工程材料学试题

简答题1.何谓铁素体形成元素？何谓奥氏体形成元素？并分别举例答：（1）缩小γ区元素，铁素体形成元素。使A3↑，A4↓，γ稳定存在区缩小。当含有Cr,V,Mo,W,Ti,Al,Si等元素时，能使γ区范围急剧缩小，以致达到某一元素的质量分数时，点A3与A4重合，γ区被封闭，超过此元素的质量分数时，则钢中在没有α-γ相变，所以室温下能获得单相的铁素体组织（2）扩大γ区元素，包括Cu，Ni，Co，Al等元素，使A3↓，A4↑，γ稳定存在区扩大。（Co除外）当W（Co）<45％时，点A3↑；W（Co）>45％时,A3↓;奥氏体稳定存在的区域扩大，这类元素称为奥氏体形成元素2.低合钢高温回火脆性产生的原因是什么？如何防止和减轻？（都是晶界脆断）答：1.第一类回火脆性指的是腐蚀在200-350℃之间回火时出现的低温不可逆回火脆性，且无论回火冷却速度快慢，均不可避免。产生原因：a.200-350℃时，渗碳体薄膜在晶界形成，降低晶界强度。b.杂志元素P,S,Bi等偏聚晶界，降低晶界强度。Si对钢的回火稳定性有很好的一致作用。2.第二类回火脆性在450-650℃之间回火产生的高温可逆回火脆性，回火后慢冷产生，快冷抑制。产生原因：450-650℃时，杂质元素Sb,S,As等偏聚晶界或N,P,O等元素偏聚晶界，形成网状或片状化合物。3.奥氏体不锈钢晶间腐蚀的原因是什么？如何减轻？答：奥氏体不锈钢在450～850℃保温或缓慢冷却时，会出现晶间腐蚀。焊接件中常常出现。原因：晶界上析出Cr23C6，使周围基体产生贫铬区，从而形成腐蚀原电池。含碳0.003%时，钢中就出现晶间腐蚀。防止晶间腐蚀的措施：1）降低C含量；2)加入Ti、Nb能形成稳定K的元素。3)适当热处理工艺3.分析合金元素Si在下列钢中的主要作用：机械制造用弹簧钢60Si2Mn；低合金钢9SiCr（1）Si提高回火稳定性，使析出的碳化物不容易聚集，增加σs/σb比值（2）主要提高钢的淬透性，同时强化马氏体基体，提高回火稳定性。Si,Cr同时加入钢中则能降低钢的脱碳和石墨化倾向4.为什么相同含碳量情况下，含碳化合物形成元素的合金钢比碳钢具有较高的回火稳定性答：因为强碳化形成元素在回火过程中阻碍了Fe,C原子的扩散，提高了马氏体和残余奥氏体分解温度，有碳化物形成元素的合金钢回火时，会析出弥散分布的碳化物，造成二次硬化现象，可提高回火后强度和硬度，提高钢对回火软化的抗力5.为什么常用弹簧钢在淬火之后一般要进行中温回火？一般在什么温度范围内回火？为了提高弹簧的使用寿命采取什么措施？答：目的：追求高的弹性极限和疲劳极限，消除应力处理温度范围350℃-450℃，回火屈氏体组织（T和残余奥氏体），硬度40-45HRc；强化处理：弹簧经表面强化喷丸处理提高表面残余压应力，集中点的强度，延长弹簧的疲劳寿命。中温回火所得到的是屈氏体，有较高的弹性极限在此温度下回火所得到的弹簧极限最高，满足弹簧钢使用性能要求，故选择中温回火（以为表面承受的弹簧弯曲和扭转应力是最大的，故应从表面强化方向提高弹簧的寿命）6.为什么不锈钢中含Cr量都超过12％，含Cr量为12％的Cr12MoV钢是否属于不锈钢，为什么？不锈钢是否在任何介质中都是不锈的？