《机械基础》金属材料及热处理（1）（讲义）河北省机械类专业 考点讲练测

编写说明：《机械类专业考点讲练测》专辑，是依据河北省普通高校对口考试大纲（专业课）——机械类的考试范围与要求编写的。紧密围绕机械类专业考纲所涉及的三门高考课程的20个考点，精心编撰了42套讲练测。每套讲练测的内容均涵盖考点解读、思维导图、知识梳理、概念回顾、概念强化题、高考真题或高考模拟题、课堂练习、课堂小结以及课后测验等九个环节。 本讲属于《机械类专业考点讲练测》的7套，包含讲义、课件以及测验这三个教学文件，且与之配套使用的还有河北省《机械类考纲百套卷》。欢迎各位老师下载使用，并敬请给予宝贵建议。 河北省《机械类专业考点讲练测》 【机械基础】 7.金属材料及热处理（1） 讲义 [考纲要求] 1．掌握铁碳合金的基本组织和性能。 2．掌握简化的Fe-Fe3C状态图及碳含量对铁碳合金性能的影响。 [思维导图] [知识梳理] 一、金属常见的晶格类型 1.体心立方晶格 这种晶胞是一个立方体,它的8个顶角及其中心各有一个原子,这种结构称为体心立方品格,如纯铁在常温下的晶格状态是体心立方品格,称为-Fe。 2.面心立方晶格 这种晶胞也是一个立方体,它的8个顶角及6个面的中心各有一个原子,这种结构称为面心立方晶格,如纯铁加热到912 ℃以上时就会变成面心立方晶格,称为y-Fe。 3.密排六方晶格 它的晶胞是一个六方柱体,原子排列在柱体的每个角和上、下底面的中心,另外还有3个原子排列柱体的中间,这种晶格类型称为密排六方晶格,如镁。 4.金属的同素异构转变 金属在固态下随着温度的变化,由一种晶格转变为另一种晶格的现象,称为金属的同素异构转变。具有同素异构转变的金属有铁和钛等。例如,液态铁在1538℃进行结晶,得到体心立方晶格的 δ-Fe,当温度降到1 394 ℃ 时,-Fe 转变为面心立方晶格的 y-Fe,温度继续降至 912 ℃时,y-Fe 又转变为体心立方晶格的 α-Fe,温度继续下降,晶格类型不再发生变化。正是由于铁能够发生同素异构转变,才能使钢铁通过热处理的方法改变其组织和性能。 二、铁碳合金的基本组织和性能 1.合金及其组织 (1)合金 合金是一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。 例如:普通黄铜是由铜锌两种金属元素组成的合金,碳素钢是由铁和碳组成的合金。 (2)组元或元 组成合金的最基本的独立物质称为组元或元。硬铝是由铝、铜、镁或铝、铜、锰组成的三元合金。碳素钢是由铁和碳组成的二元合金。(根据合金中元数目的多少,合金可分为二元合金、三元合金、多元合金。) (3)相 在合金中成分、结构及性能相同的组成部分称为相。注:合金的性能一般都是由组成合金的各相性能、数量、组合情况所决定的。 (4)组织 合金的组织是指合金中不同相之间相互组合配置的状态。 (5)合金的组织 根据合金中各组元之间结合方式不同,合金组织可分为固溶体、金属化合物、机械混合物。 1)固溶体:固溶体是一种组元的原子深人另一组元的晶格中所形成的均匀固相。溶人的元 素称为溶质,基体元素称为溶剂。固溶体仍然保持溶剂的晶格类型。 ①分类:按溶质原子在溶剂晶格中分布情况不同,可分为间隙固溶体和置换固溶体间隙固溶体:溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体称为间隙固溶体。置换固溶体:溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体称为置换固溶体。 ②性能影响:由于溶质原子的溶人,溶剂晶格发生畸变,材料塑性变形抗力增加，强度、硬度升高的现象称为“固溶强化”(强化金属材料的重要途径)。 