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工程材料复习课
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Wenyun Ju
2008年春季学期
“材料与成形技术”考试通知
考试时间：
5月27日（周二）
8:15～10:15
考试地点： EJ103—EJ104
学号数<07122028 EJ103
其
余
答疑时间：5月26日
同
学
EJ104
13:00～21:00
地点：HD208
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一、固体材料的性能
1、强度
强度概念:材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的
最大应力，如
弹性极限、屈服点、抗
拉强度、疲劳极限、蠕
变极限等
比强度、比模量概念：
单位密度上的强度、弹
性模量
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屈强比概念： σs /σb
屈强比越小,构件万一超载时，产生塑性变形的时间越长，
则离断裂的时间长，易发现和马上采取措施（如停机、换构
件等），即时间裕度大，可靠性高。屈强比大，则屈服强度
高，材料强度利用率高。
屈强比增大，则材料塑性段距
离减小，固将增加材料的脆性趋势 。
σ0.2概念：条件屈服强度
弹性模量E
概念
E＝ σ/ε
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2、硬度概念：
金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力。
相互关系：HBS≈10HRC ≈HV
HB：
HBS－淬火钢球测定硬度值450以下的材料
HBW－硬质合金球测定硬度值650以下的材料
HR：
HRA 适用硬质合金、表面淬火层、渗碳钢
HRB 适用有色金属、退火钢、正火钢
HRC 适用淬火钢、调质钢
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3、冲击韧度
材料抵抗大能量冲击载荷能力
的指标，试样缺口处单位面积所消
耗的功。
Ak＝G（H－h）
Ak
ak 
( J  cm 2 )
S
冷脆概念
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二、金属的结构
1、晶格、晶胞和晶格常数
2、三种晶格类型
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2、晶面晶向表示方法
要求：会画图、改错。
取有向线段上任一点的座标值化为最简整数，加以方括号，
[uvw]即为晶向指数。
取晶面的三坐标截距值为倒数，并化为最简整数，依次计入
圆括号（hkl）内，即为该晶面的晶面指数。
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3、单晶体和多晶体概念
4、晶格缺陷
结晶方位一致与否
掌握：点缺陷、线缺陷、面缺陷
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4种缺陷
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三、金属的结晶
1、理论结晶温度与实际结晶温度（过冷度概念）
2、纯金属的结晶过程
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3、金属结晶后晶粒的大小
1) 晶粒度概念
① 晶粒度表示晶粒大小，由平面截面单位面积内所包含晶粒个
数来表示；② 晶粒度级别越高，晶粒越细；
2）晶粒度对力学性能的影响
晶粒越细，常温强度越高，塑性韧性有所改善，高温强度下
降。
3）细化晶粒的方法
①增加过冷度，② 变质处理，③附加振动。
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4）金属的同素异构转变（重结晶）
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三、二元合金
1、二元合金的晶体结构
组元、相、固熔体、化合物概念
在物质中，凡是成分相同，结构相同，并与其它部分以界面
分开的均匀组成部分，称为相。合金结晶后可以是一种相，也可
以是由若干种相所组成。
一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为组织。
相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了不同的组织，
不同的组织使合金具有不同的力学性能。
例：铁碳相图中 αβγ Fe3C ；F P A； Fe3CⅠ
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Fe3CⅡ Fe3CⅢ
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2、 固溶体
溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相称为固溶体。固溶体
的点阵结构仍保持溶剂金属的结构，只引起晶格参数的改变。
当两组元在固态无限溶解时，所形成的固溶体称为连续固溶体
或无限固溶体；当两组元在固态部分溶解时，所形成的固溶体称为
有限固溶体或端际固溶体。按照溶质原子在固溶体中所处的位置，
固溶体又可分为间隙固溶体和置换固溶体。
1） 间隙固溶体
当溶质原子直径与溶剂原子直径的比值
小于0.59时，才能形成间隙固溶体。溶剂晶
格的间隙是有限的，因此，间隙固溶体只能
是有限固溶体。
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间隙固溶体的溶解度与溶质原子半径及溶剂的晶格类型有关。
溶质原子半径愈小，溶解度愈大，溶剂晶格类型不同，具有的
间隙大小不同，溶解度也不同。
2）置换固溶体
对于溶质和溶剂原子大小比较接近的元素，只能形成置换
固溶体。置换固溶体中，溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意
的、无规律的。如果溶质原子在溶剂晶格中的溶解度
有一定限度，则叫有限互溶，形成有限置换
固溶体；置换固溶体中溶质原子与溶剂半径
相差越小，则溶解度越大，若溶剂元素与溶
质元素在周期表中位置靠近，且晶格类型相
同，则可形成无限固溶体，合金组元可以以
任何比例相互溶解，如Cu-Ni 合金。
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3、二元合金相图
相图是反映材料在平衡状态下相状态和成分及温度关系的图
形。相图也称平衡图或状态图。二元合金相图可用温度－成分坐
标系的平面图形来表示。二元相图是反映二元系统相的平衡状态
与温度、成分关系的平面图形。
1）匀晶相图
两组元在液态无限互溶，在
固态也无限互溶，形成固溶体的
二元相图称为二元匀晶相图。特
点：晶格类型相同，结晶不在恒
温下进行，在冷却较快的非平衡