答：（1）在不锈钢中，铬的最小质量物质的量比计数，分数应为11.7％，但碳是钢中必须存在的元素，它可以与Cr形成Cr23C6的碳化物，按物质的量比计数，C与Cr的比例1:17，即钢中要17倍于C的Cr先被用来形成碳化铬，剩余Cr再进入固溶体，因此实际应用的不锈钢，其均匀铬的质量分数为13％或更大（2）Cr12MoV不属于不锈钢，属于冷模具钢因为Cr12MoV中的Cr是存在碳化物中，而不是存在固溶体中，只有当Cr存在于固溶体中才能引起不锈的作用7.T10，T7钢号表示什么意思？为什么碳素工具钢只能用于制造内部受热程度极低的工具答：T10碳素工具钢，含C量为1.0％；T7含碳量为0.7％；T3,0.8%;T12,1.2%.优质碳素钢，碳素工具钢的缺点是红硬性差，经淬火和低温回火后，在室温下虽有很高的强度，但当温度高于250℃时，其硬度和耐磨性急剧下降，当温度达到500℃时，硬度已降到退火状态相似的程度，完全丧失了切削金属的能力，这就限制了碳素工具钢制造切削工具的使用，只能用于制造刃部受热程度较低的工具8.何谓二次硬化？二次硬化产生的原因是什么？答:在含W,Mo,V较多的钢中，回火的硬度随回火的温度的升高，不是单调降低，而是在某一回火温度后，硬度反而增加，并且某一温度（一般在550℃）到达峰值，这种在一定回火温度下硬度出现峰值现象称为二次硬化。原因：二次硬化是高温回火时从马氏体中析出的高温分散的合金碳化物粒子所造成的，这类碳化物粒子在高温下非常稳定，很不容易聚集长大，从而使钢具有很好的高温强度，这对高温下工作的钢，特别是告诉切削工具及热变形模具用钢，是极为重要的9.何为铝合金的实效？说明实效强化的本质？答：所谓实效是指淬火后得到的铝合金过饱和固溶体在一定温度下随时间增大而分解，导致合金强度和硬度增高的现象。其实质是沉淀强化相从过饱和固溶体中析出和长大。在室温下，合金自发强度的过程称为自然时效，在某一人工加热温度下进行的时效过程则称人工时效10.分析合金元素在下列钢中的主要作用：（1）机械制造用渗碳钢20Cr（2）奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti（3）9SiCr（4）W18Cr4V(5)Cr12MoV答：（1）Cr，提高淬透性，保证热处理后心部强化并提高韧性，还能细化碳化物，提高渗碳层的耐磨性；（2）Cr，提高机体的电极电位，缩小γ区，当Cr含量很高时，就能得到单一的F组织，另外，Cr在氧化物介质中很易钝化，生成致密的氧化膜，使钢的耐磨性大大加强，Ni，可扩大γ区，室温获得r组织，与Cr配合使用；（3）Cr，Si，提高淬透性，强化马氏体基体，提高回火稳定性（4）Cr，增加钢的淬透性，W保证高红硬性的主要元素，形成碳化物，减少过热敏感性，提高强度硬度耐磨性（W高于20％，碳化物不均匀增加，强度塑性下降）V，显著阻碍r晶粒长大（5）Cr，形成碳化物，提高淬透性，回火稳定性，二次硬化，Ms点下降，残余奥氏体增多，可保证微小的体积变形，Mo,V,可提高淬透性和回火稳定性，碳化物可细化晶粒，改善碳化物不均匀性，提高韧性和强度11.在实际生产中，用灰口铸铁制成的薄壁铸件上，常有一层硬度高的表面层（白口），致使机械加工困难，指出形成高硬层得原因？改善方法？答：原因：铸件冷却时，在表层和薄壁处，由于冷却速度较快，达不到石墨化，往往产生白口，碳以Fe3C形式存在，导致组织硬化而脆加工性能差，易剥落；方法：去白口处理，软化退火，在850℃-950℃高温保持1-2h，以消除白口，降低硬度，改善加工性12.何谓钢的过热敏感性？钢中加入哪些元素可以降低过热敏感性？并说明为什么答：过热敏感性指钢在加热过程中，由于加热温度过高，晶粒迅速长大的性质。