第一章金属的晶体结构
1、试用金属键的结合方式，解释金属具有良好的导电性、正的电阻温度系数、导热性、塑性和金属光泽等基本特性.
答：(1)导电性：在外电场的作用下，自由电子沿电场方向作定向运动。
(2)正的电阻温度系数：随着温度升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍作用也加大，即金属的电阻是随温度的升高而增加的。
(3)导热性：自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能。
(4) 延展性：金属键没有饱和性和方向性，经变形不断裂。
(5)金属光泽：自由电子易吸收可见光能量，被激发到较高能量级，当跳回到原位时辐射所吸收能量，从而使金属不透明具有金属光泽。
2、填空：
1)金属常见的晶格类型是面心立方、体心立方、密排六方。
2)金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽主要是因为金属原子具有金属键的结合方式。
3)物质的原子间结合键主要包括金属键、离子键和共价键三种。
4)大部分陶瓷材料的结合键为共价键。
5)高分子材料的结合键是范德瓦尔键。
6)在立方晶系中，某晶面在x轴上的截距为2，在y轴上的截距为1/2；与z轴平行，则该晶面指数为（（ 140 ））.
7)在立方晶格中，各点坐标为：A (1，0，1)，B (0，1，1)，C (1，1，1/2)，D(1/2，1，1/2)，那么AB晶向指数为（ī10），OC晶向指数为（221），OD晶向指数为（121）。
8)铜是（面心）结构的金属，它的最密排面是（111 ）。
9) α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn中属于体心立方晶格的有（α-Fe 、 Cr、V ），属于面心立方晶格的有（γ-Fe、Al、Cu、Ni ），属于密排六方晶格的有（ Mg、Zn ）。
3、判断
1)正的电阻温度系数就是指电阻随温度的升高而增大。（√）
2)金属具有美丽的金属光泽，而非金属则无此光泽，这是金属与非金属的根本区别。（×）
3) 晶体中原子偏离平衡位置，就会使晶体的能量升高，因此能增加晶体的强度。(× )
4) 在室温下,金属的晶粒越细,则其强度愈高和塑性愈低。(×)
5) 实际金属中存在着点、线和面缺陷，从而使得金属的强度和硬度均下降。 (×)
6)体心立方晶格中最密原子面是｛110｝，原子排列最密的方向也是<111> .（对）
7)面心立方晶格中最密的原子面是｛111}，原子排列最密的方向是<110>。 ( 对 )
8)纯铁加热到912℃时将发生α-Fe向γ-Fe的转变，体积会发生膨胀。 ( 错 )
9)晶胞是从晶格中任意截取的一个小单元。(错)
10)纯铁只可能是体心立方结构，而铜只可能是面心立方结构。 (错)
4、选择题
1)金属原子的结合方式是（ C ）
A．离子键 B 共价键 C 金属键 D 分子键
2)晶态金属的结构特征是（ B ）
A 近程有序排列
B 远程有序排列
C 完全无序排列
D 部分有序排列
3)正的电阻温度系数是指（ B）
A 随温度增高导电性增大的现象
B 随温度降低电阻下降的现象
C 随温度升高电阻减少的现象
D 随温度降低电阻升高的现象
4)金属键的一个基本特征是（A ）
A．没有方向性 B．具有饱和性
C. 具有择优取向性
D. 没有传导性。
5）晶体中的位错属于 ( D )
A．体缺陷 B 点缺陷 C 面缺陷 D．线缺陷
6）亚晶界的结构是( B )
A．由点缺陷堆集而成 B 由位错垂直排列成位错墙面构成
C 由晶界间的相互作用构成
D 由杂质和空位混合组成
7）多晶体具有( C )
A．各向同性 B 各向异性 C 伪各向同性 D 伪各向异性
一、标出下图中给定晶面和晶向的指数。
标出OO′A′A 、OO′B′B 、ODC′的晶面指数和标出给定晶向的指数：B′D、BB′、OD′。
x
z
OO′B′B的晶面指数，求DD′E′E
即可。
截距分别为： -1/2，1/2，∞，倒
数、求整后，得晶面指数为：
（ī 1 0）
二、在立方晶胞中画出以下晶面或晶向：（231）（102）（110）［013］［111］
3、在体心立方晶胞中画出一个最密排方向并标明晶向指数；再画出过该方向的两个不同的低指数(简单)晶面，写出对应的晶面指数。
4、分别画出立方晶系晶胞内的(110)、(112)晶面和（110）、（111)晶向。
X
Y
Z
X
Z
］
5、画出立方晶系中(111)面、(435)面。写出立方晶系空间点阵特征。
立方晶系中(111)面、(435)面如右图所示。
立方晶系空间点阵特征是点阵参数有如下关系：
a =b=c，α=β=γ=90°。也可用具有哪类对称元素表示，
若有四个三次转轴，则对应立方点阵。
三、已知铜原子直径为0.256nm，试计算1mm3铜中的原子数以及Cu的晶格常数。
答： a = 1.414×0.256=0.362 (nm)
1mm3中的原子数为：
1/a3 × 4 = 4/(0.362×10-6)3 = 8.43×1019 (个)
四、已知铁的原子量为55.85，1g铁有多少个原子? 计算1g铁在室温和1000℃时各有多少个晶胞?
答：1g铁原子数：6.023×1023÷55.85=1.08×1022 （个）室温时铁为体心立方结构，单位晶胞中有2个原子，故1g 铁中含5.4×1021个晶胞
1000℃时为面心立方结构，单位晶胞中有4个原子，故1g 铁中含2.7×1021个晶胞
五、Ni的晶体结构为面心立方，其原子半径为r = 0.1243nm，已知Ni的原子量为58.69，试求Ni的晶格常数和密度。
七、问答题
1、简述金属晶体中缺陷的类型
答：按尺寸可分为：点缺陷，如溶质、杂质原子、空位；线缺陷，如位错；面缺陷，如各种晶界、相界、表面等；体缺陷，如孔洞、气泡等。体缺陷对材料性能是绝对有害的。
2、什么是点阵参数?正方晶系和立方晶系的空间点阵特征是什么?
答:点阵参数是描述点阵单胞几何形状的基本参数，由六个参数组成，即三个边长a、b、c和它们之间的三个夹角α、β、γ。
正方晶系的点阵参数特征是a≠b≠c，α=β=γ=90°
立方晶系的点阵参数特征是a=b=c，α=β=γ=90°
3、什么是晶面族？｛111｝晶面族包含哪些晶面?
