金属学与热处理铸造合金期末考试题答案

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金属学与热处理铸造合金及其熔炼考试题纲

1．铁碳相图的二重性及其分析

从热力学观点上看，Fe-Fe3C相图只是介稳定的，Fe-C相图才是稳定的；从动力学观点看，在一定条件下，按Fe-Fe3C相图转变也是可能的，因此就出现了二重性。

分析：1）稳定平衡的共晶点C’的成分和温度与C点不同

2）稳定平衡的共析点S’的成分和温度与S点不同

2．稳定态和亚稳定态铁碳相图异同点

稳定平衡态的Fe-C相图中的共晶温度和共析温度都比介稳定平衡的高一点；

在共晶温度时，稳定平衡态的奥氏体的含碳量小于亚稳态平衡下奥氏体的含碳量。

3．用铁碳相图分析铸铁碳钢一二次结晶异同点

一次结晶：铁液降至液相线时，有初析石墨和初析奥氏体析出。温度继续下降，熔体中同时析出奥氏体和石墨，铸铁进入共晶凝固阶段。

当钢液温度降低至液相线时，有高温铁素体析出。温度下降至包晶温度时，发生包晶转变，生成奥氏体。温度继续下降，穿过L+γ区时，又有奥氏体自钢液中析出，此析出过程进行到固相线温度为止。

二次结晶：铸铁的固态相变即二次结晶。继续冷却，奥氏体中的含碳量沿E’S’线减小，以二次石墨的形式析出。当奥氏体冷却至共析温度以下，并达到一定的过冷度，就开始共析转变。两个固体相α与Fe3C相互协同地从第三个固体相长大（成对长大），形成珠光体。当温度下降至GS和PS线之间的区域是，有先共析铁素体α相析出。随着α相的析出，剩余奥氏体的含碳量上升。当温度达到共析转变温度时，发生共析转变，形成珠光体。结晶过程完了后，钢的组织基本上不在变化。

4．分析球状石墨形成过程

目前已基本肯定，球状石墨可以和奥氏体直接从熔体中析出。

在亚共晶或共晶成分的球墨铸铁中，首批小石墨在远高于平衡共晶转变温度就已成形，这是不平衡条件所造成的，但随着温度的下降，有的小石墨球会重新解体，而有的则能长大成球，随着这一温度的进行，又会出现新的小石墨球，说明石墨球的成核可在一定的温度范围内进行。

某些石墨球能在熔体中单独成长至一定尺寸，然后被奥氏体包围，而有的石墨球则很早的就被奥氏体包围，形成奥氏体外壳。总之，石墨球的长大包括；两个阶段，即：1）在熔体中直接析出核心并长大2）形成奥氏体外壳，在奥氏体外壳包围下成长。

5．灰铸铁的金相组织及其性能特点

灰铸铁的金相组织由金属基体和片状石墨所组成，还有少量非金属夹杂物。

特点：强度性能差；硬度特点，同一硬度时，抗拉强度有一个范围，同一强度时，硬度也有一定的范围；较低的缺口敏感性；良好的减震性；良好的减磨性。

6．流动性的概念及其影响因素

流动性是指铁液充填铸型的能力。

主要影响因素是化学成分和浇筑温度。

7．球墨铸铁的共晶转变

球状石墨的共晶过程在相当程度上属于变态的共晶，一般称之为离异共晶，因为在整个共晶转变的相当长一段时间内，球状石墨和奥氏体两个析出的格局；石墨在先，奥氏体在后，两个相没有平滑的共同结晶前沿，而且在时间和场合上都是分析的。

8．球墨铸铁生产孕育处理的目的

消除结晶过冷倾向；

促进石墨球化；

减少晶间偏析：

9．球墨铸铁的凝固特点

球墨铸铁有较宽的共晶凝固温度范围；

球墨铸铁的糊状凝固特性；

球墨铸铁具有较大的共晶膨胀。

10．球化衰退及其防治措施

1）铁液中应保持有足够多的球化元素含量

2）降低元铁液中的含硫量，并防止铁液氧化

3）缩短铁液经球化处理后的停留时间

4）铁液经球化处理并扒渣后，为防止镁及稀土元素逃逸，可以用覆盖剂将铁液表面覆盖严，隔绝空气及减少元素的逃逸。

11．分析石墨形态对灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻造铸铁组织和性能的影响

碳提高钢的淬透性，促使热影响区部位的钢发生马氏体转变，因而产生大的淬火应力，易导致开裂，有恶化钢焊接性能的倾向。因此含碳量越高，其焊接性能越差。对于含碳量高的碳钢铸件，在焊接前对焊接热影响区进行适当的预热，有助于避免铸件的开裂。

