金属学与热处理DOC.docx
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金属学与热处理DOC
中原工学院材料与化工学院
金
属
学
与
热
处
理
理
《材控专业课后习题》
钢的热处理原理
9-2何为奥氏体晶粒度?
说明奥氏体晶粒大小对钢的性能的影响。
答:
奥氏体晶粒度是奥氏体晶粒大小的量度,以单位面积内晶粒的个数或每个晶粒的平均面积与直径来描述晶粒大小。
奥氏体晶粒越细小,钢热处理后的强度越高,塑性越好,冲击韧度越高;奥氏体晶粒越大,显著降低钢的冲击韧度,减少裂纹扩展功和提高脆性转折温度,晶粒粗大,淬火变形和开裂倾向增大,当其大小不均时会引起应力集中,易产生脆性断裂。
9-3.试述珠光体形成时钢中碳的扩散情况及片,粒状珠光体的形成过程?
答:
珠光体形成必然发生碳的重新分布和铁晶格的改组,由于相变在较高温度下发生,铁,碳原子都能进行扩散,所以珠光体转变是典型的扩散型相变。
片状珠光体的形成过程:
在奥氏体晶界上形成渗碳体核心。
渗碳体不仅向奥氏体晶粒纵深方向发展,而且还侧向长大,渗碳体长大的同时,使其两侧的奥氏体出现贫碳区,从而为铁素体在渗碳体两侧形核创造条件,在渗碳体两侧形成铁素体后,也随渗碳体一起向前发展,同时也往侧向长大,铁素体和渗碳体如此交替形核长大,形成一个片层相间大致平行的珠光体领域,当其与其他部位形成的珠光体领域相遇并占据整个奥氏体时,得到片状珠光体组织。
粒状珠光体的形成过程:
控制钢加热时的奥氏体化程度,使奥氏体中残存大量未溶的渗碳体颗粒;同时使奥氏体的碳浓度不均匀,存在许多高碳区和低碳区。
此时将奥氏体过冷到A1以下,在过冷度较小时就能在奥氏体晶粒内形成大量均匀弥散的渗碳体晶核,每个渗碳体晶核在独立长大的同时,必然使其周围母相奥氏体贫碳而形成铁素体,从而直接形成粒状珠光体。
9-4试比较贝氏体转变与珠光体转变和马氏体转变的异同。
答:
相同点:
1、同珠光体转变相似,也是由铁素体和碳化物组成的机械混合物,在转变过程中发生碳在铁素体中的扩散;
2、和马氏体转变一样,奥氏体向铁素体的晶格改变是通过切变方式进行的;
3、相变是通过形核和长大两个基本过程进行的。
不同点:
1、贝氏体转变特征和组织形态与珠光体不同;
2、贝氏体是两相组织通过原子扩散可以发生碳化物沉淀、扩散、共格的转变。
9.5试述钢中板条马氏体和片状马氏体的形貌特征和亚结构,并说明它们的性能和差异
答:
板条马氏体主体形态为板条状,亚结构主要为位错,片状马氏体亚结构主要为孪晶。
性能上的差异:
片状马氏体硬而脆,板条马氏体具有较高的强度和良好的韧性,同时还具有脆性转折温度低,缺口敏感性和过载敏感性小等优点。
9-6试述钢中典型的上下贝氏体的组织形态、立体模型,并比较它们的异同。
答:
上贝氏体:
光学显微镜下是羽毛状,立体模型是板条状。
下贝氏体:
呈黑色针状,立体模型显双凸透镜状。
相同点:
组织中都有铁素体和碳化物;
不同点:
1、转变温度不同;2、组织形态不同;3、性能不同。
9.8简述碳钢的回火转变和回火组织。
答:
淬火钢回火是:
随着回火温度升高和回火时间的延长,相应的发生几种转变:
1,马氏体中碳的偏聚;2,马氏体分解;3,残留奥氏体的转变;4碳化物的转变;5渗碳体的聚集长大和α相回复、再结晶。
回火组织:
1)在150-250℃低温回火发生马氏体分解和残留奥氏体的转变,得到组织为回火马氏体。
2)在350-500℃中温回火发生碳化物的转变得到的组织为回火托氏体。
3)在500℃-650℃回火得到回复或再结晶了的组织为回火索氏体。
4)在650℃以上长时间回火渗碳体完全球化得到的组织为回火珠光体。
9-10为了要获得均匀奥氏体,在相同奥氏体化加热温度下,是原始组织为球状珠光体的保温时间短还是细片状珠光体保温时间短?
