工程材料学河北科技大学 金属材料工程

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1、 一、填空题 （30分）1、钢的合金化基本原则是 多元适量、复合加入 。在钢中细化晶粒作用较大的合金元素有 Ti、V、Nb 等，细化晶粒对钢性能的作用是 既强化又韧化 。2、在钢中，常见碳化物形成元素有 Ti、Nb、V、Mo、W、Cr、 （按强弱顺序排列，列举5个以上）。钢中二元碳化物分为两类：rc/rM 0.59为 简单 点阵结构，有MC和 M2C 型；rc/rM 0.59为 复杂点阵结构，有 M23C6 、 M7C3 和 M3C 型。3、选择零件材料的一般原则是 使用性能要求 、 工艺性要求 和 经济性要求等。汽车变速箱齿轮常用 20CrMnTi 钢制造，经 渗碳 和 淬回火 热处理。4、

2、奥氏体不锈钢1Cr18Ni9晶界腐蚀倾向比较大，产生晶界腐蚀的主要原因是 晶界析出 Cr23C6，导致晶界区贫Cr ，为防止或减轻晶界腐蚀，在合金化方面主要措施有 降低碳量 、 加入Ti、V、Nb强碳化物元素 。 5、影响铸铁石墨化的主要因素有 碳当量 、 冷却速度 。球墨铸铁在浇注时要经过 孕育 处理和 球化 处理。 6、铁基固溶体的形成有一定规律，影响组元在置换固溶体中溶解情况的因素有： 溶剂与溶质原子的点阵结构 、 原子尺寸因素 、 电子结构 。 7、对耐热钢最基本的性能要求是 良好的高温强度和塑性、 良好的化学稳定性 。常用的抗氧化合金元素是 Cr 、 Al 、 Si 。1、钢中二元碳

3、化物分为二类：rC / rM 0.59，为 复杂 点阵结构，有M3C、 M7C3 和 M23C6 型。两者相比，前者的性能特点是硬度高、 熔点高 和 稳定性好 。2、凡能扩大区的元素使铁碳相图中S、E点向 左下 方移动，例 Mn Ni 等元素（列出2个）；使区缩小的元素使S、E点向 左上 方移动，例 Cr 、Mo、W 等元素（列出3个）。3、提高钢淬透性的作用是 获得均匀的组织，满足力学性能要求 、 能采取比较缓慢的冷却方式以减少变形、开裂倾向 。4、高锰耐磨钢（如ZGMn13）经水韧处理后得到 奥氏体 组织。在高应力磨损条件下，硬度提高而耐磨，其原因是 加工硬化 及 奥氏体中析出K和应力诱发

4、马氏体相变 。5、对热锻模钢的主要性能要求有 高热强性 、 良好的热疲劳抗力 、良好的冲击韧性 和良好的淬透性及耐磨性。常用钢号有 5CrNiMo （写出一个）。 6、QT600-3是 球墨铸铁 ，“600”表示 抗拉强度600MPa ，“3”表示 延伸率 3% 。H68是 黄铜 ，LY12是 硬铝 ，QSn4-3是 锡青铜 。 7、在非调质钢中常用微合金化元素有 Ti、V 等（写出2个），这些元素的主要作用是 细化晶粒组织 和 弥散沉淀强化 。 8、铝合金热处理包括固溶处理和 时效硬化 两过程，和钢的热处理最大的区别是 加热过程中没有同素异构转变 1、细化晶粒对钢性能的贡献是强化同时韧化；提

5、高钢淬透性的主要作用是使零件整个断面性能趋于一致，能采用比较缓和的方式冷却。2、滚动轴承钢GCr15的Cr质量分数含量为1.5%。滚动轴承钢中碳化物不均匀性主要是指碳化物液析、带状碳化物、网状碳化物。3、选择零件材料的一般原则是使用性能要求、工艺性要求和经济性要求等。4、凡是扩大区的元素均使Fe-C相图中S、E点向左下方移动，例Ni、Mn等元素；凡封闭区的元素使S、E点向左上方移动，例Cr、Si、Mo等元素。S点左移意味着共析碳含量减少，E点左移意味着出现莱氏体的碳含量减少5、铝合金可分铸造铝合金和变形铝，变形铝又可分硬铝、超硬铝、锻铝和防锈铝。6、H62是表示压力加工黄铜的一个牌号，主要成份

