金属材料学复习思考题及答案

金属材料学复习

安徽工业大学材料学院金属材料学复习题

一、必考题

1、金属材料学的研究思路是什么？试举例说明。 答：使用条件→性能要求→组织结构→化学成分 ↑ 生产工艺 举例略 二、名词解释

1、合金元素：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 的含量在一定范围内的化学元素。（常用M来表示） 2、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，将这些化学元素称为微合金元素。 3、奥氏体形成元素：使A3温度下降，A4温度上升，扩大γ相区的合金元素 4、铁素体形成元素：使A3温度上升，A4温度下降，缩小γ相区的合金元素。

5、原位析出：回火时碳化物形成元素在渗碳体中富集，当浓度超过溶解度后，合金渗碳体在原位 转变为特殊碳化物。

6、离位析出：回火时直接从过饱和α相中析出特殊碳化物，同时伴随有渗碳体的溶解。

7、二次硬化：在含有Mo、W、V等较强碳化物形成元素含量较高的高合金钢淬火后回火，硬度不 是随回火温度的升高而单调降低，而是在500－600℃回火时的硬度反而高于在较低 温度下回火硬度的现象。

8、二次淬火：在强碳化物形成元素含量较高的合金钢中淬火后残余奥氏体十分稳定，甚至加热到 500-600℃回火时仍不转变，而是在回火冷却时部分转变成马氏体，使钢的硬度提高的现象。 9、液析碳化物：钢液在凝固时产生严重枝晶偏析，使局部地区达到共晶成分。当共晶液量很少时， 产生离异共晶，粗大的共晶碳化物从共晶组织中离异出来，经轧制后被拉成条带 状。由于是由液态共晶反应形成的，故称液析碳化物。

10、网状碳化物：过共析钢在热轧（锻）后缓慢冷却过程中，二次碳化物沿奥氏体晶界析出呈网 状分布，称为网状碳化物。

11、水韧处理：将高锰钢加热到高温奥氏体区，使碳化物充分溶入奥氏体中，并在此温度迅速水 冷，得到韧性好的单相奥氏体组织的工艺方式。

12、晶间腐蚀：金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶界发生的一种局部腐蚀。 13、应力腐蚀：金属材料在特定的腐蚀介质和拉应力共同作用下发生的脆性断裂。

14、n/8规律：当Cr的摩尔分数每达到1/8，2/8，3/8……时，铁基固溶体的电极电位跳跃式地 增加，合金的腐蚀速度都相应有一个突然的降低，这个定律叫做n/8规律。 15、碳当量：将铸铁中的石墨元素（Si、P)都折合成C的作用所相当的总含碳量。 16、共晶度：铸铁实际含碳量与其共晶含碳量之比,它放映了铸铁中实际成分接近共晶成分的程度。 17、黄铜：以Zn为主要合金元素的铜合金。

18、锌当量系数：黄铜中每质量分数1%的合金元素在组织上替代Zn的量。 19、青铜 ：是Cu和Sn、Al、Si、Be、Mn、Zr、Ti等元素组成的合金的通称。 20、白铜 ：是以Ni为主要合金元素的铜合金。

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三、问答题：

第一章 钢的合金化原理

1、合金元素V、Cr、W、Mo、Mn、Co、Ni、Cu、Ti、Al中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥氏体形成元素？哪些能在?-Fe中形成无限固溶体？哪些能在?-Fe 中形成无限固溶体？ 答:①奥氏体形成元素：Mn, Ni, Co, Cu； ②铁素体形成元素：V、Cr、W、Mo、、Ti、Al； ③Mn, Ni, Co 与 γ-Fe无限互溶； ④V、Cr与 ?-Fe无限互溶。 2、简述合金元素对扩大或缩小γ相区的影响，并说明利用此原理在生产中有何意义？ 答：⑴扩大γ相区：合金元素使A3降低，A4升高。一般为奥氏体形成元素。 分为两类：

1）开启γ相区：与γ-Fe无限固溶，Ni、Mn、Co。一定量后，γ相区扩大到室温以下，使α相区消失—开启γ相区元素。可形成奥氏体钢。

2）扩大γ相区：与γ-Fe有限固溶，C、N、Cu。扩大γ相区，但可与铁形成稳定化合物，扩大作用有限而不能扩大到室温-扩展γ相区元素。

⑵缩小γ相区：使A3升高，A4降低。一般为铁素体形成元素。 分为两类:

1）封闭γ相区：合金元素在一定含量时使A3和A4汇合，γ相区被α相区封闭，形成γ圈。V、Cr、Si、Ti、W、Mo、Al、P等。其中V和Cr与α-Fe无限互溶，其余有限溶解。Cr、Ti、Si等可完全封闭γ相区，量大时可获得单相铁素体—铁素体钢。

2）缩小γ相区：Zr, Nb, Ta, B, S, Ce 等。使γ相区缩小，但出现了金属间化合物，不 能完全封闭γ相区-缩小γ相区元素。 ⑶生产中的意义：

可以利用M扩大和缩小γ相区作用，获得单相组织，具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛。通过合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与性能。在钢中大量加入奥氏体形成元素或铁素体形成元素以获得室温组织为奥氏体的奥氏体钢或高温组织为铁素体的铁素体钢。 3、简述合金元素对铁碳相图（如共析碳量、相变温度等）的影响，有何意义？ 答：1、合金元素对临界点的影响

(1)A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）线向下移动。

(2)F形成元素Cr、Si等使A1（A3）线向上移动。 2、合金元素对S、E点的影响

(1)A形成元素使S、E点向左下方移动。 (2) F形成元素使S、E点向左上方移动。

3、S点左移，共析C量，例如3Cr13为共析钢；E点左移，共晶碳量及莱氏体含碳量下降，例如W18Cr4V(~0.75%C)，组织中有大量莱氏体。同时，A1、A3点的移动是不同温度下的合金组织、性能发生一定的变化。

4、合金钢中碳化物形成元素（V、Cr、Mo、W等）所形成的碳化物基本类型？其种类和数量对二次硬化和回火稳定性的影响如何？

答：1、按相对稳定性由高到低的顺序：

(1)V，Nb：优先形成间隙相MC。稳定性很高。

(2)Mo，W：含量较高时形成MC，M2C，M6C和M23C6，稳定性高。 (3)Cr：含量较高时形成Cr23C6和Cr7C3，稳定性较高。

(4)Mo，W，Cr：含量较低时只形成合金渗碳体，稳定性低。（但高于渗碳体） (5)Mn：在钢中只形成合金渗碳体，稳定性最低。

各种K相对稳定性如下： MC →M2C →M6C →M23C6 → M7C3 →M3C （高----------------------------------低）

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5、试说明主要合金元素（V、Ti、Nb、Ni、Mn、Si、B等）对过冷奥氏体冷却转变影响的作用机制。为什么合金化原则是“多元少量，复合加入”？

答：Ti, Nb, Zr, V：主要是通过推迟P转变时K形核与长大来提高过冷γ的稳定性； W，Mo, Cr 1）推迟K形核与长大；

2）增加固溶体原子间的结合力，降低Fe的自扩散激活能。作用大小为：Cr>W>Mo Mn：（Fe,Mn）3C, 减慢P转变时合金渗碳体的形核与长大；扩大γ相区，强烈推迟γ→α转变， 提高α的形核功；

Ni：开放γ相区，并稳定γ相，提高α的形核功（渗碳体可溶解Ni, Co） Co：扩大γ相区，但能使A3温度提高（特例），使γ→α转变在更高的温度进行，降低了过冷γ的稳定性。使C曲线向左移。

Al, Si：不形成各自K，也不溶解在渗碳体中，必须扩散出去为K形核创造条件；Si可提高Fe原子的结合力。

B，P，Re：强烈的内吸附元素，富集于晶界，降低了 γ的界面能，阻碍α相和K形核。 “多元少量，复合加入”：不同合金元素增加过冷奥氏体稳定性的机制是不相同的。因此，用多种合金元素复合加入时，各元素之间作用相互加强，能大大提高过冷奥氏体的稳定性，其作用绝非单个合金元素作用的简单之和，所以采用“多元少量，复合加入”的合金化原则。

6、主要合金元素（V、Ti、Nb、Ni、Mn、Si等）对珠光体转变的影响机制

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7、合金元素对马氏体转变有何影响？ 答：1、对Ms点的影响除

Co、Al外，绝大多数Me都使Ms和Mf下降。按(C)、Mn、Ni、Cr、Mo、W、Si顺序递减。 2、对残余奥氏体的影响

Ms越低，室温下保留的残余奥氏体越多。应用：室温单相奥氏体不锈钢的合金化思路。 3、Me一般都增加了形成孪晶马氏体的倾向。

滑移和孪生的分切应力的相对大小与温度的相关性。 9、如何利用合金元素来消除或预防第一次、第二次回火脆性？ 答：1）低温回火脆性（第I类，不具有可逆性）

其形成原因：沿条状马氏体的间界析出K薄片；

防止：加入Si, 脆化温度提高300℃；加入Mo, 减轻作用。 2) 高温回火脆性（第II类，具有可逆性）

其形成原因：与钢杂质元素向原奥氏体晶界偏聚有关。 防止：加入W，Mo消除或延缓杂质元素偏聚.

