金属材料复习资料

1、《金属材料学》这门课的核心内容是什么？

答：钢的合金化原理

2、合金元素在钢中的存在方式有哪几种？简要说明。

答：溶于固溶体（奥氏体、铁素体、马氏体等），有间隙型和置换型两类

形成各类碳化物和氮化物

存在于金属间化合物，常见于高速钢中

各类夹杂物（氧化物or硫化物）

自由态，极少数元素，如Pb

3、钢种常见碳化物的类型？并按结构和性能进行分类。

答：第一类简单点阵结构的碳化物MC or M2C，硬度、熔点高，稳定性好

第二类复杂点阵结构的碳化物M3C、M7C3、M23C6、M6C，硬度、熔点较低，稳定性差。其中M6C型碳化物为复杂点阵结构，但性能接近于简单点阵结构的碳化物

4、影响合金元素在钢中固溶度大小的因素主要有哪几个？

答：合金元素在钢中的固溶形式主要为置换固溶和间隙固溶。铁基固溶体中合金元素的固溶度主要取决于合金元素与钢基体的点阵结构、原子尺寸因素和电子结构。铁的间隙固溶体是较小原尺寸的合金元素存在于Fe晶体的间隙位置所组成固溶体，主要取决于Fe基体的晶体结构和间隙元素的原子尺寸。

5、提高钢淬透性的方法和主要作用是什么？

答：提高钢淬透性即为提高钢淬火时获得马氏体的能力。添加合金元素是提高钢淬透性的主要方法，同时必须要保证足够的奥氏体化加热温度，以确保合金元素溶于奥氏体中。提高钢淬透性的合金元素主要有Mn、Cr、Si、Ni、C等，合金元素的复合使用对提高钢淬透性的作用更加显著。通过提高淬透性，一方面可使得工件得到均匀而良好的力学性能，同时可在淬火时采用较为缓和的冷却介质，减少工件的变形与开裂倾向。

1、解释为何4Cr13钢中含碳量为0.4%左右（质量分数），但已经属于过共析钢。答：Cr元素使共析S点向左移动，当Cr含量达到一定程度时，S点已左移到小于0.4%C，所以4Cr13是属于过共析钢。

2、解释为何应严格控制钢中杂质元素S、P的含量。

答：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。

3、金属材料共有四种强化机制，试解释每种机制的强化机理。

答：固溶强化，其原理为溶质原子照成了点阵畸变，其应力场与位错应力场发生相互作用，并阻碍位错运动。

位错强化，亦称为加工硬化，是塑性变形过程中位错增殖所引起的位错团聚和位错塞积，显现阻滞了位错运动，起到了明显的强化作用。

第二相强化，其原理为第二相细小弥散的分布于基体中，阻滞位错运动，缠身显著的强化效果。

细晶强化，通过增加晶界数量，强化晶界对位错的运动的阻碍作用，可实现材料强度和韧塑性的同步提升。

4、解释为何9Cr18只能作为一定耐蚀性要求的工具钢。

答：根据Tammann定律，耐蚀性元素Cr对不锈钢耐蚀性的提高作用必须在Cr 处于固溶态时才能体现出来。虽然9Cr18马氏体不锈钢中Cr含量超过18%，但合金中含有0.9%的C，Cr是中等强度的碳化物形成元素，将优先与C结合形成Cr的碳化物，固溶体中的Cr仅达到1/8的最低要求值。此外，Cr的碳化物电极电位高，将作为阴极相削弱合金耐蚀性。

1、定性比较40Cr、40CrNi、40CrNiMo三种钢的淬透性、回火脆性、韧度和回火稳定性，简要说明原因。（10分）

答案：淬透性：40Cr<40CrNi<40CrNiMo，Cr、Ni、Mo都能使淬透性增强

回火脆性：40CrNi>40Cr>40CrNiMo 因为Cr，Ni提高回火脆性，Mo改善回火脆性

韧性：40CrNiMo>40CrNi>40Cr 因为Ni能有效提高基本韧度，而Mo也有一定作用

回火稳定性：40CrNiMo>40CrNi>40Cr 因为Mo是强碳化物形成元素，Cr为碳化物形成元素，碳化物可提高回火稳定性。

2、高速钢的热处理工艺比较复杂，试回答下列问题（12分，每小题4分）：（1）淬火加热时，为什么要预热?

