机械综合项目工程材料作业整理.doc

作业一
1. 何谓失效？零件失效方式有哪些？
失效：在使用过程中因零件外部形状尺寸和内部构造发生变化而失去原有设计功能，使其低效工作或无法工作或提前退役现象称为失效。
失效方式：（1）过量变形失效：a、过量弹性变形 b、过量塑性变形
（2）断裂失效：a、韧性断裂 b、脆性断裂 c、低应力断裂
d、疲劳断裂 e、蠕变断裂 f、介质加速断裂
（3）表面损伤失效：a、磨损失效b、腐蚀失效c、表面接触疲劳
（4）物理性能降级：电磁、热等性能衰减
2. 静载性能指标有哪些？它们分别与那种失效形式关联？
1、刚度和强度指标
刚度：弹性模量
强度：比例极限，弹性极限，屈服强度，抗拉强度，断裂强度
2、弹性和塑形指标
弹性：弹性能
塑形：断后伸长率，断面收缩率
3、硬度指标
失效形式 强度 ：断裂、塑性变形
塑性：塑性变形
刚度：过量弹性变形
硬度：磨损
韧性和疲劳强度：断裂
3. 过量弹性变形、过量塑性变形而失效因素是什么？如何防止？
失效责任重要在于设计者考虑不周、计算错误或选材不当，故防止办法重要应从设计方面考虑。
过量弹性变形产生变形重要因素是材料刚度不够。防止途径：
1． 选取适当材料或构造
2． 拟定恰当匹配尺寸
3． 采用减少变形影响转接件，例如在系统中采用软管等柔性构件，可明显减少弹 性变形有害影响。
过量塑性变形产生变形重要因素是材料弹性极限，屈服强度不够。防止途径：
1． 减少实际应力：减少工作应力；减少残存应力；减少应力集中。
2． 提高材料屈服强度：通过合金化、热解决等办法。

4. 何谓冲击韧性？如何依照冲击韧性来判断材料低温脆性倾向？
冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸取塑性变形功和断裂功能力，即反映材料承受外来冲击负荷而不断裂抵抗能力。冲击韧性指标实际意义在于揭示材料变脆倾向。
材料冲击吸取功随温度减少而减少，当温度低于韧脆转变温度时，材料由韧性状态变为脆性状态现象，称为低温脆性。从试样成果看（参见沈莲《机械工程材料》第三版P10图1-4）冲击韧性高材料低温脆性倾向小。但如果在低温条件下使用零件，设计要考虑冲击韧性和韧脆转变温度。
作业二
1. 何谓断裂韧性？影响脆断重要因素有哪些？
材料抵抗裂纹扩展断裂韧性性能称为断裂韧性。是材料抵抗脆性破坏韧性参数。普通重要以断裂韧度来衡量。
影响脆断重要因素有：
1、加载方式和材料本质：冶金缺陷会引起冷脆，例如过热引起晶粒异常长大，非金属夹杂物颗粒沿晶界析出；有害杂质元素沿晶界偏聚，削弱了晶界结合力等。
2、温度和加载速度：减少使用温度和增长加载速度都会引起材料脆断倾向增大。
3、应力集中
4、零件尺寸设计不合理
2. 压力容器钢σS=1000MPa，KIC =170MPa•m1/2 ；铝合金σS=400MPa，KIC =25MPa•m1/2 。试问这两种材料制作压力容器时发生低应力脆断时裂纹临界尺寸是多少设裂纹几何形状因子Y=π1/2？哪一种材料更适合做压力容器？

解：裂纹临界尺寸ac=(KIC/Y*σS)2
压力容器钢：ac=(170/(1.77*1000) 2=0.0092m
铝合金： ac=(25/(1.77*400) 2=0.0012m
由于压力容器钢零件容许存在裂纹最大尺寸不不大于铝合金，因此压力容器钢更适合做压力容器。

3. 查资料，到现场（汽车系、机械系、材料系实验室），从下列汽车零件中任选一种，分析它在使用中重要失效形式，你选材时重要考虑哪些重要力学性能，为什么？
变速箱齿轮，驾驶室外壳（车身），发动机中活塞，发动机缸体，发动机缸盖，曲轴，半轴，减振弹簧（钢板弹簧）
常用汽车零件工作条件及失效形式：

1、 齿轮工作条件、失效形式及性能规定
齿轮是汽车中应用最广零件之一，重要用于传递扭矩和调节速度。
（1）工作条件
1）由于传递扭矩，齿根承受较大交变弯曲应力；
2）齿面互相滑动和滚动，承受较大交变接触力及强烈摩擦；
3）由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定冲击；
（2）重要失效形式
1）疲劳断裂 重要发生在齿根。它是齿轮最严重失效形式；
2）齿面磨损；
3）齿面接触疲劳破坏；
4）过载断裂；
（3）性能规定
1）高弯曲疲劳强度
2）高接触疲劳强度和耐磨性
3）齿轮心部要有足够强度和韧性
4) 较好热解决性能，热解决变形小。

