金屬材料學(xué)試題.doc

東北大學(xué)08年金屬材料學(xué)試題一.填空.1形成強(qiáng)，中，弱碳（氮）的合金元素2耐大氣腐蝕的合金元素3鑄鐵的分類4不銹鋼,耐熱鋼,耐蝕鋼.(參考金屬學(xué)與熱處理機(jī)械工業(yè)出版社 鋼的牌號)二.名詞解釋1、相間沉淀：合金元素釩在鋼中的有利作用主要是以其碳,氧化物形式存在于基體和晶界上,起到沉淀強(qiáng)化和抑制晶粒長大的作用.釩在鐵素體中的溶解度比在奧氏體中的溶解度小的很多,隨著相變的進(jìn)行,在一定的熱力學(xué)和動力學(xué)條件下,釩的碳,氮化物在相界析出,通過在兩相區(qū)加速冷卻,可以細(xì)化晶粒,控制其碳,氮化物的析出,其沉淀物的大小和分布,決定了其沉淀強(qiáng)化的效果. 2、晶間腐蝕：晶間腐蝕是一種常見的局部腐蝕。腐蝕沿著金屬或合金的晶粒邊界或它的鄰近區(qū)域發(fā)展，晶粒本身腐蝕很輕微，這種腐蝕便稱為晶間腐蝕。3、高溫回火脆性：在回火過程中隨著回火溫度的升高，塑性不斷增加，而沖擊韌性卻不是呈直線上升的，在低溫250-400度回火和高溫450-650度范圍內(nèi)回火時(shí)，韌性會出現(xiàn)下降現(xiàn)象，這就是回火脆性。前者稱為低溫回火脆性，后者稱為高溫回火脆性。低溫回火脆性又稱為不可逆回火脆性或第一類回火脆性。碳鋼與合金鋼均會出現(xiàn)這種回火脆性，可能與低溫回火時(shí)在晶界或亞晶界上析出連續(xù)碳化物薄片有關(guān)，對于低溫回火脆性，只有避免在該脆性溫度范圍內(nèi)回火才能防止。合金鋼在450-650度范圍內(nèi)回火時(shí)可能產(chǎn)生高溫回火脆性，高溫回火脆性可以用更高溫度回火+快冷的辦法消除。4、475脆性：Fe-Cr合金在400550環(huán)境中長期加熱時(shí),會產(chǎn)生一種特殊的脆性,硬度顯著提高,沖擊韌性嚴(yán)重下降。此情況稱為475脆性，可用加入稀土元素的方法解決。三.大題:1、沉淀強(qiáng)化 位錯和第二相交互作用形成第二相強(qiáng)化。對于一般合金來說第二相強(qiáng)化往往比固溶強(qiáng)化效果更為顯著。根據(jù)獲得第二相的工藝不同，按習(xí)慣將各種第二相強(qiáng)化分別稱呼。其中通過相變熱處理獲得的稱為沉淀強(qiáng)化；而把通過粉末燒結(jié)獲得的，稱為彌散強(qiáng)化。有時(shí)也不加區(qū)分地混稱為分散強(qiáng)化或顆粒強(qiáng)化。4 如果要單獨(dú)對析出強(qiáng)化給出一個(gè)定義。析出強(qiáng)化是指金屬在過飽和固溶體中溶質(zhì)原子產(chǎn)生偏聚和（或）由之脫溶出微粒彌散分布于基體中而產(chǎn)生的一種強(qiáng)化。 析出強(qiáng)化在微合金鋼等金屬材料的生產(chǎn)中有相當(dāng)重要的作用。微合金鋼生產(chǎn)中，只加入微量的合金元素，只能形成碳、氮化物，主要通過細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化來進(jìn)行強(qiáng)化。微合金化鋼的特點(diǎn)之一就是利用碳、氮化物的溶解析出行為。微合金鋼的基體內(nèi)分布的碳、氮化物，還有金屬間化合物、亞穩(wěn)中間相等第二相質(zhì)點(diǎn)的析出在間界、運(yùn)動位錯之間產(chǎn)生的相互作用，導(dǎo)致鋼的流變應(yīng)力和屈服強(qiáng)度的提高。這就是微合金鋼的析出強(qiáng)化。 就位錯與第二相的交互作用而言，一般將第二相分為變形的和不變形的兩大類，其強(qiáng)化機(jī)制不同。 