第一章 钢的合金化原理作业题 参考答案要点
《冶金原理》课后习题和解答
第一章1 冶金原理研究的主要内容包括________、________和________。
冶金动力学、冶金热力学、冶金溶液。
2 金属熔体指________、________。
液态的金属、合金。
1、冶金原理是提取冶金的主要基础科学，它主要是应用_______的理论和方法研究提取冶金过程，为解决有关_____问题、开拓____的冶金工艺、推进冶金技术的发展指明方向。
物理化学、技术、新2、根据组成熔体的主要成分的不同，一般将冶金熔体分为________、______、_______、_______四种类型。
金属熔体、熔渣、熔盐、熔硫。
3、冶金原理按具体的冶金对象分为______冶金原理及_____冶金原理。
钢铁、有色金属。
4、根据熔渣在冶炼过程中的作用的不同，熔渣主要分为________、_______、________、__________四种。
在生产实践中，必须根据各种冶炼过程的特点，合理地选择_____，使之具有符合冶炼要求的物理化学性质。
冶炼渣、精炼渣、富集渣、合成渣。
熔渣。
5、熔渣是_______和_______的重要产物之一。
金属提炼、精炼过程。
6、熔渣是指主要由各种______熔合而成的熔体。
氧化物。
7、________的作用在于使原料中的某些有用成分富集于炉渣中，以便在后续工序中将它们回收利用。
富集渣、8、_______的作用是捕集粗金属中杂质元素的氧化产物，使之与主金属分离。
精炼渣。
9、在造锍熔炼过程中，为了使锍的液滴在熔渣中更好的沉降、降低主金属在渣中的损失，要求熔渣具有较低的______、______和_______。
粘度、密度、渣-锍界面张力。
10、为了提高有价金属的回收率、降低冶炼过程的能耗，必须使锍具有合适的______.物理化学性质。
11、在生产实践中，必须根据各种冶炼过程的特点，合理地选择________，使之具有符合冶炼要求的物理化学性质。
熔渣成分12、冶金过程热力学可以解决的问题有：1）计算给定条件下的；根据的正负判断该条件下反应能否自发地向________进行：2）计算给定条件下的平衡常数，确定反应进行的______；3）分析影响反应的和平衡常数，为进一步提高________指明努力方向。
结构材料复习资料
第一章钢的合金化原理一、填空题1、合金元素在钢中的存在形式有以固溶体形式存在、形成强化相、形成非金属夹杂物、以游离态存在。
2、合金钢按用途可分成结构钢、工具钢和特殊性能刚三类。
3、按照与铁的相互作用的特点，合金元素分为 A 形成元素和 F 形成元素。
4、奥氏体形成元素降低A3点，提高A4点。
5、按照与碳相互作用的特点，合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素。
6、所有的合金元素均使S点左移，这意味着合金钢共析点的碳浓度将移向--- 低碳方向，使共析体中的含碳量降低。
7、几乎所有的合金元素（除Co外）均使C曲线向右移动，其结果是降低了钢的临界冷却速度，提高了钢的淬透性。
8、几乎所有的合金元素（除Co、Al外）都使Ms、Mf点降低，因此淬火后相同碳含量的合金钢比碳钢的残余 A 增多，使钢的硬度降低，疲劳抗力下降。
二、名词解释合金元素：为保证获得所要求的组织结构，物理、化学性能而特别添加到钢中的化学元素。
合金钢：在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。
奥氏体形成元素：使A3点↓，A4点↑，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了γ相区。
铁素体形成元素：使A3点↑，A4点↓，在较宽的成分范围内，促进铁素体形成，依缩小γ相区的程度又分为两小类。
二次淬火：已淬火的高合金钢中的残余奥氏体在回火冷却中转变为马氏体的现象。
二次硬化：钢在回火时出现的硬度回升现象。
三、问答题1、合金元素在钢中有哪几种存在形式？这些存在形式对钢的性能有什么影响？（1）以溶质形式溶入固溶体，如：溶入铁素体，奥氏体和马氏体中。
（有利）（2）形成强化相，形成碳化物或金属间化合物。
（有利）（3）形成非金属夹杂物，如氧化物（Al2O3、SiO2等），氮化物和硫化物（MnS、FeS等）（有害、尽量减少）（4）以游离态存在，如C以石墨状态存在（一般也有害）元素以哪种形式存在，取决于元素的种类、含量、冶炼方法及热处理工艺等。
金属材料科学(第一章 钢的合金化)2
1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用
图1-1 扩大γ相区并与γ-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Ni相图(b)
1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用
三、合金元素与铁的相互作用
②扩展γ相区(有限扩大γ相区)（图1-2） ������ 虽然γ相区也随合金元素的加入而扩大，但由于合 金元素与α-Fe和γ-Fe均形成有限固溶体，并且也使A3 （GS线）降低，A4（JN线）升高，但最终不能使γ相 区完全开启。 ������ 这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。 γ相区借助C及N而扩展，当C含量在0-2.11%（重量） 范围内，均可以获得均匀化的固溶体（奥氏体），这 构成了钢的整个热处理的基础。
注意：Cr、Ni同时存在，Cr反而促进奥氏体形成。
1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用
课堂作业：
1）不锈钢中Cr、Ni的作用是什么？为什么 1Cr13也是不锈钢？ 2）Mn13 为什么常用于挖掘机镐齿、破碎机颚 板？
1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用
四、合金元素与碳的相互作用
碳化物是钢的重要强化相。碳化物形成元素都 属于过渡族金属，周期表中位于铁的左侧。
1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用
二、合金元素的分类
2. 按照与碳相互作用的特点： （1）碳化物形成元素 Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Nb、Zr等 （2）非碳化物形成元素 Ni、Si、Al、Cu、P等
Ni、Cu、C——提高奥氏体层错能
Mn、Cr ——降低奥氏体层错能
