2020年 07月 09日 星期四

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金属学与热处理知识点总结

作者:永乐国际 来源:永乐国际 日期:2020-07-08 21:17 人气:

  金属学与热处理总结 一、金属的晶体结构 重点内容: 面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径,八面体、四面 体间隙个数;晶向指数、晶面指数的标定;柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。 基本内容:密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径,密排面上原子的堆垛顺序、 晶胞、晶格、金属键的概念。晶体的特征、晶体中的空间点阵。 晶格类型 晶胞中的原子 原子半 配位 致密度 数 径 数 体心立方 2 面心立方 4 密排六方 6 3 4 a 8 68% 2 4 a 12 74% 1 2 a 12 74% 晶格类型 fcc(A1) bcc(A2) hcp(A3) 正四面 正八面 正八面 间隙类型 四面体 扁八面体 四面体 体 体 体 间隙个数 8 4 12 6 12 6 原子半径 2 4 a 3 4 a a 2 rA 间隙半径 rB ? 3? 2 ?a 4 ?2 ? 2?a 4 ? 5 ? 3?a4 ?2 ? 3?a4 ? ? 6 ?2 a 4 ? ? 2 ?1 a 2 晶胞:在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元,用来分析原子排列的规 律性,这个最小的几何单元称为晶胞。 金属键:失去外层价电子的正离子与弥漫其间的电子的静电作用而结合起来,这种结合 方式称为金属键。 位错:晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。 位错的柏氏矢量具有的一些特性: ①用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型;②柏氏矢量的守恒性,即柏氏矢量与回起点及 回途径无关;③位错的柏氏矢量个部分均相同。 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直;螺型平行;混合型呈任意角度。 晶界具有的一些特性: ①晶界的能量较高,具有自发长大和使界面平直化,以减少晶界总面积的趋势;②原子在晶 界上的扩散速度高于晶内,熔点较低;③相变时新相优先在晶界出形核;④晶界处易于发生杂质 或溶质原子的富集或偏聚;⑤晶界易于腐蚀和氧化;⑥常温下晶界可以位错的运动,提高材 料的强度。 二、纯金属的结晶 1 重点内容:均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系;细化晶粒的方法, 铸锭三晶区的形成机制。 基本内容:结晶过程、阻力、动力,过冷度、变质处理的概念。铸锭的缺陷;结晶的热力学 条件和结构条件,非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。 相起伏:液态金属中,时聚时散,起伏不定,不断变化着的近程规则排列的原子集团。 过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。 变质处理:在浇铸前往液态金属中加入形核剂,促使形成大量的非均匀晶核,以细化晶粒的 方法。 过冷度与液态金属结晶的关系:液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。从热力学的 角度上看,没有过冷度结晶就没有趋动力。根据 Rk ? 1 ?T 可知当过冷度 ?T 为零时临界晶核半 径 Rk 为无穷大,临界形核功( ?G ? 1 ?T 2 )也为无穷大。临界晶核半径 Rk 与临界形核功为无穷 大时,无法形核,所以液态金属不能结晶。