金属学材料学课后习题答案全Word文档格式.docx

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有限溶解：

一般K都能溶解其它元素，形成复合碳化物。

③强碳化合物形成元素优先与碳结合形成碳化物。

④NM/NC比值决定了碳化物类型⑤碳化物稳定性越好，溶解越难，析出难越，聚集长大也越难。

1-4.合金元素对Fe–Fe3C相图的S、E点有什么影响？

这种影响意味着什么？

凡是扩大γ相区的元素均使S、E点向左下方移动；

凡是封闭γ相区的元素均使S、E点向左上方移动。

S点左移，意味着共析碳量减少；

E点左移，意味着出现莱氏体的碳含量减少。

1-19.试解释40Cr13已属于过共析钢，而Cr12钢中已经出现共晶组织，属于莱氏体钢。

①因为Cr属于封闭y相区的元素，使S点左移，意味着共析碳量减小，所以钢中含有Cr12%时，共析碳量小于0.4%，所以含0.4%C、13%Cr的40Cr13不锈钢就属于过共析钢。

②Cr使E点左移，意味着出现莱氏体的碳含量减小。

在Fe-C相图中，E点是钢和铁的分界线，在碳钢中是不存在莱氏体组织的。

但是如果加入了12%的Cr，尽管含碳量只有2%左右，钢中却已经出现了莱氏体组织。

1-21.什么叫钢的内吸附现象？

其机理和主要影响因素是什么？

合金元素溶入基体后，与晶体缺陷产生交互作用，使这些合金元素发生偏聚或内吸附，使偏聚元素在缺陷处的浓度大于基体中的平均浓度，这种现象称为内吸附现象。

机理：

从晶体结构上来说，缺陷处原子排列疏松、不规则，溶质原子容易存在；

从体系能量角度上分析，溶质原子在缺陷处的偏聚，使系统自由能降低，符合自然界最小自由能原理。

从热力学上说，该过程是自发进行的，其驱动力是溶质原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。

影响因素：

①温度：

随着温度的下降，内吸附强烈；

②时间：

通过控制时间因素来控制内吸附；

③缺陷类型：

缺陷越混乱，畸变能之差越大，吸附也越强烈；

④其他元素：

不同元素的吸附作用是不同的，也有优先吸附的问题；

⑤点阵类型：

基体的点阵类型对间隙原子有影响。

1-22.试述钢中置换固溶体和间隙固溶体形成的规律。

置换固溶体的形成的规律：

决定组元在置换固溶体中的溶解度因素是点阵结构、原子半径和电子因素，无限固溶必须使这些因素相同或相似.①Ni、Mn、Co与y-Fe的点阵结构、原子半径和电子结构相似，即无限固溶；

