金属材料学

名词解释

合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或机

械性能的化学元素。（常用Me表示）

微合金元素：有些合金元素如V，Nb，Ti, Zr和B等，当其含量只在0.1%左右（如B 0.001%，V 0.2 %）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。

奥氏体形成元素：在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ-Fe的元素C,N,Cu,Mn,Ni,Co,W

等

铁素体形成元素：在α-Fe中有较大的溶解度，且能α-Fe稳定的元素Cr，V，Si，Al，Ti，Mo等

原位析出：指在回火过程中，合金渗碳体转变为特殊碳化物。碳化物形成元素向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时, 合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物。如Cr

钢碳化物转变

异位析出：含强碳化物形成元素的钢，在回火过程中直接从过饱和α相中析出特殊碳化物，同时伴随着渗碳体的溶解，如V，Nb，Ti。（Ｗ和Mo既有原味析出又有异位析出）

网状碳化物：热加工的钢材冷却后，沿奥氏体晶界析出的过剩碳化物（过共析钢）或铁素

体（亚共析钢）形成的网状碳化物。

水韧处理：高锰钢铸态组织中沿晶界析出的网状碳化物显著降低钢的强度、韧性和抗磨性。将高锰钢加热到单相奥氏体温度范围，使碳化物完全溶入奥氏体，然后在水中快冷，使碳化

物来不及析出，从而获得获得单相奥氏体组织。（水韧后不再回火）

超高强度钢：用回火M或下B作为其使用组织，经过热处理后抗拉强度大于1400 MPa （或屈服强度大于1250MPa）的中碳钢，均可称为超高强度钢。

晶间腐蚀：沿金属晶界进行的腐蚀（已发生晶间腐蚀的金属在外形上无任何变化，但实际

金属已丧失强度）

n/8规律：随着Cr含量的提高，钢的的电极电呈跳跃式增高。即当Cr的含量达到1/8，2/8，3/8，……原子比时，Fe的电极电位就跳跃式显著提高，腐蚀也跳跃式显著下降。这个定律

叫做n/8规律。

黄铜： Cu与Zn组成的铜合金

青铜： Cu与Zn、Ni以外的其它元素组成的铜合金

白铜： Cu与Ni组成的铜合金

灰口铸铁：灰口铸铁中碳全部或大部分以片状石墨形式存在，其断口呈暗灰色。（片状石墨

对基体产生割裂作用，并在尖端造成应力集中，故灰口铸铁力学性能较差）

可锻铸铁：可锻铸铁中的碳全部以或大部分以图案絮状的石墨形式存在，它是由一定成分的

白口铸铁经长时间高温石墨化退火而形成的。又称韧性铸铁。

蠕墨铸铁：蠕墨铸铁中的碳大部分以蠕虫状石墨形式存在。（高耐热性）

麻口铸铁：：麻口铸铁中的碳一部分以渗碳体形式存在，另一部分以石墨形式存在，端口呈

黑白相间。（无实用价值）。

基体钢：指其成分含有高速钢淬火组织中除过剩余碳化物以外的基体化学成分的钢种。（高

强度高硬度，韧性和疲劳强度优于高速钢，可做冷热变形模具刚，也可作超高强度钢）

双相钢：是指显微组织主要是由铁素体和５％－２０％体积分数的马氏体所组成的低合金高

强度结构钢，即在软相铁素体基体上分布着一定量的硬质相马氏体。

黑色组织：高速钢在实际铸锭凝固时，冷速＞平均冷速。合金元素来不及扩散，在结晶和固

态相变过程中转变不能完全进行，共析转变形成δ共析体为两相组织，易被腐蚀，在金相组

织上呈黑色，而称作黑色组织。

低（中高）合金钢：合金元素总量小于５％的合金钢叫低合金钢。合金含量在５％－１０％

之间的合金钢叫中合金钢。大于１０％的高合金钢。

二次淬火，二次硬化：见后面问答题

第一章

1、合金元素V、Cr、W、Mo、Co、Ni、Cu、Ti、Al中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥

氏体形成元素？哪些能在a-Fe中形成无限固溶体？哪些能在γ-Fe中形成无限固溶体？为什么？

答：奥氏体形成元素：C,N,Cu,Mn,Ni,Co,W等。

铁素体形成元素：Cr，V，Si，Al，Ti，Mo。

V、Cr与α-Fe可形成无限置换固溶体；

Mn、Co、Ni与γ-Fe可形成无限置换固溶体。

决定组元在置换固溶体中的溶解条件是：(1)溶剂与溶质的点阵相同；(2)原子尺寸因素(形成无限固溶体时，两者之差不大于±8%)；(3)组元的电子结构(组元在周期表中的相对位置)。

