1、钢铁材料学- 1 -第一章 钢铁材料基础一、概念1、 合金化：在碳钢中加入适当化学元素改变金属性能的方法称作合金化。2、 合金元素：为了达到合金化的目的而特定在钢中加入含量一定范围的化学元素成为合金元素。3、 零夹杂钢：钢中的夹杂物的尺寸小于 1m ，钢的抗疲劳性能大幅提高。4、 合金钢：通过合金化手段向钢中加入合金元素而得到的钢称为合金钢。分为低中高合金钢。二、简答题1、 Fe-C 合金中，C 的存在形式？答：原子态状态时：与铁形成固溶体；与铁结合形成化合物；分部于晶体缺陷处。单质状态时，为游离态的石墨。在铸铁中是一个相。2、 Fe-C 合金中的合金相答： 相或铁素体相：C 溶于 -Fe 形
2、成的体心立方结构。最大含量为 0.0218%。C 位于八面体间隙中。 相 奥氏体：C 溶于 Fe 中形成的面心立方结构。最大含量为 2.11% C 位于八面体间隙中。 相： C 溶于高温 Fe 形成的体心立方间隙固溶体。最大含量为：0.09% Fe3C 相或渗碳体：铁和碳形成的间隙化合物。 含量为 6.69% 熔点为 12273、Fe C 合金的分类答：工业纯铁：C 的含量0.0218% 铁碳合金碳钢： 亚共析钢：0.0218% C2.11% 共析钢：0.77% 过共析钢 0.77%C2.11%铸铁（白口铁）：2.11%C6.69% 分为 共晶白口铁 白口铁（4.30%C） 过共晶白口铁4、含
3、 C 量对 FeC 合金组织形态的影响答：FeC 合金室温组织由铁素体和渗碳体两相组成。 C=0 时，合金组织为铁素体；随着含碳量的增加，铁素体数量减少，渗碳体增多。C=6.69%时，铁素体降为零，全部为渗碳体。 C 很少的时候：集体组织为等轴状铁素体； C 含量介于 0.0218%和 0.77%之间：组织为 F+P ,铁素体逐渐变化 等轴状 块状粗网状细网状，渗碳体变化相反。 C=0.77%时：组织为 P，铁素体和渗碳体为片层状。 C 介于 0.77%和 2.11%之间：组织为平、 P+Fe3C 其中二次渗碳体随碳含量增大由断续网状变为连续网状，厚度不断增大 C 介于 2.11%和 6.69
4、%之间时，组织出现莱氏体。4.33% 组织全是 Ld。C 增加，逐渐出现一次渗碳体5、为何珠光体具有较高的强度和硬度？答：珠光体由铁素体和渗碳体两相组成，由于渗碳体以细片状分散的分布在软韧的铁素体基体上，起了强化作用。因而使得珠光体具有较高的硬度和强度。珠光体层片越细，强度越高。渗碳体球化，则会使强度下降，塑韧性提升。5、 碳钢含碳量为何不大于 1%？答：碳钢随其内部含碳量的增加，珠光体的数量不断增多，强度不断提升，同时伴有塑韧性的下降。当含碳量大于 0.77%时，珠光体中会出现二次渗碳体，影响钢的性能。当碳含量超过 1%之后，境界上析出了二次渗碳体且不连成网状，对性能影响不大。当大于 1%时
5、，网状的二次渗碳体则形成，使钢具有很大的脆性，塑性很低。b 也随之降低。因而，为保证碳钢的力学性能，防止脆性的发生，一般碳含量不大于 1%。6、 合金元素在钢的四种存在形式？答：融入铁素体、奥氏体和马氏体中，以固溶体的溶质形式存在；形成强化相，如融入渗碳体中形成合金渗碳体，形成特殊碳化物或者金属间化合物；形成非金属夹杂物，如与 O、S 、N 形成氧化物、硫化物、氮化物。在钢种以游离态存在。7、 合金元素的分类：钢铁材料学- 2 -答：与铁相互作用的特点分：奥氏体形成元素：铁素体形成元素：与碳相互作用的特点分：非碳化物形成元素：碳化物形成元素：8、 合金钢的综合性能比碳钢好的原因。答：若钢中的碳
