金属材料学试题

金属材料学试题

二.名词解释

1、相间沉淀:合金元素钒在钢中的有利作用主要是以其碳,氧化物形式存在于基体和晶界上,起到沉淀强化和抑制晶粒长大的作用.钒在铁素体中的溶解度比在奥氏体中的溶解度小的很多,随着相变的进行,在一定的热力学和动力学条件下,钒的碳,氮化物在相界析出,通过在两相区加速冷却,可以细化晶粒,控制其碳,氮化物的析出,其沉淀物的大小和分布,决定了其沉淀强化的效果.

2、晶间腐蚀:晶间腐蚀是一种常见的局部腐蚀。腐蚀沿着金属或合金的晶粒边界或它的邻近区域发展，晶粒本身腐蚀很轻微，这种腐蚀便称为晶间腐蚀。

3、高温回火脆性:在回火过程中随着回火温度的升高，塑性不断增加，而冲击韧性却不是呈直线上升的，在低温250-400度回火和高温450-650度范围内回火时，韧性会出现下降现象，这就是回火脆性。前者称为低温回火脆性，后者称为高温回火脆性。低温回火脆性又称为不可逆回火脆性或第一类回火脆性。碳钢与合金钢均会出现这种回火脆性，可能与低温回火时在晶界或亚晶界上析出连续碳化物薄片有关，对于低温回火脆性，只有避免在该脆性温度范围内回火才能防止。

合金钢在450-650度范围内回火时可能产生高温回火脆性，高温回火脆性可以用更高温度回火+快冷的办法消除。

脆性:Fe-Cr合金在400,550?环境中长期加热时,会4、475?

产生一种特殊的脆性,硬度显著提高,冲击韧性严重下降。此情况

称为475?脆性，可用加入稀土元素的方法解决。三.大题:

1、沉淀强化

位错和第二相交互作用形成第二相强化。对于一般合金来说第二相强化往往比固溶强化效果更为显著。根据获得第二相的工艺不同，按习惯将各种第二相强化分

别称呼。其中通过相变热处理获得的称为沉淀强化;而把通过粉末烧结获得的，称为弥散强化。有时也不加区分地混称为分散强化或颗粒强化。[4] 如果要单独对析出强化给出一个定义。析出强化是指金属在过饱和固溶体中溶质原子产生偏聚和(或)由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而产生的一种强化。

析出强化在微合金钢等金属材料的生产中有相当重要的作用。微合金钢生产中，只加入微量的合金元素，只能形成碳、氮化物，主要通过细晶强化和析出强化来进行强化。微合金化钢的特点之一就是利用碳、氮化物的溶解—析出行为。微合金钢的基体内分布的碳、氮化物，还有金属间化合物、亚稳中间相等第二相质点的析出在间界、运动位错之间产生的相互作用，导致钢的流变应力和屈服强度的提高。这就是微合金钢的析出强化。就位错与第二相的交互作用而言，一般将第二相分为变形的和不变形的两大类，其强化机制不同。

对于多数的析出强化合金，在经过固溶处理及时效后，在其早期阶段，析出相的尺寸小，与基体保持共格，这时的析出相是可以

变形的，位错可以切过析出相。当析出相有一定尺寸的时候，就属于不可变形的，运动位错接近它们时，只能绕过它们。像钢中的碳化物、氮化物一般都是不可变形的。

对于可变形的析出相，其强化效果主要决定于析出相的本性，由于强化来源的不同，可以有不同的机制。对于不变形的析出相，其强化效果主要决定于第二相尺寸或相间的平均距离。析出相对位错的障碍力集中施加在位错的钉扎点上。

可变形第二相的切过机制下，位错穿越质点，能够造成共格应变以及对层错、有序化以及弹性模量等产生种种影响。例如析出强化合金在经过固溶处理和时效后，析出相与基体保持共格，因而能够产生共格应变能。这种共格应变能是由析出相与基体原子的错配度引起的。当位错在析出相的共格内应力场中运动时，因弹**互作用产生强化。

