金属材料学试题总结

防锈铝

①Al‐Mn 防锈铝易产生晶内偏析，使压力加工制品在退火时易产生不均匀的粗大晶粒，从而导致板材深冲体表面粗糙，甚至产生裂纹；

措施：控制Mn、Fe 含量；铸锭进行高温均匀化退火；将加热温度由390~440℃提高到480~520℃；采用高温快速退火。

②Al‐Mg 防锈铝易出现：a、钠脆和b、时效软化现象；

措施：a、熔炼时禁止使用钠盐做熔剂火覆盖剂；加入0.004%Sb 或0.02%Bi，消除分布在晶界的Na；b、进行组织稳定化处理。

黄铜

①脱锌：表面的锌在酸性或盐类溶液中受到腐蚀，使表面残存一层多孔的纯铜；可添加少量砷、镁元素防止脱锌；

②季裂：零件以冷压力加工成形时，由于其中有残余内应力存在，在氨、湿气、海水作用下，极易出现应力腐蚀开裂现象；冷压力加工后的黄铜零件（如弹壳等）必须进行消除内应力的退火或电镀保护（250～300℃保温1h 以上）。

7、从合金化角度考虑，提高钢的韧度主要有哪些途径?

答：1）加入Ti、V、W、Mo 等强碳化物形成元素，细化晶粒；

2）提高回火稳定性，加入Ti、V 等强碳化物形成元素和Si 元素；

3）改善基体韧性，主要是加入Ni 元素；

4）细化碳化物，如加入Cr、V 等元素使K 小、匀、圆；

5）降低或消除钢的回火脆性，主要是Mo、W 元素比较有效；

8、在一般钢中，为什么应严格控制杂质元素S、P 的含量。

答：S 能形成FeS，其熔点为9℃，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。

9、简述合金元素在钢中的作用有哪些？

答：合金元素在钢中的作用是：强化铁素体、细化晶粒、提高淬透性、提高红硬性、增加残余奥氏体量。

10、用45 号钢加工的二根轴，分别进行调质和正火热处理。问它们的相组织和力学性能如何？有哪些区别？

答：45钢调质处理相组织：回火索氏体，45钢正火处理相组织：索氏体+铁素体，调质处理的钢与正火处理的钢相比，不仅强度较高、而且塑性和冲击韧性显著提高，尽管两者硬度相近，这是由于调质处理后的组织为回火索氏体，其渗碳体呈颗粒状，而正火得到的是索氏体，其渗碳体呈片状。因此，重要结构一般都要进行调质处理。

11、GCr15 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）。

12、GCr15 钢是什么类型钢，它最终组织是什么？从性能要求角度谈为何采用此组织形态？

答：GCr15 钢是轴承钢。轴承钢经淬火及回火后的组织为极细的回火马氏体、均匀分布的细粒状碳化物以及少量的残余奥氏体，硬度为62~66HRC。对于精密轴承，为了保证能长期存放和使用中不变形，在淬火后要立即进行“冷处理”，以使钢中未转变的残余奥氏体进一步发生转变。

滚动轴承的性能要求：1 高的淬硬性和必要的淬透性；2 高的耐磨性；3 高的接触疲劳性能；4 高的弹性极限和一定的冲击韧性；5 尺寸要精确而经久稳定；6 一定的抗腐蚀能力；7 良好的工艺性能。

高碳为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性，Cr 的作用是提高钢的淬透性和钢的耐腐蚀性能。碳化物能以细小质点均匀分布于钢基体组织中，既可提高钢的回火稳定性，又可提高钢的硬度，进而提高钢的耐磨性和接触疲劳强度。马氏体中的碳含量在0.45%‐0.5%时，轴承钢既具有高硬度，又有良好的韧性，还具有最高的接触疲劳寿命。淬火后应立即回火，以消除内应力，提高韧性、稳定组织和尺寸。

