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材料0801-1-金属材料学（原稿）第1章钢的合金化概论1、什么是合金元素？钢中常用的合金元素有哪些？为合金化目的加入其含量有一定范围的元素称为合金元素。Si,Mn,Cr,Ni,W,Mo,V,Ti,Nb,Al,Cu,B等。2、哪些是奥氏体形成元素？哪些是铁素体形成元素？在γ-Fe中有较大溶解度并稳定γ固溶体的元素称为奥氏体形成元素：Ni、Mn、Co，C、N、Cu；无限互溶，有限溶解。在α-Fe中有较大溶解度并稳定α固溶体的元素称为铁素体形成元素：Cr、V，W、Mo、Ti。3、合金元素在钢中的存在形式有哪几种？固溶体、化合物、游离态。（其中，化合物分为：碳化物、金属间化合物、非金属夹杂物）4、哪些是碳化物形成元素？哪些是非碳化物形成元素？Zr、Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe（强-弱）非K：Ni、Si、Al、Cu。5、钢中的碳化物按点阵结构分为哪几类？各有什么特点？什么叫合金渗碳体？特殊碳化物？1）①简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。②复杂点阵结构：M23C6、M7C3、M3C。特点：硬度、熔点较低，稳定性较差。2）合金渗碳体：含有合金元素的渗碳体，即渗碳体内一部分铁原子被合金元素所代替，晶体结构并未改变。（Fe,Me）3C3）特殊碳化物：随着合金元素含量的增加，碳化物形成了自己的特殊碳化物。VC，Cr7C3，Cr23C6。6、合金钢中碳化物形成规律。1、K类型的形成K类型与Me的原子半径有关。rc/rMe0.59—简单结构相，如Mo、W、V、Ti；rc/rMe0.59—复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe。Me量少时，形成复合K，如（Cr,M）23C6型。2、相似者相溶完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合K3、强碳化物形成元素优先与碳结合形成碳化物。4、NM/NC比值决定了K类型5、碳化物稳定性越好，溶解越难，析出越难，聚集长大也越难。材料0801-2-7、合金元素对铁碳平衡相图的影响。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。8、为什么比较重要的大截面的结构零件都必需用合金钢制造？与碳钢比较，合金钢有何优点？1）合金钢比碳钢回火脆性好，所以要达到同样的回火硬度，合金钢的回火温度可以比碳钢高，回火时间也可以长些，合金钢回火后内应力比碳钢小，塑性也高。2）优点：晶粒细化，淬透性高，回火稳定性好。9、合金元素对奥氏体晶粒长大的影响？1）Ti、Nb、V↓↓，W、Mo↓晶粒长大；--阻碍2）C、N、B↑晶粒长大；--促进3）非K元素Ni、Co、Cu作用不大。10、合金元素对回火转变的影响?淬火合金钢进行回火时，其组织转变与碳钢相似。但由于合金元素的加入，使其在回火转变时具有如下特点：(１)提高淬火钢的回火稳定性(２)产生二次硬化(３)防止第二类回火脆性一、对马氏体分解期的影响低温回火：C和Me扩散较困难，Me影响不大；中温以上：Me活动能力增强，对M分解产生不同程度影响:1）Ni、Mn的影响很小；2）K形成元素阻止M分解，其程度与它们与C的亲和力大小有关。这些Me↓碳活度ac，阻止了渗碳体的析出长大；3）Si比较特殊：300℃时强烈延缓M分解。二、对残余奥氏体转变的影响三、对碳化物析出的影响【合金结构钢之所以具有抗回火稳定性是因为在添加合金元素的情况下，马氏体分解、残余奥氏体转变及渗碳体析出、集聚，均不同程度地被推向较高的温度范围。不同合金元素在减慢回火软化方面作用不同。非碳化物形成元素Ni、Al和弱KMn对回火钢的软化较小，在抗回火软化方面比较有效的是K形成元素。K形成元素能较多地把碳保留在马氏体中，从而阻碍马氏体的分解：强碳化物形成元素V、W、Mo、Cr。