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工程材料与热处理课程期末考查授课学期 2011 学年至 2012 学年 第 二 学期学院 专 业 学号 姓名 任课教师 交稿日期 成绩 阅读教师签名 日 期 2011-2012学年第二学期工程材料与热处理课程期末考查题目解答 一、基础知识（40分）1. 机械工程材料的应用，主要根据材料的力学性能进行选材，以符合工程应用的条件。请叙述材料力学性能中：答：（1）强度指标：弹性极限、屈服强度、抗拉强度的定义和原理，并配必要的图表和计算公式进行说明；（2）塑性指标：延伸率和断面收缩率的定义，并配备必要的公式进行说明；（3）硬度指标：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度的测试方法，以及三者之间的近似换算方法（公式），并简述各种硬度测试的应用范围。解：（1）强度指标：强度时指金属在静载荷作用下抵抗塑形变形和断裂的能力。金属材料的强度指标是用内应力来表示的，即材料受载荷作用后内部产生一个与载荷相平衡的内力，单位面积上内力称为应力，一般用表示。常用的强度指标有弹性极限、屈服点、抗力强度。 弹性极限：弹性极限是指式样产生完全弹性变形时所承受的最大应力，用e表示，工程上常用单位为MPa。弹性极限的值可按下式计算。e=Fe/Ao 式中，Fe式样产生完全弹性变形时的最大载荷，N；Ao式样原始横截面面积，mm2 屈服极限：屈服极限是指式样在拉伸试验过程中，力不断增加(保持恒定)仍然能继续伸长（变形）时的应力。屈服极限是工程上极为重要的力学性能指标之一。也是大多数机械零件选材和设计的依据。屈服极限用符号s表示，单位为MPa。屈服点 s的值可用下式计算 式中，Fs 试样屈服时的载荷。N;A0试样原始横截面积， mm2 。 抗拉强度。抗拉强度是指试样拉断前所能承受的最大拉应力，用符号b表示，单位为MPa. 可用下式计算式中， Fb试样承受的最大拉伸力，N;A0试样原始横截面面积， mm2 。(2) 塑性指标： 塑性是指金属在静载荷作用下发生不可逆变形的能力。金属材料的塑性指标也是可以通过拉伸试验测得的。材料的塑性指标可以用试样拉断时的最大相对变形量来表示，常用的有断后伸长率和断面收缩率，它们是工程上广泛使用的表征材料塑性好坏的主要力学性能指标。(1)断后伸长率。断后伸长率是试样拉断后的标距增长量与原始标距之比，用符号表示，可用下式计算 （1-4）式中，L1拉断后试样的标距长度，mm ; L0试样原始标距，mm. 式中，A0试样原始横截面面积，mm; A1试样断口处的横截面面积，mm.(2)断面收缩率。断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面面积的缩减量与原始横截面面积之比，用符号 表示，可用下式计算 （1-5）式中，A0试样原始横截面面积，mm; A1试样断口处的横截面面积，mm.（3）硬度指标：材料局部抵抗硬物压入其表面(抵抗塑性变形和破裂)的能力称为硬度。它是衡量金属软硬程度的一种性能指标。材料的硬度可通过硬度试验测得，根据其测试方法的不同，硬度试验可分为静压法(如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等)、划痕法(如莫氏硬度)、回跳法(如肖氏硬度)及显微硬度、高温硬度等多种方法。对于金属材料的测量目前生产中应用较多的是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。布氏硬度: 布氏硬度的试验原理是用一定直径D的淬火钢球或硬质合金球，在规定的试验载荷F的作用下压入被测金属表面(如图1-4所示)，停留一定的时间后卸除载荷，在被测金属表面上得到一直径为d的压痕，测量压痕直径d，并由此计算压痕的球缺面积S，然后再求出压痕的单位面积上所承受的平均压力，以此作为被测金属的布氏硬度值。当选择淬火钢球为压头时，硬度的符号为HBS，适用于布氏硬度值低于450的金属材料;当选择硬质合金球为压头时，硬度的符号为HBW表示，适用于布氏硬度值为450 -650的金属材料。图1-5为HB- 3000布氏硬度试验机。布氏硬度值可用下式计算 (1-6) 式中，F载荷，N ( kgf) ; D压头的直径，mm ; d被测金属的压痕直径，mm. 由于金属有硬有软，工件有厚有薄，在进行布氏硬度试验时，压头直径D、载荷和载荷的保持时间应根据被测金属种类和厚度正确地进行选择。可根据金属材料的种类和布氏硬度范围，按表1-1选定F/D2的值;黑色金属的载荷保持时间为10-15 s，有色金属的为30 s，布氏硬度值小于35时载荷保持时间为60 s . 布氏硬度的标注方法是所测得的硬度值写在硬度符号的前面。除了采用钢球直径D为10 mm ,试验力为3 000 kgf(注:1 kgf = 9. 806 N，保持时间为10s的试验条件外，在其他试验条件下测得的硬度值，均应在硬度符号的后面用相应的数字注明压头直径、载荷大小和载荷保持时间。 洛氏硬度:洛氏硬度试验法是用一个锥角为120o。的金刚石圆锥体或直径为1. 588 mm的淬火钢球，在规定载荷作用下压入被测金属表面，由压头在金属表面所形成的压痕的深度来确定其硬度值。 