6、及名义含量是Cu62%、Zn38%。7、在非调质钢中常用微合金化元素有Ti、V、Nb、N等，这些元素的主要作用是细化组织和相间沉淀析出强化。8、球铁的力学性能高于灰铁是因为球铁中石墨的断面切割效应、石墨应力集中效应要比灰铁小得多。9、铝合金热处理包括固溶处理和时效硬化两过程，和钢的热处理最大区别是铝合金没有同素异构相变。二、解释题（30分）1、40Mn2钢淬火加热时，过热敏感性比较大。答案要点：在C%较低时，Mn可以细化珠光体。在C%较高时，Mn加强了C促进奥氏体晶粒长大的作用，且降低了A1温度。因此40Mn2钢过热敏感性比较大。2、40CrNiMo钢正火后，切削性能比较差。答案要点：40Cr

7、NiMo钢因含有Ni、Cr能提高淬透性，正火后都能得到许多马氏体组织，使切削性能变差。3、球墨铸铁的强度和塑韧性都要比灰口铸铁好。答案要点：球铁中，石墨呈球形，灰口铁石墨呈片状。球状石墨对基体的切割作用和石墨的应力集中效应大大小于片状，球铁基体的利用率大大高于灰口铁，所以球墨铸铁的强度和塑韧性都要比灰口铸铁好。4、铝合金的晶粒粗大，不能靠重新加热热处理来细化。答案要点：由于铝合金不象钢基体在加热或冷却时可以发生同素异构转变，因此不能像钢一样可以通过加热和冷却发生重结晶而细化晶粒。5、H68、H70俗称弹壳黄铜，常用于制造炮弹壳、子弹壳。答案要点：H68、H70 组织中只有单相组织，它的塑性较好

8、，因此适合制造一些需要进行深冲加工的零件如炮弹壳、子弹壳等。6、在一般钢中，应严格控制杂质元素S、P的含量。答案要点：S元素在钢中会形成低熔点（989）FeS，在1000以上的热压力加工过程中会熔化，使钢在热压力加工中产生热脆；P元素在钢中会形成硬脆的Fe3P相，使钢在冷加工中产生应力集中而发生冷脆。所以，一般钢中S、P常看作杂质元素，应严格控制的含量。1、高速钢的回火工艺常采用：回火温度560左右，回火3次。答案要点：由于高速钢中高合金度马氏体的回火稳定性非常好，在560左右回火，才能弥散析出特殊碳化物，产生硬化。同时在560左右回火，使材料的组织和性能达到了最佳状态。一次回火使大部分的残留

9、奥氏体发生了马氏体转变，二次回火使第一次回火时产生的淬火马氏体回火，并且使残留奥氏体更多地转变为马氏体，三次回火可将残留奥氏体控制在合适的量，并且使内应力消除得更彻底。2、在低合金高强度构件用钢中，Si、Mn元素的加入量有限制，一般Si1.1%,Mn2%。答案要点：Si、Mn元素都能强化铁素体，在低合金高强度构件用钢中可以提高钢的强度，但是当Si1.1%、Mn2%时，却显著地降低钢的塑性。所以，在低合金高强度构件用钢中，Si、Mn元素的加入量有限制。3、Si是非碳化物形成元素，但能有效地提高钢的低温回火稳定性。答案要点：Si虽然是非碳化物形成元素，但在低温回火时可以抑制-FexC的形成和转变为

