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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n 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。2、钢中存在哪几种类型的碳化物？比较它们稳定性的强弱。碳化物的稳定性对钢的性能及热处理有什么意义？a、当rc/rm0.59（rc为碳原子半径，rm为合金元素的原子半径） ，复杂点阵结构碳化物。b、当rc/rm0.59，简单点阵碳化物（间隙相）。C、当合金元素含量不足以形成自己特有的碳化物时，则形成M6C型(复杂六方)的合金碳化物。d、当Me含量很少时，形成合金渗碳体。碳化物稳定性高，可使钢在高温下工作并保持其较高的强度和硬度。钢的红硬性、热强性好。相同硬度条件下，碳化物稳定性高的钢可在更高温度下回火，使钢的塑性、韧性更好。合金钢较相同硬度的碳钢综合力学性能好。碳化物的稳定性高，在高温和应力作用下不易聚集长大，也不易因原子扩散作用而发生合金元素的再分配。钢的抗扩散蠕变性能好。3、 合金钢二次硬化现象的本质是什么？对钢的性能有什么影响？本质是：弥散强化。二次硬化：钢在回火时出现的硬度回升现象。原因特殊碳化物的弥散硬化+ 二次淬火。影响：（1）合金的硬度提高。(2)弥散质点的数量愈多，二次硬化效应愈大，即合金元素的含量越高，二次硬化效应越显著。(3)二次硬化峰也与回火时残余奥氏体马氏体(二次淬火)相联系如高速钢回火时。（4）VNbTiMoW和高Cr钢中均显示二次硬化效应第二章 结构钢一、名词解释调质钢 ：经过调质处理后，能获得良好的综合力学性能的钢种。二、填空题1、机器零件钢按用途可分成 调质钢 、弹簧钢 、 滚动轴承钢 和 渗碳钢 四类。三、问答题1、低合金高强度钢中的主加合金元素Mn对钢的性能有哪些影响？为什么它会有这些影响？ 锰属于复杂立方点阵，其点阵类型及原子尺寸与-Fe相差较大，因而锰的固溶强化效果较强。锰是A形成元素，能降低AP转变的温度Ar1，并减缓其转变速度，可细化P，钢的强度和硬度。锰的加入可使 Fe-C状态图中“S”点左移，使基体中P数量增多，可使钢在相同含碳量下，P量增多，致使强度不断。锰还能钢的韧脆转变温度。注意：锰的含量要控制在2%以内，若过高将会有贝氏体出现，且使焊接性能变坏，容易产生裂纹。2、机器零件用钢中的主加合金元素有哪些？它们的主要作用是什么？主加合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、B，作用：分别加入或复合加入钢中，对钢的淬透性、钢的综合力学性能起主导作用。3、弹簧钢的成分特点是什么？这样的成分对钢的性能有哪些影响？1、中、高碳碳素弹簧钢的含碳量在0.6%0.9%之间，合金弹簧钢的含碳量一般在0.40%0.70%之间，以保证高的弹性极限、屈服强度和疲劳强度。2、加入提高淬透性的元素主加合金元素：Si、Mn；目的：提高淬透性、强化铁素体基体和提高回火稳定性，同时也提高屈强比。硅对提高钢的弹性极限有明显的效果，但高硅量的钢有石墨化倾向，并在加热时易于脱碳。锰在钢中易使钢产生过热敏感性。辅加合金元素：碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等，目的：进一步提高淬透性和强度，防止钢在加热时晶粒长大和脱碳，增加回火稳定性及耐热性。4、调质钢的成分特点是什么？主加合金元素与辅加合金元素的主要作用是什么？1、中碳c ：（0. 250. 50）C。含碳量过低，不易淬硬，回火后强度不够；含碳量过高，材料的塑性、韧性变差。2、主要加入提高淬透性的元素如Cr、 Ni、 Mn、Si、B等，提高淬透性，强化F。Cr、Mn、B可单独加入，Ni、Si在我国不单独加入，而是复合加入。3、加入提高回火稳定性和防止第二类回火脆性的元素V、Ti、Mo、W等，能细化晶粒，提高回火稳定性。Mo、W可以减轻和防止第二类回火脆性，其合适的质量分数约为Mo=0.150.30或w=0.81.2。5、GCr15钢从钢锭到成品，要经过以下几个温度范围的热处理工序，说明每个工序的名称、目的和热处理后的组织。