[工学]北京科技大学金属材料与热处理考试资料.doc

1、热处理的定义 根据钢件的热处理目的, 把钢加热到预定的温度，在此温度下保持一定的时间，然后以预定的速度冷却下来的一种综合工艺。钢的热处理是通过加热、保温和冷却的方法，来改变钢内部组织结构，从而改善其性能的一种工艺。凡是材料体系（金属、无机材料）中有相变发生，总可以采用热处理的方法，来改变组织与性能。、Ac1、Ac3、Accm的意义对于一个具体钢成分来说，A1、A3、Acm是一个点，而且是无限缓慢加热或冷却时的平衡临界温度。加热时的实际临界温度加注脚字母“C”，用Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的实际临界温度加注脚字母“r”，用Ar1、Ar3、Arcm表示。3、什么是奥氏体化？奥氏体化的四个过程？是什么类型的相恋？将钢加热到AC1点或AC3点以上，使体心立方的-Fe铁结构转变为面心立方结构的-Fe，这个过程就是奥氏体化过程。从铁碳相图可知，任何成分碳钢加热到Ac1以上，珠光体就向奥氏体转变；加热到Ac3或Accm以上，将全部变为奥氏体。这种加热转变称奥氏体化。共析钢的奥氏体化过程包括以下四个过程：形核；长大；残余渗碳体溶解；奥氏体成分均匀化。加热时奥氏体化程度会直接影响冷却转变过程，以及转变产物的组成和性能。 是扩散型相变。4、碳钢与合金钢的奥氏体化有什么区别？为什么？在同一奥氏体化温度下，合金元素在奥氏体中扩散系数只有碳的扩散系数的千分之几到万分之几，可见合金钢的奥氏体均匀化时间远比碳钢长得多。 在制定合金钢的热处理工艺规范时，应比碳钢的加热温度高些，保温时间长些，促使合金元素尽可能均匀化。5奥氏体晶粒的三个概念（初始晶粒、实际晶粒和本质晶粒）？奥氏体的初始晶粒： 指加热时奥氏体转变过程刚刚结束时的奥氏体晶粒，这时的晶粒大小就是初始晶粒度。奥氏体实际晶粒：指在热处理时某一具体加热条件下最终所得的奥氏体晶粒，其大小就是奥氏体的实际晶粒度。奥氏体的本质晶粒指各种钢的奥氏体晶粒的长大趋势。晶粒容易长大的称为本质粗晶粒钢；晶粒不容易长大的称为本质细晶粒钢；6为什么要研究奥氏体晶粒大小？显著影响冷却转变产物的组织和性能。7、工厂中对奥氏体晶粒大小的表征方法是什么？本质晶粒度的测试方法？统一采用与标准金相图片比较，来确定晶粒度的级别。生产中为了便于确定钢的本质晶粒度，只需测出930度左右的实际晶粒度，就可以判断。8什么叫奥氏体？奥氏体冷至临界温度以下，牌热力学不稳定状态，称为过冷奥氏体。9、钢的共析转变？珠光体组织的三种类型？钢的共析转变：钢奥氏体化后，过冷到A1至“鼻尖”之间区域等温停留时，将发生共析转变，形成珠光体组织，其反应如下： P (+Fe3C)结构FCC BCC 正交 含碳量0.77% 0.0218% 6.69% 珠光体的三种类型：珠光体，索氏体，屈氏体。10、什么叫钢的C曲线？如何测定？影响C曲线的因素？过冷奥氏体等温转变曲线，也称TTT（Time Temperature Transformation）曲线。因曲线形状象英文字母“C”，故常称C曲线。在过冷奥氏体的转变过程中有组织（相变）转变和性能变化，因此可用金相法、硬度法、膨胀法或磁性法等来测定过冷奥氏体的等温转变过程，其中金相法是最基本的。 金相法测定过冷奥氏体等温转变图-C曲线（基本方法），以共析钢为例：）用共析钢制成多组圆片状试样（101.5）；）取一组试样加热奥氏体化；）迅速转入A1以下一定温度熔盐浴中等温；）各试样停留不同时间后分别淬入盐水中，使未分解的过冷奥氏体变为马氏体；）这样在金相显微镜下就可以观察到过冷奥氏体的等温分解过程。 钢的成分和热处理条件都会引起C曲线形状和位置的变化。）含碳量的影响2) 合金元素的影响3)奥氏体化温度和保温时间的影响11、什么叫CCT曲线？如何测定？连接冷却曲线上相同性质的转变开始点和终了点，得到钢种的连续冷却转变图称CCT曲线。