结晶条件下，会形成枝晶偏析。
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固溶体的非平衡结晶：
匀晶相图中冷却时的成分变化
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2） 共晶相图
两组元在液态无限互溶，固态有限溶解，通过共晶反应形成两
相机械混合物的二元合金称为二元共晶相图。共晶反应是液相在冷
却过程中同时结晶出两个结构不同的固相的过程。
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3） 二元包晶相图
两组元在液态无限互溶，固态下有限溶解，发生包晶反应的
相图称为二元包晶相图。包晶反应是一个液相与一个固相相互作用，
生成一个新的固相的过程。
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4) 共析相图
①从一个固相同时结晶出两个固相的恒温转变，称为共析转变，
发生共析反应形成两相机械混合物的二元合金相图称为共析相图。
② 共析反应的产物为共析物。
③ 由于共析反应在固态进行，
所以共析组织比共晶组织要细得
多。
④ 共析相图是铁碳相图中的一
个重要组成部分，需好好掌握。
反应过程：
γ→αd+βe
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4、二元相图的分析与应用
1) 二元相图的分析步骤
① 若有稳定化合物，则将其看作一独立组元，把相图分成几个部
分分析。
② 相区接触法则：
二元相图中，相邻相区中的相数只相差一个（点接触除外）。
分析时首先熟悉单相区中的相，再根据相区接触法则辨别其它相
区。
③找出与三相共存水平线点接触的三个单相区，确定三相平衡转
变的性质和反应式。
④在两相平衡区，可应用杠杆定律求出各相的相对量。
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5、相律
F＝C（组元）-P(相数）＋1
6、杠杆定律
不同条件下相的成分及其相对量可用
杠杆定理求得。
(1）确定两平衡相的成分
如图（a）所示，水平线与液相线L的
交点即为液相的成分。
(2）确定两平衡相的相对量
① 设试验合金重量为1，液、固相重
量分别为QL、QS ，则 QL+QS =1；
② 设液、固相含Ni浓度分别为x1、x2，x为试验合金中的平均含
x  x1
Ni量(%)，则 Q x  Q x  x QL  x2  x
Q

s
L 1
s 2
x2  x1
x2  x1
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例题：将20kg纯铜与30kg纯镍熔化后缓慢冷却到如图1-80所示温度
T1，求此时：
（1）两相的成分；
（2）两相的质量比；
（3）各相的相对重量 （4）各相的重量。
例题：
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10．某合金如图1-81所示：
（1）标出
①-③-区域中存在的相；
（2）标出④ 、⑤ 区域中的组织；
(3) 相图中包括哪几种转变？写出它们的反应式。
(1) L
(2) L+γ
L+γ
γ
匀晶转变
(3) γ
[α+β]共析共析转变
(4) α
α + βⅡ
脱溶转变
(5) β
β+ α Ⅱ
脱溶转变
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动
画：
习
题
10
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11. 今有两个形状相同的铜镍合金铸件，一个含Ni90％，
一个含Ni50％，铸后自然冷却，问凝固后哪个铸件的偏
析较为严重？
动
画
：
习
题
11
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12. 按下面所设条件，示意地绘出合金的相图，并填
题12
出各区域的相组分和组织组分，以及画出合金的力学
性能与该相图的关系曲线。
设C、D两组元在液态时能互相溶解，D组元熔点是
C组元的4/5 ，在固态时能形成共晶，共晶温度是C组
元熔点的2/5，共晶成分为wD＝30％；C组元在D组元中
有限固溶，形成α固溶体。溶解度在共晶温度时为wC
＝25％，室温时wC＝10％，D组元在C组元中不能溶解；
C组元的硬度比D组元高。 计算wD＝40％合金刚完成共
晶转变时，组织组成物及其百分含量。
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动
画
：
习
题
12
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补充习题1. 一个二元共晶转变如下：
L(wB=75%)→α(wB=15%)+β(wB=95%)
(1) 求wB=50%的合金结晶刚结束时的各组织组分和各相组分的相
对量。
(2) 若显微组织中初晶β与共晶(α+β)各占50％，求该合金的
成分
(1)组织组成：
wα=(75-50)/(75-15)=41.7%
w w)=(50-15)/(75-15)=58.3%
(2)(α+β
β=(x-75)/(95-75)=50%
相组成：
解得x=85
w
=(95－50)/(95-15)=56.3%
wα(α+β
)=(95-x)/(95-75)=50%
wβ=(50-15)/(95-15)=43.7%
解得x=85
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四、 铁碳合金
1） 铁碳合金相图
三条水平线（平衡）；
六种成分；各转折点的相
变化、成分变化；组织变
化及力学性能变化规律。
P 中F 和 Fe3 C 的相对量：
SK
6.69  0.77
QF 

 88.8%
PK 6.69  0.0218
QFe3C  100%  88.8%  11.2%
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亚共析钢结晶过程的基本反应为[匀晶反应+包晶反应+固溶体
转变反应+共析反应]，室温组织为铁素体+珠光体，显微组织如
图所示。过共析钢结晶过程的基本反应为[匀晶反应+二次析出反
应+共析反应]，室温组织为珠光体+二次渗碳体，显微组织如图
所示。
共亚析和过共析钢
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共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、
过共晶白口铸铁的结晶过程分析
碳含量大于2.11％的三种白口铸铁
均发生共晶转变。共晶产物莱氏体冷却至共
析线后转变为低温莱氏体，反应式为：
Ld（AE+Fe3C共晶 ）→ Ld＇
（P+Fe3CⅡ+Fe3C共晶）
其实质是共晶奥氏体析出二次渗碳
体，并在727℃时转变为珠光体。组织中的
铁素体、渗碳体、珠光体和低温莱氏体一旦
形成，在随后的冷却过程中不再发生相变。
铸铁
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五、碳钢