晶体的长大也需要过冷度,所以液态金属结晶需要过 冷度。 细化晶粒的方法:增加过冷度、变质处理、振动与搅拌。 铸锭三个晶区的形成机理:表面细晶区:当高温液体倒入铸模后,结晶先从模壁开始,靠近模 壁一层的液体产生极大的过冷,加上模壁可以作为非均质形核的基底,因此在此薄层中立即形成 大量的晶核,并同时向各个方向生长,形成表面细晶区。柱状晶区:在表面细晶区形成的同时, 铸模温度迅速升高,液态金属冷却速度减慢,结晶前沿过冷都很小,不能生成新的晶核。垂直模 壁方向散热最快,因而晶体沿相反方向生长成柱状晶。中心等轴晶区:随着柱状晶的生长,中心 部位的液体实际温度分布区域平缓,由于溶质原子的重新分配,在固液界面前沿出现成分过冷, 成分过冷区的扩大,促使新的晶核形成长大形成等轴晶。由于液体的流动使表面层细晶一部分卷 入液体之中或柱状晶的枝晶被冲刷脱落而进入前沿的液体中作为非自发生核的籽晶。 三、二元合金的相结构与结晶 重点内容:杠杆定律、相律及应用。 基本内容:相、匀晶、共晶、包晶相图的结晶过程及不同成分合金在室温下的显微组织。合 金、成分过冷;非平衡结晶及枝晶偏析的基本概念。 相律:f = c – p + 1 其中,f 为 度数,c 为 组元数,p 为 相数。 伪共晶:在不平衡结晶条件下,成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也可能得到全部共 晶组织,这种共晶组织称为伪共晶。 合金:两种或两种以上的金属,或金属与非金属,经或烧结、或用其它方法组合而成的 具有金属特性的物质。 合金相:在合金中,通过组成元素(组元)原子间的相互作用,形成具有相同晶体结构与性 质,并以明确界面分开的成分均一组成部分称为合金相。 四、铁碳合金 2 重点内容:铁碳合金的结晶过程及室温下的平衡组织,组织组成物及相组成物的计算。 基本内容:铁素体与奥氏体、二次渗碳体与共析渗碳体的异同点、三个恒温转变。 钢的含碳量对平衡组织及性能的影响;二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体相对量的计算; 五种渗碳体的来源及形态。 奥氏体与铁素体的异同点: 相同点:都是铁与碳形成的间隙固溶体;强度硬度低,塑性韧性高。 不同点:铁素体为体构,奥氏体面构;铁素体最高含碳量为 0.0218%, 奥氏体最高 含碳量为 2.11%,铁素体是由奥氏体直接转变或由奥氏体发生共析转变得到,奥氏体是由包晶或 由液相直接析出的;存在的温度区间不同。 二次渗碳体与共析渗碳体的异同点。 相同点:都是渗碳体,成份、结构、性能都相同。 不同点:来源不同,二次渗碳体由奥氏体中析出,共析渗碳体是共析转变得到的;形态不同 二次渗碳体成网状,共析渗碳体成片状;对性能的影响不同,片状的强化基体,提高强度,网状 降低强度。 成分、组织与机械性能之间的关系:如亚共析钢。亚共析钢室温下的平衡组织为 F+P,F 的 强度低,塑性、韧性好,与 F 相比 P 强度硬度高,而塑性、韧性差。随含碳量的增加,F 量减少, P 量增加(组织组成物的相对量可用杠杆定律计算)。所以对于亚共析钢,随含碳量的增加,强度 硬度升高,而塑性、韧性下降 五、三元合金相图 重点内容:固态下无溶解度三元共晶相图投影图中不同区、线的结晶过程、室温组织。 基本内容:固态下无溶解度三元共晶相图投影图中任意点的组织并计算其相对量。 三元合金相图的成分表示法;直线、杠杆定律、重心。 六、金属及合金的塑性变形与断裂 重点内容:体心与面构的滑移系;金属塑性变形后的组织与性能。 基本内容:固溶体强化机理与强化规律、第二相的强化机理。霍尔——配奇关系式;单晶体 塑性变形的方式、滑移的本质。 塑性变形的方式:以滑移和孪晶为主。 滑移:晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分作相对的滑动。滑移的本质是位错 的移动。 体构的滑移系个数为 12,滑移面:{110},方向111。