1、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
2、小相区的合金元素。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500600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
3、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
4、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。三、问答题：第一章 钢的合金化原理1、合金元素V、Cr、W、
5、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a-Fe中形成无限固溶体？哪些能在g-Fe 中形成无限固溶体？答:奥氏体形成元素：Mn, Ni, Co, Cu； 铁素体形成元素：V、Cr、W、Mo、Ti、Al； Mn, Ni, Co 与 -Fe无限互溶； V、Cr与 a-Fe无限互溶。2、简述合金元素对扩大或缩小相区的影响，并说明利用此原理在生产中有何意义？答：扩大相区：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）开启相区：与-Fe无限固溶，Ni、Mn、Co。一定量后，相区扩大到室温以下，使相区消失开启相区元素。可形成奥氏
6、体钢。 2）扩大相区：与-Fe有限固溶，C、N、Cu。扩大相区，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-扩展相区元素。 缩小相区：使A3升高，A4降低。一般为铁素体形成元素。 分为两类: 1）封闭相区：合金元素在一定含量时使A3和A4汇合，相区被相区封闭，形成圈。V、Cr、Si、Ti、W、Mo、Al、P等。其中V和Cr与-Fe无限互溶，其余有限溶解。Cr、Ti、Si等可完全封闭相区，量大时可获得单相铁素体铁素体钢。 2）缩小相区：Zr, Nb, Ta, B, S, Ce 等。使相区缩小，但出现了金属间化合物，不能完全封闭相区-缩小相区元素。 生产中的意义： 可以利用M扩大和缩小相
7、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；
8、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)M
9、n：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）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：CrWMo Mn：（Fe,Mn）3C, 减慢P转变时合金渗碳体的形核与长大；扩大相区，强烈推迟转变， 提高的形核功； Ni：开放相区，
10、并稳定相，提高的形核功（渗碳体可溶解Ni, Co） Co：扩大相区，但能使A3温度提高（特例），使转变在更高的温度进行，降低了过冷的稳定性。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 的界面能，阻碍相和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
11、素（V、Ti、Nb、Ni、Mn、Si等）对珠光体转变的影响机制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
12、；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，500600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
13、化途径：固溶强化、加工硬化、细晶强化、第二相强化； 韧化途径：细化晶粒、组织 提高回火稳定性如强K形成元素。 改善基体韧度 Ni。 细化K适量Cr、V，使K小而匀。 降低回火脆性 W、Mo。 低碳马氏体强韧化在保证强度水平下，适当降低含C量。 提高冶金质量。 通过合金化形成一定量的残余奥氏体。 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
14、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）
15、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
16、、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。 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。 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 固溶在奥氏体中的Nb、V提高了奥氏体的稳定性，降低相变温度。 细小的奥氏体和未再结晶
