金属材料学 题库 2

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第1章 钢的合金化概论

1、什么是合金元素？钢中常用的合金元素有哪些？

为合金化目的加入其含量有一定范围的元素称为合金元素。 Si,Mn,Cr,Ni,W,Mo,V,Ti,Nb,Al,Cu,B等。

2、哪些是奥氏体形成元素？哪些是铁素体形成元素？

在γ-Fe中有较大溶解度并稳定γ固溶体的元素称为奥氏体形成元素：Ni、Mn、Co，C、N、Cu；无限互溶，有限溶解。

在α-Fe中有较大溶解度并稳定α固溶体的元素称为铁素体形成元素：Cr、V，W、Mo、Ti。 3、合金元素在钢中的存在形式有哪几种？

固溶体、化合物、游离态。（其中，化合物分为：碳化物、金属间化合物、非金属夹杂物） 4、哪些是碳化物形成元素？哪些是非碳化物形成元素？ Zr、Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe（强->弱） 非K：Ni、Si、Al、Cu。

5、钢中的碳化物按点阵结构分为哪几类？各有什么特点？什么叫合金渗碳体？特殊碳化物？ 1）①简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。 特点：硬度高，熔点高，稳定性好。 ②复杂点阵结构：M23C6 、M7C3 、M3C。 特点：硬度、熔点较低，稳定性较差。

2）合金渗碳体：当合金元素含量较少时，溶解于其他碳化物，形成复合碳化物，即多元合金碳化物。如Mo，W，Cr含量较少时，形成合金渗碳体。 3）特殊碳化物：随着合金元素含量的增加，碳化物形成了自己的特殊碳化物。VC，Cr7C3，Cr23C6。 6、合金钢中碳化物形成规律。

1、K类型的形成 K类型与Me的原子半径有关。 rc/rMe < 0.59 —简单结构相，如Mo、W、V、Ti； rc/rMe > 0.59 —复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe 。 Me量少时，形成复合K，如（Cr, M）23C6型 。 2、相似者相溶

形成碳化物的元素在晶体结构，原子尺寸和电子因素都相似，则两者碳化物完全互溶，否则就有限互溶

3、强碳化物形成元素优先与碳结合形成碳化物。 4、Nm/Nc比值决定了K类型

5、碳化物稳定性越好，溶解越难，析出越难，聚集长大也越难。 7、合金元素对铁碳平衡相图的影响。

1对临界温度的影响 a）Ni，Mn，Co，N,Cu，等元素扩大A相区，降低A1，A3点 b）其他元素扩大F相区，提高A1，A3点 c）大多数Me使ES线左移，即Acm增加 2对E，S点位置的影响 所有合金元素都使E，S点向左移动

8、为什么比较重要的大截面的结构零件都必需用合金钢制造？与碳钢比较，合金钢有何优点？

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碳透性高，韧度结为大截面构零件要求强度，淬 1）因 满足，需要足特殊定性好， 法钢无好，

能满粒细化，淬透性高，回火稳： 2）优点晶 。能要求高合性能满足性综

？的影响氏体晶粒长大9、合金元素对奥，著作用显体晶粒长大的碳化物形成元素阻止奥氏T 1）i、Nb、V等强 。用中等W，Mo作 。粒长大进奥氏体晶C、N、B，P等元素促 2） 大晶粒长中碳以促进中有细化晶粒作用，在 3）Mn在低碳钢温高促进量较大时，止奥氏体晶粒长大，含 4）Al，Si量少时，阻 大粒长α晶 大响不晶粒长大影物形成元素对奥氏体 5）非碳化 ?影响火转变的10、合金元素对回使其在回火转变但由于合金元素的加入，淬火合金钢进行回火时，其组织转变与碳钢相似。防止第二类) (３２)产生二次硬化 时具有如下特点：(１)提高淬火钢的回火稳定性 ( 回火脆性

响的影体分解期 一、对马氏 大；e影响不e扩散较困难，M和低温回火：CM 响:同程度影，对M分解产生不中温以上：Me活动能力增强 小；的影响很1）Ni、Mn

。有关力大小它们与C的亲和K形成元素阻止M分解，其程度与）2 大；析出长止了渗碳体的↓这些Me碳活度ac，阻 。M分解℃时强烈延缓0）Si比较特殊：< 303生发以上，会到200℃温变的影响 当回火度达、对 二残余奥氏体转 全不完，但转变仍变过冷奥氏体恒温转规律氏残留奥体的分解，遵循 响的影碳化物析出 三、对 用碍作很好的阻强碳化物形成元素有集1）碳化物聚长大 Si和原Fe不但取代强碳化物形成元素变2）碳化物成分化和类型转变