试利用奥氏体形成机构说明之。
答:
细片状珠光体保温时间短在相同的加温条件下和球状珠光体相比,片状珠光体在加热时奥氏体晶粒易于粗化。
因为片状碳化物表面积大、溶解快、相界面也多所以转变快,奥氏体形成速度也快,奥氏体形成后能较早的进入晶粒长大阶段。
9-11何为第一类回火脆性和第二类回火脆性?
它们产生的原因及消除的方法是什么?
答:
钢在250-400℃温度范围内出现的回火脆性叫第一类回火脆性,在450-650℃温度范围内出现的回火脆性叫第二类回火脆性。
第一类回火脆性出现原因:
由于马氏体分解时沿马氏体条或片的界面析出断续的薄壳状碳化物,降低了晶界的断裂强度,使之成为裂纹扩展的路径,因而导致脆性断裂。
解决方法:
(1)避免在脆化温度内回火
(2)提高回火温度
第二类回火脆性出现原因:
在回火保温缓冷的情况下出现。
解决方法:
(1)再次高温回火并快冷
(2)钢中加入Mo、W等合金元素阻碍杂质元素在晶界上的偏聚(3)对亚共析钢采用在A1-A3临界区亚温淬火的方法使P等杂质元素溶入残留的铁素体中,减少P等杂质元素在奥氏体晶界上的偏聚(4)选择含杂质元素极少的优质钢材以及采用形变热处理等方法。
9-12比较过共析钢的TTT曲线和CCT曲线的异同点。
为什么在连续冷却过程中得不到贝氏体组织?
与亚共析钢CCT曲线中Ms点相比较,过共析钢的Ms线有何不同点,为什么?
答:
不同点:
CCT曲线中珠光体开始转变线和珠光体转变终了线均在TTT曲线的右下方。
相同点:
都有先共析渗碳体析出区域
原因:
亚共析钢:
先共析铁素体的析出和贝氏体的转变使周围奥氏体富碳所致
过共析钢:
先共析渗碳体的析出使周围奥氏体贫碳造成。
9-13阐述获得粒状珠光体的方法
答;球化退火淬火组织回火
9-15有一共析钢试样,其显微组织为粒状珠光体。
问通过何种热处理工序可分别得到粒状珠光体、粗片状珠光体和比原始组织明显细小的粒状珠光体?
答:
1.先将共析钢奥氏体化,然后进行珠光体转变。
2.A1-650度之间
3.快速加热、短时保温
9-16为了提高过共析钢的强韧性,希望淬火时控制马氏体使其具有较低的含碳量并希望有部分板条马氏体。
试问如何进行热处理才能达到以上目的?
答:
较低温度快速、短时加热并淬火。
9-17如何将WC=0.8%的碳钢的球化组织转变为
(1)细片状珠光体
(2)粗片状珠光体(3)比原来组织更细的球化组织。
答:
1)等温退火(较高温度)2)等温退火(较低温度)3)球化退火
9-18如何将Wc=0.4%的退火碳钢处理成
(1)在大块游离铁素体和铁素体基体上分布着细球状碳化物
(2)铁素体基体上均匀分布着细球状碳化物
答:
1.球化退火
2.调质球化
补--1什么叫热处理,过热,过烧,欠热?
答:
热处理:
将钢在固态下加热到预定的温度,并在温度下保持一段时间,然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。
过热:
工件在淬火加热时,由于加热温度过高或者时间过长导致奥氏体晶粒粗大的缺陷。
过烧:
淬火加热温度太高,导致晶界局部熔化或者发生氧化的现象。
欠热:
淬火温度偏低或冷却不良导致显微组织中产生超过标准规定的托氏体
补--2热处理的作用有哪些?
答:
(1)消除铸,焊,锻等热加工工艺造成的各种缺陷,细化晶粒,消除偏析,降低内应力,使钢的组织和性能更加均匀。
(2)改善钢的切削加工性能
(3)使工件表面上具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能
补--3什么样的金属能进行热处理?