一般说来，析出强化产生的强化作用在析出的第二相是尺寸细小、数量较多而且分布均匀的情况下，可以使材料获得最大的强化效果。比如在Nb、V、Ti三种微合金元素中，Nb、 V和Ti的微细析出相才能起这种作用，所以钢的热机械处理(或控

0.1mm颗粒度的轧控冷)要力图实现细小的析出，然而0.003,

析出也都能产生一定的效果。

2、固溶强化

一般来说，无论置换固溶体还是间隙固溶体，固溶体的硬度、强度总是比组成它的纯金属要高，并且随着溶质原子浓度的增加，

溶质原子和溶剂原子尺寸差别的增大(置换固溶体情况下)，强化的效果加大。比如，低碳钢在常温状态属于体心立方晶格结构的材料，较小原子半径的元素如C、N，通常以间隙的形式固溶在铁的晶格之中，多数合金元素的原子如Nb、V、Ti、Mo、Al等等都置换晶格某个铁原子的位置的形式。固溶造成晶格的畸变，使钢的屈服强度提高。这种由于溶质原子的固溶而引起的强化效应，即称为“固溶强化”。[2]

就固溶强化的微观机理而言，固溶强化是由于溶质原子和位错的交互作用的结果。溶质原子和位错的交互作用就其性质而言，可以是弹性的、化学的、电性的和几何的等几种类型。溶质原子可以偏聚到位错周围形成各种气团，也可以是均匀不规则地分布在基体中，这两种情况都可以使金属材料的基体造成强化。[3] 在几种性质类型的交互作用中，溶质原子和位错的弹**互作用最为重要。

晶体中的溶质原子是点缺陷的一种，会引起其周围发生弹性畸变。

3、铝合金时效强化四个阶段(参考《金属学与热处理》) 在时效热处理过程中，该合金组织有以下四个阶段: 补充:时效强化:过饱和固溶体在室温放置或加热

到某一温度保温，随着时间延长，其强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象 (1) 形成溶质原子偏聚区,G?P(?)区

在新淬火状态的过饱和固溶体中，铜原子在铝晶格中的分布是任

意的、无序的。时效初

期，即时效温度低或时效时间短时，铜原子在铝基体上的某些晶面上聚集，形成溶质原子偏聚区，称G?P(?)区。G?P(?)区与基体α保持共格关系，这些聚合体构成了提高抗变形的共格应变区，故使合金的强度、硬度升高。(2)G?P 区有序化,形成G?P(?)区

随着时效温度升高或时效时间延长，铜原子继续偏聚并发生有序化，即形成G?P(?)

区。它与基体α仍保持共格关系，但尺寸较G?P(?)区大。它可视为中间过渡相，常用θ” 表示。它比G?P(?)区周围的畸变更大，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大，θ”相析出阶段为合金达到最大强化的阶段。 (3)形成过渡相θ′

随着时效过程的进一步发展，铜原子在G?P(?)区继续偏聚，当铜原子与铝原子比为

1:2 时，形成过渡相θ′。由于θ′的点阵常数发生较大的变化，故当其形

成时与基体共格

关系开始破坏，即由完全共格变为局部共格，因此θ′相周围基体的共格畸变减弱，对位错

运动的阻碍作用亦减小，表现在合金性能上硬度开始下降。由此可见，共格畸变的存在是造成合金时效强化的重要因素。 (4)形成稳定的θ相

过渡相从铝基固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显界面的独立的稳定相

Al2Cu，称为

θ相此时θ相与基体的共格关系完全破坏，并有自己独立的晶格，其畸变也随之消失，并随

时效温度的提高或时间的延长，θ相的质点聚集长大，合金的强度、硬度进一步下降，合金

θ相聚集长大而变得粗大。就软化并称为“过时效”。

一、填空题 (30分，每空格1分)

