金属材料及其应用复习提纲.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date金属材料及其应用复习提纲2013年金属材料及其应用复习提纲南京工业大学2014年金属材料及其应用复习提纲1.碳钢中的5大元素的作用(C、Si、Mn、S、P)。（1）C：含量增加,提高钢的强度、硬度,降低了钢的塑性、韧性、耐蚀性；（2）Si：提高钢的强度、弹性极限、淬透性、低温回火稳定性、淬火温度、抗氧化性，降低可切削性；（3）Mn：提高钢的淬透性，增大钢的过热敏感性和回火脆性的倾向，可扩大A区室温下可获得A钢，与S形成MnS减轻或消除钢的热脆性，与氧形成MnO是较好的脱氧剂；（4）S：与Fe形成熔点为989的 FeS相，使钢在热加工过程中产生热脆性；（5）P：与Fe结合成硬脆的Fe3P相，使钢在冷加工过程中产生冷脆。2.请按照碳化物形成元素和非碳化物形成元素对Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Al、Cu、Si等元素进行分类。(1)强碳化合物形成元素：Ti、Zr、Nb、V；(2)中等强度碳化合物形成元素：W、Mo、Cr；(3)弱碳化合物形成元素：Mn、Fe； (4)非碳化物形成元素:Ni、Al、Cu、Si。3.试叙述工程结构钢的性能要求。（1） 足够的强度和韧度（2）良好的焊接性和成型工艺性（3）良好的耐腐蚀性。4.简述机器零件用钢的性能要求及典型热处理工艺，并举例说明。（1） 性能要求：良好的冷热加工工艺性；良好的力学性能 （2） 调质钢，淬火+高温回火，良好的综合力学性能，如40Cr；（3） 弹簧钢，淬火+中温回火，得到回火托氏体，使弹簧具有一定的冲击韧度，较高的弹性极限和最高的疲劳强度，如60Si2Mn，65Mn；（4） 滚动轴承钢，淬火+低温回火，具有高而均匀的硬度和耐磨性，高的接触疲劳强度，高的弹性极限，尺寸稳定性好，一定的耐蚀性，良好的冷热加工工艺性能，如GCr15。5.简述工模具钢的性能要求及典型热处理工艺，并举例说明。（1）要求：高硬度和高耐磨性；热稳定性；足够的强度和韧度；（2）高速钢，淬火+560三次回火，优良的切削性和耐磨性，如W18Cr4V；（3）高碳高铬冷作模具钢，一次硬化（较低的淬火温度+低温回火）、二次硬化（较高的淬火温度+多次高温回火），高硬度和高耐磨性，一定的韧性，如Cr12MoV；6.试叙述不锈钢的中主要合金元素及其作用？（1）Cr:铬是强烈形成并稳定铁素体的元素，缩小奥氏体区，促进钢的钝化并提高了钢钝化膜的稳定性，从而提高钢的耐蚀性。（2） Ni:镍是强烈形成并稳定奥氏体的元素，扩大奥氏体区，使钢获得完全的奥氏体组织，从而使钢具有良好的强度和塑性、韧性的配合，并具有优良的冷热加工性和焊接、低温与无磁等性能。（3） N:氮是强烈形成并稳定奥氏体的元素，扩大奥氏体区，提高钢的强度，降低应力腐蚀开裂倾向，并提高耐局部腐蚀性能。（4） Mn:锰是较弱的奥氏体形成元素，但强烈稳定奥氏体组织，提高钢在有机酸中的耐蚀性。（5） Ti、Ni:钛和铌是强碳化物形成元素，在钢中形成稳定的碳化物，防止晶间腐蚀。（6） Mo:钼提高不锈钢的钝化能力，扩大其钝化介质范围，具有抗点腐蚀的能力。（7） Si:硅提高不锈钢在盐酸、硫酸、高浓度硝酸中的耐蚀性。7.简述耐热钢的性能要求、性能指标及其主要失效破坏方式。