金属材料与热处理(作业题 仅供参考).doc

金属材料与热处理（高原）热处理原理篇 画出Fe-C 相图，并说明A1，Ac1, Ar1; A3，Ac3, Ar3; Acm，Accm, Arcm各代表什么意义； 简述四种金属材料强化的方法，并用位错理论说明强化其机理细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。位错解释：晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据=n0，应力集中越小，所以材料的强度越高；固溶强化：合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。位错解释：融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。第二相强化：当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。这种强化作用称为第二相强化。位错解释：第二相强化的主要原因是它们与位错间的交互作用，阻碍了位错运动，提高了合金的变形抗力。加工硬化：随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度指标都有所提高，但塑性、韧性有所下降。位错解释：金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。 用位错理论解释马氏体的高硬度主要与含碳量有关、用位错理论解释红硬性主要与抗回火稳定性有关、用位错理论解释耐磨性主要与碳化物有关金属材料篇 为什么高速钢能够产生二次硬化，主要有哪几个方面的贡献。一是合金马氏体在高温回火时合金碳化物的脱溶，引起马氏体回火二次硬化；二是残留奥氏体的二次淬火，即回火后冷却时转变为马氏体。钢的二次硬化能力实际上仅取决于合金马氏体二次硬化的过程：析出物的本质和数量，而与残留奥氏体二次淬火无关。 高速钢为什么不能用一次长时间回火代替三次回火因为高速钢合金元素多而导致残余奥氏体多，淬火后的组织是马氏体+残余奥氏体，第一次回火使得马氏体回火变成为回火马氏体，而残余奥氏体转变为马氏体，这部分马氏体却在第一次回火中没有得到回火，因此，高速钢一次回火不能使所有的残余奥氏体转变成为马氏体。由于多次回火可以较完全消除奥氏体以及残余奥氏体转变成为马氏体时产生的应力，必须多次回火，一般3次。 应力的分类第类内应力：在材料内较大的区域，既：多个晶粒范围存在着的应力。其平衡遭到破坏时总会产生宏观的尺寸变化。第类内应力：在材料内较小的范围，既：一个晶粒或晶粒内的区域存在着的应力。当这种平衡遭到破坏时也会出现尺寸变化。第类内应力：在材料内极小的区域，既：几个原子间距内存在着的应力。当这种平衡破坏时，不会产生尺寸的变化。 不锈钢不锈的原因 1.氧化膜 2.单相组织 3.高的电极电位 合金钢中经常加入的合金元素有哪些?怎样分类?答：（1）常加的合金元素有硅、 锰、铬、镍、钨、钼、铁、硼等。（2）分类：1）合金钢按合金元素总含量分为低合金钢总含5以下)、中合金钢(总含量5-10)和高合金钢(总含重10以上)；2合金钢按合金元素种类分为铬钢、镍钢、锰钢、硅钢、铬镍钢、锰硅钢等；3）合金钢按用途分为合金结构钢、合金工具钢和特种合金钢(如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等)。 合金元素Mn、Cr、W、M0、V、Nb、Ni、Si 、AI、Co在室温的退火钢中如何分布?它们对钢中基本相有何影响? 合金元素Mn、Cr、W、Mo、V、Ti、Zr、Ni对钢的C曲线和Ms点有何影响？将引起钢在热处理、组织和性能方面的什么变化？答：除Co以外，大多数合金元素都增加奥氏体的稳定性，使C曲线右移。非碳化物形成元素Al、Ni、Si、Cu等不改变C曲线的形状，只使其右移，碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等除使C曲线右移外，还将C曲线分裂为珠光体转变的贝氏体转变两个C曲线，并在此二曲线之间出现一个过冷奥氏体的稳定区。除Co、Al外，其他合金元素均使Ms点降低，残余奥氏体量增多。由于合金元素的加入降低了共析点的碳含量、使C曲线右移, 从而使退火状态组织中的珠光体的比例增大, 使珠光体层片距离减小, 这也使钢的强度增加, 塑性下降。 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的珠光体, 或贝氏体甚至马氏体组织, 从而强度大为增加。Mn、Cr、Cu的强化作用较大, 而Si、Al、V、Mo等在一般含量下影响很小。合金元素都提高钢的淬透性, 促进马氏体的形成, 使强度大为增加但焊接性能变坏。 合金元素对回火转变有何影响?