金屬材料學試題

1、1、相間沉淀：合金元素鋼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品界上,起到沉淀強化和抑制晶粒長大的作用.鋼在鐵素體中的溶解度比在奧氏體中的溶解度小的很多,隨著相變的進行,在一定的熱力學和動力學條件下,鋼的碳,氮化物在相界析出,通過在兩相區(qū)加速 冷卻,可以細化晶粒,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 化 的 效 果.2、品間腐蝕：品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 品間腐蝕。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

2、的，在低溫250-400度回火和高溫450-650 度范圍內(nèi)回火時，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 低溫回火時在品界或亞品界上析出連續(xù)碳化物薄片有關，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、475c脆性：Fe-Cr合金在400550 c環(huán)境中長期加熱時，會產(chǎn)生一種 特殊的脆性，硬度顯著提高，沖擊韌性嚴重下降。此情況稱為47

3、5c脆性， 可用加入稀 土元素的方法解決。三大題：1 、沉淀強化位錯和第二相交互作用形成第二相強化。對于一般合金來說第二相強化 往往比固溶強化效果更為顯著。根據(jù)獲得第二相的工藝不同，按習慣將 各種第二相強化分別稱呼。其中通過相變熱處理獲得的稱為沉淀強化； 而把通過粉末燒結(jié)獲得的，稱為彌散強化。有時也不加區(qū)分地混稱為分 散強化或顆粒強化。4如果要單獨對析出強化給出一個定義。析出強 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)生的一種強化。析出強化在微合金鋼等金屬材料的生產(chǎn)中有相當重要的作用。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

4、通過細品 強化和析出強化來進行強化。微合金化鋼的特點之一就是利用碳、氮化 物的溶解一析出行為。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)點的析出在間界、運動位錯之間產(chǎn)生 的相互作用，導致鋼的流變應力和屈服強度的提高。這就是微合金鋼的 析出強化。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 化 機 制 不 同。對于多數(shù)的析出強化合金，在經(jīng)過固溶處理及時效后，在其早期階段， 析出相的尺寸小，與基體保持共格，這時的析出相是可以變形的，位錯 可以切過析出相。當析出相有一定尺寸的時候，就屬于不可變形的，運 動位錯接近它們時，只能繞過

5、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，其強化效果主要決定于析出相的本性，由于強化 來源的不同，可以有不同的機制。對于不變形的析出相，其強化效果主 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 上?？勺冃蔚诙嗟那羞^機制下，位錯穿越質(zhì)點，能夠造成共格應變以及對 層錯、有序化以及彈性模量等產(chǎn)生種種影響。例如析出強化合金在經(jīng)過 固溶處理和時效后，析出相與基體保持共格，因而能夠產(chǎn)生共格應變能。這種共格應變能是由析出相與基體原子的錯配度引起的。當位錯在析出 相的共格內(nèi)應力場中運動時，因彈*互作用產(chǎn)生強化。一般說來，析出強化

6、產(chǎn)生的強化作用在析出的第二相是尺寸細小、 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化效果。比 如在Nb> V、Ti三種微合金元素中，Nh V和Ti的微細析出相才能起 這種作用，所以鋼的熱機械處理（或控軋控冷）要力圖實現(xiàn)細小的析出， 然而0. 0030. 1mm顆粒度的析出也者B能產(chǎn)生一定的效果。2 、固溶強化般來說，無論置換固溶體還是間隙固溶體，固溶體的硬度、強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)，強化的效果加大。比如，低碳鋼在常溫狀態(tài)屬于體心立方品格結(jié)構(gòu)的材料，較小原子半徑的元素如G N,通常以間隙的形

7、式固溶在鐵的品格之中，多數(shù)合金元素的原子如Nh V、Ti、Mo Al等等都置換品格某個鐵原子的位置的形式。固溶造成品格的畸變，使鋼的屈服強度提高。這種由于溶質(zhì)原子的固溶而引起的強化效應，即稱為“固溶強化” o 2 就固溶強化的微觀機理而言，固溶強化是由于溶質(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，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)原子是點缺陷的一種，會引起其周圍發(fā)

