金屬學(xué)與熱處理總結(jié)前七章

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一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)

重點(diǎn)內(nèi)容：面心立方、體心立方金屬晶體結(jié)構(gòu)的配位數(shù)、致密度、原子半徑，八面體、周邊體間隙個(gè)數(shù)；晶向指數(shù)、晶面指數(shù)的標(biāo)定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。

基本內(nèi)容：密排六方金屬晶體結(jié)構(gòu)的配位數(shù)、致密度、原子半徑，密排面上原子的堆垛順序、晶胞、晶格、金屬鍵的概念。晶體的特征、晶體中的空間點(diǎn)陣。

晶格類(lèi)型體心立方面心立方密排六方晶格類(lèi)型間隙類(lèi)型間隙個(gè)數(shù)原子半徑rA間隙半徑rB晶胞中的原子數(shù)246原子半徑34配位數(shù)81212致密度68%74%74%a24a12afcc(A1)正周邊體正八面體周邊體bcc(A2)扁八面體hcp(A3)周邊體正八面體82a44?2?2?a4123a46?2?3?a4?12a26?3?2?a4?5?3?a46?2a4??2?1a2?晶胞：在晶格中選取一個(gè)能夠完全反映晶格特征的最小的幾何單元，用來(lái)分析原子排列的規(guī)律性，這個(gè)最小的幾何單元稱(chēng)為晶胞。

金屬鍵：失去外層價(jià)電子的正離子與迷漫其間的自由電子的靜電作用而結(jié)合起來(lái)，這種結(jié)合方式稱(chēng)為金屬鍵。

位錯(cuò)：晶體中原子的排列在一定范圍內(nèi)發(fā)生有規(guī)律錯(cuò)動(dòng)的一種特別結(jié)構(gòu)組態(tài)。位錯(cuò)的柏氏矢量具有的一些特性：

①用位錯(cuò)的柏氏矢量可以判斷位錯(cuò)的類(lèi)型；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量與回路起點(diǎn)及回路途徑無(wú)關(guān)；③位錯(cuò)的柏氏矢量個(gè)部分均一致。

刃型位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直；螺型平行；混合型呈任意角度。晶界具有的一些特性：

①晶界的能量較高，具有自發(fā)長(zhǎng)大和使界面平直化，以減少晶界總面積的趨勢(shì)；②原子在晶界上的擴(kuò)散速度高于晶內(nèi)，熔點(diǎn)較低；③相變時(shí)新相優(yōu)先在晶界出形核；④晶界處易于發(fā)生雜質(zhì)或溶質(zhì)原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐蝕和氧化；⑥常溫下晶界可以阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高材料的強(qiáng)度。

二、純金屬的結(jié)晶

重點(diǎn)內(nèi)容：均勻形核時(shí)過(guò)冷度與臨界晶核半徑、臨界形核功之間的關(guān)系；細(xì)化晶粒的方法，鑄錠三晶區(qū)的形成機(jī)制。

基本內(nèi)容：結(jié)晶過(guò)程、阻力、動(dòng)力，過(guò)冷度、變質(zhì)處理的概念。鑄錠的缺陷；結(jié)晶的熱

力學(xué)條件和結(jié)構(gòu)條件，非均勻形核的臨界晶核半徑、臨界形核功。

相起伏：液態(tài)金屬中，時(shí)聚時(shí)散，起伏不定，不斷變化著的近程規(guī)則排列的原子集團(tuán)。過(guò)冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差稱(chēng)為過(guò)冷度。

變質(zhì)處理：在澆鑄前往液態(tài)金屬中參與形核劑，促使形成大量的非均勻晶核，以細(xì)化晶粒的方法。

過(guò)冷度與液態(tài)金屬結(jié)晶的關(guān)系：液態(tài)金屬結(jié)晶的過(guò)程是形核與晶核的長(zhǎng)大過(guò)程。從熱力學(xué)的角度上看，沒(méi)有過(guò)冷度結(jié)晶就沒(méi)有趨動(dòng)力。根據(jù)Rk?1?T可知當(dāng)過(guò)冷度?T為零時(shí)臨界晶核半徑Rk為無(wú)窮大，臨界形核功（?G?1?T2）也為無(wú)窮大。臨界晶核半徑Rk與

臨界形核功為無(wú)窮大時(shí)，無(wú)法形核，所以液態(tài)金屬不能結(jié)晶。晶體的長(zhǎng)大也需要過(guò)冷度，所以液態(tài)金屬結(jié)晶需要過(guò)冷度。

