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第一章 金属材料导论
1. 名词解释
（1）应力；物体由外因影响而变形时，物体内各部分产生相互作用的内力，以消除这种影响并试图恢复之前形状。
（2）应变；物体受外界影响发生的变形
（3）同素异晶转变；在固态下原子重新排列的过程
（4）正火；将钢加热到Ac3以上30~50℃（过共析钢），豹纹后在空气中冷却的热处理工艺。
（5）回火；将淬火的钢重新加热到Ac1一下某温度，保温后冷却到室温的热处理工艺。
（6）晶格；将原子抽象成一点，把相邻源自中心用假想的直线连接起来形成的单元。
(7) 过冷度；理论结晶温度与实际结晶温度之差。
(8) 同素异晶转变；随着温度的改变，固态金属的净哥也随之改变的现象。
(9) 固溶强化：形成固溶体时，肉on共计净哥将产生不同程度的畸变，这种畸变使塑性变形阻力增加，表现为固溶体的强度、硬度有所增加，这种现象称为固溶强化。
2. 填空题
(1) HT200牌号中的HT表示_____灰铸铁____，200为____抗拉强度200兆帕_____。
(3) QT700—2牌号中的QT表示____球墨铸铁_____，700表示__抗拉强度700兆帕___，2表示____延伸率为2%_____，该铸铁组织应是____球状石墨_____。
(4) 球墨铸铁的生产过程是首先熔化铁水，其成分特点是___C、Si含量高，Mn含量较低______；然后在浇注以前进行____球化_____和____孕育_____处理，才能获得球墨铸铁。
(5) 影响石墨化的因素主要有____化学成分_____和______冷却速度___。
(6) 与白口铸铁相比，灰铸铁的化学成分特点是_____C、Si含量较高____，__S、P含量较低___。
(7) 普通灰铸铁的减震性比球墨铸铁_____强____，因此常用其制造____底座___件。
(8) 在铁--渗碳体相图中，有四条重要的特征线，合金冷却通过下列特征线时：通过ECF水平线，发生___共晶______反应，C点称为_____共晶点_____，生成___共晶铁____,其含碳量为_____4.3%______；通过PSK水平线，发生____共析_____反应，S点称为____共析点_______，生成_______共析钢_______，其含碳量为____0.77%_____；ES线又称为______Acm线_____，它是_______由于温度降低______________，奥氏体冷却到此线时，开始析出_______二次渗碳体_________；GS线又称为_____A3线_______，奥氏体冷却到此线时，开始析出___铁素体________。
(9) 铁素体是碳溶解在___α-Fe___中的____固溶体__，奥氏体是碳溶解在_γ-Fe__中的____固溶体____，马氏体是碳溶解在_____α-Fe_____中的__过饱和固溶体___。
(10) 钢的整体热处理工艺主要有_____淬火_____、____回火____、____退火__和__正火__。3. 单项选择题
(1) 白口铸铁与灰铸铁在组织上的主要区别是( D )。
A. 无珠光体 B. 无渗碳体 C. 无铁素体 D. 无石墨
(2) 可锻铸铁通常用于制造较高强度或较高塑性的( B )。
A. 薄壁铸件 B. 薄壁锻件 C. 厚壁铸件 D. 任何零件
(3) 为了获得最佳力学性能，铸铁组织中的石墨应呈( D )。
A. 粗片状 B. 细片状 C. 团絮状 D. 球状
(4) 对铸铁石墨化，硫起( B )作用。
A. 促进 B. 阻碍 C. 无明显作用 D. 间接促进
(5) 对铸铁石墨化，硅起( B )作用。
A. 促进 B. 强烈促进 C. 阻止 D. 无明显作用
(6) 孕育铸铁(变质铸铁)的组织为( C )。
A. 莱氏体+细片状石墨 B. 珠光体+细片状石墨
C. 珠光体+铁素体+粗石墨 D. 铁素体+细片状石墨
(7) 在机械制造中应用最广泛、成本最低的铸铁是( B )。
A. 白口铸铁 B. 灰铸铁 C. 可锻铸铁 D. 球墨铸铁
(8) 亚共晶铸铁结晶过程，在共析转变前按铁―石墨相图进行，在共析转变及其以后按铁-渗碳体相图进行，其组织是( B )。
A. 铁素体+石墨 B. 铁素体+珠光体+石墨
C. 珠光体+石墨 D. 珠光体+渗碳体+石墨
