金属材料学试题

二.名词解释

1、相间沉淀：合金元素钿在钢中的有利作用主要是以其碳，氧化物形式存在于基体和晶界上，起到沉

浣强化和抑制晶粒长大的作用.钢在铁素体中的溶解度比在奥氏体中的溶解度小的很多，随着相变的进行,

在一定的热力学和动力学条件下,钮的碳，氮化物在相界析出，通过在两相区加速冷却,可以细化晶粒，控制

其碳,氮化物的析出，其沉淀物的大小和分布,决定了其沉淀强化的效果.

2、晶间腐蚀：晶间腐蚀是一种常见的局部腐蚀。腐蚀沿着金属或合金的晶粒边界或它的邻近区域

发展，晶粒本身腐蚀很轻微，这种腐蚀便称为晶间腐蚀。

3、高温回火脆性：在回火过程中随着回火温度的升高，塑性不断增加，而冲击韧性却不是呈直线

上升的，在低温250-400度回火和高温450-650度范围内回火时，韧性会出现下降现象，这就是回火脆

性。前者称为低温回火脆性，后者称为高温回火脆性。低温回火脆性又称为不可逆回火脆性或第一类回

火脆性。碳钢与合金钢均会出现这种回火脆性，可能与低温回火时在晶界或亚晶界上析出连续碳化物薄

片有关，对于低温回火脆性，只有避免在该脆性温度范围内回火才能防止。

合金钢在450-650度范围内回火时可能产生高温回火脆性，高温回火脆性可以用更高温度回火+快

冷的办法消除。

4、475°C脆性：Fe-Cr合金在400〜5509环境中长期加热时，会产生一种特殊的脆性，硬度显著提高,

冲击韧性严重下降。此情况称为475°C脆性，可用加入稀土元素的方法解决。

三.大题：

1、沉淀强化

位错和第二相交互作用形成第二相强化。对于一般合金来说第二相强化往往比固溶强化效果更为显

著。根据获得第二相的工艺不同，按习惯将各种第二相强化分别称呼。其中通过相变热处理获得的称为

沉淀强化；而把通过粉末烧结获得的，称为弥散强化。有时也不加区分地混称为分散强化或颗粒强化。

14］如果要单独对析出强化给出一个定义。析出强化是指金属在过饱和固溶体中溶质原子产生偏聚和

（或）由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而产生的一种强化。

析出强化在微合金钢等金属材料的生产中有相当重要的作用。微合金钢生产中，只加入微量的合金

元素，只能形成碳、氮化物，主要通过细晶强化和析出强化来进行强化。微合金化钢的特点之一就是利

用碳、氮化物的溶解一析出行为。微合金钢的基体内分布的碳、氮化物，还有金属间化合物,亚稳中间

相等第二相质点的析出在间界、运动位错之间产生的相互作用，导致钢的流变应力和屈服强度的提高。

这就是微合金钢的析出强化。

就位错与第二相的交互作用而言，一般将第二相分为变形的和不变形的两大类，其强化机制不同。

对于多数的析出强化合金，在经过固溶处理及时效后，在其早期阶段，析出相的尺寸小，与基体保

持共格，这时的析出相是可以变形的，位错可以切过析出相。当析出相有一定尺寸的时候，就属于不可

变形的，运动位错接近它们时，只能绕过它们。像钢中的碳化物、氮化物一般都是不可变形的。

对于可变形的析出相，其强化效果主要决定于析出相的本性，由于强化来源的不同，可以有不同的

机制。对于不变形的析出相，其强化效果主要决定于第二相尺寸或相间的平均距离。析出相对位错的障

碍力集中施加在位错的钉扎点上。

可变形第二相的切过机制下，位错穿越质点，能够造成共格应变以及对层错、有序化以及弹性模量

等产生种种影响。例如析出强化合金在经过固溶处理和时效后，析出相与基体保持共格，因而能够产生

共格应变能。这种共格应变能是由析出相与基体原子的错配度引起的。当位错在析出相的共格内应力场

中运动时，因弹**互作用产生强化。

一般说来，析出强化产生的强化作用在析出的第二相是尺寸细小、数量较多而且分布均匀的情况下,

可以使材料获得最大的强化效果。比如在Nb、V、Ti三种微合金元素中，Nb、V和Ti的微细析出相才

能起这种作用，所以钢的热机械处理（或控轧控冷）要力图实现细小的析出，然而0.003〜C.lmm颗粒

度的析出也都能产生一定的效果。

2、固溶强化

一般来说，无论置换固溶体还是间隙固溶体，固溶体的硬度、强度总是比组成它的纯金属要高，并

且随着溶质原子浓度的增加，溶质原子和溶剂原子尺寸差别的增大（置换固溶体情况下），强化的效果

加大。比如，低碳钢在常温状态属于体心立方晶格结构的材料，较小原子半径的元素如C、N,通常以

间隙的形式固溶在铁的晶格之中，多数合金元素的原子如Nb、V、Ti、Mo、Al等等都置换晶格某个铁原

子的位置的形式。固溶造成晶格的畸变，使钢的屈服强度提高。这种由于溶质原子的固溶而引起的强化

效应，即称为“固溶强化〃。

就固溶强化的微观机理而言，固溶强化是由于溶质原子和位错的交互作用的结果。溶质原子和位错

的交互作用就其性质而言，可以是弹性的、化学的、电性的和几何的等几种类型。溶质原子可以偏聚到

位错周围形成各种气团，也可以是均匀不规则地分布在基体中，这两种情况都可以使金属材料的基体造

成强化。

在几种性质类型的交互作用中，溶质原子和位错的弹**互作用最为重要。

