2007级金属材料学试题(A卷答案)

贵州大学2010-2011学年第一学期考试试卷A参考答案及评分标准金属材料学注意事项：1.请考生按要求在试卷装订线内填写姓名、学号和年级专业。2.请仔细阅读各种题目的回答要求，在规定的位置填写答案。3.不要在试卷上乱写乱画，不要在装订线内填写无关的内容。4.满分100分，考试时间为120分钟。题号一二三四五六七总分统分人得分一、问答题（共25分,每题5分）1.合金钢中的合金元素有哪些？怎样分类？答：合金钢中有Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Co、Ni、Si、Cu、Al等。它们可以分为碳化物形成元素如Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn和非碳化物形成因素如Co、Ni、Si、Cu、Al等。2.合金元素Mn、Cr、W、Mo、V、Ti、Zr、Nb和Si、Ni、Cu等对钢的C曲线和Ms点有何影响？答：Mn、Cr、W、Mo、V、Ti、Zr、Nb使C曲线的形状和位置发生改变，有两个鼻温，即珠光体和贝氏体转变区分开，位置右移，而Si、Ni、Cu等不改变C曲线形状，只改变其位置，位置右移。它们使Ms点下降。3.合金元素对两类回火脆性有何影响？得分评分人答：钢在250-350℃和450-550℃出现低温和高温回火脆性，低温回火脆主要是薄膜状残余奥氏体失稳分解和杂质元素P、S、H、O等在晶界偏聚造成的，这类脆性是不可逆的。合金元素Si、Al等可以抑制或降低Fe3C在晶界成核和长大，可以减轻这类回火脆性。高温回火脆主要是碳化物在晶界析出和脆化元素如As、Sb、Bi、Pb、Sn等在晶界偏聚造成晶界脆化，这种回火脆是可逆的。合金元素Ni、Mn等可以与脆化元素一起偏聚在晶界上，促进高温回火脆；Cr虽然自身不在晶界偏聚，但它促进其他脆化元素向晶界偏聚；Mo可以阻碍脆化元素的偏聚，所以可以减轻或抑制高温回火脆性。4．在Al中常加入哪些合金元素？作用是什么？答：Al合金中的元素主要有Si、Cu、Mg、Zn等，它们的作用是固溶强化、时效强化、细化晶粒强化和过剩相强化等。5．钢的强化措施和韧化途径有哪些？答：强化机理有：固溶强化、细化晶粒强化、位错密度和缺陷密度引起的强化、析出碳化物弥散强化等。韧化途径是：细化晶粒、降低有害元素的含量即减少钢中的P、S、N、H、O以及其它有害元素的含量，则可减少它们在晶界的偏聚，一方面有利于抑制回火脆性倾向，另一方面也使延迟破坏和环境脆化的敏感性大大下降，从而改善钢的韧性、调整合金元素含量、降低钢中的含碳量等。二、解释下列现象（共25分,每小题5分）1．在相同含碳量情况下，除了含Ni和Mn的合金钢外，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高。解释：由于Ni、Mn是开启γ相区的元素使得Ac1、Acm和Ac3下降，而其它大部分合金元素使得γ相区缩小或封闭，使Ac1、Acm和Ac3升高，特别是强碳化物形成元素，如Nb、Ti、V得分评分人等，形成的碳化物非常稳定，分解温度高，所以大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高。2．在相同含碳量情况下，含碳化物形成元素的合金钢比碳钢具有较高的回火稳定性。解释：钢在低温回火时，发生淬火马氏体向回火马氏体转变，即碳原子向缺陷处偏聚，应力有所松弛，马氏体正方度有所降低，碳化物形成元素使碳的活度降低，扩散激活能增加，碳原子扩散偏聚困难，使这个过程推向较高温度。随着温度升高，发生残余奥氏体分解，碳化物形成元素也阻碍碳原子扩散。温度继续升高，发生FexC溶解生成Fe3C，碳化物形成元素对碳的阻碍，这个过程也被推向更高的温度，所以，含碳化物形成元素的合金钢比碳钢具有较高的回火稳定性。3．高速钢在热轧或热锻后，在空气中冷却获得马氏体组织。解释：高速钢如W18Cr4V等，含有较多的合金元素，属于高合金钢，这些合金元素使钢的C曲线大大右移，推迟了珠光体和贝氏体转变，另外，热轧和热锻也会造成形变诱发马氏体相变，基于上述等原因，空冷就可以得到马氏体组织。