細(xì)化晶粒的方法：增加過(guò)冷度、變質(zhì)處理、振動(dòng)與攪拌。

鑄錠三個(gè)晶區(qū)的形成機(jī)理：表面細(xì)晶區(qū)：當(dāng)高溫液體倒入鑄模后，結(jié)晶先從模壁開(kāi)始，靠近模壁一層的液體產(chǎn)生極大的過(guò)冷，加上模壁可以作為非均質(zhì)形核的基底，因此在此薄層中馬上形成大量的晶核，并同時(shí)向各個(gè)方向生長(zhǎng)，形成表面細(xì)晶區(qū)。柱狀晶區(qū)：在表面細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，鑄模溫度迅速升高，液態(tài)金屬冷卻速度減慢，結(jié)晶前沿過(guò)冷都很小，不能生成新的晶核。垂直模壁方向散熱最快，因而晶體沿相反方向生長(zhǎng)成柱狀晶。中心等軸晶區(qū)：隨著柱狀晶的生長(zhǎng)，中心部位的液體實(shí)際溫度分布區(qū)域平緩，由于溶質(zhì)原子的重新分派，在固液界面前沿出現(xiàn)成分過(guò)冷，成分過(guò)冷區(qū)的擴(kuò)大，促使新的晶核形成長(zhǎng)大形成等軸晶。由于液體的滾動(dòng)使表面層細(xì)晶一部分卷入液體之中或柱狀晶的枝晶被沖刷脫落而進(jìn)入前沿的液體中作為非自發(fā)生核的籽晶。

三、二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶重點(diǎn)內(nèi)容：杠桿定律、相律及應(yīng)用。

基本內(nèi)容：相、勻晶、共晶、包晶相圖的結(jié)晶過(guò)程及不同成分合金在室溫下的顯微組織。合金、成分過(guò)冷；非平衡結(jié)晶及枝晶偏析的基本概念。

相律：f=c–p+1其中，f為自由度數(shù)，c為組元數(shù)，p為相數(shù)。

偽共晶：在不平衡結(jié)晶條件下，成分在共晶點(diǎn)附近的亞共晶或過(guò)共晶合金也可能得到全部共晶組織，這種共晶組織稱(chēng)為偽共晶。

合金：兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬，經(jīng)熔煉或燒結(jié)、或用其它方法組合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。

合金相：在合金中，通過(guò)組成元素（組元）原子間的相互作用，形成具有一致晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，并以明確界面分開(kāi)的成分均一組成部分稱(chēng)為合金相。

四、鐵碳合金

重點(diǎn)內(nèi)容：鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程及室溫下的平衡組織，組織組成物及相組成物的計(jì)算。

基本內(nèi)容：鐵素體與奧氏體、二次滲碳體與共析滲碳體的異同點(diǎn)、三個(gè)恒溫轉(zhuǎn)變。鋼的含碳量對(duì)平衡組織及性能的影響；二次滲碳體、三次滲碳體、共晶滲碳體相對(duì)量的計(jì)算；五種滲碳體的來(lái)源及形態(tài)。

奧氏體與鐵素體的異同點(diǎn)：

一致點(diǎn)：都是鐵與碳形成的間隙固溶體；強(qiáng)度硬度低，塑性韌性高。

不同點(diǎn)：鐵素體為體心結(jié)構(gòu)，奧氏體面心結(jié)構(gòu)；鐵素體最高含碳量為0.0218%，奧氏體最高含碳量為2.11%，鐵素體是由奧氏體直接轉(zhuǎn)變或由奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變得到，奧氏體是由包晶或由液相直接析出的；存在的溫度區(qū)間不同。

二次滲碳體與共析滲碳體的異同點(diǎn)。

一致點(diǎn)：都是滲碳體，成份、結(jié)構(gòu)、性能都一致。

不同點(diǎn)：來(lái)源不同，二次滲碳體由奧氏體中析出，共析滲碳體是共析轉(zhuǎn)變得到的；形態(tài)不同二次滲碳體成網(wǎng)狀，共析滲碳體成片狀；對(duì)性能的影響不同，片狀的加強(qiáng)基體，提高強(qiáng)度，網(wǎng)狀降低強(qiáng)度。

