金属材料学复习题(考试真题)

一、 名词解释
1合金元素：是指特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。
2微合金元素：在钢中质量分数低于0.1%左右而对钢的性能和微观组织有显著或特殊影响的合金添加元素称微合金元素如Al、Nb、V、Ti、B、Ni、Cr、Mo
3合金钢：是指为了提高某些性能而添加入合金元素的钢。
4微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%而能显著影响组织和性能的钢。
5奥氏体形成元素：C,N,Cu,Mn,Ni,Co,W等
6铁素体形成元素： Cr，V，Si，Al，Ti，Mo等
7二次淬火：在回火过程中从残余奥氏体中析出合金碳化物，从而贫化残余奥氏体中的碳和合金元素，导致其马氏体转变温度高于室温，因而在冷却的过程中转变为马氏体。这种现象称为二次淬火。
8二次硬化：回火温度在500-600℃之间，钢的硬度、强度和塑性均有提高，而在550-570℃时可达到硬度、强度的最大值。在此温度区间，自马氏体中析出弥散的钨(钼)及钒的碳化物(W2C、Mo2C、VC)，使钢的硬度大大提高，这种现象称为二次硬化。
9调质钢：调质钢是指经过调质处理，即淬火并经高温回火后使用的结构钢。
二、合金元素V、Cr、W、Mo、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a-Fe中形成无限固溶体？哪些能在γ-Fe中形成无限固溶体？为什么？
答：，奥氏体形成元素：C,N,Cu,Mn,Ni,Co,W等。铁素体形成元素： Cr，V，Si，Al，Ti，Mo。V、Cr与α-Fe可形成无限置换固溶体；Mn、Co、Ni与γ-Fe可形成无限置换固溶体。决定组元在置换固溶体中的溶解条件是： (1)溶剂与溶质的点阵相同；(2)原子尺寸因素(形成无限固溶体时，两者之差不大于±8%)；(3)组元的电子结构(组元在周期表中的相对位置)。 Mn、Co、Ni与γ-Fe符合上述条件，可形成无限置换固溶体，V、Cr与α-Fe符合上述条件，可形成无限置换固溶体。
三、简述合金元素对铁碳相图（如共析碳量等等临界点）的影响。
答：1．改变奥氏体的位置（Ni、Co、Mn以及其它扩大γ相区的元素，均使共析点左移而GS线下沉；Cr、W、Mo、V、Ti、Si以及其它缩小γ相区的元素，均使三元系中的γ相区逐渐呈劈形）2．改变共析温度（Ni、Mn等扩大γ相区的元素，使共析点（S点）左移，GS下沉，使得A1和A3温度同时降低。Cr、W、Mo、V、Ti、Si以及其它缩小γ相区的元素，使γ相区呈劈形，且共析点（S点）左移，使得A1和A3温度同时升高。）3．改变共析体含量（所有合金元素均使共析点左移，说明在钢中C％不到0.77%时，钢就会变为过共析而析出二次渗碳体，从而降低了共析体中的含碳量。这样，合金钢加热至略高于A