2、简述合金元素对铁碳相图（如共析碳量等等临界点）的影响。

答：1．改变奥氏体相区位置奥氏体形成元素均使奥氏体存在的区域扩大，其中开启γ相区的元素如,Ni Mn含量较多时可使钢在室温下得到单相奥氏体相区。铁素体形成元素均使奥氏体的相区缩小，其中封闭γ相区的元素如Cr Ti Si等超过一定含量时，可使钢在室温获得单相铁素体组织。

2．改变共析转变温度扩大γ相区的元素，使共析转变温度降低。缩小γ相区的元素，使其升高。）

3．改变Ｓ和Ｅ等临界点的含碳量几乎所有合金元素均使共析点含碳量降低，即左移。

３.合金钢中碳化物形成元素（V，Cr，Mo，Mn等）所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。

答：基本类型：MC型，M2C型，是简单点阵结构，其特点是硬度较高，熔点较高，稳定较好；M23C6型，M7C3型，M3C型，是复杂性点阵结构，与简单点阵相比，其硬度较低，熔点较低，稳定性较差；M6C型是复杂点阵结构，但是从性能上接近简单点阵结构，稳定性比M23C6型，M7C3型好。

各种K相对稳定性如下：MC→M2C→M6C→M23C6→M7C3→M3C

（高-------------------------低）

４．如何利用合金元素来消除或预防第一次、第二次回火脆性？

1）低温回火脆性（第I类，不具有可逆性）

其形成原因：沿条状马氏体的间界析出K薄片；

防止：加入Si, 脆化温度提高300℃；加入Mo, 减轻作用。

2)高温回火脆性（第II类，具有可逆性）

其形成原因：与钢杂质元素向原奥氏体晶界偏聚有关。防止：加入W，Mo消除或延缓杂质元素偏聚.

５．如何理解二次硬化与二次淬火两个概念的相关性与不同特点。

答：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HRC和强度提高。(但只有离位析出时才有二次硬化现象)

二次淬火：在强K形成元素含量较高的合金钢中淬火后γ’十分稳定，甚至加热到500-600℃回火时升温与保温时中仍不分解，而是在冷却时部分转变成马氏体，使钢的硬度提高。

相同点：都发生在合金钢中，含有强碳化物形成元素相对多，发生在淬回火过程中，且回火温度550℃左右。

不同点：二次淬火，是回火冷却过程中Ar转变为m，是钢硬度增加。二次硬化：回火后，钢硬度不降反升的现象（由于特殊k的沉淀析出）

６．一般地，钢有哪些强化与韧化途径？

强化固溶强化细晶强化形变强化第二相强化

韧化1、细化晶粒2、提高钢的耐回火性3、改善基体韧性4、细化碳化物5、调整化学成分6、形变热处理7、低碳马氏体强韧化８、提高冶金质量

█７.２０Ｓｉ２Ｍｎ２ＭｏＶ钢合金化与强韧化机理

答：1；采用“多元少量”的合金化原则，以优化马氏体结构，使其基本保持位错型

2；加入Ｓｉ以抑制回火马氏体的脆性，钢的固溶强化效应增大，塑韧性下降。

3；通过加入Ｍｎ可以提高钢的淬透性，保证在马氏体板条相界形成稳定的残余奥氏体薄膜，达到固溶强化效应，刚的塑韧性下降

4；加入Ｍｏ有固溶强化作用，提高回火稳定性，能防止减轻第二类回火脆性

5；加入Ｖ提高第二相强化作用，细化晶粒，改善强韧性

第二章工程结构钢

1．对工程结构钢的基本性能要求是什么？

答：（1）足够高的强度、良好的塑性;

（2）适当的常温冲击韧性，有时要求适当的低温冲击韧性;

（3）良好的工艺性能。

2．低合金高强度钢的合金化特点

答：低合金高强度钢是指在碳质量分数低于０.２５％的普通碳素钢的基体上通过添加一种或多种少量合金元素（总质量分数低于３％），使钢的强度明显高于碳素钢的一类工程结构钢。为提高碳素工程结构钢的强度，而加入少量合金元素，利用合金元素产生固溶强化、细晶强化和沉淀强化。利用细晶强化使钢的韧-脆转变温度的降低，来抵消由于碳氮化物沉淀强化使钢的韧-脆转变温度的升高。

3．什么是微合金钢？微合金化元素在微合金化钢中的主要作用有哪些？试举例说明。

答：微合金钢：利用微合金化元素Ti, Nb, V；

主要依靠细晶强化和沉淀强化来提高强度；

利用控制轧制和控制冷却工艺----- 高强度低合金钢

作用：1）抑制奥氏体形变再结晶；例：再热加工过程中，通过应变诱导析出铌、钛、钒的氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上，起钉扎作用，有效地阻止奥氏体再结晶的晶界和位错的运动，抑制再结晶过程的进行。

