第1章 材料的结构与性能
教 学 指 导
1. 教学要求
介绍工程材料课程的任务与目的。介绍中华民族对材料发展的重大贡献，新材料新工艺的发展现状。根据结合键对工程材料进行分类。
2. 教学目标
学生了解中华民族对材料发展的重大贡献及新材料新工艺的发展现状，了解材料的结合键，并根据结合键对工程材料进行分类。
3. 教学建议
 (1)  指导学生结合课程内容，浏览相关网站，对工程材料的应用有所了解。
 (2)  建议绪论学时： 1 学时。
教 学 指 导
1. 教学要求
本章重点阐明金属材料的晶体结构，简要阐述晶体缺陷和合金的结构，一般介绍金属材料的组织及性能特点。简要阐述高分子材料的结构与性能特点，一般介绍陶瓷材料的结构与性能特点。
2. 教学目标
学生应重点掌握金属材料的晶体结构，熟悉晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能特点。熟悉高分子材料的结构与性能特点。一般了解陶瓷材料的结构与性能特点。
3. 教学建议
 (1)  晶体结构部分应重点阐明三种常见金属的晶体结构及特点。
 (2)  学生在学习时对“晶面指数及晶向指数的确定”部分的内容会感到困难。要求学生多练多画，掌握常见的晶面和晶向的表示方法。
 (3)  简要阐述高分子材料的大分子链结构与聚集态，结合工程、生活实际归纳高分子材料的性能特点。
 (4)  建议本章学时： 7～8 学时。
习题参考答案
1.1 解释名词  致密度、晶体的各向异性、疲劳强度、热塑性、热固性、玻璃态、高弹态
答:  致密度:  晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数). 
晶体的各向异性:  在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能是不同的。这种性质叫做晶体的各向异性。
疲劳强度:  当交变应力低于一定值时,试样可以经受无限周期循环而不发生疲劳破坏，此应力值称为材料的疲劳极限，亦叫疲劳强度。
热塑性:  聚合物可以通过加热和冷却的方法，使聚合物重复地软化（或熔化）和硬化（或固化）的性能。
热固性:  聚合物加热加压成型固化后，不能再加热熔化和软化的性能，称为热固性。
玻璃态:  在Tg温度以下，在受外力作用下，高聚物链段进行瞬时的微量伸缩和微小的键角变化。外力一经去除，变形即消失；此时高聚物变形量小，而弹性模量较高，变形符合胡克定律，应变与应力成直线关系，并在瞬时达到平衡。高聚物的这种状态叫做无定形的玻璃态。
高弹态:  在Tg温度以上，Tf温度以下，高聚物受力时，卷曲链沿外力方向舒展拉伸，产生很大的弹性变形，外力去除后，分子链又逐渐回缩到原来的卷曲状态，弹性变形消失；高聚物表现为柔软而富有弹性，具有橡胶的特性。此时高聚物变形量很大，而弹性模量较低，外力去除后变形可以回复，弹性是可逆的。高聚物的这种状态叫高弹态。
1.2 选择正确答案
 (1)  晶体中的位错属于：  (c) 
a. 体缺陷      b. 面缺陷     c. 线缺陷    d. 点缺陷
 (2)  在面心立方晶格中，原子密度最大的晶向是： (b)
a. 〈100〉b. 〈110〉c. 〈111〉d. 〈120〉
 (3)  在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是： (b)
 a. {100}b. {110}c. {111}d. {120}
 (4)  固溶体的晶体结构: (a)
a. 与溶剂相同b. 与溶质相同
c. 与溶剂、溶质都不同d. 与溶剂、溶质都相同
 (5)  线型非晶态高聚物温度处于Tg～Tf之间时的状态是： (d)
a. 玻璃态，表现出高弹性      b. 高弹态，表现出不同弹性  
c. 粘流态，表现出非弹性d. 高弹态，表现出高弹性
 (6)  高聚物的粘弹性指的是： (a)
a. 应变滞后于应力的特性b. 应力滞后于应变的特性
c. 粘性流动的特性d. 高温时才能发生弹性变形的特性
1.3 综合分析题
 (1)  在立方晶胞中画出（110) 、 (120）晶面和\、\20\] 晶向。
解:  见图1-1. 