10、Fe3C，即有效地阻止了Fe3C的形核、长大及转变。所以能有效地提高钢的低温回火稳定性。4、4Cr13含碳量（质量分数）为0.4%左右，但已是属于过共析钢。答案要点：Cr元素使共析S点向左移动，当Cr含量达到一定程度时，S点已左移到小于0.4%C，所以4Cr13是属于过共析钢。5、40 CrNi钢淬火高温回火后常用水或油冷却。答案要点：40 CrNi钢含有 Cr、Ni元素，而Cr、Ni促进了钢的回火脆性，所以40 CrNi钢高温回火脆性倾向较大，回火后快冷能抑制高温回火脆性，所以常用水或油冷却。6、奥氏体不锈钢1Cr18Ni9晶界腐蚀倾向比较大。答案要点：1Cr18Ni9含C较高，又没有Ti等

11、稳定C的强碳化物形成元素，所以在晶界上容易析出Cr23C6，从而使晶界上产生贫Cr区，低于不锈钢的基本成分要求，所以在晶界处的腐蚀倾向比较大。1、高速钢有很好的红硬性，但不宜制造热锤锻模。答案要点：高速钢虽有高的耐磨性、红硬性，但韧性比较差、在较大冲击力下抗热疲劳性能比较差，高速钢没有能满足热锤锻模服役条件所需要高韧性和良好热疲劳性能的要求。2、在一般钢中，应严格控制杂质元素S、P的含量。答案要点：S能形成FeS，其熔点为989，钢件在大于1000的热加工温度时FeS会熔化，所以易产生热脆；P能形成Fe3P，性质硬而脆，在冷加工时产生应力集中，易产生裂纹而形成冷脆。3、9SiCr钢和T9钢相比

12、，退火后硬度偏高，在淬火加热时脱碳倾向较大。答案要点：9SiCr虽然与T9含碳量相同，但由于它含有Cr、Si合金元素，Si是非K形成元素，固溶强化基体的作用较大，因此退火后硬度偏高。另外Si提高碳皇度，促进石墨化，因此在加热时脱碳倾向较大。4、高锰钢（ZGMn13）在Acm以上温度加热后空冷得到大量的马氏体，而水冷却可得到全部奥氏体组织。答案要点：高锰钢在Acm以上温度加热后得到了单一奥氏体组织，奥氏体中合金度高（高C、高Mn），使钢的Ms低于室温以下。如快冷，就获得了单一奥氏体组织，而慢冷由于中途析出了大量的K，使奥氏体的合金度降低，Ms上升，所以空冷时发生相变，得到了大量的马氏体。5、4C

13、r13含碳量（质量分数）为0.4%左右，但已是属于过共析钢。答案要点：Cr使Fe-C相图中S点左移，当Cr达到13%时，可使共析点的含碳量0.4%，因此虽然4Cr13只有0.4%C左右，但已是属于过共析钢。6、奥氏体不锈钢1Cr18Ni9晶界腐蚀倾向比较大。答案要点：在奥氏体不锈钢1Cr18Ni9焊接后，在焊缝及热影响区容易在晶界析出Cr的碳化物Cr23C6从而导致晶界贫Cr，低于1/8规律的Cr%，使电极电位大大降低，从而导致晶界腐蚀。三、问答题（40分）1、试总结Mo元素在合金中的作用，并简要说明原因。答案要点：Mo元素在合金中的主要作用归结如下：（1）降低回火脆性，一般认为Mo可以抑制有

14、害元素在晶界的偏聚；（2）提高贝氏体的淬透性，因为Mo大大推迟珠光体的转变而对贝氏体转变影响较小；（3）细化晶粒，提高回火稳定性。Mo是强碳化物形成元素，与碳的结合力较大形成的碳化物稳定，不易长大。（4）提高热强性，因为Mo可以较强地提高固溶体原子的结合力。（5）提高防腐性，特别是对于非氧化性介质。因为Mo可以形成致密而稳定的MoO3膜；（6）提高红硬性，因Mo与C原子结合力强，故回火稳定性比较好并且形成的在高温下碳化物稳定。2、高速钢的成分和热处理工艺比较复杂，试回答下列问题：1）高速钢中W、Mo、V合金元素的主要作用是什么?2）高速钢W6Mo5Cr4V2的AC1在800左右，但淬火加热温度