答：晶体中原子或分子排列相同的晶面的组合称为晶面族。因对称关系，这些面往往不止一种。立方系{111}晶面族包括四个。
(111)、(1ī1)、(11ī)、(īī1）
4、面心立方结构和密排六方结构金属中的原子堆垛方式和致密度是否有差异?请加以说明。
答：FCC和HCP均按ABCABC方式堆垛；致密度也都是0.74。
5、根据缺陷相对于晶体尺寸和其影响范围的大小，缺陷可以分为哪几类?简述这几类缺陷的特征。
答：点缺陷：沿三个方向的尺寸很小，溶质原子、间隙原子、空位。
线缺陷：沿两个方向的尺寸很小，第三个方向上的尺寸很大，甚至可贯穿整个晶体，指位错。
面缺陷：沿一个方向上的尺寸很小，另两个方向上的尺寸很大，如晶界，相界。体缺陷：在三个方向上的尺寸都较大，但不是很大，如第二相粒子，显微空洞。
6、点缺陷(如间隙原子或代位原子)和线缺陷(如位错)为何会发生交互作用?这种交互作用如何影响力学性能?
答：点缺陷产生畸变，使局部能量提高，附近有弹性应变场；位错也是如此，但位错周围不同位置应力场状态不同，有的为压应力，有的为拉应力；点缺陷会聚集到位错上使应变能降低，使系统的能量下降，吸附溶质的位错是一种稳定组态；此时位错被钉扎而难以运动，使强度提高，会产生上下屈服点效应。
7、单相金属或合金各晶粒间的界面一般称之为晶界，通常晶界又分为小角度晶界和大角度晶界两大类，试问：划分为两类晶界的依据是什么?并讨论构成小角度晶界的结构模型。
答：依据是按界面两侧晶粒间的取向差，<10°的称小角度晶界，>10°的称大角度晶界。小角度晶界的结构模型是位错模型，比如对称倾转晶界用一组平行的刃位错来描述。
8、讨论晶体结构和空间点阵之间的关系。
答、两者之间的关系可用“空间点阵+基元=晶体结构”来描述。空间点阵只有14种，基元可以是无穷多种，因而构成的具体的晶体结构也是无穷多种。
9、叙述常见的金属晶体中的内外界面。
答、它们包括晶界、相界、表面、孪晶界、层错。
晶界是同种晶粒之间的交界面；相界是结构、成分不同的相间的交界面；表面是晶体与大气或外界接触的界面；孪晶界是发生孪生后产生的新界面，是特殊的大角晶界，可是共格的或半共格的；低能层错是单相晶体内因堆垛顺序反常变化后出现的新界面，也是低能界面，与孪晶界能量相近。
10、简述刃型位错和螺型位错的重要特征。
答：刃型位错的重要特征：
①刃型位错有一额外半原子面
②位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中有正应力也有切应变，对于正刃型位错，滑移面之上晶格受到压应力，滑移面上受到拉应力，负刃型位错正好相反
③位错线与晶体的滑移方向相垂直。位错线运动的方向垂直于位错线。
④刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直。
螺型位错的重要特征：
①螺型位错没有额外半原子面
②位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中只有切应变，没有正应力
③位错线与晶体的滑移方向相平行。位错线运动的方向垂直于位错线。
④螺型位错的柏氏矢量与其位错线相平行。
名词解释：
1、金属键：自由电子与原子核之间静电作用产生的键合力。
2、位错：是晶体内的一种线缺陷，其特点是沿一条线方向原子有规律地发生错排；这种缺陷用一线方向和一个柏氏矢量共同描述。
3、点阵畸变：在局部范围，原子偏离其正常的点阵平衡位置，使点阵产生弹性畸变，称为点阵畸变。
4、柏氏矢量：描述位错特征的一个重要矢量，它集中反映了位错区域内畸变总量的大小和方向；也是位错扫过后晶体相对滑动的量。
5、刃型位错和螺型位错模型:将晶体上半部切开，插入半个晶面，再粘合起来；这样，在相当于刃端部位为中心线的附近一定范围，原子发生有规则的错动。其特点是上半部受压，下半部受拉。这与实际晶体中的刃位错造成的情景相同，称刃型位错模型。同样，将晶体的前半部切开，以刃端为界使左右两部分沿上下发生一个原子间距的相对切变，再粘合起来，这时在已切动和未切动交界线附近，原子错动情况与真实的螺位错相似，称螺型位错模型。
第一章金属的晶体结构 1、试用金属键的结合方式，解释金属具有良好的导电性、正的电阻温度系数、导热性、塑性和金属光泽等基本特性. 答：(1)导电性：在外电场的作用下，自由电子沿电场方向作定向运动。 (2)正的电阻温度系数：随着温度升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍作用也加大，即金属的电阻是随温度的升高而增加的。 (3)导热性：自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能。 (4) 延展性：金属键没有饱和性和方向性，经变形不断裂。 (5)金属光泽：自由电子易吸收可见光能量，被激发到较高能量级，当跳回到原位时辐射所吸收能量，从而使金属不透明具有金属光泽。 2、填空： 1)金属常见的晶格类型是面心立方、体心立方、密排六方。 2)金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽主要是因为金属原子具有金属键的结合方式。 3)物质的原子间结合键主要包括金属键、离子键和共价键三种。 4)大部分陶瓷材料的结合键为共价键。 5)高分子材料的结合键是范德瓦尔键。 6)在立方晶系中，某晶面在x轴上的截距为2，在y轴上的截距为1/2；与z轴平行，则该晶面指数为（（ 140 ））. 7)在立方晶格中，各点坐标为：A (1，0，1)，B (0，1，1)，C (1，1，1/2)，D(1/2，1，1/2)，那么AB晶向指数为（ī10），OC晶向指数为（221），OD晶向指数为（121）。 8)铜是（面心）结构的金属，它的最密排面是（111 ）。 9) α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn中属于体心立方晶格的有（α-Fe 、 Cr、V ），属于面心立方晶格的有（γ-Fe、Al、Cu、Ni ），属于密排六方晶格的有（ Mg、Zn ）。 3、判断 1)正的电阻温度系数就是指电阻随温度的升高而增大。（√） 2)金属具有美丽的金属光泽，而非金属则无此光泽，这是金属与非金属的根本区别。（×） 3) 晶体中原子偏离平衡位置，就会使晶体的能量升高，因此能增加晶体的强度。(× ) 4) 在室温下,金属的晶粒越细,则其强度愈高和塑性愈低。(×) 5) 实际金属中存在着点、线和面缺陷，从而使得金属的强度和硬度均下降。 (×) 6)体心立方晶格中最密原子面是｛110｝，原子排列最密的方向也是<111> .（对） 7)面心立方晶格中最密的原子面是｛111}，原子排列最密的方向是<110>。 ( 对 ) 8)纯铁加热到912℃时将发生α-Fe向γ-Fe的转变，体积会发生膨胀。 ( 错 ) 9)晶胞是从晶格中任意截取的一个小单元。(错) 10)纯铁只可能是体心立方结构，而铜只可能是面心立方结构。 (错) 4、选择题 1)金属原子的结合方式是（ C ）