强碳化物形成元素均可降低钢的过热敏感性，如Nb,Ti,W,V因为这些强化碳化物形成元素存在时，会形成强碳化物，钢在加热时强碳化物分解温度较高，不易分解，钉扎在晶粒中，使晶界不易移动，防止温度过高，奥氏体晶粒迅速长大，而降低过热敏感性13.钢中A形成元素（Ni,Mn）达到一定量时可以大大扩大γ区，甚至在室温下仍然保持奥氏体组织，试问这有什么工业作用？答：在工业上为了得到奥氏体型不锈钢，通常在钢中加入大量的Ni,Mn等奥氏体形成元素14.合金钢和碳钢相比，强韧性要好，主要原因是什么？答：合金钢实在碳素钢的基础上加入合金元素，可以细化晶粒、提高回火稳定性、改善基本韧性。细化K,而使R细小均布，降低回火脆性，进而提高了强韧性。15.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的作用？答：（1）滚动轴承钢含碳量高，属于过共析钢，高碳可以保证钢有高的硬度和耐磨性，实践证明，在同样硬度的情况下，在马氏体上有均匀细小的碳化物存在，比单纯马氏体的耐磨性高，为了形成足够的碳化物，钢中的含碳量不能艾迪，但过高的含碳量会增加碳化物分布的不均匀性，且易于生成网状碳化物，而使机械性能降低，故轴承钢含碳量在0.95%-1.15%（2）Cr,Mn,Si(3)Cr可提高钢的淬透性，钢中部分Cr溶于渗碳体，形成稳定的合金渗碳体，在淬火加热时溶解缓慢，可减少过热倾向，经热处理后可得到较细的组织；碳化物能以细小质点均匀分布在钢中，即可提高钢的回火稳定性，又可提高钢的硬度，进而提高钢的耐磨性和接触疲劳强度；Cr还可提高钢的耐磨蚀性能，但如果钢中Cr的质量分数过大时，大于1.65%，则会使残余奥氏体增多，使钢的硬度和尺寸稳定性降低，同时还会增加碳化物的不均匀性，降低钢的韧性，对于大型的轴承，需加入Si,Mn进一步增加淬透性，Si0.40%-0.60%明显提高钢的强度和弹性极限铸铁的石墨化阶段和影响因素？Fe-G相图的规律结晶,石墨化过程可分为三个阶段:第一阶段（高温石墨化）:由液体中直接结晶出一次石墨（GI）和通过共晶反应形成共晶石墨；第二阶段（中温石墨化）:在1153～740℃范围缓冷,奥氏体中析出GⅡ；第三阶段（低温石墨化）:740℃共析反应形成共析石墨,即A→F+G共析铸铁名称铸铁显铸铁名称铸铁显微组织第一阶段第二阶段第三阶段灰口铸铁完全石墨化完全石墨化完全石墨化F+G部分石墨化F+P+G未石墨化P+G麻口铸铁部分石墨化未石墨化未石墨化L'd+P+G白口铸铁未石墨化未石墨化未石墨化P+Fe3CⅡ+L'd影响因素：1、冷却速度：V↓时，按Fe-G结晶；V↑、△T↑时，按Fe-Fe3C系结晶2、化学成分：1）C、Si强烈促进石墨化；Al、Cu、Ni、P等非K形成元素都能促进石墨2）Mn、Cr、Mo、W、V等K形成元素及S都阻碍石墨化进行；3）铸铁的过热和高温静置的影响：在一定温度范围内，提高铁水的过热温度，提高高温静置的时间，都会导致铸铁中石墨基体组织的细化，使铸铁强度提高16.说明下列钢的主要用途和钢号后括号中的合金元素在钢中的主要作用答：(1)20CrMnTi(Cr):渗碳钢（制造各类工具和耐磨性）其中运输冶金采矿化工设备的普通减速机小齿轮{提高钢的回火稳定性，硬度，耐磨性和耐腐蚀性}Cr提高淬透性，部分Cr可形成（FeCr）3C减少过热倾向；（2）1Cr18Ni9Ti不锈钢，可制造各种在腐蚀介质中工作的管，阀门，吸收塔，及存储和运输酸类用的容器等。