1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用
1. 2 合金元素与铁和碳的e有限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-C相图(b)
1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用
γ稳定化元素
1-1 钢的合金化
860
TiC
3200
NbC
2055
ZrC
2840
VC
2094
Mo2C
1480
WC Cr23C6 Fe3C
21
2. 合金元素对钢的作用
二、合金元素与碳的相互作用
总结：
（1）合金元素与碳的作用关系到所形成碳化物种类、性质 和在钢中的分布，从而影响钢的性能； （2）对钢的相变的影响。由于合金元素与碳有不同的亲和 力，对相变过程中碳的扩散速度有较大影响
0
He Ne Ar Kr Xe Rn
Na Mg K Pb Cs Ca Sr Ba
Cu Zn Ga Ge As In Ti Sn Pd Sb Bi Au Hg
Ru Rh Pd Ag Cd
*表中字体颜色为绿色或深蓝色的元素为钢中常见合金元素； 字体颜 色为深蓝色的元素，为钢中常见碳化物合金元素。 * S, P, As, Sb, Pb, Sn, Bi通常为有害元素，但S，P， Pb在易切削钢中 用来改进 切削加工性能。
7
1. 钢中合金元素及其分类依据
二、合金元素的分类
2、与碳的相互作用 （1）非碳化物形成元素：Al、Si、Cu、Ni、P等，(易溶 于奥氏体或铁素体中或形成夹杂) （2）碳化物形成元素：Cr、Mo、Zr、V、Ti、Nb等， (形成碳化物或溶于固溶体中)
8
1. 钢中合金元素及其分类依据 二、合金元素的分类
3. 钢的强化机制
二、晶界强化*grain boundary strengthening 可以提高强度，还能改善韧性。
强化机制：晶界的存在使位错运动受阻，达到强化的目 的。
强化过程：晶界存在，导致晶界处产生弹性和塑性变形不 协调，引起晶界处应力集中，结果在晶界附近引起二次 滑移，使位错增殖，形成加工硬化微区，阻碍位错运 动。
钢的合金化原理
M23C6型 复杂立方，Cr, Mn形成旳K：Cr23C6
M7C3型 复杂六方，Cr, Mn形成旳K：Cr7C3, Mn7C3
M3C型 正交晶系，Fe形成旳K：Fe3C
3）Fe-M-C形成旳三元K
M6C型
复杂立方，W、Mo旳K： Fe3Mo3C, Fe4Mo2C, Fe3W3C, Fe4W2C。
二. 碳化物（K）
1. 构造
1）rc/rM<0.59 简朴密排构造 V, Nb, Ta, Zr, Hf, Mo, W
MC型 面心立方，V, Nb, Ta，Zr, Hf， 如 VC，ZrC 等。 六方点阵，Mo, W， 如 MoC, WC。
M2C型 六方点阵，Mo,W，如：Mo2C, W2C
2）rc/rM>0.59 ，间隙化合物
rc/rMe > 0.59 —复杂点阵构造，如Cr、Mn、Fe ， 形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式旳K；
rc/rMe < 0.59 —简朴构造相，如Mo、W、V、Ti 等，形成VC等MC型，W2C等M2C型 。
Me量少时，形成复合K，如（Cr, M）23C6型 。
2）相同者相溶
一. 铁基固溶体
1. 置换（代位）固溶体 Ni, Co, Mn与γ-Fe形成无限固溶体。 Cr, V 与α-Fe形成无限固溶体。 其他置换原子与γ- Fe或α- Fe形成有限固溶体。
2. 间隙固溶体 间隙原子：B，C，N，O，H 间隙原子总是部分占据溶剂金属点阵旳八面体或四面体间
隙; 均为有限固溶体。
2、淬火态 Me分布与淬火工艺有关。溶入A体旳元素 淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。
第1章 钢合金化概论
第1章1.1钢铁中的合金元素热脆性 —— S —— FeS(低熔点989℃)；？ 冷脆性 —— P —— Fe3P（硬脆）； ？ 氢 脆 —— H —— 白点。
2、合金元素（alloying-element） 为合金化目的加入，其加入量有一定范围 的元素称为合金元素。
钢中常用合金元素： Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。
Me和Fe基二元相图一、钢中的Me 1、杂质元素（impurity- element）常存杂质 冶炼残余，由脱氧剂带入。
Mn、Si、Al；S、P难清除。
生产过程中形成， 微量元素O、H、N等。
与炼钢时的矿石、废钢有关， 如Cu、Sn、Pb、Cr等。
隐存杂质常存杂质二、Me在钢中的存在形式1、Me在不同状态下的分布1、退火、正火态 非K形成元素基本上固溶于基体中， 而K形成元素视C和本身量多少而定。
优先形成K，余量溶 入基体。
2、淬火态 Me分布与淬火工艺有关。
溶入A体的元素 淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。
2、Me的偏聚（segregation ）偏聚 现象Me偏聚 → 缺陷处C’> 基体平均C 这种现象也称为吸附现象。
偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响， 如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等 都与此有关.Me+⊥：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团； 3、回火态 低回: Me不重新分布；> 400℃，Me开始 重新分布。
非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进 入析出的K中，其程度决定于回火温度和时间。
Me+≡ ：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团； Me+◎ ：溶质原子在螺位错吸附形成Snoek气团.1偏聚 机理溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能↓， 符合自然界最小自由能原理。
结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原 子容易存在； 能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能↓， 符合自然界最小自由能原理。
（在没有强制外 力作用下，事物总是朝着↓能量的方向发生。
金属材料学复习思考题及答案.
