金属材料学思考题答案1Word文档格式.docx

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0.035

高级优质钢

0.030

0.025

6.合金元素在钢中的分布或存在的形式有哪几种？

可分为五种情况：

1）形成非金属夹杂物（如氧化物、氮化物和硫化物等），2）溶入固熔体，3）形成碳化物，4）自由存在，5）金属间化合物。

7.按化学成分如何区分低中高碳钢和低中高合金钢？

碳钢：

（含碳量）低碳钢≤0.25％，中碳钢0.3－0.6％，高碳钢≥0.6％；

合金钢：

（合金元素）低合金钢<

5％，中合金钢5－10％，高合金钢>

10％

8.利用晶界偏聚理论解释钢的第二类回火脆性以及硼钢的淬透性问题

钢的溶质原子在晶界的浓度大大超过在基体中的平均浓度的现象，称为晶界偏聚。

淬火钢在淬火、回火过程中，Ni、Cr、Sb、Sn、P等都向原A晶界偏聚，产生晶界偏聚现象，Ni、Cr不仅自身偏聚，而且促进杂质元素的偏聚。

这就造成了回火钢晶界结合力降低，出现脆性。

重新加热时，可以使偏聚的合金元素重新均匀化，消除偏聚，从而消除回火脆性。

9.钢中常见的合金元素有：

C、N、Mn、Ni、Cu、Co、Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Al、Si等，回答下列问题：

（1）上述哪些是奥氏体形成元素？

哪些是铁素体形成元素？

奥氏体形成元素：

C、N、Mn、Ni、Cu、Co；

铁素体形成元素Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Al、Si。

（2）哪些元素能与α－Fe形成无限固熔体？

哪些元素能与γ－Fe形成无限固熔体？

能与α－Fe形成无限固溶体Cr、V；

能与γ－Fe形成无限固溶体Co、Mn、Ni。

（3）．上述元素哪些是碳化物形成元素?

哪些是非碳化物形成元素?

如何鉴别他们与碳的亲和力大小或强弱?

请按由强到弱将他们排列。

碳化物形成元素：

Ti、V、Cr、W、Nb、Mo、Zr、Mn；

非碳化物形成元素：

Ni、Cu、Co、Al、Si；

碳化物形成元素在原子结构上均含有未填满的d电子层。

与Fe原子相比，次电子层越不满，形成碳化物能力越强和碳的结合力越大，所形成的碳化物越稳定。

强到弱将他们排列：

Hf、Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn。

（4）．分析上述元素对Fe－C相图临界点A1，A3及S、E点影响。

奥氏体形成元素使A1，A3点下降，A4上升；

铁素体形成元素使A1，A3点上升，A4下降；

非碳化物和碳化物形成元素均使S、E点左移。

10.合金钢中常见的碳化物形成元素有哪几种类型？

并按其稳定性强弱排序。

稳定性强弱排序：

MC>

M2C>

M6C>

M23C6>

M7C3>

M3C。

11．合金元素中碳化物形成元素，非碳化物形成元素以及Si元素是如何影响钢中碳在奥氏体中扩散的？

合金元素的加入改变了碳在钢中的扩散速度，也影响奥氏体的形成速度。

碳化物形成元素Cr、Mo、W、Ti、V等，由于和碳有较强的亲和力，因此显著减慢了碳在奥氏体中的扩散速度，故奥氏体的形成速度大大减慢：

非碳化物形成元素Co和Ni提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大了奥氏体的形成速度。

Si对碳在奥氏体中的扩散速度影响不大，故对奥氏体的形成速度几乎无影响。

12．试述Cr，Ni元素对淬火马氏体的亚结构影晌。

Cr降低奥氏体层错能，亚结构为位错。

Ni提高奥氏体层错能，亚结构为孪生。

15．通过合金化使钢强化的方法有哪些?

固溶强化：

溶质原子溶入基体金属中形成固溶体能强化金属。

晶界强化：

金属晶粒越细，晶界越多，阻碍位错运动的作用也越大，从而导致屈服点的提高。

第二相强化：

分为沉淀强化和弥散强化，共同特点是第二相对位错的阻碍作用。

位错强化：

位错的数量与组态对钢塑变抗力的影响。

17．加热时合金元素对钢奥氏体晶粒长大有什么影响?