面构的滑移系个数为 12,滑 移面:{111},方向110。 金属塑性变形后的组织与性能 :显微组织出现纤维组织,杂质沿变形方向拉长为细带状或粉 碎成链状,光学显微镜分辨不清晶粒和杂质。亚结构细化,出现形变织构。性能:材料的强度、 硬度升高,塑性、韧性下降;比电阻增加,导电系数和电阻温度系数下降,抗腐蚀能力降低等。 七、金属及合金的回复与再结晶 重点内容:金属的热加工的作用;变形金属加热时显微组织的变化、性能的变化,储存能的 3 变化。 基本内容:回复、再结的概念、变形金属加热时储存能的变化。再结晶后的晶粒尺寸;影响 再结晶的主要因素性能的变化规律。 变形金属加热时显微组织的变化、性能的变化:随温度的升高,金属的硬度和强度下降,塑 性和韧性提高。电阻率不断下降,密度升高。金属的抗腐蚀能力提高,内应力下降。 再结晶:冷变形后的金属加热到一定温度之后,在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新 晶粒,而性能也发生了明显的变化,并恢复到完全软化状态,这个过程称之为再结晶。 热加工的主要作用(或目的)是:①把钢材加工成所需要的各种形状,如棒材、板材、线材 等;②能明显的改善铸锭中的组织缺陷,如气泡焊合,缩松压实,使金属材料的致密度增加;③ 使粗大的柱状晶变细,合金钢中大块状碳化物初晶打碎并使其均匀分布;④减轻或消除成分偏析, 均匀化学成分等。使材料的性能得到明显的改善。 影响再结晶的主要因素:①再结晶退火温度:退火温度越高(保温时间一定时),再结晶后的 晶粒越粗大;②冷变形量:一般冷变形量越大,完成再结晶的温度越低,变形量达到一定程度后, 完成再结晶的温度趋于恒定;③原始晶粒尺寸:原始晶粒越细,再结晶晶粒也越细;④微量溶质 与杂质原子,一般均起细化晶粒的作用;⑤第二相粒子,粗大的第二相粒子有利于再结晶,弥散 分布的细小的第二相粒子不利于再结晶;⑥形变温度,形变温度越高,再结晶温度越高,晶粒粗 化;⑦加热速度,加热速度过快或过慢,都可能使再结晶温度升高。 塑性变形后的金属随加热温度的升高会发生的一些变化: 显微组织经过回复、再结晶、晶粒长大三个阶段由破碎的或纤维组织转变成等轴晶粒,亚晶 尺寸增大;储存能降低,内应力松弛或被消除;各种结构缺陷减少;强度、硬度降低,塑性、韧 度提高;电阻下降,应力腐蚀倾向显著减小。 八、扩散 重点内容:影响扩散的因素;扩散第一定律表达式。 基本内容:扩散激活能、扩散的驱动力。柯肯达尔效应,扩散第二定律表达式。 柯肯达尔效应:由置换互溶原子因相对扩散速度不同而引起标记移动的不均衡扩散现象称为柯肯 达尔效应。 影响扩散的因素: ①温度:温度越高,扩散速度越大; ② 晶体结构:体构的扩散系数大于面构的扩散系数; ③ 固溶体类型:间隙原子的扩散速度大于置换原子的扩散速度; ④ 晶体缺陷:晶体缺陷越多,原子的扩散速度越快; ⑤ 化学成分:有些元素可以加快原子的扩散速度,有些可以减慢扩散速度。 扩散第一定律表达式:扩散第一定律表达式: J ? ?D dC dx 其中,J 为扩散流量;D 为扩散系数; dC dx 为浓度梯度。 扩散的驱动力为化学位梯度,阻力为扩散激活能 4 九、钢的热处理原理 重点内容:冷却时转变产物(P、B、M)的特征、性能特点、热处理的概念。 基本内容:等温、连续 C-曲线。奥氏体化的四个过程;碳钢回火转变产物的性能特点。 热处理:将钢在固态下加热到预定的温度,并在该温度下保持一段时间,然后以一定的速度 冷却下来,让其获得所需要的组织结构和性能的一种热加工工艺。 转变产物(P、B、M)的特征、性能特点:片状 P 体,片层间距越小,强度越高,塑性、韧 性也越好;粒状 P 体,Fe3C 颗粒越细小,分布越均匀,合金的强度越高。第二相的数量越多,对 塑性的危害越大;片状与粒状相比,片状强度高,塑性、韧性差;上贝氏体为羽毛状,亚结构为 位错,韧性差;下贝氏体为黑针状或竹叶状,亚结构为位错,位错密度高于上贝氏体,综合机械 性能好;低碳马氏体为板条状,亚结构为位错,具有良好的综合机械性能;高碳马氏体为片状, 亚结构为孪晶,强度硬度高,塑性和韧性差。 