2. 汽车发动机曲轴工作条件、失效形式及性能规定
（1）工作条件
1）承受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力。
2）曲轴颈与轴承发生滑动摩擦
3）承受一定冲击载荷
（2）重要失效形式
1）疲劳断裂 长期受扭转和弯曲交变载荷作用
2）磨损失效 轴颈严重磨损
（3）对曲轴用材料性能规定
1）高强度；
2）一定冲击韧度；
3）足够弯曲、扭转疲劳强度；
4）足够刚度；轴径表面有高硬度和耐磨性。

3、汽车弹簧零件工作条件、失效形式及性能规定

（1）工作条件
1）弹簧在外力作用下，压缩、拉伸、扭转时材料将承受很大弯曲应力或扭转应力。
2）缓冲、减震或复原用弹簧，承受很大交变应力和冲击载荷作用

（2）重要失效形式
1）刚度局限性引起过度变形
2）疲劳断裂

（3）对弹簧用材性能规定
1）高弹性极限和屈强比（σs/σb）
2）高疲劳强度
3）好表面质量
4）良好耐蚀性和耐热性

4、半轴零件工作条件、失效形式及性能规定
（1）半轴工作条件
1）工作时重要受交变弯曲和扭转应力复合伙用；
2）轴与轴上零件有相对运动，互相间存在摩擦和磨损；
3）轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷；
4）多数轴会承受一定过载载荷。

（2） 半轴失效方式
1）长期交变载荷下疲劳断裂（涉及扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）；
2）大载荷或冲击载荷作用引起过量变形、断裂；
3）与其他零件相对运动时产生表面过度磨损。

（3）半轴性能规定
1）综合机械性能： 足够强度、塑性和一定韧性，以防过载断裂、冲击断裂；
2）高疲劳强度， 相应力集中敏感性低，以防疲劳断裂；
3）表面要有高硬度、高耐磨性， 以防磨损失效；
4）足够淬透性，良好切削加工性能，价格便宜。

5、活塞零件工作条件、失效形式及性能规定
（1）活塞工作条件
活塞在高温、高压、高速、润滑不良条件下工作。
1）活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因而，受热严重，而散热条件又很差，因此活塞工作时温度很高，顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；
2）活塞顶部承受气体压力很大，特别是做功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力作用；
3）活塞在气缸内以很高速度(8～12m/s)往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大惯性力，使活塞受到很大附加载荷。活塞在这种恶劣条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同步受到燃气化学腐蚀作用。

（2）活塞失效形式
1）活塞顶面裂纹；
2）活塞环槽过度磨损；
3）活塞销座裂纹，销孔咬合；
4）环岸和裙部脆断。

（3）活塞性能规定
1）要有足够强度、刚度、质量小、重量轻，以保证最小惯性力。
2）导热性好、耐高温、高压、腐蚀，有充分 散热能力,受热面积小。
3）活塞与活塞壁间应有较小摩擦系数。
4）温度变化时，尺寸、形状变化要小，和汽缸壁间要保持最小间隙。
5）热膨胀系数小，比重小，具备较好减磨性和热强度。

6、发动机缸体零件工作条件、失效形式及性能规定
（1）发动机缸体工作条件
缸体普通在处在高温、高载荷、磨损激烈状态下工作，承受较大热冲击作用和承受较大压力，同步工作在液体油沉浸下，工作环境潮湿。

（2）发动机缸体失效形式
1）过量变形；
2）缸体渗漏

（3）发动机缸体性能规定
1）要有足够高刚度、强度、硬度，高耐磨性；
2）配气机构可以准时进气排气，气缸内密封性好，无漏油；
3）缸体工作时内部高压高温，因而需要有良好散热条件；
4）良好减震性；
4）发动机缸体形状复杂，因而要便于成型。

7、发动机缸盖零件工作条件、失效形式及性能规定
（1）发动机缸盖工作条件
缸盖安装在缸体上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。它经常与高温高压燃气相接触，因而承受很大热负荷和机械负荷。

（2）发动机缸盖失效形式
过量塑性变形，拆卸后重装密封性下降；

（3）发动机缸盖性能规定
1）高高温强度；
2）好密封性；
3）良好导热性；
4）发动机缸盖形状复杂，因而要便于成型。

8、汽车车身工作条件、失效形式及性能规定
（1）汽车车身工作条件
汽车车身既是外观装饰性零件，又是封闭薄壳状受力零件。它重要起是支撑作用以及防止在行驶过程中损坏和驾驶人在冲击过程中受到伤害作用。由于长期暴露在空气中，因此规定有一定防腐蚀作用，固然其形状设计也要符合一定力学规律，即减少在行驶过程中受力，用以减少损耗。

