金属材料学复习题整理版.docx

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金属材料学复习题整理版

金属材料学复习题（整理版）

第一章合金化

合金元素:

特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或机械性能的化学元素。

微合金元素:

有些合金元素如V，Nb，Ti,Zr和B等，当其含量只在0.1%左右（如B0.001%，V0.2%）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。

奥氏体形成元素:

在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ相；如Mn,Ni,Co,C,N,Cu；

铁素体形成元素:

在α-Fe中有较大的溶解度，且能稳定α相。

如：

V，Nb,Ti等。

原位析出:

元素向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时,合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物如Cr钢中的Cr：

离位析出:

在回火过程中直接从α相中析出特殊碳化物，同时伴随着渗碳体的溶解，可使HRC和强度提高（二次硬化效应）。

如V，Nb,Ti等都属于此类型。

2．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：

铁素体形成元素：

V、Cr、W、Mo、Ti、Al；

奥氏体形成元素：

Mn、Co、Ni、Cu

能在α-Fe中形成无限固溶体：

V、Cr；

能在γ-Fe中形成无限固溶体：

Mn、Co、Ni

3．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：

（1）扩大γ相区：

使A3降低，A4升高一般为奥氏体形成元素

分为两类：

a.开启γ相区：

Mn,Ni,Co与γ-Fe无限互溶.

b.扩大γ相区：

有C，N，Cu等。

如Fe-C相图，形成的扩大的γ相区，构成了钢的热处理的基础。

（2）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:

a.封闭γ相区：

使相图中γ区缩小到一个很小的面积形成γ圈,其结果使δ相区与α相区连成一片。

如V,Cr,Si,A1,Ti,Mo,W,P,Sn,As,Sb。

b.缩小γ相区：

Zr,Nb,Ta,B,S,Ce等

（3）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。

4．简述合金元素对铁碳相图（如共析碳量、相变温度等）的影响。

答：

答：

1）改变了奥氏体区的位置

2）改变了共晶温度：

（l）扩大γ相区的元素使A1，A3下降；

（2）缩小γ相区的元素使A1，A3升高。

当Mo>8.2%,W>12%,Ti>1.0%,V>4.5%,Si>8.5%，γ相区消失。

1）抑制奥氏体形变再结晶；

2）阻止奥氏体晶粒长大；

3）沉淀强化；

4）改变与细化钢的组织

4．低碳贝氏体钢的合金化有何特点？

解：

合金元素主要是能显著推迟先共析F和P转变，但对B转变推迟较少的元素如Mo，B，可得到贝氏体组织。

1）加入Mn,Ni,Cr等合金元素，进一步推迟先共析F和P转变，并使Bs点下降，可得到下B组织；

2）加入微合金化元素充分发挥其细化作用和沉淀作用；

3）低碳,使韧性和可焊性提高。

第三章机械制造结构钢

1）液析碳化物：

由于碳和合金元素偏析，在局部微小区域内从液态结晶时析出的碳化物。

2）网状碳化物：

过共析钢在热轧（锻）加工后缓慢冷却过程中由二次碳化物以网状析出于奥氏体晶界所造成的。

3）水韧处理：

高锰钢铸态组织中沿晶界析出的网状碳化物显著降低钢的强度、韧性和抗磨性。

将高锰钢加热到单相奥氏体温度范围，使碳化物充分溶入奥氏体，然后水冷，获得单一奥氏体组织。

4）超高强度钢：

一般讲，屈服强度在1370MPa（140kgf/mm2）以上，抗拉强度在1620MPa（165kgf/mm2）以上的合金钢称超高强度钢。

1．调质钢、弹簧钢进行成分、热处理、常用组织及主要性能的比较，并熟悉各自主要钢种。

答：

成分

热处理

常用组织

主要性能

调质钢

0.30~0.50%C的C钢或中、低合金钢

淬火与高温回火

回火S或回火T

较高的强度，良好的塑性和韧性

弹簧钢

中、高碳素钢或低合金钢

淬火和中温回火

回火T

高的弹性极限，高的疲劳强度，足够的塑性和韧性

3．液析碳化物和带状碳化物的形成、危害及消除方法。

答：

形成：

均起因于钢锭结晶时产生的树枝状偏析；

液析碳化物属于偏析引起的伪共晶碳化物（一次碳化物）；

带状碳化物属于二次碳化物偏析（固相凝固过程中）

危害：

降低轴承的使用寿命，增大零件的淬火开裂倾向，造成硬度和力学性能的不均匀性（各向异性）

消除方法：

1）控制成分（C，Cr%）；2）合理设计钢锭，改进工艺；3）大的锻（轧）造比来破碎碳化物；4）采用高温扩散退火（1200℃左右）。

5.马氏体时效钢与低合金超强钢相比，在合金化、热处理、强化机制、主要性能等方面有何不同？

合金化

热处理

强化机制

主要性能

马氏体时效钢

1）过大γ相区（Ni、Co）；

2）时效强化（Ni，Ti,Al,Mo,Nb，Mo）；

3）为提高塑韧性，必须严格控制杂事元素含量（C,S,N,P）

1）高温奥氏体化后淬火成马氏体（Ms:

100~150℃）；

2）进行时效，产生强烈沉淀强化效应，显著提高强度。

固溶强化

冷作相变强化

时效强化

高强度，同时具有良好的塑韧性和缺口强度；

热处理工艺简单；

淬火后硬度低，冷变形性能和切削性能好；

焊接性较好

低合金超强钢

1）保证钢的淬透性（Cr,Mn,Ni）；

2）增加钢的抗回火稳定性（V,Mo）；

3）推迟低温回火脆性（Si）；4）细化晶粒（V,Mo）。

淬火+低温回火或等温淬火

晶粒细化、沉淀硬化及亚结构的变化

强度高；成本低廉；生产工艺较简单；

韧塑性较差；

较大的脱C倾向；

焊接性不太好。

2．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？

答：

平衡态组织：

α+（Fe,Mn）3C；铸态组织：

γ+碳化物；

热处理态组织：

单相γp；使用状态下组织:

表面硬化层+内部γ

具有抗磨特性的原因：

1）高冲击和强挤压下，其表面层迅速产生加工硬化，在滑移面上形成硬化层，即冷作硬化，使其具有抗磨性。

2）加入2-4%的Cr或适量的Mo和V，能形成细小碳化物，提高屈服强度、冲击韧性和抗磨性。

3．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？

答：

高碳铬轴承钢。

C含量1%，Cr含量1.5%。

C的作用：

固溶强化提高硬度;形成碳化物。

Cr的作用：

提高淬透性、耐磨性、耐蚀性

预先热处理：

（扩散退火，正火）+球化退火

最终热处理：

淬火+低温回火+（稳定化处理）

第四章工具钢

3．什么是红硬性?

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?

答：

红硬性：

在高的温度下保持硬度的能力。

提高热硬性的元素有：

W、Mo、V、Co、N（常与Al配合加入）。

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？

答：

铸态组织：

鱼骨状Le+黑色与白色组织

铸态高速钢组织中粗大的共晶碳化物必须经过锻轧将其破碎，是其尽可能成为均匀分布的颗粒状碳化物。

7．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？

答：

加热温度高：

为使奥氏体中合金度含量较高，应尽可能提高淬火温度至晶界熔化温度偏下（晶粒仍然很细，8-9级）。

目标：

淬火后获得高合金的M组织，具有很高抗回火稳定性；

在高温回火时析出弥散的合金碳化物产生二次硬化，使钢具有高的硬度和热硬性。

一次或两次预热：

由于高合金的高速钢导热性差，为防止工件加热时变形，开裂和缩短加热的保温时间以减少脱碳。

8．高速钢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？

答：

目的：

一方面，增强二次硬化效果；另一方面，（主要）是为了利用二次淬火来降低残余奥氏体含量，也间接地提高了性能。

回火后的显微组织为回火马氏体加碳化物。

第五章不锈耐蚀钢

1）晶间腐蚀：

晶界上析出连续网状富铬的Cr23C6引起晶界周围基体产生贫铬区，贫铬区成为微阳极而发生的腐蚀。

2）应力腐蚀：

奥氏体或M不锈钢受张应力时，在某些介质中经过一段不长时间就会发生破坏，且随应力增大，发生破裂的时间也越短；当取消张应力时，腐蚀较小或不发生腐蚀。

这种腐蚀现象称为“应力腐蚀（破裂）”。

2．从电化学腐蚀原理看，采用哪些途径可提高钢的耐蚀性？

答：

1）使钢表面形成稳定的表面保护膜；

2）得到单相均匀的固溶体组织；

3）提高固溶体（阳极）的电极电位。

3．合金元素及环境介质对耐蚀钢的耐蚀性的影响。

答：

合金元素：

Cr决定和提高耐蚀性的主要元素；

Ni可提高耐蚀性；

C与Cr形成碳化物，降低耐蚀性；

Mn，N提高高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性；

Mo提高不锈钢的钝化能力；

Cu少量加入可有效地提高不锈钢在硫酸及有机酸中的耐蚀性；

Si提高在盐酸、硫酸和高浓度硝酸中耐蚀性。

环境介质：

（1）氧化性介质如硝酸，NO3是氧化性的，不锈钢表面氧化膜容易形成，钝化时间短。

（2）在稀硫酸等非氧化性酸中，由于介质中溶有的氧量较低，而SO4又不是氧化剂，H+浓度又高，一般的铬不锈钢和Cr18Ni9型不锈钢难以达钝化状态，因而是不耐蚀的。

