《金屬材料學》考試真題及答案.doc

一、選擇題1、細化晶粒對鋼性能的貢獻是 強化同時韌化 ；提高鋼淬透性的主要作用是 使零件整個斷面性能趨于一致，能采用比較緩和的方式冷卻 。2、滾動軸承鋼GCr15的Cr質量分數(shù)含量為 1.5% 。滾動軸承鋼中碳化物不均勻性主要是指 碳化物液析 、 帶狀碳化物 、 網(wǎng)狀碳化物 。3、選擇零件材料的一般原則是 使用性能要求 、工藝性要求 和 經(jīng)濟性要求等 。4、凡是擴大區(qū)的元素均使Fe-C相圖中S、E點向 左下 方移動，例 Ni、Mn 等元素；凡封閉區(qū)的元素使S、E點向 左上 方移動，例 Cr、Si、Mo 等元素。S點左移意味著 共析碳含量減少 ，E點左移意味著 出現(xiàn)萊氏體的碳含量減少 。5、鋁合金可分鑄造鋁合金和變形鋁，變形鋁又可分 硬鋁 、 超硬鋁 、 鍛鋁 和 防銹鋁 。6、H62是表示 壓力加工黃銅 的一個牌號，主要成份及名義含量是 Cu62%、Zn38% 。 7、在非調質鋼中常用微合金化元素有 Ti、V、Nb、N 等，這些元素的主要作用是 細化組織和相間沉淀析出強化 。 8、球鐵的力學性能高于灰鐵是因為球鐵中石墨的 斷面切割效應 、 石墨應力集中效應 要比灰鐵小得多。 9、鋁合金熱處理包括 固溶處理 和 時效硬化 兩過程，和鋼的熱處理最大區(qū)別是 鋁合金沒有同素異構相變 。1、鋼的合金化基本原則是 多元適量、復合加入 。在鋼中細化晶粒作用較大的合金元素有 Ti、V、Nb 等，細化晶粒對鋼性能的作用是 既強化又韌化 。2、在鋼中，常見碳化物形成元素有 Ti、Nb、V、Mo、W、Cr、 （按強弱順序排列，列舉5個以上）。鋼中二元碳化物分為兩類：rc/rM 0.59為 簡單 點陣結構，有MC和 M2C 型；rc/rM 0.59為 復雜點陣結構，有 M23C6 、 M7C3 和 M3C 型。3、選擇零件材料的一般原則是 使用性能要求 、 工藝性要求 和 經(jīng)濟性要求等。汽車變速箱齒輪常用 20CrMnTi 鋼制造，經(jīng) 滲碳 和 淬回火 熱處理。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 晶界析出 Cr23C6，導致晶界區(qū)貧Cr ，為防止或減輕晶界腐蝕，在合金化方面主要措施有 降低碳量 、 加入Ti、V、Nb強碳化物元素 。 5、影響鑄鐵石墨化的主要因素有 碳當量 、 冷卻速度 。球墨鑄鐵在澆注時要經(jīng)過 孕育 處理和 球化 處理。 6、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： 溶劑與溶質原子的點陣結構 、 原子尺寸因素 、 電子結構 。 7、對耐熱鋼最基本的性能要求是 良好的高溫強度和塑性、 良好的化學穩(wěn)定性 。常用的抗氧化合金元素是 Cr 、 Al 、 Si 。1、鋼中二元碳化物分為二類：rC / rM 0.59，為 復雜 點陣結構，有M3C、 M7C3 和 M23C6 型。兩者相比，前者的性能特點是硬度高、 熔點高 和 穩(wěn)定性好 。2、凡能擴大區(qū)的元素使鐵碳相圖中S、E點向 左下 方移動，例 Mn Ni 等元素（列出2個）；使區(qū)縮小的元素使S、E點向 左上 方移動，例 Cr 、Mo、W 等元素（列出3個）。3、提高鋼淬透性的作用是 獲得均勻的組織，滿足力學性能要求 、 能采取比較緩慢的冷卻方式以減少變形、開裂傾向 。