金属材料重点 复试.docx

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金属材料重点复试

金属材料重点

题型：

填空（30-40%），选择（20%,有多选），简答（10%+10%），问答（10%+10%+20%）

一、钢的物理冶金基础（15%）

1、钢的分类（填空、多选）

结构钢：

工程结构钢：

铁素体－珠光体钢、低碳贝氏体钢、马氏体钢

机械制造结构钢：

渗碳钢、调质钢、轴承钢、高合金超高强度结构钢、弹簧钢等

工具钢：

碳素工具钢、低合金工具钢、高速工具钢、冷作模具钢、热作模具钢等

不锈耐蚀钢

耐热钢

2、铁碳相图中的反应及平衡温度：

包晶转变：

LB+δH→J（1495℃，单相A）

共晶转变：

LC→B+Fe3C（1148℃，A体+Fe3C：

Ld）

共析转变：

S→αP+Fe3C（727℃，F体+Fe3C：

P）

3、退火的定义、目的及得到的组织：

退火：

将钢加热到奥氏体化温度Ac1（727℃）以上或以下温度，保温，炉冷以获得平衡状态组织（扩散型相变，加热速度为0.125℃/分时A1的温度为Ac1）。

目的：

稳定组织，成分和组织均匀，细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善成形和加工性能。

4、马氏体（M）转变特点（简答）：

1）无扩散：

Fe和C原子都不进行扩散，M是体心正方的C过饱和的F，固溶强化显著。

2）瞬时性：

M的形成速度很快，106mm/s。

温度↓则转变量↑。

3）不彻底：

M转变总要残留少量A，A中的C%↑则MS、Mf↓，残余A含量↑

4）M形成时体积↑，造成很大内应力。

5）切变共格性：

表面产生浮凸。

☆5、钢中杂质的种类（填空）：

常存杂质：

Mn、Si、Al、S、P等

由脱氧剂带入（Mn、Si、Al）的或矿石中存在的（S、P）

隐存杂质：

O、H、N，极其微量，有溶解度

偶存杂质：

Cu、Sn、Pb、Ni、Cr等，与矿石和废钢有关

☆6、合金元素在钢中的分布/存在方式/状态：

溶解于固溶体中，置换和间隙固溶体；

溶于渗碳体中形成合金渗碳体或单独与碳、氮等作用形成碳、氮化合物；

形成金属间化合物；

形成氧化物、硫化物等夹杂物；

以纯金属相存在，如Cu、Pb等；

偏聚

7、什么叫奥氏体形成元素、铁素体形成元素？

在γ-Fe中有较大溶解度并能稳定γ-Fe的元素称为奥氏体形成元素；

而在α-Fe中有较大溶解度并使γ-Fe不稳定的元素，称为铁素体形成元素。

△8、金属间化合物的种类（填空，掌握重要类型）：

合金钢中比较重要的金属间化合物有σ相、AB2相（laves拉维斯相）及AB3相（有序相）。

9、合金钢的回火脆性，原因及解决办法：

提高韧性、降低脆性、稳定组织，但200~350℃，450~650℃之间回火，冲击韧性出现两个低谷，称为回火脆性。

（a）第一类回火脆性/低温回火脆性（200~350℃）

原因：

Fe3C薄膜在原A或M晶界形成，降低晶界强度；P、S、Bi等元素偏聚于晶界

合金元素作用：

Mn、Cr、Ni促进，Mo、Ti、V等改善，Si推迟脆性温度区。

（b）第二类回火脆性/高温回火脆性（450~650℃）

原因：

Sb、S、As、P、O、N等杂质元素偏聚于晶界，或形成网状化合物，高于回火温度加热，杂质扩散或化合物分解，快速冷却及消除；

合金元素作用：

Mn、Cr、Ni、Si促进该脆性，通过促使杂质元素晶界偏聚，Mo、Ti、W抑制偏聚，等改善脆性。

稀土元素有相同效果。

10、钢的强化方法与机制：

①位错强化（加工硬化）：

位错→增殖并相互作用→阻碍位错运动→强化

②固溶强化：

位错→增殖并相互作用→阻碍位错运动→强化

③沉淀强化：

第二相粒子→阻碍位错运动→强化

④细晶粒强化（晶界强化）：

晶界→阻碍位错运动→强化

11、提高韧性的合金化途径：

