金属材料学试题

东北大学08年金属材料学试题一.填空.1形成强，中，弱碳（氮）的合金元素2耐大气腐蚀的合金元素3铸铁的分类4不锈钢,耐热钢,耐蚀钢.(参考《金属学与热处理》机械工业出版社钢的牌号)二.名词解释1、相间沉淀：合金元素钒在钢中的有利作用主要是以其碳,氧化物形式存在于基体和晶界上,起到沉淀强化和抑制晶粒长大的作用.钒在铁素体中的溶解度比在奥氏体中的溶解度小的很多,随着相变的进行,在一定的热力学和动力学条件下,钒的碳,氮化物在相界析出,通过在两相区加速冷却,可以细化晶粒,控制其碳,氮化物的析出,其沉淀物的大小和分布,决定了其沉淀强化的效果.2、晶间腐蚀：晶间腐蚀是一种常见的局部腐蚀。腐蚀沿着金属或合金的晶粒边界或它的邻近区域发展，晶粒本身腐蚀很轻微，这种腐蚀便称为晶间腐蚀。3、高温回火脆性：在回火过程中随着回火温度的升高，塑性不断增加，而冲击韧性却不是呈直线上升的，在低温250-400度回火和高温450-650度范围内回火时，韧性会出现下降现象，这就是回火脆性。前者称为低温回火脆性，后者称为高温回火脆性。低温回火脆性又称为不可逆回火脆性或第一类回火脆性。碳钢与合金钢均会出现这种回火脆性，可能与低温回火时在晶界或亚晶界上析出连续碳化物薄片有关，对于低温回火脆性，只有避免在该脆性温度范围内回火才能防止。合金钢在450-650度范围内回火时可能产生高温回火脆性，高温回火脆性可以用更高温度回火+快冷的办法消除。4、475℃脆性：Fe-Cr合金在400～550℃环境中长期加热时,会产生一种特殊的脆性,硬度显著提高,冲击韧性严重下降。此情况称为475℃脆性，可用加入稀土元素的方法解决。三.大题:1、沉淀强化位错和第二相交互作用形成第二相强化。对于一般合金来说第二相强化往往比固溶强化效果更为显著。根据获得第二相的工艺不同，按习惯将各种第二相强化分别称呼。其中通过相变热处理获得的称为沉淀强化；而把通过粉末烧结获得的，称为弥散强化。有时也不加区分地混称为分散强化或颗粒强化。[4]如果要单独对析出强化给出一个定义。析出强化是指金属在过饱和固溶体中溶质原子产生偏聚和（或）由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而产生的一种强化。析出强化在微合金钢等金属材料的生产中有相当重要的作用。微合金钢生产中，只加入微量的合金元素，只能形成碳、氮化物，主要通过细晶强化和析出强化来进行强化。微合金化钢的特点之一就是利用碳、氮化物的溶解—析出行为。微合金钢的基体内分布的碳、氮化物，还有金属间化合物、亚稳中间相等第二相质点的析出在间界、运动位错之间产生的相互作用，导致钢的流变应力和屈服强度的提高。这就是微合金钢的析出强化。就位错与第二相的交互作用而言，一般将第二相分为变形的和不变形的两大类，其强化机制不同。对于多数的析出强化合金，在经过固溶处理及时效后，在其早期阶段，析出相的尺寸小，与基体保持共格，这时的析出相是可以变形的，位错可以切过析出相。当析出相有一定尺寸的时候，就属于不可变形的，运动位错接近它们时，只能绕过它们。像钢中的碳化物、氮化物一般都是不可变形的。对于可变形的析出相，其强化效果主要决定于析出相的本性，由于强化来源的不同，可以有不同的机制。对于不变形的析出相，其强化效果主要决定于第二相尺寸或相间的平均距离。析出相对位错的障碍力集中施加在位错的钉扎点上。可变形第二相的切过机制下，位错穿越质点，能够造成共格应变以及对层错、有序化以及弹性模量等产生种种影响。例如析出强化合金在经过固溶处理和时效后，析出相与基体保持共格，因而能够产生共格应变能。这种共格应变能是由析出相与基体原子的错配度引起的。当位错在析出相的共格内应力场中运动时，因弹**互作用产生强化。一般说来，析出强化产生的强化作用在析出的第二相是尺寸细小、数量较多而且分布均匀的情况下，可以使材料获得最大的强化效果。比如在Nb、V、Ti三种微合金元素中，Nb、V和Ti的微细析出相才能起这种作用，所以钢的热机械处理（或控轧控冷）要力图实现细小的析出，然而0.003～0.1mm颗粒度的析出也都能产生一定的效果。