11501200；锻、轧前的高温扩散退火；消除碳化物液析和碳化物带状组织770810；球化退火（缓冷球化）；钢的硬度，以利于切削加工；获得细小的球状珠光体和均匀分布的细粒状碳化物，为零件的最终热处理作组织准备。830860；淬火； ； 淬火组织：隐晶M基体+粒状碳化物+残余A1605；低温回火温度； 回火组织：回火M+细粒状碳化物+残余A。-60。冷处理；避免在长期保存或使用过程中会发生变形。6、分析低碳马氏体型结构钢的性能特点及应用范围。(1)良好的韧性 低碳钢含碳量少，固溶强化后F晶格畸变小，脆性低，韧性好；位错亚结构有良好的韧性；相互排列的M条在冲击力作用下，无相互撞击，还可吸收一部分冲击能量；较高的Ms温度，有自回火现象，消除了部分淬火应力。(2)高的抗拉强度和低的脆性转化温度 低碳M的抗拉强度可达12001300MPa，其脆性转化温度- 60 ，具有良好的低温冲击性能。 低碳M的冷脆转化温度 -60 - 70，而40Cr钢调质态为- 50。低碳M钢适用于在严寒地带室外工作的机件及低温下要求高强度和韧性的机件。 (3)缺口敏感性和疲劳缺口敏感度低 低碳M钢不但在静载荷下具有低的缺口敏感性，而且还具有低的疲劳缺口敏感度 (4)良好的工艺性能 如良好的冷加工性、可焊性，较低的热处理脱碳倾向和变形和开裂倾向。 第3章 铸铁一、名词解释：铸铁的石墨化 ：铸铁中碳原子析出和形成石墨的过程 球墨铸铁：石墨呈球状分布的灰口铸铁。 铸铁的热生长：铸铁在反复加热、冷却时会发生体积膨胀的现象。 二、填空题1、白口铸铁中碳主要是以 渗碳体 的形式存在，灰口铸铁中碳主要是以 石墨 的形式存在。2、普通灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁中石墨的形态分别为 片 状、 团絮 状和 球 状。3、可锻铸铁俗称 玛钢 。4、RuT420的强度高、硬度高，具有高的 高温强度 和较高的 热导率 ，可以用于制造 经受热循环负荷的铸件 、组织致密零件 、 结构复杂，而设计又要求高强度的铸件 等零件。三、问答题1、普通灰铸铁有哪些性能特点及主要用途？性能特点及用途力学性能：抗拉强度较钢低，塑、韧性几乎为零，硬度与同样基体的正火钢接近；但灰铸铁的抗压强度较高。其他性能：有优良的减震性，高的耐磨、减摩性，良好的切削加工性能；灰铸铁流动性好，收缩率小，具有优良的铸造性。用途：可作机床床身、底座等耐压零部件；宜于铸造结构复杂或薄壁铸件。2、球墨铸铁可以进行哪几种类型的淬火回火处理？说明处理后的组织与性能特点。淬火高温回火：组织：回火S+G球。性能特点：调质后具有比正火高的综合力学性能，可代替部分钢件制造重要的结构零件淬火低温回火：组织：回火M+少量残余A +G球。性能特点：很高的硬度(5561) HRC和很好的耐磨性，但塑、韧性较差，用于要求高耐磨性的零件淬火中温回火：组织：回火T + G球。性能特点：较高的弹性、韧性及良好的耐磨性，用于要求具有一定弹性、耐磨性及热稳定性的零件3、可锻铸铁可以锻造吗？为什么？它的生产工艺与其它的铸铁相比有什么特点？可锻铸铁并不能锻造。因为1、团絮状石墨对铸铁金属基体的割裂和引起应力集中作用比灰铸铁小得多，因此可锻铸铁具有较高的强度，特别是塑性比灰铸铁高得多，有一定的塑性变形能力，因而得名可锻铸铁。2、如果进行锻造，容易使其中的石墨变形。从而使铸铁产生裂纹从而是铸铁的性能变坏硬度降低等。(3)特点1、团絮状石墨对铸铁金属基体的割裂和引起应力集中作用比灰铸铁小得多，因此可锻铸铁具有较高的强度。2、特别是塑性比灰铸铁高得多，有一定的塑性变形能力。4、 白口铸铁和灰口铸铁的组织与性能的主要区别是什么？1、白口铸铁第一、二、三阶段石墨化完全不进行完全按照Fe -Fe3C相图结晶得到的铸铁其组织中存在共晶莱氏体断口白亮由于有大量硬而脆的Fe3c白口铸铁硬度高、脆性大、很难加工。2、灰口铸铁第一、二阶段石墨化充分进行铸铁中的碳大部或全部以自由状态片状石墨存在。断口呈灰色。它具有良好铸造性能、切削加工性好，减磨性，耐磨性好、加上它熔化配料简单。成本低、广泛用于制造结构复杂铸件和耐磨件。5.