6、化物稳定性高，则在温度和应力长期作用下不易聚集和长大，则可以大大提升材料的性能和使用寿命。碳化物和固溶体之间也不易在高温下因原子的扩散作用而发生合金元素的再分配。碳化物的稳定性对于钢的热强性也有很重要的，碳化物可以使钢在更高的温度下工作并保持较高的强度和硬度。在达到相同的硬度的条件下，碳化物稳定性高的钢可以在更高的温度下回火，使钢的塑韧性更好。所以合金钢的综合性能比碳钢好。9、什么叫二次淬火？答：在含有较多的 W、Mo、V 等元素的高合金钢中，由于参与奥氏体中的碳及合金元素贫化，其 Ms 点高于室温，因而在冷却过程中转变为马氏体，通过这种回火之后，淬火钢的硬度不但没有降低，反而有所升高，这种现
7、象成为二次淬火。10、什么叫二次硬化？产生的原因？答：在含有较多的 W、Mo、V 较多的钢中，回火后的硬度随回火温度的升高不但没有降低，而是在某一回火温度后硬度反而增加，并在某一温度达到最大值。这种在一定回火温度下硬度出现峰值的现象称为二次硬化。产生的原因：由于高温回火时，从马氏体中洗出的高度分散的合金碳化物粒子所造成的。这类碳化物粒子在高温下非常稳定，很不容易聚集长大，从而使钢具有很好的高温强度。11、如何防止第二类回火脆性？答：回火后快冷或加入合金元素 W、Mo 以抑制第二类回火脆性的产生。此外，提高冶金质量，尽可能的降低钢中有害元素的含量。12、钢中微量元素的净化作用，变质作用？答：P1
8、713 钢中的夹杂物 MnS 的三种不同的形态及其存在的条件？答：型 MnS，呈球形。钢中含氧量大于 0.02%，即在沸腾钢中。型 MnS，呈枝晶共晶形态。钢中的含氧量小于 0.01%，即半镇静钢中。型 MnS，呈不规则的角状质点形态。在完全脱氧的钢中存在。14、钢中微量合金元素可能的分布形式？答：均匀分布于基体固溶体中。与固溶体中其他原子之间发生交互作用。偏聚于位错和空位上。偏聚于晶界和表面。几种在相界面上。与一个或更多的主加合金元素形成独立相。15、固溶强化的强化机制？答：合金元素作为溶质阻碍位错运动。溶质原子与基体金属原子大小不同，使基体晶格发生畸变，产生了弹性应力场，发生了交互作用（化
9、学静电交互作用） 。16、晶界强化的强化机制？答：由于钢中晶界的存在，引起晶界处产生弹性变形不协调和塑性变形不协调。这两种不协调诱发晶界处的应力集中，以维持晶界处的协调性。结果使得晶界处产生二次滑移。晶界处产生大量位错，从而使局部加工硬化，对位错造成阻碍。晶界的存在使位错滑移难以直接通过，对位错运动造成阻碍。晶粒越细，晶界数量越多，强化作用越好。17、Hall-Patch 公式。从合金化的角度，那些手段可以达到晶界强化的目的。答： s = i + k d1/2利用合金元素改变晶界的特性，提高 Ks 值。如加入 C、N、Si 等使其在晶界偏聚，提升阻碍位错运动的能力。利用合金元素细化晶粒，通过减
10、少晶粒尺寸增加晶界的数量。如：向钢中加入 Al、V 等元素，形成难溶的第二相质点。阻碍晶界的移动，间接细化铁素体或马氏体的晶粒。18、第二相强化的机制：答：运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过，或绕过，这样滑移变形才能继续进行。这一过程需要钢铁材料学- 3 -消耗额外的能量，即需要提升外加应力，从而达到强化。19、位错强化的机制：答：随着金属中位错密度的上升，相互交割，形成割阶，相互缠绕，阻碍了位错的运动，进而阻碍了进一步的塑性变形，强度提高；位错之间有交互作用，阻碍了位错的运动，强度提升。20、改善微孔聚集断裂的途径？答：减少第二相的数量，提升基体塑性，组织均匀性。细化第二相颗粒尺