（2）汽车车身失效形式
1）普通在长时间工作后由于受到内部震动影响容易浮现某些部位脱焊状况，直接导致失效；
2）某些区域应力集中发生非弹性变形、扭曲；
3）磨损、锈蚀也是其常用一种失效形式。

（3）汽车车身性能规定
由于汽车车身具备材料薄、形状复杂、构造尺寸大和表面质量规定高等特点，因此规定有如下性能：
1）足够强度；
2）良好塑性和韧性，良好冲压性能；
3）一定刚性和尺寸稳定性；
4）良好焊接性能；
作业3
1、有一根轴向尺寸很大轴（圆形截面杆件各截面中心点连线叫轴线，沿这个方向叫轴向；自截面中心点放射方向叫径向。自杆件端点到轴线上某点距离长短叫轴向尺寸），在500℃温度下工作，承受交扭转载荷和交变弯曲载荷，轴颈处（轴和轴承配合某些）承受摩擦力和接触压应力，试分析此轴失效形式也许有几种？设计时需要考核哪几种力学性能指标？

答：依照其工作条件，此轴失效方式重要是疲劳断裂和轴颈处磨损，也也许浮现冲击过载断裂，塑性变形或高温蠕变。
从失效分析看，设计时需要考核力学性能指标：高疲劳强度，防止疲劳断裂；优良综合力学性能，即较高屈服强度和抗拉强度、较高韧性，防止塑性变形和冲击过载断裂；轴颈处具备高硬度和耐磨性，防止磨损失效；高蠕变抗力、耐蚀性等。

2、 实际晶体中晶体缺陷有哪几种类型，它们分别对金属材料力学性能有何影响？试分别举一例在实际生产（生活）应用。

答：实际晶体中偏离抱负完整点阵部位或构造称为晶体缺陷。依照缺陷在晶体中分布几何特点，可将其分为3大类，即点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷会使周边晶格发生畸变，进而使位错运动时阻力增大，从而引起材料强度、硬度上升，塑性、韧性下降。生产中固溶强化就是运用此原理，例如热解决（淬火）；加合金元素固溶于奥氏体、铁素体、马氏体中，产生固溶强化。
位错是一种及重要晶体缺陷，它对金属塑性变形，强度与断裂有很重要作用，塑性变形就其因素就是位错运动，而强化金属材料基本途径之一就是阻碍位错运动。进一步理解位错基本性质与行为，对建立金属强化机制将具备重要理论和实际意义。金属材料强度与位错在材料受到外力状况下如何运动有很大关系。如果位错运动受到阻碍较大，则材料强度、硬度就会较高。实际材料在发生塑性变形时，位错运动是比较复杂，位错之间互相反映、位错受到阻碍不断塞积、材料中溶质原子、第二相等都会阻碍位错运动，从而使材料浮现加工硬化。例如生产中表面喷丸强化技术。
面缺陷原子排列不规则，常温下晶界对位错运动起阻碍作用，塑性变形抗力提高，晶界有较高强度和硬度。晶粒越细，材料强度越高，这就是细晶强化。例如，生产中孕育解决，加合金元素细化奥氏体和铁素体晶粒及马氏体针条等。

3、 何谓过冷度？为什么结晶需要过冷度？它对结晶后晶粒大小有何影响？为什么？
答：过冷度是指金属其熔点（理论结晶温度）与实际结晶温度差值，合金过冷度等于其相图中液相线温度与实际结晶温度差值。
过冷度是指平衡结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。依照热力学第二定律，在等温等压条件下，一切自发过程都朝着使系统自由能减少方向进行。从液、固金属自由能G与温度T关系曲线可知，二曲线相交点相应温度称为平衡结晶温度。在低于平衡结晶温度时，固体自由能低于液体自由能，液体结晶为固体为自发过程，因此要使液体结晶，就必要具备一定过冷度，以提供结晶驱动力，过冷度愈大，液体结晶倾向愈大。
过冷度愈大，冷却速度越大，生核速率就越大，晶粒就越细小
作业四
1、 依照铁碳相图指出渗碳体种类、形成过程及对铁碳合金力学性能影响。
答：依照铁碳相图渗碳体普通分为5种
一次渗碳体（从液体相中析出）其呈白色条带状分布在莱氏体之间。
二次渗碳体（从奥氏体中析出），沿奥氏体晶界网状分布。沿原始奥氏体晶界析出且呈网状分布，从而勾划出奥氏体晶界，故成网状二次渗碳体。当奥氏体转变成珠光体后，二次渗碳体便呈持续网状分布在珠光体边界上。
三次渗碳体（从铁素体中析出），其分布在铁素体晶界上，但因量少、极分散，普通看不到。
共晶渗碳体是由液态铁碳合金中直接结晶出来；由于液体原子活动能力强，故共晶渗碳体常以树枝状形态生长，并且比较粗大；由于形成共晶渗碳体液态合金碳含量较高（4.3%)，故合金中共晶渗碳体量大。
共析渗碳体是由固态下（奥氏体中）形成；以比较细小片状形式存在；由于形成共析渗碳体合金碳含量较低（0.77%），故共析渗碳体量少。
渗碳体是铁碳合金中强化相。渗碳体对性能影响，既取决于形貌，也取决于数量，随着碳质量分数增长，强度、硬度增长，塑性、韧性下降。二次渗碳体因呈持续网状分布在珠光体边界上，因此会使材料脆性增长。一次渗碳体出当前过共晶铸铁，具备很高硬度，脆性大，难以加工，强度也低于钢。
2、 并依照Fe-Fe3C相图分析下列各性能变化因素：

