《工程材料》课后习题答案

1-5在下面几种情况下，该用什么方法来测试硬度？写出硬度符号。

（1）检查锉刀、钻头成品硬度；（2）检查材料库中钢材硬度；（3）检查薄壁工件的硬度或工件表面很薄的硬化层；（4）黄铜轴套；（5）硬质合金刀片；
（1）检查锉刀、钻头成品硬度采用洛氏硬度试验来测定，硬度值符号HRC。

（2）检查材料库中钢材硬度采用布氏硬度试验来测定，硬度值符号HBW。

（3）检查薄壁工件的硬度或工件表面很薄的硬化层硬度采用洛氏硬度试验来测定，硬度值符号HRC。

（4）黄铜轴套硬度采用布氏硬度试验来测定，硬度值符号HBW。

（5）硬质合金刀片采用洛氏硬度试验来测定，硬度值符号HRC。

2-4单晶体和多晶体有何差别？为什么单晶体具有各向异性，多晶体具有各项同性？
单晶体是由原子排列位向或方式完全一致的晶格组成的；多晶体是由很多个小的单晶体所组成的，每个晶粒的原子位向是不同的。

因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。

2-5简述实际金属晶体和理想晶体在结构与性能上的主要差异。

理想晶体中原子完全为规则排列，实际金属晶体由于许多因素的影响，使这些原子排列受到干扰和破坏，内部总是存在大量缺陷。

如果金属中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随着晶体中缺陷的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。

因此，无论点缺陷，线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变，从而使晶体强度增加。

同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻，
降低金属的抗腐蚀性能。

2-6简述间隙固溶体和间隙化合物的异同点。

间隙固溶体和间隙化合物都是溶质原子嵌入晶格间隙形成的。

间隙固溶体的晶体结构与溶剂的结构相同，而间隙化合物的晶体结构不同于组成它的任一组元，它是以分子式来表示其组成。

3-3常用的管路焊锡为成分w(Pb=50%)、w(Sn=50%) 的Pb-Sn合金。

若该合金以及慢速度冷却至室温，求合金显微组织中相组成物和组织组成物的相对量。

图3-1 Pb-Sn合金相图图3-2 w(Pb=50%)Pb-Sn合金室温组织
由相图（图3-1）可知，成分为w(Pb=50%)、w(Sn=50%) 的Pb-Sn合金（亚共晶合金）以慢速度冷却至室温时发生的结晶过程为：先进行匀晶转变(L→α), 匀晶转变剩余的液相再进行共晶转变。

极慢冷却至室温后形成的组织为先共晶固溶体α和共晶组织(α+β)。

由于α固溶体的溶解度随温度变化较大，所以先共晶固溶体α中有点状βII析出（图3-2）。

相组成：先共晶α相的相对量为：1-（50-19.2）/(61.9-19.2)=72.13%
共晶组织中的α相占全部合金的相对量：45.5%*72.13%=32.82%
共晶组织中的β相相对量为1-32.82%=67.18%
3-4请根据图3.44分析解答下列问题：
分析合金1、2的平衡结晶过程，并会出冷却曲线；
说明室温下1、2的相和组织是什么，并计算相和组织的相对含量；
如果希望得到的组织为：共晶组织和5%的ß初，求该合金的成分。

解（1）（2）：合金的冷却曲线如图3-3所示。

图3-3 合金I 的冷却曲线
其结晶过程为：
1以上，合金处于液相；
1~2时，L→α，L 和α的成分分别沿液相线和固相线变化，到达2时，
全部凝固完毕；
2时，为单相α；
2~3时，α→βII 。

α→β室温下，I 合金由两个相组成，即α和β相，其
相对量为
Mα=(0.90-0.20)/(0.90-0.05)*100%=82% Mβ=1- Mα=18%
I 合金的组织为α+βII,其相对量与组成物相同。