布氏硬度试验不能测定硬度较高的金属材料;洛氏硬度试验虽可用来测定由极软到极硬金属材料的硬度，但不同标尺的硬度间没有简单的换算关系，使用上很不方便。为了能在同一种硬度标尺上，测定从极软到极硬金属材料的硬度值，因而特制定了维氏硬度试验法。维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相似，如图1 -8所示为维氏硬度试验原理图，它是用一个相对面夹角为136o。的金刚石正四棱锥体作压头，以规定的载荷F作用下压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，则被测金属表面上压出一个正四棱锥形的压痕，测量压痕投影的两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面面积A。最后求出压痕单位表面面积上承受的平均压力，以此作为被测金属的硬度值，称为维氏硬度，用符号HV表示。即式中，F载荷，kgf; d压痕两条对角线长度算术平均值，mm.维氏硬度适用范围宽，从极软到极硬的材料都可以测量。尤其适用于零件表面层硬度的测量，如化学热处理的渗层硬度测量，其结果精确可靠。但测取维氏硬度值时需要测量对角线长度，然后查表或计算，而且对试样表面的质量要求高，所以，测量效率较低，没有洛氏硬度方便，不适用于成批生产的常规试验。布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三者之间的近似换算方法:查找法。2. 简述常见三种金属晶格的类型，并通过绘制晶胞简图，对比三种晶格类型的差异。答：（1）体心立方晶格：心立方晶格的晶胞是一个立方体，其晶格常数：abc，=90。在立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子。每个晶胞中实际含有的原子数为1+81/82个。每个原子的最近邻原子数为8，所以其配位数为8。致密度0.68。具有体心立方晶格的金属有铬(Cr)、钨(w)、钼(Mo)、钒(V)、铁(Fe)等。（2）面心立方晶格：体面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，金属原子分布在立方晶胞的八个角上和六个面的中心，如图2-2-5所示。其晶格常数：a=bc，每个晶胞中实际含有的原子数为(1/8) 8+6(1/2)4个。配位数为12；致密度为0.74。具有面心立方晶格的金属有铝(Al）、铜(Cu）、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、铁(Fe)等。（3）密排六方晶格：密排六方晶格的晶胞是个正六方柱体，它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成如图2-26所示。金属原子分布在六方晶胞的十二个角上以及上下两底面的中心和两底面之间的三个均匀分布的间隙里。该晶胞要用两个晶格常数表示，一个是六边形的边长a，另一个是柱体高度c。每个晶胞中实际含有的原子数为(1/6) 12+2(1/2)+36个。典型的密排六方晶格的晶格常数c和a之比约为1.633,配位数为12，致密度为 0.74。具有密排六方晶格的金属有：镁(Mg)、锌（Zn）、镉（Cd）等。三种金属晶格的类型晶胞简图分别如下。3. 完成下列合金材料的内容：（1）简述相，元，合金系，组织，固溶体，金属化合物的概念；（2）举例说明二元合金、三元合金的组成，简述固溶体和金属化合物的异同。答：（1）相是指金属或合金中化学成分、晶体结构及原子聚集状态相同的，并于其他部分由明显界面分开均匀组成部分。如纯金属在液态火固态时均匀为一个相，分别称为液相和固相。组织是指用金相观察方法看到的有形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多中相构的组成形貌。所谓合金是指两种或两种以上的金属或非金属，经熔炼或烧结而成的具有金属特性的物质。组成合金最基本的、独立的物质叫组元。由给定的组员可以配制成一系列不同合金，组成一个系统，称之为合金系。合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的且晶格类型与组元之一相同的固相称为熔体。金属氧化物是指合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。二元合金：黄铜是由铜和锌组成的二元合金三元合金：硬铝是由铝、铜、镁组成的三元合金。A、固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。B、金属化合物 定义：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物。B1固溶体的结构特点(1) 保持着溶剂的晶格类型；(2) 晶格发生畸变 (3) 偏聚与（短程）有序(4) 有序固溶体（长程有序化）B2 固溶体的性能（1）固溶体强硬度高于组成它的纯金属，塑韧性低于组成它的纯金属;（2）物理性能方面，随着溶质原子的，固溶体的电阻率，电阻温度系数，导热性。4. 下图为工业用Cu-Ni合金相图。