等温、连续 C-曲线。 十、钢的热处理工艺 重点内容:退火、正火的目的和工艺方法; 淬火和回火的目的和工艺方法。 基本内容:淬透性、淬硬性、热应力、组织应力、回火脆性、回火稳定性、过冷奥氏体的概 念。淬火加热缺陷及其防止措施。 热应力:工件在加热(或冷却)时,由于不同部位的温度差异,导致热胀(或冷缩)的不一致所 引起的应力称为热应力。 组织应力:由于工件不同部位组织转变不同时性而引起的内应力。 淬透性:是表征钢材淬火时获得马氏体的能力的特性。 可硬性:指淬成马氏体可能得到的硬度。 回火稳定性:淬火钢对回火时发生软化过程的抵抗能力。 回火脆性:钢在一定的温度范围内回火时,其冲击韧性显著下降,这种脆化现象叫做钢的 回火脆性。 过冷奥氏体:在临界温度以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。 退火的目的:均匀钢的化学成分及组织;细化晶粒;调整硬度,改善钢的成形及切削加工性 能;消除内应力和加工硬化;为淬火做好组织准备。 正火的目的:改善钢的切削加工性能;细化晶粒,消除热加工缺陷;消除过共析钢的网状碳 化物,便于球化退火;提高普通结构零件的机械性能。 十一、工业用钢 重点内容:材料强化方法;钢的分类和编号。 基本内容:常用合金元素在钢中的主要作用。材料韧化的方法、钢的化学成分、金相组织热 处理工艺和机械性能之间的关系。 合金钢:在碳钢的基础上有意地加入一种或几种合金元素,使其使用性能和工艺性能得以提 5 高的以铁为基的合金即为合金钢。 金属学与热处理习题及参考解 一、论述四种强化的强化机理、强化规律及强化方法。 1、 形变强化 形变强化:随变形程度的增加,材料的强度、硬度升高,塑性、韧性下降的现象叫形变强化 或加工硬化。 机理:随塑性变形的进行,位错密度不断增加,因此位错在运动时的相互交割加剧,结果即 产生固定的割阶、位错缠结等障碍,使位错运动的阻力增大,引起变形抗力增加,给继续塑性变 形造成困难,从而提高金属的强度。 规律:变形程度增加,材料的强度、硬度升高,塑性、韧性下降,位错密度不断增加,根据 公式 Δσ =αbGρ 1/2 ,可知强度与位错密度(ρ )的二分之一次方成正比,位错的柏氏矢量(b) 越大强化效果越显著。 方法:冷变形(挤压、滚压、喷丸等)。 形变强化的实际意义(利与弊):形变强化是强化金属的有效方法,对一些不能用热处理强化 的材料可以用形变强化的方法提高材料的强度,可使强度成倍的增加;是某些工件或半成品加工 成形的重要因素,使金属均匀变形,使工件或半成品的成形成为可能,如冷拔钢丝、零件的冲压 成形等;形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性,零件的某些部位出现应力集中或 过载现象时,使该处产生塑性变形,因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。另一 方面形变强化也给材料生产和使用带来麻烦,变形使强度升高、塑性降低,给继续变形带来困难, 中间需要进行再结晶退火,增加生产成本。 2、 固溶强化 随溶质原子含量的增加,固溶体的强度硬度升高,塑性韧性下降的现象称为固溶强化。强化 机理:一是溶质原子的溶入,使固溶体的晶格发生畸变,对滑移面上运动的位错有阻碍作用;二 是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用,增加了位错运动的阻力;三是溶 质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。所有位错运动,增加位错移动阻力的因素都可 使强度提高。 固溶强化规律:①在固溶体溶解度范围内,合金元素的质量分数越大,则强化作用越大;② 溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大,强化效果越显著;③形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用 大于形成置换固溶体的元素;④溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大,则强化作用越大。 