金属材料学复习资料

1金属材料学复习资料题型：判断，选择，简答，问答第一章1.要清楚的三点：1)同一零件可用不同材料及相应工艺。例：调质钢；工具钢代用调质钢：在机械零件中用量最大，结构钢在淬火高温回火后具有良好的综合力学性能，有较高的强韧性。适用于这种处理的钢种成为调质钢。调质钢的淬透性原则，指淬透性相同的同类调质钢可以互相代用。2)同一材料，可采用不同工艺。例：T10钢，淬火有水、水-油、分级等。强化工艺不同，组织有差别，但都能满足零件要求。力求最佳的强化工艺。淬火冷却方式常用水-油双液淬火、分级淬火。成本低、工艺性能好、用量大。3)同一材料可有不同的用途。例：60Si2Mn有时也可用作模具。低合金工具钢也可做主轴，GCr15也可做量具、模具等。60Si2Mn是常用的硅锰弹簧钢，主要用于汽车的板弹簧。低合金工具钢可制造工具尺寸较大、形状比较复杂、精度要求相对较高的模具。GCr15只在对非金属夹杂物要求不严格时，制作切削工具、量具和冷轧辊等。2.各种强化机理（书24页）钢强化的本质机理：各种途径增大了位错滑移的阻力，从而提高了钢的塑性变形抗力，在宏观上就提高了钢的强度。1)固溶强化：原子固溶于钢的基体中，一般都会使晶格发生畸变，从而在基体中产生弹性应力场，弹性应力场与位错的交互作用将增加位错运动的阻力。从而提高强度，降低塑韧性。2)位错强化：随着位错密度的增大，大为增加了位错产生交割、缠结的概率，所以有效阻止了位错运动，从而提高了钢的强度。但在强化的同时，也降低了伸长率，提高了韧脆转变温度。3)细晶强化：钢中的晶粒越细，晶界、亚晶界越多，可有效阻止位错运动，并产生位错塞积强化。细晶强化既提高了钢的强度，又提高了塑性和韧度，所以是最理想的强化方法。4)第二相强化：钢中微粒第二相对位错有很好的钉扎作用，位错通过第二相要消耗能量，从而起到强化效果。根据位错的作用过程，分为切割机制和绕过机制。根据第二相形成过程，分为回火时第二相弥散沉淀析出强化；淬火时残留第二相强化。5)弥散强化等于第二相强化：塑韧性下降总结：对结构钢，贡献最大的是细晶强化和沉淀强化；置换固溶对强化贡献不大。*合金钢与C钢的强度性差异，在于合金元素对钢相变过程的影响。23.合金化原理的重点问题：1)什么是奥氏体形成元素，什么是铁素体形成元素？答：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，如Mn,Ni,Co,C,N,Cu；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，如：V，Nb,Ti。2)钢中碳化物稳定性顺序？答：碳化物在钢中的稳定性取决于金属元素与碳亲和力的大小，即d层电子数：电子越少，金属元素与碳的结合强度越大，越稳定。此外，考虑到热效应影响稳定性时，碳化物生成热越大，越稳定。碳化物根据结构类型可分为简单点阵结构和复杂点阵结构。简单点阵结构：有M2C型、MC型，特点是硬度较高，熔点较高，稳定性较好；复杂点阵结构：有M23C6型、M7C3型、M3C型，其特点是硬度较低，熔点较低，稳定性较差。特别指出：M6C型碳化物虽属于复杂点阵结构，但稳定性比M23C6型、M7C3型好。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：MC→M2C→M6C→M23C6→M7C3→M3C（高-------------------------低）3)钢的强化机制？提高钢韧性的途径？答：如上，钢的强化机制是几种强化机制的综合结果。提高钢韧性的途径：教材版本，举例参考上图A.细化奥氏体晶粒，从而细化了铁素体晶粒与组织，如强碳化物形成元素；B.提高钢的回火稳定性，如强碳化物形成元素；C.改善基体韧度，如Ni；D.细化碳化物；E.降低或消除钢的回火脆性；F.在保证强度水平下，适当降低含碳量；G.提高冶金质量；H.通过合金化形成一定量的残余奥氏体。34)钢中的杂质？S、P作用？