2、固溶强化一般来说，无论置换固溶体还是间隙固溶体，固溶体的硬度、强度总是比组成它的纯金属要高，并且随着溶质原子浓度的增加，溶质原子和溶剂原子尺寸差别的增大（置换固溶体情况下），强化的效果加大。比如，低碳钢在常温状态属于体心立方晶格结构的材料，较小原子半径的元素如C、N，通常以间隙的形式固溶在铁的晶格之中，多数合金元素的原子如Nb、V、Ti、Mo、Al等等都置换晶格某个铁原子的位置的形式。固溶造成晶格的畸变，使钢的屈服强度提高。这种由于溶质原子的固溶而引起的强化效应，即称为“固溶强化”。[2]就固溶强化的微观机理而言，固溶强化是由于溶质原子和位错的交互作用的结果。溶质原子和位错的交互作用就其性质而言，可以是弹性的、化学的、电性的和几何的等几种类型。溶质原子可以偏聚到位错周围形成各种气团，也可以是均匀不规则地分布在基体中，这两种情况都可以使金属材料的基体造成强化。[3]在几种性质类型的交互作用中，溶质原子和位错的弹**互作用最为重要。晶体中的溶质原子是点缺陷的一种，会引起其周围发生弹性畸变。3、铝合金时效强化四个阶段（参考《金属学与热处理》）在时效热处理过程中，该合金组织有以下四个阶段：补充：时效强化：过饱和固溶体在室温放置或加热到某一温度保温，随着时间延长，其强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象(1)形成溶质原子偏聚区－G•P（Ⅰ）区在新淬火状态的过饱和固溶体中，铜原子在铝晶格中的分布是任意的、无序的。时效初期，即时效温度低或时效时间短时，铜原子在铝基体上的某些晶面上聚集，形成溶质原子偏聚区，称G•P（Ⅰ）区。G•P（Ⅰ）区与基体α保持共格关系，这些聚合体构成了提高抗变形的共格应变区，故使合金的强度、硬度升高。(2)G•P区有序化－形成G•P（Ⅱ）区随着时效温度升高或时效时间延长，铜原子继续偏聚并发生有序化，即形成G•P（Ⅱ）区。它与基体α仍保持共格关系，但尺寸较G•P（Ⅰ）区大。它可视为中间过渡相，常用θ”表示。它比G•P（Ⅰ）区周围的畸变更大，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大，θ”相析出阶段为合金达到最大强化的阶段。(3)形成过渡相θ′随着时效过程的进一步发展，铜原子在G•P（Ⅱ）区继续偏聚，当铜原子与铝原子比为1：2时，形成过渡相θ′。由于θ′的点阵常数发生较大的变化，故当其形成时与基体共格关系开始破坏，即由完全共格变为局部共格，因此θ′相周围基体的共格畸变减弱，对位错运动的阻碍作用亦减小，表现在合金性能上硬度开始下降。由此可见，共格畸变的存在是造成合金时效强化的重要因素。(4)形成稳定的θ相过渡相从铝基固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显界面的独立的稳定相Al2Cu，称为θ相此时θ相与基体的共格关系完全破坏，并有自己独立的晶格，其畸变也随之消失，并随时效温度的提高或时间的延长，θ相的质点聚集长大，合金的强度、硬度进一步下降，合金就软化并称为“过时效”。θ相聚集长大而变得粗大。4、工程结构钢的焊接性（参考《金属材料学》冶金工业出版社）一、填空题（30分，每空格1分）1、钢的强化机制主要有固溶强化、位错强化、细晶强化、沉淀强化。其中细晶强化对钢性能的贡献是既提高强度又改善塑、韧性。2、提高钢淬透性的作用是获得均匀的组织，满足力学性能要求、能采取比较缓慢的冷却方式以减少变形、开裂倾向。3、滚动轴承钢GCr15的Cr质量分数含量为1.5%左右。滚动轴承钢中碳化物不均匀性主要是指碳化物液析、碳化物带状、碳化物网状。4、选择零件材料的一般原则是满足力学性能要求、良好的工艺性能、经济性和环境协调性等其它因素。5、凡是扩大γ区的元素均使Fe-C相图中S、E点向左下方移动，例Mn、Ni等元素（写出2个）；凡封闭γ区的元素使S、E点向左上方移动，例Cr、Mo等元素（写出2个）。S点左移意味着共析碳含量降低。