答：渗碳体是铁碳合金中强化相，随着含碳量增长，渗碳体量增长，因此材料强度、硬度增长，塑性、韧性减少，当含碳量不不大于1.0%,由于网状渗碳体浮现，导致材料强度下降。当含碳量不不大于2.11%,出项粗大一次渗碳体，材料变得硬脆。

3、 画出Fe -C状态图，填出图中各区相和组织。分析缓慢冷却条件下T10钢和含碳量为5.0%铁结晶（凝固）过程，规定分别画出其冷却曲线并写出各温度区间组织（相）转变，以及其室温组织。
答：作图略。
参见课件和《机械工程材料》过共析钢和过共晶铸铁结晶过程。
T10室温组织 P+Fe3CⅡ
过共晶铸铁室温组织：Le+ Fe3CI

4、 应用杠杆定律分别计算45钢（含C=0.45%）,铁素体（F）和Fe3C两相各占多少（相对质量分数）？有一钢金相观测发现其 F:95%；Fe3C：5%；求钢含碳量？
解：(1)45号钢室温组织是为F（Wc=0.0218% C）+P（F+Fe3C）（Wc =0.77%C）因此45钢室温相是F和Fe3C (Wc=6.69%)，依照杠杆定律：
相相对量：WF=(6.69-0.45)/(6.69-0.0218)=0.9357=93.6%
WFe3C=1-93.6%=6.4% 或WFe3C =(0.45-0.0218)/(6.69-0.0218)=0.064=6.4%
(2) 依照WF=(6.69-X)/(6.69-0.0218)=0. 95
解得：X=6.69-0. 95*(6.69-0.0218)=0.355
答（1）铁素体（F）和Fe3C两相各占93.6%和6.4%
（2）钢含碳量约为0.35

5、 查资料，指出下列钢类别、成分、室温显微组织及用途
Q215-A-F；Q255-B；10钢；40Cr；60Si2Mn；W18Cr4V
答：Q215-A-F 普通碳素构造钢，显微组织F+P。 别的见金属工艺学P31
Q255-B 普通碳素构造钢，显微组织F+P。别的见金属工艺学P31
T10钢 碳素工具钢，显微组织Fe3C+P。 别的见金属工艺学P32
40Cr 合金构造钢，显微组织F+P。 别的见金属工艺学P34
60Si2Mn 合金构造钢，显微组织 P（较多）+F。别的见金属工艺学P35
W18Cr4V合金工具钢，显微组织 P（大量）+F。别的见金属工艺学P35
作业五
1. 在钢中加入合金元素重要目是什么？
答：
（1） 改进钢热解决工艺性能
1） 细化奥氏体晶粒
2） 提高淬透性
3） 提高回火抗力
(2)、合金元素提高钢使用性能
1）合金元素使钢强化（固溶强化、第二相强化、细晶强化）
2）合金元素使钢获得特殊性能
3）形成稳定单相组织
4）形成致密氧化膜
5）形成金属间化合物
请分别说出它们代表钢号及其使用零件。依照前面作用，合金构造钢、合金工具钢、特殊性能钢中各选一种钢号和零件。

2、 共析钢奥氏体等温转变产物形成条件、组织形态及性能各有何特点？
答：
其等温转变在不同温度区间也许发生三种类型：珠光体型转变（高温转变）；贝氏体型转变（中温转变）；马氏体型转变（低温转变）。
1) 珠光体型转变 转变产物为珠光体、索氏体和托氏体。其形成条件为共析钢在727℃~550℃（实际温度要低于该值）之间等温转变就行。温度在727℃~650℃之间，形成珠光体（层片之间距离比较大，如果在727℃附近保温时间较长，会形成球状珠光体）；在650℃~600℃之间，形成索氏体（放大千倍可以辨别出片层状）；在600℃~550℃之间（用电子显微镜可以看出片层状）。其中片层间距离越小，P强度、硬度、塑性和韧性都越高。
2) 贝氏体型转变 转变产物为贝氏体。其形成条件为共析钢在230℃~550℃（实际温度要低于该值）之间等温转变。温度在350℃~550℃之间，形成上贝氏体。在光学显微镜下可以明显见到成束、自晶界向晶粒内部生成铁素体条，它分布具备羽毛状特性，上贝氏体塑性和韧性较差，在生产中很少应用；在350℃~230℃之间形成下贝氏体，它容易被腐蚀，在显微镜下显黑色状。其具备较高硬度和耐磨性，它强度、韧度和塑性均高于上贝氏体。
3) 马氏体型转变 转变产物为马氏体和残存奥氏体。其形成条件为共析钢在230℃如下等温转变就行，当奥氏体中W(C)>1%时，得到是片状马氏体（呈双凸透镜状），具备高强度高硬度，但韧性很差，其特点是硬而脆；W(C)<0.2%时，形成板状马氏体（椭圆形截面细长条状），其不但具备很高强度并且具备良好塑性和韧性，同步还具备低脆性转变温度，其缺口敏感性和过载敏感性都较低。介于两者之间产生是两种马氏体混合物，其性能介于两者之间。