化物稳定碳生转变，生成更化子，达到一定量时碳物类型发，时）比较高例（Nm/Nc元物形成 碳化物形成素与碳比3）特殊碳化 物殊碳化火时析出特回 著？透性作用显合哪些金元素提高钢的淬11、 i。Si、Nn、Mo、Cr、的： 淬透性钢淬火时获得M能力。B、M

的钢提高些元素有哪？性性稳定？提高回火稳定的合金回、12什么叫火 ？作用定性有何稳回火 Mo。Mn，Ni，淬火钢在回火时，抵抗强度、硬度下降的能力称为回火稳定性。Cr，作用：在达到相同硬度的情况下，合金钢的回火温度比碳钢高，回火时间也应适当增长，可进一步消除残余应力，因而合金钢的塑性、韧性较碳钢好；而在同一温度回火时，合金钢的强度、硬度比碳钢高。 13、什么是回火脆性？各在什么条件下产生？如何消除或减轻？

淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象，回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。

1） 第一类回火脆性，主要发生在回火温度为 200～350℃时，具有不可逆性、与回火后 - 2 -

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的冷却速度无关、断口为沿晶脆性断口。防止方法：无法消除,不在这个温度范围内回火， （1）Si元素可有效推迟脆性温度区； （2）用Al脱氧或加入W、V、Ti等合金元素细化A晶粒及采用含W,Mo,V的合金，降低敏感性；

（3）回火时快速加热，短时保温；（5）采用等温淬火

2）第二类回火脆性，发生的温度在 450～650℃，具有可逆性、与回火后的冷却速度有关、断口为沿晶脆性断口。防止方法：（1）降低钢中的有害元素；（2）加入能细化A晶粒的元素（Ti,Nb,V）；

（3）加入适量Mo、W元素；（4）避免在第二类回火脆性温度范围回火（5）回火后快冷 14、合金元素对“C”曲线、珠光体转变、贝氏体转变、Ms点的作用？ 一、对“C”曲线

1）Ni、Si、弱碳化物形成元素，Mn大致保持 “C”线形状，使 “C”线向右作不同程度的移动；

2）Co不改变“C”线，但使“C”线左移；

3）K形成元素，使“C”线右移，且改变形状。Me不同作用，使“C”曲线出现不同形状，大致有五种。

二、过冷A体的P、B转变

P转变:奥氏体形成元素降低Ac,使转变温度降低，过冷度减小，转变驱动力减小。铁素体形成元素升高Ac,使转变温度增大。除Co，Al外的合金元素总是不同程度的推迟珠光体转变，使珠光体转变曲线右移

B转变:Mn、Ni、Cr、V降低Bs点，在珠光体和贝氏体转变温度之间出现过冷奥氏体中温稳定区;奥氏体形成元素Ni,Mn降低Bs点。使贝氏体转变的驱动力减小，孕育期增长，转变速度减慢。

三、对Ms点：除Co、Al外，所有溶于奥氏体的合金元素都使Ms、Mf点下降，使钢在淬火后的残余奥氏体量增加。

15、白点和层状断口的形成原因是什么？

由于钢中氢的重新分布与聚集，破坏了钢的可塑性，使钢变脆。失去塑性的钢在氢压力与钢中的内应力的同时作用下很容易在氢聚集处沿金属强度弱的方向产生局部脆性开裂，即形成所谓氢致裂纹——白点。

层状断口:主要原因是钢锭结晶过程中夹杂物在晶界上沉积，在热加工时沉积在晶界上的夹杂物沿加工方向伸长，使晶界变脆，形成层状断口。

16 综合分析合金元素在α-Fe和γ-Fe中周期性溶解规律和形成无限固溶体的必要和充分条件 奥氏体形成元素使A3温度下降，A4温度上升，奥氏体稳定存在相区扩大 铁素体形成元素则相反。