II 合金的冷却曲线如图3-4所示。

图3-4 合金II的冷却曲线
其结晶过程如下：
1以上，合金处于均匀的液相；
1~2时，进行匀晶转变L→β初；
2时，两相平衡共存，L0.50==β0.90；
2~2，时，剩余液相发生共晶反应：L0.50==α0.20+β0.90
2~3时，发生脱溶转变，α→β∏
室温下，II合金由两个相组成，即α相和β相，其相对量为：
Mα=(0.90-0.80)/(0.90-0.05)*100%=12% Mβ=1- Mα=88% II合金的组织为：β初+（α+β）共晶；组织组成物的相对量为：
mβ初=(0.80-0.50)/(0.90-0.50)*100%=75% m（α+β）共晶=1- mβ初=25%
解(3)：设合金的成分为wB=x，由题意知：
mβ初=(x-0.50)/(0.90-0.50)*100%=5%
所以x=0.52，即该合金成分为wB=0.52.
3-5画出相图，标出相区及各主要点的成分和温度，并回答下列问题：（1）45、60、T12钢的室温平衡组织分别是什么?它们从高温也太平衡冷却到室温要经过哪些转变？
45钢室温平衡组织：铁素体 + 珠光体P
冷却过程：匀晶转变L0.45→ L0.53+ δ，包晶转变L0.53 + δ → γ0.45，同素异晶转变γ0.45→ α + γ0.77，共析转变γ0.77 → (α +Fe3C)。

60钢室温平衡组织：铁素体 + 珠光体P
冷却过程：匀晶转变L0.60→ L0.53+ δ，包晶转变L0.53 + δ → γ0.60，同素异晶转变γ0.60→α + γ0.77，共析转变γ0.77 → (α +Fe3C)。

T12钢室温平衡组织：珠光体P + 渗碳体Fe3C
冷却过程：过共析钢在液态到室温的冷却过程中，首先进行匀晶转变，形成单相固溶体γ；当温度到达ES线以下时，过饱和的固溶体γ中析出渗碳体（二次渗碳体Fe3CII），奥氏体γ的成分变到共析点S(0.77%C)；共析转变γ0.77 → (α+Fe3C)，形成珠光体P。

（2）画出纯铁45钢T12钢的室温平衡组织，并标注其中的组织。

图3-3 45钢的室温平衡组织（铁素体 + 珠光体P）
图3-4 T12钢的室温平衡组织（珠光体P + 渗碳体Fe3C ）
（3）计算室温下45钢 T12钢的平衡组织中相组成和组织组成物的相
对量。

应用杠杆定律计算45钢中铁素体α和珠光体P 的相对量，选择α +γ二
相区，共析温度727ºC 。

T12钢的Qα=(2.11-1.2)/ (2.11-0.0218)=33.9% QP=1-33.9%=66.1%
（4）计算鉄碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大的相对量。

WFe3C Ⅱ=(2.14-0.8)/(6.69-0.8)*100%=23%
W Fe3C Ⅲ=0.02/6.69*100%=33%
二次渗碳体的最大百分含量为22.6%，三次渗碳体的最大百分含量为
0.33%
（5）应用相图解释下列现象：
①钢柳丁一般用低碳钢合成；
钢柳丁一般要求具有良好的塑性和韧性，所以钢柳丁一般要求用低碳钢
合成。

②绑扎物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物时却用钢丝
绳（60钢 65钢 70刚等组成）；
亚共析钢（碳的质量分数在0.0218%～0.77%）室温下的组织为铁
素体加珠光体，低碳钢丝（碳的质量分数在0.0218%～0.25%）组织中
铁素体的比例大，所以低碳钢丝塑性、韧性好，绑扎物件时，易于操作；
而60钢、65钢、70钢等组织中珠光体的量多，所以强度，适于作起重
%23.570218.077.00218.045.0%77.420218.077.045.077.0=--==--=P Q Q α
机吊重物用的钢丝绳。

③T8钢的强度高于T12钢的强度。

强度＞T12钢，因为强度是一个组织敏感量，当含碳量超过0.9%以后，二次渗碳体呈网状分布，将珠光体分割开，因此强度下降。

3-6现有两种鉄碳合金，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：第一种是亚共析钢，含碳量为0.0218%到0.77%之间，后面一种是过共析钢碳含量为0.77%到2.11%。