答：杂质有三类：常存杂质，冶炼残余，由脱氧剂带入，Mn、Si、Al；S、P难清除。隐存杂质，生产过程中形成，如微量元素O、H、N等。偶存杂质，与炼钢时的矿石、废钢有关，如Cu、Sn、Pb、Cr等。典型杂质：S容易与Fe结合形成熔点为989℃的FeS相，会使钢产生热脆性；P和Fe结合形成硬脆的Fe3P相，使钢在冷加工过程中产生冷脆性；H留在钢中形成所谓的白点，导致钢的氢脆。5)钢中各合金元素作用？如Si，Cr？具体表现在T9和9SiCr（后面有题）答：复习PPT上有归纳。硅和铬具体表现在T9和9SiCr上：对于9SiCr，由于Si、Cr的作用提高了淬透性，一般情况下油淬临界直径小于40mm；回火稳定性较好，经约250℃回火，硬度仍然大于60HRC；由于Si的存在，脱碳倾向较大，切削加工性相对也差些。6)第一、第二类回火脆性的典型特征和产生原因（教材24页）答：第一类回火脆性，典型特征有：①不可逆；②脆性的产生与回火后冷却速度无关；③脆性的表现特征为晶界脆断。产生原因：①Fe3C薄膜在原奥氏体晶界上形成，削弱了晶界强度；②杂质元素P、S、Bi等由于内吸附现象偏聚晶界，降低了晶界的结合强度。第二类回火脆性，典型特征：①可逆；②脆性是在回火后慢冷产生，快冷可抑制脆性；③脆性的表现特征为晶界脆断。产生原因：回火时，杂质Sb、S、As或N、P等偏聚晶界，形成网状或片状化合物，降低晶界强度。高于回火脆性温度，杂质扩散离开晶界或化合物分解；快冷抑制了杂质元素扩散。4.正火和淬火、高温回火得到的同样是珠光体组织，但为什么一般钢要经过淬火、回火？答：钢的淬火目的是为了获得马氏体（或贝氏体）组织，提高钢的硬度、强度和耐磨性，并保持足够的韧性。回火目的是消除淬火应力，降低脆性；稳定工件尺寸；调整淬火零件的力学性能。5.在这些处理过程中，合金元素存在的形式和所处的位置是怎样变化的，其它组织结构是怎样变化的？6.固溶强化、位错强化、细晶强化和弥散强化等强化机制是如何相互转化的？7.合金化设计到组织设计的要点答：1)碳化物的类型及性质：碳化物的形成规律：42)合金元素对相图的影响：合金元素对C线的影响：3)合金元素对过程的影响：合金元素对工艺性的作用：5钢的强韧化矛盾8.合金化原则多元适量，复合加入（看总复习PPT）9.主要合金元素的作用（总复习PPT）第三、四章1.掌握各类钢的特点（总复习PPT）2.弹簧、热锻模的服役条件及技术要求答：弹簧的服役条件：板簧主要承受弯曲载荷，失效形式是疲劳破坏；螺旋弹簧主要承受扭转应力，失效形式也为疲劳破坏。弹簧的技术要求：高的弹性极限σe、屈强比σs/σb→弹性↓；高的疲劳强度σ-1→避免早期疲劳破坏；有足够的塑性和韧性→不产生脆性断裂；足够的淬透性→保证σe和整体强度；具有良好的表面质量。热锻模的服役条件：1）反复冷、热→易产生龟裂、热疲劳；2）表层温度~500℃，冲击力大；3）强烈摩擦磨损；4）模具尺寸比较大。热锻模的性能要求：↑热疲劳抗力→↑A1，↓硬度是有利的；↑热强性\韧度→高温回火；→消除回脆，整体性能好；↑模具高温耐磨6性；淬透性好，导热性好。热锻模的工艺要求：注意保护模面和模尾，以避免脱碳。加热要注意预热，450左右预热，升温速度要慢，50℃/h；冷却要注意预冷，预冷到780℃左右，循环油冷，冷至150~200℃取出；淬火后必须立即回火，绝对不允许冷至室温。3.轴承钢的冶金质量答：对轴承钢的基本质量要求是纯净和组织均匀。纯净就是杂质元素和非金属夹杂物要少，组织均匀是钢中碳化物要细小，分布要均匀。因以上两种原因造成的失效占总失效的65%。非金属夹杂主要有氧化物，硫化物和硅酸盐三种。根据形状划分又可分为脆性夹杂物、塑性夹杂物和球状不变形夹杂物。其中危害最大的是硬而脆的氧化物，主要有刚玉和尖晶石。钢冶炼时彻底脱氧是获得高纯净钢的必要条件。碳化物的不均匀性可分为碳化物液析，可采用高温扩散退火消除；带状碳化物可由较长的退火时间消除；而控制终轧或终锻温度、控制终轧后冷速或正火可消除网状碳化物。老师PPT上的：碳化物细小均布。