题目

综合分题(1)在立方晶胞中画出(110),(120)晶面和[211],[120]晶向。:(2)α-Fe,Al, Cu, Ni, V, Mg, Zn各属何种晶体结构?体心立方晶格:α-Fe,V。面心立方晶格:Al, Cu, Ni。密排六方晶格:Mg, Zn。已知α-Fe的晶格常数m,试求出α-Fe的原子半径和致密常数。:r原子=a=1.24(m)=在常温下,已知铜原子的直径d=2.55m,求铜的晶格常数。:r原子=a1/2 d原子=a = a (m)2.2 习题(1) 结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的,这两个过程是( 形核 )和( 晶核长大 )。(2) 当对金属液体进行变质处理时,变质剂的作用是( 增加晶核数量,或阻碍晶粒长大 )。答:因为奥氏体是面心立方晶格,其滑移变形能力大,钢处于奥氏体状态时强度较低,塑性较好,因此锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。(11)手锯锯条,普通螺钉、车床主轴分别用何种碳钢制造?答: 手锯锯条用T10 钢制造。普通螺钉用Q195、Q215钢制造。车床主轴用45 钢制造。(14)金属塑性变形后组织和性能会有什么变化?答:金属发生塑性变形后,晶粒发生变形,沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时,晶粒变成细条状(拉伸时),金属中的夹杂物也被拉长,形成纤维组织。金属经大的塑性变形时,由于位错的密度增大和发生交互作用,大量位错堆积在局部地区,并相互缠结,形成不均匀的分布,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块,而在晶粒内产生亚品粒。金属塑性变形到很大程度(70%以上)时.由于品晶粒发生转动,使各晶粒的位向趋近于一致,形成特殊的择优取向。金属发生塑性变形,随形变的增大,金属的强度和硬度显著提高。塑性和韧性明显下。(16)用低碳钢钢板冷冲压成形的零件,冲压后发现各部位零件硬度不同,为什么?答: 主要是由于冷冲压成形时,钢板形成零件的不同部位所需发生的塑性变形量不同,因而加工硬化程度不同所造成。(17) 已知金属钨、铅的熔点分别为3380℃和327℃,试计算它们的最低再结晶温度,并分钨在900℃加工,铅在室温加工时为何种加工?答:全属的最低再结品温度为:T再=(0 .35~0.4)T熔点对金属钨: T熔点 =273+ 3380= 3653 KT再=(0.35~0.4)T熔点=1279~1461K=1006~1188℃在900 ℃对金属钨进行加工,略低于其最低再结晶温度,应属冷加工。对金属铅:T熔点 =273+ 327 =600 KT再 =(0.35~-0.4)T熔点=210~240K =-63~-33℃在室温(如23℃)对金属铅进行加工,明显高于其最低再结晶温度的上限-33℃,应属于热加工。(19)在制造齿轮时,有时采用喷丸处理(将金属丸喷射到零件表面)使齿面得以强化试分强化原因。答:喷丸处理时,大量的微细金属丸被喷射到零件表面,使零件表层发生一定的塑性变形,因而对零件表面产生了加工硬化效应,同时也在表面形成残余压应力。有助于提高零件的疲劳强度。(21)热轧空冷的45钢钢材在重新加热到超过临界点后再空冷下来时,组织为什么能细化?答:热轧空冷的45钢室温时组织为铁素体+索氏体。重新加热到临界点以上,组织转变为奥氏体。奥氏体在铁素体和渗碳体的界面处形核。由于索氏体中铁素体,渗碳体的层片细,薄,因此奥氏体形核数目多,奥氏体晶粒细小。奥氏体再空冷下来时,细小的奥氏体晶粒通过重結晶又转变成铁素体+索氏体,此时的组织就比热轧空冷的45钢组织细,达到细化和均匀组织的目的。(25)马氏体的本质是什么?它的硬度为什么很高?为什么高碳马氏体的脆性很高?答:本质:是碳在中的过饱和固溶体。由于过饱和的间隙碳原子造成晶格的严重畸变,形成强烈的应力场并与位错发生强烈的交互作用产生固溶强化。马氏体转变时在晶体内造成晶格缺陷密度很高的亚结构(板条状马氏体的高密度位错、片状马氏体的微细孪晶)阻碍位错运动,提高了马氏体的硬度。