第一章钢的合金化原理1．名词解释1）合金元素: 特别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，将这种化学元素称为微合金元素。
3）奥氏体形成元素:在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ相；如 Mn, Ni, Co, C, N, Cu；4）铁素体形成元素: 在α-Fe中有较大的溶解度，且能稳定α相。
如：V， Nb, Ti 等。
5）原位析出: 元素向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时, 合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物如Cr钢中的Cr：ε-Fe x C→Fe3C→（Fe, Cr）3C→（Cr, Fe）7C3→（Cr, Fe）23C66）离位析出:在回火过程中直接从α相中析出特殊碳化物，同时伴随着渗碳体的溶解，可使硬度和强度提高（二次硬化效应）。
如 V，Nb, Ti等都属于此类型。
2．合金元素V、Cr、W、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α-Fe中形成无限固溶体？哪些能在γ-Fe 中形成无限固溶体？答：铁素体形成元素：V、Cr、W、Mo、Ti、Al；奥氏体形成元素：Mn、Co、Ni、Cu；能在α-Fe中形成无限固溶体：V、Cr；能在γ-Fe 中形成无限固溶体：Mn、Co、Ni3．简述合金元素对扩大或缩小γ相区的影响，并说明利用此原理在生产中有何意义？（1）扩大γ相区：使A3降低，A4升高一般为奥氏体形成元素分为两类：a.开启γ相区：Mn, Ni, Co 与γ-Fe无限互溶.b.扩大γ相区：有C，N，Cu等。
如Fe-C相图，形成的扩大的γ相区，构成了钢的热处理的基础。
（2）缩小γ相区：使A3升高，A4降低。
一般为铁素体形成元素分为两类:a.封闭γ相区：使相图中γ区缩小到一个很小的面积形成γ圈,其结果使δ相区与α相区连成一片。
金属材料学复习思考题2016.5
金属材料学复习思考题（2016.05）第一章钢的合金化原理1-1名词解释（1）合金元素；（2）微合金化元素；（3）奥氏体稳定化元素；（4）铁素体稳定化元素；（5）杂质元素；（6）原位析出；（7）异位析出；（8）晶界偏聚（内吸附）；（9）二次硬化；（10）二次淬火；（11）回火脆性；（12）回火稳定性1-2 合金元素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α-Fe中形成无限固溶体？哪些能在γ-Fe 中形成无限固溶体？C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？1-3简述合金元素对Fe-Fe31-4 为何需要提高钢的淬透性？哪些元素能显著提高钢的淬透性？（作业）1-5 能明显提高钢回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？（作业）1-6合金钢中V，Cr，Mo，Mn等所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。
1-7试解释含Mn和碳稍高的钢容易过热，而含Si的钢淬火温度应稍高，且冷作硬化率较高，不利于冷加工变形加工？（作业）1-8 V/Nb/Ti、Mo/W、Cr、Ni、Mn、Si、B等对过冷奥氏体P转变影响的作用机制。
1-9合金元素对马氏体转变有何影响？1-10如何利用合金元素来消除或预防第一次、第二次回火脆性？1-11如何理解二次硬化与二次淬火两个概念的异同之处？1-12钢有哪些强化机制？如何提高钢的韧性？（作业）1-13 为什么合金化基本原则是“复合加入”？试举两例说明复合加入的作用机理？（作业）1-14 合金元素V在某些情况下能起到降低淬透性的作用，为什么？而对于40Mn2和42Mn2V，后者的淬透性稍大，为什么？（作业）1-15 40Cr、40CrNi、40CrNiMo钢，其油淬临界淬透性直径分别为25~30 mm、40~60mm和60~100mm，试解释淬透性成倍增大的现象。
（作业）1-16在相同成分的粗晶粒和细晶粒钢中，偏聚元素的偏聚程度有什么不同？（作业）第二章工程结构钢2-1为什么普通低合金钢中基本上都含有不大于1.8%~2.0%的Mn？（作业）2-2试述碳及合金元素在低合金高强度工程结构钢中的作用，为什么考虑采用低碳？提高低合金高强度结构钢强韧性的途径是什么？2-3什么是微合金化钢？微合金化元素在微合金钢中的主要作用有哪些？2-4 V、Nb、Ti这三种微合金元素在低碳（微）合金工程结构钢中，作用有何不同？（作业）2-5针状铁素体钢的合金化、组织和性能特点？2-6低碳贝氏体钢的合金化有何特点？2-7汽车工业用的高强度低合金双相钢，其成分、组织和性能特点是什么？（作业）第三章机械制造结构钢3-1名词解释：1）液析碳化物；2）网状碳化物；3）水韧处理3-2 调质钢和非调质钢在成分、生产工艺、组织和性能方面的异同何在？3-3弹簧钢为什么要求较高的冶金质量和表面质量？为什么弹簧钢中碳含量一般在0.5%~0.75%之间？3-4GCr15钢用作滚动轴承钢时，其中的碳和铬的含量约为多少？碳和铬的主要作用分别是什么？对该钢的基本要求如何？该钢的碳化物不均匀性体现在哪几方面？