第1章 机械工程材料 作业
1．常见的金属晶格类型有哪些？说明其特征。 答：常见的金属晶格类型有三种：
（1）体心立方晶格。它的晶胞是一个立方体，在立方晶胞的八个顶点和中心各有一个原子。
（2）面心立方晶格。它的晶胞是一个立方体，在立方晶胞的八个顶点和六个面的中心各有一个原子。
（3）密排六方晶格。它的晶胞是六棱柱体，在棱柱体的十二个棱角上，上下两个面的中心各有一个原子。
2．何谓过冷度？它与冷却速度有何关系？它对铸件晶粒大小有何影响？比较普通铸铁件表层和心部晶粒的大小。
答：在极其缓慢的冷却条件下测得的结晶温度称为理论结晶温度T0，在实际冷却条件下测得的洁净温度称为实际洁净温度T1，T1 总是低于T0，T0 与T1之差称为过冷度。金属液体的冷却速度越大，T1就越低，△T也就越大。
增加过冷度能使晶核形成速度大于长大速度,使晶核数量相对增多,可起到细化晶粒的目的.
普通铸铁件表层结晶温度低,心部结晶温度高,所以表层的晶粒小于心部的晶粒.
3． 何谓金属的同素异构转变？试写出纯铁的同素异构转变过程。
答：一些金属在固态下的晶体结构随温度发生变化的现象称为同素异构转变。纯铁的同素异构转变如下：
L???Fe体心立方晶格C?1394???0??Fe面心立方晶格C?912???0??Fe密排六方晶格
4．试述固溶强化和细化强化的原理。
答：固熔强化：在一种固熔体的晶格中熔入了另一种元素的原子，必然会造成晶格的畸变，晶格畸变必然导致合金的强度、硬度升高。这种溶质原子使固溶体的强度和硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化是强化金属材料的重要途径之一。
细化强化：由于多晶粒是由许多不同的晶核长成的晶粒所组成的，因此晶粒的大小会对金属力学性能产生很大的影响。一般情况下，金属晶粒越细，金属的强度越高，塑性、韧性越好。细化强化是通过采取细化晶粒的措施来提高金属材
1
料的硬度和强度.通常采用增加过冷度、进行孕育处理和金属的同素异构转变等措施。
5.默绘出简化后的Fe-Fe3C平衡图。说明主要特性点、特性线的意义。 答：Fe-Fe3C平衡图如下：
（1）主要特性点：
符号 温度/Co wc(%) 说明 A 1538 0 纯铁的熔点 C 1148 4.3 共晶点 D 1227 6.69 渗碳体的熔点
E 1148 2.11 炭在面心-Fe中的最大溶解度 G 912 0 体心面心同素异构转变点 P 727 0.0218 碳在体心-Fe中的最大溶解度 S 727 0.77 共析点 Q 600 0.0057 碳在体心-Fe 中的溶解度 （2）主要特性线：
1）ACD线----液相线。在此线上方，铁碳合金是均匀液相，用符号L表示。液态合金冷却到AC线开始结晶出奥氏体；冷却到CD线开始结晶出一次渗碳Fe3C
Ⅰ
。
2) AECF线---固相线。在此线下方，铁碳合金全部结晶成固相。
3）ECF线---共晶线。液态合金冷却到此线都会发生共晶转变，形成莱氏体。
2
4）GS线----A3线。是奥氏体和铁素体的相互转变线，在冷却过程中从奥氏体中析出铁素体。
5）ES线----Acm线。是碳在面心铁中的溶解度线。在冷却过程中，从奥氏体中析出二次渗碳体。
6）PSK线---共析线，又称A1线。奥氏体冷却到此线时发生共析转变，形成珠光体。
6．试用冷却曲线分析碳的质量分数为0.4%、0.77%、1.2%的铁碳合金，从液态冷却到室温是的结晶过程和组织转变。 答：
（1）0.4%的铁碳合金结晶过程和组织转变为：
ACAEGSL???L?A???A???A?F?PSK???P?F
（2）0.77%的铁碳合金结晶过程和组织转变为：
ACAEGSL???L?A???A???A?F?PSK???P
