金属材料学第二版戴起勋第一章课后题答案.pdf

1.为什么说钢中的 S、P 杂质元素在一般情况下总是有害的？答：S、P 会导致钢的热脆和冷脆，并且容易在晶界偏聚，导致合金钢的第二 类高温回火脆性，高温蠕变时的晶界脆断。S 能形成 FeS,其熔点为 989C，钢件在大于 1000C的热加工温度时 FeS 会 熔化，所以易产生热脆；P 能形成 FeP,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。2.钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类？各有什么特点？答：简单点阵结构和复杂点阵结构 简单点阵结构的特点：硬度较高、熔点较高、稳定性较好；复杂点阵结构的特点：硬度较低、熔点较低、稳定性较差。3.简述合金钢中碳化物形成规律。答：当 rc/r M时，形成复杂点阵结构；当rdr 时，形成简单点阵结构；相似者相溶：完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似；有限溶解：一般 K 都能溶解其它元素,形成复合碳化物。NM/Nc比值决定了碳化物类型碳化物稳定性越好，溶解越难，析出难越，聚集长大也越难；强碳化物形成元素优先与碳结合形成碳化物。4.合金元素对 Fe-C 相图的 S、E 点有什么影响？这种影响意味着什么？答：A 形成元素均使 S、E 点向 _ 动，F 形成元素使 S、E 点向 _ 移 动。S 点左移意味着 _ 小，E 点左移意味着出现 _ 降低。（左下方；左上方）（共析碳量；莱氏体的 C 量）5.试述钢在退火态、淬火态及淬火-回火态下，不同合金元素的分布状况。答：退火态：非碳化物形成元素绝大多数固溶于基体中，而碳化物形成元素 视 C 和本身量多少而定。优先形成碳化物，余量溶入基体。淬火态：合金元素的分布与淬火工艺有关。溶入 A 体的因素淬火后存在于 M B 中或残余 A 中，未溶者仍在 K 中。回火态：低温回火，置换式合金元素基本上不发生重新分布；400C,Me 开始重新分布。非 K 形成元素仍在基体中，K 形成元素逐步进入析出的 K 中，其程度取决于回火温度和时间。6.有哪些合金元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大？阻止奥氏体晶粒长大有什 么好处？答:Ti、Nb V 等强碳化物形成元素（好处）：能够细化晶粒，从而使钢具有 良好的强韧度配合，提高了钢的综合力学性能。7.哪些合金元素能显着提高钢的淬透性？提高钢的淬透性有何作用？答：在结构钢中，提高马氏体淬透性作用显着的元素从大到小排列：Mn、Mo、Cr、Si、Ni 等。作用：一方面可以使工件得到均匀而良好的力学性能，满足技术要求；另一 方面，在淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾 向。8.能明显提高回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么 作用？作用：提高钢的回火稳定性，可以使得合金钢在相同的温度下回火时，比同 样碳含量的碳钢具有更高的硬度和强度；或者在保证相同强度的条件下，可 在更高的温度下回火，而使韧性更好些。9.第一类回火脆性和第二类回火脆性是在什么条件下产生的？如何减轻和 消除？答：第一类回火脆性：脆性特征：不可逆：与回火后冷速无关；断口为晶界脆断。产生原因：钢在 200-350 C回火时，F&C 薄膜在奥氏体晶界形成，削弱了晶 界强度；杂质元素 P、S、Bi 等偏聚晶界，降低了晶界的结合强度。防止措施：降低钢中杂质元素的含量；用 Al 脱氧或加入 Nb（铌）、V、Ti等合金元素细化奥氏体晶粒；加入 Cr、Si 调整温度范围；采用等温 淬火代替淬火回火工艺。第二类回火脆性：脆性特征：可逆；回火后满冷产生，快冷抑制；断口为晶界脆断。产生原因：钢在 450-650 C回火时，杂质元素 Sb S As 或 N P 等偏聚于晶 界，形成网状或片状化合物，降低了晶界强度。高于回火脆性温度，杂质元 素扩散离开了晶界或化合物分解了；快冷抑制了杂质元素的扩散。防止措施：降低钢中的杂质元素：加入能细化 A 晶粒的元素（Nb V、Ti）加入适量的 Mo W 元素；避免在第二类回火脆性温度范围回火。10.就合金元素对铁素体力学性能、碳化物形成倾向、奥氏体晶粒长大倾向、淬透性、回火稳定性和回火脆性等几个方面总结下列元素的作用：Si、Mn Cr、Mo W V、Ni。