其中A点为纯铜熔点，B点为纯镍的熔点。请完成以下内容：（1）简述什么是均晶相图；（2）在两图中标示出液相区（L）、固相区（）和固液两相区（L+）；（3）指出图（a）中的液相线和固相线。答：（1）两组元在液态和固态都能无限互溶的二元合金所组成的相图称为均晶相图。 （2）A1B以上为液相区L，A3B以下为固相区，A1B与A3B之间为两相区（L+）。 （3）液相线为A1B,固相线为A3B.5.绘制Pb-Sn的合金相图，并简要介绍相图的含义。答：如图是Pb-Sn合金相图，在图中，AEB为液相线，AMENB为固相线。MF为Sn溶于Pb的溶解度线，NG为Pb溶于Sn的溶解度线，这两条线又称固溶线。合金系中有L、三个相，相是Sn溶于Pb中的固溶体，相是Pb溶于Sn中的固溶体。MEN为L、三相共存线。6.描述纯铁在结晶后继续冷却至室温的过程中，所发生的晶格转变过程，简述纯铁同素异构转变现象的意义。答：在770度下纯铁具有铁磁性，在770度以下则失去铁磁性。因为纯铁具有同素异构现象，所以生产上可对钢铁和铸铁进行相变热处理，达到改变钢铁的内部组织来提高性能的目的。7.简述纯铁、钢和铸铁的区别。答：三者主要区别的在含碳量上，纯铁是含碳量小于0.02%的铁合金较软，具有较好的抗腐蚀性，韧性和延展性较高，硬度和强度较低。钢是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.04%之间的铁合金，钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。铸铁是指碳的质量分数大于2.11%(2.5%4%)的铁碳合金。它是以铁、碳、硅为主要组成元素，与钢相比铸铁中的锰、硫、磷等杂质元素含量较高，此外还有少量的铬、钼、铝、钒等合金元素。8.针对铁碳二元合金，完成以下内容：（1）详细介绍铁碳合金中的相结构；（2）绘制铁碳二元合金相图（可绘制简化图）（3）找出并介绍相图中各主要特性线的含义，如液相线，固相线，包晶转变线，共晶转变线，共析转变线等。（4）根据含碳量和组织的不同，铁碳合金有哪三类，分别是什么，并介绍各类的特征或力学性能：答：（1）金属在固态下随着温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的变化称为同素异构转变。如Fe, Co, Ti, Mn, Sn等都具有同素异构转变。由同素异构转变所得的不同晶格的晶体称为同素异构体。纯铁在结晶后继续冷却至室温的过程中，先后发生两次晶格转变，转变过程可表示如下:另外，770为纯铁的磁性转变点(又称居里点)。在770以下纯铁具有铁磁性，在770以上则失去铁磁性。因为纯铁具有同素异构转变现象，所以生产上可对钢和铸铁进行相变热处理，达到改变钢铁的内部组织来提高性能的目的。（2）Fe-Fe3C相图（3）液相线(ABCD):是结晶时液相的成分变化线，该线以上全部为液相。固相线(AHJECF):是结晶时固相的成分变化线，该线以下全部为固相。HJB线(包晶转变线):由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一个一定成分新固相的反应称为包晶转变。相图中，含碳量在0. 09%-0. 53%的合金从液态凝固时均要发生包晶转变 ，形成单相奥氏体。ECF线(共晶转变线):由一定成分的液相在恒温下同时转变成两个一定成分的固相的转变称为共晶转变。相图中，含碳量在2. 11%-6. 69%的合金从液态凝固时均要发生共晶转变，形成奥氏体和渗碳体所组成的共晶体 A+Fe3C，这是一种组织较致密的机械混合物，称为高温莱氏体，用符号Ld表示。PSK线(共析转变线):在恒温下由一个固定成分的固相同时生成两个固定成分的新固相的转变称为共析转变。相图中，含碳量在0. 021 8%-6. 69%的合金凝固时温度降到727均要发生共析转变，同时析出铁素体和渗碳体，这两种产物的机械混合物称为珠光体，用字符P表示。727时，高温莱氏体中的奥氏体发生共析转变形成珠光体，珠光体和渗碳体的机械混合物称为低温莱氏体，用Ld表示。ES:碳在奥氏体中的溶解度随温度的变化线。随着温度从E点(1 148)下降到S点(727 ，奥氏体含碳量从2. 11%减少到0. 77%，在这个过程中，奥氏体中过剩的碳以渗碳体形式析出。通常把从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体，用Fe3 CII表示，从液态中直接析出的渗碳体称为一次渗碳体，用Fe3 CI表示。PQ:碳在铁素体中的溶解度随温度的变化线。从727冷却到室温的过程中，碳在铁素体中的溶解度由0. 021 8%减少到（4）根据含碳量和组织的不同，通常把铁碳合金分为三类:工业纯铁( wc0.0218%),碳钢(wc= 0. 021 8% 2. 11%)和白口铸铁(wc= 2. 11%6. 69 %)。工业纯铁：是钢的一种，其化学成分主要是铁，含量在99.50%99.90%，含碳量在0.04%以下，其他元素愈少愈好。因为它实际上还不是真正的纯铁，所以称这一种接近于纯铁的钢为工业纯铁。一般工业纯铁质地特别软，韧性特别大，电磁性能很好。常见的有两种规格，一种是是作为深冲材料的，可以冲压成极复杂的形状；另一种是作为电磁材料的，有高的感磁性的低的抗磁性。