(9) 钢的淬透性主要决定于[ B ]。
A、合金元素含碳量 B、含碳量 C、淬火介质 D、工件大小
(10) 热处理时，一般都要使金属常温组织经加热变成[ C ]组织。
A、珠光体 B、渗碳体 C、奥氏体 D、莱氏体
(11) 金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力叫( B )
A.硬度 B.强度 C.塑性 D.弹性
(12) 正火是将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后以什么形式冷却的一种热处理工艺( B )。
A.随炉冷却 B.在空气中冷却 C.在油中冷却 D.在水中冷却
(13) 在铁碳合金状态图中，奥氏体冷却到ES线时开始析出[ C ]。
A、铁素体 B、珠光体 C、二次渗碳体 D、莱氏体
(14) 热处理时，一般都要使金属常温组织经加热变为( C )组织。
A. 珠光体 B．渗碳体 C. 奥氏体 D．莱氏体
(15) 钢的淬硬性主要决定于( A )。
A. 合金元素含量 B．淬火介质 C．工件大小 D．含碳量
4. 判断题（对画（√），错画（х），全画“√”或全画“х”不得分）
(1) 同一牌号的普通灰铸铁铸件，薄壁和厚壁处的抗拉强度值是相等的。( ✘ )
(2) 可锻铸铁由于具有较好的塑性，故可以进行锻造。( ✘ )
(3) 孕育铸铁(变质铸铁)中碳、硅含量较普通灰铸铁高。( ✔ )
(4) 高强度灰铸铁变质(孕育)处理的目的仅仅是为了细化晶粒。( ✘ )
(5) 与HT100相比，HT200组织中的石墨数量较多，珠光体的数量也较多。( ✔ )
(6) HT150制机床床身，壁厚不论多厚，抗拉强度不低于150MPa。( ✘ )
(7) 铸铁中的石墨是简单六方晶格，其强度、塑性和韧性极低，几乎都为零。( ✘ )
(8) 铸铁中的石墨为片状时，在石墨片的尖端处导致应力集中，从而使铸铁韧性几乎为零。( ✔ )
(9) 正火与退火比较，由于冷却速度较快，因而具有生产周期短，节约能源，成本低等优点；当采用正火和退火均可以满足要求时，应该优先选用正火。( ✔ )
5. 问答题
(1) 什么是材料的力学性能，力学性能主要包括哪些指标?
力学性能又叫机械性能，是材料在里的作用下所表现出的的性能。指标有强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度。
(2) 什么是强度？什么是塑性？衡量这两种性能的指标有哪些？各用什么符号表示?
强度是材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力，以屈服点（σs）和抗拉强度（σb）为常用指标。
塑性是材料在力的作用下，产生不可逆永久变形的能力，以伸长率（δ）和断面收缩率（ψ）为常用指标。
(3) 什么是硬度，HBS、HBW、HRA、HRB、HRC各代表用什么方法测出的硬度?各种硬度测试方法的特点有何不同？
材料表面抵抗局部变形的能力称为硬度
HBS：以淬火钢球为压头，在载荷的静压力下将压头压入被测材料的表面停留数秒后卸去载荷然后测出压痕直径d，并依据该值从表格中查取相应的值。
HBW：以硬质合金球为压头，在载荷的静压力下将压头压入被测材料的表面停留数秒后卸去载荷然后测出压痕直径d，并依据该值从表格中查取相应的值。
HRA：将120º金刚石圆锥体压头垂直于被测材料表面施以100N的初始压力，使压头与试样紧密接触，然后向压头施加490.3N（50kgf）的主载荷，以残余压痕深度计算硬度值。
HRB:将φ1.5875mm淬火钢球压头垂直于被测材料表面施以100N的初始压力，使压头与试样紧密接触，然后向压头施加882.6N（90kgf）的主载荷，以残余压痕深度计算硬度值。
HRC：将120º金刚石圆锥体压头垂直于被测材料表面施以100N的初始压力，使压头与试样紧密接触，然后向压头施加1373N（140kgf）的主载荷，以残余压痕深度计算硬度值。
布氏硬度法测试值较稳定，准确度较洛氏硬度法高，但压痕较大，不适用于成品检验。洛氏硬度法简便迅速、压痕小，不损伤零件，可用于成品检验，但测试值重复性较差，需在不同部位测量数次。
(4) 什么是冲击韧度？
材料抵抗冲击载荷的能力
(5) 什么是疲劳现象？什么是疲劳强度？
承受循环应力的零件在工作一段时间后突然发生断裂，应力往往低于材料的屈服点，称为疲劳现象。
