機械工程材料

思考題參考答案

第一章金屬的晶體結構與結晶

1.解釋下列名詞

點缺陷，線缺陷，面缺陷，亞晶粒，亞晶界，刃型位錯，單晶體，多晶體，

過冷度，自發形核，非自發形核，變質處理，變質劑。

答：點缺陷：原子排列不規則的區域在空間三個方向尺寸都很小，主要指空位間隙原

子、置換原子等。

線缺陷：原子排列的不規則區域在空間一個方向上的尺寸很大，而在其余兩個方向

上的尺寸很小。如位錯。

面缺陷：原子排列不規則的區域在空間兩個方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺

寸很小。如晶界和亞晶界。

亞晶粒：在多晶體的每一個晶粒內，晶格位向也并非完全一致，而是存在著許多尺

寸很小、位向差很小的小晶塊，它們相互鑲嵌而成晶粒，稱亞晶粒。

亞晶界：兩相鄰亞晶粒間的邊界稱為亞晶界。

刃型位錯：位錯可認為是晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體的局部滑移而造

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成。滑移部分與未滑移部分的交界線即為位錯線。如果相對滑移的結果

上半部分多出一半原子面，多余半原子面的邊緣好像插入晶體中的一把

刀的刃口，故稱"刃型位錯"。

單晶體：如果一塊晶體，其內部的晶格位向完全一致，則稱這塊晶體為單晶體。

多晶體：由多種晶粒組成的晶體結構稱為“多晶體"。

過冷度：實際結晶溫度與理論結晶溫度之差稱為過冷度。

自發形核：在一定條件下，從液態金屬中直接產生，原子呈規則排列的結晶核心。

非自發形核：是液態金屬依附在一些未溶顆粒表面所形成的晶核。

變質處理：在液態金屬結晶前，特意加入某些難熔固態顆粒，造成大量可以成為非

自發晶核的固態質點，使結晶時的晶核數目大大增加，從而提高了形核

率，細化晶粒，這種處理方法即為變質處理。

變質劑：在澆注前所加入的難熔雜質稱為變質劑。

2.常見的金屬晶體結構有哪幾種？a-Fe、y-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、

V、Mg、Zn各屬何種晶體結構？

答：常見金屬晶體結構：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；

a-Fe.Cr、V屬于體心立方晶格；

y-Fe、Al、Cu、Ni、Pb屬于面心立方晶格；

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Mg、Zn屬于密排六方晶格;

3.配位數和致密度可以用來說明哪些問題？

答：用來說明晶體中原子排列的緊密程度。晶體中配位數和致密度越大，則晶體中原子

排列越緊密。

4.晶面指數和晶向指數有什么不同？

答：晶向是指晶格中各種原子列的位向，用晶向指數來表示，形式為UVW

;晶面是指

品格中不同方位上的原子面，用晶面指數來表示，形式為hkl

O

5.實際晶體中的點缺陷，線缺陷和面缺陷對金屬性能有何影響？

答：如果金屬中無晶體缺陷時，通過理論計算具有極高的強度，隨著晶體中缺陷的增

力口，金屬的強度迅速下降，當缺陷增加到一定值后，金屬的強度又隨晶體缺陷的增

加而增加。因此，無論點缺陷，線缺陷和面缺陷都會造成晶格崎變，從而使晶體強

度增加。同時晶體缺陷的存在還會增加金屬的電阻，降低金屬的抗腐蝕性能。

6.為何單晶體具有各向異性，而多晶體在一般情況下不顯示出各向異性？

答：因為單晶體內各個方向上原子排列密度不同，造成原子間結合力不同，因而表現出

各向異性；而多晶體是由很多個單晶體所組成，它在各個方向上的力相互抵消平

衡，因而表現各向同性。

7.過冷度與冷卻速度有何關系？它對金屬結晶過程有何影響？對鑄件晶粒大小有何影

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響？

答：①冷卻速度越大，則過冷度也越大。②隨著冷卻速度的增大，則晶體內形核率和長

大速度都加快，加速結晶過程的進行，但當冷速達到一定值以后則結晶過程將減

慢，因為這時原子的擴散能力減弱。③過冷度增大，AF大，結晶驅動力大，形核率

和長大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N與G的比值，晶粒變細，

但過冷度過大，對晶粒細化不利，結晶發生困難。

8.金屬結晶的基本規律是什么？晶核的形成率和成長率受到哪些因素的影響？

答：①金屬結晶的基本規律是形核和核長大。②受到過冷度的影響，隨著過冷度的增

大，晶核的形成率和成長率都增大，但形成率的增長比成長率的增長快；同時外來

難熔雜質以及振動和攪拌的方法也會增大形核率。

9.在鑄造生產中，采用哪些措施控制晶粒大小？在生產中如何應用變質處理？

答：①采用的方法：變質處理，鋼模鑄造以及在砂模中加冷鐵以加快冷卻速度的方法來

控制晶粒大小。②變質處理：在液態金屬結晶前，特意加入某些難熔固態顆粒，造

成大量可以成為非自發晶核的固態質點，使結晶時的晶核數目大大增加，從而提高

了形核率，細化晶粒。③機械振動、攪拌。

第二章金屬的塑性變形與再結晶

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1.解釋下列名詞:

加工硬化、回復、再結晶、熱加工、冷加工。

答：加工硬化：隨著塑性變形的增加，金屬的強度、硬度迅速增加；塑性、韌性迅速下

降的現象。

回復：為了消除金屬的加工硬化現象，將變形金屬加熱到某一溫度，以使其組織和

性能發生變化。在加熱溫度較低時，原子的活動能力不大，這時金屬的晶粒

大小和形狀沒有明顯的變化，只是在晶內發生點缺陷的消失以及位錯的遷移

等變化，因此，這時金屬的強度、硬度和塑性等機械性能變化不大，而只是

使內應力及電阻率等性能顯著降低。此階段為回復階段。

再結晶：被加熱到較高的溫度時，原子也具有較大的活動能力，使晶粒的外形開始

變化。從破碎拉長的晶粒變成新的等軸晶粒。和變形前的晶粒形狀相似，

晶格類型相同，把這一階段稱為“再結晶"。

熱加工：將金屬加熱到再結晶溫度以上一定溫度進行壓力加工。

冷加工：在再結晶溫度以下進行的壓力加工。

2.產生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金屬加工中有什么利弊？

答：①隨著變形的增加，晶粒逐漸被拉長，直至破碎，這樣使各晶粒都破碎成細碎的亞

晶粒，變形愈大，晶粒破碎的程度愈大，這樣使位錯密度顯著增加；同時細碎的

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亞晶粒也隨著晶粒的拉長而被拉長。因此，隨著變形量的增加，由于晶粒破碎和

位錯密度的增加，金屬的塑性變形抗力將迅速增大，即強度和硬度顯著提高，而

塑性和韌性下降產生所謂"加工硬化"現象。②金屬的加工硬化現象會給金屬的進一

步加工帶來困難，如鋼板在冷軋過程中會越軋越硬，以致最后軋不動。另一方面

人們可以利用加工硬化現象，來提高金屬強度和硬度，如冷拔高強度鋼絲就是利

用冷加工變形產生的加工硬化來提高鋼絲的強度的。加工硬化也是某些壓力加工

工藝能夠實現的重要因素。如冷拉鋼絲拉過模孔的部分，由于發生了加工硬化，

不再繼續變形而使變形轉移到尚未拉過模孔的部分，這樣鋼絲才可以繼續通過模

孔而成形。

3.劃分冷加工和熱加工的主要條件是什么？

答：主要是再結晶溫度。在再結晶溫度以下進行的壓力加工為冷加工，產生加工硬化現

象；反之為熱加工，產生的加工硬化現象被再結晶所消除。

4.與冷加工比較，熱加工給金屬件帶來的益處有哪些？

答：(1)通過熱加工，可使鑄態金屬中的氣孔焊合，從而使其致密度得以提高。

(2)通過熱加工，可使鑄態金屬中的枝晶和柱狀晶破碎，從而使晶粒細化，機械性

能提高。

(3)通過熱加工，可使鑄態金屬中的枝晶偏析和非金屬夾雜分布發生改變，使它們

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沿著變形的方向細碎拉長，形成熱壓力加工"纖維組織"（流線），使縱向的強

度、塑性和韌性顯著大于橫向。如果合理利用熱加工流線，盡量使流線與零件工

作時承受的最大拉應力方向一致，而與外加切應力或沖擊力相垂直，可提高零件

使用壽命。

5.為什么細晶粒鋼強度高，塑性，韌性也好？

答：晶界是阻礙位錯運動的，而各晶粒位向不同，互相約束，也阻礙晶粒的變形。因

止匕金屬的晶粒愈細，其晶界總面積愈大，每個晶粒周圍不同取向的晶粒數便愈

多，對塑性變形的抗力也愈大。因此，金屬的晶粒愈細強度愈高。同時晶粒愈細，

金屬單位體積中的晶粒數便越多，變形時同樣的變形量便可分散在更多的晶粒中發

生，產生較均勻的變形，而不致造成局部的應力集中，引起裂紋的過早產生和發

展。因此，塑性，韌性也越好。

6.金屬經冷塑性變形后，組織和性能發生什么變化？

答：①晶粒沿變形方向拉長，性能趨于各向異性，如縱向的強度和塑性遠大于橫向等；

②晶粒破碎，位錯密度增加，產生加工硬化，即隨著變形量的增加，強度和硬度顯

著提高，而塑性和韌性下降；③織構現象的產生，即隨著變形的發生，不僅金屬中

的晶粒會被破碎拉長，而且各晶粒的晶格位向也會沿著變形的方向同時發生轉動，

轉動結果金屬中每個晶粒的晶格位向趨于大體一致，產生織構現象；④冷壓力加工

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過程中由于材料各部分的變形不均勻或晶粒內各部分和各晶粒間的變形不均勻，金