1时，所得到的奥氏体的含碳量总比碳钢低。）
四、如何解释二次硬化与二次淬火两个概念的异同点。
答：二次淬火：在回火过程中从残余奥氏体中析出合金碳化物，从而贫化残余奥氏体中的碳和合金元素，导致其马氏体转变温度高于室温，因而在冷却的过程中转变为马氏体。这种现象称为二次淬火。二次硬化：回火温度在500-600℃之间，钢的硬度、强度和塑性均有提高，而在550-570℃时可达到硬度、强度的最大值。在此温度区间，自马氏体中析出弥散的钨(钼)及钒的碳化物(W2C、Mo2C、VC)，使钢的硬度大大提高，这种现象称为二次硬化。
五、对调质钢、弹簧钢进行成分、热处理、组织及性能的比较并熟悉各自主要钢种。
答：A弹簧的性能：1 具有高的强度极限，高的屈强比σs/σb。2 具有高的疲劳极限。3 具有良好的表面状态。4 具有较好的工艺性能 弹簧钢的化学成分特点 ：1 碳含量（碳素弹簧钢的碳含量一般为0.8%~0.9%，合金弹簧钢的碳含量为0.45%~0.7%。）2 加入Si、Mn （Si和Mn是弹簧钢中经常采用的合金元素，目的是提高淬透性、 固溶强化铁素体、提高钢的回火稳定性。）3 加入Cr、W、V、Nb克服硅锰弹簧钢的不足（Cr、W、V、Nb为碳化物形成元素，它们可以防止过热（细化晶粒）和脱碳，从而保证重要用途弹簧具有高的弹性极限和屈服极限。）4 弹簧钢的纯度对疲劳强度有很大影响，因此，弹簧钢均为优质钢（P≤0.04%，S≤0.04%）或高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.035%）。弹簧钢的热处理特点：弹簧钢的热处理一般为淬火＋中温回火。B调质钢的基本特点：① 具有中等的碳含量；② 热处理工艺为：淬火＋500～650℃高温回火；③ 具有良好的强度、塑性及韧性配合。调质钢的合金化及热处理的主要原则：① 保证钢具有必需的淬透性，使零件在淬火后具有足够厚的马氏体层；② 钢在高温回火后能获得预期的综合机械性能。调质钢的化学成分：①碳含量一般在0.3～0.5%之间；②主加合金元素：Si、Mn、Cr、Ni。③辅加合金元素：Mo、V、W、Ti、Al、B。④重要的调质钢一般都含有多种合金元素。调质钢的组织：调质钢经淬火＋高温回火后的金相组织是回火索氏体（多边形铁素体＋粒状碳化物）。调质钢的热处理特点：调质钢在淬火＋高温回火
六、GCr15钢是什么类型钢，它最终组织是什么？从性能要求角度谈为何采用此组织形态。
答：GCr15钢是轴承钢。轴承钢经淬火及回火后的组织为极细的回火马氏体、均匀分布的细粒状碳化物以及少量的残余奥氏体，硬度为62~66HRC。对于精密轴承，为了保证能长期存放和使用中不变形，在淬火后要立即进行“冷处理”，以使钢

中未转变的残余奥氏体进一步发生转变。滚动轴承的性能要求：1 高的淬硬性和必要的淬透性；2 高的耐磨性；3 高的接触疲劳性能；4 高的弹性极限和一定的冲击韧性；5 尺寸要精确而经久稳定；6 一定的抗腐蚀能力；7 良好的工艺性能。高碳为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性，Cr的作用是提高钢的淬透性和钢的耐腐蚀性能。碳化物能以细小质点均匀分布于钢基体组织中，既可提高钢的回火稳定性，又可提高钢的硬度，进而提高钢的耐磨性和接触疲劳强度。马氏体中的碳含量在0.45%-0.5%时，轴承钢既具有高硬度，又有良好的韧性，还具有最高的接触疲劳寿命。淬火后应立即回火，以消除内应力，提高韧性、稳定组织和尺寸。
七、滚动轴承钢的预先热处理和最终热处理分别是是什么？为什么采取预先热处理？
答：由于轴承钢是过共析钢，并且对碳化物的形状和分布要求较高，因此其预先热处理通常采用球化退火。（球化退火温度范围为770～810℃，790℃最适宜） 轴承钢的最终热处理是淬火加低温回火。
八、说明氮化钢及渗碳钢的合金化特点？
答：氮化钢：氮化物形成元素(如铝、钛、铌、钒、钼、铬、钨等)能在α相中形成微细的氮化物颗粒，对α相起强化作用。氮化物形成元素阻碍氮原子向内部扩散，减少氮化层的层深。非氮化物形成元素（如镍、硅、铜等）则阻碍氮原子的吸收，降低表面氮浓度，减少氮化层的深度。铬、钼、钒元素溶入马氏体中时，分别能使钢在400～500℃、500～600℃、550～650℃回火时保持高的强度。钼可使钢在510～580℃氮化长期保温和随后炉冷时不致产生回火脆化。渗碳钢：常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、B等,可以提高钢材的淬透性和机件的强度和韧性；V、Ti可以细化奥氏体晶粒。碳化物形成元素对渗碳的作用：（a）增大钢表面吸收碳原子的能力；（b）增大渗碳层表面碳浓度；（c）阻碍碳在奥氏体中的扩散。前两因素加速渗碳，有利于渗碳层的加厚，而后一因素不利于渗碳层的加厚。总的效果是铬、锰、钼等元素加大渗碳层的厚度，钛减小渗碳层的厚度。非碳化物形成元素对渗碳的作用与碳化物形成元素相反：总的效果是镍、硅、铜等元素减慢渗碳，不利于渗碳层的加厚。碳化物形成元素含量过多，将在渗碳层中产生许多块状碳化物，造成表面脆性。所以合金元素的含量要适当。锰是一个较好的合金元素，既可以加速渗碳层增厚，又不过多提高渗碳层的含碳量。对于一般零件:(1)渗碳层的含碳量限制为0.8～1.1%C；(2)渗碳层的深度控制在0.6～2.0mm之内。
九、低合金工具钢中的主要合金元素是哪些？