答：Si:Si 是铁素体形成元素，固溶强化效果显着；（强度增加，韧性减小）Si 是非碳化物形成元素，增大钢中的碳活度，所以含 Si 钢的脱 C 倾向和 石墨化倾向较大；Si 量少时，如果以化合物形式存在，则阻止奥氏体晶粒长大，从而细化 A 晶粒，同时增大了钢的强度和韧性；Si 提高了钢的淬透性，使工件得到均匀而良好的力学性能。在淬火时，可 选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。Si 提高钢的低温回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢；Si 能够防止第一类回火脆性。Mn:Mn 强化铁素体，在低合金普通结构钢中固溶强化效果较好；（强度增加，韧性减小）Mn 是奥氏体形成元素，促进 A 晶粒长大，增大钢的过热敏感性；Mn 使 A 等温转变曲线右移，提高钢的淬透性；Mn 提高钢的回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢；Mn 促进有害元素在晶界上的偏聚，增大钢回火脆性的倾向。Cr:Cr 是铁素体形成元素，固溶强化效果显着；（强度增加，韧性减小）Cr 是碳化物形成元素，能细化晶粒，改善碳化物的均匀性；Cr 阻止相变时碳化物的形核长大，所以提高钢的淬透性；Cr 提高回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢；Cr 促进杂质原子偏聚，增大回火脆性倾向；Mo:（W 类似于 Me）是铁素体形成元素，固溶强化效果显着；（强度增加，韧性减小）是较强碳化物形成元素，所以能细化晶粒，改善碳化物的均匀性，大大提 高钢的回火稳定性；阻止奥氏体晶粒长大，细化 A 晶粒，同时增大了钢的强度和韧性；能提高钢的淬透性，使工件得到均匀而良好的力学性能。在淬火时，可选 用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。能有效地抑制有害元素的偏聚，是消除或减轻钢第二类回火脆性的有效元 素。V:（Ti、Nb 类似于 V）是铁素体形成元素，固溶强化效果显着；（强度增加，韧性减小）是强碳化物形成元素，形成的 VC 质点稳定性好，弥散分布，能有效提高 钢的热强性和回火稳定性；阻止 A 晶粒长大的作用显着，细化 A 晶粒，同时增大了钢的强度和韧性；提高钢的淬透性，消除回火脆性。N：是奥氏体形成元素，促进晶粒长大，增大钢的过热敏感性；（强度增加，韧性增加）是非碳化物形成元素，增大钢中的碳活度，所以含 Ni 钢的脱 C 倾向和石 墨化倾向较大；对 A 晶粒长大的影响不大；能提高钢的淬透性，使工件得到均匀而良好的力学性能。在淬火时，可选 用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。提高回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢;促进钢中有害元素的偏聚，增大钢的回火脆性。总结：Si Mn Cr Mo W V Ni F 的力学 性能 增加强 度，减小 韧性 增加强 度、韧性 同上 增加强 度，减 小韧性 同上 同上 增加强 度、韧 性 K 形成倾 非 K 形 弱 K 形 中强 K 中强 K 中强 K 强 K 形 非 K 形 向 成兀素 成兀素 形成元 素 形成元 素 形成元 素 成兀素 成兀素 A 晶粒长 大倾向 细化 促进 阻碍作 用中等 阻碍作 用中等 阻碍作 用中等 大大阻 碍 影响不 大 淬透性 增加 增加 增加 增加 增加 增加 增加 回火稳定 性 提高低 温回火 提高 提高 提高 提高 提高 影响不 大 回火脆性 推迟低 温回脆，促进高 温回脆 促进 促进 大大降 低 降低 降低 促进 11.根据合金元素在钢中的作用，从淬透性、回火稳定性、奥氏体晶粒长大 倾向、韧性和回火脆性等方面比较下列钢号的性能：40Cr、40CrNi、40CrMn 40CrNiMo 答：淬透性：40CrNiMo40CrMn 40CrNi 40Cr（因为在结构钢中，提高马氏体淬透性作用显着的元素从大到小排列：Mn Mo Cr、Si、Ni，而合金元素的复合作用更大。）回火稳定性：40CrNiMo40CrMn 40CrNi 40Cr 奥氏体晶粒长大倾向：40CrM n 40Cr 40CrNi 40CrNiMo 韧性：40CrNiMo40CrNi40CrMn40Cr（Ni 能够改善基体的韧度）回火脆性：40CrNi40CrM n 40Cr40CrNiMo（Mo 降低回火脆性）12.