金属材料学思考题答案1

1.简述什么是材料科学

研究材料组分、结构、性能相互关系和变化规律的科学，是一门基础应用学科。

2.什么是工程材料？工程材料分为哪些类别？

凡与工程相关的材料均可称为工程材料。按性能可分为结构材料和功能材料；按化学方法分为金属材料，陶瓷材料，高分子材料和复合材料。

3.什么是新材料？开发新材料的重要意义是什么？

新材料：相对于传统的材料而言。经过新工艺新技术制造的整合原有材料的功能的材料。意义：对高科技和新技术的发展具有非常关键的作用；是发展高科技的物质基础；是国家在科技领域处于领先地位的标志之一。

4.钢的分类方法很多通常有哪些分类？

按冶金方法分：平炉、转炉、电炉（镇静钢、半镇静钢，沸腾钢）。

按化学成分分：碳钢(普通碳钢，优质碳钢)，合金钢(合金元素，合金含量)； 按质量分：普通质量钢，优质质量钢，高级优质钢。

按金相分：退火态(P+F，珠光体钢，P+Fe3C)，正火态(珠光体钢，贝氏体钢， 奥氏体钢)；冷却时有无相变(铁素体，马氏体，奥氏体，双相钢)；

按用途分：工程结构钢，机器零件用钢，工程模具用钢，特殊用钢（不锈钢，耐热钢、磁钢）。

5.通常钢中的P，S控制钢的质量，按质量等级碳素钢，合金钢的钢材质量可分为哪些等级，P，S含量是如何控制的?

可分为：普通质量钢，优质钢，高级优质钢三个等级。 碳素钢 合金钢 S％ P％ S％ P％ 普通质量钢 0.045 0.045 0.045 0.045 优质钢 0.035 0.035 0.035 0.035 高级优质钢 0.030 0.030 0.025 0.025 6.合金元素在钢中的分布或存在的形式有哪几种？ 可分为五种情况：1）形成非金属夹杂物（如氧化物、氮化物和硫化物等），2）溶入固熔体，3）形成碳化物，4）自由存在，5）金属间化合物。

7.按化学成分如何区分低中高碳钢和低中高合金钢？

碳钢：(含碳量)低碳钢≤0.25％，中碳钢0.3－0.6％，高碳钢≥0.6％； 合金钢：(合金元素)低合金钢<5％，中合金钢5－10％，高合金钢>10％ 8.利用晶界偏聚理论解释钢的第二类回火脆性以及硼钢的淬透性问题

钢的溶质原子在晶界的浓度大大超过在基体中的平均浓度的现象，称为晶界偏聚。淬火钢在淬火、回火过程中，Ni、Cr、Sb、Sn、P等都向原A晶界偏聚，产生晶界偏聚现象，Ni、Cr不仅自身偏聚，而且促进杂质元素的偏聚。这就造成了回火钢晶界结合力降低，出现脆性。重新加热时，可以使偏聚的合金元素重新均匀化，消除偏聚，从而消除回火脆性。

9.钢中常见的合金元素有：C、N、Mn、Ni、Cu、Co、Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Al、Si等，回答下列问题：

（1）上述哪些是奥氏体形成元素？哪些是铁素体形成元素？

奥氏体形成元素：C、N、Mn、Ni、Cu、Co；铁素体形成元素Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Al、Si。

（2）哪些元素能与α－Fe形成无限固熔体？哪些元素能与γ－Fe形成无限固熔体？

能与α－Fe形成无限固溶体Cr、V；

能与γ－Fe形成无限固溶体Co、Mn、Ni。

(3)．上述元素哪些是碳化物形成元素?哪些是非碳化物形成元素?如何鉴别他们与碳的亲和力大小或强弱?请按由强到弱将他们排列。

碳化物形成元素：Ti、V、Cr、W、Nb、Mo、Zr、Mn； 非碳化物形成元素：Ni、Cu、Co、Al、Si；

碳化物形成元素在原子结构上均含有未填满的d电子层。与Fe原子相比，次电子层越不满，形成碳化物能力越强和碳的结合力越大，所形成的碳化物越稳定。强到弱将他们排列：Hf、Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn。

(4)．分析上述元素对Fe－C相图临界点A1，A3及S、E点影响。 奥氏体形成元素使A1，A3点下降，A4上升； 铁素体形成元素使A1，A3点上升，A4下降； 非碳化物和碳化物形成元素均使S、E点左移。

