金屬材料學課后習題答案

1、第一章1.為什么說鋼中的S、P雜質(zhì)元素在一般情況下總是有害的？答：S、P會導致鋼的熱脆和冷脆，并且容易在晶界偏聚，導致合金鋼的第二類高溫回火脆性，高溫蠕變時的晶界脆斷。S能形成FeS，其熔點為989，鋼件在大于1000的熱加工溫度時FeS會熔化，所以易產(chǎn)生熱脆；P能形成Fe3P，性質(zhì)硬而脆，在冷加工時產(chǎn)生應力集中，易產(chǎn)生裂紋而形成冷脆。2.鋼中的碳化物按點陣結構分為哪兩大類？各有什么特點？答：簡單點陣結構和復雜點陣結構簡單點陣結構的特點：硬度較高、熔點較高、穩(wěn)定性較好；復雜點陣結構的特點：硬度較低、熔點較低、穩(wěn)定性較差。3.簡述合金鋼中碳化物形成規(guī)律。答：當rC/rM0.59時，形成復雜點陣結

2、構；當rC/rM400，Me開始重新分布。非K形成元素仍在基體中，K形成元素逐步進入析出的K中，其程度取決于回火溫度和時間。6.有哪些合金元素強烈阻止奧氏體晶粒的長大？阻止奧氏體晶粒長大有什么好處？答：Ti、Nb、V等強碳化物形成元素（好處）：能夠細化晶粒，從而使鋼具有良好的強韌度配合，提高了鋼的綜合力學性能。7.哪些合金元素能顯著提高鋼的淬透性？提高鋼的淬透性有何作用？答：在結構鋼中，提高馬氏體淬透性作用顯著的元素從大到小排列：Mn、Mo、Cr、Si、Ni等。作用：一方面可以使工件得到均勻而良好的力學性能，滿足技術要求；另一方面，在淬火時，可選用比較緩和的冷卻介質(zhì)，以減小工件的變形與開裂傾向

3、。8.能明顯提高回火穩(wěn)定性的合金元素有哪些？提高鋼的回火穩(wěn)定性有什么作用？答：提高回火穩(wěn)定性的合金元素：Cr、Mn、Ni、Mo、W、V、Si作用：提高鋼的回火穩(wěn)定性，可以使得合金鋼在相同的溫度下回火時，比同樣碳含量的碳鋼具有更高的硬度和強度；或者在保證相同強度的條件下，可在更高的溫度下回火，而使韌性更好些。9.第一類回火脆性和第二類回火脆性是在什么條件下產(chǎn)生的？如何減輕和消除？答：第一類回火脆性:脆性特征：不可逆；與回火后冷速無關；斷口為晶界脆斷。產(chǎn)生原因：鋼在200-350回火時，F(xiàn)e3C薄膜在奧氏體晶界形成，削弱了晶界強度；雜質(zhì)元素P、S、Bi等偏聚晶界，降低了晶界的結合強度。防止措施：降

4、低鋼中雜質(zhì)元素的含量；用Al脫氧或加入Nb（鈮）、V、Ti等合金元素細化奧氏體晶粒；加入Cr、Si調(diào)整溫度范圍；采用等溫淬火代替淬火回火工藝。第二類回火脆性：脆性特征：可逆；回火后滿冷產(chǎn)生，快冷抑制；斷口為晶界脆斷。產(chǎn)生原因：鋼在450-650回火時，雜質(zhì)元素Sb、S、As或N、P等偏聚于晶界，形成網(wǎng)狀或片狀化合物，降低了晶界強度。高于回火脆性溫度，雜質(zhì)元素擴散離開了晶界或化合物分解了；快冷抑制了雜質(zhì)元素的擴散。防止措施：降低鋼中的雜質(zhì)元素；加入能細化A晶粒的元素（Nb、V、Ti）加入適量的Mo、W元素；避免在第二類回火脆性溫度范圍回火。10.就合金元素對鐵素體力學性能、碳化物形成傾向、奧氏體

5、晶粒長大傾向、淬透性、回火穩(wěn)定性和回火脆性等幾個方面總結下列元素的作用：Si、Mn、Cr、Mo、W、V、Ni。答：Si：Si是鐵素體形成元素，固溶強化效果顯著；（強度增加，韌性減小）Si是非碳化物形成元素，增大鋼中的碳活度，所以含Si鋼的脫C傾向和石墨化傾向較大；Si量少時，如果以化合物形式存在，則阻止奧氏體晶粒長大，從而細化A晶粒，同時增大了鋼的強度和韌性；Si提高了鋼的淬透性，使工件得到均勻而良好的力學性能。在淬火時，可選用比較緩和的冷卻介質(zhì)，以減小工件的變形與開裂傾向。Si提高鋼的低溫回火穩(wěn)定性，使相同回火溫度下的合金鋼的硬度高于碳鋼；Si能夠防止第一類回火脆性。Mn:Mn強化鐵素體，在

