金属材料大全及注意事项（通过金属材料常见问题）

文章来源：微信公众号 工艺文学

1、金属有哪几种常见的晶体结构？原子排列和晶格常数有什么特点？

答：体心立方结构：Cr、V、Mo和α-Fe等30多种纯金属，晶胞特点：8个原子组成立方体，体中心有一个原子，在体对角线上原子相互接触-最密排方向。晶格常数：a=b=c；轴间夹角α=β=γ=90o面心立方结构：Cu、Ni、Al、γ-Fe等约20种纯金属，晶胞特点：8个原子组成立方体，每一面中心有一个原子，在面对角线上原子相互接触-最密排方向。晶格常数：a=b=c；轴间夹角α=β=γ=90o密排六方结构：Mg、Zn、Cd、Be等20多种纯金属 晶胞特点：12个原子组成一个简单六方体，上下两个六方面的中心各有一个原子，而且在两个六方面之间还有三个原子，晶格常数：a=b（六方面的边长）、c（上下六方面的距离）；α=β=90o，γ=120o。

2、实际晶体中的晶体结构缺陷有哪些？

①点缺陷：三个方向上的尺寸都很小，不越过几个原子间距。空位、间隙原子、置换原子.

②线缺陷：在两个方向的尺寸很小，而第三个方向上的尺寸很大。刃型位错、螺型位错、混合位错。

③面缺陷：一个方向上尺寸很小，其余两个方向上的尺寸则很大。晶体外表面，各种内界面（晶界、孪晶界、亚晶界、相界、层错等）。

④体缺陷：三个方向上的尺寸都较大。空洞、固溶体内的偏聚区、夹杂物等。

3、说明晶界有哪些特性？

(1) 晶界有界面能，晶粒越细晶界越多，能量越高，越不稳定。晶粒有自发长大的趋势。

(2) 常温下，晶粒越细，金属的强度和硬度越高。细化晶粒是强化金属的重要手段之一。

(3)原子在晶界处的扩散速度比在晶粒内快。

(4) 相变时新相往往首先在母相的晶界上形核。

(5) 能降低晶界界面能的元素将优先富集于晶界，形成内吸附。

(6) 晶界容易被优先腐蚀和氧化。

4、何谓细晶强化？如何获得细晶粒组织？

细晶强化：细化晶粒不仅能提高材料的强度和硬度，还能提高材料的韧性和塑性。工业上将通过细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。

方法：

1）增加结晶时的冷却速度

2）变质处理

3）振动或电磁搅拌.