与测定C曲线的方法相同，一般也都用膨胀法或金相-硬度法等来测定CCT(Continuous Cooling Transformation)图；在测定时，首先选定一组具有不同冷却速度的方法，然后将欲测试样加热奥氏体化，并以各种冷却速度进行冷却，同时测出冷却过程中的转变开始点与终了点；将这些点画在温度-时间坐标系中，并将转变开始点与终了点分别连在一起。 12、比较C曲线与CCT曲线的异同点？应用范围各是什么？钢的C曲线与CCT曲线是制定合理的热处理工艺规程的重要依据；它对于分析研究各种钢在不同热处理后的金相组织与性能，进而合理地选用钢材等方面也有很大的参考价值。根据某种钢的CCT曲线，可以知道在各种不同冷却速度下所经历的各种转变以及应得的组织和性能（如硬度），还可以清楚地确定该钢的临界冷却速度等，这是规定淬火方法、选择淬火介质的重要依据。根据某种钢的C曲线，可以制定等温退火、等温淬火等热处理工艺规程（如确定合理的等温温度与时间）。13、什么叫马氏体相变？特点是什么？将材料从高温结构状态快速冷却，在较低温度下发生的无扩散型相变；（这从广义上说）由奥氏体向马氏体转变过程，1）无扩散性，依靠切变进行（military change）；2）无成分变化，只是点阵重构；3）一般在Ms点以下一个温度区间内完成（Mf），转变过程靠产生一批批新马氏体片来完成，不是靠原马氏体片长大。 这种通过切变进行点阵重构，而无成分变化的非扩散性相变，统称为马氏体转变。 14、只有钢铁中都有马氏体相恋吗？不是。现在除铁合金外，许多有色金属与合金以及陶瓷材料等也都发现马氏体转变。15、马氏体强化（或感感化）的原因是什么？固溶强化（C原子）；高密度位错、孪晶亚结构强化；自回火现象，时效强化。16、从成分、相结构、性能认识铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体的区别？转变机理基体基体结构 相组成珠光体碳、铁原子扩散平衡含量，小于0.00218%体心立方铁素体+渗碳体贝氏体碳扩散，铁原子切变大于平衡含量体心立方铁素体+少量碳化物马氏体铁原子切变，无碳原子扩散过饱和碳量体心立方铁素体（+少量残余奥氏体）17、什么叫钢的回火？回火的目的？为什么回火时会发生组织的变化？按温度的高低，回火有哪几个主要的阶段？钢回火的定义： 将淬火后的钢在A1温度以下加热，使之转变成稳定的回火组织的工艺过程。(2)回火的目的：保证组织转变（亚稳组织）；消除内应力；达到一定的性能要求；组织的变化？淬火钢的室温组织为马氏体和残余奥氏体，都是亚稳定相。（从热力学上）一旦进行加热，原子扩散能力加强，会自发地向稳定相铁素体和渗碳体转变。这个过程，随温度升高，可以分成5个阶段。1)马氏体中碳原子的偏聚2) 马氏体的分解3) 残余奥氏体的转变4) 碳化物的转变5)碳化物的聚集长大和相回复、再结晶18、低温回火脆性？高温回火脆性？各自的原因？低温回火脆性低温回火脆性：淬火钢在250-400范围内回火时出现的脆性；几乎所有淬成马氏体的钢，在300左右回火后都存在这类脆性；此脆性区正是碳化物转变（碳化物-碳化物-碳化物（渗碳体）的区间，以及它们在马氏体板条或片间析出，引起韧性明显下降；在更高温度回火后脆性消除；防止方法只有不在此区间回火。 高温回火脆性：淬火的合金钢在450-650范围内回火后，进行慢冷所出现的脆性；高温回火脆性主要原因：由于锑、磷、锡、砷等残余元素在原奥氏体晶界偏聚所引起的。合金钢中的合金元素如 Cr、Mn、Ni等元素促进这些微量元素的偏聚。 19、什么叫退火？目的是什么？几种退火的定义？球化退火？扩散退火？去氢退火？再结晶退火？完全退火？定义：将钢加热到临界点Ac1以上或以下的一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。