4、高錳耐磨鋼（如ZGMn13）經(jīng)水韌處理后得到 奧氏體 組織。在高應力磨損條件下，硬度提高而耐磨，其原因是 加工硬化 及 奧氏體中析出K和應力誘發(fā)馬氏體相變 。5、對熱鍛模鋼的主要性能要求有 高熱強性 、 良好的熱疲勞抗力 、良好的沖擊韌性 和良好的淬透性及耐磨性。常用鋼號有 5CrNiMo （寫出一個）。 6、QT600-3是 球墨鑄鐵 ，“600”表示 抗拉強度600MPa ，“3”表示 延伸率 3% 。H68是 黃銅 ，LY12是 硬鋁 ，QSn4-3是 錫青銅 。 7、在非調質鋼中常用微合金化元素有 Ti、V 等（寫出2個），這些元素的主要作用是 細化晶粒組織 和 彌散沉淀強化 。 8、鋁合金熱處理包括固溶處理和 時效硬化 兩過程，和鋼的熱處理最大的區(qū)別是 加熱過程中沒有同素異構轉變 。1、鋼的強化機制主要有 固溶強化 、 位錯強化 、 細晶強化 、 沉淀強化 。 其中 細晶強化 對鋼性能的貢獻是既提高強度又改善塑、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質量分數(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 滿足力學性能要求 、 良好的工藝性能 、 經(jīng)濟性 和環(huán)境協(xié)調性等其它因素。5、凡是擴大區(qū)的元素均使Fe-C相圖中S、E點向 左下 方移動，例 Mn、Ni 等元素（寫出2個）；凡封閉區(qū)的元素使S、E點向 左上 方移動，例 Cr、Mo 等元素（寫出2個）。S點左移意味著 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、在非調質鋼中常用微合金化元素有 Ti、V 等（寫出2個），這些元素的主要作用是 細晶強化 和 沉淀強化 。 9、鋁合金熱處理包括固溶處理和 時效硬化 兩過程，和鋼的熱處理最大的區(qū)別是 沒有同素異構轉變 。二、解釋題1、高速鋼有很好的紅硬性，但不宜制造熱錘鍛模。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，應嚴格控制雜質元素S、P的含量。S元素在鋼中會形成低熔點（989）FeS，在1000以上的熱壓力加工過程中會熔化，使鋼在熱壓力加工中產(chǎn)生熱脆；P元素在鋼中會形成硬脆的Fe3P相，使鋼在冷加工中產(chǎn)生應力集中而發(fā)生冷脆。所以，一般鋼中S、P?？醋麟s質元素，應嚴格控制的含量。3、9SiCr鋼和T9鋼相比，退火后硬度偏高，在淬火加熱時脫碳傾向較大。9SiCr雖然與T9含碳量相同，但由于它含有Cr、Si合金元素，Si是非K形成元素，固溶強化基體的作用較大，因此退火后硬度偏高。另外Si提高碳皇度，促進石墨化，因此在加熱時脫碳傾向較大。6、奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9晶界腐蝕傾向比較大。在奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9焊接后，在焊縫及熱影響區(qū)容易在晶界析出Cr的碳化物Cr23 C 6 從而導致晶界貧Cr，低于1/8規(guī)律的Cr%，使電極電位大大降低，從而導致晶界腐蝕。1、40Mn2鋼淬火加熱時，過熱敏感性比較大。在C%較低時，Mn可以細化珠光體。在C%較高時，Mn加強了C促進奧氏體晶粒長大的作用，且降低了A1溫度。