13、简述合金元素对扩大或缩小γ相区的影响，并说明利用此原理在生产中有何意义？

答：扩大γ相区：

1）开启γ相区：Mn、Co、Ni 等合金元素与γ‐Fe 无限互溶。

2）扩大γ相区：有C、N、Cu 等元素。如Fe‐C 相图，形成的扩大的γ相区。

缩小γ相区：

1）封闭γ相区：使相图中γ区缩小到一个很小的面积形成γ圈,其结果使δ相区与α相区连成一片。这类元素：V、Cr、A1、Ti、Mo、W、P 等。

2）缩小γ相区：这类元素与封闭γ相去类似，这类元素：Zr、Nb、Ta、B、S 等。

生产意义：可以利用M 扩大和缩小γ相区作用，获得单相组织，具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛；此外熟悉合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与性能。

14、一般地，钢有哪些强化与韧化途径？

答：①强化的主要途径：

宏观上：钢的合金化、冷热加工及其综合运用是钢强化的主要手段。

微观上：在金属晶体中造成尽可能多的阻碍位错运动的障碍；或者尽可能减少晶体中的可动位错，抑制位错源的开动，如晶须。

②韧化途径：1、细化晶粒；2、降低有害元素的含量；3、防止预存的显微裂纹；4、形变热处理；5、利用稳定的残余奥氏体来提高韧性；6、加入能提高韧性的M，如Ni,Mn；7、尽量减少在钢基体中或在晶界上存在粗大的K或其它化合物相。

15、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、改变奥氏体的位置（Ni、Co、Mn 以及其它扩大γ相区的元素，均使共析点左移而GS 线下沉；Cr、W、Mo、V、

Ti、Si 以及其它缩小γ相区的元素，均使三元系中的γ相区逐渐呈劈形）

2、改变共析温度（Ni、Mn 等扩大γ相区的元素，使共析点（S 点）左移，GS 下沉，使得A1 和A3 温度同时降低。

Cr、W、Mo、V、Ti、Si 以及其它缩小γ相区的元素，使γ相区呈劈形，且共析点（S 点）左移，使得A1 和A3

温度同时升高。）

3、改变共析体含量（所有合金元素均使共析点左移，说明在钢中C％不到0.77%时，钢就会变为过共析而析出二

次渗碳体，从而降低了共析体中的含碳量。这样，合金钢加热至略高于A1 时，所得到的奥氏体的含碳量总比

碳钢低。）

16、低合金工具钢中的主要合金元素是哪些？在钢中有什么作用？

答：1）铬Cr是碳化物形成元素，提高过冷奥氏体的稳定性，增加淬透性。Cr 阻止渗碳体型碳化物的聚集、长大，提高了马氏体的分解温度，从而有效地提高了钢的回火抗力。Cr 还能防止Si 的石墨化倾向。