合金元素与铁形成置换固溶体，他们扩大或缩小γ相区的作用与该元素在周期表中位置有关，与他们的点阵结构，电子因素和原子大小有关，有利于扩大γ相区的合金元素，其本身具有面心立方点阵或在其多型性转变中有面心立方点阵，与铁的电负性相似近，与铁的原子尺寸相近。 单位溶质原子溶于γ相中所吸收的热记为Hγ，单位溶质原子溶于α相中所吸收的热记为Hα，Hγ-Hα=H，H>0，铁素体形成元素，H<0,奥氏体形成元素 17、什么是内吸附现象？

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合金元素溶入基体后，与钢中的晶体缺陷产生相互作用，导致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或偏聚现象。

18从合金元素对γ，α相自由能的影响及其在合金钢中的扩散规律，试分析那些基本因素影响合金钢相变

对自由能的影响：（1）C，Mn，Cr，Ni降低相变驱动力ΔFv （2）Al，Co增加相变驱动力 (3)Mo,W対相变驱动力影响不大。ΔFv相变自由能差。

前部分与16题同。1）合金钢在加热奥氏体化时，碳氮化物在奥氏体中的溶解规律及合金元素对奥氏体形成和长大的影响 2）过冷奥氏体分解中，合金元素对C曲线，珠光体，贝氏体，马氏体转变的影响 3）合金钢回火转变时，合金元素对马氏体分解，残留奥氏体转变和碳化物析出的影响 4）合金元素对回火脆性的影响

19讨论合金钢加热时碳化物与氮化物的溶解规律和合金元素对奥氏体晶粒的影响，并分析其理论和实际意义

1）碳氮化物稳定性越好，在钢中溶解度越好 2）随温度下降，各种碳化物溶解度下降 3）奥氏

体中存在比较弱的碳化物形成元素，会降低奥氏体的碳活度ac，促进稳定性好的碳化物溶解 4）稳定性较差的碳化物加热奥氏体化时先溶解，稳定性好的后溶解。 对奥氏体形核和长大的影响。

碳化物形成元素提高碳在奥氏体中的扩散激活能，对奥氏体形成有阻碍作用，非碳化物形成元素降低扩散激活能，加速奥氏体形成。晶粒长大同第九题。 控制奥氏体形核与长大，可以达到自己想要的性能。

20讨论合金元素对珠光体转变的基本规律，强碳化物形成元素产生铁素体碳化物两相集合体的类型及其实际意义

1）强碳化物形成元素推迟转变 2）中强碳化物形成元素推迟珠光体形核与长大，增大固溶原子间结合力及铁的自扩散激活能，推迟转变 3）除Co，Al外合金元素总是不同程度的推迟珠光体转变，使珠光体转变曲线右移。

强碳化物形成元素（Nb,Ti,V等），在奥氏体分解时，优先与C形成VC,NbC,TiC等熔点和硬度极高的特殊碳化物或合金渗碳体。所以奥氏体分解形成了铁素体+碳化物（或铁素体+合金渗碳体），而非共析成分。该过程不仅需要碳的扩散和重新分布，而且还需要碳化物形成元素在奥氏体中的扩散和重新分布。所以珠光体转变推迟。

21、合金钢的二次硬化现象的本质及其实际意义。

二次硬化：在含有Ti, V, Nb, Mo, W等较高合金钢淬火后，在500- 600℃范围内回火时，在α相中沉淀析出这些元素的特殊碳化物，并使钢的硬度和强度提高。 本质为：一、合金马氏体在高温回火时合金碳化物的脱落，引起马氏体回火二次硬化；二、残留奥氏体二次淬火，回火转变为马氏体。 二次硬化使钢在高温下能保持较高的硬度，这对工具钢极为重要，如高速钢。 22、总结合金元素对……的影响。 一、变形开裂倾向

合金元素决定淬透性，淬透性和合金钢的性质决定淬火内应力的大小和种类。淬火内应力有三种，综合作用控制着工件的变形和开裂倾向：热应力→变形; 组织应力→ 开裂;