成分、組織與機(jī)械性能之間的關(guān)系：如亞共析鋼。亞共析鋼室溫下的平衡組織為F＋P，F(xiàn)的強(qiáng)度低，塑性、韌性好，與F相比P強(qiáng)度硬度高，而塑性、韌性差。隨含碳量的增加，F(xiàn)量減少，P量增加（組織組成物的相對(duì)量可用杠桿定律計(jì)算）。所以對(duì)于亞共析鋼，隨含碳量的增加，強(qiáng)度硬度升高，而塑性、韌性下降

五、三元合金相圖

重點(diǎn)內(nèi)容：固態(tài)下無(wú)溶解度三元共晶相圖投影圖中不同區(qū)、線的結(jié)晶過(guò)程、室溫組織?；緝?nèi)容：固態(tài)下無(wú)溶解度三元共晶相圖投影圖中任意點(diǎn)的組織并計(jì)算其相對(duì)量。三元合金相圖的成分表示法；直線法則、杠桿定律、重心法則。六、金屬及合金的塑性變形與斷裂

重點(diǎn)內(nèi)容：體心與面心結(jié)構(gòu)的滑移系；金屬塑性變形后的組織與性能。

基本內(nèi)容：固溶體加強(qiáng)機(jī)理與加強(qiáng)規(guī)律、其次相的加強(qiáng)機(jī)理?；魻枴淦骊P(guān)系式；單晶體塑性變形的方式、滑移的本質(zhì)。

塑性變形的方式：以滑移和孿晶為主。

滑移：晶體的一部分沿著一定的晶面和晶向相對(duì)另一部分作相對(duì)的滑動(dòng)。滑移的本質(zhì)是位錯(cuò)的移動(dòng)。

體心結(jié)構(gòu)的滑移系個(gè)數(shù)為12，滑移面：{110}，方向。面心結(jié)構(gòu)的滑移系個(gè)數(shù)為12，滑移面：{111}，方向。

金屬塑性變形后的組織與性能：顯微組織出現(xiàn)纖維組織，雜質(zhì)沿變形方向拉長(zhǎng)為細(xì)帶狀或粉碎成鏈狀，光學(xué)顯微鏡分辯不清晶粒和雜質(zhì)。亞結(jié)構(gòu)細(xì)化，出現(xiàn)形變織構(gòu)。性能：材料的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降；比電阻增加，導(dǎo)電系數(shù)和電阻溫度系數(shù)下降，抗腐蝕能力降低等。

七、金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶

重點(diǎn)內(nèi)容：金屬的熱加工的作用；變形金屬加熱時(shí)顯微組織的變化、性能的變化，儲(chǔ)存能的變化。

基本內(nèi)容：回復(fù)、再結(jié)的概念、變形金屬加熱時(shí)儲(chǔ)存能的變化。再結(jié)晶后的晶粒尺寸；影響再結(jié)晶的主要因素性能的變化規(guī)律。

變形金屬加熱時(shí)顯微組織的變化、性能的變化：隨溫度的升高，金屬的硬度和強(qiáng)度下降，塑性和韌性提高。電阻率不斷下降，密度升高。金屬的抗腐蝕能力提高，內(nèi)應(yīng)力下降。

再結(jié)晶：冷變形后的金屬加熱到一定溫度之后，在原來(lái)的變形組織中重新產(chǎn)生了無(wú)畸變的新晶粒，而性能也發(fā)生了明顯的變化，并恢復(fù)到完全軟化狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為再結(jié)晶。

熱加工的主要作用（或目的）是：①把鋼材加工成所需要的各種形狀，如棒材、板材、線材等；②能明顯的改善鑄錠中的組織缺陷，如氣泡焊合，縮松落實(shí)，使金屬材料的致密度增加；③使粗大的柱狀晶變細(xì)，合金鋼中大塊狀碳化物初晶打碎并使其均勻分布；④減輕或消除成分偏析，均勻化學(xué)成分等。使材料的性能得到明顯的改善。

影響再結(jié)晶的主要因素：①再結(jié)晶退火溫度：退火溫度越高（保溫時(shí)間一定時(shí)），再結(jié)晶后的晶粒越粗大；②冷變形量：一般冷變形量越大，完成再結(jié)晶的溫度越低，變形量達(dá)到一定程度后，完成再結(jié)晶的溫度趨于恒定；③原始晶粒尺寸：原始晶粒越細(xì)，再結(jié)晶晶粒也越細(xì)；④微量溶質(zhì)與雜質(zhì)原子，一般均起細(xì)化晶粒的作用；⑤其次相粒子，粗大的其次相粒子有利于再結(jié)晶，彌散分布的細(xì)小的其次相粒子不利于再結(jié)晶；⑥形變溫度，形變溫度越高，再結(jié)晶溫度越高，晶粒粗化；⑦加熱速度，加熱速度過(guò)快或過(guò)慢，都可能使再結(jié)晶溫度升高。

