西南大学《工程材料复习题及部分参考答案》 -2016.12

工程材料复习题

名词解释

强度硬度塑性冲击韧性疲劳强度晶界点缺陷线缺陷面缺陷合金固溶体金属化合物过冷度自发形核非自发形核同素异构转变共晶转变共析转变铁素体奥氏体珠光体莱氏体热处理奥氏体化索氏体托氏体贝氏体马氏体退火正火淬火淬透性回火稳定性石墨化失效

金属与合金的晶体结构

1.常见的金属晶体结构有哪几种?α-Fe、γ- Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种晶体结构?

2.实际晶体中存在哪些晶体缺陷?对金属性能有何影响?

3.为何单晶体具有各向异性,而多晶体在一般情况下不显示出各向异性?

金属与合金的结晶

1.过冷度与冷却速度有何关系?它对金属结晶过程有何影响?对铸件晶粒大小有何影响?

2.金属结晶的基本规律是什么?晶核的形成率和长大速率受到哪些因素的影响?

3.在铸造生产中,常采用哪些措施控制晶粒大小?

4.什么是共晶转变?其产物是什么?

5.一个二元合金共晶转变为:L(w B=75%)→α(w B=15%)+β(w B =95%)

1)求w B =50%的合金结晶刚结束时的各组织和各相的相对量。

2)若合金显微组织中初晶β与共晶(α+β)各占50%,求该合金的成分。

铁碳合金相图

第一部分

1. 画出铁碳相图,指出图中C 、S 、A 、E 、P、G各点、及GS 、SE 、PQ 、ECF、PSK线的意义,并标出各相区的相组成物和组织组成物。

2.简述铁碳相图中三个基本反应:共析反应,共晶反应及包晶反应,写出反应式,标出含碳量及温度。

3.铁碳相图中,何谓钢?何谓白口铸铁?两者的成分组织和性能有何差别?

第二部分

1. 亚共析钢、共析钢和过共析钢的组织有何特点和异同点。

2.绘制简化的铁碳合金相图,分析含碳量分别为0.02%、0.45%、0.77%、1.2% 的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织。在φ50的圆内绘制组织示意图,并在图中指明组织名称。

3.分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体的异同之处。

4.现有两种退火碳钢,不知道牌号。通过显微分析得到,一种钢的显微组织中珠光体量占72%,铁素体量占28%;另一种钢的显微组织中珠光体量占95%,二次渗碳体量占5%。问这两种各属于哪一类钢?其含碳量各为多少?各是什么牌号?

5.计算0.60%C的钢在共析反应刚完成时的相和组织的相对量。

6. 简述碳量对碳钢力学性能的影响。

金属的塑性变形及再结晶

1.金属产生加工硬化的原因是什么?加工硬化在金属加工中有什么利弊?

2.与冷加工比较,热加工给金属件带来的益处有哪些?

3.金属经冷塑性变形后,组织和性能发生什么变化?

钢的热处理及表面处理

第一部分

1. 影响奥氏体形成的因素有哪些?

2.防止奥氏体晶粒长大的措施有哪些?

3.共析钢等温冷却时,得到珠光体型组织有哪几种?它们在形成条件、组织形态和性能方面有何特点?

4.贝氏体类型组织有哪几种?它们在形成条件、组织形态和性能方面有何特点?

第二部分

1.退火的主要目的是什么?生产上常用的退火工艺方法有哪几种?指出各退火工艺方法的应用范围。

2.什么是球化退火?为什么过共析钢必须采用球化退火而不采用完全退火?

3.确定下列钢件的退火工艺方法,并指出退火目的及退火后的组织:

1)经冷轧后的15钢钢板,要求降低硬度;

2)ZG35的铸造齿轮;

3)锻造过热后的60钢锻坯;

4)具有片状渗碳体的T12钢坯;

4.正火与退火的主要区别是什么?生产中应如何选择正火及退火?

5.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:

(1)20钢齿轮(2)45钢小轴(3)T12钢锉刀

6.一批45钢试样(尺寸Φ15×10mm),因其组织、晶粒大小不均匀,需采用退火处理。拟采用以下几种退火工艺;(1)缓慢加热至700℃,保温足够时间,随炉冷却至室温;

(2)缓慢加热至840℃,保温足够时间,随炉冷却至室温;

(3)缓慢加热至1100℃,保温足够时间,随炉冷却至室温;

问上述三种工艺各得到何种组织?若要得到大小均匀的细小晶粒,选何种工艺最合适?

7.马氏体组织有哪几种基本类型?它们在形成条件、晶体结构、组织形态、性能有何特点?

第三部分

1.什么调质处理?什么是变质处理?

2.试比较共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线)与连续转变曲线的异同点。

3.将φ5mm的T8钢加热至760℃并保温足够时间,(1)问采用什么样的冷却工艺可得到如下组织:珠光体,索氏体,托氏体,上贝氏体,下贝氏体,托氏体+马氏体,马氏体+少量残余奥氏体;(2)在C曲线上描出冷却工艺曲线示意图。

4.淬火的目的是什么?从获得的组织及性能等方面说明亚共析碳钢及过共析碳钢淬火加热温度应如何选择?

5.常用的淬火方法有哪几种?说明它们的主要特点及其应用范围。

6.说明45钢试样(Φ10mm)经下列温度加热、保温并在水中冷却得到的室温组织:700℃,760℃,850℃,1100℃。

7.有两个含碳量为1.2%的钢薄试样,分别加热到780℃和910℃并保温相同时间,然后以大于V K的冷却速度至室温。试问:

(1)哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大?

(2)哪个温度加热淬火后马氏体含碳量较多?

(3)哪个温度加热淬火后残余奥氏体较多?

(4)哪个温度加热淬火后未溶碳化物较少?

(5)你认为哪个温度加热淬火后合适?为什么?

8.指出下列工件的淬火及回火温度,并说明其回火后获得的组织和大致的硬度:

(1)45钢小轴(要求综合机械性能高);

(2)60钢弹簧;

(3)T12钢锉刀。

9.回火的目的是什么?常用的回火方法有哪几种?指出各种回火得到的组织、性能及其应用范围。

10.指出下列组织的主要区别:

(1)正火索氏体与回火索氏体;

(2)淬火托氏体与回火托氏体;

11.根据共析钢的C 曲线图上画出的冷却过程,填写冷却方法及工艺名称、得到的组织。

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度 12.淬透性与淬硬层深度两者有何联系和区别?影响钢淬透性的因素有哪些? 13.根据表中材料和热处理状态,填写出所得到的组织名称。

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第四部分

1.表面淬火的目的是什么?常用的表面淬火方法有哪几种?比较它们的优缺点及应用范围。并说明表面淬火前应采用何种预先热处理。

2.什么是化学热处理?化学热处理包括哪几个基本过程?常用的化学热处理方法有哪几种?

3.试述一般渗碳零件的工艺路线。

合金钢

1.合金元素在钢中主要作用有哪些?

2.合金元素对回火转变有何影响?

3.为什么重要的大截面的大型结构零件(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?与碳钢比较,合金钢的主要优点有哪些?

4.何谓调质钢?合金调质钢中常含哪些合金元素?它们在调质钢中起什么作用?

5.常见的合金结构钢有哪些?写出其中1-2种牌号,说明其一般使用时的热处理 (即最终热处理)和用途。

6.

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7.提高金属耐蚀性的途径是什么?不锈钢中最主要的合金元素是什么?

8.按照不锈钢的组织分类,常用不锈钢有哪几类?

铸铁

1. 以过共晶铸铁为例,阐述铸铁由液体到室温石墨化过程及其得到的组织,并列表说明一二阶段充分进行石墨化,第三阶段不同程度石墨化得到的铸铁组织。

2.在铸铁的石墨化过程中,如果第一、第二阶段完全石墨化,第三阶段完全石墨化、或部分石墨化、或未石墨化时,问它们各获得哪种组织的铸铁?在50的圆内画出铁素体灰铸铁的组织示意图。

3. 什么是铸铁石墨化?影响铸铁石墨化的因素有哪些?

4.简述铸铁中石墨形态对铸铁性能的影响。

5.为什么可锻铸铁适宜制造壁厚较薄的零件?而球墨铸铁却不宜制造壁厚较薄的零件?

有色金属及粉末冶金

1.不同铝合金可通过哪些途径达到强化目的?

