哈尔滨理工大学 200—200学年第学期考试试题A卷 考试科目:材料科学基础考试时间:120分钟试卷总分100分 注意:本试卷共两部分,第一部分为金属学;第二部分为热处理。 第一部分:金属学(60分) 、画出立方晶系中(011)晶面和[231]晶向。(本题4分) 试判断位错反应[10→>[121]+[21能否进行?(本题4分) 装 三、根据凝固理论,试述细化晶粒的基本途径。(本题6分) 级 四、何谓钢的热脆性?是怎样产生的?如何防止?(本题6分) 五、什么叫珠光体?试计算珠光体中Fe3C的相对含量。(本题6分) 六、试分析0.77%的碳钢从液态冷到室温时的 入 结晶过程。画出结晶过程示意图。(本题8分) 七、根据Pb-Bi-Sn相图的投影图(图1)写出P 点的反应式,并指出反应类型(本题4分) 八、试写出Ha1l- Petch公式,说明室 Pb P(Pb2Bi) E Bi 温下金属晶粒越细强度高而塑性好 姓 的原因。(本题4分) 图1Pb-Bi-Sn合金相图投影图 九、为什么钢的渗碳在奥氏体中进行而不在铁素体中进行?(本题6分) 线 十、什么叫金属材料的热变形?现已知铁的熔点为1538℃,试估算铁的最低 再结晶温度。(本题8分) (部、中心、教研室):金属材料,出题教师:郭英奎,系(部、中心、教研室)主任 第1页共3页
哈尔滨理工大学 200 －200 学年第 学期考试试题 A 卷 系（部、中心、教研室）：金属材料，出题教师：郭英奎，系（部、中心、教研室）主任： 第 1 页共 3 页 考试科目：材料科学基础 考试时间：120 分钟 试卷总分 100 分 注意：本试卷共两部分，第一部分为金属学；第二部分为热处理。 第一部分：金属学（60 分） 一、画出立方晶系中（011）晶面和[231]晶向。（本题 4 分） 二、试判断位错反应 [211] 6 [121] 6 [110] 2 − − − − → + a a a 能否进行？（本题 4 分） 三、根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。（本题 6 分） 四、何谓钢的热脆性？是怎样产生的？如何防止？（本题 6 分） 五、什么叫珠光体？试计算珠光体中 Fe3C 的相对含量。（本题 6 分） 六、试分析 0.77%的碳钢从液态冷到室温时的 结晶过程。画出结晶过程示意图。（本题 8 分） 七、根据 Pb-Bi-Sn 相图的投影图（图 1）写出 P′ 点的反应式，并指出反应类型 （本题 4 分） 八、试写出 Hall-Petch 公式，说明室 温下金属晶粒越细强度高而塑性好 的原因。（本题 4 分） 九、为什么钢的渗碳在奥氏体中进行而不在铁素体中进行？（本题 6 分） 十、什么叫金属材料的热变形？现已知铁的熔点为 1538℃，试估算铁的最低 再结晶温度。（本题 8 分） 装 订 线 班 级 ： 学 号 ： 姓 名 ： Pb Sn Bi E1 E2 E3 P(Pb2Bi) P΄ E 图 1 Pb-Bi-Sn 合金相图投影图
第二部分:热处理(40分) 、计算题(10分) 共析钢780℃时珠光体等温转变为奧氏体,根据公式(1)估算奥氏体向 铁素体侧和向渗碳体侧推移速度之比(已知780℃时与铁素体相接的奥氏体碳 浓度为041,与渗碳体相接的奥氏体碳浓度为0.89) G=-KD dc 1 (1) dx△CB 式中:G一相界面推移速度K一常数 D一碳在奥氏体中的扩散速度 dlcx一相界面处奥氏体中碳的浓度梯度 ACB一相界面浓度差 二、简答题(10分) 简述为什么FeC合金片状马氏体 容易形成显微裂纹。(6分) 2.根据图2解释共析钢过冷奥氏体 转变为珠光体的形核率(N)和长大 速度(G)具有极大值的特征。(6分) 三、论述题(10分) 影响Ms点的因素较多,试说出 三个影响因素并加以论述。 转变温度℃ 四、论述题(8分) 图2形核率和长大速度与温度的关系示意图 试述马氏体具有高强度的主要原因。 (部、中心、教研室):金属材料,出题教师:郭英奎,系(部、中心、教研室): 第2页共3页