答:
有固态相变发生的合金才能发生
补--4含碳量、原始组织、加热速度大小如何影响奥氏体的晶粒度
答:
加热温度相同时,加热速度越快,过热度越大,奥氏体的实际形成温度越高导致形核率大于晶粒长大速度,奥氏体晶粒越细小。
一定范围内,含碳量越高,晶粒倾向于长大,当含碳量超过该温度下奥氏体的饱和浓度时,奥氏体长大倾向减小。
钢的原始组织越细、碳化物弥散度越大,则奥氏体的晶粒越细小。
补--5为什么亚共析钢C曲线随含碳量的升高而右移?
答:
随着亚共析钢中碳含量的增高,铁素体形核的几率减小,铁素体长大需要扩散离去的碳增大,故减慢铁素体的析出速度,表现出孕育期变长,转变速度减慢。
补--6怎么将片状珠光体按层间距分类?
答:
0.1—0.15um(托氏体)0.25—0.3um(索氏体)0.6—1um(正常珠光体)
补--7画出共析钢奥氏体形成示意图
补—8合金元素、原始组织如何影响奥氏体的形成速率
答:
合金元素:
合金元素影响碳在奥体中的扩散速度,合金元素改变了钢的临界点和碳在奥氏体中的溶解度。
合金元素在铁素体和碳化物中的分布不均匀,使合金钢的奥氏体均匀化时间要比碳钢时间长得多。
原始组织为片状珠光体时,奥氏体晶核长大速率快。
为正火态的细片状珠光体,其相界面也越多,转变快。
为球化退火态的粒状珠光体,其相界面最少,转变最慢。
补—9为什么过冷奥氏体转变呈C形
答:
过冷奥氏体转变速率与形核率和生长速率有关,而形核率生长速度又取决于过冷度。
过冷度较小,转变速度也越小,随过冷度增加,相变驱动力增加,过冷度增加,之后转变速度受原子扩散速度控制,随过冷度增加而减小。
相变驱动力和原子扩散系数两因素综合作用的效果,导致转变速度在鼻温附近达到一个极大值,所以呈现C形。
补—10马氏体高强度,高强度原因?
答:
主要包括碳原子的固溶强化、相变强化及时效变化。
补--11马氏体形成条件?
答:
奥氏体状态快速冷却,抑制其扩散性分解、在较低温度下(低于Ms点)发生无扩散型相变。
补--12马氏体转变特点?
答:
马氏体转变无扩散性;
马氏体转变切变共格性;
马氏体转变具有特定的惯习面和位向关系;
马氏体转变是一个温度范围内进行的;
马氏体转变具有可逆性。
钢的热处理工艺
1、何谓钢的退火?
退火种类及用途如何?
答:
退火是将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度,保温以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺
退火种类:
(1)完全退火
(2)不完全退火(3)球化退火(4)均匀化退火(5)去应力退火和再结晶退火
用途:
(1)完全退火主要用于亚共析钢,细化晶粒,均匀组织,消除内应力,降低硬度和改善钢的切削加工性能。
(2)不完全退火用于过共析钢,主要为了获得球状珠光体组织,以消除内应力,降低硬度,改善切削加工性能。
(3)球化退火主要用于共析钢,过共析钢和合金工具钢,其目的是降低硬度,改善切削加工性,并为淬火做准备。
(4)均匀化退火主要用于一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭,是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析,使成分和组织均匀化。
(5)去应力退火和再结晶主要用于消除铸件、锻件、焊接件及机械加工件中的残留内应力,提高尺寸稳定性,防止工件的变形和开裂。
2、何谓钢的正火?
目的如何?
有何应用?
答:
正火是将钢加热到Ac3(或Acm)以下适当的温度,保温以后再空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。
目的:
正火可以作为预备热处理,为机械加工提供适宜的硬度,又能细化晶粒,消除应力,消除魏氏组织和带状组织,为最终热处理提供合适的组织状态,消除过共析钢的网状碳化物,为球化退火做好组织准备,防止变形和开裂。
应用:
(1)改善低碳钢的切削加工性能
(2)消除碳钢的热加工缺陷
(3)消除过共析钢的网状碳化物,便于球化退火
(4)提供普通结构钢的力学性能
3、在生产中为了提高亚共析钢的强度,常用的方法是提高亚共析钢中珠光体的含量,问应该采用什么热处理工艺?