（1） 性能要求：良好的高温强度和塑性；足够高的高温化学稳定性（2） 性能指标：抗氧化性，氧化速度三种情况：直线关系、抛物线关系、对数关系； 热强性性能指标：蠕变极限、持久强度、高温疲劳强度、持久寿命、应力松弛。（3）主要失效破坏方式一种是远低于抗拉强度的应力作用下，抗拉强度和塑性会随着载荷持续时间的延长而显著降低，产生断裂； 另一种情况是工作应力低于屈服强度的情况下，工件会连续而缓慢地发生塑性变形，而导致失效。8.简述铸铁的种类及其石墨化过程。（1） 灰铸铁：碳全部或大部分以片状石墨G形态存在，断口呈暗灰色；（2） 球墨铸铁：碳全部或大部分以球状石墨G形态存在，球化处理得到；（3） 蠕墨铸铁：碳全部或大部分以蠕虫状石墨G形态存在，蠕化处理得到；（4） 可锻铸铁：碳全部或大部分以游离团絮状石墨G形态存在，石墨化退火处理得到；（5） 白口铸铁：碳全部或大部分以化合态Fe3C形式存在，断口呈亮白色；（6） 石墨化过程是铸铁按Fe-C稳定系冷却凝固，碳原子析出，形成石墨的过程，如灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。第一阶段石墨化：PSK线温度以上的石墨化过程。第二阶段石墨化：PSK线温度以下的石墨化过程。9. 下列牌号各属于哪类钢种？并简述其合金元素作用、热处理工艺及主要性能：ZGMn13、 GCr15、20CrMnTi、42CrMo、60Si2Mn、10Cr17、304、1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、1Cr18Ni9Ti。(1) ZGMn13（水韧处理)，较高的强硬度，较好的韧塑性；(2) GCr15（淬火+低回），高碳铬轴承钢（Cr提高淬透性），具有高而均匀的硬度，良好的耐磨性和高的接触疲劳寿命，尺寸稳定性好，冷、热加工工艺性能良好，有回火脆性倾向；(3) 20CrMnTi（淬火+低回），中淬透性渗碳钢（Cr、Mn 提高钢的淬透性，改善渗碳层性能；Ti阻止A晶粒在高温时渗碳胀大，能细化晶粒），良好的综合力学性能，低温冲击韧度较高，晶粒长大倾向小，冷热加工性能均好；(4) 42CrMo（淬火+高回），中淬透性调质钢（Cr提高淬透性和回火稳定性；Mo进一步提高淬透性、回火稳定性，细化晶粒，消除或降低回火脆性）；(5) 60Si2Mn（淬火+中回），弹簧钢（Si提高回火稳定性、弹性极限；Mn提高淬透性），一定的冲击韧度，较高的弹性极限、屈强比和高的疲劳强度；(6) 10Cr17（淬火+退火），F不锈钢（Cr提高耐蚀性），工艺性差，脆性大，韧脆转变温度较高，抗应力腐蚀能力好；(7) 1Cr13、2Cr13（淬火+中回）M不锈钢（Cr提高耐蚀性）综合力学性能好。(8) 3Cr13、4Cr13（淬火+低回）M不锈钢 耐蚀性好。C强度耐蚀性，Cr耐蚀性；(9) 304（0Cr18Ni9）、1Cr18Ni9Ti，固溶+稳定化处理，A不锈钢（Ni、Cr提高耐蚀性，钝化性能，增加A组织稳定性；Ti稳定C化物，提高耐晶间腐蚀能力）高的耐蚀性，高的塑性，易加工变形，焊接性好，韧度和低温韧度好，没有冷脆倾向.10.试叙述铝及其合金的分类和性能特点。（1） 铝：密度小，优良的导电性、导热性，良好的耐蚀性，优良的塑性和加工性能。（2） 铝合金：密度小，耐蚀性好，力学性能高。（3） 铝合金分为变形铝合金a.不能热处理强化的铝合金（防锈铝）b.