碳化物形成元素还阻碍残余奥氏体转变，阻碍了合金渗碳体的集聚，使含碳化物形成元素的钢能在更高的回火温度下保持细小的渗碳体颗粒。非碳化物形成元素砖在回火转变中的作用比较独特，低温下Si扩散，添加硅可提高马氏体的分解温度，硅也阻碍渗碳体颗粒的集聚长大。】11、哪些合金元素提高钢的淬透性作用显著？淬透性：钢淬火时获得M的能力。B、Mn、Mo、Cr、Si、Ni。材料0801-3-12、什么叫回火稳定性？提高回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有何作用？淬火钢在回火时，抵抗强度、硬度下降的能力称为回火稳定性。Cr，Mn，Ni，Mo。作用：提高回火稳定性，也就可以再相同强度水平下，提高回火温度从而提高材料的韧度。13、什么是回火脆性？各在什么条件下产生？如何消除或减轻？淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象，回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。1）第一类回火脆性，主要发生在回火温度为200～3500℃时，具有不可逆性、与回火后的冷却速度无关、断口为沿晶脆性断口。防止方法：无法消除,不在这个温度范围内回火，（1）降低钢中杂质元素的含量；（2）用Al脱氧或加入Nb、V、Ti等合金元素细化A晶粒；（3）加入Cr、Si调整温度范围；（5）采用等温淬火代替淬火回火工艺。2）第二类回火脆性，发生的温度在450～650℃，具有可逆性、与回火后的冷却速度有关、断口为沿晶脆性断口。防止方法：（1）降低钢中的杂志元素；（2）加入能细化A晶粒的元素（Ti,Nb,V）；（3）加入适量Mo、W元素；（4）避免在第二类回火脆性温度范围回火。14、合金元素对“C”曲线、珠光体转变、贝氏体转变、Ms点的作用？一、对“C”曲线1）Ni、Si、Mn大致保持“C”线形状，使“C”线向右作不同程度的移动；2）Co不改变“C”线，但使“C”线左移；3）K形成元素，使“C”线右移，且改变形状。Me不同作用，使“C”曲线出现不同形状，大致有五种。二、过冷A体的P、B转变P转变:需要C和Me都扩散；综合影响顺序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si；B转变:C原子作短程扩散，Me几乎没有扩散。影响顺序：Mn、Cr、Ni、Si，而W、Mo等影响很小。三、对Ms点：除Co、Al外，所有溶于奥氏体的合金元素都使Ms、Mf点下降，使钢在淬火后的残余奥氏体量增加。15、白点的形成原因是什么？由于钢中氢的重新分布与聚集，破坏了钢的可塑性，使钢变脆。失去塑性的钢在氢压力与钢中的内应力的同时作用下很容易在氢聚集处沿金属强度弱的方向产生局部脆性开裂，即形成所谓氢致裂纹——白点。17、什么是内吸附现象？合金元素溶入基体后，与钢中的晶体缺陷产生相互作用，导致偏聚元素在缺陷处的浓度大于基体中的平均浓度。这种现象称为内吸附或偏聚现象。材料0801-4-21、合金钢的二次硬化现象的本质及其实际意义。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，并使钢的硬度和强度提高。二次硬化使钢在高温下能保持较高的硬度，这对工具钢极为重要，如高速钢。22、总结合金元素对……的影响。一、变形开裂倾向淬火内应力有三种，综合作用控制着工件的变形和开裂倾向：热应力→变形;组织应力→开裂;附加应力较复杂。二、过热敏感性指淬火钢加热时，奥氏体晶粒急剧长大的敏感性→含Mn钢过热敏感性较大。三、氧化脱碳倾向含硅钢氧化脱碳倾向较大。四、回火稳定性合金钢回火稳定性要比碳钢好。五、回火脆性六、白点敏感性在C0.3%的Ni-Cr、Ni-Cr-Mo、Ni-Cr-W马氏体钢中白点敏感性最大。七、冷成形性P、Si、C等元素↑↑冷作硬化率，需要冷成型的材料应严格控制P、N量，尽可能↓Si、C等量。八、热压力加工性Me溶入基体→热压力加工性能↓。如Mo、W、Cr、V等元素影响较大。九、切削加工性不同含C量的钢要得到较好的切削性，其预处理是不同的。25、钢的强化机制有哪些？为什么一般钢的强化均用淬火、回火？