6、QT600-3是球墨铸铁，“600”表示抗拉强度不小于600MPa，“3”表示延伸率不小于3%。7、H68是黄铜，LY12是硬铝，QSn4-3是锡青铜。8、在非调质钢中常用微合金化元素有Ti、V等（写出2个），这些元素的主要作用是细晶强化和沉淀强化。9、铝合金热处理包括固溶处理和时效硬化两过程，和钢的热处理最大的区别是没有同素异构转变。二、解释题（30分，每小题5分）1、高速钢有很好的红硬性，但不宜制造热锤锻模。答案要点：高速钢虽有高的耐磨性、红硬性，但韧性比较差、在较大冲击力下抗热疲劳性能比较差，高速钢没有能满足热锤锻模服役条件所需要高韧性和良好热疲劳性能的要求。2、在一般钢中，应严格控制杂质元素S、P的含量。答案要点：S能形成FeS，其熔点为989℃，钢件在大于1000℃的热加工温度时FeS会熔化，所以易产生热脆；P能形成Fe3P，性质硬而脆，在冷加工时产生应力集中，易产生裂纹而形成冷脆。3、9SiCr钢和T9钢相比，退火后硬度偏高，在淬火加热时脱碳倾向较大。答案要点：Si是非K形成元素，能有效地强化铁素体，所以使钢在退火后硬度偏高；Si提高碳活度，使渗碳体稳定性变差，促进了钢在加热时脱碳倾向较大。4、高锰钢（ZGMn13）在Acm以上温度加热后空冷得到大量的马氏体，而水冷却可得到全部奥氏体组织。答案要点：高锰钢在Acm以上温度加热后得到了单一奥氏体组织，奥氏体中合金度高（高C、高Mn），使钢的Ms低于室温以下。如快冷，就获得了单一奥氏体组织，而慢冷由于中途析出了大量的K，使奥氏体的合金度降低，Ms上升，所以空冷时发生相变，得到了大量的马氏体。5、4Cr13含碳量（质量分数）为0.4%左右，但已是属于过共析钢。答案要点：Cr元素使共析S点向左移动，当Cr含量达到一定程度时，S点已左移到小于0.4%C，所以4Cr13是属于过共析钢。6、奥氏体不锈钢1Cr18Ni9晶界腐蚀倾向比较大。答案要点：1Cr18Ni9含C较高，又没有Ti等稳定C的强碳化物形成元素，所以在晶界上容易析出Cr23C6，从而使晶界上产生贫Cr区，低于不锈钢的基本成分要求，所以在晶界处的腐蚀倾向比较大。三、问答题（40分）1、试总结Ni元素在合金钢中的作用，并简要说明原因。（10分）答案要点：1）↑基体韧度→Ni↓位错运动阻力，使应力松弛；2）稳定A，→Ni↓A1，扩大γ区，量大时，室温为A组织；3）↑淬透性→↓ΔG，使“C”线右移，Cr-Ni复合效果更好；4）↑回火脆性→Ni促进有害元素偏聚；5）↓Ms，↑Ar→↓马氏体相变驱动力。2、高速钢的热处理工艺比较复杂，试回答下列问题：（12分，每小题3分）1）淬火加热时，为什么要预热?2）高速钢W6Mo5Cr4V2的AC1在800℃左右，但淬火加热温度在1200~1240℃，淬火加热温度为什么这样高?3）高速钢回火工艺一般为560℃左右，并且进行三次，为什么?4）淬火冷却时常用分级淬火，分级淬火目的是什么?答案要点：1）高速钢合金量高，特别是W，钢导热性很差。预热可减少工件加热过程中的变形开裂倾向；缩短高温保温时间，减少氧化脱碳；可准确地控制炉温稳定性。2）因为高速钢中碳化物比较稳定，必须在高温下才能溶解。而高速钢淬火目的是获得高合金度的马氏体，在回火时才能产生有效的二次硬化效果。3）由于高速钢中高合金度马氏体的回火稳定性非常好，在560℃左右回火，才能弥散析出特殊碳化物，产生硬化。同时在560℃左右回火，使材料的组织和性能达到了最佳状态。一次回火使大部分的残留奥氏体发生了马氏体转变，二次回火使第一次回火时产生的淬火马氏体回火，并且使残留奥氏体更多地转变为马氏体，三次回火可将残留奥氏体控制在合适的量，并且使内应力消除得更彻底。4）分级淬火目的：降低热应力和组织应力，尽可能地减小工件的变形与开裂。3、从合金化角度考虑，提高钢的韧度主要有哪些途径?（8分）1）加入Ti、V、W、Mo等强碳化物形成元素，细化晶粒；2）提高回火稳定性，加入Ti、V等强碳化物形成元素和Si元素；3）改善基体韧性，主要是加入Ni元素；4）细化碳化物，如加入Cr、V等元素使K小、匀、圆；5）降低或消除钢的回火脆性，主