马氏体形成后,碳及合金元素向位错或其他缺陷扩散偏聚出,钉扎位错,使位错难以运动(马氏体时效强化)。因此,马氏体硬度很高。高碳马氏体由于碳的过饱和度大,晶格严重畸变,淬火应力大,同时存在孪晶结构和高密度显微裂纹,所以脆性大,塑性、韧性极差。(26)为什么钢件淬火后一般不直接使用,需要进行回火[1]?答:钢件淬火后,为了消除内应力并获得所要求的组织和性能,必须将其加热到Ac1以下的某一温度,保温一定时间进行回火处理。这是因为:第一,淬火后得到的是性能很脆的马氏体组织,并存在内应力,容易产生变形和开裂;第二:淬火马氏体和残余马氏体都是不稳定组织,在工作中会发生分,会导致零件尺寸的变化,而这对精密零件是不允许的;第三:为了获得要求的强度,硬度,塑形和韧性,以满足零件的使用要求。(27) 直径为6mm的共钢小试样加热到相变点A1以上30℃,用所示的的冷却曲线冷却,是分得到的组织,说明各属于什么热处理方法?(略)答:a:马氏体+残余奥氏体,单介质[2]淬火(水冷)b:马氏体+残余奥氏体,分级淬火c:屈氏体+马氏体+残余奥氏体,单介质淬火(油冷)d:下贝氏体,等温淬火 e:索氏体,正火f:珠光体,退火。 g:珠光体,等温退火(28)调质处理后的40钢齿轮,经高频感应加热温度T如。试分高频感应加热水淬后。轮齿由表面到中心各区()的组织.答:加热到III区的部分,加热温度T低于相变临界点温度Ac1,不发生相变。水冷后40钢齿轮仍保持调质处理后的铁素体基体+粒状渗碳体(回火索氏体)组织,但是由于原调质处理的回火温度中,粒状渗碳体变得粗大。加热到III区的部分组织为:回火索氏体。(29)确定下列钢件的退火方法,并指出退火目的及退火后的组织。1)经冷轧后的15钢钢板,要求降低硬度。2)ZG270-500(ZG35)的铸造齿轮;3)改善T12钢的切削加工性能;答:1)再结晶退火。退火目的:消除加工硬化现象,恢复钢板的韧性和塑性。组织:生成与钢板冷轧前晶格类型相同的相似的细小、等轴晶。冷轧钢板一般为低碳钢,再结晶退火后的组织为铁素体+珠光体。2)完全退火。目的:通过完全重结晶,是铸造过程中生成的粗大、不均匀的组织均匀化、细化,消除魏氏组织,以提高性能,同时消除内应力。组织:铁素体+珠光体。3)球化退火。目的:使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化,以降低硬度,改善切削性能,并为以后的淬火做准备。组织:铁素体基体+球状渗碳体(30)说明直径为6mm的45钢退火试样分别经下列温度加热:700℃,760℃,840℃,1100℃,保温后在水中冷却得到的室温组织。答:1100℃:粗大马氏体840℃:细小的马氏体 760℃:铁素体+马氏体700℃:铁素体+珠光体(31)两个碳质量分数为1.2%的碳钢薄试样,分别加热到780C 和900C,保温相同时间奥氏体化后,以大于淬火临界冷却速度的速度冷却到室温。试分:A. 哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大? B. 哪个温度加热淬火后马氏体中碳质量分数较少? C. 哪个温度加热淬火后残余奥氏体量较多? D. 哪个温度加热淬火后未溶碳化物量较多? E. 你认为哪个温度加热淬火合适 F. ,加热温度高者奥氏体粗大,粗大奥氏体冷却后转变组织也粗大,因此加热到900℃的试祥济火后马氏体晶粒较粗大。 G. 将试样加热到900℃时,其组织为单相奥氏体,奥氏体中的碳质量分数为1.2%。将试样加热到780 ℃时,其组织为奥氏体十渗碳体。由于有渗碳体,即一部分碳存在于渗碳体中,奥氏体中的碳质量分数必然降低(奥氏体中的碳质量分数可用铁碳相确定: 约为.95%).因此加热到780C时的试样淬火后马氏体中碳质量分数较少。 奥氏体中碳质量分数越高,淬火后残余奥氏体量越多,因此加热到900 ℃的试样淬火后残余奥氏体量较多。 将试样加热到900℃时,其组织为单相奥氏体。淬火后组织为马氏体十残余奥氏体将试样加热到780℃时,其组织为奥氏体+ 渗碳体,淬火后组织为马氏体十渗碳体+残余奥氏体。故加热到780C的试样淬火后未溶碳化物量较多。 780C℃加热淬火合适。 (32) 指出下列工件的淬火温度及回火温度,并说出回火后获得的组织。 1)45 钢小轴(要求综合机械性能好);