2）硅增加钢的淬透性，提高钢的回火稳定性。Si 是石墨化元素，在高碳钢中，高温加热时引起脱碳和促进石墨化，必须同时添加W、Cr、Mn等，减少钢的脱碳倾向。

3）锰提高钢的淬透性，但Mn增加钢的过热倾向。

4）钨W在工具钢中形成较稳定的碳化物，阻止钢的过热，保证晶粒细化，有利于提高钢的耐磨性。

5）钒V 比其他元素更为有效地阻止奥氏体晶粒长大，降低过热敏感性。

复习提纲

1、说出下列材料常用的强化方法：H70；45 钢；HT350；LY12；ZL102。

答：H70——冷变形强化（加工硬化）

45 钢——固溶强化（淬火）

HT350——变质（孕育）处理

LY12——时效强化

ZL102——变质处理

2、指出下列材料牌号或代号的含义：H59；ZQSn10；QBe2；LF21；LC4；ZL102。

答：H59——含59%Cu 的普通黄铜

ZQSn10——含10%Sn 的铸造Sn 青铜

QBe2——含2%Be 的Be 青铜

LF21——含1.0～1.6%Mn 的防锈Al合金

LC4——序号为4 的超硬Al 合金

ZL102——含10～13%Si 的铸造Al‐Si合金

3、试述下列零件进行时效处理的作用：

①形状复杂的大型铸件在500～600℃进行时效处理；——消除内应力

②铝合金件淬火后于140℃进行时效处理；——提高强度

③GCr15 钢制造的高精度丝杠于150℃进行时效处理。——稳定尺寸

1、碳钢、合金钢的编号方法，会辨认各种钢号。

Q195：屈服强度为195Mpa 的普通碳素结构钢；

20：含碳量为0.2%的优质碳素结构钢；

45：含碳量为0.45%的碳素结构钢；

T10：含碳量为1%的碳素工具钢；

Q345：屈服强度为345MPa 的普通碳素结构钢；

20CrMnTi：含碳量为0.2%，Cr、Mn、Ti 的含量都低于1.5%的合金结构钢；

40Cr：含碳量为0.4%，Cr 的含量低于1.5%的合金结构钢；

60Si2Mn：含碳量为0.6%，Si 的含量为2%，Mn 的含量低于1.5%的弹簧钢；

GCr15：Cr 的平均含量为1.5%的滚动轴承钢；

9SiCr：平均含碳量为0.85%‐0.95%，Si、Cr 含量低于1.5%的低合金工具钢；

Cr12MoV：碳含量高于或等于1%，Cr 的含量12%，Mo 和V 的含量低于1.5%的冷作模具钢；

5CrMnMo：碳的含量为0.45%‐0.55%，Mn 和Mo 的含量低于1.5%的热作模具钢；

CrWMn：含碳量高于或等于1.0%，Cr、W 和Mn 的含量低于1.5%的冷作模具钢；

3Cr13：碳的含量为0.3%，Cr 的平均含量为13%的马氏体不锈钢；

1Cr18Ni9Ti：碳含量为0.1%，Cr 的含量为18%，Ni 的含量为9%，Ti 的含量低于1.5%的奥氏体不锈钢；

ZGMn13：Mn 的含量为13%的铸钢；

GCr15：Cr 的含量为1.5%的滚动轴承钢；

60Si2Mn：碳的含量为0.6%，Si 的含量为1.5%‐2.5%，Mn 的含量低于1.5%的合金结构钢；

9SiCr：碳的含量为8.5%‐9.5%，Si 和Cr 的含量都低于1.5%的合金工具钢；

20CrMnTi：碳的含量为0.2%，Cr、Mn 和Ti 的含量都低于1.5%的合金结构钢；

W18Cr4V：碳的含量高于1.0%，W 的含量为18%，Cr 的含量为4%，V 的含量低于1.5%的合金工具钢；

1、灰铸铁和球墨铸铁的成分、组织、性能特点、牌号及用途。(HT200，QT700‐2)

HT200：2.6~3.6 的碳，1.2~3 的硅，0.4~1.2 的锰，≤0.15 的硫，≤0.3 的磷,

组织为珠光体，石墨以中等片状存在，硬度（HBS）为200铸造性、切削加工性、耐磨性与减震性优良，机械性和缺口敏感性较低一般用于汽缸、齿轮、底架、机体、飞轮、衬筒等

QT700‐2：3.5~3.8 的碳，2~3 的硅，0.5~0.7 的锰，＜0.02 的硫，＜0.08 的磷组织为珠光体，布氏硬度（HB）为225~305，抗拉强度为700Mpa，伸长率δ为2%。良好的铸造性、耐磨性、可切削加工性及低的缺口敏感性，较高的抗拉强度及良好的塑性与韧性，一般用于制造载荷较大，受力复杂的重要零件，如柴油机和汽油机的曲轴