塑性變形后的金屬隨加熱溫度的升高會(huì)發(fā)生的一些變化：

顯微組織經(jīng)過(guò)回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段由破碎的或纖維組織轉(zhuǎn)變成等軸晶粒，亞晶尺寸增大；儲(chǔ)存能降低，內(nèi)應(yīng)力松弛或被消除；各種結(jié)構(gòu)缺陷減少；強(qiáng)度、硬度降低，塑性、韌度提高；電阻下降，應(yīng)力腐蝕傾向顯著減小。

1．解釋以下名詞金屬的力學(xué)性能，彈性極限，載荷，應(yīng)力，強(qiáng)度，硬度，塑性。

答：金屬的力學(xué)性能：是指金屬在外力作用下所表現(xiàn)出來(lái)的性能。

彈性極限：是指金屬材料在外力作用下，只發(fā)生彈性變形而不發(fā)生塑性變時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。

載荷：是指金屬材料在加工及使用過(guò)程中所受到的各種外力。其符號(hào)用F表示。應(yīng)力：指單位面積上的內(nèi)應(yīng)力。

強(qiáng)度：是指金屬材料抗?fàn)幩苄宰冃位驍嗔训哪芰?，是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)。

硬度：材料抗?fàn)幘植孔冃翁貏e是塑性變性壓痕或劃痕的能力。

塑性：是金屬材料斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。

2、什么是金屬的疲乏？簡(jiǎn)述疲乏斷裂的特點(diǎn)。

答：金屬材料在受到交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時(shí)往往在工作應(yīng)力小于屈服強(qiáng)

度的狀況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲乏。

疲乏斷裂的特點(diǎn)：由于疲乏的應(yīng)力比屈服強(qiáng)度低，所以不管是韌性材料還是脆性材料，在疲乏斷裂前，均沒(méi)有明顯的塑性變形，它是在長(zhǎng)期累積損傷過(guò)程中，經(jīng)裂紋萌生和緩慢擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)突然發(fā)生的。由于斷裂前沒(méi)有明顯的預(yù)兆，故疲乏斷裂危險(xiǎn)性極大。宏觀斷口一般可明顯地分為三個(gè)區(qū)域，即疲乏源，疲乏裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬休止裂區(qū)。疲乏源多在機(jī)件的表面處。

其次章金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1．解釋以下名詞

點(diǎn)缺陷，線缺陷，面缺陷，晶體，晶格，晶胞，單晶體，晶粒，晶界，合金，組亓，相，固溶體，金屬化合物。

答：點(diǎn)缺陷：原子排列不規(guī)則的區(qū)域在空間三個(gè)方向尺寸都很小，主要指空位間

隙原子、置換原子等。

線缺陷：原子排列的不規(guī)則區(qū)域在空間一個(gè)方向上的尺寸很大，而在其余兩個(gè)方向上

的尺寸很小。如位錯(cuò)。

面缺陷：原子排列不規(guī)則的區(qū)域在空間兩個(gè)方向上的尺寸很大，而另一方向

上的尺寸很小。如晶界和亞晶界。

晶體：是指組成物質(zhì)的原子或分子在空間排列是有規(guī)則、有序排列的物體。晶格：把點(diǎn)陣中的結(jié)點(diǎn)假想用一系列平行直線連接起來(lái)構(gòu)成空間格架稱(chēng)為晶格。

晶胞：構(gòu)成晶格的最基本單元。

單晶體：假使一塊晶體，其內(nèi)部的晶格位向完全一致，則稱(chēng)這塊晶體為單晶體。

晶粒：多晶體中的每個(gè)外形不規(guī)則的、呈顆粒狀的小晶體稱(chēng)為晶粒。晶界：晶粒與晶粒之間的分界限稱(chēng)為晶界。

稱(chēng)為先共析滲碳體，所以共析轉(zhuǎn)變終止時(shí)的組織為先共析二次滲碳體和珠光體，忽略Fe3CⅢ。

室溫組織為二次滲碳體和珠光體。

10．指出以下名詞的主要區(qū)別：

1）一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體、共晶滲碳體與共析滲碳體；答：一次滲碳體：由液相中直接析出來(lái)的滲碳體稱(chēng)為一次滲碳體。