并简要说明影响原因?

强碳化物形成元素Ti、Zr、Nb等抑制了碳在钢中的扩散，强烈阻止了奥氏体晶粒的长大，合金元素Mo、W、Cr的作用适中；

非碳化物形成元素Ni、Cu、Co的作用较弱；

相反P、N、Mn等却促进奥氏体晶粒的长大。

18．简要说明合金元素对珠光体转变速度，转变温度及转变产物中碳化物类型的影响？

除Co、Al外，合金元素都能使等温转变曲线即TTT曲线右移，降低了钢的临界冷却速度，提高了奥氏体的稳定性，增加了钢的淬透性。

合金元素均使等温转变曲线下移，也就是转变温度下降，转变速度也变慢。

珠光体转变产物按转变温度分为珠光体、索氏体和屈氏体。

它们的碳化物均为渗碳体只是层片随转变温度下降越来越细。

当含NiMn量超过一定量时扩大奥氏体区元素得到单相，室温就没珠光体转变；

而当加入WMo等由于珠光体区显著右移，而贝氏体区的右移不明显时也没有真正意义的珠光体转变，而得到贝氏体组织。

19．为什么说W18Cr4V钢中会出现莱氏体？

W、Cr、V是缩小奥氏体区的元素，使A3线上升，S点左移，大部分元素均使ES线左移，E点左移意味着出现莱氏体组织的含碳量降低，这样钢中碳的质量分数不足2％时就可以出现共晶莱氏体。

保持到室温时Wl8Cr4V钢（含碳0.7－0.9％）中会出现莱氏体。

20.为什么4Cr13变为过共析钢？

所有合金元素使E点左移，钢中含碳量小于0.77％时，钢就会变为过共析钢而析出二次渗碳体。

4Cr13不锈钢，由于含Cr13％，致使共析点移至0.4％C附近，从而使4Cr13变为过共析钢。

22．简述合金元素对马氏体分解的影响?

碳化物形成元素Mo、Mn、W、Cr、V提高回火稳定性，要达到同样硬度回火温度和时间需要升高。

低温回火时，碳原子扩散缓慢。

只发生偏聚和短程扩散，合金元素对马氏体分解几乎没有影响；

中高温时随着碳原子的扩散，合金元素对马氏体分解产生影响。

①非碳化物形成元素Ni，Co，Cu等影响较小（Si除外）。

②碳化物形成元素将强烈阻碍马氏体分解和碳化物析出长大。

即推迟C从M中析出，如一般碳钢中C从M析出完全析出的温度范围是（250～300℃），而含碳化物形成元素的钢中C从M中析出的温度提高到（400～500℃），有时即使到550℃或更高温度也难以使C完全从α相中析出，表现为回火稳定性高。

③Si阻止马氏体分解，Fe-Si结合力大于Fe-C，阻止ε-FexC形核长大，Si可进入ε-FexC，但不溶Fe3C，析出时阻止M分解。

23．高碳高合金钢淬火后，钢中含有大量的残余奥氏体，采用什么热处理工艺消除？

多次高温回火或深冷处理。

24．提高钢马氏体淬透性的元素有哪些?

B，Mn，Mo，Cr对增加钢的淬透性最强，Si和Ni次之。

采用提高奥氏体稳定性的强碳化物形成元素（Mo，Cr）与强化铁素体形成元素（Mn，Si，Ni）配合，可以在很大程度上提高马氏体的淬透性。

25.为了使大截面钢正火得到贝氐体组织，为什么硼元素是不可缺少的?

B元素使珠光体曲线显著右移，推迟了珠光体的转变，但不使贝氏体的转变曲线右移。

正火时则可以得到贝氏体组织。

26.微量元素在钢中的有益效应主要有哪几方面？

1．净化作用B，RE

2．变质（降低晶粒度，控制柱状晶生长）

3．控制夹杂物的形态和分布（加Mn，控制氧化物）

4．微合金化。

27．微量B，RE等元素是如何使钢净化的?

