1、金属材料学(第二版)课后答案 主编戴启勋第一章 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， Ti, Zr 和 B 等， Nb， 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，N
2、b, Ti 等。 5） 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： -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
3、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 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、Ni3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 降低。一般为铁素体形成元素 分为两类:a
4、.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，A3 升高。当 Mo8.2%, W12%,Ti1.0%,
5、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，Mn，Si，B 等）对过冷奥氏体冷却 转变影响的作用机制。答：Ti, Nb, Zr,
6、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。 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；S
7、i 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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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（w0.02%）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
13、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，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
14、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/mm2） 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
15、、 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 弹簧钢0.300.50%C 的 C 钢 淬 火 与 高 温 回 回火 S 或回火 较高的强度， 良好的塑性和 T 或中、低合金钢 火 韧性 中、高碳素钢或低合 淬 火 和 中 温 回 回火 T 金钢 火 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）35CrMo, 42MnVB, 40MnMoB ，40CrNi 4）40CrMnMo, 35SiMn2Mo
16、V，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
17、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, 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
18、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 ） 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
19、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 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；
20、 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 成分 C 2.5-3.6；Si 1-2.5 可锻铸铁 C 2.2, Si 1.2-2.0, 0.4-1.2,P0.1, S0.2; 球墨铸铁 Mn C3.6-3.8%,Si 2.0-2.5,Mn0.6-0.8, P 0.1 F，P+球状 G组织 F， F+P ， P+ 片 状 G （ A P，F+团絮状 G 型， , F 型）牌号 HT100，150，200，250， KT300-6 ， 330-8 ， 350-10
21、 ， QT400-18，400-15，450-10， HT300，350 370-12（F-KT） 500-7，600-3， 700-2，800-2， KTZ450-5，500-4，600-3， 900-2 700-2 （P-KT 性能 强度较低，塑韧性低，硬 较高强度，良好塑性，有一 基 体 强 度 利 用 率 高 ， 可 达 度 HB130-270， 耐磨性好， 定的塑变能力（展性铸铁， 70-90%；强度，塑性，韧性， 减振性好，缺口敏感性小 马铁） ，但并不能锻造。但生 疲劳强度明显提高 等 产周期长，工艺复杂，成本 较高。 用途 可用作耐压减震件，如机 制造一些形状复杂而在工作 可制
22、造各种受力复杂、负荷较 床底座、支柱等 中 以 经 受 震 动 的 薄 壁 大和耐磨的重要铸件， 如曲轴、 （25mm）小件 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, S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GPI 与母相 （Al 为基的固溶体）保持共格关系，引起 的严重畸变，使位错运动受阻碍，从而 提高强度； 2）GPI区有序化GPI
23、I区（ ） 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 形成 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 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 牌号： LF21 Al-Mg-（Mn） 牌号： LF2, 3, 5, 6, 7, 10,11,1
24、2 等 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 LY1，LY3，LY10 合金 Mg, Cu%较低，有较高塑性，但强度较低，时 铝） 效速度慢。 标准硬铝 高合金硬铝 耐热硬铝 LY11 LY12 可淬火（过饱和固溶）时效，强度提高 具有良好的耐热性，强度高， 但塑性及承受冷 热加工能力差。 较 多的 Mn, Mg ，强化相 S， 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 牌号：LC3，LC4，LC5，LC6，LC9 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） 牌号：LD2，LD5，LD6，LD10；LD7，LD8，LD9性能：良好的热塑性，较高的机械性能。