有何危害，如何这种不均匀性？其预备热处理和最终热处理分别是什么？作用何在？（作业）3-5说明20Mn2钢渗碳后无法直接淬火的原因？高淬透性渗碳钢18Cr2Ni4W的常用热处理工艺（渗碳加淬火回火）有何特点？如何理解？（作业）3-6合金元素对渗碳钢和氮化钢的作用主要体现在哪几方面？Al对氮化钢的作用何在？3-7 钢的切削加工性与材料的组织和硬度之间有什么关系？为获得良好的切削性，中碳钢和高碳钢各自应经过怎样的热处理，得到什么样的金相组织？为什么直径25mm的40CrNiMo钢棒料，经过正火后难以切削？如何经济有效地改善其切削加工性能？3-8 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？在何种情况下具有高耐磨性能？为什么ZGMn13型高锰钢在淬火时能得到全部的奥氏体组织，而缓冷却得到了大量的马氏体？（作业）3-9为什么说淬透性是评定结构钢性能的重要指标？（作业）3-10 用低淬透性钢制作中、小模数的中、高频感应加热淬火齿轮有什么优点？（作业）3-11 某精密镗床主轴采用38CrMoAl钢制造，某重型齿轮镗床主轴采用20CrMnTi钢制造，某普通车床主轴选用40Cr钢。
金属学课后习题答案完整版
金属学课后答案第一章1.为什么说钢中的S、P杂质元素在一般情况下总是有害的？答：S、P会导致钢的热脆和冷脆，并且容易在晶界偏聚，导致合金钢的第二类高温回火脆性，高温蠕变时的晶界脆断。
S能形成FeS，其熔点为989℃，钢件在大于1000℃的热加工温度时FeS会熔化，所以易产生热脆；P能形成Fe3P，性质硬而脆，在冷加工时产生应力集中，易产生裂纹而形成冷脆。
2.钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类？各有什么特点？答：简单点阵结构和复杂点阵结构简单点阵结构的特点：硬度较高、熔点较高、稳定性较好；复杂点阵结构的特点：硬度较低、熔点较低、稳定性较差。
3.简述合金钢中碳化物形成规律。
答：①当rC/rM>0.59时，形成复杂点阵结构；当rC/rM<0.59时，形成简单点阵结构；②相似者相溶：完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似；有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合碳化物。
③NM/NC比值决定了碳化物类型④碳化物稳定性越好，溶解越难，析出难越，聚集长大也越难；⑤强碳化物形成元素优先与碳结合形成碳化物。
4.合金元素对Fe-C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？答：A形成元素均使S、E点向_____移动，F形成元素使S、E点向_____移动。
S点左移意味着_____减小，E点左移意味着出现_______降低。
（左下方；左上方）（共析碳量；莱氏体的C量）5.试述钢在退火态、淬火态及淬火-回火态下，不同合金元素的分布状况。
答：退火态：非碳化物形成元素绝大多数固溶于基体中，而碳化物形成元素视C和本身量多少而定。
优先形成碳化物，余量溶入基体。
淬火态：合金元素的分布与淬火工艺有关。
溶入A体的因素淬火后存在于M、B中或残余A中，未溶者仍在K中。
回火态：低温回火，置换式合金元素基本上不发生重新分布；>400℃，Me开始重新分布。
非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度取决于回火温度和时间。
金属材料学复习思考题及答案
金属材料学复习思考题及答案本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March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%左右（如B %，V %）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γ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，缩小γ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α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500－600℃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。
金属材料学复习思考题2016.5
金属材料学复习思考题（2016.05）第一章钢的合金化原理1-1名词解释（1）合金元素；（2）微合金化元素；（3）奥氏体稳定化元素；（4）铁素体稳定化元素；（5）杂质元素；（6）原位析出；（7）异位析出；（8）晶界偏聚（内吸附）；（9）二次硬化；（10）二次淬火；（11）回火脆性；（12）回火稳定性1-2 合金元素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α-Fe中形成无限固溶体？哪些能在γ-Fe 中形成无限固溶体？1-3简述合金元素对Fe-Fe3C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？1-4 为何需要提高钢的淬透性？哪些元素能显著提高钢的淬透性？（作业）1-5 能明显提高钢回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？（作业）1-6合金钢中V，Cr，Mo，Mn等所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。