碳钢：主要指碳的质量分数小于2.11%而不含有特意加入的合金元素的钢。有时也称为普碳钢或碳素钢。碳钢除含碳外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷。白口铸铁：碳以游离碳化物形式析出的铸铁，断口呈白色，是一种良好抗磨材料，在磨料磨损条件下工作。它是不含石墨的铸铁，几乎全部的碳都与铁形成碳化三铁。具有很大的硬度和脆性。不能承受冷加工，也不能承受热加工，只能直接用于铸造状态。9.完成钢的热处理相关内容：（1）所有钢的热处理中，都是由三个阶段组成，是哪三个阶段；（2）绘制钢在加热和冷却时的组织转变示意图，用相应符号描绘在加热时的相变点和在冷却时的相变点：（3）简述什么是奥氏体化，为何要进行奥氏体化，影响奥氏体转变的因素有哪些，影响奥氏体晶粒长大的因素有哪些？（4）简述什么是过冷奥氏体及过冷奥氏体等温转变的组织形态及性能；（5）简述马氏体的概念，并简述马氏体的性能和特征。（6）简述钢的退火，正火，淬火，回火的定义和各自的目的、种类或方法，并说明退火和正火的区别和适用状况。（7）分别介绍钢的表面热处理的种类、原理和应用，简述发蓝或发黑处理原理；（8）钢的表面化学处理中，渗碳、渗氮、碳氮共渗的原理和方法；答:（1） 所有钢的热处理中，都是由三个阶段组成，分别是加热、保温和冷却。（2） 钢在加热和冷却时的组织转变示意图：（3）钢的奥氏体化：钢加热到Ac1点以上时会发生珠光体向奥氏体的转变，加热到Ac3和Accm点以上时，珠光体全部转变为奥氏体，这种加热到相变点以上获得奥氏体组织的过程就称为钢的奥氏体化。(4)过冷奥氏体：冷却速度较快，奥氏体被过冷到共析温度以下才发生转变，在共析温度以下暂存的、不稳定的奥氏体称为过冷奥氏体过冷奥氏体等温转变的组织形态及性能：当温度冷却至727摄氏度时，奥氏体将发生共析转变，转变成铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体。此后，在继续冷却的的过程中不再发生组织变化（三次渗碳体的析出不计），共析钢的全部室温组织全部为珠光体。其特征是强度、硬度低，塑性、韧性好。（5）马氏体概念：当奥氏体的冷却速度大于该类型的马氏体临界冷却速度，并过冷到Ms以下时，就开始发生马氏体转变。由于马氏体转变温度较低。过冷度很大。而且形成的速度较快，使奥氏体向马氏体转变只发生r-Fe向-Fe晶格改组，而没有铁、碳原子的扩散，原来固溶于奥氏体的碳仍被全部保留在-Fe中，这种由过冷奥氏体直接转变为碳-Fe中的严重过饱和固溶体，称为马氏体。马氏体的性能和特征：马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的碳的质量分数，随碳的质量分数的增高，其硬度和强度随之增高，尤其在碳的质量分数较低时，强度很硬度增高比较明显；马氏体的塑性和韧性也与碳的质量分数有关，板条状的低碳马氏体塑性和韧性较好，而片状高碳的马氏体的塑性和韧性差。马氏体的性能：马氏体转变是无扩散型转变、转变速度极快、马氏体转变是在一定温度范围内的、马氏体转变是不完全性的。（6）钢的退火：退火是将钢体加热到适当温度、保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。目的：(1)降低钢件的硬度以利于切削加工；(2)消除残余应力，以防钢件变形与开裂；(3)细化晶粒，改善组织，以提高钢的力学性能，并为最终热处理做好组织准备。种类：完全退火、等温退火、球化退火均匀化退火、低温退火。钢的正火：将钢件加热到Ae3(或Accm)+ (3050），完全奥氏体化后，再在空气中冷却以得到较细珠光体组织的热处理工艺。目的：(1)作为普通结构零件的最终热处理；(2)改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性能；(3)作为中碳结构钢制作的较重要零件的预先热处理；(4)消除过析钢中的二次渗碳体网；(5)特定情况下代替淬火、回火对某些大型的或较复杂的零件。钢的淬火：将钢件加热到Ae3(Ae1)+ (3050)，保温一定的时间使之奥氏体化后，以大于马氏体临界冷却速度快速冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺，称为淬火。种类：1.单液淬火；2.双液淬火；3.分级淬火；4.等温淬火。钢的回火：将淬火后的工件重新加热到A1以下某一温度，保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。目的：(1)获得工件所要求的力学性能。工件经淬火后，具有高的硬度，但塑性和韧性却显著降低。为了满足各种工件的不同性能要求，可通过适当回火来改变淬火组织，获得所要求的力学性能。(2)稳定工件尺寸。淬火工件中的马氏体和残余奥氏体都是不稳定组织，在室温下会自发的发生分解，从而引起工件尺寸和形状的改变。通过回火使淬火组织转变为稳定组织，从而保证工件在以后的使用过程中不再发生尺寸和形状的改变。(3)消除或减少淬火内应力。工件淬火后存在很大的内应力，如不及时回火，往往会使工件发生变形甚至开裂。种类：低温回火、中温回火、高温回火。