答：合金元素对回火转变及性能的影响如下：（1）产生二次硬化由于合金元素的扩散慢并阻碍碳的扩散,还阻碍碳化物的聚集和长大,因而合金钢中的碳化物在较高的回火温度时,仍能保持均匀弥散分布的细小碳化物的颗粒。并析出碳化物如Mo2C、W2C、VC高度弥散分布在马氏体基体上,并与马氏体保持共格关系,阻碍位错运动,使钢的硬度反而有所提高,这就形成了二次硬化。钢的硬度不仅不降低,反而再次提高。（2）提高淬火钢的回火稳定性(耐回火性)由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程,使回火的硬度降低过程变缓,从而提高钢的回火稳定性。由于合金钢的回火稳定性比碳钢高,若要得到相同的回火硬度时,则合金钢的回火温度就比同样含碳量的碳钢要高,回火时间也长。而当回火温度相同时,合金钢的强度、硬度都比碳钢高。（3）回火时产生第二类回火脆性在合金钢中,除了有低温回火脆性外,在含有Cr、Ni、Mn等元素的钢中,在550650回火后,又出现了冲击值的降低(如图8),称为高温回火脆性或第二类回火脆性。此高温回火脆性为可逆回火脆性，或第二类回火脆性。产生这类回火脆性的原因,一般认为是由于锡、磷、锑、砷等有害元素沿奥氏体晶界偏聚,减弱了晶界上原子间的结合力所致。 解释下列现象： (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答：主要原因是合金元素的加入而改变了碳在钢中的扩散速度所致。1）强碳化物形成元素如v、Ti、w、Mo等,与碳有较大的亲合力,增加碳在奥氏体中的扩散激活能,强烈地减缓碳在钢中的扩散,大大减慢了奥氏体化的过程。2）同时稳定性高的碳化物,要使之完全分解和固溶于奥氏体中,需要进一步提高加热温度,这类合金元素将使奥氏体化的时间增长。3）合金元素的扩散速度很慢,即使在1000的高温下,也仅是碳扩散速度的万分之几或干分之几。因此,合金钢的奥氏体成分均匀化比碳钢更缓慢。需要高温以保证合金元素溶入奥氏体并使之均匀化,从而充分发挥合金元素的作用。 (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；答：当温度超过150以后,强碳化物形成元素可阻碍碳的扩散,因而提高了马氏体分解温度。与碳钢相比,合金钢中的残余奥氏体要在更高的回火温度才能转变。在高合金钢中残余奥氏体十分稳定,甚至加热到500600并保温一段时间仍不分解。合金元素的扩散慢并阻碍碳的扩散,阻碍了碳化物的聚集和长大，使回火的硬度降低过程变缓,从而提高钢的回火稳定性。由于合金钢的回火稳定性比碳钢高,若要得到相同的回火硬度时,则合金钢的回火温度就比同样含碳量的碳钢要高,回火时间也长。而当回火温度相同时,合金钢的强度、硬度都比碳钢高。 (3)含碳量0.40、含铬12的铬钢属于过共折钢，而含碳1.5、含铬12的钢属于莱氏体钢；答：由于合金元素加入后显著改变了S点的位置，使它向碳含量减少的方向移动。所以含碳量0.40%、含铬12%的铬钢属于过共析钢，而含碳1.5%、含铬12%的钢属于莱氏体钢 (4)高速钢在热锻或热轧后，经空冷获得马氏体组织。 答：由于钢中含有大量的合金元素，高速钢的过冷奥氏体非常稳定，因而钢的淬透性很高。 对于中、小型刃具在热锻或热轧后，经空冷可获得马氏体组织。 为什么比较重要的大截面的结构零件如重型运输机械和矿山机器的轴类，大型发电机转子等都必需用合金钢制造?与碳钢比较，合金钢有何优缺点？答：（1）碳钢制成的零件尺寸不能太大，否则淬不透，出现内外性能不均，对于一些大型的机械零件，(要求内外性能均匀)，就不能采用碳钢制作，比较重要的大截面的结构零件如重型运输机械和矿山机器的轴类，大型发电机转子等都必须用合金钢制造。（2）1) 合金钢的淬透性高；2)合金钢回火抗力高，碳钢淬火后，只有经低温回火才能保持高硬度，若其回火温度超过200，其硬度就显著下降。即回火抗力差，不能在较高的温度下保持高硬度，因此对于要求耐磨，切削速度较高，刃部受热超过200的刀具就不能采用碳钢制作而采用合金钢来制作。3)合金钢能满足一些特殊性能的要求:如耐热性、耐腐蚀性、耐低温性(低温下高韧性)。 调质钢的基本要求和热处理工艺特点答：（1）基本要求：1.良好的综合机械性能，指强度和韧性的良好配合。b、s、k是代表材料是否有良好机械性能的五大指标。一般调质钢可以使得五大指标比较高。2.足够的淬透性3.可有效的防止第二类回火脆性（2）热处理工艺特点：1.先调质后机械加工；2.先粗加工再调质；3.整体调质或正火，局部表面淬火；4.机械加工后进行淬火中温回火 渗碳钢的成分特点及热处理工艺特点（1）成分特点：1）含碳量：一般在0.120.25%，特殊最高可达0.4%。2）含有合金元素：铬、镍、钨、钼、钒。（2）热处理工艺特点：1）常用的有低碳钢和合金钢两种温度：900-950；2）含碳量：0.8-1.2%3）渗层：1-5mm；4）表面硬度：HRC58-62；5）渗碳后缓冷，后续正火（退火）+淬火+回火；6）渗碳后直接淬火+回火；7）碳氮共渗直接淬火+回火 弹簧钢的性能特点及热处理工艺特点答：（1）性能特点：1)高的屈服强度和弹性极限，尤其要有较高的屈强比，避免产生塑性变形；高的疲劳极限。