3、 何谓过冷奥氏体？钢获得马氏体条件是什么？

普通将奥氏体化后冷却到临界温度如下（例如亚共析钢在A1如下）尚未发生转变不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。钢获得马氏体组织条件是,钢从热解决奥氏体状态迅速冷却,来不及发生扩散分解而发生无扩散型相变。

4、 比较共析钢过冷奥氏体持续冷却转变图与等温转变图异同点。
参见《机械工程材料》第三章第二节图3-11共析钢奥氏体持续冷却转变图与等温转变图比较分析。
相似点：两者相似点均是过冷奥氏体转变图解，本质上是一致，均有珠光体转变和马氏体转变
不同点：一方面持续冷却转变曲线与等温转变曲线临界冷却速度不同。另一方面持续冷却转变曲线位于等温转变曲线右下侧，且没有C曲线下某些，即共析钢在持续冷却转变时，得不到贝氏体组织。这是由于共析钢贝氏体转变孕育期很长，当过冷奥氏体持续冷却通过贝氏体转变区内尚未发生转变时就已过冷到Ms点而发生马氏体转变，因此不浮现贝氏体转变。
作业6
1、 阐述合金元素在钢中重要作用（从力学性能变化，对热解决影响等方面分析）。
答：在钢中加入合金元素后，钢基本组元铁和碳与加入合金元素会发生交互作用。钢合金化目是但愿运用合金元素与铁、碳互相作用和对铁碳相图及对钢热解决影响来改进钢组织和性能。
一 合金元素对钢机械性能影响
提高钢强度是加入合金元素重要目之一。欲提高强度，就要设法增大位错运动阻力。金属中强化机制重要有固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相(沉淀和弥散)强化。合金元素强化作用，正是运用了这些强化机制。
1. 对退火状态下钢机械性能影响
构造钢在退火状态下基本相是铁素体和碳化物。合金元素溶于铁素体中，形成合金铁素体，依托固溶强化作用，提高强度和硬度，但同步减少塑性和韧性。
2.对退火状态下钢机械性能影响
由于合金元素加入减少了共析点碳含量、使C曲线右移，从而使组织中珠光体比例增大，使珠光体层片距离减小，这也使钢强度增长，塑性下降。但是在退火状态下，合金钢没有很大优越性。
由于过冷奥氏体稳定性增大，合金钢在正火状态下可得到层片距离更小珠光体，或贝氏体甚至马氏体组织，从而强度大为增长。Mn、Cr、Cu强化作用较大，而Si、Al、V、Mo等在普通含量(例如普通构造钢实际含量)下影响很小。
3. 对淬火、回火状态下钢机械性能影响
合金元素对淬火、回火状态下钢强化作用最明显，由于它充分运用了所有四种强化机制。淬火时形成马氏体，回火时析出碳化物，导致强烈第二相强化，同步使韧性大大改进，故获得马氏体并对其回火是钢最经济和最有效综合强化办法。
合金元素加入钢中，首要目是提高钢淬透性，保证在淬火时容易获得马氏体。另一方面是提高钢回火稳定性，使马氏体保持到较高温度，使淬火钢在回火时析出碳化物更细小、均匀和稳定。这样，在同样条件下，合金钢比碳钢具备更高强度。
二、合金元素对钢热解决影响
合金元素加入会影响钢在热解决过程中组织转变。
1. 合金元素对加热时相转变影响
合金元素影响加热时奥氏体形成速度和奥氏体晶粒大小。
(1)对奥氏体形成速度影响： Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳亲合力大，形成难溶于奥氏体合金碳化物，明显减慢奥氏体形成速度；Co、Ni等某些非碳化物形成元素，因增大碳扩散速度，使奥氏体形成速度加快；Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度影响不大。
(2)对奥氏体晶粒大小影响：大多数合金元素均有制止奥氏体晶粒长大作用，但影响限度不同。强烈阻碍晶粒长大元素有：V、Ti、Nb、Zr等；中档阻碍晶粒长大元素有：W、Mn、Cr等；对晶粒长大影响不大元素有：Si、Ni、Cu等；增进晶粒长大元素：Mn、P等。
2. 合金元素对过冷奥氏体分解转变影响
除Co外，几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体稳定性，推迟珠光体类型组织转变，使C曲线右移，即提高钢淬透性。惯用提高淬透性元素有：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。必要指出，加入合金元素，只有完全溶于奥氏体时，才干提高淬透性。如果未完全溶解，则碳化物会成为珠光体核心，反而减少钢淬透性。此外，两种或各种合金元素同步加入(如，铬锰钢、铬镍钢等)，比单个元素对淬透性影响要强得多。
除Co、Al外，多数合金元素都使Ms和Mf点下降。其作用大小顺序是：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。其中Mn作用最强，Si事实上无影响。Ms和Mf点下降，使淬火后钢中残存奥氏体量增多。残存奥氏体量过多时,可进行冷解决(冷至Mf点如下)，以使其转变为马氏体；或进行多次回火，这时残存奥氏体因析出合金碳化物会使Ms、Mf点上升，并在冷却过程中转变为马氏体或贝氏体(即发生所谓二次淬火)。
3. 合金元素对回火转变影响
(1)提高回火稳定性 合金元素在回火过程中推迟马氏体分解和残存奥氏体转变(即在较高温度才开始分解和转变)， 提高铁素体再结晶温度，使碳化物难以汇集长大，因而提高了钢对回火软化抗力，即提高了钢回火稳定性。提高回火稳定性作用较强合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。
(2)产生二次硬化 某些Mo、W、V含量较高高合金钢回火时，硬度不是随回火温度升高而单调减少，而是到某一温度(约400℃)后反而开始增大，并在另一更高温度(普通为550℃左右)达到峰值。这是回火过程二次硬化现象，它与回火析出物性质关于。当回火温度低于450℃时，钢中析出渗碳体；在450℃以上渗碳体溶解，钢中开始沉淀出弥散稳定难熔碳化物Mo2C、W2C、VC等，使硬度重新升高，称为沉淀硬化。回火时冷却过程中残存奥氏体转变为马氏体二次淬火所也可导致二次硬化。