1-7试解释含Mn和碳稍高的钢容易过热，而含Si的钢淬火温度应稍高，且冷作硬化率较高，不利于冷加工变形加工？（作业）1-8V/Nb/Ti、Mo/W、Cr、Ni、Mn、Si、B等对过冷奥氏体P转变影响的作用机制。
1-9合金元素对马氏体转变有何影响？1-10如何利用合金元素来消除或预防第一次、第二次回火脆性？1-11如何理解二次硬化与二次淬火两个概念的异同之处？1-12钢有哪些强化机制？如何提高钢的韧性？（作业）1-13 为什么合金化基本原则是“复合加入”？试举两例说明复合加入的作用机理？（作业）1-14 合金元素V在某些情况下能起到降低淬透性的作用，为什么？而对于40Mn2和42Mn2V，后者的淬透性稍大，为什么？（作业）1-1540Cr、40CrNi、40CrNiMo钢，其油淬临界淬透性直径分别为25~30 mm、40~60mm和60~100mm，试解释淬透性成倍增大的现象。
（作业）1-16在相同成分的粗晶粒和细晶粒钢中，偏聚元素的偏聚程度有什么不同？（作业）第二章工程结构钢2-1为什么普通低合金钢中基本上都含有不大于1.8%~2.0%的Mn？（作业）2-2试述碳及合金元素在低合金高强度工程结构钢中的作用，为什么考虑采用低碳？提高低合金高强度结构钢强韧性的途径是什么？2-3什么是微合金化钢？微合金化元素在微合金钢中的主要作用有哪些？2-4 V、Nb、Ti这三种微合金元素在低碳（微）合金工程结构钢中，作用有何不同？（作业）2-5针状铁素体钢的合金化、组织和性能特点？2-6低碳贝氏体钢的合金化有何特点？2-7汽车工业用的高强度低合金双相钢，其成分、组织和性能特点是什么？（作业）第三章机械制造结构钢3-1名词解释：1）液析碳化物；2）网状碳化物；3）水韧处理3-2 调质钢和非调质钢在成分、生产工艺、组织和性能方面的异同何在？3-3弹簧钢为什么要求较高的冶金质量和表面质量？为什么弹簧钢中碳含量一般在0.5%~0.75%之间？3-4GCr15钢用作滚动轴承钢时，其中的碳和铬的含量约为多少？碳和铬的主要作用分别是什么？对该钢的基本要求如何？该钢的碳化物不均匀性体现在哪几方面？有何危害，如何这种不均匀性？其预备热处理和最终热处理分别是什么？作用何在？（作业）3-5说明20Mn2钢渗碳后无法直接淬火的原因？高淬透性渗碳钢18Cr2Ni4W的常用热处理工艺（渗碳加淬火回火）有何特点？如何理解？（作业）3-6合金元素对渗碳钢和氮化钢的作用主要体现在哪几方面？Al对氮化钢的作用何在？3-7 钢的切削加工性与材料的组织和硬度之间有什么关系？为获得良好的切削性，中碳钢和高碳钢各自应经过怎样的热处理，得到什么样的金相组织？为什么直径25mm的40CrNiMo钢棒料，经过正火后难以切削？如何经济有效地改善其切削加工性能？3-8 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？在何种情况下具有高耐磨性能？为什么ZGMn13型高锰钢在淬火时能得到全部的奥氏体组织，而缓冷却得到了大量的马氏体？（作业）3-9为什么说淬透性是评定结构钢性能的重要指标？（作业）3-10 用低淬透性钢制作中、小模数的中、高频感应加热淬火齿轮有什么优点？（作业）3-11 某精密镗床主轴采用38CrMoAl钢制造，某重型齿轮镗床主轴采用20CrMnTi钢制造，某普通车床主轴选用40Cr钢。
钢的合金化原理
（2）α相稳定化元素 合金元素
②缩小γ相区(但不能使γ相区封闭) 合金元 素使A3 升高，A4 下降，使相区缩小但不 能使其完全封闭。如图1-4。这类合金元 素有：B、Nb、Zr、Ta 等。 综上所述，可将合金元素分为两大类：将 扩大γ相区的元素称为奥氏体形成元素； 将缩小或封闭γ相区的元素称为铁素体的 形成元素。显然，这种分类对生产实际有 重要的指导意义。如为了保证钢具有良好 的耐蚀性，需要在室温下获得单相组织， 就可以运用上述合金元素与铁的相互作用 规律，通过控制钢中合金元素的种类和含 量，使钢在室温下获得单相组织。如欲发 展奥氏体钢时，需要往钢中加入Ni、Mn 、N 等奥氏体形成元素；欲发展铁素体钢 时，需要往钢中加入大量的Cr、Si、Al、 Mo、Ti 等铁素最后应该指出，同时向钢 中加入两类合金元素时，其作用往往相互 有所抵消。但也有例外，例如是Cr 铁素体 形成元素，在Cr18%与Ni 同成合金渗碳体（与氮化物） 碳化物和氮化物属于间隙化合物相，它是过渡族 金属与碳或氮作用形成的。碳化物、氮化物和碳 、氮化物是钢中的基本强化相。过渡族金属与碳 、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定 性）按下列规律递减：Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、 W、Mo、Cr、Mn、Fe。其中Ⅳ、Ⅴ族金属的碳化 物与氮化物具有简单的点阵结构，如TiC、VC、 TiN、TaC 等，Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ金属的碳化物与氮化物 具有复杂的点阵结构，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、 Mo2C、(W、Mo、Fe)6C 等。 与合金碳化物相比，铁的碳化物是最不稳定的。 渗碳体中Fe 的原子可以被若干合金元素的原子所 取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)23C 等。
