2023年金屬材料學(xué)

第金屬材料學(xué)

材料0801

金屬材料學(xué)

第1章鋼的合金化概論

1、什么是合金元素？鋼中常用的合金元素有哪些？

為合金化目的加入其含量有一定范圍的元素稱為合金元素。

Si,Mn,Cr,Ni,W,Mo,V,Ti,Nb,Al,Cu,B等。

2、哪些是奧氏體形成元素？哪些是鐵素體形成元素？

在gamma;-Fe中有較大溶解度并穩(wěn)定gamma;固溶體的元素稱為奧氏體

形成元素：Ni、Mn、Co，C、N、Cu；無限互溶，有限溶解。

在alpha;-Fe中有較大溶解度并穩(wěn)定alpha;固溶體的元素稱為鐵素體

形成元素：Cr、V，W、Mo、Ti。

3、合金元素在鋼中的存在形式有哪幾種？

固溶體、化合物、游離態(tài)。（其中，化合物分為：碳化物、金屬間化合物、非金屬夾雜物）

4、哪些是碳化物形成元素？哪些是非碳化物形成元素？Zr、Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe（強(qiáng)-弱）非K：Ni、Si、Al、Cu。

5、鋼中的碳化物按點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分為哪幾類？各有什么特點(diǎn)？什么叫合金滲碳體？特殊碳化物？

1）①簡單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：M2C、MC。又稱間隙相。特點(diǎn)：硬度高，熔點(diǎn)高，穩(wěn)定性好。②復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：M23C6、M7C3、M3C。特點(diǎn)：硬度、熔點(diǎn)較低，穩(wěn)定性較差。

2）合金滲碳體：含有合金元素的滲碳體，即滲碳體內(nèi)一部分鐵

原子被合金元素所代替，晶體結(jié)構(gòu)并未改變。（Fe,Me）3C3）特殊碳化物：隨著合金元素含量的增加，碳化物形成了自己

的特殊碳化物。VC，Cr7C3，Cr23C6。

6、合金鋼中碳化物形成規(guī)律。

1、K類型的形成K類型與Me的原子半徑有關(guān)。

rc/rMe0.59簡單結(jié)構(gòu)相，如Mo、W、V、Ti；

rc/rMe0.59復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如Cr、Mn、Fe。Me量少時(shí)，形成復(fù)合K，如（Cr,M）23C6型。2、相似者相溶

完全互溶：原子尺寸、電化學(xué)因素均相似。

有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成復(fù)合K3、強(qiáng)碳化物形成元素優(yōu)先與碳結(jié)合形成碳化物。4、NM/NC比值決定了K類型

5、碳化物穩(wěn)定性越好，溶解越難，析出越難，聚集長大也越難。

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7、合金元素對鐵碳平衡相圖的影響。

1）改變了奧氏體區(qū)的位置

2）改變了共晶溫度擴(kuò)大gamma;相區(qū)的元素使A1，A3下降；縮小gamma;相區(qū)的元素使A1，A3升高。

3）改變了共析含碳量所有合金元素均使S點(diǎn)左移。

8、為什么比較重要的大截面的結(jié)構(gòu)零件都必需用合金鋼制造？

與碳鋼比較，合金鋼有何優(yōu)點(diǎn)？

1）合金鋼比碳鋼回火脆性好，所以要達(dá)到同樣的回火硬度，

合金鋼的回火溫度可以比碳鋼高，回火時(shí)間也可以長些，合金鋼回火后內(nèi)應(yīng)力比碳鋼小，塑性也高。

2）優(yōu)點(diǎn)：晶粒細(xì)化，淬透性高，回火穩(wěn)定性好。

9、合金元素對奧氏體晶粒長大的影響？

1）Ti、Nb、Vdarr;darr;，W、Modarr;晶粒長大；--阻礙2）C、N、Buarr;晶粒長大；--促進(jìn)3）非K元素Ni、Co、Cu作用不大。

10、合金元素對回火轉(zhuǎn)變的影響?