2.简述对轴承合金性能的要求。

3.作为切削刀具时YG类和YT类硬质合金应用上有何不同?

工程材料的选用

1.机械零件常见的失效形式有哪些?

2.选材的一般原则是什么?

3.有一批用45钢制造的齿轮,其制造工艺为:下料→锻造→正火→车削加工→淬火+高温回火→铣齿→表面淬火+低温回火。说明各热处理工序的主要作用。

4.有一批用20CrMnTi钢制造的齿轮,其制造工艺为:下料→锻造→正火→车削加工→铣齿→渗碳→淬火→低温回火→磨齿。说明各热处理工序的作用。

5.有一重要传动轴(最大直径φ30mm)受较大交变拉压载荷作用,表面有较大摩擦和冲击,要求沿截面性能均匀一致。

(1)选择合适的材料,(2)编制加工工艺路线,(3)说明各热处理工艺的主要作用。

供选择的材料:16Mn 20CrMnTi 45 T12 Q235

6.某40Cr钢主轴,要求整体有足够的韧性,表面要求有较高的硬度和耐磨性,采用何种热处理工艺可满足要求?简述理由。

7.现有下列零件及供选择的材料,给各零件选择合适的材料,并选择合适的热处理方法。

零件名称:自行车架机器动主轴汽车板簧汽车变速齿轮小型车床床身中小型柴油机曲轴

选择的材料:60Si2Mn QT600-2 T12A40Cr HT200 Q345 20CrMnTi

8.要制造汽车传动齿轮、连杆、一般用途弹簧、重载弹簧、冷冲压模具的凹凸模、热锻模、滚动轴承、铣刀、锉刀、重型机床床身、中小型车床传动齿轮、一般用途的螺钉等零件,试从下列牌号中分别选出合适的材料并说明钢种名称和采用的热处理工艺。

T12,60Si2CrA,HT350,W18Cr4V,GCr15,40Cr,45,70,20CrMnTi,Cr12MoV,Q235,5CrNiMo

工程材料复习题及部分参考答案

金属与合金的晶体结构

1.常见的金属晶体结构有哪几种?α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Pb 、Cr 、V 、Mg 、Zn 各属何种晶体结构? 答:常见金属晶体结构:体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格;

α-Fe 、Cr 、V 属于体心立方晶格;

γ-Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Pb 属于面心立方晶格; Mg 、Zn 属于密排六方晶格;

2.实际晶体中存在哪些晶体缺陷?对金属性能有何影响? 答:存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。

如果金属中无晶体缺陷时,通过理论计算具有极高的强度,随着晶体中缺陷的增加,金属的强度迅速下降,当缺陷增加到一定值后,金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。因此,无论点缺陷,线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变,从而使晶体强度增加。同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻,降低金属的抗腐蚀性能。

3.为何单晶体具有各向异性,而多晶体在一般情况下不显示出各向异性?

答:因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同,造成原子间结合力不同,因而表现出各向异性;而多晶体是由很多个单晶体所组成,它在各个方向上的力相互抵消平衡,因此多晶体在一般情况下不显示出各向异性而表现各向同性。

金属与合金的结晶

1.过冷度与冷却速度有何关系?它对金属结晶过程有何影响?对铸件晶粒大小有何影响?

答:①冷却速度越大,则过冷度也越大。②随着冷却速度的增大,则晶体内形核率和长大速率都加快,加速结晶过程的进行,但当冷速达到一定值以后则结晶过程将减慢,因为这时原子的扩散能力减弱。③过冷度增大,自由能差ΔF 大,结晶驱动力大,形核率N 和长大速率G 都大,且N 的增加比G 增加得快,提高了N 与G 的比值,晶粒变细。但过冷度过大,对晶粒细化不利,结晶发生困难。

2.金属结晶的基本规律是什么?晶核的形成率和长大速率受到哪些因素的影响?

答:①金属结晶的基本规律是形核和核长大。②受到过冷度的影响,随着过冷度的增大,晶核的形成率和长大速率都增大,但形成率的增长比长大速率的增长快;同时外来难熔杂质以及振动和搅拌的方法也会增大形核率。 3.在铸造生产中,常采用哪些措施控制晶粒大小?

答:①控制过冷度:钢模铸造以及在砂模中加冷铁以加快冷却速度的方法来控制晶粒大小。

②变质处理:在液态金属结晶前,特意加入某些难熔固态颗粒,造成大量可以成为非自发晶核的固态质点,

使结晶时的晶核数目大大增加,从而提高了形核率,细化晶粒。

③附加振动(机械振动、电磁振动、超声波振动)、搅拌。 4.什么是共晶转变?其产物是什么?

答:是一定成分的液相,在一定温度下,同时结晶出成分不同的两种固相的转变称为共晶转变或称共晶反应。其产物是共晶转变获得的两相混合物,称为共晶组织或共晶体(α+β)。

5.一个二元合金共晶转变为:L(w B =75%)→α(w B =15%)+β(w B =95%) 1)求w B =50%的合金结晶刚结束时的各组织和各相的相对量。

2)若合金显微组织中初晶β与共晶(α+β)各占50%,求该合金的成分。

解:1): w B =50%的合金,共晶点成分为w B =75%,说明w B =50%的合金为亚共晶合金。

组织为:α,(α+β);相对量Q α,Q (α+β)

根据杠杆定律: Q α=

%6741%10015

0-7505

0-750.....=?

Q (α+β)=1-Q α=58.33% 相为:α,β;相对量Q α,Q β 根据杠杆定律:

Q α=

%2556%10015

0-9505

0-950.....=?

Q (α+β)=1-Q α=43.75%

答:组织组分的相对量Q α为41.67%,Q (α+β)为58.33%;

相组分的相对量Q α为56.25%,Q (α+β)为43.75%。

解:2): 若合金中组织组分的相对量Q β,Q (α+β)均为50%;说明该合金属于过共晶合金

设合金成分w B 为x 根据杠杆定理: Q β=

%50%10075

0-95075

0-=? (x)

x =0.85 即为w B =85%

答:显微组织中初晶β与共晶(α+β)各占50%的合金成分为w B =85%。

铁碳合金相图

西南大学《工程材料复习题及部分参考答案》 -2016.12

第一部分

1. 画出铁碳相图,指出图中 C 、S 、A 、E 、P 、G 各点、及GS 、SE 、PQ 、ECF 、PSK 线的意义,并标出各相区的相组成物和组织组成物。 答:C :共晶点,1148℃, 4.30%C ,在这一点上发生共晶转变,反应式:

Ac ??→←℃

1148 (A E +Fe 3C) ,当冷到1148℃时具有C 点成分的液体中同时

结晶出具有E 点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物——莱氏体。

S :共析点,727℃,0.77%C 在这一点上发生共析转变,反应式:As ??→←℃

727 (F P +Fe 3C),当冷却到727℃时从具有S 点成分的奥氏体中同时析出具有P 点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物——珠光体P (F+P )。

A :纯铁熔点,1538℃,0%C 。

E :碳在γ-Fe 中的最大溶解度点,2.11%C ,1148℃。 P :碳在α-Fe 中的最大溶解度点,0.0218%C 727℃。 G :同素异构转变点,912℃。

ES 线:碳在γ-Fe 中的溶解度曲线,又称A cm 温度线,随温度的降低,碳在奥化体中的溶解度减少,多余的碳以Fe 3C Ⅱ形式析出,所以具有0.77%~2.11%C 的钢冷却到A cm 线与PSK 线之间时的组织A+ Fe 3C Ⅱ,从A 中析出的Fe 3C Ⅱ称为二次渗碳体。

GS 线:不同含碳量的奥氏体冷却时析出铁素体的开始线称A 3线,GP 线则是铁素体析出的终了线,所以GSP 区的显微组织是F+A 。

PQ 线:碳在α-Fe 中的溶解度曲线,随温度的降低,碳在铁素体中的溶解度减少,多余的碳以Fe 3C Ⅲ形式析出,从F 中析出的Fe 3C Ⅲ称为三次渗碳体 ,由于铁素体含碳很少,析出的Fe 3C Ⅲ很少,一般忽略,认为从727℃冷却到室温的显微组织基本不变化。

ECF 线:共晶转变线,在这条线上发生共晶转变 ,含碳量在2.11~6.69%的铁碳合金冷却到1148℃时都有共晶转变发生。

PSK 线:共析转变线,在这条线上发生共析转变 ,含碳量在0.02~6.69%的铁碳合金冷却到727℃时都有共析转变发生。

2.简述铁碳相图中三个基本反应:共析反应,共晶反应及包晶反应,写出反应式,标出含碳量及温度。 答:共析反应:冷却到727℃时具有S 点成分的奥氏体中同时析出具有P 点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物。

A (0.77)??