1、碳钢的分类
2、碳钢的牌号
分 类
优质碳素
结构钢
表1－7
编 号 方 法
举 例
碳素结构钢
表1－6
Q235-A F
45
常用牌号
用
途
说明
屈服点为235MPa、 Q195、Q215A， 一般以型材供应的工程结构件，制造
质量为A级的沸腾 Q235B、Q255A、 不太重要的机械零件及焊接件（参见
钢
Q255B、Q275
GB700-88）
等
表示平均Wc为万分之
45的优质碳素结构钢
08F、10、20、
35、40、50、
60、65
用于制造曲轴、传动轴、齿轮、连杆
等重要零件（参见 GB699-88）
制造需较高硬度、耐磨性、又能承受
一定冲击的工具，如手锤、冲头等
（参见 GB1298-86）
碳素
工具钢
T8
T8A
表示平均Wc为千分之
8的碳素工具钢，A表
示高级优质
T7、T8Mn、T9、
T10、T11、T12、
T13
一般工程
铸造碳钢
ZG200-400
表示屈服强度为
200MPa、抗拉强度为
400MPa的碳素铸钢
ZG230-450、ZG270 形状复杂的需要采用铸造成形的钢质
－500、ZG310-570、 零件（参见 GB11352-89
ZG340-640
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2、按用途分类
1)结构钢:主要用于制造各种工程构件及机器零件。
用于制造机器零件的结构钢可分为：
①调质钢:如45、40Cr、35SiMn等。
②渗碳钢:如20、20Cr、20CrMnTi等。
3、合金钢的分类
③弹簧钢:如65、65Mn、50CrV等。
2)工具钢:主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。
3) 特殊性能钢:指具有不锈、耐热、抗磨等特殊性能的钢。
3、合金钢的分类
Wme<3%
渗碳、调质钢
1) 合金结构钢（低合金高强度结构钢、合金结构钢）
2) 弹簧钢
碳素Wc＝0.6～0.9％，合金Wc＝0.45～0.7％ 主加Si、Mn、Cr
3）滚动轴承钢
要求硬度高、耐磨性好、淬透性高、接触疲劳强度高、耐蚀
Wc＝0.95～1.15％， Wcr<1。65％
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4）合金工具钢
（1）低合金刃具钢
车、铣、铰刀等
性能要求：
回火稳定性
a) 硬度和耐磨性；b)强度和韧性；c）红硬性 ；d)工艺性
（2）高速钢 淬透性好，红硬性高，小截面刀具空气中能淬透
典型牌号： W18Cr4V
（3）模具钢
a)冷作模具钢
b)热作模具钢 P70性能
（4）量具钢
多选用碳素工具钢、低合金工具钢（9SiCr、CrMn）、轴承钢
（GCr15）制作
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4、合金钢的牌号
1）低合金高强度结构钢Q295、Q345、Q390、Q460
2）合金结构钢
（1）渗碳钢 20Cr、20CrV、20Mn2、20MnV、20CrMn等
（2）调质钢 40Cr、42SiMn、35CrMo等
（3）弹簧钢 65Mn、60Si2Mn
（4）滚动轴承钢 GCr9、GCr9SiMn、GCr15等
（5）低合金刃具钢
9SiCr、9Mn2V等
（6）高速钢 W18Cr4V
不锈钢牌号前的数字表示平均碳质量分数的千倍。当
Wc≤0.03%或Wc≤0.08%者，在牌号前分别冠以“00”或“0”。
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六、铸铁
1、铸铁的分类及特性
按照石墨形貌的不同，这一类铸铁又可分为灰铸铁（片状
石墨）、可锻铸铁（团絮状石墨）、球墨铸铁（球状石墨）和
蠕墨铸铁（蠕虫状石墨）等四种。
2、石墨化过程
在铁碳合金中，渗碳体只是一
种亚稳定的相，石墨才是一种稳定
的相。石墨化过程是指铸铁中析出
碳原子形成石墨的过程。
影响石墨化的因素主要是化学成分和冷却速度。化学成分
是影响石墨化过程的本质因素。碳和硅是有效促进石墨化的元
素。
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3、铸铁类型
高温、中温、低温阶段，石墨化过程都未能实现，碳以Fe3C
形式存在——白口铸铁。
在高温、中温阶段，石墨化过程得以实现，碳主要以G形式
存在的铸铁——灰铸铁。
在高温阶段石墨化过程得以实现，而中温、低温阶段石墨化
过程没有实现，碳以G和Fe3C两种形式存在的铸铁——麻口铸铁。
低温石墨化过程得以充分进行，获得的铸铁具有铁素体基
体——铁素体灰铸铁。
低温石墨化过程没有进行，获得的铸铁具有珠光体基体——
珠光体铸铁。
低温石墨化过程没有充分进行，获得的铸铁具有铁素体和珠
光体的基体——铁素体-珠光体灰铸铁。
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铸铁的牌号与性能
1. 灰口铸铁
按GB9439-88规定，灰铸铁有六个牌号：HT100（铁素体灰口
铸铁）、HT150（铁素体珠光体灰口铸铁）、HT200和HT250（珠
光体灰口铸铁）、HT300和HT350（孕育铸铁）。HT表示“灰铁”
汉语拼音的字首，后续数字表示直径为30mm铸件试样的最低抗拉
强度（MPa）值。
2. 可锻铸铁
将白口铸件在高温下经长时间的石墨化退火或氧化脱碳处理，
可以获得团絮状形态石墨的高韧性铸铁件，称为可锻铸铁。可锻
铸铁分为珠光体可锻铸铁（如KTZ550-04）、黑心可锻铸铁（如
KTH330-08）和白心可锻铸铁（如KTB380-12）等。
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3. 球墨铸铁
球墨铸铁的组织特征是在室温下在钢的基体上分布着球状形
态的石墨。它是向铁水中加入一定量的球化剂（如镁、稀土元素
等）进行球化处理而获得。按照热处理方法不同，球墨铸铁可分
为铁素体球墨铸铁（QT400-18、QT400-15、QT450-10）和珠光体
球墨铸铁（QT500-7、QT600-3、QT700-2、QT800-2）。
4. 蠕墨铸铁
铸铁基体中的石墨主要以蠕虫状形态存在，称为蠕墨铸铁。
其石墨形状和性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，力学性能优于灰
铸铁，铸造性能优于球墨铸铁，并具有优良的热疲劳性。根据
JB4403-87，其牌号为RuT420、RuT380、RuT340、RuT300、RuT260
等。其力学性能一般以单铸Y形试块的抗拉强度作为验收依据。
球墨铸铁与蠕墨铸铁
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根据下表所列的需求归纳对比几种铸铁的特点
表 几种铸铁的特点
种类
牌号
显微组织
生产方法的特点
力学、工艺性能
灰铸铁
HT150
F+P
碳当量高
差
孕育铸铁
HT300
细P
加孕育剂
较好
球墨铸铁
QT500-7
P
需球化处理和热
处理
可以铁代钢
蠕墨铸铁
RuT300
蠕虫状G
加蠕化剂和孕育
剂
优于于球墨铸铁
可锻铸铁
KTZ550-04
团絮状G
先铸出白口铸铁， 接近于QT但铸
然后石墨化退火 造性能优于QT