Cr决定不锈钢耐蚀性能的主要因素，提高固溶体的电极电位，形成氧化物（钝化膜）提高耐腐蚀性；Ni可扩大γ相区，室温获得γ组织（3）Cr12MoV冷模具钢，可做冷冲模，冷挤压模等，Cr提高钢的回火稳定性和回火温度（240-270℃回火）有利于充分消除淬火应力，使σk提高，而又不至降低温度（4）65Mn:Mn模具钢，制造截面小于25mm螺旋弹簧板弹簧，Mn提高淬透性，强化铁素体，回火稳定性，相同回火温度下存在的较高强度和硬度17.T9钢制造的道具受热到200℃—250℃，其硬度和耐磨性已迅速下降而失效；9SiCr钢制造的工具，其刃部受热到230℃—250℃，硬度不低于60HRc,耐磨性较好，还可以正常工作，为什么？答：T9钢红硬性较低，受热到200℃-250℃时，硬度和耐磨性迅速下降，失去工作能力，而9SiCr钢为合金刃具钢，由于合金元素的加入，均提高钢的淬透性和红硬性，使钢的硬度，耐磨性提高18.在材料库存中存有45、20CrMnTi、W18Cr4v、GCr15、60Mn、1Cr13、T12.现在要制作垫锻模、曲轴、高速车刀、弹簧和手锯条。试选用材料，并说明应采用何种方法及使用状态下的显微组织答：垫锻模：3Cr2W18V高温淬火+高温回火；淬火：M+rR+k回火：S回+rR+K曲轴：45钢热处理：淬火+高温回火；淬火：M回火：回火S高速车刀：W18Cr4v；球化退火+高温淬火+三次回火；淬火：M+K+rR回火：回火M+未溶K+rR弹簧：60Mn;热处理：淬火+中温回火；淬火：栾晶M+rR回火：回火T手锯条：T12：不完全淬火+低温回火淬火：隐晶M+未知K。回火：回火M+K19.分析说明制造汽车覆盖许多用低碳钢（c<0.2％）制造机器零件（如机床主轴）多用中碳钢，制造工具（如锉刀）多用高碳，而c>1.3％的铁碳合金工业上很少应用的原因？答：（1）汽车覆盖多事冷变形加冲压出来的，所以要求很好的塑性变形，而低碳钢的形成α-固溶体是软相，具有很好的塑性变形能力（2）机器零件既要求强度硬度又要求一定的塑性和耐韧性，即综合性能好（3）工具钢要受到工件的压力，摩擦力，要求硬度和耐磨性好,利用Cm的硬度耐磨（T18-T13）（4）C>1.3时，含有很多的Cm，Cm是硬脆相。20.指出下列零件最佳的制造材料：答：1机床床身：灰铸铁，具有良好的抗震性2汽车板簧：弹簧钢因弹簧钢有吸收能量和缓和机械的震荡和冲击作用3凸轮轴：调制钢高的屈服强度和疲劳极限，良好的冲击韧性和塑性轴的表面和局部有一定的耐磨性4铣刀：高速钢，广泛用于制造尺寸打切削速度大，负荷重及工作温度高的各种加工工具5拉丝模；冷作模具用钢，有更高的耐磨性较高的韧性21.说明下列钢号代表的意义：1）T13：碳素工具钢含碳量为1.3%2）35CrMo：调制钢C=1.2%,Cr=1.2%,Mo=1.5%3）Cr12MoV：合金工具钢，轴承钢，含C>1.0%，Cr=1.2%,MoV<1.5%4）Q450:普通碳素钢，屈服强度是450MPa5）HT100：灰铸铁最低抗拉强度是100MPa6）QT100-17:球墨铸铁抗拉强度100MPaδ=17%7)45:优质碳素结构钢含碳量0.45%,HT100(灰铸铁)，抗拉强度>=100MPa8）60Si2Mn；9）T12；10）Q35022.现有20CrMnTi钢制造的汽车齿轮，其加工工艺路线为：铸造-热处理-机加工-热处理精加工，试分析两次热处理工艺名称及作用答：热处理1：正火或调质，细化晶粒，消除锻后缺陷组织，为后续热处理作准备，有利于车削加工；热处理2：渗碳淬火+低温回火，提高表面硬度、耐磨性，延长使用寿命，保持心部韧性23.