安徽工业大学2011金属材料学复习思考题及答案

金属材料学复习1安徽工业大学材料学院08级金属材料学复习题答案完整版整理人：料085季承玺一、必考题1、金属材料学的研究思路是什么？试举例说明。答：使用条件→性能要求→组织结构→化学成分↑生产工艺举例略二、名词解释1、合金元素：特别主动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、化学或机械性能的含量在一定范围内的化学元素。（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。3、奥氏体形成元素：扩大γ相区，在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ-Fe的元素4、铁素体形成元素：缩小γ相区，在α-Fe中有较大的溶解度，且能γ-Fe不稳定的元素5、原位转变（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。6、离位转变（析出）：含强碳化物形成元素的钢，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。7、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α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。8、二次淬火：在强K形成元素含量较高的合金钢中淬火后γ’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。9、杂质元素：由于冶炼工艺、原料等原因，不可避免地存在于钢中的元素，含量要求低于某一标准值。10、液析碳化物：由于碳和合金元素偏析，在局部微笑区域内从液态结晶时析出的碳化物。11、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。12、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。13、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）以上的合金钢称为超高强度钢。14、晶间腐蚀：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，Cr12%。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。金属材料学复习215、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）”。16、点腐蚀：不锈钢在含Cl-离子介质中表面会出现点状凹坑腐蚀，称为点腐蚀。17、n/8规律：加入Cr可提高基体的电极电位，但不是均匀的增加，而是突变式的。当Cr的含量达到1/8，2/8，3/8，……原子比时，Fe的电极电位就跳跃式显著提高，腐蚀也显著下降。这个定律叫做n/8规律。18、蠕变强度：表示在某温度下，在规定时间达到规定变形时所能承受的最大应力。19、持久强度：在规定温度和规定时间断裂所能承受的应力。20、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。21、应力松弛：金属在恒定高温的承载状态下，总应变保持不变，而应力随时间延长逐渐降低的现象。22、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）。23、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。24、黄铜：Cu与Zn组成的铜合金称为黄铜。25、锌当量系数：黄铜中每1%合金元素在组织上替代锌的数量。26、青铜：是铜和Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr和Ti等合金的通称。27、白铜：是以镍为主要合金元素的铜合金。三、问答题：第一章钢的合金化原理1、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-Fe中形成无限固溶体？哪些能在-Fe中形成无限固溶体？奥氏体形成元素：Mn,Ni,Co,Cu；铁素体形成元素：V、Cr、W、Mo、、Ti、AlMn,Ni,Co与γ-Fe无限互溶V、Cr与-Fe无限互溶2、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？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：1）开启γ相区：Mn,Ni,Co与γ-Fe无限互溶.2）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。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: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。缩小γ相区：Zr,Nb,Ta,B,S,Ce等。金属材料学复习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。通过合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与性能。在钢中大量加入奥氏体形成元素或铁素体形成元素以获得室温组织为奥氏体的奥氏体钢或高温组织为铁素体的铁素体钢。3、什么叫钢的内吸附现象？其机理和主要影响因素是什么？答：合金元素或杂质元素溶入基体后，与晶体缺陷产生交互作用，溶质原子在内界面缺陷区的浓度大大超过在基体中的平均浓度，这种现象称晶界内吸附。如B,Zr,Ti,Nb,Mo,P,Sb,Re,C,N等。