第二章金属的晶体结构与结晶 教学目的及要求 通过本章的学习，使学生掌握常用纯金属的结构特点和性能特点，建立金属材料结构与性能之间的关系。 主要内容 1．材料的结合方式 2．金属的晶体结构与结晶 学时安排 讲课2学时。 教学重点 1．金属的三种典型的晶体结构 2．晶体缺陷及其对性能的影响 3．纯金属的结晶过程 教学难点 1．金属材料的晶体结构 2．各类缺陷对结构及性能的影响 第一节纯金属的晶体结构 一、晶体结构的基本概念 晶体结构：指在晶体内部，原子、离子或原子集团规则排列的方式。晶体结构不同，其性能往往相差很大。 晶格：为了便于分析研究，通常把将晶体中实际存在的原子、离子或原子集团等物质质点，抽象为空间中纯粹的几何点，而完全忽略它的物质性，这些抽象的几何点称为阵点。用假想的直线把这些阵点连接起来，得到周期性规则排列的三维空间格子称为晶格。 晶胞：组成晶格的能反映其特征和规律的最基本几何单元，称为晶胞。晶格可以看作是由许多大小和形状完全相同的晶胞紧密地堆垛在一起而成的。 晶格常数：晶胞各棱边的长度用a、b、c表示，称为晶格常数或点阵常数，其大小通常以埃为计量单位。晶胞各边之间的相互夹角分别以α、β、γ表示。a、b、c、α、β、γ称为晶胞的六个参数。 在研究晶体结构时，通常以晶胞作为代表来考查。
配位数和致密度：表示晶格中原子排列的紧密程度。 配位数：指晶格中与任一原子处于相距最近并距离相等的原子数目； 致密度（K）：指晶胞中原子排列的致密程度，即晶胞中原子所占的体积与晶胞体积（V）的比值，比值K越大，致密度越大。 二、金属中常见的晶体结构类型 三种典型晶体结构特征： 晶体结构与材料性能：（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的金属较差。 第二节实际金属中的晶体缺陷 一、常见晶体缺陷及分类 晶体缺陷：实际晶体中排列不规则的区域称为晶体缺陷。 分类：按空间尺寸分为三种。 1．点缺陷。不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小，主要是空位、置换原子、间隙原子。 2．线缺陷。不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两个方向的尺寸都很小，主要是位错。 3．面缺陷：不规则区域在两个方向的尺寸很大，在另外一个方向的尺寸很小，主要是晶界和亚晶界。 二、晶体缺陷对晶体性能的影响 1．点缺陷周围晶格发生畸变，材料的屈服强度提高，塑性韧性下降，电阻增加。
《金属材料及热处理1-2》作业答案 作业一 一、测量金属硬度常用的试验方法有哪些？并指出各自的优缺点？并回答下列问题：下列零件选择哪种硬度法来检查其硬度比较合适？ （1）库存钢材；（2）硬质合金刀头；（3）锻件。 答：测量金属硬度常用的试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。布氏硬度的优点是压痕面积大，不受微小不均匀硬度的影响，试验数据稳定，重复性能好，但是，由于压痕面积大，又不适合成品零件和薄壁器件的硬度试验。洛氏硬度测定操作迅速、简便，压痕面积小，适用于成品检验，硬度范围广，由于接触面积小，当硬度不均匀时，数据波动较大，需多打几个点取平均值。维氏硬度试验的压痕是正方形，轮廓清晰，对角线测量准确，因此维氏硬度试验是常用硬度试验方法中精度最高的，同时它的重复性好，这一点比布氏硬度优越，维氏硬度测量范围宽，可以从几个到三千个维氏硬度单位都可以测量，以及可以测量薄的零件，维氏硬度最大的优点是测量值与所加载荷无关。维氏硬度试验效率低，要求较高的试验技术，对于试样表面的光洁度要求较高，操作麻烦费时，通常在实验室使用较多。 （1）库存钢材，由于牌号多，种类多，所以硬度值会分布在一个比较大的范围，用洛氏硬度较为合适； （2）硬质合金刀头，该材料硬度值高，一般洛氏硬度测量范围偏小，用维氏硬度较为合适，有时也用洛氏硬度HRA测试； （3）锻件，由于锻件组织粗大，强度硬度偏低，用布氏硬度较为合适。二、测量硬度时，为什么要求两个压痕之间有一定的距离？如果两点距离太近，会对硬度有何影响？ 答：测量硬度时，为了排除材料硬度不均匀性的影响以及第一次测试部位及附近发生了变形的影响，两个压痕之间应有一定的距离。如果两点距离太近，第一次测试后发生变形的部位的硬度会高于原硬度，即发生加工硬化现象。 三、可否通过增加零件的尺寸来提高其弹性模量，为什么？ 答：弹性模量主要取决于材料内部原子间的作用力，如材料的晶格类型、原子间距，其它工艺及尺寸对其影响极小，所以不能通过增加零件尺寸来提高其弹性模量。
第一章钢的合金化原理 1．名词解释 1）合金元素: 特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或机械性能的化学元素。(常用M来表示) 2）微合金元素: 有些合金元素如V，Nb，Ti, Zr和B等，当其含量只在0.1%左右（如B 0.001%，V 0.2 %）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。 3）奥氏体形成元素:在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ相；如Mn, Ni, Co, C, N, Cu；4）铁素体形成元素: 在α-Fe中有较大的溶解度，且能稳定α相。如：V，Nb, Ti 等。 5）原位析出: 元素向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时, 合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物如Cr钢中的Cr： ε-FexC→Fe3C→（Fe, Cr）3C→（Cr, Fe）7C3→（Cr, Fe）23C6 6）离位析出: 在回火过程中直接从α相中析出特殊碳化物，同时伴随着渗碳体的溶解，可使HRC和强度提高（二次硬化效应）。如V，Nb, Ti等都属于此类型。 2．合金元素V、Cr、W、Mo、Mn、Co、Ni、Cu、Ti、Al中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥氏体形成元素？哪些能在a-Fe中形成无限固溶体？哪些能在g-Fe 中形成无限固溶体？ 答：铁素体形成元素：V、Cr、W、Mo、Ti、Al； 奥氏体形成元素：Mn、Co、Ni、Cu 能在a-Fe中形成无限固溶体：V、Cr； 能在g-Fe 中形成无限固溶体：Mn、Co、Ni 3．