晶体中的溶质原子是点缺陷的一种，会引起其周围发生弹性畸变。

3、铝合金时效强化四个阶段（参考《金属学与热处理》）

在时效热处理过程中，该合金组织有以下四个阶段：

补充：时效强化：过饱和固溶体在室温放置或加热到某一温度保温，随着时间延长，其强度、硬度

升高，塑性、韧性下降的现象

（1）形成溶质原子偏聚区一G・P（I）区

在新淬火状态的过饱和固溶体中，铜原子在铝晶格中的分布是任意的、无序的。时效初期，即时效

温度低或时效时间短时，铜原子在铝基体上的某些晶面上聚集，形成溶质原子偏聚区，称G・P(I)区。

G*P(I)区与基体a保持共格关系，这些聚合体构成了提高抗变形的共格应变区，故使合金的强度、

硬度升高。

(2)G・P区有序化一形成G・P(II)区

随着时效温度升高或时效时间延长，铜原子继续偏聚并发生有序化，即形成G-P(II)区。它与

基体a仍保持共格关系，但尺寸较G・P(I)区大。它可视为中间过渡相，常用8〃表示。它比G・P(I)

区周围的畸变更大，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大，8〃相析出阶段为合金达到

最大强化的阶段。

(3)形成过渡相引：随着时效过程的进一步发展，铜原子在G・P(II)区继续偏聚，当铜原子与铝

原子比为1：2时，形成过渡相8。由于9)的点阵常数发生较大的变化，故当其形成时与基体共格关系

开始破坏，即由完全共格变为后部共格，因此&相周围基体的共格畸变减弱，对位错运动的阻碍作用亦

减小，表现在合金性能上硬度开始下降。由此可见，共格畸变的存在是造成合金时效强化的重要因素。

(4)形成稳定的9相

过渡相从铝基固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显界面的独立的稳定相AbCu,称为8相。此时e

相与基体的共格关系完全破坏，并有自己独立的晶格，其畸变也随之消失，并随时效温度的受高或时间

的延长，0相的质点聚集长大，合金的强度、硬度进一步下降，合金就软化并称为“过时效0相聚集

长大而变得粗大。

4、工程结构钢的焊接性(参考《金属材料学》冶金工业出版社)

(1)钢中的常存杂质元素对其性能会产生怎样的影响？合金元素在钢中的作用主要体:

在哪些方面？

(2)比较碳素结构钢与低合金结构钢.优质碳素结构钢与合金结构钢，弹簧钢与轴;

钢的成分、热处理工艺及性能有何不同？在什么情况下，选用合金钢较为合适？

(3)请为下列零件、构件、工具选定括号内的某种材料.说明选用理由.如果你认为寸

需要热处理，请确定其热处理工艺方法：

汽车板黄(45、60Si2Mn,20Cr)

受冲击载荷的齿轮(40MnVBv20CrMnTi.lCrl3)

桥梁构件(16Mn、40、3Crl3)

热作模具(Crl2MoV、5CrNiMo、ZG340-640)

板牙、丝锥(9SiCr,W18C〃V、T7A)

高速切削铳刀(W6Mo5CMV2,CrWMn.9Mn2V)

螺栓(T12A、40Cr、GCr6)

(4)根据下列零件的使用性能要求，试选择适当的材料并确定其热处理工艺方法.

①齿轮运转平稳、中等共荷、两班制工作，要求表面硬度为HRC48~52,

②活塞俏有冲击载荷.磨损严重,要求表面硬度HRC56〜62.

(5)某机床齿轮选用45钢制造,其加工工艺路线如下，

下料一锻造-退火一粗加工一调质―精加工-高频淬火-低温回火精磨

试分析各道热处理工序的作用以及安排各工序位置的原因.

6・1为什么在传造生产中，化学成分如果具有三低(碳、硅、链含，低)一高(4含量高)特点的铸铁

易形成白口姐织？为什么在同一体铁件中・往往大表层或海工处易形成白口姐织？

6.2在灰髀铁中•为什么含碉量与含底量越高时,伸铁的抗拉强度和硬度糖低？

6・3钝铁抗拉强度的高低主要取决于什么?硬度的高低主要取决于什么？用事些方法可以提惠瞥铁的抗

技强度和硬度？

6・4%铁抗拉强度高时硬度是否也一定高？为什么？

6.5试从下列几个方面来比较HT150和退火状态的20号钢।

(D成分(2)组织(3>抗拉强度｛4》抗压强度(5)硬度(6)减摩住《7》的

造性能(8)限造性能<9>可婵性(10)切削加工性

6.6机床的床身,床脚和箱体为什么辄以采用灰修铁为宜？怎样提高网铁事件运动表面的耐磨性？

6.7HT200、KTH3OO-O6.KTZ550-04.QT4OO-15、QT700-2.RuT300等伸铁牌号中放字分别表

示什么性能？各具有什么显成组娴？

6・8为什么可帔铸铁适应制造壁厚较苒的零件？而球星密铁却不宜制造蹲架零件？

6・9填写下表所列项目，并对不同钝铁进行比较.

蜂号♦例石墨彩含若体里蜗力学性他生产方法杵点用途举例

孕郭传快

域■传快

可・转快

■♦簿快

6.10下列说法是否正确？为什么？

(1)采用建化退火可获得球■的铁.

(2)可假传快可以俄造加工।

(3)白口伸扶由于便度很高、故可作刀具材料,

《4》灰笆铁不能滓火.

