工程材料78章作业Word文档格式.docx

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一、

1、C含量低：

多限制C≤0.20%，其韧性、焊接性能和冷成形性能好。

因为C增加、钢的强度增加，但焊接性能、冷加工性能变坏、韧脆转变温度升高。

2、Mn为主加合金元素：

固溶强化铁素体、提高钢材的强度额韧性、韧脆转变温度降低，是钢有较好的低温韧性，固溶强化作用显著，但塑性和韧性降低，韧脆转变温度升高。

3、V、Ti、Nb（＜0.1%）等微合金元素：

细小碳化物或碳氮化物，有利于获得细小的铁素体晶粒，改进焊接性能。

4、Mo：

显著提高强度、高温抗蠕变及抗氢腐蚀能力增强、提高热强性效果显著。

但是，单独加Mo容易发生石墨化倾向，Mo（与Cr同时加），可以防止石墨化倾向。

二、

16MnR是屈服强度350MPa级的普通低合金高强度钢。

具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能、及低温冲击韧性。

15MnNbR：

屈服强度为370MPa级低合金高强度钢，显微组织为铁素体＋珠光体。

强度与韧性优于16MnR，其焊接性能和抗硫化氢性能与16MnR相似。

15MnNbR为新增钢种，主要取代进口钢板，应用于液化石油气大型储罐，课明显降低钢板的厚度，降低加工费用，保证大型储罐的加工质量。

15MnVR、18MnMoNbR：

强度高，但塑性、韧性较C-Mn钢低，且有较高的缺口敏感性和失效敏感性。

13MnNiMoNbR：

C—Mn钢主加Mo、Cr、Ni等，固溶强化铁素体，为目前我国单层卷焊厚壁压力容器的一个综合性能较理想的钢号。

07MnCrMoVR：

用于高参数球形容器的一个力学性能和焊接性能相当理想的钢号，集高强度、高韧性和优良焊接性于一体，已成为我国建造大型球罐的主要钢种。

5、在高温下工作的钢材有什么特点？

解释该文下钢材的特有现象：

蠕变、高温应力松弛、珠光体球化、渗碳体石墨化、合金元素重新分配等。

1、高温下钢会产生蠕变现象。

2、高温下钢的组织结构常会发生转变。

3、高温下钢的力学性能随温度及负荷持续时间而变化。

4、高温腐蚀

蠕变：

金属在长时间的恒温、恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形的现象。

高温应力松弛：

装备构件在高温、长期应力作用下，其总变形不变，所受应力随作用时间的增加而自发的逐渐降低的现象。

珠光体球化：

是低合金珠光体耐热钢在高温长期作用下，珠光体组织中片状渗碳体逐渐转变为球状渗碳体，并逐渐聚集长大的现象。

渗碳体石墨化：

是钢材在高温作用下渗碳体自行分解的一种现象，也称为析墨现象。

6、为什么耐热钢倡议铬、钼、钒为主要合金元素？

加入铬可以在钢表面形成一层稳定性高、致密而完整的氧化铬膜，具有良好的保护作用，能阻止铸铁继续氧化和生长，这些元素能提高铸铁的相变温度，促使铸铁得到单相铁素体基体；

