用：分别加入或复合加入钢中，对↑钢的淬透性、↑钢的综合力学性能起主导作用。 5.弹簧钢的成分特点是什么？这样的成分对钢的性能有哪些影响？ 答：1、中、高碳碳素弹簧钢的含碳量在0.6%～0.9%之间，合金弹簧钢的含碳量一般在0.40%～0.70%之间，以保证高的弹性极限、屈服强度和疲劳强度。2、加入提高淬透性的元素主加合金元素：Si、Mn；目的：提高淬透性、强化铁素体基体和提高回火稳定性，同时也提高屈强比。硅对提高钢的弹性极限有明显的效果，但高硅量的钢有石墨化倾向，并在加热时易于脱碳。锰在钢中易使钢产生过热敏感性。辅加合金元素：碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等，目的：进一步提高淬透性和强度，防止钢在加热时晶粒长大和脱碳，增加回火稳定性及耐热性。 6.调质钢的成分特点是什么？主加合金元素与辅加合金元素的主要作用是什么？ 答：1、中碳ωc ：（0. 25％～0. 50％）C。含碳量过低，不易淬硬，回火后强度不够；含碳量过高，材料的塑性、韧性变差。2、主要加入提高淬透性的元素如Cr、Ni、Mn、Si、B 等，提高淬透性，强化F。Cr、Mn、B可单独加入，Ni、Si在我国不单独加入，而是复合加入。3、加入提高回火稳定性和防止第二类回火脆性的元素V、Ti、Mo、W等，能细化晶粒，提高回火稳定性。Mo、W可以减轻和防止第二类回火脆性，其合适的质量分数约为ωMo=0.15％～0.30％或ωw=0.8％～1.2％。 7.GCr15钢从钢锭到成品，要经过以下几个温度范围的热处理工序，说明每个工序的名称、目的和热处理后的组织。 1150~1200℃；770~810℃；830~860℃；160±5℃；-60℃ 答：（1）消偏析，单相A（2）粒状F（3）M（4）消除应力（5）减小A，温度尺寸 8. GCr15钢从钢锭到成品,要经过以下几种热处理工序：（1）扩散退火（2）球化退火（3）淬火（4）回火（5）冷处理。说明每个工序的温度范围、目的和热处理后的组织。
一、填空题 (1)三种常见的金属晶格是，，和。下图是。 第1小题第3小题第4小题 (2)立方晶格中的三个重要晶向是：[100] 、[110]、[111]，三个重要晶面是：(100)、(110)、(111)。 (3)下图示意了立方晶格中的三个重要晶向，请问下列方向分别代表哪个方向？ AB: [110] OY：[010] OB：[111] ：[100] 。 (4)下图是一立方晶格，阴影（ODBF）所示的晶面指数是：(-110) ；EG方向的晶向指数是：[-110] 。 (5)由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而导致了晶体在不同方向上的性能有所差异，这 种现象称为，这是区别晶体与非晶体的重要标志之一。 (6)晶体内部的晶格位向完全一致时，称该晶体为。 (7)金属中存在的晶格缺陷有、、。 (8)晶体中的点缺陷是指和。 (9)晶体中的面缺陷是指和。 (10)金属的实际结晶温度低于理论结晶温度，二者之差称作。 (11)金属结晶的基本过程是和。 (12)过冷度对晶核形成和成长的影响主要体现在两个方面：一方面，过冷度会影响晶体与液体的， 它是晶核形成和成长的驱动力；另一方面，过冷度会影响液体中，它是晶核形成和成长的必需条件。 (13)金属铸锭的组织是不均匀的，从表层到心部依次由晶粒、晶粒和晶 粒组成。 (14)经过塑性变形，可使金属的组织发生四方面的变化，分别为：晶粒沿变形方向拉长，性能趋于； 晶粒破碎，位错密度增加，产生；产生织构现象；残余内应力。 (15)变形金属在加热过程中，经历三个阶段：，和。 (16)热加工与冷加工的分是以为界限，而不是以具体的加工温度来划分。 (17)当合金由液态金属按照溶质原子在溶剂晶格中的配置情况的不同，将固溶体分为两类：和。 (18)通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象，称为。 (19)几乎所有对综合性能要求较高的结构材料，都是以作为最主要最基本的相组成物。 (20)是钢中最重要的一种具有复杂结构的间隙化合物，通常称它为。 (21)用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为，它可以回答某一定成分的合金在某一温度 下会形成什么样的。 (22)、、是室温平衡状态下铁碳合金组织中基本的组成物。 (23)珠光体是和的机械混合物。 (24)碳钢质量的高低，主要取决于钢中有害杂质、的多少来确定的。 (25)钢的热处理是通过、、的操作方法，使钢组织结构发生变化，以获得所需性能都一种加工工艺。 (26)普通热处理工艺有四种：、、、。 (27)过冷奥氏体在等温转变时，不同过冷状态下的转变产物为、和。 (28)珠光体类型组织有、索氏体、，三者均是层片状铁素体和渗碳体的机械 混合物，其差别仅在于粗细不同。其中，最粗，最细。 (29)马氏体组织形态主要有两种基本类型：和。其中，前者的亚结构主要是位错， 韧性和塑性相当好。 (30)除了外，所有合金元素溶入奥氏体后，都增大其稳定性，使C曲线右移。 (31)常用淬火的冷却介质有（按冷却速度由高到低排列）盐水、、、硝盐等。 (32)钢在淬火后能获得淬硬层深度的性质，称为。 (33)影响钢都淬透性都决定性都因素是。 (34)一般将淬火加高温回火相结合的热处理称为。
国内钢材生产专家: 1分钟搞懂常用钢材型号、性能特性 45——优质碳素结构钢,是最常用中碳调质钢。 主要特征 : 最常用中碳调质钢,综合力学性能良好,淬透性低,水淬时易生裂纹。小型件宜采用调质处理,大型件宜采用正火处理。应用举例 : 主要用于制造强度高的运动件,如透平机叶轮、压缩机活塞。轴、齿轮、齿条、蜗杆等。焊接件注意焊前预热,焊后消除应力退火。 Q235A(A3钢——最常用的碳素结构钢。 主要特征 : 具有高的塑性、韧性和焊接性能、冷冲压性能,以及一定的强度、好的冷弯性能。应用举例 : 广泛用于一般要求的零件和焊接结构。如受力不大的拉杆、连杆、销、轴、螺钉、螺母、套圈、支架、机座、建筑结构、桥梁等。 40Cr——使用最广泛的钢种之一,属合金结构钢。 主要特征 : 经调质处理后,具有良好的综合力学性能、低温冲击韧度及低的缺口敏感性,淬透性良好,油冷时可得到较高的疲劳强度,水冷时复杂形状的零件易产生裂纹,冷弯塑性中等,回火或调质后切削加工性好,但焊接性不好,易产生裂纹,焊前应预热到 100~150℃ ,一般在调质状态下使用,还可以进行碳氮共渗和高频表面淬火处理。 国内钢材生产专家: 应用举例 :调质处理后用于制造中速、中载的零件,如机床齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶针套等,调质并高频表面淬火后用于制造表面高硬度、耐磨的零件,如齿轮、轴、主轴、曲轴、心轴、套筒、销子、连杆、螺钉螺母、进气阀等,经淬火及中温回火后用于制造重载、中速冲击的零件,如油泵转子、滑块、齿轮、主轴、套环等,经淬火及低温回火后用于制造重载、低冲击、耐磨的零件,如蜗杆、主
轴、轴、套环等,碳氮共渗处即后制造尺寸较大、低温冲击韧度较高的传动零件,如轴、齿轮等。 HT150——灰铸铁应用举例 :齿轮箱体,机床床身,箱体,液压缸,泵体, 阀体,飞轮,气缸盖,带轮,轴承盖等 35——各种标准件、紧固件的常用材料 主要特征 : 强度适当,塑性较好,冷塑性高,焊接性尚可。冷态下可局部镦粗和拉丝。淬透性低,正火或调质后使用应用举例 : 适于制造小截面零件, 可承受较大载荷的零件:如曲轴、杠杆、连杆、钩环等,各种标准件、紧固件 65Mn——常用的弹簧钢 应用举例 :小尺寸各种扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条,也可制做弹簧环、气门簧、离合器簧片、刹车弹簧、冷卷螺旋弹簧,卡簧等。 0Cr18Ni9——最常用的不锈钢 (美国钢号 304,日本钢号 SUS304 国内钢材生产专家: 特性和应用 : 作为不锈耐热钢使用最广泛,如食品用设备,一般化工设备,原于能工业用设备 Cr12——常用的冷作模具钢 (美国钢号 D3,日本钢号 SKD1 特性和应用 : Cr12钢是一种应用广泛的冷作模具钢,属高碳高铬类型的莱氏体钢。该钢具有较好的淬透性和良好的耐磨性 ; 由于 Cr12钢碳含量高达 2.3%,所以冲击韧度较差、易脆裂,而且容易形成不均匀的共晶碳化物 ;Cr12钢由于具有良好的耐磨性,多用于制造受冲击负荷较小的要求高耐磨的冷冲模、冲头、下料模、冷镦模、冷挤压模的冲头和凹模、钻套、量规、拉丝模、压印模、搓丝板、拉深模以及粉末冶金用冷压模等 DC53——常用的日本进口冷作模具钢
