大学金属材料作业答案

钢的合金化概论
1、钢中常存的杂质有哪些？硫、磷对钢的性能有哪些影响？
钢中常存的杂质有:Mn、Si、S、P、N、H、O等。

S易产生热脆；P易产生冷脆。

2、合金元素对纯铁γ相区的影响可分为几种，请举例说明。

合金元素对纯铁γ相区的影响可分为四种：
（1）开启γ相区(无限扩大γ相区)，如Mn、Ni、Co
（2）扩展γ相区(有限扩大γ相区)，如C、N、Cu、Zn、Au
（3）封闭γ相区(无限扩大α相区)，如Cr、V，W、Mo、Ti、Si、Al、P、Be
（4）缩小γ相区(但不能使γ相区封闭)，如B、Nb、Zr
3、在铁碳相图中，含有0.77%C的钢称为共析钢，如果在此钢中添加Mn或Cr元素，含碳量不变，那么这种Fe-C-Mn或Fe-C-Cr钢分别是亚共析钢还是过共析钢？为什么？含有0.77%C的Fe-C-Mn或Fe-C-Cr钢为过共析钢。

因为几乎所有合金元素都使Fe-C 相图中S点左移，S点左移意味着共析碳含量降低。

4、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？
铁素体形成元素： V、Cr、W、Mo、Ti；
奥氏体形成元素：Mn、Co、Ni、Cu；
能在α-Fe中形成无限固溶体的元素：Cr、V；
能在γ-Fe中形成无限固溶体的元素：Mn、Co、Ni。

5、合金元素对钢的共析温度有哪些影响？合金元素对钢的共析体含碳量有何影响？
扩大γ相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度下降；缩小γ相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度上升。

几乎所有合金元素都使S点碳含量降低；尤其以强碳化物形成元素的作用最为强烈。

6、常见的碳化物形成元素有哪些？哪些是强碳化物形成元素、中强碳化物形成元素、弱碳化物形成元素？
常见的碳化物形成元素有：Ti、Zr、V、Nb、Cr、W、Mo、Mn、Fe；
强碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V；
中强碳化物形成元素：Mo、W、Cr；
弱碳化物形成元素：Mn、Fe。

7、钢在加热转变时，为什么含有强碳化物形成元素的钢奥氏体晶粒不易长大？
当强碳化物形成元素以未溶K存在时，起了机械阻止奥氏体晶粒长大的作用；
当强碳化物形成元素溶解在A中时，降低了铁的自扩散系数，提高了原子间结合力，同时使界面的表面张力增大。

这些综合作用阻止了奥氏体晶粒长大。

8、什么是合金钢的回火脆性？回火脆性产生的原因及解决方法。

钢在200~350℃之间和450~650℃之间回火时，冲击韧性不但没有升高，反而显著下降的现象，称为合金钢的回火脆性。

第一类回火脆性产生的原因：
钢在200~350℃低温回火时，Fe3C薄膜在原奥氏体晶界上或马氏体板条间形成，削弱了晶界强度；
P、S、Bi等杂质元素偏聚于晶界，也降低了晶界的结合强度，与回火后的冷却速度无关。

解决方法：
①尽可能避免在形成低温回火脆性温度范围内回火；
②可选用含有可改善脆性的合金元素Mo、Ti、V、Al等的合金钢或加入Si推迟脆化温度范围。

③生产高纯钢，降低P、S等杂质元素含量。

第二类回火脆性产生的原因：
钢在450~650℃回火后缓冷的过程中杂质元素Sb、S、As等偏聚于晶界；
或N、P、O等偏聚于晶界，形成网状或片状化合物，降低了晶界强度而产生的。

解决方法：
①尽可能避免在形成高温回火脆性温度范围内回火，如不可避免，可减少回火脆性温度下停留时间或回火后快冷，一般小件用油冷，较大件用水冷；
②但工件尺寸过大时，即使水冷也难防止脆性产生，或因工件形状复杂不允许快速冷却时，可选用含Mo、W的合金钢制造；
③提高冶金质量，尽可能降低钢中有害元素的含量。