二次滲碳體：從A中析出的Fe3C稱(chēng)為二次滲碳體。三次滲碳體：從F中析出的Fe3C稱(chēng)為三次滲碳體Fe3CⅢ。

共晶滲碳體：經(jīng)共晶反應(yīng)生成的滲碳體即萊氏體中的滲碳體稱(chēng)為共晶滲碳

體。

共析滲碳體：經(jīng)共析反應(yīng)生成的滲碳體即珠光體中的滲碳體稱(chēng)為共析滲碳

體。

2）熱脆與冷脆。

答：熱脆：S在鋼中以FeS形成存在，F(xiàn)eS會(huì)與Fe形成低熔點(diǎn)共晶，當(dāng)鋼材在

1000℃~1200℃壓力加工時(shí)，會(huì)沿著這些低熔點(diǎn)共晶體的邊界開(kāi)裂，鋼材將變得極脆，這種脆性現(xiàn)象稱(chēng)為熱脆。

冷脆：P使室溫下的鋼的塑性、韌性急劇降低，并使鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度有所

升高，使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“冷脆〞。

11．根據(jù)Fe-Fe3C相圖，計(jì)算：

1）室溫下，含碳0.6%的鋼中珠光體和鐵素體各占多少；2）室溫下，含碳1.2%的鋼中珠光體和二次滲碳體各占多少；3）鐵碳合金中，二次滲碳體和三次滲碳體的最大百分含量。答：1）Wp=(0.6-0.02)/(0.8-0.02)*100%=74%Wα=1-74%=26%

2）Wp=(2.14-1.2)/(2.14-0.8)*100%=70%WFe3CⅡ=1-70%=30%3）WFe3CⅡ=(2.14-0.8)/(6.69-0.8)*100%=23%WFe3CⅢ=0.02/6.69*100%=33%

12．對(duì)某退火碳素鋼進(jìn)行金相分析，其組織的相組成物為鐵素體+滲碳體（粒狀），其中滲碳體占18%，問(wèn)此碳鋼的含碳量大約是多少？

答：WFe3CⅡ=18%=(WC-0.02)/(6.69-0.02)*100%WC=1.22%

13．對(duì)某退火碳素鋼進(jìn)行金相分析，其組織為珠光體+滲碳體（網(wǎng)狀），其中珠光體占93%，問(wèn)此碳鋼的含碳量大約為多少？

答：Wp=93%=(2.14-WC)/(2.14-0.8)*100%=70%WC=0.89%14．根據(jù)Fe-Fe3C相圖，說(shuō)明產(chǎn)生以下現(xiàn)象的原因：1）含碳量為1.0%的鋼比含碳量為0.5%的鋼硬度高；

答：鋼中隨著含碳量的增加，滲碳體的含量增加，滲碳體是硬脆相，因此含碳量

為1.0%的鋼比含碳量為0.5%的鋼硬度高。

2）在室溫下，含碳0.8%的鋼其強(qiáng)度比含碳1.2%的鋼高；

答：由于在鋼中當(dāng)含碳量超過(guò)1.0%時(shí)，所析出的二次滲碳體在晶界形成連續(xù)的

網(wǎng)絡(luò)狀，使鋼的脆性增加，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。因此含碳0.8%的鋼其強(qiáng)度比含碳1.2%的鋼高。

3）在1100℃，含碳0.4%的鋼能進(jìn)行鍛造，含碳4.0%的生鐵不能鍛造；答：在1100℃時(shí)，含碳0.4%的鋼的組織為奧氏體，奧氏體的塑性很好，因此

適合于鍛造；含碳4.0%的生鐵的組織中含有大量的滲碳體，滲碳體的硬度很高，不適合于鍛造。

4）綁軋物件一般用鐵絲（鍍鋅低碳鋼絲），而起重機(jī)吊重物卻用鋼絲繩（用60、65、70、75等鋼制成）；

答：綁軋物件的性能要求有很好的韌性，因此選用低碳鋼有很好的塑韌性，鍍鋅

低碳鋼絲；而起重機(jī)吊重物用鋼絲繩除要求有一定的強(qiáng)度，還要有很高的彈性極限，而60、65、70、75鋼有高的強(qiáng)度和高的彈性極限。這樣在吊重物時(shí)不會(huì)斷裂。