對于多數(shù)的析出強(qiáng)化合金，在經(jīng)過固溶處理及時(shí)效后，在其早期階段，析出相的尺寸小，與基體保持共格，這時(shí)的析出相是可以變形的，位錯可以切過析出相。當(dāng)析出相有一定尺寸的時(shí)候，就屬于不可變形的，運(yùn)動位錯接近它們時(shí)，只能繞過它們。像鋼中的碳化物、氮化物一般都是不可變形的。 對于可變形的析出相，其強(qiáng)化效果主要決定于析出相的本性，由于強(qiáng)化來源的不同，可以有不同的機(jī)制。對于不變形的析出相，其強(qiáng)化效果主要決定于第二相尺寸或相間的平均距離。析出相對位錯的障礙力集中施加在位錯的釘扎點(diǎn)上?？勺冃蔚诙嗟那羞^機(jī)制下，位錯穿越質(zhì)點(diǎn)，能夠造成共格應(yīng)變以及對層錯、有序化以及彈性模量等產(chǎn)生種種影響。例如析出強(qiáng)化合金在經(jīng)過固溶處理和時(shí)效后，析出相與基體保持共格，因而能夠產(chǎn)生共格應(yīng)變能。這種共格應(yīng)變能是由析出相與基體原子的錯配度引起的。當(dāng)位錯在析出相的共格內(nèi)應(yīng)力場中運(yùn)動時(shí)，因彈*互作用產(chǎn)生強(qiáng)化。一般說來，析出強(qiáng)化產(chǎn)生的強(qiáng)化作用在析出的第二相是尺寸細(xì)小、數(shù)量較多而且分布均勻的情況下，可以使材料獲得最大的強(qiáng)化效果。比如在Nb、V、Ti三種微合金元素中，Nb、 V和Ti的微細(xì)析出相才能起這種作用，所以鋼的熱機(jī)械處理（或控軋控冷）要力圖實(shí)現(xiàn)細(xì)小的析出，然而0.0030.1mm顆粒度的析出也都能產(chǎn)生一定的效果。2、固溶強(qiáng)化 一般來說，無論置換固溶體還是間隙固溶體，固溶體的硬度、強(qiáng)度總是比組成它的純金屬要高，并且隨著溶質(zhì)原子濃度的增加，溶質(zhì)原子和溶劑原子尺寸差別的增大（置換固溶體情況下），強(qiáng)化的效果加大。比如，低碳鋼在常溫狀態(tài)屬于體心立方晶格結(jié)構(gòu)的材料，較小原子半徑的元素如C、N，通常以間隙的形式固溶在鐵的晶格之中，多數(shù)合金元素的原子如Nb、V、Ti、Mo、Al等等都置換晶格某個(gè)鐵原子的位置的形式。固溶造成晶格的畸變，使鋼的屈服強(qiáng)度提高。這種由于溶質(zhì)原子的固溶而引起的強(qiáng)化效應(yīng)，即稱為“固溶強(qiáng)化”。2 就固溶強(qiáng)化的微觀機(jī)理而言，固溶強(qiáng)化是由于溶質(zhì)原子和位錯的交互作用的結(jié)果。溶質(zhì)原子和位錯的交互作用就其性質(zhì)而言，可以是彈性的、化學(xué)的、電性的和幾何的等幾種類型。溶質(zhì)原子可以偏聚到位錯周圍形成各種氣團(tuán)，也可以是均勻不規(guī)則地分布在基體中，這兩種情況都可以使金屬材料的基體造成強(qiáng)化。3 在幾種性質(zhì)類型的交互作用中，溶質(zhì)原子和位錯的彈*互作用最為重要。 晶體中的溶質(zhì)原子是點(diǎn)缺陷的一種，會引起其周圍發(fā)生彈性畸變。3、鋁合金時(shí)效強(qiáng)化四個(gè)階段（參考金屬學(xué)與熱處理）在時(shí)效熱處理過程中，該合金組織有以下四個(gè)階段： 補(bǔ)充：時(shí)效強(qiáng)化：過飽和固溶體在室溫放置或加熱到某一溫度保溫，隨著時(shí)間延長，其強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象(1) 形成溶質(zhì)原子偏聚區(qū)GP（）區(qū)在新淬火狀態(tài)的過飽和固溶體中，銅原子在鋁晶格中的分布是任意的、無序的。