金属材料学复习思考题及答案知识讲解Word文件下载.docx

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金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶界发生的一种局部腐蚀。

13、应力腐蚀：

金属材料在特定的腐蚀介质和拉应力共同作用下发生的脆性断裂。

14、n/8规律：

当Cr的摩尔分数每达到1/8，2/8，3/8……时，铁基固溶体的电极电位跳跃式地

增加，合金的腐蚀速度都相应有一个突然的降低，这个定律叫做n/8规律。

15、碳当量：

将铸铁中的石墨元素（Si、P）都折合成C的作用所相当的总含碳量。

16、共晶度：

铸铁实际含碳量与其共晶含碳量之比,它放映了铸铁中实际成分接近共晶成分的程度。

17、黄铜：

以Zn为主要合金元素的铜合金。

18、锌当量系数：

黄铜中每质量分数1%的合金元素在组织上替代Zn的量。

19、青铜：

是Cu和Sn、Al、Si、Be、Mn、Zr、Ti等元素组成的合金的通称。

20、白铜：

是以Ni为主要合金元素的铜合金。

三、问答题：

第一章钢的合金化原理

1、合金元素V、Cr、W、Mo、Mn、Co、Ni、Cu、Ti、Al中哪些是铁素体形成元素？

哪些是奥氏体形成元素？

哪些能在α-Fe中形成无限固溶体？

哪些能在γ-Fe中形成无限固溶体？

答:

①奥氏体形成元素：

Mn,Ni,Co,Cu；

②铁素体形成元素：

V、Cr、W、Mo、、Ti、Al；

③Mn,Ni,Co与γ-Fe无限互溶；

④V、Cr与α-Fe无限互溶。

2、简述合金元素对扩大或缩小γ相区的影响，并说明利用此原理在生产中有何意义？

答：

⑴扩大γ相区：

合金元素使A3降低，A4升高。

一般为奥氏体形成元素。

分为两类：

1）开启γ相区：

与γ-Fe无限固溶，Ni、Mn、Co。

一定量后，γ相区扩大到室温以下，使α相区消失—开启γ相区元素。

可形成奥氏体钢。

2）扩大γ相区：

与γ-Fe有限固溶，C、N、Cu。

扩大γ相区，但可与铁形成稳定化合物，扩大作用有限而不能扩大到室温-扩展γ相区元素。

⑵缩小γ相区：

使A3升高，A4降低。

一般为铁素体形成元素。

分为两类:

1）封闭γ相区：

合金元素在一定含量时使A3和A4汇合，γ相区被α相区封闭，形成γ圈。

V、Cr、Si、Ti、W、Mo、Al、P等。

其中V和Cr与α-Fe无限互溶，其余有限溶解。

Cr、Ti、Si等可完全封闭γ相区，量大时可获得单相铁素体—铁素体钢。

2）缩小γ相区：

Zr,Nb,Ta,B,S,Ce等。

使γ相区缩小，但出现了金属间化合物，不

能完全封闭γ相区-缩小γ相区元素。

⑶生产中的意义：

可以利用M扩大和缩小γ相区作用，获得单相组织，具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛。

通过合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与性能。

在钢中大量加入奥氏体形成元素或铁素体形成元素以获得室温组织为奥氏体的奥氏体钢或高温组织为铁素体的铁素体钢。

3、简述合金元素对铁碳相图（如共析碳量、相变温度等）的影响，有何意义？

1、合金元素对临界点的影响

（1）A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）线向下移动。

（2）F形成元素Cr、Si等使A1（A3）线向上移动。

2、合金元素对S、E点的影响

（1）A形成元素使S、E点向左下方移动。

（2）F形成元素使S、E点向左上方移动。

3、S点左移，共析C量，例如3Cr13为共析钢；

E点左移，共晶碳量及莱氏体含碳量下降，例如W18Cr4V（~0.75%C），组织中有大量莱氏体。

同时，A1、A3点的移动是不同温度下的合金组织、性能发生一定的变化。

4、合金钢中碳化物形成元素（V、Cr、Mo、W等）所形成的碳化物基本类型？

其种类和数量对二次硬化和回火稳定性的影响如何？

1、按相对稳定性由高到低的顺序：

（1）V，Nb：

优先形成间隙相MC。

稳定性很高。

（2）Mo，W：

含量较高时形成MC，M2C，M6C和M23C6，稳定性高。

（3）Cr：

含量较高时形成Cr23C6和Cr7C3，稳定性较高。

（4）Mo，W，Cr：

含量较低时只形成合金渗碳体，稳定性低。

（但高于渗碳体）

（5）Mn：

在钢中只形成合金渗碳体，稳定性最低。

各种K相对稳定性如下：

MC→M2C→M6C→M23C6→M7C3→M3C

（高----------------------------------低）

5、试说明主要合金元素（V、Ti、Nb、Ni、Mn、Si、B等）对过冷奥氏体冷却转变影响的作用机制。

为什么合金化原则是“多元少量，复合加入”？

Ti,Nb,Zr,V：

主要是通过推迟P转变时K形核与长大来提高过冷γ的稳定性；

W，Mo,Cr1）推迟K形核与长大；

2）增加固溶体原子间的结合力，降低Fe的自扩散激活能。

作用大小为：

Cr>

W>

Mo

Mn：

（Fe,Mn）3C,减慢P转变时合金渗碳体的形核与长大；

扩大γ相区，强烈推迟γ→α转变，

提高α的形核功；

Ni：

开放γ相区，并稳定γ相，提高α的形核功（渗碳体可溶解Ni,Co）

Co：

扩大γ相区，但能使A3温度提高（特例），使γ→α转变在更高的温度进行，降低了过冷γ的稳定性。

使C曲线向左移。

Al,Si：

不形成各自K，也不溶解在渗碳体中，必须扩散出去为K形核创造条件；

Si可提高Fe原子的结合力。

B，P，Re：

强烈的内吸附元素，富集于晶界，降低了γ的界面能，阻碍α相和K形核。

“多元少量，复合加入”：

不同合金元素增加过冷奥氏体稳定性的机制是不相同的。

因此，用多种合金元素复合加入时，各元素之间作用相互加强，能大大提高过冷奥氏体的稳定性，其作用绝非单个合金元素作用的简单之和，所以采用“多元少量，复合加入”的合金化原则。

6、主要合金元素（V、Ti、Nb、Ni、Mn、Si等）对珠光体转变的影响机制

7、合金元素对马氏体转变有何影响？

1、对Ms点的影响除

Co、Al外，绝大多数Me都使Ms和Mf下降。

按（C）、Mn、Ni、Cr、Mo、W、Si顺序递减。

2、对残余奥氏体的影响

Ms越低，室温下保留的残余奥氏体越多。

应用：

室温单相奥氏体不锈钢的合金化思路。

3、Me一般都增加了形成孪晶马氏体的倾向。

滑移和孪生的分切应力的相对大小与温度的相关性。

9、如何利用合金元素来消除或预防第一次、第二次回火脆性？

1）低温回火脆性（第I类，不具有可逆性）

其形成原因：

沿条状马氏体的间界析出K薄片；

防止：

加入Si,脆化温度提高300℃；

加入Mo,减轻作用。

2）高温回火脆性（第II类，具有可逆性）

与钢杂质元素向原奥氏体晶界偏聚有关。

加入W，Mo消除或延缓杂质元素偏聚.

10、如何理解二次硬化与二次淬火两个概念的相关性与不同特点。

相关性：

（1）都发生在中、高合金钢。

（2）都在淬火后，500—600℃回火时发生的。

（3）都表现为硬度升高。

不同点：

（1）二次硬化是指回火后硬度升高的现象，其产生原因包括沉淀强化和二次淬火。

（2）二次淬火是指回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体的相变过程，是产生二次硬化的原因之一。