退火和正火的区别和适用状况：正火与退火的主要区别是正火的冷却速度稍快，得到的组织较细小，强度和硬度有所提高，操作简便，生产周期短，成本较低。（7）钢的表面热处理的种类：表面火焰淬火、表面感应淬火。表面火焰淬火原理：火焰加热表面淬火是一种利用乙炔一氧气或煤气一氧气混合气体的燃烧火焰，将工件表面迅速加热到淬火温度，随后以浸水和喷水方式进行冷却，使工件表层转变为马氏体而心部组织不变的工艺方法。表面火焰淬火应用：火焰加热表面淬火的优点是:设备简单、操作方便、成本低、工件大小不受限制，特别适用于大型工件、单件和小批量生产，淬硬层深度一般为26 mm。缺点是淬火硬度和淬透性深度不易控制，淬火质量不稳定，常取决于操作工人的技术水平和熟练程度;生产效率低，只适合单件和小批量生产。常用于轧钢机齿轮、轧辊;矿山机械齿轮、轴;普通机床导轨、齿轮等零件。表面感应淬火原理：表面感应淬火是利用电磁感应原理，将工件置于用铜管制成的感应圈中，通以一定频率的交变电流，铜管中产生的交变磁场在工件内产生一定频率的感应电流(涡流)，利用工件的电阻而将工件加热。由于感应电流的集肤效应，靠近工件表面电流密度最大，而工件心部电流几乎为零，使工件表层被快速加热至奥氏体化，随后立即快速冷却，在工件表面获得一定深度的淬硬层。表面感应淬火应用：如机床和精密机械上的中、小模数传动齿轮，蒸汽机车、内燃机车、冶金、矿山机械等上的大模数齿轮，花键轴、汽车半轴和机床主轴轴颈、凸轮轴、撞杆、钻杆、轧辊、火车轮等。发蓝或发黑处理：将钢铁制品表面迅速氧化,使之形成致密的氧化膜保护层。（8）渗碳：原理：将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。其目的是通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使工件表面具有高的硬度、耐磨性和良好的抗疲劳性能，而心部具有较高的强度和良好的韧性。渗碳广泛用于在磨损情况下工作并承受冲击载荷、交变载荷的工件，方法：气体渗碳、固体渗碳、真空渗碳渗氮: 原理：渗氮时分解出的活性氮原子被钢表面吸收，首先溶入固溶体，然后与铁和合金元素形成化合物，最后向心部扩散，形成一定厚度的渗氮层。钢不能吸收氮分子，分解氮气来得到活性氟原子也非常困难，所以渗氮过程中要利用氨气在高于300的高温下与工件接触，在工件表面氨分解出活性氮原子供给氮化件吸收，氨作为气体渗剂，方法：气体渗氮、离子渗氮、抗蚀渗氮碳氮共渗：原理：低温气体氮碳共渗：由于处理温度低，实质上以渗氮为主。但因为有活性碳原子与活性氮原子同时存在，渗氮速度大为提高。一般保温时间为13 h，渗层深度为0. O1 0. 02 mm。工件经氮碳共渗后，其共渗层的硬度比纯气体氮化低，但仍具有较高的硬度、耐磨性和高的疲劳强度。渗层韧性好而不易剥落，并有减摩的特点，在润滑不良和高磨损条件下，有抗咬合、抗擦伤的优点，耐磨性也有明显提高。由于处理温度低，时间短，所以零件变形小。中温气体氮碳共渗：在共渗温度下，煤油和氨除了前述的渗碳和氮化的作用外，它们之间相互作用还生成了C和N活性原子，活性碳、氮原子被工件表面吸收并向内扩散形成共渗层。一般共渗温度820860，保温时间取决于要求的共渗层深度。方法：低温气体氮碳共渗、中温气体氮碳共渗、二、材料的应用（40分）1.分别简述钢中杂质硅、锰、磷、硫及其它杂质的影响；硅的影响 硅是在炼钢时随脱氧剂而加入钢中的有益元素，其含量一般不超过0. 04 % 。 在室温下，溶于铁素体，虽然能提高钢的强度、硬度和弹性，但是却会降低钢的 塑性和韧性。锰的影响锰是来源于炼钢的材料锰铁，是钢中的有益元素。锰在钢中能大部分溶于铁素体，对钢有一定的固溶强化作用，少量溶于渗碳体，形成合金渗碳体。同时锰具有一定的脱氧和脱硫的能力，使钢中的FeO还原成铁，可与硫生成MnS ,减轻硫的有害作用。另外，锰还能增加钢中珠光体的相对量，并使珠光体晶粒细化，提高钢的强度。碳钢中锰的含量一般在0.25%0. 80 % 。磷的影响 磷是从生铁中被带入钢中的，是钢中的有害元素。一般情况下，磷能完全溶于铁素体，可以使铁素体的强度、硬度提高，但是在室温时会降低钢的塑性和韧性。在低温的情况下，使其塑性、韧性显著降低，这种脆化现象称为冷脆。因此，应尽量控制钢中的磷含量。例如，1938年冬天，比利时阿尔伯特运河钢桥因磷含量高而产生冷脆性，发生断裂坠入河中。 但是，在适当的情况下，P也有一些有益的作用，如与Cu配合能增加钢的抗大气腐蚀能力，从而改善钢材的切削加工性能。硫的影响 硫是从生铁和焦炭中被带入钢中的，是钢中的有害元素。固态时，不溶于铁，而是以FeS形式存在。由于其塑性很差，使钢的脆性增大。更严重的是当钢在1 0001 200进行压力加工时，分布在奥氏体晶界上的FeS与Fe形成低熔点的共晶体在晶界上融化，致使晶粒脱开，使钢在加工过程中沿晶界开裂。这种引起钢在热加工时或高温工作下开裂的现象称为热裂性，或者称为热脆性。消除热裂性的方法就是在钢中加入锰元素，让锰和硫形成高熔点的MnS，且成粒状分布在晶粒内部，如此就能有效消除在高温下硫引起的热裂性。因此，应尽量控制钢中的硫含量。其他杂质的影响 钢中除了含有以上几种杂质外，还有氢、氧、氮等元素。钢中含有原子态的过饱和氢时将降低其韧性，引起氢脆。