金屬材料學第二版戴起勛第一章課后題答案

1、第一章 1. 為什么說鋼中的 S、P 雜質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 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 F&P，性質硬而脆，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

2、物形成規(guī)律。 答：當 rc/r M0.59 時，形成復雜點陣結構；當 rc/r M400 C, 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：

3、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,以減小工件的變形與開裂傾向。 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

4、可逆；與回火后冷速無關；斷口為晶界脆斷。 產(chǎn)生原因：鋼在 200-350C回火時，F(xiàn)&C 薄膜在奧氏體晶界形成，削弱了晶界強度；雜質元 素 P、S、Bi 等偏聚晶界，降低了晶界的結合強度。 防止措施：降低鋼中雜質元素的含量；用 Al 脫氧或加入 Nb （鈮八 V Ti 等合金元素細 化奧氏體晶粒；加入 Cr、Si 調整溫度范圍；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 C回火時，雜質元素 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， 雜質元

5、素擴散離開了晶界或化合物分 解了；快冷抑制了雜質元素的擴散。 防止措施：降低鋼中的雜質元素；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?。?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

6、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，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，在低合金普通結構鋼中固溶強化效果較好； （強度增加，韌性減小） Mn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

7、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?。?Cr 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 促進雜質原子偏聚，增大回火脆性傾向； Mo: （W 類似于 Me） 是鐵素體形成元素，固溶強化效果顯著； （強度增加，韌性減?。?是較強碳化物形成元素， 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

8、力學性能。 在淬火時，可選用比較緩和的冷 卻介質，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?。?是強碳化物形成元素，形成的 VC 質點穩(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； 提高鋼的淬透性，消除回火脆性。 N: 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

9、 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，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。 總結： Si Mn Cr Mo W V Ni F 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: 非 K 形 弱 K 形 中強 K 中強 K 中強 K :強 K 形 非 K 形 向 成兀素 成兀素 形成元 素 形成元 素 形成元 素 成

10、兀素 成兀素 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：40CrNiMo40CrM n 40CrNi 40Cr （因為在結構鋼中，提高馬氏體淬透

11、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。） 回火穩(wěn)定性：40CrNiMo40CrM n 40CrNi 40Cr 奧氏體晶粒長大傾向： 40CrM n 4OCr 40CrNi 40CrNiMo 韌性：40CrNiMo40CrNi40CrMn4OCr （ Ni 能夠改善基體的韌度） 回火脆性：4OCrNi4OCrMn40Cr40CrNiMo （ 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

12、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

13、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 C。 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-

14、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

15、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 在保證強度水平下，適當降低含碳量，提高冶金質量 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 De 分別為 25-30mm 40-60mm 60-100mm, 試解釋淬透性成倍增大的

16、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 aFe 中的過飽和間隙

17、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

18、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%勺 Cr，盡管含碳量只有 2 尬右， 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

19、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，溶質原子容易存在；從體系能量 角度上分析，溶質原子在缺陷處的偏聚，使系統(tǒng)自由能降低，符合自然界最小自由能原理。 從熱力學上說，該過程是自發(fā)進行

20、的，其驅動力是溶質原子在缺陷和晶內(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a-Fe 的點陣結構、原子半徑和

21、電子結構相似，形成無限固溶體； Cu和丫 -Fe 點陣結構、原子半徑相近，但電子結構差別大一一有限固溶； 原子半徑對溶解度影響： RW土 8%可以形成無限固溶；w 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