主要有三类K：K液析→结晶时枝晶偏析而存在→高温扩散退火，不允许液析严重；带状K→轧制时二次碳化物偏析→高温扩散退火；网状K→冷却时在晶界析出→正火。4.高速钢的热处理工艺（后面有题）答：1)高速钢经锻轧后，要经过退火处理，有普通退火和等温退火两种方式，其中普通退火工艺为860-880℃保温2-3小时。2)然后进行淬火前的预热，因为高速钢导热率低，淬火加热温度又很高。预热可减少工件在淬火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。分为一次预热和两次预热。一次预热为800-850℃，适用于直径小的工件；两次预热是在一次预热之前加一次500-600℃预热。预热时间一般为淬火时间的两倍。3)淬火温度和时间的确定。4)采用分级淬火的冷却方式5.工具钢的球化处理答：一般要求钢中的碳化物呈球状、细小、均匀分布，这样可保证钢的耐磨性和韧度，而且对热处理工艺也非常有利。因此，一般情况下工具钢的预先热处理都采用球化退火。低合金工具钢在淬火前必须经过球化退火，得到粒状珠光体的原始组织，以利于切削加工，并且淬火过热倾向小。球化退火一般采用等温退火工艺，由退火温度以30-40℃/h冷至700℃，等温4h，再炉冷到600℃出炉。工具钢的工艺特点：锻造→球化退火→不完全淬火，淬火工艺参数要求严格。6.高碳钢的第二相答：指的是碳化物。99页7.齿轮、轴类零件的选材料齿轮：不同机械的齿轮，其工作条件差别很大，所以在选择材料和热处理工艺上也有很大不同。1)机床齿轮，载荷不大，工作平稳，一般无大的冲击力，转速也不高。常选用调质钢制造，如45、40Cr、42SiMn等钢，热处理工艺为正火或调质，高频感应加热淬火。一般工艺路线为：备料→锻造→正火→粗加工→调质处理→半精加工→高频淬火+回火→磨削2)汽车、拖拉机的变速箱齿轮，汽车、拖拉机上的变速箱齿轮属于重载荷齿轮。一般都采用渗碳钢，如20Cr、20CrMnTi等，进行渗碳热处理。一般工艺路线为：备料→锻造→正火→粗加工→渗碳+淬火+回火→喷丸→磨削73)重载齿轮，航空发动机齿轮和一些重型机械上的齿轮承受高速和重载，一般多采用高淬透性渗碳钢，如12CrNi3A、18Cr2Ni4WA等钢。工艺路线较复杂：备料→模锻→正火+高温回火→机械加工→渗碳→高温回火→机械加工→淬火+回火→精加工→检验。轴类零件：轴是各类机械中最基本零件，也是关键零部件。它直接影响精度和使用寿命。1)轻载主轴。如普通车床主轴，负荷小，冲击力不大，磨损也不严重，一般采用45钢，整体经正火或调质处理，轴颈处高频感应加热淬火。2)中载主轴。如铣床，中等负荷，有一定冲击力，磨损也较重，一般用40Cr等制造，进行调质处理，轴颈处高频感应加热淬火。如冲击力较大，也可用20Cr等钢进行渗碳淬火。3)重载主轴。如组合机床的主轴，负荷较大，冲击力大，磨损严重，可用20CrMnTi钢制造，渗碳淬火。4)高精度主轴。如精密镗床的主轴，虽然负荷不大，磨损也不严重，但是精度要求很高，一般可用38CrMoAlA氮化钢制造，经调质后氮化处理，可满足要求。8.不同表面强化工艺特点、应用和适用钢种。82页表面强化手段也有很多，如既改变表面化学成分又改变组织的渗碳……9.各类钢的工艺特点：总复习PPT除第一章外的其余1.各类结构钢的特点、应用及演变(后面)2.工具钢的特点、应用及演变3.工程结构钢：1)工程结构钢中的基本服役条件以及性能要求？牌号？Q295基本服役条件：工程结构件长期受静载；互相无相对运动受大气（海水）的侵蚀；有些构件受疲劳冲击；一般在-50~100℃范围内使用；如：桥梁、船舶等受到像风力或海浪冲击。性能要求：足够的强度与韧度（特别是低温韧度）；良好的焊接性和成型工艺性；良好的耐腐蚀性。牌号：铁素体-珠光体（F-P）类型是工程结构钢中最主要的一类钢。有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。根据质量要求分为A、B、C、D四个等