淬火合金鋼進(jìn)行回火時(shí)，其組織轉(zhuǎn)變與碳鋼相似。但由于合金元素的加入，使其在回火轉(zhuǎn)變時(shí)具有如下特點(diǎn)：(１)提高淬火鋼的回火穩(wěn)定性(２)產(chǎn)生二次硬化(３)防止第二類回火脆性

一、對馬氏體分解期的影響

低溫回火：C和Me擴(kuò)散較困難，Me影響不大；

中溫以上：Me活動能力增強(qiáng)，對M分解產(chǎn)生不同程度影響:1）Ni、Mn的影響很??；

2）K形成元素阻止M分解，其程度與它們與C的親和力大小有關(guān)。這些Me

darr;碳活度ac，阻止了滲碳體的析出長大；

3）Si比較特殊：300℃時(shí)強(qiáng)烈延緩M分解。

二、對殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的影響三、對碳化物析出的影響

合金結(jié)構(gòu)鋼之所以具有抗回火穩(wěn)定性是因?yàn)樵谔砑雍辖鹪氐那闆r下，馬氏體分解、殘余奧氏體轉(zhuǎn)變及滲碳體析出、集聚，均不同程度地被推向較高的溫度范圍。

不同合金元素在減慢回火軟化方面作用不同。非碳化物形成元素Ni、Al和弱KMn對回火鋼的軟化較小，在抗回火軟化方面比較有效的是K形成元素。

K形成元素能較多地把碳保留在馬氏體中，從而阻礙馬氏體的分解：強(qiáng)碳化物形成元素V、W、Mo、Cr。碳化物形成元素還阻礙殘余奧氏體轉(zhuǎn)變，阻礙了合金滲碳體的集聚，使含碳化物形成元素的鋼能在更高的回火溫度下保持細(xì)小的滲碳體顆粒。

非碳化物形成元素磚在回火轉(zhuǎn)變中的作用比較獨(dú)特，低溫下Si擴(kuò)散，添加硅可提高馬氏體的分解溫度，硅也阻礙滲碳體顆粒的集聚長大。

四、

11、哪些合金元素提高鋼的淬透性作用顯著？

淬透性：鋼淬火時(shí)獲得M的能力。B、Mn、Mo、Cr、Si、Ni。

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12、什么叫回火穩(wěn)定性？提高回火穩(wěn)定性的合金元素有哪些？提高鋼的回火穩(wěn)定性有何作用？

淬火鋼在回火時(shí)，抵抗強(qiáng)度、硬度下降的能力稱為回火穩(wěn)定性。

Cr，Mn，Ni，Mo。

作用：提高回火穩(wěn)定性，也就可以再相同強(qiáng)度水平下，提高回火溫度從而提高材料的韌度。

13、什么是回火脆性？各在什么條件下產(chǎn)生？如何消除或減輕？淬火鋼在某些溫度區(qū)間回火或從回火溫度緩慢冷卻通過該溫度區(qū)間的脆化現(xiàn)象，回火脆性可分為第一類回火脆性和第二類回火脆性。

1）第一類回火脆性，主要發(fā)生在回火溫度為200～3500℃時(shí)，具有不可逆性、與回火后的冷卻速

度無關(guān)、斷口為沿晶脆性斷口。防止方法：無法消除,不在這個(gè)溫度范圍內(nèi)回火，

（1）降低鋼中雜質(zhì)元素的含量；（2）用Al脫氧或加入Nb、V、Ti等合金元素細(xì)化A晶粒；（3）加入Cr、Si調(diào)整溫度范圍；（5）采用等溫淬火代替淬火回火工藝。

2）第二類回火脆性，發(fā)生的溫度在450～650℃，具有可逆性、與回火后的冷卻速度有關(guān)、斷口為

沿晶脆性斷口。防止方法：（1）降低鋼中的雜志元素；（2）加入能細(xì)化A晶粒的元素（Ti,Nb,V）；（3）加入適量Mo、W元素；（4）避免在第二類回火脆性溫度范圍回火。

14、合金元素對C曲線、珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、Ms點(diǎn)的作用？

一、對C曲線

1）Ni、Si、Mn大致保持C線形狀，使C線向右作不同程度的移動；

2）Co不改變C線，但使C線左移；

3）K形成元素，使C線右移，且改變形狀。Me不同作用，使C曲線出現(xiàn)不同形狀，大致有五種。

二、過冷A體的P、B轉(zhuǎn)變

P轉(zhuǎn)變:需要C和Me都擴(kuò)散；

綜合影響順序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si；B轉(zhuǎn)變:C原子作短程擴(kuò)散，Me幾乎沒有擴(kuò)散。

影響順序：Mn、Cr、Ni、Si，而W、Mo等影響很小。三、對Ms點(diǎn)：除Co、Al外，所有溶于奧氏體的合金元素都

使Ms、Mf點(diǎn)下降，使鋼在淬火后的殘余奧氏體量增加。

15、白點(diǎn)的形成原因是什么？

由于鋼中氫的重新分布與聚集，破壞了鋼的可塑性，使鋼變脆。失去塑

性的鋼在氫壓力與鋼中的內(nèi)應(yīng)力的同時(shí)作用下很容易在氫聚集處沿金屬強(qiáng)度弱的方向產(chǎn)生局部脆性開裂，即形成所謂氫致裂紋白點(diǎn)。

