金属材料学第二版课后答案主编戴启勋.doc

1、第一章 钢的合金化原理 1名词解释 1）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。 (常用 M来表示 ) 2）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 B 0.001%，V 0.2 %）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。 3）奥氏体形成元素 :在 -Fe中有较大的溶解度 ,且能稳定 相；如 Mn, Ni, Co, C, N, Cu； 4）铁素体形成元素 : 在 -Fe中有较大的溶解度，且 能稳定 相。如： V， Nb, Ti 等。 5）原位析出 :

2、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： -FexCFe3C （ Fe, Cr） 3C （ Cr, Fe） 7C3 （ Cr, Fe） 23C6 6）离位析出 : 在回火过程中直接从 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 a-Fe 中形成无限固溶体？哪些能在 g-Fe 中形成无限固溶体？

3、 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 a-Fe中形成无限固溶体： V、 Cr； 能在 g-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 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 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 相区： Mn, Ni, Co 与 -Fe无限互溶 . b.扩大 相区 ：有 C， N， Cu 等。如 Fe-C相图，形成的扩大的 相区，构成了钢的热处理的基础。 （ 2）缩小 相区：使 A3 升高， A4

4、降低。一般为铁素体形成元素 分为两类 :a.封闭 相区：使相图中 区缩小到一个很小的面积形成 圈 ,其结果使 相区与 相区连成一片。如 V, Cr, Si, A1, Ti, Mo, W, P, Sn, As, Sb。 b.缩小 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 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 相区的元素使 A1， A3 下降； (2)缩小 相区的元素使 A1， A

5、3 升高。当 Mo8.2%, W12%,Ti1.0%,V4.5%,Si8.5%， 相区消失。 3.）改变了共析含碳量：所有合金元素均使 S 点左移。（提问：对组织与性能有何影响呢？） 5合金钢中碳化物形成元素（ V， Cr， Mo， Mn等）所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。 答：答：基本类型： MC 型； M2C 型； M23C6 型； M7C3 型； M3C 型； M6C 型； （强 K形成元素形成的 K比较稳定，其顺序为： TiZrNbVW,MoCrMnFe） 各种 K相对稳定性如下： MCM2CM6CM23C6M7C3M3C （高 -低） 6主要合金元素（ V， Cr， Ni， M

6、n， Si， B等）对过冷奥氏体冷却转变影响的作用机制。 答： 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 的稳定性； W， Mo,Cr： 1）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： CrWMo Mn：（ Fe,Mn） 3C,减慢 P 转变时合金渗碳体的形核与长大；扩大 相区，强烈推迟 转变，提高 的形核功； Ni：开放 相区，并稳定 相，提高 的形核功（渗碳体可溶解 Ni, Co） Co：扩大 相区，但能使 A3 温度提高（特例），使 转变在更高的温度进行，降低了过冷 的稳定性。使 C 曲线向左移。 A

7、l, 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 的界面能，阻碍 相和 K形核。 7合金元素对马氏体转变有何影响？ 答：合金元素的作用表现在： 1） 对马氏体点 Ms- Mf 温度的影响； 2） 改变马氏体形态及精细结构（亚结构）。 除 Al,Co 外，都降低 Ms 温度，其降低程度：强 CMnCrNiVMo,W,Si 弱 提高 含量：可利用此特点使 Ms 温度降低于 0 以下，得到全部 组织。如加入 Ni,Mn,C,N等 合金元素有增加形成孪晶马氏体的倾向，且亚结构与合

8、金成分和马氏体的转变温度有关 . 8如何利用合金元素来消除或预防第一次、第二次回火脆性 ？ 答： 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） 其形成原因：与钢杂质元素向原奥氏体晶界偏聚有关。 防止：加入 W， Mo 消除或延缓杂质元素偏聚 . 9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。 答：二次硬化 :在含有 Ti, V, Nb, Mo, W 等较高合金钢淬火后，在 500- 600 范围内回火时，在 相中沉淀析出这些

9、元素的特殊碳化物，并使钢的 HRC 和强度提高。 (但只有离位析出时才有二次硬化现象 ) 二次淬火：在强 K形成元素含量较高的合金钢中淬火后 十分稳定，甚至加热到 500-600回火时升温与保温时中仍不分解，而是在冷却时部分转变成马氏体，使钢的硬度提高。 相同点：都发生在合金钢中，含有强碳化物形成元素相对多，发生在淬回火过程中，且回火温度 550 左右。 不同点：二次淬火，是回火冷却过程中 Ar 转变为 m，是钢硬度增加。 二次硬化：回火后，钢硬度不降反升的现象（由于特殊 k 的沉淀析出） 10一般地，钢有哪些强化与韧化途径？ 答 1）强化的主要途径 宏观上 ：钢的合金化、冷热加工及其综合运用

10、是钢强化的主要手段。 微观上：在金属晶体中造成尽可能多的阻碍位错运动的障碍；或者尽可能减少晶体中的可动位错，抑制位错源的开动，如晶须 。 （主要机制有：固溶强化、细晶强化、位错强化、 “第二相 ”强化、沉淀强化、时效强化、弥散强化、析出强化、二次硬化、过剩相强化 ） 2）韧化途径：细化晶粒；降低有害元素的含量； 防止预存的显微裂纹；形变热处理； 利用稳定的残余奥氏体来提高韧性； 加入能提高韧性的 M，如 Ni, Mn； 尽量减少在钢基体中或在晶界上存在粗大的 K或其它化合物相。 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？ 答：（ 1）足够高的强度、良好的塑性 ; （ 2）适当