简述合金元素对扩大或缩小γ相区的影响，并说明利用此原理在生产中有何意义？ 答：（1）扩大γ相区：使A3降低，A4升高一般为奥氏体形成元素 分为两类：a.开启γ相区：Mn, Ni, Co 与γ-Fe无限互溶. b.扩大γ相区：有C，N，Cu等。如Fe-C相图，形成的扩大的γ相区，构成了钢的热处理的基础。 （2）缩小γ相区：使A3升高，A4降低。一般为铁素体形成元素 分为两类:a.封闭γ相区：使相图中γ区缩小到一个很小的面积形成γ圈,其结果使δ相区与α相区连成一片。如V, Cr, Si, A1, Ti, Mo, W, P, Sn, As, Sb。 b.缩小γ相区：Zr, Nb, Ta, B, S, Ce 等 （3）生产中的意义：可以利用M扩大和缩小γ相区作用，获得单相组织，具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛。 4．简述合金元素对铁碳相图（如共析碳量、相变温度等）的影响。 答：答：1）改变了奥氏体区的位置 2）改变了共晶温度：（l）扩大γ相区的元素使A1，A3下降； (2)缩小γ相区的元素使A1，A3升高。当Mo>8.2%, W>12%,Ti>1.0%,V>4.5%,Si>8.5%，γ
工程材料 判断题 、珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物 1..√ 2..× 、可锻铸铁中，石墨是团絮状的，有较高强度和一定塑韧性，所以可以锻造。 1..√ 2..× 、正火是将钢加热到临界温度以上一定范围保温一定时间，然后空冷的热处理工艺。 1..√ 2..× 、上贝氏体是由过饱和的铁素体和渗碳体组成。 1..√ 2..× 、把在实际晶体中出现的空位和间隙原子的缺陷叫做面缺陷。
1..√ 2..× 、实际金属中位错密度越大、晶界和亚晶界越多，其强度越高。 1..√ 2..× 、金属材料在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力叫强度。 1..√ 2..× 、选材的一般原则包括满足零件使用性能、工艺性、经济性、环保和资源合理利用。 1..√ 2..× 、贝氏体是过饱和的铁素体和渗碳体组成的混合物。 1..√ 2..× 、奥氏体是碳溶解在γ中所形成的置换固溶体。 1..√
2..× 、钢的淬火后进行高温回火的工艺称为调质，其组织为回火索氏体。 1..√ 2..× 、零件失效形式包括变形失效、磨损失效、断裂失效。 1..√ 2..× 、表面淬火既能改变工件表面的化学成分，也能改善其心部组织与性能。 1..√ 2..× 、调质钢经淬火和高温回火后的组织是回火马氏体。 1..√ 2..× 、在一般情况下，金属结晶后晶粒越细小，则其强度越好，而塑性和韧性越差。 1..√ 2..×
、在铁碳合金中，铁素体在℃时，溶碳能力可达。 1..√ 2..× 、衡量材料的塑性的指标主要有伸长率和冲击韧性。 1..√ 2..× 、布氏硬度测量硬度时，用符号表示。 1..√ 2..× 、单晶体具有各向异性，多晶体具有各向同性。 1..√ 2..× 、失效是机械零件因某种原因致使丧失其规定功能的现象。 1..√ 2..× 、维氏硬度测量硬度时，用符号表示.
习题 第一章 1、何时不能直接淬火呢？本质粗晶粒钢为什么渗碳后不直接淬火？重结晶为什么可以细化晶粒？那么渗碳时为什么不选择重结晶温度进行A化？ 答：本质粗晶粒钢，必须缓冷后再加热进行重结晶，细化晶粒后再淬火。晶粒粗大。A 形核、长大过程。影响渗碳效果。 2、C是扩大还是缩小奥氏体相区元素？ 答：扩大。 3、Me对S、E点的影响？ 答：A形成元素均使S、E点向左下方移动。F形成元素使S、E点向左上方移动。 S点左移—共析C量减小；E点左移—出现莱氏体的C量降低。 4、合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别? 答：由于合金元素阻碍碳原子扩散以及碳化物的分解，因此奥氏体化温度高、保温时间长。 5、对一般结构钢的成分设计时，要考虑其M S点不能太低，为什么? 答：M量少，Ar量多，影响强度。 6、W、Mo等元素对贝氏体转变影响不大，而对珠光体转变的推迟作用大，如何理解? 答：对于珠光体转变：Ti, V：主要是通过推迟（P转变时）K形核与长大来提高过冷γ的稳定性。 W，Mo： 1）推迟K形核与长大。 2）增加固溶体原子间的结合力，降低Fe的自扩散系数，增加Fe的扩散激活能。 3）减缓C的扩散。 对于贝氏体转变：W，Mo，V，Ti：增加C在γ相中的扩散激活能，降低扩散系数，推迟贝氏体转变，但作用比Cr，Mn，Ni小。 7、淬硬性和淬透性 答：淬硬性：指钢在淬火时硬化能力，用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示。 淬透性：指由钢的表面量到钢的半马氏体区组织处的深度。 8、C在γ-Fe与α-Fe中溶解度不同，那个大？ 答：γ-Fe中，为八面体空隙，比α-Fe的四面体空隙大。 9、C、N原子在α-Fe中溶解度不同，那个大？ 答：N大，因为N的半径比C小。 10、合金钢中碳化物形成元素（V，Cr，Mo，Mn等）所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。 答：V：MC型；Cr：M7C3、M23C6型；Mo：M6C、M2C、M7C3型；Mn：M3C型。 复杂点阵：M23C6、M7C3、M3C、稳定性较差；简单点阵：M2C、MC、M6C稳定性好。 11、如何理解二次硬化与二次淬火？ 答：二次硬化：含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A’转变为M回,使硬度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化。 二次淬火：在高合金钢中回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体的现象称为二次淬火。
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。