17、的形变奥氏体增加了铁素体形核数量。5 微珠光体钢是如何获得的？其主要强化机制如何？答：1、通过在含碳量小于0.1%的低合金高强度钢基础上，加入0.1%左右的V、Ti、Nb等合金元素，采用控制轧制和控制冷却技术获得的2、 主要强化机制： 1）细晶强化 1、钢坯加热时未溶的TiN，Nb(C,N)阻止长大。 2、轧制时在晶界、亚晶界和位错上应变诱导析出铌、钛、钒的氮化物，抑制再结晶，并阻止长大。 3、固溶的铌原子偏聚在奥氏体晶界，增强原子结合力，阻碍晶界运动，抑制再结晶。 4、固溶在奥氏体中的Nb、V提高了奥氏体的稳定性，降低相变温度。 2）沉淀强化。 微合金元素在铁素体中析出的碳化物、碳氮化物。第
18、三章 机械制造结构钢1、典型调质钢、弹簧钢、氮化钢、渗碳钢中合金元素作用、热处理特点及主要注意事项。答：热处理合金元素作用：3、高锰钢在平衡态、铸态、热处理态、使用态四种状态下各是什么组织？为何具有抗磨特性？答：(1) 平衡态组织：珠光体和碳化物。 (2) 铸态组织：粗大的铸态奥氏体和碳化物。 (3) 热处理组织：粗大的铸态奥氏体。 (4) 使用组织：表面是形变高碳马氏体，心部是单相奥氏体。 (5) 具有抗磨性的原因：表面应力超过屈服强度时会产生加工硬化，形成马氏体。硬度提高到HB450500，耐磨性提高。4、GCr15钢是什么类型的钢？这种钢中碳和铬的含量约为多少？碳和铬的主要作用分别是什么
19、？其预先热处理和最终热处理分别是什么？其中的碳化物不均匀性主要表现在哪些方面，各自的成因如何，如何消除？答：（1）GCr15钢是滚动轴承钢。 （2）含碳量为1%，含铬量为1.5%。 (3)碳的主要作用： 形成含碳量为0.45%的回火马氏体基体，提高强度、硬度和耐磨性。 形成数量为8%的、细颗粒未溶合金渗碳体(Fe,Cr)3C，提高耐磨性、细化奥氏体晶粒。 铬的作用：提高淬透性； 细化奥氏体晶粒 提高耐磨性(4)预先热处理：正火+球化退火 正火：得到细片状珠光体。850-950加热，空冷； 球化退火：得到均匀细粒状珠光体组织。780-800加热，炉冷。 最终热处理：淬火+回火 淬火：830-86
20、0加热，油冷； 回火：150-170。 （5）碳化物的不均匀性可分为: 液析碳化物：由于枝晶偏析引起的伪共晶碳化物，尺寸一般较大，具有高的硬度和脆性；采用高温扩散退火，一般在1200进行扩散退货即可消除 带状碳化物：属于二次碳化物，碳化物偏析区沿轧制方向伸长呈带状分布，直接影响钢的冷、热加工性能，严重损害轴承的接触疲劳寿命；采用长时间退火才能消除 网状碳化物：由二次碳化物析出于奥氏体晶界造成的，他降低了钢的冲击韧度；控制终轧或终锻温度、控制轧制后冷速或正火可防止和消除网状碳化物。第四章 工具钢1、从总体看，工具钢与结构钢相比，在主要成分、组织类型、热处理工艺、主要性能与实际应用方面各自有何特点
21、？答：结构钢工具钢主要成分碳中低C（0.08-0.65%）中高C（0.6-1.3%）合金元素中偏低（总量一般5%，少数为5%10%，属于低合金钢和中合金钢）中偏低高C，总量一般1350 MPa或b1800 MPa ，作为结构材料使用的高强度钢称为超高强度钢。 方法：2 马氏体时效钢与低合金超强钢相比，在合金化、热处理、强化机制、主要性能等方面有何不同？合金化热处理强化机制主要性能马氏体时效钢1） 过大相区（Ni、Co）；2） 时效强化（Ni，Ti, Al, Mo, Nb ，Mo）；3） 为提高塑韧性，必须严格控制杂事元素含量（C,S,N,P）1）高温奥氏体化后淬火成马氏体（Ms:100150
22、）；2）进行时效，产生强烈沉淀强化效应，显著提高强度。 固溶强化冷作相变强化时效强化高强度，同时具有良好的塑韧性和缺口强度；热处理工艺简单；淬火后硬度低，冷变形性能和切削性能好；焊接性较好低合金超强钢1）保证钢的淬透性（Cr, Mn, Ni）；2）增加钢的抗回火稳定性（V, Mo）；3）推迟低温回火脆性（Si）； 4）细化晶粒（V,Mo）。淬火 + 低温回火或等温淬火晶粒细化、沉淀硬化及亚结构的变化强度高；成本低廉；生产工艺较简单；韧塑性较差；较大的脱C倾向； 焊接性不太好。第八章 铸铁1、灰口铸铁与钢相比，在主要成分、使用组织、主要性能上有何不同？答：铸铁与钢总体比较：（铸铁） A. 成分：
23、C、Si含量高，S、P含量高； C 2.5-3.6 Si 1-2.5 B. 组织：钢的基体 +粗片状石墨； C. 热处理：去应力退火，G化退火，正火，表面淬火 D. 性能：强度较低，塑韧性低，硬度HB130-270，耐磨性好，减振性好，缺口敏感性小等 E. 生产：铸铁熔化设备简单，工艺操作简便，生产成本低廉2、对灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁的成分（主要是C与Si）、组织、牌号、主要性能与应用做相互对比。灰口铸铁可锻铸铁球墨铸铁成分C 2.5-3.6%Si 1-2.5%C 2.2%, Si 1.2-2.0% Mn 0.4-1.2%,P0.1%, S0.2%;C3.6-3.8%,Si 2.0-2.
