金属材料学复习题(考试真题)

一、名词解释1 合金元素：是指特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。2 微合金元素：在 钢 中 质 量 分 数 低 于 0.1%左 右 而 对 钢 的 性 能 和 微 观 组 织 有 显 著 或特 殊 影 响 的 合 金 添 加 元 素 称 微 合 金 元 素 如Al、 Nb、 V、 Ti、 B、 Ni、 Cr、 Mo3 合金钢：是指为了提高某些性能而添加入合金元素的钢。4 微合金钢：合金元素(如 V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于 0.1%而能显著影响组织和性能的钢。5 奥氏体形成元素：C,N,Cu,Mn,Ni,Co,W 等6 铁素体形成元素： Cr，V，Si，Al，Ti ，Mo 等7 二次淬火：在回火过程中从残余奥氏体中析出合金碳化物，从而贫化残余奥氏体中的碳和合金元素，导致其马氏体转变温度高于室温，因而在冷却的过程中转变为马氏体。这种现象称为二次淬火。8 二次硬化：回火温度在 500-600之间，钢的硬度、强度和塑性均有提高，而在 550-570时可达到硬度、强度的最大值。在此温度区间，自马氏体中析出弥散的钨 (钼) 及钒的碳化物(W2C、Mo2C、VC)，使钢的硬度大大提高，这种现象称为二次硬化。9 调质钢：调质钢是指经过调质处理，即淬火并经高温回火后使用的结构钢。二、合金元素 V、Cr 、W、Mo、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 a-Fe 中形成无限固溶体？哪些能在 -Fe 中形成无限固溶体？为什么？答：，奥氏体形成元素：C,N,Cu,Mn,Ni,Co,W 等。铁素体形成元素： Cr，V，Si，Al，Ti，Mo。V 、Cr 与 -Fe 可形成无限置换固溶体；Mn、Co、Ni 与-Fe 可形成无限置换固溶体。决定组元在置换固溶体中的溶解条件是： (1)溶剂与溶质的点阵相同；(2)原子尺寸因素 (形成无限固溶体时，两者之差不大于 ±8%)；(3) 组元的电子结构(组元在周期表中的相对位置 )。 Mn、Co 、Ni 与 -Fe 符合上述条件，可形成无限置换固溶体，V、Cr 与 -Fe 符合上述条件，可形成无限置换固溶体。三、简述合金元素对铁碳相图（如共析碳量等等临界点）的影响。答：1改变奥氏体的位置（Ni、Co、Mn 以及其它扩大 相区的元素，均使共析点左移而 GS 线下沉；Cr、W、Mo、V、Ti、Si 以及其它缩小 相区的元素，均使三元系中的 相区逐渐呈劈形）2改变共析温度（Ni、Mn 等扩大 相区的元素，使共析点（S 点）左移，GS 下沉，使得 A1 和 A3 温度同时降低。 Cr、W、Mo、V 、Ti 、Si 以及其它缩小 相区的元素，使 相区呈劈形，且共析点（S 点）左移，使得 A1 和A3 温度同时升高。 ）3改变共析体含量（所有合金元素均使共析点左移，说明在钢中C不到 0.77%时，钢就会变为过共析而析出二次渗碳体，从而降低了共析体中的含碳量。这样，合金钢加热至略高于 A1 时，所得到的奥氏体的含碳量总比碳钢低。 ）四、如何解释二次硬化与二次淬火两个概念的异同点。答：二次淬火：在回火过程中从残余奥氏体中析出合金碳化物，从而贫化残余奥氏体中的碳和合金元素，导致其马氏体转变温度高于室温，因而在冷却的过程中转变为马氏体。这种现象称为二次淬火。二次硬化：回火温度在 500-600之间，钢的硬度、强度和塑性均有提高，而在 550-570时可达到硬度、强度的最大值。在此温度区间，自马氏体中析出弥散的钨(钼)及钒的碳化物(W2C、Mo2C、VC) ，使钢的硬度大大提高，这种现象称为二次硬化。 五、对调质钢、弹簧钢进行成分、热处理、组织及性能的比较并熟悉各自主要钢种。答：A 弹簧的性能：1 具有高的强度极限，高的屈强比 s/b。