11、一般地，钢有哪些强化与韧化途径？

为什么一般钢的强化工艺都采用淬火-回火？

1、强化途径：

固溶强化、加工硬化、细晶强化、第二相强化；

韧化途径：

①细化晶粒、组织

②提高回火稳定性—如强K形成元素。

③改善基体韧度—Ni。

④细化K—适量Cr、V，使K小而匀。

⑤降低回火脆性—W、Mo。

⑥低碳马氏体强韧化—在保证强度水平下，适当降低含C量。

⑦提高冶金质量。

⑧通过合金化形成一定量的残余奥氏体。

⑨形变热处理—细晶强化、位错强化等的综合作用。

2、淬火-回火工艺：

采用淬火-回火的热处理工艺，可以充分发挥各种强化机制作用，所以钢的强化一般采用淬火-回火工艺。

第二章工程结构钢

1．对工程结构钢的基本性能要求是什么？

①足够的强度和韧度；

②良好的焊接性和成型工艺性；

③良好的耐腐蚀性

2、合金元素在低合金高强度结构钢中的主要作用是什么？

为什么考虑采用低C？

强化作用：

1、Mn、Si固溶强化铁素体。

2、细晶强化：

（1）V，Ti，Nb细化奥氏体晶粒。

（2）Cr，Mn，Ni增加过冷奥氏体稳定性，降低相变温度，细化铁素体和珠光体。

3、沉淀强化：

V，Ti，Nb在铁素体中析出极细小的碳化物颗粒。

4、增加珠光体数量，使抗拉强度增加。

韧化作用：

1、细晶强化同时提高韧性。

2、Mn、Ni、Cr降低韧-脆转变温度。

Mn、Cr含量较低时可提高韧性，Ni对耐低温钢尤其重要。

考虑低C的原因：

（保证塑性、韧性和焊接性）

（1）C含量过高，P量增多，P为片状组织，会使钢的脆性增加，使FATT50（℃）增高。

（2）C含量增加，会使C当量增大，当C当量>

0.47时，会使钢的可焊性变差，不利于工程结构钢的使用。

3、以低碳贝氏体钢14CrMnMoVB为例，说明其合金化有何特点？

（1）碳含量低（0.14%），保证韧性和焊接性。

（2）以0.5%Mo+B为基础，显著推迟先共析铁素体及珠光体转变，保证空冷条件下获得贝氏体组织。

（3）Cr，Mn，Ni：

增加淬透性，使贝氏体转变温度降低，便于得到下贝氏体组织，具有更低的脆性转变温度。

（4）V，Ti，Nb：

细化晶粒，弥散强化。

4．什么是微合金钢？

主要有哪些微合金元素？

其主要作用中什么？

1、微合金钢：

在普通低碳钢或低合金高强度钢基本化学成分中加入微量合金元素如Nb、V、Ti、Al等，并采用控制轧制控制冷却工艺使钢的力学性能明显提高的高强度低合金钢。

2、微合金钢中的主要微合金元素：

Nb、V、Ti

3、微合金化元素的作用：

（1）抑制奥氏体形变再结晶。

①应变诱导析出Nb、V、Ti的氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上，阻碍晶界和位错运动，抑制再结晶。