2、铸铁中石墨的形态、大小对铸铁性能的影响。

①石墨呈片状，对铸铁基体的割裂作用最大，其强度、塑性、韧性远比基体低，而且粗大的石墨的割裂作用更大；

②石墨呈球状，对铸铁基体的割裂作用最小，应力集中小，其基体的强度能够得到充分的发挥，因此球墨铸铁具有良好的铸造性、耐磨性、可切削加工性及低的缺口敏感性；

③石墨呈蠕虫状，对铸铁的影响和呈球状类似；

④石墨呈团絮状，可以提高铸铁的强度和塑性，且有一定的塑性变形能力。

3、铸铁的常用热处理的方法和目的。

灰铸铁的热处理：只能改变基体组织，不能改变石墨的形状和分布。所以灰铸铁热处理不能显著改善其机械性能。

主要用来消除铸件内应力、稳定尺寸、改善切削加工性和提高铸件表面耐磨性。

①消除内应力退火

②消除铸件白口、降低硬度的退火或正火

③表面淬火

可锻铸铁的热处理：石墨化退火，使渗碳体较快地分解，得到团絮状石墨，而不至于出现片状石墨

球铁的热处理：球铁主要热处理工艺有退火、正火、调质和等温淬火。

①球铁退火工艺包括消除内应力退火、高温退火和低温退火三种。消除内应力退火主要是消除内应力；高温退火主

要是消除白口；低温退火主要是使珠光体中的渗碳体分解，改善塑韧性。

②正火的目的是使铸态下的铁素体—珠光体球铁转变为珠光体球铁，并细化组织，以提高球铁的强度、硬度和耐磨

性。

③调质处理其目的是为了得到高的强度和韧性的球铁，其综合机械性能比正火还高。

④等温淬火（下贝氏体）目的是提高球铁的纯合机械性能，在获得高强度或超高强度的同时，具有较好的塑性利韧

性

1、熟悉常用Al、Cu 合金的牌号、成分、热处理工艺、组织、及其应用。

LY12：Al-Cu-Mg 系硬铝合金

LC4：Al-Zn-Mg-Cu 系超硬铝

ZL102：2 号铝硅系铸铝

H62：含铜62%的黄铜

HAl59‐3‐2：

ZHSi80‐3‐3：

QBe2：含Be量2%的青铜

QSn4‐4‐4：

ZQPb30：含Pb3%的铸造青铜

ZQSn6‐6‐3：

QAl9‐4：

BMn40‐1.5：含Ni40%，含Mn1.5%的电工白铜，又称康铜。

2、铝合金的时效强化方法和特点。

①时效方法：分为自然时效和人工时效；

②合金发生时效的条件：合金能在高温形成均匀的固溶体；固溶体中溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降；

③时效规律：时效温度越高，强度峰值越低，强化效果越小；时效温度越高，时效速度越快，强度峰值出现所需时间越短；低温使固溶处理获得的过饱和固溶体保持相对的稳定性，抑制时效的进行。

3、轴承合金的性能要求、组织特点和典型牌号。

性能要求：

①在工作温度下有足够的抗压强度和疲劳强度，以承受轴所施加载荷；

②有足够的塑性和韧性，以保证与轴配合良好并承受冲击和振动；

③磨擦系数小，并能保持住润滑油，以减少对轴颈的摩损；

④小的膨胀系数和良好的导热性和耐蚀性，以防止轴瓦与轴颈强烈磨擦升温而发生咬合，并抵抗润滑油的侵蚀；

⑤具有良好的磨合能力，以使载荷均匀分布；

⑤容易制造，价格低廉。

组织特征：

①轴承材料通常要满足上述性能的要求都不能是纯金属或单相合金，必须配以软硬不同的多相合金；

②通常是软基体上均匀分布一定数量和大小的硬质点，或者硬基体上分布一定数量和大小的软质点。

典型牌号：

ZChSnSb11‐6：含6%Sn、11%Sb 的Sn 基轴承合金。

1、在一定的服役条件下，典型零件的选材及制定热处理工艺的方法。

①欲做下列零件：小弹簧、高速轴承、螺钉、手锯条、齿轮，试为其各选一材料。

（待选材料：ZChPb16‐16‐2、Q195、45、65Mn、T10）。

答：小弹簧——65Mn；高速轴承——ZChPb16‐16‐2；螺钉——Q195；手锯条——T10；齿轮——45。

②某连杆螺栓，要求σb≥950MPa,σs≥700MPa，aKU2≥45J，试选一材料，制定最终热处理工艺，指出最终组织。

答：选材——20CrMnTi，σb≥1100MPa，aKU2≥55J，齿面HRC≥58~63。

热处理工艺——930℃渗C+预冷830℃油淬+200℃回火

最终组织——心部：回火M+F 齿面：回火M+K+A'

③某汽车变速箱齿轮，要求σb≥1080MPa，aKU2≥55J，齿面硬度≥HRC58，试选一材料，制定最终热处理工艺，

指出最终组织。

答：选材——40Cr，σb≥1000MPa，σs≥800MPa，aKU2≥47J；

热处理工艺——850℃油淬+500℃回火 ；最终组织——回火S。

2、了解典型零件的加工工艺路线。

铬轴承钢制造轴承的工艺路线：

锻造→球化退火→机加工→淬火+冷处理(–60～–80℃;1h)→低温回火→磨削加工→稳定化处理(120～130℃；5～10h)

3、零件失效的概念。