6 方法:合金化,即加入合金元素。 3、第二相强化 钢中第二相的形态主要有三种,即网状、片状和粒状。 ①网状特别是沿晶界析出的连续网状 Fe3C,降低的钢机械性能,塑性、韧性急剧下降,强度 也随之下降; ②第二相为片状分布时,片层间距越小,强度越高,塑性、韧性也越好。符合σ s=σ 0+KS0-1/2 的规律,S0 片层间距。 ③第二相为粒状分布时,颗粒越细小,分布越均匀,合金的强度越高,符合? ? Gb 的规律, ? λ 粒子之间的平均距离。第二相的数量越多,对塑性的危害越大; ④片状与粒状相比,片状强度高,塑性、韧性差; ⑤沿晶界析出时,不论什么形态都降低晶界强度,使钢的机械性能下降。 第二相无论是片状还是粒状都位错的移动。 方法:合金化,即加入合金元素,通过热处理或变形改变第二相的形态及分布。 4、细晶强化 细晶强化:随晶粒尺寸的减小,材料的强度硬度升高,塑性、韧性也得到改善的现象称为细晶 强化。 细化晶粒不但可以提高强度又可改善钢的塑性和韧性,是一种较好的强化材料的方法。 机理:晶粒越细小,位错塞集群中位错个数(n)越小,根据? ? n? 0 ,应力集中越小,所以 材料的强度越高。 细晶强化的强化规律:晶界越多,晶粒越细,根据霍尔-配奇关系式σ s=σ 0+Kd-1/2 晶粒的平 均直(d)越小,材料的强度(σ s)越高。 细化晶粒的方法:结晶过程中可以通过增加过冷度,变质处理,振动及搅拌的方法增加形核 率细化晶粒。对于冷变形的金属可以通过控制变形度、退火温度来细化晶粒。可以通过正火、退 火的热处理方法细化晶粒;在钢中加入强碳化物物形成元素。 二、改善塑性和韧性的机理 晶粒越细小,晶粒内部和晶界附近的应变度差越小,变形越均匀,因应力集中引起的开裂的 机会也越小。晶粒越细小,应力集中越小,不易产生裂纹;晶界越多,易使裂纹扩展方向发生变 化,裂纹不易,所以韧性就好。 提高或改善金属材料韧性的途径:① 尽量减少钢中第二相的数量;② 提高基体组织的塑性; ③ 提高组织的均匀性;④ 加入 Ni 及细化晶粒的元素;⑤ 防止杂质在晶界偏聚及第二相沿晶界 7 析出。 三、Fe—Fe3C 相图,结晶过程分析及计算 1. 分析含碳 0.53~0.77%的铁碳合金的结晶过程,并画出结晶示意图。 ①点之上为液 相 L;①点开始 L→γ ;② 点结晶完毕; ②~③点之间为单相γ ; ③点开始γ →α 转变;④点开始γ → P 共析转变;室温下显微组织为 α+ P。 结晶示意图: 2. 计 算室温下亚 共析钢(含 碳量为 x )的 组织组成物 的相对量。 组织组成物为 α、P,相对量为: WP ? x ? 0.0218 ?100% 0.77 ? 0.0218 , W? ? 1 ? WP 或W? ? 0.77 ? x ?100% 0.77 ? 0.0218 3. 分析含碳 0.77~2.11%的铁碳合金的结晶过程。 ①点之上为液相 L;①点开始 L→γ ;①~②之间为 L+γ ;②点结晶完毕;②~③点之间为单相 γ ;③点开始γ →Fe3C 转变;④点开始γ → P 共析转变;室温下显微组织为 P + Fe3C。 8 结晶过程示意图。 4. 计算室温下过共析钢(含碳量为 x )的组织组成物的相对量。 组织组成物为 P、Fe3CⅡ,相对量为: WP ? 6.69 ? x ?100% 6.69 ? 0.77 , WFe3C ? ? 1 ? WP 或WFe3C ? ? x ? 0.77 ?100% 6.69 ? 0.77 5. 分析共析钢的结晶过程,并画出结晶示意图。 ①点之上为液相 L;①点开始 L→γ ;②点结晶完毕;②~③点之间为单相γ ;③点γ → P 共析 转变;室温下显微组织为 P。 结晶示意图: 9 6. 计算含碳 3.0%铁碳合金室温下组织组成物及相组成物的相对量。 