15、在12001240，淬火加热温度为什么这样高?3）常用560三次回火，为什么?答案要点：1）W的作用主要是提高钢红硬性。主要形成W6C，淬火加热时未溶K阻碍晶粒长大，溶解部分提高抗回火稳定性，在回火时弥散析出W2C，提高耐磨性。但W降低钢的导热性。Mo作用与W相似。含Mo的高速钢热塑性较好，便于热压力加工或热塑性变形。V显著提高红硬性、硬度和耐磨性，同时可有效降低过热敏感性。2）高速钢中要使W、Mo、V等元素发挥作用必须使其充分地溶解到奥氏体中，然后在回火时产生二次硬化效果，由于这些元素形成的碳化物稳定，溶解温度在1000以上，故需要高的淬火加热温度。3）由于高速钢中高合金度M的回火稳定性非常

16、好，在560左右回火，才能弥散析出特殊碳化物，产生硬化。同时在560左右回火，使材料的组织和性能达到了最佳状态。一次回火使大部分AR发生M转变，二次回火使第一次回火时产生的淬火M回火，并使AR更多地转变为M，三次回火可将AR控制在合适的量，并且使内应力消除得更彻底。3、从合金化角度考虑，提高钢的韧度主要有哪些途径?答案要点：1）细化奥氏体晶粒。如强碳化物形成元素Ti、Nb、V等。2）提高钢回火稳定性。如强碳化物形成元素Ti、Nb、V等都很有效。3）改善基体的韧度。如加Ni。4）细化碳化物。碳化物细小、园整、分布均匀和适量对韧度有利。5）降低或消除回火脆性。如加入W、Mo。6）在保证强度时，尽可

17、能降低含C量.4、分析说明图中铝合金（Al-4%Cu）时效硬化不同过程中的性能变化，并说明其原因（解释下图）。130时效时铝铜合金的硬度与时间关系答案要点：铝合金时效时，随温度的不同和时间的延长，新相的形成和析出经历以下几个阶段，从而使硬度发生变化：1）形成铜原子富集区：为G.P.区，导致点阵畸变，因而硬度提高。2）形成Cu原子富集区有序化：Cu原子有序化，形成,它与基体仍然完全共格，产生的畸变比G.P.更大,并且随的长大，共格畸变区进一步扩大，对位错的阻碍也进一步增加，因此图中硬度进一步上升。3）形成过渡相：过渡相成分接近CuAl2，由完全共格变成部分共格，共格畸变开始减弱，因此图中硬度开始

18、下降。4）形成稳定相：过渡相完全从基体中脱溶，形成稳定的相成分为CuAl2，共格畸变作用完全消失，故图中硬度进一步下降。1、试总结Si元素在合金钢中的作用，并简要说明原因。答案要点：Si的作用如下：1）提高钢强度； Si是铁素体形成元素，有较强的固溶强化作用；2）提高钢的淬透性；可阻止铁素体形核和长大，使“C”曲线右移；3）提高低温回火稳定性；因Si可以抑制回火时K的形核、长大及转变；4）提高淬火加热温度；，Si提高A1温度。5）提高抗氧化性，因为它可以形成致密稳定的氧化膜，同时可以提高FeO的形成温度。6）加热时易脱碳；Si是促进石墨化的元素。2、画出示意图说明高速钢的铸态组织。简述高速钢中

19、W、V、Cr合金元素的主要作用。高速钢在淬火加热时，如产生欠热、过热和过烧现象，在金相组织上各有什么特征。答案要点：高速钢铸态组织中有鱼骨状莱氏体Ld 、黑色共析体、白亮马氏体和残余奥氏体组成（图略）。W的作用主要是提高钢红硬性。主要形成W6C，淬火加热时未溶K阻碍晶粒长大，溶解部分提高抗回火稳定性，在回火时弥散析出W2C，提高耐磨性。但是W降低了钢的导热性。V显著提高红硬性、硬度和耐磨性，同时可有效降低过热敏感性。Cr提高淬透性，提高耐蚀性和抗氧化性，提高切削性。高速钢在加热时如如产生欠热、过热和过烧现象，在金相组织上各有不同的特征。欠热组织有大量的未溶碳化物，晶粒细小；过热组织晶粒粗大，未