屬內部會形成殘余的內應力，這在一般情況下都是不利的，會引起零件尺寸不穩

定。

7.分析加工硬化對金屬材料的強化作用？

答：隨著塑性變形的進行，位錯密度不斷增加，因此位錯在運動時的相互交割、位錯纏

結加劇，使位錯運動的阻力增大，引起變形抗力的增加。這樣，金屬的塑性變形就

變得困難，要繼續變形就必須增大外力，因此提高了金屬的強度。

8.已知金屬筲、鐵、鉛、錫的熔點分別為3380(、1538℃.327℃.232℃,試計算

這些金屬的最低再結晶溫度，并分析鋁和鐵在no(rc下的加工、鉛和錫在室溫

(20℃)下的加工各為何種加工？

答：T=0.4T；鴇T=[0.4*(3380+273)]-273=1188.2℃;鐵T=[0.4*

再熔再再

(1538+273)]-273=451.4℃;鉛T=[0.4*(327+273)]-273=-33℃;錫T=

再再

=[0.4*(232+273)]-273=-71℃.由于鴇T為1188,2℃>1100℃,因此屬于熱加

再

工；鐵T為451.4℃<1100℃,因此屬于冷加工；鉛T為-33℃V20℃,屬于冷加

再再

工；錫T為-71V20℃,屬于冷加工。

再

9.在制造齒輪時，有時采用噴丸法(即將金屬丸噴射到零件表面上)使齒面得以強

化。試分析強化原因。

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答：高速金屬丸噴射到零件表面上，使工件表面層產生塑性變形，形成一定厚度的加工

硬化層，使齒面的強度、硬度升高。

第三章合金的結構與二元狀態圖

1.解釋下列名詞：

合金，組元，相，相圖；固溶體，金屬間化合物，機械混合物；枝晶偏析，比重偏

析；固溶強化，彌散強化。

答：合金：通過熔煉，燒結或其它方法，將一種金屬元素同一種或幾種其它元素結合在

一起所形成的具有金屬特性的新物質，稱為合金。

組元：組成合金的最基本的、獨立的物質稱為組元。

相：在金屬或合金中，凡成分相同、結構相同并與其它部分有界面分開的均勻組成

部分，均稱之為相。

相圖：用來表示合金系中各個合金的結晶過程的簡明圖解稱為相圖。

固溶體：合金的組元之間以不同的比例混合，混合后形成的固相的晶格結構與組成

合金的某一組元的相同，這種相稱為固溶體。

金屬間化合物：合金的組元間發生相互作用形成的一種具有金屬性質的新相，稱為

金屬間化合物。它的晶體結構不同于任一組元，用分子式來表示其

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組成。

機械混合物：合金的組織由不同的相以不同的比例機械的混合在一起，稱機械混合

物。

枝晶偏析：實際生產中，合金冷卻速度快，原子擴散不充分，使得先結晶出來的固

溶體合金含高熔點組元較多，后結晶含低熔點組元較

多，這種在晶粒內化學成分不均勻的現象稱為枝晶偏析。

比重偏析：比重偏析是由組成相與溶液之間的密度差別所引起的。如果先共晶相與

溶液之間的密度差別較大，則在緩慢冷卻條件下凝固時，先共晶相便會

在液體中上浮或下沉，從而導致結晶后鑄件上下部分的化學成分不一

致，產生比重偏析。

固溶強化：通過溶入某種溶質元素形成固溶體而使金屬的強度、硬度升高的現象稱

為固溶強化。

彌散強化：合金中以固溶體為主再有適量的金屬間化合物彌散分布，會提高合金的

強度、硬度及耐磨性，這種強化方式為彌散強化。

2.指出下列名詞的主要區別：

1）置換固溶體與間隙固溶體；

答：置換固溶體：溶質原子代替溶劑晶格結點上的一部分原子而組成的固溶體稱置換固

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溶體。

間隙固溶體：溶質原子填充在溶劑晶格的間隙中形成的固溶體，即間隙固溶體。

2）相組成物與組織組成物；

相組成物：合金的基本組成相。

組織組成物：合金顯微組織中的獨立組成部分。

3.下列元素在a-Fe中形成哪幾種固溶體？

Si、C、N、Cr、Mn

答：Si、Cr、Mn形成置換固溶體；C、N形成間隙固溶體。

4.試述固溶強化、加工強化和彌散強化的強化原理,并說明三者的區別.

答：固溶強化：溶質原子溶入后，要引起溶劑金屬的晶格產生畸變，進而位錯運動時受

到阻力增大。

彌散強化：金屬化合物本身有很高的硬度，因此合金中以固溶體為基體再有適量的

金屬間化合物均勻細小彌散分布時，會提高合金的強度、硬度及耐磨

性。這種用金屬間化合物來強化合金的方式為彌散強化。

加工強化：通過產生塑性變形來增大位錯密度，從而增大位錯運動阻力，引起塑性

變形抗力的增加，提高合金的強度和硬度。

區別：固溶強化和彌散強化都是利用合金的組成相來強化合金，固溶強化是通過產

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生晶格畸變，使位錯運動阻力增大來強化合金；彌散強化是利用金屬化合物