加入铬钒钼等元素使碳化物稳定，在高温下不发生分解，避免发生石墨化过程。

7、用哪些性能指标衡量耐热钢的耐热性能？

（1）、蠕变极限：

在一定的工作温度下，在规定的使用时间内，材料的蠕变变形量不差破过某一规定值的最大应力。

表示材料在长期。

高温复合作用下抵抗塑性变形的能力。

（2）、持久强度：

在给定的温度下，材料受载发生蠕变，当达到给定时间后，材料不发生断裂的最大应力，也是材料产生断裂时的最小破坏应力。

（3）、松弛稳定性：

装备构件在高温。

长期应力作用下，其总变形不变，所受应力随作用时间的增加而自发的逐渐降低的现象。

材料抵抗应力松弛的性能。

（4）、高温强韧性：

要求发哦文用钢有高的高温持久强度和蠕变断裂韧性。

（5）、化学稳定性：

高温抗氧化性：

取决于氧化反应的热力学与动力学条件，表面氧化膜的结构与性能。

8.为什么面心立方结构的铬镍奥氏体钢在低温下不容易发生脆断？

钢材低温脆断有哪些特点？

因为面心立方金属的屈服强度没有显著变化，且不易产生形变孪晶，位错容易运动，局部应力易于松弛，裂纹不易传播，一般没有脆性转变温度。

特点：

（1）低温脆断的名义应力都较低，一般低于材料的屈服强度，往往还低于设计应力。

（2）构件低温脆断之前没有明显的塑性变形，或只有局部少量塑性变形，断裂总是从缺陷处或几何形状突变的盈利或应力集中处开始。

（3）脆性破坏一旦开始，便以极高的速度发展，一般是声速的1/3左右。

（4）低温下脆性断裂的材料，其原有韧性均较低，尤其是缺口试样，低温缺口敏感性更大，韧性更差。

9.分析影响低温韧性的各种因素，并提出低温用钢对性能的要求。

影响因素：

（1）晶体结构：

不同晶体结构的金属材料，低温对其韧性的影响有很大区别。

如，具有体心立方晶格结构的铁素体钢的脆性转变温度较高，在低温下材料的韧性差，脆性断裂倾向较大；

密排六方结构次之；

面心立方结构的奥氏体钢基本上没有低温脆性。

（2）化学成分：

化学成分变化对金属材料低温韧性有明显影响。

如钢中碳含量增加使低温韧性下降，锰的添加对钢的韧性有利，镍是降低钢在低温下变脆的最有效的合金元素，铝、硅、钒、钛、铌等元素也能降低韧脆转变温度，钢的洁净度是影响钢的韧性的关键因素，钢中存在微量的磷、硫、砷、锡、铅、锑等元素及氮、氧、氢等气体对钢的韧性起有害作用。

（3）晶粒尺寸是影响钢的低温脆断的重要因素：

细晶粒不仅使金属有较高的断裂强度，而且使脆性转变温度降低。

（4）热处理和显微组织：

当钢的成分相同时，调质处理的低温韧性较好，正火处理的次之，退火处理的较差（热处理的两个作用），在回火组织（回火马氏体）中有一定量的残余奥氏体或铁素体，可有效地阻止裂纹扩展。

（5）缺口效应和应力集中（6）其他影响金属材料韧性的因素：

厚度、加工硬化、焊接、加载速度、温度、介质等。

低温用钢对性能的要求：

（1）σb/σs比值：

在低温下，可以用钢材的σb/σs比值简单地判断在该温度下材料的脆性行为。

σb/σs比值愈接近1，变脆的可能性愈大。

10.以国外的含镍钢及国内的含锰钢为例，分析低温钢提高低温韧性的途径。

（1）锰的添加对钢的韧性有利，随钢中锰含量的增加，夏比缺口冲击值提高，韧脆转变温度降低，适当选择较高的锰碳比，可以降低低温脆性。

（2）镍是降低钢在低温下变脆的最有效的合金元素，所以提高低温钢的低温韧性的途径为适当增加钢中锰和镍的含量。

11.分析耐蚀低合金钢的耐蚀机理。

少量合金元素铜、磷、铬、铝、硅、钒、钛、铌及稀土加入对钢材耐腐蚀性各有什么影响？

通过在低合金钢中加入某种或某几种元素，促使钢表面形成致密的腐蚀产物保护膜；

在钢表面富集热力学稳定的元素或组分；

使钢表面处于钝化状态等来增强低合金钢的耐蚀性就是其耐蚀机理。

铜:

在弱腐蚀介质中，促使低合金钢产生基体钝化、减弱钢的阳极活性。

磷：

低合金钢+P与Cu；

或P与Cr；

或P、Cr、Cu三者同时加入钢中，则耐大气腐蚀性能显著提高。

低合金钢加入P与Cu、或P与Si、或P、Si、Cu三者同时加入钢中，耐海水腐蚀性能也提高。

铬：

抗H2S、NH3、CO2、H2O、高温高压H2、N2、NH3及抗海水腐蚀的能力提高。

铝：

抗大气、NH3-CO2-H2O、H2S、弱酸的腐蚀能力提高。

硅：

耐自然环境条件的腐蚀及抗高温氧化性提高。

钒、钛、铌：

可与钢中的C形成弥散的碳化物，使材质均匀。

稀土元素：

可以降低电化学腐蚀速度及应力腐蚀、腐蚀疲劳的敏感性，增强钢的表面腐蚀产物膜与基材的结合力，使保护膜不易脱落。

12．低合金钢耐大气腐蚀及耐海水介质腐蚀的机理有何异同？

耐大气腐蚀机理：

钢加入少量合金元素（如Cu、P、Cr等），以促使阳极钝化或提高阳极相的热力学稳定性以及改善腐蚀产物的保护性能。

耐海水腐蚀机理：

大多数金属的阳极过程阻力很小，金属难以钝化；

活性氯离子的积聚浓缩会导致局部腐蚀（点蚀）；

双金属会发生电偶腐蚀（电位较低的金属腐蚀速度较快，电位较高的金属腐蚀速度较慢）。

13.为什么低合金钢耐湿H2S腐蚀开裂的性能与材料强度、组织结构及钢材杂质含量有密切关系，而耐氢腐蚀性能却与低合金钢中含碳量及有否加入强碳化物形成元素有关？

这与两种耐腐蚀机理有关。

耐氢腐蚀机理：

H或H2与钢中的C反应生成CH4，使钢脱C，塑性和强度降低，直至鼓泡和开裂；

提高钢的抗氢腐蚀性能主要采用两种方法：

尽量降低钢中的C量。

耐湿H2S腐蚀开裂机理：

氢损伤，通过腐蚀反应（Fe+H2S→FeS+2H）生成氢原子，而H2S又作为原子H合成H2分子的毒化剂，使得原子氢进入钢的基体，按氢脆机理造成钢的脆性断裂，硫化物应力腐蚀开裂SSCC。

氢脆机理：

H进入钢材表面或内部，H聚集引起钢材开裂，裂纹沿平行钢材的亚表面、或内部扩展，导致氢脆断裂。

应力导向引起的事故最严重，因为在应力的引导下，H聚集而形成成排的小裂纹（在夹杂物边缘与缺陷处），裂纹沿垂直于应力（即向设备与管道的厚度）方向发展，低合金钢的强度愈高，裂纹扩展速率愈大，产生瞬间的爆裂，引起灾难性的事故。

从两者的耐腐蚀机理不难看出低合金钢耐湿H2S腐蚀开裂的性能与材料强度、组织结构及钢材杂质含量有关，耐氢腐蚀性能与低合金钢的含碳量及有否加入强碳化物形成元素有关。

14、为什么18-8型及18-12-Mo2型奥氏体不锈钢能在强腐蚀环境状况中得到广泛的应用？

这两种类型的奥氏体不锈钢各应用在什么介质条件下有优良的耐腐蚀性能？

1、有优良的耐蚀性能、高低温强度高、韧塑性与加工工艺性能好，综合性能最好，得到广泛的应用。

2、此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外，由于奥氏体不锈钢具有全面的和良好的综合性能，在各行各业中获得了广泛的应用。

