《金属材料学》课程复习题答案(1)

《金属材料学》复习题纲

1、试总结钢中主要合金元素的作用，并简要说明原因。

(1) Cr元素；(2) Mn元素；(3) Si元素；(4) Ni元素；(5) V元素；(6) Mo元素。

作用：

Cr元素：

铬能提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但它使钢的塑性和韧性降低。因而在工具钢和结构钢中得到广泛的应用。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢、耐热钢的重要合金元素。铬是合金结构钢主加元素之一，在化学性能方面它不仅能提高金属耐腐蚀性能，也能提高抗氧化性能。当其含量达到13％时，能使钢的耐腐蚀能力显著提高，并增加钢的热强性。

Mn元素:

锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，它能使钢的调质组织均匀细化，避免了渗碳层中碳化物的聚集成块，但增大了刚的过热敏感性和回火脆性；可以提高钢的强度和淬透性；但随锰含量的增加，钢的热导性急剧下降，线膨胀系数上升，在快冷时工件易开裂。

Si元素：

提高退火，正火和淬火温度，在亚共析钢中提高淬透性；改善耐磨性，提高钢的弹性极限，屈服强度和疲劳强度，但其含量过高时，会降低钢的塑性韧性，加剧表面脱碳。

Ni元素：

镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。它能提高淬透性，使钢具有很高的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍能提高耐腐蚀性和低温冲击韧性。镍基合金具有更高的热强性能。镍被广泛应用于不锈耐酸钢和耐热钢中。

V元素：

钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。钒用于固溶体中可提高钢的高温强度，细化晶粒，提高淬透性。铬钢中加少量钒，在保持钢的强度情况下，能改善钢的塑性。

Mo元素：

钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，防止回火脆性。在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在调质钢中，钼能提高钢的回火稳定性，能更有效地降低残余应力，提高塑性。

2、钢的强化机制主要有哪些?从合金化角度考虑，提高钢的韧度主要有哪些途径?

强化机制：

1.固溶强化：随着溶质原子的溶入固溶体晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。

2.位错强化：由位错密度的上升，导致位错更容易发生交割缠结从而有效阻止位错的运动，造成合金的强度上升，伸长率下降，韧脆转变温度Tk上升。

3.细晶强化：当晶粒越细,晶界亚晶界越多,有效的阻止位错运动，产生的位错塞积强化。此时金属材料的强度，韧塑性均上升。

4.第二相强化：沉淀或弥散析出的第二相颗粒钉扎位错的运动，阻碍位错的进一步运动，从而有效的提升合金材料的强度但其韧性稍降。

主要途径：

1）细化晶粒、组织——如Ti、V、Mo；

2）提高回火稳定性——如强K形成元素；

3）改善基体韧度——加入适当Ni ；

4）细化碳化物——适量Cr、V，使碳化物小，匀圆且适量；

5）降低回火脆性—— W、Mo ；

6）在保证强度水平下，适当降低含C量.

提升冶金质量。

3.试总结钢中碳化物形成的一般规律。

1.碳化物类型与合金元素的原子半径有关

A):rc/rMe > 0.59 —复杂点阵结构

特点：硬度，熔点较低，稳定性较差。

B):rc/rMe < 0.59 —简单结构相

特点：硬度，熔点高，稳定性好。

C):Me量少时，形成复合K

结构复杂，性能接近于简单点阵结构。

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K

溶入强者,使K稳定性↑;溶入弱者,使K稳定性↓（K=碳化物）

3.K形成元素中，强者优先与C结合，随C↑，

依次形成K。如果钢中C量有限，则弱的K形成元素溶入固

溶体。

4.NM/NC比值决定了K类型

5.形成的碳化物越稳定，越难溶解，析出和聚集长大也更难。如MC型在1000℃以上才开始溶解；回火时，在500~700℃才析出，并且不易长大，产生“二

次硬化”效果。

4、写出W18Cr4V高速钢的铸态组织。简述高速钢中W、V、Cr合金元素的主要作用。高速钢在淬火加热时，如产生欠热、过热和过烧现象，在金相组织上各有什么特征。

铸态组织：鱼骨状莱氏体（Ld）、黑色组织（δ共析体等）和白亮组织（M+AR）

W：钨是钢获得红硬性的主要元素。W↓↓热导率→钢导热性差

V：显著↑红硬性、↑硬度和耐磨性，细化晶粒，↓过热敏感性。以VC存在.

Cr：加热时全溶，保证钢淬透性，4％Cr 改善抗氧化能力、切削能力

欠热：淬火温度较低，大量K未溶, 且晶粒特别细小。

过热：淬火温度过高，晶粒长大，K溶解过多，K发生角状化；奥氏体中合金度过高，冷却时易在晶界上析出网状K。

过烧：温度再高→晶界熔化→铸态组织特征，主要为鱼骨状共晶莱氏体及黑色组织。

5、试从合金化原理角度分析9Mn2V钢的主要特点。

常用低合金工具钢有9Mn2V 、CrWMn 、GCr15、9SiCr等。

和碳素工具钢相比，这类钢的淬透性比较高，热处理变形较小，耐磨性也较好，所以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。

(了解就行)

主要特点：

①Mn↑淬透性，D油= ~ 30mm；

②Mn↓↓MS，AR约20~22%，变形小；

③V能克服Mn缺点,↓过热敏感性，细化晶粒；

④硬度稍低，回稳性较差→200℃以下回火；

⑤VC使钢的磨削性能变差。

各种类型的中小冷作模具都可采用。

6、试从合金化原理角度分析W6Mo5Cr4V2钢的主要特点。

从合金化原理分析：

W，Mo钼元素是钢获得红硬性的主要元素。而V元素不仅能显著提高合金钢的红硬性、硬度和耐磨性，并且细化晶粒，降低过热敏感性。因此可以判断该合金钢在高温下能保持一定的硬度且具有良好的耐磨性；

Cr元素有保证了钢的淬透性，改善抗氧化能力及切削能力，因此可以看出该合金可用于高硬度合金的切削加工。

合金中含有铝元素，高温下和空气中的氮和氧生成氧化铝和氮化铝起润滑作用，降低摩擦系数，减轻切屑与刀具粘结。故此合金在做刀具使用具有一定的润滑效果。

超硬高速钢：典型牌号为W6Mo5Cr4V2Al。具有65~70HRC高硬度、高红硬性特点，成本比钴高速钢低