12．碳钢铸件热处理目的

目的：细化晶粒，消除魏氏体和消除铸造应力。

13．碳对铸钢淬透性、焊接性能、铸造性能的影响

14．铸钢和低合金钢的牌号

15．提高低合金钢淬透性的5种合金元素排序

Mn、Mo、Cr、Si、Ni

16．镍对低合金钢组织性能的影响

1）固溶强化

2）提高钢的淬透性

3）细化珠光体

4）降低钢的韧性-脆性转变温度

5）提高钢在高温下的抗氧化性

6）

17．获得高强度、高韧性低合金钢的途径

低含碳量；多种合金元素复合强化；多阶段热处理；钢液净化。

18．解释高锰钢的加工硬化现象和水韧处理目的

加工硬化现象：高锰钢经过热处理后具有单一奥氏体组织，韧性很好，但硬度并不高。但这种奥氏体有加工硬化性、铸件在工作中经受强烈冲击或挤压时，其表面层组织发生加工硬化，硬度大幅度提高，因而具有很高抗磨性。

水韧处理目的：消除碳化物，得到单一的奥氏体组织；这种奥氏体钢在经受冲击挤压时，表面层发生变形，产生强化；这种表面层硬度与内部高韧性的结合，使高锰钢具有很高抵抗冲击磨损的能力。

19．不锈钢抗腐蚀机理及其提高耐腐蚀性的途径

不锈钢抗腐蚀机理：铬溶于铁的晶格中形成固溶体。当钢中含铬量达到一定的浓度(约12%)时，就会在钢的晶粒表面形成一层致密的、含氧化铬(Cr2O3)的薄膜，其组成可以用FeO·Cr2O3表示。这种氧化膜在氧化性酸类(如硝酸)中具有高的化学稳定性，称为钝化膜。合金元素铬固溶在铁素体中，能提高它的电极电位，缩小两相之间电极电位的差值，从而减轻电化学腐蚀现象。

提高耐腐蚀性途径：降低含碳量；净化钢液。

20．解释不锈钢晶界处晶间贫铬导致的晶间腐蚀

产生原因：少量的碳化物在晶界处析出，不锈钢中的碳化物中含有很高的铬，其含铬量比钢的平均含铬量高出很多，因此在晶界上析出碳化物，会造成钢的晶粒内界面层的贫铬现象，使钢的钝化膜不易形成，降低钢的耐蚀性。而由于晶界部位钢的耐蚀性低，致使腐蚀过程易沿着钢的晶界向深处扩展，从而促使晶间腐蚀发生。这种腐蚀方式隐蔽，其危害性比均匀腐蚀更为严重。

防治措施：严格控制钢的含碳量，在可能条件下，尽量低一些，特别是对于厚壁铸件，钢的含碳量应按照规格成分的下限控制；往钢中加入适量的碳化物形成元素钛或铌，使钢中的碳除了奥氏体能溶解的部分以外，多余的部分形成碳化钛或碳化铌。在固溶化处理后，进行稳定化处理，可充分发挥钛（或铌）的作用以将铬稳定在奥氏体晶粒内部，从而避免晶间腐蚀。

21．铝硅合金变质处理时对性能的影响

变质前的力学性能低，切削加工性能差，必须进行变质处理，使板片状的共晶硅转变为纤维状，并消除初晶硅。

22．铝硅合金初晶硅加磷细化机理

磷以AlP的形式存在于合金中，由于AlP的晶型和硅相同，成为硅的非自发结晶核心，在过共晶合金中，AlP的数量不足，成为少数初晶硅非自发核心，发展为大块初晶硅，恶化力学性能，需要加磷在铝液中形成大量的AlP，细化初晶硅并均匀分布在基体上，成为理想耐磨组织。

23．铝铸件热处理目的

提高铝铸件的综合力学性能；消除偏析和针状组织；改善组织性能；稳定铝铸件的组织和尺寸；消除铸造应力。

24．铝合金强化机制（？）

Al-Si-Mg在540-545℃固溶时，Mg2Si固溶剂中形成铝基固溶体，起固溶强

化；经170℃人工时效后，Al2Si以弥散相析出，使α铝的晶格发生突变，得过饱和α铝固溶体起弥散饱和效果；加入Ti（0.1—0.2%）作变质剂，细化α铝，起细晶强化作用；将Fe控制在0.15%以下，可减少β硅的含量，防止削弱α铝基体的作用。