合金钢的热处理工艺与C钢相比有什么不同?答：合金钢是碳钢中加入了合金元素，因为合金元素扩散比c慢得多，A均匀化时间比较长，所以合金钢加热处理时的：1.保温时间比碳钢的长，2.温度高，3.速度小，4.预热、预冷（减少高温停留时间，防止氧化和脱碳）24.工业上钢铁材料常见的腐蚀破坏类型主要有哪几种？答：(1)一般腐蚀（连续腐蚀）：一般腐蚀，金属裸露表面发生面积的较为均匀的腐蚀，虽降低构件受力有效面积及其使用寿命，但比局部腐蚀的危害性小(2)晶间腐蚀：指沿晶界进行的腐蚀，使晶粒的连接遭到破坏。这种腐蚀的危害性最大，它可以使合金变脆或丧失强度，敲击时，失去金属声响，易造成突然事故。晶间腐蚀位A不锈钢的主要腐蚀形式，这是由于晶界区域与晶内成分或应力有差别。引起晶界区域电极电势显著降低而造成的电极电势的差别所致。(3)点腐蚀：发生在金属表面局部区域的一种腐蚀破坏形式。产生原因：在介质的作用下，金属表面钝化膜受到局部损坏而造成的，或者在含有Crl的介质中材料表面缺陷疏松及非金属夹杂物等都可引起点腐蚀。点腐蚀形成后能迅速地向深处发展，最后穿透金属。点腐蚀危害性很大，尤其是对各种容器是极为不利的。出现点腐蚀后应及时磨光或涂漆，以避免腐蚀加深。(4)应力腐蚀：金属在腐蚀介质及拉应力（外加应力或内应力）的共同作用下产生破裂现象。断裂方式主要是沿晶的，也有穿晶的，这是一种危险的低应力脆性断裂。在氮化物，碱性氮氧化物或其他水溶性介质中常发生应力腐蚀，在许多设备的事故中占相当大的比例。(5腐蚀疲劳：金属在腐蚀介质及变应力作用下发生的破坏.其特点是产生腐蚀坑和大量裂纹，显著降低钢的疲劳强度，导致过早断裂。腐蚀疲劳不同于机械疲劳，它没有一点的疲劳极限，随着循环次数的增加，疲劳强度值是下降的。25.在材料库中有40Cr,20CrMnTi,GCr15,Cr12MoV,60Si2Mn,4CrB,现要制作冷冲模，凸轮轴，轴承，合金刃具钢，试选用材料并说明应采用何种热处理及使用状态下的显微组织冷冲模:Cr12MoV热处理方法：铸造+锻造+球化退化+淬火+回火铸造组织：Ld，锻造淬化K球化退化：S+K;淬火：M+K+rR；回火：回火S+K+rR;65Mn:热处理，淬火+中温回火；淬火：栾晶M+rR回火：回火T凸轮轴,曲轴：40Cr热处理：淬火+高温回火，淬火：M；回火：回火S轴承:GCr15热处理：球化退火+淬火+低温回火；球化退火：粒状；淬火：隐晶M+K+Rr;回火：回火T合金刃具钢：9SiCr球化退火+淬火+回火；淬火：隐晶M+K；回火：回火S+K26.用W18Cr4V钢制作盘型铣刀试安排其加工工序的目的，画出热处理工艺曲线并回答下列问题（2）使用下的显微组织是什么（3）W,Cr,V合金元素的主要作用是什么？（4）W18Cr4V的Aan在在800℃左右，但淬火加热温度在1200-1250℃，淬火加热温度为什么这么高？（5）常用5600℃三次回火为什么？能否一次长时间回火代替？答：（1）工艺曲线：下料-锻造-球化退火-机加工-淬火-三次回火-喷砂-磨削-蒸汽处理。