在钢中有什么作用？
答：a铬Cr是碳化物形成元素，提高过冷奥氏体的稳定性，增加淬透性。Cr阻止渗碳体型碳化物的聚集、长大，提高了马氏体的分解温度，从而有效地提高了钢的回火抗力。Cr还能防止Si的石墨化倾向。b硅增加钢的淬透性，提高钢的回火稳定性。Si是石墨化元素，在高碳钢中，高温加热时引起脱碳和促进石墨化，必须同时添加W、Cr、Mn等，减少钢的脱碳倾向。c锰提高钢的淬透性，但Mn增加钢的过热倾向。d钨W在工具钢中形成较稳定的碳化物，阻止钢的过热，保证晶粒细化，有利于提高钢的耐磨性。e钒V比其他元素更为有效地阻止奥氏体晶粒长大，降低过热敏感性。
十、什么是红硬性？为什么它是高速钢的一种重要性能？哪些元素在高速钢中有利于提高钢的红硬性？
答：红硬性：在高温下保持高硬度的能力。在高速切削过程中，刀具的刃部温度可达600℃以上，并且要满足切削性能和耐磨性，这要求它必须具有红硬性。提高红硬性元素：C碳、W钨、Mo钼、V钒、Co钴、N氮。
十一、根据高速钢的物理冶金原理，分析讨论碳和合金元素在高速钢中的作用规律。
答：所有的高速钢中，在退火状态下都含有M6C、M23C6。MC三种碳化物。典型的M6C型碳化物是Fe4W2C，钢中含有的Cr、Mo、V可溶解在M6C中，Mo、V可置换W；Cr可置换Fe、W，这就使M6C稳定性不同。如Cr溶入M6C中，使M6C稳定性下降。典型的M23C6型碳化物是Cr23C6，其稳定性较差，淬火加热时，全部溶于奥氏体中，增加钢的淬透性。典型MC型碳化物是VC，也能溶解少量的W、Mo、Cr等元素。在高温回火过程中析出，使高速钢产生弥散强化，从而使钢具有高的耐磨性。高速钢在回火过程中，当温度超过500℃时，自马氏体中析出W2C、Mo2C，引起钢的弥散硬化。当回火温度超过650℃时，则析出M6C及M7C3，它们容易聚集长大，使钢的硬度下降。
十二、叙述18-4-1高速钢从液态冷凝至室温时发生的反应和铸态显微组织特征。为什么高速钢在热处理之前一定要大量地热加工?
答：高速钢的铸态组织常常由鱼骨状莱氏体(Ld)、中心黑色的共析体、白亮的马氏体和残余奥氏体组成。高速钢锻造以后，必须进行球化退火，其目的不仅在于降低钢的硬度，以利切削加工，而且也为以后的淬火作组织上的准备。高速钢在空气中冷却即可进行马氏体转变。18-4-1钢的AC1温度是820-860℃，故退火温度为860℃～880℃。在该温度保温2～3h，大部分合金碳化物未溶入奥氏体中，此时奥氏体中合金元素含量不多，冷却时易于转变为粒状珠光体和剩余碳化物。为什么：高速钢的铸态组织很不均匀。大量不均匀分布的粗大碳化物，将造成强