11、寸，选用零夹杂钢。控制第二相的形态，球化有利尖角不利。提高基体的塑性。提高基体的均匀性。第二章 工程构件用钢一、概念1、水韧处理：普通钢在 950加热处理后水冷和在 400回火处理成为水韧处理。2.、冷脆：随着试验温度的降低，构件钢的屈服点显著升高，由宏观塑性破坏过渡到宏观脆性破坏的现象。3、针状 F 钢：钢材在控制轧制后空冷过程中，通过切变和扩散相变形成的错列阵和位错胞组成的非等轴状 F 钢。二、简答题1、构件用钢的时效现象答：构件钢加热到 Ac1 以上进行淬火或经塑性变形后，在放置过程中，钢的力学性能和物理性能随时间变化。通常强度硬度增高，塑性 韧性下降，并可以提高钢的脆性转变温度。这种现
12、象成为时效。2、双相钢的性能特点及其获得方法，组织特性和性能优越的原因？答：性能特点：具有连续的应力应变曲线，具有低的 s，具有高的应变硬化速率，优良的抗拉强度 b 和塑性组合获得方法：a、亚临界温度的退火：形成 10%30%的 A，成分保证转变为 M-A 组成体而不是 P。b、热轧（控轧控冷）：组织特性：双相钢为 80%90%的 F+10%20%的 M+A（少量） 。具有低的屈服强度和高的应变硬化速率；具有高强度和良好延展性相结合的特性 P47原因：第一种现象原因：a、马氏体区域存在来自于快速冷却时马氏体相变体积和形状变化产生的残余应力。b、由于马氏体体积和形状的变化，导致周围铁素体受塑性变
13、形，使铁素体中存在高密度的可动位错。c、发生应变诱发马氏体相变。具有高强度和良好延展性相结合的特性的原因；a、 钢具有较高的应变硬化速率，会在试验过程中产生较大的均匀变形。b、 亚临界温度加热时，可以溶解于铁素体中的间隙原子优先溶解于与其共存的 A 中。从而间隙原子减少。c、 双相钢常用于冷轧钢板和带材，通过亚临界温度退火然后快冷产生马氏体。此过程中于铁素体中会产生很细的晶粒。d、 Si 在铁素体中有强烈的固溶强化效应。第三章 机器零件用钢钢铁材料学- 4 -一、概念1、机器零件用钢：是指用于制造各种零件的钢种。2、淬透性：钢在淬火时获得马氏体的能力，是钢的自身属性，不随热处理工艺参数变化。3
14、、调质钢：通常将经过淬火和高温回火处理（调质处理）而是用的结构钢称为调质钢。4、弹簧钢：用于制作弹簧或者类似于弹簧性能的零件的钢种。二、简答题1、机器零件用钢的分类：答：用途分：调质钢、弹簧钢、渗碳钢、轴承钢、非调质钢、碳含量分：低碳钢（0.2%） 、中碳钢（ 0.4%0.6%） 、高碳钢（ 1%）回火温度：低温回火钢、淬火中温回火钢、高温回火钢。2、轴承钢的热处理及其具体工艺。及其球化退火的目的。答：热处理工艺：球化退火+淬火+低温回火具体过程：例如 GCr15 840淬火 1605回火。回火后的组织为：回 M+碳化物+A 残球化退火的目的：降低硬度易于切削加工。获得均匀细粒状珠光体，未随后
