材料结构与表征-金属部分复习大纲2014-答案

《材料结构与表征》考试大纲金属部分：1．钢铁热处理有何特点及其适用范围是什么？定义：热处理是指将钢在固态下加热、保温和冷却。以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺；特点：热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状；适用范围：只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。2．典型钢的普通热处理有哪些方法，适用范围如何？1、退火：将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺。如a、完全退火：细化组织和降低硬度提高塑性，去除内应力，主要用于亚共析钢铸、锻件；b、不完全退火：细化组织，降低硬度，主要用于中、高碳钢及低合金钢内的锻、轧件，组织细化程度低于完全退火；c、去应力退火：消除内应力，使之达到稳定状态，主要用于铸件、焊接件、锻轧件及机加工件。对于过共析钢，必须采用正火消除网状渗碳体及其他组织缺陷后，才可采用这种退火法；2、正火：将亚共析钢加热到Ac3+30-50度，共析钢加热到Ac1+30-50度，过共析钢加热到Accm+30-50度保温后空冷的工艺。适用范围：①低碳钢：提高硬度，改善加工性能，防止机加工粘刀，降低表面粗造度值；②中碳钢和合金钢：细化晶粒，均匀组织，为淬火做好准备；③高碳钢和高合金钢：消除网状碳化物，为球化退火作准备；④渗碳钢：消除渗层中的网状碳化物；⑤锻件和铸件：消除不正常组织（如粗晶等）；⑥要求不高的碳钢：消除不正常组织（如粗晶等）；3、淬火：将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。如a、单介质淬火：在单一冷却介质（如水、油、空气等）中淬火，达到硬度、强度等要求，为最常用的方法；b、双介质淬火：在两种淬火介质（如水—油、水—空气、油—空气等）中淬火，保证足够的淬硬层，避免淬裂，减少变形，适用于中、高碳钢零件和合金钢大型零件；c、分级淬火：先淬入浴槽中，使零件内外温度都达到浴槽介质的温度，然后再淬入另一种冷却较缓慢的介质，减少变形和开裂，适用于形状复杂、变形要求严格的零件，包括尺寸较小的合金钢、碳钢零件，尺寸较大零件或淬透性差的钢种；d、固溶处理：将其他相充分溶解到固溶体中，适用于沉淀硬化不锈钢、马氏体时效钢。4、回火：指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。如a、低温回火：150~250℃回火，获得回火马氏体组织。目的是在保持高硬度条件下，提高塑性和韧性，适用于超高强度钢、工模具钢、量具、刃具、轴承及渗碳钢；b、中温回火：350~500℃回火，获得托氏体组织。目的是获得高弹性和足够的硬度，保持一定的韧性，适用于中温超高强度钢、弹簧、热锻模具；c、高温回火：500~650℃回火，获得索氏体组织。目的是达到较高强度与韧性良好配合，适用于结构钢零件、渗氮件预备热处理；d、时效：从过饱和固溶体中析出金属间化合物，提高硬度、强度；5、渗碳：增加表面碳含量，提高表面硬度、耐磨性及抗疲劳性能，碳氮共渗与渗碳相似，但渗入温度略低，渗层较浅，变形较小，用于心部有一定强度和良好韧性而表面要求高硬度（HRc58~64）的场合，还用于提高耐磨性或疲劳性能的场合。主要用于齿轮、销类和轴类。3．说明共析钢的完全奥氏体化的过程。定义：奥氏体话是指在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织；过程：第一步奥氏体精河形成：首先在alpha与Fe3C相界形核；第二步奥氏体晶核长大：gama晶核通过碳原子的扩散想alpha和Fe3C方向长大；第三步残余Fe3C溶解：铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失；第四步奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。4．下列说法是否正确？为什么？（1）马氏体是硬而脆的相；错，高硬度是马氏体性能的主要特点。马氏体的硬度主要取决于其含碳量。随着含碳量增加，其硬度增加。而马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，而板条马氏体具有较好的塑性和韧性。（2）过冷奥氏体的冷却速度大于Vk时，则冷速越大，所得马氏体的硬度越高；错，马氏体硬度取决于含碳量,与冷却速度无关（3）钢中的合金元素含量越高，其淬火后的硬度也越高；错,合金元素对淬透性的影响大,但对硬度影响小（4）本质细晶粒钢的晶粒总是比本质粗晶粒钢的晶粒细；错,晶粒的大小与加热温度和保温时间有关.本质细晶粒钢只是加热时长大的趋向比本质粗晶粒钢小,但不代表本身比本质粗晶粒钢的晶粒细（5）同种钢材在同样的加热条件下，总是水冷的比油冷的淬透性好，小件比大件的淬透性好。水的冷却能力强，但低温冷却能力太大，只适用于形状简单的碳钢件；油的低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，适用于合金钢和小尺寸的碳钢件。5．什么是合金钢？与碳钢相比合金钢有哪些优点？加入钢中的合金元素有哪些作用？请举例说明。合金钢是指钢中除含硅和锰作为合金元素或脱氧元素外，还含有其他合金元素（如铬、镍、钼、钒、钛、铜、钨、铝、钴、铌、锆和其他元素等），有的还含有某些非金属元素（如硼、氮等）的钢。合金钢根据加入合金元素的不同，具有不同的性能，如高的耐磨性、耐蚀性、耐低温、高磁性等良好的特殊性能。1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。2、硅（SI）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。3、锰（MN）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。4、铬（CR）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。