图 1-1
 (2)  画出体心立方晶格、面心立方晶格中原子最密的晶面和原子最密的晶向上原子分布图。
解:  见图1-2. 
图 1-2
 (3)  已知 α-Fe的晶格常数a=0.287nm，试求出α-Fe的原子半径和致密度。
解:  r原子=34a=34×0.287≈0.124(nm)
43πr3原子×2a3=43π34a3×2a3≈0.68=68%
 (4)  在常温下,已知铜原子的直径d=0.255nm，求铜的晶格常数。
解:  r原子=24a
12d原子=24a
12×0.255=24a
a≈0.360(nm)
 (5)  位错对金属性能有什么影响？
答:  位错的存在极大地影响金属的力学性能。当金属为理想晶体或仅含极少量位错时，金属的屈服强度σs很高，当含有一定量的位错时，强度降低。当进行形变加工时，位错密度增加，σs将会增高。 (6)  什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？
答:  形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。
固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。晶格畸变随溶质原子浓度的增高而增大。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。 (7)  间隙固溶体和间隙相有什么不同？
答:  合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。间隙固溶体的晶体结构与溶剂相同。
由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物称为间隙化合物。当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。间隙相的晶体结构和特性完全不同于任一组元。间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度，非常稳定。它们的合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。 (8)  简述高聚物大分子链的结构和形态，它们对高聚物的性能有何影响？
答:  高聚物大分子链的结构主要有线型、支化型和体型三类： ①线型分子链： 各链节以共价链连接成线型长链分子，像一根长线，呈卷曲状或线团状； ②支化型分子链： 在主链的两侧以共价链连接相当数量的长短不一的支链，其形状有树枝形、梳形、线团形； ③体型(网型或交联型):  分子链在线型或支化型分子链之间，沿横向通过链节以共价键连接起来，形成的三维(空间)网状大分子。
线型和支化型分子链构成的聚合物统称线型聚合物，具有高弹性和热塑性，可以通过加热和冷却的方法，重复地软化（或熔化）和硬化（或固化），例如涤纶、尼龙、生橡胶等。体型分子链构成的聚合物称为体型聚合物，具有较高的强度和热固性，加热加压成型固化后，不能再加热熔化和软化，例如酚醛树脂、环氧树脂、硫化橡胶等。 (9)  画出线型非晶态高聚物的变形度随温度变化的曲线。
解:  见图1-3. 
图 1-3
 (10)  陶瓷的典型组织由哪几种相组成？
答:  陶瓷的典型组织由晶体相、玻璃相和气相组成。其中晶体相是陶瓷的主要相，决定陶瓷的基本性能；玻璃相起粘结剂的作用；气相是陶瓷组织中残留的孔洞，极大地破坏其力学性能。

第2章 金属材料组织和性能的控制
教 学 指 导
1. 教学要求  本章阐述金属材料组织和性能的影响因素及其控制方法，包括纯金属的结晶、合金的结晶、金属的塑性加工、钢的热处理、钢的合金化、表面技术等内容。
简要阐述纯金属结晶的条件和结晶过程、同素异构转变、细化铸态金属晶粒的措施。
简要阐述发生匀晶反应的合金的结晶过程和发生共晶反应的合金的结晶过程。
重点阐明铁碳相图、典型铁碳合金的平衡结晶过程。简要阐述铁碳合金的成分-组织-性能关系。
简要阐述金属塑性变形的微观机制、塑性变形对金属组织和性能的影响，以及再结晶对金属组织和性能的影响。
重点阐明钢的热处理原理和热处理工艺（退火、正火、淬火、回火、表面热处理和化学热处理），一般介绍钢的热处理新技术。
简要阐述合金元素在钢中的作用，以及合金元素对钢的热处理、钢的力学性能、工艺性能的影响。
一般介绍电刷镀、热喷涂、气相沉积、激光表面改性等新技术。
2. 教学目标
本章是工程材料课程的重点。学生应重点掌握以下内容： 铁碳相图，典型铁碳合金的平衡结晶过程，杠杆定律，铁碳合金的成分-组织-性能关系。过冷奥氏体的等温转变 (C曲线）, 过冷奥氏体的连续冷却转变，钢的淬透性、淬硬性。退火、正火、淬火、回火、表面热处理和化学热处理等热处理工艺。
熟悉纯金属、合金的结晶，金属的塑性加工、再结晶对金属组织和性能的影响规律。熟悉合金元素在钢中的作用，合金元素对钢的热处理、钢的力学性能的影响。
表面技术部分作一般了解。
3. 教学建议
