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工程材料与热处理 第3章作业题参考答案1. 置换固溶体中，被置换的溶剂原子哪里去了？ 答：溶质把溶剂原子置换后，溶剂原子重新加入晶体排列中，处于晶格的格点位置。 2. 间隙固溶体和间隙化合物在晶体结构与性能上的区别何在？举例说明之。 答：间隙固溶体是溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而形成的固溶体，间隙固溶体的晶体结构与溶剂组元的结构相同，形成间隙固溶体可以提高金属的强度和硬度，起到固溶强化的作用。如：铁素体F是碳在-Fe中的间隙固溶体，晶体结构与-Fe相同，为体心立方，碳的溶入使铁素体F强度高于纯铁。 间隙化合物的晶体结构与组元的结构不同，间隙化合物是由H、B、C、N等原子半径较小的非金属元素与过渡族金属元素结合，且半径比rX/rM0.59时形成的晶体结构很复杂的化合物，如Fe3C间隙化合物硬而脆，塑性差。 3. 现有A、B两元素组成如图所示的二元匀晶相图，试分析以下几种说法是否正确？为什么？ 形成二元匀晶相图的A与B两个相元的晶格类型可以不同，但是原子大小一定相等。 K合金结晶过程中，由于固相成分随固相线变化，故已结晶出来的固溶体中含B量总是高于原液相中含B量. 固溶体合金按匀晶相图进行结晶时，由于不同温度下结晶出来的固溶体成分和剩余液相成分不相同，故在平衡态下固溶体的成分是不均匀的。 答：错：Cu-Ni合金形成匀晶相图，但两者的原子大小相差不大。 对：在同一温度下做温度线，分别与固相和液相线相交，过交点，做垂直线与成分线AB相交，可以看出与固相线交点处B含量高于另一点。 (3)错：虽然结晶出来成分不同，由于原子的扩散，平衡状态下固溶体的成分是均匀的。 4. 共析部分的Mg-Cu相图如图所示： (1) 填入各区域的组织组成物和相组成物。在各区域中是否会有纯Mg相存在？为什么？ 答: Mg-Mg2Cu系的相组成物如下图： Mg-Mg2Cu系的组织组成物如下图： 在各区域中不会有纯Mg相存在，此时Mg以固溶体形式存在。 (2) 求出20%Cu合金冷却到500、400时各相的成分和重量百分比。 答: 20%Cu合金冷却到500时,如右图所示: 相的成分为a wt%, 液相里含Cu 为b wt%,根据杠杆原理可知: W=O1b/ab*100%, WL= O1a/ab*100% 同理: 冷却到400时，相的成分为m wt%, Mg2Cu相里含Cu 为n wt%, W=O2n/mn*100%, Wmg2Cu= O2m/mn*100% (3) 画出20%Cu合金自液相冷却到室温的曲线，并注明各阶段的相与相变过程。 答:各相变过程如下(如右图所示): xp: 液相冷却,至p点开始析出Mg的固熔体相 py: Mg的固熔体相从p点开始到y点结束 yy,: 剩余的液相y开始发生共晶反应,L+ Mg2Cu y,q:随着T的降低, Cu在Mg的固熔体相的固溶度降低. 5. 试分析比较纯金属、固溶体、共晶体三者在结晶过程和显微组织上的异同之处。 答：相同的是,三者都是由原子无序的液态转变成原子有序排列的固态晶体。不同的是， 纯金属和共晶体是恒温结晶，固溶体是变温结晶，纯金属和固溶体的结晶是由一个液相结晶出一个固相，而共晶体结晶是由一个液相同时结晶两个固相。纯金属和固溶体的显微组织是单一固相，而共晶体的显微组织是两个相的机械混合物。 6. 为什么亚共晶合金的共晶转变温度与共晶合金的共晶转变温度相同？ 答:共晶转变是一定液相成分在一定的温度下结晶出两个成分一定的固相。因此，共晶转变的温度是一定的。虽然亚共晶合金和共晶合金的成分不相同，但亚共晶合金结晶先析出固溶相，使剩余液相的成分达到共晶合金的成分再发生共晶反应，所以亚共晶合金的共晶转变温度与共晶合金的共晶转变温度相同。 7. 根据下表所列要求，归纳比较固溶体、金属化合物及机械混合物的特点。 名称 固溶体 金属化合物 种类 间隙固溶体 置换固溶体 正价化合物 电子化合物 间隙化合物 举例 铁素体，奥氏体 Cu(Ni),Ni(Cu) Mg2Pb CuZn TiC,Fe3C珠光体晶格特点 与溶剂晶格类型相同 晶格类型与组成化合物的各组元完全相数 单相 单相 性能特点 材料的强度硬度随固溶强化增大熔点较高，性能硬而脆不同 由两种不同晶体结构的相彼此机械混合组成机械混合物 2 其性能与两相的性能、大小和分布有关8. 何谓金属的同素异晶转变？试以纯铁为例说明金属的同素异晶转变。 