9、什么是淬透性？提高淬透性的Me有哪些？
钢的淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性，也就是钢在淬火时能获得马氏体的能力。

提高钢的淬透性的合金元素主要有：B、Mn、Mo、Cr、Si、Ni等。

10、贝氏体钢中最常用的合金元素有哪些？
贝氏体钢中最常用的合金元素有：Mo、B。

11、碳钢的分类及牌号表示方法。

碳钢的分类：
（1）按碳含量可分为低碳钢；中碳钢；高碳钢。

（2）按质量（品质）分为普通碳素钢，优质碳素钢，高级优质碳素钢，特级优质碳素钢。

（3）按用途分为碳素结构钢，优质碳素结构钢，碳素工具钢，一般工程用铸造碳素钢。

（4）按冶炼时的脱氧程度分为沸腾钢，镇静钢，半镇静钢，特殊镇静钢。

碳钢的牌号表示方法：
（1）普通碳素结构钢
由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。

Q195、Q275不分质量等级，脱氧方法符号在镇静钢和特殊镇静钢的牌号中可省略。

（2）优质碳素结构钢
一般用两位数字表示。

表示钢中平均碳的质量分数的万倍。

若钢中含锰量较高，须将锰元素标出。

沸腾钢在数字后面标“F”（08F、10F、15F），半镇静钢标“b”，镇静钢一般不标符号。

高级优质碳素结构钢在牌号后加符号“A”，特级碳素结构钢加符号“E”。

专用优质碳素结构钢还要在牌号的头部（或尾部）加上代表产品用途的符号.
（3）碳素工具钢一般用标志性符号“T”加上碳的质量分数的千倍表示。

高级优质碳素工具钢在其数字后面再加上“A”字。

含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到0.6%，这时，在牌号的尾部标以Mn。

（4）一般工程用铸造碳素钢
用标志性符号“ZG”加上最低屈服点值-最低抗拉强度值表示。

合金钢
1、列举出常用调质钢的典型钢号，说明合金元素在调质钢中的主要作用?
低淬透性合金调质钢：40Cr
中淬透性合金调质钢：40CrMn、40CrNi
高淬透性合金调质钢：40CrNiMo A
合金元素的主要作用：提高淬透性。

2、为什么滚动轴承钢的含碳量均为高碳？滚动轴承钢中常含有哪些合金元素？它们
在滚动轴承钢中起什么作用？为什么钢中含铬量被限制在一定范围之内？
为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性，因此含碳量均为高碳。

滚动轴承钢中常用合金元素：Cr、Si、Mn、V、Mo和RE等。

合金元素的作用：
Cr可提高钢的淬透性和降低过热敏感性以及提高钢的抗蚀性。

提高回火稳定性。

Si、Mn 主要提高淬透性，Si还可提高钢的回火稳定性；
V能细化晶粒，可减轻Mn的过热敏感性；
Mo能提高回火稳定性；
RE可改善夹杂物形态、分布及细化晶粒。

当Cr>1.65%以后，则会使残余奥氏体增加，使钢的硬度和尺寸稳定性降低，同时还会增加K的不均匀性，降低钢的韧性。

所以一般控制Cr含量在1.65%以下。

3、为什么ZGMn13型高Mn耐磨钢在淬火时能得到全部奥氏体组织，而缓冷却得到了大
量的马氏体？
高锰钢在A
cm
以上温度加热后得到了单一奥氏体组织，奥氏体中合金度高（高C、高Mn），使钢的Ms点低于室温以下。

如快冷，K来不及从A中析出，就获得了单一奥氏体组织；慢冷由于K可从奥氏体中大量析出，使奥氏体的合金度降低，Ms点上升，所以空冷时发生相变，得到了大量的马氏体。

4、请解释“红硬性”这一名词的含义？
红硬性指钢在较高温度下保持一定时间后能保持其硬度的能力。

5、低合金工具钢主要添加哪些合金元素，它们的作用是什么？
主要加入Mn、Si、W、Mo、V等元素。

Cr可细化K，使合金渗碳体均匀分布切易于球化，在淬火加热时阻碍奥氏体晶粒长大；Si可提高低温回火稳定性，Si强化F,减弱了切削加工性,增大脱碳敏感性，不单独加入；W一般在0.5~1.5%，W含量太多，使K分布不匀，恶化性能。