5）鉗工鋸T8，T10,T12等鋼料時(shí)比鋸10,20鋼吃力，鋸條簡(jiǎn)單磨鈍；答：T8，T10,T12屬于碳素工具鋼，含碳量為0.8%，1.0%，1.2%，因而鋼中滲

碳體含量高，鋼的硬度較高；而10,20鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，屬于低碳鋼，鋼的硬度較低，因此鉗工鋸T8，T10,T12等鋼料時(shí)比鋸10,20鋼吃力，鋸條簡(jiǎn)單磨鈍。

6）鋼適合于通過(guò)壓力加工成形，而鑄鐵適合于通過(guò)鑄造成形。

答：由于鋼的含碳量范圍在0.02%~2.14%之間，滲碳體含量較少，鐵素體含量較

多，而鐵素體有較好的塑韌性，因而鋼適合于壓力加工；而鑄鐵組織中含有大量以滲碳體為基體的萊氏體，滲碳體是硬脆相，因而鑄鐵適合于通過(guò)鑄造成形。

15.鋼中常存雜質(zhì)有哪些？對(duì)鋼的性能有何影響？答：鋼中常存雜質(zhì)有Si、Mn、S、P等。

Mn：大部分溶于鐵素體中，形成置換固溶體，并使鐵素體加強(qiáng)：另一部分

Mn溶于Fe3C中，形成合金滲碳體，這都使鋼的強(qiáng)度提高，Mn與S化合成MnS，能減輕S的有害作用。當(dāng)Mn含量不多，在碳鋼中僅作為少量雜質(zhì)存在時(shí)，它對(duì)鋼的性能影響并不明顯。

Si：Si與Mn一樣能溶于鐵素體中，使鐵素體加強(qiáng)，從而使鋼的強(qiáng)度、硬度、

彈性提高，而塑性、韌性降低。當(dāng)Si含量不多，在碳鋼中僅作為少量夾雜存在時(shí)，它對(duì)鋼的性能影響并不顯著。

S：硫不溶于鐵，而以FeS形成存在，F(xiàn)eS會(huì)與Fe形成共晶，并分布于奧氏

體的晶界上，當(dāng)鋼材在1000℃~1200℃壓力加工時(shí)，由于FeS-Fe共晶（熔點(diǎn)只有989℃）已經(jīng)熔化，并使晶粒脫開(kāi)，鋼材將變得極脆。

P：磷在鋼中全部溶于鐵素體中，雖可使鐵素體的強(qiáng)度、硬度有所提高，但

卻使室溫下的鋼的塑性、韌性急劇降低，并使鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度有所升高，使鋼變脆。

16.試述碳鋼的分類(lèi)及牌號(hào)的表示方法。答：分類(lèi)：1）按含碳量分類(lèi)

低碳鋼：含碳量小于或等于0.25%的鋼，0.01~0.25%C≤0.25%C中碳鋼：含碳量為0.30~0.55%的鋼0.25~0.6%C

高碳鋼：含碳量大于0.6%的鋼0.6~1.3%C＞0.6%C（2）按質(zhì)量分類(lèi)：即含有雜質(zhì)元素S、P的多少分類(lèi)：普通碳素鋼：S≤0.055%P≤0.045%優(yōu)質(zhì)碳素鋼：S、P≤0.035~0.040%

高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼：S≤0.02~0.03%；P≤0.03~0.035%（3）按用途分類(lèi)

碳素結(jié)構(gòu)鋼：用于制造各種工程構(gòu)件，如橋梁、船舶、建筑構(gòu)件等，及機(jī)

器零件，如齒輪、軸、連桿、螺釘、螺母等。

碳素工具鋼：用于制造各種刀具、量具、模具等，一般為高碳鋼，在質(zhì)量

上都是優(yōu)質(zhì)鋼或高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。

牌號(hào)的表示方法：（1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：

用Q+數(shù)字表示，“Q〞為屈服點(diǎn)，“屈〞漢語(yǔ)拼音，數(shù)字表示屈服點(diǎn)數(shù)值。若牌號(hào)后面標(biāo)注字母A、B、C、D，則表示鋼材質(zhì)量等級(jí)不同，A、B、C、D質(zhì)量依次提高，“F〞表示沸騰鋼，“b〞為半鎮(zhèn)靜鋼，不標(biāo)“F〞和“b〞的為鎮(zhèn)靜鋼。