含 碳 3.0% 的 亚 共 晶 白 口 铁 室 温 下 组 织 组 成 物 为 P 、 Fe3C Ⅱ , 相 对 量 为 : 3.0 ? 2.11 WLd ? ?100% ? 4.3 ? 2.11 40.6% , Wγ ? 1?WLd ? 59.4% 6.69 ? 2.11 WP ? 6.69 ? 0.77 ? Wγ ?100% ? 46.0% , WFe3CⅡ ? Wγ ?WP ? 13.4% 相组成物为 F、Fe3C,相对量为: 3.0 WFe3C ? ?100% ? 6.69 44.8% , F ? 1?WFe3C ? 55.2% 7. 相图有几种渗碳体?说出各自的来源及形态。 相图有五种渗碳体: Fe3CⅠ、Fe3CⅡ 、Fe3CⅢ 、Fe3C 共析、Fe3C 共晶 ; Fe3CⅠ:由液相析出,形态连续分布(基体); Fe3CⅡ:由奥氏体中析出,形态网状分布; Fe3C Ⅲ:由铁素体中析出,形态网状、短棒状、粒状分布在铁素体的晶界上;Fe3C 共析:奥氏体共析转 变得到,片状;Fe3C 共晶:液相共晶转变得到,粗大的条状。 8. 计算室温下含碳量为 x 合金相组成物的相对量。 相组成物为 α、Fe3C,相对量为: x WFe3C ? ?100% 6.69 , W? ? 1 ? WFe3C 9. Fe3C? 的相对量:WFe3C? ? x ? 4.3 ?100% 6.69 ? 4.3 当 x=6.69 时 Fe3C? 含量最高,最高百分量为: W Fe3C? ? 6.69 ?100% ? 100% 6.69 10. 过共析钢中 Fe3CⅡ 的相对量:WFe3C ? ? x ? 0.77 6.69 ? 0.77 ? 22.6% 当 x=2.11 时 Fe3CⅡ含量最高,最高百分量为: WFe3C ? ? 2.11? 0.77 ? 22.6% 6.69 ? 0.77 11. Fe3CⅢ 的相对量计算:WFe3C ? ? ? x ?100% 6.69 当 x=0.0218 时 Fe3CⅢ含量最高,最高百分量为:WFe3C ?? ? 0.0218 ?100% 6.69 ? 0.33% 12. 共析渗碳体的相对百分量为:WFe3C ? 0.77 ? 0.0218 ?100% ? 11.2% 6.69 ? 0.0218 13. 共晶渗碳体的相对百分量为:WFe3C ? 4.30 ? 2.11 ? % ? 47.8% 6.69 ? 2.11 10 14. 说出奥氏体与铁素体的异同点。 相同点:都是铁与碳形成的间隙固溶体;强度硬度低,塑性韧性高。 不同点:铁素体为体构,奥氏体面构;铁素体最高含碳量为 0.0218%, 奥氏体最高 含碳量为 2.11%,铁素体是由奥氏体直接转变或由奥氏体发生共析转变得到,奥氏体是由包晶或 由液相直接析出的;存在的温度区间不同。 15. 说出二次渗碳体与共析渗碳体的异同点。 相同点:都是渗碳体,成份、结构、性能都相同。 不同点:来源不同,二次渗碳体由奥氏体中析出,共析渗碳体是共析转变得到的;形态不同 二次渗碳体成网状,共析渗碳体成片状;对性能的影响不同,片状的强化基体,提高强度,网状 降低强度。 16. 举例说明成分、组织与机械性能之间的关系 如亚共析钢。亚共析钢室温下的平衡组织为 F+P,F 的强度低,塑性、韧性好,与 F 相比 P 强度硬度高,而塑性、韧性差。随含碳量的增加,F 量减少,P 量增加(组织组成物的相对量可 用杠杆定律计算)。所以对于亚共析钢,随含碳量的增加,强度硬度升高,而塑性、韧性下降。 17. 说明三个恒温转变,画出转变特征图 包晶转变(LB+δ H γ J)含碳量 0.09%~0.53%范围的铁碳合金,于 HJB 水平线℃)均将通过包晶转变,形成单相奥氏体。 共晶转变(LC γ E+Fe3C)含碳放 2.11%一 6.69%范围的铁碳合金,于 ECF 平线℃)均将通过共晶转变,形成奥氏体和渗碳体两相混合的共晶体,称为菜氏体(Ld)。 共析转变(γ S α P+Fe3C);含碳虽超过 0.02%的铁碳合金,于 PSK 水平线℃)均将通过共析转变,形成铁素体和渗碳体两相混合的共析体,称为珠光体(P)。 