金属材料学期末复习题

过程考核题目一、填空题1、（钛）、（铌）、（钒）等强碳化物形成元素阻止奥氏体晶粒长大的作用显著。2、对结构钢的强度，贡献最大的是（细晶）强化和（沉淀）强化。3、希望钢中的碳化物在大小、分布、形状和数量的特征参量上为（小）、（均）、（圆）和（适量）。4、调质钢的含碳量（0.25~0.45％）；碳素弹簧钢的含碳量（0.60~1.05％）；低合金弹簧钢的含碳量（0.40~0.74％）；渗碳钢的含碳量（0.12~0.25％）。5、普通弹簧冷卷成型后进行（去应力退火）热处理；车辆用板簧淬火后进行（中温回火）热处理。6、高锰铸钢化学成分的特点是（高碳）、（高锰），常用的高锰铸钢为（ZGMn13型）型，铸态的高锰钢必须经过（水韧）处理，被广泛应用于承受（大冲击载荷）、（强烈磨损）是工况下工作的零件。7、高速钢淬火加热温度Ac1+（400），常采用的冷却方式是（分级）淬火，回火温度（560）℃，（3）次。8、（Cr12MoV）钢主要制造大尺寸、形状复杂、承受载荷较大的模具，曾经有“冷作模具王牌”之称。9、热作模具的苛刻工作条件要求模具钢具有（高抗热塑性变形能力）、（高韧度）、（高抗热疲劳性）和（良好的抗热烧蚀性）。1、与碳素钢相比，一般情况下合金钢具有（晶粒细化）、（淬透性高）、（回火稳定性好）三大优点。2、不锈钢中含碳量越（高），耐蚀性（下降）。3、钢的热强性指标主要有（蠕变极限）、（抗拉强度）、（高温疲劳强度）、（持久寿命）。4、石墨可以从（液体）中析出、也可以从（奥氏体）中析出，还可以由（渗碳体）中分解得到。5、对于大部分工模具钢来说，碳化物是钢中重要的第二相。一般要求碳化物呈（球状）、（细小）、（均匀）分布。1、（防锈铝）是不能热处理强化的铝合金。2、（调质钢）钢在机械零件中是用量最大的。3、铁素体不锈钢都是高（铬）钢。4、（奥氏体）不锈钢是应用最广泛的不锈钢。5、（锡黄铜）有海军黄铜之称，（H70/H68）是弹壳黄铜。6、实际上铸铁是以（铁-碳-硅）为主的多元合金。7、奥氏体不锈钢中的主要合金元素是（Ni），其主要作用是（形成并稳定奥氏体，使刚获得完全奥氏体组织，从而使钢具有良好的强度和塑性、韧性的配合，并具有优良的冷热加工性和焊接性等）。8、合金工具钢中，合金元素的主要作用是（提高淬透性）、（细化碳化物）、（提高钢的强韧性）。9、第一类回火脆性温度范围（200~350℃），第二类回火脆性温度范围（450~650℃）。10、耐热钢中常用的合金元素中，（Mo）、（W）是提高耐热钢热强性的重要元素。11、现在一般提倡高速钢中不加或少加（钴）、锰）、（硅）是低合金高强度钢中最常用且较经济的元素。12、可锻铸铁经（石墨化退火）处理得到的。二、简答题1、简述合金钢中碳化物形成规律。①当rc/rm＞0.59时，形成复杂点阵结构；当rc/rm＜0.59时，形成简单点阵结构②相似者相溶，如果形成碳化物的元素在晶体结构、原子尺寸、和电子因素都相似，两者就可以完全互溶，否也就是有限溶解③强碳化物形成元素总是优先与碳结合形成碳化物，随着钢中碳质量的增加，依此形成碳化物④Nm（合金元素原子数）/Nc（碳原子数）的比值决定了碳化物类型⑤碳化物稳定性愈好，溶解愈难，析出愈难、剧集长大愈难2、简述工程结构钢的基本要求。①足够的强度与韧度为了能承受较大的载荷和减轻整个金属结构件②良好的焊接性和成型工艺性③良好的耐腐蚀性这里主要指在各类大气侯条件下的抗腐蚀能力另外，根据使用情况还可以提出其他特殊要求。同时，这类钢用量大，必须考虑到生产成本不能比碳钢高出太多。总之，低合金高强度钢既要有高的强度、良好的塑韧性等综合力学性能、良好的焊接性和成型性等工艺性能，同时又要有低的成本。3、调质钢中常用哪些合金元素？这些合金元素各起什么作用？常用的合金元素有：Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等调制钢中加入Mn，能提高钢的淬透性。。Cr在提高钢的淬透性的同时，还提高回火稳定性。