10、如何理解二次硬化与二次淬火两个概念的相关性与不同特点。 答：相关性：

(1)都发生在中、高合金钢。

(2)都在淬火后，500—600℃回火时发生的。 (3)都表现为硬度升高。 不同点：

(1)二次硬化是指回火后硬度升高的现象，其产生原因包括沉淀强化和二次淬火。

(2)二次淬火是指回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体的相变过程，是产生二次硬化的原因之一。

11、一般地，钢有哪些强化与韧化途径？为什么一般钢的强化工艺都采用淬火-回火？ 答：1、强化途径：固溶强化、加工硬化、细晶强化、第二相强化； 韧化途径：①细化晶粒、组织

②提高回火稳定性—如强K形成元素。 ③改善基体韧度— Ni。

④细化K—适量Cr、V，使K小而匀。

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⑤降低回火脆性— W、Mo。

⑥低碳马氏体强韧化—在保证强度水平下，适当降低含C量。 ⑦提高冶金质量。

⑧通过合金化形成一定量的残余奥氏体。

⑨形变热处理—细晶强化、位错强化等的综合作用。

2、淬火-回火工艺：采用淬火-回火的热处理工艺，可以充分发挥各种强化机制作用，所以钢的强化一般采用淬火-回火工艺。 第二章 工程结构钢

1．对工程结构钢的基本性能要求是什么？

答： ?足够的强度和韧度；?良好的焊接性和成型工艺性；?良好的耐腐蚀性 2、合金元素在低合金高强度结构钢中的主要作用是什么？为什么考虑采用低C？ 答：强化作用：1、Mn、Si固溶强化铁素体。 2、细晶强化：

（1）V，Ti，Nb细化奥氏体晶粒。

(2) Cr，Mn，Ni增加过冷奥氏体稳定性，降低相变温度，细化铁素体和珠光体。

3、沉淀强化：V，Ti，Nb在铁素体中析出极细小的碳化物颗粒。 4、增加珠光体数量，使抗拉强度增加。 韧化作用：1、细晶强化同时提高韧性。

2、Mn、Ni、Cr降低韧-脆转变温度。Mn、Cr含量较低时可提高韧性，Ni对耐低温钢尤其重要。

考虑低C的原因：（保证塑性、韧性和焊接性）

（1）C含量过高，P量增多，P为片状组织，会使钢的脆性增加，使FATT50(℃)增高。 （2）C含量增加，会使C当量增大，当C当量>0.47时，会使钢的可焊性变差，不利于工程结构钢的使用。

3、以低碳贝氏体钢14CrMnMoVB为例，说明其合金化有何特点？ 答：（1）碳含量低（0.14%），保证韧性和焊接性。

（2）以0.5%Mo+B为基础，显著推迟先共析铁素体及珠光体转变，保证空冷条件下获得贝氏体组织。

（3）Cr，Mn，Ni：增加淬透性，使贝氏体转变温度降低，便于得到下贝氏体组织，具有更低的脆性转变温度。

（4）V，Ti，Nb：细化晶粒，弥散强化。

4．什么是微合金钢？主要有哪些微合金元素？其主要作用中什么？

答：1、微合金钢：在普通低碳钢或低合金高强度钢基本化学成分中加入微量合金元素如Nb、V、Ti、Al等，并采用控制轧制控制冷却工艺使钢的力学性能明显提高的高强度低合金钢 。 2、微合金钢中的主要微合金元素：Nb、V、Ti 3、微合金化元素的作用： (1)抑制奥氏体形变再结晶。

① 应变诱导析出Nb、V、Ti的氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上，阻碍晶界和位错运动，抑制再结晶。

②固溶的Ni原子偏聚在奥氏体晶界，增强原子结合力，阻碍晶界运动。 (2)阻止奥氏体晶粒长大。加热时未溶及轧制时析出的TiN，Nb(C,N)。 (3)沉淀强化。微合金元素在铁素体中析出的碳化物、碳氮化物。 (4)细化铁素体组织

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