8、生彈性畸變。3、鋁合金時效強化四個階段(參考金屬學與熱處理)在時效熱處理過程中，該合金組織有以下四個階段：補充：時效強化：過飽和固溶體在室溫放置或加熱到某一溫度保溫，隨 著時間延長，其強度、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)G?P ( I ) 區(qū) 在新淬火狀態(tài)的過飽和固溶體中,銅原子在鋁品格中的分布是任意的、無序的。時效 初期，即時效溫度低或時效時間短時，銅原子在鋁基體上的某些品面上聚集，形成溶質(zhì)原子偏聚區(qū)，稱 G?P(I)區(qū)。G?P(I)區(qū)與基體 h保 持共格關系，這些聚合體構(gòu)成了提高抗變形的共格應變區(qū)，故使合金的強度、硬度升高。(2)G?P 區(qū)有序化一形成 G?P(I

9、I) 區(qū)隨著時效溫度升高或時效時間延長，銅原子繼續(xù)偏聚并發(fā)生有序化，即形 成 G ? p ( n )區(qū)。它與基體a仍保持共格關系，但尺寸較 G?P(I)區(qū)大。它可視為中間過渡相，常用8”表示。它比G?P(I)區(qū)周圍的畸變更大，對位 錯運動的阻礙進一步增大，因此時效強化作用更大，8”相析出階段為合金達到最大強化的階段。(3)形成過渡相e，隨著時效過程的進一步發(fā)展，銅原子在G?p(n)區(qū)繼續(xù)偏聚，當銅原子與鋁原子比為1: 2時，形成過渡相8 '。由于8 '的點陣常數(shù)發(fā)生較大的變化，故當 其 形 成 時 與 基 體 共 格關系開始破壞，即由完全共格變?yōu)榫植抗哺?，因?e '相

10、周圍基體的共格畸變減弱,對位錯運動的阻礙作用亦減小，去現(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效強化的重要因素。(4)形成穩(wěn)定的e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立的穩(wěn)定相 A 12c u , 稱 為e相此時。相與基體的共格關系完全破壞，弁有自己獨立的晶格，其畸 變 也 隨 之 消 失， 弁 隨時效溫度的提高或時間的延長，。相的質(zhì)點聚集長大，合金的強度、硬度 進 一 步 下 降， 合 金就軟化弁稱為“過時效” o e相聚集長大而變得粗大。一、 填空題 （30 分，每空格 1 分）1、鋼的強化機制主要有 固溶強化、位錯強化、細品強化、沉 淀強化。其

11、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、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GCM5的Cr質(zhì)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(diào)性等其它因素。5、凡是擴大丫區(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）；凡封閉丫區(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

12、-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(diào)質(zhì)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品強化和 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(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：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

13、、在一般鋼中，應嚴格控制雜質(zhì)元素S、P的含量。答案要點：S能形成FeS,其熔點為989 C,鋼件在大于1000 C的熱 加工溫度時FeS會熔化，所以易產(chǎn)生熱脆；P能形成F&P,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。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。答案要點：Si是非K形成元素，能有效地強化鐵素體，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，促進了鋼在加熱 時脫碳傾向較大。4、高鎰鋼（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：高鎰鋼在Am以上溫度加熱后得

14、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。5、4Cr13含碳量（質(zhì)量分數(shù)）為 0.4%左右，但已是屬于過共析鋼。答案要點：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。6、奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9品界腐蝕傾向比較大。答案要點：1CM8Ni9含C較高，又沒有Ti等穩(wěn)定C的強碳化物形成 元素，所以在品界上容易析出 Cr23C6,從而使品界上產(chǎn)生貧 Cr區(qū)，低于

15、 不銹鋼的基本成分要求，所以在品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：1） f基體韌度-NiJ位錯運動阻力，使應力松弛；2）穩(wěn)定A, f Ni JA1 ,擴大丫區(qū)，量大時，室溫為A組織；3） T淬透性-JAG,使“C”線右移，Cr-Ni復合效果更好；4） T回火脆性-Ni促進有害元素偏聚；5） （Ms , TAr - J馬氏體相變驅(qū)動力。2、高速鋼的熱處理工藝比較復雜，試回答下列問題：（12分，每小題3分）1）淬火加熱時，為什么要預熱 ？2）高速鋼 W6Mo5Cr4V2的 刖 在800 c左右，但淬火加熱溫度在1200