答：金属在固态下随温度的变化，由一种晶格变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异晶转变。 液态纯铁冷却到1538时，结晶成具有体心立方晶格的-Fe；继续冷到1394时发生同素异晶的转变，体心立方晶格-Fe转变为面心立方晶格-Fe；再继续冷却到912时，-Fe又转变为体心立方晶格的-Fe。纯铁变为固态后发生了两次同素异晶转变。 9. 何谓共晶转变和共析转变？以铁碳合金为例写出转变表达式。 答：共晶转变：在一定的温度下,一定成分的液体同时结晶出两种一定成分的固相的反应。 LA+Fe3C(共晶) 共析转变:在一定温度下，由成分一定的固相同时析出两种成分一定且不相同的新固相的转变。 AF+ Fe3C(共析) 10. 画出Fe-Fe3C相图钢的部分，试分析45钢，T8钢，T12钢在极缓慢的冷却条件下的组织转变过程，并绘出室温显微组织示意图。 答：Fe-Fe3C相图如下图所示 45钢为亚共析钢(组织图参考右) 组织转变过程如下： LL+L+L+ +P+ P T8钢近似为共析钢(组织图参考右) 组织转变过程如下: LL+P+ P T12为过共析钢(组织图参考右) LL+Fe3C P + Fe3C 11. 为什么铸造合金常选用靠近共晶成分的合金，而压力加工合金则选用单相固溶体成分合金？ 答：铸造合金需要流动性能好，充型能力强，而接近共晶成分合金，凝固温度区间小，且结晶温度低，恰好满足这个特点；压力加工的合金需要塑性好组织均匀，变形抗力小，有好的伸长率，单相固溶体恰好满足这些要求。 12. 根据Fe-Fe3C相图，确定下表中三种钢在指定温度下的显微组织名称。 钢号 20 T8 T12 温度 770 680 700 F+A P P+Fe3C 显微组织 温度 900 770 770 显微组织 A A A+Fe3C 13. 某厂仓库中积压了许多碳钢由于钢材混杂不知其化学成分，现找出一根，经金相分析后发现组织为珠光体和铁素体，其中铁素体量占80%。问此钢材碳的含量大约是多少？是哪个钢号？ 答：由杠杆原理可知, 0.77-x F%=0.77-0.0218 此钢材碳的含量大约0.17 wt%,与20钢接近 14. 有形状和大小一样的两块铁碳合金，一块是低碳钢，一块是白口铁。问用什么简便的方法可迅速将它们区分开来？ 答：最简单的办法就是用钢锉，挫一挫，白口铸铁由于碳以化合物形式大量存在，比较硬，挫不动，打滑，低碳钢碳化物少，比较软，一挫就掉末。(此方法可行) 15. 现有两种铁碳合金，在显微镜下观察其组织，并以面积分数评定各组织的相对量。一种合金的珠光体占75%，铁素体占25%；另一种合金的显微组织中珠光体占92%，二次渗碳体占8%。这两种铁碳合金各属于哪一类合金？其碳的质量分数各为多少？ 答： 0.77-xF%= 0.77-0.0218珠光体占75%，铁素体占25%,此钢应为亚共析钢,其碳的质量分数约为0.58 wt%. Fe3CII=x-0.776.69-0.77 珠光体占92%，二次渗碳体占8%,此钢应为过共析钢, 其碳的质量分数约为1.24 wt%. 16. 现有形状尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们碳的质量分数分别为0.20%、0.40%、1.2%、3.5%。根据你所学过的知识，可有哪些方法来区别它们？ 答：方法一：硬度测试。硬度值大小顺序是：白口铸铁>T12钢>45钢>20钢。 因为铁碳合金的硬度随含碳量的增加而升高；四种铁碳合金的含碳量是：白口铸铁 > T12钢>45钢>20钢。 方法二：分别制备四种材料的金相试样，在金相显微镜上进行显微组织观察。 亚共析钢组织为，且亚共析钢中随含碳量增加铁素体减少，珠光体增多；过共析钢组织为，且当Wc>0.9时，Fe3C沿晶界呈网状分布；白口铸铁的组织中有莱氏体。所以，组织为而铁素体少的为20钢、珠光体多的为45钢；组织中有Fe3C沿晶界呈网状分布的T12钢，有莱氏体组织存在的是白口铸铁。 方法三：塑性测试。塑性值大小顺序是：20钢>45钢>T12钢>白口铸铁。 17. 