15、的淬火组织作准备。3、 氮化处理提高疲劳强度和耐磨性的原因：答：氮化处理首先在表面形成高硬度的 相（Fe4N ）和 相；其次渗入的氮化物和氮化物形成元素形成了弥散分部的合金氮化物，提高了表面的硬度和强度；另外，表面渗入氮原子后体积膨胀，因而在表面产生了残余压应力，能抵消外力作用产生的张应力，减少表面疲劳裂纹的产生。4、 为什么低碳马氏体比中碳马氏体断裂韧性高，塑性好？答：板条状的马氏体亚结构为位错，分布均匀，不含或者少含孪晶亚结构；而片状马氏体亚结构为孪晶，可用的变形系统少，从而塑性韧性低。板条状马氏体平行生长，互相冲突时形成显微裂纹少，而片条状马氏体非平行生长，互相冲突形成裂纹。板条束是脆性
16、断裂的最小脆性单元，板条束的宽度愈小，钢的脆性转变温度越低，奥氏体晶粒越细，板条束宽度也越窄，从而韧性较好。板条马氏体相界通常存在连续或者半连续的 A 薄膜。它相当于复合材料，靠这种塑性的第二相的存在实现了性能最优化。残余 A 沿相界呈薄膜分部时，可以得到最佳的强韧配合。第四章 工具钢一、概念1.、工具钢：是指用于制造各种加工工具的钢种。2、韧具钢：是指用于制造各种切削加工工具的钢种。3、模具钢：是指用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种。4、基体钢：二、简答题1、碳素刃具钢性能上的两个缺点和一个不足？答：淬透性低，红硬性差，耐磨性不够高。 （只能用于制造切削量小、切削速度较低的小型刃具。
17、加工硬度低的软金属或者非金属材料。 ）2、高速钢的热处理答：机械加工前的球化退火处理和成形后的淬火回火处理。球化退火目的在于降低钢的硬度便于切削，同时为淬火做好组织准备。退火分为普通退火和等温退火两种。温度为 Ac1（3050 ）。淬火过程包括两次预热、高温淬火，然后进行三次高温回火。钢铁材料学- 5 -二次预热的目的是防止变形和开裂，同时可以缩短在高温处的停留时间，从而减少了脱碳及其过热的危险；高温是为了使合金碳化物充分溶解到 A 中，从而淬火后的 M 中的合金含量才高，从而使钢具有红硬性。高温回火的原因：为了消除淬火应力、组织稳定、减少残余 A 量，达到所需的性能。三次进行是为了逐步消除内
18、应力和控制残余 A 的数量。3、W18Cr4V 在平衡、铸态、退火后、淬火和回火后的组织：状态 组织平衡 Ld 珠光体、碳化物铸态 鱼骨状 Ld、黑色组织、 共析体、 M、残余 A退火 索氏体基体中分布细小均匀的柱状碳化物淬火 M、碳化物、残余 A回火 回火 M、碳化物、残余 A第五章 不锈钢一、概念1、不锈钢：是具有抗腐蚀性能的一类钢种。通常是不锈钢和耐酸钢的总称。不锈钢是指能抵抗大气及弱腐蚀的钢种。耐酸钢是指在各种强腐蚀介质中能耐蚀的钢种。2、应力腐蚀：金属在腐蚀介质及其拉应力的共同作用下产生破裂的现象。3、钝化现象：纯铁放置在浓硝酸中，铁的表面形成一层致密的 -Fe2O3 薄膜，它和铁牢
19、固的结合在一起。微电池腐蚀作用停止了，阳极作用收到阻碍，腐蚀暂时停止了。阳极作用停止，耐蚀性提高。二、简答题1、不锈钢的种类：答：按照正火组织分为：铁素体不锈钢、马氏体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、及其奥氏体-铁素体双相型不锈钢及其沉淀硬化型不锈钢。2、微电池作用答：钢在电解质溶液中由于本身各部分电极电位有差别，的的区域为阳极，相邻区为阴极，在电解质溶液的作用下，形成了通路，就像一个微小的原电池一样，产生了微电池作用。3、微电池作用原理图的解释。5、 解释 475脆性的原因，如何控制？答：含 Cr 量大于 15%的高 Cr 钢在 400525范围内长时间加热，火灾此温度范围内缓冷，会导致室温脆化，