石墨形态对铸铁性能有什么影响？在生产中如何控制石墨形态？影响： 石墨的结构为层片状，强度、塑性和韧性很低，几乎为零，硬度3HBS，在金属基体中相当于“微裂纹”和“微孔洞”。这导致铸铁的主要缺点：抗拉强度低、塑性、韧性远不如钢。优点：铸造性能优良，减震性和切削加工性能较好，也有较好的耐磨性和减摩性如何控制：1、化学成分的影响C、Si含量愈石墨化愈易充分进行。P：促进石墨化S：强烈阻碍石墨化有害元素，S含量应控制在dm：_dcddm_ diddc:_ddi_4陶瓷的显微结构中主要包括_结晶_相、_玻璃_相和_气_相。5 ZrO2晶体有三种结构，分别_m_相_t_ 相和_c_相二 问答题1在ZrO2增韧的陶瓷中，存在几种韧化机理？晶粒尺寸与韧化机理间有何关系？a)相变韧化：当裂纹扩展进入含有t- ZrO2晶粒的区域时，在裂纹场尖端应力场的作用下，裂纹尖端形成过程区内的t相ZrO2将发生tm相变，因相变体积膨胀吸收能量使KIC,同时还会对裂纹产生压应力，阻碍裂纹扩展，也使KIC。b)显微裂纹韧化显微裂纹在主裂纹尖端过程区内张开，而分散和吸收能量，使主裂纹扩展阻力增大，从而KIC。 前提：微裂纹细小不相互连接。c)残余应力韧化：dcddm：显微裂纹韧化dcddm：残余应力韧化diddc：相变韧化ddc，室温下t已转变为m；ddc，有可能产生相变韧化。 应力诱发tm相变的临界粒径di：diddc的晶粒才会发生应力诱发相变；ddm，相变时诱发了显微裂纹。dcddm：不足以诱发显微裂纹，但m相周围有残余应力。这种显微裂纹与残余应力均会产生韧化作用。 didcdm 综合体一填空题1、Cr 在高速钢中的主要作用是_提高淬透性_,在不锈钢中的主要作用是_提高耐腐蚀能力_,在耐热钢中的主要作用是_提高抗氧化性_二、问答题1、Cr 在高速钢、不锈钢、耐热钢中的主要作用是什么？他为什么会有这些作用？A：耐热钢Cr：要使氧化膜具有良好的抗氧化性，单一加入Cr。原因：随Cr、Si、Al含量的，氧化膜中FeO量，FeO生成温度，直至氧化膜主要为Cr2O3或SiO2（Fe2SiO4）或Al2O3。这些膜与基体结合牢固，致密，可阻止Fe2+和O原子的扩散，具有良好的保护作用。B:不锈钢；（1)加入Cr，提高基体的电极电位；当Cr量达12.5at%(即1/8)时，由-0.56V+0.2V，钢已能耐大气、水溶液和稀硝酸的腐蚀。(2)当Cr量达25at%(即2/8)时，由+0.2V +1.6V，可耐更强烈腐蚀介质的腐蚀。(3)加入Cr、Si、Al形成致密的氧化膜；(4)在钢中加入Cr、Si、Al等合金元素，能在钢的表面形成致密的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜，能阻止腐蚀介质与基体金属的进一步接触，从而可以提高钢的耐蚀性。C：高速钢：Cr：淬火加热时，全部溶入奥氏体，提高钢的淬透性和基体中的碳含量，提高淬硬性，含量4%最好，若大于此值，则会使残余奥氏体量增多，稳定性增加，需增加回火次数来消除残余奥氏体。三 分析题1、指出下列材料的类别，并为下列工件选材。材料：BMn40-1.5，20CrMnTi，5CrNiMo，60Si2Mn，W18Cr4V，40Cr，T12，GCr15，QT600-02， 16Mn，3Cr13，HT200，H68，1Cr18Ni9Ti，9SiCr，38CrMoAl，Cr12MoV低氧TA7，W6Mo5Cr4V2，低氧TC4，TA1，TB2，H62，35CrMoV，Q235，4Cr13。 工件：汽车板簧，汽车传动齿轮，高速车刀，连杆螺栓，热锻模，耐酸泵，高精度磨床主轴，钳工锉刀，医用手术刀，弹壳，自行车车架，滚动轴承滚珠，冷冲模，冲孔凹模，机床床身，冲床床身，丝锥，曲轴，汽轮机转子，桥梁结构，卡尺，医用剪刀，螺旋弹簧，高速铣刀，车床主轴，大型钢结构，汽车变速齿轮箱，截面小于25mm的板弹簧，盘形铣刀，重要螺栓，外科手术刀，锅炉管，液氢储箱，滚动轴承套圈，汽缸盖，海水淡化装置，散热器垫片，建筑用螺纹钢筋，锤锻模，精密偶件，变阻器，冷冲模压具。 答： 60Si2Mn（截面小于25MM的板簧，汽车板簧，螺旋板簧），淬火+中温回火，M回；20Cr