7.1名合金是如何进行分类的？

7.2在铸造忸合金中哪种蜡合金应用・为广泛？常用何冲方法来提高其力学性能？

7.3荷要说明能合金的洋火时依强化与胡的淬火回火强化有哪些区别？

7.4试述下列零件进行时效处理意义与作用।

(1)形状复杂的大型传快件在500〜600c迸行时效处理.

(2)铝合金淬火后于150c进行时效处理.

(3)T10A铜制造的高精度丝杠于150c进行时效处理.

7.5说明下列牌号意义：

LY1KLC4、LD6、ZAlSilZ,ZAlZnllS<7

7.6面述铜合金的分类、代号和应用.

7.7说明下列牌号意义，

H62、HPb59一】、ZCuZnl6Si4»QSn4—3.ZCuSn5Pb5Zn5«QAI7

7.8滑动轴承合金应具有什么样的组织和特性？为什么灰传铁可以作为滑动轴承材料？

7.9与高速的相比，硬质合金的性能有何优缺点？

7.10根据加工材料性能的不同,如何选择硬质合金刀具材料？

7.111«述常用碳素工具的、低合金刃具的、高速M、硬质合金作刃具时的性能特点及应用场合.

7.12为什么在砂轮上脚削巳洋火的W18CMV、T12A等忸制工具时，需经常用水冷却，而磨YT30等

硬质合金制成的刀具，却不需要用水急冷.

思考翅与练习题

12・1合理选材的一般原附班什么？在设计承受持久作用的酢我荷零件、承交循环我荷的零件、承受冲

击敦荷的零件时，各应以什么力学性能指标作为选材的依据？

12・2分析说明如何根据机械事件的服役条件选择零件用烟的含碳敛及其粗织状态？

123汽车、挖拉机变速齿轮多选用渗碳蝌来制造，而机床变速箱齿轮又多采用调质钢制造，原因何在？

】2.4为什么轴杆类零件一般采用锻件・而机架类零件多采传件？又为什么齿轮多用般件.而带轮、飞

轮方用密件？

12・5清为汽车发动机的主要零部件选择合适的材料并确定毛坯类别及成形方法,并说明理由.

缸体，缸盖，活麻，连杆.Hffi.

12.6试为下列产品选择合适的材料，并确定毛坯及成形方法：

锅炉汽包，厂房屋架1起重吊钩，家用液化气的瓶；汽车发动机曲岫.

127切射工具中的饯刀、站头.由于需要磨刃口并保证高使度，因而要求粹透层深,而板牙、丝锥一

般不需要重磨刃口,但要防止螺距变形,所以要求津透层浅.试问在选材和热处理方法上如何予以保证.

12.8指出下列工件各应采用所给材料中哪一种材料？井■定毛坯类别及其热处理方法.

工件，车辆爆冲弹簧、发动机排气阀门弹贯、自来水管弯头、机床床身、发动机连杆螺检、机用大怙头，

车床用架以尖、螺丝刀、位床彼杆、自行车车架、车床丝杠螺毋、电风扇机壳、普通机床地脚螺栓、高速粗

车转铁的车刀.

材料i38CrMoAL40Cr、45、Q235.T7.T10、5OCrVA»l6Mn,W18Cr4V.KTH3OO—06、6OSi2Mn、

ZAISil2wZCuSnlOPb5»HT200、YG15.

12.9指出F列零件在选材、确定毛坯类别及制定热处理技术条件中的错误.并提出修正意见.

（1）表面耐磨的凸轮.材料为ZGMnl3-l.修造毛坯.热处理技术条件।淬火+回火.HRC55〜60.

（2）要求拉杆（直径70mm）截面上性能均匀.心部外>900MPa,材料选用40钢，型材直接切削，热

处理技术条件：调质200〜300HBS.

（3）成批大盘生产车床底座,材料用Q235采用的板手加焊焊接.热处理技术条件：680〜720c再结

品退火.

<4）转速低.表面耐磨及心部畏度要求不高的齿轮.材料用4S钢.0造毛坯.热处理技术条件：渗碳

+泮火.HRC58〜62・

12.10试为下列不同婴求的各种官轮进行选材,并确定毛坯类别及热处理技术亶求，

（1）齿面坡度高，中心韧性好的齿轮

（2）水受载荷不大的低速大型齿轮

（3）承受致荷大、强度高、尺寸小的面轮

<4>低嚎音.小载荷齿轮.