10.合金钢中常见的碳化物形成元素有哪几种类型？并按其稳定性强弱排序。

稳定性强弱排序：MC>M2C>M6C>M23C6>M7C3>M3C。

11．合金元素中碳化物形成元素，非碳化物形成元素以及Si元素是如何影响钢中碳在奥氏体中扩散的？

合金元素的加入改变了碳在钢中的扩散速度，也影响奥氏体的形成速度。碳化物形成元素Cr、Mo、W、Ti、V等，由于和碳有较强的亲和力，因此显著减慢了碳在奥氏体中的扩散速度，故奥氏体的形成速度大大减慢：

非碳化物形成元素Co和Ni提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大了奥氏体的形成速度。

Si对碳在奥氏体中的扩散速度影响不大，故对奥氏体的形成速度几乎无影响。

12．试述Cr，Ni元素对淬火马氏体的亚结构影晌。

Cr降低奥氏体层错能，亚结构为位错。Ni提高奥氏体层错能，亚结构为孪生。

15．通过合金化使钢强化的方法有哪些?

固溶强化：溶质原子溶入基体金属中形成固溶体能强化金属。

晶界强化：金属晶粒越细，晶界越多，阻碍位错运动的作用也越大，从而导致屈服点的提高。

第二相强化：分为沉淀强化和弥散强化，共同特点是第二相对位错的阻碍作用。

位错强化：位错的数量与组态对钢塑变抗力的影响。

17．加热时合金元素对钢奥氏体晶粒长大有什么影响?并简要说明影响原因?

强碳化物形成元素Ti、Zr、Nb等抑制了碳在钢中的扩散，强烈阻止了奥氏体晶粒的长大，合金元素Mo、W、Cr的作用适中；非碳化物形成元素Ni、Cu、Co的作用较弱；相反P、N、Mn等却促进奥氏体晶粒的长大。

18．简要说明合金元素对珠光体转变速度，转变温度及转变产物中碳化物

类型的影响？

除Co、Al外，合金元素都能使等温转变曲线即TTT曲线右移，降低了钢的临界冷却速度，提高了奥氏体的稳定性，增加了钢的淬透性。

合金元素均使等温转变曲线下移，也就是转变温度下降，转变速度也变慢。珠光体转变产物按转变温度分为珠光体、索氏体和屈氏体。它们的碳化物均为渗碳体只是层片随转变温度下降越来越细。当含NiMn量超过一定量时扩大奥氏体区元素得到单相，室温就没珠光体转变；而当加入WMo等由于珠光体区显著右移，而贝氏体区的右移不明显时也没有真正意义的珠光体转变，而得到贝氏体组织。

19．为什么说W18Cr4V钢中会出现莱氏体？

W、Cr、V 是缩小奥氏体区的元素，使A3线上升，S点左移，大部分元素均使ES线左移，E点左移意味着出现莱氏体组织的含碳量降低，这样钢中碳的质量分数不足2％时就可以出现共晶莱氏体。保持到室温时Wl8Cr4V钢（含碳0.7－0.9％）中会出现莱氏体。

20.为什么4Cr13变为过共析钢？

所有合金元素使E点左移，钢中含碳量小于0.77％时，钢就会变为过共析钢而析出二次渗碳体。4Cr13不锈钢，由于含Cr13％，致使共析点移至0.4％C附近，从而使4Cr13变为过共析钢。

22．简述合金元素对马氏体分解的影响?

碳化物形成元素Mo、Mn、W、Cr、V提高回火稳定性，要达到同样硬度回火温度和时间需要升高。低温回火时，碳原子扩散缓慢。只发生偏聚和短程扩散，合金元素对马氏体分解几乎没有影响；中高温时随着碳原子的扩散，合金元素对马氏体分解产生影响。

①非碳化物形成元素Ni，Co，Cu等影响较小（Si除外）。

②碳化物形成元素将强烈阻碍马氏体分解和碳化物析出长大。即推迟C从M中析出，如一般碳钢中C从M析出完全析出的温度范围是（250～300℃），而含碳化物形成元素的钢中C从M中析出的温度提高到（400～500℃），有时即使到550℃或更高温度也难以使C完全从α相中析出，表现为回火稳定性高。

③Si阻止马氏体分解，Fe-Si结合力大于Fe-C，阻止ε-FexC形核长大，Si可进入ε-FexC，但不溶Fe3C，析出时阻止M分解。

23．高碳高合金钢淬火后，钢中含有大量的残余奥氏体，采用什么热处理工艺消除？

多次高温回火或深冷处理。

24．提高钢马氏体淬透性的元素有哪些?