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七、 钢的热处理
钢的热处理是将钢在固态下施加不同的加热、保温和冷却，
从而获得所需的组织结构和性能的工艺过程。热处理应伴随固
态相变或扩散。
1、钢在加热和冷却时的相变温度
2、奥氏体的形成过程
钢加热时奥氏体的形成也是
通过形核及长大过程来实现的。
现以共析钢为例说明奥氏体形成
的三个步骤：
亚共析钢与过共析钢的奥氏
体化过程与共析钢基本相同。
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共析钢奥氏体化
1.奥氏体晶核的形成和长大 ；
2.残余渗碳体的溶解 ；
3.奥氏体成分均匀化。
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3、奥氏体的形成速度
共析钢加热到Ac1点以上某一温度到A出现的这段时间称孕育
期。随温度升高，原子扩散速度加快，孕育期缩短。如在740℃
等温转变时，经过10s转变开始，而在800℃等温时，瞬间转变
便开始。
A形成所需时间较短，残余渗碳体溶解所需时间较长，而A
均匀化所需时间更长。例如780℃等温时，形成A的时间不到10s，
残余碳化物完全溶解却需要几百s，而实现A均匀化则需要104s。
亚共析钢和过共析钢奥氏体形成基本上与共析钢相同。但
对于亚共析钢或过共析钢，当珠光体全部转变成奥氏体后，还
有过剩相铁素体或渗碳体的继续转变。
加热温度愈高，原始组织愈细小，奥氏体形成速度愈快。
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TE- P 43
第 43 页
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2)影响奥氏体长大的因素
(1)温度：加热温度越高，晶粒越大；
(2)合金成分：
① 碳含量增高，晶粒长大倾向增大，残余渗碳体增加，则倾向
减小；
② 形成碳化物、氮化物、氧化物的元素增加，则阻碍晶粒长大；
③ 锰、磷元素增加，晶粒增大。
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TE- P 44
第 44 页
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4、TTT曲线
1）C曲线的转变产物
奥氏体过冷到临界点A1以下时，
则为不稳定状态的奥氏体。
随过冷度不同，过冷奥氏体将
发生三种类型转变，即珠光体转变、
贝氏体转变和马氏体转变。TTT曲
线表示了着三种转变情况，现以共
析钢分析：
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第 45 页
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珠光体转变
珠光体转变Ac1 ～550℃,
扩散型转变，又分为：
珠光体型：Ac1 ～650℃
片层较厚， 用符号“P”表示。
索氏体：650～600℃，片
层较薄，用符号“S”表示。
托氏体：600～550℃，片
层极薄，用符号“T”表示。
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TE- P 46
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贝氏体转变
550℃～Ms
贝氏体用符号“B”表示。贝
氏体可分为上贝氏体（B上）和下
贝氏体（B下）。
① B上:550～350℃。呈羽毛状，
B上的力学性能差，无实用价值。
②:B下：350℃～Ms。呈黑针状，
B下具有优良的力学性能，是生产
上常用的组织。
贝氏体形成时只有碳原子发生
扩散，而铁原子不扩散，因此贝
氏体转变属于半扩散型转变。
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TE- P 47
第 47 页
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马氏体转变
M：碳在α-Fe中过饱和的固溶体。转变特点无扩散性 。
马氏体的组织形态分为板条状和针状两大类。
板条M，Wc≤0.20％，板条内的亚结构是高密度的位错，因
而又称为位错马氏体。
片状M。 Wc≥1. 0％，呈双凸透镜的片状，显微组织为片
状。其亚结构主要是孪晶，因此又称为孪晶马氏体。
上马氏体点：发生马氏体转变的开始温度称为上马氏体点，
用“Ms”表示。下马氏体点：马氏体转变的终了温度称为下马氏
体点， 用“Mf”表示。
马氏体转变可归纳为：
① 高速长大 ；② 马氏体转变的不完全性；③ 存在残余奥氏
体，用“A残”表示；④ Ms 、Mf点的温度取决于奥氏体的碳含量。
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TE- P 48
第 48 页
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2）影响C曲线的因素
①碳含量的影响
A 亚共析钢的C曲线随碳含量的增加而向右移。碳是稳定A的元素
B 过共析钢的C曲线随碳含量的增加而向左移。
不进行全A化，未熔Fe3C 增加A的形核率
C 亚共析钢和过共析钢各有一条共析相析出线。
Ⅱ
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TE- P 49
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② 合金元素的影响
A 加入溶于奥氏体的合金元素使C曲线右移。
B 某些合金对珠光体转变与贝氏体转变具有不同的延缓作用，
使C曲线出现两个“鼻子”。
③加热温度和保温时间
加热温度愈高或保温时间愈长，奥氏体晶粒愈粗大，成分也
愈均匀，碳化物溶解愈完全。这些都降低过冷奥氏体转变的形
核率，增加其稳定性，使Ｃ曲线右移。
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第 50 页
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5、连续转变曲线 CCT
共析钢的CCT曲线如图所示。
① CCT曲线由A→P转变开始线Ps和终
了线Pf 及A→P转变中止线K组成。
② 与TTT曲线相比，CCT曲线稍位于
右下方。
③ 曲线中没有贝氏体转变区。
④ 当连续冷却曲线碰到K线时，A→P
则中止；冷至Ms点以下， 则A→M。
⑤ Vk’全部转变为珠光体的临界冷却
速度。
⑥ V’k为转变为马氏体的临界冷却曲
线。
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过共析碳钢的CCT曲线与共析碳钢相比，除了多出一条先
共析渗碳体的析出线外，其它基本相似。但亚共析碳钢的CCT
曲线与共析碳钢却大不相同，它多出一条先共析铁素体的析出
线外，还出现了贝氏体转变区，因此亚共析碳钢在连续冷却后
可以出现由更多产物组成的混合组织。例如45钢经油冷淬火后
得到铁素体、托氏体、上、下贝氏体、马氏体的混合组织。
过共析碳钢和亚共析钢CCT曲线