（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：

牌號(hào)是采用兩位數(shù)字表示的，表示鋼中平均含碳量的萬(wàn)分之幾。若鋼中含錳量較高，須將錳元素標(biāo)出，（3）碳素工具鋼：

這類(lèi)鋼的牌號(hào)是用“碳〞或“T〞字后附數(shù)字表示。數(shù)字表示鋼中平均含碳量的千分之幾。若為高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在鋼號(hào)最終附以“A〞字。17.低碳鋼、中碳鋼及高碳鋼是如何根據(jù)含碳量劃分的？分別舉例說(shuō)明他們的用途？

答：低碳鋼：含碳量小于或等于0.25%的鋼；08、10、鋼，塑性、韌性好，具有

優(yōu)良的冷成型性能和焊接性能，常冷軋成薄板，用于制作儀表外殼、汽車(chē)和拖拉機(jī)上的冷沖壓件，如汽車(chē)車(chē)身，拖拉機(jī)駕駛室等；15、20、25鋼用于制作尺寸較小、負(fù)荷較輕、表面要求耐磨、心部強(qiáng)度要求不高的滲碳零件，如活塞鋼、樣板等。

中碳鋼：含碳量為0.30~0.55%的鋼；30、35、40、45、50鋼經(jīng)熱處理（淬

火+高溫回火）后具有良好的綜合機(jī)械性能，即具有較高的強(qiáng)度和較高的塑性、韌性，用于制作軸類(lèi)零件；

高碳鋼：含碳量大于0.6%的鋼；60、65鋼熱處理（淬火+高溫回火）后具

有高的彈性極限，常用作彈簧。T7、T8、用于制造要求較高韌性、承受沖擊負(fù)荷的工具，如小型沖頭、鑿子、錘子等。T9、T10、T11、用于制造要求中韌性的工具，如鉆頭、絲錐、車(chē)刀、沖模、拉絲模、鋸條。T12、T13、鋼具有高硬度、高耐磨性，但韌性低，用于制造

不受沖擊的工具如量規(guī)、塞規(guī)、樣板、銼刀、刮刀、精車(chē)刀等。

18．以下零件或工具用何種碳鋼制造：手鋸鋸條、普通螺釘、車(chē)床主軸。答：手鋸鋸條：它要求有較高的硬度和耐磨性，因此用碳素工具鋼制造，如T9、

T9A、T10、T10A、T11、T11A。

普通螺釘：它要保證有一定的機(jī)械性能，用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼制造，如Q195、

Q215、Q235。

車(chē)床主軸：它要求有較高的綜合機(jī)械性能，用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如30、35、

40、45、50。

19.指出以下各種鋼的類(lèi)別、符號(hào)、數(shù)字的含義、主要特點(diǎn)及用途：

Q235-AF、Q235-C、Q195-B、Q255-D、40、45、08、20、20R、20G、T8、T10A、T12A

答：Q235-AF：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，屈服強(qiáng)度為235MPa的A級(jí)沸騰鋼。

Q235-C:屈服強(qiáng)度為235MPa的C級(jí)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，Q195-B:屈服強(qiáng)度為195MPa的B級(jí)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，Q255-D:屈服強(qiáng)度為255MPa的D級(jí)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，

Q195、Q235含碳量低，有一定強(qiáng)度，常扎制成薄板、鋼筋、焊接鋼管等，用于橋梁、建筑等鋼結(jié)構(gòu)，也可制造普通的鉚釘、螺釘、螺母、墊圈、地腳螺栓、軸套、銷(xiāo)軸等等，Q255鋼強(qiáng)度較高，塑性、韌性較好，可進(jìn)行焊接。尋常扎制成型鋼、條鋼和鋼板作結(jié)構(gòu)件以及制造連桿、鍵、銷(xiāo)、簡(jiǎn)單機(jī)械上的齒輪、軸節(jié)等。

40:含碳量為0.4%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。45含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

40、45鋼經(jīng)熱處理（淬火+高溫回火）后具有良好的綜合機(jī)械性能，即具有較高的強(qiáng)度和較高的塑性、韌性，用于制作軸類(lèi)零件。

08：含碳量為0.08%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。塑性、韌性好，具有優(yōu)良的冷成型