2)阻止奥氏体晶粒长大；例：微量钛（w≤0.02%）以TiN从高温固态钢中析出，呈弥散分布，对阻止奥氏体晶粒长大很有效。

3)沉淀强化；例：w(Nb)≤0.04%时,细化晶粒造成的屈服强度的增量ΔσG大于沉淀强

化引起的增量ΔσPh;当w(Nb)≥0.04%时, ΔσPh增量大大增加,而ΔσG保持不变。

4)改变与细化钢的组织；例：在轧制加热时，溶于奥氏体的微合金元素提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了发生先共析铁素体和珠光体的温度范围，低温下形成的先共析铁素体和珠光体组织更细小，并使相间沉淀Nb(C,N)和V(C,N)的粒子更细小。

１.调质钢、弹簧钢进行成分、热处理、常用组织及主要性能的比较，并熟悉各自主要钢种。答：

主要钢种:

A.调质钢：按淬透性大小可分为几级：

1）40，45，45B

2）40Cr，45Mn2, 45MnB, 35MnSi

3）35CrMo, 42MnVB, 40MnMoB ，40CrNi

4）40CrMnMo, 35SiMn2MoV，40CrNiMo

B.弹簧钢：1）Mn弹簧钢：60Mn，65Mn

2）MnSi弹簧钢：55Si2Mn，60Si2MnA

3）Cr弹簧钢：50CrMn，50CrV A, 50CrMnV A (使用T<300℃)

4）耐热弹簧：30W4Cr2V A (可达500℃)

5）耐蚀弹簧：3Cr13, 4Cr13, 1Cr18Ni9Ti （温度<400℃）

２.马氏体时效钢与低合金超强钢相比，在合金化、热处理、强化机制、主要性能等方面有

３、G Cr15钢是什么类型的钢？这种钢中碳和铬的含量约为多少？碳和铬的主要作用分别是什么？其预先热处理和最终热处理分别是什么？

答：高碳铬轴承钢。

C含量1%，Cr含量1.5%。

C的作用：固溶强化提高硬度; 形成碳化物。

Cr的作用：提高淬透性、耐磨性、耐蚀性

预先热处理：（扩散退火，正火）+ 球化退火

最终热处理：淬火+ 低温回火+（稳定化处理）

４．高锰钢在平衡态、铸态、热处理态、使用态四种状态下各是什么组织？为何具有抗磨特性？

平衡态组织：α+ （Fe，Mn）3C 铸态组织：γ（+ α） +碳化物

固溶处理后组织：单相γ使用状态下组织: 表面硬化层 + 内部γ

高冲击和强挤压下，通过大形变在奥氏体基体中产生大量层错、形变孪晶、位错缠结、ε（α）-马氏体，其表面层迅速产生加工硬化，在滑移面上形成硬化层，表面硬度极大地提高到HB550左右，而心部仍保持韧性的奥氏体。

第四章

1．从总体看，工具钢与结构钢相比，在主要成分、组织类型、热处理工艺、主要性能与实际应用方面各自有何特点？

２、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钨、Mo钼、V钒、Co钴、N氮。

３．18-4-1高速钢的铸态显微组织特征是什么？为什么高速钢在热处理之前一定锻造？

铸态组织：鱼骨状Le+黑色与白色组织

铸态高速钢由于组织中存在大量粗大的共晶碳化物，并呈不均匀的网状分布，因而严重影响高速钢的性能，所以必须经过锻轧将其破碎，使其尽可能成为均匀分布的颗粒状碳化物４．高速钢18-4-1的最终热处理的加热温度为什么高达1280℃？在加热过程中为什么要在600~650℃和800~850℃进行二次预热保温？