根据Fe-Fe3C相图解释下列现象： 在进行热轧和锻造时，通常将钢加热到1000-1200； 钢铆钉一般用低碳钢制作； 绑扎物件一般用铁丝，而起重机吊重物时却用钢丝绳； 在1100时，WC=0.4%的碳钢能进行锻造，而WC=4.0%的铸铁不能进行锻造； 在室温下WC=0.8%的碳钢比WC=1.2%的碳钢强度高； 钢锭在正常温度下轧制有时会造成开裂； 钳工锯割T8钢、T10钢等钢料比锯割10钢、20钢费力，锯条易钝； 答： (1) 此区域为单相奥氏体,相对较软,易变形 (2) 低碳钢塑性较好 (3) 铁丝强度低,塑性好；60钢、65钢、70钢等钢丝强度高 (4) 因为WC=4.0%在此温度下组织有高温莱氏体，其中含有共晶渗碳体,此组织塑性极差,不能锻造, WC=0.4%的碳钢,在此温度为单相奥氏体,塑性好,故可进行锻造工艺 (5) 硬度随含C量增加而增加,但强度不一样,强度和组织有关，WC=0.8% 和WC=1.2%钢的组织为珠光体和晶界析出的二次渗碳体，两者组织中的含量不一样，二次渗碳体是一种脆性相，对强度影响很大，而WC=1.2%钢中二次渗碳体比WC=0.8%多。 (6) 因冶金质量不高，钢中存在硫，硫与铁生成FeS, FeS与Fe能形成低熔点共晶体，熔点仅为985，低于钢材热加工的温度。因此，在热加工时，分布在晶界上的共晶体熔化导致钢的开裂，这种现象称为热脆。 (7) 高碳钢T8钢和T10钢比低碳钢10钢和20钢硬度高, 更耐磨，所以锯割T8钢、T10钢等钢料比锯割10钢、20钢费力，锯条易钝。 18. 试以钢的显微组织说明20钢、45钢和T8钢的力学性能有何不同。 答：20钢含碳量约为0.2%，为低碳钢，在平衡状态下，显微组织为铁素体和少量珠光体，所以硬度较低，强度也较低。45钢含碳量约为0.45%，为中碳钢，显微组织为铁素体和珠光体，强度和硬度比低碳钢高。前两者都是亚共析钢。T8钢含碳量约为0.8%，显微组织主要是珠光体，当然强度和硬度在三者中是最高的了。 19. 下列说法是否正确？为什么？ (1) 钢的碳含量越高，质量越好； (2) 共析钢在727发生共析转变形成单相珠光体； (3) WC=4.3%的钢在1148发生共晶转变形成莱氏体； (4) 钢的含碳量越高，其强度和塑性也越高； 答 (1) 不对, 钢的碳含量越高，硬度越大，跟质量越好没关系 (2) 不对,珠光体是两相混合组织 (3) 不对, WC=4.3%的铁在1148发生共晶转变形成莱氏体 (4) 不对, 钢的含碳量越高，其塑性越低，而强度随碳含量先增后降。 20. 下列工件，由于管理的差错，造成钢材错用，问使用过程中会出现哪些问题？ (1) 把Q235-A当做45钢制造齿轮； (2) 把30钢当做T13钢制成锉刀； (3) 把20钢当做60钢制成弹簧； 答: (1) Q235为低碳钢,45钢为中碳钢, 使用过程会遇到强度不够,易变形和断裂 (2) 30钢为中碳钢，T13钢为工具钢，使用过程会遇到硬度不够,易磨损 (3) 20钢为低碳钢，60钢为高碳钢，使用过程会遇到强度和弹性不够,易塑性变形和断裂 21. 根据括号内提供的钢号选择下列工件所采用的材料：冷冲压件；螺钉；齿轮；小弹簧；锉刀。 答: 冷冲压件08F；螺钉20；齿轮45；小弹簧65；锉刀T12。 22. 什么是相?什么是组织?共晶体(a+b)、次生相a和b是相还是组织? 答：在金属或者合金中，凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其他部分分开的均匀组成部分叫做相。组织是由于组成相的种类、相对数量、晶粒形状、大小及分布形态等的不同，而分别具有不同形貌特征的相的组合物。共晶体(a+b)、次生相a和b是组织。 23. 什么是固溶强化?引起固溶强化的原因是什么? 答: 通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。原因是溶质原子尺寸与溶剂原子不同,溶质原子的溶入造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。 24. 固溶体和金属化合物的晶体结构有何不同特点?两者的性能各有何特点? 固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，而金属化合物的晶体结构与组成它的组元都不同，通常较复杂。固溶体的力学性能高于纯金属，这是由于溶质的“固溶强化效应”所致。金属化合物通常硬度高，熔点高，脆性大。 25. 什么叫合金相图?指出相图中的液相线与固相线的金属学意义? 答:合金系在平衡条件下(即缓慢加热或者冷却条件)下,不同温度、成分下的各相的关系叫合金相图。液相线和固相线表示合金系在平衡状态下冷却时结晶始点和终点以及加热时熔化的终点和始点。 26. 何谓共晶转变,包晶转变和共析转变?试比较这三种转变的异同点,并写出它们的反应式. 