6、18-4-1钢的铸态组织、淬火态组织以及回火态组织？
铸态组织：鱼骨状莱氏体（Ld）、黑色组织（δ共析体等）和白亮组织（M + A
R
）；
淬火态组织：马氏体（M）、约30%残余奥氏体（A
R
）+ 碳化物（K）；
回火态组织：回火马氏体（M
回）、少量残余奥氏体（A
R
）+ 碳化物（K）。

7、高速钢每次回火为什么一定要冷到室温再进行下一次回火？为什么不能用较长时间的一次回火来代替多次回火？高速钢（W18Cr4V）的A1点温度在800℃左右，为什么常用的淬火温度却高达1260~1290℃？
高速钢中合金元素的含量较高，淬火后残余A的合金度高，使Ms点大大降低。

残余A 稳定性大，在回火加热过程中不分解。

在500~600℃保温时也仅从中析出合金碳化物，使残余A合金度有所降低，使Ms点升高，冷到室温时部分残余A发生M转变。

一次回火后，残余A的量减少到10%左右，但还需要进一步降低残余A的量，并且要消除回火时新产生M引起的内应力，所以高速钢一般需要在560℃左右三次回火。

高速钢中的合金元素含量较高，合金碳化物比较稳定，必须在高温下才能将其溶解，所以，虽然高速钢的A1点温度在800℃左右，但其淬火加热温度必须在Ac1 + 400℃以上。

8、高速钢热处理缺陷主要有哪几种？
过热、过烧、脱碳、萘状断口
9、钢的电化学腐蚀的主要形式有哪些？
均匀腐蚀、晶间腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀
10、高Cr F不锈钢的脆性主要有哪几个方面？
粗晶脆性、σ相脆性和475℃脆性
11、说明18-8型A不锈钢产生晶界腐蚀的原因及防止办法。