（3）1.2%的铁碳合金结晶过程和组织转变为：
ACAEESL???L?A???A???A?Fe3CII?PSK???P?Fe3CII
7.有三个形状和大小相同的试样，分别由20、45、T10钢制成（牌号与钢中碳的质量分数的关系请参看表1.3），有什么方法能迅速地将他们区分开？ 答：常采用火花鉴别法。分别在功率为0.20～0.75kW的电动砂轮机上，在转速高于3000r/min下，选择砂轮粒度为40～60目，中等硬度，直径为φ150～200mm。施加压力以20～60N为宜，对三种钢材进行磨削来进行火花鉴别。 当火花特征为：火花束较长，流线少，芒线稍粗，多为一次花，发光一般，带暗红色，无花粉时，则为20钢的火花特征。
火花特征为：火花束稍短，流线较细长而多，爆花分叉较多，开始出现二次、三次花，花粉较多，发光较强，颜色橙。则为45钢的火花特征。
火花特征为：火花束较短而粗，流线多而细，碎花、花粉多，又分叉多且多为三次花，发光较亮。则为T12钢的火花特征。
8.试用铁碳合金平衡图的知识说明产生下列现象的原因。 （1）钢的锻造一般在高温（约1000-1250C）下进行；
（2）绑扎物体一般用镀锌低碳钢丝，起吊重物一般用的钢丝绳却用含碳量0.6%-0.75%的钢制成。
（3）钳工锯碳的确质量分数高的钢料比锯碳的质量分数低的钢料费力，并且锯条易磨钝。
答：（1）因为钢件在1000-1250oC内组织为奥氏体，由于奥氏体的强度、硬度不高，塑性、韧性良好。其硬度约为170～220HBS，塑性为40%～50% ，是多
o
3
数钢种在高温进行压力加工时要求的组织。
（2）因为低碳钢丝的组织是铁素体+渗碳体，其铁素体成份较多，铁素体的强度、硬度较低,韧性、塑性好，易于变形，而起吊重物一般用的钢丝绳用含碳量0.6%-0.75%的钢制成，是因为铁素体成份较少，渗碳体的成份多，渗碳体的硬的渗碳体又具有较高的强度、一定的硬度。
（3）由于钢中碳的质量分数越高，则渗碳体含量越高，铁素体含量越小，因此使材料硬度、强度增加，锯切越费力。
9.在铁碳合金平衡图上画出钢的退火、正火和淬火加热温度范围。 答：退火：（1）完全退火，加热到AC3+（30-50）OC；（2）球化退火：加热温度为AC1或Accm+(20-30)C;（3）去应力退火加热温度为500C-600C；
正火：加热到AC3或以上40-60OC。
淬火:加热温度为AC3或AC1以上（30-50）OC.
10.比较下列钢材经不同的热处理后硬度值的高低，并说明原因。 （1）45钢加热到700 OC保温后水冷； （2）45钢加热到750 OC保温后水冷； （3）45钢加热到840 OC保温后水冷； （4）T12钢加热到700 OC保温后水冷； （5）T12钢加热到780 OC保温后水冷；
答：硬度由高到低如下：（括号中数字代表题中序号）
H(5)?H(3)?H(2)?H(4)?H(1)
O
O
O
因为：亚共析钢的淬火加热温度一般为Ac3+（30～50）℃。将亚共析钢加热到此温度,可获得细小的奥氏体，淬冷后则获得细小的马氏体。如果加热到Ac1～Ac3之间，将获得铁素体和奥氏体，淬冷后，铁素体保留在组织中，会降低淬火钢的硬度。
过共析钢的淬火加热温度一般为Ac1+（30～50）℃。将过共析钢加热到此温度，组织为奥氏体和少量的渗碳体，淬火后，获得马氏体和渗碳体组织，渗碳体能提高钢的硬度和耐磨性。 材料 45钢 45钢 45钢 T12 T12 T12
淬火温度 750℃ 840℃ 不淬火 780℃ 840 不淬火 水冷 是 是 是 是 4
硬度(HRC) 45 55 66 61 硬度(HBS) 248 536 退火态不大于197 693 627 退火态不小于207