加热温度高：为使奥氏体中合金度含量较高，应尽可能提高淬火温度至晶界熔化温度偏下（晶粒仍然很细，8-9级）。

目标：淬火后获得高合金的M组织，具有很高抗回火稳定性；

在高温回火时析出弥散的合金碳化物产生二次硬化，使钢具有高的硬度和热硬性。

一次或两次预热：由于高合金的高速钢导热性差，为防止工件加热时变形，开裂和缩短加热的保温时间以减少脱碳。

5.高碳高珞冷作模具钢性能特点，元素作用及其热处理工艺及组织是什么？

答；性能特点;具有高强度和耐磨性，也要有一定的韧性，足够的淬透性，淬火变形小，Ｃ；提高硬度和耐磨性Ｃｒ；增加淬透性和耐磨性

高碳高铬型钢的淬火回火处理通常有一次硬化（采用较低的淬火回火温度），980~1030℃淬火+150~170℃低温回火，得到的组织马氏体和少量残奥

二次硬化法（采用高的淬火温度进行多次回火处理），淬火温度1050~1100℃+490~520℃多次回火，得到的组织马氏体

第五章

1. 合金元素对不锈钢的影响。

答：合金元素：Cr决定和提高耐蚀性的主要元素；

Ni可提高耐蚀性；

C与Cr形成碳化物，降低耐蚀性；

Mn，N提高高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性；

Mo提高不锈钢的钝化能力；

Cu少量加入可有效地提高不锈钢在硫酸及有机酸中的耐蚀性；

Si提高在盐酸、硫酸和高浓度硝酸中耐蚀性。

2.奥氏体不锈钢晶间腐蚀产生的原因，影响因素与防止方法。

产生的原因：这类钢在加热到450-850温度区间会发生敏化，过饱和的固溶的碳向晶粒边界扩散，与晶界附近的铬结合形成铬的碳化物Cr23C6，并在晶界析出，由碳比铬的扩散快的多，铬来不及从晶内补充到晶界附近，以至于邻近晶界的晶粒周边的Cr的质量分数低于12%，即所谓的“贫铬”现象，从而造成晶间腐蚀

影响因素：不锈钢的碳含量;化学成分；加热温度；加热时间。

防止方法：1）超低C；2）改变K类型，加Ti, Nb固C，并稳定化处理；3）固溶处理，重新使K溶解于γ中；4）获得γ+δ（10-50%）双相组织

3.耐热钢中合金元素的作用是什么？耐热钢的种类？

铬：提高钢抗氧化性的主要元素

钼，钨：提高低合金耐热钢热强性能的重要元素

铝：提高钢抗氧化性的有效元素

硅：提高抗氧化性的辅助元素

镍：主要是获得工艺性能良好的奥氏体组织而加入

钛，铌，钒：这些强碳化物形成元素能形成稳定的碳化物，提高钢的松弛稳定性，也提高热强性

碳：碳能强化钢，在较低温度时，钢的蠕变主要是以滑移为主，碳有强化作用；在较高温度下，钢的蠕变是以扩散塑性变形为主，而碳促进了碳原子的自扩散，所以起了不利的作用。种类：珠光体耐热钢，马氏体耐热钢，奥氏体耐热钢

F型耐热钢： 350-650℃包括F-P、F、M耐热钢

奥氏体耐热钢：600-850℃包括固溶强化、沉淀强化奥氏体耐热钢

高温合金：Ni 、Co基合金，650-1150℃

难熔合金：Mo、 Nb基合金，>1000℃

第六章铸铁

1．铸铁与钢相比，在主要成分、使用组织、主要性能上有何不同？

成分： C、Si含量高，S、P含量高

组织：钢的基体 +（不同形状）石墨；

性能：性能比钢要低，特别塑、韧性;G：HB3-5，屈强20MPa, 延伸率近为0;但具有优良的减震性、减摩性以及切削加工性能、优良的铸造性能、低的缺口敏感性；

2.可锻铸铁的其生产分几步？

生产：分两步： 1）生产白口铸铁；2）高温G化退火（900-980度,15h

铝合金

第七章

1. 1．以Al-4%Cu合金为例，阐述铝合金的时效过程及主要性能（强度）变化。

1）形成溶质原子（Cu）的富集区—GP[I] 与母相α（Al为基的固溶体）保持共格关系，引起α的严重畸变，使位错运动受阻碍，从而提高强度；

2）GP[I]区有序化—GP[II]区（θ’’）化学成分接近CuAl2，具有正方晶格，引起更严重的畸变，使位错运动更大阻碍，显著提高强度；

3）溶质原子的继续富集，以及θ’’形成θ’已达到CuAl2，且部分地与母相晶格脱离关系，晶格畸变将减轻，对位错阻碍能力减小，合金趋于软化，强度开始降低。

4）稳定相θ的形成与长大与母相完全脱离晶格关系，强度进一步降低。这种现象称为过时效。

2.变形铝合金分类，牌号及主要性能特点。

变形铝合金分为两大类：非热处理强化变形铝合金主要有防锈铝合金

热处理强化变形铝合金主要有硬铝、锻铝、超硬铝合金。防锈铝合金

性能：耐蚀性好；塑性好（易加工成形）；焊接性好；可利用冷加工硬化来提高强度

牌号： Al-Mn系 LF21 Al-Mg-（Mn） LF2, 3, 5, 6, 7, 10,11,12等

硬铝

Al-Cu-Mg合金系牌号：LY 具有良好的耐热性，强度高，但塑性及承受冷热加工能力差

超硬铝合金

Al-Zn-Mg-Cu系牌号：LC3，LC4，LC5，LC6，LC9

性能：强度高（淬火+120℃时效），但抗蚀性差（包铝），组织稳定性不好，工作温度小于120℃

锻铝合金

合金系 Al-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Ni-Fe 牌号：LD2，LD5，LD6，LD10；LD7，LD8，LD9 性能：良好的热塑性，较高的机械性能

3．铸造铝合金主要分为几类？说明主要铸造铝合金的合金系、牌号及主要性能特点。