本身的高強度和硬度來強化合金；而加工強化是通過力的作用產生塑性變

形，增大位錯密度以增大位錯運動阻力來強化合金；三者相比，通過固溶強

化得到的強度、硬度最低，但塑性、韌性最好，加工強化得到的強度、硬度

最高，但塑韌性最差，彌散強化介于兩者之間。

5.固溶體和金屬間化合物在結構和性能上有什么主要差別？

答：在結構上：固溶體的晶體結構與溶劑的結構相同，而金屬間化合物的晶體結構不同

于組成它的任一組元，它是以分子式來表示其組成。

在性能上：形成固溶體和金屬間化合物都能強化合金，但固溶體的強度、硬度比金

屬間化合物低，塑性、韌性比金屬間化合物好，也就是固溶體有更好的

綜合機械性能。

6.何謂共晶反應、包晶反應和共析反應?試比較這三種反應的異同點.

答：共晶反應：指一定成分的液體合金，在一定溫度下，同時結晶出成分和晶格均不相

同的兩種晶體的反應。

包晶反應：指一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另外一種固相的反應過

桂。

共析反應：由特定成分的單相固態合金，在恒定的溫度下，分解成兩個新的，具有

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一定晶體結構的固相的反應。

共同點：反應都是在恒溫下發生，反應物和產物都是具有特定成分的相，都處于三

相平衡狀態。

不同點：共晶反應是一種液相在恒溫下生成兩種固相的反應；共析反應是一種固相

在恒溫下生成兩種固相的反應；而包晶反應是一種液相與一種固相在恒溫

下生成另一種固相的反應。

7.二元合金相圖表達了合金的哪些關系？

答：二元合金相圖表達了合金的狀態與溫度和成分之間的關系。

8.在二元合金相圖中應用杠桿定律可以計算什么？

答：應用杠桿定律可以計算合金相互平衡兩相的成分和相對含量。

9.已知A（熔點600℃）與B（50（TC）在液態無限互溶；在固態300。（=時A溶于B的

最大溶解度為30%,室溫時為10%,但B不溶于A；在30（TC時，含40%B的液態

合金發生共晶反應。現要求：

1）作出A-B合金相圖；

2）分析20%A,45%A,80%A等合金的結晶過程，并確定室溫下的組織組成物和相

組成物的相對量。

答:⑴

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(2)20%A合金如圖①：

合金在1點以上全部為液相，當冷至1點時，開始從液相中析出a固溶體，至2

點結束，2?3點之間合金全部由a固溶體所組成，但當合金冷到3點以下，由

于固溶體a的濃度超過了它的溶解度限度，于是從固溶體a中析出二次相A,因

此最終顯微組織：a+A

n

相組成物：a+A

A=(90-80/90)*100%=11%a=l-A%=89%

45%A合金如圖②：

合金在1點以上全部為液相，冷至1點時開始從液相中析出a固溶體，此時液

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相線成分沿線BE變化，固相線成分沿BD線變化，當冷至2點時，液相線成分

到達E點，發生共晶反應，形成(A+a)共晶體，合金自2點冷至室溫過程

中，自中析出二次相A,因而合金②室溫組織：

n

A+a+(A+a)相組成物:A+a

n

組織：A=(70-55)/70*100%=21%a=l-A=79%

nn

A+a=(70-55)/(70-40)*100%=50%

相：A=(90-55)/90*100%=50%a=l-A%=50%

80%A合金如圖③：

合金在1點以上全部為液相，冷至1點時開始從液相中析出A,此時液相線成分

沿AE線變化，冷至2點時，液相線成分到達點，發生共晶反應，形成(A+a)共

晶體，因而合金③的室溫組織：A+(A+a)

相組成物：A+a

組織：A=(40-20)/40*100%=50%A+a=l-A%=50%

相：A=(90-20)/90*100%=78%a=l-A%=22%

10.某合金相圖如圖所示。

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1)試標注①—④空白區域中存在相的名稱；

2)指出此相圖包括哪幾種轉變類型；

3)說明合金I的平衡結晶過程及室溫下的顯微組織。

答：⑴①:L+Y②：Y邛③：B+(a+B)④:B+a

n

(2)勻晶轉變；共析轉變

(3)合金①在1點以上全部為液相，冷至1點時開始從液相中析出丫固溶體至

2點結束,2?3點之間合金全部由丫固溶體所組成,3點以下，開始從丫固

溶體中析出a固溶體，冷至4點時合金全部由a固溶體所組成,4?5之

間全部由a固溶體所組成，冷到5點以下，由于a固溶體的濃度超過了

它的溶解度限度，從a中析出第二相0固溶體，最終得到室穩下的顯微組

織：a+B

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11.有形狀、尺寸相同的兩個Cu-Ni合金鑄件，一個含90%Ni,另一個