2 具有高的疲劳极限。3 具有良好的表面状态。4 具有较好的工艺性能 弹簧钢的化学成分特点 ：1 碳含量（碳素弹簧钢的碳含量一般为 0.8%0.9%，合金弹簧钢的碳含量为 0.45%0.7%。 ）2 加入 Si、Mn （Si 和 Mn 是弹簧钢中经常采用的合金元素，目的是提高淬透性、 固溶强化铁素体、提高钢的回火稳定性。 ）3 加入 Cr、W、V、Nb 克服硅锰弹簧钢的不足（Cr、W、V 、Nb 为碳化物形成元素，它们可以防止过热（细化晶粒）和脱碳，从而保证重要用途弹簧具有高的弹性极限和屈服极限。 ）4 弹簧钢的纯度对疲劳强度有很大影响，因此，弹簧钢均为优质钢（P0.04% ，S0.04%）或高级优质钢（P0.035%， S0.035%） 。 弹簧钢的热处理特点： 弹簧钢的热处理一般为淬火中温回火。B 调质钢的基本特点： 具有中等的碳含量； 热处理工艺为：淬火500650高温回火； 具有良好的强度、塑性及韧性配合。 调质钢的合金化及热处理的主要原则： 保证钢具有必需的淬透性，使零件在淬火后具有足够厚的马氏体层； 钢在高温回火后能获得预期的综合机械性能。 调质钢的化学成分 ：碳含量一般在 0.30.5%之间；主加合金元素： Si、Mn、Cr、Ni。辅加合金元素：Mo、V、W、Ti 、Al、B 。重要的调质钢一般都含有多种合金元素。 调质钢的组织 ：调质钢经淬火高温回火后的金相组织是回火索氏体（多边形铁素体粒状碳化物） 。调质钢的热处理特点 ：调质钢在淬火高温回火六、GCr15 钢是什么类型钢，它最终组织是什么？从性能要求角度谈为何采用此组织形态。答：GCr15 钢是轴承钢。轴承钢经淬火及回火后的组织为极细的回火马氏体、均匀分布的细粒状碳化物以及少量的残余奥氏体，硬度为 6266HRC。对于精密轴承，为了保证能长期存放和使用中不变形，在淬火后要立即进行“冷处理”，以使钢中未转变的残余奥氏体进一步发生转变。滚动轴承的性能要求：1 高的淬硬性和必要的淬透性；2 高的耐磨性；3 高的接触疲劳性能；4 高的弹性极限和一定的冲击韧性；5 尺寸要精确而经久稳定；6 一定的抗腐蚀能力；7 良好的工艺性能。高碳为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性，Cr 的作用是提高钢的淬透性和钢的耐腐蚀性能。 碳化物能以细小质点均匀分布于钢基体组织中，既可提高钢的回火稳定性，又可提高钢的硬度，进而提高钢的耐磨性和接触疲劳强度。马氏体中的碳含量在 0.45%-0.5%时，轴承钢既具有高硬度，又有良好的韧性，还具有最高的接触疲劳寿命。淬火后应立即回火，以消除内应力，提高韧性、稳定组织和尺寸。七、滚动轴承钢的预先热处理和最终热处理分别是是什么？为什么采取预先热处理？答：由于轴承钢是过共析钢，并且对碳化物的形状和分布要求较高，因此其预先热处理通常采用球化退火。 （球化退火温度范围为 770810，790最适宜） 轴承钢的最终热处理是淬火加低温回火。八、说明氮化钢及渗碳钢的合金化特点？答：氮化钢：氮化物形成元素(如铝、钛、铌、钒、钼、铬、钨等) 能在 相中形成微细的氮化物颗粒，对 相起强化作用。氮化物形成元素阻碍氮原子向内部扩散，减少氮化层的层深。非氮化物形成元素（如镍、硅、铜等）则阻碍氮原子的吸收，降低表面氮浓度，减少氮化层的深度。铬、钼、钒元素溶入马氏体中时，分别能使钢在400500、500600、550650回火时保持高的强度。钼可使钢在 510580氮化长期保温和随后炉冷时不致产生回火脆化。渗碳钢：常加入的合金元素有Si、Mn 、Cr、Ni、Mo、W 、 V、Ti 、B 等,可以提高钢材的淬透性和机件的强度和韧性；V、Ti 可以细化奥氏体晶粒。碳化物形成元素对渗碳的作用：（a）增大钢表面吸收碳原子的能力；（b）增大渗碳层表面碳浓度；（c）阻碍碳在奥氏体中的扩散。前两因素加速渗碳，有利于渗碳层的加厚，而后一因素不利于渗碳层的加厚。