5、镍(NI)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。6、钼(MO)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。7、钛(TI)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。8、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。9、钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。10、铌(NB)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。11、铜(CU)：铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。12、铝(AL)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性13、硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。14、氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。6．如何通过合金化来提高钢的耐蚀性？要想提高不锈钢的强度，应采取什么措施？提高钢的耐腐蚀性的方法有：①金属镀层、②阴极保护、③磷化、④发蓝、⑤阳极化、⑥涂漆层等。⑦涂防蚀油膏。金属材料在高温下的腐蚀是化学腐蚀，在常温下的腐蚀是电化学腐蚀。因此在常温下要金属材料的耐腐蚀性，一方面要尽量使合金呈单一均匀组织；另一方面更重要的是提高合金本身的电极电位。提高耐腐蚀性：1、提高金属或合金的热力学稳定性，即向原不耐蚀的金属或合金中加入热力学稳定性高的合金元素，使形成固溶体以及提高合金的电极电势，增强耐蚀性。如Cu中加Au，Ni中加入Cu、Cr等，即属此类。不过这种大量加入贵金属的办法，在工业结构材料的应用是有限的；2、加入易钝化合金元素，如Cr、Ni、Mo等，可提高基体金属的耐蚀性。钢中加入适量的Cr，即可制得铬系不锈钢。实验证明，在不锈钢中，含Cr量一般应大于13%时才能起抗蚀作用，Cr含量越高，其耐蚀性越好。这类不锈钢在氧化介质中有很好的抗蚀性，但在非氧化性介质如衡硫酸和盐酸中，耐蚀性较差。这是因为非氧化性酸不易使合金生成氧化膜，同时对氧化膜还有溶解作用；3、加入能促使合金表面生成致密的腐蚀产物保护膜的合金元素，是制取耐蚀合金的又一途径。例如，钢能耐大气腐蚀是由于其表面形成结构致密的化合物羟基氧化铁（FeOx·(OH)3-2x）的保护作用。钢中加入Cu与P或P与Cr均可促进这种保护膜的生成，由此可用Cu、P或P、Cr制成耐大气腐蚀的低合金钢。提高强度：1、利用一种强力粉碎机对不锈钢粉末进行再次粉碎,并施加强力进行揉合。然后,将不锈钢粉末装入模具中,在800的高温下烧结。2、不锈钢浇铸时可增加过冷度，加入变质剂或震荡搅拌，细化晶粒。提高不锈钢的强度常用除应力处理，即加热至250-425℃进行回火，在300-350℃保温1-2小时，然后空冷。7．在相同含碳量情况下，除了含Ni和Co的合金钢外，为什么大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高？合金元素在原始组织各相中分布是不均匀的。在退火状态下，碳化物形成元素主要集中在铁素体相中。合金元素这种不均匀分布现象直到碳化物完全溶解后还显著的保留在奥氏体中。因此，合金钢的奥氏体均匀化过程，除了碳的均匀化以外，还包括了合金元素的均匀化。由于合金元素的扩散系数比碳原子的扩散系数小约1000到10000倍，同时，碳化物形成元素还降低碳原子在奥氏体中的扩散系数，如若形成特殊碳化物则更难于溶解。因此，合金钢的奥氏体均匀化过程比碳钢要长得多。由于上述原因，合金钢淬火加热时，为了使奥氏体合金化程度提高并且使之成分均匀，需要加热到更好的温度和保温更长的时间。8．钢产量曾经被看作为工业强国的标志，如下表，如英国、美国、前苏联及日本。但自1997年后，我国一直稳居世界之一，产量超过第二、三名的总和。但却不能算得上是工业强国。请综合分析其原因。钢铁产量是十九世纪末二十世纪初衡量工业强国的主要指标。但在21世纪，钢铁产量仅仅是衡量工业强国的指标之一。目前，中国只是工业大国，仍不是工业强国，处于初步工业化，在世界也只能算是中等水平。原因如下：1、钢铁行业。近几年，中国铁矿石进口量激增，对国外铁矿石依赖越来越大。粗钢产量大，但行业整体盈利低，钢铁行业技术水平不高，无法生产高水平特种钢材，依赖进口。2、中国机械制备行业整体水平低，国产机械精度无法到达高水平。电子产业高端设备依赖进口，而且比较少自主创新技术。3、大多数产业尚未占据世界产业技术制高点；4、一些生产规模大、市场占有率很高的国产产品，技术质量和档次并未达到世界先进水平；5、一些国产产品的整机质量达到甚至超过了国际先进水平，但关键零部件仍然在相当程度上依赖进口；6、中国产品文化含量（品牌价值）薄弱，与发达国家制造业竞争力差距较为明显9高速钢的使用要求有哪些？如何通过调整成分和工艺达到所需要的性能。高速鋼最主要的特性——紅硬性..素工具鋼經淬火和低溫回火後，在室溫下雖有很高的硬度，但當溫度高於200°C時，硬度便急劇下降，在500°C硬度已降到與退火狀態相似的程度，完全喪失了切削金屬的能力，這就限制了碳素工具鋼製作切削工具用..速鋼由於紅硬性好，彌補了碳素工具鋼的致命缺點，可以用來製造切削工具。使用要求：1、能承受与工件摩擦产生的高温，即高速切削產生高熱情況下(約500°C)仍能保持高的硬度，HRC能在60以上；2、能切割经过加硬处理的金属材料；3、熱處理工藝較為複雜，必須經過退火、淬火、回火等一系列過程，从而消除應力，降低硬度，使顯微組織均勻，便於淬火淬火时由于它的导热性差一般分两阶段进行。先在800～850℃预热(以免引起大的热应力)，然后迅速加热到淬火温度1190～1290℃（不同牌号实际使用温度有区别），后油冷或空冷或充气体冷却。工厂均采用盐炉加热，现真空炉使用也相当广泛。淬火