含50%Ni,鑄后自然冷卻，問哪個鑄件的偏析較嚴重？

答：含50%Ni的Cu-Ni合金鑄件偏析較嚴重。在實際冷卻過程中，由于冷

速較快，使得先結晶部分含高熔點組元多，后結晶部分含低熔點組元

多，因為含50%Ni的Cu-Ni合金鑄件固相線與液相線范圍比含90%

Ni鑄件寬，因此它所造成的化學成分不均勻現象要比含90%Ni的

Cu-Ni合金鑄件嚴重。

第四章鐵碳合金

1.何謂金屬的同素異構轉變？試畫出純鐵的結晶冷卻曲線和晶體結構變化

圖。

答：由于條件（溫度或壓力）變化引起金屬晶體結構的轉變，稱同素異構轉

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1500

1400

1300

1200

1100

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

變。時間

2.為什么y?Fe和a-Fe的比容不同？一塊質量一定的鐵發生（y-Fe

Ta-Fe）轉變時，其體積如何變化？

答：因為y-Fe和a-Fe原子排列的緊密程度不同，y-Fe的致密度為74%。-Fe

的致密度為68%,因此一塊質量一定的鐵發生（Y-Fe-a-Fe）轉變時體

積將發生膨脹。

3.何謂鐵素體（F），奧氏體（A）,滲碳體（FeC）,珠光體（P），萊氏體

（Ld）?它們的結構、組織形態、性能等各有何特點？

答：鐵素體（F）：鐵素體是碳在Fe中形成的間隙固溶體，為體心立方晶

格。由于碳在Fe中的溶解度、很小，它的性能與純鐵相

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近。塑性、韌性好，強度、硬度低。它在鋼中一般呈塊狀或

片狀。

奧氏體（A）:奧氏體是碳在Fe中形成的間隙固溶體，面心立方晶格。

因其晶格間隙尺寸較大，故碳在Fe中的溶解度較大。有

很好的塑性。

滲碳體（FeC）:鐵和碳相互作用形成的具有復雜晶格的間隙化合物。滲

3

碳體具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。在

鋼中以片狀存在或網絡狀存在于晶界。在萊氏體中為連續

的基體，有時呈魚骨狀。

珠光體（P）：由鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。鐵素體和滲碳體呈層

片狀。珠光體有較高的強度和硬度，但塑性較差。

萊氏體（Ld）：由奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。在萊氏體中，滲碳

體是連續分布的相，奧氏體呈顆粒狀分布在滲碳體基體上。

由于滲碳體很脆，所以萊氏體是塑性很差的組織。

4.Fe-FeC合金相圖有何作用？在生產實踐中有何指導意義？又有何局限

3

性？

答：①碳鋼和鑄鐵都是鐵碳合金，是使用最廣泛的金屬材料。鐵碳合金相圖

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是研究鐵碳合金的重要工具，了解與掌握鐵碳合金相圖，對于鋼鐵材料

的研究和使用，各種熱加工工藝的制訂以及工藝廢品原因的分析等方面

都有重要指導意義。②為選材提供成分依據：FFe

C相圖描述了鐵碳

3

合金的組織隨含碳量的變化規律，合金的性能決定于合金的組織，這樣

根據零件的性能要求來選擇不同成分的鐵碳合金；為制定熱加工工藝提

供依據：對鑄造，根據相圖可以找出不同成分的鋼或鑄鐵的熔點，確定

鑄造溫度；根據相圖上液相線和固相線間距離估計鑄造性能的好壞。對

于鍛造：根據相圖可以確定鍛造溫度。對焊接：

根據相圖來分析碳鋼焊縫組織，并用適當熱處理方法來減輕或消除組織

不均勻性；對熱處理：FFe

C相圖更為重要，如退火、正火、淬火的

3

加熱溫度都要參考鐵碳相圖加以選擇。③由于鐵碳相圖是以無限緩慢加

熱和冷卻的速度得到的，而在實際加熱和冷卻通常都有不同程度的滯后

現象。

5.畫出Fe-FeC相圖，指出圖中S、C、E、P、N、G及GS、SE、

3

PQ、PSK各點、線的意義，并標出各相區的相組成物和組織組成物。

答：

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P；S

a4PgPtFc3C[]PAFe3ClHE/

QOQ.020.8i.o2.02-H3.04.04.35.Q6.06.69

蹤--->c(%)Ne3c

C：共晶點1148(4.30%C,在這一點上發生共晶轉變，反應式：

LcAFeC,當冷到1148(時具有C點成分的液體中同時結晶

E3

出具有E點成分的奧氏體和滲碳體的兩相混合物——萊氏體

C

Fe

LeA3

E

E：碳在Fe中的最大溶解度點1148℃2.11%C

G:FeFe同素異構轉變點(A

)912℃0%C

3

H：碳在Fe中的最大溶解度為1495°C0.09%C

J：包晶轉變點1495℃0.17%C在這一點上發生包晶轉變，反應

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式：LA當冷卻到1495。（：時具有B點成分的液相與具有H點