6、低合金普通結構鋼中固溶強化效果較好；（強度增加，韌性減?。㎝n是奧氏體形成元素，促進A晶粒長大，增大鋼的過熱敏感性；Mn使A等溫轉變曲線右移，提高鋼的淬透性；Mn提高鋼的回火穩(wěn)定性，使相同回火溫度下的合金鋼的硬度高于碳鋼；Mn促進有害元素在晶界上的偏聚，增大鋼回火脆性的傾向。Cr：Cr是鐵素體形成元素，固溶強化效果顯著；（強度增加，韌性減?。〤r是碳化物形成元素，能細化晶粒，改善碳化物的均勻性；Cr阻止相變時碳化物的形核長大，所以提高鋼的淬透性；Cr提高回火穩(wěn)定性，使相同回火溫度下的合金鋼的硬度高于碳鋼；Cr促進雜質(zhì)原子偏聚，增大回火脆性傾向；Mo:（W類似于Mo）是鐵素體形成元素，固溶強化效

7、果顯著；（強度增加，韌性減?。┦禽^強碳化物形成元素，所以能細化晶粒，改善碳化物的均勻性，大大提高鋼的回火穩(wěn)定性；阻止奧氏體晶粒長大，細化A晶粒，同時增大了鋼的強度和韌性；能提高鋼的淬透性，使工件得到均勻而良好的力學性能。在淬火時，可選用比較緩和的冷卻介質(zhì)，以減小工件的變形與開裂傾向。能有效地抑制有害元素的偏聚，是消除或減輕鋼第二類回火脆性的有效元素。V:（Ti、Nb類似于V）是鐵素體形成元素，固溶強化效果顯著；（強度增加，韌性減?。┦菑娞蓟镄纬稍?，形成的VC質(zhì)點穩(wěn)定性好，彌散分布，能有效提高鋼的熱強性和回火穩(wěn)定性；阻止A晶粒長大的作用顯著，細化A晶粒，同時增大了鋼的強度和韌性；提高鋼的淬透

8、性，消除回火脆性。Ni:是奧氏體形成元素，促進晶粒長大，增大鋼的過熱敏感性；（強度增加，韌性增加）是非碳化物形成元素，增大鋼中的碳活度，所以含Ni鋼的脫C傾向和石墨化傾向較大；對A晶粒長大的影響不大；能提高鋼的淬透性，使工件得到均勻而良好的力學性能。在淬火時，可選用比較緩和的冷卻介質(zhì)，以減小工件的變形與開裂傾向。提高回火穩(wěn)定性，使相同回火溫度下的合金鋼的硬度高于碳鋼；促進鋼中有害元素的偏聚，增大鋼的回火脆性?？偨Y：SiMnCrMoWVNiF的力學性能增加強度，減小韌性增加強度、韌性同上增加強度，減小韌性同上同上增加強度、韌性K形成傾向非K形成元素弱K形成元素中強K形成元素中強K形成元素中強K形

9、成元素強K形成元素非K形成元素A晶粒長大傾向細化促進阻礙作用中等阻礙作用中等阻礙作用中等大大阻礙影響不大淬透性增加增加增加增加增加增加增加回火穩(wěn)定性提高低溫回火提高提高提高提高提高影響不大回火脆性推遲低溫回脆，促進高溫回脆促進促進大大降低降低降低促進11.根據(jù)合金元素在鋼中的作用，從淬透性、回火穩(wěn)定性、奧氏體晶粒長大傾向、韌性和回火脆性等方面比較下列鋼號的性能：40Cr、40CrNi、40CrMn、40CrNiMo答：淬透性：40CrNiMo40CrMn40CrNi40Cr（因為在結構鋼中，提高馬氏體淬透性作用顯著的元素從大到小排列：Mn、Mo、Cr、Si、Ni，而合金元素的復合作用更大。）回