第六章钢的热处理 习题参考答案 一、解释下列名词 答： 1、奥氏体：碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体。 过冷奥氏体：处于临界点A1以下的不稳定的将要发生分解的奥氏体称为过冷奥氏体。 残余奥氏体：M转变结束后剩余的奥氏体。 2、珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物。 索氏体：在650～600℃温度范围内形成层片较细的珠光体。 屈氏体：在600～550℃温度范围内形成片层极细的珠光体。 贝氏体：过饱和的铁素体和渗碳体组成的混合物。 马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体。 3、临界冷却速度V K：淬火时获得全部马氏体组织的最小冷却速度。 4、退火：将工件加热到临界点以上或在临界点以下某一温度保温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度（炉冷、坑冷、灰冷）进行冷却的一种操作。 正火：将工件加热到A c3或A ccm以上30～80℃，保温后从炉中取出在空气中冷却。 淬火：将钢件加热到Ac3或Ac1以上30～50℃，保温一定时间，然后快速冷却（一般为油冷或水冷），从而得马氏体的一种操作。 回火：将淬火钢重新加热到A1点以下的某一温度，保温一定时间后，冷却到室温的一种操作。 冷处理：把冷到室温的淬火钢继续放到深冷剂中冷却，以减少残余奥氏体的操作。 时效处理：为使二次淬火层的组织稳定，在110～150℃经过6～36小时的人工时效处理，以使组织稳定。 5、调质处理：淬火后再进行的高温回火或淬火加高温回火 6、淬透性：钢在淬火后获得淬硬层深度大小的能力。 淬硬性：钢在淬火后获得马氏体的最高硬度。 7、回火马氏体：过饱和的α固溶体（铁素体）和与其晶格相联系的ε碳化物组成的混合物。 回火索氏体：在F基体上有粒状均匀分布的渗碳体。 回火屈氏体：F和细小的碳化物所组成的混合物。 8、第一类回火脆性：淬火钢在250℃～400℃间回火时出现的回火脆性。 第二类回火脆性：淬火钢在450℃～650℃间回火时出现的回火脆性。 10、表面淬火：采用快速加热的方法，将工件表层A化后，淬硬到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火法。
铈及其碳化物对钢力学性能的影响 张金柱1,李代钟2 (1.贵州工业大学冶金工程系,贵州贵阳550003; 2.中国科学院金属研究所,辽宁沈阳110015) 摘要:通过金相、扫描电镜能谱分析和冲击、拉伸等实验方法,研究了钢中铈及其碳化物对强度、塑性、冲击韧度等力学性能的影响。固溶于钢中的微量铈有抑制奥氏体晶粒粗化的作用,至少可使奥氏体晶粒粗化温度提高50K以上;如果铈在晶界上过量富集,可显著降低钢的冲击韧度。钢中的铈碳化物对钢的韧性和塑性都有改善作用,对钢的屈服点没有发现显著的影响。 关键词:稀土;铈碳化物;晶粒度;力学性能 中图分类号:TG146 4;TG142 1 文献标识码:A 文章编号:1000-4343(2000)03-0275-03 铈碳化物的生成自由能较高,稀土元素对碳的作用有别于铬、锰、钨等元素而与硅的行为相似,故认为稀土元素在钢中是非碳化物形成元素[1~4]。近期的研究认为,U71Mn等高碳钢中稀土元素的固溶量高达0 02%时,就会有稀土碳化物析出[5];文献[6,7]也有类似的报道;25MnTiB等钢中铈含量大于氧、硫总量的4倍时,就可生成碳化物[8];当[Ce] [C]2!(2210/T+1 43)exp(5 591-17095/T)时,可在钢液中生成铈碳化物[9];在1015K< T<1523K温度范围内,碳活度0 126?a c?e xp(6400/T-6 28)时,钢中的碳化物CeC2可转变为Fe4Ce4C7相[10]。