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例题：直径为10mm的共析钢小试样加热到相变点A1以上30℃，用
图1-82所示的冷却曲线进行冷却，分析其所得到的组织，说明各
属于什么热处理方法。
a
b
c
d
e
f
g
h
热处理方式
水淬
分级淬火
油淬
等温淬火
正火
退火
等温退火
油淬
组 织
M＋A残
M＋A残
S+T＋M＋A残
B下＋ A残
P+S
P
P
例题
T＋M＋A残
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TE- P 53
第 53 页
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例：有一根长2米直径20mm的实心T12钢圆棒，不均匀加热，加热
后棒料温度如图所示，假设各段冷却介质如表所示，请在各段中
填入相应的相组织，并分析其力学性能。
A
B
C
1000 ℃
750 ℃
D
700 ℃
500 ℃
A
B
C
D
水冷
粗M+A残
M+A残
P+Fe3CII
P+Fe3CII
油冷
粗T+M+Fe3CII+A残
T+M+Fe3CII+A残
P+Fe3CII
P+Fe3CII
炉冷
粗P+Fe3CII 网
P+Fe3CII
P+Fe3CII
P+Fe3CII
空冷
粗P+Fe3CII
S+Fe3CII
P+Fe3CII
P+Fe3CII
例：有一根长2米直径20mm
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解题动画
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6、常用钢的热处理工艺
有几种热处理工艺，加热温度，冷却介质，作用及适用范围。
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表1-13
名称
完全
退火
等温
退火
球化
退火
退火和正火的热处理工艺
热处理工艺
组织
将亚共析碳钢加热到Ac3以上
30～50℃，保温，随炉缓冷到
600℃以下，出炉空冷
将奥氏体化后的钢快冷至珠光
体形成温度等温保温，使过冷
奥氏体转变为珠光体，空冷至
室温
应用场合
目的
平衡组织
铁素＋珠
光体
用于亚共析碳 细化晶粒，消除内
钢和合金钢的 应力，降低硬度以
铸、锻件
便于随后的切削加
工
珠光体
用于奥氏体比 与完全退火相同，
较稳定的合金 但所需时间可缩短
钢
一半，且组织也较
均匀
将过共析碳钢加热到Ac1以上
使珠光体中的片状
20～30℃，保温2～4h，使片
渗碳体和网状二次
铁素体基
状渗碳体发生不完全溶解断开
渗碳体球化，以降
体上均匀
成细小的链状或点状，弥散分
低硬度、改善切削
分布的粒 用于共析钢、
布在奥氏体基体上，在随后的
加工性能；获得均
状渗碳体 过共析钢和合
缓冷过程中，或以原有的细小
匀组织，改善热处
组织--- 金工具钢
的渗碳体质点为核心，或在奥
理工艺性能，为以
球状珠光
氏体中富碳区域产生新的核心，
后的淬火作组织准
体
形成均匀的颗粒状渗碳体
备
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名称
热处理工艺
组织
应用场合
目的
加热到1100℃左右，保温
10～15h，随炉缓冷到
350℃，再出炉空冷。工件
经均匀化退火后，奥氏体
晶粒十分粗大，必须进行
一次完全退火或正火来细
化晶粒，消除过热缺陷
粗大晶
粒
用于高质量要求的
优质高合金钢的铸
锭和成分偏析严重
的合金钢铸件
高温长时间保温，
使原子充分扩散，
消除晶内偏析，使
成分均匀化
去应力
退火
将工件随炉缓慢加热到
500～650℃，保温，随炉
缓慢冷却至200℃出炉空冷
组织不
变
用于铸件、锻件、
焊接件、冷冲压件
及机加工件
消除残余内应力，
提高工件的尺寸稳
定性，防止变形和
开裂
正火
将亚共析碳钢加热到Ac3以
上30～50℃，过共析碳钢
加热到Accm以上30～50℃，
保温，空气中冷却
亚共析
F+P
共析
P
过共析
P+Fe3c
适用于碳素钢及中、 对于低碳钢、低碳
低合金钢，因为高 低合金钢，细化晶
合金钢的奥氏体非 粒，提高硬度
常稳定，即使在空 （140～190HBS），
气中冷却也会获得 改善切削加工性能；
马氏体组织
对于过共析钢，消
除二次网状渗碳体，
有利于球化退火的
进行 TE- P 58
续表
均匀化
退火
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淬火冷却方式动画
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TE- P 59
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例：有一T8钢薄壁工件，经测
试，若从750℃冷却到室温时
间为1.7秒，则能获得淬透的
工件，但是其工艺要求规定该
工件同素异构转变时间必须大
于30秒，否则要产生开裂，试
问，应采用什么方法热处理使
工件既不开裂又能淬透？并请
在材料的等温转变图中定性地
画出你的工艺方案。
例：有一T8钢薄壁工件
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7、钢的淬透性
淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。一般规定由
工件表面到半马氏体区的深度作为淬硬层深度。
(2) 淬透性对钢力学性能的影响
钢的淬透性直接影响其热处理后的力学性能。
① 淬透性高的钢，其力学性能沿截面均匀分布。
② 淬透性低的钢，其截面心部的力学性能低。
淬透性的应用
① 对于截面尺寸较大和形状较复杂的重要零件以及要求力
学性能均匀的零件，应选用高淬透性的钢制造。
② 对于承受弯曲和扭转的轴类、齿轮类零件，可选用低淬
透性的钢制造。
③ 在设计和制造零件时，必须考虑钢的热处理尺寸效应。
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8、 钢的回火
1) 回火的目的
① 降低脆性，减少或消除内应力
② 获得工艺所要求的力学性能
③ 稳定工件尺寸
④ 对某些高淬透性的合金钢，可降低硬度，以利加工。
(1) 低温回火（150～250℃）
组织为回火马氏体，能降低内应力和脆性，并保持高硬度
和耐磨性。用于工具、模具、轴承、渗碳件及经表面淬火的工件。
(2) 中温回火（350～500℃）
组织为回火托氏体，具有较高弹性和一定韧性，主要用于弹
簧的处理。
(3) 高温回火（500～650℃）
组织为回火索氏体，具有良好的综合力学性能。
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八、钢中的合金元素
1）合金元素在钢中的分布形式 P61
2）合金元素对钢中基本相的影响
P62
非、中强、强碳化物形成元素
3）合金元素对铁碳相图的影响
4）合金元素对钢的热处理的影响
P62
P63
5）合金元素对钢的回火转变的影响
两种回火脆性温度
P64
在350℃附近回火时为第Ⅰ类回火脆性。它与回火后的冷却方式无关，且无法消除。