 (1)  本章阐述的金属材料组织与性能的影响因素和规律，是工程材料学的基本理论基础。本章是课程的重点，需要扎扎实实地学习好，掌握金属材料组织与性能的主要影响因素和规律，为后面学习金属材料知识打好基础。
 (2)  本章内容多，安排的教学学时应多一些。本章中有一些难点和重点，要求着重理解。可以安排几次讨论。
 (3)  若有条件，组织学生参观机械厂、热处理厂，以便对金属材料的生产和加工过程有所了解。理论联系实际，学习效果会更好。
 (4)  指导学生浏览相关网站，收集材料生产和加工新技术有关资料，拓宽知识面。
 (5)  建议本章学时： 8～9学时。
习题参考答案
2.1 解释名词
过冷度、非自发形核、变质处理、珠光体、滑移、加工硬化、再结晶、本质晶粒度、球化退火、马氏体、淬透性、淬硬性、调质处理、回火稳定性、二次硬化、回火脆性
答:  过冷度: 理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度，用 ΔT表示。
非自发形核: 金属结晶时，杂质的存在常常能够促进晶核在其表面上形成。这种依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核。
变质处理: 在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织的方法。
珠光体: 奥氏体发生共析反应的产物,是铁素体与渗碳体的共析混合物。
滑移: 滑移是晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动。滑移是晶体内部位错在切应力作用下产生滑移运动的结果。
加工硬化: 金属发生塑性变形，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化，也叫形变强化。产生加工硬化的原因是： 金属发生塑性变形时，位错密度增加，位错间的交互作用增强，相互缠结，造成位错运动阻力的增大，引起塑性变形抗力提高。另一方面，由于亚晶界增多，使强度得以提高。
再结晶: 塑性变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。这个过程称为再结晶。变形金属进行再结晶后，强度和硬度明显降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除，此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。
本质晶粒度:  钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向用本质晶粒度来表示。钢加热到 (930±10) ℃、保温8h、冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。
球化退火:  球化退火为使钢中碳化物球状化的热处理工艺。目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（球化退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备。球化退火主要用于共析钢和过共析钢，球化退火后的显微组织为在铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体。球化退火的加热温度略高于Ac1。球化退火需要较长的保温时间来保证二次渗碳体的自发球化。保温后随炉冷却。
马氏体:  马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。
淬透性:  钢接受淬火时形成马氏体的能力叫做钢的淬透性。钢的淬透性可用末端淬火法测定。淬透性表示方法：J××-d  淬透性主要取决于合金元素的种类和合金元素的质量分数。
淬硬性:  钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性。淬硬性主要决定于M的碳质量分数。
调质处理:  淬火加高温回火称为调质处理。
回火稳定性:  淬火钢对回火过程中发生的各种软化倾向（如马氏体的分解、碳化物的析出与长大和铁素体再结晶等）的抵抗能力。
二次硬化:  含有Mo、W、V等碳化物形成元素的合金钢，在回火过程中由于碳化物的弥散析出，其硬度不是随回火温度升高而单调降低，而是到某一温度(约400℃)后反而开始增大，并在另一更高温度(一般为550℃左右)达到峰值，这就是回火过程的二次硬化现象。二次硬化也同时由回火时冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火所引起。
回火脆性:  回火过程中出现的冲击韧度降低的现象称为回火脆性。在250～400℃回火时韧性下降，由此产生的脆性称为第一类回火脆性(又称低温回火脆性)；在450～600℃回火时韧性再次降低，由此产生的脆性称为第二类回火脆性(又称高温回火脆性). 