（1）γ相稳定化元素
γ相稳定化元素使A3 降低，A4 升 高，在较宽的成分范围内，促使 奥氏体形成，即扩大了γ相区。 根据铁与合金元素构成的相图的 不同，可分为如下两种情况： ①开启γ相区(无限扩大γ相区) 合 金元素与γ-Fe 形成无限固溶体， 与α-Fe 形成有限固溶体。它们均 使A3（GS 线）降低，A4（JN 线 ）升高。如图1-1。这类合金元 素主要有Mn、Ni、Co 等。如果 加入足够量的Ni 或Mn，可完全 使体心立方的α相从相图上消失 ，γ相保持到室温（即A1 点降低 ），故而由γ相区淬火到室温较 易获得亚稳的奥氏体组织，它们 是不锈钢中常用作获得奥氏体的 元素。
1钢的合金化概论分析
概念:加入适当元素改变金属性能→称合金化。为合金化 目的加入，其加入量有一定范围的元素称为合金元素。 形成的钢称合金钢。低合金钢≤5%、中合金钢＝5-10%、 高合金钢＞10%。
§1.1钢中的合金元素及其分类依据
一、钢中常存杂质元素
常存杂质
冶炼残余，由脱氧剂带入。 Mn、Si、Al；S、P难清除。
1）细化晶粒、组织—— Ti、Nb、V、W、Mo； 2）↑回火稳定性 —— 强K形成元素 ； 3）改善基体韧度 —— Ni ； 4）细化K —— 适量Cr、V，使K细小均布 ； 5）↓回脆 —— W、Mo ； 6）在保证强度水平下，适当↓含C量.
↑冶金质量。 7） ↓第二相数量 和改善形态 8)对延性断裂/解理断裂/沿晶断裂,提高韧性侧重点不同..。
三、合金元素对过冷A体分解转变的影响
•对过冷A体的稳定性的影响
1）Ni、Si和Mn，大致保持 C钢的“C”线形状，使 “C”线向右作不同程度的移动；
2） Co不改变“C”线，但使“C”线左移；使C曲线右移， 即提高钢的淬透性。 3）K形成元素，使“C”线右移，且改变形状。 4）K必须溶入A中才能起到用，包括C，否则因未溶K可成为A分解
晶粒大小对强度、韧脆转变温度TK的影响
3、第二相强化
表达式
P K P 1
机理
微粒第二相钉扎位错运动→强化效果。 主要有切割机制和绕过机制。在钢中主 要是绕过机制。 两种情况：回火时弥散沉淀析出强化，
淬火时残留第二相强化。
效果
有效提高强度，但稍降低塑韧性。
钢强度表达式 0.2 0 S d g p
使VC的溶解温度从1100℃降至900℃。
但非K形成元素（如Ni）则相反,↑ac，↓K的溶解。
金属材料学--钢铁材料的合金化原理
钢中的碳化物
碳化物 TiC VC NbC ZrC TaC WC Mo2C W2C Cr23C6 Cr7C3 Fe3C 晶体点阵 FCC FCC FCC FCC FCC 六方 六方 六方 立方 六方 正交
室温点阵 0.43176 0.4182 0.44699 0.46957 0.44413 0.29063 0.30233 0.2985 1.0650 1.3980 0.45235
元素
Mo Nb Zr W Ta Si P
S
B
配位数12时 的原子直 径，nm
与铁原子尺 寸的相对 差别，％
0.2803 0.2941 0.3205 0.2820 0.2942 9.75 15.15 25.49 10.42 15.19
0.267 4.54
0.200 -21.7
0.208 -18.6
0.190 -25.6
γ-Fe
0.12958 4 0.05367 8 0.02912
（FCC,1148℃）
α-Fe
0.12530 6 0.01938 12 0.03646
(BCC,727℃)
主要间隙固溶元素原子半径
H
B
C
N
O
0.046 0.097 0.077 0.071 0.060
钢中主要合金元素的原子尺寸及其与铁 原子尺寸的相对差别
184.1 100.8 140.6
3200 3017 451
2094 2830 430
2400 3480 338
196.6
2560 3532 348
143.1
1790 4000 310
40.0
2080 2785 696
46.0
1950 2430 533
第一 合金化原理
H、当钢中有几种碳化物形成元素时, 能形成何种碳化物？
要取决于含碳量的高低. 当C%较低时,
强碳化物形成元素优先形成碳化物; 当C%较高时,
弱碳化物形成元素也将形成碳化物, 如钢中有W、Mo、Cr,
随C%增加依次形成 (W,Mo)6C－Cr23C6－Cr7C3－Fe3C；
五、合金元素对Fe-C相图的影响 1、对奥氏体相区的影响 A形成元素：
—欧美国家：用Ni较多； —前苏联： 用Cr较多； －我国：用Mn、W较多，而Cr、Ni较少，
现在情况有所改变。 分类：低合金钢≤5%Me；中合金钢5～10%Me；
高合金钢＞10%Me，但没有严格的界限。
1.2 合金元素与铁和碳的相互作用 一、合金元素在钢中的存在形式
概括起来有四种存在形式: (1)形成固溶体：
―这说明有些影响因素还尚未了解。
Si、Al也是比较特殊的合金元素。
利用Me缩小、扩大γ相区的作用, 可以获得铁素体钢和奥氏体钢.