20、溶碳化物少而角状化；过烧组织中有晶界溶化现象，出现莱氏体和黑色组织。3、钢的强化机制主要有哪些?从合金化角度考虑，提高钢的韧度主要有哪些途径?答案要点：钢的强化记者主意有：固溶强化、细化强化、位错强化、第二相强化。从合金化角度考虑，提高钢的韧度主要途径有：1）细化奥氏体晶粒。如强碳化物形成元素Ti、Nb、V、W、Mo等。2）提高钢的回火稳定性。在相同强度水平下能提高塑性和韧度。3）改善基体的韧度。如加Ni。4）细化碳化物。碳化物细小、园整、分布均匀和适量对韧度有利。5）降低或消除回火脆性。如加入W、Mo。6）保证强度时，降低才C%.4、从热力学和动力学条件分析壁厚铸件可得到石墨组织，而在壁薄时

21、却得到白口组织？答案要点：从热力学而言，高温铁水冷却时对石墨的形成是有利的。而从动力学条件看，形成石墨需要高的C浓度起伏和Fe、C长距离的扩散，而Fe3C的形成只需要C浓度起伏和Fe、C短距离的扩散，因此不利于石墨的形成但有利于Fe3C的形成。铸件在壁厚时，由于冷速慢，C原子可充分扩散，石墨形成的动力学条件较好，有利于石墨形成。壁薄时，由于铁水冷却快，C原子不能充分扩散，所以易得到Fe3C白口组织。1、合金化基本原则是多元适量，复合加入。试举例说明Mn-V和Si-Mn的复合作用。（10分）答案要点：Mn-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

22、低，从而在淬火温度下VC也能溶解许多，使钢获得较好的淬透性和回火稳定性。Si-Mn复合：Si、Mn都是强化铁素体有效的元素，能提高钢的弹性极限，但Si有脱C倾向、Mn有过热倾向，而Si-Mn复合可使钢的脱C、过热倾向降低，这样的合金复合在弹簧钢中得到了很好的应用。 2、说明高速钢的铸态组织特征（3分）。有一批高速钢钻头，淬火后硬度比正常的偏低，估计是淬火加热有问题。淬火加热可能出现什么问题?（3分） 怎样从金相组织上来进行判断?（6分）答案要点：高速钢的铸态组织为：黑色组织（混合型）+白亮组织（M和AR）+莱氏体。淬火后硬度比正常的偏低可能是欠热、过热或过烧等原因。欠热：晶粒很细小，K很多；过

23、热：晶粒较大，K较少；过烧：晶界有熔化组织，即鱼骨状或黑色组织。3、钢的强化机制主要有哪些（不必写出具体表达式）? 从合金化角度考虑，提高钢的韧度主要有哪些途径?（8分）答案要点：钢的强化机制主要有固溶强化、细晶强化、位错强化和第二相强化。从合金化角度考虑，提高钢韧度主要途径有：1）加入Ti、V、W、Mo等强碳化物形成元素，细化晶粒；2）提高回火稳定性，加入Ti、V等强碳化物形成元素和Si元素；3）改善基体韧性，主要是加入Ni元素；4）细化碳化物，如加入Cr、V等元素使K小、匀、圆；5）降低或消除钢的回火脆性，主要是Mo 、W元素比较有效；（2分）4、试从合金化原理角度分析9SiCr钢的主要特