综合分题(1)在立方晶胞中画出(110),(120)晶面和[211],[120]晶向。:(2)α-Fe,Al, Cu, Ni, V, Mg, Zn各属何种晶体结构?体心立方晶格:α-Fe,V。面心立方晶格:Al, Cu, Ni。密排六方晶格:Mg, Zn。已知α-Fe的晶格常数m,试求出α-Fe的原子半径和致密常数。:r原子=a=1.24(m)=在常温下,已知铜原子的直径d=2.55m,求铜的晶格常数。:r原子=a1/2 d原子=a = a (m)2.2 习题(1) 结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的,这两个过程是( 形核 )和( 晶核长大 )。(2) 当对金属液体进行变质处理时,变质剂的作用是( 增加晶核数量,或阻碍晶粒长大 )。答:因为奥氏体是面心立方晶格,其滑移变形能力大,钢处于奥氏体状态时强度较低,塑性较好,因此锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。(11)手锯锯条,普通螺钉、车床主轴分别用何种碳钢制造?答: 手锯锯条用T10 钢制造。普通螺钉用Q195、Q215钢制造。车床主轴用45 钢制造。(14)金属塑性变形后组织和性能会有什么变化?答:金属发生塑性变形后,晶粒发生变形,沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时,晶粒变成细条状(拉伸时),金属中的夹杂物也被拉长,形成纤维组织。金属经大的塑性变形时,由于位错的密度增大和发生交互作用,大量位错堆积在局部地区,并相互缠结,形成不均匀的分布,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块,而在晶粒内产生亚品粒。金属塑性变形到很大程度(70%以上)时.由于品晶粒发生转动,使各晶粒的位向趋近于一致,形成特殊的择优取向。金属发生塑性变形,随形变的增大,金属的强度和硬度显著提高。塑性和韧性明显下。(16)用低碳钢钢板冷冲压成形的零件,冲压后发现各部位零件硬度不同,为什么?答: 主要是由于冷冲压成形时,钢板形成零件的不同部位所需发生的塑性变形量不同,因而加工硬化程度不同所造成。(17) 已知金属钨、铅的熔点分别为3380℃和327℃,试计算它们的最低再结晶温度,并分钨在900℃加工,铅在室温加工时为何种加工?答:全属的最低再结品温度为:T再=(0 .35~0.4)T熔点对金属钨: T熔点 =273+ 3380= 3653 KT再=(0.35~0.4)T熔点=1279~1461K=1006~1188℃在900 ℃对金属钨进行加工,略低于其最低再结晶温度,应属冷加工。对金属铅:T熔点 =273+ 327 =600 KT再 =(0.35~-0.4)T熔点=210~240K =-63~-33℃在室温(如23℃)对金属铅进行加工,明显高于其最低再结晶温度的上限-33℃,应属于热加工。(19)在制造齿轮时,有时采用喷丸处理(将金属丸喷射到零件表面)使齿面得以强化试分强化原因。答:喷丸处理时,大量的微细金属丸被喷射到零件表面,使零件表层发生一定的塑性变形,因而对零件表面产生了加工硬化效应,同时也在表面形成残余压应力。有助于提高零件的疲劳强度。(21)热轧空冷的45钢钢材在重新加热到超过临界点后再空冷下来时,组织为什么能细化?答:热轧空冷的45钢室温时组织为铁素体+索氏体。重新加热到临界点以上,组织转变为奥氏体。奥氏体在铁素体和渗碳体的界面处形核。由于索氏体中铁素体,渗碳体的层片细,薄,因此奥氏体形核数目多,奥氏体晶粒细小。奥氏体再空冷下来时,细小的奥氏体晶粒通过重結晶又转变成铁素体+索氏体,此时的组织就比热轧空冷的45钢组织细,达到细化和均匀组织的目的。(25)马氏体的本质是什么?它的硬度为什么很高?为什么高碳马氏体的脆性很高?答:本质:是碳在中的过饱和固溶体。由于过饱和的间隙碳原子造成晶格的严重畸变,形成强烈的应力场并与位错发生强烈的交互作用产生固溶强化。马氏体转变时在晶体内造成晶格缺陷密度很高的亚结构(板条状马氏体的高密度位错、片状马氏体的微细孪晶)阻碍位错运动,提高了马氏体的硬度。