总的效果是铬、锰、钼等元素加大渗碳层的厚度，钛减小渗碳层的厚度。非碳化物形成元素对渗碳的作用与碳化物形成元素相反：总的效果是镍、硅、铜等元素减慢渗碳，不利于渗碳层的加厚。碳化物形成元素含量过多，将在渗碳层中产生许多块状碳化物，造成表面脆性。所以合金元素的含量要适当。锰是一个较好的合金元素，既可以加速渗碳层增厚，又不过多提高渗碳层的含碳量。对于一般零件:(1)渗碳层的含碳量限制为0.81.1%C；(2)渗碳层的深度控制在 0.62.0mm 之内。九、低合金工具钢中的主要合金元素是哪些？在钢中有什么作用？答：a 铬 Cr 是碳化物形成元素，提高过冷奥氏体的稳定性，增加淬透性。Cr 阻止渗碳体型碳化物的聚集、长大，提高了马氏体的分解温度，从而有效地提高了钢的回火抗力。Cr 还能防止 Si 的石墨化倾向。b 硅增加钢的淬透性，提高钢的回火稳定性。Si 是石墨化元素，在高碳钢中，高温加热时引起脱碳和促进石墨化，必须同时添加W、Cr、Mn 等，减少钢的脱碳倾向。c 锰提高钢的淬透性，但 Mn 增加钢的过热倾向。d 钨 W 在工具钢中形成较稳定的碳化物，阻止钢的过热，保证晶粒细化，有利于提高钢的耐磨性。e 钒 V 比其他元素更为有效地阻止奥氏体晶粒长大，降低过热敏感性。 十、什么是红硬性？为什么它是高速钢的一种重要性能？哪些元素在高速钢中有利于提高钢的红硬性？答：红硬性：在高温下保持高硬度的能力。在高速切削过程中，刀具的刃部温度可达600以上，并且要满足切削性能和耐磨性，这要求它必须具有红硬性。提高红硬性元素：C 碳、W 钨、Mo 钼、V 钒、Co 钴、N 氮。十一、根据高速钢的物理冶金原理，分析讨论碳和合金元素在高速钢中的作用规律。答：所有的高速钢中，在退火状态下都含有 M6C、M 23C6。MC 三种碳化物。典型的 M6C型碳化物是 Fe4W2C，钢中含有的 Cr、Mo、V 可溶解在 M6C 中，Mo、V 可置换W；Cr 可置换 Fe、W ，这就使 M6C 稳定性不同。如 Cr 溶入 M6C 中，使 M6C 稳定性下降。典型的 M23C6 型碳化物是 Cr23C6，其稳定性较差，淬火加热时，全部溶于奥氏体中，增加钢的淬透性。典型 MC 型碳化物是 VC，也能溶解少量的 W、Mo、Cr 等元素。在高温回火过程中析出，使高速钢产生弥散强化，从而使钢具有高的耐磨性。高速钢在回火过程中，当温度超过 500时，自马氏体中析出 W2C、Mo 2C，引起钢的弥散硬化。当回火温度超过 650时，则析出 M6C 及 M7C3，它们容易聚集长大，使钢的硬度下降。 十二、叙述 18-4-1 高速钢从液态冷凝至室温时发生的反应和铸态显微组织特征。为什么高速钢在热处理之前一定要大量地热加工?答：高速钢的铸态组织常常由鱼骨状莱氏体(Ld)、中心黑色的共析体、白亮的马氏体和残余奥氏体组成。高速钢锻造以后，必须进行球化退火，其目的不仅在于降低钢的硬度，以利切削加工，而且也为以后的淬火作组织上的准备。高速钢在空气中冷却即可进行马氏体转变。18-4-1 钢的 AC1 温度是 820-860，故退火温度为 860880。在该温度保温 23h，大部分合金碳化物未溶入奥氏体中，此时奥氏体中合金元素含量不多，冷却时易于转变为粒状珠光体和剩余碳化物。为什么：高速钢的铸态组织很不均匀。大量不均匀分布的粗大碳化物，将造成强度及韧性的下降。这种缺陷不能用热处理工艺来矫正，必须借助于反复压力热加工(锻、轧) ，将粗大的共晶碳化物和二次碳化物破碎，并使其均匀分布在基体内。十三、高速钢 18-4-1 的最终热处理的加热温度为什么高达 1280 摄氏度？在加热过程中为什么要在 600-650 摄氏度和 800-850 摄氏度进行二次预热保温？答:18-4-1 钢的淬火温度 1280是因为淬火温度越高，合金元素溶入奥氏体的数量越多，淬火之后马氏体的合金浓度越高。只有合金含量高的马氏体才具有高的回火稳定性，在高温回火时析出弥散合金碳化物产生二次硬化使钢具有高的硬度和红硬性。