17、什么是內(nèi)吸附現(xiàn)象？

合金元素溶入基體后，與鋼中的晶體缺陷產(chǎn)生相互作用，導(dǎo)致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)吸附或偏聚現(xiàn)象。

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21、合金鋼的二次硬化現(xiàn)象的本質(zhì)及其實(shí)際意義。

二次硬化：在含有Ti,V,Nb,Mo,W等較高合金鋼淬火后，在500-600℃范圍內(nèi)回火時(shí)，在alpha;相中沉淀析出這些元素的特殊碳化物，并使鋼的硬度和強(qiáng)度提高。

二次硬化使鋼在高溫下能保持較高的硬度，這對工具鋼極為重要，如高速鋼。

22、總結(jié)合金元素對??的影響。一、變形開裂傾向

淬火內(nèi)應(yīng)力有三種，綜合作用控制著工件的變形和開裂傾向：

熱應(yīng)力rarr;變形;組織應(yīng)力rarr;開裂;附加應(yīng)力較復(fù)雜。

二、過熱敏感性

指淬火鋼加熱時(shí)，奧氏體晶粒急劇長大的敏感性rarr;含Mn鋼過熱敏感性較大。

三、氧化脫碳傾向含硅鋼氧化脫碳傾向較大。四、回火穩(wěn)定性合金鋼回火穩(wěn)定性要比碳鋼好。五、回火脆性

六、白點(diǎn)敏感性在C0.3%的Ni-Cr、Ni-Cr-Mo、Ni-Cr-W馬氏體鋼

中白點(diǎn)敏感性最大。

七、冷成形性

P、Si、C等元素uarr;uarr;冷作硬化率，需要冷成型的材料應(yīng)嚴(yán)格控制P、N量，盡可能darr;Si、C等量。

八、熱壓力加工性

Me溶入基體rarr;熱壓力加工性能darr;。如Mo、W、Cr、V等元素影響較大。

九、切削加工性

不同含C量的鋼要得到較好的切削性，其預(yù)處理是不同的。

25、鋼的強(qiáng)化機(jī)制有哪些？為什么一般鋼的強(qiáng)化均用淬火、回火？

固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相彌散強(qiáng)化。在眾多的熱處理方法中,以淬火、回火工藝對金屬材料的強(qiáng)化最為顯著,這是因?yàn)樗浞掷昧艘陨纤姆N強(qiáng)化機(jī)制。

26、試解釋含Mn稍高的鉻鎳鋼易過熱，而含Si的鋼淬火加熱溫

度應(yīng)稍高。且冷作硬化率較高，不利于冷變形加工。

27、微量元素的作用。鋼中的微合金化元素。常用微合金化元素：B,N,V,Ti,Zr,Nb,RE;

改善切削加工性：S,Se,Bi,Pb,Ca;

能凈化、變質(zhì)、控制夾雜物形態(tài)：Ti,Zr,RE,Ca;有害元素：P,S,As,Sn,Pb。

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28、提高韌性的合金化途徑。

1）細(xì)化晶粒、組織如Ti、Nb、Mo；2）uarr;回火穩(wěn)定性如強(qiáng)K形成元素；3）改善基體韌度Ni；

4）細(xì)化K適量Cr、V，使K小而勻；5）darr;回脆W、Mo；

6）在保證強(qiáng)度水平下，適當(dāng)darr;含C量.uarr;冶金質(zhì)量。

29、怎樣理解合金鋼與碳素鋼的強(qiáng)度性能差異，主要不在于合

金元素本身的強(qiáng)化作用，而在于合金元素對鋼相變過程的影響，且合金元素的良好作用，只有在適當(dāng)?shù)臒崽幚項(xiàng)l件下才能表現(xiàn)出來。

提綱合金的主要作用：

a.產(chǎn)生相變，如擴(kuò)大某個(gè)相區(qū)（奧氏體區(qū)）以得到某種對應(yīng)的特殊性能.b.細(xì)化晶粒，改善機(jī)械性能，如缺口敏感性、淬透性。c.改變熱處理工藝，如提高鋼材的熱處理組織的穩(wěn)定性，降低熱處理溫度、縮短熱處理時(shí)間、提高熱處理質(zhì)量。從強(qiáng)化機(jī)制分析。

第2章鋼的編號方法

寫出下列鋼號的類屬、碳和合金元素的含量：15Mn：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，較高M(jìn)n量，0.15%C；16Mn：低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，0.16%C；20g：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，鍋爐用，0.2%C；T10A：高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，1%C；

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