2.2 填空题
 (1)  结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，这两个过程是（生核）和 (长大) . 
 (2)  固溶体的强度和硬度比溶剂的强度和硬度（高) . 
 (3)  固溶体出现枝晶偏析后，可用（扩散退火）加以消除。
 (4)  一合金发生共晶反应，液相L生成共晶体(α+β)。共晶反应式为（L→(α+β)) ，共晶反应的特点是（恒温进行，三相共存，三相成分确定) . 
 (5)  一块纯铁在912℃发生α-Fe→γ-Fe转变时，体积将(缩小). 
 (6)  珠光体的本质是(铁素体与渗碳体的共析混合物). 
 (7)  在铁碳合金室温平衡组织中，含Fe3CII最多的合金成分点为(E点)，含Le′最多的合金成分点为(C点). 
 (8)  用显微镜观察某亚共析钢，若估算其中的珠光体体积分数为80%，则此钢的碳的质量分数为（0.62%) . 
 (9)  造成加工硬化的根本原因是（位错密度增加，位错间的交互作用增强，相互缠结，造成位错运动阻力的增大) . 
 (10)  变形金属的最低再结晶温度与熔点的关系是（T再=(0.35～0.4)T熔点) . 
 (11)  马氏体的显微组织形态主要有（板条马氏体) 、 (针状马氏体）两种，其中（板条马氏体）的韧性较好。
 (12)  钢的淬透性越高，则其C曲线的位置越（靠右) ，说明临界冷却速度越（小) . 
 (13)  球化退火的主要目的是（使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化，以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备) ，它主要适用于（共析钢和过共析）钢。
 (14)  亚共析钢的正常淬火温度范围是（Ac3以上30～50℃) ，过共析钢的正常淬火温度范围是（Ac1以上30～50℃) . 
 (15)  淬火钢进行回火的目的是（为了消除内应力、尺寸稳定并获得所要求的组织和性能) . 
 (16)  合金元素中，碳化物形成元素有（Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti) . 
2.3 是非题
 (1)  当形成树枝状晶体时，枝晶的各次晶轴将具有不同的位向，故结晶后形成的枝晶是一个多晶体。 (错) 
 (2)  晶粒度级数的数值越大，晶粒越细。 (对) 
 (3)  平衡结晶获得的Ni质量分数为20%的Cu-Ni合金比Ni质量分数为40%的Cu-Ni合金的硬度和强度要高。(错)
 (4)  一个合金的室温组织为α+βII +(α+β),它由三相组成。(错)
 (5)  铁素体的本质是碳在α-Fe中的间隙相。(错)
 (6)  20钢比T12钢的碳质量分数要高。(错)
 (7)  在退火状态（接近平衡组织）45钢比20钢的塑性和强度都高。(错)
 (8)  在铁碳合金平衡结晶过程中，只有碳质量分数为4.3%的铁碳合金才能发生共晶反应。(错)
 (9)  因为BCC晶格与FCC晶格具有相同数量的滑移系，所以两种晶体的塑性变形能力完全相同。 (错) 
 (10)  马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。当奥氏体向马氏体转变时，体积要收缩。 (错) 
 (11)  当把亚共析钢加热到Ac1和Ac3之间的温度时，将获得由铁素体和奥氏体构成的两相组织，在平衡条件下，其中奥氏体的碳质量分数总是大于钢的碳质量分数。 (对) 
 (12)  经退火后再高温回火的钢，能得到回火索氏体组织，具有良好的综合力学性能。 (错) 
 (13)  感应加热过程中，电流频率越大，电流渗入深度越小，加热层也越薄。 (对) 
 (14)  所有的合金元素都能提高钢的淬透性。 (错) 
 (15)  60Si2Mn钢比T12和40钢有更好的淬透性和淬硬性。 (错) 
2.4 选择正确答案
 (1)  在发生L→(α+β)共晶反应时，三相的成分： (b)