性能和焊接性能，常冷軋成薄板，用于制作儀表外殼、汽車(chē)和拖拉機(jī)上的冷沖壓件，如汽車(chē)車(chē)身，拖拉機(jī)駕駛室等。

20：含碳量為0.2%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。用于制作尺寸較小、負(fù)荷較輕、表

為ΔGk=V/2△Gv

證明：由均勻形核體系自由能的變化

（1）

可知，形成半徑為rk的球狀臨界晶粒，自由度變化為

（2）

對(duì)（2）進(jìn)行微分處理，有

(3)

將（3）帶入（1），有

（4）

由于

，即3V=rkS（5）

將（5）帶入（4）中，則有

2.假使臨界晶核是邊長(zhǎng)為a的正方形，試求其△Gk和a的關(guān)系。為什么形成立方晶核的△Gk比球形晶核要大？

3.為什么金屬結(jié)晶時(shí)一定要有過(guò)冷度，影響過(guò)冷度的因素是什么，固態(tài)金屬溶化時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱，為什么？

答：由熱力學(xué)可知，在某種條件下，結(jié)晶能否發(fā)生，取決于固相的自由度是否低于液相的自由度，即?G=GS-GL純金屬凝固時(shí)，要獲得樹(shù)枝狀晶體，必需在負(fù)的溫度梯度下；在正的溫度梯度下，只能以平面狀長(zhǎng)大。而固溶體實(shí)際凝固時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生成分過(guò)冷，當(dāng)成分過(guò)冷區(qū)足夠大時(shí)，固溶體就會(huì)以樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。2.何謂合金平衡相圖，相圖能給出任一條件下的合金顯微組織嗎？

合金平衡相圖是研究合金的工具，是研究合金中成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。其中二元合金相圖表示二元合金相圖表示在平衡狀態(tài)下，合金的組成相或組織狀態(tài)與溫度、成分、壓力之間關(guān)系的簡(jiǎn)明圖解。平衡狀態(tài)：合金的成分、質(zhì)量份數(shù)不再隨時(shí)間而變化的一種狀態(tài)。合金的極緩慢冷卻可近似認(rèn)為是平衡狀態(tài)。

三元合金相圖是指獨(dú)立組分?jǐn)?shù)為3的體系，該體系最多可能有四個(gè)自由度，即溫度、壓力和兩個(gè)濃度項(xiàng)，用三維空間的立體模型已不足以表示這種相圖。若維持壓力不變，則自由度最多等于3，其相圖可用立體模型表示。若壓力、溫度同時(shí)固定，則自由度最多為2，可用平面圖來(lái)表示。尋常在平面圖上用等邊三角形(有時(shí)也有用直角坐標(biāo)表示的)來(lái)表示各組分的濃度。

不能，相圖只能給出合金在平衡條件下存在的合金顯微組織4.何謂成分過(guò)冷？成分過(guò)冷對(duì)固溶體結(jié)晶時(shí)晶體長(zhǎng)大方式和鑄錠組織有何影響？

在固溶體合金凝固時(shí)，在正的溫度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所區(qū)別，導(dǎo)致固液界面前沿的熔體的溫度低于實(shí)際液相線溫度，從而產(chǎn)生的過(guò)冷稱(chēng)為成分過(guò)冷。

這種過(guò)冷完全是由于界面前沿液相中的成分區(qū)別所引起的。溫度梯度增大，成分過(guò)冷減小。成分過(guò)冷必需具備兩個(gè)條件：第一是固~液界面前沿溶質(zhì)的富集而引起成分再分派；其次是固~液界面前方液相的實(shí)際溫度分布，或溫度分布梯度必需達(dá)到一定的值。對(duì)合金而言，其凝固過(guò)程同時(shí)伴隨著溶質(zhì)再分派，液體的成分始終處于變化當(dāng)中，液體中的溶質(zhì)成分的重新分派改變了相應(yīng)的固液平衡溫度，這種關(guān)系有合金的平衡相圖所規(guī)定。利用“成分過(guò)冷〞判斷合金微觀的生長(zhǎng)過(guò)程。

第四章習(xí)題

1.分析分析ωc=0.2%,wc=0.6%,wc=1.2%的鐵碳合金從液態(tài)平衡冷卻到室溫的轉(zhuǎn)變過(guò)程。

ωc=0.2%:LL+δδ→γ(1495度)γ+Lγα+γγ→α(727度)α+Fe3C;(γ=A,α=F;下同)

ωc=0.6%:Lγ+Lγα+γ