→←℃

727 (F (0.0218)+Fe 3C (6.69)) 共晶反应:1148℃时具有C 点成分的液体中同时结晶出具有E 点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物。 ℃

1148

包晶反应:冷却到1495℃时具有B 点成分的液相与具有H 点成分的固相δ反应生成具有J 点成分的固相A 。

δ(0.09)+L (0.53)??→←℃

1495A (0.17 )

3.铁碳相图中,何谓钢?何谓白口铸铁?两者的成分组织和性能有何差别? 答:钢:含有0.02%~2.11%C 的铁碳合金。

白口铸铁:含大于2.11%C 的铁碳合金。

钢中亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成,其中珠光体中的渗碳体以细片状分布在铁素体基体上,随着含碳量的增加,珠光体的含量增加,则钢的强度、硬度增加,塑性、韧性降低。当含碳量达到0.77%时就是珠光体的性能。过共析钢组织由珠光体和二次渗碳体所组成,含碳量接近0.90%时,强度达到最大值,含碳量继续增加,强度下降。由于二次渗碳体在晶界形成连续的网络,导致钢的脆性增加。

白口铸铁中由于其组织中存在大量的渗碳体,具有很高的硬度和脆性,塑性几乎为零,难以切削加工。 第二部分

1. 亚共析钢、共析钢和过共析钢的组织有何特点和异同点。

答:亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成。其中铁素体呈块状。珠光体中铁素体与渗碳体呈片状分布。共析钢的组织由珠光体所组成。过共析钢的组织由珠光体和二次渗碳体所组成,其中二次渗碳体在晶界形成连续的网络状。

共同点:钢的组织中都含有珠光体。不同点:亚共析钢的组织是铁素体和珠光体,共析钢的组织是珠光体,过共析钢的组织是珠光体和二次渗碳体。

2.绘制简化的铁碳合金相图,分析含碳量分别为 0.02%、0.45%、0.77%、1.2% 的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织。在φ50的圆内绘制组织示意图,并在图中指明组织名称。 答:绘制简化的铁碳合金相图:

0.02%C :忽略包晶转变,合金在1~2点间按匀晶转变结晶出奥氏体A ,在2点结晶结束,全部转变为A 。冷到3点时开始析出F ,3-4点A 成分沿GS 线变化,铁素体成分沿GP 线变化,当温度到4点时,奥氏体的转变形成铁素体F ,其成分为0.02%C ,当温度继续下降时,铁素体的溶碳量沿PQ 线变化,析出三次渗碳体,Fe 3C Ⅲ量很少,可忽略。所以含碳0.02%的钢的室温组织为F 。

0.45%C :合金在1~2点间按匀晶转变结晶出A ,在2点结晶结束,全部转变为奥氏体。冷到3点时开始析出F ,3-4点A 成分沿GS 线变化,铁素体成分沿GP 线变化,当温度到4点时,奥氏体的成分达到S 点成分(含碳0.77%),便发生共析转变,形成珠光体,此时,原先析出的铁素体保持不变,称为先共析铁素体,其成分为0.02%C ,所以共析转变结束后,合金的组织为先共析铁素体和珠光体,当温度继续下降时,铁素体的溶碳量沿PQ 线变化,析出三次渗碳体,同样Fe 3C Ⅲ量很少,可忽略。所以含碳0.60%的亚共析钢的室温组织为F+P 。

0.77%C :在1~2点间合金按匀晶转变结晶出A ,在2点结晶结束,全部转变为奥氏体。冷到3点时(727℃),在恒温下发生共析转变,转变结束时全部为珠光体P ,珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体,当温度继续下降时,珠光体中铁素体溶碳量减少,其成分沿固溶度线PQ 变化,析出三次渗碳体 ,它常与共析渗碳体长在一起,彼此分不出,且数量少,可忽略。室温时组织为P 。

1.2% C :合金在1~2点间按匀晶转变结晶出奥氏体,2点结晶结束,合金为单相奥氏体,冷却到3点,开始从奥氏体中析出二次渗碳体,沿奥氏体的晶界析出,呈网状分布,3-4间 不断析出,奥氏体成分沿ES 线变化,当温度到达4点(727℃)时,其含碳量降为0.77%,在恒温下发生共析转变,形成珠光体,此时先析出的 保持不变,称为先共析渗碳体,所以共析转变结束时的组织为先共析二次渗碳体和珠光体,忽略。室温组织为二次渗碳体和珠光体。

绘制组织示意图: 3.分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体的异同之处。 答:一次渗碳体:由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。

二次渗碳体:从A 中析出的 称为二次渗碳体。 三次渗碳体:从F 中析出的 称为三次渗碳体 。

共晶渗碳体:经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。 共析渗碳体:经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。

相同之处都是6.69% C 的渗碳体;不同之处它们各自在不同温度、不同组织中析出。

4.现有两种退火碳钢,不知道牌号。通过显微分析得到,一种钢的显微组织中珠光体量占72%,铁素体量占28%;另一种钢的显微组织中珠光体量占95%,二次渗碳体量占5%。问这两种各属于哪一类钢?其含碳量各为多少?各是什么牌号?

解:由于一种钢的显微组织中,珠光体量Q P 占72%,铁素体量Q F 占28%。

其组织为F+P ,说明属于亚共析钢。 设一种钢含碳量为:x 根据杠杆定律:

Q F =

28%%1000008

.0-77.0-77.0=?x

x =0. 55 即w C =0.55% 牌号是55钢。

另一种钢的显微组织中珠光体量Q P 占95%,二次渗碳体量Q Fe3C 占5%。 其组织为P+FeC Ⅱ,说明属于过共析钢。 设另一种钢含碳量为:y 根据杠杆定律:

Q Fe3C =

%5%10077

.0-69.677

.0-=?y

y =1. 07 即w C =1.07% 牌号是T10钢。

答:珠光体量占72%,铁素体量占28%,属于亚共析钢;含碳量为0.55%,是55钢。

珠光体量占95%,二次渗碳体量占5%,属于过共析钢;含碳量为1.07%,是T10钢。 5.计算0.60%C 的钢在共析反应刚完成时的相和组织的相对量。

解:0.60%C 的钢,属于亚共析钢,共析反应刚完成时的相为F ,Fe 3C ,组织为F ,P 。

相相对量:Q F ,Q Fe3C 根据杠杆定理:

Q F =

3391%10002180-6966

0-696.....=?%

Q Fe3C =1-Q F =8.67%

组织相对量:Q F ,Q P 根据杠杆定理:

Q F =

%7222%1000218

0-7706

0-770.....=?

Q P =1-Q F =77.28% 答:0.60%C 的钢在共析反应刚完成时的相相对量Q F =91.33%,Q Fe3C =8.67%;组织相对量Q F =22.72%,Q P =77.28% 6. 简述碳量对碳钢力学性能的影响。

答:碳钢中含碳量增加,组织中渗碳体的相对量增加,钢的硬度增加,而且渗碳体的大小、形态和分布也随之发生变化。渗碳体由层状分布在铁素体基体内(如珠光体),改变为网状分布在晶界上(如二次渗碳体)。

渗碳体作为强化相,当它与铁素体构成层状珠光体时,可提高合金的强度和硬度,故合金中珠光体量越多时,其强度、硬度越高,而塑性、韧性却相应降低。当钢中w C <0.9%时,随着钢中含碳量的增加,钢的强度、硬度呈直线上升,而塑性、韧性不断降低;当钢中w C >0.9%时,因渗碳体网的存在,不仅使钢的塑性、韧性进一步降低,而且强度也明显下降。

金属的塑性变形及再结晶

1.金属产生加工硬化的原因是什么?加工硬化在金属加工中有什么利弊?