2、 阐述合金元素在铝、镁合金中重要作用（从力学性能变化，对热解决影响等方面分析）。
答：有色金属强度普通较低。例如，惯用有色金属铝、铜、钛在退火状态强度极限分别只有80～100MPa 、220MPa 和450～600MPa 。因而，设法提高有色金属强度始终是有色冶金工作者一种重要课题。当前，工业上重要通过加合金元素采用如下几种办法并通过恰当热解决来强化有色金属。

1） 　固溶强化
纯金属由于强度低，很少用作构造材料，在工业上合金应用远比纯金属广泛。合金组元溶入基体金属晶格形成均匀相称为固溶体。形成固溶体后基体金属晶格将发生限度不等畸变，但晶体构造基本类型不变。固溶体按合金组元原子位置可分为代替固溶体和间隙固溶体；按溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体；按合金组元和基体金属原子分布方式可分为有序固溶体和无序固溶体。绝大多数固溶体都属于代替固溶体、有限固溶体和无序固溶体。代替固溶体溶解度取决于合金组元和基体金属晶体构造差别、原子大小差别、电化学性差别和电子浓度因素。间隙固溶体溶解度则取决于基体金属晶体构造类型、晶体间隙大小和形状以及合金组元原子尺寸。纯金属一旦加入合金组元变为固溶体,其强度、硬度将升高而塑性将减少，这个现象称为固溶强化。固溶强化机制是：金属材料变形重要是依托位错滑移完毕，故凡是可以增大位错滑移阻力因素都将使变形抗力增大，从而使材料强化。合金组元溶入基体金属晶格形成固溶体后，不但使晶格发生畸变，同步使位错密度增长。畸变产生应力场与位错周边弹性应力场交互作用，使合金组元原子汇集在位错线周边形成“气团”。位错滑移时必要克服气团钉扎作用，带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来，使位错滑移所需切应力增大。此外，合金组元溶入还将变化基体金属弹性模量、扩散系数、内聚力和晶体缺陷，使位错线弯曲，从而使位错滑移阻力增大。在合金组元原子和位错之间还会产生电交互作用和化学交互作用，也是固溶强化原
因之一。在以固溶强化作为重要强化办法时，应选取在基体金属中溶解度较大组元作为合金元素，例如在铝合金中加入铜、镁；在镁合金中加入铝、锌；在铜合金中加入锌、铝、锡、镍；在钛合金中加入铝、钒等。第二，合金组元与基体金属原子尺寸差别对固溶强化效果起重要作用。原子尺寸差别越大，则代替固溶体强化效果越好。第三，对同一种固溶体，强度随浓度增长呈曲线关系升高,在浓度较低时，强度升高较快，后来渐趋平缓,大概在原子分数为50 %时达到极大值。以普通黄铜为例：H96 含锌量为4 % ，σb 为240MPa ，与纯铜相比其强度增长911 %;H90 含锌量为10 % ，σb 为260MPa ，与H96 相比强度仅提高813 %。第四，对同一基体金属，在浓度相似时，形成间隙固溶体较形成代替固溶体强化效果更好，这是由于间隙固溶体晶格畸变更为严重之故,但由于间隙固溶体溶解度普通较小，其总强化效果不大。第五，在固溶强化同步，合金塑性将减少。也就是说,固溶强化是以牺牲某些塑性为代价。普通来说，固溶体塑性减少不多,依然可以承受塑性加工。例如，在铜中加入恰当镍形成固溶体，使其硬度增长到HB60～80 ，延伸率降至50 %；如果通过形变强化使硬度增长到同样水平，延伸率将降至1～2 %。第六，采用多元少量复杂合金化原则，其强化效果较少元多量好，并且能将强化效果保持到较高温度。第七，与其他强化办法相比，固溶强化强度增幅较小，在固溶体浓度较高时更加明显。

