工程材料学课后习题答案

第一章钢的合金化基础1、合金钢是如何分类的？1) 按合金元素分类：低合金钢，含有合金元素总量低于5%；中合金钢，含有合金元素总量为5%-10%；中高合金钢，含有合金元素总量高于10%。

2) 按冶金质量S、P含量分：普通钢，P≤0.04%,S≤0.05%;优质钢，P、S均≤0.03%；高级优质钢，P、S均≤0.025%。

3) 按用途分类：结构钢、工具钢、特种钢2、奥氏体稳定化，铁素体稳定化的元素有哪些？奥氏体稳定化元素, 主要是Ni、Mn、Co、C、N、Cu等铁素体稳定化元素, 主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等3、钢中碳化物形成元素有哪些（强-弱），其形成碳化物的规律如何？1) 碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe等(按形成的碳化物的稳定性程度由强到弱的次序排列) ，在钢中一部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗碳体, 含量高时可形成新的合金碳化物。

2) 形成碳化物的规律a) 合金渗碳体—— Mn与碳的亲和力小，大部分溶入α-Fe或γ-Fe中，少部分溶入Fe3C中，置换Fe3C中的Fe而形成合金渗碳体（Mn,Fe）3C; Mo、W、Cr少量时，也形成合金渗碳体b) 合金碳化物——Mo、W 、Cr含量高时，形成M6C(Fe2Mo4C Fe4Mo2C),M23C6(Fe21W2C6 Fe2W21C6)合金碳化物c) 特殊碳化物——Ti 、V 等与碳亲和力较强时i. 当rc/rMe<0.59时，碳的直径小于间隙，不改变原金属点阵结构，形成简单点阵碳化物（间隙相）MC、M2C。

ii. 当rc/rMe>0.59时，碳的直径大于间隙，原金属点阵变形，形成复杂点阵碳化物。

★4、钢的四种强化机制如何？实际提高钢强度的最有效方法是什么？1) 固溶强化：溶质溶入基体中形成固溶体能够强化金属；2) 晶界强化：晶格畸变产生应力场对位错运动起到阻碍达到强化，晶格越细，晶界越细，阻碍位错运动作用越大，从而提高强度；3) 第二相强化：有沉淀强化和弥散强化，沉淀强化着眼于位错运动切过第二相粒子；弥散强化着眼于位错运动绕过第二相粒子；4) 位错强化：位错密度越高则位错运动越容易发生相互交割形成割阶，引起位错缠结，因此造成位错运动困难，从而提高了钢强度。

有效方法：淬火+回火，钢淬火形成马氏体，马氏体中溶有过饱和C和Fe元素，产生很强的固溶强化效应，马氏体形成时还产生高密度位错，位错强化效应很大；R-M是形成许多极细小的取向不同的马氏体，产生细晶强化效应。

因此淬火马氏体具有很高强度，但脆性很大，淬火后回火，马氏体中析出碳化物粒子，间隙固溶强化效应虽然大大减小，但产生很强的析出强化效应，由于基体上保持了淬火时细小晶粒，较高密度的位错及一定的固溶强化作用，所以回火马氏体仍具有很高强度，并且因间隙固溶引起的脆性减轻，韧性得到改善。

★5、固溶强化、二次硬化、二次淬火、回火稳定性的含义。

1) 固溶强化：当溶质原子溶入基体金属形成固溶体能强化金属。

2) 二次硬化：在含Mo、W、V较多的钢中, 回火后的硬度随回火温度的升高不是单调降低, 而是在某一温度后硬度反而增加, 并在某一温度(一般为550℃左右)达到峰值。

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3) 二次淬火：通过某种回火之后，淬火钢的硬度不但没有降低，反而有所升高，这种现象称为二次淬火。

4) 回火稳定性：合金元素在回火过程中推迟马氏体分解和残余奥氏体转变，提高Fe的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大的弥散度提高了钢对回火软化的抗力即提高了回火稳定性。

★6、何谓第一类、第二类回火脆，如何消除及预防？1) 第一类回火脆：250-300℃片状碳化物在马氏体边界上析出，破坏了马氏体间的连接，使脆性增大，是由相变机制本身决定的，不能消除，只能避免，不可逆。