答:①金属随着变形的增加,晶粒逐渐被拉长,直至破碎,这样使各晶粒都破碎成细碎的亚晶粒,变形愈大,晶粒破碎的程度愈大,这样使位错密度显着增加;同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长。因此,随着变形量的增加,由于晶粒破碎和位错密度的增加,金属的塑性变形抗力将迅速增大,即强度和硬度显着提高,而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬化”现象。

②金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难,如钢板在冷轧过程中会越轧越硬,以致最后轧不动。

硬化来提高钢丝的强度的。加工硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因素。如冷拉钢丝拉过模孔的部分,由于发生了加工硬化,不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔的部分,这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。2.与冷加工比较,热加工给金属件带来的益处有哪些?

答:(1)通过热加工,可使铸态金属中的气孔焊合,从而使其致密度得以提高。

(2)通过热加工,可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎,从而使晶粒细化,机械性能提高。

(3)通过热加工,可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变,使它们沿着变形的方向细碎拉长,形成热压力加工“纤维组织”(流线),使纵向的强度、塑性和韧性显着大于横向。如果合理利用热加工流线,尽量使流线与零件工作时承受的最大拉应力方向一致,而与外加切应力或冲击力相垂直,可提高零件使用寿命。

3.金属经冷塑性变形后,组织和性能发生什么变化?

答:①晶粒沿变形方向拉长,性能趋于各向异性,如纵向的强度和塑性远大于横向等;②晶粒破碎,位错密度增加,产生加工硬化,即随着变形量的增加,强度和硬度显着提高,而塑性和韧性下降;③织构现象的产生,即随着变形的发生,不仅金属中的晶粒会被破碎拉长,而且各晶粒的晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动,转动结果金属中每个晶粒的晶格位向趋于大体一致,产生织构现象;④冷压力加工过程中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间的变形不均匀,金属内部会形成残余的内应力,这在一般情况下都是不利的,会引起零件尺寸不稳定。

钢的热处理及表面处理

第一部分

1. 影响奥氏体形成的因素有哪些?

答:(1)加热温度加热温度越高,铁、碳原子扩散速度越快,且铁的晶格改组也越快,因而加速奥氏体的形成。

(2)加热速度加热速度越快,转变开始温度越高,转变终了温度也越高,完成转变所需的时间越短,即奥氏体转变速度越快。

(3)化学成分随着钢中含碳量增加,铁素体和渗碳体相界面总量增多,有利于奥氏体的形成。在钢中加入合金元素并不改变奥氏体形成的基本过程,但显著影响奥氏体的形成速度,因为合金钢的奥氏体均匀化,不仅要有碳的均匀化而且要有合金元素的均匀化,但是合金元素的扩散要比碳的扩散困难得多,因此要获得均匀的奥氏体,合金钢的加热和保温时间要比碳钢更长。

(4)原始组织若钢的成分相同,其原始组织越细、相界面越多,奥氏体的形成速度就越快。。

2.防止奥氏体晶粒长大的措施有哪些?

答:(1)控制加热工艺,奥氏体化温度不要过高,保温时间不要太长;

(2)钢用铝脱氧,或加入碳、氮化物形成元素,形成钉扎奥氏体晶界的微粒;

(3)快速加热、短时保温;

(4)加入某些元素,如稀土,降低奥氏体晶界能,减小晶界移动驱动力,可细化晶粒;

(5)采用细小的原始组织。

3.共析钢等温冷却时,得到珠光体型组织有哪几种?它们在形成条件、组织形态和性能方面有何特点?

答:有珠光体、索氏体和托氏体三种。

珠光体是过冷奥氏体在650℃以上等温停留时发生转变,它是由铁素体和渗碳体组成的片层相间的组织。

索氏体是过冷奥氏体在650~600℃温度范围内形成层片较细的珠光体。

托氏体是过冷奥氏体在600~550℃温度范围内形成片层极细的珠光体。珠光体片间距愈小,相界面积愈大,强化作用愈大,因而强度和硬度升高,同时,由于此时渗碳体片较薄,易随铁素体一起变形而不脆断,因此细片珠光体又具有较好的韧性和塑性。

4.贝氏体类型组织有哪几种?它们在形成条件、组织形态和性能方面有何特点?

答:有上贝氏体和下贝氏体两种。

上贝氏体是过冷奥氏体在550~350℃形成的。在显微镜下呈羽毛状,它是由许多互相平行的过饱和铁素体片和分布在片间的断续细小的渗碳体组成的混合物。其硬度较高,可达HRC40~45,但由于其铁素体片较粗,因此塑性和韧性较差。

下贝氏体是过冷奥氏体在350℃~Ms形成的,下贝氏体在光学显微镜下呈黑色针叶状,在电镜下观察是由针叶状的铁素体和分布在其上的极为细小的渗碳体粒子组成的。下贝氏体具有高强度、高硬度、高塑性、高韧性,即具有良好的综合机械性能。

第二部分

1.退火的主要目的是什么?生产上常用的退火工艺方法有哪几种?指出各退火工艺方法的应用范围。

答:(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)生产上常用的退火工艺有完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、扩散退火等。

(3)完全退火和等温退火用于亚共析钢成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材。也可用于焊接结。

球化退火主要用于共析或过共析成分的碳钢及合金钢。

去应力退火主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件(或冷拔件)及机加工的残余内应力。

扩散退火主要用于大型铸件,消除铸件成分偏析和组织不均。

2.什么是球化退火?为什么过共析钢必须采用球化退火而不采用完全退火?

答:(1)球化退火是将钢件加热到Ac1以上30~50℃,保温一定时间后随炉缓慢冷却至600℃后出炉空冷的热处理工艺。

(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。完全退火不能消除过共析钢中的网状渗碳体。

3.确定下列钢件的退火工艺方法,并指出退火目的及退火后的组织:

1)经冷轧后的15钢钢板,要求降低硬度;

2)ZG35的铸造齿轮;

3)锻造过热后的60钢锻坯;

4)具有片状渗碳体的T12钢坯;

答:1)经冷轧后的15钢钢板,要求降低硬度

应进行再结晶退火。目的:使变形晶粒重新转变为等轴晶粒,以消除加工硬化现象,降低了硬度,消除内应力。细化晶粒,均匀组织,消除内应力,降低硬度以消除加工硬化现象。组织:等轴晶的大量铁素体和少量珠光体。

2)ZG35的铸造齿轮

应进行完全退火。经铸造后的齿轮存在晶粒粗大并不均匀现象,且存在残余内应力。因此退火目的:细化晶粒,均匀组织,消除内应力,降低硬度,改善切削加工性。组织:晶粒均匀细小的铁素体和珠光体。

3)锻造过热后的60钢锻坯

应进行完全退火。由于锻造过热后组织晶粒剧烈粗化并分布不均匀,且存在残余内应力。因此退火目的:细化晶粒,均匀组织,消除内应力,降低硬度,改善切削加工性。组织:晶粒均匀细小的少量铁素体和大量珠光体。

4)具有片状渗碳体的T12钢坯

应进行球化退火。由于T12钢坯里的渗碳体呈片状,因此不仅硬度高,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。组织:粒状珠光体和球状渗碳体。

4.正火与退火的主要区别是什么?生产中应如何选择正火及退火?

答:正火与退火的区别是①加热温度不同,对于过共析钢退火加热温度在Ac1以上30~50℃而正火加热温度在Accm 以上30~50℃。②正火冷速快,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。

生产中的选择:

(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170~230HBW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,应优先考虑以正火代替退火。

5.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:

(1)20钢齿轮(2)45钢小轴(3)T12钢锉刀

答:(1)20钢齿轮正火目的: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。

(2)45钢小轴正火目的:细化晶粒,均匀组织,消除内应力,调整硬度。组织:晶粒均匀细小的铁素体和索氏体。

(3)T12钢锉刀正火目的:细化晶粒,均匀组织,可部分消除网状Fe3CⅡ,为球化退火做组织准备,消除内应力。组织:索氏体和球状渗碳体。

6.一批45钢试样(尺寸Φ15×10mm),因其组织、晶粒大小不均匀,需采用退火处理。拟采用以下几种退火工艺;(1)缓慢加热至700℃,保温足够时间,随炉冷却至室温;

(2)缓慢加热至840℃,保温足够时间,随炉冷却至室温;

(3)缓慢加热至1100℃,保温足够时间,随炉冷却至室温;

问上述三种工艺各得到何种组织?若要得到大小均匀的细小晶粒,选何种工艺最合适?

