金属材料学习题

合金化原理

一基本概念

1 合金元素： 为了保证获得所要求的组织结构，物理，化学，机械性能而特别添加到钢种的元素。

2杂质元素： 冶炼时所用原料以及冶炼方法和工艺操作等带入钢中的化学元素。

3组织遗传： 对于高合金钢中粗晶有序组织，加热到到高于AC3，可能导致形成A晶粒与钢的原始晶粒具有相同的形状，大小和取向。

4回火脆性： 随着回火温度的升高，钢的冲击韧性出现了两个低谷，叫做回火脆性。 a 第一类回火脆性： 第一个低谷出现在250~400℃之间，这是较低温度回火，引起的回火脆性，是不可逆的回火脆性。

b 第二类回火脆性： 另一个低谷出现在450~650℃之间，这是较高温度回火，引起的回火脆性。避免方法 快速冷却适用于小工件：大工件应添加（W.Mo）。

5弥散强化： 由于钢在回火过程中，在晶界处析出搞熔点物质，这些物质有效的阻碍位错的运动，而使钢的屈服强度和硬度提高的一种机制。 二 奥氏体形成元素和铁素体形成元素各有哪些？ 奥氏体形成元素有：Mn Ni Co C N Cu

铁素体形成元素有：Cr Mo W V Ti Al Si P Nb B 三 请分别简述间隙固溶体和置换固溶体的形成规律。

a 间隙固溶体形成规律： 当 rx/rm <0.59时，易形成间隙固溶体，影响溶质在间隙固溶体中的固溶度的因素有：

1 溶剂金属的晶体结构，点阵不同，固溶度是不同的 2间隙元素的原子尺寸，其尺寸越小，则固溶度越高 3间隙位置，铁的面心立方晶格间隙大于体心立方晶格间隙，间隙原子优先占据α-Fe的八面体间隙，γ-Fe的八面体或四面体间隙。 b 置换固溶体形成规律：

决定组元在置换固溶体中的溶解条件是：

1点阵类型 溶剂与溶质的点阵相同，固溶度较大，否则，反之； 2原子尺寸因素 rx/rm小于或等于15%时，形成无限火有限固溶体，对于铁集固溶体，rx/rm≤8%时，形成无限固溶体。

3组元电子结构 溶剂与溶质的电子结构相似，固溶度较大，否则，反之。 四 简述合金钢中的扩散规律

1 无论在α-Fe还是中，置换原子扩散速度比间隙原子慢几个数量级 2在特定温度下，间隙原子和置换原子在F比在A中快 3 Me对C在A中扩散系数的影响

a 易形成碳化物元素，降低C在A中的扩散系数 b 难形成碳化物元素，提高C在A中的扩散系数 4 Me对自扩散速度的影响

a Cr Mn Mo Ti降低自扩散系数

b C削弱γ-Fe结合能，提高自扩散系数 5 金属原子在晶界扩散比晶内扩散快得多

五 Ti Zr Hf Ta Nb W V Cr Mo Fe Mn与碳亲和力从小到大的顺序是什么？其中Ti Mo Cr Fe 与碳主要形成那些化合物？何种碳化物醉稳定？何种碳化物最不稳定？ (1) Hf Zr Ti Ta Nb V W Mo Cr Mn Fe

(2) 主要碳化物 TiC MoC Mo2C Cr23C6 Cr7C6 Cr3C Fe3C

(3) 其中TiC最稳定，Fe3C最不稳定

六 合金元素对A晶粒长大有何影响？细化晶粒有哪些方法？

（一）1形成高熔点稳定化合物阻止A晶粒长大，如Ti V Zr Nb W Mo 2 形成间隙固溶体合金元素，如C N B,促进其晶粒长大

3 Al Si 含量极小时，由于形成碳化物可阻止其长大，作为合金元素时促进A晶粒的长大

4 Ni Co Cu 对A晶粒生长影响不大

5 低碳钢中，Mn对A晶粒的长大有阻碍作用

（二）1冶金阶段 增大过冷度，加入变质剂，用Al脱氧，振动，搅拌 2 热处理阶段 控制冷却速度与冷却温度，相变重结晶

七 试述合金钢的基本强化机理和强韧化途径，并运用合金钢强化机理分析25Si2Mn2CrNiMoV低碳马氏体型超高强度钢的合金化设计思路。 （1）强化机理：细化晶粒 形变强化 第二相强化 固溶强化 （2）韧化途径：细化A晶粒 调整合金元素 防止显微裂纹 形变热处理应用相变诱发塑性 设计思路：