3、试比较均匀形核与非均匀形核的异同点。

相同点：

1）形核的驱动力和阻力相同；

2）临界晶核半径相等；

3）形成临界晶核需要形核功；

4）结构起伏和能量起伏是形核的基础；

5）形核需要一个临界过冷度；

6）形核率在达到极大值之前，随过冷度增大而增加。

与均匀形核相比，非均匀形核的特点：

1）非均匀形核与固体杂质接触，减少了表面自由能的增加；

2）非均匀形核的晶核体积小，形核功小，形核所需结构起伏和能量起伏就小；形核容易，临界过冷度小；

3）非均匀形核时晶核形状和体积由临界晶核半径和接触角共同决定；临界晶核半径相同时，接触角越小，晶核体积越小，形核越容易；

4）非均匀形核的形核率随过冷度增大而增加，当超过极大值后下降一段然后终止；此外，非均匀形核的形核率还与固体杂质的结构和表面形貌有关。

5、试给出采用热分析法建立二元合金相图的步骤。

1) 将给定两组元配制成一系列不同成分的合金；

2) 将它们分别熔化后在缓慢冷却的条件下，分别测出它们的冷却曲线；

3) 找出各冷却曲线上的相变临界点（曲线上的转折点）；

4) 将各临界点注在成分-温度坐标；

5) 连接具有相同意义的各临界点，并作出相应的曲线（上临界点表示结晶开始，其连线构成液相线；下临界点表示结晶结束，其连线构成固相线）。

6) 将各相标注在各相区（由上述曲线所围成的区间）中，即得到一张完整的相图。

6、说明固溶体合金的平衡结晶特点。并给出固溶体的平衡结晶与纯金属的平衡结晶的异同。

答：结晶特点

1) 异分结晶

2) 固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围。相同点：基本过程：形核－长大；热力学条件：⊿T>0，存在过冷度；能量条件：能量起伏；结构条件：结构起伏。不同点：合金在一个温度范围内结晶；可能性：相律分析；必要性：成分均匀化；合金结晶是异分结晶：需成分起伏。

3）固溶体合金结晶的特点：

1) 异分结晶

2) 固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围

固溶体合金的结晶与纯金属结晶的异同：

1) 相同点：基本过程：形核－长大；热力学条件：⊿T>0，存在过冷度；能量条件：能量起伏；结构条件：结构起伏。

2) 不同点：合金在一个温度范围内结晶；可能性：相律分析；必要性：成分均匀化；合金结晶是异分结晶：需成分起伏。

7、何谓非平衡结晶？固溶体的非平衡结晶有何特点？

答：定义：偏离平衡结晶条件的结晶，称为不平衡结晶。

结晶过程特点：

1) 凝固过程中，液、固两相的成分偏离液、固相线。偏离程度取决于冷却速度，冷却速度越快，偏离程度越大；

2) 先结晶的部分总是富含高熔点组元，后结晶的部分富含低熔点组元；

3) 非平衡结晶总是导致结晶结束温度低于平衡结晶时的结束温度。

8、何谓枝晶偏析？说明产生枝晶偏析的原因及消除方法。

答：枝晶偏析：如果固溶体是以树枝状结晶长大的，则枝干（含高熔点组元较多）与枝间（含低熔点组元较多）会出现成份差别，称为枝晶偏析，属于晶内偏析。

产生原因：

1) 冷却速度越大，扩散进行得越不充分，偏析程度越大；

2) 相图中液—固相线相距愈远，组元元素原子的迁移能力愈低(扩散系数小)，晶内偏析将愈严重。消除偏析的方法：凝固后重新加热到略低于固相线温度并进行长时间保温，使原子充分扩散，获得成分均匀的固溶体—均匀化退火或称之为扩散退火。

9、说明金属铸锭的组织及其形成原因。

答：1) 细晶区(激冷区)：锭模温度低，传热快，外层金属过冷度大，形核率大；模壁提供非均匀形核核心，增大形核率。厚度不大，晶粒很细。

2) 柱状晶区：模壁由于液体金属加热而迅速升温，液态金属的过冷度减小，形核率降低。但此时长大速度受到的影响较小，造成处于优先长大方向（即一次晶轴方向）和与散热最快方向的反方向一致的晶核向液体内部快速平行长大，形成柱状晶区。

3) 等轴晶区：柱状晶的发展，经过散热，铸锭中心部分的液态金属的温度全部降至熔点以下，再加上液态金属中杂质的作用，满足了形核时的过冷度要求，于是在整个剩余液体中同时形核。由于此时温度差不断降低并趋于均匀化，散热逐渐失去方向性，晶核在液体中可自由生长，在各个方向上的长大速度基本相等，形成等轴晶。

10、合金铸锭中常存在哪些缺陷？分析这些缺陷产生的原因。

答：1)缩孔：由于钢液冷却收缩及结晶收缩，最后结晶部位得不到外来钢液补充形成的空洞。

2）疏松：枝晶生长过程中因枝晶间得不到金属液体补充而形成的。

3) 气（泡）孔：砂型或钢液中形成的气泡未能从钢液中排出，而在铸件内形成的一种空洞。

4)偏析：铸锭中化学成分化学成分不均匀的现象。包括微观偏析和宏观偏析。5) 非金属夹杂，凝固过程中，金属和气体形成化合物残留于锭子内，或者外来杂物及耐火材料冲刷进液体中，这就是非金属夹杂物的来源。