固溶强化在有色金属生产实践中得到广泛应用。当前工业上使用大多数有色金属合金，其显微组织或所有是固溶体(如单相黄铜、α型和β型钛合金、普通白铜以及某些防锈铝合金) ，或是在固溶体基体上分布着第二相(如复相黄铜、α+β 型钛合金、大多数铝合金和镁合金以及各种轴承合金) 。这是由于这些合金不但具备较高强度，并且可以承受轧制、挤压、拉拔和锻造等各种形式塑性加工。

2 ）细晶强化
有色金属生产第一道工序是熔炼和锻造。熔炼目是合金化和精炼，锻造目是获得成分、组织、性能符合规定具备一定形状和尺寸铸锭(或铸件) 。锻造过程是一种结晶过程，液态金属在冷凝过程中将通过形核和长大形成由许多晶粒构成多晶组织。晶界上原子排列紊乱，杂质富集,晶体缺陷密度较大，且晶界两侧晶粒位向也不同，所有这些因素都对位错滑移产生很大阻碍作用，从而使强度升高。有色合金常进行变质解决（细晶），来改进力学性能。晶粒越细小，晶界总面积就越大，强度越高，这一现象称为细晶强化。细晶强化在提高强度同步，也提高材料塑性和韧性，是金属材料惯用强韧化办法之一。这是由于细晶材料在发生塑性变形时各个晶粒变形比较均匀，可以承受较大变形量之故。细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹扩展。晶粒越细小，位错集群中位错个数越小，应力集中越小，因此材料强度越高； 晶界越多，晶粒越细，晶粒平均值(d)越小，材料屈服强度就越高。第三，细晶强化效果不但与晶粒大小关于，还与晶粒形状和第二相晶粒数量和分布关于。欲获得较好强韧化效果,应防止第二相晶粒不均匀分布以及形成网状、骨骼状、粗大块状、针状等不利形状。第四，晶粒大小常会浮现“组织遗传”现象，即一旦在生产中某个环节形成了粗大晶粒，后来就难以细化。故晶粒度始终是有色金属各个生产工序中一种重要质量指标。第五，晶界在室温下阻碍位错滑移，在高温下却成了材料脆弱之处，且材料在高温下塑性变形机制与室温塑性变形机制也有所不同，故细晶强化仅合用于提高室温强度，对提高高温强度并不合用，甚至适得其反。细晶强化在有色金属生产过程中得到广泛应用。在锻造时，晶粒大小取决于形核率和长大速率，任何使形核率提高和长大速度减少因素均可使晶粒细化。对较小铸锭，惯用办法是增大冷却速度以提高结晶时过冷度，从而提高形核率。对较大铸锭，常采用机械振动、电磁振动、超声波解决等办法，使正在生长晶粒破碎并因而提供了更多晶粒，从而细化晶粒。更惯用办法是向熔体中加入恰当变质剂(孕育剂) ，它们均匀地分布在熔体中，或作为非自发形核固相基底使形核率大大提高(如在含115 %Mn 铝液中加入0109 %Ti) ；或被吸附在正在生长晶粒表面，阻碍晶粒长大(如在Al2Si 合金熔体中加入钠盐) ；或与晶体发生化学作用，使晶粒形状发生变化，经变质解决强化效果是十分明显。在随后生产过程中,还可以通过塑性加工、退火、热解决等工艺细化组织。对材料进行大变形量塑性变形然后进行低温、短时再结晶退火，可以细化晶粒。在热解决过程中采用迅速加热技术和恰当热解决工艺，也可以细化组织。　

