四川大学材料热处理热处理期末答案.doc

热处理1、根据合金元素在钢中的作用，从淬透性、回火稳定性、奥氏体晶粒长大倾向、韧性和回火脆性等方面比较下列钢号的性能：40Cr、40CrNi、40CrMn、40CrNiMo答：淬透性：40CrNiMo40CrMn 40CrNi 40Cr （因为在结构钢中，提高马氏体淬透性作用显著的元素从大到小排列：Mn、Mo、Cr、Si、Ni，而合金元素的复合作用更大。）回火稳定性：40CrNiMo40CrMn 40CrNi 40Cr 奥氏体晶粒长大倾向：40CrMn40Cr 40CrNi 40CrNiMo 韧性：40CrNiMo40CrNi40CrMn40Cr（Ni能够改善基体的韧度）回火脆性：40CrNi40CrMn40Cr40CrNiMo（Mo降低回火脆性）2、怎样理解“合金钢与碳钢的强度性能差异，主要不在于合金元素本身的强化作用，而在于合金元素对钢相变过程的影响。并且合金元素的良好作用，只有在进行适当的热处理条件下长能表现出来” 答：合金钢与碳钢性能差异表现为：（1）碳素钢淬透性差 (2)碳钢的高温强度低，红硬性差 (3)碳钢不能获得良好的综合性能 (4)碳钢不具有特殊的性能 合金钢中除含硅和锰作为合金元素或脱氧元素外，还含有其他合金元素（如铬、镍、钼、钒、钛、铜、钨、铝、钴、铌、锆和其他元素等），有的还含有某些非金属元素（如硼、氮等），添加的合金元素作用不在于本身的强化作用，而在于对钢相变过程的影响。处理钢时，钢的相变包括1、加热过程中的奥氏体转变； 2、冷却过程中的珠光体、贝氏体及马氏体转变； 3、发生马氏体转变后的再加热(回火)转变。1）在加热时，合金元素能影响奥氏体的形成速度以及奥氏体的晶粒大小；2）在冷却时，a.对珠光体，大部分合金元素推迟P的转变、珠光体转变温度区的影响及珠光体转变产物的碳化物类型的影响；b.对贝氏体，合金元素Cr，Ni，Mn能降低F(A与F的自由能差），减少相变驱动力，减慢A分解，降低了贝氏体的转变速度，推迟其转变。Cr，Mn又是碳化物形成元素，阻碍C原子的扩散。强烈阻碍贝氏体的形成；Mo，W作用不明显；Si，对B有推迟作用，原因是强烈提高Fe的结合力，阻碍C原子从Fe中脱溶。Co，Al能提高F，同时提高C的扩散速度，加速B形成。C.对马氏体，主要是对对M转变温度的影响，即MsMf点的影响。除Co，Al外，大多数合金元素固溶在A中，均使Ms点下降，增加残余A的含量3）回火转变时，合金元素能提高钢的回火稳定性，以及产生二次硬化。因此合金元素在钢的整个相变过程中都起到了十分明显的作用，提高了钢材的性能。合金的主要作用：a.产生相变，如扩大某个相区（奥氏体区）以得到某种对应的特殊性能.b.细化晶粒，改善机械性能，如缺口敏感性、淬透性。c.改变热处理工艺，如提高钢材的热处理组织的稳定性，降低热处理温度、缩短热处理时间、提高热处理质量。 合金钢的热处理工艺有很多，所得到的组织都有不同的性能，只有根据对钢性能不同的需求选择适当的热处理条件，才能获得合适的组织，充分发挥合金元素的作用。如果钢的热处理条件不适当，会影响合金元素在钢中的作用。例如，热处理温度过高，影响强碳化物的形成，会影响钢的性能。3、有些普通弹簧冷卷成型后为什么要进行去应力退火? 车辆用板簧淬火后，为什么要用中温回火? 去应力退火的目的是：a) 消除金属丝冷拔加工和弹簧冷卷成形的内应力b) 稳定弹簧尺寸，利用去应力退火来控制弹簧尺寸c) 提高金属丝的抗拉强度和弹性极限板簧要求具有较高的弹性，中温回火相当于一般碳钢及低合金钢回火的第三阶段温度区。此时，碳化物已经开始聚集，基体也开始恢复，第二类内应力趋于基本消失。回火后得到回火托氏体，这种组织具有非常好的弹性极限和屈服极限，还有一定的韧性，满足板簧用钢的性能要求。4、有一磨床用齿轮， 采用 钢制造， 其性能要求是： 齿部表面硬度是 ， 齿轮心部硬度是 。 齿轮加工工艺流程是： 下料锻造热处理切削加工热处理切削加工检验成品。 试分析其中的 “热处理” 具体指何种工艺？ 其目的是什么？ 正火或调制、淬火+低温回火前一个热处理：正火。目的是降低材料硬度，改善机械加工性能后一个热处理：淬火+低温回火。目的是：淬火可以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，而低温回火则保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性5、何谓透入式加热和传导式加热？