一、填空题（30分，每空格1分）

1、钢的强化机制主要有固溶强化、位错强化、细晶强化、沉淀强化°其中细晶强化对

钢性能的贡献是既提高强度又改善塑、韧性。

2、提高钢淬透性的作用是一获得均匀的组织，满足力学性能要求、能采取比较缓慢的冷却

方式以减少变形、开裂倾向。

3、滚动轴承钢GCrlS的Cr质量分数含量为1.5%左右。滚动轴承钢中碳化物不均匀性主要是指碳

化物液析、碳化物带状、碳化物网状。

4、选择零件材料的一般原则是满足力学性能要求、良好的工艺性能、经济性和环境协

调性等其它因素。

5、凡是扩大v区的元素均使Fe-C相图中S、E点向左下方移动,例Mn、Ni等元素（写出2个）；

凡封闭V区的元素使S、E点向左上方移动.例Cr、M。等元素（写出2个）。S点左移意味着共

析碳含量降低。

6、QT600-3是球墨铸铁，"600〃表示抗拉强度不小于600MPa,"3〃表示延伸率不小于

3%o

7、H68是黄铜，LY12是:一硬铝，QSn4-3是锡青铜。

8、在非调质钢中常用微合金化元素有Ti、V等（写出2个），这些元素的主要作用是一细晶

强化和沉淀强化。

9、铝合金热处理包括固溶处理和时效硬化两过程,和钢的热处理最大的区别是没有同素异

构转变。

二、解释题（30分，每小题5分）

1、高速钢有很好的红硬性，但不宜制造热锤锻模。

答案要点：高速钢虽有高的耐磨性、红硬性，但韧性比较差、在较大冲击力下抗热疲劳性能比较差，高

运钢没有能满足热锤锻模服役条件所需要高韧性和良好热疲劳性能的要求。

2、在一般钢中，应严格控制杂质元素S、P的含量。

答案要点：S能形成FeS,其熔点为989℃,钢件在大于1000°C的热加工温度时FeS会熔化，所以易产生

热脆；P能形成F.P,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、9SiCr钢和T9钢相比，退火后硬度偏高，在淬火加热时脱碳倾向较大。

答案要点：Si是非K形成元素，能有效地强化铁素体，所以使钢在退火后硬度偏高；Si提高碳活度，使

渗碳体稳定性变差，促进了钢在加热时脱碳倾向较大。

4、高镒钢（ZGMnl3）在4m以上温度加热后空冷得到大量的马氏体，而水冷却可得到全部奥氏体组

织。

答案要点：高镒钢在Acm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）,

便钢的Ms低于室温以下。如快冷，就获得了单一奥氏体组织，而慢冷由于中途析出了大量的K,使奥

氏体的合金度降低，Ms上升，所以空冷时发生相变，得到了大量的马氏体。

5、4013含碳量（质量分数）为0.4%左右，但已是属于过共析钢。

答案要点：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4Crl3

是属于过共析钢。

6、奥氏体不锈钢lCrl8Ni9晶界腐蚀倾向比较大。

答案要点：1518Ni9含C较高，又没有Ti等稳定C的强碳化物形成元素，

所以在晶界上容易析出Cr23c6,从而使晶界上产生贫Cr区，低于不锈钢

的基本成分要求，所以在晶界处的腐蚀倾向比较大。

三、问答题（40分）

1、试总结Ni元素在合金钢中的作用，并简要说明原因。（10分）

答案要点：

1）个基体韧度-NiJ位错运动阻力，使应力松弛；

2）稳定A,Ni\l<Ai,扩大Y区，量大时，室温为A组织；

3）个淬透性JAG,使〃C”线右移，Cr-Ni复合效果更好；

4）个回火脆性fNi促进有害元素偏聚；

5）JMS,个Ar3J马氏体相变驱动力。

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3分）

1）淬火加热时，为什么要预热？

2）高速钢W6Mo5Cr4V2的Aci在800℃左右，但淬火加热温度在1200~1240℃,淬火加热温度为什

么汶样高？

3）高速钢回火工艺一般为560C左右，并且进行三次，为什么？

4）淬火冷却时常用分级淬火，分级淬火目的是什么？

答案要点：

1）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）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）由于高速钢中高合金度马氏休的回火稳定性非常好，在560℃左右回火，才能弥散析出特殊碳

化物，产生硬化。同时在5600c左右回火，使材料的组织和性能达到了最佳状态。一次回火使大部分的

残留奥氏体发生了马氏体转变，二次回火使第一次回火时产生的淬火马氏体回火，并且使残留奥氏体更

多地转变为马氏体，三次回火可将残留奥氏体控制在合适的量，并且使内应力消除得更彻底。

4）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、从合金化角度考虑，提高钢的韧度主要有哪些途径？（8分）

1）加入Ti、V、W、M。等强碳化物形成元素，细化晶粒；

2）提高回火稳定性，加入Ti、V等强碳化物形成元素和Si元素；

3）改善基体韧性，主要是加入Ni元素；

4）细化碳化物，如加入Cr、V等元素使K小、匀、圆；

5）降低或消除钢的回火脆性，主要是M。、W元素比较有效；（2分）

适当降低碳含量；提高钢的纯净度，降低杂质元素S、P、0、N的含量；

4、试从合金化原理角度分析9Mn2V钢的主要特点。（10分）

答案要点：

1）Mn个淬透性，D油=~30mm；

2）淬火后AR较多,约20~22%,使工件变形较小;

3）V能克服Mn的缺点，J过热敏感性，且能细化晶粒；

4）含0.9%C左右，K细小均匀，但钢的硬度稍低，回火稳定性较差，宜在200℃以下回火；

5）钢中的VC使钢的磨削性能变差。

9Mn2V广泛用于各类轻载、中小型冷作模具。

一、填空题（30分）

1、钢的合金化基本原则是一多元适量、复合加入。细化晶粒对钢性能的贡献是—既

提高强度又提高塑韧性。

2、在钢中，常见碳化物形成元素有Ti、Nb、V、W、Mo、Cr•按强弱顺序排列,列举5个以上）。

钢中二元碳化物分为两类:力皿＜0.59为简单点阵结构.有MC和MzC型,其性能特点是硬度高、

熔点同）、稳定性好；力足＞0.59为复杂点阵结构，有M3c、MK3和M23c7型。

3、选择零件材料的一般原则是力学性能、工艺性能、经济性和环境协调性等其它

因素。

4、奥氏体不锈钢lCrl8Ni9晶界腐蚀倾向比较大，产生晶界腐蚀的主要原因是在晶界上析出了

C[23c6________,为防止或减轻晶界腐蚀，在合金化方面主要措施有加入Ti、Nb等强碳化物形成元

1_、降低钢中的含C量.