当氢在钢中的缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。室温下氮在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和的氮在常温放置过程中会以Fe4N形式析出而使钢变脆，称为时效脆化。在钢中加入Ti , V , Al等元素，可使氮以氮化物的形式被固定下来，从而消除时效倾向。钢中氧全部以氧化物形式存在，所以氧对钢性能的危害主要表现为氧化物夹杂对钢性能的影响。钢中含氧量增加，氧化物夹杂数量增加，使钢的塑性、韧性降低，疲劳强度、耐蚀性和热加工性能变坏，故应严格控制钢中的氧含量。2.什么是低碳钢、中碳钢、高碳钢？各自应用范围有哪些？碳钢根据用途分类有哪些？根据钢中的含碳量的多少，可以分为低碳钢(wc0. 25%，中碳钢(0.30% (wc 0.55%)和高碳钢(wc 0. 6%)三大类。低碳钢和中碳钢，用于制造各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等，以及机器零件，如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等。高碳钢，用于制造各种刃具、量具、模具等。碳素结构钢、碳素工具钢、铸钢。3.举例说明普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、铸钢的牌号和性能及其应用； 普通碳素结构钢：Q195和Q215含碳量低，焊接性能好，塑性韧性好，易于加工，具有一定强度，常用于轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构。 Q235既有较高的塑性，又有适当的强度，因而被称为应用最广泛的普通碳素结构钢。优质碳素结构钢：08F, 10F, 15 , 20等具有良好的塑性韧性和良好的锻压、焊接性能。常用于制造受力不大，塑性韧性要求较高的零件，如螺栓、螺母及焊接容器等。铸钢：ZG200400和ZG230 450抗压性能和屈服强度不是太高，常用于制作机座，变速箱壳体等。 4.碳钢与合金钢的区别在哪里，各自有哪些优缺点； 合金钢除含有普通碳钢的铁、碳外，根据性能需求还添加有其它合金元素，比如常见的铬、镍、钼、锰、硅等，以达到改善热处理性能、机械性能等方面，通常价格较普通碳钢高。一般情况下，经过一定的热处理之后，合金钢比碳钢强韧指标都要高，因而适于制作性能要求更高的制品，可以在环境更恶劣的场合服役。这是合金钢最大的突出优点。冷热加工工艺方面，有些合金钢需要谨慎，如加工进刀量要小些，加热冷却速度要慢些等等，但一般并不难满足要求。相比而言，合金钢材料价格要高，这是不言而喻的赞同5.合金元素对钢的性能影响有哪些，分别是哪些合金元素；性能影响：（1）产生固溶强化（2）使渗碳体的硬度和稳定性增加（3）形成特殊碳化物合金元素：当这些碳化物数量增多、且在钢中弥散分布时，能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，而不降低韧性，这对改善钢的力学性能极为有利。Al, Nb, V, T，Ti, Nb，C, P, Mn，W6.简述合金钢按合金元素含量和按用途分类；按元素含量（1）低合金钢（2）中合金钢（3）高合金钢按用途分类（1）合金结构钢（2）合金工具钢(3)特殊性能钢7.分别简单介绍以下合金钢的成分和牌号定义，举例说明热处理工艺和应用：（1）低合金高强度结构钢：低合金高强度结构钢是一种低碳结构用钢，它是由碳素结构钢中添加少量合金元素Mn, Ti, V, Nb, Cu, P生成的，合金成分不超过3%。其中Mn是强化基体元素，其含量一般在1. 8%以下，含量过高将显著降低钢的塑性和韧性，也会影响其焊接性能。Ti , V , Nb等元素在钢中能形成微细碳化物，起细化晶粒和弥散强化作用，提高钢的屈服极限、强度极限以及低温冲击韧性。Cu , P可提高钢对大气的抗蚀能力，比碳素结构钢高2-3倍。用途因此，此类钢的强度显著高于相同碳含量的碳素钢，且其还具有较好的韧性、塑性以及良好的焊接性和耐蚀性，用于桥梁、车辆和船舶等行业。（2）合金渗碳钢；用于制造渗碳零件的合金钢称为合金渗碳钢。合金渗碳钢的碳含量一般在0. 10%0. 25 %，属于低碳钢。低的碳含量可保证渗碳零件心部具有足够的韧性和塑性。其主加合金元素Cr( 2%)、镍Ni( 4%)、Mn( 2%)和B( 0.005%)等作用是提高钢的淬透性，使心部得到马氏体，改善渗碳零件心部组织和性能，同时还能提高渗碳层的性能(如强度、韧性及塑性)，其中镍的作用最为显著。其辅加元素 ( 0.2% ) 、W( 1.2% ) 、Mo( 0.6%)、Ti(0. 1%)等的作用是渗碳时阻止奥氏体晶粒长大，显著细化晶粒，抑制钢件在渗碳时产生过热，提高耐磨性。牌号定义合金渗碳钢分为三类: 低淬透性合金渗碳钢。钢含合金元素总量小于3%，属于这类钢的有20Cr, 15Mn2, 20Mn2, 20MnV等中淬透性合金渗碳钢。钢含合金元素总量在4%左右。属于这类钢的有20rMnTi, 12CrNi3A, 20CrMnMo, 20MnVB等。高淬透性合金渗碳钢。钢含合金元素总量在46%。属于这类钢的有12Cr2Ni4A, 18Cr2Ni4W, 20Cr2Ni4等。