马氏体形成后,碳及合金元素向位错或其他缺陷扩散偏聚出,钉扎位错,使位错难以运动(马氏体时效强化)。因此,马氏体硬度很高。高碳马氏体由于碳的过饱和度大,晶格严重畸变,淬火应力大,同时存在孪晶结构和高密度显微裂纹,所以脆性大,塑性、韧性极差。(26)为什么钢件淬火后一般不直接使用,需要进行回火[1]?答:钢件淬火后,为了消除内应力并获得所要求的组织和性能,必须将其加热到Ac1以下的某一温度,保温一定时间进行回火处理。这是因为:第一,淬火后得到的是性能很脆的马氏体组织,并存在内应力,容易产生变形和开裂;第二:淬火马氏体和残余马氏体都是不稳定组织,在工作中会发生分,会导致零件尺寸的变化,而这对精密零件是不允许的;第三:为了获得要求的强度,硬度,塑形和韧性,以满足零件的使用要求。(27) 直径为6mm的共钢小试样加热到相变点A1以上30℃,用所示的的冷却曲线冷却,是分得到的组织,说明各属于什么热处理方法?(略)答:a:马氏体+残余奥氏体,单介质[2]淬火(水冷)b:马氏体+残余奥氏体,分级淬火c:屈氏体+马氏体+残余奥氏体,单介质淬火(油冷)d:下贝氏体,等温淬火 e:索氏体,正火f:珠光体,退火。 g:珠光体,等温退火(28)调质处理后的40钢齿轮,经高频感应加热温度T如。试分高频感应加热水淬后。轮齿由表面到中心各区()的组织.答:加热到III区的部分,加热温度T低于相变临界点温度Ac1,不发生相变。水冷后40钢齿轮仍保持调质处理后的铁素体基体+粒状渗碳体(回火索氏体)组织,但是由于原调质处理的回火温度中,粒状渗碳体变得粗大。加热到III区的部分组织为:回火索氏体。(29)确定下列钢件的退火方法,并指出退火目的及退火后的组织。1)经冷轧后的15钢钢板,要求降低硬度。2)ZG270-500(ZG35)的铸造齿轮;3)改善T12钢的切削加工性能;答:1)再结晶退火。退火目的:消除加工硬化现象,恢复钢板的韧性和塑性。组织:生成与钢板冷轧前晶格类型相同的相似的细小、等轴晶。冷轧钢板一般为低碳钢,再结晶退火后的组织为铁素体+珠光体。2)完全退火。目的:通过完全重结晶,是铸造过程中生成的粗大、不均匀的组织均匀化、细化,消除魏氏组织,以提高性能,同时消除内应力。组织:铁素体+珠光体。3)球化退火。目的:使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化,以降低硬度,改善切削性能,并为以后的淬火做准备。组织:铁素体基体+球状渗碳体(30)说明直径为6mm的45钢退火试样分别经下列温度加热:700℃,760℃,840℃,1100℃,保温后在水中冷却得到的室温组织。答:1100℃:粗大马氏体840℃:细小的马氏体 760℃:铁素体+马氏体700℃:铁素体+珠光体(31)两个碳质量分数为1.2%的碳钢薄试样,分别加热到780C 和900C,保温相同时间奥氏体化后,以大于淬火临界冷却速度的速度冷却到室温。试分:A. 哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大? B. 哪个温度加热淬火后马氏体中碳质量分数较少? C. 哪个温度加热淬火后残余奥氏体量较多? D. 哪个温度加热淬火后未溶碳化物量较多? E. 你认为哪个温度加热淬火合适 F. ,加热温度高者奥氏体粗大,粗大奥氏体冷却后转变组织也粗大,因此加热到900℃的试祥济火后马氏体晶粒较粗大。 G. 将试样加热到900℃时,其组织为单相奥氏体,奥氏体中的碳质量分数为1.2%。将试样加热到780 ℃时,其组织为奥氏体十渗碳体。由于有渗碳体,即一部分碳存在于渗碳体中,奥氏体中的碳质量分数必然降低(奥氏体中的碳质量分数可用铁碳相确定: 约为.95%).因此加热到780C时的试样淬火后马氏体中碳质量分数较少。 奥氏体中碳质量分数越高,淬火后残余奥氏体量越多,因此加热到900 ℃的试样淬火后残余奥氏体量较多。 将试样加热到900℃时,其组织为单相奥氏体。淬火后组织为马氏体十残余奥氏体将试样加热到780℃时,其组织为奥氏体+ 渗碳体,淬火后组织为马氏体十渗碳体+残余奥氏体。故加热到780C的试样淬火后未溶碳化物量较多。 780C℃加热淬火合适。 (32) 指出下列工件的淬火温度及回火温度,并说出回火后获得的组织。 1)45 钢小轴(要求综合机械性能好);