5、影响铸铁石墨化的主要因素有化学成分、冷却速度o球墨铸铁在浇注时要经过/8处

理和球化处理。QT600-3是一球墨铸铁。

6、对耐热钢最基本的性能要求是一热强性、抗氧化性。

7、铁基固溶体的形成有一定规律，影响组元在置换固溶体中溶解情况的因素有：点阵结构、_曳

子因素、原子半径.

8、提高钢淬透性的主要作用是获得均匀的组织，满足力学性能要求、能采取比较缓慢的冷

却方式以减少变形、开裂倾向。

二、解释题（30分，每小题5分）

1、40Mn2钢淬火加热时，过热敏感性比较大。

答案要点：Mn促进了晶粒长大倾向，因为Mn降低％温度，又强化了C促进晶粒长大的作用。所以，

40Mn2钢过热敏感性比较大。

2、40CrNiM。钢正火后，切削性能比较差。

答案要点：40CrNiM。钢由于含有提高淬透性的元素Cr、Ni、Mo,而且又是多元复合作用更大，所以

钢的淬透性很好，在正火条件下也会有大量的马氏体、或贝氏体组织产生。因此其切削性能比较

差。

3、球墨铸铁的强度和塑韧性都要比灰口铸铁好。

答案要点：灰铁：G形态为片状，易应力集中，产生裂纹，且G割裂基体严重，使材料有效承载面积

大为减小。而球铁：G形态为球状，基体是连续的，，相对而言，割裂基体的作用小，基体可利

用率可达70~90%;且球状G应力集中倾向也大为减小。因此钢的热处理强化手段在球铁中基本

都能采用，所以其强度和塑韧性都要比灰口铸铁好。

4、铝合金的晶粒粗大，不能靠重新加热热处理来细化。

答案要点：铝合金没有同素异构转变，不能象钢那样可以靠重新加热产生重

结晶来细化晶粒。

5、H68、H70俗称弹壳黄铜，常用于制造炮弹壳,子弹壳。

答案要点：弹壳黄铜的Zn含量小于32%,所以是单相a黄铜，其塑性很好，特别适宜制造要求深冲

压性能较好的弹壳等零件。

6、在一般钢中，应严格控制杂质元素S、P的含量。

答案要点：S能形成FeS,其熔点为989'C,钢件在大于1000°C的热加工温度时FeS会熔化，所以易

产生热脆；P能形成FesP,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。

三、问答题（40分）

1、试总结Si元素在合金中的作用，并简要说明原因（10分）。

答案要点：

1）个。，J可切削性分固溶强化效果显著；

2）个低温回火稳定性今抑制£水形核长大及转变；

3）个抗氧化性今形成致密的氧化物；（2分）

4）个淬透性今阻止K形核长大，使"C〃线右移，高C时作用较大；

5）个淬火温度形成元素，个Ai;

6）个脱C、石墨化倾向fSi个碳活度，含Si钢脱C倾向大。（2分）

2、画出示意图说明高速钢的铸态组织（3分）。简述高速钢中W、V、Cr合金元素的主要作用（3分）。

高速钢在淬火加热时，如产生欠热、过热和过烧现象，在金相组织上各有什么特征（6分）。

答案要点：

高速钢的铸态组织为：黑色组织（混合型）+白亮组织（M和AR）+莱氏体，高速纲铸态组织

图（略）。

W：提高红硬性、耐磨性的主要元素；V:提高红硬性、耐磨性的重要元素，一般高速钢都含

V,V能有效细化晶粒，且VC也细小；Cr：提高淬透性和抗氧化性，改善切削性，一般都含4%

左右。

欠热：晶粒很细小，K很多；过热：晶粒较大，K较少；过烧：晶界有熔化组织，即鱼骨状

或黑色组织。

3、从合金化角度考虑，提高纲的韧度主要有哪些途径？（8分）

答案要点：

1）加入Ti、V、W、M。等强碳化物形成元素，细化晶粒；

2）提高回火稳定性，加入Ti、V等强碳化物形成元素和5i元素；

3）改善基体韧性，主要是加入Ni元素；

4）细化碳化物，如加入Cr、V等元素使K小、匀、圆；

5）降低或消除钢的回火脆性，主要是M。、W元素比较有效；（2分）

4、试定性比较40Cr、40CrNi、40CrNiM。钢的淬透性、回火脆性、韧度和回火稳定性，井简要说明原

因（10分，比较为1.5分,解释为1分）。

答案要点：

淬透性:40Cr<40CrNi<40CrNiMo；Cr-Ni-Mo复合作用更大。

回脆性：40CrNiMo<40Cr<40CrNi；Cr、Ni个脆性，Mo有效J。

韧度：40Cr<40CrNi<40CrNiMo；Ni个韧性，M。细化晶粒。

回稳性：40Crx40CrNi<40CrNiMo；Mo个回稳性。Ni影响不大。

一、名词解释

1合金元素：是指特别添加到锅中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能

的化学元素.

2微合金元烹，在锅中质量分数低于0.1。。左右而对纲的性能和微观组织有显著或

构除影响的合金添加元素林微合金元素如Al.Nb,V,Ti,B.Ni,Cr,Mo

3合金铜：是指为了羯高某些性能而添加入合金元素的铜.

•4微合金纲，合金元素（如V.Nb.TiZr.B）含量小于或等于0.1。0而能显著影响组织和性能的钢.