2)金属化合物:合金组元按一定的原子比例数,相互作用而形成一种完全不同于原来组元晶格类型的物质称为金属化合物。其性能特点是熔点高,硬度高,脆性大。金属化合物能提高合金的硬度和耐磨性,但塑性和韧性会降低。 3)机械混合物:两种或两种以上的相按一定质量分数组成的机械混合物质。各相仍保持自己原来的晶格,其性能取决于各相的性能、形态、数量、大小。 2.铁碳合金的基本组织和性能 (1)铁素体(F) 碳溶于 α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体。由于α-Fe 是体心立方晶格,晶格间隙较小,所以碳在 α-Fe 中的溶解度很小,在 727 ℃时,碳在α-Fe 中的最大溶解度为 0.021 8%,随着温度的降低溶解度逐渐减小。其性能与纯铁相似,具有良好的塑性和韧性,强度和硬度较低。 (2)奥氏体(A) 碳溶解于 γ-Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏体。由于 y-Fe 是在高温(1 394~912 ℃)下存在的面心立方晶格结构,晶格间隙较大,故奥氏体的溶碳能力较强,在1148 ℃时溶碳能力为2.11%,随着温度的下降,溶碳能力逐渐减小,在 727 ℃时溶碳能力为 0.77%。其性能与纯铁比较,强度和硬度有所增加,但由于其存在于 727 ℃以上,故有良好的塑性且变形抗力低。 (3)渗碳体(Fe3C) 渗碳体是碳的质量分数为6.69%的铁与碳形成的金属化合物,具有独特的复杂的斜方晶格类型。其性能特点:熔点高(1227 ℃),硬度高(达到950~1050HV),塑性和韧性几乎为零,渗碳体是钢中的主要强化相,在钢或铸铁中以片状、球状或网状分布。 (4)珠光体(P) 珠光体是F和Fe,C的机械混合物。其性能特点介于F和Fe3C之间,一般强度较高,硬度适中,具有一定的塑性。 (5)莱氏体(Ld) 莱氏体是碳的质量分数为4.3%的液态合金在1148℃时从液态合金中结晶出的奥氏体和渗碳体的机械混合物。Ld 为高温(>727 ℃)莱氏体,由于奥氏体在 727 ℃时转变为珠光体,所以在室温下的莱氏体是珠光体和渗碳体组成的机械混合物,称为低温菜氏体(Ld')。由于莱氏体的基体是渗碳体,所以它的性能接近渗碳体,硬度高,塑性差。 三、铁碳合金相图 1.铁碳合金相图的组成 铁碳合金相图如图1-4-1,是表示在缓慢冷却(或缓慢加热)条件下,不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。 2. 铁碳合金状态图中的特性点、线的含义及各区域的组织 (1)主要特性点的温度、碳的质量分数及物理含义(表1-4-1) (2)主要特性线的含义(表1-4-2) (3)共晶转变反应式、共析转变反应式 1)共晶转变:一定成分的液态合金,在某一恒温下,同时结晶出两种固相的转变 共析转变:一定成分的固溶体,在某一恒温下,同时析出两种固相的转变。 3.碳的质量分数对Fe-C合金组织性能的影响规律随着碳的质量分数的增加,强度和硬度不断增加,其韧性和塑性不断下降;当碳的质量分数ωc超过 0.9%时,除硬度继续上升外,塑性、韧性降低,强度明显下降。 4.4铁碳合金的分类 (1)按碳的质量分数分类 工业纯铁:wc≤0.0218% 钢:0.021 8%<wc<2.11% 白口铁:2.11%<wc<6.69% (2)按钢分类 共析钢:wc=0.77%(P) 亚共析钢:wc<0.77%( P+F) 过共析钢:wc>0.77%(P+FeC) (3)按白口铁分类 共晶白口铁:wc=4.3%(Ld') 亚共晶白口铁:wc<4.3%( d'+P+FeC) 过共晶白口铁:wc>4.3%(Ld'+FesC) [师生互动] 1. 