20、钢的强度升高，塑性韧性下降，由于在 475左右脆化现象最严重，故称之为 475脆化。产生的原因：铁素体内 Cr 原子有序化，形成富 Cr 的体心立方点阵 相，与母相共格引起较大的点阵畸变和内应力，使钢的强度提升，韧性下降。控制措施：已产生 475脆性的钢可以通过 700800短时加热，然后迅速冷却的方法来消除。同时控制钢中合金元素 Si、Mo、Nb、Ti 、Al 的含量，适当增加 N 可以减低此脆性。6、 A 不锈钢的晶间腐蚀的定义、如何防止、产生的原因。答：定义：奥氏体不锈钢在 450850保温或缓慢冷却时，腐蚀沿着晶界向内部拓展进行，使晶粒间结合力丧失的一种腐蚀。产生的原因：A 不锈钢在上
21、述温度范围内，由于在晶界上析出了富 Cr 的 Cr23C6，使得周围基体产生贫 Cr 区，钢铁材料学- 6 -从而形成腐蚀原电池。防治措施：降低钢中 C 的含量，降低 C 在 A 的饱和浓度，从而不会析出。降至 0.03%基本可以满足。向钢中加入 Ti、Nb 等能形成稳定碳化物的元素，避免在晶界上析出 Cr23C6 。采用适当的固溶处理+稳定化处理工艺。调整钢中 A 形成元素和 F 形成元素的比例、使其具有 A-F 双相组织。7、 A 不锈钢的热处理及其定义的解释答：包括：固溶处理、稳定化处理、去应力处理。固溶处理：将钢加热到 10501150后水淬，主要目的是使碳化物溶于 A 中，并将此状态
22、保留至室温。稳定化处理：固溶处理后，将钢加热到 850880保温后空冷，此时 Cr 的碳化物完全溶解。而钛的碳化物不完全溶解，且在冷却的过程中充分析出，使 C 不能再形成 Cr 的碳化物。去应力退火：加热到 300500回火。减轻晶间腐蚀倾向，提高钢的应力腐蚀抗力。第六章 耐热钢一、概念1、蠕变：钢长时间在高温和载荷的作用下发生连续而缓慢的变形就成为蠕变。2、蠕变强度：又称之为蠕变极限。表示在一定的温度下，在规定的时间内达到规定变形量时所能承受的应力。通常规定蠕变极限为 100000h，允许变形 0.1%所能承受的应力记作：c 0.1/100000。二、简答题1、提高钢的热强性的合金化途径的具
23、体内容，出发点及其如何操作？答：主要途径：基体强化 第二相强化 晶界强化强化类型 出发点 途径基体强化 提升晶体原子的结合力，降低固溶体的扩散。 Fe 基、 Ni 基体加入强化元素 Mo、W、Co、Cr第二相强化 要求第二相稳定，不易聚集长大，能在高温下 长期保持细小均匀的弥散状态 用热稳定性高的金属间化合物作为强化相晶界强化 减少晶界的滑动 减少晶界、净化晶界、填补晶界上的空位、晶界 的沉淀强化、形变热处理2、A 基体比 F 基体热强性高的原因答：-Fe 晶格的原子间结合力比 -Fe 晶格的原子间结合力大，因而点阵排列比铁素体基体紧密；-Fe 扩散系数小；-Fe 的再结晶温度高（-Fe 再结
24、晶温度为 450600，-Fe 再结晶温度大于 800）第七章 铸铁一、概念1、灰口铸铁：碳全部或大部分以片状石墨析出，凝固后断口呈暗灰色。灰口铸铁具有良好的铸造性能和切削性能且价格低廉，制造方便，应用比较广泛。球墨铸铁：碳全部或大部分以球状石墨状态存在。蠕墨铸铁：碳全部或大部分以蠕虫石墨形态存在。可锻铸铁：碳全部或大部分以游离团絮状石墨存在。具有较好的塑性和韧性。 （不可锻造）白口铸铁：碳全部或但部分以化合态 Fe3C 形式存在，断口呈亮白色。性能硬且脆，切削加工困难。冷硬铸铁：铸铁表面一定深度全部是全白口组织，心部是灰口组织。钢铁材料学- 7 -2、减震性：是指材料在交变负荷下吸收（衰弱）