目的：）消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化。异分合金系的非平衡凝固，即存在成分偏析；）组织均匀化：消除铸、锻件存在的魏氏组织或带状组织；3)降低硬度，改善组织，以便于切削加工；4)消除内应力和加工硬化；5)改善高碳钢中碳化物形态和分布(球化退火)，为淬火作好组织准备。球化退火定义：球化退火是使钢获得粒状珠光体的热处理工艺。扩散退火定义：又称均匀化退火，它是将钢锭、铸件或锻坯加热到略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。去氢退火：对于尺寸较大的锻轧件，轧后空冷至低于Ac1温度，约640-660，奥氏体变成珠光体，由于氢在铁素体中扩散速度大于奥氏体中，640-660等温使氢较快逸出，防止白点产生。再结晶退火： 定义：将冷加工硬化的钢材，加热至T再Ac1之间进行，通常为650-700。在这过程中，变形晶粒恢复成等轴状晶粒，从而消除加工硬化。目的：钢经冷冲、冷轧或冷拉后产生加工硬化现象，使钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，切削性能和成型性变差，经过再结晶退火，钢的机械性能恢复。 完全退火：定义：将亚共析钢加热到Ac3以上20-30，保温足够时间奥氏体化后，随炉缓冷，从而获得接近平衡组织。不完全退火： 定义：亚共析钢在Ac1Ac3之间或过共析钢在Ac1-Accm之间两相区加热，保温足够时间，进行缓慢冷却的热处理工艺。20、钢的正火？ 正火是将钢加热到Ac3、Accm以上约30-50，或更高温度，保温足够时间，然后在静止空气中冷却的热处理工艺。组织特点 根据钢的CCT曲线和工件的截面大小（冷却速度），正火后可获得不同组织，如粗细不同的珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织。正火的目的对于大锻件、截面较大的钢材、铸件，用正火来细化晶粒，均匀组织如消除魏氏组织或带状组织。这相当于退火的效果；低碳钢退火后硬度太低（切削粘刀），改用正火，可提高硬度，改善切削加工性。作为某些钢（如中碳非调质钢）的最终热处理，以代替调质处理（淬火+回火）。用于过共析钢，可消除网状碳化物，便于球化退火。21、淬火的定义？淬火的目的？过共析钢的淬火温度是多少？将钢加热到临界点Ac1或Ac3以上的一定温度，保温一定时间，然后在水或油等冷却介质中快速冷却。（为什么对于过共析钢不是Accm?）淬火的目的：把奥氏体化工件淬成马氏体，以便在适当温度回火后，获得所需要的力学性能。对于亚共析钢：淬火加热温度为Ac3+30-50，23、钢的淬透性是什么？决定于哪些因素？（内因与外因）指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小用钢在一定条件下淬火时获得淬透层深度来表示。淬透性（淬透层深度）的影响因素主要决定于临界冷却速度的大小（内因）工件的截面尺寸和淬火介质的冷却能力（外因）23、淬透性和淬硬性 它们是两个不同概念； 淬硬性是指钢在淬火后能够达到的最高硬度，它主要与钢的含碳量有关。如高碳工具钢的淬硬性高，但淬透性很低；252 而低碳合金结构钢的淬硬性不高，但淬透性较高。合金元素使得CCT曲线往右移动，因而使临界淬火速度变小，淬透性增大。24、淬透性的测定 测定方法很多，但顶端淬火法是世界上应用最广泛的淬透性试验方法；生产中常用临界淬透直径来衡量钢的淬透性，具有更大的实用意义： 25、调质处理是什么？弹簧钢的一般是经过哪种回火？淬火+高温回火称为调质牏弹簧钢一般是经过中温回火26、什么是形变热处理？强化的原因是什么？