11、的常温冲击韧性，有时要求适当的低温冲击韧性 ; （ 3）良好的工艺性能。 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？ 答：为提高碳素工程结构钢的强度，而加入少量合金元素，利用合金元素产生固溶强化、细晶强化和沉淀强化。利用细晶强化使钢的韧 -脆转变温度的降低，来抵消由于碳氮化物沉淀强化使钢的韧 -脆转变温度的升高。 考虑低 C 的原因： （ 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。 3什么是微合

12、金钢？微合金化元素在微合金化钢中的主要作用有哪些？试举例说明。 答：微合金钢：利用微合金化元素 Ti, Nb, V； 主要依靠细晶强化和沉淀强化来提高强度； 利用控制轧制和控制冷却工艺 - 高强度低合金钢 微合金元素的作用： 1）抑制奥氏体形变再结晶； 例：再热加工过程中，通过应变诱导析出铌、钛、钒的氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上，起钉扎作用，有效 地阻止奥氏体再结晶的晶界和位错的运动，抑制再结晶过程的进行。 2)阻止奥氏体晶粒长大； 例：微量钛（ w 0.02%）以 TiN 从高温固态钢中析出，呈弥散分布，对阻止奥氏体晶粒长大很有效。 3)沉淀强化； 例： w(Nb) 0.04%时 ,细

13、化晶粒造成的屈服强度的增量 G 大于沉淀强化引起的增量Ph;当 w(Nb) 0.04%时 , Ph 增量大大增加 ,而 G 保持不变。 4)改变与细化钢的组织 例：在轧制加热时，溶于奥氏体的微合金元素提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了发生先共析铁素体和珠光体的温度范围，低温 下形成的先共析铁素体和珠光体组织更细小，并使相间沉淀 Nb(C,N)和 V(C,N)的粒子更细小。 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

14、，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名词解释 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 1 370MPa（ 140 kgf/mm

15、2）以上，抗拉强度在 1 620 MPa（ 165 kgf/mm2）以上的合金钢称超高强度钢。 2 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 0.300.50%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 主要钢种 : A.调质钢：按淬透性大小可分为几级： 1） 40， 45， 45B 2） 40Cr， 45Mn2, 45MnB, 35MnSi 3） 35

16、CrMo, 42MnVB, 40MnMoB ， 40CrNi 4） 40CrMnMo, 35SiMn2MoV， 40CrNiMo B.弹簧钢： 1） Mn 弹簧钢： 60Mn， 65Mn 2） MnSi弹簧钢： 55Si2Mn， 60Si2MnA 3） Cr 弹簧钢： 50CrMn， 50CrVA, 50CrMnVA (使用 T800时 K重溶； T35%）； 3） 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名词解释 ： 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

17、定时间断裂所能承受的应力（）。 4） 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（特别是抗氧化性能） 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 如何利用合金化（或怎么合金化）提高钢的高温抗氧化性能？ 5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, 2C

18、r12WMoV （ 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） （ C.E = C + 0.3 （ Si+P） + 0.4 S - 0.03 Mn由于 S, P%低 , Mn的作用又较小 C.E = C + 0.3 Si ）

19、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。 （共晶点实际 C量 = 4.3 - 0.3Si） 2铸铁与钢相比，在主要成分、使用组织、主要性能上有何不同？ 答：铸铁与钢总体比较：（铸铁） A. 成分： C、 Si含量高， S、 P 含量高； 2.5-4.0 C, 1.0-3.0 Si, 0.5-1.4 Mn, 0.01-0.5 P, 0.02-0.2 S B. 组织：钢的基体 +（不同形状）石墨； C. 热处理：不同形式的热处理 D. 性能：取决于基体组织及 G 数量、形状、大小及分布 . G： HB3-5， 屈强 20MPa, 延伸率近为

20、 0;G 对基体有割裂（削弱）作用，对钢强度（抗拉强度）、塑性、韧性均有害，其性能特别塑、韧性 ;比钢要低，但：具有优良的减震性、减摩性以及切削加工性能、优良的铸造性能、低的缺口敏感性； E. 生产：铸铁熔化设备简单，工艺操作简便，生产成本低廉 3对灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁的成分（主要是 C 与 Si）、组织、牌号、主要性能与应用做相互对比。 答： 灰口铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 成分 C 2.5-3.6； Si 1-2.5 C 2.2, Si 1.2-2.0, Mn 0.4-1.2,P0.1, S0.2; C3.6-3.8%,Si 2.0-2.5,Mn0.6-0.8, P 0.1 组织 F

21、， F+P， P+片状 G（ A型， , F 型） P， F+团絮状 G F， P+球状 G 牌号 HT100， 150， 200， 250，HT300， 350 KT300-6， 330-8， 350-10，370-12（ F-KT） KTZ450-5， 500-4， 600-3，700-2 （ P-KT QT400-18， 400-15， 450-10，500-7， 600-3， 700-2， 800-2，900-2 性能 强度较低，塑韧性低，硬度 HB130-270，耐磨性好，减振性好，缺口敏感性小等 较高强度，良好塑性，有一定的塑变能力（展性铸铁，马铁），但并不能锻造。但生产周期长，工

22、艺复杂，成本较高。 基体强度利用率高，可达70-90%；强度，塑性，韧性，疲劳强度明显提高 用途 可用作耐压减震件，如机床底座、支柱等 制造一些形状复杂而在工作中以经受震动的薄壁（ 25mm）小件 可制造各种受力复杂、负荷较大和耐磨的重要铸件，如曲轴、连杆、齿轮等，在一定条件下可取代铸钢、锻钢、合金钢。 4锻铸铁的成分 与灰口铸铁相比，有何特点？其生产分几步？ 答：成分：可锻铸铁： C 2.2, Si 1.2-2.0, Mn 0.4-1.2,P0.1, S0.2灰口铸铁： C 2.5-3.6 Si 1-2. 二者比较可知，前者含有少量其他合金元素 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