能热处理强化的铝合金（硬铝、超硬铝、锻铝）铸造铝合金11.试叙述硬铝的热处理特点。（1） 固溶处理：淬火加热时，固溶体加上第二相变为单相的固溶体；淬火时得到单相的过饱和固溶体，不发生同素异构转变。在保证不变形不开裂的前提下，冷却速度越快越好。硬脆的第二相消失，塑性有所提高。（2） 时效处理：第二相从过饱和固溶体中析出，强度和硬度增加。硬铝合金人工时效比自然时效具有更大的晶间腐蚀倾向，故一般采用自然时效。12.试简述灰铸铁的壁厚效应。 铸铁件的壁厚越大,铸件冷却速度越慢，所得片状石墨越粗大，铸件强度越低。把铸件壁厚的变化对其强度的影响称为铸件壁厚敏感性。（可通过孕育处理来减小铸件壁厚的敏感性）13. 试写出下面几种零件的典型选材：锯条、手术刀、主轴、机床床身。(1) 锯条：碳素工具钢T8Mn(T8或T10) (2)手术刀: M不锈钢 20Cr13(3)主轴：45Cr (4)机床床身：HT20014. 拟采用45钢制造车床主轴，要求具有良好的综合机械性能，试确定淬火、回火加热温度并说明淬火、回火后的组织。（1）先正火，粗加工后进行调制处理。对捶孔，外捶体局部淬火；对花键进行交频淬火加回火。（2）正火（850）+淬火（840，油冷）+高回（600，油冷） （3）淬火后：M组织+碳化物 回火后：回火索氏体15.拟采用T10钢制造的手锯条，要求具有高的硬度、耐磨性，试确定淬火、回火加热温度并说明淬火、回火后的组织。（1）不完全淬火：760-780 淬火淬火M组织 （2）低温回火：（150-250、200）回火M+残余A+C化物 16.在易切削钢中，常加入硫，试说明其作用。 在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。Mn和s结合形成MnS，塑性好，有润滑作用，沿压延方向排列成条状或纺锤形，破坏金属的整体性，降低了切削阻力并且容易产生断屑，减轻磨损，从而降低了工件的表面粗糙度，提高了成品的寿命和生产效率。17.试简述W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2中合金元素的作用，及其主要的热处理工艺。 (1)W：提高热硬性，形成M6C碳化物细化晶粒，在560回火析出W2C产生弥散强化,提高钢的耐磨性； (2)Mo:和W作用类似，1Mo可取代1.5-2的W,使钢具有较好的强韧性和耐磨性，但有一定的脱碳倾向和过热敏感性； (3)V:提高热硬性、硬度、耐磨性，细化晶粒，降低钢的过热敏感性。(4)Cr:提高了高速钢的淬透性，耐蚀性和抗氧化性。18.试简述铁素体不锈钢的脆性原因。F不锈钢脆性（475脆性）：在脆化温度范围内长期停留时，F的Cr原子趋于有序化，形成许多富Cr、点阵结构为体心立方的相，它们与母相保持共格关系，引起了大的晶格畸变和内应力，结果使钢的强度增加，而韧度韧性降低。19.简述金属材料选材的一般原则。（1） 材料的使用性能要求 （2）材料的工艺性能（3） 经济性 （4）其他因素：考虑零件的外形和尺寸特点20.简述细化晶粒对钢性能的作用。钢中的晶粒越细，晶界、亚晶界越多，可有效阻止位错的运动，并产生位错塞积强化。细化晶粒既提高钢的强度，又提高了塑性和韧度，是最理想的强化方法。21.简述高速钢具有红硬性的原因。（1）高速钢中含有合金元素钨、钼、钒、铬、钴，显著提高钢的红硬性。