固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相弥散强化。在众多的热处理方法中,以淬火、回火工艺对金属材料的强化最为显著,这是因为它充分利用了以上四种强化机制。26、试解释含Mn稍高的铬镍钢易过热，而含Si的钢淬火加热温度应稍高。且冷作硬化率较高，不利于冷变形加工。27、微量元素的作用。钢中的微合金化元素。常用微合金化元素：B,N,V,Ti,Zr,Nb,RE;改善切削加工性：S,Se,Bi,Pb,Ca;能净化、变质、控制夹杂物形态：Ti,Zr,RE,Ca;有害元素：P,S,As,Sn,Pb。材料0801-5-28、提高韧性的合金化途径。1）细化晶粒、组织——如Ti、Nb、Mo；2）↑回火稳定性——如强K形成元素；3）改善基体韧度——Ni；4）细化K——适量Cr、V，使K小而匀；5）↓回脆——W、Mo；6）在保证强度水平下，适当↓含C量.↑冶金质量。29、怎样理解“合金钢与碳素钢的强度性能差异，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，且合金元素的良好作用，只有在适当的热处理条件下才能表现出来。”提纲【合金的主要作用：a.产生相变，如扩大某个相区（奥氏体区）以得到某种对应的特殊性能.b.细化晶粒，改善机械性能，如缺口敏感性、淬透性。c.改变热处理工艺，如提高钢材的热处理组织的稳定性，降低热处理温度、缩短热处理时间、提高热处理质量。】从强化机制分析。第2章钢的编号方法写出下列钢号的类属、碳和合金元素的含量：15Mn：优质碳素结构钢，较高Mn量，0.15%C；16Mn：低合金高强度结构钢，0.16%C；20g：优质碳素结构钢，锅炉用，0.2%C；T10A：高级优质碳素工具钢，1%C；65Mn：优质碳素结构钢，较高Mn量，0.65%C；18Cr2Ni4W：合金结构钢，0.18%C，2%Cr，4%Ni，W1.5%；25CrMnTiBRe：合金结构钢，0.25%C，其余1.5%;30CrMnSi:合金结构钢，0.3%C，其余1.5%;50CrV:合金结构钢，0.5%C，其余1.5%;CrWMn:合金工具钢，平均碳含量=1.0%；5CrNiMo：合金工具钢，0.5%C，其余1.5%;GCr15：滚动轴承钢，1.5%Cr；W6Mo5Cr4V2：高速工具钢，合金元素百分含量；00Cr18Ni10：不锈钢，“00”表示=0.03%，“0”表示=0.08%;1Cr18Ni9Ti:不锈钢，0.1%C，其余百分含量。第3章工程构件用钢1、叙述构件用钢一般的性能要求。1、足够的强度与韧度（特别是低温韧度）；2、良好的焊接性和成型工艺性；3、良好的耐腐蚀性4、低的成本。2、与普通碳素结构钢相比，普低钢有何性能特点？主要用途是什么？比普通碳素结构钢有较高的屈服点σs或屈服强度σ0.2和屈强比σs/σb,较好材料0801-6-的冷热加工成型性,良好的焊接性,较低的冷脆倾向、缺口和时效敏感性，以及有较好的抗大气、海水等腐蚀能力。该钢多轧制成板材、型材、无缝钢管等，被广泛用于桥梁、船舶、锅炉、车辆及重要建筑结构中。3、为什么普低钢中差不多都含有不大于1.8%Mn？Mn固溶强化作用大，1%Mn，σs↑33MPa。约有3/4量溶入F中，弱的细晶作用，↓TK。同样量多时可大为降低塑韧性。所以Mn控制在1.8%。4、为什么贝氏体型普低钢多采用0.5%Mo和微量的B作为基本合金元素？6、合金元素是通过哪几个途径强化普低钢的？固溶强化、细晶强化、沉淀强化（弥散强化）、增加P的相对量。第4章机器零件用钢1、为什么机器零件用钢一般都在淬火、回火态使用，而不在退火态使用？因为淬火和回火可以得到M、下B，有较好的综合力学性能；而退火后的组织为F+P，综合性能低。2、什么是“淬透性原则”？淬透性相同的调制钢，可以互相代用。3、为什么说淬透性是评定结构钢性能的重要指标？钢经不同的热处理会产生不同的组织，从而呈现不同的机械性能。淬透性就是反应钢材在经过热处理后其断面组织整体差异的重要指标，淬透性高的钢材，其径向组织差异就小，机械强度变化梯度也小，更接近于等强度。4、调质钢中常用哪些合金元素？这些