本文是在钢中能够生成稀土碳化物的基础上,通过金相分析、扫描电镜能谱分析、冲击、拉伸等实验手段,探讨钢中的铈及其碳化物对钢材力学性能的影响。 1 实 验 试样用工业纯铁块、石墨电极块,在氧化镁坩埚内,由中频感应炉熔炼。钢样熔清后,加入金属锰和硅,温度约1800K时再加入金属铈,约5min 后,浇成5kg锭,切去头部后,锻成15mm#15mm 和 15mm的线材。冲击试样按GB/T229标准加工,1083K,15min,水淬,773K回火。分别在室温(295K)和243K,用能量为49J的冲击试验机测定冲击吸收功(A KV)。低应变静拉伸试验按GB228和GB6397标准,材料经1073K,20min炉冷处理。常温拉伸试样在1078K,保温40min,在氩气中淬火。各试样的化学成分列于表1。 表1 试样的化学成分(%,质量分数) 试样C Mn Si S O Al Ce P 1 1.020.790.560.0050.00800.03-0.018 20.990.760.520.0070.00800.030.240.016 30.690.720.440.0100.00760.03-- 40.680.690.460.0080.00760.040.072- 50.690.740.460.0070.00600.040.190- 60.700.720.420.0080.00610.030.400- 2 结果与讨论 通过金相详细观察,并结合电子探针定量分析和X射线衍射分析,确认试样中的铈碳化物为CeC2[8,9]。除试样4只有微量稀土碳化物生成外,其他加铈的试样中均有大量的稀土碳化物相分布于基体中。CeC2在铸态试样中沿着晶界分布,经压力加工后沿加工方向排列[9];铈含量较低的试样2和试样5与试样6相比,铈碳化物量也相应有所降低。 铈含量不同的试样3~6,在室温的冲击吸收功如图1所示。随钢中铈碳化物量的增加,冲击吸收功略有增加。经扫描电镜观察,不含铈的试样3为部分沿晶断口,在试样中部出现沿晶裂纹;有微量稀土碳化物析出的试样4是沿晶、解理及部分韧窝的混合断口(见图2(a)),有大量稀土碳化物析出的试样5和6均呈韧性断裂(见图2(b)),韧窝内第 第18卷Vol.18 第3期 ?.3 中 国 稀 土 学 报 J OURN AL OF THE CHINESE R ARE EAR TH SOCIETY 2000年9月 Sep.2000 收稿日期:1999-02-13;修订日期:1999-09-22基金项目:贵州省自然科学基金(19973087) 作者简介:张金柱(1956-),男,山西原平人,硕士,副教授
创作编号： GB8878185555334563BT9125XW 创作者：凤呜大王* 珠光体（P）索氏体（S）屈氏体（T） 1、铁素体和渗碳体的共析混合物（机械混合物）（铁素体+片状渗碳体）用符号P表示 奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。，含碳量为ωc＝0.77％。 2、珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间, 强度较高,硬度适中，强韧性较好。 其抗拉强度为750 ~900MPa,硬度180 ~280HBS（HB170-220）,伸长率为20 ~25%, 冲击功为24 ~32J，力学性能介于铁素体与渗碳体之间, ,塑性和韧性较好σb=770MPa,180HBS,δ=20%~35%,AKU=24~32J) 3、在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体的数量大大多于渗碳体,所以铁素体层片要比渗碳体厚得多。铁素体的体积约是渗碳体的8倍，所以在金相显微镜下，较厚的是铁素体，较薄的是渗碳体。 4、按碳化物分布形态又可分为片状珠光体和球状珠光体二种。在相同的成分下，粒状珠光体的硬度比片状珠光体的硬度稍低，但塑性较好，但有较好的冷加工性能。 5、片状珠光体一般经退火得到，是铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织，疏密程度不同。经3~5%硝酸酒精溶液或苦味酸溶液浸蚀后，铁素体和渗碳体皆呈白亮色，但其边界被浸蚀呈黑色线条。在不同放大倍下观察是组织具有不太一样的特征。铁素体的体积约是渗碳体的8倍，所以在金相显微镜下，较厚的是铁素体，较薄的是渗碳体。 奥氏体分解成粗片状的珠光体和铁素体。这种组织不仅增加切削加工的难度，而且在以后淬火时容易产生组织不均匀，过热组织和变形量大等缺陷 6、粒状（球状）珠光体 由铁素体和粒状碳化物组成（铁素体+颗粒状渗碳体）。它由过共析钢经球化退火