（2）加热保温时，获得高合金的奥氏体，淬火后得到高合金的马氏体，具有高的回火稳定性，在高温回火时弥散析出合金碳化物而产生二次硬化，使钢具有高硬度和热硬性。22.简述高锰钢（ZGMn13）水韧处理的目的及其应用。（1）高锰钢的铸态组织一般是奥氏体、珠光体、马氏体、碳化物等复合组织，力学性能差，耐磨性低。经过水韧处理（即固溶处理）后的显微组织是单相奥氏体，软而韧。（2）广泛应用于承受大冲击载荷、强烈磨损的工况下工作的零件。23.试叙述黄铜的分类以及黄铜牌号的命名方式。（1） 按成分分为普通黄铜和特殊黄铜；按生产方式分为压力加工黄铜和铸造黄铜。（2） 普通黄铜：H62表示含62%Cu、38%Zn的普通黄铜；（3） 特殊黄铜：HMn58-2表示含58%Cu、2%Mn的特殊黄铜；（4） 铸造黄铜：ZCuZn38表示：平均含Zn量为38%的铸造黄铜。24.高速钢中W、Mo、V合金元素的主要作用是什么？ (1)W：提高热硬性，形成M6C碳化物细化晶粒，在560回火析出W2C产生弥散强化,提高钢的耐磨性； (2)Mo:和W作用类似，1Mo可取代1.5-2的W,使钢具有较好的强韧性和耐磨性，但有一定的脱碳倾向和过热敏感性； (3)V:提高热硬性、硬度、耐磨性，细化晶粒，降低钢的过热敏感性。25.高速钢常用560三次回火，为什么?高速钢在淬火后，残余奥氏体合金度高，稳定性大，在回火加热过程中不分解。在500-600保温时仅析出合金碳化物，使残留奥氏体合金度降低。在冷却到室温时，部分残留奥氏体发生马氏体转变，体积分数减少到10%左右，但还要进一步降低，且要消除新产生马氏体引起的内应力，所以高速钢常用560三次回火。26.简述奥氏体不锈钢的点蚀和晶间腐蚀原理。（1）点腐蚀：容易吸附在钢表面上的个别点上，破坏该处的钝化膜，将钢的表面暴露出来，组成微电池，形成点蚀源，发生点腐蚀。（2）晶间腐蚀：在焊缝及热影响区（450-800），沿着晶间析出了（Cr,Fe）23C6碳化物，晶界附近的区域产生了贫铬区，产生晶间腐蚀。 27. 请选择合适的钢制造变速齿轮，并写出其主要的热处理工艺及其组织。（1） 变速齿轮：渗碳钢，如20Cr、20CrMnTi（2） 工艺：备料、锻造，正火、粗加工、渗碳、淬火回火、喷丸（3） 组织：表层（回火马氏体+碳化物+残余奥氏体）；芯部（低碳马氏体）28. 请选择合适的钢制造热锤锻模，并写出其主要的热处理工艺及其组织。（1） 热锤锻模钢：5Cr06NiMo（2） 工艺：预热加热保温预冷淬火回火（淬火处理要注意保护模面和模尾，避免氧化脱碳）（3） 组织：马氏体29. 请选择合适的钢制造弹簧，并写出其主要的热处理工艺名称及其组织。（1） 弹簧钢：60Si2Mn弹簧钢（2） 淬火870+中温回火（440，油冷）（3） 组织；回火托氏体30.请选择合适的钢制造冷挤压模，并写出其主要的热处理工艺。（1）冷挤压模：Cr12MoV （2）热处理：一次硬化（低淬+低回）、二次淬火（高淬+高回）、淬火后立马冷处理（3）组织：回火M+碳化物+残余A31.何谓硬铝铝合金的固溶处理和时效处理？简述硬铝合金的时效过程。（1）固溶处理：淬火加热时，固溶体加上第二相变为单相的固溶体；淬火时得到单相的过饱和固溶体，不发生同素异构转变。在保证不变形不开裂的前提下，冷却速度越快越好。硬脆的第二相消失，塑性有所提高。（2）时效处理：第二相从过饱和固溶体中析出，强度和硬度增加。硬铝合金人工时效比自然时效具有更大的晶间腐蚀倾向，故一般采用自然时效。-