24、点。（10分）答案要点：Si、Cr淬透性，D油60HRC；Si、Cr使碳化物细小、分布均匀不容易崩刃；分级或等温处理，变形较小；Si使脱碳倾向较大，切削加工性相对也差些。适于制作形状较复杂、变形要求小工件，特别是薄刃工具，如丝锥、扳牙、铰刀等。合金元素: 特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或机械性能的化学元素。(常用M来表示)微合金元素: 有些合金元素如V，Nb，Ti, Zr和B等，当其含量只在0.1%左右（如B 0.001%，V 0.2 %）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。奥氏体形成元素:在-Fe中有较大的溶解度,且能稳定相；如

25、Mn, Ni, Co, C, N, Cu；铁素体形成元素: 在-Fe中有较大的溶解度，且能稳定相。如：V，Nb, Ti 等。原位析出: 元素向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时, 合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物如Cr钢中的Cr：-FexCFe3C（Fe, Cr）3C（Cr, Fe）7C3（Cr, Fe）23C6 离位析出: 在回火过程中直接从相中析出特殊碳化物，同时伴随着渗碳体的溶解，可使HRC和强度提高（二次硬化效应）。 如 V，Nb, Ti等都属于此类型。液析碳化物：由于碳和合金元素偏析，在局部微小区域内从液态结晶时析出的碳化物。网状碳化物：过共析钢在热轧（锻）加工后缓慢

26、冷却过程中由二次碳化物以网状析出于奥氏体晶界所造成的。水韧处理：高锰钢铸态组织中沿晶界析出的网状碳化物显著降低钢的强度、韧性和抗磨性。将高锰钢加热到单相奥氏体温度范围，使碳化物充分溶入奥氏体，然后水冷，获得单一奥氏体组织。超高强度钢：一般讲，屈服强度在1 370MPa（140 kgf/mm2）以上，抗拉强度在1 620 MPa（165 kgf/mm2）以上的合金钢称超高强度钢。晶间腐蚀：晶界上析出连续网状富铬的 Cr23C6引起晶界周围基体产生贫铬区，贫铬区成为微阳极而发生的腐蚀。应力腐蚀：奥氏体或M不锈钢受张应力时，在某些介质中经过一段不长时间就会发生破坏，且随应力增大，发生破裂的时间也越短

27、； 当取消张应力时，腐蚀较小或不发生腐蚀。这种腐蚀现象称为“应力腐蚀（破裂）”。 n/8规律：加入Cr可提高基体的电极电位，但不是均匀的增加，而是突变式的。当Cr的含量达到1/8，2/8，3/8，原子比时，Fe的电极电位就跳跃式显著提高，腐蚀也显著下降。这个定律叫做n/8规律。蠕变极限：在某温度下，在规定时间达到规定变形时所能承受的最大应力。 持久强度：在规定温度和规定时间断裂所能承受的应力（）。 持久寿命：它表示在规定温度和规定应力作用下拉断的时间。碳当量：一般以各元素对共晶点实际含碳量的影响, 将这些元素的量折算成C%的增减, 这样算得的碳量称为碳当量（C.E）共晶度：铸铁含C量与共晶点实

28、际含C量之比 , 表示铸铁含C量接近共晶点C%的程度。黄铜:铜锌合金称为黄铜，再加入其他合金元素后，形成多元黄铜。锌当量系数 ：黄铜中加入M后并不形成新相，只是影响，相的相对含量，其效果象增加了锌一样。可以用加入1%的其它合金元素对组织的影响上相当于百分之几的Zn的换算系数来预估加入的合金元素对多元黄铜组织的影响，这种换算关系称为锌当量系数。青铜：是Cu和Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr和Co等元素组成的合金的统称。 白铜：是以镍为主要合金元素的铜合金。固溶体：合金的组元之间以不同的比例混合，混合后形成的固相的晶格结构与组成合金的某一组元的相同，这种相称为固溶体。枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。比重偏析：比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起的。如果先共晶相与溶液之间的密度差别较大，则在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液体中上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致，产生比重偏析。固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。弥散强化：合金中以固溶体为主再加上适量的金属间化合物弥散分布，会提高合金的强度、硬度及耐磨性，这种强化方式为弥散强化。8