度及韧性的下降。这种缺陷不能用热处理工艺来矫正，必须借助于反复压力热加工(锻、轧)，将粗大的共晶碳化物和二次碳化物破碎，并使其均匀分布在基体内。
十三、高速钢18-4-1的最终热处理的加热温度为什么高达1280摄氏度？在加热过程中为什么要在600-650摄氏度和800-850摄氏度进行二次预热保温？
答:18-4-1钢的淬火温度1280℃是因为淬火温度越高，合金元素溶入奥氏体的数量越多，淬火之后马氏体的合金浓度越高。只有合金含量高的马氏体才具有高的回火稳定性，在高温回火时析出弥散合金碳化物产生二次硬化使钢具有高的硬度和红硬性。温度超过1300℃时，各元素的溶解量虽还有增加，但奥氏体晶粒则急剧长大，甚至在晶界处发生溶化现象。使淬火钢的韧性大大下降。所以，1280℃作为淬火温度。由于高速钢的导热性差而淬火温度又极高，为减少工件在加热时的变形开裂和缩短高温保持时间，减少脱碳，可采用预热。一次预热在800-850℃二次预热在800-850℃前加一次500-600℃预热。
十四、高速钢18-4-1淬火后三次回火目的是什么？这种回火在组织上引起什么样的变化？
答：当回火温度500～600℃之间时，残余应力松弛，基体中析出了部分碳化物，使残余奥氏体中合金元素及碳含量下降，Ms点升高。这种贫化的残余奥氏体，在回火后的冷却过程中，转变为马氏体，使钢的硬度也有所提高。为了降低残余奥氏体量，需增加回火冷却次数，三次回火后残余奥氏体量完全转变。
十五、画出Fe-Fe3C二元相图（注明三相水平线的温度，以及每个三相平衡反应中三个单相的成分），并分析合金元素对Fe-Fe3C二元相图γ相区和共析点的影响，请举例说明。


合金元素影响：
1．改变奥氏体的位置
Ni、Co、Mn以及其它扩大γ相区的元素，均使共析点左移而GS线下沉，Cr、W、Mo、V、Ti、Si以及其它缩小γ相区的元素，均使三元系中的γ相区逐渐呈劈形
2．改变共析温度
Ni、Mn等扩大γ相区的元素，使共析点（S点）左移，GS下沉，使得A1和A3温度同时降低。Cr、W、Mo、V、Ti、Si以及其它缩小γ相区的元素，使γ相区呈劈形，且共析点（S点）左移，使得A1和A3温度同时升高。
3．改变共析体含量
所有合金元素均使共析点左移，说明在钢中C％不到0.77%时，钢就会变为过共析而析出二次渗碳体，从而降低了共析体中的含碳量。这样，合金钢加热至略高于A1时，所得到的奥氏体的含碳量总比碳钢低。
十六、合金元素与碳的亲和力与什么条件有关？列举几种强、中等强、若碳化物形成元素。
答：碳化物在钢中的相对稳定性取决于合金元素与碳的亲和力的大小，即取决于合

金元素d层电子数。金属元素的d层电子数越少，它与碳的亲和力就越大，所析出的碳化物在钢中就越稳定。Hf > Zr > Ti > Ta > Nb > V > W > Mo > Cr > Mn > Fe 铪、锆、钛、铌、钒是强碳化物形成元素，形成最稳定的MC型碳化物；钨、钼、铬是中等强碳化物形成元素；锰、铁是弱碳化物形成元素。
十七、什么是第一类回火脆性？第一类回火脆性产生的原因是什么？如何防止第一类回火脆性的产生？
答：淬火钢在250－400 ℃回火后出现的脆性，称为低温回火脆性，又叫第一类回火脆性。产生第一类回火脆性的原因：1.由于马氏体分解时沿马氏体板条或片的界面析出断续的碳化物，降低晶界的断裂强度；2.杂质元素在原奥氏体晶界的偏聚，使晶界强度进一步降低；3．板条相界残余奥氏体薄膜的失稳分解。抑制第一类回火脆性的方法：1.推迟Fe3C的形核与长大；2.减少杂质元素的含量或改变其分布；3.增加残余奥氏体的稳定性。
十八、列举金属材料可能采用的各种强化及韧化方法并简述其机理。
答：强化机理1、固溶强化。（试验指出：定量评定合金铁素体的强化程度可以通过每个合金元素对Fe的α固溶体性能影响的叠加效果。这样，同时用若干种合金元素合金化铁素体时，其对强度的贡献可以用下式来表达：