例如：12CrNi3钢属于合金渗碳钢，该钢淬火低温回火或高温回火后都具有良好的综合力学性能，钢的低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，当硬度为HB260320时，相对切削加工性为60%70%。另外，钢退火后硬度低、塑性好，因此，既可以采用切削加工方法制造模具，也可以采用冷挤压成型方法制造模具。为提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性，该钢适宜制造大、中型塑料模具或汽车、拖拉机上的变速齿轮、后桥齿轮等。合金渗碳钢的热处理预备热处理：低、中淬透性合金渗碳钢锻后空冷的组织为珠光体和铁素体，采用正火提高渗碳钢零件毛坯的硬度，利于切削加工。高淬透性合金钢锻后空冷的组织为马氏体，采用高温回火得到回火索氏体降低硬度，以改善切削加工性。最终热处理：为保证零件的表面高硬度和耐磨性，一般在渗碳后进行一次淬火及低温回火。处理后，零件表层为高碳马氏体+碳化物+残余奥氏体，心部为低碳马氏体，韧性好，满足“外硬里韧”的要求。但低淬透性合金渗碳钢渗碳时，心部晶粒容易长大，特别是锰钢，如性能要求较高时，可在渗碳后进行两次淬火处理。由于中淬透性合金渗碳钢含有Ti,V , Mo等合金元素，渗碳时奥氏体晶粒的长大倾向较小，渗碳后预冷到870左右直接淬火，经低温回火后具有较好的力学性能。而高淬透性合金钢含有较高的合金元素，其C形曲线大大右移，因而在空气中冷却也能获得马氏体组织。同时，马氏体转变温度大为下降，渗碳层在淬火后保留有大量的残余奥氏体。为了减少淬火后残余奥氏体量，可在淬火前先进行高温回火使碳化物球化，或在淬火后采用冷处理。常见渗碳钢的牌号，热处理工艺，力学性能见表9-2。零件;合金调质钢适用于尺寸较大、负荷较重的零件。表9 -4所示为常用合金调质钢(加工成直径为25 mm的毛坯，全部淬透)，经调质处理后的力学性能。（3）合金调质钢；.定义经过调质处理后使用的合金结构钢称为合金调质钢。合金调质钢的化学成分合金调质钢的含碳量在0. 25%0. 50%，属于中碳钢。碳含量过低时不易淬硬，回火后不能达到所要求的强度;碳含量过高时韧性不足。常用的碳素调质钢，其碳含量接近上限，如40钢、45钢、50钢等;而合金调质钢则比较接近下限，如40Cr, 30CrMnTi钢等。合金调质钢的类型合金调质钢按照其淬透性的高低，也可分为三类:低淬透性调质钢：钢含合金元素总量小于3%。属于这类钢的有35SiMn, 40Cr, 40MnB等。其淬透性较低，油淬临界直径为2040 mm，故多用于制造截面尺寸小的、受交变载荷的调质工件，如齿轮、轴、螺栓等零件。中淬透性调质钢。钢含合金元素总量在4%左右。属于这类钢的有35CrMo, 38CrMoAI, 40CrMn, 40CrNi等。其淬透性中等，油淬临界直径为4060 mm。由于含有较多的合金元素，故用于制造截面较大、承受较重载荷的调质工件，如大型发动机的曲轴，连杆等。(3)高淬透性调质钢：钢含合金元素总量在4%10%。属于这类钢的有38CrMoAIA, 40CrMnMo, 25Cr2Ni4WA等。其淬透性中等，油淬临界直径为60100 mm，其中含的合金元素量较多，主要制造大截面重载荷零件，如汽轮机主轴、压力机曲轴、航空发动机曲轴等。合金调质钢的热处理预备热处理：合金调质钢制的零件毛坯锻造后的预备热处理一般要进行正火或退火处理，以改善锻件的组织性能，为切削加工和淬火做准备。淬透性低的钢，用正火满足切削加工性，比较经济;淬透性高的钢，用退火降低硬度利于切削。最终热处理：多数合金调质钢属于中碳钢，调质处理后，其组织为回火索氏体。调质钢具有高的强度、良好的塑性与韧性，即具有良好的综合力学性能。但是，一些合金调质钢由于其性能的要求不同，有时采用淬火+中温或低温回火，得到回火托氏体或回火马氏体，获得比调质态更高的强度、硬度和冲击疲劳抗力，用于制造承受小能量多次冲击的零件或高强度耐磨件。另外，某些不仅要求有良好综合力学性能，还要求表层高硬度和高耐磨性的零件，则在调质后还要进行表面淬火或氮化处理。（4）合金弹簧钢；合金弹簧钢的化学成分为了获得弹簧所要求的性能，弹簧钢的碳含量比调质钢高，一般在0. 45 %0. 70%之间。含碳量过高，塑性、韧性降低，疲劳极限也降低。主加合金元素有Si, Mn, Cr, W, V等，主要作用是提高钢的淬透性和回火稳定性，强化铁素体和细化晶粒，有效地改善弹簧钢的力学性能，提高弹性极限、屈强比。其中Cr,W,V还有利于提高弹簧钢的高温强度，但Si的加入，使钢在加热时容易脱碳，疲劳强度大为下降，因此在热处理时应注意防止脱碳。合金弹簧钢的类型锰钢：65 Mn钢的锰含量约为1. 0%，属于含锰较高的优质碳素结构钢。锰的加入能提高其淬透性、强化铁素体，12 mm直径的钢材油中可以淬透，脱碳倾向比硅钢小;缺点是有过热敏感性和回火脆性倾向，淬火时开裂倾向也较大。65 Mn钢可制作一般截面尺寸为小于15 mm的小型弹簧，如弹簧环、气门簧、离合器簧片、刹车弹簧等。硅锰钢：55Si2MnV, 55SiMnMoVNb, 55SiMnVB, 60Si2Mn等钢是在硅锰钢基础上加入少量Mo, V, Nb, B等元素制成。