a）细化A晶粒：

A—F转变后，也细化了F晶粒；强K形成元素如Ti、Nb、V、W、Mo和Al；

b）提高钢的回火稳定性：

在相同的强度水平下，提高回火温度，从而提高韧性；强K形成元素均提高回火稳定性，起到该作用；

c）改善基体韧性：

基体韧性是关键，Ni能改善基体韧性；

d）细化K：

细小、弥散、均匀分布，圆、适量，Cr和V改善K的状态

e）消除回火脆性、保证强度时降低C含量，提高冶金质量，降低杂质元素，保留一定的残余A等。

二、工程结构钢（20%）

△1、工程结构钢的服役特点/性能要求：

载荷作用下结构长期稳定，较高刚度，高的屈服强度和抗拉强度，塑性和韧性好，较小的冷脆倾向性和耐蚀性。

良好的工艺性能：

冷变形性，可焊性。

△2、工程结构钢中合金元素的作用：

在铁素体－珠光体（工程结构钢的显微组织）钢中，合金元素对强化的贡献有：

①溶入铁素体起固溶强化：

溶入铁素体的合金元素均能提高钢的硬度、抗拉强度和屈服强度。

②细化晶粒起细晶强化；

③析出弥散的碳化物、碳氮化物，起沉淀强化：

强碳化物形成元素V、Ti、Nb在热轧空冷过程中，从奥氏体沉淀析出V4C3、TiC、NbC，进行沉淀强化。

④增加珠光体含量：

合金元素使Fe-C相图的S点左移，增加P数量。

3、强化原理：

细晶强化：

根据Hall-Petch公式，钢的晶粒愈细小，钢的屈服强度呈直线上升。

沉淀强化：

应用钒、铌、钛的微合金化，使过冷奥氏体发生相间沉淀和铁素体中析出弥散的碳化物和碳氮化物，产生沉淀强化。

4、铁素体-珠光体钢（碳素工程结构钢）的分类：

这类钢服役时的显微组织是铁素体－珠光体，包括碳素工程结构钢、高强度低合金钢和微合金钢。

5、双相钢的定义及性能特点：

双相钢的显微组织是通过在α+γ两相区加热淬火，或热轧后空冷得到20～30％马氏体和80～70％铁素体。

马氏体呈小岛状或纤维状分布在铁素体基体上。

双相钢的性能特点是：

①低屈服强度，一般不超过350MPa；

②钢的应力－应变曲线是光滑连续的，无屈服平台，无锯齿形屈服现象；

③高的均匀伸长率和总伸长率；

④高的加工硬化指数；

⑤高的塑性应变比，冲压件保持厚度均匀。

三、机械制造结构钢（重点调质钢）

1、调质钢的定义及强化方式：

调质钢：

结构钢在淬火高温回火后具有良好的综合机械性能，有较高的强度，良好的塑性和韧性。

调质钢的强度主要取决于α相的强度和碳化物的弥散强化作用。

♦合金元素硅、锰、镍溶于α相，起固溶强化作用。

♦钢中碳的质量分数在0.3~0.5%之间，可保证有足够大的碳化物体积分数以获得高强度。

♦合金元素铬、钼、钨、钒可阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大，保持钢的高强度。

铬、钼、钨、钒还阻碍α相的再结晶，能保持细小的晶块结构，使α相也能保持足够高的强度。

2、调质钢的类型（能够举例）：

最普通的调质钢：

碳素调质钢，如45钢、45B钢，淬透性低

淬透性较高的钢有40Cr、45Mn2、40MnB、35SiMn等

42CrMo、42MnVB、40CrMnMo、40CrNi、35CrMo为要求淬透性更高一级

高淬透性的调质钢为40CrNiMo、34CrNi3MoV等

3、超低碳马氏体时效钢的成分特点及强化机理：

成分特点：

基本出发点是尽可能根除碳的不利作用，使基体得到Fe-Ni型板条马氏体，应用形成金属间相的合金元素（钛、钼、铝）产生高温时效强化。

选择Fe-Ni的原因：

①它在加热和冷却过程中存在相变滞后现象，能提供马氏体在加热到较高温度仍不变化，从而实现较高温时效强化；

②Ni能降低Ti、Mo和Al等元素在α-Fe中的溶解度，从而促进其时效强化效果；

③Ni降低位错运动抗力和位错与间隙元素间的相互作用，促进应力松弛，降低钢的脆性倾向；

④Ni降低MS点，有利于空冷下得到马氏体组织。

其次，加入较多的Co（8~12.5%），原因是:

①Co提高MS点，有利于得到板条马氏体，并降低钢中的残留奥氏体量，为加入大量降低MS点的元素创造条件；

②Co与Ni相似之处是降低位错运动抗力和位错与间隙元素间的相互作用能，有利于降低钢脆裂倾向；

③Co降低Mo和W等元素在α-Fe中的溶解度而促进其时效强化，并使Mo的沉淀相均匀细小分布，从而得到Mo+Co的协同高强化效应（远远超过各自单独作用）

4、超低碳马氏体时效钢的用途：

在火箭、宇航技术和航空工业中的应用：

固体燃料火箭壳体、发动机焊接壳体、火箭和宇航船的各种零件、火箭支架零件，飞机、直升机的起落架，喷气发动机叶轮，飞机制动器钩、支撑螺栓等。

在工具工业和机器制造工业中的应用：

金属热压和冷墩模具，金属和合金压力浇注模具、泵用零件等。

本类钢所作的模具和喷射工具比用5％Cr的工模钢的寿命高3～20倍。

在仪表制造工业中的应用：

弹性敏感部件、悬挂件等。

4、轴承钢的性能特点：

①高接触疲劳强度

②高硬度,耐磨性和弹性极限

③足够的韧性和淬透性

④一定耐蚀能力和良好尺寸稳定性

5、轴承钢的成分特点及合金化原则（例：

以某一具体材料为例，说明其性能服役特点及合金化原则）：

①高C：

0.95%～1.10%，GCr15中含C%≈1.5%

②基本合金元素Cr（0.40-1.65％）：

提高淬透性;细化碳化物;提高耐磨性和接触疲劳抗力;