答：共晶反应：指一定成分的液体合金，在一定温度下，同时结晶出成分一定且不相同的两种固相的反应。LcÛad+be 包晶反应：指一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一种成分一定的固相反应。tdtcLe+acÛ+bd 共析反应：指一定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个成分一定且不相同新固相反应。acÛgd+be 共同点：反应都是在恒温下发生，反应物和产物都是具有特定成分的相，都处于三相平衡状态。 不同点：共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应；共析是一种固相在恒温下生成两种固相的反应；而包晶反应是一种液相与一种固相在恒温下生成另一种固相的反应。 27. 画出Fe-Fe3C相图指出图中S、C、E、P、N、G、及ECF、PSK、SE、GS、PQ、各点线的意义，并标出各区域的相组成物和组织组成物。 tcS:共析点 C:共晶点 E:碳在g-Fe中的最大溶解度 P：碳在a-Fe中的最大溶解度 N:d-Fe转变为g-Fe的同素异构转变点。G: g-Fe转变为 a-Fe的同素异构转变点 ECF：共晶线 PSK：共析线 SE：碳在g-Fe中的溶解度曲线。 28. 何谓碳素钢？何谓白口铁？两者的成分，组织和力学性能有何差别？ 答：碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金，白口铁是含碳量高于2.11%，低于6.69%的铁碳合金，是常说的生铁，其中碳与铁化合以Fe3C存在，断口呈白色。两者的碳含量不同，组织不同，碳素钢的综合机械性能较好，被广泛使用在工农业生产中。白口铁硬度高、脆性大、耐磨性好，铸造性能优良，但不能切削加工，不能锻造，主要用于要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件。 29. 试回答下列名词的主要区别：莱氏体与低温莱氏体；一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体；铁素体与a-Fe；奥氏体与g-Fe。 莱氏体Le：Le是由奥氏体和渗碳体组成的共晶混合物 低温莱氏体Le(P+Fe3C+Fe3C)是树枝状的珠光体分布在共晶渗碳体的基体上 一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体； 二次渗碳体：从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体；三次渗碳体：从F中析出的Fe3C称为三次渗碳体；共晶渗碳体：经共晶反应形成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体；共析渗碳体：经共析反应形成的渗碳体即珠光体中的渗碳体 铁素体：碳在a-Fe中形成的间隙固溶体；a-Fe：纯铁在912以下的体心立方结构。 奥氏体：碳在g-Fe中形成的间隙固溶体；g-Fe：纯铁在1394到912之间的面心立方结构。 30. 画出Fe-Fe3C相图。 分析含碳量为0.02%的铁碳合金从液态缓冷至室温时的平衡结晶过程，画出冷却曲线，标明各温度区间的相及其转变，计算室温下该合金组织组成物各占多少？相成物各占多少？ 分析合碳量为0.10%的铁碳合金从液态缓冷至室温时的平衡结晶过程，画出冷却曲线，标明各温度区间的相及其转变，计算室温下该合金组织组成物各占多少？。 画出Fe-Fe3C相图。 答：含碳量为0.02%的铁碳合金从液态缓冷至室温时的平衡结晶过程如上图1线所示；冷却转变过程：LL+ Fe3C,冷却曲线如上图所示； 组织组成物为铁素体和Fe3C，室温下该合金相成物各和Fe3C，分别为 W铁素体%=W%=(6.69-0.02)/(6.69-0.0008)*100%, WFe3C% =WFe3C%=1-W% 答：含碳量为0.10%的铁碳合金从液态缓冷至室温时的平衡结晶过程如上图中线2所示, 冷却转变过程：LL+L+P+ P 冷却曲线如图所示:室温下该合金组织组成物为珠光体和铁素体分别为 W%=(0.77-0.1)/(0.77-0.0218)*100%, WP%=1-W-Fe%, 相成物各为和Fe3C, 分别为W%=(6.69-0.1)/(6.69-0.0008)*100%, W Fe3C%=1-W-Fe%