（有图）球化退火：既调整硬度便于切削加工，又调整组织为淬火作准备；淬火：提高材料硬度强度；回火：尽可能减少rR，并使钢在回火过程中获得高的热硬性（2）组织：回火M+细小分布均匀的K+少量Rr(3)W:提高钢的硬性，减少过热敏感性，提高强度，硬度，耐磨性；Cr：增加钢的淬透性，改善耐磨性，提高硬度；V：显著阻碍r晶粒长大；VC-1200℃左右casino开始明显溶解，硬度，耐磨性，韧性提高，引起二次硬化（4）高速钢的淬火加热温度尽量高些，这样可以使较多的W,V（提高刃具热硬性的元素）融入奥氏体中。在1000℃以上加热淬火W,V在奥氏体中溶解度急剧增加；在1300℃左右加热，各合金元素在奥氏体中的溶解度也大为增加27.W18Cr4V钢的淬火加热温度高达1280℃，若以一般工具钢Ac1+(30-50℃)的方法来确定其淬火加热温度，淬火后W18Cr4V制造的刃具能否达到要求的性能？为什么？用W18Cr4V制造盘型铣刀，其最终热处理工艺曲线？试分析淬火特点和回火特点？答：（1）不能达到要求，温度较低，不能使足够的合金元素融入奥氏体，使其达到不到所要求的性能（2）回火：三次回火：第一次：只对淬火M起回火作用，在回火冷却过程中发生rR的转变，同时产生新的内应力；第二次：没有彻底转变的rR继续发生新的转变，有产生新的内应力；第三次：因高速钢的Ms和Mf点很低，淬火后rR多大35%，三次回火后仍保留1-2%，与此同时，是K析出量增多，产生二次硬化现象，提高了刃具使用性能28.T18淬火分别在200℃，400℃，600℃回火又得到什么组织？答：200℃回火M，400℃回火T，600℃回火S29.Cr12MoV钢是什么钢？Cr12MoV钢作为一种莱氏体钢，为什么铸造后要经过成分铸造？该钢常规热处理工艺是什么？得到什么组织？答：（1）合金工具钢（足够的韧性和疲劳抗力，热处理变形小）（2）钢的淬透性，淬火回火的硬度，耐磨性，强度均比Cr12高。力学性能：硬度：退火，255-207HB，压痕直径3.8-4.2mm，淬火=58HRC(3)淬化K。莱氏体钢铸造后易形成大块（片）状K，锻造淬化K，降低脆性，提高钢的使用性能（4）热处理：a.淬火950-1000℃油冷b.淬火1020-2000℃，回火2h（5）组织：细粒状P+K;a.一次硬化，低温淬火（1030℃）+低温回火b.二次硬化：高温淬火（1115-1118℃）+高温回火30.说明下列零件的淬火及回火温度，回火后得到的组织和硬度？答1）45钢小轴：840℃淬火+500℃回火，29HRC左右。回火S（2）60钢弹簧：850℃淬火+380℃回火，42HRC左右，回火T（3）T12钢：800℃淬火+200℃回火，62HRC左右，回火MA形成元素扩大γ区，稳定A体，F形成元素缩小γ区，但除了Co、Al等少量元素外，几乎所有Me都使“C”曲线右移，起了稳定过冷A体的作用，如何理解?答：使C曲线向右移动，即减慢珠光体类型转变产物的形成速度，使马氏体转变速度下降，而是rR升高，进而保持过冷A的稳定性对一般结构钢的成分设计时，要考虑其MS点不能太低，为什么?答：对于结构钢的成分设计时需要加入合金元素，使Ms点下降，则会增加rR,A过量时钢的硬度下降，疲劳抗力下降，所以要考虑Ms不能太低。33.为什么Si对钢的低温回火稳定性有很好的作用？答：Si可以显著减慢M的分解速度，Si、Fe的结合力大于Fe、C的结合力，则Si对钢的低温回火稳定性有很好的作用。34.有些零件为什么要经过调质处理，而不直接正火态？答：有些零件需要的是既有高的强度还有良好的塑性和韧性，具有良好的综合力学性能，则调质处理（即淬火+高温回火），得到回火S组织。正火态组织是F+P，不满足要求。35.机械零件钢的合金化特点？答：1.主要加入的