2）避免产生长期应力和应变工作下的塑性变形；3）一定得冲击韧性和塑性。4）一定得淬透性和低的过热敏感性。5）较高的冶金质量。较少的杂质和夹杂物(2)热处理工艺特点：淬火+中温回火中温回火有最高的弹性极限指标。高温回火冲击韧性好，低温回火韧性指标均低。中温回火既有一定的冲击韧性，而有最高的屈服极限，屈强比最高。 轴承钢的基本要求答：(1)基本要求：1)高的抗压强度和接触疲劳强度；2)热处理后具有均匀的高的硬度、耐磨性；有高的弹性极限。防止产生过量的塑变；3)有一定的韧性防止产生过量的塑性变形。防止受冲击变形；4)有一定的防腐能力。放置在使用过程中不被腐蚀；良好的尺寸稳定性。在存放和使用过程中保持一定的精度要求；5)良好的工艺加工性能。热成型、切削性、磨削性、热处理性能；6)高的冶金质量。表面不许有夹杂等；7)高的表面状态。不允许有：裂纹、毛边、缺陷、明显的加工刀痕等。 红硬性的表示方法答：(1)温度表示法：即正常淬火回火后，再于不同的温度下加热，保温1小时，冷至室温，在该温度下反复四次后测定硬度，用保持HRC60或58的那个最高温度来表示。(2)硬度表示法：即正常淬火回火后，再加热至600、625、650、675、700等，保温1小时，冷至室温，在该温度下反复四次测定硬度，用某温度下加热后的硬度表示 碳素工具钢的含碳量及热处理工艺特点答：065135C 淬火+低温回火 低合金工具钢的热处理特点答：先进行球化退火，以改善工具钢性能，最终热处理为：淬火+低温回火，组织为细小回火马氏体，粒状碳化物，少量残余奥氏体。 高速钢为何需要进行3次回火答：由于高速钢中残余奥氏体量多第一次回火后仍有10%的残余奥氏体未转变。再经过两次回火，残余奥氏体基本转变完了，第一次回火只对于淬火马氏体起回火作用，而回火冷却过程中转变成的二次马氏体，产生新的内应力，经第二次回火，可使第二次马氏体回火，同时，在回火冷却过程中使未转变的残余奥氏体转变为马氏体，第二次回火后，又会产生新的内应力，就需进行第三次回火消除淬火应力，稳定组织，减少残余奥氏体，达到所需的性能，。 量具钢热处理关键点 答：(1)重视预备热处理：工件的原始组织及内应力状况与淬火变形有着极密切的关系，所以在机加工前，必须很好地进行球化退火。机加工后淬火之前，应作去应力处理，即将工件在660700加热保温12小时，再缓冷至室温。这种处理对大型量具更为重要。不能以正火代替去应力处理，以防正火空冷时进一步产生应力。（2）在6080油中淬火，在大多数情况下，量具不采用分级和等温淬火（3）。对于高精度的量具，淬火后必须进行冷处理，其处理温度低于Mz，一般采用-70，0.53小时。为防止残余奥氏体陈化稳定，冷处理应在淬火后3060分钟内进行。冷处理后进行一般方法回火。 奥氏体形成的热力学条件，奥氏体为什么仅能在A1点之上形成？ 奥氏体的形成过程1.奥氏体的形核2.奥氏体的长大3.残余渗碳体（Fe3C）的溶解4.奥氏体的均匀化 奥氏体为什么优先在铁素体和渗碳体的相界面形核？ 为什么在奥氏体形成中铁素体的溶解速度大于渗碳体的溶解？ 为何说加热温度越高，加热时间越长，奥氏体形成的四个过程速度越快？ 为什么说加热速度越快，奥氏体形成的时间越短？ 奥氏体的晶粒度的概念；起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度； 温度、时间和加热速度是如何影响奥氏体晶粒的，为什么？ 如何获得均匀一致的珠光体，为何珠光体的片间距随着过冷度的增加而变小？热处理篇 什么是正火？将铁-碳合金加热到临界点（Ac3、 Acm）以上适当温度，并保持一定时间,然后在空气中冷却的工艺方法叫正火 什么是退火？将金属及其合金加热，保温和冷却，使其结构达到或接近平衡状态的热处理工艺称为退火。退火一般是在炉内缓冷（正火一般是空冷） 常用的正火有哪几种？正火的目的什么？正火的使用范围有哪些？分类：常规正火、高温正火目的：正火一般作为预先热处理，安排在零件的加工流程中，用以消除冶金及冷热加工过程产生的缺陷，并为以后的的机械加工及热处理准备良好的组织状况。对于性能要求不高的零部件，正火可以作为最终热处理。可见正火的处理及质量对产品零件的寿命有着至关重要的影响和作用。应用范围：用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理。 用于中碳钢，可代替调质处理作为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理。 用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织。 用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能。用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向。