金属材料学思考题答案 2
绪论、第一章、第二章
1．钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类，各有什么特点？
答：分为简单点阵结构和复杂点阵结构，前者熔点高、硬度高、稳定性好，后者硬度低、熔点低、稳定性差。
2．何为回火稳定性、回火脆性、热硬性？合金元素对回火转变有哪些影响？ 答：
回火稳定性： 淬火钢对回火过程中发生的各种软化倾向 （如马氏体的分解、 残余奥氏体的分解、碳化物的析出与铁素体的再结晶）的抵抗能力
回火脆性：在 200-350℃之间和 450-650℃之间回火，冲击吸收能量不但没有升高反而显著下降的现象
热硬性：钢在较高温度下，仍能保持较高硬度的性能 合金元素对回火转变的影响：① 氏体分解，
Ni 、 Mn 影响很小，②碳化物形成元素阻止马氏体分解，提
高回火稳定性，产生二次硬化，抑制 C 和合金元素扩散。③ Si 比较特殊：小于 300℃时强烈延缓马
3．合金元素对 Fe-Fe3C 相图 S、E 点有什么影响？这种影响意味着什么？ 答：凡是扩大奥氏体相区的元素均使
凡是封闭奥氏体相区的元素均使 晶莱氏体。 S 点左移：钢中含碳量小于
S、 E 点向左下方移动，如 Mn 、 Ni 等； S、 E 点向左上方移动，如 Cr、 Si、 Mo 等？ 0.77％时，就会变为过共析钢而析出二次渗碳体。
E 点左移：出现莱氏体组织的含碳量降低，这样钢中碳的质量分数不足 2％时就可以出现共
4．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 。
1）淬透性： 40CrNiMo 〉 40CrMn 〉 40CrNi 〉 40Cr 2） 回火稳定性： 40CrNiMo 〉 40CrNi 〉 40CrMn 〉 40Cr 4） 韧性： 40CrNiMo 〉 40CrNi
3） 奥氏体晶粒长大倾向： 40CrMn 〉 40Cr 〉 40CrNi 〉 40CrNiMo
〉 40Cr〉 40CrMn (Mn 少量时细化组织 )
40Cr 〉 40CrNiMo
5） 回火脆性： 40CrMn 〉 40CrNi>
5.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。 合金元素除了通过强化铁素体，
才能表现出来” ？从强化机理和相变过程来分析（不是单一的合金元素作用） 对提高珠光体的数量使其强度提高。 其次合金元素还使过冷奥氏体稳定性提高， 在相同冷却条件下使铁素体和碳化物的分散度增加，从而提高强度。 除钴外， 所有合金元素均提高钢的淬透性， 晶粒，使淬火后的马氏体组织均匀细小。
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
从而提高退火态钢的强度外， 还通过合金化降低共析点， 相 C 曲线右移，
然而，尽管合金元素可以改善退火态钢的性能但效果远没有淬火回火后的性能改变大。 匀的马氏体组织。大多数合金元素都有阻止奥氏体晶粒长大的倾向（
可以使较大尺寸的零件淬火后沿整个截面得到均
Mn 除外），从而细化
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合金元素还能减缓钢的回火转变过程， 成相的弥散度，从而提高强度。
特别是碳化物形成元素阻碍碳化物聚集长大， 提高组
强碳化物形成元素还可以产生沉淀强化，阻止和消除第二类回火脆性。 综上所述， 合金元素本身可以形成碳化物或固溶体来提高钢材强度， 理来改变其大小分布，因此相变强化更明显。 在于通过热处理过程产生沉淀强化和细晶强化， 金钢的组织性能。
6.合金元素提高钢的韧度主要有哪些途径？
1）细化晶粒、组织—— 2）提高回火稳定性 3）改善基体韧度 4）细化 K
——
5）降低回火脆
如 Ti、 V 、Mo ；
但更重要的是通过热处
主要
来显著提高合
也就是说， 合金元素与碳钢的强度差异。
提高淬透性和回火稳定性等，
—— 如强 K 形成元素 Mo， V； —— Ni ； 适量 Cr、 Ti 、 V，使 K 小而匀；
性 —— W、 Mo ； C 量，提高冶金质量。
6）在保证强度水平下，适当降低含 7）通过合金化形成一定量残余奥氏体
7. 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？有细晶强化、固溶强化、第二相强化和位错强化四种。
钢淬火后形成马氏体，由于C 的过饱和和合金元素的固溶，钢的强度上升，利用了固溶强 化的机制； 淬火后的马氏体组织产生大量的位错亚结构， 织细化，体现了细晶强化的效果；淬完火后的回火处理， 到沉淀强化（第二相强化）的效果。
位错密度上升，材料强度增加，体
现了位错强化的效果； 钢在淬火时由较粗大的奥氏体晶粒变成细小的马氏体针或板条束，
有细小弥散的碳化物析出，能够起
组
8. 以制造跨海大桥用的工程结构钢为例，说明其基本性能要求是什么，我国制造这类钢的化学成分特点是什么？
答：性能要求： 足够强度和韧性，良好的焊接性和成型工艺性，良好的耐海水腐蚀性和大气 腐蚀性能
成分特点：低碳，低锰，含Cu、 P
9. 09MnCuPTi 是低合金高强度钢（普低钢） ，结合我国普低钢成分特点，分析各合金元素的作用？
答： Mn：固溶强化作用大， 1%Mn ， ReL↑ 33MPa。约有 3/4 量溶入 F 中，弱的细晶作用， ↓TK 。量多时可大为降低塑韧性 .