第二节钢中的碳化物 一、一般特点： 碳化物是钢中的重要组成相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有极重要的影响。 碳化物具有高硬度和脆性，并具有高熔点。这表明它具有共价键特点； 碳化物具有正的电阻温度系数，具有导电特性。这表明它具有金属键特点； 碳化物具有金属键和共价键的特点，以金属键占优。 二、碳化物的结构 过渡族金属的碳化物中，金属原子和碳原子可形成简单点阵或复杂点阵结构，金属原子处于点阵结点上，而尺寸较小的碳原子在点阵的间隙位置。 如果金属原子间的间隙足够大，可以容纳碳原子时，碳化物就可以形成简单密排结构。 若这种间隙还不足容纳碳原子时，就得到比简单结构稍有变形的复杂密排结构。 因此过渡族金属的原子半径(γM)和碳原子半径(γC)的比值(γC/γM)决定了可以形成简单密排还是复杂结构的碳化物。 金属Fe Mn C r V Mo W Ti Nb Zr γc/γM 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.52 0.48 (1)形成NaCl型简单立方点阵的碳化物。 如VC、NbC、TiC、ZrC等，这种MeC相不具备严格的化学计算成分和化学式，一般形式将是MeC，其中0.5≤C≤1。碳化物中碳浓度的下降使碳化物硬度下降，点阵常数减小。 (2)形成六方点阵的碳化物 如Mo 2C、W 2 C、MoC、WC 2、当γC/γM >0.59, 形成复杂点阵的碳化物(1)复杂立方点阵 如Cr 23C 6 , Mn 23 C 6 , Fe 3 W 3 C, Fe 3 Mo 3 C (2)复杂六方点阵 如Cr7C3，Mn7C3； (3)正交晶系点阵 如Fe3C，Mn3C 三、碳化物的稳定性 钢中各种碳化物的相对稳定性，对于其形成和转变、溶解、析出和聚集、长大有着极大的影响。 碳化物在钢中的相对稳定性取决于合金元素与碳的亲和力的大小，即取决于合金元素d层电子数。 金属元素的d层电子数越少，它与碳的亲和力就越大，所析出的碳化物在钢中就越稳定。 下面给出部分合金元素的d层电子数
中南大学网络教育课程考试复习题及参考答案 机械工程材料 一、判断题： 1.奥氏体与渗碳体均为面心立方晶格。 [ ] 2.Ｆ与Ｐ是亚共析钢中室温时的主要组成相。 [ ] 3.金属的加工硬化是指金属在塑性变形后强度.硬度提高，塑性.韧性下降的现象。 [ ] 4.钢淬火时的冷却速度越快，马氏体的硬度越高。 [ ] 5.合金中，一个晶粒内的成分不均匀现象称枝晶偏析。 [ ] 6.一种合金的室温组织为α+βⅡ+（α+β），它由三相组成。 [ ] 7.当把亚共析钢加热到Ac1和Ac3之间的温度时，将获得由铁素体和奥氏体构成的两相组织， 在平衡条件下，其中奥氏体的碳含量总是大于钢的碳含量。 [ ] 8.在铁碳合金平衡结晶过程中只有成分为%C的铁碳合金才能发生共晶反应。 [ ] 钢比T12钢的碳含量要高。 [ ] 10.再结晶能够消除加工硬化效果，是一种软化过程。 [ ] 11.过共析钢中，网状渗碳体的存在使钢的硬度和塑性均上升。 [ ] 12.正火是将钢件加热至完全奥氏体化后空冷的热处理工艺。 [ ]是合金调质结构钢。 [ ] 14.回火索氏体的性能明显优于奥氏体等温冷却直接所得到的片层状索氏体的性能。 [ ] 10A和60 号钢均属于高碳钢。 [ ] 16.晶体缺陷的共同之处是它们都能引起晶格畸变。 [ ] 17.位错是实际金属晶体的一种面缺陷。 [ ] 18.体心立方晶格的致密度为 74%。 [ ] 19.塑性变形指的是外载荷撤销后变形不能恢复的变形。 [ ] 20.当过冷度较大时，纯金属晶体主要以平面状方式长大。 [ ] 21.室温下，金属晶粒越细，则强度越高，塑性越好。 [ ] 22.一般来说，钢的强度高于铸铁的强度。 [ ]的淬透性比65 号钢的淬透性差。 [ ] 24.从C曲线中分析可知，共析钢的过冷奥氏体在A1-550℃的范围内发生贝氏体转变。 [ ] 25.共析反应就是在某一温度时，从一种固相中同时结晶析出两种不同的固相。 [ ] 26.包晶偏析可以通过回火的热处理方法消除。 [ ] 27.所谓本质细晶粒钢就是一种在任何加热条件下晶粒均不发生粗化的钢。 [ ] 28.一个合金的室温组织为α+βⅡ+（α+β），它由两相组成。 [ ] 29.过冷奥氏体转变为马氏体是一种扩散型转变。 [ ]钢比T12 钢的碳含量要高。 [ ] 31.标识为100HBS的材料硬度大于标识为60HRC的材料硬度。 [ ] 32.马氏体是碳在α-Fe 中的过饱和固溶体，当奥氏体向马氏体转变时，体积要收缩。 [ ] 33.再结晶过程是有晶格类型变化的结晶过程。 [ ] 34.当亚共析成分的奥氏体在冷却发生珠光体转变时，温度越低，其转变产物组织越粗。 [ ] 35.贝氏体是过冷奥氏体中温转变产物，在转变过程中，碳原子能进行扩散，而铁原子不能 进行扩散。 [ ] 36.不论碳含量高低，马氏体的硬度都很高，脆性都很大。 [ ] 37.高合金钢既具有良好的淬透性，也具有良好的淬硬性。 [ ] 38.经退火后再高温回火的钢，能得到回火马氏体组织，具有良好的综合机械性能。 [ ] 39.由于球墨铸铁中的石墨为球形，因而铸铁的强度、塑性和韧性接近于钢。 [ ] 40.因为单晶体是各向异性的，所以实际应用的金属材料在各个方向上的性能也是不相同的。 的淬透性比40号钢的淬透性差。 [ ] 42.变形铝合金的塑性优于铸造铝合金。 [ ] 43.正火是将钢件加热至完全奥氏体化后水冷的热处理工艺。 [ ]
作业： 1、解释下列名词：晶体，晶胞，致密度，配位数，晶体的各向异性，晶面指数，晶向指数 2、常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？γ-Fe、α-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、Mg、Zn各属何种晶体？ 3、在立方晶体中，一平面通过Y=0.5、Z=3并平行于X轴，它的晶面指数是多少？绘图表示。 4、在面心立方晶格中，哪个晶面和晶向的原子密度最大？ 5、在立方晶体结构中，AB晶向如图中所示，求AB的晶向指数？(略) 作业： 1、过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？ 2、在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒的大小？在生产中如何应用变质处理？举例说明？ 3、如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小： ⑴金属模浇注与沙模浇注； ⑵高温浇注与低温浇注； ⑶铸成薄件与铸成厚件； ⑷浇注时采用振动与不采用振动； 作业： 1、解释下列名词：滑移、滑移系、加工硬化、回复、再结晶； 2、指出下列名词的主要区别： ⑴弹性变形与塑性变形 ⑵再结晶与二次再结晶 ⑶热加工与冷加工 3、金属的塑性变形有哪几种方式？在什么条件下会发生滑移变形？说明滑移机理？ 4、说明下列现象产生的原因？ ⑴滑移面是原子密度最大的晶面，滑移方向是原子密度最大的方向； ⑵晶界处滑移阻力最大； ⑶实际测得的晶体滑移所需的临界切应力比理论计算的数值小； ⑷Zn、α-Fe、Cu的塑性不同； 5、为什么细晶粒强度高，塑性、韧性也好？什么是细晶强化？其强化原理？ 6、多晶体塑性变形的特点？在多晶体中，哪些晶粒最先滑移？ 7、金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化？ 8、金属的再结晶温度受到哪些因素的影响？再结晶退火前后组织和性能有何变化？ 9、金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒，为什么？ 1、解释下列名词：合金、组元、相、固溶体、化合物、组织、固溶强化、晶内偏析 2、指出下列名词的主要区别： ?置换固溶体与间隙固溶体 ?间隙相与间隙化合物 ?固溶体与化合物