5奥氏体形成元素：C.N.Cu.Mn.Ni.Co.W等

6铁索体形成元素：Cr.V,Si.Al.Ti.Mo等

7二次洋火：在回火过程中从残余奥氏体中析出台金碳化将•从而贫化残余奥氏体中的碳和

合金元素.导致其马氏体转交淞度高于室通.因而在冷却的过程中转变为马氏体,这种

现象称为二次淬火.

8二次硬化：回火温度在500400C之间.钢的凌度、张度和塑性均有提高•而在550-570七

时可达到段度、强度的最大色，在此温般区间.自马氏悻中析出弥散的构（铝）及机的置

化物（W2C、Mo2C、VC）,使铜的馒境大大提高，这种现象称为二次硬化.

9调防钢：调质钢是指经过调质处理.艮［淬火并经高溟回火后使用的结构钢.

—、合金元素V、cr、、V、MO.CO、Z、CU、TI.Al中啸些是铁贰体彩成元案？嘛些是

奥氏体形成元素？哪些能在aFe中形成无限固溶体？哪些能在YFe中形成无限固溶

体？为什么？

答：，奥氏悻形成元素：C.N.Cu.Mn.Ni.Co.W铁素体形成元素：Cr.V.Si,Al.Ti.

Mo,V.Cr与aFe可形成无限置也00涔体।Mn.Co.Ni与Y-Fe可形成无理置检固

济体，决定组元在置换固溶体中的溶髀务件是：（1）溶剂与溶喷的点阵相同；（2）原子尺

寸因素（形成无限直落体时,两者之差不大于二8%卜（3）组元的电子结构（组元在固期表

中的相对位置）,Mn.Co.Ni与/-Fe存合上述条件.可形成无阻置疫固浴悻.

V、Cr与a-Fe符合上述条件,可形成无限置换固溶体，

三、简述合金元素对帙族相图（如共析窿量等等临界点）的影响.

1.改变奥氏体的位・（Ni、C。、Mn以及其它扩大Y相区的元素,均使共析点左移而

GS线下沉：Cr.W.Mo.V、ILSi以及其它缩小丫相区的元素.均使三元系中的Y

相区逐港呈劣形）2.改变共析温度（Ni.Nn等扩大丫相区的元素,使共析点（S点）

左移，GS下沉，使得A1和A3遢度同时常低，Cr.W.Mo.V、Ti、Si以及其它缩小

V相区的元素.使Y相区呈分形.且注析点（S点）主隹，使得A1和A3泡更同时开

«.）3.改变共析体含量（所有合金元率均使共析点左移,说明在辆中C%不到0.77%

时，钢就会变为过共析而析出二次徭破惮，从而降低了共析体中的含碳量，这样，合金

的加热至略高于AI时,所得到的具氏体的含破量总比珠钢低，）

四、如何解群二次便化与二次洋火两个概念的异同点.

答：二次泮火：在回火过程中从残余奥氏体中折出合金碳化物，从而贫化残余奥氏体中的碳

和合金元素,导致其马氏体然变温度高于室iH.因而在冷却的过程中於变为马氏体.这

种现象称为二次淬火.二次硬化：回火温度在500-600c之间，钢的硬度、强度和煲性

均有提高，而在55O*57OC时可达到晚度、逐度的最大值，在此温度区间，自马氏体中

析出弥散的饵（辐）及夙的碳化物（W2C、MO2C、VC）,使钢的谀度大大提高,这种现象

称为二次硬化.

五、对谓质钢、弹簧钢进行成分、牯处理、雄织及性能的比较并熟悉各自主要钢种.