因此40Mn2鋼過熱敏感性比較大。2、40CrNiMo鋼正火后，切削性能比較差。40CrNiMo鋼因含有Ni、Cr能提高淬透性，正火后都能得到許多馬氏體組織，使切削性能變差。3、球墨鑄鐵的強度和塑韌性都要比灰口鑄鐵好。球鐵中，石墨呈球形，灰口鐵石墨呈片狀。球狀石墨對基體的切割作用和石墨的應力集中效應大大小于片狀，球鐵基體的利用率大大高于灰口鐵，所以球墨鑄鐵的強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化。由于鋁合金不象鋼基體在加熱或冷卻時可以發(fā)生同素異構轉變，因此不能像鋼一樣可以通過加熱和冷卻發(fā)生重結晶而細化晶粒。5、H68、H70俗稱彈殼黃銅，常用于制造炮彈殼、子彈殼。H68、H70 組織中只有單相組織，它的塑性較好，因此適合制造一些需要進行深沖加工的零件如炮彈殼、子彈殼等。1、高速鋼的回火工藝常采用：回火溫度560左右，回火3次。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。同時在560左右回火，使材料的組織和性能達到了最佳狀態(tài)。一次回火使大部分的殘留奧氏體發(fā)生了馬氏體轉變，二次回火使第一次回火時產(chǎn)生的淬火馬氏體回火，并且使殘留奧氏體更多地轉變?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)應力消除得更徹底2、在低合金高強度構件用鋼中，Si、Mn元素的加入量有限制，一般Si1.1%,Mn2%。Si、Mn元素都能強化鐵素體，在低合金高強度構件用鋼中可以提高鋼的強度，但是當Si1.1%、Mn2%時，卻顯著地降低鋼的塑性。所以，在低合金高強度構件用鋼中，Si、Mn元素的加入量有限制。3、Si是非碳化物形成元素，但能有效地提高鋼的低溫回火穩(wěn)定性。Si雖然是非碳化物形成元素，但在低溫回火時可以抑制-FexC的形成和轉變?yōu)镕e3C，即有效地阻止了Fe3C的形核、長大及轉變。所以能有效地提高鋼的低溫回火穩(wěn)定性4、4Cr13含碳量（質量分數(shù)）為0.4%左右，但已是屬于過共析鋼。Cr元素使共析S點向左移動，當Cr含量達到一定程度時，S點已左移到小于0.4%C，所以4Cr13是屬于過共析鋼。5、40 CrNi鋼淬火高溫回火后常用水或油冷卻。40 CrNi鋼含有 Cr、Ni元素，而Cr、Ni促進了鋼的回火脆性，所以40 CrNi鋼高溫回火脆性傾向較大，回火后快冷能抑制高溫回火脆性，所以常用水或油冷卻。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。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Mn），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，所以空冷時發(fā)生相變，得到了大量的馬氏體。1、試總結Mo元素在合金中的作用，并簡要說明原因。Mo元素在合金中的主要作用歸結如下：（1）降低回火脆性，一般認為Mo可以抑制有害元素在晶界的偏聚；（2）提高貝氏體的淬透性，因為Mo大大推遲珠光體的轉變而對貝氏體轉變影響較??；（3）細化晶粒，提高回火穩(wěn)定性。Mo是強碳化物形成元素，與碳的結合力較大形成的碳化物穩(wěn)定，不易長大。（4）提高熱強性，因為Mo可以較強地提高固溶體原子的結合力。