答:
亚共析钢在冷却时的组织是先共析铁素体加片状珠光体,为了提高亚共析钢中珠光体的含量应
(1)快速冷却;
(2)调质处理即淬火加高温回火。
4、淬火的目的是什么?
淬火的方法有几种?
答:
淬火的主要目的是使奥氏体化后的工作获得尽量多的马氏体,然后配以不同温度回火获得各种需要的性能
淬火的方法:
1、单液淬火法
2、双液淬火法
3、分级淬火法
4、等温淬火法
5、试述亚共析钢和过共析钢淬火加热的选择原则,为什么过共析钢淬火加热温度不能超过Accm线?
答:
淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则,以便淬火后获得细小的马氏体组织。
亚共析钢通常加热至Ac3以上30—50℃,共析钢加热至Ac1以上30—50℃。
因为如果过共析钢淬火温度超过Accm,碳化物将全部溶入奥氏体中使奥氏体的含碳量增加,降低刚的Ms和Mf点,淬火后残留奥氏体量增多,会降低钢的硬度和耐磨性,淬火温度过高,奥氏体晶粒粗化,含碳量又升高。
淬火后易得含有显微裂纹的粗片状马氏体,使钢的脆性增大。
此外,高温加热淬火应力大,氧化脱碳严重,也增大钢的变形和开裂倾向。
6、何谓钢的淬透性、淬硬性?
影响钢的淬透性、淬硬性及淬透层深度的因素是什么?
答:
钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力,其大小以钢在一定条件下淬火获得淬透层深度和硬度分布来表示。
钢的淬硬性表示钢淬火时的硬化能力,用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示。
钢的淬透性与钢的临界冷却速度有关。
钢的淬硬性取决于马氏体的含碳量。
淬透层深度与工件截面各点的冷却速度有关,如果工件截面中心的冷却速度高于钢的临界淬火速度,工件就会淬透
7、有一圆柱形工件,直径35mm,要求油淬后心部硬度大于45HRC,能否采用40Cr钢?
答:
不能。
据查表(10-11)可知直径为35mm工件油淬心部冷却速度为14℃/s,再由表10-9可得当冷却速度为14℃/s时硬度约为42hrc<45hrc。
固不可用40cr钢。
8、有一40Cr钢圆柱形工件,直径50mm,求油淬后其横截面的硬度分布。
答:
表面:
56hrc,3/4半径:
42hrc,1/2半径:
42hrc,心部:
42hrc
9、何谓调质处理?
回火索氏体比正火索氏体的力学性能为何较优越?
答:
调质处理:
淬火加高温回火处理
回火索氏体组织综合力学性能比正火索氏体好得多,这是由于片状碳化物受力时会使基体产生很大的应力集中,易使碳化物片产生脆断或形成微裂纹,而粒状碳化物造成的应力集中小,微裂纹不易产生,故钢的塑性、韧性好。
10,、为了减少淬火冷却过程中的变形和开裂,应采取什么措施?
答:
一般将工件预冷至接近Ms点温度(即接近鼻尖),再立即快速冷却。
完成马氏体转变(越过鼻尖位置后)再缓慢冷却。
一般用水作快速冷却淬火介质,用油作为慢冷淬火介质,有时也可以采用水淬空冷的方法。
这种淬火方法充分利用了水在高温区冷却速度快和油在低温区冷却速度慢的优点既可以保证工件得到马氏体组织,又可以降低工件在马氏体区的冷却速度,减少组织应力,从而防止工件变形和开裂。
11、现有一批45钢普通车床传动齿轮,其工艺路线为锻造——热处理——机械加工——高频感应加热淬火——回火,试问锻后应进行何种热处理?
为什么?