淬火合金钢在450～650℃回火时出现的回火脆性，称为第Ⅱ类回火脆性。它与杂质在
奥氏体晶界上的偏析有关。消除第Ⅱ类回火脆性的方法：回火后快速冷却，使杂质来
不及在晶界上偏析，如图1-74所示；对于大截面工件在钢中加入ωＷ=１％或
ωMo=0.5％，回火后缓冷也不发生第Ⅱ类回火脆性。
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第 63 页
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九、钢的表面热处理
掌握感应加热淬火
合金渗碳钢淬火
感应加热表面热处理特点：加热速度快 、奥氏体晶粒细小均匀、表面不易氧化脱碳 、
耐磨性好、不易变形 、生产率高，适用大批生产
表1-17
感应加热种类及应用范围
感应加热类
工作电流频率
型 九、钢的表面热处理
高频感应加
热
超音频感应
加热
淬硬层深
度（mm）
100～200 KHz（常用
0.52
200～300 KHz）
应用范围
中小模数齿轮 （m＜3），中小
轴，机床导轨等
20～60 KHz
2.5～3.5
（常用30～40 KHz）
中小模数齿轮（m = 3～6），
花键轴，曲轴，凸轮轴等
中频感应加
热
500～10000 Hz（常
用2500～800 Hz）
2～10
大中模数齿轮（m = 8～12），
大直径轴类，机床导轨等
工频感应加
热
50 Hz
10～20
大型零件，如冷轧辊、火车车
轮、柱塞等
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第 64 页
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十、钢的形变热处理
形变热处理是把塑性变形（锻、轧等）和热处理工艺紧密结
合起来的一种热处理方法。由于它可以使钢同时受到形变强化和
相变强化，因此可以大大提高钢的综合力学性能。根据形变温度
的高低，可分为中温形变热处理和高温形变热处理两种。
中温形变热处理是把钢加热至奥氏体化，保温一段时间，迅
速冷却到过冷奥氏体的亚稳区，进行大量的（60～90％）塑性变
形，然后淬火得到马氏体组织的综合热处理工艺。中温形变热处
理淬火后需要进行低温回火或中温回火。
高温形变热处理是把钢加热至奥氏体化，保温一段时间，在
该温度下进行塑性变形，随后淬火处理，获得马氏体组织。
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第 65 页
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形变热处理动画
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第 66 页
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强化金属的方法
1、细晶强化
σs= σi+Kyd-1/2
σi反映位错在晶粒内运动时的摩擦阻力，
Ky反映位错运动造成的滑移从一个晶粒传播到相邻晶粒的难易程度。
2、固溶强化
外来原子溶入基体中形成固溶体，产生晶格畸变造成的强化
3、弥散强化
材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生的强化。这种弥散
质点可以是过饱和固溶体时效时的脱溶产物，或是材料制备时特意加入
的弥散质点（如粉末冶金）。
4、形变强化（位错强化）
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冷变形时，使晶粒拉长、产生碎晶、晶格扭曲，造成强化
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第 67 页
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十一、非铁金属材料
掌握铝合金
① 成分在F点以左的合金Ⅱ称为
不能热处理强化的铝合金。
② 成分位于F和D之间的合金称
为能热处理强化的铝合金。
③ 成分位于D点以右的为铸造铝
合金。
④ 应注意：相图中D点仅是合金
的最大饱和溶解度理论分界线，
不可绝对。
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第 68 页
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13．分析在缓慢冷却条件下，45钢和T10钢的结晶过程和室温的
相组成和组织组成。并计算室温下组织的相对量。
习题13
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TE- P 69
第 69 页
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14. 试比较索氏体和回火索氏体，托氏体和回火托氏
体，马氏体和回火马氏体之间在形成条件、组织形态、
性能上的主要区别。
马氏体
托氏体
索氏体
形成条件
形成条件
形成条件
230～－50℃
600～550℃
650～600℃
回火马氏体
回火托氏体
回火索氏体
淬火后低温回火150～250℃以上
淬火后中温回火（350～500℃）
淬火后高温回火500~650℃
组织形态
由尚未发生再结晶的针状铁素体和弥散分
组织形态
碳在α－Fe中过饱和的固溶
由过饱和的α相与其共格的ε－
组织形态 极细片状珠光体
细片状珠光体
由已再结晶的铁素体和均匀分布的细粒
布的极细小的片状或粒状渗碳体所组成。
体，形态为片状或板条状
Fe2.4C组成，形态保留原M形状
状渗碳体所组成。F失去原M形态，成
形态仍为淬火M的片状或板条状
性
能 高碳片状M，硬度（64～ 为多边形颗粒状，同时渗碳体聚集长大
由于需低温淬火的都为高碳钢，故
性
能
66HRC）、脆性大，塑性、
保持淬火M的高硬度（58～62HRC)
性
能 强度和硬度高（30～
强度和硬度较高（25～ 获得较高的屈强比，硬度（35～45HRC)
保持较高的强度和硬度（25～35HRC)
40HRC），塑性和韧
韧性差。低碳板条状M，硬
30HRC），塑性和韧性高的弹性极限，高的韧性。
高耐磨性，降低淬火应力和脆性。
同时具有更好的塑性和韧性。
习题14
性好
度（30～50HRC），塑性韧
较好
性较高
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第 70 页
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16. 现有45号钢材料，
（2）请分别选择力学性能要求一般或力学性能要求高
的生产小轴零件两种合适的热处理方案；
（3） 在TTT曲线上画出这两种热处理方案的工艺曲线，
并分别标出其室温时的组织状态；
解：力学性能要求高：淬火＋高温回火
力学性能要求一般：正火
习题16
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TE- P 71
第 71 页
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习题16动画