第二章工程结构钢 1.叙述构件用钢一般的服役条件、加工特点和性能要求。 答：服役条件：①工程结构件长期受静载；②互相无相对运动受大气（海水）的侵蚀；③有些构件受疲劳冲击；④一般在-50~100℃范围内使用； 加工特点：焊接是构成金属结构的常用方法；一般都要经过如剪切、冲孔、热弯、深冲等成型工艺。 性能要求：①足够的强度与韧度（特别是低温韧度）；②良好的焊接性和成型工艺性； ③良好的耐腐蚀性； 2.低碳钢中淬火时效和应变时效的机理是什么对构件有何危害 答：构件用钢加热到Ac1以上淬火或塑性变形后，在放置过程中，强度、硬度上升，塑性、韧性下降，韧脆转变温度上升，这种现象分别称为淬火时效和应变时效。 产生的原因：C、N等间隙原子偏聚或内吸附于位错等晶体缺陷处。提高硬度、降低塑性和韧度。 危害：在生产中的弯角、卷边、冲孔、剪裁等过程中产生局部塑形变形的工艺操作，由于应变时效会使局部地区的断裂抗力降低，增加构件脆断的危险性。应变时效还给冷变形工艺造成困难，往往因为裁剪边出现裂缝而报废。 3.为什么普低钢中基本上都含有不大于%w(Mn) 答：加入Mn有固溶强化作用，每1%Mn能够使屈服强度增加33MPa。但是由于Mn能降低A3温度，使奥氏体在更低的温度下转变为铁素体而有轻微细化铁素体晶粒的作用。Mn的含量过多时，可大为降低塑韧性，所以Mn控制在<%。 4.为什么贝氏体型普低钢多采用%w(Mo)和微量B作为基本合金化元素 答：钢中的主要合金元素是保证在较宽的冷却速度范围内获得以贝氏体为主的组织。当Mo 大于%时，能显着推迟珠光体的转变，而微量的B在奥氏体晶界上有偏析作用，可有效推迟铁素体的转变，并且对贝氏体转变推迟较少。因此Mo、B是贝氏体钢中必不可少的元素。 5.什么是微合金化钢微合金化元素的主要作用是什么 答：微合金化钢是指化学成分规范上明确列入需加入一种或几种碳氮化物形成元素的钢中。作用：Nb、V、Ti单元或复合是常用的，其作用主要有细化晶粒组织和析出强化。微合金元素通过阻止加热时奥氏体晶粒长大和抑制奥氏体形变再结晶这两方面作用可使轧制后铁素体晶粒细化，从而具有较好的强韧度配合。 6.在汽车工业上广泛应用的双相钢，其成分、组织和性能特点是什么为什么能在汽车工业上得到大量应用，发展很快 答：主要成分：~%C，~%Si，~%Mn，~%Cr，~%Mo，少量V 、Nb、Ti。（质量分数） 组织：F+M组织，F基体上分布不连续岛状混合型M（<20%）。 F中非常干净，C、N等间隙原子很少；C和Me大部分在M中. 性能特点：低σs，且是连续屈服，无屈服平台和上、下屈服；均匀塑变能力强，总延伸率较大，冷加工性能好；加工硬化率n值大，成型后σs可达500~700MPa。 因为双相钢具有足够的冲压成型性，而且具备良好的塑性、韧度，一定的马氏体还可以保证提高钢的强度。 7.在低合金高强度工程结构钢中大多采用微合金元素（Nb、V、Ti等），它们的主要作用是什么 答：Nb、V、Ti单元或复合是常用的，其作用主要有细化晶粒组织和析出强化。微合金元素通过阻止加热时奥氏体晶粒长大和抑制奥氏体形变再结晶这两方面作用可使轧制后铁素体晶粒细化，从而具有较好的强韧度配合。 8.什么是热机械控制处理工艺为什么这种工艺比相同的成分普通热轧钢有更高的力学综合
第 2 章结晶结构 一、名词解释 1．晶体：晶体是内部质点在三维空间内周期性重复排列，具有格子构造的固体 2．空间点阵与晶胞： 空间点阵是几何点在三维空间内周期性的重复排列 晶胞：反应晶体周期性和对称性的最小单元 3．配位数与配位多面体： 化合物中中心原子周围的配位原子个数 成配位关系的原子或离子连线所构成的几何多面体 4．离子极化： 在离子化合物中，正、负离子的电子云分布在对方离子的电场作用下，发生变形的现象5．同质多晶与类质同晶： 同一物质在不同的热力学条件下具有不同的晶体结构 化学成分相类似物质的在相同的热力学条件下具有相同的晶体结构 6．正尖晶石与反尖晶石： 正尖晶石是指2价阳离子全部填充于四面体空隙中，3价阳离子全部填充于八面体空隙中。 反尖晶石是指2价阳离子全部填充于八面体空隙中，3价阳离子一半填充于八面体空隙中，一半填充于四面体空隙。 二、填空与选择 1．晶体的基本性质有五种：对称性，异相性，均一性，自限性和稳定性（最小内能性）。 2．空间点阵是由 C 在空间作有规律的重复排列。（ A 原子 B离子 C几何点 D分子）3．在等大球体的最紧密堆积中有面心立方密堆积和六方密堆积二种排列方式，前者的堆积方式是以（111）面进行堆积，后者的堆积方式是以（001）面进行堆积。 4．如晶体按立方紧密堆积，单位晶胞中原子的个数为 4 ，八面体空隙数为 4 ，四面体空隙数为 8 ；如按六方紧密堆积，单位晶胞中原子的个数为 6 ，八面体空隙数为 6 ，四面体空隙数为 12 ；如按体心立方近似密堆积，单位晶胞中原子的个数为 2 ， 八面体空隙数为 12 ，四面体空隙数为 6 。 5．等径球体最紧密堆积的空隙有两种：四面体空隙和八面体空隙。一个球的周围有 8个四面体空隙、 6 个八面体空隙；n个等径球体做最紧密堆积时可形成 2n 个四面体空隙、 n 个八面体空隙。不等径球体进行堆积时，大球做最紧密堆积或近似密堆积，小球填充于空隙中。
第二章纯金属的结晶 2-1 a）试证明均匀形核时，形成临界晶粒的△Gk与其体积V之间关系式为△Gk=V△Gv/2 b）当非均匀形核形成球冠状晶核时，其△Gk与V之间的关系如何？ 答： 2-2 如果临界晶核是边长为a的正方体，试求出△Gk和a之间的关系。为什么形成立方体晶核的△Gk比球形晶核要大。 答：
2-3 为什么金属结晶时一定要由过冷度？影响过冷度的因素是什么？固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？ 答： 金属结晶时需过冷的原因： 如图所示，液态金属和固态金属的吉布斯自由能随温度的增高而降低，由于液态金属原子排列混乱程度比固态高，也就是熵值比固态高，所以液相自由能下降的比固态快。当两线相交于Tm温度时，即Gs=Gl，表示固相和液相具有相同的稳定性，可以同时存在。所以如果液态金属要结晶，必须在Tm温度以下某一温度Tn，才能使G s＜Gl，也就是在过冷的情况下才可自发地发生结晶。把Tm-Tn的差值称为液态金属的过冷度 影响过冷度的因素： 金属材质不同，过冷度大小不同；金属纯度越高，则过冷度越大；当材质和纯度一定时，冷却速度越大，则过冷度越大，实际结晶温度越低。 固态金属熔化时是否会出现过热及原因： 会。原因：与液态金属结晶需要过冷的原因相似，只有在过热的情况下，Gl＜G s，固态金属才会发生自发地熔化。 2-4 试比较均匀形核和非均匀形核的异同点。 答： 相同点： 1、形核驱动力都是体积自由能的下降，形核阻力都是表面能的增加。