1） 选择合适的C含量，不宜过高或过低

2） 加入合金元素来弥补C含量的不足，应遵循少量多元的原则 3） 提高韧度 a 形成位错型的低碳马氏体亚结构

b 相界有稳定的残余A薄膜，如加入Ni Mn c 抑制回火脆性，加入Al Si N

4）加入Cr W Mo V缩小γ相区，形成位错型M亚结构

5）加入Cr增加其淬透性 同时Cr能增强抗氧化性和起固溶强化作用 八 低碳M与中碳M相比，为什么前者比后者表现出较好的塑性与韧性？

低碳M为半条状位错型M，而中碳M为孪晶片状M与板条状位错M，又因为孪晶M有较高应力场不能通过滑移孪生的方法消除，因而其韧性，塑性较低。

九 钢中常见的冶金缺陷和热处理缺陷有哪些？其特征是什么？对钢的性能有什么影响？如何减少这些缺陷？

（1）常见的冶金缺陷有：内应力 偏析 非金属杂质(氧化物 硫化物 氮化物 硅酸盐) 缩孔和疏松 气孔和裂纹

（2）热处理缺陷有：内应力 裂纹 过热 过烧 脱碳 显微特征

内应力： 凝固或热处理过程中形成的，特征是应力叠加产生的微裂纹，避免措施平衡加热退火。

偏析： 凝固时因成分不同而造成的微观或宏观偏析，导致结构和力学性能不均匀，避免措施均匀退火

十 稀土元素对钢的影响有哪些？ （1） 对钢有净化作用 （2） 控制夹杂物形态

（3） 起微合金化和变质作用

十一 1 2 3 4 5 6 7 8 9 钢牌号 40Cr 65Mn 60Si2Mn GCr15 20CrMnTi 38CrMoAl ZGMn13 T8 9SiCr 分类 结构钢 结构钢 结构钢 滚动轴承钢 结构钢 结构钢 高锰铸钢 碳素工具钢 工具钢 工具钢 高速钢 工具钢 工具钢 工具钢 特殊性能钢 碳含量% 0.4 0.65 0.60 ＞1.0 0.2 0.38 0.9~1.4 0.8 0.9 ＞1.0 0.7~0.8 0.8~0.9 ＞1.0 0.3 0.4 0.3 0.1 合金元素含量% Cr＜1.5 Mn较高 Si 1.5~2.49 Mn ＜1.5 Cr 1.5 Cr＜1.5 Mn＜1.5 Ti＜1.5 CrMoAl均＜1.5 Mn 1.3 Si Cr＜1.5 Cr W Mn＜1.5 W 17.5~18.49 Cr 3.5~4.49 V＜1.5 W 5.5~6.49 Mo 4.5~5.49 Cr 1.5~2.49 Cr 11.5~12.49 Mo＜1.5 V＜1.5 Cr 1.5~2.49 W 7.5~8.49 V＜1.5 Cr 4.5~5.49 Mo Si V＜1.5 Cr 12.5~13.49 Cr 17.5~18.49 Ni 8.5~9.49 Ti＜1.5 10 CrWMn 11 W18Cr4V 13 Cr12MoV 14 3Cr2W8V 15 4Cr5MoSiV 16 3Cr13 12 W6Mo5Cr4V2 高速钢 17 1Cr18Ni9Ti 特殊性能钢 第二章1控制轧制，传统的控制轧制和再结晶轧制的区别

答：1控制轧制是一种通过细化铁素体晶粒而产生强韧钢的工艺过程。

2传统的控制轧制是控制在特定温度范围内的道次压下量。

钢在奥氏体能够发生再结晶的温度区域(高温区)中进行的控制轧制，简称再结晶控轧。

再结晶控制轧制工艺以TiN为奥氏体晶粒粗化的障碍物，以V（C,N）为沉淀强化相，适合在不能进行低温轧制的低功率轧机上实施，或在锻造时使用。

区别：(1)再结晶轧制的轧制温度和终轧温度较高，道次压下率不需要很大，变形抗力小，轧制力小的老式轧机也能采用；

(2) 再结晶轧制的轧制过程无需中间待温，提高了轧机的生产率。此外，它还能

显著地提高钢材的强韧性，不需热处理，直接用热轧的办法生产出具有良好综合性能的钢材。 2钢中碳含量和合金元素对钢的焊接性能有何影响？

答：1钢中含碳量增高马氏体的比热容和硬度，引起内应力增加。

2加入合金元素，增加钢的淬透性，焊后冷却时发生马氏体相变，升高内应力。

3含碳量增高，降低Ms点，使马氏体转变温度降低，此时钢的塑性较差；钢中含氢量高将使钢的塑性下降，引起氢脆。这些都将恶化钢的焊接性。 3答：（1）10MnPNbRE 组织为铁素体—珠光体，Mn起固溶强化的作用，P提高钢抗大气腐蚀的能力，Nb使钢强度增加，RE提高耐蚀性。