3形变强化
形变强化亦称为冷变形强化、加工硬化和冷作硬化。生产金属材料重要办法是塑性加工，即在外力作用下使金属材料发生塑性变形，使其具备预期性能、形状和尺寸。在再结晶温度如下进行塑性变形称为冷变形。金属材料在冷变形过程中强度将逐渐升高，这一现象称为形变强化。形变强化现象在材料应力2应变曲线上可以明显地显示出来，见图3。图中BC 段称为流变曲线，它表达在塑性变形阶段，随着应变增长，强度将呈曲线关系提高。形变强化机理是：冷变形后金属内部位错密度将大大增长，且位错互相缠结并形成胞状构造(形变亚晶) ，它们不但阻碍位错滑移，并且使不能滑移位错数量剧增，从而大大增长了位错滑移难度并使强度提高。形变强化遵循如下规律：第一，随着变形量增长，强度提高而塑性和韧性逐渐减少，逐渐接近于零,第二，随着塑性变形量增长，强度呈曲线关系提高，强度增值较大值后,渐趋平缓。第三，形变强化受材料塑性限制，当变形量达到一定限度后，材料将发生断裂报废。第四，形变强化效果十分明显，强度增值较大，可达百分之几十甚至一倍以上。例如,纯铜经强烈冷变形，强度极限σb 可从220MPa 提高至450MPa ；工业纯钛通过形变强化，使σb 可从750MPa 提高至1300MPa 。第五，形变强化仅合用于冷变形。在温度高于再结晶热加工过程中，由于同步发生导致材料软化回答和再结晶，形变强化将不发生或不明显。第六，形变强化可以通过再结晶退火消除，使材料组织和性能基本上恢复到冷变形之前状态。形变强化在工业上具备广泛实用价值，几乎合用于所有有色金属材料，并且是纯金属、单相固溶体合金和热解决不能强化合金重要强化办法。某些有色金属在冷变形后能形成较好形变织构，从而在一定方向得到强化，这个现象称为织构强化，在工业上也有一定实用价值(如钛合金板材织构强化) 。

4 　第二相强化
第二相强化亦称过剩相强化。当前工业上使用合金大都是复相或多相合金,其显微组织为在固溶体基体上分布着第二相(过剩相) 。第二相是通过加入合金元素然后通过塑性加工和热解决形成,也可通过粉末冶金等办法获得。第二相大都是硬脆、晶体构造复杂、熔点较高金属化合物,有时是与基体相不同另一种固溶体。第二相存在普通都使合金强度升高,其强化效果与第二相特性、数量、大小、形状和分布均关于系,还与第二相与基体相晶体学匹配状况、界面能、界面结合等状况关于,这些因素往往又互相联系,互相影响,状况十分复杂。即并非所有第二相都能产生强化作用,只有当第二相强度较高时,合金才干强化。如果第二相是难以变形硬脆相,合金强度重要取决于硬脆相存在状况。当第二相呈等轴状且细小均匀地弥散分布时,强化效果最佳;当第二相粗大、沿晶界分布或呈粗大针状时,不但强化效果不好,并且合金明显变脆。
如果第二相十分细小，并且弥散分布在基体相晶粒中，称为弥散分布型多相合金。通过淬火+ 时效解决铝合金、通过淬火+时效解决钛合金、以及许多高温合金和粉末合金均属于此类合金。有时将过饱和固溶体进行时效解决沉淀出弥散第二相产生强化作用称为沉淀强化，而将通过粉末冶金办法加入弥散第二相产生强化作用称为弥散强化。

5 　热解决强化

许多铝合金、镁合金和铜合金都可以通过淬火、时效提高强度，许多钛合金(重要是β型钛合金和α + β型钛合金) 可以通过马氏体转变提高强度，并且强度增幅很大，有时可以通过热解决将强度提高百分之几十甚至几倍，见表4。铝合金、镁合金和铍青铜热解决强化机制是：先通过固溶淬火获得过饱和固溶体，在随后时效(人工时效或自然时效) 过程中将在基体上沉淀出弥散分布第二相(溶质原子富集区、过渡相或平衡相) ，通过沉淀强化使合金强度升高。在热解决先后第二相组织形态发生了很大变化，而这些变化均有助于合金强化。表5 反映了Al - Cu 合金在热解决先后组织变化状况。

　钛合金热解决强化和铝合金有本质上区别。钛合金淬火目是为了获得马氏体，在随后时效过程中通过马氏体分解析出弥散分布第二相，从而起到强化作用。马氏体强化事实上是一种综合性强化办法,它综合了细晶强化(马氏体晶粒远较母相晶粒细小) 、固溶强化(马氏体是过饱和固溶体) 、位错强化(马氏体中具有高密度位错)和第二相强化(重要是不可变形微粒沉淀强化) 于一体，操作亦比较简便，是一种经济而有效强化办法。下表显示了几种钛合金热解决强化效果。应当强调是，热解决强化不但可以提高有色金属强度，往往还可以同步提高合金塑性、韧性、抗蚀性和塑性加工性能，在工业上应用很广。

有色金属形变热解决逐渐在工业上获得广泛应用。形变热解决将塑性变形与热解决结合，强化效果较好，往往不减少韧性甚至使韧性稍有改进。以钛合金为例，通过形变热