Ni能有效的提高钢基体的韧度，并且，Ni-Cr复合加入，提高淬透性的作用很大。Mo能进一步提高淬透性，既提高回火稳定性，细化晶粒，又能有效地消除或大为降低回火脆性倾向。V能有效的细化晶粒，提高淬透性，能降低钢的过热敏感性。4、在高速钢中，合金元素W（Mo）、Cr、V的主要作用是什么？钨/钼：W是高速钢获得热硬性的主要元素，淬火时一部分的W碳化物溶入奥氏体，提高了奥氏体的合金度，由于W和C的结合力比较强，提高了马氏体的回火稳定性，在560℃时析出W2C，产生弥散强化，提高钢的耐磨性，钼与钨作用相似。铬：Cr主要形成M23C6和存在于M6C中，Cr溶入M6C使其稳定性下降，在高温时溶解，而M23C6的稳定性更低，在加热时几乎全部溶解于奥氏体中，从而保证了钢的淬透性，Cr也增加高速钢耐蚀性，减少粘刀现象，改善刃具切削能力。钒：V在高速钢中能显著提高钢的热硬性，提高硬度和耐磨性，同时还能有效地细化晶粒，降低钢的过热敏感性，产生二次硬化现象1、材料选用的基本原则有哪些？①材料的使用性能要求②材料的公共性能③经济性④其他因素：考虑外形和尺寸特点、合金化基本原则、多元适量复合加入。2、提高钢耐腐蚀性能的途径有哪些？①使钢的表面形成稳定的保护膜，合金元素Cr、Al、Si是比较有效的②提高不锈钢固溶体的电极电位或形成稳定的钝化区，降低微电池的电动势③使刚获得单相组织，如加入足够的Ni、Mn可使刚得到单相奥氏体组织④采用机械保护措施，或覆盖层，如电镀、发蓝、涂漆能办法。3、高速钢W6Mo5Cr4V2的AC1在800℃左右，但淬火加热温度在1200~1240℃，淬火加热温度为什么这样高？高速钢淬火的目的是获得高合金度的奥氏体，淬火后得到合金马氏体，具有高的回火稳定性，在高温回火时，弥散出合金碳化物而产生二次硬化，使刚具有高硬度和红硬性，高速钢的合金碳化物比较稳定，必须在高温下才能将其溶解，所以虽然高速钢的Ac1在800℃左右，但其淬火温度必须在Ac1+400℃以上。4、轴承钢一般的工艺路线为：锻（轧）→球化退火→机械加工→淬火、回火→磨加工。（1）球化退火目的？（2）淬火后组织？（5分）⑴球化退火目的：是为最终淬火处理做好组织准备⑵淬火后组织：经油淬后，可获得细小均匀的5~8级奥氏体晶粒度，固溶体的碳质量分数含量一般在0.5~0.6％左右，隐晶马氏体基体上分布着细小均匀分布的粒状碳化物，其体积分数含量为7％~8％，并含有少量残余奥氏体。5、写出碳化物形成元素与碳结合强度顺序。（10分）Ti、Zr、Nb、V为强碳化物Mo、W、Cr为中等强度Mn、Fe等为弱碳化物形成元素1、将下列钢按用途分类。Q460、GCr15SiMn、Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2、12Cr13工程结构钢：Q460机械零件用钢：GCr15SiMn工模具钢：Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2不锈钢：12Cr132、简述冷作模具的服役条件及对钢性能的要求。服役条件：工作温度不高、摸具主要承受高的压力或冲击力、金属之间有强烈的摩擦性能要求：高硬度和耐磨性，也要有一定韧性，在工艺上则要求有足够的淬透性，淬火变形小3、铸铁的分类，每种铸铁中碳存在的形式？根据碳在铸铁中存在的形式和石墨状态，铸铁可分为：灰铸铁：碳全部或大部分以片状石墨G析出②球墨铸铁：碳全部或大部分以球状石墨G形态存在③蠕墨铸铁：碳全部或大部分以蠕虫状石墨G形态存在④可锻铸铁：碳全部或大部分以游离团絮状石墨形态存在。4、高锰耐磨钢化学成分有什么特点？高锰钢的热处理应注意什么？在什么情况下适合使用这类钢？⑴高锰铸钢化学成分的特点是：高碳、高锰⑵高锰钢的热处理应注意：铸态的钢必须经过水韧处理，水韧处理应注意，水韧处理的加热温度应在Acm线以上，一般为1050~1100℃，在一定的保温时间下，使碳化物全部溶入奥氏体中；高猛钢的导热性比较差，仅为碳素钢的4/1或5/1，热膨胀系数比普通钢大50％，而且铸件尺寸往往又比较大，所以要缓慢加热，以避免产生裂纹；铸件出炉至入水时间应尽量缩短，以避免碳化物析出。