金属材料学思考题答案2

金属材料学思考题答案2绪论、第一章、第二章1．钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类，各有什么特点？答：分为简单点阵结构和复杂点阵结构，前者熔点高、硬度高、稳定性好，后者硬度低、熔点低、稳定性差。2．何为回火稳定性、回火脆性、热硬性？合金元素对回火转变有哪些影响？答：回火稳定性：淬火钢对回火过程中发生的各种软化倾向（如马氏体的分解、残余奥氏体的分解、碳化物的析出与铁素体的再结晶）的抵抗能力回火脆性：在200-350℃之间和450-650℃之间回火，冲击吸收能量不但没有升高反而显著下降的现象热硬性：钢在较高温度下，仍能保持较高硬度的性能合金元素对回火转变的影响：①Ni、Mn影响很小，②碳化物形成元素阻止马氏体分解，提高回火稳定性，产生二次硬化，抑制C和合金元素扩散。③Si比较特殊：小于300℃时强烈延缓马氏体分解，3．合金元素对Fe-Fe3C相图S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？答：凡是扩大奥氏体相区的元素均使S、E点向左下方移动，如Mn、Ni等；凡是封闭奥氏体相区的元素均使S、E点向左上方移动，如Cr、Si、Mo等？E点左移：出现莱氏体组织的含碳量降低，这样钢中碳的质量分数不足2％时就可以出现共晶莱氏体。S点左移：钢中含碳量小于0.77％时，就会变为过共析钢而析出二次渗碳体。4．根据合金元素在钢中的作用，从淬透性、回火稳定性、奥氏体晶粒长大倾向、韧性和回火脆性等方面比较下列钢号的性能:40Cr、40CrNi、40CrMn、40CrNiMo。1）淬透性：40CrNiMo〉40CrMn〉40CrNi〉40Cr2）回火稳定性：40CrNiMo〉40CrNi〉40CrMn〉40Cr3）奥氏体晶粒长大倾向：40CrMn〉40Cr〉40CrNi〉40CrNiMo4）韧性：40CrNiMo〉40CrNi〉40Cr〉40CrMn(Mn少量时细化组织)5）回火脆性：40CrMn〉40CrNi40Cr〉40CrNiMo5.怎样理解“合金钢与碳钢的强度性能差异，主要不在于合金元素本身的强化作用，而在于合金元素对钢相变过程的影响。并且合金元素的良好作用，只有在进行适当的热处理条件下才能表现出来”？从强化机理和相变过程来分析（不是单一的合金元素作用）合金元素除了通过强化铁素体，从而提高退火态钢的强度外，还通过合金化降低共析点，相对提高珠光体的数量使其强度提高。其次合金元素还使过冷奥氏体稳定性提高，C曲线右移，在相同冷却条件下使铁素体和碳化物的分散度增加，从而提高强度。然而，尽管合金元素可以改善退火态钢的性能但效果远没有淬火回火后的性能改变大。除钴外，所有合金元素均提高钢的淬透性，可以使较大尺寸的零件淬火后沿整个截面得到均匀的马氏体组织。大多数合金元素都有阻止奥氏体晶粒长大的倾向（Mn除外），从而细化晶粒，使淬火后的马氏体组织均匀细小。合金元素还能减缓钢的回火转变过程，特别是碳化物形成元素阻碍碳化物聚集长大，提高组成相的弥散度，从而提高强度。强碳化物形成元素还可以产生沉淀强化，阻止和消除第二类回火脆性。综上所述，合金元素本身可以形成碳化物或固溶体来提高钢材强度，但更重要的是通过热处理来改变其大小分布，因此相变强化更明显。也就是说，合金元素与碳钢的强度差异。主要在于通过热处理过程产生沉淀强化和细晶强化，提高淬透性和回火稳定性等，来显著提高合金钢的组织性能。6.合金元素提高钢的韧度主要有哪些途径？1）细化晶粒、组织——如Ti、V、Mo；2）提高回火稳定性——如强K形成元素Mo，V；3）改善基体韧度——Ni；4）细化K——适量Cr、Ti、V，使K小而匀；5）降低回火脆性——W、Mo；6）在保证强度水平下，适当降低含C量，提高冶金质量。7）通过合金化形成一定量残余奥氏体7.钢的强化机制有哪些？为什么一般钢的强化工艺都采用淬火－回火？有细晶强化、固溶强化、第二相强化和位错强化四种。