形变热处理的定义：形变强化和相变强化相结合的一种热处理；强化的原因：1）马氏体继承了形变奥氏体的高密度位错和细化的晶粒；2）一些碳化物的析出，阻碍位错的运动，提高了强度；3）高密度位错和微细碳化物存在，使回火析出的碳化物更弥散均匀；4）上述综合结果，既提高了强度，又改善了韧性。27、钢的化学热处理是什么？渗碳工艺是怎样的？钢的化学热处理： 将钢件放在一定温度的化学活性介质中，使一种或几种元素的原子渗入到钢件表面，以改变钢件表面层的化学成分，从而获得预期的组织和性能的热处理过程。渗碳工艺：将低碳钢件放入增碳的活性介质中，在900-950加热保温，使活性碳原子渗入钢的表面达到高碳；渗碳后，必须进行淬火和低温回火，使钢件表面具有高硬度和高的耐磨性，而心部具有一定的强度和较高的韧性；（为什么？） 机器零件经过渗碳及随后的淬火并低温回火后，可以获得很高的表面硬度、耐磨性、高的接触疲劳强度和高的弯曲疲劳强度；心部具有良好的塑性和韧性；渗碳工艺可以使同一材料制作的机器零件兼有高碳钢与低碳钢的性能；28、塑性变形的本质是什么？强化的一般思路是什么?塑性变形的本质是：晶体的一部分相对于另一部分没一定与日币的相对滑动。强化的一般思路：设法在金属中引入大量的晶体缺陷，大大增加位错之间、位错和其它晶体缺陷之间的交互作用，从而阻碍位错的运动，导致金属抗变形能力被大大提高这是通常强化的思路和方法。29、一般强化的方法有哪些？请用实例说明。固溶强化：类原子加入纯金属基体中构成固溶体后，其静强度行为可概括为：在应力应变图上，合金的流变应力以及整个应力应变曲线都向上提升，合金的应变强化能力一般比纯金属要高。相变强化:：高强度冷拔钢丝，它是工业上强度最高的钢铁制品，抗拉强度可以达到4000MPa, 这就是用强烈冷变形的方法取得的。弥散强化： Al-0.4wt%Cu合金是通过时效处理获得弥散强化效果的典型例子。晶界强化（细晶强化）：在工业上，通过压力加工和热处理使金属获得细而均匀的晶粒，是提高金属材料力学性能的有效途径。相变强化：相变强化不是一种独立的强化机制，它实际上是固溶强化、弥散强化、形变强化、细晶强化的综合效应。30、合金钢的定义？常用合金元素有哪些？简要说明合金元素加入钢中改变Fe-C钢性能的理由。合金元素的定义：在碳钢中有意地加入一种或几种合金元素,使钢的使用性能或工艺性能得以改善提高. 目前钢铁中常用的合金元素有十几个，分属于元素周期表中的不同周期：第二周期：B、C、N第三周期：Al、Si、P、S第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu第五周期：Nb、Mo第六周期：W物理化学基础课程中已经学习了二元相图的知识，由于元素与元素的相互作用，改变了体系中各相的稳定性，并产生了许多新的相； 以FeC二元相图为例，铁中由于加入了C元素，产生了新相，形成了不同的组织，从而钢铁材料也具有一系列不同的性能；31、什么是奥氏体形成元素？铁素体形成元素？对常用合金元素分类。奥氏体形成元素：合金元素中，在-Fe中有较大溶解度并能稳定-Fe的元素； 铁素体形成元素：在-Fe中有较大溶解度并使-Fe不稳定的元素；根据它们对铁多型性转变的影响，分为两大类：(1)使A3温度下降，A4温度升高，这类元素是扩大相区的奥氏体形成元素。它们分两类：（2）使A3温度升高，A4温度下降 这类是缩小-相区的铁素体形成元素。它包括下列两种情况：1）封闭相区2）缩小相区32、为什么合金元素在钢中的分布是不均匀的？解释硼增大淬透性的原因？合金中的晶体缺陷有晶界、相界、亚晶界及位错等，这些晶体缺陷区有较高的能量； 合金元素和杂质元素溶于合金后，将与这些晶体缺陷产生相互作用。溶质原子与晶界结合，形成晶界偏聚；溶质原子与位错结合，形成柯垂耳气团； 因此，溶质元素在合金中有时虽然极微，但因与晶体缺陷的交互作用，使其在缺陷区富集到很高浓度，从而对合金的组织和性能产生巨大的影响；33、钢中碳化物、氮化物的主要作用？