系（部、中心、教研室）：金属材料，出题教师：郭英奎，系（部、中心、教研室）： 第 2 页共 3 页 第二部分：热处理（40 分） 一、计算题（10 分） 共析钢 780℃时珠光体等温转变为奥氏体，根据公式（1）估算奥氏体向 铁素体侧和向渗碳体侧推移速度之比（已知 780℃时与铁素体相接的奥氏体碳 浓度为 0.41，与渗碳体相接的奥氏体碳浓度为 0.89） B c dx C dc G KD = − 1 （1） 式中：G—相界面推移速度 K—常数 Dc —碳在奥氏体中的扩散速度 dc/dx —相界面处奥氏体中碳的浓度梯度 ΔCB—相界面浓度差 二、简答题（10 分） 1. 简述为什么 Fe-C 合金片状马氏体 容易形成显微裂纹。（6 分） 2. 根据图 2 解释共析钢过冷奥氏体 转变为珠光体的形核率（N）和长大 速度（G）具有极大值的特征。（6 分） 三、论述题（10 分） 影响 Ms 点的因素较多，试说出 三个影响因素并加以论述。 四、论述题（8 分） 试述马氏体具有高强度的主要原因。 N G 形核率 N 长大速度 G 转变温度℃ 图 2 形核率和长大速度与温度的关系示意图
哈尔滨理工大学 200—200学年 学期考试试题 参考答案 第一部分:金属学 、图3,ABEF:(011);ON:[231] 几何条件:左= 66 10=右;满足 能量条件在=g(小+)2=a 右=(h+4+1)2a(+4+4)2 图 663 所以能进 三、1.增加ΔT;2变质处理;3振动,搅拌。 四、由 Fe+Fes为低熔点共晶体,熔点989℃,熔化开裂称热脆。含氧更髙时 Fe+FeS+FeO)熔点更低的共晶体。 脱硫防止,使钢中<0.04% 五、P为(Fe3C+F)两相机械混合物。 FeC%≈12%。 六、0.77%碳钢从液态冷到室温时 结晶过程示意图如图4。 100%P 七、P:L+PbSn+Pb2Bi 为共晶反应。 八 由 Hall-Petch公式知,d减小,σ3增加;另d减小,位错塞积小,塑性好, 九、γ-Fe即奧氏体中溶碳量为2.1%,而α-Fe仅能溶解0.0218%碳:另γFe 为高温相,D值大,所以γ-Fe在中渗碳。 十、指在T再以上温度进行的变形(轧、煅等) T再=04×(1538+273)-273=450(℃)。 (部、中心、教研室):金属材料,出题教师:郭英奎,系(部、中心、教研室)主任 第1页共3页
哈尔滨理工大学 200 －200 学年第 学期考试试题 A 卷 系（部、中心、教研室）：金属材料，出题教师：郭英奎，系（部、中心、教研室）主任： 第 1 页共 3 页 参考答案 第一部分：金属学 一、图 3，ABEF：（011）；ON：[231]。 二、几何条件：左= 0 6 3 6 3 + + − a a = [110] 2 − a =右；满足。 能量条件：左= 4 2 ( 1 1 ) 2 2 2 2 2 a a = + 右= 36 ( 1 4 1) 36 ( 1 4 1) 2 2 2 2 + + + a + + a = 6 6 3 2 2 2 a a a + = ；所以能进行。 