调质组织：回火索氏体
正火组织：索氏体
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TE- P 72
第 72 页
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习题17
17．确定下列钢件的退火方法，并指出退火的目的及退
火的组织。
（1）经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度；
再结晶退火
（2）ZG35的铸造齿轮；
去应力退火
（3）改善T12钢的切削加工性能。
球化退火
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TE- P 73
第 73 页
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18．说明直径为10mm的45
钢试样分别经下列温度加
热：700℃、760℃、850℃、
1100℃，保温后在水中冷
却得到的室温组织。
1、700℃：原来组织 F+P
习题18
2、760℃：F+M+A残
3、850℃：M+A残
4、1100℃：粗大的M+A残
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TE- P 74
第 74 页
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19．指出下列工件淬火及回火温度，并说明回火后获得
的组织：
（1）45钢小轴（要求综合力学性能好）；（2）60钢弹
簧；（3）T12钢锉刀。
解（1）45钢小轴，高温回火，回火温度500~650℃，
组织：回火索氏体
解（2）60钢弹簧，中温回火，回火温度350~500℃，
组织：回火托氏体
解（3）T12钢锉刀，低温回火，回火温度150~250℃，
组织：回火马氏体
习题19
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TE- P 75
第 75 页
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20．有两种高强度螺栓，一种直径为10mm，另一种直径
为30mm，都要求有较高的综合力学性能：σb≥800MPa，
αk≥600KJ/m2。试问应选择什么材料及热处理工艺。
10mm直径高强度螺栓：45钢，调质。
30mm直径高强度螺栓：40Cr，调质。
习题20
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TE- P 76
第 76 页
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21．为什么合金弹簧钢以硅为重要的合金元素？为什么
要进行中温回火？
答：在室温下硅能溶于铁素体对钢有一定的强化作用，
硅的加入可使屈强比σs/σb提高到接近1。硅的加入
增加钢的淬透性和回火稳定性。但硅会促使钢在加热
时表面易脱碳，使疲劳强度降低。
习题21
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TE- P 77
第 77 页
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模拟试卷答案：一、改错题（在错误处的文句下方划线，并写出正确的文句只划线不
改错无分；每题1分，共10分。）
1、材料的抗拉强度是指材料达到允许变形程度前的最大应力。 （
断裂
）
2、当外力超过塑性材料的弹性极限后，材料将产生屈服变形，该弹性极限也是材料
的屈服极限。
（
不
）
3、HRA是测定硬质合金、淬火钢、表面淬火层的洛氏硬度测试方法。（ 渗碳 ）
4、低应力脆断是材料在低温下发生脆性所引起的。（
冷脆
）
5、结晶时成核速率愈小，生长速率愈小，则结晶后合金的力学性能愈好（ 大）
6、置换固溶体中溶质原子和溶剂原子半径相差愈小则溶解度愈小。（ 大 ）
7、球化退火为得到在铁素体基体上均匀分布的球状渗碳体，故其冷却速度比完全退
火慢，占用炉子时间长。 （ 短 ）
8、水淬后， 过 共析钢得到的是板状马氏体组织。
（ 亚）
9、利用合金元素产生细晶粒钢，既减少晶界的面积，又提高晶界的强度，可提高钢
的抗高温蠕变性能。 （ 粗 ）
10、包晶反应是一个液态析出另外一个固态的反应。
（ 液相和一个固相 ）
模拟试卷答案
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TE- P 78
第 78 页
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二、填空题：(每空1分，共10分)
1.现代材料成形技术应定义为：一切用物理、化学、 冶金 原理制造机器部件和结
构，或改进机器部件化学成分、 微观 组织及性能的方法。
2.二战中，大量美国造全焊接“自由轮”发生折断事故，这主要是材料在低温下 冲
击韧度 明显降低，而 面心立方 晶格结构的材料不会发生这种冷脆现象。
3.目前我们所知的强化金属的方法有_固溶_ 强化、 细晶 强化和 弥散 强化等。
4.等温淬火法常用来处理形状复杂、尺寸要求精确，并要求有较高 强韧 性的零件淬
火。
5．弹簧淬火后应采用中温回火，可以得到回火 ___回火托氏体____组织。
6. 当某一材料的KIC=62MPa•m1/2，材料中裂纹长度2 a =5.7mm时，要使裂纹失稳扩
展而导致断裂，需要的应力为 20.72 MPa 。
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(K1=σ(πa)1/2)
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TE- P 79
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单项选择题（每题1分，共10分）
1. 金属材料的冲击韧度用符号 ak 表示，其计算单位为 （ 2 ）
(1) N/mm2
(2) J/cm2
(3) kgf•m/mm2
(4) Pa/mm2
2.金属在疲劳试验时，试样承受的载荷为
（ 4 ）
(1) 静载荷
(2) 动载荷
(3) 冲击载荷
(4) 交变载荷
3. 固溶强化的基本原因是
（ 4 ）
(1) 晶格类型发生变化
(2) 晶粒变细
(3) 晶格发生滑移
(4) 晶格发生畸变
4. 碳的质量分数为1.2% 的碳钢，当加热至Ac1～Accm时，其组织应为（ 3 ）
(1) F+A
(2) P+A
(3) A+Fe3CII
(4) P+ Fe3CII
5. A1、Ar1、Ac1、A3之间的关系为
（ 2 ）
(1) A1>Ar1>Ac1>A3
(2) Ar1<A1<Ac1<A3
(3) Ar1>A1>Ac1>A3
(4) A3<Ac1<A1<Ar1
6. 过冷奥氏体转变前所停留的时间称为
（ 1 ）
(1) 孕育期
(2) 转变期
(3) 过渡期
(4) 停留期
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7. 与钢相比，铸铁工艺性能的突出特点是