A不锈钢焊接后，在焊缝及热影响区（550~800℃），在许多介质(50~65%的热硝酸、含铜盐和氧化铁的硫酸溶液、热有机酸等)中产生晶间腐蚀。

Cr-Ni A不锈钢在550~800℃工作，或在该温度下进行时效处理（或保温或缓慢冷却）时，也会得到由于焊接加热的同样效果。

§晶间腐蚀产生的原因
（1）由钢中的碳引起的。

（2）σ相在晶界析出也会造成晶间腐蚀。

（3）钢中氮含量＞0.16%，沿晶界析出Cr2N，增加晶间腐蚀倾向。

（4）在氧化性介质中，奥氏体不锈钢经固溶处理也会发生晶间腐蚀。

消除晶间腐蚀的方法
•（1）在敏化温度范围长期加热，通过铬的扩散消除贫铬区。

•
（2）降低奥氏体不锈钢中的碳含量。

C≤0.03%，没有晶间腐蚀发生。

•
（3）加入强碳化物形成元素Ti和Nb，形成稳定的TiC或NbC。

（4）钢中有10-50%体积的δ铁素体，可改善奥氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向。

12、为什么Cr12型冷作模具钢不是不锈钢，而9Cr18为不锈钢？
Cr提高耐蚀性的作用符合n/8定律。

按照n/8定律，1/8值的最低Cr含量应为11.7%质量比。

因为有一部分Cr要和C形成K，并不存在于固溶体中，所以Cr含量应提高到13%质量比，且随着C含量的增加，钢中的Cr含量也要相应地增加。

Cr12型冷作模具钢中Cr含量低于13%，不满足n/8定律所需的最低Cr含量，因此不是不锈钢。

14、9SiCr和60Si2Mn都有不同程度的脱C倾向，为什么?
9SiCr和60Si2Mn中都含有Si，而Si是促进石墨化的元素，因此加热时易脱C。

15、为使“不锈钢”不锈，铁中大约需要多少重量百分数的铬? 铬是铁素体稳定剂还是奥氏体稳定剂?试加解释。

为使“不锈钢”不锈，铁中大约需要11.7%的Cr。

铬是铁素体稳定剂。

16、按合金钢的编号规则指出下列钢中各元素平均含量及类别名称（如低合金高强度结构钢、渗碳钢、调质钢……）。

W18Cr4V, 18Cr2Ni4W, GCr15, Q345、20CrMnTi、60Si2Mn、9SiCr、CrWMn、
W6Mo5Cr4V2、1Cr18Ni9Ti、40Cr、T8、Cr12MoV。

W18Cr4V：18%W，4%Cr，1%V。

高速钢；
18Cr2Ni4W：0.18%C，2%Cr，4%Ni，1%W。

渗碳钢；
GCr15：1.5%Cr，滚动轴承钢；
Q345：低合金高强度结构钢；
20CrMnTi：0.2%C，1%Cr，1%Mn，1%Ti。

渗碳钢；
60Si2Mn：0.6%C，2%Si，1%Mn。

弹簧钢；
9SiCr：0.9%C，1%Si，1%Cr。

低合金工具钢；
CrWMn：>1%C，1%Cr，1%W，1%Mn。

低合金工具钢；
W6Mo5Cr4V2：6%W，5%Mo，4%Cr，2%V。

高速钢；
1Cr18Ni9Ti：0.1%，18%Cr，9%Ni，1%Ti。

不锈钢；
40Cr：0.4%C，1%Cr。

调质钢；
T8：0.8%C。

碳素工具钢；
Cr12MoV：>1%C，12%Cr，1%Mo，1%V。

模具钢。

铸铁
1、说明下列铸铁牌号的类别、符号和数字的含义、组织特点。

HT150、HT250、KTH350—10、QT450—10、QT700—2
HT150：灰铸铁，HT表示灰铁的汉语拼音的第一个大写字母，150表示抗拉强度为150MPa，基体为F+P，石墨为片状。

HT250：灰铸铁，HT表示灰铁的汉语拼音的第一个大写字母，250表示抗拉强度为250MPa，基体为P，石墨为片状。

KTH350—10：黑心可锻铸铁，KTH表示可锻铸铁黑心的汉语拼音的第一个大写字母，350表示抗拉强度为350MPa，10表示伸长率为10%。

基体为F，石墨为团絮状。

QT450—10：F球墨铸铁，QT表示球铁的汉语拼音的第一个大写字母，450表示抗拉强度为450MPa，10表示伸长率为10%。

基体为F，石墨为球状。

QT700—2：P球墨铸铁，QT表示球铁的汉语拼音的第一个大写字母，700表示抗拉强度为700MPa，2表示伸长率为2%。

基体为P，石墨为球状。

2、影响铸铁石墨化的主要因素有哪几个？
铸铁的化学成分和结晶时的冷却速度是影响石墨化的主要因素。

3、铸铁中的碳有几种存在形式？铸铁中的金属基体有哪几种？铸铁中的石墨形态有几种？
铸铁中的C主要有如下三种分布形式：
①溶于铁晶格的间隙中，形成间隙固溶体，如F、A；
②与Fe生成化合物，如Fe3C；
②以游离的石墨形式析出。

铸铁中的金属基体有F、F+P、P三种。

铸铁中的石墨形态有片状、球状、蠕虫状和团絮状四种。

4、灰口铸铁件薄壁处，常出现高硬度层，机加工困难，请说明产生的原因。

薄壁处的冷却速度快，有利于形成Fe3C白口组织，Fe3C为硬脆相，因此机加工困难。

有色金属合金
1、铝合金的分类。

按成分和生产工艺分为变形铝合金和铸造铝合金。

变形铝合金按成分和性能可分为不能热处理强化铝合金和可热处理强化铝合金。

可热处理强化铝合金又包括硬铝、超硬铝和锻铝。

铸造铝合金根据主要合金元素不同可分为Al-Si，Al-Cu，Al-Mg，Al-Zn等系列。

2、铸造铝合金（如Al-Si合金）为何要进行变质处理？
铸造铝合金的成分处于共晶点附近，Al-Si合金的共晶组织中硅晶体呈粗针状或片状，过共晶合金中还有少量呈块状的初生硅，这种共晶组织塑性较低，需要细化组织，一般采用变质处理来改变共晶硅的形态。