为什么 W Mo V 等元素对珠光体转变阻止作用大，而对贝氏体转变影响 不大？答：对于珠光体转变，不仅需要 C 的扩散和重新分布，而且还需要 W Mo V 等 K形成元素的扩散，而间隙原子碳在 A 中的扩散激活能远小于 W Mo V 等置换原子的扩散激活能，所以 W Mo V 等 K 形成元素扩散是珠光体转变 时碳化物形核的控制因素。V 主要是通过推迟碳化物形核与长大来提高过冷奥氏体的稳定性 W Mo 除了推迟碳化物形核与长大外，还增大了固溶体原子间的结合力、铁 的自扩散激活能，减缓了 C 的扩散。贝氏体转变是一种半扩散型相变，除了间隙原子碳能作长距离扩散外，W Mo V 等置换原子都不能显着地扩散。W Mo V增加了 C 在 y 相中的扩散激 活能，降低了扩散系数，推迟了贝氏体转变，但作用比 Cr Mn Ni 小。13.为什么钢的合金化基本原则是“复合加入”？试举两例说明合金元素复 合作用的机理。答：因为合金元素能对某些方面起积极的作用，但许多情况下还有不希望的 副作用，因此材料的合金化设计都存在不可避免的矛盾。合金元素有共性的 问题，但也有不同的个性。不同元素的复合，其作用是不同的，一般都不是 简单的线性关系，而是相互补充，相互加强。所以通过合金元素的复合能够 趋利避害，使钢获得优秀的综合性能。例子：Nb-V 复合合金化：由于 Nb 的化合物稳定性好，其完全溶解的温度 可达1325-1360 C。所以在轧制或锻造温度下仍有未溶的 Nb,能有效地阻止 高温加热时 A 晶粒的长大，而 V 的作用主要是沉淀析出强化。Mn-V 复合：Mn 有过热倾向，而 V 是减弱了 Mn 的作用；Mn 能降低碳活度，使稳定性很好的 VC 溶点降低，从而在淬火温度下 VC 也能溶解许多，使钢获 得较好的淬透性和回火稳定性。14.合金元素 V 在某些情况下能起到降低淬透性的作用，为什么？而对于 40Mn2 和 42Mn2V 后者的淬透性稍大，为什么？答：钒和碳、氨、氧有极强的亲和力，与之形成相应的稳定化合物。钒在钢 中主要以碳化物的形式存在。其主要作用是细化钢的组织和晶粒，降低钢的 强度和韧性。当在高温溶入固溶体时，增加淬透性；反之，如以碳化物形式 存在时，降低淬透性。15.怎样理解“合金钢与碳钢的强度性能差异，主要不在于合金元素本身的 强化作用，而在于合金元素对钢相变过程的影响。并且合金元素的良好作用，只有在进行适当的热处理条件下才能表现出来”？16.合金元素提高钢的韧度主要有哪些途径？答：细化奥氏体晶粒-如 Ti、V、Mo 提高钢的回火稳定性-如强 K 形成元素 改善基体韧度 -Ni 细化碳化物 -适量的 Cr、V 降低或消除钢的回火脆性 W、Mo 在保证强度水平下，适当降低含碳量，提高冶金质量 通过合金化形成一定量的残余奥氏体、40CrNi、40CrNiMo 钢，其油淬临界淬透直径 De 分别为 25-30mm 40-60mm 60-100mm 试解释淬透性成倍增大的现象。答：在结构钢中，提高马氏体淬透性作用显着的元素从大到小排列：Mn、Mo、Cr、Si、Ni 等。Cr、Ni、Mo 都能提高淬透性，40Cr、40CrNi、40CrNiMo 单 一加入到复合加入，淬透性从小到大。较多的 Cr 和 Ni 的适当配合可大大提 高钢的淬透性，而 Mo 提高淬透性的作用非常显着。1 8.钢的强化机制有哪些？为什么一般钢的强化工艺都采用淬火-回火？答：四种强化机制：固溶强化、位错强化、细晶强化和第二相弥散强化。因为淬火+回火工艺充分利用了细晶强化,固溶强化、位错强化、第二相强化 这四种强化机制。(1)淬火后获得的马氏体是碳在 a-Fe 中的过饱和间隙固 溶体,碳原子起到了间隙固溶强化效应。(2)马氏体形成后，奥氏体被分割成许多较小的取向不同的区域，产生了细 晶强化作用。(3)淬火形成马氏体时，马氏体中的位错密度增高，从而产生位错强化效应。(4)淬火后回火时析出的碳化物造成强烈的第二相强化，同时也使钢的韧性 得到了改善。综上所述：无论是碳钢还是合金钢，在淬火-回火时充分利用了强化材料的 四种机制，从而使钢的机械性能的潜力得到了充分的发挥。所以获得马氏体 并进行相应的回火是钢的最经济最有效的综合强化手段。19.试解释 40Cr13 已属于过共析钢，而 Cr12 钢中已经出现共晶组织，属于 莱氏体钢。