是比较它们的优缺点？如何选择这两种加热方式？答：（1）透入式加热：感应加热过程中，工件截面内最大密度的涡流由表面向心部逐渐推移，同时由表面向心部依次加热，这种加热方式称为透入式加热。优点：a.加热时间短，加热迅速，热损失小，热效率高，达50%60%；b.表面温度超过A点后，最大密度的涡流移向内层，表面加热速度开始变慢，不易过热；c.热量分度较陡，淬火后过渡层较窄，使表面压应力提高，抗疲劳强度较高；缺点：不易加热大尺寸工件（2）传导式加热：在感应加热时，当变成顺磁体的高温层的厚度超过热态电流透入的深度后，涡流不再向内部推移，此时热量靠热传导向工件内部传递，加热更为较厚的加热层，这种加热方式称为传导式加热。优点：加热层厚，适合厚大件加热缺点：a.靠热传递向深层加热，加热速度慢，易过热；b.加热速度慢，效率低如何选择：（1）在大量生产条件下应选择透入式加热（2）根据硬化层来选择，较浅时选择透入式，较深时选择传导式6.渗碳的主要目的是什么?适合什么材料？答：渗碳是向钢的表层渗入碳原子的过程，将工件置于含碳的介质中加热和保温，使活性碳原子渗入钢的表面，以达到提高钢的表面含碳量的目的，使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。渗碳后的工件经淬火及低温回火后，表面可获得高硬度、高耐磨性，而心部具有高韧性。渗碳主要适用于承受磨损、交变接触应力或弯曲应力和冲击载荷的机器零件，如轴、活塞梢、齿轮等，亦即表面要求有很高的硬度及心部要求有足够的强度和韧性。渗碳一般用于碳的质量分数为0.1%-0.3%的低碳钢和低碳合金钢。7、试比较高频感应加热，火焰加热之异同点，以及它们在表面淬火时的特点？原理：感应加热表面淬火即以电磁感应原理在工件表面产生电流密度很高的涡流来加热工件表面的淬火方式。火焰淬火即用温度极高的可燃气体火焰直接加热工件表面的表面淬火方法。感应加热所需的热源来源于两部分：a.涡流加热效应（感应加热的主要来源）b.磁滞热效应。而火焰加热的热能主要来自可燃性气体的燃烧热，只适宜于加热易于火焰喷涂的工件表面。（1）前者设备较为复杂，成本较高；后者设备简单，使用方便，成本低。（2）前者对大尺寸件不易使用，由于设备的限制；后者不受工件体积大小的限制，可灵活使用。（3）前者对硬层不厚时，透入式加热不易发生过热；后者易过热。（4)前者较为安全；后者较为危险。（5）前者能得到较薄的淬硬层；后者不易得到。（6）前者可通过调节电流的参量来获得所需淬硬层；后者不易控制。8、正火和退火的主要区别是什么？生产中应如何正确选择?退火和正火所得到的均是珠光体型组织，或者说是铁素体和渗碳体的机械混合物。但是正火与退火比较时，正火的珠光体是在较大的过冷度下得到的，因而对亚共析钢来说，析出的先共析铁素体较少，珠光体数量较多（伪共析）珠光体片间距较小。此外，由于转变温度较低，珠光体成核率较大，因而珠光体团的尺寸较小。对共析钢而言，若与完全退火比较，正火的珠光体不仅片间距及团直径较小，而且可以抑制先共析网状渗碳体的析出，而完全退火的则有网状渗碳体存在。选择:(1)从切削加工性考虑 低中碳钢适用正火；中高碳钢、合金工具钢用完全退火（0.5%-0.75%C）；Wc0.75%，使用球化退火（2)从使用性能考虑 对性能要求不太高的零件，选用正火作为最终热处理；为最终热处理提供良好的组织状态a.工具钢正火+球化退火；b.结构钢正火；返修件、尺寸技术及形状复杂零件退火（3）从经济成本考虑 在可能的条件下应尽量选用正火10、钢淬火后为什么要回火?回火后的组织和性能与回火温度有何关系?答：因为回火的目的是：减少或消除淬火应力，防上工件变形与开裂。稳定工件尺寸得工件所需的组织和性能。低温回火后得到的组织是回火马氏体，其性能是具有高的硬度(5864HRC)和高的耐磨性。中温回火后得到的组织是回火托氏体，其性能是具有较高的弹性极限和屈服强度，具有定的韧性和硬度(3545HRC)。高温回火后得到的组织是回火索氏体，这种组织既有较高强度，同时又具有较好的塑性、韧性，即综合机械性能良好。12、影响加热速度的因素有哪些？为什么？答：A.加热方法（加热介质）不同 由综合传热公式Q=a（T介-T工）得知，当加热介质与被加热工件表面温度差（T介-T工）越小，单位表面积上在单位时间内传给工件表面的热量越少，因此加热速度越慢B.工件在炉内排布方式的影响 工件在炉内的排布方式直接影响热量传递的通道，从而影响加热速度C.