B，Mn，Mo，Cr对增加钢的淬透性最强，Si和Ni次之。

采用提高奥氏体稳定性的强碳化物形成元素(Mo，Cr)与强化铁素体形成元素(Mn，Si，Ni)配合，可以在很大程度上提高马氏体的淬透性。

25.为了使大截面钢正火得到贝氐体组织，为什么硼元素是不可缺少的? B元素使珠光体曲线显著右移，推迟了珠光体的转变，但不使贝氏体的转变曲线右移。正火时则可以得到贝氏体组织。

26.微量元素在钢中的有益效应主要有哪几方面？ 1．净化作用B，RE

2．变质(降低晶粒度，控制柱状晶生长)

3．控制夹杂物的形态和分布(加Mn，控制氧化物) 4．微合金化。

27．微量B，RE等元素是如何使钢净化的? (1)．B，RE与O或N，形成氧化物或氮化物。

(2)．B，RE等能与As，Sb，Sn，Pb，Bi形成金属间化合物。 28．普碳钢和普低钢性能上主要有什么差别?

普碳钢是碳素构件用钢，常以热轧状态供货，一般不经热处理强化。

普低钢是低合金构件用钢，是低碳、低合金元素的钢种，可进行正火、调质处理。

性能上的主要差别为普低钢的强度，尤其是屈服点大大高于含碳量相同的普碳钢。

29．简述我国普低钢(低合金高强度钢)的合金化特点(或化学成分特点) (1)．低碳低合金元素，基本上不加镍，铬，经济性能较好。 (2)．主加合金元素是锰。提高强度，降低脆性转变温度。 (3)．为改善钢的耐大气腐蚀性能，应加入铜和磷。 (4)．加入微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材。

综上，普低钢的合金化特点为：低碳，合金化时以锰为基础。适当加入铝，钒，钛，铌，铜，磷及稀土元素，其发展方向是多组元微量合金化。

30．下列是普碳钢(指出各钢号中合金元素的主要作用)指出数字字母代表的意义。

①Q235－A．F，Q屈服强度，Q235：屈服强度是235MPa，A：等级是A，F：沸腾钢。

②Q235－D．Tz，Q屈服强度，Q235：屈服强度是235MPa，D：等级是D，Tz：特殊镇静钢。

③Q235－B．b，Q屈服强度，Q235：屈服强度是235MPa，B：等级是B，b：半镇静钢。

31．下列是普低钢，指出各钢号中合金元素的主要作用?使用状态组织? ①16Mn，Mn：固溶强化，细化晶粒，使钢共析点左移。使用状态组织F+P ②09MnCuPTi，Mn：固溶强化，细化晶粒，使钢共析点左移。Ti：提高强度，细化晶粒，降低脆性转变温度。P：改善钢的耐大气腐蚀性能Cu：改善钢的耐大气腐蚀性能。使用状态组织F十P。

③10MnPNiRE：Mn：固溶强化，细化晶粒，使钢共析点左移。P：改善钢的耐大气腐蚀性能，RE：脱硫去气，净化钢材。Ni：提高基体韧性。使用状态组织F+P

④15MnV： Mn：固溶强化，细化晶粒，使钢共析点左移。V：提高强度降低脆性转变温度。使用状态组织F+P

⑤14MnMoVBRE：Mn：固溶强化，细化晶粒，使钢共析点左移。V：提高强度降低脆性转变温度。Mo：提高回火稳定性，防止第二类回火脆性。B：可以改变晶界状态，减少晶界偏聚。形成贝氏体组织。RE：脱硫去气，净化钢材。

⑥18MnMoNb：Mn：固溶强化，细化晶粒，使钢共析点左移。Nb：提高强度降低脆性转变温度。Mo：提高回火稳定性，防止第二类回火脆性。低碳回火索氏体。

32．简述微合金化低碳高强度钢强韧化特点? ①低碳，提高钢的韧性和焊接性能。