a. 相同       b. 确定       c. 不定    d. 变化
 (2)  共析成分的合金在共析反应γ→(α+β)刚结束时，其组成相为： (b)
a. γ、α、βb. α、βc.  (α+β) d. γ、β
 (3)  T10钢的碳质量分数为： (b)
a. 0.1%b. 1.0%c. 10%  d. 0.01%
 (4)  面心立方晶格的晶体在受力变形时的滑移面是： (b)
a. {100}b. {111}c. {110}d. {120}
 (5)  体心立方晶格的晶体在受力变形时的滑移方向是： (b)
a. 〈100〉b. 〈111〉c. 〈110〉d. 〈120〉
 (6)  共析钢的过冷奥氏体在550～350℃的温度区间等温转变时,所形成的组织是：  (c) 
a. 索氏体b. 下贝氏体c. 上贝氏体   d. 珠光体
 (7)  马氏体的硬度取决于：  (c) 
a. 冷却速度b. 转变温度c. 碳质量分数d. 冷却介质
 (8)  直径为10mm的40钢的常规淬火温度大约为：   (b) 
a. 750℃b. 850℃c. 920℃d. 1100℃
 (9)  直径为10mm的40钢在常规淬火温度加热水淬后的显微组织为：  (a) 
a. 马氏体b. 铁素体+马氏体
c. 马氏体+珠光体d. 索氏体
 (10)  20钢的渗碳温度范围是：  (c) 
a. 600～650℃b. 800～820℃c. 900～950℃d. 1000～1050℃
 (11)  钢的淬透性主要取决于:  (c) 
a. 钢中碳质量分数b. 冷却介质
c. 钢中合金元素种类和质量分数d. 冷却速度
2.5 综合分析题
 (1)  在实际应用中，细晶粒金属材料往往具有较好的常温力学性能，细化铸造金属材料晶粒的措施有哪些？
答:  提高液态金属的冷却速度,增大金属的过冷度。
变质处理；在液体金属中加入孕育剂或变质剂，增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，以细化晶粒和改善组织。
在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法；或进行电磁搅拌，将正在结晶的金属置于一个交变的电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加了结晶的核心，从而可细化晶粒。 (2)  求碳的质量分数为3.5%的、质量为10kg的铁碳合金从液态缓慢冷却到共晶温度（但尚未发生共晶反应）时所剩下的液体的碳的质量分数及液体的质量。
解:  L中的碳质量分数： w(C)=4.3%
L的质量分数： w(L)=3.5-2.114.3-2.11×100%≈63.5%
L的质量： QL=10×63.5%=6.35(kg)
 (3)  比较退火状态下的45钢、T8钢、T12钢的硬度、强度和塑性的高低，简述原因。
答:  硬度： 45钢最低，T8钢较高，T12钢最高。因为退火状态下的45钢组织是铁素体+珠光体，T8钢组织是珠光体，T12钢组织是珠光体+二次渗碳体。随着碳含量的增加，退火状态的铁碳合金组织中硬度低的铁素体含量减少，硬度高的渗碳体含量增多，所以45钢的硬度最低，T8钢的硬度较高，T12钢的硬度最高。
强度： 因为铁素体强度低，因此45钢强度最低。T8钢组织是珠光体，强度最高。T12钢中含有脆性的网状二次渗碳体，隔断了珠光体之间的结合，所以T12钢的强度比T8钢要低。但T12钢中网状二次渗碳体不多，强度降低不大，因此T12钢的强度比45钢强度要高。
塑性： 随着碳含量的增加，退火状态的铁碳合金组织中塑性好的铁素体含量减少，脆性大的渗碳体含量增多，所以45钢的塑性最好，T8钢的塑性较差，T12钢的塑性最差。 (4)  为什么碳钢进行热锻、热轧时都要加热到奥氏体区？
答:   因为奥氏体是面心立方晶格，其滑移变形能力大，钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。 (5)  手锯锯条、普通螺钉、车床主轴分别用何种碳钢制造？