②固溶的Ni原子偏聚在奥氏体晶界，增强原子结合力，阻碍晶界运动。

（2）阻止奥氏体晶粒长大。

加热时未溶及轧制时析出的TiN，Nb（C,N）。

（3）沉淀强化。

微合金元素在铁素体中析出的碳化物、碳氮化物。

（4）细化铁素体组织

①固溶在奥氏体中的Nb、V提高了奥氏体的稳定性，降低相变温度。

②细小的奥氏体和未再结晶的形变奥氏体增加了铁素体形核数量。

5．微珠光体钢是如何获得的？

其主要强化机制如何？

1、通过在含碳量小于0.1%的低合金高强度钢基础上，加入0.1%左右的V、Ti、Nb等合金元素，采用控制轧制和控制冷却技术获得的

2、主要强化机制：

1）细晶强化

1、钢坯加热时未溶的TiN，Nb（C,N）阻止γ长大。

2、轧制时在晶界、亚晶界和位错上应变诱导析出铌、钛、钒的氮化物，抑制再结晶，并阻止γ长大。

3、固溶的铌原子偏聚在奥氏体晶界，增强原子结合力，阻碍晶界运动，抑制再结晶。

4、固溶在奥氏体中的Nb、V提高了奥氏体的稳定性，降低相变温度。

2）沉淀强化。

微合金元素在铁素体中析出的碳化物、碳氮化物。

第三章机械制造结构钢

1、．典型调质钢、弹簧钢、氮化钢、渗碳钢中合金元素作用、热处理特点及主要注意事项。

热处理

合金元素作用：

3、高锰钢在平衡态、铸态、热处理态、使用态四种状态下各是什么组织？

为何具有抗磨特性？

（1）平衡态组织：

珠光体和碳化物。

（2）铸态组织：

粗大的铸态奥氏体和碳化物。

（3）热处理组织：

粗大的铸态奥氏体。

（4）使用组织：

表面是形变高碳马氏体，心部是单相奥氏体。

（5）具有抗磨性的原因：

表面应力超过屈服强度时会产生加工硬化，形成马氏体。

硬度提高到HB450－500，耐磨性提高。

4、GCr15钢是什么类型的钢？

这种钢中碳和铬的含量约为多少？

碳和铬的主要作用分别是什么？

其预先热处理和最终热处理分别是什么？

其中的碳化物不均匀性主要表现在哪些方面，各自的成因如何，如何消除？

（1）GCr15钢是滚动轴承钢。

（2）含碳量为1%，含铬量为1.5%。

（3）碳的主要作用：

①形成含碳量为0.45%的回火马氏体基体，提高强度、硬度和耐磨性。

②形成数量为8%的、细颗粒未溶合金渗碳体（Fe,Cr）3C，提高耐磨性、细化奥氏体晶粒。

铬的作用：

①提高淬透性；

②细化奥氏体晶粒

③提高耐磨性

（4）预先热处理：

正火+球化退火

正火：

得到细片状珠光体。

850-950℃加热，空冷；

球化退火：

得到均匀细粒状珠光体组织。

780-800℃加热，炉冷。

最终热处理：

淬火+回火

淬火：

830-860℃加热，油冷；

回火：

150-170℃。

（5）碳化物的不均匀性可分为:

液析碳化物：

由于枝晶偏析引起的伪共晶碳化物，尺寸一般较大，具有高的硬度和脆性；

采用高温扩散退火，一般在1200℃进行扩散退货即可消除

带状碳化物：

属于二次碳化物，碳化物偏析区沿轧制方向伸长呈带状分布，直接影响钢的冷、热加工性能，严重损害轴承的接触疲劳寿命；

采用长时间退火才能消除

网状碳化物：

由二次碳化物析出于奥氏体晶界造成的，他降低了钢的冲击韧度；

控制终轧或终锻温度、控制轧制后冷速或正火可防止和消除网状碳化物。

第四章工具钢

1、从总体看，工具钢与结构钢相比，在主要成分、组织类型、热处理工艺、主要性能与实际应用方面各自有何特点？

结构钢

工具钢

主要成分

碳

中低C（0.08-0.65%）

中高C（0.6-1.3%）

合金元素

中偏低（总量一般<

5%，少数为5%~10%，属于低合金钢和中合金钢）

中偏低高C，总量一般<

5%

组织类型

P（S,T）,B,M

M,S,T

热处理工艺

退火、正火、淬火、回火

淬火、回火

综合性能

足够的强韧、良好的焊接性和成型工艺性和耐腐蚀性

高的耐磨性、热稳定性和足够的强度与韧度

实际应用

工程或制造结构

各种工具

2、采用普通素工具钢的优点是什么？

局限性是什么？

优点：

成本低，冷热性能较好，热处理简单，应用范围较宽。

局限性：

1）淬透性低,盐水中淬火。

2）组织稳定性差,热硬性低,工作温度小于200℃。

3）变形开裂倾向大。

3、什么是红硬性?

对于淬火回火钢而言，与哪些因素有关？

为什么它是高速钢的一种重要性能？

哪些元素在高速钢中提高红硬性?