2、具有相同的临界形核半径。 3、所需形核功都等于所增加表面能的1/3。 不同点： 1、非均匀形核的△Gk小于等于均匀形核的△Gk，随晶核与基体的润湿角的变 化而变化。 2、非均匀形核所需要的临界过冷度小于等于均匀形核的临界过冷度。 3、两者对形核率的影响因素不同。非均匀形核的形核率除了受过冷度和温度的 影响，还受固态杂质结构、数量、形貌及其他一些物理因素的影响。 2-5 说明晶体生长形状与温度梯度的关系。 答： 液相中的温度梯度分为： 正温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而提高的温度分布情况。负温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而降低的温度分布情况。固液界面的微观结构分为： 光滑界面：从原子尺度看，界面是光滑的，液固两相被截然分开。在金相显微镜下，由曲折的若干小平面组成。 粗糙界面：从原子尺度看，界面高低不平，并存在着几个原子间距厚度的过渡层，在过渡层中，液固两相原子相互交错分布。在金相显微镜下，这类界 面是平直的。 晶体生长形状与温度梯度关系： 1、在正温度梯度下：结晶潜热只能通过已结晶的固相和型壁散失。 光滑界面的晶体，其显微界面-晶体学小平面与熔点等温面成一定角度，这种情况有利于形成规则几何形状的晶体，固液界面通常呈锯齿状。 粗糙界面的晶体，其显微界面平行于熔点等温面，与散热方向垂直，所以晶体长大只能随着液体冷却而均匀一致地向液相推移，呈平面长大方式，固液界面始终保持近似地平面。 2、在负温度梯度下： 具有光滑界面的晶体：如果杰克逊因子不太大，晶体则可能呈树枝状生长；当杰克逊因子很大时，即时在较大的负温度梯度下，仍可能形成规则几何形状的晶体。具有粗糙界面的晶体呈树枝状生长。 树枝晶生长过程：固液界面前沿过冷度较大，如果界面的某一局部生长较快偶有突出，此时则更加有利于此突出尖端向液体中的生长。在尖端的前方，结晶潜热散失要比横向容易，因而此尖端向前生长的速度要比横向长大的速度大，很块就长成一个细长的晶体，称为主干。这些主干即为一次晶轴或一次晶枝。在主干形成的同时，主干与周围过冷液体的界面也是不稳的的，主干上同样会出现很多凸出尖端，它们会长大成为新的枝晶，称为称为二次晶轴或二次晶枝。二次晶枝发展到一定程度，又会在它上面长出三次晶枝，如此不断地枝上生枝的方式称为树枝状生长，所形成的具有树枝状骨架的晶体称为树枝晶，简称枝晶。 2-6 简述三晶区形成的原因及每个晶区的特点。 答： 三晶区的形成原因及各晶区特点： 一、表层细晶区
练习题 一、选择题 1、为了提高合金的耐蚀性，向材料中加入强的阴极性元素金属，属于以下哪种 方法A。 A）降低阳极相活性B）降低阴极相活性C）增加系统阻力 2、同样加入强阴极性元素，有的合金耐腐蚀，有的却不耐蚀。其原因是A。 A）前者处于可钝化的，后者不是B）前者腐蚀体系处于常温，后者不是 C）前者腐蚀体系存有活化离子（如Cl－），后者不是D）以上都不是 3、为提高铁金属材料耐蚀性，铬是一种常添加的元素，主要起以下作用B。 A）使腐蚀电位正移，增加材料的热力学稳定性B）合金易进入钝态区 C）致钝电位向正向移动D）以上都对 4、加入Cu、P、Cr元素的耐候钢具有较好的耐大气腐蚀性，机理是D。 A）有序固溶理论B）电子机构理论 C）表面富集理论D）形成致密腐蚀产物膜理论 5、金属产生晶间腐蚀应满足的条件是C A）在高压的环境中，只要其电极电位低且强度不够； B）在高温的环境中，只要其产生的氧化膜不够致密； C）在腐蚀的环境中，只要其晶粒与晶界物－化状态和电化学性能不同； D）在高压、高温、腐蚀的环境中,只要其晶粒与晶界成分不符合塔曼定律； 6、奥氏体不锈钢中添加Nb元素的主要作用是C A）增加膜的致密性B）提高材料的抗点蚀能力 C）作为稳定化元素抑制碳化铬的生成D）增加热力学稳定性 7、黄铜脱锌属于以下哪种腐蚀类型E。 A）点蚀B）缝隙腐蚀C）晶间腐蚀D）电偶腐蚀E）选择性腐蚀 8、下列哪种热处理工艺对1Cr18Ni9Ti的抗晶间腐蚀是必须的B A）固溶处理B)稳定化处理 C）去应力退火处理D）敏化处理 9、加入了稳定化元素Ti、Nb的奥氏体不锈钢，却没有达到耐腐蚀的目的。这可能是该钢种在使用前没能进行过D处理。 A）固溶处理B）敏化处理C）退火处理D）稳定化处理 10、海水腐蚀环境中，以下哪个区域腐蚀最严重A。 A）飞溅带B）潮差带C）全浸带D）海泥带 11．以下关于可逆氢脆说法错误的是C A）氢脆在室温附近最敏感；B）材料强度越高，氢脆越敏感；
第一章1.为什么说钢中的S、P杂质元素在一般情况下总是有害的？ 答：S、P会导致钢的热脆和冷脆，并且容易在晶界偏聚，导致合金钢的第二类高温回火脆性，高温蠕变时的晶界脆断。 S能形成FeS，其熔点为989℃，钢件在大于1000℃的热加工温度时FeS会熔化，所以易产生热脆； P能形成Fe3P，性质硬而脆，在冷加工时产生应力集中，易产生裂纹而形成冷脆。 2.钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类？各有什么特点？ 答：简单点阵结构和复杂点阵结构 简单点阵结构的特点：硬度较高、熔点较高、稳定性较好； 复杂点阵结构的特点：硬度较低、熔点较低、稳定性较差。 3.简述合金钢中碳化物形成规律。 答：①当rC/rM>0.59时，形成复杂点阵结构；当rC/rM<0.59时，形成简单点阵结构； ②相似者相溶：完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似；有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合碳化物。 ③NM/NC比值决定了碳化物类型④碳化物稳定性越好，溶解越难，析出难越，聚集长大也越难；⑤强碳化物形成元素优先与碳结合形成碳化物。
4.合金元素对Fe-C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？ 答：A形成元素均使S、E点向_____移动，F形成元素使S、E点向_____移动。 S点左移意味着_____减小，E点左移意味着出现_______降低。 （左下方；左上方）（共析碳量；莱氏体的C量） 5.试述钢在退火态、淬火态及淬火-回火态下，不同合金元素的分布状况。 答：退火态：非碳化物形成元素绝大多数固溶于基体中，而碳化物形成元素视C和本身量多少而定。优先形成碳化物，余量溶入基体。 淬火态：合金元素的分布与淬火工艺有关。溶入A体的因素淬火后存在于M、B中或残余A 中，未溶者仍在K中。 回火态：低温回火，置换式合金元素基本上不发生重新分布；>400℃，Me开始重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度取决于回火温度和时间。 6.有哪些合金元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大？阻止奥氏体晶粒长大有什么好处？ 答：Ti、Nb、V等强碳化物形成元素（好处）：能够细化晶粒，从而使钢具有良好的强韧度配合，提高了钢的综合力学性能。 7.哪些合金元素能显着提高钢的淬透性？提高钢的淬透性有何作用？ 答：在结构钢中，提高马氏体淬透性作用显着的元素从大到小排列：Mn、Mo、Cr、Si、Ni 等。