10、火穩(wěn)定性：40CrNiMo40CrMn40CrNi40Cr奧氏體晶粒長大傾向：40CrMn40Cr40CrNi40CrNiMo韌性：40CrNiMo40CrNi40CrMn40Cr（Ni能夠改善基體的韌度）回火脆性：40CrNi40CrMn40Cr40CrNiMo（Mo降低回火脆性）12.為什么W、Mo、V等元素對珠光體轉變阻止作用大，而對貝氏體轉變影響不大？答：對于珠光體轉變，不僅需要C的擴散和重新分布，而且還需要W、Mo、V等K形成元素的擴散，而間隙原子碳在A中的擴散激活能遠小于W、Mo、V等置換原子的擴散激活能，所以W、Mo、V等K形成元素擴散是珠光體轉變時碳化物形核的控制因素。V主要是

11、通過推遲碳化物形核與長大來提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性W、Mo除了推遲碳化物形核與長大外，還增大了固溶體原子間的結合力、鐵的自擴散激活能，減緩了C的擴散。貝氏體轉變是一種半擴散型相變，除了間隙原子碳能作長距離擴散外，W、Mo、V等置換原子都不能顯著地擴散。W、Mo、V增加了C在y相中的擴散激活能，降低了擴散系數(shù)，推遲了貝氏體轉變，但作用比Cr、Mn、Ni小。13.為什么鋼的合金化基本原則是“復合加入”？試舉兩例說明合金元素復合作用的機理。答：因為合金元素能對某些方面起積極的作用，但許多情況下還有不希望的副作用，因此材料的合金化設計都存在不可避免的矛盾。合金元素有共性的問題，但也有不同的個性。不同元素

12、的復合，其作用是不同的，一般都不是簡單的線性關系，而是相互補充，相互加強。所以通過合金元素的復合能夠趨利避害，使鋼獲得優(yōu)秀的綜合性能。例子：Nb-V復合合金化：由于Nb的化合物穩(wěn)定性好，其完全溶解的溫度可達1325-1360。所以在軋制或鍛造溫度下仍有未溶的Nb，能有效地阻止高溫加熱時A晶粒的長大，而V的作用主要是沉淀析出強化。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。14.合金元素V在某些情況下能起到降低淬透性的作用，為什么？而對于40Mn2和42Mn2V，后者的淬透

13、性稍大，為什么？答：釩和碳、氨、氧有極強的親和力，與之形成相應的穩(wěn)定化合物。釩在鋼中主要以碳化物的形式存在。其主要作用是細化鋼的組織和晶粒，降低鋼的強度和韌性。當在高溫溶入固溶體時，增加淬透性；反之，如以碳化物形式存在時，降低淬透性。15.怎樣理解“合金鋼與碳鋼的強度性能差異，主要不在于合金元素本身的強化作用，而在于合金元素對鋼相變過程的影響。并且合金元素的良好作用，只有在進行適當?shù)臒崽幚項l件下才能表現(xiàn)出來”？16.合金元素提高鋼的韌度主要有哪些途徑？答：細化奧氏體晶粒-如Ti、V、Mo提高鋼的回火穩(wěn)定性-如強K形成元素改善基體韌度-Ni細化碳化物-適量的Cr、V降低或消除鋼的回火脆性W、Mo

14、在保證強度水平下，適當降低含碳量，提高冶金質(zhì)量通過合金化形成一定量的殘余奧氏體17.40Cr、40CrNi、40CrNiMo鋼，其油淬臨界淬透直徑Dc分別為25-30mm、40-60mm、60-100mm，試解釋淬透性成倍增大的現(xiàn)象。答：在結構鋼中，提高馬氏體淬透性作用顯著的元素從大到小排列：Mn、Mo、Cr、Si、Ni等。Cr、Ni、Mo都能提高淬透性，40Cr、40CrNi、40CrNiMo單一加入到復合加入，淬透性從小到大。較多的Cr和Ni的適當配合可大大提高鋼的淬透性，而Mo提高淬透性的作用非常顯著。18.鋼的強化機制有哪些？為什么一般鋼的強化工藝都采用淬火-回火？答：四種強化機制：固

15、溶強化、位錯強化、細晶強化和第二相彌散強化。因為淬火+回火工藝充分利用了細晶強化,固溶強化、位錯強化、第二相強化這四種強化機制。(1)淬火后獲得的馬氏體是碳在-Fe中的過飽和間隙固溶體,碳原子起到了間隙固溶強化效應。(2)馬氏體形成后，奧氏體被分割成許多較小的取向不同的區(qū)域，產(chǎn)生了細晶強化作用。3)淬火形成馬氏體時，馬氏體中的位錯密度增高，從而產(chǎn)生位錯強化效應。(4)淬火后回火時析出的碳化物造成強烈的第二相強化，同時也使鋼的韌性得到了改善。綜上所述：無論是碳鋼還是合金鋼，在淬火-回火時充分利用了強化材料的四種機制，從而使鋼的機械性能的潛力得到了充分的發(fā)揮。所以獲得馬氏體并進行相應的回火是鋼的最