什么是合金？ 【答案】:合金是一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。 例如:普通黄铜是由铜锌两种金属元素组成的合金,碳素钢是由铁和碳组成的合金。 2.合金的相是什么？ 【答案】在合金中成分、结构及性能相同的组成部分称为相。注:合金的性能一般都是由组成合金的各相性能、数量、组合情况所决定的 3. 什么是奥氏体(A)？ 【答案】碳溶解于 γ-Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏体。由于 y-Fe 是在高温(1 394~912 ℃)下存在的面心立方晶格结构,晶格间隙较大,故奥氏体的溶碳能力较强,在1148 ℃时溶碳能力为2.11%,随着温度的下降,溶碳能力逐渐减小,在 727 ℃时溶碳能力为 0.77%。其性能与纯铁比较,强度和硬度有所增加,但由于其存在于 727 ℃以上,故有良好的塑性且变形抗力低。 4.铁碳合金如何分类？详细说明分类内容。 【答案】(1)按碳的质量分数分类 工业纯铁:wc≤0.0218% 钢:0.021 8%<wc<2.11% 白口铁:2.11%<wc<6.69% (2)按钢分类 共析钢:wc=0.77%(P) 亚共析钢:wc<0.77%( P+F) 过共析钢:wc>0.77%(P+FeC) (3)按白口铁分类 共晶白口铁:wc=4.3%(Ld') 亚共晶白口铁:wc<4.3%( d'+P+FeC) 过共晶白口铁:wc>4.3%(Ld'+FesC) 5. 金属常见的晶格类型有哪些？ 【答案】1.体心立方晶格 这种晶胞是一个立方体,它的8个顶角及其中心各有一个原子,这种结构称为体心立方品格,如纯铁在常温下的晶格状态是体心立方品格,称为-Fe。 2.面心立方晶格 这种晶胞也是一个立方体,它的8个顶角及6个面的中心各有一个原子,这种结构称为面心立方晶格,如纯铁加热到912 ℃以上时就会变成面心立方晶格,称为y-Fe。 3.密排六方晶格 它的晶胞是一个六方柱体,原子排列在柱体的每个角和上、下底面的中心,另外还有3个原子排列柱体的中间,这种晶格类型称为密排六方晶格,如镁。 [概念强化] 1.渗碳体是铁与碳的混合物。( ) 【答案】× 2.碳在 y-Fe中的溶解度比在 α-Fe 中的溶解度小。( ) 【答案× 3.金属化合物的晶格类型完全不同于任一组元的晶格类型。( ) 【答案】√ 4.α-Fe的晶格类型为______。 【答案】体心立方晶格 5.在 Fe-Fe,c相图中,钢在冷却时,从奥氏体中析出铁素体的开始线常用_____表示,碳在奥氏体中的溶解度曲线常用_______表示,共析转变线常用_______表示。 【答案】A3线 Acm线 A1线 6.铜属于（ ）晶格。 A.面心立方 B.体心立方 C.密排六方 D.以上都不对 【答案】A 7、纯铁在700℃时称为（ ）。 A、α-Fe B、γ-Fe C、δ-Fe D、以上都不对 【答案】A 8、组成合金的最基本的独立物质是（ ） A.相 B. 组元 C.组织 D.合金 【答案】B [高考模拟] 1.（单项选择题）组成合金的最基本的独立物质称为( ) A.相 B.组元 C.组织 D.合金 【答案】B 2. （单项选择题）碳溶解在y-Fe中形成的间隙固溶体称为( ) A. 铁素体 B. 奥氏体 C.渗碳体 D.珠光体 【答案】B 3.（单项选择题）碳的质量分数为0.2%的铁碳合金,在室温下的组织为( ） A.珠光体 B.珠光体+铁素体 C.珠光体+二次渗碳体 D.铁素体 【答案】B 4.（单项选择题）合金中的相结构有（ ） A．