答:  手锯锯条用T10钢制造。
普通螺钉用Q195、Q215钢制造。
车床主轴用45钢制造。 (6)  为什么细晶粒钢强度高，塑性、韧性也好？
答:  多晶体中，由于晶界上原子排列不很规则，阻碍位错的运动，使变形抗力增大。金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。
多晶体中每个晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软位向)，另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)。在发生滑移时，软位向晶粒先开始。当位错在晶界受阻逐渐堆积时，其他晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形，变形分散在材料各处。晶粒越细，金属的变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹的形成和发展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形，因此使金属的塑性提高。
由于细晶粒金属的强度较高，塑性较好，所以断裂时需要消耗较大的功，因而韧性也较好。因此细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。 (7)  金属塑性变形后组织和性能会有什么变化？
答:  金属发生塑性变形后，晶粒发生变形，沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒变成细条状(拉伸时)，金属中的夹杂物也被拉长，形成纤维组织。金属经大的塑性变形时，由于位错的密度增大和发生交互作用，大量位错堆积在局部地区，并相互缠结，形成不均匀的分布，使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块，而在晶粒内产生亚晶粒。金属塑性变形到很大程度(70%以上)时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋近于一致，形成特殊的择优取向，这种结构叫做形变织构。
金属发生塑性变形，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化，也叫形变强化。另外，由于纤维组织和形变织构的形成，使金属的性能产生各向异性。 (8)  已知金属钨、铅的熔点分别为3380℃ 和327℃，试计算它们的最低再结晶温度，并分析钨在 900℃加工、铅在室温加工时各为何种加工？
答:  金属的最低再结晶温度为： T再=(0.35～0.4)T熔点
对金属钨： T熔点=273+3380=3653K
T再=(0.35～0.4)T熔点=1279～1461K =1006～1188℃
在900℃对金属钨进行加工，加工温度低于其最低再结晶温度，应属冷加工。
对金属铅： T熔点=273+327=600K
T再=(0.35～0.4)T熔点=210～240K =-63～-33℃
在室温（如20℃）对金属铅进行加工，加工温度明显高于其最低再结晶温度的上限-33℃，应属热加工。 (9)  再结晶和重结晶有何不同？
答:  再结晶是指将冷变形（冷加工）的金属加热到最低再结晶温度以上，通过原子扩散，使被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶，同时消除加工硬化现象，使金属的强度和硬度、塑性和韧性恢复至变形前的水平。再结晶时不会发生晶体结构类型的转变。
有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等。这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变，也叫做重结晶。重结晶也是一个通过原子扩散进行的形核、长大过程，但同时发生晶体结构类型的转变。 (10)  画出珠光体、下贝氏体和低碳马氏体在显微镜下的形态示意图。