⒈红硬性：

指材料在经过一定温度下保持一定时间后所能保持其硬度的能力；

2、

（1）高合金回火马氏体为基体。

（回火稳定性高）

（2）马氏体基体中弥散分布着回火时析出的特殊碳化物。

3、高速钢适用于高速切削刃具，必须保证其在650℃仍具有很高的硬度，即保证其有良好的红硬性，从而具有优良的切削性和耐磨性；

4、为保证高速钢的红硬性,必须加入W、Mo、Cr、V等碳化物形成元素。

4、18-4-1高速钢的铸态显微组织特征是什么？

为什么高速钢在热处理之前一定要大量地热加工？

①铸态显微组织：

鱼骨状莱氏体（Ld）+黑色组织（δ共析体等）+白亮组织（M+Ar）；

②铸态高速钢中的粗大的共晶碳化物必须在锻造或轧制中将其破碎，使其尽可能成为均匀分布的颗粒状碳化物。

5、高速钢18-4-1的最终热处理的加热温度为什么高达1280℃？

在加热过程中为什么要在600~650℃和800~850℃进行二次预热保温？

①高速钢淬火加热时，必须保证有足够量的碳化物溶入奥氏体。

而高速钢中的合金碳化物都比较稳定，M23C6到1090℃才完全溶解，M6C和MC分别在1037℃和1100℃开始溶解。

所以18-4-1高速钢要采用1280℃淬火加热。

②两次预热的目的：

1）高速钢导热性差，淬火加热温度高，需预热减少加热变形、开裂。

2）缩短高温加热的保温时间，以减少脱碳。

6、高速钢W18Cr4V（18-4-1）淬火后三次回火的目的是什么?