钢淬火后形成马氏体，由于C的过饱和和合金元素的固溶，钢的强度上升，利用了固溶强化的机制；淬火后的马氏体组织产生大量的位错亚结构，位错密度上升，材料强度增加，体现了位错强化的效果；钢在淬火时由较粗大的奥氏体晶粒变成细小的马氏体针或板条束，组织细化，体现了细晶强化的效果；淬完火后的回火处理，有细小弥散的碳化物析出，能够起到沉淀强化（第二相强化）的效果。8.以制造跨海大桥用的工程结构钢为例，说明其基本性能要求是什么，我国制造这类钢的化学成分特点是什么？答：性能要求：足够强度和韧性，良好的焊接性和成型工艺性，良好的耐海水腐蚀性和大气腐蚀性能成分特点：低碳，低锰，含Cu、P9.09MnCuPTi是低合金高强度钢（普低钢），结合我国普低钢成分特点，分析各合金元素的作用？答：Mn：固溶强化作用大，1%Mn，ReL↑33MPa。约有3/4量溶入F中，弱的细晶作用，↓TK。量多时可大为降低塑韧性.Ti：形成稳定细小的K等，粒子2~10nm，既细晶又沉淀强化，↑ReL，↑δ、AK，综合效果↓TK。改善焊接性。Cu，P：耐大气腐蚀性最有效的元素。一般含量:0.025~0.25%Cu，0.05~0.15％P。↑P，冷脆和时效倾向增加。复合加入适量元素，则↑钢耐蚀性效果更佳。10.为什么贝氏体型低合金高强度钢多采用0.5%Mo和微量B作为基体合金化元素？低碳贝氏体钢中加入Mo使P右移显著，但Mo却不能使F右移；加入微量B使F右移但贝氏体右移较小，可以空冷得到贝氏体组织。11.什么是微合金钢？微合金化元素（NbTiV）的主要作用是什么？微合金化高强度钢成分特点是尽量降低碳含量，在保证塑性，韧性和焊接性能的基础上，采用微合金化元素细化晶粒、沉淀强化以及控制扎制和控制冷却的办法进一步提高强度。Nb，V，Ti主要作用是细化晶粒和产生沉淀强化作用。第三章1.在结构钢的部分标准中，每个钢号的力学性能都注明热处理状态和试样直径或钢材厚度。为什么？有什么意义？同一材料热处理不同，可以得到不同的性能。而试样尺寸也影响淬火效果，尤其是大尺寸工件的淬硬层深度同样会随尺寸变大而变小。心部往往淬不透不是马氏体组织，而可能变成铁素体和珠光体，或索氏体等。这样在选用材料的时候既要考虑到热处理工艺，还要考虑试样尺寸对淬透层深度的影响。2.在飞机制造厂中，常用18Cr2Ni4WA钢制造发动机变速箱齿轮。为减少淬火后残余应力和齿轮尺寸的变化，控制心部硬度不致过高，以保证获得必需的冲击韧性，采用如下工艺：将渗碳后的齿轮加热到850℃左右，保温后淬入200－220℃的第一热浴中，保温10min左右，取出后立即置于550－570℃的第二热浴中，保持1－2小时，取出空冷至室温。问：此时钢表、里的组织是什么？已知：该钢的Ms＝310℃，表面渗碳后的Ms＝80℃左右。答：渗碳后的齿轮等温淬火后心部因含碳量较低，导热慢，第一次盐浴时心部的温度仍高于550－570℃，在第二次热浴时其组织转变为回火索氏体；而表面在第一次热浴时就转变为回火马氏体，碳化物和残余奥氏体，由于该合金含量较高，各类碳化物比较稳定，回火稳定性高，在第二次热浴时组织保持不变。3.轧制钢板的轧辊尺寸很大，其轴承在工作时受很大的冲击作用，请从以下材料中选择合适的材料制造该轴承，并且说明热处理工艺及使用状态组织.GCr15，W18Cr4V，20Cr2Ni4，40CrNiMo，T10，0Cr8Ni9，20，Cr12MoV，65Mn答：选择渗碳钢20Cr2Ni4，该钢进行渗碳处理后，可以达到表硬里韧的效果，表面高硬度，耐磨、疲劳强度高，心部韧性好，可以承受较大冲击作用。热处理：渗碳+淬火+低温回火4.调质钢中常用哪些合金元素？这些合金元素各起什么作用？常用的合金元素有Mn,Cr,Mo,V,Si,Ni,BMn:能大为提高钢的淬透性，但容易使钢有过热倾向，并有回火脆性倾向Cr：提高钢的淬透性的同时还提高回火稳定性，但是有回火脆性倾向Ni：非碳化物形成元素，能有效的提高钢基体的韧度，并且Ni-Cr复合加入，提高淬透性作用很大，但也有回火脆性倾向Mo：提高淬透性，既提高回火稳定性，细化晶粒，又能有效的消除或大为降低回火脆性倾向。