答:(1)缓慢加热至700℃,保温足够时间,随炉冷却至室温;因其未达到退火加热温度,加热时没有经过完全奥氏体化,故冷却后依然得到组织、晶粒大小不均匀的铁素体和珠光体。

(2)缓慢加热至840℃,保温足够时间,随炉冷却至室温;因其在退火加热温度范围内,加热时全部转化为晶粒细小的奥氏体,故冷却后得到组织、晶粒均匀细小的铁素体和珠光体。

(3)缓慢加热至1100℃,保温足够时间,随炉冷却至室温;因其加热温度过高,加热时奥氏体晶粒剧烈长大,故冷却后得到晶粒粗大的铁素体和珠光体。

要得到大小均匀的细小晶粒,选第二种工艺最合适。

7.马氏体组织有哪几种基本类型?它们在形成条件、晶体结构、组织形态、性能有何特点?

答:(1)有板条马氏体(低碳马氏体)和片状马氏体(高碳马氏体)两种基本类型。

(2)奥氏体转变后,所产生的M的形态取决于奥氏体中的含碳量,含碳量<0.25%的为板条马氏体;含碳量大于1.0%的为片状马氏体;含碳量在0.25%~1.0%之间为板条和片状混合的马氏体。低碳马氏体的晶体结构为体心立方。随含碳量增加,逐渐从体心立方向体心正方转变。含碳量较高的钢的晶体结构一般出现体心正方。低碳马氏体强而韧,而高碳马氏体硬而脆。这是因为低碳马氏体中含碳量较低,过饱和度较小,晶格畸变也较小,故具有良好的综合机械性能。随含碳量增加,马氏体的过饱和度增加,使塑性变形阻力增加,因而引起硬化和强化。当含碳量很高时,尽管马氏体的硬度和强度很高,但由于过饱和度太大,引起严重的晶格畸变和较大的内应力,致使高碳马氏体针叶内产生许多微裂纹,因而塑性和韧性显着降低。

第三部分

1.什么调质处理?什么是变质处理?

答:调质处理:是钢淬火后进行高温回火的工艺。

变质处理:是在液态金属结晶前,特意加入某些难熔固态微粒,造成大量可以成为非自发晶核的固态质点,使结晶时的晶核数目大大增加,从而提高了形核率,细化晶粒。

2.试比较共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线)与连续转变曲线的异同点。

答:首先连续冷却转变曲线与等温转变曲线临界冷却速度不同。其次连续冷却转变曲线位于等温转变曲线的右下侧,且没有C曲线的下部分,即共析钢在连续冷却转变时,一般得不到贝氏体组织。这是因为共析钢贝氏体转变的孕育期很长,当过冷奥氏体连续冷却通过贝氏体转变区内尚未发生转变时就已过冷到Ms点而发生马氏体转变,所以不出现贝氏体转变。

西南大学《工程材料复习题及部分参考答案》 -2016.12

3.将φ5mm的T8钢加热至760℃并保温足够时间,(1)问采用什么样的冷却工艺可

得到如下组织:珠光体,索氏体,托氏体,上贝氏体,下贝氏体,托氏体+马氏体,

马氏体+少量残余奥氏体;(2)在C曲线上描出冷却工艺曲线示意图。

答:(1)珠光体:冷却至A1线~650℃范围内等温停留一段时间,再冷却下来或随炉

缓冷得到珠光体组织。

索氏体:冷却至650~600℃温度范围内等温停留一段时间,再冷却下来或空冷

得到索光体组织。

托氏体:冷却至600~550℃温度范围内等温停留一段时间,再冷却下来得到托

氏体组织。

上贝氏体组织。

下贝氏体:冷却至350℃~Ms温度范围内等温停留一段时间,再冷却下来得到下贝氏体组织。

托氏体+马氏体:以小于获得全部马氏体组织的最小冷却速度并大于获得全部珠光体组织的最大冷却速度连续冷却,如油冷获得托氏体+马氏体。

马氏体+少量残余奥氏体:以大于获得全部马氏体组织的最小冷却速度冷却如水冷获得马氏体+少量残余奥氏体。

(2)冷却工艺线如图:

4.淬火的目的是什么?从获得的组织及性能等方面说明亚共析碳钢及过共析碳钢淬火加热温度应如何选择?

答:淬火的目的是使奥氏体化后的工件获得马氏体(或下贝氏体)并配不同温度回火,以获得所需要的性能。

亚共析碳钢淬火加热温度Ac3+(30~50℃),淬火后的组织为均匀而细小的马氏体。因为如果亚共析碳钢加热温度在Ac1~Ac3之间,淬火组织中除马氏体外,还保留一部分铁素体,使钢的强度、硬度降低。但温度超过Ac3点过高,奥氏体晶粒粗化,淬火后获得粗大马氏体,性能反而下降。

过共析碳钢淬火加热温度Ac1+(30~50℃),淬火后的组织为均匀而细小的马氏体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混合组织。如果加热温度超过Accm,渗碳体溶解过多,奥氏体碳量增多,晶粒粗大,会使淬火组织中马氏体针变粗,残余奥氏体量增多,渗碳体量减少,从而降低钢的硬度和耐磨性。淬火温度过高,淬火后易得到含有显微裂纹的粗片状马氏体,使钢的脆性增加。

5.常用的淬火方法有哪几种?说明它们的主要特点及其应用范围。

答:常用的淬火方法有单液淬火法、双液淬火法、等温淬火法和分级淬火法。

单液淬火法:这种方法操作简单,容易实现机械化,自动化。如碳钢在水中淬火,合金钢在油中淬火。其缺点是不符合理想淬火冷却速度的要求,水淬容易产生变形和裂纹,油淬容易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。仅适合于小尺寸且形状简单的工件。

双液淬火法:采用先水冷再油冷的操作。充分利用了水在高温区冷速快和油在低温区冷速慢的优点,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速,减少组织应力,从而防止工件变形或开裂。适合于尺寸较大、形状复杂的工件。

转变。

等温淬火法:是将加热的工件放入温度稍高于Ms的硝盐浴或碱浴中,保温足够长的时间使其完成B

等温淬火后获得B

组织。下贝氏体与回火马氏体相比,在碳量相近,硬度相当的情况下,下贝氏体比回火马氏体下

有较高的塑性与韧性,适用于尺寸较小,形状复杂,要求变形小,具有高硬度和强韧性的工具,模具等。

分级淬火法:是将加热的工件先放入温度稍高于Ms的硝盐浴或碱浴中,保温2~5min,使零件内外的温度均匀后,立即取出在空气中冷却。这种方法可以减少工件内外的温差和减慢马氏体转变时的冷却速度,从而有效地减少内应力,防止产生变形和开裂。但由于硝盐浴或碱浴的冷却能力低,只能适用于零件尺寸较小,要求变形小,尺寸精度高的工件,如模具、刀具等。

6.说明45钢试样(Φ10mm)经下列温度加热、保温并在水中冷却得到的室温组织:700℃,760℃,850℃,1100℃。答:700℃:因为它没有达到相变温度,因此没有发生相变,组织为铁素体和珠光体。

760℃:它的加热温度在Ac1~Ac3之间,因此组织为铁素体、马氏体。

850℃:它的加热温度在Ac3以上,加热时全部转变为奥氏体,冷却后的组织为马氏体。

1100℃:因它的加热温度过高,加热时奥氏体晶粒粗化,淬火后得到粗大马氏体。

7.有两个含碳量为1.2%的钢薄试样,分别加热到780℃和910℃并保温相同时间,然后以大于V K的冷却速度至室温。试问:

(1)哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大?

(2)哪个温度加热淬火后马氏体含碳量较多?

(3)哪个温度加热淬火后残余奥氏体较多?

(4)哪个温度加热淬火后未溶碳化物较少?

(5)你认为哪个温度加热淬火后合适?为什么?