答案要点：

高速钢合金量高，特别是W，钢导热性很差。预热可减少工件加热过程中的变形开裂倾向；缩短高温保温时间，减少氧化脱碳；可准确地控制炉温稳定性。（2）高速钢W6Mo5Cr4V2的AC1在800℃左右，但淬火加热温度在1200~1240℃，淬火加热温度为何需要如此高?

答案要点：

因为高速钢中碳化物比较稳定，必须在高温下才能溶解。而高速钢淬火目的是获得高合金度的马氏体，在回火时才能产生有效的二次硬化效果。

（3）淬火冷却时常用分级淬火，分级淬火的目的是什么?

答案要点：

分级淬火目的：降低热应力和组织应力，尽可能地减小工件的变形与开裂。

3、总结Cr元素在合金钢中的作用，简要说明其原因。(8分)

Cr缩小γ相区。Cr降低γ的相变驱动力，并且降低了相变时碳化物的形核长大，提高钢的淬透性。

Cr是碳化物形成元素，回火时阻止M3C型长大，提高回火稳定性。

Cr的碳化物稳定，不易长大，可细化晶粒，改善碳化物均匀性。

Cr促进杂质原子偏聚，增大回火脆性倾向，如40CrNi。

Cr形成Cr2O3,提高钢的抗氧化性，Cr增强固溶体中原子间结合力，从而提高热强性热强性；

Cr提高固溶体电极电位，复合n/8定律，提高耐蚀性，为不锈钢的主要元素。Cr是铁素体形成元素，提高A1，提高淬火温度，能提高热疲劳性能。

Cr降低钢的Ms，从而增加了钢的残余A。

8. 综合思考题：38CrMoAl、20CrMnTi、40Cr的钢种分类、组织特点、热处理工艺及最终的组织状态等

38CrMoAl:氮化钢

性能要求：精度要求高，工作时载荷不大，基本上无冲击力，有一定的耐磨要求，承受一定的交变应力。

热处理：调质热处理后获得稳定的回火索氏体组织，再进行渗氮处理

组织状态：氮化处理后，表面氧化层中在回火索氏体基础上形成γ’（Fe4N）和（Fe3-2N）相，心部仍保持回火索氏体组织。

20CrMnTi：渗碳钢

性能要求：心部强韧，表面强硬，具有较高的耐磨性和承受较大的冲击载荷

热处理：中等淬透性钢，可采用930℃渗碳后870℃直接淬火+低温回火的热处理工艺

组织：表面渗碳层为中高碳M回火哥氏体+K+少量残A，心部位低碳板条M

40Cr：合金调制钢

性能要求：强韧性，较好的综合力学性能

热处理：850℃淬火+520℃高温回火（调质），轴颈处表面淬火

组织：回火索氏体、轴颈处表层为M

4. 高速钢：W18Cr4V热处理工艺及特点

预热：在高温盐浴炉中加热速度较快，采用一次或多次预热

+预热的目的①降低淬火加热过程中的变形开裂倾向；②缩短高温保温时间，减少氧化脱碳；

③准确地控制炉温稳定性。

淬火：精确控制淬火温度，易产生缺陷：过烧，过热欠热

淬火冷却：分级淬火，等温淬火

回火：高速钢一般需要500℃左右三次回火

1. 提高钢韧性的合金化途径

（1）细化晶粒、组织——如Ti、V、Mo；

（2）↑回火稳定性——如强K形成元素；

（3）改善基体韧度——Ni ；

（4）细化K ——适量Cr、V，使K小而匀；

（5）降低或消除钢的回火脆性——W、Mo ；

（6）在保证强度水平下，适当降低含C量. 提高冶金质量。

2. 第一类和第二类回火脆性：第1类回火脆性（低温回火脆性）

产生原因：①200-350 ℃Fe3C薄膜在原A体晶界形成；

②杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界，↓晶界强度。

脆性特征：①不可逆；②与回火后冷速无关；③晶界脆断。

第2类回火脆性（高温回火脆性450-650℃）

产生原因：①杂质Sb、S、As或N、P等偏聚晶界；

②形成网状或片状化合物,↓晶界强度。高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。

脆性特征：①可逆；（Cr-Ni钢大炮）②回火后慢冷产生，快冷抑制；③晶界脆断.