18-8型奥氏体不锈钢在氧化性腐蚀介质、18-12-Mo2型在还原性腐介质条件下有优良的耐腐蚀性能。

15、奥氏体不锈钢常用的固溶处理及稳定化处理的目的是什么？

熟悉两种热处理的工艺规范。

目的：

当C＞0.03%时，C超过奥氏体的溶碳量，钢只有快速从溶解度以上高温冷却到室温（避免在溶解度以下的高温停留），才能得到含过饱和碳的单一奥氏体组织

稳定化处理是为了固定碳：

固定碳加入Ti、Nb等强碳化物形成元素，需进行稳定化处理，但稳定化处理也不能防止奥氏体不锈钢在某些介质中的晶间腐蚀。

固溶处理的影响：

固溶处理后，使奥氏体成份均匀化，抑制高铬碳化物的形成。

处理工艺：

稳定化处理：

把钢加热到850~900℃，保温2~4小时，再通过水冷快速降至室温，因TiC或NbC沉淀的最快速度是在880℃左右

使碳化物溶于高温奥氏体中，再通过快速水冷却至室温获得单一的奥氏体组织。

16、与普通铸铁作比较，耐蚀、耐磨、耐热铸铁为什么具有特殊性能？

耐蚀：

添加Si,Cr,Al等，使表面形成致密且附着力强的保护膜；

添加Si,Cr,Mo,Cu,Ni等，提高基体电极电位；

改变组织，获得奥氏体组织，使石墨球化等。

耐蚀铸铁就是在铸铁中加入Si、Al、Cr、Ni等元素构成的。

常用高硅铸铁Si含量14~16%，依靠表面SiO2膜而抗蚀。

铝铸铁：

含3.5-6%Al的铸铁。

能在铸铁表面形成含Al2O3的保护膜。

耐磨：

耐磨铸铁分为减磨铸铁和抗磨铸铁两类。

（1）减磨铸铁

常用的和金减磨铸铁有高磷铸铁，它含有0.4%~0.7%的磷。

P在主贴中能形成各种Fe3P共晶的坚硬骨架，使铸铁的耐磨性提高。

另一种减磨铸铁是磷铜钛铸铁，这种铸铁中，磷的作用同高磷铸铁，铜能促进第一阶段石墨化并能细化珠光体，钛能促进石墨化，并可形成高硬度的TiC。

含高磷的铬钼铜铸铁也是一种有价值的减磨铸铁。

（2）抗磨铸铁

抗磨铸铁的组织应具有均匀的高硬度。

普通白口铸铁就是一种抗磨性搞的铸铁，但其脆性大，因此常加入适量的Cu、Cr、Mo、W、Ni、Mn等合金元素，增加其韧性，并具有更高的硬度和耐磨性。

耐热：

高温下能抗“氧化”和“生长”且能承受一定载荷的铸铁。

氧化——铸铁在高温下与周围气氛接触使表层发生化学腐蚀的现象。

生长——铸铁在600℃以上反复加热冷却时产生的不可逆体积长大的现象。

铸铁“生长”的原因：

氧化性气体渗入铸铁内部发生了内氧化；

铸件中的渗碳体在高温下“石墨化”以及加热冷却过程中铸铁基体组织发生相变引起体积变化。

“氧化”和“生长”的危害：

铸件在高温和载荷作用下，由于氧化和生长最终导致零件变形、翘曲、萌生裂纹、甚至破裂。

17、将回转件、紧固件、轴承、弹簧等各类零部件的主要工作条件及失效情况作比较，了解各种零部件对材料性能要求的异同。

一、轴类零件对材料的要求

i）具有高的强度，足够的刚度和良好的韧性，以防止断裂及过量变形；

ii）具有高的疲劳强度，防止疲劳断裂；

iii）具有较高的硬度和耐磨性；

iV）具有一定淬透性，保证轴有（1/2～2/3）R的淬硬层深度。

二、齿轮类零件对材料的要求：

具有高的接触疲劳强度，高的表面硬度和耐磨性；

具有高的抗弯强度，适当的心部强度和韧性；

具有良好的切削性能，淬火变形要小；

两齿轮啮合，小齿轮硬度应比大齿轮高些。

螺栓连接对材料性能的要求：

强度高；

塑性韧性好，缺口敏感性小；