三、1.增加∆T；2.变质处理；3.振动，搅拌。 四、由 Fe+FeS 为低熔点共晶体，熔点 989℃，熔化开裂称热脆。含氧更高时 （Fe+FeS+FeO）熔点更低的共晶体。 脱硫防止，使钢中＜0.04%。 五、P 为（Fe3C+F）两相机械混合物。 Fe3C%≈12%。 六、0.77%碳钢从液态冷到室温时 结晶过程示意图如图 4。 100% P 七、P΄：L+Pb Sn+Pb2Bi 为共晶反应。 八、σs=σs+kd-1/2。 由 Hall-Petch 公式知，d 减小，σs 增加；另 d 减小，位错塞积小，塑性好。 九、γ-Fe 即奥氏体中溶碳量为 2.11%，而 α-Fe 仅能溶解 0.0218%碳；另 γ-Fe 为高温相，D 值大，所以 γ-Fe 在中渗碳。 十、指在 T 再以上温度进行的变形（轧、煅等）； T 再=0.4×（1538+273）-273=450（℃）。 图 3 Z X Y A B C D E F G O N P L γ 图 4
第二部分:热处理 答:根据公式,奥氏体界面向某一侧推移速度G=-KD dc 1 女AC(1分) 等温转变时,D、dcx均为常数,则G ,若忽略碳在铁素体中的扩 散,则:奥氏体界面向铁素体一侧推移的速度G1= K AC2041-002(5分) 奥氏体界面向渗碳体一侧推移的速度(2△CB6067-0.89(2分), G1667-089 G,0.41-0.02 148(2分)。 答:1、显微裂纹是由于马氏体形成时相互碰撞造成的,片状马氏体形成 时,第一片马氏体贯穿整个奥氏体晶粒,后形成的马氏体不断撞击先形成的马 氏体(2分),由于马氏体的形成速度极快,相互碰撞或与原奥氏体晶界相撞 时因冲击而引起相当大的应力场(2分);同时,由于片状马氏体含碳量较高, 马氏体很脆,不能通过滑移或孪生等变形来消除应力,因此容易产生显微裂纹 (2分) 2、是因为随着转变温度的降低,过冷度增加,奥氏体与珠光体的自 由能差增大,珠光体的形核率増加,但随着过冷度增大,原子活动能力减弱, 因而又使形核率(N)减小,故形核率与转变温度的关系曲线具有极大值(3 分):由于珠光体相变是典型的扩散型相变,珠光体长大速度(G)与原子打 散密切相关,随着转变温度的降低,原子扩散速度减慢,使珠光体长大速度减 慢,但转变温度降低,使靠近珠光体的奥氏体中的碳浓度差増大,増大了碳的 扩散速度,又有促进珠光体的长大作用(3分)。 三、答:(本题()白、白、四、国任选其中三个回答即可。)()化学成 分的影响:奥氏体的化学成分对M点的影响十分显著,钢的M点主要取决 于化学成分。(1分)(1)含碳量的影响:含碳量对的影响最为显著,钢中随着 含碳量的增加,M、点呈连续下降趋势,这是由于含碳量增加,奥氏体中碳的 溶解度增加,碳原子对奥氏体的固溶强化作用増强,过冷奧氏体的稳定性随之 增强,因此,M点随含碳量增加而呈连续下降趋势(2分)。(2)合金元素的影 响。合金元素对M点的影响主要决定于它们对平衡温度T0的影响及对奥氏体 的强化效应,凡剧烈降低T温度及强化的奥氏体的元素,均剧烈降低M点, 系(部、中心、教研室):金属材料,出题教师:郭英奎,系(部、中心、教研室): 第2页共3页