答:(1)910℃加热淬火后马氏体晶粒较粗大。因为910℃加热温度高,加热时形成的奥氏体晶粒粗大,冷却后得到的马氏体晶粒较粗大。

(2)910℃加热淬火后马氏体含碳量较多。因为加热温度910℃已经超过了Accm,此时碳化物全部溶于奥氏体中,奥氏体中含碳量增加,而奥氏体向马氏体转变是非扩散型转变,所以马氏体含碳量较多。

(3)910℃加热淬火后残余奥氏体较多。因为加热温度910℃已经超过了Accm,此时碳化物全部溶于奥氏体中,

(4)910℃加热淬火后未溶碳化物较少。因为加热温度910℃已经超过了Accm,此时碳化物全部溶于奥氏体中,因此加热淬火后未溶碳化物较少。

(5)780℃加热淬火后合适。因为含碳量为1.2%的碳钢属于过共析钢,过共析碳钢淬火加热温度Ac1+(30~50℃),而780℃在这个温度范围内,这时淬火后的组织为均匀而细小的马氏体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混合组织,低温回火后,使钢具有高的强度、硬度和耐磨性。

8.指出下列工件的淬火及回火温度,并说明其回火后获得的组织和大致的硬度:

(1)45钢小轴(要求综合机械性能高);

(2)60钢弹簧;

(3)T12钢锉刀。

答:(1)45钢小轴(要求综合机械性能高)。工件的淬火温度为850℃左右,回火温度为500℃~650℃左右,其回火后获得的组织为回火索氏体,大致的硬度25~30HRC。

(2)65钢弹簧。工件的淬火温度为850℃左右,回火温度为350℃~500℃左右,其回火后获得的组织为回火托氏体,硬度40~48HRC。

(3)T12钢锉刀。工件的淬火温度为780℃左右,回火温度为180℃~200℃,其回火后获得的组织为回火马氏体,硬度60HRC以上。

9.回火的目的是什么?常用的回火方法有哪几种?指出各种回火得到的组织、性能及其应用范围。

答:回火的目的是降低淬火钢的脆性,减少或消除内应力,使组织趋于稳定并获得所需要的性能。

常用的回火方法有低温回火、中温回火、高温回火。

淬火钢低温回火得到的组织是回火马氏体。降低内应力和脆性,保持高硬度和高耐磨性。这种回火主要应用于高碳钢或高碳合金钢制造的工、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件,高碳钢淬火+低温回火硬度大于60HRC。

淬火钢中温回火后的组织为回火托氏体,硬度35~45HRC,具有一定的韧性和高的弹性极限及屈服极限。这种回火主要应用于含碳0.5~0.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。

淬火钢高温回火后的组织为回火索氏体,其硬度25~35HRC,具有适当的强度和足够的塑性和韧性。这种回火主要应用于含碳0.3~0.5% 的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件,如轴、连杆、螺栓等。

10.指出下列组织的主要区别:

(1)正火索氏体与回火索氏体;

(2)淬火托氏体与回火托氏体;

(3)淬火马氏体与回火马氏体。

答:由奥氏体冷却转变而成的托氏体(淬火托氏体)和索氏体(正火索氏体)组织,与由马氏体分解所得到的回火托氏体和回火索氏体组织有很大的区别,主要是碳化物(渗碳体)的形态不同。由奥氏体直接分解的托氏体及索氏体中的碳化物是片状的,而由马氏体分解的回火托氏体与回火索氏体中碳化物是颗粒状的。回火索氏体和回火托氏体相对于索氏体与托氏体其塑性和韧性较好。马氏体(M)是由A直接转变成碳在α-Fe中过饱和固溶体。回火马氏体是过饱和的α固溶体(铁素体)和与其晶格相联系的ε碳化物所组成,其淬火内应力和脆性得到降低。

11.根据共析钢的C曲线图上画出的冷却过程,填写冷却方法及工艺名称、得到的组织。

西南大学《工程材料复习题及部分参考答案》 -2016.12

西南大学《工程材料复习题及部分参考答案》 -2016.12

12.淬透性与淬硬层深度两者有何联系和区别?影响钢淬透性的因素有哪些?

答:淬透性是指钢在淬火时获得马氏体(淬硬层深度)的能力。不同的钢在同样的条件下淬硬层深度不同,说明淬透性不同,淬硬层较深的钢淬透性较好。

氏体的含碳量,即取决于淬火前奥氏体的含碳量。

影响淬透性的因素:

①化学成分C曲线距纵坐标愈远,淬火的临界冷却速度愈小,则钢的淬透性愈高。对于碳钢,钢中含碳量愈接近共析成分,其C曲线愈靠右,临界冷却速度愈小,则淬透性愈高,即亚共析钢的淬透性随含碳量增加而增大,过共析钢的淬透性随含碳量增加而减小。除Co和Al(>2.5%)以外的大多数合金元素都使C曲线右移,使钢的淬透性增加,因此合金钢的淬透性比碳钢高。

②奥氏体化条件温度愈高,保温时间愈长,晶粒愈粗,未溶第二相愈少,淬透性愈好。

13.根据表中材料和热处理状态,填写出所得到的组织名称。

西南大学《工程材料复习题及部分参考答案》 -2016.12

第四部分

1.表面淬火的目的是什么?常用的表面淬火方法有哪几种?比较它们的优缺点及应用范围。并说明表面淬火前应采用何种预先热处理。

答:表面淬火的目的是使工件表层得到强化,使其具有较高的强度、硬度、耐磨性及疲劳强度,而心部为了能承受冲击载荷的作用,仍应保持足够的塑性与韧性。常用的表面淬火方法有:1.感应加热表面淬火;2.火焰加热表面淬火。

感应加热表面淬火是把工件放入用铜管绕成的感应器(线圈)内,当线圈通入交变电流后,产生交变磁场,在工件内形成“涡流”,表层迅速被加热到淬火温度,而心部仍接近室温,立即喷水冷却,达到表面淬火强硬化的目的。

火焰加热表面淬火是用火焰为热源的一种表面淬火法。将工件快速加热到淬火温度,随后水冷,获得所需的表层硬度和淬硬层硬度。

感应加热表面淬火与火焰加热淬火相比较有如下特点:

1)感应加热速度极快,只要几秒到几十秒的时间就可以把工件加热至淬火温度,而且淬火加热温度高(A C3以上80~150℃)。

2)因加热时间短,奥氏体晶粒细小而均匀,淬火后可在表面层获得极细马氏体,使工件表面层较一般淬火硬度高2~3HRC,且脆性较低。

3)感应加热表面淬火后,淬硬层中存在很大残余压应力,有效地提高了工件的疲劳强度,且变形小,不易氧化与脱碳。

4)生产率高,便于机械化、自动化,适宜于大批量生产。

但感应加热设备比火焰加热淬火费用较贵,维修调整比较困难,形状复杂的线圈不易制造。

表面淬火前应采用正火或调质的预先热处理。

2.什么是化学热处理?化学热处理包括哪几个基本过程?常用的化学热处理方法有哪几种?

层的化学成分,使心部与表层具有不同的组织与机械性能。

化学热处理的过程:

1)分解:化学介质要首先分解出具有活性的原子;

2)吸收:工件表面吸收活性原子而形成固溶体或化合物;

3)扩散:被工件吸收的活性原子,从表面想内扩散形成一定厚度的扩散层。

常用的化学热处理方法有:渗碳、氮化、碳氮共渗。

3.试述一般渗碳零件的工艺路线。

答:一般渗碳零件的工艺路线为:下料→锻造→正火→切削加工(不渗碳部位涂防渗剂或镀铜或预留余量)→渗碳→淬火+低温回火→喷丸→精磨→成品

合金钢

1.合金元素在钢中主要作用有哪些?

答:一、对基本相的影响

1.形成合金铁素体

几乎所有合金元素都可或多或少地溶入铁素体中,形成合金铁素体。其中原子直径很小的合金元素(如氮、硼等)与铁形成间隙固溶体;原子直径较大的合金元素(如锰、镍、钴等)与铁形成置换固溶体。

2.形成合金碳化物

与碳的亲和力弱的形成合金渗碳体。与碳的亲和力强的形成特殊碳化物。

二、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响

1.改变了奥氏体区的范围

合金元素以两种方式对奥氏体区发生影响。镍、钴、锰等元素的加入使奥氏体区扩大,GS线向左下方移动,使A3及A1温度下降。而铬、钨、钼、钒、钛、铝、硅等元素则缩小奥氏体区,GS线向左上方移动,使A3及A1温度升高。

2.改变S、E点位置

合金中凡能扩大奥氏体区的元素,均使S、E点向左下方移动;凡能缩小奥氏体区的元素,均使S、E点向左上方移动。大多数合金元素均使S点、E点左移。因S点左移,使w C<0.77%合金具有过共析组织。E点左移,使出现莱氏体的含碳量降低,使w C<2.11%的钢在铸态组织中出现合金莱氏体。

三、合金元素对钢热处理的影响

1.对钢加热时奥氏体化过程的影响:对形成速度的影响(除Ni、Co外的大多数合金元素都减缓钢的奥氏体化过程);对晶粒长大倾向的影响(Mn、P促进奥氏体长大)。

2.对钢冷却时过冷奥氏体转变过程的影响:

(1)对C曲线和淬透性的影响:(除Co外)非碳化物形成元素及弱碳化物形成元素,使C曲线右移。其C曲线形状与碳钢相似。当碳化物形成元素溶入奥氏体后,使C曲线出现两个鼻尖。提高了钢的淬透性。

(2)对Ms、Mf点的影响:(除Co、Al外所有溶于奥氏体的合金元素都使这两点下降,使钢在淬火后的残余奥氏体量增加)

(3)对淬火钢回火转变过程的影响:提高耐回火性(回火稳定性);产生二次硬化;防止第二类回火脆性(W、Mo)等。

2.合金元素对回火转变有何影响?