抗松弛稳定性高；

脆断倾向小；

有良好的化学稳定性；

合理匹配螺栓与螺母材料。

三、滚动轴承对材料性能的要求

a.高的强度，尤其是高的接触疲劳强度；

b.高而且均匀的硬度和耐磨性；

c.适当的韧性和淬透性，并具有一定的抗蚀能力；

d.各种性能均匀而且稳定。

四、弹簧对材料性能的要求

a.高的弹性极限、屈服强度和高的屈强比；

b.高的疲劳强度；

c.具有足够的塑性和韧性，大尺寸弹簧有好的淬透性；

d.在高温及腐蚀性条件下的弹簧所用钢材应具有良好的耐热和抗蚀性。

18、列表比较制造轴、齿轮、转子、与叶轮、螺栓连接、轴承、弹簧等零部件常用材料的牌号、热处理状态、主要考核性能指标。

常用材料牌号

热处理状态

主要考核性能指标

轴

Q235、Q255、Q275

35、45、5045钢

40Cr、40MnB、20CrMnTi、12CrNi3

不需热处理

提高耐磨性、疲劳强度

强度和淬火性比碳素钢好

强度、刚度

齿轮

中碳钢：

Q255、Q275、40、45、50

碳钢或中碳低合金钢

合金渗碳钢或碳氮共渗钢，如20Cr、20CrMnTi

氮化钢

正火或调质处理

高频或中频淬火及低温回火

调质处理及氮化处理

接触疲劳强度

抗弯强度

切削性能

心部强度和韧性

转子和叶轮

选用轴类常用材料

与轴类相似

转子对材料的要求与轴基本相同。

螺栓连接

Q235-A/Q215-A

40MnB、40MnVB、40Cr/35、40Mn、45

30CrMoA/40Mn、45/30CrMnA

热轧/热轧

正火/热轧、正火

调质/正火

调质/正火、调质

调质/调质

强度；

塑性韧性，缺口敏感性；

抗松弛稳脆断倾向；

轴承

GCr15、GCr15SiMn、GCr6、GCr9、GCr9SiMn、

球化退火和低温回火。

精密轴承冷处理

强度和淬透性抗蚀能力性能均匀而且稳定性

弹簧

典型牌号有：

65Mn、60Si2Mn、50CrVA、55SiMnMoVNb、60Si2MnBRe

淬火、中温回火

弹性极限、屈服强度和屈强比；

疲劳强度；

塑性和韧性

19、从管道材料考虑，如何预防压力管道发生断裂和泄漏？

压力管道对材料性能的要求：

①足够的强度，良好的塑性和韧性。

②良好的冷热加工成形性能。

尤其是良好的焊接性能。

③与环境条件协调，有适当的耐热性、耐腐蚀性、耐磨性等。

20、分析下列牌号钢铁的种类、含碳量及主要合金元素的含量、常用热处理工艺、使用状态下的金相组织、性能特点及用途举例。

（1）HT200：

灰口铸铁，含碳量2.7～4.0％、含硅量0.5～3％和锰、磷、硫总量不超过2％，抗拉强度为200MPa,较高强度铸铁，基体为珠光体，强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性也良好；

铸造性能较好，需要进行人工时效处理QT450-5：

球墨铸铁，含碳量3.0～4.0%，含硅量1.8～3.2%　抗拉强度σb（MPa）：

≥450条件屈服强度σ0.2（MPa）：

≥310伸长率δ（%）：

≥5热处理规范：

铸态金相组织：

石墨+铁素体+珠光体STSi15Re：

高硅铸铁，Wc≤1.00，Wsi14.25~15.75Wmn≤0.50Wp≤0.10Ws≤0.10WRe≤0.10HRC≤48ZG230-450：

组成元素比例（%）：

碳C:

≤0.20；

锰Mn：

≤1.20；

磷P：

≤0.04；

硫S：

硅Si：

≤0.50；

热处理：

退火：

正火：

正火回火（回火温度≤550℃）ZGCr5Mo：

ZG1Cr18Ni9：

（2）

牌号

种类

含碳量及主要合金元素含量

常用热处理工艺

使用状态下的金相组织

性能特点

用途举例

Q235-A·

F

屈服点为235MPa的低碳沸腾钢

其含碳量≤0.25％内含≤1.2％的Mn

热轧

焊接性和冷成形性优良

压力<

0.16MPa、温度在0℃~250℃、压力容器壳体厚度<

12mm

Q235-A

屈服点为235MPa的普通低碳镇静钢

其含碳量≤0.25％内含≤1.2％的Mn，少量为脱氧而加的Si、Al等元素，同时含硫和磷有

铁素体+珠光体

屈服强度为235MPa，抗拉强度372-461MPa，伸长率21%-26%

压力小于或等于1.10MPa、温度在0～350℃、压力容器壳体厚度小于16mm、

Q255-B

普通中碳B类镇静钢

含碳量0.18~0.28Mn：

0.40-0.70

Si：

≤0.30

具有较好的强度、塑性和韧性和冷、热压力加工性能

轧制成型钢

20

优质碳素结构钢

含碳量0.17~0.24Mn：

0.35～0.65

0.17～0.37

正火

塑性焊接性逗号

制作不太重要的中、小型渗碳，碳氮共渗件、重型机械拉杆、钩环等。

20R

平均含碳量0.20％的容器

其含碳量≤0.25％内含≤1.2％的Mn，少量为脱氧而加的Si、Al等元素

淬火

σb：

410~550MPa

σs：

适用于中常温压力容器受压元件用厚度为6～10Omm

20g

低碳钢钢板

热轧或正火

较高的冲击韧性、应变时效冲击值

≤450℃与压力容器常用高温低碳钢

20G

低碳钢钢管

具有较好的强度和塑性

45

普通中碳钢

含碳量0.42~0.50Mn：

0.50~0.80

Cr：

≤0.25

Ni：

正火、淬火、回火

较好的切削性能，较高的强度和韧性等综合机械性能

广泛用于机械制造，是轴类零件的常用材料

（3）低合金高强度钢16MnR含碳量≤0.20%，主要合金元素Mn1.20~1.60%、Si0.20~0.55%，热处理工艺：

热轧、控轧式正火，使用状态下的金相组织为铁素体加珠光体，主要用于制造中低压压力容器壳体及承压构件、液化石油气瓶及中小型球罐。

13MnNiMoNbR含碳量≤0.15%，主要合金元素Mn1.20~1.60%、Si0.20~0.55%、Mo0.02~0.04%、Nb0.005~0.02%、Cr0.2~0.4%、Ni0.6~1.0%，热处理工艺：

正火+回火，使用状态下的金相组织为铁素体加珠光体，用于制造单层卷焊厚壁压力容器。

07MnCrMoVR含碳量≤0.09%，主要合金元素：

Mn1.20~1.60%、Si0.20~0.40%、V0.02~0.06%、Mo0.10~0.30%、Cr0.10~0.30%、Ni≤0.3%，热处理工艺：

调质。

使用状态下的金相组织为铁素体加珠光体。

用于高参数球形容器的制造。

（4）珠光体耐热钢15CrMo含碳量0.12~0.18%，主要合金元素Cr0.8~1.10%、Mo0.4~0.55热处理工艺：

正火＋回火。

使用状态下金相组织为珠光体加铁素体。

用于≤550℃高中压蒸汽管。

12Cr1MoV含碳量0.08~0.15%，主要合金元素Cr0.9~1.2%、Mo0.25~0.35%、V0.15~0.30，热处理工艺：

用于≤580℃高压锅炉过热器管、联箱、主要汽管。

1Cr5Mo含碳量0.15%，主要合金元素Cr4.0~6.0%、Mo0.45~0.60%。

热处理工艺：

退火。

用于≤600℃高温炉管及部件。

（5）

0.5Ni

2.25Ni

3.5Ni

9Ni

16MnD

16MnDR

09Mn2VD

09Mn2VDR

低温钢

含碳量及合金元素含量

≤0.17

≤0.05

≤0.13

≤0.20

≤

≤0.12

正火或调质

调质

使用状态下金相组织

珠光体+铁素体组织

马氏体+贝氏体

细小的铁素体和少量珠光体

低温韧性好

低温韧性

低温冲击韧性

—60℃下经济钢

低温热交换器钢