这类钢具有较高的淬透性(在油中临界淬透直径为20 30 mm)和力学性能，且脱碳倾向比一般硅锰弹簧钢小，适用于8t, 15t, 25t汽车的大截面(毛25 mm)板簧。铬钒钢：50CrVA, 50CrMn等钢由于加入Cr, V元素，使淬透性大大提高(在油中临界淬透直径为3050 mm)，且能细化晶粒，增加回火稳定性，可用于制造在300 450下工作的大截面弹簧，如高速柴油机的气门弹簧，安全阀等耐热弹簧。由于弹簧一般是在动负载条件下使用，因此弹簧大体上可分为热成型弹簧与冷成型弹簧两大类。热成型弹簧钢的热处理：一般用于制造大型弹簧或形状复杂的弹簧，钢材在热成型之前不具备弹簧所要求的性能，热成型之后，进行淬火及中温回火(300500)，得到回火屈氏体组织，其硬度为40 48 HRC，从而保证了弹簧钢既有较高的弹性极限，又具有足够的韧性指标。冷成型弹簧钢的热处理：将钢材在500550的盐浴中进行等温淬火，得到索氏体组织，在冷拉或冷轧后弹性极限大为提高，不用进行淬火处理，只需要在200300进行去应力退火，稳定尺寸即可。在成型及热处理过程中，要特别注意防止表面氧化，脱碳及伤痕，往往进行喷丸处理进行表面强化，使表层形成残余压应力并消除表面缺陷，以提高弹簧的寿命。8.简述下列工具用钢的成分和牌号，举例说明热处理工艺和应用：（1）工具用碳钢；成分：工具用碳钢的含碳量为wc= 0. 65%1. 35 %，有益元素wSi 0. 35% , wMn0. 4%，有害元素wS 0.03%， wP 0.035%。牌号：工具用碳钢的牌号是用“T+数字+字母”字表示。T”是碳素工具钢“碳”字汉语拼音的首写字母，数字表示钢中平均碳含量的千倍。T8 , T10分别表示钢中平均碳含量为wc= 0. 80%和wc = 1. 0%的工具用碳钢，若为高级优质工具用碳钢，则在牌号最后附以“A”字。如T12A，表示平均含碳量等于1. 2%的优质工具用碳钢。热处理工艺和应用：工具用碳钢经热处理(淬火+低温回火)后具有高硬度，但是工具用碳钢的淬透性低，须用水作淬火介质(水中的临界淬透直径为1518 min，而油淬的临界淬透直径为5-7 mm，容易产生淬火变形，特别是形状复杂的工具，应该特别注意;其次是随着含碳量越多，碳化物的量越多，回火稳定性小，热硬性差，刃部受热至200250时，其硬度和耐磨性已迅速下降。因此只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。（2）量具用钢；成分：这类钢属于高碳低合金的过共析钢，平均碳含量wc=0.8%1%，较高的含碳量是保证高硬度和高耐磨性的必要条件。含有Cr, Mn, Si, W, V等合金元素，其总含量小于5%，其作用是提高钢的淬透性和耐回火性，细化晶粒的作用。牌号：根据量具的种类及精度要求，量具可选用不同的钢种: (1)形状简单、精度要求不高的量具，可选用碳素工具钢，如T10A,T11A, T12A。由于碳素工具钢的淬透性低，尺寸大的量具采用水淬会引起较大的变形。因此，这类钢只能制造尺寸小、形状简单、精度要求较低的卡尺、样板、量规等量具。(2)精度要求较高的量具(如块规、塞规等)通常选用高碳低合金工具钢，如Cr2, CrMn, CrWMn及轴承钢GCr15等。由于这类钢是在高碳钢中加入Cr,Mn , W等合金元素，故可以提高淬透性、减少淬火变形、提高钢的耐磨性和尺寸稳定性。 (3)对于形状简单、精度不高、使用中易受冲击的量具，如简单平样板、卡规、直尺及大型量具，可采用渗碳钢15, 20, 15Cr, 20Cr等。但量具须经渗碳、淬火及低温回火后使用。经热处理后，表面具有高硬度、高耐磨性、心部保持足够的韧性。也可采用中碳钢50 , 55 , 60 , 65制造量具，但须经调质处理，高频淬火回火后使用，亦可保证量具的精度。(4)在腐蚀条件下工作的量具可选用不锈钢4Cr13 , 9Cr18制造。经淬火、回火处理后可使其硬度达56 58HRC，同时可保证量具具有良好的耐腐蚀性和足够的耐磨性。若量具要求特别高的耐磨性和尺寸稳定性，可选渗氮钢38CrMoAI或冷作模具钢Cr12MoV 。热处理工艺和应用：量具钢热处理的主要特点是在保持高硬度与高耐磨性的前提下，尽量采取各种措施使量具在长期使用中保持尺寸的稳定。量具在使用过程中随时间延长而发生尺寸变化的现象称为量具的时效效应。这是因为:用于制造量具的过共析钢淬火后含有一定数量的残余奥氏体，残余奥氏体变为马氏体引起体积膨胀;马氏体在使用中继续分解，晶格重组引起体积收缩;残余内应力的存在和重新分布，使弹性变形部分地转变为塑性变形引起尺寸变化。因此在量具的热处理中，应针对上述原因采用如下热处理措施: (1)调质处理。其目的是获得回火索氏体组织，以减少淬火变形和提高机械加工的光洁度。(2)淬火和低温回火。量具钢为过共析钢，通常采用不完全淬火加低温回火处理，在保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度并进行预热，以减少加热和冷却过程中的温差及淬火应力。量具的淬火方式为油冷(2030)，不宜采用分级淬火和等温淬火，只有在特殊情况下才予以考虑。一般采用低温回火，回火温度为150160 :，回火时间不应小于45 h。(3)冷处理。高精度量具在淬火后必须进行冷处理，以减少残余奥氏体量，从而增加尺寸稳定性。冷处理就是