（1）．B，RE与O或N，形成氧化物或氮化物。

（2）．B，RE等能与As，Sb，Sn，Pb，Bi形成金属间化合物。

28．普碳钢和普低钢性能上主要有什么差别?

普碳钢是碳素构件用钢，常以热轧状态供货，一般不经热处理强化。

普低钢是低合金构件用钢，是低碳、低合金元素的钢种，可进行正火、调质处理。

性能上的主要差别为普低钢的强度，尤其是屈服点大大高于含碳量相同的普碳钢。

29．简述我国普低钢（低合金高强度钢）的合金化特点（或化学成分特点）

（1）．低碳低合金元素，基本上不加镍，铬，经济性能较好。

（2）．主加合金元素是锰。

提高强度，降低脆性转变温度。

（3）．为改善钢的耐大气腐蚀性能，应加入铜和磷。

（4）．加入微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材。

综上，普低钢的合金化特点为：

低碳，合金化时以锰为基础。

适当加入铝，钒，钛，铌，铜，磷及稀土元素，其发展方向是多组元微量合金化。

30．下列是普碳钢（指出各钢号中合金元素的主要作用）指出数字字母代表的意义。

①Q235－A．F，Q屈服强度，Q235：

屈服强度是235MPa，A：

等级是A，F：

沸腾钢。

②Q235－D．Tz，Q屈服强度，Q235：

屈服强度是235MPa，D：

等级是D，Tz：

特殊镇静钢。

③Q235－B．b，Q屈服强度，Q235：

屈服强度是235MPa，B：

等级是B，b：

半镇静钢。

31．下列是普低钢，指出各钢号中合金元素的主要作用?

使用状态组织?

①16Mn，Mn：

固溶强化，细化晶粒，使钢共析点左移。

使用状态组织F+P

②09MnCuPTi，Mn：

Ti：

提高强度，细化晶粒，降低脆性转变温度。

P：

改善钢的耐大气腐蚀性能Cu：

改善钢的耐大气腐蚀性能。

使用状态组织F十P。

③10MnPNiRE：

Mn：

改善钢的耐大气腐蚀性能，RE：

脱硫去气，净化钢材。

Ni：

提高基体韧性。

④15MnV：

Mn：

V：

提高强度降低脆性转变温度。

⑤14MnMoVBRE：

Mo：

提高回火稳定性，防止第二类回火脆性。

B：

可以改变晶界状态，减少晶界偏聚。

形成贝氏体组织。

RE：

⑥18MnMoNb：

Nb：

低碳回火索氏体。

32．简述微合金化低碳高强度钢强韧化特点?

①低碳，提高钢的韧性和焊接性能。

②加入合金元素，提高强度和沉淀强化。

③控制轧制和控制冷却。

33．常规热轧钢与控制轧制冷却钢组织性能上的基本差别。

常规热轧钢与控制轧制冷却钢组织性能上的基本差别在于前者铁素体晶粒仅仅在奥氏体晶界上形核，后者由于控制轧制，奥氏体晶粒被形变带划分几个部分，铁素体晶粒可在晶界和晶粒上同时形核，从而形成了晶粒非常细小的组织。

控制轧制后空冷可使铁素体晶粒细化到5μm左右。

最终导致控制轧制冷却钢强度和韧性都得到显著提高。

34.下列是什么钢，钢中合金元素的主要作用、使用状态？

①45含碳量0.45％的优质碳素结构钢，使用状态组织为回火索氏体。

②40Cr含碳量0.4％的合金结构钢（调质钢），使用状态组织为回火索氏体。

Cr：

提高淬透性和回火稳定性。

③40CrMo调质钢，使用状态组织为回火索氏体。

④40MnVB调质钢，使用状态组织为回火索氏体。

提高淬透性，强化基体。

细化晶粒，B：

⑤20MnV渗碳钢，心部回火马氏体，表层回火马氏体、参与奥氏体、碳化物。

细化晶粒。

⑥20MnTi渗碳钢，回火马氏体。

提高淬透性，强化基体，Ti细化晶粒。

⑦65Mn弹簧钢，心部回火马氏体，表层回火马氏体、参与奥氏体、碳化物。

⑧60Si2Mn弹簧钢，回火屈氏体。

提高淬透性，强化基体；

Si：

提高回火稳定性，提高弹性极限。

⑨GCr15，铬轴承钢，含碳量0.95－1.05％，Cr1.5％，回火马氏体，碳化物，残余奥氏体，Cr提高淬透性和回火稳定性。

⑩GCrl5SiMn，轴承钢含铬量1.5％，回火马氏体，碳化物，残余奥氏体。

提高回火稳定性，弹性极限。

35．为什么低碳马氏体钢（如15MnVB，25MnTiB）经淬火加低温回火具有最佳的硬度，塑性及韧性的配合?