2) 第二类回火脆：450-600℃杂质及本身在原晶界偏聚，（Mn、Cr、Ni钢）降低晶界结合力，使脆性增加。

消除方法：1) Mo或W能阻止，推迟杂质往晶界偏移，可消除第二类回火脆。

2) 高温回火、快冷3) 尽量减少杂质元素含量（S、P）7、如何提高钢的韧性？1) 细化晶粒：Ti，V，Nb，Al 阻碍晶粒长大，使晶面积↑，裂纹阻力大；2) 改善基本的韧性：置换使强↑，韧↓，但Ni元素却相反，Ni置换改变位错运动的特点，使其容易绕过某些障碍，避免产生应力集中，使基体韧性↑，Ni＞13％，消除Tk，低温用钢—高Ni钢（Mn）；3) 提高回火稳定性：间隙固溶，位↑ →应力，脆性↑，提高回火稳定性，（可提高T回），可以在获相同的强度条件下提T回，充分地降低固溶度，位错，应力；4) 细化碳化物：碳化物自身断裂；成为核心;粗大的碳化物使裂纹易扩展。

细化碳化物、均匀、弥散分布对强度韧性有利。

5) 控制非金属夹杂和杂质元素：Mo，W 能抑制杂质元素在晶界偏聚。

8、材料变形的一般规律。

韧性是指材料对断裂的抗力→形成，扩大→延性断裂，解理断裂，沿晶断裂。

1) 韧性断裂：弹性变形、屈服、塑性变形、颈缩、断裂i. 延性断裂：核心→孔洞→长大，汇合→导致断裂；ii. 解理断裂：低温，高加载速度，金属塑性差；iii. 沿晶断裂：晶界上元素，第二相（脆性相）2) 脆性断裂：少量弹性变形，瞬间断裂9、合金元素对过冷奥氏体转变的影响。

除Co外，均使C曲线右移，增大稳定性，使孕育期增大，淬透性增加。

常用提高淬透性元素有：Cr，Mn，Mo，Si，Ni等五种。

10、合金元素是如何提高钢的回火稳定性的，哪些较强？由于Me与C的作用，大多数C扩散↓，而相的回火转变又与C的扩散有关。

因此，M 在回火过程中：推M分解，A’转变温度T，提高α的再结晶温度；使碳化物难以聚集长大，而保持较大的弥散程度。

因此提高了钢的回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。

使得钢在相同回火T下，具有高硬度和强度；也可使回火T升高，保证强度的同时使韧性提高（结构钢）。

提高回火稳定性较强的元素：V，Si，Mo，W，Ni，Mn，Co第二章工程构件用钢1、低碳钢板采用冷轧工艺时，为何出现表面褶皱？由于屈服变形集中在局部地区少数滑移带上，所以必然引起滑移台阶高度增大、使试样表面有明显滑移线，表面出现褶皱。

★2、淬火时效、应变时效、钝化效应含义。

1) 淬火时效：构件用钢在加热到Ac1以上进行淬火（快冷）后，在放置过程中，其强度、硬度增高，塑性、韧性下降，并提高钢的脆性转折温度，这种现象称为淬火时效。

2) 应变时效：构件用钢经塑性变形后，在放置过程中，其强度、硬度增高，塑性、韧性下降，并提高钢的脆性转折温度，这种现象称为应变时效。

3) 钝化效应：指通过改变钢表面状态而造成基体金属表面部分电极电势升高的现象。

3、构件用钢的大气腐蚀效应。

在一块钢板里构成有许多微小的原电池，从而引起钢板腐蚀的现象。

4、常见的焊接脆性有哪些？马氏体转变脆性凝固脆性热影响区的时效脆性焊接后加热脆性5、碳钢中常存杂质元素对钢性能有何影响？1) Mn：有益元素，来源于炼钢材料，改善钢的质量。