疲劳强度是材料在无数次循环应力的作用下不断裂的最大应力。
(6) 简述固溶体、金属化合物在晶体结构与力学性能方面的特点？
固溶体是碳融入铁的晶格中的间隙固溶体，溶剂晶格发生畸变，使塑性变形阻力增加。固溶体强度硬度较低，塑性。韧性好。
金属化合物是各组元素按一定整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，具有复杂的晶格。金属化合物一般硬而脆。
(7) 说明珠光体和莱氏体在含碳量、相结构及其相对量、显微组织和性能上有何不同。
珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，含碳量为0.77%，显微镜下成片状，其抗拉强度高，。硬度较高，仍有一定的塑性和韧性。
莱氏体含碳量为4.3%，分为高温莱氏体和低温莱氏体，高温莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，而奥氏体属于高温组织，所以高温莱氏体仅存在于727oC以上，低于727oC时为低温莱氏体，由珠光体和渗碳体组成，显微结构中渗碳体较多，极为硬而脆。
(8) 说明下列各渗碳体的生成条件：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。
一次渗碳体：在铁-碳合金平衡结晶过程中，具有过共晶成分的合金的液相合金冷却到液相线以下时析出的渗碳体称为初生渗碳体。
二次渗碳体 ：在铁-碳合金平衡结晶过程中，具有共析成分（含碳量）以上的合金在缓冷到一定程度时，奥氏体中的含碳量达到饱和，继续降温就会沿奥氏体晶界析出渗碳体，在显微组织上呈网状分布。这种由奥氏体中析出的渗碳体叫二次渗碳体。
三次渗碳体：工业纯铁在平衡冷却至碳在铁中的固溶线以下时，碳在铁素体中的溶解度达到饱和，温度再下降，将从铁素体中析出三次渗碳体。三次渗碳体是从铁素体晶界上析出，由于数量很少，一般沿铁素体晶界呈断续片状分布。
共晶渗碳体 ：在莱氏体组织中，点条状奥氏体均匀分布在渗碳体基体上，这种渗碳体称为共晶渗碳体。
共析渗碳体 ：珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。
(9) 铁碳合金相图在生产实践中有何指导意义？
从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。
(10) 金属晶粒粗细对其力学性能有什么影响？
一般来说，同一成分的金属，其晶粒越细，强度、硬度越高，塑性和韧性越好。
(11) 说明下列牌号属于何种铸铁，并指出其主要用途及常用热处理方法。
HT150、HT350、KTH300—06、KTZ45—06、QT400—15、QT600—3。
HT150，灰铸铁，抗拉强度150MPa，主要作为承受中等负荷的铸件
HT350，灰铸铁，抗拉强度350MPa，主要用作承受高负荷、耐磨和高气密性的重要铸件。
KTZ45-06,黑心可锻铸铁，用于承受冲击、振动及扭转负荷的零件。石墨化退火是主要热处理方法。
QT400-15，球墨铸铁，用作承受冲击、振动的零件。球化退火
QT600-3,球墨铸铁，用作负荷大、受力复杂的零件。球化退火和回火
(12) 颈缩现象发生在拉伸图上哪一点? 如果没发生颈缩,是否表明该试样没有塑性变形? σ0.2 的意义?能在拉伸图上画出吗?
颈缩发生在b点
不能
是该材料的屈服点
能
(13) 布氏和洛氏硬度法各有什么优缺点？下列情况应采用哪种硬度法来检查其硬度？
库存钢材 硬质合金刀头 锻件 台虎钳钳口
布氏硬度法测试值较稳定，准确度较洛氏硬度法高，但压痕较大，不适用于成品检验。洛氏硬度法简便迅速、压痕小，不损伤零件，可用于成品检验，但测试值重复性较差，需在不同部位测量数次。
布氏硬度
洛氏硬度
布氏硬度
洛氏硬度
(14) 指出铁素体、奥氏体、渗碳体在晶体结构、含碳量和性能上有何不同。
铁素体呈体心立方体晶格，含碳量极少，最高为0.0218%，硬度强度低、塑性韧性好。
奥氏体呈多边形晶粒，含碳量最大为2.11%（1148oC),硬度强度不高、塑性优良。
渗碳体具有复杂的晶格、组织可成片状、球状、网状等不同形状，含碳量6.69%。硬度极高，可以刻划玻璃，塑性韧性极低。
(15) 将钟表发条拉成一直线,这是弹性变形还是塑性变形?如何判定变形性质?