Ti：形成稳定细小的 K 等，粒子 2~10nm ，既细晶又沉淀强化，↑ ReL，↑δ、A K ，综合效果↓ TK 。改善焊接性。
Cu， P：耐大气腐蚀性最有效的元素。一般含量
:0.025~0.25% Cu ， 0.05~0.15％ P 。 ↑ P，
冷脆和时效倾向增加。复合加入适量元素，则↑钢耐蚀性效果更佳。 10. 为什么贝氏体型低合金高强度钢多采用
0.5%Mo 和微量 B 作为基体合金化元素？
低碳贝氏体钢中加入 Mo 使 P 右移显著， 但 Mo 却不能使 F 右移；加入微量 B 使 F 右移但贝氏体右移较小，可以空冷得到贝氏体组织。
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11. 什么是微合金钢？微合金化元素（NbTiV ）的主要作用是什么？ 微合金化高强度钢成分特点是尽量降低碳含量，
在保证塑性， 韧性和焊接性能的基础上， 采
用微合金化元素细化晶粒、沉淀强化以及控制扎制和控制冷却的办法进一步提高强度。 Nb ， V， Ti 主要作用是细化晶粒和产生沉淀强化作用。
第三章
1.在结构钢的部分标准中，每个钢号的力学性能都注明热处理状态和试样直径或钢材厚度。 为什么？有什么意义？
同一材料热处理不同， 可以得到不同的性能。 而试样尺寸也影响淬火效果， 工件的淬硬层深度同样会随尺寸变大而变小。
心部往往淬不透不是马氏体组织，
尤其是大尺寸 而可能变成
铁素体和珠光体， 或索氏体等。 这样在选用材料的时候既要考虑到热处理工艺， 还要考虑试样尺寸对淬透层深度的影响。
2.在飞机制造厂中，常用 渗碳后的齿轮加热到
18Cr2Ni4WA 钢制造发动机变速箱齿轮。为减少淬火后残余应力和
200－ 220℃的第一热浴中，保温
1－ 2 小时，取出空冷至室温。
10min 左右，
齿轮尺寸的变化，控制心部硬度不致过高，以保证获得必需的冲击韧性，采用如下工艺：将
850℃左右，保温后淬入
取出后立即置于 550－ 570℃的第二热浴中，保持 问：此时钢表、里的组织是什么？
已知：该钢的 Ms＝ 310℃，表面渗碳后的 Ms＝ 80℃左右。
答：渗碳后的齿轮等温淬火后心部因含碳量较低，导热慢，第一次盐浴时心部的温度仍高 于 550－ 570℃，在第二次热浴时其组织转变为回火索氏体；而表面在第一次热浴时就转变 为回火马氏体， 碳化物和残余奥氏体，由于该合金含量较高， 各类碳化物比较稳定，回火稳定性高，在第二次热浴时组织保持不变。
3.轧制钢板的轧辊尺寸很大，其轴承在工作时受很大的冲击作用，请从以下材料中选择合适 的材料制造该轴承，并且说明热处理工艺及使用状态组织 .GCr15， W18Cr4V ， 20Cr2Ni4 ， 40CrNiMo ， T10， 0Cr8Ni9 ，20， Cr12MoV ， 65Mn
答：选择渗碳钢 20Cr2Ni4 ，该钢进行渗碳处理后，可以达到表硬里韧的效果，表面高硬度， 耐磨、疲劳强度高，心部韧性好，可以承受较大冲击作用。 热处理：渗碳 + 淬火 + 低温回火
4. 调质钢中常用哪些合金元素？这些合金元素各起什么作用？常用的合金元素有 Mn,Cr,Mo,V,Si,Ni,B
Mn:能大为提高钢的淬透性，但容易使钢有过热倾向，并有回火脆性倾向 Cr：提高钢的淬透性的同时还提高回火稳定性，但是有回火脆性倾向 Ni ：非碳化物形成元素，能有效的提高钢基体的韧度，并且 用很大，但也有回火脆性倾向
Mo ：提高淬透性，既提高回火稳定性，细化晶粒，又能有效的消除或大为降低回火脆性倾 向。
V：强碳化物形成元素，有效地细化晶粒，如融入奥氏体能提高淬透性，降低钢的过热敏感性。
Ni-Cr 复合加入，提高淬透性作
5.某工厂原来使用
45MnSiV 生产φ8mm 高强度调质钢筋。要求σ >1450MPa，σ>1200MPa， b
S
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