時(shí)效初期，即時(shí)效溫度低或時(shí)效時(shí)間短時(shí)，銅原子在鋁基體上的某些晶面上聚集，形成溶質(zhì)原子偏聚區(qū)，稱GP（）區(qū)。GP（）區(qū)與基體保持共格關(guān)系，這些聚合體構(gòu)成了提高抗變形的共格應(yīng)變區(qū)，故使合金的強(qiáng)度、硬度升高。 (2)GP 區(qū)有序化形成GP（）區(qū)隨著時(shí)效溫度升高或時(shí)效時(shí)間延長，銅原子繼續(xù)偏聚并發(fā)生有序化，即形成GP（） 區(qū)。它與基體仍保持共格關(guān)系，但尺寸較GP（）區(qū)大。它可視為中間過渡相，常用” 表示。它比GP（）區(qū)周圍的畸變更大，對位錯運(yùn)動的阻礙進(jìn)一步增大，因此時(shí)效強(qiáng)化作用更大，”相析出階段為合金達(dá)到最大強(qiáng)化的階段。 (3)形成過渡相 隨著時(shí)效過程的進(jìn)一步發(fā)展，銅原子在GP（）區(qū)繼續(xù)偏聚，當(dāng)銅原子與鋁原子比為1：2 時(shí)，形成過渡相。由于的點(diǎn)陣常數(shù)發(fā)生較大的變化，故當(dāng)其形成時(shí)與基體共格關(guān)系開始破壞，即由完全共格變?yōu)榫植抗哺?，因此相周圍基體的共格畸變減弱，對位錯運(yùn)動的阻礙作用亦減小，表現(xiàn)在合金性能上硬度開始下降。由此可見，共格畸變的存在是造成合金時(shí)效強(qiáng)化的重要因素。(4)形成穩(wěn)定的相過渡相從鋁基固溶體中完全脫溶，形成與基體有明顯界面的獨(dú)立的穩(wěn)定相Al2Cu，稱為相此時(shí)相與基體的共格關(guān)系完全破壞，并有自己獨(dú)立的晶格，其畸變也隨之消失，并隨時(shí)效溫度的提高或時(shí)間的延長，相的質(zhì)點(diǎn)聚集長大，合金的強(qiáng)度、硬度進(jìn)一步下降，合金就軟化并稱為“過時(shí)效”。相聚集長大而變得粗大。4、工程結(jié)構(gòu)鋼的焊接性（參考金屬材料學(xué)冶金工業(yè)出版社）一、填空題 （30分，每空格1分）1、鋼的強(qiáng)化機(jī)制主要有 固溶強(qiáng)化 、 位錯強(qiáng)化 、 細(xì)晶強(qiáng)化 、 沉淀強(qiáng)化 。 其中 細(xì)晶強(qiáng)化 對鋼性能的貢獻(xiàn)是既提高強(qiáng)度又改善塑、韌性。2、提高鋼淬透性的作用是 獲得均勻的組織，滿足力學(xué)性能要求 、 能采取比較緩慢的冷卻方式以減少變形、開裂傾向 。3、滾動軸承鋼GCr15的Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量為 1.5%左右 。滾動軸承鋼中碳化物不均勻性主要是指 碳化物液析 、 碳化物帶狀 、 碳化物網(wǎng)狀 。4、選擇零件材料的一般原則是 滿足力學(xué)性能要求 、 良好的工藝性能 、 經(jīng)濟(jì)性 和環(huán)境協(xié)調(diào)性等其它因素。5、凡是擴(kuò)大區(qū)的元素均使Fe-C相圖中S、E點(diǎn)向 左下 方移動，例 Mn、Ni 等元素（寫出2個(gè)）；凡封閉區(qū)的元素使S、E點(diǎn)向 左上 方移動，例 Cr、Mo 等元素（寫出2個(gè)）。S點(diǎn)左移意味著 共析碳含量降低 。 