25．AL-Si合金中加入微量Mg的作用

加入Mg后，形成Mg2Si,固溶处理时，Mg2Si固溶入α（AL)中，人工时效后，Mg2Si呈弥散相析出，使α（AL)结晶点阵发生畸变，强化合金，力学性能大幅度提高。

26．铜合金性能的特点

铜合金具有较高的力学性能和耐磨性能，很高的导热性

27．Cu-Sn二元合金性能及工艺特点

锡青铜结晶温度范围很宽，凝固速度较慢时，容易形成缩松，导致锡青铜渗漏；容易发生热裂；出现反偏析；工艺较简单；线收缩率约1.2%~1.6%，是铜合金中最小的，所以铸造内应力小，冷裂倾向小。

28．解释磷加入导致锡青铜反偏析加剧现象及其防治措施

加入磷，将发生铸型反应2P+5H2O=P2O5+5H2，产生大量的氢气，产生背压，把富锡熔体推向枝晶间隙中心。而在凝固后期，铸件从内到外仍存在着大量的显微通道，在氢气泡形成的背压和固态收缩力内外交攻下，迫使富锡熔体沿α枝晶间的显微通道向铸件表面渗出，堆积在铸件表面。

措施：1）放置冷铁，提高冷却速度，出现层状凝固

2）调整化学成分，如加入锌，缩小结晶温度范围

3）采取有效的精炼除气措施，减少合金中的含气量。

29．黄铜的脱锌腐蚀及其弱化措施

在海水或带有电解质的腐蚀介质中工作时，电极电位较低的富锌相β与富铜的α相之间产生相间电流，β相成为微电池的阳极被腐蚀脱锌。最后β相只剩下铜的骨架，成为构件断裂的根源。

弱化措施：

30．黄铜不接受热处理强化原因

因为从900℃起向下降温过程中，自β相中沉淀析出的二次α相，是一种软的晶体，没有强化作用，自456℃继续冷却时，由于温度过低，二次β相难以从α相中析出，因此固溶处理后，力学性能不再提高。

31．铍青铜最独特性能特点及其应用

在青铜中的强度和硬度最高；弹性极限、耐磨性、耐蚀性高；良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能；但价格较贵。

应用：用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件。

毒性太强。无论是单质铍，还是铍的化合物，都有很强的毒性。铍中毒是不可逆的，以肺纤维化、肝、脾、肾、骨骼损伤为主。吸入、接触、食入都会导致急性或慢性中毒。

32．简述镁合金的特点及其杂志元素危害性

（1）性能特点：比强度高，减震性好，切削加工性好，抗蚀性差

（2）热处理特点：由于镁合金中原子扩散速度慢，所以固溶处理中加入时间较长，在空气或热水中冷却也能保持固溶体不分解。绝大多数镁合金对自然时效不敏感，淬火后在室温下放置仍能保持淬火状态原有性能。镁合金氧化倾向比铝合

金强烈，所以加热温度要准确控制，为防止氧化，要通入保护炉气（通常为CO2），以防止镁合金的氧化或燃烧。

杂质元素危害：

名词解释

1．碳当量：根据各元素对共晶点实际碳量的影响，将这些元素的量折算成碳量的增减，谓之碳当量，以CE表示。

2．共晶度：铸铁偏离共晶点的程度可以用铸铁的实际含碳量和共晶点的实际含碳量的比值表示，这个比值称为共晶度。

3．共晶团：以每个石墨核心为中心所形成的这样一个石墨-奥氏体两相共生生长的共晶晶粒称为共晶团。

4．球化处理：加入球化剂促使石墨结晶呈球状析出。

5．孕育处理：铁液浇注以前，在一定的条件下（如一定温度、一定化学成分、合适的加入方法等），像铁液中加入一定量物质（称为孕育剂）以改变铁液的凝固过程，改善铸态组织，从而达到提高性能为目的的处理方法，称为孕育处理。

6．相对耐磨性：相对耐磨性=标准试样的磨损量/试验试样的磨损量。相对耐磨性越高，试验试样的磨损量越小，耐磨性越好。

7．流动性：铁液充满铸型的能力。

8．凝固收缩：凝固期间发生的收缩以及由于析出石墨而产生膨胀的总和。

9．离异共晶：在先共晶数量较多而共晶组织甚少的情况下，有时共晶组织中与先共晶相相同的一相，会依附于先共晶相上生长，剩下的一相则单独存在于晶界处，从而使共晶组织的特征消失，这种两相分离的共晶称为离异共晶。

10．比重偏析：由于合金中组元比重的不同所引起的偏析，叫比重偏析。（百度）

由于组成相与溶液之间密度的差别所引起的区域偏析。（书）

11．同素异构：金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变成另一种晶格的现象称为同素异构转变。