式中：KiF是1%(重量)的第i种合金元素固溶后引起铁素体屈服强度增量的强化系数；CiF为第i种合金元素溶于铁素体中的重量百分浓度。2、细化晶粒强化 铁素体的屈服强度随晶粒度的减小按Hall-Petch公式而增加，即σs= σi + kd-0.5 其中：d为晶粒直径；σi为在晶粒中位错运动所需的应力（内摩擦力）；k为常数。实际晶粒越细，屈服强度越高，所以在加工钢铁材料时非常重视最终的铁素体晶粒尺寸。3、位错密度和缺陷密度引起的强化 钢铁在冷加工（轧制、拉拔）过程中，受力变形，使基体内的位错密度大大提高；钢铁在淬火后，基体内的位错密度以及缺陷密度也大幅度的增加，这都增加了钢材的强度。4、析出碳化物弥散强化 钢材在经淬火处理后，在回火过程中，以特殊碳化物的质点弥散析出，这些碳化物能有效地阻碍位错的运动，提高了钢的屈服强度。
韧化途径 1、细化晶粒 细化晶粒作为钢的主要强化机制是十分重要的，与此同时也改善了韧性和降低脆性转变温度。因此，它是既强化又韧化钢材的唯一办法。2、降低有害元素的含量 减少钢中的P、S、N、H、O以及其它有害元素的含量，则可减少它们在晶界的偏聚，一方面有利于抑制回火脆性倾向，另一方面也使延迟破坏和环境脆化的敏感性大大下降，从而改善钢的韧性。3、调整合金元素含量 合金元素抑

制钢的脆性断裂倾向的原因在于：①改变显微组织。合金元素是通过控制淬透性、相变温度、析出物形态、晶粒度等而起作用，其效果随所得组织或随不同添加量而发生复杂的变化。②改善基体本身的韧性。合金元素是通过影响基体的塑性特性，即影响位错摩擦力、交叉滑移的难易程度而起作用。4、降低钢中的含碳量 碳是钢中必不可少的元素，然而加碳虽然强化作用很大，但却显著降低韧性，这是普遍倾向。针对这一特性，含碳量极低的(≤0.03%wt)、通过析出金属间化合物来强化的马氏体时效钢，具有高的韧性。
十九、什么是控制轧制？控制轧制的目的是什么？请详细描述控制轧制的整个过程以及每个阶段晶粒大小的变化。
答：控制轧制：在热轧过程中，通过对金属加热、轧制和冷却的合理控制，使范性形变与固态相变过程相结合，以获得良好的晶粒组织，使钢材具有优异的综合性能的轧制技术。控制轧制是高温形变热处理的一种派生形式，其主要目的是细化晶粒组织，从而提高热轧钢的强韧性。
控制轧制主要由三个阶段组成：①高温下的再结晶区变形；②在紧靠Ar3以上的低温无再结晶区变形；③在奥氏体＋铁素体两相区变形。
阶段1：使粗大的奥氏体（a）多次变形和再结晶而细化（b），但是这时由γ转变的铁素体仍较粗大（bˊ）；阶段2：在伸长而未再结晶的奥氏体（c）内形成变形带，而且使铁素体在变形带以及γ晶界上形核，从而形成细小的α（cˊ）；阶段3：在γ＋α两相区的变形，继续阶段2的过程，此时铁素体也发生变形，从而形成亚结构。
二十、什么是双相钢？双相钢有哪些优点？其原因是什么？获得双相钢的方法有哪些？
答：所谓双相不锈钢是在其固淬组织中铁素体相与奥氏体相各占一半，一般最少相的含量也许要达到30%。双相钢的组织为：铁素体+马氏体（岛状）+少量的残余奥氏体。
双相钢性能的特点为：l 具有连续强度的σ-ε曲线；2?低的屈服强度，一般不超过350 Mpa；3?高的应变硬化速率和优良的抗拉强度与塑性的配合。
双相钢优异性能的原因：低屈服强度和高应变硬化率的原因存在三种可能：?首先，在马氏体区域存在残余应力，这些应力来源于快速冷却时马氏体相变的体积和形状变化。?其次，由于这些体积和形状变化效应，使周围铁素体经受塑性变形，导致铁素体中存在高密度的可动位错。?再次，伴随着马氏体的残余奥氏体，在成形操作时，发生应变诱发马氏体相变。所有这些原因，均引起起始屈服发生在较低应力水平下，同时这些过程进行时，进一步塑性变形所需应力迅速增加。
双相组织的获得方法

1、热处理双相处理（退火双相钢）
钢在（α＋γ）两相区加热退火，然后空冷或快冷，得到铁素体＋马氏体组织。
2、热轧双相钢
生产双相钢的另一工艺是热轧后，控制冷却，使钢形成80～90％的细小多边形铁素体。在剩余奥氏体岛中C和一些合金元素富化，促使奥氏体岛的稳定，因此它既不转变为珠光体，也不转变为贝氏体，而是在较低相变温度下形成M-A组成体。

19题图：