H

成分的固相6反應生成具有J點成分的固相Ao

N:FeFe同素異構轉變點（A

）1394℃0%C

4

P：碳在Fe中的最大溶解度點0.0218%C727℃

S：共析點727（0.77%C在這一點上發生共析轉變，反應式：

AFFee,當冷卻到727（時從具有S點成分的奧氏體中同時

sp3

析出具有P點成分的鐵素體和滲碳體的兩相混合物——珠光體P

（FFec）

P3

ES線：碳在奧氏體中的溶解度曲線，又稱Acm溫度線，隨溫度的降

低，碳在奧化體中的溶解度減少，多余的碳以FeC形式析出，

3

所以具有0.77%?2.11%C的鋼冷卻到Acm線與PSK線之間時的

組織AFec稱為二次滲碳體。

C

,從A中析出的Fe3

3

II

GS線：不同含碳量的奧氏體冷卻時析出鐵素體的開始線稱A線，GP線

3

則是鐵素體析出的終了線，所以GSP區的顯微組織是FA。

PQ線：碳在鐵素體中的溶解度曲線，隨溫度的降低，碳在鐵素體中的

溶解度減少，多余的碳以FeC形式析出，從F中析出的FeC稱

33

為三次滲碳體Fe,由于鐵素體含碳很少，析出的Fe很

CC

學習幫手

少，一般忽略，認為從727（冷卻到室溫的顯微組織不變。

PSK線：共析轉變線，在這條線上發生共析轉變AFFee,產

sP3

物（P）珠光體，含碳量在0.02?6.69%的鐵碳合金冷卻到727（

時都有共析轉變發生。

6.簡述Fe-FeC相圖中三個基本反應：包晶反應，共晶反應及共析反應，寫

3

出反應式，標出含碳量及溫度。

答：共析反應：冷卻到727（時具有S點成分的奧氏體中同時析出具有P點成

分的鐵素體和滲碳體的兩相混合物。Y

0.823s「+FeC

0.0236.69

包晶反應：冷卻到1495。（2時具有B點成分的液相與具有H點成分的固相b

反應生成具有J點成分的固相AoL+6y

0.1

1495aB

0.50.16

共晶反應：1148。（：時具有C點成分的液體中同時結晶出具有E點成分的奧

氏體和滲碳體的兩相混合物。L+Fe

YC

4.3

1147a9

2.1436.69

7.何謂碳素鋼？何謂白口鐵？兩者的成分組織和性能有何差別？

答：碳素鋼：含有0.02%~2.14%C的鐵碳合金。

白口鐵：含大于2.14%C的鐵碳合金。

碳素鋼中亞共析鋼的組織由鐵素體和珠光體所組成，其中珠光體中的滲

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碳體以細片狀分布在鐵素體基體上，隨著含碳量的增加，珠光體的含量

增加，則鋼的強度、硬度增加，塑性、韌性降低。當含碳量達到0.8%時

就是珠光體的性能。過共析鋼組織由珠光體和二次滲碳體所組成，含碳

量接近1.0%時，強度達到最大值，含碳量繼續增加，強度下降。由于二

次滲碳體在晶界形成連續的網絡，導致鋼的脆性增加。

白口鐵中由于其組織中存在大量的滲碳體，具有很高的硬度和脆性，難

以切削加工。

8.亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼的組織有何特點和異同點。

答：亞共析鋼的組織由鐵素體和珠光體所組成。其中鐵素體呈塊狀。珠光

體中鐵素體與滲碳體呈片狀分布。共析鋼的組織由珠光體所組成。過

共析鋼的組織由珠光體和二次滲碳體所組成，其中二次滲碳體在晶界

形成連續的網絡狀。

共同點：鋼的組織中都含有珠光體。不同點：亞共析鋼的組織是鐵素體

和珠光體，共析鋼的組織是珠光體，過共析鋼的組織是珠光體

和二次滲碳體。

9.分析含碳量分別為0.20%、0.60%、0.80%、1.0%的鐵碳合金從

液態緩冷至室溫時的結晶過程和室溫組織.

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答：0.80%C:在1~2點間合金按勻晶轉變結晶出A,在2點結晶結束，全部轉

變為奧氏體。冷到3點時(727℃),在恒溫下發生共析轉變，

轉變結束時全部為珠光體P,珠光體中的滲碳體稱為共析滲碳

體，當溫度繼續下降時，珠光體中鐵素體溶碳量減少，其成分沿

固溶度線PQ變化，析出三次滲碳體Fe,它常與共析滲碳體

C

3

in

長在一起，彼此分不出，且數量少，可忽略。

室溫時組織Po

0.60%C：合金在1?2點間按勻晶轉變結晶出A,在2點結晶結束，全部轉

變為奧氏體。冷到3點時開始析出F,3-4點A成分沿GS線變

化，鐵素體成分沿GP線變化，當溫度到4點時，奧氏體的成分

達到S點成分(含碳0.8%),便發生共析轉變，形成珠光體，此

時，原先析出的鐵素體保持不變，稱為先共析鐵素體，其成分為

0.02%C,所以共析轉變結束后，合金的組織為先共析鐵素體和

珠光體，當溫度繼續下降時，鐵素體的溶碳量沿PQ線變化，析

出三次滲碳體，同樣Fe量很少，可忽略。

C

3

III

所以含碳0.40%的亞共析鋼的室溫組織為：F+P

1.0%C：合金在1~2點間按勻晶轉變結晶出奧氏體，2點結晶結束，合金

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為單相奧氏體，冷卻到3點，開始從奧氏體中析出二次滲碳體

FeC，Fe沿奧氏體的晶界析出，呈網狀分布，3-4間Fe

3CC

II3II3

II

不斷析出，奧氏體成分沿ES線變化，當溫度到達4點(727℃)