低碳马氏体是经淬火加低温回火后具有高密度位错的板条马氏体；

这类马氏体具有高强度与良好的塑性韧性结合。

板条内部有回火和自回火析出的均匀分布的碳化物；

板条间存在少量残余奥氏体薄膜。

保证其具有最佳的硬度、强度和塑性韧性的配合。

36．分析下列工艺曲线，指出各道热处理工艺的主要作用，热处理后室温下表面组织。

图1：

渗C后空冷和一次淬火可消除表面网状渗碳体并强化心部基体。

表层在Ac1温度以上二次淬火是不完全淬火，可改善表层组织。

得到高强度，高耐磨性组织。

200℃低温回火获得高硬度表层和强韧性的心部组织。

图2：

在淬火前进行多次高温回火可以减少淬火后表面层残余奥氏体量，使K从A中析出，随后的较低温度淬火780－800℃，析出的K不再溶入奥氏体。

Ms点回升减少了淬火后的残余A’量，200℃低温回火获得了硬度高的表层和强韧的心部组织。

表层组织：

M回+K+少量A’。

37．弹簧钢为什么要求淬火后进行中温回火?

为什么有的弹簧钢要在热处理后进行表面喷丸处理?

弹簧钢一般为较高含碳量的碳素钢和合金钢。

经淬火和中温回火后得到回火屈氏体的最终组织。

钢在淬火后不同温度回火时力学性能不同，但弹性极限σe以在400℃左右（对应组织为回火屈氏体）达到峰值。

此时钢的微观和宏观内应力已大量消除。

表面喷丸目的是使其表面强化并形成残余应力，减少表面缺陷的不良影响，提高疲劳强度。

38．简述工程结构用钢，调质钢，弹簧钢与刃具用钢在化学成分，热处理工艺，性能以及使用状态的组织有什么差别?

化学成分

热处理工艺

性能

使用状态组织

工程结构用钢

低碳钢

热轧处理或高温回火，正火、调质处理

一定的综合力学性能，耐腐蚀，良好的加工工艺，冷变和焊接性能

铁素体＋少量珠光体

调质钢

中碳钢

淬火＋高温回火

较高的强度、韧性，耐磨性

回火索氏体

弹簧钢

中高碳钢

回火＋中温回火

较高的弹性极限，高的疲劳抗力

回火屈氏体

刃具钢

高碳钢

球化退火，淬火回火

耐磨性，高强度，红硬性

回火马氏体＋颗粒状碳化物＋残余奥氏体

39．为什么工具钢在淬火前要进行锻造和球化退火?

锻造为了使工具钢中共晶莱氏体，碳化物等被打碎，使其弥散分布。

球化退火目的是得到颗粒状珠光体以降低硬度，并为淬火做好组织准备。

40．为什么工具钢淬火加热温度选择在两相区?

两相区为奥氏体加碳化物。

①细化晶粒②有高的强度和硬度。

41．高速钢的铸态组织是什么?

正常淬火回火后的组织是什么?

高速钢的铸态组织很复杂，一般为鱼骨状莱氏体，黑色的δ共析体及白色的马氏体和残余奥氏体所组成。

正常淬火回火后得到回火马氏体、粒状碳化物和少量残余奥氏体。

回火后从马氏体和残余奥氏体中析出合金碳化物。

42．为什么高速钢淬火后要选择560℃回火?

并在此温度下进行三次和多次回火?