题目解答

答案

A, 加热温度高者奥氏体粗大，粗大奥氏体冷却后转变组织也粗大，因此加热到 900 ℃的试祥济火后马氏体晶粒较粗大。 B 将试样加热到 900 ℃时，其组织为单相奥氏体，奥氏体中的碳质量分数为 1.2% 。将试样加热到 780 ℃时，其组织为奥氏体十渗碳体。由于有渗碳体，即一部分碳存在于渗碳体中，奥氏体中的碳质量分数必然降低 ( 奥氏体中的碳质量分数可用铁碳相确定 : 约为 .95%). 因此加热到 780C 时的试样淬火后马氏体中碳质量分数较少。 C 奥氏体中碳质量分数越高，淬火后残余奥氏体量越多，因此加热到 900 ℃的试样淬火后残余奥氏体量较多。 D 将试样加热到 900 ℃时，其组织为单相奥氏体。淬火后组织为马氏体十残余奥氏体将试样加热到 780 ℃ 时，其组织为奥氏体 + 渗碳体，淬火后组织为马氏体十渗碳体 + 残余奥氏体。故加热到 780C 的试样淬火后未溶碳化物量较多。 E 780C ℃加热淬火合适。

解析

本题主要涉及金属材料科学基础的多个知识点，包括晶体结构、结晶过程、塑性变形、热处理等内容，具体解析如下：

综合题(1)：晶面与晶向绘制

立方晶胞中：

  • (110)晶面：截距为$a, a, \infty$，即沿$x,y$轴各取1个单位，$z$轴平行，连接对应点形成的面。
  • (120)晶面：截距为$a, a/2, \infty$，沿$x$轴1个单位、$y$轴1/2单位，$z$轴平行，连接形成的面。
  • [211]晶向：从原点沿$x+y+z$方向，向量为$(2,1,1)$的方向。
  • [120]晶向：沿$x+y$平面，向量为$(1,2,0)$的方向。