机理：1）晶界层内原子排列比较稀疏，溶质原子处在晶界层产生的畸变能比处在晶内产生的畸变能要小得多，这种畸变能之差产生晶界内吸附；2）溶质原子与晶界和晶内的静电交互作用。主要影响因素：1.畸变能差（Q）2.温度（T）3.原始浓度（C0）4.多种溶质原子之间的相互作用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。1）改变了奥氏体区的位置2）改变了共晶温度：扩大γ相区的元素使A1，A3下降；缩小γ相区的元素使A1，A3升高。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？）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。1）rc/rM0.59简单密排结构V,Nb,Ta,Zr,Hf,Mo,WMC型面心立方，V,Nb,Ta，Zr,Hf，如VC，ZrC等。六方点阵，Mo,W，如MoC,WC。M2C型六方点阵，Mo,W，如：Mo2C,W2C2）rc/rM0.59，间隙化合物复杂密排结构，如Cr,Mn,Fe等与C形成的K：M23C6型复杂立方，Cr,Mn形成的K：Cr23C6M7C3型复杂六方，Cr,Mn形成的K：Cr7C3,Mn7C3M3C型正交晶系，Fe形成的K：Fe3C3）Fe-M-C形成的三元KM6C型复杂立方，W、Mo的K：Fe3Mo3C,Fe4Mo2C,Fe3W3C,Fe4W2C。M23C6型复杂立方，W、Mo的K：Fe21Mo2C6，Fe21W2C6。各种K相对稳定性如下：MC→M2C→M6C→M23C6→M7C3→M3C（高----------------------------------低）6、试说明主要合金元素（V，Cr，Ni，Mn，Si，B等）对过冷奥氏体冷却转变影响的作用机制。为什么合金化原则是“多元少量，复合加入”？金属材料学复习4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γ的稳定性；W，Mo,Cr1）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：CrWMoMn：（Fe,Mn）3C,减慢P转变时合金渗碳体的形核与长大；扩大γ相区，强烈推迟γ→α转变，提高α的形核功；Ni：开放γ相区，并稳定γ相，提高α的形核功（渗碳体可溶解Ni,Co）Co：扩大γ相区，但能使A3温度提高（特例），使γ→α转变在更高的温度进行，降低了过冷γ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；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γ的界面能，阻碍α相和K形核。“多元少量，复合加入”：将强K形成元素，弱碳化物形成元素与非碳化物形成元素相结合,大大提高过冷γ的稳定性。7、为什么W、Mo、V、Ti等元素对珠光体转变阻止作用大，而对贝氏体转变影响不大？答：对于珠光体转变：Ti,V：主要是通过推迟（P转变时）K形核与长大来提高过冷γ的稳定性。W，Mo：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的自扩散系数，增加Fe的扩散激活能。3）减缓C的扩散。对于贝氏体转变：W，Mo，V，Ti：增加C在γ相中的扩散激活能，降低扩散系数，推迟贝氏体转变，但作用比Cr，Mn，Ni小。8、合金元素对马氏体转变有何影响？答：合金元素对马氏体转变的动力学影响较小。1）对马氏体点Ms-Mf温度的影响；除Al,Co外，都降低Ms温度2）改变马氏体形态及精细结构（亚结构）。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9、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.10、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α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)金属材料学复习5二次淬火：在强K形成元素含量较高的合金钢中淬火后γ’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，使钢硬度增加。二次硬化：回火后，钢硬度不降反升的现象是由于特殊k的沉淀析出所造成的11、一般地，钢有哪些强化与韧化途径？为什么一般钢的强化工艺都采用淬火-回火？答：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。（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）韧化途径：1、细化晶粒；2、降低有害元素的含量；3、防止预存的显微裂纹；4、形变热处理；5、利用稳定的残余奥氏体来提高韧性；6、加入能提高韧性的M，如Ni,Mn；7、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。淬火-回火工艺：一般的碳素钢、合金钢通过淬火可以提高硬度、耐磨性，淬火后，钢的内部产生了淬火应力和脆性，通过低温回火，得到回火马氏体组织，在保持高硬的情况下，降低钢的内应力和脆性，这类回火主要用于碳素工具钢、低合金钢制作的工具、模具、渗碳或表面淬火零件；通过中温回火，得到回火屈氏体组织，可以获得高的弹性极限和屈服极限，具有较好的韧性，主要用于各种弹性元件淬火后的回火；通过高温回火，得到铁素体+细粒渗碳体的混合物即回火索氏体组织，具有优良的综合力学性能，多用于结构零件淬火后的回火，如连杆、螺栓、齿轮、轴，高温回火也称为调质。12、以20SiMn2MoV为例，谈谈低碳马氏体是如何将合金化与强韧化相结合的？答：强化C及合金元素的固溶强化；马氏体中大量位错的位错强化；低C钢中Ms较高，因自回火作用会产生细小析出所引起的析出强化；加入Si,Mn能提高奥氏体