高速钢淬火后在560℃回火时硬度强度明显升高。

为了使高速钢具有高硬度，高强度与高的红硬性，一般都在回火硬度峰值处560℃进行回火。

因高速钢淬火组织中含有大量残余奥氏体，而且稳定，所以在560℃回火一次并不能使很多残余奥氏体转变。

为了尽量的减少高速钢组织中的残余奥氏体，一般要进行三次560℃回火。

高速钢正常回火组织是回火马氏体和颗粒状碳化物及少量残余奥氏体。

44．高速钢作为刃具使用时为什么要尽量提高淬火加热温度?

决定刃具切削性能的主要指标是硬度和红硬性。

提高淬火加热温度的目的是为了得到高合金度的奥氏体。

以便淬火后获得高合金度的马氏体，为工具的高红硬性创造条件。

选择高淬火加热温度的总的原则是在不发生过热条件下尽可能的高，以提高钢的红硬性。

45．如果想选择W18Cr4V钢作为冷作模具钢使用，热处理工艺应该如何选择，为什么?

高速钢（W18Cr4V）经一般的热处理后主要缺点是韧性不足，所以作为冷作模具钢用的高速钢应在工艺上或成分上适当调整。

为了改善高速钢的韧性，可降低淬火温度。

高速钢在较低温度下加热淬火，未溶碳化物较多，因此基体中的碳及合金元素钨，钼，钒的含量都较少，于是回火析出的碳化物量也少，二次硬化的效应就减弱一些，与此相反冲击韧度值却上升了。

所以高速钢冷挤压模具可采用略低于高速钢刃具淬火温度进行淬火。

46．Cr12MoV是冷作模具钢，如要求具有较高的强度和韧性采用什么样的热处理工艺?

如要求具有高的红硬性及二次硬化效果应采取什么样的热处理工艺?

（1）．采用较低淬火温度和低温回火，即一次硬化处理。

（2）．采用高温加热淬火后多次高温回火，硬度增大，红硬性高且达到二次硬化的效果。

47．什么是基体钢?

与高速钢相比主要的性能特点是什么?

基体钢一般是指成分相当于高速钢淬火组织中基体成分的钢种。

凡是在高速钢淬火组织基体成分基础上，适当调整碳化物及合金元素含量以改善性能的钢种都可以称为基体钢。

与高速钢相比，基体钢的过剩碳化物较少，颗粒细小，分布均匀，所以冲击韧性和疲劳强度都较好，同时也保持了较高的耐磨性和红硬性。

基体钢不仅用于冷作模具钢，也可以用于热作模具钢。

48．下列是什么钢，钢中合金元素的主要作用，使用状态?