答：因为 Cr 属于封闭 y 相区的元素，使 S 点左移，意味着共析碳量减小，所以钢中含有 Cr12%寸，共析碳量小于%所以含C 13%Cr 的 40Cr13 不锈 钢就属于过共析钢 Cr 使 E 点左移，意味着出现莱氏体的碳含量减小。在 Fe-C 相图中，E 点 是钢和铁的分界线，在碳钢中是不存在莱氏体组织的。但是如果加入了 12%的Cr，尽管含碳量只有 2%左右，钢中却已经出现了莱氏体组织。20.试解释含 Mn 稍高的钢易过热；而含 Si 的钢淬火加热温度应稍高，且冷 作硬化率较高，不利于冷变形加工。答：Mn 是奥氏体形成元素，降低钢的 A1 温度，促进晶粒长大，增大钢的过 热敏感性；Si 是铁素体形成元素，提高了钢的 A1 温度，所以含 Si 钢往往要相应地提高 淬火温度。冷作硬化率高，材料的冷成型性差。合金元素溶入基体，点阵产生不同程度 的畸变，使冷作硬化率提高，钢的延展性下降。21.什么叫钢的内吸附现象？其机理和主要影响因素是什么？答：合金元素溶入基体后，与晶体缺陷产生交互作用，使这些合金元素发生 偏聚或内吸附，使偏聚元素在缺陷处的浓度大于基体中的平均浓度，这种现 象称为内吸附现象。机理：从晶体结构上来说，缺陷处原子排列疏松、不规则，溶质原子容易存 在；从体系能量角度上分析，溶质原子在缺陷处的偏聚，使系统自由能降低，符合自然界最小自由能原理。从热力学上说，该过程是自发进行的，其驱动 力是溶质原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。影响因素：温度：随着温度的下降，内吸附强烈；时间：通过控制时间因素来控制内吸附；缺陷类型：缺陷越混乱，畸变能之差越大，吸附也越强烈；其他元素：不同元素的吸附作用是不同的，也有优先吸附的问题；点阵类型：基体的点阵类型对间隙原子有影响。22.试述钢中置换固溶体和间隙固溶体形成的规律 答：置换固溶体的形成的规律：决定组元在置换固溶体中的溶解度因素是点 阵结构、原子半径和电子因素，无限固溶必须使这些因素相同或相似.Ni、Mn Co 与 y-Fe 的点阵结构、原子半径和电子结构相似，即无限固溶；Cr、V 与a-Fe 的点阵结构、原子半径和电子结构相似，形成无限固溶体；Cu 和丫-Fe 点阵结构、原子半径相近，但电子结构差别大一一有限固溶；原子半径对溶解度影响：RW士 8%可以形成无限固溶；w 15%形成 有限固溶；15%溶解度极小。间隙固溶体形成的规律：间隙固溶体总是有限固溶体，其溶解度取决于溶剂金属的晶体结构和间隙 元素的原子尺寸；间隙原子在固溶体中总是优先占据有利的位置；间隙原子的溶解度随溶质原子的尺寸的减小而增大；同一溶剂金属不同的点阵结构，溶解度是不同的，C、N 原子在 y-Fe 中的 溶解度高于 a-Fe。23.在相同成分的粗晶粒和细晶粒钢中，偏聚元素的偏聚程度有什么不同？24.试述金属材料的环境协调性设计的思路 答：金属材料的使用，不仅要考虑产品的性能要求，更应考虑材料在生命周 期内与环境的协调性。将 LCA 方法应用到材料设计过程中产生的新概念，它 要求在设计时要充分兼顾性能、质量、成本和环境协调性，从环境协调性的 角度对材料设计提出指标及建议。尽量不使用环境协调性不好的元素，即将枯竭性元素和对生态环境及人体有 害作用的元素。25.什么叫简单合金、通用合金？试述其合金化设计思想及其意义。答：简单合金：组元组成简单的合金系。设计化思想：通过选择适当的元素，不含有害元素、不含枯竭元素和控制热 加工工艺来改变材料的性能。简单合金在成分设计上有几个特点：合金组元 简单，再生循环过程中容易分选；原则上不加入目前还不能精炼方法除去的 元素；尽量不适用环境协调性不好的合金元素。意义：不含对人体及生态环境有害的元素，不含枯竭性元素，并且主要元素 在地球上的储量相当大，并且容易提取。所生产的材料既具有良好的力学性 能，又有好的再生循环性。通用合金：是指通过调整元素含量能在大范围内改变材料性能，且元素数最 少的合金系。设计思想：合金的种类越多，再生循环就越困难。最理想的情况是所有金属 制品用一种合金系来制造，通过改变成分配比改变材料性能。意义：这种通用合金能满足对材料要求的通用性能，如耐热性、耐腐蚀性和 高强度等。合金在具体用途中的性能要求则可以通过不同的热处理等方法来 实现。通过调整成分配比开发出性能更加优异、附加值更高的再生材料。26.与碳素钢相比，一般情况下合金钢有哪些主要优缺点？答：优点：晶粒细化、淬透性高、回火稳定性好；缺点：合金元素的加入使钢的冶炼以及加工工艺性能比碳素钢差，价格也较 为昂贵。而且回火脆性倾向也较大。