是弹性变形，，卸去载荷后在短时间内可以恢复到原来的形状。
卸去载荷后能否在短时间内恢复到原来形状。
(16) 简述低温回火、中温回火、高温回火所得到的组织及其性能特点。
回火可以将淬火钢中不稳定的的马氏体重新变成稳定组织
低温回火：降低淬火钢的内应力和脆性，保持高硬度和高耐磨性。
中温回火使钢获得高弹性，保持较高硬度和一定的韧性。
高温回火：使渗碳体成细粒状，不易产生应力集中，可获得强度和韧性都较好的综合机械性能
6.分析题
(1) 为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金，而压力加工合金常选用单相固溶体成分合金？
共晶成分的合金流动性好，利于充型。
单相固溶体成分合金韧性塑性好，便于在压力下成型。
(2) 钢在淬火后为什么要回火？三种类型回火的用途有何不同？汽车发动机缸盖螺钉要采用哪种回火？为什么？
回火会消除淬火钢的内应力，降低钢的脆性。
低温回火：降低淬火钢的内应力和脆性，保持高硬度和高耐磨性。
中温回火使钢获得高弹性，保持较高硬度和一定的韧性。
高温回火：使渗碳体成细粒状，不易产生应力集中，可获得强度和韧性都较好的综合机械性能
汽车发动机缸盖螺钉要采用高温回火
(3) 在普通热处理中，加热后进行保温的作用是什么？感应加热表面淬火是否需要保温？化学热处理的保温有何特点？为什么？
为了保持细小的奥氏体晶粒，使冷却后组织集成其细小晶粒。
不需要保温
采用密闭的渗碳炉，向炉内通以气体渗碳剂，加热到900-950oC，经较长时间保温。
使钢件表面增碳。
(4) 甲、乙两厂生产同一根小轴，材料为45钢，硬度要求HBS220-250，甲采用正火，乙采用调质，均达到了硬度要求，试分析两个厂生产出的小轴组织和性能有何差别？为什么？
甲厂轴晶粒比乙厂轴晶粒粗大，硬度较高，韧性较低，乙厂轴具有更好的综合性能。
正火比退火冷却速度稍快，形成了索氏体组织，强度硬度较高。
调质处理后，渗碳体成细粒状，不易产生应力集中，可获得强度和韧性都较好的综合机械性能。

(5) 分析正火和退火在特点和用途方面有什么不同？
正火可取代部分完全退火，但正火难以消除内应力
正火用于普通结构件的最终热处理。
退火可以消除内应力，并可以在一定条件下生成球化体。
(6) 在普通热处理中，加热后进行保温的作用是什么？感应加热表面淬火是否需要保温？为什么？
为了保持细小的奥氏体晶粒，使冷却后组织集成其细小晶粒。
不需要保温
(7) 为什么单晶体有各向异性，而实际的金属（未经过塑性变形的）通常是各向同性？
单晶体，从微观角度来分析，它是由一个晶粒组成，其晶格位向完全一致，但由于其不同晶面和晶向上的原子排列情况不同，故其在不同方向上的性能不同，
因为它们是由许多晶粒构成的，实质上它们是晶体，也具有一定的熔点。由于晶粒在空间方位上排列是无规则的，所以金属的整体表现出各向同性。
(8) 试画出纯铁的冷却曲线，分析曲线中出现“平台”的原因。
第一个水平台1538oC表示由液态转为固态的结晶阶段。
第二个水平台1394oC时发生了同素异晶转变，由δ-Fe变为γ-Fe。
第三个水平台912oC时，再次发生同素异晶转变，由γ-Fe变为α-Fe。
7.计算题
(1)现有标准圆形长、短试样各一根，原始直径d0=10mm，经拉伸试验测得其伸长率、均为25%，求两试样拉断时的标距长度？这两试样中哪一个塑性较好？为什么？
(2) 测定某种钢的机械性能时，已知试棒的直径是0.01m，其标距长度是直径的5倍，Fs＝38KN，Fb＝77kN，拉断后的标距长度是0.065m，试求此钢的σs、σb、δ及值各是多少？
（1）δ=(L1-L0)/L0=25%
1:L0=50mm L1=62.5mm
2:L0=100mm L1=125mm
因为同一种材料测得的比大一些，所以棒1的小于棒2的所以棒2塑性要好。
（2） σs=38kN/0.005^2π=483831kPa
σb=77kN/0.005^2π=980394kPa
δ=(L1-L0)/L0=(0.065-0.05)/0.05=30%