③辅加元素：

Si，Mn提高淬透性;V提高耐磨性，防止过热

④纯度要求极高（S<0.02%,P<0.027%）

6、渗碳钢的定义：

表面渗碳，整体淬火，得到表面是高碳马氏体，沿截面过渡到心部是低碳马氏体或半马氏体，可使表面有高的弯曲和疲劳强度及耐磨性，而心部又有高强度和韧性。

7、弹簧钢的成分特点及合金化原则（填空）：

①中高C：

0.45%～0.70%

②主加元素Si,Mn：

提高淬透性，提高屈强比

③辅加元素Cr,W,V：

细化晶粒,耐冲击,高温强度好

④控制杂质：

优质（S≤0.04%,P≤0.04%）或高级优质（S≤0.03%,P≤0.035%）

四、工具钢（15%）

1、工具钢的分类及用途（填空）：

工具钢按用途可分为：

刃具钢、模具钢和量具钢。

刃具钢：

具有高硬度、高耐磨性、一定的韧性和塑性，有的还要求热硬性。

模具钢：

根据工作状态可分为热作模具钢、冷作模具钢和塑料模具钢。

量具钢：

用来制作量规、卡尺、样板等，要求高硬度、耐磨性和尺寸稳定性。

★2、分类、合金牌号及意义（必考！

）：

工具钢可分为碳素工具钢和合金工具钢两大类。

钢号用平均碳含量的千分数的数字和T一起表示。

如：

T10A（1.0%C，A表示高级优质碳素工具钢）

3、碳素工具钢的合金化原理/合金元素作用（选择或简答）：

主要钢种有Cr2、9SiCr、CrMn、CrWMn等

合金元素的加入为了提高淬透性，可用油淬，减少了变形开裂。

碳化物形成元素的加入细化了碳化物，使合金渗碳体均匀分布且易于球化，改善了钢的韧性。

硅能提高抗回火稳定性，提高刀具的使用寿命。

4、高速工具钢的分类（填空）：

高速钢可分为三类：

钨系高速钢，钼系高速钢和钨钼系高速钢。

其中钨系的W18Cr4V和钨钼系的W6Mo5Cr4V2应用最普遍，属于通用型高速钢。

5、以W18Cr4V为例，说明合金元素的作用：

①钨是高速钢中获得热硬性的主要元素，在钢中形成M6C，是共晶碳化物的主要组成，它还以二次碳化物由奥氏体中析出。

溶在奥氏体中约7～8％的W淬火后保留在马氏体中，提高马氏体抗回火稳定性。

在560回火时析出W2C，产生弥散强化。

②钒在钢中主要是以VC存在。

淬火加热时，VC部分溶于奥氏体中，淬火后使马氏体抗回火稳定性增高，阻碍马氏体分解，并析出弥散VC产生次生硬化。

淬火加热未溶的VC起阻止晶粒长大作用。

③铬：

高速钢中主要存在于M23C6，淬火加热时，铬几乎全溶于奥氏体，主要起增加钢的淬透性作用。

铬也增加高速钢耐蚀性和增大抗氧化能力，减少粘刀现象，改善刃具切削能力。

6、合金碳化物为M6C、M23C6及MC三种类型。

★7、以W18Cr4V为例，说明钢在凝固时发生的反应、析出相及演变规律：

①开始凝固析出δ（高温α）固溶体；

②冷到1400℃发生L+δ→γ的包晶反应；

③在1345℃附近很窄的温度范围进行L+δ→γ+M6C的包共晶反应。

④在1330～1300℃之间发生L→γ+M6C的共晶反应，一直到完全凝固，形成由奥氏体和碳化物组成的共晶莱氏体，存在于奥氏体晶之间，其中碳化物呈鱼骨状，骨骼之间为γ相。

⑤凝固后继续冷却时，由奥氏体中析出过共析合金碳化物，在870～800℃间发生γ+M6C→α的包析反应，冷到800℃发生共析反应γ→α+M6C+Fe3C。

⑥W18Cr4V钢中在共晶结晶时还出现VC，并在随后冷却时，由奥氏体中还析出VC和M23C6型碳化物，在低温下未发现Fe3C存在。

★8、以W18Cr4V为例，说明回火过程中组织结构的变化和性能的影响：

（1）400℃以下回火时，仅从马氏体中析出少量M3C合金渗碳体；

（2）大于450℃时，基体中钨、钼、钒等原子开始扩散，M3C溶解。

钨钼M2C型碳化物和钒的MC型碳化物弥散析出产生二次硬化，并在560℃达到硬度最高值。

同时，马氏体基体中仍保持有0.25%的碳和较高含量的合金元素，有很高的抗回火软化能力。

（3）在675℃以上，M2C开始溶解，析出M6C、M7C3，M7C3进一步转变为M23C6，基体中碳已贫化，合金度不断降低，高速钢已显著软化。

五、不锈耐蚀钢（10-15%）

1、不锈耐蚀钢的分类：

以金相组织分类：

奥氏体不锈钢铁素体不锈钢马氏体不锈钢双相不锈钢沉淀硬化不锈钢

2、金属腐蚀破坏的方式:

①均匀腐蚀②晶间腐蚀③点腐蚀④应力腐蚀⑤腐蚀疲劳

▲3、晶间腐蚀的现象解释及解决办法：

奥氏体不锈钢的晶间腐蚀主要由钢中的碳所引起。

钢中碳含量越高，晶间腐蚀越严重。

原因：

晶界上析出连续网状富铬的Cr23C6碳化物引起晶界周围基体产生贫铬区，铬含量低于12％，在许多介质中没有钝化能力，贫铬区成为微阳极而发生腐蚀。

解决方法之一：

在此敏感温度范围长期加热，通过铬的扩散消除贫铬区，则晶间腐蚀倾向就被消除。

当w（C）小于等于0.03%，就没有晶间腐蚀发生。

所以，最有效解决奥氏体不锈钢晶间腐蚀倾向的方法是生产超低碳不锈钢，使钢中w（C）小于等于0.03%，如00Cr18Ni10钢。

解决办法之二：

加入强碳化物形成元素钛和铌，固定钢中的碳，形成稳定的TiC或NbC，排除Cr23C6析出的可能性。

6、应力腐蚀现象及防止措施（比较难、但不排除考）：

应力腐蚀原因分析：

是应力和电化学腐蚀共同作用的结果，是滑移－溶解机制。

在初始裂纹诱发阶段，张应力引起位错沿滑移面运动移出表面，形成表面滑移台阶，破坏了表面钝化膜，裸露的滑移台阶若来不及修补成完整的钝化膜，就会发生阳极溶解，形成蚀坑，并继续下去，向纵深扩展，在张应力作用下互相联接，形成腐蚀裂缝，最后导致穿晶断裂。