答:1.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。

2.产生二次硬化

强碳化物形成元素如Cr、W、Mo、V等,在含量较高及在一定回火温度下,将沉淀析出各自的特殊碳化物。如Mo2C、W2C、VC等,析出的碳化物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。

3.合金钢回火时产生高温回火脆性

含有Cr、Ni、Mn等元素的钢,在550~650℃回火后缓慢冷却,会出现冲击值的降低,称为高温回火脆性或第二类回火脆性。

3.为什么重要的大截面的大型结构零件(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?与碳钢比较,合金钢的主要优点有哪些?

答:因为碳钢的强度和屈服强度较低,淬透性低,其制成的零件尺寸不能太大,否则淬不透,出现内外性能不均,对于重要的大截面的大型结构零件,都要求内外性能均匀,顾不能采用碳钢制造。因此重要的大截面的大型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。

与碳钢比较,合金钢的主要优点:

(1)合金钢的强度与淬透性比碳钢高。

(2)合金钢回火稳定性比碳钢高。

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,即回火稳定性低,顾不能在较高温度下保持高硬度,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造而采用合金钢制造。

(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)。

4.何谓调质钢?合金调质钢中常含哪些合金元素?它们在调质钢中起什么作用?

答:通常把经调质处理后具有良好综合机械性能的中碳钢及中碳合金钢称为调质钢。

合金调质钢中常含合金元素有铬、锰、镍、硅、钼、钨、钒、铝、钛等。

合金调质钢的主加元素有铬、锰、镍、硅等,以增加淬透性。它们在钢中除增加淬透性外,还能强化铁素体,起固溶强化作用。辅加元素有钼、钨、钒、铝、钛等。钼、钨的主要作用是防止或减轻高温回火脆性,并增加回火稳定性;钒、钛的作用是细化晶粒,提高耐磨性;加铝能加速渗氮过程。

5.常见的合金结构钢有哪些?写出其中1-2种牌号,说明其一般使用时的热处理(即最终热处理)和用途。

答:常见的合金结构钢有:

(1)低合金高强度结构钢:其中Q345是最常用的低合金高强度结构钢,一般不进行热处理,广泛用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、压力容器、起重机械等钢结构件。

(2)合金渗碳钢:20CrMnTi是最常用的合金渗碳钢,一般是渗碳后淬火、低温回火,用于工作中承受较强烈的冲击作用和磨损条件下的渗碳零件。

(3)合金调质钢:40Cr是最常用的合金调质钢,其热处理工艺是调质,用于制造受力复杂的重要零件,如机器的主动轴等。

(4)合金弹簧钢:常用的合金弹簧钢的牌号有60Si2Mn、60Si2CrV A和50CrV A,热成形弹簧钢进行淬火、中温回火,冷成形弹簧钢只需进行去应力退火,合金弹簧钢主要用于制造各种弹性元件,如汽车的减震板弹簧等。

(5)滚动轴承钢:目前应用最多的有:GCr15 主要用于中小型滚动轴承;GCr15SiMn主要用于较大的滚动轴承,滚动轴承钢的热处理包括预备热处理(球化退火)和最终热处理(淬火+低温回火)。

6.

西南大学《工程材料复习题及部分参考答案》 -2016.12

7.提高金属耐蚀性的途径是什么?不锈钢中最主要的合金元素是什么?

答:(1)提高金属的电极电位;

(2)使金属易于钝化,形成致密、完整、稳定的与钢基体结合牢固的钝化膜;

(3)形成单相组织。

不锈钢中最主要的合金元素是Cr。

8.按照不锈钢的组织分类,常用不锈钢有哪几类?

铸铁

1. 以过共晶铸铁为例,阐述铸铁由液体到室温石墨化过程及其得到的组织,并列表说明一二阶段充分进行石墨化,第三阶段不同程度石墨化得到的铸铁组织。

答:按照Fe-G相图的结晶规律,过共晶铸铁的石墨化过程可分为三个阶段。

第一阶段:由过共晶铸铁液体结晶出一次石墨,液体碳量降低,冷却到共晶线温度1154℃(E′C′F′线)通过共晶反应形成共晶石墨,组织为A E′+G(共晶) +GⅠ。

第二阶段:在1154~738℃温度范围,奥氏体沿E′S′线析出二次石墨。其组织为:

A+GⅡ+G(共晶) +GⅠ;

第三阶段:在738℃(P′S′K′线)通过共析反应形成共析石墨,其组织为:

F P′+G(共析)+GⅡ+G(共晶) +GⅠ。

一、二阶段充分进行石墨化,第三个阶段不同程度石墨化得到的铸铁组织见表。

西南大学《工程材料复习题及部分参考答案》 -2016.12

2.在铸铁的石墨化过程中,如果第一、第二阶段完全石墨化,第三阶段完全石墨化、或部分石墨化、或未石墨化时,问它们各获得哪种组织的铸铁?在50的圆内画出铁素体灰铸铁的组织示意图。

答:第一、第二阶段完全石墨化,第三阶段石墨化进行程度不同分别得到三种组织:

三个阶段石墨化都完全进行,铸铁组织为F+G;

第一、第二阶段充分进行,第三阶段部分进行,铸铁组织为F+P+G;

第一、第二阶段充分进行,第三阶段不进行,铸铁组织为P+G。

铁素体灰铸铁的组织示意图:

3. 什么是铸铁石墨化?影响铸铁石墨化的因素有哪些?

答:铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程成为石墨化。影响因素:

1.化学成分

(1)碳和硅碳和硅是强烈促进石墨化元素,铸铁中碳和硅的含量越高,石墨化程度越充分。这是因为随着含碳量的增加,液态铸铁中石墨晶核数增多,所以促进了石墨化;硅与铁原子的结合力较强,硅溶于铁素体中,不仅会削弱铁、碳原子间的结合力,而且还会使共晶点的含碳量降低,共晶温度提高,有利于石墨的析出。

(2)锰锰是阻止石墨化的元素。但锰与硫能形成硫化锰,减弱了硫对石墨化的阻止作用,结果又间接地起着促进石墨化的作用,因此,铸铁中含锰量要适当。

(3)硫硫是强烈阻止石墨化的元素,这是因为硫不仅增强铁、碳原子的结合力,而且形成硫化物后,常以共晶体形式分布在晶界上,阻碍碳原子的扩散。此外,硫还降低铁液的流动性和促进高温铸件开裂。所以硫是有害元素,铸铁中含硫量越低越好。

(4)磷磷是微弱促进石墨化的元素,同时它能提高铁液的流动性,但形成的Fe3P常以共晶体形式分布在晶界上,增加铸铁的脆性,使铸铁在冷却过程中易于开裂,所以一般铸铁中含磷量也应严格控制。

2.冷却速度

在生产中,往往发现同一铸件厚壁处为灰铸铁,而薄壁处出现白口铸铁的现象。这说明在化学成分相同的情况下,铸铁结晶时,厚壁处由于冷却速度慢,原子扩散时间充分,有利于石墨化过程的进行,薄壁处由于冷却速度快,不利于石墨化过程的进行。

4.简述铸铁中石墨形态对铸铁性能的影响。

答:铸铁中石墨形态有片状、蠕虫状、球状、团絮状。

灰铸铁中石墨呈片状,片状石墨的强度、塑性、韧性几乎为零,存在石墨地方就相当于存在孔洞、微裂纹,它不仅破坏了基体的连续性,减少了基体受力有效面积,而且在石墨片尖端处形成应力集中,使材料形成脆性断裂。蠕虫状石墨片两端变圆了,基本消除应力集中,故性能比片状石墨好。石墨片的数量越多,尺寸越粗大,分布越不

球墨铸铁中石墨呈球状,所以对金属基体的割裂作用较小,使得基体比较连续,在拉伸时引起应力集中的现象明显下降,从而使基体强度利用率从灰铸铁的30%~50%提高到70%~90%,这就使球墨铸铁的抗拉强度、塑性和韧性、疲劳强度不仅高于其它铸铁,而且可以与相应组织的铸钢相比。

可锻铸铁中石墨呈团絮状。与灰铸铁相比对金属基体的割裂作用较小,可锻铸铁具有较高的力学性能,尤其是塑性与韧性有明显的提高。

5.为什么可锻铸铁适宜制造壁厚较薄的零件?而球墨铸铁却不宜制造壁厚较薄的零件?