（2）16MnNb 组织为铁素体—珠光体，Mn的作用是固溶强化，Nb的作用是细化晶粒和固溶强化。

（3）14MnMoVBRE 组织为贝氏体，Mn和Mo是为了推迟先共析铁素体和珠光体转变，V主要产生沉淀强化相V（C,N），RE改变横向冲击韧性。

（4）07Mn2SiV 组织为铁素体+马氏体，Mn可防止卷取剩余奥氏体转变为珠光体和贝氏体，最终冷到低温转变成马氏体，Si的加入是为了提高钢的临界点A3，促使形成要求含量的多边形先共析铁素体。

4双相钢的显微组织，为什么不会出现吕德斯带

答：显微组织是马氏体（20%~30%）和铁素体（70%~80%）

双相钢的屈服强度低，一般不超过350MPa，且钢的应力—应变曲线是光滑连续的，没有屈服平台，更无锯齿形屈服现象，其均匀伸长率和总伸长率较高，加工硬化指数的塑性应变比也都很高，因此在冲压成型时，双相钢不会出现吕德斯带。

第三章机械制造结构钢

1． 试述轴类零件、齿轮、弹簧、轴承四种典型的机械零件用钢的工作条件性能要求、成分

特点、热处理工艺特点及使用状态下的组织特点。 答：轴类零件的工作条件：水、油等介质的腐蚀、摩擦力

性能要求：较高的硬度和耐磨性、一定得耐蚀力、高的疲劳强度。良好的综合力学性能

成分特点：碳含量在0.3%——05%之间，加入合金元素Si、Mn、Ni、Cr、Mo、V、Al、等，含量在1.0%——1.5%之间，若经氮化处理后，N含量随温度而改变

热处理工艺特点：调质处理+表面氮化处理 （表面淬火） 使用状态下的组织：回火索氏体+残余奥氏体 齿轮工作条件：摩擦力

性能要求：表面有较高的韧性、强度和耐磨性

成分特点：含碳量不超过0.25%。个别钢种可达0.25%、加入合金元素有Mn、Cr、Mo、Ni、W、Si、V、Ti、B等

热处理工艺特点：渗碳——表面淬火——低温回火

使用状态下的组织：表面是高碳马氏体，沿截面过渡到心部是低碳马氏体或半马氏体，还有少量残余奥氏体

弹簧钢的工作条件：交变应力

性能要求：高的疲劳强度、足够的塑性和韧性，在某些环境有导电、无磁、耐高温和耐腐蚀

成分特点：含碳量在0.6%——1.05%之间的是碳素弹簧钢，而低合金弹簧钢的在0.4%——0.74%之间，加入的合金元素有Si、Mn、Cr、V等

热处理工艺特点：淬火（Ac3+30—50℃）+中温回火 使用状态下的组织：回火屈氏体+残余奥氏体

轴承钢的工作条件：交变应力、摩擦力、扭力、腐蚀、和一定得温度

性能要求：高硬度、耐磨性、较高的疲劳强度及弹性极限、较好的冲击韧性、良好的尺寸稳定性、一定得耐蚀性和耐热性

成分特点：含碳量在0.95%——1.05%之间，Cr含为0.4%——0.65%。加入合金元素为Cr、Si、Mn、Mo、Ni、V等

热处理工艺特点：预热处理（球化退火）——淬火——低温回火 。其淬火温度为Ac1+30——50℃ 若对精度要求较高则先冷处理再回火处理，若原始组织有网状的碳化物则先正火再热处理

使用状态下的组织：回火马氏体+残余奥氏体 2.有哪几类超高强度钢？它们的强化机理是什么？

答：有四类1、高合金中碳Ni——Co型：固溶强化、碳强化

2、中合金中碳二次沉淀硬化型： 马氏体强化、二次硬化

3、中合金低碳马氏体型： 复合强化

4、超低碳马氏体的时效强化型： 合金元素的固溶强化、马氏体相变的冷作硬