3-7现有形状尺寸完全相同的4块平衡状态的鉄碳合金，他们的含碳量分别为w(C)=0.2%、w(C)=0.4%、w(C)=1.2% 、w(C)=3.5%。

根据你所学的知识，可用那些办法来区别他们？
答：第一种：根据金相实验铁碳相图来区别它们：含碳量分别为w(C)=0.2%的鉄碳合金金相中全部是单相的α相。

而含碳量分别为w(C)=0.4%的鉄碳合金金相由α相和珠光体（P）相组成；而含碳量分别为w(C)=1.2%的鉄碳合金金相由珠光体（P）相和二次渗碳体组成；而含碳量分别为w(C)=3.5%的鉄碳合金金相主要由变态莱氏体（Ld’）相和一次渗碳体相组成。

第二种：随着含碳量的增加，铁碳合金的硬度随之增加，分别测试其硬度，按照其硬度大小可得其含碳量的大小。

3-8简述晶粒大小对金属力学性能的影响，并列举几种实际生产中细化铸造晶粒的方法。

晶粒大小对金属力学性能和工艺性能有很大影响。

在一般情况下，晶粒愈细小，金属的强度、塑性、韧性及抗疲劳能力愈好，所以，细化晶粒是强化金属材料的最重要途径之一。

为了细化铸件晶粒以改善其性能，常采用以下方法：增加过冷度；进行变质处理（孕育处理）；振动和搅
拌。

3-9说明金属实际凝固时，铸锭的3种宏观组织的形成机制。

金属铸锭凝固时，由于表面和中心的结晶条件不同，其结构是不均匀的，整个体积中明显的分为三种晶粒状态区域：细等轴晶区、柱状晶区和粗等轴晶区。

（1）液体金属注入锭模时，由于锭模温度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。

同时模壁也能起非自发晶核作用。

结果，在金属的表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区。

（2）细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小，生核速率降低，但此时长大的速度受到的影响较小，结晶过程进行的方式主要是，优先长大方向与散热最快方向的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。

（3）随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于均匀化，散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来的杂质及从柱状晶上被冲下来的晶枝碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成粗大的等轴晶区。

5-3过冷奥氏体在不同温度等温转变时，可得到哪些转变产物？试列表比较他们的组织和性能。

根据等温温度不同，其转变产物有珠光体型和贝氏体型两种。

高温转变
Ac1～650℃珠光体P 粗片状铁素体与渗碳体混合物HRC<25；
650～600℃索氏体S 600倍光学金相显微镜下才能分辨的细片状珠光体HRC为25～35；
600～550℃托氏体T 在光学金相显微镜下已无法分辨的极细片状珠光体HRC为35～40；
中温转变
550～350℃上贝氏体B上羽毛状组织HRC40～45；
350℃～Ms 下贝氏体B下黑色针状或称竹叶状组织HRC45～55；
5-4什么是Vk？其主要影响因素有哪些？
Vk是指淬火临界冷却速度。

其主要受化学成分的影响：亚共析钢中随着含碳量的增加，C曲线右移，过冷奥氏体稳定性增加，则Vk减小，过共析钢中随着含碳量的增加，C曲线左移，过冷奥氏体稳定性减小，则Vk增大；合金元素中，除Co和Al(>2.5%)以外的所有合金元素，都增大过冷奥氏体稳定性，使C曲线右移，则Vk减小。

5-5什么是马氏体？其组织形态和性能取决于什么因素？马氏体转变有何特点？
马氏体最初是在钢（中、高碳钢）中发现的：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。