固溶体、化合物 B．固溶体、机械混合物 C．化合物、机械混合物 D．固溶体、化合物、机械混合物 【答案】D 5.（单项选择题）组成合金的元素，在固态下互相溶解形成均匀单一的固相称为（ ）。 A．晶体 B．固溶体 C．化合物 D．共晶体 【答案】B 6.（判断题）机械制造中常用的金属材料以纯金属为主。 ( ) 【答案】× 7.（判断题）组元是指组成合金的相组成合金( ) 【答案】× 8.（判断题）形成间隙固溶体时，溶剂原子往往远大于溶质原子。（ ） 【答案】√ 9.（判断题）只要两种原子大小相差不多，原子的性质也较近似时，才可以组成置换固溶体。 ( ) 【答案】√ 10.（判断题）铁素体是固溶体，有固溶强化现象，所以性能为硬而脆。( ) 【答案】× 11.（填空题）在铁碳合金基本组织中，_____、_____和渗碳体属于单相组织。 【答案】奥氏体 铁素体 12.（填空题）根据溶质原子在溶剂晶格中的分布情况，固溶体有二种基本类型，它们是______和_______。 【答案】置换固溶体 间隙固溶体 13.（填空题）铁和碳形成的金属化合物（Fe3C）称为______、含碳量为______。 【答案】渗碳体 6.69% 14.(简答题）为什么固溶强化可以提高金属材料的机械性能？ 【答案】由于固溶体的晶格发生畸变，塑性变形抗力增加，因而使固溶 体强度、硬度提高，塑性、韧性下降。 15.(简答题）为什么固溶强化可以提高金属材料的机械性能？ 【答案】由于40钢含碳量高于20钢，故含有珠光体量较多，所以硬度 与强度要高于20钢，而塑性与韧性要低于20钢。 [课堂练习] 1.（单项选择题）关于Fe3C（渗碳体）描述错误的是( )。 A．铁与碳形成的稳态化合物称为渗碳体 B．渗碳体通常用C表示 C．Fe3C的含碳量为6.69% D．渗碳体的硬度极低 【答案】D 2.（单项选择题）奥氏体的最大的溶碳量为( ) A．0.77% B．＞1.0% C．1.0% D．2.11% 【答案】D 3.（单项选择题）渗碳体的含碳量为6.69%，按其晶体结构来说，它是一种( )。 A．间隙式固溶体 B．置换式固溶体 C．金属化合物 D．机械混合物 【答案】C 4.（填空题）.碳在奥氏体中的溶解度随温度而变化，在1148°时溶碳量可达____，在727°时溶碳量可达_____。 【答案】2.11% 0.77% 5.（简答题）根据铁碳合金简化相图，说明下列现象的原因：1%含碳量的铁碳合金比0.5%含碳量的铁碳合金的硬度高。 【答案】根据铁碳合金简化相图，1%含碳量的铁碳合金所含的Fe3C比0.5%含碳量的铁碳合金所含的Fe3C要多得多，而Fe3C硬度很高，所以1%含碳量的铁碳合金比0.5%含碳量的铁碳合金的硬度高。 6.（简答题）5.工业用铁碳合金是怎样进行分类的？试根据Fe—Fe3C状态图来说明。 【答案】工业用铁碳合金含碳量分，可分为三类： （1）工业纯铁，含碳量小于0.0218%的铁碳合金。 （2）钢，含碳量在0.0218～2.11%范围内的铁碳合金。 其中含碳量在0.0218～0.77%为亚共析钢； 含碳量为0.77%为共析钢； 含碳量在0.77～2.11%为过共析钢 （3）白口铸铁，含碳量在2.11～6.69%范围内的铁碳合金。 其中含碳量在2.11～4.3%为亚共晶白口铁； 含碳量为4.3%为共晶白口铁； 含碳量在4.3～6.69%为过共共晶白口铁 [课堂小结] 1、 金属常见的晶格类型 1. 体心立方晶格 2. 面心立方晶格 3. 密排立方晶格 4. 金属的同素异构转变 2、 铁碳合金的基本组织和性能 1、 合金及其组织 2、 铁碳合金的基本组织和性能 三、铁碳合金相图 学科网（北京）股份有限公司 $$