材料学-钢铁部分作业

钢铁绪论

1、根据Fe-C相图，写出冷却过程中三相恒温转变反应式，并说明转变后的组织的性能特点。

（1）包晶转变。L+δ→γ (1495 °C) 生成w(C)＝0.17%的γ相即奥氏体A。[奥氏体性能]：具有一定的强度和硬度（σb=400 MPa，170~220HBS），塑性和韧性也好（δ=40%~50%）。

奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727~1394℃，显微组织为多边形晶粒，晶粒内常可见到孪晶（昌粒的平行的直线条），生产中利用奥氏体塑性好的特点，常将钢加热到高温奥氏体状态进行塑性加工。

（2）共晶转变。L→γ+ Fe3C (1148°C) 共晶转变产物共晶体（γ＋Fe3C）是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体,用符号Ld表示。

[莱氏体性能]：莱氏体的力学性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差，几乎为零。

（3）共析转变。γ→α+ Fe3C (727°C) 转变产物是铁素体与渗碳体的机械混合物（α＋Fe3C），称为珠光体，符号为P。

[珠光体性能]：力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好（σb=770MPa、180HBS、δ=20%~35%、AKU=24~32J）。

2、请说明铁碳合金中基本物相铁素体和渗碳体的性能特点。

铁素体的力学性能特点是塑性、韧性好，而强度、硬度低。（δ=30%~50%，AKU=128~160J）σb=180~280MPa，50~80HBS）。

渗碳体的力学性能特点是硬度高，脆性大，塑性几乎为零。

渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状、网状、片状、粒状等形态，它们的大小、数量、分布对铁碳合金性能有很大影响。

第一章合金化

1.试述合金元素在钢中分布规律及合金元素的分类。

合金元素在钢中的分布：①溶入铁素体、奥氏体和马氏体中，以固溶体的形式存在。②形成强化相，如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成特殊碳化物和金属间化合物等。③形成非金属夹杂物，如合金元素与O、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物。④有些元素如Pb、Cu等既不溶于铁，也不形成化合物，而在钢中以游离态存在。分类：按与铁相互作用的特点分：①奥氏体形成元素，如C、N、Cu、Mn、Ni、Co等；②铁素体形成元素，如Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W等。按与碳相互作用分①非碳化合物形成元素，如Ni、Cu、Si、Al、P等；②碳化物形成元素，如Cr、Mo、V、Ti、Zr、Nb等。按对奥氏体层错能影响分①提高奥氏体层错能的元素，如Ni、Cu、C等；②降低奥氏体层错能的元素，如Mn、Cr、Ru、Ir等。

2.讨论过渡族金属的结构特性及其在钢中形成碳化物的规律。

答：过渡族金属大多为体心立方和面心立方结构或六方密排结构，其内部电子构造为dxs2，d电子层未填满。在每一周期，随着过渡族金属原子序数的增大，金属d层电子数填满程度增大。d层愈未填满，则金属与碳的结合力愈增强。因而，在每一周期，随着过渡族金属原子序数的增大，金属与碳的结合力或结合强度将逐步下降，所形成的碳化物的稳定性下降。

过渡族金属，沿周期自左向右（即从Ti到Ni），d层和s层电子填满程度增大，发生从体心立方点阵到面心立方或六方密排点阵的过渡。第IV与V族金属的碳化物具有简单的NaCl型面心立方点阵，而VI族的碳化物则是复杂六方点阵。铬碳化物Cr23C6和所有锰和铁的碳化物（VII～VIII族）则具有复杂立方、复杂六方和正交晶系的点阵。形成规律：当rC/rM＞0.59时，形成复杂点阵结构。Cr、Mn、Fe是属于这一类的元素，它们形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的碳化物。当rC/rM＜0.59时，形成简单点阵结构，又称为间隙相。金属原子一般形成具有配位数12的六方晶系或立方晶系，碳原子在金属原子所形成的晶体点阵中没有固定的位置，它们填充于晶体点阵的间隙中。属于这类型的元素有Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等，它们形成的碳化物有VC、TiC、NbC等MC型，Mo2C、W2C等M2C型。

3.有哪些合金元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大？阻止奥氏体晶粒长大有什么好处？

Ti、V、Zr、Nb等强碳化合物形成元素强烈阻止奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒的作用。

4. 总结合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响。

答：合金元素可以使钢的C曲线发生显著变化。几乎所有的合金元素（除Co外）都使C曲线向右移动，即减慢珠光体类型转变产物的形成速度。C曲线右移的结果，降低了钢的临界冷却速度，提高了钢的淬透性。

合金元素对淬透性影响的大小取决于该元素的作用强度（单位含量对淬透性的提高量）及其可能的溶解量。这样，钢中最常用的提高淬透性的元素主要有以下六种：Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B。合金元素只有当淬火加热溶入奥氏体中时，才能起到提高淬透性的作用。含Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素的钢，若淬火加热温度不高、保温时间较短、碳化物未溶解时，非但不能提高淬透性，反而会由于未溶碳化物粒子能成为珠光体转变的核心，使淬透性下降。除Co、Al以外，所有的合金元素都使马氏体转变温度下降，，而使残余奥氏体增多。

5.为什么一般钢的强化工艺都采用淬火-回火？

将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火时钢的重要强化方法，其本质是马氏体转变。钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的组织和性能，将其加热到Ac1以下的某一温度，保温一段时间，然后冷却至室温的热处理工艺叫做回火。淬火钢一般不能直接使用，必须进行回火。这是因为：第一，淬火后得到的是性能很脆的马氏体组织，并存在有内应力，容易产生变形和开裂；第二淬火马氏体和残余奥氏体都是不稳定组织，在工作中会发生分解，导致零件尺寸的变化，这对于精密零件是不允许的；第三。为了获得要求的强度、硬度、韧性和塑性，以满足零件的使用要求。

6.总结合金元素对钢强韧性的影响规律。

答：（1）合金元素加入钢中，首要的目的是提高淬透性，保证在淬火时容易获得马氏体。（2）合金元素加入的第二个目的是提高钢的回火稳定性，使钢回火时析出的碳化物更细小。均匀和稳定；并使马氏体的微细晶粒及高密度位错保持到较高温度。这样，在相同韧性的条件下，合金钢比碳钢具有更高的强度。此外，有些合金元素还可使钢产生二次硬化，得到良好的高温性能。Mo、W、V、Al等