一、填空题（括号为参考答案） 1、板料冲压成形的主要工序有冲裁、弯曲、拉深、（起伏、胀形、翻边）等。 2、衡量金属或合金的塑性变形能力的数量指标有伸长率和断面收缩率。 3、金属单晶体变形的两种主要方式有滑移和孪晶。 4、金属热塑性变形机理主要有：晶滑移、晶孪生、晶界滑移和扩散蠕变等。 5、研究塑性力学时，通常采用的基本假设有连续性假设、均匀性假设、初应力为零、体积力为零、各向同性假设、体积不变假设。 6、金属塑性成形方法主要有拉拔、挤压、锻造、拉深、弯曲等。（冲孔、落料、翻边、、） 7、金属的超塑性可分为微细晶粒（恒温）超塑性和相变（变态）超塑性两大类。 8、金属单晶体变形的两种主要方式有：滑移和孪生。 9、影响金属塑性的主要因素有：化学成分，组织状态，变形温度，应变速率，变形力学条件。 10、平面变形问题中与变形平面垂直方向的应力σz =（σx +σy）/2 = σm 。 11、主应力法的实质是将平衡微分方程和屈服方程联立求解。 二、判断题 1、促使材料发生塑性变形的外力卸除后，材料发生的塑性变形和弹性变形都将保留下来，成为永久变形。( F ) 2、为了消除加工硬化、减小变形抗力，拉拔成形时应该将坯料加热到再结晶温度以上。金属材料在塑性变形时，变形前与变形后的体积发生变化。( F ) 3、弹性变形时，应力球量使物体产生体积的变化，泊松比ν＜0.5。( T ) 4、理想塑性材料在发生塑性变形时不产生硬化，这种材料在中性载荷时不可产生塑性变形。( F ) 5、由于主应力图有九种类型，所以主应变图也有九种类型。( F ) 6、八面体平面的方向余弦为l=m=n=1/3。（±）( F ) 7、各向同性假设是指变形体各质点的组织、化学成分都是均匀而且相同的，即各质点的物理性能均相同，且不随坐标的改变而变化。(这是均匀性假设) ( F ) 8、金属材料在塑性变形时，变形前与变形后的体积发生变化。( F ) 9、金属材料在完全热变形条件下无法实现拉拔加工。( T ) 10、塑性变形时，应力偏量使物体产生体积的变化，泊松比ν＜0.5。( F ) 11、理想刚塑性材料在指在研究塑性变形时，不考虑弹性变形，也不考虑变形过程中产生加工硬化的材料。( T )
第一章 1.为什么说钢中的S、P杂质元素在一般情况下总是有害的？ 答：S、P会导致钢的热脆和冷脆，并且容易在晶界偏聚，导致合金钢的第二类高温回火脆性，高温蠕变时的晶界脆断。 S能形成FeS，其熔点为989℃，钢件在大于1000℃的热加工温度时FeS会熔化，所以易产生热脆； P能形成Fe3P，性质硬而脆，在冷加工时产生应力集中，易产生裂纹而形成冷脆。 4.合金元素对Fe-C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？ 答：A形成元素均使S、E点向_____移动，F形成元素使S、E点向_____移动。 S点左移意味着_____减小，E点左移意味着出现_______降低。（左下方；左上方）（共析碳量；莱氏体的C量 5.试述钢在退火态、淬火态及淬火-回火态下，不同合金元素的分布状况。 答：退火态：非碳化物形成元素绝大多数固溶于基体中，而碳化物形成元素视C和本身量多少而定。优先形成碳化物，余量溶入基体。 淬火态：合金元素的分布与淬火工艺有关。溶入A体的因素淬火后存在于M、B中或残余A中，未溶者仍在K中。 回火态：低温回火，置换式合金元素基本上不发生重新分布；>400℃，Me开始重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度取决于回火温度和时间。 8.能明显提高回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？答：提高回火稳定性的合金元素：Cr、Mn、Ni、Mo、W、V、Si 作用：提高钢的回火稳定性，可以使得合金钢在相同的温度下回火时，比同样碳含量的碳钢具有更高的硬度和强度；或者在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而使韧性更好些。 10.就合金元素对铁素体力学性能、碳化物形成倾向、奥氏体晶粒长大倾向、淬透性、回火稳定性和回火脆性等几个方面总结下列元素的作用：Si、Mn、Cr、Mo、W、V、Ni。答：Si： ①Si是铁素体形成元素，固溶强化效果显著；（强度增加，韧性减小）②Si是非碳化物形成元素，增大钢中的碳活度，所以含Si钢的脱C倾向和石墨化倾向较大；③Si量少时，如果以化合物形式存在，则阻止奥氏体晶粒长大，从而细化A晶粒，同时增大了钢的强度和韧性； ④Si提高了钢的淬透性，使工件得到均匀而良好的力学性能。在淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。 ⑤Si提高钢的低温回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢；⑥Si能够防止第一类回火脆性。 11.根据合金元素在钢中的作用，从淬透性、回火稳定性、奥氏体晶粒长大倾向、韧性和回火脆性等方面比较下列钢号的性能：40Cr、40CrNi、40CrMn、40CrNiMo 答：①淬透性：40CrNiMo>40CrMn >40CrNi >40Cr （因为在结构钢中，提高马氏体淬透性作用显著的元素从大到小排列：Mn、Mo、Cr、Si、Ni，而合金元素的复合作用更大。） ②回火稳定性：40CrNiMo>40CrMn >40CrNi >40Cr ③奥氏体晶粒长大倾向：40CrMn>40Cr >40CrNi>40CrNiMo ④韧性：40CrNiMo>40CrNi>40CrMn>40Cr（Ni能够改善基体的韧度）⑤回火脆性：
工程材料作业一 一、选择题 1、金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为（C ） A塑性 B硬度 C强度 D密度 2、金属键的实质是（A ） A自由电子与金属阳离子之间的相互作用 B金属原子与金属原子间的相互作用 C金属阳离子与阴离子的吸引力 D自由电子与金属原子之间的相互作用 二、问答题 1、晶体中的原子为什么能结合成长为长程有序的稳定排列？ 这是因为原子间存在化学键力或分子间存在范德华力。从原子或分子无序排列的情况变成有序排列时，原子或分子间引力增大，引力势能降低，多余的能量释放到外界，造成外界的熵增加。尽管此时系统的熵减小了，只要减小量比外界熵增加来的小，系统和外界的总熵增加，则系统从无序状态变成有序状态的过程就可以发生。分子间存在较强的定向作用力（例如较强极性分子间的取向力、存在氢键作用的分子间的氢键力）的情况下，分子从无序变有序，系统能量降低更多，释放热量越多，外界熵增越大，越有利于整齐排列。这样的物质比较易于形成晶体。相反非极性或弱极性分子间力方向性不明显，杂乱排列和整齐排列能量差别不大，形成整齐排列时，外界熵增有限，不能抵消体统高度有序排列的熵减。这样的物质较难形成规则晶体。综上粒子间的引力越强、方向性越强，越有利于粒子定向有序排列。粒子的热运动则倾向于破坏这种有序排列。热运动越剧烈（温度越高），越倾向于杂乱排列。物质中粒子最终有序排列的程度取决于这对相反因素的消长