（5）提高防腐性，特別是對于非氧化性介質。因為Mo可以形成致密而穩(wěn)定的MoO3 膜；（6）提高紅硬性，因Mo與C原子結合力強，故回火穩(wěn)定性比較好并且形成的在高溫下碳化物穩(wěn)定。2、高速鋼的成分和熱處理工藝比較復雜，試回答下列問題：1）高速鋼中W、Mo、V合金元素的主要作用是什么?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）常用560三次回火，為什么?答案要點：1）W的作用主要是提高鋼紅硬性。主要形成W6C，淬火加熱時未溶K阻礙晶粒長大，溶解部分提高抗回火穩(wěn)定性，在回火時彌散析出W2C，提高耐磨性。但W降低鋼的導熱性。Mo作用與W相似。含Mo的高速鋼熱塑性較好，便于熱壓力加工或熱塑性變形。V顯著提高紅硬性、硬度和耐磨性，同時可有效降低過熱敏感性。2）高速鋼中要使W、Mo、V等元素發(fā)揮作用必須使其充分地溶解到奧氏體中，然后在回火時產(chǎn)生二次硬化效果，由于這些元素形成的碳化物穩(wěn)定，溶解溫度在1000以上，故需要高的淬火加熱溫度。3）由于高速鋼中高合金度M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。同時在560左右回火，使材料的組織和性能達到了最佳狀態(tài)。一次回火使大部分AR發(fā)生M轉變，二次回火使第一次回火時產(chǎn)生的淬火M回火，并使AR更多地轉變?yōu)镸，三次回火可將AR控制在合適的量，并且使內(nèi)應力消除得更徹底。3、從合金化角度考慮，提高鋼的韌度主要有哪些途徑?1）細化奧氏體晶粒。如強碳化物形成元素Ti、Nb、V等。2）提高鋼回火穩(wěn)定性。如強碳化物形成元素Ti、Nb、V等都很有效。3）改善基體的韌度。如加Ni。4）細化碳化物。碳化物細小、園整、分布均勻和適量對韌度有利。5）降低或消除回火脆性。如加入W、Mo。6）在保證強度時，盡可能降低含C量.4、分析說明圖中鋁合金（Al-4%Cu）時效硬化不同過程中的性能變化，并說明其原因（解釋下圖）。 圖 130時效時鋁銅合金的硬度與時間關系鋁合金時效時，隨溫度的不同和時間的延長，新相的形成和析出經(jīng)歷以下幾個階段，從而使硬度發(fā)生變化：1）形成銅原子富集區(qū)：為G.P.區(qū)，導致點陣畸變，因而硬度提高。2）形成Cu原子富集區(qū)有序化： Cu原子有序化，形成,它與基體仍然完全共格，產(chǎn)生的畸變比G.P.更大,并且隨的長大，共格畸變區(qū)進一步擴大，對位錯的阻礙也進一步增加，因此圖中硬度進一步上升。3）形成過渡相：過渡相成分接近CuAl2，由完全共格變成部分共格，共格畸變開始減弱，因此圖中硬度開始下降。4）形成穩(wěn)定相：過渡相完全從基體中脫溶，形成穩(wěn)定的相成分為CuAl2，共格畸變作用完全消失，故圖中硬度進一步下降。1、試總結Si元素在合金鋼中的作用，并簡要說明原因。Si的作用如下：1）提高鋼強度； Si是鐵素體形成元素，有較強的固溶強化作用；2）提高鋼的淬透性；可阻止鐵素體形核和長大，使“C”曲線右移；3）提高低溫回火穩(wěn)定性；因Si可以抑制回火時K的形核、長大及轉變；4）提高淬火加熱溫度；，Si提高A1溫度。5）提高抗氧化性，因為它可以形成致密穩(wěn)定的氧化膜，同時可以提高FeO的形成溫度。6）加熱時易脫碳；Si是促進石墨化的元素。2、畫出示意圖說明高速鋼的鑄態(tài)組織。