4．机床底座常用灰口铸铁制造。解释：机床底座要求具有良好的减振性。而灰口铸铁组织中的大量片状石墨割裂了基体，破坏了基体的连续性，因而可以阻止振动的传播。所以常常选用灰口铸铁制造机床底座。5、直径25mm的40CrNiMo钢棒料正火后切削困难。解释：40CrNiMo钢在合金调质钢中属于高淬透性钢，油淬直径为60-100mm。而直径为25mm的40CrNiMo钢棒料正火，表层发生马氏体相变，有马氏体组织，造成切削加工困难。三、判别正确与错误，正确的在（）中打√错误的打Х（共10分，每题2分）1、当碳当量CE＜0.35%时,钢的焊接性能恶化。（Х）2、合金元素使碳在奥氏体中的扩散速度增加，这些元素能与碳形成碳化物（Х）。3、大部分合金元素使Ms点升高，残余奥氏体量降低。（Х）4、Mn、Ni等开启γ相区，而V、Cr等封闭γ相区。（√）得分评分人5、W、Mo、V等元素推迟珠光体转变，对贝氏体转变影响不大（√）四、综合应用题（共40分）现有下列材料0Cr18Ni9Ti、9CrSi、16MnNb、Cr12MoV、GCr15、9Cr18MoV、W6Mo5Cr4V2、5CrNiMo、60Si2Mn、1Cr13、20CrMnTi、H68、0Cr13、ZL101、65Mn、40CrNiMo、T12A、TC4、QBe2、2A12。1.将上述材料按用途分类、说明各类材料合金元素的主要作用和其用途（分类10分、作用5分、用途5分）。2.在上面的材料中分析选哪种材料来制作下列工件并制订出热处理工艺（20分）。（1）制造滚动轴承（5分）（2）制造医用手术刀（5分）（3）制作冲击载荷较大，形状复杂的冷变形模具（5分）（4）制造汽车变速箱齿轮（5分）1、分类及合金元素的主要作用、用途（1）工程结构钢，有16MnNb，其屈服强度属于390MPa级别；合金元素的主要作用是固溶强化；主要用来制造船舶、桥梁和容器。（2）机器零件用钢，有GCr15、60Si2Mn、65Mn、40CrNiMo、20CrMnTi；合金元素的主要作用是提高淬透性；主要用来制造机器零件如传动轴、弹簧、齿轮等。（3）工模具钢，有9CrSi、Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2、5CrNiMo、T12A；合金元素的主要作用是提高硬度和耐磨性；主要用来制造工具和模具等如钻头、冷成型模具和热变形模具等。（4）不锈钢，有0Cr18Ni9Ti、1Cr13、9Cr18MoV、0Cr13；合金元素的主要作用是提高耐磨性；主要用来制造要求耐蚀的零部件，如耐酸容器，食品容器和医疗器械等。（5）有色金属合金，铝合金ZL101、2A12，铜合金H68、QBe2，钛合金TC4；合金元素的主得分评分人要作用是产生固溶强化；主要用于航空、航海、汽车、石油化工、电缆电器、热交换器及空间技术等，如耐酸、耐碱的化工用泵、电线、飞机蒙皮、轨道宇宙飞船的压力容器等。2、选材（1）滚动轴承，根据上述提供的材料，专门用于制造滚动轴承的材料只有GCr15，且没有特殊要求（如耐蚀性），所以选用GCr15来制造。其热处理工艺为：830℃-860℃油淬+160℃回火（2）医用手术刀，要求高硬度、耐磨和耐蚀，所以要选用马氏体不锈钢来制作，给出的材料中有两种马氏体不锈钢1Cr13和9Cr18MoV,前者碳含量低，达不到高硬度耐磨的要求，而后者碳含量达到高碳，故选9Cr18MoV来制作医用手术刀。热处理工艺是：1050℃-1075℃硝盐分级淬火+100℃-200℃回火。（3）冲击载荷较大，形状复杂的冷变形模具，要求高硬度高耐磨以外，还要有较好的韧性，上述材料中，可以作为冷变形模具的材料有Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2，但是W6Mo5Cr4V2更具有高的韧性，所以选W6Mo5Cr4V2，热处理工艺为：1210℃-1230℃盐浴淬火+560℃三次回火。（4）汽车变速箱齿轮要求高的抗冲击能力和表面耐磨，所以选用合金渗碳钢20CrMnTi来制造，热处理工艺是：930℃渗碳冷却到870℃直接油淬+200℃回火。