冷却要快，常采用水冷。水冷前水温不宜超过30℃，水冷后水温应小于60℃；水韧处理后不宜再进行250~350℃的回火处理，也不宜在250~350℃以上温度环境中使用。因为在高于250℃时，会析出碳化物，降低性能。⑶这类钢常用于承受大冲击载荷、强烈磨损的工况下工作的工件。课后作业题为什么说钢中的S、P杂志元素在一般的情况下总是有害的？合金元素对Fe-Fe3C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？凡是扩大r相区的元素均使S、E点向左下方移动。如Mn、Ni等；凡是封闭r相区的元素均使S、E点向左上方移动。如Cr、Si、Mo等；S点左移意味着共析碳量减小，E点左移意味着莱氏体的含碳量减小。3.？第一类回火脆性和第二类回火脆性是在什么条件下产生的？如何减轻或消除？第一类回火脆性产生原因：钢在200~350℃回火时，Fe3C薄膜在奥氏体晶界上或马氏体板条间形成，削弱了晶界强度；P、S、Bi等杂志元素容易发生内吸附现象，偏聚于晶界，也降低了晶界的结合强度。防止措施：①降低钢中杂质元素含量②用Al脱氧或加入Nb、V、Ti等合金元素细化奥氏体晶粒③加入Cr、Si调整温度范围④采用等温淬火代替淬火回火工艺。第二类回火脆性产生的原因：钢在450~650℃回火时，杂质元素Sb、S、As偏聚与晶界，或N、P、O等杂志元素偏聚于晶界，形成网状或片状化合物，降低了晶界强度。防止措施：①降低钢中的杂质元素②加入能细化A晶粒的元素③加入适量的Mo、W元素④避免在第二类回火脆性温度回火。合金元素提高钢的韧度主要有哪些途径？细化奥氏体晶粒②提高钢的回火稳定性③改善基体韧度④细化碳化物⑤降低或消除钢的回火脆性⑥在保证强度水平下适当降低碳含量⑦提高冶金质量⑧通过合金化形成一定量残余奥氏体，利用稳定的残余奥氏体来提高材料韧度。钢的强化机制有哪些？为什么一般钢的的强化工艺都采用淬火—回火？钢的强化机制有：固溶强化、位错强化、细晶强化和第二相强化一般钢的强化工艺都采用淬火—回火是因为这种工艺充分利用了这四种强化机制机制：①淬火后获得的马氏体是碳以α—Fe中的过饱和的间隙固溶体，碳原子起到了间隙固溶强化效应；②马氏体形成后，奥氏体被分割成许多小的取向不同的区域，产生了细晶强化作用③淬火形成马氏体时，马氏体中的位错密度增高，从而产生位错强化效应；④淬火后回火时析出的碳化物造成强烈的第二相强化，同时也使钢材的韧性得到改善；因此，无论是碳钢还是合金刚，在淬火—回火时充分利用了强化材料的四种机制，使钢的机械性能潜力得到了充分的发挥，所以获得马氏体并进行相应的回火是钢的最经济最有效的强化手段。与碳钢相比，一般情况下合金钢有哪些主要优缺点？优点：合金元素能够细化晶粒、提高淬透性、提高回火稳定性。缺点：合金元素的加入使钢的冶炼及加工工艺性能比碳钢差，价格也比较昂贵，而且回火脆性倾向也比较大。叙述构件用钢一般的服役条件，加工特点和性能要求？服役条件：工程结构件长期受到静载荷，但如桥梁、船舶会受到交变载荷，一般在-50~100℃范围内使用加工特点：由构件钢的基本要求和加工工艺所决定的，焊接是构成金属结构的常用方法，一般要经过剪切、冲孔、热弯、神冲等成型工艺性能要求：①足够的强度与韧度②良好的焊接性和成型性③良好的耐腐蚀性在低合金高强度工程结构钢中大多采用微合金元素（Nb、V、Ti等），他们的主要作用是什么？⑴细化晶粒：由于Nb、V、Ti的微合金化可生成弥散的碳化物、氮化物和碳氮化物，它们能钉扎晶界，加热时能组织奥氏体晶粒长大，冷却转变后可得到细小的铁素体和珠光体；另外钢中加入降低A3温度的合金元素，可使奥氏体在更低的温度下发生转变，从而细化铁素体和珠光体组织析出强化：Nb、V、Ti形成的细小化合物在相间弥散分布，从而可产生析出强化。机械制造结构钢和工程结构钢对使用性能和工艺性能上的要求有什么不同？