時，其含碳量降為0.77%,在恒溫下發生共析轉變，形成珠光

體，此時先析出的Fe保持不變，稱為先共析滲碳體，所以共

C

3II

析轉變結束時的組織為先共析二次滲碳體和珠光體，忽略

FeC。

3

III

室溫組織為二次滲碳體和珠光體。

10.指出下列名詞的主要區別：

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的滲碳體稱為一次滲碳體。

二次滲碳體：從A中析出的Fee稱為二次滲碳體。

3

三次滲碳體：從F中析出的FeC稱為三次滲碳體Fe。

C

33

III

共晶滲碳體：經共晶反應生成的滲碳體即萊氏體中的滲碳體稱為共晶滲

碳體。

共析滲碳體：經共析反應生成的滲碳體即珠光體中的滲碳體稱為共析滲

碳體。

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2)熱脆與冷脆。

答：熱脆：S在鋼中以FeS形成存在，FeS會與Fe形成低熔點共晶，當鋼材

在1000℃~1200℃壓力加工時，會沿著這些低熔點共晶體的邊界

開裂，鋼材將變得極脆，這種脆性現象稱為熱脆。

冷脆：P使室溫下的鋼的塑性、韌性急劇降低，并使鋼的脆性轉化溫度

有所升高，使鋼變脆，這種現象稱為"冷脆"。

11.根據Fe-FeC相圖，計算：

3

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)W=(0.6-0.02)/(0.8-0.02)*100%=74%W=1-74%=26%

pa

2)W=(2.14-1.2)/(2.14-0.8)*100%=70%WFe3cn=l-70%=30%

p

3)WFe3Cn=(2.14-0.8)/(6.69-0.8)*100%=23%

W=0.02/6.69*100%=33%

FeSCffl

12.某工廠倉庫積壓了許多碳鋼(退火狀態)，由于鋼材混雜，不知道鋼的

化學成分，現找出其中一根，經金相分析后，發現其組織為珠光體+鐵素

體，其中鐵素體占80%,問此鋼材的含碳量大約是多少？

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答：由于組織為珠光體+鐵素體，說明此鋼為亞共析鋼。

W=80%=(0.8-W)/08-0.02)*100%W=0.18%

aCC

13.對某退火碳素鋼進行金相分析，其組織的相組成物為鐵素體+滲碳體

(粒狀)，其中滲碳體占18%,問此碳鋼的含碳量大約是多少？

答:W

Fe3cn=18%=(W-0.02)/(6.69-0.02)*100%W=1.22%

CC

14.對某退火碳素鋼進行金相分析，其組織為珠光體+滲碳體(網狀)，其

中珠光體占93%,問此碳鋼的含碳量大約為多少？

答：W=93%=(2.14-W)/(2.14-0.8)*100%=70%W=0.89%

Pcc

15.計算Fe-1.4%C合金在70(FC下各個相及其組分數量和成分。

答：含1.4%C合金屬于過共析鋼，其組織為珠光體+二次滲碳體，相為鐵素體

和滲碳體。

W=(2.14-1.4)/(2.14-0.8)*100%=55%W

Fe3cn=l-55%=45%

p

W=(6.69-1.4)/(6.69-0.02)*100%=79%WFe3C=l-79%=21%

a

16.根據Fe-FeC相圖，說明產生下列現象的原因：

3

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。

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2）在室溫下，含碳0.8%的鋼其強度比含碳1.2%的鋼高;

答：因為在鋼中當含碳量超過1.0%時，所析出的二次滲碳體在晶界形成連續

的網絡狀，使鋼的脆性增加，導致強度下降。因此含碳0.8%的鋼其強

度比含碳1.2%的鋼高。

3）在110（FC,含碳0.4%的鋼能進行鍛造，含碳4.0%的生鐵不能鍛

造；

答：在1100（時，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；而起重機吊重物用鋼絲繩除要求有一定的強度，還要有

很高的彈性極限，而60、65、70、75鋼有高的強度和高的彈性

極限。這樣在吊重物時不會斷裂。

5）鉗工鋸T8,T10,T12等鋼料時比鋸10,20鋼費力，鋸條容易磨

鈍；

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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鋼為優質碳素結構鋼，屬于

低碳鋼，鋼的硬度較低，因此鉗工鋸T8,T10,T12等鋼料時比鋸

10,20鋼費力，鋸條容易磨鈍。

6）鋼適宜于通過壓力加工成形，而鑄鐵適宜于通過鑄造成形。

答：因為鋼的含碳量范圍在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，因而鋼適宜于壓力加工；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