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附加应力较复杂。

完全淬透的工件表面易产生裂纹。随钢中碳含量增加，裂纹倾向增大。 二、过热敏感性

指淬火钢加热时，奥氏体晶粒急剧长大的敏感性→ 含Mn钢过热敏感性较大。含V钢可有效降低过热敏感性

三、氧化脱碳倾向 钢中碳含量越高，脱碳倾向越大。W，Al，Si，Co时脱碳倾向增大，而Cr，Mn阻止脱碳。

四、回火稳定性 合金元素滞缓马氏体的分解和残余奥氏体的转变，提高铁素体的再结晶温度，阻碍碳化物的聚集长大而保持较大弥散度，促使淬火钢回火时更稳定。

五、回火脆性 对第一类回火脆性：Mo，W，V，Al可稍微减弱回火脆性，Mn，Cr则促进回火脆性的发展，加入Si，Cr可使回火脆性温度提高。

对第二类回火脆性“Mn，Cr，Ni增加回火脆性敏感性，Mo，W降低回火脆性敏感性。 六、白点敏感性 氢含量是白点产生的必要条件，内应力为充分条件。在C>0.3%的Ni-Cr、Ni-Cr-Mo、Ni-Cr-W马氏体钢中白点敏感性最大。 七、冷成形性

合金元素溶入基体产生不同程度的畸变，冷作硬化率提高，冷成型性下降。P、Si、C等元素提

高冷作硬化率，需要冷成型的材料应严格控制P、N量，尽可能降低Si、C等量。 八、热压力加工性

Me溶入基体导致热压力加工性能下降。如Mo、W、Cr、V等元素影响较大。 九、切削加工性

不同含C量的钢要得到较好的切削性，其预处理是不同的。Al2O3,SiO2,氮化物，复杂氧化物，硅酸盐等，硬度高，对切削不利。Mn，S加入易切削，硒，碲化合物也有利于切削。 23怎么理解有些元素（Cr）是铁素体形成元素，使奥氏体不稳定。而对冷奥氏体的影响又起稳定奥氏体作用，使C曲线右移

首先它们是铁素体形成元素，降低A3温度，提高A4温度，缩小γ稳定存在区，但它们也是碳化物形成元素，延长孕育期时间，稳定奥氏体。

24多元少量，复合作用的合金化原则为何被采用，试举例说明各元素符合作用机理

因为合金元素能对某些方面起积极的作用，但很多情况下还有不希望的副作用。不同的合金元素，其作用是不同的，一般不是简单地线性关系，而是相互补充，相互加强，所以通过合金元素的复合能趋利避害，是刚获得优秀综合性能。如耐热钢钢中，Mo-Cr-V的复合作用，Cr提高固溶体电极电位，符合n/8定律；Mo提高原子间结合力，提高钢的热强性；V是强碳化物形成元素，形成的VC稳定性好，弥散分布，提高热强性。多个元素的复合作用不是单个元素的叠加。 25、钢的强化机制有哪些？为什么一般钢的强化均用淬火、回火？ 固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相弥散强化。

淬火后得到马氏体或下贝氏体，强度硬度高，但有残余奥氏体，回火消除应力及脆性，稳定工件尺寸，提高韧性。且淬、回火充分利用以上四种强化机制。

26试解释含Mn稍高的铬镍钢易过热，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。

Mn降低钢的A1温度，促进晶粒长大，增大过热敏感性

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Si提高了A1温度，所以要提高淬火温度。溶入基体，点阵结构产生不同程度的畸变，提高了冷作硬化率，硬而脆，不易变形，且一变形便变硬，不利于冷变形加工 27、微量元素的作用。钢中的微合金化元素。

有益作用 1）净化作用 2）变质作用 3）改变夹杂物性质和形态4）微合金化

有害作用 元素偏析，吸附在晶体缺陷和晶界处，影响刚的性能（塑韧性，热塑性，焊接性等） 常用微合金化元素：B,N,V,Ti,Zr,Nb,RE; 28、提高韧性的合金化途径。

1）细化晶粒、组织 2）提高钢的回火稳定性 3）改善基体韧度 4）细化碳化物 5）降低或消除钢的回火脆性 6）在保证强度水平下，适当降低碳含量7）提高冶金质量。8）通过合金化形成一定量残余奥氏体，利用稳定的残余奥氏体提高韧度

29怎样理解“合金钢与碳素钢的强度性能差异，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，且合金元素的良好作用，只有在适当的热处理条件下才能表现出来。”

提纲【合金的主要作用：

a.产生相变，如扩大某个相区（奥氏体区）以得到某种对应的特殊性能. b.细化晶粒，改善机械性能，如缺口敏感性、淬透性。

c.改变热处理工艺，如提高钢材的热处理组织的稳定性，降低热处理温度、缩短热处理时间、提