图 1-4
 (11)  试述马氏体转变的基本特点。
答:  过冷A转变为马氏体是低温转变过程，转变温度在Ms～Mf之间，其基本特点如下： 
① 过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变
铁和碳原子都不能进行扩散。铁原子沿奥氏体一定晶面集体地作一定距离的移动，使面心立方晶格改组为体心正方晶格，碳原子原地不动，过饱和地留在新组成的晶胞中；增大了其正方度c/a. 马氏体就是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。过饱和碳使α-Fe的晶格发生很大畸变，产生很强的固溶强化。
② 马氏体的形成速度很快
奥氏体冷却到Ms点以下后，无孕育期，瞬时转变为马氏体。随着温度下降，过冷A不断转变为马氏体,是一个连续冷却的转变过程。
③ 马氏体转变是不彻底的
总要残留少量奥氏体。奥氏体中的碳含量越高，则Ms、Mf越低，残余A含量越高。
④ 马氏体形成时体积膨胀
体积膨胀在钢中造成很大的内应力，严重时导致开裂。 (12)  马氏体的本质是什么？它的硬度为什么很高？为什么高碳马氏体的脆性大？
答:  马氏体的本质： 马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。
由于过饱和的间隙碳原子造成晶格的严重畸变，形成强烈的应力场并与位错发生强烈的交互作用产生固溶强化。马氏体转变时在晶体内造成晶格缺陷密度很高的亚结构（板条状马氏体的高密度位错、片状马氏体的微细孪晶）阻碍位错运动，提高了马氏体的硬度（马氏体相变强化）。马氏体形成后，碳及合金元素向位错或其他缺陷扩散偏聚析出，钉扎位错，使位错难以运动（马氏体时效强化）。因此马氏体的硬度很高。
高碳马氏体由于碳的过饱和度大，晶格严重畸变，淬火应力大，同时存在孪晶结构和高密度显微裂纹，所以脆性大，塑性、韧性极差。 (13)  为什么钢件淬火后一般不直接使用，需要进行回火？
答:  钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的组织和性能，必须将其加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间进行回火处理。这是因为： 第一，淬火后得到的是性能很脆的马氏体组织，并存在内应力，容易产生变形和开裂；第二，淬火马氏体和残余奥氏体都是不稳定组织，在零件使用时会发生分解，导致零件尺寸的变化，这对精密零件是不允许的；第三，为了获得要求的强度、硬度、塑性和韧性，以满足零件的使用要求。 (14)  说明直径为6mm的45钢退火试样分别经下列温度加热： 700℃、760℃、840℃、1100℃，保温后在水中冷却得到的室温组织。
答:  加热到700℃保温后水冷的组织： 铁素体+珠光体；
加热到760℃保温后水冷的组织： 铁素体+马氏体；
加热到840℃保温后水冷的组织： 细小马氏体；
加热到1100℃保温后水冷的组织： 粗大马氏体。 (15)  两个碳质量分数为1.2%的碳钢薄试样，分别加热到780℃和900℃，保温相同时间奥氏体化后，以大于淬火临界冷却速度的速度冷却至室温。试分析： 
① 哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大？
② 哪个温度加热淬火后马氏体中碳质量分数较少？
③ 哪个温度加热淬火后残余奥氏体量较多？
④ 哪个温度加热淬火后未溶碳化物量较多？
⑤ 你认为哪个温度加热淬火合适？
答:  ① 加热温度高者奥氏体粗大，粗大奥氏体冷却后转变组织也粗大，因此加热到900℃的试样淬火后马氏体晶粒较粗大。
② 将试样加热到900℃时，其组织为单相奥氏体，奥氏体中的碳质量分数为1.2%。将试样加热到780℃时，其组织为奥氏体+渗碳体，由于有渗碳体，即一部分碳存在于渗碳体中，奥氏体中的碳质量分数必然降低（奥氏体中的碳质量分数可用铁碳相图确定： 约为0.95%) , 因此加热到780℃时的试样淬火后马氏体中碳质量分数较少。