例如： 钢中加入Cr可得到铁素体钢, 加入Ni、Mn等可得到奥氏体钢.
但在多元合金中，可能出现相反的情况， 如Cr是铁素体形成元素, 但在18－8不锈钢中， Cr反而能促进奥氏体的形成；
如TiC、Mo2C、WC； 例如：VC，fcc结构，
V原子位于fcc节点位置上， C原子规则分布在fcc的八面体间隙位置中， 八面体间隙数目＝点阵的阵点数，如图。
这里，间隙相中的金属原子形成的点阵与 纯金属的点阵不同－属简单密排点阵, 它的间隙尺寸大于碳原子的直径, 可容纳碳原子, 并有明显的金属性质.
这类元素有： Cr、Mo、W、V、Ti、 Si、P、Al、Be等. 但Cr大于7%时,
A3点才上升, 小于7%时, A3点下降, 特殊情况.
金属材料合金化原理
1.2 钢的合金化原理
Chapter 1 金属材料的合金化原理
在含W、Mo、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， 而是在某一回火温度后，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。
1.2 钢的合金化原理
1.2 钢的合金化原理
Chapter 1 金属材料的合金化原理
3. 对中温转变（贝氏体转变）的影响 碳、锰、镍、铬、钼、钒、钛等元素都降低 BS点，使得在贝氏体和珠光体转变温度之间 出现过冷奥氏体的中温稳定区，形成两个转 变的C曲线。
合金元素还改变贝氏体转变动力学过程，增长转 变孕育期，减慢长大速度。 碳、硅、锰、镍、铬的作用较强 钨、钼、钒、钛的作用较小
5
Chapter 1 金属材料的合金化原理
标准晶粒度等级示意图
1—4级为本质粗晶粒钢 5—8级为本质细晶粒钢
Chapter 1 金属材料的合金化原理
总
之
合金元素对奥氏体晶粒长大主要从三个方面起作用： 第一，当合金元素形成未溶、处于晶界上高度弥散 的质点，对奥氏体晶粒的粗化起到阻碍作用。 第二，合金元素溶入奥氏体中时，可以改变奥氏体 的晶界能，因而会改变奥氏体的长大倾向。 第三，合金元素溶入奥氏体中可以改变原子间的结 合强度，引起激活能和铁自扩散系数的变化，从而 影响奥氏体晶粒的长大。 因此，应从以上三个方面综合考虑。
0.2%C 0.45%C 1..2%C
1.2 钢的合金化原理
Chapter 1 金属材料的合金化原理
5．合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响 主要表现在提高钢的回火稳定性，即钢对回火时 发生软化过程的抵抗能力，使回火过程各个阶段 的转变速度大大减慢，将其推向更高的温度。具 体为 （1）AE对马氏体分解的影响 （2）AE对残余奥氏体转变的影响 （3）AE对碳化物的形成、聚集和长大的影响 （4）AE对铁素体回复再结晶的影响 （5）AE对回火脆性的影响
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第一章钢的合金化原理作业题参考答案要点
1、名词解释：
1）合金元素：特别添加到钢中用以改变钢的组织、提高钢的性能的化学元素。
2）微合金元素：有些合金元素如V，Nb，Ti和B等，当其含量只在0.2%左右甚至更低时（如B 0.002%）时，也会显著地影响钢的组织与
性能，将这种化学（合金）元素称为微合金元素。
3）原位析出：在淬火回火过程中，合金元素溶解于原渗碳体中，当其溶解度超过其最大溶解量后，合金渗碳体转变为特殊碳化物的析出方式。
4）离位析出：在淬火回火过程中，直接从α相中析出特殊碳化物的析出方式。
5）二次硬化：在强K形成元素含量较高的合金钢淬火后，在500- 600℃范围内回火时，在α相中沉淀析出这些元素的特殊碳化物，并使钢的
HRC和强度提高的现象。
6）二次淬火：在强K形成元素含量较高的合金钢淬火后，残余奥氏体十分稳定，甚至加热到500-600℃回火时升温与保温时中仍不分解，而是在
冷却时部分转变成马氏体，使钢的硬度和强度提高的现象。