①T10A，优质碳素工具钢。

回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体；

②9SiCr低合金工具钢。

回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体，Cr：

提高淬透性，强度硬度。

③9Mn2V，低合金工具钢。

回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体，Mn：

提高淬透性，强韧性。

细化晶粒，耐磨。

④CrWMn，低合金工具钢。

提高淬透性，强度。

W：

提高耐磨性。

⑤5Cr2W8V，热作模具钢。

回火索氏体，W：

提高耐磨，回火稳定性。

提高钢的高温强度，淬透性，抗变形磨损能力，抗热疲劳和韧性。

提高钢的高温强度，硬度和回火稳定性，细化晶粒。

⑥Cr12MoV冷作模具钢。

回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体，V：

提高淬透性，回火稳定性。

⑦5CrNiMo热作模具钢。

回火索氏体，Cr：

提高钢的高温强度，硬度和回火稳定性，抗变形磨损能力，抗热疲劳和韧性。

提高钢的韧性。

提高钢的高温强度，硬度和回火稳定性，防止第二类回火脆性。

⑧W6Mo5Cr4V2高速工具钢。

回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体，W：

提高耐磨、红硬性，提高回火稳定性，产生弥散强化。

提高耐磨，红硬性，细化组织，提高强韧性。

提高耐磨性，硬度，红硬性。

细化晶粒，降低过热敏感性。

提高淬透性和耐磨性，提高耐蚀性能减少粘刀，改善刀具切削能力。

⑨4Cr5MoSiV，热作模具钢。

提高钢的高温强度，硬度和热稳定性，抗变形磨损能力，抗热塑形变形能力，抗热疲劳和冲击韧性。

高的淬透性，一定导热性。

提高钢的高温强度，硬度和回火稳定性，消除回火脆性。

提高淬透性，强化基体，提高抗烧蚀能力。

⑩6Cr4W3Mo2WNb（65Nb）基体钢。

提高强度，淬透性，耐磨性。

49．金属的化学腐蚀和电化学腐蚀的主要差别？

化学腐蚀的特点是金属腐蚀过程中没有电流流动，并且腐蚀产物直接在金属表面产生。

电化学腐蚀是有电流产生的腐蚀过程，比化学腐蚀更严重，更普遍的形式。

50．金属腐蚀破坏的基本类型主要有哪几种?

①均匀腐蚀：

均匀腐蚀是一种最常见的腐蚀。

特点是腐蚀发生在与腐蚀介质相接触的整个金属表面上，使金属有效截面不断减少，直到破坏。

②晶间腐蚀：

沿金属晶界进行的腐蚀，危害性很大，容易造成设备突然事故的破坏形式。

③点腐蚀：

又称孔蚀，是发生在金属表面局部区域的一种腐蚀形式。

往往是由不锈钢表面钝化膜局部破坏所引起的，另外不锈钢表面的缺陷，疏松，非金属夹杂物等也是引起点蚀的重要原因。

④应力腐蚀：

指处于拉应力状态下的金属在特定的腐蚀介质中，沿某些显微路径发生腐蚀而导致破坏。

⑤磨损腐蚀：

同时存在着腐蚀和机械磨损，两者相互加速的腐蚀。

⑥腐蚀疲劳：

在交变应力作用下金属在腐蚀介质中的破坏形式。

51．铁素体不锈钢的主要缺点是脆性问题，主要有哪几种脆性，怎样产生的?

①高温脆性（925℃脆性）：

高Cr铁素体钢，当加热到900－1000℃以上，然后冷却到室温，会呈现严重的脆化，其抗蚀性急剧降低。

原因：

对含有较多间隙原子的铁素体不锈钢，从高温冷到室温时会在晶界处或位错上析出高Cr的碳化物或氮化物引起脆性。

②σ相析出：

铁素体不锈钢在550－850℃长期停留，将从δ铁素体中析出σ相，σ相硬度大，析出时易变形，使钢变脆。

σ相形成是缓慢的，温度越低形成速度越慢。

已形成σ相而变脆的钢，在850℃以上保温时间不少于lh，则σ相会重新溶解，使钢的塑性，韧性恢复正常。

③475℃脆性：

高Cr铁素体钢中，Cr>

15％时，在400～525℃温度范围长时间加热或在此温度范围内缓冷时，钢在室温下变得很脆，最高脆化温度在475℃左右，称为475℃脆性。

在475℃加热时，在铁素体内的Cr原子趋于有序化，形成许多富Cr小区域，它们与母相共格，引起点阵畸变和内应力，使钢的韧性降低强度升高。

53．奥氏体不锈钢在使用过程中经常发生的腐蚀破坏形式有哪几种?

有晶间腐蚀，应力腐蚀，点腐蚀。

54．什么是奥氏体不锈钢的晶间腐蚀，防止方法有哪些?

答：

晶间腐蚀：

敏化处理后的奥氏体不锈钢，由于晶界析出大量的Cr23C6，使得晶界附近区域贫Cr，造成晶界区域耐蚀性降低，易发生腐蚀的现象。

消除方法

（1）固溶处理；

（2）降低含碳量，（3）加Ti，Nb稳定化处理（4）改变晶界上碳化物析出数量及分布形态，减少在晶界的析出.

55．什么是奥氏体不锈钢的稳定化处理?

奥氏体不锈钢的稳定化处理是针对加钛和铌的l8－8奥氏体不锈钢而设计的一种热处理工艺。

加钛和铌的目的是让钢中的钛和铌形成稳定的TiC和NbC，而不形成或形成少量的Cr23C6，这样就可以防止18－8型钢的晶间腐蚀。

只要将钢的温度加热到高于Cr23C6溶解温度，低于NbC的溶解温度，并在此温度保温几个小时再冷却至室温就可以实现，这种处理称之为稳定性处理。

56．比较F