16、1240C,淬火加熱溫度為什么這樣高 ？3）高速鋼回火工藝一般為 560 c左右，并且進行三次，為什么 ？4）淬火冷卻時常用分級淬火，分級淬火目的是什么？答案要點：1）高速鋼合金量高，特別是 w鋼導熱性很差。預熱可減少工件 加熱過程中的變形開裂傾向；縮短高溫保溫時間，減少氧化脫碳；可準確地 控制爐溫穩(wěn)定性。2）因為高速鋼中碳化物比較穩(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 C左右回火，才能彌散析出特殊碳化物，產(chǎn)生硬化。同時在 560 C左右 回火，使材料的組織和性能達到

17、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)應力消除得更徹底。4）分級淬火目的：降低熱應力和組織應力， 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等強碳化物形成元素，細化晶粒；2）提高回火穩(wěn)定性，加入 Ti、V等強碳化物形成元素和 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

18、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。（10分）答案要點：1） MnT淬透性，D油=30mm；2） MnJ Ms,淬火后急較多，約2022% 使工件變形較??；3） V能克服Mn的缺點，J過熱敏感性，且能細化晶粒；4）含0.9%C左右，K細小均勻，但鋼的硬度稍低，回火穩(wěn)定性較 差，宜在200 C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、復合加入。細化晶粒對鋼性能的貢獻是既提高強度又提高塑韌性。2、在鋼中，常見碳化物形成元素有 Ti 、Nh V、W Mg Cr

19、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/r m < 0.59 為簡單點陣結(jié)構(gòu)，有 MC和M2c型,其性能特點是 硬度高、熔點 反、穩(wěn)定性好：rc/r m > 0.59 為復雜點陣結(jié)構(gòu)，有 M3c、M7a 和M 23G型。3、選擇零件材料的一般原則是力學性能、工藝性能、經(jīng)濟性和環(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)生品界腐蝕的主要原因是在品界上析出了 Cr23C,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成分 、冷卻速度。球墨鑄鐵在

20、澆注時要經(jīng)過孕育 處理和 球化 處理。QT600-3是 球墨鑄鐵 O6、對耐熱鋼最基本的性能要求是熱強性 、 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，滿足力學性能要2g、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，過熱敏感性比較大。答案要點：Mn促進了晶粒長大傾向，因為Mn降低Ai溫度，又強化了 C促進晶粒長大的作用。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：40Cr

21、NiMo 鋼由于含有提高淬透性的元素 Cr、Ni、Mo , 而且又是多元復合作用更大，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、球墨鑄鐵的強度和塑韌性都要比灰口鑄鐵好。答案要點：灰鐵：G形態(tài)為片狀，易應力集中，產(chǎn)生裂紋，且G割裂基體嚴重，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7090% ;且球狀G應力集中傾向也大為減小。 因此鋼的 熱處理強化手段在球鐵中基本都能采用，所以其強度和塑韌性都 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。答案要點：鋁合金沒有同素異

22、構(gòu)轉(zhuǎn)變，不能象鋼那樣可以靠重新加熱 產(chǎn)生重結(jié)晶來細化晶粒。5、H6& H70俗稱彈殼黃銅，常用于制造炮彈殼、子彈殼。答案要點：彈殼黃銅的Zn含量小于32% ,所以是單相口黃銅，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，應嚴格控制雜質(zhì)元素S、P的含量。答案要點：S能形成FeS,其熔點為989C ,鋼件在大于1000C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。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：D U,，可切削性一固溶強化效果顯著；2） T低溫回火穩(wěn)定性 -抑制£-K形核長大及轉(zhuǎn)變；3） T抗氧化性.形成致密的氧化物；（2分）4） T淬透性-阻止K形核長大，使“C線右移，高C時作用較大;5） T淬火溫度-F形成元素，TA ;6） T脫C、石墨化傾向 -Si T碳