2、说明钢中常用合金元素（V，Mo，Cr，Ni，Mn，Si，Al, B）对珠光体（贝
氏体）转变影响的作用机制。
答：（1）对珠光体转变影响的作用机制：P20
（2）对贝氏体转变影响的作用机制：P20
3、以低碳回火马氏体钢20SiMn2MoVB 为例，说明其合金化及热处理（淬火
加低温回火）中存在哪些强化与韧化途径？
答：低碳回火马氏体钢通过合金化与热处理工艺相结合，在实现强化的同时，保证有较好的韧性。
主要体现在以下方面：
（1）强化：
①C及合金元素的固溶强化；
②加入Si, Mn等合金元素能提高奥氏体的过冷能力，从而细化晶粒；
③加入V、Ti后的弥散强化;
④加入V、Ti后的细化晶粒作用；
⑤马氏体中大量位错的位错强化。
（2）韧化：
①低碳马氏体为位错型马氏体，韧性较好；
②Ni,Mn韧性元素的加入有利于提高韧性；
③工艺中的快冷、加入的合金元素对奥氏体过冷能力的提高、第二相粒子对晶粒长大的抑制作用，均能使马氏体晶粒细化，从而提高韧性；
④通过加入Si对低温回火脆性温度的延迟作用以及钢的回火稳定性的增加，可以适当提高回火温度，从而提高韧性水平。
4、为何Si-Mn-Mo-V复合添加可以大大提高钢的淬透性？
答：Si、Mn、Mo、V这四种合金元素提高过冷奥氏体稳定性的机制不同。
（1）Si在钢中不形成碳化物，也不溶于体，因此碳化物晶核形成必须等待硅的扩散（推迟P转变）。
另外，Si能提高铁原子间作用力，提高铁的自扩散激活能，推迟P和B转变；
（2）Mn是扩大γ相区元素，大大增加了α形核功；且锰也是碳化物形成元素，推迟合金渗碳体的形核与长大，因此锰不仅使C曲线向右移，且使之向下移；
（3）Mo是中强碳化物形成元素，除了推迟珠光体转变时碳化物的形核与长
大外，还增加了铁原子间的结合力，提高铁的自扩散激活能，推迟P和B转变。
另外Mo对C原子的扩散的牵制作用也有利于推迟转变。
（4）V是强碳化物形成元素，主要是通过推迟珠光体转变时碳化物的形核与长大来推迟P转变；同样Mo对C原子的扩散的牵制作用也有利于推迟P和B 转变。
因此，Si-Mn-Mo-V复合添加，将强、中强、弱碳化物形成元素与非碳化物形成元素相结合、将各种不同的推迟P转变及B转变的机制相结合，就能更好的提高过冷奥氏体稳定性，大大提高钢的淬透性。
5、课本P45：题1－15。
答：合金元素加入到钢中，主要存在形式是固溶和形成化合物相，通过固溶强化和第二相强化来提高强度水平。
然而，固溶水平的高低、形成的化合物的形状、粗细、数量等有很大差异，这些会直接影响到性能提高的水平。
通过合理适当的工艺控制特别是热处理工艺的控制，可以更好地控制固溶的水平、化合物形成的形状、粗细、数量，如回火过程中的特殊碳化物比原始碳化物细小得多，对强度的贡献更大；另外，冷却速度的变化不仅可以得到大量非平衡组织如M、B等，还可以利用合金元素提高淬透性能力、合金元素产生的细化作用、化合物（碳化物）析出强化作用、韧化元素对韧性的影响、耐热元素对热强性的影响等来提高钢的各种性能。
可举例（若是问答题）。
6、课本P45：题1－16。
答：（1）细化晶粒；
（2）降低有害元素的含量；
（3）加入能提高韧性的合金元素（韧化元素），如Ni, Mn；
（4）防止预存的显微裂纹；
（5）形变热处理（主要是细化）；
（6）利用稳定的残余奥氏体来提高韧性；
（7）尽量减少在钢基体中或在晶界上存在粗大的碳化物或其它化合物相，等。
7、课本P45：题1－18。
答：（1）钢的强化机制主要有固溶强化、细晶强化、沉淀强化和亚结构（位错）强化。
（2）一般钢的强化工艺主要是淬火-回火，主要是因为淬火-回火工艺本身是上述四种强化方式的综合体现，只不过在不同的回火温度下，各种强化方式体现的主次关系不同，对强度增量的贡献有差异。
（可举例）
第二章工程结构钢（2、3、4不做作业）
1、书P60 2-4、2-5、2-7
2、针状铁素体钢的合金化、组织和性能特点？
3、低碳贝氏体钢的合金化有何特点
4、汽车工业用的高强度低合金双相钢，其成分、组织和性能特点是什么？。