1、钢的强化机制主要有固溶强化、位错强化、细晶强化、沉淀强

化。其中细晶强化对钢性能的贡献是既提高强度又改善塑、韧性。

2、提高钢淬透性的作用是获得均匀的组织～满足力学性能要求、

能采取比较缓慢的冷却方式以减少变形、开裂倾向。

3、滚动轴承钢GCr15的Cr质量分数含量为 1.5%左右。滚动轴承钢中碳化物不均匀性主要是指碳化物液析、碳化物带状、碳化物网状。

4、选择零件材料的一般原则是满足力学性能要求、良好的工艺性能、

经济性和环境协调性等其它因素。

5、凡是扩大γ区的元素均使Fe-C相图中S、E点向左下

方移动，例

Mn、Ni 等元素(写出2个);凡封闭γ区的元素使S、E点向左上方移动，例Cr、Mo 等元素(写出2个)。S点左移意味着共析碳含量降低。

6、QT600-3是球墨铸铁，“600”表示抗拉强度不小于600MPa ，“3”表示延伸率不小于3% 。

7、H68是黄铜，LY12是硬铝，QSn4-3是锡青铜。

8、在非调质钢中常用微合金化元素有 Ti、V 等(写出2个)，这些元素的主要作用是细晶强化和沉淀强化。

9、铝合金热处理包括固溶处理和时效硬化两过程，和钢的热处理最大

的区别是没有同素异构转变。

二、解释题(30分，每小题5分)

1、高速钢有很好的红硬性，但不宜制造热锤锻模。答案要点:高速钢虽有高的耐磨性、红硬性～但韧性比较差、在较大冲击力下抗热疲劳

性能比较差～高速钢没有能满足热锤锻模服役条件所需要高韧

性和良好热疲劳性能的要求。

2、在一般钢中，应严格控制杂质元素S、P的含量。

答案要点:S能形成FeS～其熔点为989?～钢件在大于1000?

的热加工温度时FeS会熔化～所以易产生热脆,P能形成

FeP～性质硬而脆～在冷加工时产生应力集中～易产生裂3

纹而形成冷脆。

3、9SiCr钢和T9钢相比，退火后硬度偏高，在淬火加热时脱碳倾向较大。

答案要点:Si是非K形成元素～能有效地强化铁素体～所以使

钢在退火后硬

度偏高,Si提高碳活度～使渗碳体稳定性变差～促进了钢

在加热时脱碳

倾向较大。

4、高锰钢(ZGMn13)在A以上温度加热后空冷得到大量cm

的马氏体，而水冷却可得到全部奥氏体组织。

答案要点:高锰钢在A以上温度加热后得到了单一奥氏体组cm

织～奥氏体中

合金度高,高C、高Mn,～使钢的Ms低于室温以下。如

快冷～就获得

了单一奥氏体组织～而慢冷由于中途析出了大量的K～使

奥氏体的合金

度降低～Ms上升～所以空冷时发生相变～得到了大量的马

氏体。

5、4Cr13含碳量(质量分数)为0.4%左右，但已是属于过共析钢。

答案要点:Cr元素使共析S点向左移动～当Cr含量达到一定

程度时～S点已

左移到小于0.4%C～所以4Cr13是属于过共析钢。

6、奥氏体不锈钢1Cr18Ni9晶界腐蚀倾向比较大。答案要点:1Cr18Ni9含C较高～又没有Ti等稳定C的强碳化

物形成元素～

所以在晶界上容易析出CrC～从而使晶界上产生贫Cr236

区～低于不锈钢

的基本成分要求～所以在晶界处的腐蚀倾向比较大。三、问答题(40分)

1、试总结Ni元素在合金钢中的作用，并简要说明原因。(10分)

答案要点:

1,?基体韧度 ? Ni?位错运动阻力～使应力松弛,

2,稳定A～? Ni?A ～扩大γ区～量大时～室温为A1

组织,

3,?淬透性??ΔG～使“C”线右移～Cr-Ni复合效果更好,

4,?回火脆性 ? Ni促进有害元素偏聚,

5,?Ms ～?Ar ? ?马氏体相变驱动力。

2、高速钢的热处理工艺比较复杂，试回答下列问题:(12分，每小题3分)

1)淬火加热时，为什么要预热?

2)高速钢W6Mo5Cr4V2的A在800?左右，但淬火加热C1

温度在1200~1240?，淬火加热温度为什么这样高?