（3）强有机酸中，由于介质中氧含量低，又有H+存在，一般铬和铬镍不锈钢难钝化，易被腐蚀。

（4）在含有Cl*的介质中，Cl*容易破坏不锈钢表面氧化膜，穿透过并与钢表面起作用，产生点腐蚀。

4．奥氏体不锈钢晶间腐蚀产生的原因，影响因素与防止方法。

答：

原因：

奥氏体不锈钢晶间腐蚀主要是晶界上析出网状富铬的Cr23C6引起晶界周围基体产生贫铬区，贫铬区的宽度约10-5cm，Cr<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。

影响因素：

a.化学成分：

加入Ti,Nb固C，使奥氏体内固溶的C<0.03%以下。

b.加热温度：

550-800℃（650℃最敏感），T>800℃时K重溶；T<500℃，扩散困难。

c.加热时间：

时间很长或很短，都难以存在晶间腐蚀。

防止办法：

超低C；改变K类型；固溶处理；获得γ+δ（10-50%）双相组织。

5．不锈钢发生应力腐蚀破裂的产生原因，影响因素与防止方法。

答：

原因：

不锈钢在某些介质中受张应力时经过一段不长时间就会发生破坏。

影响因素：

介质特点，附加应力和钢的化学成分。

1）介质：

含有Cl-和OH-腐蚀介质中特别敏感;2）应力：

应力越大，越严重;

3）介质温度：

温度越高，越严重;4）不锈钢组织与成分:

对应力腐蚀的影响.

防止措施：

1）提高纯度（降低N,H以及杂质元素含量）；2）加入2-4%Si或2%Cu或提高Ni%（>35%）；

1）采用高纯度15-25%F不锈钢；4）采用奥氏体和铁素体（50-70%）双相钢。

第六章耐热钢及耐热合金

1）蠕变极限：

在某温度下，在规定时间达到规定变形时所能承受的最大应力。

2）持久强度：

在规定温度和规定时间断裂所能承受的应力（στ）。

2）持久寿命：

它表示在规定温度和规定应力作用下拉断的时间。

2．耐热钢及耐热合金的基本性能要求有哪两条？

答：

足够高的高温强度、高温疲劳强度

足够高的高温化学稳定性

3、如何利用合金化（或怎么合金化）提高钢的高温强度？

答：

V，Ti碳化物沉淀强化；Mo、W、Cr固溶强化；B强化晶界。

4．耐热钢有哪些种类？

答：

（1）F-P耐热钢，常用钢种：

12Cr1MoV，15CrMo,12Cr2MoWVSiTiB

（2）马氏体耐热钢，钢种：

2Cr12MoV,2Cr12WMoV

（3）工业炉用耐热钢，Fe-Al-Mn炉用耐热钢，Cr-Mn-C-N炉用耐热钢，高Cr-Ni奥氏体炉用耐热钢

（4）奥氏体耐热钢，分为三类:

简单奥氏体耐热钢（Cr18Ni9型奥氏体不锈钢）;固溶强化型奥氏体耐热钢;沉淀强化型奥氏体耐热钢。

第七章铸铁

1．名词解释：

1）碳当量：

一般以各元素对共晶点实际含碳量的影响,将这些元素的量折算成C%的增减,这样算得的碳量称为碳当量（C.E）

2）共晶度：

铸铁含C量与共晶点实际含C量之比,表示铸铁含C量接近共晶点C%的程度。

3、可锻铸铁的成分与灰口铸铁相比，其生产分几步？

可锻铸铁生产分两步：

1）生产白口铸铁；2）高温G化退火（900-980度,15h）

第八章铝合金

1．以Al-4%Cu合金为例，阐述铝合金的时效过程及主要性能（强度）变化。

答：

分为四阶段：

1）形成溶质原子（Cu）的富集区—GP[I]