11、铁碳合金的分类、成分范围及室温组织

种类	工业纯铁	亚共析钢	共析钢	过共析钢	亚共晶白口铸铁	共晶白口铸铁	过共晶白口铸铁
C含量（%）	<0.0218	0.0218~0.77	0.77	0.77~2.11	2.11~4.3	4.3	4.3~6.69
组织	F	F P	P	P Fe3Cii	P Fe3Cii Ld’	Ld’	Fe3Ci Ld’

12、钢中常存的杂质元素硫或磷对钢的性能有何影响及产生原因？

答:硫，热脆，

原因：硫不溶于铁，它能与铁形成熔点为1190℃的FeS，FeS又与γ-Fe形成熔点更低的共晶体，共晶体一般分布于晶界，当钢材进行锻造时，由于晶界处FeS塑性不好而使钢的脆性增加；而当钢在1000~1200℃压力加工时，由于FeS-Fe共晶已经熔化，会使钢沿着奥氏体晶界开裂而脆，称为“热脆”。

磷，冷脆，磷具有严重偏析倾向，磷的存在还使钢的焊接性能变差，剧烈地降低钢的韧性

13、说明片状珠光体组织的分类，形貌特征及其性能特点？

按片间距，片状珠光体分为3类：

1）珠光体，P（~650℃之间形成的片层较粗）；

2）索氏体，S（600~650℃之间形成的片层较细的珠光体）；

3）屈氏体，T（550~600℃之间形成的片层极细的珠光体）性能特点：片状珠光体的性能主要取决于珠光体的片层间距。间距越小，强度和硬度越高。

14、说明贝氏体组织的分类，形貌特征及其性能特点？

根据转变温度不同，贝氏体分为

1）上贝氏体（大约在“鼻子”温度至350℃之间，光学显微镜下，上贝氏体组织形态呈羽毛状，电子显微镜研究表明，上贝氏体是由许多平行排列的铁素体条以及条之间不连续的短杆状渗碳体所组成）；

2）下贝氏体（大约在350℃至Ms之间形成，光学显微镜下，下贝氏体类似马氏体那样呈针状，但颜色暗黑，在电子显微镜下，下贝氏体的针片状铁素体内成行的分布着细微的碳化物）。

性能特点：贝氏体的力学性能主要取决于其组织形态。上贝氏体的硬度可达HRC45左右，但塑性较差，脆性较大。下贝氏体不仅有高的强度、硬度，同时具有良好的塑性和韧性的综合力学性能。