答:
锻后应进行热处理为:
调质处理或正火
因为热处理后进行机械加工,故热处理使其硬度较大,有所提高,故采用调质处理或正火
12、有一直径10mm20钢制工件在渗碳热处理后冷却,随后进行正常的淬火、回火处理。
试分析工件在渗碳空冷后及淬火、回火后,由表面到心部的组织
答:
渗碳空冷后的组织:
表面:
珠光体加二次渗碳体,往里是共析组织和亚共析组织,即珠光体和珠光体加少量铁素体,心部为原始组织:
铁素体加珠光体。
淬火、回火后:
表面:
高碳细针状回火马氏体加细粒渗碳体及少量残留奥氏体,心部为铁素体加珠光体
15、指出直径10mm的45钢(退火状态),经下列温度加热并水冷所获得的组织:
700℃、760℃、840℃
答:
700℃组织为:
铁素体+珠光体
760℃组织为:
奥氏体+铁素体+马氏体
840℃组织为:
马氏体和残留奥氏体
16、T10钢经过何种热处理能获得下述组织:
(1)粗片状珠光体+少量球状渗碳体
(2)细片状珠光体(3)细球状珠光体(4)粗球状珠光体
答:
(1)球化退火,控制加热温度,使少量碳化物不溶于奥氏体中
(2)正火处理
(3)球化退火或淬火+中温、高温回火
(4)淬火+高温650℃以上回火或球化退火保温时间延长
17、一零件的金相组织:
在黑色的马氏体基体上分布有少量的珠光体组织,问此零件原来是如何热处理的?
答:
调质处理
补—1高温形变热处理使钢强韧化的原因
答:
(1)保留了高温淬火时得到的由残余奥氏体薄层包围的板条马氏体组织而且还能克服高温淬火晶粒粗大的缺点,使奥氏体晶粒及马氏体板条束更加细化
(2)形变后及时淬火可保留较高位错密度及其他形变缺陷(3)促进碳化物的析出和改变奥氏体晶界析出物的分布情况(4)奥氏体内合金碳化物析出使其碳及合金元素量减小提高了Ms点
补—2低温形变热处理使钢强韧化的原因
答:
(1)钢经低温形变后,使亚晶细化,并且使位错密度大大提高,从而强化了马氏体
(2)形变使奥氏体晶粒细化,进而又细化了马氏体片(3)含有强碳化物形成元素的钢,奥氏体在亚稳区形变时,促使碳化物弥散析出,使钢的强度进一步提高(4)奥氏体内合金碳化物析出使其碳及合金元素减少提高了钢的Ms点,大大减少了淬火孪晶马氏体的数量。
补—3高、中、工频感应加热范围及硬化层深度
频率类型
频率范围
硬化层深度
高频感应加热
80—1000KHz
0.5-2mm
中频感应加热
2500—8000Hz
3-6mm
工频感应加热
50Hz
10-15mm
补—4感应加热特点
答:
1.感应加热时,由于电磁感应和集肤效应。
工件表面在短时间内达到Ac3以上很高温度,而工件心部仍处于相变点之下。
中碳钢高频淬火后工件表面得到马氏体组织,往里是马氏体加铁素体加托氏体组织,心部是铁素体加珠光体或回火索氏体原始组织.
2.感应加热升温速度快,保温时间短与一般淬火相比,淬火加热温度高、过热度大、奥氏体形核多,又不易长大,因此淬火后表面得到细小的隐晶马氏体。
故感应加热表面淬火工件的表面硬度比一般淬火的高2-3HRc
3.感应加热表面淬火后,工件表面硬度高,由于马氏体转变产生体积膨胀,故在工件表面上产生很大的残余压应力,因此可以显著提高其疲劳强度并降低缺口敏感性。
4.感应加热表面淬火后,工件的耐磨性比普通的高。
这显然与奥氏体晶粒细化、表面硬度高及表面压应力状态有关。
5.感应加热淬火件的冲击韧度与淬硬层深度和心部原始组织有关。
同一钢种淬硬层深度相同时,原始组织为调质态比正火态冲击韧度高,原始组织相同时,淬硬层深度增加,冲击韧度增加。
6.感应加热淬火时,由于加热温度快、无保留时间。
工件一般不产生氧化和脱碳问题,又因为工件内部未被加热,故工件淬火变形小。
7.感应加热淬火的生产率高,便于实现机械化和自动化,淬火层深度游易于控制,适于批量生产形状简单的机器零件。
补—5渗碳渗氮后钢的性能特点
答:
渗碳:
1.表面具有高硬度和高耐磨性,心部具有足够的韧性和强度即表硬心韧。
2.具有良好的热处理工艺性能。
渗氮:
1.渗氮层具有更高的硬度及耐磨性;
2.渗氮层具有一定的耐蚀性;
3.渗氮后工件变形小;
4.因渗层较薄,故承受冲击不能太大
。
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