答：A鼻黄的性能，1具有高的强度极限.高的屈强比。Wb.2具有高的疲劳极跟.3具

有良好的表面状态，4具有较好的工艺性施弹费钢的化学成分特点：'碳含量

四、如何解释二次硬化与二次淬火两个概念的异同点。

答：二次淬火：在回火过程中，从残余奥氏体中析出合金俅化物，使残余奥氏体中的俅和合金兀素含量降低，导致马氏

体转变温度高于室温，在冷却过程中转变为马氏体。

二次硬化：回火温度在500-600°C之间，自马氏体中弥散析出Mo、W、V的碳化物（Mo2C、W2C、VC）,使钢的硬度大

大提高；在550-570°C硬度达到最大值。

五,对调质钢、弹簧钢进行成分、热处理、组织及性能比较并熟悉各自主要钢种。

六、GCrl5钢是什么类型的钢，最终组织是什么？2性能要求角度简述为何采用此组织形态。

七,滚动轴承钢的预备热处理和最终热处理分布是什么？为什么采用预备热处理？

八、简述氮化钢及渗碳钢的合金化特点。

弹簧钢的碳含量一般为0.X%-99%,合金弹黄钢的碳含量为945%-0.7%°）2加入Si、

Mn（Si和Mn是弹簧钢中经常采用的合金元素，目的是提高淬透性、固溶强化铁素

体、提高钢的回火稳定性。）3加入Cr、W、V、Nb克服硅镭弹簧钢的不足（Cr、W、

V、Nb为碳化物形成元素，它们可以防止过热（细化晶粒）和脱碳，从而保证重要用

途弹簧具有高的弹性极限和屈服极限，）4弹簧钢的纯度对疲劳强度有很大影响，因此,

弹簧钢均为优质钢（PW0.04%,SW0.04%）或高级优质钢（PW0.035%,SW0.035%）。

弹簧钢的热处理特点:弹簧钢的热处理一般为淬火+中温回火。B调质钢的基本特点：

①具有中等的碳含量；②热处理工艺为：淬火+500〜650℃高温回火；③具有良好

的强度、塑性及韧性配合。调质钢的合金化及热处理的主要原则:①保证钢具有必需

的淬透性，使零件在淬火后具有足够厚的马氏体层；②钢在高温回火后能获得预期的

综合机械性能。调质钢的化学成分:①碳含量一般在0.3〜0.5%之间；②主加合金元素：

Si、Mn、Cr、Ni。③辅加合金元素：Mo、V、W、Ti、AkB。④重要的调质钢一般都

含有多种合金元素。调质钢的组织:调质钢经淬火+高温回火后的金相组织是回火索氏

体（多边形铁素体一粒状碳化物）。调质钢的热处理特点:调质钢在淬火+高温回火

六、GCrl5钢是什么类型钢，它最终组织是什么？从性能要求角度谈为何采用此组织形态。

答：GC门5钢是轴承钢。轴承钢经淬火及回火后的组织为极细的回火马氏体、均匀分布的细

粒状碳化物以及少量的残余奥氏体，硬度为62〜66HRC。对于精密轴承，为了保证能长

期存放和使用中不变形，在淬火后要立即进行“冷处理”，以使钢中未转变的残余奥氏体

进一步发生转变。滚动轴承的性能要求：1高的淬硬性和必要的淬透性；2高的耐磨性；

3高的接触疲劳性能；4高的弹性极限和一定的冲击韧性；5尺寸要精确而经久稳定；

6一定的抗腐蚀能刀；7良好的工艺性能。高碳为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性，

Cr的作用是提高钢的淬透性和钢的耐腐蚀性能，碳化物能以细小质点均匀分布于钢基

体组织中，既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。马氏体中的碳含量在0.45%・0.5%时，轴承钢既具有高硬度，又有良好的韧