用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳体，以保证球化退火时渗碳体全部球粒化。 一般碳钢的正火温度？中碳钢正火的目的是什么？高碳钢正火的目的是什么？ 正火与退火的区别？生产中如何选择正火和退火？正火与退火的区别是加热温度不同，对于过共析钢退火加热温度在Ac1以上3050而正火加热温度在Accm以上3050。冷速快，组织细，强度和硬度有所提高。当钢件尺寸较小时，正火后组织：S，而退火后组织：P。选择：(1)从切削加工性上考虑切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及对刀具的磨损等。一般金属的硬度在HB170230范围内，切削性能较好。高于它过硬，难以加工，且刀具磨损快;过低则切屑不易断，造成刀具发热和磨损，加工后的零件表面粗糙度很大。对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢和工具钢则以退火为宜。至于合金钢，由于合金元素的加入，使钢的硬度有所提高，故中碳以上的合金钢一般都采用退火以改善切削性。(2)从使用性能上考虑如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械性能，但若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。(3)从经济上考虑正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，优先考虑以正火代替退火。 指出下列零件的锻造毛坯进行正火的主要目的及正火后的显微组织。20钢齿轮；（2）45钢小轴；（3）T12钢锉刀目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力，提高硬度，改善切削加工性。组织：晶粒均匀细小的大量铁素体和少量索氏体。 何谓球化退火？为什么过共析钢必须采用球化退火而不是采用完全退火？(1)将钢件加热到Ac1以上3050，保温一定时间后随炉缓慢冷却至600后出炉空冷。(2)过共析钢组织若为层状渗碳体和网状二次渗碳体时，不仅硬度高，难以切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂。通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工性。 退火的主要目的是什么？常用的退火工艺有哪几种？(1)均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，并消除内应力和加工硬化，改善钢的切削加工性能并为随后的淬火作好组织准备。(2)生产上常用的退火操作有完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火等。 生产中常用增加钢中珠光体的数量的方法来提高亚共析钢的强度，应采用何种热处理工艺？为什么？答：采用正火工艺，由0.2 Vaa+p(1-Va)知道，因为正火的冷却速度比退火的高，抑制了铁素体的析出，增加了珠光体的数量从而可以提高共析钢的强度 亚共析钢、共析钢和过共析钢平衡状态下的组织是什么？答：亚共析钢：F+P；共析钢:P；过共析钢：P+ Fe3C 什么是淬火，将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。 什么是淬透性、淬硬性和淬透深度。淬透性：钢在淬火条件下得到M组织或淬透层深度的能力，是钢的固有属性。主要受奥氏体中的碳含量和合金元素的影响。淬硬性：指钢在理想条件下淬火得到马氏体后所能达到的最高硬度，取决于M中WC%。淬透深度：一般规定从工件表层深入到半马氏体区(马氏体与非马氏体组织各占一半的地方易测定硬度)的深度为淬硬层深度。 为什么一般合金钢的淬透性好于碳钢？合金元素使钢的c曲线右移，也就是降低了钢的临界冷却速度，在相同的冷却速度下，合金钢具有更高的相对转变驱动力，（墒、焓）从而使合金钢的具有更高的淬透性。 合金元素能够提高淬透性的前提条件是什么？在淬火过程中，合金元素或固熔或形成碳化物，起到稳定奥氏体作用，从材料等温转变曲线来讲，即C曲线向右移动，材料发生马氏体转变的温度区间增大，转变时间增长，从而使奥氏体转变为马氏体的转变率越高，即有效淬硬深度（淬透性）增加。 简述几种淬火的工艺技术。 为什么说淬火是相变强化的一种典型工艺技术？ 举出5种常用的淬火方法1）单液淬火2)双液淬火(水淬油冷) 3)预冷淬火4)分级淬火法5)等温淬火 解释有物性变化和无物性变化的淬火冷却介质的原理？说明水和油的冷却特性、优缺点及应用范围。无物性变化的淬火冷却介质：没有物理变化的介质其共同特点是依靠周围介质的传导和对流将工件的热量带定。有物性变化的淬火冷却介质：按基本组成可分为水基与油基两大类，形成复