③ 奥氏体中碳质量分数越高，淬火后残余奥氏体量越多，因此加热到900℃的试样淬火后残余奥氏体量较多。
④ 将试样加热到900℃时，其组织为单相奥氏体，淬火后组织为马氏体+残余奥氏体。将试样加热到780℃时，其组织为奥氏体+渗碳体，淬火后组织为马氏体+渗碳体+残余奥氏体。故加热到780℃的试样淬火后未溶碳化物量较多。
⑤ 780℃加热淬火合适。 (16)  指出下列工件的淬火温度及回火温度，并说出回火后获得的组织。
① 45钢小轴（要求综合力学性能好）; 
② 60钢弹簧；
③ T12钢锉刀。
答:  ① 45钢小轴经调质处理，综合性能好，其淬火温度为830～840℃（水冷），回火温度为580～600℃。回火后获得的组织为回火索氏体。
② 60钢弹簧的淬火温度为840℃（油冷），回火温度为480℃。回火后获得的组织为回火屈氏体。
③ T12钢锉刀的淬火温度为770～780℃（水冷），回火温度为160～180℃。回火后获得的组织为回火马氏体+二次渗碳体+残余奥氏体。 (17)  合金元素提高钢的回火稳定性的原因何在？
答:  合金元素在回火过程中推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变(即在较高温度才开始分解和转变); 提高铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度，因此提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。 (18)  为什么说得到马氏体随后回火处理是钢的最经济而又最有效的强韧化方法？
答:  淬火形成马氏体时，马氏体中的位错密度增高，而屈服强度随着位错密度的增高而增高。马氏体形成时，奥氏体被分割成许多较小的，取向不同的区域(马氏体束)，产生相当于晶粒细化的作用。马氏体中的合金元素也有固溶强化作用，马氏体是过饱和固溶体，回火时析出碳化物，使固溶强化效应减小，但使韧性大大改善，同时析出的碳化物粒子能造成强烈的第二相强化。所以，获得马氏体并对其回火是钢的最经济和最有效的综合强化方法。 (19)  什么是激光淬火？它有什么特点？
答:  激光淬火： 高能密度的激光束照射工件，使其需要硬化的部位瞬时吸收光能并立即转化成热能，温度急剧上升，形成奥氏体，而工件基体仍处于冷态，与加热区之间有极高的温度梯度。一旦停止激光照射，加热区因急冷而实现工件的自冷淬火。获得超细化的隐晶马氏体组织。
激光淬火的特点： 
① 生产率高 具有极快的加热速度(104～106℃/s)和极快的冷却速度(106～108℃/s), 工艺周期只需0.1s即可完成。
② 可作为工件加工的最后工序 激光淬火仅对工件局部表面进行，淬火硬化层可精确控制，淬火后工件变形小，几乎无氧化脱碳现象，表面粗糙度低。
③ 激光淬火的硬度可比常规淬火提高15%～20%。耐磨性可大幅度提高。
④ 自冷淬火避免了水、油等淬火介质，有利于防止环境污染。 (20)  用T10 钢制造形状简单的车刀，其工艺路线为： 
锻造→热处理→机加工→热处理→磨加工
① 写出其中热处理工序的名称及作用。
② 制定最终热处理(磨加工前的热处理)的工艺规范，并指出车刀在使用状态下的显 微组织和大致硬度。
答:  ① 锻造→正火→球化退火→机加工→淬火、低温回火→磨加工。
正火： 得到索氏体+二次渗碳体，均匀、细化组织，消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。
球化退火： 使二次渗碳体及索氏体中的渗碳体球状化，得到球化体。改善机加工性能，同时为淬火作组织准备。
淬火： 得到马氏体+粒状渗碳体+残余奥氏体。提高硬度，提高车刀的耐磨性。
低温回火： 得到回火马氏体+粒状渗碳体+残余奥氏体，降低淬火应力，提高工件韧性，同时保证淬火后的高硬度和高耐磨性。
② 淬火： 加热温度760℃，保温后水冷。
低温回火： 加热温度150～250℃，保温后炉冷或空冷。
成品组织： 回火马氏体＋粒状渗碳体＋残余奥氏体。
硬度： 58～64HRC.