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1、金属材料学第二版戴起勋第一章课后题答案第一章 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989，钢件在大于1000的热加工温度时FeS会熔化，所以易产生热脆； P能形成Fe3P，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
2、化物形成规律。 答：当rC/rM0.59时，形成复杂点阵结构；当rC/rM400，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.哪些合金元素能显著提高钢的淬透性？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著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
3、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？ 答：提高回火稳定性的合金元素：Cr、Mn、Ni、Mo、W、V、Si 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回火时，Fe3C薄膜在奥氏体晶界形成，削
4、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；
5、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，固溶强化效果显著；（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
6、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，固溶强化效果显著；（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
7、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Mo） 是铁素体形成元素，固溶强化效果显著；（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，固溶强化效果显著；（强度增加，韧性减小）是强碳化物形成元素
8、，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晶粒长大的作用显著，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。 Ni: 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。 11. 根据合金元素在
9、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著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：40CrMn40Cr 40CrNi40CrNiMo 韧性：40CrNiMo40CrNi40CrMn40Cr（Ni能够改善基体的韧度） 回火脆性：40CrNi40CrMn40Cr
10、40CrNiMo（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
11、著地扩散。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。所以在轧
12、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
13、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 17.40Cr、40CrNi、40CrNiMo钢，其油淬临界淬透直径Dc分别为25-30mm、40-60mm、60-100mm，试
14、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著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著。 18.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-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