6、QT600-3是 球墨鑄鐵 ，“600”表示 抗拉強(qiáng)度不小于600MPa ，“3”表示 延伸率不小于3% 。 7、H68是 黃銅 ，LY12是 硬鋁 ，QSn4-3是 錫青銅 。 8、在非調(diào)質(zhì)鋼中常用微合金化元素有 Ti、V 等（寫出2個(gè)），這些元素的主要作用是 細(xì)晶強(qiáng)化 和 沉淀強(qiáng)化 。 9、鋁合金熱處理包括固溶處理和 時(shí)效硬化 兩過程，和鋼的熱處理最大的區(qū)別是 沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 。二、解釋題（30分，每小題5分）1、高速鋼有很好的紅硬性，但不宜制造熱錘鍛模。答案要點(diǎn)：高速鋼雖有高的耐磨性、紅硬性，但韌性比較差、在較大沖擊力下抗熱疲勞性能比較差，高速鋼沒有能滿足熱錘鍛模服役條件所需要高韌性和良好熱疲勞性能的要求。2、在一般鋼中，應(yīng)嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素S、P的含量。答案要點(diǎn)：S能形成FeS，其熔點(diǎn)為989，鋼件在大于1000的熱加工溫度時(shí)FeS會熔化，所以易產(chǎn)生熱脆；P能形成Fe3P，性質(zhì)硬而脆，在冷加工時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，易產(chǎn)生裂紋而形成冷脆。3、9SiCr鋼和T9鋼相比，退火后硬度偏高，在淬火加熱時(shí)脫碳傾向較大。答案要點(diǎn)：Si是非K形成元素，能有效地強(qiáng)化鐵素體，所以使鋼在退火后硬度偏高；Si提高碳活度，使?jié)B碳體穩(wěn)定性變差，促進(jìn)了鋼在加熱時(shí)脫碳傾向較大。4、高錳鋼（ZGMn13）在Acm以上溫度加熱后空冷得到大量的馬氏體，而水冷卻可得到全部奧氏體組織。答案要點(diǎn)：高錳鋼在Acm以上溫度加熱后得到了單一奧氏體組織，奧氏體中合金度高（高C、高M(jìn)n），使鋼的Ms低于室溫以下。如快冷，就獲得了單一奧氏體組織，而慢冷由于中途析出了大量的K，使奧氏體的合金度降低，Ms上升，所以空冷時(shí)發(fā)生相變，得到了大量的馬氏體。5、4Cr13含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.4%左右，但已是屬于過共析鋼。答案要點(diǎn)：Cr元素使共析S點(diǎn)向左移動，當(dāng)Cr含量達(dá)到一定程度時(shí)，S點(diǎn)已左移到小于0.4%C，所以4Cr13是屬于過共析鋼。6、奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9晶界腐蝕傾向比較大。答案要點(diǎn)：1Cr18Ni9含C較高，又沒有Ti等穩(wěn)定C的強(qiáng)碳化物形成元素，所以在晶界上容易析出Cr23C6，從而使晶界上產(chǎn)生貧Cr區(qū)，低于不銹鋼的基本成分要求，所以在晶界處的腐蝕傾向比較大。三、問答題（40分）1、試總結(jié)Ni元素在合金鋼中的作用，并簡要說明原因。（10分）答案要點(diǎn)：1）基體韌度 Ni位錯運(yùn)動阻力，使應(yīng)力松弛；2）穩(wěn)定A， NiA1 ，擴(kuò)大區(qū)，量大時(shí)，室溫為A組織； 3）淬透性G，使“C”線右移，Cr-Ni復(fù)合效果更好；4）回火脆性 Ni促進(jìn)有害元素偏聚；5）Ms ，Ar 馬氏體相變驅(qū)動力。