其组织形态和性能取决于材料和淬火速率。

马氏体相变属于一种广义的位移型无扩散相变，以切变位移为其特征，新旧相成分不变。

相变特征是：
①新相与母相之间有一定的位向关系。

例如Fe-C合金的体心四方马氏体（M）与面心立方奥氏体(γ)──碳在γ-Fe中的固溶体──间有
，。

②相界面是确定的晶面，称为惯习面。

例如含碳量为0.5～1.4C 的
Fe-C合金的惯习面是。

惯习面在相变过程中不畸变不转动（即所谓不变平面）。

③转变区由于形成马氏体发生切变，所以在平的样品表面上会出现浮凸。

④马氏体形态呈片状或条状，内有亚结构，往往是孪晶。

⑤是一级相变，具有成核成长过程。

⑥晶体长大速率接近声速
⑦相变动力学有两类：a.变温转变，成核率很大，马氏体形成数量只是温度的函数，不依赖于时间。

b.等温转变，成核率（或孕育期）依赖于温度,具有“C”字形动力学曲线。

变温转变可视为很快的阶梯式的等温转变；而等温转变如仅考虑转变后期马氏体的极限量则同样满足变温转变的动力学方程。

⑧转变的不完全性。

由于多数钢的Mf（马氏体转变结束的温度点）在室温以下，因此钢冷却到室温时仍有部分未转变的奥氏体存在，称之为残余奥氏体（Ar），随碳含量的增加，Ar也随之增加。

一般钢经过淬火后要经过深冷处理来减少Ar的量。

5-7生产中常把加热到淬火温度的钳工扁铲的刃部款入水中急冷片刻后，出水停留一段时间，在整体投入水中冷却。

说明两次水冷的作用及水冷后的组织。

分级淬火的目的是使工件内部温度趋于一致，减少在后续冷却过程中的内应力及变形和开裂倾向。

淬火后产生马氏体组织。

5-8对一批45钢零件进行热处理时，不慎将淬火件和调质件弄混，如何通过最简单的方法将他们区分开？为什么？
淬火加高温回火的热处理过程称为调质处理，调质处理后的钢件具有优良的综合力学性能，强度和韧性均好于直接淬火零件，微观组织也更细化；所以可以测硬度、进行冲击试验、观察微观组织来进行区分，调质工件的硬度更大，韧性更好，微观晶粒更细化。

5-9 将两个12钢小试样分别加热到780和860，保温后以大于的速度冷却至室温，试问：哪个温度淬火后马氏体晶粒粗大？
因为860℃加热温度高，加热时形成的奥氏体晶粒粗大，冷却后得到的
马氏体晶粒较粗大。

哪个温度淬火后参与奥氏体多？
因为加热温度860℃已经超过了Accm，此时碳化物全部溶于奥氏体中，使奥氏体中含碳量增加，降低钢的Ms和Mf点，淬火后残余奥氏体增多。

哪个温度淬火后未溶碳化物量多？
因为加热温度860℃已经超过了Accm，此时碳化物全部溶于奥氏体中，因此加热淬火后未溶碳化物较少。

哪个温度淬火合适？为什么？
780℃加热淬火后合适。

因为含碳量为1.2%的碳钢属于过共析钢，过共析碳钢淬火加热温度Ac1+（30～50℃），而780℃在这个温度范围内，这时淬火后的组织为均匀而细小的马氏体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混合组织，使钢具有高的强度、硬度和耐磨性，而且也具有较好的韧性。

5-13在硬度相同条件下，为什么经调质处理的工件比正火后的工件具有较好的力学性能？
答：因为正火得到的索氏体中的渗碳体是片状的，而调质处理得到的索氏体索氏体中的渗碳体是粒状的，粒状渗碳体阻止断裂过程的发展比片状渗碳体有利。

5-14用T12（碳素工具钢）钢制造的丝锥，其成品硬度要求为〉60HRC，加工工艺过程为：轧制-热处理1-机加工-热处理2-机加工。

写出个热处理工序的名称及作用；
热处理1：第一次热处理是去应力退火，因为轧制的过程产生加工硬化，同时有应力存在，为了免去后面加工过程中因为应力释放导致产品变形或者应力集中断裂。

热处理2第二次热处理是刃部的低温淬火和低温回火。

淬火的作用是提
高其硬度。

回火是降低脆性还有释放淬火产生的应力
制订最终热处理的工艺规范（加热温度冷却介质）。

第一次热处理是去应力退火：升温到500℃-650℃，保温后随炉冷却。

第二次热处理是刃部的低温淬火和低温回火：温度升高到300-500℃，用油或熔融的碱或盐做为淬火介质。

然后在150~250°C保温1-3小时。