系（部、中心、教研室）：金属材料，出题教师：郭英奎，系（部、中心、教研室）： 第 2 页共 3 页 第二部分：热处理 一、答：根据公式，奥氏体界面向某一侧推移速度 B c dx C dc G KD = − 1 （1 分）， 等温转变时， Dc 、 dc/dx 均为常数，则 CB K G = ' ，若忽略碳在铁素体中的扩 散，则：奥氏体界面向铁素体一侧推移的速度 CB K G = ' 1 = 0.41 0.02 ' − K （5 分）， 奥氏体界面向渗碳体一侧推移的速度 CB K G = ' 2 = 6.67 0.89 ' − K （2 分）， 0.41 0.02 6.67 0.89 2 1 − − = G G =14.8 （2 分）。 二、答：1、显微裂纹是由于马氏体形成时相互碰撞造成的，片状马氏体形成 时，第一片马氏体贯穿整个奥氏体晶粒，后形成的马氏体不断撞击先形成的马 氏体（2 分），由于马氏体的形成速度极快，相互碰撞或与原奥氏体晶界相撞 时因冲击而引起相当大的应力场（2 分）；同时，由于片状马氏体含碳量较高， 马氏体很脆，不能通过滑移或孪生等变形来消除应力，因此容易产生显微裂纹。 （2 分） 2、是因为随着转变温度的降低，过冷度增加，奥氏体与珠光体的自 由能差增大，珠光体的形核率增加，但随着过冷度增大，原子活动能力减弱， 因而又使形核率（N）减小，故形核率与转变温度的关系曲线具有极大值（3 分）；由于珠光体相变是典型的扩散型相变，珠光体长大速度（G）与原子扩 散密切相关，随着转变温度的降低，原子扩散速度减慢，使珠光体长大速度减 慢，但转变温度降低，使靠近珠光体的奥氏体中的碳浓度差增大，增大了碳的 扩散速度，又有促进珠光体的长大作用（3 分）。 三、答：（本题㈠、㈡、㈢、㈣、㈤任选其中三个回答即可。） ㈠ 化学成 分的影响：奥氏体的化学成分对 Ms 点的影响十分显著，钢的 Ms 点主要取决 于化学成分。（1 分）⑴含碳量的影响：含碳量对的影响最为显著，钢中随着 含碳量的增加，Ms 点呈连续下降趋势，这是由于含碳量增加，奥氏体中碳的 溶解度增加，碳原子对奥氏体的固溶强化作用增强，过冷奥氏体的稳定性随之 增强，因此，Ms 点随含碳量增加而呈连续下降趋势（2 分）。⑵合金元素的影 响。合金元素对 Ms 点的影响主要决定于它们对平衡温度 T0 的影响及对奥氏体 的强化效应，凡剧烈降低 T0 温度及强化的奥氏体的元素，均剧烈降低 Ms 点
哈尔滨理工大学 200一200学年第学期考试试题A卷 钢中常见的合金元素均有使M点降低的作用,但效果不如C显著,只有Al、 Co有使M点提高的作用。(1分)强碳化物形成元素如W、V、T等在钢中 多以碳化物形式存在,淬火加热时一般溶入奥氏体中很少,对M点影响不大。 另外,几种合金元素同时存在时,对M点的影响比较复杂。(2分)白形变 与应力对M点的影响。过冷奥氏体冷至M点以上,M点以下的温度范围进 行塑性变形,会诱发马氏体相变,其原因是形变提供的机械驱动力加上化学驱 动力刚好等于该温度下马氏体相变所需的驱动力,因此使过冷奥氏体转变为马 氏体的M点升高。由于马氏体相变时必然产生体积膨胀,因此多向压应力阻 碍马氏体的形成,因而降低M点(2分)。白奥氏体化条件对M点的影响 加热温度和保温时间对M点的影响较为复杂。加热温度和时间増加有利于碳 和合金元素进一步溶入奥氏体中,使Ms点下降。但是,加热温度升高,有会 引起奥氏体晶粒长大,并使其中的晶体缺陷减少,使马氏体形成时的切变阻力 减小,使M3点升高。一般奥氏体晶粒长大在1000℃才比较显著,所以,晶粒 大小对M点的影响并不显著(2分)。四淬火速度对M点的影响。高速淬火 时M点随淬火冷却速度増大而升髙,淬火速度低时,M点不随淬火速度变化, 相当于钢的名义M温度,在很高的淬火速度下,出现M保持不变的另一个 台阶,这个台阶比名义M温度高,在上述两种淬火速度之间,随淬火速度的 增大而升高。