2、高速鋼的熱處理工藝比較復(fù)雜，試回答下列問題：（12分，每小題3分）1）淬火加熱時(shí)，為什么要預(yù)熱? 2）高速鋼W6Mo5Cr4V2的AC1在800左右，但淬火加熱溫度在12001240，淬火加熱溫度為什么這樣高?3）高速鋼回火工藝一般為560左右，并且進(jìn)行三次，為什么? 4）淬火冷卻時(shí)常用分級淬火，分級淬火目的是什么?答案要點(diǎn)：1）高速鋼合金量高，特別是W，鋼導(dǎo)熱性很差。預(yù)熱可減少工件加熱過程中的變形開裂傾向；縮短高溫保溫時(shí)間，減少氧化脫碳；可準(zhǔn)確地控制爐溫穩(wěn)定性。2）因?yàn)楦咚黉撝刑蓟锉容^穩(wěn)定，必須在高溫下才能溶解。而高速鋼淬火目的是獲得高合金度的馬氏體，在回火時(shí)才能產(chǎn)生有效的二次硬化效果。3）由于高速鋼中高合金度馬氏體的回火穩(wěn)定性非常好，在560左右回火，才能彌散析出特殊碳化物，產(chǎn)生硬化。同時(shí)在560左右回火，使材料的組織和性能達(dá)到了最佳狀態(tài)。一次回火使大部分的殘留奧氏體發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，二次回火使第一次回火時(shí)產(chǎn)生的淬火馬氏體回火，并且使殘留奧氏體更多地轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，三次回火可將殘留奧氏體控制在合適的量，并且使內(nèi)應(yīng)力消除得更徹底。4）分級淬火目的：降低熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，盡可能地減小工件的變形與開裂。3、從合金化角度考慮，提高鋼的韌度主要有哪些途徑?（8分）1）加入Ti、V、W、Mo等強(qiáng)碳化物形成元素，細(xì)化晶粒；2）提高回火穩(wěn)定性，加入Ti、V等強(qiáng)碳化物形成元素和Si元素；3）改善基體韌性，主要是加入Ni元素；4）細(xì)化碳化物，如加入Cr、V等元素使K小、勻、圓；5）降低或消除鋼的回火脆性，主要是Mo 、W元素比較有效；（2分）4、試從合金化原理角度分析9Mn2V鋼的主要特點(diǎn)。（10分）答案要點(diǎn)：1）Mn淬透性，D油 = 30mm；2）Mn MS，淬火后AR較多，約2022%，使工件變形較小；3）V能克服Mn的缺點(diǎn)，過熱敏感性，且能細(xì)化晶粒；4）含0.9%C左右，K細(xì)小均勻，但鋼的硬度稍低，回火穩(wěn)定性較差，宜在200以下回火；5）鋼中的VC使鋼的磨削性能變差。9Mn2V廣泛用于各類輕載、中小型冷作模具。一、填空題 （30分）1、鋼的合金化基本原則是 多元適量 、 復(fù)合加入 。細(xì)化晶粒對鋼性能的貢獻(xiàn)是 既提高強(qiáng)度又提高塑韌性 。2、在鋼中，常見碳化物形成元素有 Ti、Nb、V、W、Mo、Cr 按強(qiáng)弱順序排列，列舉5個(gè)以上）。鋼中二元碳化物分為兩類：rc/rM 0.59為簡單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，有 MC 和 M2C 型，其性能特點(diǎn)是 硬度高 、 熔點(diǎn)高 、 穩(wěn)定性好 ；rc/rM 0.59為 復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，有 M3C 、 M7C3 和 M23C7 型。3、選擇零件材料的一般原則是 力學(xué)性能 、 工藝性能 、 經(jīng)濟(jì)性 和環(huán)境協(xié)調(diào)性等其它因素。