16、马氏体主要两种形态：

1）板条马氏体（光学显微镜下，显微组织是由成群的板条组成，板条马氏体是由束、块和板条等组织单元构成，板条是最基本的组织单元）；

2）片状马氏体（光学显微镜下，呈针状或竹叶状）

性能特点：

马氏体最主要的性能特点是高硬度、高强度，它的硬度随含碳量增加而升高；

马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构；

马氏体形成时因其比体积的增大，将会导致淬火零件的体积膨胀产生较大的内应力；

马氏体具有铁磁性；马氏体电阻率随含碳量下降而下降。

17、钢的淬透性：指钢在淬火时获得马氏体的能力。

决定因素：淬透性是钢本身的固有属性，钢材的合理使用及热处理工艺的制定都淬透性密切相关。T8》45》40Cr》20；

钢的淬硬性：指淬火后马氏体多能达到的最高硬度。

决定因素：钢的含碳量40Cr》T8》45》20。

18、以共析钢为例说明奥氏体的形成过程

奥氏体的形成遵循相变过程的普遍规律，即包括形核和长大两个基本过程，分为4阶段：

1）奥氏体形核；

2）奥氏体晶核长大；

3）残余渗碳体的溶解；

4）奥氏体均匀化。

19、以共析钢为例说明淬火钢的回火转变过程

1）马氏体中碳的偏聚（20~100℃）；

2）马氏体的分解（100~250℃）；

3）残余奥氏体的转变（200~300℃）；

3）碳化物的转变（250~400℃）；

4）渗碳体的聚集长大和α相的再结晶（400℃以上）

转变类型	珠光体	贝氏体	马氏体
转变温度	高温(Ar1~550℃)	中温(BS~MS)	低温(< MS)
扩散性	Fe、C、Me扩散	C扩散; Fe、 Me不扩散	C、Fe、 Me不扩散
组成相	两相组织α Fe3C	两相组织α FexC	单相C过饱和α
共格性	无共格性	共格性	共格性

20、加热温度范围：正火：或以上30~50℃；

淬火：

1）亚共析钢：以上30~50℃；

2）过共析钢：以上30~50℃；

回火：

1）低温回火：150~250℃（获得回火马氏体组织，使钢具有高的硬度、强度和耐磨性）；

2）中温回火：350~500℃（回火后的组织为回火屈氏体；性能：具有高的弹性极限）；

3）高温回火：500~650℃（得到回火索氏体组织；使工件的强度、塑性、韧性有较好的配合，即具有较高的综合力学性能）。

21、淬火以得到细而均匀的奥氏体晶粒为原则，以便得到冷却后获得细小的马氏体组织。

亚共析钢淬火温度在以上30~50℃的原因：亚共析钢若在之间加热，淬火组织中会保留因不完全奥氏体化加热而存在的铁素体，使工件淬火后硬度不均匀，硬度和强度降低。

过共析钢淬火温度在以上30~50℃的原因：过共性刚若在以上加热，先共析渗碳体将全部溶入奥氏体，使奥氏体的含碳量增加，Ms和Mf点降低，淬火后不仅保留大量的残余奥氏体，而且获得的马氏体粗大，因而耐磨性较差，韧性降低。

22、渗碳方法：

1）气体渗碳（加热到900~950℃）；

2）液体渗碳；

3）固体渗碳。

23、感应加热表面淬火

就是利用“集肤效应”的原理来加热零件的。

根据电流频率不同分为：高频（200~300kHz），中频（2.5~8kHz），工频（50Hz）加热三种。

24、提高金属抗电化学腐蚀的合金化原则？

1）尽量使金属在获得均匀的单相组织条件下使用，避免形成原电池；

2）加入合金元素提高金属基体的电极电位，使金属的抗腐蚀性能提高；

3）加入合金元素，在金属表面形成一层致密的氧化膜，又称钝化膜，把金属与介质分隔开，从而防止进一步的腐蚀。

25、提高钢高温强度的措施？

1）提高合金基体的原子结合力；

2）析出强化；

3）强化晶界

26、根据碳在铸铁中存在方式铸铁可分为哪几类？

根据碳在铸铁中存在方式铸铁分3类：

1）白口铸铁（碳的主要存在形式是化合物，如渗碳体，没有石墨）；

2）石墨铸铁，包括灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁（碳的主要存在形式是碳单质，即游离状态石墨）；

3）麻口铸铁（碳既有游离石墨，又有渗碳体）

27、什么是铸铁的石墨化？石墨化过程如何？影响铸铁石墨化的因素有哪些？

铸铁的石墨化：铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。

铸铁石墨化的过程：

第一阶段，即在1154℃时通过共晶反应而形成石墨：Lc→AE G;

第二阶段，即在1154~738℃范围内冷却过程中，自奥氏体中不断析出二次石墨Gii；

第三阶段，即在738℃时通过共析反应而形成石墨：As →Fp’ G

影响石墨化的因素：

1）化学成分的影响，在实际生产中，调整碳硅的含量是控制铸铁组织和性能的基本措施之一；

2）温度及冷却速度的影响，铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，促进石墨化。

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