25、震动的能力。灰铸铁减震性的原因：由于存在大量的片状石墨，割裂了基体，破坏了基体的连续性，因而可以阻止震动的传播，并能把它转换为热能而发散。二、 简答题1、 铸铁石墨化的三个阶段：答：第一阶段：铸铁液体结晶出一次石墨（过共晶铸铁）和在 1154通过共晶反应，形成共晶石墨。第二阶段：在 1154738温度范围内，奥氏体沿 ES线析出二次石墨。第三阶段：在 738通过共析反应析出共析石墨。2、 图 7-2 热力学条件，画图 &解释。3、 为何铁水实际结晶成 Ld？答：当过冷的液体中析出石墨时，石墨的形核需要很大的碳的成分起伏。石墨的长大需要铁原子从晶核处反向长距离的扩散。而渗碳体的成核和长大则则比石
26、墨的成核和长大容易的多，渗碳体形核时，碳的成分起伏较小，此外，渗碳体的长大，由于渗碳体是间隙型化合物，碳原子只是在铁原子的间隙处存在，不需要铁原子从晶核处作反向长距离扩散。因此，从动力学的角度看，有利于渗碳体的形成，从而形成了 Ld 共晶组织。4、 为何灰铸铁的抗拉强度低，塑韧性差？答：灰铸铁和钢具有基本相同的集体组织，并且基体的强度高于碳钢。但是灰铸铁的强度性能远低于碳钢。根本原因在于灰铸铁有片状石墨存在。一方面，它在灰铸铁中占有一定量的体积，减少了金属基体受负荷的有效截面积，称为石墨的减缩作用。另一方面，由于石墨几乎没有什么强度，而且石墨片的端部较尖，存在缺口效应。因石墨的这两个效应，从而
27、使普听的灰铸铁的基体强度不能得到充分的发挥，其基体强度的利用率低，从而灰铸铁的抗拉强度低；此外，石墨的缺口效应还将导致拉伸时裂纹的早期发生并发展，因而出现脆性断裂，表现为灰铸铁的宏观塑性和韧性几乎为零。5、 球墨铸铁的牌号，及其意义答：牌号：QT400-15 QT 表示球铁； 400 表示最低的抗拉强度；15 表示最小的伸长率。6、 石墨在铸铁热处理中的作用？答：铸铁中存在的石墨高碳相不会再热处理过程中不发生相变，但会参与基体组织的变化过程。在共析温度以上加热过程中，随保温时间的延长，石墨中的碳原子可源源不断的向 A 中扩散。使 A 的含碳量增加。当冷却时，由于 A 中的碳的平衡相当于一个“碳
28、库” ，如果调解热处理的温度及保温时间，就可以调节 A 中碳的浓度，再选择不同的冷却速度，就可以获得不同的组织及其性能。7、 球墨铸铁的热处理答：消除内应力退火，石墨化退火。正火处理和调质处理。等温淬火处理。表面淬火与化学热处理。8、 可锻铸铁的由来，黑心可锻铸铁及其白心可锻铸铁的得到方式。答：将一定成分的铁水浇筑成白口铸铁，然后经过退火处理，时白口铸铁的游离渗碳体成为团絮状的石墨，从而得到的由团絮状石墨和不同基体组织组成的铸铁。黑心：将白口铸铁在密封的退火炉中进行热处理，即在中性炉气氛条件下进行退火，共晶渗碳体在高温下分解成团絮状的石墨，然后通过不同的热处理工艺使基体成为铁素体或珠光体组织。得到的铁素体基体可断铸铁中有石墨的存在，截面呈暗灰色，表层因存在薄的脱碳层呈白色。白心：将白口铸铁在氧化性气氛条件下退火，铸铁断面从外层到心部发生强的氧化和脱碳，在完全脱碳层中午石墨存在，基体组织为铁素体。这种铸铁心部区域发亮称为白心可锻铸铁。