综合题(2)：晶体结构类型

  • 体心立方(BCC)：α-Fe、V（晶格常数$a$，原子半径$r=\frac{\sqrt{3}}{4}a\approx0.433a$，致密系数$\approx0.68$）。
  • 面心立方(FCC)：Al、Cu、Ni（原子半径$r=\frac{\sqrt{2}}{4}a\approx0.353a$，致密系数$\approx0.74$）。
  • 密排六方(HEC)：Mg、Zn（轴比$c/a\approx1.633$，致密系数$\approx0.74$）。
  • α-Fe原子半径：$r=\frac{\sqrt{3}}{4}a$（代入$a=1.24\,\text{m}$，得$r\approx0.433\times1.24\approx0.537\,\text{m}$）。
  • 铜的晶格常数：Cu为FCC，$r=\frac{d}{2}=\frac{\sqrt{2}}{4}a\Rightarrow a=\frac{2d}{\sqrt{2}}=\sqrt{2}d\approx1.414\times2.55\approx3.60\,\text{m}$。

习题(1)：结晶基本过程

结晶依靠形核和晶核长大两个过程。

习题(2)：变质处理作用

变质剂通过增加晶核数量或阻碍晶粒长大细化晶粒。

习题(11)：碳钢选材

  • 手锯锯条：T10（高碳工具钢，硬度高）。
  • 普通螺钉：Q195/Q215（低碳钢，塑性好）。
  • 车床主轴：45钢（中碳钢，综合力学性能好）。

习题(14)：塑性变形组织性能变化

  • 组织：晶粒拉长/纤维化、亚晶粒形成、择优取向。
  • 性能：强度硬度升高（加工硬化），塑性韧性下降。

习题(16)：冷冲压零件硬度差异

不同部位变形量不同，加工硬化程度不同导致硬度差异。

习题(17)：再结晶温度与加工类型

  • 钨：$T_{\text{熔}}=3653\,\text{K}$，$T_{\text{再}}=1279\sim1461\,\text{K}$（$1006\sim1188^\circ\text{C}$），900℃为冷加工。
  • 铅：$T_{\text{熔}}=600\,\text{K}$，$T_{\text{再}}=210\sim240\,\text{K}$（$-63\sim-33^\circ\text{C}$），室温为热加工。

习题(19)：喷丸强化原因

表层塑性变形加工硬化+残余压应力，提高疲劳强度。

习题(21)：45钢重新加热细化组织

奥氏体在索氏体界面形核，晶粒细小，冷却后转变为细索氏体，组织细化。

习题(25)：马氏体本质与性能

  • 本质：碳在α-Fe中的过饱和固溶体。
  • 高硬度原因：晶格畸变（固溶强化）、高密度亚结构（位错/孪晶）、时效强化。
  • 高碳马氏体脆性：碳过饱和畸变、淬火应力、孪晶+显微裂纹。

习题(26)：淬火后回火原因

消除内应力、稳定组织、调整性能（韧性/硬度平衡）。

习题(29)：退火方法与目的

  1. 15钢冷轧板：再结晶退火（消除加工硬化，恢复塑性），组织：铁素体+珠光体。
  2. ZG35铸造齿轮：完全退火（细化晶粒，均匀组织），组织：铁素体+珠光体。
  3. T12钢：球化退火（球状渗碳体，降低硬度），组织：铁素体+球状渗碳体。

习题(31)：1.2%碳钢淬火对比

  • A. 马氏体晶粒：900℃（奥氏体粗大，马氏体粗大）。
  • B. 马氏体碳含量：780℃（未溶渗碳体多，奥氏体碳含量低）。
  • C. 残余奥氏体：900℃（奥氏体碳含量高，残余奥氏体多）。
  • D. 未溶碳化物：780℃（未完全奥氏体化，渗碳体残留）。
  • E. 合适温度：780℃（组织均匀，性能较好）。

习题(32)：45钢小轴热处理

  • 淬火温度：$840\sim860^\circ\text{C}$（Ac3以上，完全奥氏体化）。
  • 回火温度：$500\sim600^\circ\text{C}$（调质处理，获得回火索氏体）。
  • 组织：铁素体+粒状渗碳体（回火索氏体），综合力学性能好。