2、材料的弹性模量E的工程含义是什么？它和零件的刚度有何关系？ 材料在弹性范围内，应力与应变的比值（σ/ε）称为弹性模量E(单位为MPa)。E标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。E值愈大，即刚度愈大，材料愈不容易产生弹性变形。E值的大小，主要取决于各种材料的本性，反映了材料内部原子结合键的强弱。当温度升高时，原于间距加大，金属材料的E值会有所降低。值得注意的是，材料的刚度不等于零件的刚度，因为零件的刚度除取决于材料的刚度外，还与结构因素有关，提高机件的刚度，可通过增加横截面积或改变截面形状来实现。 3、δ和ψ两个性能指标，哪个表征材料的塑性更准确？塑性指标在工程上有哪些实际意义？ 金属材料的塑性指标中有拉伸实验时的最大延伸率δ和断面收缩率ψ，压缩实验时的压缩比ξ，扭转实验时扭转角度γ，极限压缩率以及冲击韧性等。这些指标反映了固体金属在外力作用下可以稳定地发生永久变形而不破坏其完整性(不断裂、不破损）的能力。塑性反映材料发生永久变形的能力。柔软性反映材料抵抗变形的能力（变形抗力大小）。塑性指标在工程上的实际意义十分巨大，因为塑性好的材料在外力作用下只会变形，不会开裂。许多场合需要塑性好的材料来制作要去变形量大的部件，例如螺栓紧固件、数不胜数的冲压件、连杆、汽车外壳等。 作业二 一、选择题 1、在密排六方晶格中，单个晶胞的原子数为（ C ）。 A、2 B、4 C、6 D、8 2、纯铁在850℃时的晶型为（A ）。 A、体心立方 B、面心立方 C、密排六方 D、复杂晶系 二、判断题 1、晶界是金属晶体的常见缺陷。（√） 2、渗碳体是钢中常见的固溶体相。（×）
金属材料学习题与思考题 第七章铸铁 1、铸铁与碳钢相比，在成分、组织和性能上有什么区别？ （1）白口铸铁：含碳量约2.5%,硅在1%以下白口铸铁中的碳全部以渗透碳体（Fe3c）形式存在，因断口呈亮白色。故称白口铸铁，由于有大量硬而脆的Fe3c，白口铸铁硬度高、脆性大、很难加工。因此，在工业应用方面很少直接使用，只用于少数要求耐磨而不受冲击的制件，如拔丝模、球磨机铁球等。大多用作炼钢和可锻铸铁的坯料 （2）灰口铸铁；含碳量大于4.3％，铸铁中的碳大部或全部以自由状态片状石墨存在。断口呈灰色。它具有良好铸造性能、切削加工性好，减磨性，耐磨性好、加上它熔化配料简单，成本低、广泛用于制造结构复杂铸件和耐磨件。（3）钢的成分要复杂的多，而且性能也是各不相同钢是含碳量在0.04%-2.3%之间的铁碳合金。我们通常将其与铁合称为钢铁，为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等，而且钢还根据品质分类为①普通钢（P≤0.045%，S≤0.050%）②优质钢（P、S均≤0.035%）③高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.030%）按照化学成分又分①碳素钢：.低碳钢（C≤0.25%）.中碳钢（C≤0.25~0.60%）.高碳钢（C≤0.60%）。 ②合金钢：低合金钢（合金元素总含量≤5%）.中合金钢（合金元素总含量＞5~10%）.高合金钢（合金元素总含量＞10%）。 2、C、Si、Mn、P、S元素对铸铁石墨化有什么影响？为什么三低（C、Si、Mn低）一高（S高）的铸铁易出现白口？ （1）合金元素可以分为促进石墨化元素和阻碍石墨化元素，顺序为： Al、C、Si、Ti、Ni、P、Co、Zr、Nb、W、Mn、S、Cr、V、Fe、Mg、Ce、B等。其中，Nb为中性元素，向左促进程度加强，向右阻碍程度加强。C和Si是铸铁中主要的强烈促进石墨化元素，为综合考虑它们的影响，引入碳当量CE = C% + 1/3Si%，一般CE≈4%，接近共晶点。S是强烈阻碍石墨化元素，降低铸铁的铸造和力学性能，控制其含量。 （2）铸铁的含碳量高，脆性大，焊接性很差，在焊接过程中易产生白口组织和裂纹。 白口组织是由于在铸铁补焊时，碳、硅等促进石墨化元素大量烧损，且补焊区冷速快，在焊缝区石墨化过程来不及进行而产生的。白口铸铁硬而脆，切削加工性能很差。采用含碳、硅量高的铸铁焊接材料或镍基合金、铜镍合金、高钒钢等非铸铁焊接材料，或补焊时进行预热缓冷使石墨充分析出，或采用钎焊，可避免出现白口组织，。 3、铸铁壁厚对石墨化有什么影响？冷速越快，不利于铸铁的石墨化，这主要取决于浇注温度、铸型材料的导热能力及铸件壁厚等因素。冷速过快，第二阶段石墨化难以充分进行。 4、石墨形态是铸铁性能特点的主要矛盾因素，试分别比较说明石墨形态对灰铸铁和球墨铸铁力学性能及热处理工艺的影响。墨的数量、大小和分布对铸铁的性能有显著影响。如片状石墨，数量越多对基体的削弱作用和应力集中程度越大。 石墨形状影响铸铁性能：片状、团絮状、球状。对于灰铸铁，热处理仅能改变基体组织，改变不了石墨形态，热处理不能明显改善灰铸铁的力学性能。 球墨铸铁是石墨呈球体的灰铸铁，简称球铁。由于球墨铸铁中的石墨呈球状，对基体的割裂作用大为减少，球铁比灰铸铁及可锻铸铁具有高得多的强度、塑性和韧性。 5、球墨铸铁的性能特点及用途是什么？ 球墨铸铁。将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等.。 珠光体型球墨铸铁——柴油机的曲轴、连杆、齿轮；机床主轴、蜗轮、蜗杆；轧钢机的轧辊；水压机的工作缸、缸套、活塞等。铁素体型球墨铸铁——受压阀门、机器底座、汽车后桥壳等。 6、和刚相比，球墨铸铁的热处理原理有什么异同？ 球墨铸铁的热处理主要有退火、正火、淬火加回火、等温淬火等。 7、HT200、HT350、KTH300-06、QT400、QT600各是什么铸铁？数字代表什么意义？各具有什么样的基体和石墨形态？说明他们的力学性能特点及用途。 （1）灰铸铁常用型号为HT100/HT150/HT200/HT250/HT300/HT350 球墨铸铁常用型号为QT400-18/QT400-15/QT450-10/QT500-7/QT600-3/QT700-2/QT800-2/QT900-2 黑心可锻铸铁常用牌号为KTH300-06/KTH350-10/KTZ450-06/KTZ550-04/KTZ650-02/KTZ700-02,其中KTH300-06适用于气密性零件,KTH380-08适用于水暖件，KTH350-10适用于阀门、汽车底盘。