（ 3 ）
(1)焊接性能好
(2)锻造性能好
(3)流动性好
(4)热处理性能好
8. 量具的最终热处理一般为
（ 4 ）
(1)淬火
(2)淬火+高温回火
(3)等温淬火
(4)淬火+低温回火
9. 60 钢可以制造下列工件
(1) 游标卡尺
(2) 齿轮
（ 2 ）
(3) 塞规
10. 使钢固溶强化最为显著的化学元素有
(1) Cr
(2) Mn
(3) Ni
(4) P
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(4) 锉刀
（ 4 ）
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四、多项选择题（在五个备选答案中，至少有二个答案是正确的。每题2分，共20分）
1. 硬度指标包括以下几种
(1) HBW
(2) HBS
（ 1 ）（ 2 ）（
）（ 4 ）（ 5 ）
(3) HRD
(4) HRC
(5) HV
2. 引起钢脆性的化学元素有 （ 1 ）（
(1) S
(2) Al
(3) P
）（ 3 ）（ ）（ 5 ）
(4) Mn
(5) H
3．等温退火的冷却是将亚共析钢保温后快速冷却到稍低于Ar1的温度，再进行
处理，使A转变为P后，然后（
）（
）（
）（ 4 ）（ 5 ）
(1) 随炉子一起冷却
(2) 在水中冷却
(3) 在油中冷却
(4) 在空气中冷却
(5) 在室温中冷却
4. 在钢冷却时对珠光体转变影响较大的合金元素为
（ 1 ）（ 2 ）（ 3 ）（
(1) Cr
(2) Mo
(3) W
(4) Al
5. 促进石墨化的化学元素有
(1) C
(2)Si
）（ 5 ）
(5) V
（ 1 ）（ 2 ）（ 3 ）（ 4 ）（
(3) Al
(4) Cu
(5) Mn
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）
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6. 工具钢包括
(1) 模具钢
（ 1 ）（ 2 ）（ ）（ 4 ）（ 5 ）
(2) 刃具钢
(3) 耐热钢
(4) 量具钢
(5) 高速钢
7. 高速钢具有
（ 1 ）（ ）（ 3 ）（ 4 ）（ 5 ）
(1) 淬透性 (2) 高塑性 (3) 导电性 (4) 红硬性 (5) 回火稳定性
8. 钢的淬透性主要取决于过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，显著提高钢的淬透性
的合金元素有
（ 1 ）（ 2 ）（ ）（ 4 ）（ 5 ）
(1) Mn (2) Ni (3) Co (4) Cr (5) V
9. 钢正火的目的是
（ 1 ）（ 2 ）（ ）（ 4 ）（5）
(1) 提高硬度、强度
(2) 消除网状二次渗碳体
(3) 降低硬度以利切削加工 (4) 提高钢综合力学性能 (5) 消除内应力
10. 按石墨形态分，铸铁可分为 （ 1 ）（ 2 ）（ 3 ）（ 4 ）（ 5 ）
(1) 普通灰铸铁 (2) 孕育铸铁 (3) 可锻铸铁 (4) 球墨铸铁 (5) 蠕墨铸铁
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五、综合题（共50分）
1．附图所示为四种不同材料的应力-应变曲线（1-4），试比较这四种材料的抗拉强
度、屈服强度（屈服点）、刚度和塑性。
(6分)
答：1) σb： 2>1>3>4
2) σS： 1>3>2>4
3）E： 1>3>2>4
4）δ： 3>2>4>1
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2.现用屈服强度为575MPa的铝合金公路防护杆来代替屈服强度为690MPa的钢制
公路防护杆（铝的密度为2.7g/cm3,钢的密度为7.8g/ cm3），若要求承受同样的外力
而不发生塑性变形，试问：
(1)新防护杆横截面积较原来大多少倍？
（5分）
(2)新防护杆比强度是原来多少倍？
答：σSAl＝FS/A0Al
575 A0Al =690 A0St
σSSt = FS/A0St FS =σSAl A0Al=σSSt A0St
A0Al/ A0St=690/575=1.2
(σSAl/2.7)/( σSSt/7.8)=(575/2.7)/(690/7.8)=212.96/88.46=2.41
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3. 有A、B两元合金，在液态下能无限互溶，在固态中也能无限互溶而形成均匀
固溶体，A组元熔点1090℃，B组元熔点1450℃。在1200℃时，WB为30%的试样液
态质量分数WL为52.63%，固态质量分数WS为47.37%，固态的浓度为WB=40％。而
WB=70%，温度为1360℃时，液相成分为WB=64%，固相成分为WB=76%。请：
1）说明该合金相图为何类相图？
2）绘出该二元合金相图，其中相界线上必须有六个点的位置正确。 （10分）
解：
Ws 
30  x
40  x
30  40  0.4737  0.5263x
x
11.052
 20.999
0.4737
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4. 现有45号钢材料，请
1）根据铁碳合金相图，画出合金从液态冷却到室温的温度—时间曲线，并写出各个
阶段的组织转变过程；
2）如果大批或小批生产小轴零件，请分别选择两种合适的热处理方案；
3）在C曲线上画出这两种热处理方案的工艺曲线，并分别标出其室温时的组织状态；
解：2）大批生产小轴零件，采用正火热处理方案；小批采用调质热处理方案。
3）V1为正火热处理方案，其室温组织为F+S
V2为调质热处理中的淬火，然后高温回火；其室温组织为回火S。
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5. 画出T8钢的过冷奥氏体等温转变曲线。为获得以下组织，应采
用什么冷却方式：并在等温转变曲线上画出冷却曲线示意图。
（1）索氏体
（2）托氏体+马氏体+残余奥氏体
（3）全部下贝氏体 （4）托氏体+马氏体+下贝氏体+残余奥氏
体
（5）马氏体+残余奥氏体
1
2
3
4
5
热处理方式
正火
油淬
等温淬火
分级淬火
水淬
组
织
S
T＋M＋A残
B下＋ A残
T＋M＋B下＋A残
M＋A残
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6．下图为单级齿轮减速箱高速轴部件，请在表内材料部分的三个备选答案中打钩
选择一个正确的答案，并填出各零件热处理方案
（9分）
零件
名称
材料
热处理方法
轴承
挡圈
30、40Cr、T10
正火
带轮
QT600-3、65、T8
正火
轴承
盖
4Cr13、T8、30
正火
箱体
HT250、45、60
去应力退火
轴
QT700-2、45、65
调质
套筒
20、T8、4Cr13
正火
齿轮
20、40Cr、Q390
调质
滚动
轴承
GCr15、20、T8
淬火+低温回
火
轴承
端盖
2Cr13、T10、30
正火
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