机械制造结构钢以力学性能为主，工艺性能为辅力学性能要求：①较高的疲劳强度或持久强度②具有高的屈服强度、抗拉强度以及较高的断裂抗力③具有较高的韧性工艺性能要求：良好的切削加工性能和热处理性能工程结构钢以工艺性能为主，以力学性能为辅力学性能要求：①弹性模量大，以保证构件有更好的刚度②有足够的抗塑性变形和抗破断的能力③缺口敏感性及冷脆转变型小工艺性能要求：良好的冷变形性能和焊接性能试述弹簧的服役条件和对弹簧钢的主要性能要求，为什么低合金弹簧钢中碳含量在0.5％~0.75％（质量分数）之间？服役条件：储能减振，一般在动负荷下工作，即在冲击、振动或长期均匀的周期改变应力的条件下工作性能要求：有高的弹性极限以及弹性减退抗力好，较高的屈服比；具有高的疲劳强度和足够的塑性和韧度；在某些环境下，还要求弹簧具有导电、无磁、耐高温和耐蚀性等性能。原因：低合金弹簧中碳含量在0.5％~0.75％之间是为了保证弹簧不但具有高的弹性极限、高的屈强比和疲劳极限，还要有一定的塑性和韧性。有些普通弹簧冷卷成型后为什么要进行去应力退火？车辆用板簧淬火后，为什么要用中文回火？去应力退火的目的：①消除弹簧冷卷成型过程中内部所形成的内应力②稳定弹簧尺寸③降低弹簧的脆性，提高其韧度、抗拉强度和弹性极限中温回火的目的：①降低板簧的强度和硬度，提高其韧性，使板簧在具有一定的强度、硬度的同时，具有高的弹性极限和抗拉强度②稳定板簧尺寸③消除板簧经淬火后内部所产生的应力，避免形变与变形。滚动轴承钢常含有哪些元素？为什么Cr量限制在一定范围？滚动轴承钢中含有：C、Cr、Si、Mn等合金元素Cr可以提高淬透性，回火稳定性，硬度，耐磨性和耐蚀性，但如果质量分数大（大于1.56％），会使残余奥氏体增加，使钢的硬度、尺寸稳定性降低，同时增加碳化物的不均匀性，降低钢的韧性。滚动轴承钢对冶金质量、表面质量和原始组织有哪些要求？为什么？对轴承钢的基本质量要求是纯净和组织均匀，杂质元素及非金属夹杂物要少，钢中的碳化物要细小，分布要均匀，不允许存在缩孔、气泡等冶金缺陷。原因：轴承钢的接触疲劳寿命随钢中氧化物级别增加而降低‘非金属夹杂物可破坏基体的连续性，容易引起应力集中。可达很高数值。碳化物的尺寸和分布对轴承钢的接处疲劳寿命也有很大的影响。大颗粒碳化物具有很高的硬度和脆性，密集的碳化物影响钢的冷热加工性，降低钢的冲击韧度。在使用状态下，滚动轴承钢的最佳组织是什么？在工艺上应如何保证？⑴油淬后得到细小均匀的5~8级的奥氏体，隐晶马氏体基体上分布着细小均匀的粒状碳化物，并含有少量残余奥氏体工艺上保证淬火温度为830℃~860℃，油淬，淬火后及时回火，回火采用160℃保温3h或更长，淬火后为保证尺寸稳定，还要进行冷处理，生产中一般要求淬火后到冷处理时间不超过4h，冷处理后立即低温回火，轴承在磨削加工后要进行消除磨削应力的回火，一般用低于原回火温度20~30℃的温度进行附加回火。滚动轴承钢原始组织中碳化物的不均匀性有哪几种情况》应该如何改善或消除？有三种情况：液析碳化物、带状碳化物、网状碳化物措施：消除液析碳化物可采用高温扩散退货；消除带状碳化物需要很长时间的退火；消除网状碳化物可采用控制终轧或终断温度、控制轧制后冷速或正火等措施。试述选择零件材料的基本思路与方法简述冷作模具、热作磨具的服役条件及对钢性能的要求⑴冷作模具服役条件：工作温度不高、摸具主要承受高的压力或冲击力、金属之间有强烈的摩擦性能要求：高硬度和耐磨性，也要有一定韧性，在工艺上则要求有足够的淬透性，淬火变形小热作磨具服役条件：模具是在反复受热和冷却的条件下工作，磨具受热时间越长受热程度越严重，许多模具还受到较大冲击力，工作条件苛刻。性能要求：应具有高的抗热塑性变形能力，高韧度，高抗热疲劳性和良好的抗热蚀性。高速钢（W18Cr4V）在淬火后，一般常采用在550℃左右回火三次的工艺，为什么？高速钢淬火后的残留奥氏体合金度高，稳定性大，在回火过程中不分解，在500~600℃间保温时也从中析出合金碳化物，使残留奥氏体合金度有所降低，因而奥氏体的Ms点升高，在冷却到室温时，部分残留奥氏体发生马氏体转变，残留奥