簡述高速鋼中W、V、Cr合金元素的主要作用。高速鋼在淬火加熱時，如產(chǎn)生欠熱、過熱和過燒現(xiàn)象，在金相組織上各有什么特征。高速鋼鑄態(tài)組織中有魚骨狀萊氏體Ld 、黑色共析體、白亮馬氏體和殘余奧氏體組成（圖略）。W的作用主要是提高鋼紅硬性。主要形成W6C，淬火加熱時未溶K阻礙晶粒長大，溶解部分提高抗回火穩(wěn)定性，在回火時彌散析出W2C，提高耐磨性。但是W降低了鋼的導熱性。V顯著提高紅硬性、硬度和耐磨性，同時可有效降低過熱敏感性。Cr提高淬透性，提高耐蝕性和抗氧化性，提高切削性。高速鋼在加熱時如如產(chǎn)生欠熱、過熱和過燒現(xiàn)象，在金相組織上各有不同的特征。欠熱組織有大量的未溶碳化物，晶粒細小；過熱組織晶粒粗大，未溶碳化物少而角狀化；過燒組織中有晶界溶化現(xiàn)象，出現(xiàn)萊氏體和黑色組織。3、鋼的強化機制主要有哪些?從合金化角度考慮，提高鋼的韌度主要有哪些途徑?：固溶強化、細化強化、位錯強化、第二相強化。從合金化角度考慮，提高鋼的韌度主要途徑有：1）細化奧氏體晶粒。如強碳化物形成元素Ti、Nb、V、W、Mo等。2）提高鋼的回火穩(wěn)定性。在相同強度水平下能提高塑性和韌度。3）改善基體的韌度。如加Ni。4）細化碳化物。碳化物細小、園整、分布均勻和適量對韌度有利。5）降低或消除回火脆性。如加入W、Mo。6）保證強度時，降低才C%.4、從熱力學和動力學條件分析壁厚鑄件可得到石墨組織，而在壁薄時卻得到白口組織？從熱力學而言，高溫鐵水冷卻時對石墨的形成是有利的。而從動力學條件看，形成石墨需要高的C濃度起伏和Fe、C長距離的擴散，而Fe3C的形成只需要C濃度起伏和Fe、C短距離的擴散，因此不利于石墨的形成但有利于Fe3C的形成。鑄件在壁厚時，由于冷速慢，C原子可充分擴散，石墨形成的動力學條件較好，有利于石墨形成。壁薄時，由于鐵水冷卻快，C原子不能充分擴散，所以易得到Fe3C白口組織。1、合金化基本原則是多元適量，復合加入。試舉例說明Mn-V和Si-Mn的復合作用。（10分）Mn-V復合：Mn有過熱傾向，而V是減弱了Mn的作用；Mn能降低碳活度，使穩(wěn)定性很好的VC溶點降低，從而在淬火溫度下VC也能溶解許多，使鋼獲得較好的淬透性和回火穩(wěn)定性。Si-Mn復合：Si、Mn都是強化鐵素體有效的元素，能提高鋼的彈性極限，但Si有脫C傾向、Mn有過熱傾向，而Si-Mn復合可使鋼的脫C、過熱傾向降低，這樣的合金復合在彈簧鋼中得到了很好的應用。 2、說明高速鋼的鑄態(tài)組織特征（3分）。有一批高速鋼鉆頭，淬火后硬度比正常的偏低，估計是淬火加熱有問題。淬火加熱可能出現(xiàn)什么問題?（3分） 怎樣從金相組織上來進行判斷?（6分）高速鋼的鑄態(tài)組織為：黑色組織（混合型）+白亮組織（M和AR）+萊氏體。淬火后硬度比正常的偏低可能是欠熱、過熱或過燒等原因。欠熱：晶粒很細小，K很多；過熱：晶粒較大，K較少；過燒：晶界有熔化組織，即魚骨狀或黑色組織。4、試從合金化原理角度分析9SiCr鋼的主要特點。（10分）Si、Cr淬透性，D油60HRC；Si、Cr使碳化物細小、分布均勻不容易崩刃；分級或等溫處理，變形較小；Si使脫碳傾向較大，切削加工性相對也差些。適于制作形狀較復雜、變形要求小工件，特別是薄刃工具，如絲錐、扳牙、鉸刀等。1、試總結Ni元素在合金鋼中的作用，并簡要說明原因。（10分）答案要點：1）基體韌度 Ni位錯運動阻力，使應力松弛；2）穩(wěn)定A， NiA