答:可锻铸铁的生产过程分为两个步骤,第一步先浇注成白口铸件,第二步再经高温长时间的可锻化退火(亦称石墨化退火),使渗碳体分解出团絮状石墨。壁薄零件能获得较大的冷却速度,浇注后易获得白口铸件,正是可锻铸铁希望获得的浇注组织,所以它适宜制造壁厚较薄的零件。

球墨铸铁是在浇注前,向一定成分的铁液中加入适量使石墨球化的球化剂(纯镁或稀土硅铁镁合金)和促进石墨化的孕育剂(硅铁),获得具有球状石墨的铸铁。浇注时需要充分石墨化。若壁薄冷却快,石墨化困难,不易获得球墨铸铁中的球状石墨。

有色金属及粉末冶金

1.不同铝合金可通过哪些途径达到强化目的?

答:⑴不能热处理强化的变形铝合金可利用加工硬化达到强化目的。⑵能热处理强化的变形铝合金可利用时效强化(固溶处理+时效处理)达到强化目的。⑶铸造铝硅合金可通过变质处理达到强化的目的。

2.简述对轴承合金性能的要求。

答:具有良好的减摩性:①摩擦因数低。②磨合性好。③抗咬合性好。

具有足够的力学性能:有较高的抗压强度和疲劳强度,并能抵抗冲击和振动。

具有良好的导热性、小的热膨胀系数、良好的耐蚀性和铸造性能。

3.作为切削刀具时YG类和YT类硬质合金应用上有何不同?

答:YG类合金适宜加工脆性材料(如铸铁等),而YT类合金则适宜于加工塑性材料(如钢等)。同一类合金中,含钴量较高者适宜制造粗加工刃具;反之,则适宜制造精加工刃具。

工程材料的选用

1.机械零件常见的失效形式有哪些?

答:①变形失效:包括过量的弹性变形或塑性变形(整体或局部的)、高温蠕变等。

②磨损失效:包括过量的磨损、表面龟裂、麻点剥落等表面损伤失效。对工程构件来说,常因腐蚀而影响使用也属失效。

③断裂失效:包括静载荷或冲击载荷断裂、疲劳破坏以及应力腐蚀破裂等。

2.选材的一般原则是什么?

答:选材的一般原则是:首先满足零件使用性能,再考虑工艺性、经济性、环保和资源合理利用。

3.有一批用45钢制造的齿轮,其制造工艺为:下料→锻造→正火→车削加工→淬火+高温回火→铣齿→表面淬火+低温回火。说明各热处理工序的主要作用。

答:(1)正火:调整硬度,提高切削加工性能,细化晶粒,均匀组织。

(2)淬火+高温回火:提高综合性能。

(3)表面淬火+低温回火;提高齿面硬度和耐磨性。

4.有一批用20CrMnTi钢制造的齿轮,其制造工艺为:下料→锻造→正火→车削加工→铣齿→渗碳→淬火→低温回火→磨齿。说明各热处理工序的作用。

答:(1)正火:提高硬度,提高切削加工性能,细化晶粒,均匀组织。

(2)渗碳:提高表层碳量。

(3)淬火+低温回火:齿表层获得硬度高的高碳马氏体,提高齿面耐磨性,心部获得韧性较好的低碳马氏体,提高齿轮的抗冲击性能。

5.有一重要传动轴(最大直径φ30mm)受较大交变拉压载荷作用,表面有较大摩擦和冲击,要求沿截面性能均匀一致。(1)选择合适的材料,(2)编制加工工艺路线,(3)说明各热处理工艺的主要作用。

供选择的材料:16Mn 20CrMnTi 45 T12 Q235

答:(1)选用20CrMnTi

(3)热处理工艺的主要作用如下:

正火:主要为了消除毛坯的锻造应力,提高硬度以改善切削加工性,同时也均匀组织,细化晶粒,为以后的热处理做组织准备。

渗碳:为了提高传动轴表层的含碳量及渗碳层深度的要求。

淬火+低温回火:提高表面的硬度和耐磨性,而心部具有足够的韧性,其中低温回火的作用是消除淬火应力及减少脆性。

6.某40Cr钢主轴,要求整体有足够的韧性,表面要求有较高的硬度和耐磨性,采用何种热处理工艺可满足要求?简述理由。

答:采用正火(预备热处理)、调质(淬火+高温回火)以及表面淬火+低温回火(最终热处理)。

(1)正火:主要为了消除毛坯的锻造应力,调整(降低)硬度以改善切削加工性,同时也均匀组织,细化晶粒,为以后的热处理做组织准备。

(2)调质:主要使主轴具有高的综合力学性能。

(3)表面淬火+低温回火:提高表面的硬度和耐磨性,而心部具有足够的韧性,其中低温回火的作用是消除淬火应力及减少脆性。

7.现有下列零件及可供选择的材料,给各零件选择合适的材料,并选择合适的热处理方法(或材料状态)。

零件名称:自行车架机器动主轴汽车板簧汽车变速齿轮小型车床床身中小型柴油机曲轴

选择的材料:60Si2Mn QT600-2 T12A 40Cr HT200 Q345 20CrMnTi

答:自行车架:Q345 焊接后去应力退火;

机器主动轴:40Cr 锻后正火,粗加工后淬火、高温回火(调质处理)、局部表面淬火、低温回火;

汽车板簧:60Si2Mn 热成形后,淬火、中温回火;

汽车变速齿轮:20CrMnTi 锻后正火,粗加工后渗碳、淬火、低温回火;

小型车床床身:HT200 铸件去应力退火,导轨等局部表面淬火、低温回火;

中小型柴油机曲轴:QT600-2 铸件去应力退火,粗加工后等温淬火。

8.要制造汽车传动齿轮、连杆、一般用途弹簧、重载弹簧、冷冲压模具的凹凸模、热锻模、滚动轴承、铣刀、锉刀、重型机床床身、中小型车床传动齿轮、一般用途的螺钉等零件,试从下列牌号中分别选出合适的材料并说明钢种名称和采用的热处理工艺。

T12,60Si2CrA,HT350,W18Cr4V,GCr15,40Cr,45,70,20CrMnTi,Cr12MoV,Q235,5CrNiMo

答:汽车传动齿轮:20CrMnTi渗碳钢。锻后正火,粗加工后渗碳、淬火、低温回火。

连杆:40Cr调质钢。锻后正火,粗加工后淬火、高温回火(调质处理)。

一般用途弹簧:70弹簧钢。大截面弹簧热成形后,淬火、中温回火。小截面弹簧冷成形后,去应力回火。

重载弹簧:60Si2CrA弹簧钢。大截面弹簧热成形后,淬火、中温回火。小截面弹簧冷成形后,去应力回火。

冷冲压模具的凹凸模:Cr12MoV冷作模具钢。锻后球化退火,粗加工后淬火、低温回火。

热锻模:5CrNiMo热作模具钢。锻后正火(或退火),粗加工后淬火、高温回火。

滚动轴承:GCr15轴承钢。锻后球化退火,粗加工后淬火、低温回火。

铣刀:W18Cr4V高速钢。锻后球化退火,粗加工后淬火、三次580℃回火。

锉刀:T12碳素工具钢。锻后球化退火,粗加工后淬火、低温回火。

重型机床床身:HT350灰铸铁。铸件去应力退火,导轨等局部表面淬火、低温回火。

中小型车床传动齿轮:45优质碳素结构钢。锻后正火,粗加工后淬火、高温回火,齿面表面淬火。

一般用途的螺钉:Q235普通碳素结构钢。正火(或退火)状态使用。

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