这些碳氮化物一方面直到常常强化，另一方面能细化焸使之成为一类高效能的钢铁；碳化物和氮化物是钢铁中的重要组成相，其类型、成分、数量、尺寸大小、开关及分布对钢铁的性能有极重要的影响。34、合金元素对过冷奥氏体转变的影响？特别是对CCT曲线影响表现在哪些方面？1）、合金元素对过冷奥氏体转变的影响，首先表现在对临界点的影响：奥氏体形成元素降低Ar3点，使转变温度降低，过冷度减小，转变的驱动力减小；铁素体形成元素则相反。2）、合金元素对过冷奥氏体转变的影响集中反映在对过冷奥氏体转变动力学曲线位置 在碳钢中由于珠光体和贝氏体的最大转变速度温度极为接近，故在过冷奥氏体转变动力学曲线上只画出一个C曲线。但不同的合金元素对这些转变有着不同的影响:35、合金元素对Ms点的影响？绝大多数合金元素都降低Ms点（马氏体开始形成点），只有钴和铝相反。36、合金元素对回火过程的影响？1）、合金元素对马氏体分解的影响马氏体分解过程包括以下几步：1）碳原子在马氏体的晶体缺陷处偏聚；2）-Fe2.4C介稳碳化物析出和马氏体中含碳量降低；3）-Fe2.4C转变Fe3C。 碳化物形成元素阻碍马氏体的分解：主要是它们和碳有较强的亲和力有关，可把碳钢中马氏体分解完毕的温度从260提高到500。 弱碳化物形成元素锰和非碳化物形成元素镍对马氏体分解的作用甚弱。非碳化物形成元素Si、Al、P也能阻碍马氏体分解。Fe3C中不含Si，因此Si首先必须扩散开去，Fe3C才能形核和长大，Al和P的作用机制与硅相似。2）合金元素对回火时残留奥氏体转变的影响 淬火钢中残留奥氏体回火时转变的特点基本遵循过冷奥氏体恒温转变的规律，但孕育期较短和转变不完全。 残留奥氏体在500-600范围加热时，残留奥氏体中析出部分碳化物，使得残留奥氏体中的碳和碳化物形成元素降低，从而使残留奥氏体稳定性降低，Ms点升高，在冷却过程时发生马氏体转变。 37、什么叫结构钢？工程结构钢？机械结构钢？结构钢的定义 结构钢人们主要是利用它的力学性能（强度、塑性、韧性、硬度等）； 结构钢用来制造工程结构和机械结构，它包括工程结构钢和机械结构钢两大类；1）工程结构钢是指专门用来制造各种工程结构钢的一大类钢种；2）机械结构钢：机械结构钢是用来制造各种机械零件的钢种。38、工程钢的合金设计主要考虑哪些方面？1）工程结构钢的强化2）铁素体-珠光体组织的冷脆性3）工程结构钢的焊接问题（工艺性能）4) 应变时效和淬火时效5) 工程结构钢的耐大气腐蚀性能39、差别钢的焊接性采用什么概念？为了估计钢的可焊性的好坏，通常采用碳当量的概念；碳当量概念：把单个合金元素对热影响区硬化倾向的作用折算成碳的作用，再与钢的含碳量加在一起，用这个碳当量来判断钢的可焊性的好坏；40、分析碳素结构钢和高强低合金结构钢的强化原因（16Mn）？碳素工程结构钢中五种常存元素：碳、硅、锰、硫、磷，其中W(Mn) 1.0%, W(Si) 0.5%, 它们是冶炼工艺中为了脱氧和稳定硫的需要而加进来的；它们大部分以热轧成品供货。高强度低合金钢(High Strength Low Alloy Steels, 简为 HSLA) 为提高碳素工程结构钢强度，而加入少量合金元素；利用合金元素产生固溶强化、细晶强化和沉淀强化（不同钢种情况不一样）。利用细晶强化使钢的韧-脆转化温度的降低，来抵消由于固溶强化、碳氮化物沉淀强化使钢的韧-脆转化温度的升高。 41、机械结构钢为什么很多采用合金结构钢？接受淬火成马氏体的能力的大；在尺寸较大的零件上，在淬火时得不到人们所需要厚度的马氏体层；因此，在机械制造中的很多场合采用了合金结构钢。42、渗碳钢的合金化思想是什么？1）含碳量的确定2）合金化的主要作用之一是提高渗碳钢的淬透性。根据零件承受负荷大小不同，要求钢的淬透性不一样：3）渗碳层的含碳量和层的深度总结：渗碳钢的合金化思想既要考虑渗碳钢使用性能的要求，又要考虑渗碳工艺的需求。43、轴承钢的主要失效形式？对轴承钢的性能要求？轴承钢的冶金质量问题主要是什么？