工件本身的影响 工件本身的几何形状、工件表面积与其体积之比以及工件材料的物理性能（C、等）直接影响工件内部的热量传递及温度，从而影响加热速度。同种材料制成的工件，当其特征尺寸s与其形状系数k的乘积相等时，以同种加热方式加热时则加热速度相等 D.环境的影响E.加热介质的影响14、 淬火变形的控制答：a.尽量做到均匀加热及正确加热工件，尽量使得工件尺寸对称；b.正确选择冷却方式和介质。可以先预热、在能保证硬度的前提下选用冷却速度慢的介质等；c.正确选泽淬火工件浸入淬火介质的方式和运行方向；d.进行及时、正确的回火；e.改进工件结构，合理选材，调整加工余量；f.采用多次预热，预冷淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火等多种操作方法；g.合理支撑捆绑淬火加热工件；h.对变形工件进行校直 11、退火工艺的分类及基本原则，完全、不完全退火、球化退火、扩散退火等，退 火规范对钢的组织的影响，退火规范对钢中残余应力的影响，钢的退火、正火后的 组织性能及工艺缺陷。 答：按加热方式可分为两类：一类是临界温度以上的退火，又称相变重结晶退火， 包括：完全退火、不完全退火、扩散退火、球化退火等；另一类是在临界温度以下 的退火，包括软化退火、再结晶退火、去应力退火等。（1） 重结晶退火(完全退火)缓慢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析钢或过共析钢）以上3050，使之完全奥氏体化，保持适当时间，然后缓慢冷却下来，以获得接近于平衡组织的热处理工艺；（2）不完全退火将铁碳合金加热到Ac1-Ac3（或Acm）之间温度，使之不完全奥氏体化，随之缓慢冷却的退火工艺；（3）球化退火将钢加热到稍低于或稍高于Ac1的温度或者使温度在A1上下周期变化，然后缓慢冷却下来，使钢的碳化物球化，或得到球状珠光体的退火工艺；（4）扩散退火（均匀化退火）将铸锭或铸件加热到各该合金的固相线温度以下的某一较高温度，长时间保温，然后缓慢冷却下来，消除或减少化学成分偏析及显微组织（支晶）的不均匀性，以达到均匀化目的的热处理工艺 组织性能：退火、正火得到的都是珠光体型组织；对亚共析钢，正火与退火相比较，正火的强度与韧性较高，塑性相仿；对过共析钢，完全退火因有网状渗碳体存在，其强度、硬度、韧性均低于正火。而只有球化退火所得组织为球状珠光体，故其综合性能优于正火的性能。退火、正火缺陷：过烧，黑脆，粗大魏氏组织，反常组织，网状组织，球化不均匀，硬度过高 16、分析坐标镗床主轴渗氮工艺 上图所示渗氮工艺分三阶段进行。第一阶段，渗氮温度及渗氮时间系根据主轴技术要求 而定，其要求是渗氮层深度0.450.60mm，表面硬度HV900.前20h用较低的氨分 解率，以建立较高的氮表面浓度，为以后的氮原子向内扩散提供高的浓度梯度，加速扩 散，并且使工件表面形成弥散度大的氮化物，提高工件表面硬度。第二阶段，与第一阶 段保持等温50h，提高氨分解率的目的是适当降低渗氮层的表面氮浓度，以降低渗氮层 的脆性。第三阶段，适当提高温度，保持2h，氨分解率也较高，目的在于加速氨在钢中 的扩散，加深渗氮层的厚度，从而缩短总的渗氮时间，并使渗氮层的硬度分布趋于平缓。 这一阶段温度的升高，虽要发生氮化物的聚集、长大，但它与一次较高温度渗氮不同， 因为在前两个阶段渗氮，首先形成的高度弥散细小的氮化物，并聚集长大要比直接在等温时形成长大的氮化物的粗化过程慢得多，故其硬度下降不显著。 等温渗氮（一级渗氮，一段渗氮） 一般在480530之间，由于它的温度低，渗 氮速度较慢，周期长。运用于渗氮层浅的，尺寸精密的，硬度较高的工件坐标镗床主轴的渗氮处理，560570x2小时渗氮，以增加氮原子向渗碳层的扩散，减少渗碳层的脆性。此渗氮工艺为表面硬度HV966HV1034，渗氮层厚度0.380.40mm，脆性一级。15、分析下图井式炉滴注式气体渗碳工艺过程采用分段逐步加大油量的方法，其目的是要尽快地将装炉后炉内氧化性气氛改造为具有一定碳势的渗碳气，装炉后即进行排气，此时应打开废气排出口。强渗阶段 当CO20.5%时，平均渗速达0.300.33mm/h;当CO2=0.5%时，则降为0.260.29mm/h，所以渗碳阶段CO2控制在0.5%以下。强渗阶段的时间不宜过长，滴油量也只能适当加大，否则，表面碳浓度过高，渗碳工件的碳化物过多（级别过高）；若时间太短及油量不足，则渗速又会太慢，碳化物过少，甚至为零级（相当于无二次碳化物）扩散阶段 扩散阶段只要保持炉内一定的碳势即可。此时的工