3、以Al-Cu合金为例，说明时效硬化的基本过程及影响时效硬化过程的因素。

铝合金时效时，随温度的不同和时间的延长，新相的形成和析出经历以下几个阶段，从而使硬度发生变化：
1）形成铜原子富集区：为G.P.区，导致点阵畸变，因而硬度提高。

2）形成Cu原子富集区有序化： Cu原子有序化，形成θ'',它与基体仍然完全共格，产生的畸变比G.P.更大,并且随θ''的长大，共格畸变区进一步扩大，对位错的阻碍也进一步增加，因此图中硬度进一步上升。

3）形成过渡θ〃相：过渡相θ〃成分接近CuAl2，由完全共格变成部分共格，共格畸变开始减弱，因此图中硬度开始下降。

4）形成稳定θ相：过渡相θ〃完全从基体中脱溶，形成稳定的θ相成分为CuAl2，共格畸变作用完全消失，故图中硬度进一步下降。

4、不同铝合金可通过哪些途径达到强化目的？
铸造铝硅合金可通过变质处理达到强化的目的。

能热处理强化的变形铝合金可利用时效强化（固溶处理后时效处理）达到强化目的。

5、何谓硅铝明？它属于哪一类铝合金？为什么硅铝明具有良好的铸造性能？在变质处理前后其组织及性能有何变化？这类铝合金主要用在何处？
铝硅铸造合金又称为硅铝明，由于含硅量为17%附近的硅铝明为共晶成分合金，具有优良的铸造性能。

在铸造缓冷后,其组织主要是共晶体(α十Si),其中硅晶体是硬化相,并呈粗大针状,会严重降低合金的力学性能,为了改善铝硅合金性能,可在浇注前往液体合金中加入含钠的变质剂,纳能促进硅形核,并阻碍其晶体长犬,使硅晶体成为极细粒状均匀分布在铝基体上。

钠还能使相图中共晶点向右下方移动,使变质后形成亚共晶组织。

变质后铝合金的力学性能显著提高。

铸造铝硅合金一般用来制造质轻、耐蚀、形状复杂及有一定力学性能的铸件,如发动机缸
体、手提电动或风动工具(手电钻)以及仪表外壳。

同时加入镁、铜的铝硅系合金(如ZL108),在变质处理后还可进行固溶处理+时效,使其具有较好耐热性和耐磨性,是制造内燃机活塞的材料。

6、工业中广泛应用的铜及铜合金有那些？
工业纯铜，黄铜，青铜，白铜。

7、钛合金的分类。

根据使用状态的组织，钛合金可分为三类：α钛合金、β钛合金、（α＋β）钛合金。

7、8、指出下列牌号的材料各属于哪类非铁合金，并说明牌号中的字母及数字含义：LF2，LY11，LC4，LD5，H62，HSn62-1，QSn4-3，
LF2：防锈铝合金，LF表示“铝防”汉语拼音的首字母，2表示序号；
LY11：硬铝。

LY表示“铝硬”汉语拼音的首字母，11表示序号；
LC4：超硬铝。

LC表示“铝超”汉语拼音的首字母，4表示序号；
LD5：锻铝。

LD表示“铝锻”汉语拼音的首字母，5表示序号；
H62：普通黄铜，H表示“黄”字的汉语拼音首字母，62表示Cu含量为62%；
HSn62-1：锡黄铜，H表示“黄”字的汉语拼音首字母，62表示Cu含量为62%，1表示Sn含量为1%；
QSn4-3：锡青铜。

Q表示“青”字的汉语拼音首字母，4表示Sn含量为4%，3表示3%的Zn。