(2分)(磁场对M点的影响。外加磁场使奥氏体与马氏体两 相平衡温度T升髙,Ms温度随之升高,外加磁场实际上是用磁能补偿了一部 分化学驱动力,由于磁力诱发马氏体相变在M点以上即可发生。(2分) 四、答:马氏体具有高强度的原因是多方面的,其中主要包括相变强化、固溶 强化和时效强化。(2分) 相变强化:马氏体相变的切变性造成在晶体内产生大量的微观缺陷(位错、 孪晶以及层错),使马氏体得到强化。(2分) 固溶强化:过冷奥氏体切变形成马氏体时,使得α相中的C%过饱和,C 原子位于α相扁八面体中心,C原子溶入后形成以C原子为中心的畸变偶极 应力场,这个应力场与位错产生强烈的交互作用,使马氏体的强度升高。(2 分) 时效强化:溶质原子(C、N)偏聚到位错线处,钉扎位错使得马氏体的 强度升高。(2分) (部、中心、教研室):金属材料,出题教师:郭英奎,系(部、中心、教研室)主任 第1页共3页
哈尔滨理工大学 200 －200 学年第 学期考试试题 A 卷 系（部、中心、教研室）：金属材料，出题教师：郭英奎，系（部、中心、教研室）主任： 第 1 页共 3 页 钢中常见的合金元素均有使 Ms 点降低的作用，但效果不如 C 显著，只有 Al、 Co 有使 Ms 点提高的作用。（1 分）强碳化物形成元素如 W、V、Ti 等在钢中 多以碳化物形式存在，淬火加热时一般溶入奥氏体中很少，对 Ms 点影响不大。 另外，几种合金元素同时存在时，对 Ms 点的影响比较复杂。（2 分）㈡ 形变 与应力对 Ms点的影响。过冷奥氏体冷至 Ms 点以上，Md 点以下的温度范围进 行塑性变形，会诱发马氏体相变，其原因是形变提供的机械驱动力加上化学驱 动力刚好等于该温度下马氏体相变所需的驱动力，因此使过冷奥氏体转变为马 氏体的 Ms 点升高。由于马氏体相变时必然产生体积膨胀，因此多向压应力阻 碍马氏体的形成，因而降低 Ms 点（2 分）。㈢ 奥氏体化条件对 Ms点的影响。 加热温度和保温时间对 Ms 点的影响较为复杂。加热温度和时间增加有利于碳 和合金元素进一步溶入奥氏体中，使 Ms 点下降。但是，加热温度升高，有会 引起奥氏体晶粒长大，并使其中的晶体缺陷减少，使马氏体形成时的切变阻力 减小，使 Ms 点升高。一般奥氏体晶粒长大在 1000℃才比较显著，所以，晶粒 大小对 Ms 点的影响并不显著（2 分）。㈣ 淬火速度对 Ms点的影响。高速淬火 时 Ms 点随淬火冷却速度增大而升高，淬火速度低时，Ms 点不随淬火速度变化， 相当于钢的名义 Ms 温度，在很高的淬火速度下，出现 Ms 保持不变的另一个 台阶，这个台阶比名义 Ms 温度高，在上述两种淬火速度之间，随淬火速度的 增大而升高。（2 分）㈤ 磁场对 Ms点的影响。外加磁场使奥氏体与马氏体两 相平衡温度 T0 升高，Ms 温度随之升高，外加磁场实际上是用磁能补偿了一部 分化学驱动力，由于磁力诱发马氏体相变在 Ms 点以上即可发生。（2 分） 四、答：马氏体具有高强度的原因是多方面的，其中主要包括相变强化、固溶 强化和时效强化。（2 分） 相变强化：马氏体相变的切变性造成在晶体内产生大量的微观缺陷（位错、 孪晶以及层错），使马氏体得到强化。（2 分） 固溶强化：过冷奥氏体切变形成马氏体时，使得 α 相中的 C%过饱和，C 原子位于 α 相扁八面体中心，C 原子溶入后形成以 C 原子为中心的畸变偶极 应力场，这个应力场与位错产生强烈的交互作用，使马氏体的强度升高。（2 分） 时效强化：溶质原子（C、N）偏聚到位错线处，钉扎位错使得马氏体的 强度升高。（2 分）