16、經(jīng)濟最有效的綜合強化手段。19.試解釋40Cr13已屬于過共析鋼，而Cr12鋼中已經(jīng)出現(xiàn)共晶組織，屬于萊氏體鋼。答：因為Cr屬于封閉y相區(qū)的元素，使S點左移，意味著共析碳量減小，所以鋼中含有Cr12%時，共析碳量小于0.4%，所以含0.4%C、13%Cr的40Cr13不銹鋼就屬于過共析鋼。Cr使E點左移，意味著出現(xiàn)萊氏體的碳含量減小。在Fe-C相圖中，E點是鋼和鐵的分界線，在碳鋼中是不存在萊氏體組織的。但是如果加入了12%的Cr，盡管含碳量只有2%左右，鋼中卻已經(jīng)出現(xiàn)了萊氏體組織。20.試解釋含Mn稍高的鋼易過熱；而含Si的鋼淬火加熱溫度應稍高，且冷作硬化率較高，不利于冷變形加工。答：Mn是奧

17、氏體形成元素，降低鋼的A1溫度，促進晶粒長大，增大鋼的過熱敏感性；Si是鐵素體形成元素，提高了鋼的A1溫度，所以含Si鋼往往要相應地提高淬火溫度。冷作硬化率高，材料的冷成型性差。合金元素溶入基體，點陣產(chǎn)生不同程度的畸變，使冷作硬化率提高，鋼的延展性下降。21.什么叫鋼的內(nèi)吸附現(xiàn)象？其機理和主要影響因素是什么？答：合金元素溶入基體后，與晶體缺陷產(chǎn)生交互作用，使這些合金元素發(fā)生偏聚或內(nèi)吸附，使偏聚元素在缺陷處的濃度大于基體中的平均濃度，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)吸附現(xiàn)象。機理：從晶體結構上來說，缺陷處原子排列疏松、不規(guī)則，溶質(zhì)原子容易存在；從體系能量角度上分析，溶質(zhì)原子在缺陷處的偏聚，使系統(tǒng)自由能降低，符合自

18、然界最小自由能原理。從熱力學上說，該過程是自發(fā)進行的，其驅動力是溶質(zhì)原子在缺陷和晶內(nèi)處的畸變能之差。影響因素：溫度：隨著溫度的下降，內(nèi)吸附強烈；時間：通過控制時間因素來控制內(nèi)吸附；缺陷類型：缺陷越混亂，畸變能之差越大，吸附也越強烈；其他元素：不同元素的吸附作用是不同的，也有優(yōu)先吸附的問題；點陣類型：基體的點陣類型對間隙原子有影響。22.試述鋼中置換固溶體和間隙固溶體形成的規(guī)律答：置換固溶體的形成的規(guī)律：決定組元在置換固溶體中的溶解度因素是點陣結構、原子半徑和電子因素，無限固溶必須使這些因素相同或相似.Ni、Mn、Co與y-Fe的點陣結構、原子半徑和電子結構相似，即無限固溶；Cr、V與-Fe的點

19、陣結構、原子半徑和電子結構相似，形成無限固溶體；Cu和-Fe點陣結構、原子半徑相近，但電子結構差別大有限固溶；原子半徑對溶解度影響：R8%，可以形成無限固溶；15%，形成有限固溶；15%，溶解度極小。間隙固溶體形成的規(guī)律：間隙固溶體總是有限固溶體，其溶解度取決于溶劑金屬的晶體結構和間隙元素的原子尺寸；間隙原子在固溶體中總是優(yōu)先占據(jù)有利的位置；間隙原子的溶解度隨溶質(zhì)原子的尺寸的減小而增大；同一溶劑金屬不同的點陣結構，溶解度是不同的，C、N原子在y-Fe中的溶解度高于a-Fe。23.在相同成分的粗晶粒和細晶粒鋼中，偏聚元素的偏聚程度有什么不同？24.試述金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設計的思路答：金屬材料的使用，不僅要考慮產(chǎn)品的性能要求，更應考慮材料在生命周期內(nèi)與環(huán)境的協(xié)調(diào)性。將LCA方法應用到材料設計過程