3)高速钢回火工艺一般为560?左右，并且进行三次，为什么?

4)淬火冷却时常用分级淬火，分级淬火目的是什么? 答案要点:

1,高速钢合金量高～特别是W～钢导热性很差。预热可

减少工件加热过

程中的变形开裂倾向,缩短高温保温时间～减少氧化脱碳,可准确地控制炉温稳定性。

2,因为高速钢中碳化物比较稳定～必须在高温下才能溶解。而高速钢淬火目的是获得高合金度的马氏体～在回火时才能产生有效的二次硬化效果。

3,由于高速钢中高合金度马氏体的回火稳定性非常好～在560?左右回火～才能弥散析出特殊碳化物～产生硬化。同时在560?左右回火～使材料的组织和性能达到了最佳状态。一次回火使大部分的残留奥氏体发生了马氏体转变～二次回火使第一次回火时产生的淬火马氏体回火～并且使残留奥氏体更多地转变为马氏体～三次回火可将残留奥氏体控制在合适的

量～并且使内应力消除得更彻底。

4,分级淬火目的:降低热应力和组织应力～尽可能地减小工件的变形与开裂。

3、从合金化角度考虑，提高钢的韧度主要有哪些途径?(8分)

1,加入Ti、V、W、Mo等强碳化物形成元素～细化晶粒,

2,提高回火稳定性～加入Ti、V等强碳化物形成元素和Si元素,

3,改善基体韧性～主要是加入Ni元素,

4,细化碳化物～如加入Cr、V等元素使K小、匀、圆,

5,降低或消除钢的回火脆性～主要是Mo 、W元素比较有效,,2分,

4、试从合金化原理角度分析9Mn2V钢的主要特点。(10分) 答案要点:

1,Mn?淬透性～D = ~30mm, 油

2,Mn?? M～淬火后A较多～约20~22%～使工件变SR

形较小,

3,V能克服Mn的缺点～?过热敏感性～且能细化晶粒,

4,含0.9%C左右～K细小均匀～但钢的硬度稍低～回火

稳定性较差～宜

在200?以下回火,

5,钢中的VC使钢的磨削性能变差。

9Mn2V广泛用于各类轻载、中小型冷作模具。

一、填空题 (30分)

1、钢的合金化基本原则是多元适量、复合加入。细化晶粒对钢性能的贡献是既提高强度又提高塑韧性。

2、在钢中，常见碳化物形成元素有 Ti、Nb、V、W、Mo、Cr 按强弱顺序排列，列举5个以上)。钢中二元碳化物分为两类:rC 型，/r ? 0.59为简单点阵结构，有 MC 和 McM2其性能特点是硬度高、熔点高、稳定性好 ; r/r > 0.59为复杂点阵结构，有 MC 、 MC 和 MC cM373237型。

3、选择零件材料的一般原则是力学性能、工艺性能、经济性和环境协调性等其它因素。

4、奥氏体不锈钢1Cr18Ni9晶界腐蚀倾向比较大，产生晶界腐蚀的主要原因是

在晶界上析出了CrC ，为防止或减轻晶界腐蚀，236

在合金化方面主要措施有加入Ti、Nb 等强碳化物形成元素、降低钢中的含C量。

5、影响铸铁石墨化的主要因素有化学成分、冷却速

度。球墨铸铁在浇

注时要经过孕育处理和球化处理。QT600-3是球墨

铸铁。

6、对耐热钢最基本的性能要求是热强性、抗氧化

性。

7、铁基固溶体的形成有一定规律，影响组元在置换固溶体中溶解情况的因素有: 点阵结构、电子因素、原子半径。

8、提高钢淬透性的主要作用是获得均匀的组织～满足力学性能要求、

能采取比较缓慢的冷却方式以减少变形、开裂倾向。二、解释题(30分，每小题5分)