24、5%,Mn0.6-0.8% P 0.1%组织F，F+P，P+片状G（A型， , F型）P，F+团絮状GF，P+球状G牌号HT+最低抗拉强度KTH或KTZ+最低抗拉强度+伸长率QT+最低抗拉强度+伸长率性能强度较低，塑韧性低，硬度HB130-270，耐磨性好，减振性好，缺口敏感性小等较高强度，良好塑性，有一定的塑变能力（展性铸铁，马铁），但并不能锻造。但生产周期长，工艺复杂，成本较高。基体强度利用率高，可达70-90%；强度，塑性，韧性，疲劳强度明显提高用途可用作耐压减震件，如机床底座、支柱等制造一些形状复杂而在工作中以经受震动的薄壁（25mm）小件可制造各种受力复杂、负荷较大和耐磨的重要铸件，
25、如曲轴、连杆、齿轮等，在一定条件下可取代铸钢、锻钢、合金钢。3、可锻铸铁的成分与灰口铸铁相比，有何特点？其生产分几步？答：1、特点：可锻铸铁石墨呈团絮状，灰口铸铁石墨呈片状； 可锻铸铁强度、塑性、韧性都都比灰口铸铁好。 可锻铸铁的合金成分比灰口铸铁略低。可锻铸铁生产分两步：1）生产白口铸铁； 2）石墨化化退火（900-980度,15h ）4、 球墨铸铁的生产过程如何？答：铁液球化处理和孕育处理铸造热处理 球化处理和孕育处理：球化剂用稀土镁合金，试石墨呈球状析出，孕育剂用硅含量75%的硅铁，促石墨化使石墨细化，分布均匀； 铸造后热处理有：去应力退火，石墨化退火，正火和调质处理，等温淬火处理，表面
26、淬火，化学热处理第九章 铝合金1以Al-4%Cu合金为例，阐述铝合金的时效过程及主要性能（强度）变化。答：时效过程及主要性能变化：随温度升高，可分四个阶段 (1) 第一阶段，形成Cu原子偏聚区，G.P.I区；与基体保持共格关系，共格畸变严重，提高硬度、强度。 (2) 第二阶段，铜原子富集区有序化（G.P.II区，过渡相）；尺寸大于G.P.I区，与基体保持共格关系，共格畸变更严重，强化效果最强烈。 (3) 第三阶段，形成过渡相；与基体保持半共格关系，共格畸变减弱，强化效果下降，处于过时效阶段。 (4) 第四阶段，稳定的相的形成与长大； 与基体共格关系完全破坏，畸变大大减小，强度、硬度进一步降低。
27、2、 铝合金的成分设计要满足哪些条件才能有时效强化？ 答：3、变形铝合金分为几类？说明主要变形铝合金之间的合金系、牌号及主要性能特点。答：1、非热处理强化变形铝合金 (1)铝锰防锈铝合金 合金系：铝-锰。 牌号：LF21。 性能特点：在大气和海水中耐蚀性和纯铝相当。良好的工艺性能。 (2)铝镁防锈铝合金 合金系：铝-镁。 牌号：LF2-LF12 性能特点：在大气和海水中耐蚀性优于LF21合金，在酸性和碱性介质中比LF21稍差。 2、热处理强化铝合金 (1)硬铝 合金系：Al-Cu-Mg-Mn合金。 牌号：LY12。 性能特点：有强烈的时效强化作用，时效后有很高的硬度、强度 (2) 锻铝 合金系
28、：Al-Mg-Si合金。 牌号：LD10。 性能特点：有良好的热塑性，可锻制形状复杂的零件。较高的机械性能。 (3) 超硬铝 合金系：Al-Zn-Mg-Cu合金。 牌号：LC4。 性能特点：强度和韧性储备均最高。良好的工艺性能。牌号性能低合金硬铝（铆钉硬铝）LY1，LY3，LY10合金Mg, Cu%较低，有较高塑性，但强度较低，时效速度慢。标准硬铝LY11可淬火（过饱和固溶）时效，强度提高高合金硬铝LY12具有良好的耐热性，强度高，但塑性及承受冷热加工能力差。耐热硬铝较多的Mn, Mg，强化相S，外，还有Al19Mg2Mn，可制做250-300 工作的飞机零件。4、铸造铝合金主要分为几类？说明
29、主要铸造铝合金的合金系、牌号及主要性能特点。答：1、铝硅铸造合金 合金系：铝-硅。 牌号：ZL102 性能特点：流动性好。比重轻。焊接性好。 2、铝铜铸造合金 合金系：铝-铜。 牌号：ZL203 性能特点：较高的强度和热稳定性。耐蚀性降低。铸造性能变差。 3、铝镁铸造合金 合金系：铝-镁。 牌号：ZL301 性能特点：比重轻。强度和韧性较好。优良的耐蚀性，切削性和抛光性。合金系牌号主要性能特点Al-Si系ZL1xx最好的铸造性能、中等强度和抗蚀性，应用最广泛。Al-Cu系ZL20x最高的高温和室温性能，适于制造大负荷或耐热铸件，但铸造性能和抗蚀性较差。Al-Mg系ZL30x有最好的抗蚀性和较高的强度，但铸造、耐热性能差，适于抗蚀、耐冲击和表面装饰性高的铸件。Al-Zn系ZL40x铸态下的高强度铝合金，在强度、抗蚀性和铸造性能，均中等第十章 铜合金1、铜合金主要分为几类？不同铜合金的牌号如何？其主要性能是什么？答：(1)黄铜： 二元黄铜： 铜锌合金。H85，H70，H62。塑性好。 多元黄铜： 铝黄铜：HAl77-2，提高耐蚀性，增加强度。 锡黄铜：HSn7