防止应力腐蚀的措施：

（1）采用硅含量为2～4％或铜含量为2％的钢种；

（2）将钢中氮含量降到小于0.04％，并尽量降低杂质含量；

（3）采用高纯度铁素体不锈钢；

（4）采用奥氏体－铁素体复相钢，铁素体体积含量控制在50～70％。

六、耐热钢（15%基本概念）

1、耐热钢和耐热合金的定义：

高温下工作时，钢和合金将发生原子扩散过程，并引起组织转变，这是与低温部件的根本不同点，因此耐热钢和耐热合金的基本要求是：

Ø良好的高温强度及与之相适应的塑性

Ø有足够高的化学稳定性

2、蠕变强度（极限）：

在某温度下，在规定时间达到规定变形（如0.1%）时所能承受的应力。

σδ/τt（σ1/100000700）=100MPa700℃持续时间10000小时，总变形量1%时的蠕变极限。

持久强度：

规定温度和规定时间断裂所能承受的应力。

στt（σ100700）=300MPa，700℃持续时间100小时断裂的持久强度为300MPa

持久寿命：

规定温度和规定应力作用下拉断的时间。

2、铁素体型耐热钢的分类、强化及应用：

铁素体型耐热钢包括铁素体－珠光体耐热钢、马氏体耐热钢和铁素体耐热钢（工作范围350~650℃）

强化方法：

固溶强化和碳化物沉淀强化

用途：

多用于锅炉蒸汽管道，在450～620℃蒸汽介质中长期运转。

3、以一种合金为例，阐述某耐热钢的设计及其强化原理

Cr12型马氏体耐热钢：

（1）加入W、Mo后，消除了Cr7C3，只出现单一的（Cr，Mo，W，Fe）23C6，并具有沉淀强化作用。

W、Mo除部分溶于M23C6和M6C碳化物外，大部分溶于基体起固溶强化作用。

钢中W、Mo比例影响到钢的强度和韧性，若W低Mo高，则有高韧性和塑性，但蠕变强度较低；反之，则有高蠕变强度而韧性和塑性较低。

钢中B起晶界强化作用。

（2）加入V或Nb，能析出VC或NbC，起沉淀强化作用。

加入氮后，也能增加沉淀强化数量，有利于加强沉淀强化效应。

七、金属基复合材料（10%）

1、增强体类型、基体与增强体的匹配：

镁和镁合金的增强物主要是石墨纤维。

液态镁对石墨纤维润湿性差，在高温下发生化学反应，可通过纤维的表面处理（如用溶胶-凝胶法在纤维上涂覆SiO2涂层）来解决。

在现有的高性能纤维中适合作钛和钛合金基体的增强物的只有SiC。

对于高温合金（超合金）基体目前还无廉价的、高性能低密度的、与基体相容性好的增强物，研究较多的是钨丝和钼丝。

2、在选择基体金属时，应考虑以下几方面：

1）金属基复合材料的使用要求。

金属基复合材料的构（零）件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。

2）金属基复合材料组成的特点。

在连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不是要求基体本身有很高的强度；对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，基体是主要承载物，应具有高的强度。

3）金属基体与增强物的相容性，特别是化学相容性。

3、作为金属基复合材料的增强物应具有以下基本特性：

1）增强物应具有能明显提高金属基体某种所需特性的性能，如高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、低热膨胀性等，以便赋予金属基体某种所需的特性和综合性能。

2）增强物应具有良好的化学稳定性。

3）与金属有良好的浸润性，或通过表面处理能与金属良好浸润，以保证增强物与金属基体良好复合和分布均匀。

4）增强物的成本要合理。