与母相α（Al为基的固溶体）保持共格关系，引起α的严重畸变，使位错运动受阻碍，从而提高强度；

2）GP[I]区有序化—GP[II]区（θ’’）

化学成分接近CuAl2，具有正方晶格，引起更严重的畸变，使位错运动更大阻碍，显著提高强度；

3）溶质原子的继续富集，以及θ’形成

θ’已达到CuAl2，且部分地与母相晶格脱离关系，晶格畸变将减轻，对位错阻碍能力减小，合金趋于软化，强度开始降低。

4）稳定相θ的形成与长大

与母相完全脱离晶格关系，强度进一步降低。

（这种现象称为过时效）

2．变形铝合金分为几类？

说明主要变形铝合金之间的合金系、牌号及主要性能特点。

答：

（1）非热处理强化变形铝合金

主要有防锈铝合金：

合金系：

Al-Mn系

Al-Mg-（Mn）性能：

耐蚀性好；塑性好（易加工成形）；焊接性好；可利用冷加工硬化来提高强度

（2）热处理强化变形铝合金,（过饱和）固溶处理和时效处理；

主要有硬铝、锻铝、超硬铝合金：

A硬铝：

基本是Al-Cu-Mg合金；

牌号

性能

低合金硬铝（铆钉硬铝）

LY1，LY3，LY10合金

Mg,Cu%较低，有较高塑性，但强度较低，时效速度慢。

标准硬铝

LY11

可淬火（过饱和固溶）时效，强度提高

高合金硬铝

LY12

具有良好的耐热性，强度高，但塑性及承受冷热加工能力差。

耐热硬铝

较多的Mn,Mg，强化相S，θ外，还有Al19Mg2Mn，可制做250-300℃工作的飞机零件。

B超硬铝合金，Al-Zn-Mg-Cu系合金

性能：

强度高（淬火+120℃时效），但抗蚀性差（包铝），组织稳定性不好，工作温度小于120℃

C锻铝合金

合金系：

Al-Mg-Si,Al-Mg-Si-Cu（普通锻铝合金）；Al-Cu-Mg-Ni-Fe（耐热锻铝合金）

性能：

良好的热塑性，较高的机械性能。

3．铸造铝合金主要分为几类？

说明主要铸造铝合金的合金系、牌号及主要性能特点。

答：

普通锻铝合金：

Al-Mg-Si,Al-Mg-Si-Cu

耐热锻铝合金：

Al-Cu-Mg-Ni-Fe

合金系

牌号

主要性能特点

Al-Si系

ZL1xx

最好的铸造性能、中等强度和抗蚀性，应用最广泛。

Al-Cu系

ZL20x

最高的高温和室温性能，适于制造大负荷或耐热铸件，但铸造性能和抗蚀性较差。

Al-Mg系

ZL30x

有最好的抗蚀性和较高的强度，但铸造、耐热性能差，适于抗蚀、耐冲击和表面装饰性高的铸件。

Al-Zn系

ZL40x

铸态下的高强度铝合金，在强度、抗蚀性和铸造性能，均中等

第九章镁合金

1．镁的晶格类型如何？

镁及镁合金有何主要性能特点？

答：

密排六方点阵（冷变形较困难）

镁：

强度和弹性模量较低；在大气中有足够的耐蚀性，但在淡水、海水中耐蚀性差，熔炼困难。

镁合金：

强度硬度高，塑韧性好，一般可焊性较差。

2．镁合金按生产方法分几类？

其牌号如何表示？

分为变形镁合金和铸造镁合金两大类

变形镁合金主要合金系为：

Mg-Zn-Zr系，Mg-Al-Zn系、Mg-Re-Zr系、Mg-Mn系和Mg-Li系等

铸造镁合金中主要合金系：

Mg-Zn-Zr系；Mg-Al-Zn系；Mg-Re-Zr系；Mg-Th-Zr系Mg-Al-Ag系等

第十章铜合金

1）黄铜；铜锌合金称为黄铜，再加入其他合金元素后，形成多元黄铜。

2）锌当量系数：

黄铜中加入M后并不形成新相，只是影响α，β相的相对含量，其效果象增加了锌一样。

可以用加入1%的其它合金元素对组织的影响上相当于百分之几的Zn的换算系数来预估加入的合金元素对多元黄铜组织的影响，这种换算关系称为锌当量系数。

3）青铜：

是Cu和Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr和Co等元素组成的合金的统称。

4）白铜：

是以镍为主要合金元素的铜合金。

第十一章钛合金

3．钛的晶格类型如何？

钛合金的分类及牌号？

钛的晶格类型：

密排六方

α-钛合金：

牌号：

TA1-TA8，TA1-TA3为工业纯钛。

α+β钛合金牌号用TC表示，TC1-TC10

β-钛合金和近β钛合金：

TB1,TB2

2、钛及钛合金有何主要性能特点？

答：

钛：

比强度高，熔点高，塑性好.具有优良的耐蚀性;低温性能很好；可焊性好；具有良好的冲压性能；但耐磨性较差；弹性模量较低（120GPa），约为铁的54%;导热系数及线胀系数均较低。

其导热系数比铁低4.5倍，使用时易产生温度梯度及热应力.