4、奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9晶界腐蝕傾向比較大，產(chǎn)生晶界腐蝕的主要原因是 在晶界上析出了Cr23C6 ，為防止或減輕晶界腐蝕，在合金化方面主要措施有 加入Ti、Nb 等強(qiáng)碳化物形成元素 、 降低鋼中的含C量 。 5、影響鑄鐵石墨化的主要因素有 化學(xué)成分 、 冷卻速度 。球墨鑄鐵在澆注時(shí)要經(jīng)過 孕育 處理和 球化 處理。QT600-3是 球墨鑄鐵 。 6、對耐熱鋼最基本的性能要求是 熱強(qiáng)性 、 抗氧化性 。 7、鐵基固溶體的形成有一定規(guī)律，影響組元在置換固溶體中溶解情況的因素有： 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu) 、 電子因素 、 原子半徑 。 8、提高鋼淬透性的主要作用是 獲得均勻的組織，滿足力學(xué)性能要求 、 能采取比較緩慢的冷卻方式以減少變形、開裂傾向 。二、解釋題（30分，每小題5分）1、40Mn2鋼淬火加熱時(shí)，過熱敏感性比較大。答案要點(diǎn)：Mn促進(jìn)了晶粒長大傾向，因?yàn)镸n降低A1溫度，又強(qiáng)化了C促進(jìn)晶粒長大的作用。所以，40Mn2鋼過熱敏感性比較大。2、40CrNiMo鋼正火后，切削性能比較差。答案要點(diǎn)：40CrNiMo鋼由于含有提高淬透性的元素Cr、Ni、Mo，而且又是多元復(fù)合作用更大，所以鋼的淬透性很好，在正火條件下也會有大量的馬氏體產(chǎn)生。因此其切削性能比較差。3、球墨鑄鐵的強(qiáng)度和塑韌性都要比灰口鑄鐵好。答案要點(diǎn)：灰鐵：G形態(tài)為片狀，易應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋，且G割裂基體嚴(yán)重，使材料有效承載面積大為減小。而球鐵：G形態(tài)為球狀，基體是連續(xù)的，相對而言，割裂基體的作用小，基體可利用率可達(dá)7090%；且球狀G應(yīng)力集中傾向也大為減小。因此鋼的熱處理強(qiáng)化手段在球鐵中基本都能采用，所以其強(qiáng)度和塑韌性都要比灰口鑄鐵好。4、鋁合金的晶粒粗大，不能靠重新加熱熱處理來細(xì)化。答案要點(diǎn)：鋁合金沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，不能象鋼那樣可以靠重新加熱產(chǎn)生重結(jié)晶來細(xì)化晶粒。5、H68、H70俗稱彈殼黃銅，常用于制造炮彈殼、子彈殼。答案要點(diǎn)：彈殼黃銅的Zn含量小于32%，所以是單相黃銅，其塑性很好，特別適宜制造要求深沖壓性能較好的彈殼等零件。6、在一般鋼中，應(yīng)嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素S、P的含量。答案要點(diǎn)：S能形成FeS，其熔點(diǎn)為989，鋼件在大于1000的熱加工溫度時(shí)FeS會熔化，所以易產(chǎn)生熱脆；P能形成Fe3P，性質(zhì)硬而脆，在冷加工時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，易產(chǎn)生裂紋而形成冷脆。三、問答題（40分）1、試總結(jié)Si元素在合金中的作用，并簡要說明原因（10分）。答案要點(diǎn)：1），可切削性 固溶強(qiáng)化效果顯著；2）低溫回火穩(wěn)定性 抑制-K形核長大及轉(zhuǎn)變；3）抗氧化性 形成致密的氧化物； （2分）4）淬透性 阻止K形核長大，使“C”線右移，高C時(shí)作