硕士研究生材料强化理论试题及答案

“材料强化理论及应用”试题

（2011级材料工程硕士）

1、简述时效强化的工艺方法与步骤并举例说明。（20分）

时效处理：指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造，锻造后，在较高的温度或室温放置，其性能、形状、尺寸随时间而变化的热处理工艺。若采用将工件加热到较高温度，并较短时间进行时效处理的时效处理工艺，称为人工时效处理。若将工件放置在室温或自然条件下长时间存放而发生的时效现象，称为自然时效处理。第三种方式是振动时效，从80年代初起逐步进入使用阶段，振动时效处理在不加热也不像自然时效那样费时的情况下，给工件施加一定频率的振动使其内应力得以释放，从而达到时效的目的。时效处理的目的，消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能等。

绝大多数进行时效强化的合金，原始组织都是由一种固溶体和某些金属化合物所组成。固溶体的溶解度随温度的上升而增大。在时效处理前进行淬火，就是为了在加热时使尽量多的溶质溶入固溶体，随后在快速冷却中溶解度虽然下降，但过剩的溶质来不及从固溶体中分析出来，而形成过饱和固溶体。为达到这一目的而进行的淬火常称为固溶热处理。

经过长期反复研究证实，时效强化的实质是从过饱和固溶体中析出许多非常细小的沉淀物颗粒(一般是金属化合物，也可能是过饱和固溶体中的溶质原子在许多微小地区聚集)，形成一些体积很小的溶质原子富集区。

在时效处理前进行固溶处理时，加热温度必须严格控制，以便使溶质原子能最大限度地固溶到固溶体中，同时又不致使合金发生熔化。许多铝合金固溶处理加热温度容许的偏差只有5℃左右。进行人工时效处理，必须严格控制加热温度和保温时间，才能得到比较理想的强化效果。生产中有时采用分段时效，即先在室温或比室温稍高的温度下保温一段时间，然后在更高的温度下再保温一段时间。这样作有时会得到较好的效果。

马氏体时效钢淬火时会发生组织转变，形成马氏体。马氏体就是一种过饱和固溶体。这种钢也可采用时效处理进行强化。

低碳钢冷态塑性变形后在室温下长期放置，强度提高，塑性降低，这种现象称为机械时效。

2、简述细化晶粒的常用方法；简述细化晶粒能够同时提高强度和

塑性的原理。（30分）

细化晶粒方法

1.在浇注过程中：

1）增大过冷度；

2）加入变质剂；

3）进行搅拌和振动等

2. 在热轧或锻造过程中：

1)控制变形度；

2)控制热轧或锻造温度。

3. 在热处理过程中：

控制加热和冷却工艺参数, 利用相变重结晶来细化晶粒。

4. 对冷变形后退火态使用的合金：

1)控制变形度；

2)控制再结晶退火温度和时间。

晶粒越细，单位体积内晶界越多，滑移在相邻晶粒间的传播所消耗的能量越多，阻碍位错运动，是变形难度增加，提高材料的强度。其微观机制在于：见PPT

细化晶粒还能提高金属的塑性，这是因为晶粒越细小，在一定体积内的晶粒数目越多，在同样变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，每个晶粒内的变形比较均匀；同时由于在塑性变形中，晶界起着协调相邻晶粒变形的作用，所以晶粒细，晶界多，塑性也有改善。

3、简述淬火及回火工艺的强韧化处理的原理。（30分）

一般的碳素钢、合金钢通过淬火可以提高硬度、耐磨性，这对刀具、量具、模具、轴承、及耐磨件等是非常重要的。淬火后，钢的内部产生了淬火应力和脆性，通过低温回火，得到回火马氏体组织，在保持高硬的情况下，降低钢的内应力和脆性，这类回火主要用于碳素工具钢、低合金钢制作的工具、模具、渗碳或表面淬火零件；通过中温回火，得到回火托氏体组织，可以获得高的弹性极限和屈服极限，具有较好的韧性，主要用于各种弹性元件和枪件淬火后的回火；通过高温回火，得到铁素体+细粒渗碳体的混合物即回火索氏体组织，具有优良的综合力学性能，多用于结构零件淬火后的回火，如连杆、螺

栓、齿轮、轴，高温回火也称为调质。

4、简述晶体中位错密度与强度的关系。（20分）