2) Si：有益元素，改善钢的质量，脱氧。

3) S：有害元素，来源于炼钢中的矿石和燃料，当钢在1000-1200℃进行加工时，热脆。

控制S含量，用Mn去S。

4) P：一般有害，矿石带入，P溶于Fe中，硬度↑，低温严重→冷脆。

5) N：O有害，机械性能下降，氧化物夹杂使疲劳强度降低；H有害，引起氢脆、白点；N 有害，使强硬度升高，塑性降低。

总之，杂质元素对钢材的性能和质量影响很大，必须严格控制在牌号规定的范围内。

★6、碳钢常见的分类方法有哪些？试说明20钢、45、60、Q215-A钢、Q215-B钢、T8钢、T10A钢、T12钢。

分类方法i. 按含碳量：低碳钢、中碳钢、高碳钢ii. 按钢的质量：普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢iii. 按脱氧程度：沸腾钢、镇静钢iv. 按用途：碳素结构钢、碳素工具钢1) 20钢表示Wc=0.20%的优质碳素结构钢2) 45钢表示Wc=0.45%的优质碳素结构钢3) 60钢表示Wc=0.60%的优质碳素结构钢4) Q215-A钢：屈服强度最低值为215MPa的A级镇静钢5) Q215-B钢：屈服强度最低值为215MPa的B级镇静钢6) T8钢：平均Wc=0.80%的碳素工具钢7) T10A钢：平均Wc=1%的A级优质碳素工具钢8) T12钢：平均Wc=1.2%的碳素工具钢7、为什么普低钢（低合金结构钢）用Mn作为主要的合金元素？辅助元素在钢中起什么作用？Mn固溶强化，可使奥氏体分解温度降低，细化了晶粒，使P变细，消除晶界上的粗大片状碳化物，提高钢的强度和韧性。

Nb、V、Ti强化物形成元素，在钢中形成细碳化物，阻碍钢热轧时奥氏体晶粒长大。

细化晶粒，析出、强化作用，强韧化提高。

8、试说明16Mn、15MnVN中合金元素的作用。

1) Mn固溶强化，可使奥氏体分解温度降低，细化了晶粒，时P变细，消除晶界上的粗大片状碳化物，提高钢的强度和韧性。

2) V作用：沉淀强化，细化晶粒。

3) N作用：与V形成主要氮化物细化晶粒，影响塑性、韧性，可提高强度。

第三章机器零件用钢1试述渗碳钢的合金化和热处理特点。

合金化特点：1.低C：Wc=0.10-0.25% 保证零件心部有足够高的韧性2.加入提高淬透性的合金元素：Cr，Ni，Mn，B，W→提高心部淬透性，获得低CM. 3.细化晶粒：强Ti，V,中CemW，Mo等，形成稳定的合金Cem阻碍长大4.改善渗C的性能：Cem形成元素：使表层C↑，心部C↓，陡，C扩散受阻非Cem形成元素：Ni表层C↓，心部C↑，平缓，加速C扩散但Si使表层加入C困难，使渗C速度降低，所以渗C钢中不加SiMe元素在钢中的作用并不单一，而是多重性：Cr→提高淬透性，细化晶粒，提高渗C的浓度，与Ni作用改善渗C分布Ni，Cr为主要元素+其它辅助的元素（Ti，V，W，Mo，B）热处理特点：渗碳钢的热处理一般是渗碳后直接淬火加低温回火。

★2、试分析20CrMnTi 9SiCr 40CrNiMo 40Cr 60Si2Mn GCr15钢中合金元素的作用1) 20CrMnTi：Cr提高淬透性和回火稳定性，改善钢的耐磨性和解除疲劳抗力；Mn提高淬透性：Ti是强碳化物形成元素，提高回火稳定性，细化晶粒。

2) 9SiCr：Si提高回火稳定性;Cr提高回火稳定性和淬透性。

3) 40CrNiMo：Cr、Ni、Mo均提高淬透性；Ni固溶强化作用；Mo防止第二类回火脆。

4) 40Cr：Cr提高淬透性和回火稳定性，改善钢的耐磨性和解除疲劳抗力。

5) 60Si2Mn：Si提高回火稳定性; Mn提高淬透性。

6) GCr15：Cr提高淬透性和回火稳定性，改善钢的耐磨性和解除疲劳抗力。