宜于通過鑄造成形。

17.鋼中常存雜質有哪些？對鋼的性能有何影響？

答：鋼中常存雜質有Si、Mn、S、P等。

Mn：大部分溶于鐵素體中，形成置換固溶體，并使鐵素體強化：另一部

分Mn溶于FeC中，形成合金滲碳體，這都使鋼的強度提高，Mn

3

與S化合成MnS,能減輕S的有害作用。當Mn含量不多，在碳鋼

中僅作為少量雜質存在時，它對鋼的性能影響并不明顯。

Si：Si與Mn一樣能溶于鐵素體中，使鐵素體強化，從而使鋼的強度、硬

度、彈性提高，而塑性、韌性降低。當Si含量不多，在碳鋼中僅作為

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少量夾雜存在時，它對鋼的性能影響并不顯著。

S：硫不溶于鐵，而以FeS形成存在，FeS會與Fe形成共晶，并分布于奧

氏體的晶界上，當鋼材在1000℃~1200℃壓力加工時，由于FeS-Fe

共晶（熔點只有989℃）已經熔化，并使晶粒脫開，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，并使鋼的脆性轉化溫度有

所升高，使鋼變脆。

18.試述碳鋼的分類及牌號的表示方法。

答：分類：1）按含碳量分類

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）按質量分類：即含有雜質元素S、P的多少分類：

普通碳素鋼：S<0.055%P<0.045%

優質碳素鋼：S、P<0.035~0.040%

高級優質碳素鋼：Sw0.02~0.03%；P<0.03~0.035%

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(3)按用途分類

碳素結構鋼：用于制造各種工程構件，如橋梁、船舶、建筑構件等，

及機器零件，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

量上都是優質鋼或高級優質鋼。

牌號的表示方法：(1)普通碳素結構鋼：

用Q+數字表示，"Q"為屈服點，"屈"漢語拼音，數字表示屈服點數值。

若牌號后面標注字母A、B、C、D,則表示鋼材質量等級不同，A、B、

C、D質量依次提高，"F"表示沸騰鋼，"b"為半鎮靜鋼，不標"F"和"b"的

為鎮靜鋼。

(2)優質碳素結構鋼：

牌號是采用兩位數字表示的，表示鋼中平均含碳量的萬分之幾。若鋼中

含銃量較高，須將鎰元素標出，

(3)碳素工具鋼：

這類鋼的牌號是用"碳"或"T"字后附數字表示。數字表示鋼中平均含碳量

的千分之幾。若為高級優質碳素工具鋼，則在鋼號最后附以"A"字。

19.低碳鋼、中碳鋼及高碳鋼是如何根據含碳量劃分的？分別舉例說明他們的

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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、汽車和拖拉機上的冷沖壓件，如汽車車身，拖拉機

駕駛室等；15、20、25鋼用于制作尺寸較小、負荷較輕、表面

要求耐磨、心部強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鋼經熱處理

（淬火+高溫回火）后具有良好的綜合機械性能，即具有較高的

強度和較高的塑性、韌性，用于制作軸類零件；

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、塞規、樣

板、鏗刀、刮刀、精車刀等。

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20.下列零件或工具用何種碳鋼制造：手鋸鋸條、普通螺釘、車床主軸。

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、Til、TllAo

普通螺釘：它要保證有一定的機械性能，用普通碳素結構鋼制造，如

Q195、Q215、Q235o

車床主軸：它要求有較高的綜合機械性能，用優質碳素結構鋼，如30、

35、40、45、50o

21.指出下列各種鋼的類別、符號、數字的含義、主要特點及用途：

Q235-AF、Q235-C、Q195-B、Q255-D、40、45、08、20、20R、

20G、T8、T10A、T12A

答：Q235-AF：普通碳素結構鋼，屈服強度為235MPa的A級沸騰鋼。

Q235-C:屈服強度為235MPa的C級普通碳素結構鋼，

Q195-B:屈服強度為195MPa的B級普通碳素結構鋼，

Q255-D:屈服強度為255MPa的D級普通碳素結構鋼，

Q195、Q235含碳量低，有一定強度，常扎制成薄板、鋼筋、焊接鋼管

等，用于橋梁、建筑等鋼結構，也可制造普通的鉀釘、螺釘、螺母、墊

圈、地腳螺栓、軸套、銷軸等等，Q255鋼強度較高，塑性、韌性較好，

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可進行焊接。通常扎制成型鋼、條鋼和鋼板作結構件以及制造連桿、鍵、

銷、簡單機械上的齒輪、軸節等。

40:含碳量為0.4%的優質碳素結構鋼。

45含碳量為0.45%的優質碳素結構鋼。

40、45鋼經熱處理（淬火+高溫回火）后具有良好的綜合機械性能，即

具有較高的強度和較高的塑性、韌性，用于制作軸類零件。

08：含碳量為0.08%的優質碳素結構鋼。塑性、韌性好，具有優良的冷

成型性能和焊接性能，常冷軋成薄板，用于制作儀表外殼、汽車和

拖拉機上的冷沖壓件，如汽車車身，拖拉機駕駛室等。

20：含碳量為0.2%的優質碳素結構鋼。用于制作尺寸較小、負荷較輕、

表面要求耐磨、心部強度要求不高的滲碳零件，如活塞鋼、樣板

等。

20R：含碳量