1、40Mn2钢淬火加热时，过热敏感性比较大。答案要点:Mn促进了晶粒长大倾向～因为Mn降低A温度～又1

强化了C促进晶粒长大的作用。所以～40Mn2钢过热敏感

性比较大。

2、40CrNiMo钢正火后，切削性能比较差。

答案要点:40CrNiMo钢由于含有提高淬透性的元素Cr、Ni、

Mo～而且又是

多元复合作用更大～所以钢的淬透性很好～在正火条件下

也会有大量的

马氏体产生。因此其切削性能比较差。

3、球墨铸铁的强度和塑韧性都要比灰口铸铁好。答案要点:灰铁:G形态为片状～易应力集中～产生裂纹～且

G割裂基体严重～使材料有效承载面积大为减小。而球铁:

G形态为球状～基体是连续的～～相对而言～割裂基体的作

用小～基体可利用率可达70~90%,且球状G应力集中倾向

也大为减小。因此钢的热处理强化手段在球铁中基本都能

采用～所以其强度和塑韧性都要比灰口铸铁好。

4、铝合金的晶粒粗大，不能靠重新加热热处理来细化。答案要点:铝合金没有同素异构转变～不能象钢那样可以靠重

新加热产生重

结晶来细化晶粒。

5、H68、H70俗称弹壳黄铜，常用于制造炮弹壳、子弹壳。答案要点:弹壳黄铜的Zn含量小于32%～所以是单相α黄铜～

其塑性很好～特别适宜制造要求深冲压性能较好的弹壳等

零件。

6、在一般钢中，应严格控制杂质元素S、P的含量。答案要点:S能形成FeS ～其熔点为989?～钢件在大于1000?

的热加工温度时FeS会熔化～所以易产生热脆,P能形成

FeP～性质硬而脆～在冷加工时产生应力集中～易产生裂3

纹而形成冷脆。

三、问答题(40分)

1、试总结Si元素在合金中的作用，并简要说明原因(10分)。

答案要点:

1)?σ～?可切削性 ? 固溶强化效果显著,

2,?低温回火稳定性 ? 抑制ε-K形核长大及转变,

3,?抗氧化性 ? 形成致密的氧化物, ,2分,

4,?淬透性 ? 阻止K形核长大～使“C”线右移～高C时作用较大,

5,?淬火温度 ? F形成元素～?A , 1

6,?脱C、石墨化倾向 ? Si?碳活度～含Si钢脱C倾向大。,2分,

2、画出示意图说明高速钢的铸态组织(3分)。简述高速钢中W、V、Cr合金元素的主要作用(3分)。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(6分)。

答案要点:

高速钢的铸态组织为:黑色组织,混合型,+白亮组织

,M和A,+莱氏体～高速钢铸态组织图,略,。 R

W:提高红硬性、耐磨性的主要元素,V:提高红硬性、

耐磨性的重要元素～一般高速钢都含V～V能有效细化晶

粒～且VC也细小,Cr:提高淬透性和抗氧化性～改善切

削性～一般都含4%左右。

欠热:晶粒很细小～K很多,过热:晶粒较大～K较少,

过烧:晶界有熔化组织～即鱼骨状或黑色组织。

3、从合金化角度考虑，提高钢的韧度主要有哪些途径?(8分)

答案要点:

1,加入Ti、V、W、Mo等强碳化物形成元素～细化晶粒,

2,提高回火稳定性～加入Ti、V等强碳化物形成元素和Si元素,

3,改善基体韧性～主要是加入Ni元素,

4,细化碳化物～如加入Cr、V等元素使K小、匀、圆,

5,降低或消除钢的回火脆性～主要是Mo 、W元素比较有效,,2分,

4、试定性比较40Cr、40CrNi、40CrNiMo钢的淬透性、回火脆性、韧度和回火稳定性，并简要说明原因(10分，比较为1.5分,解释为1分)。

答案要点:

淬透性:40Cr , 40CrNi , 40CrNiMo,Cr-Ni-Mo复合作用更大。

回脆性:40CrNiMo ,40Cr , 40CrNi,Cr、Ni?脆性～Mo有效?。

韧度:40Cr , 40CrNi , 40CrNiMo,Ni?韧性～Mo 细化晶粒。

回稳性:40Cr 、 40CrNi , 40CrNiMo,Mo?回稳性。Ni影响不大。