V：强碳化物形成元素，有效地细化晶粒，如融入奥氏体能提高淬透性，降低钢的过热敏感性。5.某工厂原来使用45MnSiV生产φ8mm高强度调质钢筋。要求σb1450MPa，σS1200MPa，δ6%。热处理工艺是920℃±20℃油淬，470℃±10℃回火。因该钢缺货，库存有25MnSi钢。请考虑是否可以代用？如可以代用，热处理工艺如何调整？答：可以代用，因为25MnSi钢为低碳马氏体钢，经适当的热处理后能获得与调质钢相当的综合性能，即较高强度和韧性的组合。工艺调整：25MnSi钢与45MnSiV相比不含V元素，但有Mn，过热敏感性较大，因而要降低淬火加热温度与45MnSiV相比，25MnSi钢淬透性较低，油淬应改成用盐水淬火为获得所要求的力学性能应采用低温回火6.弹簧钢的主要性能要求是什么？为什么弹簧钢中碳含量一般在0.5－0.75％之间？答：基本性能要求有：高的弹性极限；高的屈强比；高的疲劳强度；高的淬透性；足够的塑性和韧性；还要有一定的冶金质量和表面质量。含碳量在0.5~0.75%的范围是为了保证经淬火和中温回火后具有足够的弹性减退抗力，另一方面，足够的碳可以和合金元素形成碳化物，提高中温回火强度。但过多的碳，会形成过多碳化物，疲劳性能变差。7.直径25mm的40CrNiMo钢棒料，经过正火后难以切削，为什么？答:因为40CrNiMo钢中含有Cr，Ni，Mo几种合金元素，能很好的提高钢的淬透性，使钢在正火状态下就能得到较多的马氏体，大大提高合金的硬度（40CrNiMo钢正火后硬度在400HBS以上）因而难以切削。8.钢的切削加工性与材料的组织和硬度之间有什么关系？为获得良好的切削性，中碳钢和高碳钢各自应经过什么样的热处理，得到什么样的金相组织？答：钢硬度在170-230HB切削性能最好，对于组织来说P:F=1:1较佳，不同含C量的钢得到较好的切削性，其预备热处理不同，得到组织也不同。中碳钢：正火F+S高碳钢：正火+球化退火+退火P+粒状K9.用低淬钢制作中小模数的中高频感应加热淬火齿轮有什么优点？答：表面硬化而心部仍保持较高的韧性，表面局部加热，零件淬火变形小，加热速度快，可消除表面脱碳和氧化现象，在表面形成残余压应力，提高疲劳强度，小齿轮得到沿轮廓分布硬化层。10.滚动轴承钢常含有哪些合金元素？各起什么作用？为什么含Cr量限制在一定范围？答：合金元素：Si,Mn,Mo,Cr作用：Cr：提高硬度，耐磨性Mo:提高淬透性，防止第二类回火脆性Si：提高淬透性，耐磨性和提高疲劳寿命Mn:提高淬透性和冷加工性含Cr量过高会导致残余奥氏体增加，尺寸稳定性和均匀性变差，降低韧性，Cr含量过低碳化物形成较少，不利于硬度和耐磨性的提高。11.高锰耐磨钢有什么特点？在什么情况下适合使用这类钢？特点：高碳、高锰。铸态使用。铸态组织一般是奥氏体、珠光体、马氏体和碳化物复合组织，力学性能差，耐磨性低，不宜直接使用。经过水韧处理（即固溶处理）后的显微组织是单相奥氏体，软而韧。广泛应用于承受大冲击载荷、强烈磨损的工况下工作的零件。12.20Mn2钢渗碳后是否适合于直接淬火？为什么？不适于直接淬火，因为Mn是奥氏体形成元素，降低钢的A1温度，促进晶粒长大，直接淬火时晶粒过大，得不到想要的硬度和强度，脆性过大。13.某精密镗床主轴用38CrMoAl钢制造，某重型齿轮铣床主轴选择了20CrMnTi制造，某普通车床主轴材料为40Cr钢。试分析说明它们各自应采用什么样的热处理工艺及最终的组织和性能特点（不必写出热处理工艺具体参数）。38CrMoAl钢采用调质处理加渗氮处理，形成γ’（Fe4N）、ε（Fe3-2N）相，合金氮化物，共格关系，弥散强化。表面硬度高，耐磨性好，咬死和擦伤倾向小，疲劳性能高、缺口敏感性低、耐蚀性高。表层组织γ’（Fe4N）、ε（Fe3-2N）相，M回；心部组织M回。20CrMnTi钢采用渗碳后降温直接淬火＋低温回火，获得组织为心部M回，表层M回+K+A’，较高耐磨性和强韧度，