性，还具有最高的接触疲劳寿命。淬火后应立即回火，以消除内应力，提高韧性、稳定

组织和尺寸。

七、滚动轴承钢的预先热处理和最终热处理分别是是什么？为什么采取预先热处理？

答：由于轴承钢是过共析钢，并且对碳化物的形状和分布要求较高，因此其预先热处理通常

采用球化退火。（球化退火温度范围为770〜810C,790C最适宜）轴承钢的最终热处

理是淬火加低温回火。

八、说明氮化钢及渗碳钢的合金化特点？

答：氮化钢：氮化物形成元素（如铝、钛、银、帆、铝、铝、铝等）能在。相中形成微细的氮

化物颗粒，对a相起强化作用。氮化物形成元素阻碍氮原子向内部扩散，减少氮化层的

层深。非氮化物形成元素（如锦、硅、铜等）则阻碍氮原子的吸收，降低表面氮浓度，

减少氮化层的深度,铭、铝、锐元素溶入马氏体中时，分别能使钢在40。〜5O（TC、soo〜

600C、550〜650C回火时保持高的强度。铝可使钢在510〜580℃氮化长期保温和随后

炉冷时不致产生回火脆化。渗碳钢：常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、

V、Ti、B等，可以提高钢材的淬透性和机件的强度和韧性；V、Ti可以细化奥氏体晶粒。

碳化物形成元素对渗碳的作用：（a）增大钢表面吸收碳原子的能力；（b）增大渗碳层表

面碳浓度；（c）阻碍碳在奥氏体中的扩散。前两因素加速渗碳，有利于渗碳层的加厚，

而后一因素不利于渗碳层的加厚。总的效果是辂、镒、铝等元素加大渗碳层的厚度，钛

减小渗碳层的厚度。非碳化物形成元素对渗碳的作用与碳化物形成元素相反：总的效果

是银、硅、铜等元素减慢渗碳，不利于渗碳层的加厚。碳化物形成元素含量过多，将在

渗碳层中产生许多块状碳化物，造成表面脆性。所以合金元素的含量要适当。镒是一个

较好的合金元素，既可以加速渗碳层增厚，又不过多提高渗碳层的含碳量，对于一般零

件：(1)渗碳层的含碳量限制为0.8〜L1%C；(2)渗碳层的深度控制在0.6〜2.0mm之内。

九、低合金工具钢中的主要合金元素是哪些？在钢中有什么作用？

答：a倍Cr是碳化物形成元素，提高过冷奥氏体的稳定性，增加淬透性。Cr阻止渗碳体型

碳化物的聚集、长大，提高了马氏体的分解温度，从而有效地提高了钢的回火抗力。

。•还能防止Si的石墨化倾向。b硅增加钢的淬透性，提高钢的回火稳定性。Si是石墨

化元素，在高碳钢中，高温加热时引起脱碳和促进石墨化，必须同时添加W、Cr.Mn

等,减少钢的脱碳倾向。c镒提高钢的淬透性，但Mn增加钢的过热倾向。d筲W在工

具钢中形成较稳定的碳化物，阻止钢的过热，保证晶粒细化，有利于提高钢的耐磨性。

e钿V比其他元素更为有效地阻止奥氏体晶粒长大，降低过热敏感性。

十、什么是红硬性？为什么它是高速钢的一种重要性能？哪些元素在高速钢中有利于提高

钢的红硬性？

答：红硬性：在高温下保持高硬度的能力。在高速切削过程中，刀具的刃部温度可达600℃

以上，并且要满足切削性能和耐磨性，这要求它必须具有红硬性。提高红硬性元素：C

碳、W鸨、Mo铝、V凯、Co钻、N氮。

十一、根据高速钢的物理冶金原理，分析讨论碳和合金元素在高速钢中的作用规律。

答：所有的高速钢中，在退火状态下都含有MeC、M23c6。MC三种碳化物。典型的型

碳化物是FqWzC,钢中含有的Cr、Mo、V可溶解在M6c中，Mo、V可置换W；Ci

可置换Fe、W,这就使M6c稳定性不同。如Cr溶入M6c中，使M6c稳定性下降。

典型的、123c6型碳化物是Cr23c6,其稳定性较差，淬火加热时，全部溶于奥氏体中，

增加钢的淬透性。典型MC型碳化物是VC,也能溶解少量的W、Mo、Cr等元素。在

高温回火过程中析出，使高速钢产生弥散强化，从而使钢具有高的耐磨性。高速钢在回

火过程中，当温度超过500℃时，自马氏体中析出W?C、MO2C,引起钢的弥散硬化。

当回火温度超过650℃时，则析出M6c及M7c3,它们容易聚集长大，使钢的硬度下降。

十二、叙述18-4-1高速钢从液态冷凝至室温时发生的反应和铸态显微组织特征。为什么高

速钢在热处理之前一定要大量地热加工？

答：高速钢的铸态组织常常由鱼骨状莱氏体(Ld)、中心黑色的共析体、白亮的马氏体和残余

奥氏体组成。高速钢锻造以后，必须进行球化退火，其目的不仅在于降低钢的硬度，以

利切削加工，而且也为以后的淬火作组织上的准备，高速钢在空气中冷却即可进行马氏

体转变。18-4-1钢的AC1温度是820-860℃,故退火温度为860℃〜880℃。在该温度

保温2〜3h,大部分合金碳化物未溶入奥氏体中，此时奥氏体中合金元素含量不多，冷

却时易于转变为粒状珠光体和剩余碳化物。为什么：高速钢的铸态组织很不均匀。大量

不均匀分布的粗大碳化物，将造成强度及韧性的下降。这种缺陷不能用热处理工艺来矫

正，必须借助于反复压力热加工(锻、轧)，将粗大的共晶碳化物和二次碳化物破碎，并

使其均匀分布在基体内.

十三、高速钢的最终热处理的加热温度为什么高达1280摄氏度？在加热过程中为什

么要在600-650摄氏度和800-850摄氏度进行二次预热保温？

答钢的淬火温度1280C是因为淬火温度越高，合金元素溶入奥氏体的数量越多，淬

火之后马氏体的合金浓度越高。只有合金含量高的马氏体才具有高的回火稳定性，在高

温回火时析出弥散合金碳化物产生二次硬化使钢具有高的硬度和红硬性。温度超过

1300C时，各元素的溶解量虽还有增加，但奥氏体晶粒则急剧长大，甚至在晶界处发生

溶化现象。使淬火钢的韧性大大下降，所以，1280C作为淬火温度。由于高速钢的导热

性差而淬火温度又极高，为减少工件在加热时的变形开裂和缩短高温保持时间，减少脱

碳，可采用预热。一次预热在800-850'C二次预热在800-850C前加一次500-600C预热。

十四、高速钢1&41淬火后三次回火目的是什么？这种回火在组织上引起什么样的变化？

答：当回火温度500〜600C之间时，残余应力松弛，基体中析出了部分碳化物，使度余奥

氏体中合金元素及碳含量下降，Ms点升高。这种贫化的残余奥氏体，在回火后的冷却

过程中，转变为马氏体，使钢的硬度也有所提高，为了降低残余奥氏体量，需增加回火

冷却次数，三次回火后残余奥氏体量完全转变。

十五、画出Fe-Fe3c二元相图（注明三相水平线的温度，以及每个三相平衡反应中三个单

相的成分），并分析合金元素对Fe-Fe3c二元相图丫相区和共析点的影响，请举例说明。

合金元素影响：

1.改变奥氏体的位置

Ni、Co、Mn以及其它扩大丫相区的元素，均使共折点左移而GS线下沉，Cr、W、Mo、

V、Ti、Si以及其它缩小丫相区的元素，均使三元系中的Y相区逐渐呈劈形

2.改变共析温度

Ni、Mn等扩大丫相区的元素，使共析点（S点）左移，GS下沉，使得A1和A3温度同

时降低。Cr、W、M。、V、Ti、Si以及其它缩小丫相区的元素，使Y相区呈劈形，且共析

点（S点）左移，使得A1和A3温度同时升高，

3.改变共析体含量

所有合金元素均使共析点左移，说明在钢中C%不到0.77%时，钢就会变为过共析而析出

二次渗碳体，从而降低了共析体中的含碳量。这样，合金钢加热至略高于A1时，所得

到的奥氏体的含碳量总比碳钢低，

十六、合金元素与碳的亲和力与什么条件有关？列举几种强、中等强、若碳化物形成元素。

答：碳化物在钢中的相对稳定性取决于合金元素与碳的亲和力的大小，即取决于合金元素d

层电子数。金属元素的d层电子数越少，它与碳的亲和力就越大，所析出的碳化物在钢

中就越稳定。Hf>Zr>Ti>Ta>Nb>V>W>Mo>Cr>Mn>Fe饴、错、钛、银、机

是强碳化物形成元素，形成最稳定的MC型碳化物；铝、铝、铝是中等强碳化物形成

元素；镒、铁是弱玻化物形成元素，

十七、什么是第一类回火脆性？第一类回火脆性产生的原因是什么？如何防止第一类回火

脆性的产生？

答：淬火钢在250—400℃回火后出现的脆性，称为低温回火脆性，又叫第类回火脆性。

产生第一类回火脆性的原因：1.由于马氏体分解时沿马氏体板条或片的界面析出断续的

碳化物，降低晶界的断裂强度；2.杂质元素在原奥氏体晶界的偏聚，使晶界强度进一步

降低；3.