这种回火在组织上引起什么样的变化？

目的：

消除淬火应力，减少AR，稳定组织，并产生二次硬化

回火时的组织变化：

①淬火马氏体转变为回火马氏体；

②沉淀强化：

马氏体和残余奥氏体中析出弥散分布的合金碳化物颗粒。

③二次淬火：

残余奥氏体在回火冷却过程中转变为淬火马氏体。

三次回火的原因

①高速钢的Ar比较稳定，需要通过两次二次淬火才能基本完成转变。

②二次淬火发生在回火保温后的冷却过程中，产生的淬火马氏体还需要再回火，所以共需要三次回火。

7、热作模具钢的回火温度为什么要高？

其组织是什么？

①高温回火原因：

以消除淬火应力，获得良好的韧性

②组织：

回火索氏体+回火托氏体

8、Cr12型冷作模具钢中是否有莱氏体组织？

为什么？

其热处理有哪两种？

有何针对性？

答：

1、Cr12型冷作模具钢是含Cr12%左右的高碳亚共晶莱氏体钢；

2、Cr是缩小γ相区的合金元素，是E点左移，意味着莱氏体碳含量的减小，当含Cr量12%时，E点含C量只需0.85%左右即可出现莱氏体组织。

3、热处理工艺有一次硬化法和二次硬化法两种：

①一次硬化法：

采用较低的淬火温度和低温回火；

淬火温度低，晶粒细小，强韧性好，随温度的升高，碳化物溶解量增加，奥氏体合金度增加，淬火后Ar残增加，一次硬化法使用比较普遍。

②二次硬化法：

采用高的淬火温度，进行多次高温回火，由于淬火后钢中存在大量残留奥氏体，所以硬度较低，通过多次高温回火，使残余奥氏体转变成马氏体产生二次硬化。

主要适用于工作温度较高且载荷不大，或淬火后需要氮化的模具。

第五章不锈耐蚀钢

1、从电化学腐蚀原理看，采用哪三种途径可提高钢的耐蚀性？

（1）得到单相固溶体组织。

（Ni-γ，Cr-α）

（2）表面形成稳定的保护膜。

（Cr，Al，Si）

（3）提高固溶体的电极电位。

（Cr）

2、合金元素及环境介质对耐蚀钢的耐蚀性的影响。

在不同的环境介质中，如何选择不锈钢种？

（1）Cr是提高耐蚀性的主要元素，可提高固溶体的电极电位，形成稳定的保护膜。

不锈钢中Cr含量不低于13%，同时符合n/8规律。

（2）Ni提高铬不锈钢在硫酸、醋酸、草酸及中性盐中的耐蚀性。

（3）Mn提高铬不锈钢在有机酸中耐蚀效果。

（4）Mo提高在热硫酸、稀盐酸、磷酸及有机酸中耐蚀，同时防止氯离子对膜的破坏，抗点腐蚀。

（5）Cu在不锈钢表面作为附加微阴极，易于达到钝化状态，提高耐蚀性，一般加入2-3%。

（6）Si提高不锈钢在盐酸、硫酸及高浓度硝酸中的耐蚀性，一般加入2-4%

（7）Ti、Nb、Mo和RE

1）Ti、Nb先于Cr形成碳化物，防止晶间腐蚀。

2）Mo形成含钼的钝化膜，提高不锈钢钝化能力，扩大钝化介质范围。

含Mo钝化膜在许多介质中具有很高的稳定性，不易溶解。

可防止氯离子对钝化膜的破坏，抗点腐蚀。

3）Re固溶于基体中，净化晶界、变质夹杂物，改善耐蚀性能。

2、环境介质的影响：

（1）大气、水、水蒸气等弱腐蚀介质中采用Cr13不锈钢。

（2）氧化性酸中采用Cr＞17%以上的高铬不锈钢。

（3）非氧化性酸中一般Cr，Cr-Ni不锈钢难以钝化，需加入Ni、Mo，Cu增加钢的钝化能力。

（4）强有机酸介质中一般Cr，Cr-Ni不锈钢难以钝化，需加入Mo，Cu、Mn增加钢的钝化能力。

（5）含Cl-1介质中需加入Mo增强抗点蚀能力。

3、奥氏体不锈钢晶间腐蚀产生的原因，影响因素与防止方法。

1、产生原因：

富铬的Cr23C6碳化物沿晶界呈网状连续析出，在晶界附近形成10-5cm宽的贫铬区，当贫铬区Cr含量下降到12%以下时钝化能力急剧下降，贫Cr区作为阳极发生腐蚀，腐蚀集中在晶界附近。

2、消除措施：

（1）钢中含C量降到0.03%以下，不析出碳化物。

（2）加入Ti，Nb，生成稳定的TiC、NbC，固定钢中C，不生成铬的碳化物，不产生贫铬区。

（3）调整化学成分，出现10－50%δ铁素体，使Cr23C6在δ/γ相界δ相一侧呈点状析出，避免了在奥氏体晶界析出。

铬在δ相中扩散快，不会产生贫铬区。

（4）在550-800℃长时间加热，通过铬的扩散消除奥氏体中的贫铬区。

第六章耐热钢及耐热合金

1、耐热钢及耐热合金的基本性能要求有哪两条？

1、良好的高温强度和塑性；

2、足够高的高温化学稳定性。

2、如何利用合金化（或怎么合金化）提高钢的高温强度？

（主要强化机制）

1、提高基体强度

（1）以奥氏体作为基体。

（原子排列较致密，原子间结合力强，再结晶温度高，热强性好）

（2）固溶强化。

（Mo、W、Cr）

2、晶界强化

（1）纯化晶界：

使晶界处分布的P，S及其它低熔点杂质形成稳定的难熔化合物。

（2）填充空位：

加入硼填充晶界空位，阻止扩散。

（3）晶界沉淀强化：

沉淀相在晶界不连续析出，形成强化相骨架。

3、沉淀强化（V，Ti）

在晶内析出具有高的高温强度和高温稳定性的碳化物、金属间化合物。

3、如何利用合金化（或怎么合金化）提高钢的高温抗氧化性能？

1、提高氧化膜的稳定性

Cr、Al、Si是Fe3O4稳定剂，缩小FeO区域，升高FeO的形成温度，增加钢氧化膜的稳定性。

2、形成致密、稳定的合金氧化膜

Cr、Al、Si含量高时，可形成致密、稳定、结合牢固的Cr2O3、Al2O3、SiO2氧化膜，阻碍铁、氧原子的扩散。

4、耐热