②Cr、V与α-Fe的点阵结构、原子半径和电子结构相似，形成无限固溶体；

③Cu和γ-Fe点阵结构、原子半径相近，但电子结构差别大——有限固溶；

④原子半径对溶解度影响：

ΔR≤±

8%，可以形成无限固溶；

≤±

15%，形成有限固溶；

>

±

15%，溶解度极小。

间隙固溶体形成的规律：

①间隙固溶体总是有限固溶体，其溶解度取决于溶剂金属的晶体结构和间隙元素的原子尺寸；

②间隙原子在固溶体中总是优先占据有利的位置；

③间隙原子的溶解度随溶质原子的尺寸的减小而增大；

④同一溶剂金属不同的点阵结构，溶解度是不同的，C、N原子在y-Fe中的溶解度高于a-Fe。

1-23.在相同成分的粗晶粒和细晶粒钢中，偏聚元素的偏聚程度有什么不同？

粗晶粒更容易产生缺陷，偏聚程度大，细晶粒偏聚程度小。

1-5试述钢在退火态、淬火态及淬火-回火态下，不同元素的分布状况。

退火态：

非碳化物形成元素绝大多数固溶于基体中，而碳化物形成元素视C和本身量多少而定。

优先形成碳化物，余量溶入基体。

淬火态：

合金元素的分布与淬火工艺有关。

溶入A体的因素淬火后存在于M、B中或残余A中，未溶者仍在K中。

回火态：

低温回火，置换式合金元素基本上不发生重新分布；

400℃，Me开始重新分布。

非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度取决于回火温度和时间。

1-6有哪些合金元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大？

阻止奥氏体晶粒长大有什么好处？

Ti、Nb、V等强碳化物形成元素能够细化晶粒，从而使钢具有良好的强韧度配合，提高了钢的综合力学性能。

1-7哪些合金元素能显著提高钢的淬透性？

提高钢的淬透性有何作用？

在结构钢中，提高马氏体淬透性作用显著的元素从大到小排列：

Mn、Mo、Cr、Si、Ni等。

作用：

一方面可以使工件得到均匀而良好的力学性能，满足技术要求；

另一方面，在淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。

1-8.能明显提高回火稳定性的合金元素有哪些？

提高钢的回火稳定性有什么作用？

提高回火稳定性的合金元素：

Cr、Mn、Ni、Mo、W、V、Si作用：

提高钢的回火稳定性，可以使得合金钢在相同的温度下回火时，比同样碳含量的碳钢具有更高的硬度和强度；

或者在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而使韧性更好些。

1-9第一类回火脆性和第二类回火脆性是在什么条件下产生的？

如何减轻和消除？

第一类回火脆性:

脆性特征：

①不可逆；

②与回火后冷速无关；

③断口为晶界脆断。

产生原因：

钢在200-350℃回火时，Fe3C薄膜在奥氏体晶界形成，削弱了晶界强度；

杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界，降低了晶界的结合强度。

防止措施：

①降低钢中杂质元素的含量；

②用Al脱氧或加入Nb（铌）、V、Ti等合金元素细化奥氏体晶粒；

③加入Cr、Si调整温度范围；

④采用等温淬火代替淬火回火工艺。

第二类回火脆性：

①可逆；

②回火后满冷产生，快冷抑制；

钢在450-650℃回火时，杂质元素Sb、S、As或N、P等偏聚于晶界，形成网状或片状化合物，降低了晶界强度。

高于回火脆性温度，杂质元素扩散离开了晶界或化合物分解了；

快冷抑制了杂质元素的扩散。

①降低钢中的杂质元素；

②加入能细化A晶粒的元素（Nb、V、Ti）③加入适量的Mo、W元素；

④避免在第二类回火脆性温度范围回火。

1-10就合金元素对铁素体力学性能、碳化物形成倾向、奥氏体晶粒长大倾向、淬透性、回火稳定性和回火脆性等几个方面总结下列元素的作用：

Si、Mn、Cr、Mo、W、V、Ni。

Si：

①Si是铁素体形成元素，固溶强化效果显著；

（强度增加，韧性减小）②Si是非碳化物形成元素，增大钢中的碳活度，所以含Si钢的脱C倾向和石墨化倾向较大；

③Si量少时，如果以化合物形式存在，则阻止奥氏体晶粒长大，从而细化A晶粒，同时增大了钢的强度和韧性；

④Si提高了钢的淬透性，使工件得到均匀而良好的力学性能。

在淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。

⑤Si提高钢的低温回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢；

⑥Si能够防止第一类回火脆性。

Mn:

①Mn强化铁素体，在低合金普通结构钢中固溶强化效果较好；

（强度增加，韧性减小）②Mn是奥氏体形成元素，促进A晶粒长大，增大钢的过热敏感性；

③Mn使A等温转变曲线右移，提高钢的淬透性；

④Mn提高钢的回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢；

⑤Mn促进有害元素在晶界上的偏聚，增大钢回火脆性的倾向。

Cr：

①Cr是铁素体形成元素，固溶强化效果显著；

（强度增加，韧性减小）②Cr是碳化物形成元素，能细化晶粒，改善碳化物的均匀性；

③Cr阻止相变时碳化物的形核长大，所以提高钢的淬透性；

④Cr提高回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢；

⑤Cr促进杂质原子偏聚，增大回火脆性倾向；

Mo:

（W类似于Mo）①是铁素体形成元素，固溶强化效果显著；

（强度增加，韧性减小）②是较强碳化物形成元素，所以能细化晶粒，改善碳化物的均匀性，大大提高钢的回火稳定性；

③阻止奥氏体晶粒长大，细化A晶粒，同时增大了钢的强度和韧性；

④能提高钢的淬透性，使工件得到均匀而良好的力学性能。

⑤能有效地抑制有害元素的偏聚，是消除或减轻钢第二类回火脆性的有效元素。

V:

（Ti、Nb类似于V）①是铁素体形成元素，固溶强化效果显著；

（强度增加，韧性减小）

②是强碳化物形成元素，形成的VC质点稳定性好，弥散分布，能有效提高钢的热强性和回火稳定性；

③阻止A晶粒长大的作用显著，细化A晶粒，同时增大了钢的强度和韧性；

④提高钢的淬透性，消除回火脆性。

Ni:

①是奥氏体形成元素，促进晶粒长大，增大钢的过热敏感性；

（强度增加，韧性增加）②是非碳化物形成元素，增大钢中的碳活度，所以含Ni钢的脱C倾向和石墨化倾向较大；

③对A晶粒长大的影响不大；

⑤提高回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢；

⑥促进钢中有害元素的偏聚，增大钢的回火脆性。

1-11根据合金元素在钢中的作用，从淬透性、回火稳定性、奥氏体晶粒长大倾向、韧性和回火脆性等方面比较下列钢号的性能：

40Cr、40CrNi、40CrMn、40CrNiMo

①淬透性：

40CrNiMo>

40CrMn>

40CrNi>

40Cr（因为在结构钢中，提高马氏体淬透性作用显著的元素从大到小排列：

Mn、Mo、Cr、Si、Ni，而合金元素的复合作用更大。

）②回火稳定性：

40Cr③奥氏体晶粒长大倾向：

40CrMn>

40Cr>

40CrNi>

40CrNiMo④韧性：

40Cr（Ni能够改善基体的韧度）⑤回火脆性：

40Cr>

40CrNiMo（Mo降低回火脆性）

1-12为什么W、Mo、V等元素对珠光体转变阻止作用大，而对贝氏体转变影响不大？

对于珠光体转变，不仅需要C的扩散和重新分布，而且还需要W、Mo、V等K形成元素的扩散，而间隙原子碳在A中的扩散激活能远小于W、Mo、V等置换原子的扩散激活能，所以W、Mo、V等K形成元素扩散是珠光体转变时碳化物形核的控制因素。

V主要是通过推迟碳化物形核与长大来提高过冷奥氏体的稳定性W、Mo除了推迟碳化物形核与长大外，还增大了固溶体原子间的结合力、铁的自扩散激活能，减缓了C的扩散。

贝氏体转变是一种半扩散型相变，除了间隙原子碳能作长距离扩散外，W、Mo、V等置换原子都不能显著地扩散。

W、Mo、V增加了C在y相中的扩散激活能，降低了扩散系数，推迟了贝氏体转变，但作用比Cr、Mn、Ni小。

1-13为什么钢的合金化基本原则是“复合加入”？

试举两例说明合金元素复合作用的机理。

因为合金元素能对某些方面起积极的作用，但许多情况下还有不希望的副作用，因此材料的合金化设计都存在不可避免的矛盾。

合金元素有共性的问题，但也有不同的个性。

不同元素的复合，其作用是不同的，一般都不是简单的线性关系，而是相互补充，相互加强。

所以通过合金元素的复合能够趋利避害，使钢获得优秀的综合性能。

例子：

①Nb-V复合合金化：

由于Nb的化合物稳定性好，其完全溶解的温度可达1325-1360℃。

所以在轧制或锻造温度下仍有未溶的Nb，能有效地阻止高温加热时A晶粒的长大，而V的作用主要是沉淀析出强化。

②Mn-V复合：

Mn有过热倾向，而V是减弱了Mn的作用；

Mn能降低碳活度，使稳定性很好的VC溶点降低，从而在淬火温度下VC也能溶解