转变特征图 包晶转变: LB δH γJ 共晶转变: LC γE γS Fe3C 共析转变: αP Fe3C 各点成分为(C%):B:0.53 ;H:0.09;J:0.17;C:4.3;E:2.11 S:0.77;P:0.0218。 18. 说出 Fe -Fe3C 相图中室温下的显微组织 工业纯铁(0.0218%C)室温组织:α 亚共析钢(0.0218%~0.77%C)室温组织: P+α; 11 共析钢:0.77%C;室温组织:P 过共析钢:0.77%~2.11%C 室温组织:P+ Fe3CⅡ 亚共晶白口铁:2.11%~4.30%C;室温组织: Ld? ? Fe3C? ? P 共晶白口铁:4.30%C;室温组织: Ld? 过共晶白口铁:4.30%~6.69%C。室温组织: 四、晶面指数与晶向指数 1)、标出图①、图②中晶面的晶面指数及图③中所示晶向(AB,OC)的晶向指数。 Z Z Z C X ① ① : ?1 1 0? Y X ② ②:(012) YA O X ③ BY AB: ?1 10? OC:[101] 2)、标出图①、图②中晶面的晶面指数及图③中所示晶向(AC,OB )的晶向指数。 Z Z CZ Y Y AO Y X X X B ① ② ③ ①: ?0 1 2? ②:(112) AC: ?1 01? 3)、画出下列指数的晶向或晶面 (111) ?1 1 0? (0 21) OB:[120] [1 1 0] ?00 1? Z Z Z (021) X (111) Y (110) X 12 Y X Y [110] [001] 五、固态下互不溶解的三元共晶相图的投影图如图所示。 1. 说出图中各点(M、N、P、E)室温下的显微组织。 M:B+(B+C)+(A+B+C); N:(A+B) +(A+B+C); P:C+(A+B+C); E:(A+B+C)。 2. 求出 E 点合金室温下组织组成物的相对量和相组成物的相对量。 E 点合金室温下组织组成物的相对量(A+B+C)为 100% 相组成物的相对量为: WA=Ea/Aa×100% WB=Eb/Bb×100% WC=Ec/Cc×100% A A% b E3 E1 c B% B ·N E· ·M C% K E2 ·P a C 3. 分析 M 点合金的结晶过程。 先从液相中结晶出 B 组元,当液相成分为 K 时,发生二元共晶转变,转变产物为(B+C), 当液相成分为 E 时,发生三元共晶转变,转变产物为(A+B+C)。室温下的显微组织为:B+(B +C)+(A+B+C)。 六、固态下互不溶解的三元共晶相图的投影图如图所示。 A A% e1 B% B E· e3 e2 C% C 1. 确定出 E 点合金 A、B、C 三个组元的化学成分。 2. 计算 E 点合金组织组成物的相对量 3. 计算 E 点合金相组成物的相对量 4. E 点合金的化学成分与相组成物相对量之间有什么关系?为什么? 13 A b D e1 B% B A% E · c F H e3 a e2 C% C 1、 A、B、C 三个组元的化学成分为:A=Ca% ,B=Ab% ,C=Bc% 2、E 点合金组织组成物的相对量为:W(A+B+C)=100% 3、E 点合金相组成物的相对量为:WA ? EH AH ?100 % ,WB ? EF BF ?100 % , WC ? ED CD ?100 % 4、E 点合金的化学成分与相组成物相对量是相等的,即:Ca=EH/AH,Ab=EF/BF, Bc=ED/CD。因为三个组元在固态下互不溶解,都已纯金属的形成存在,所以三个相(A、B、C) 的相对量就应该等于其各自的化学成分。 七、锻造或轧制的作用是什么?为什么锻造或轧制的温度选择在高温的奥氏体区? 锻造或轧制的作用是:把材料加工成形,通过锻造或轧制使铸锭中的组织缺陷得到明显的改 善,如气泡焊合,缩松压实,使金属材料的致密度增加;粗大的柱状晶变细;合金钢中大块状碳 化物初晶打碎并较均匀分布;使成分均匀,使材料的性能得到明显的改善。 奥氏体稳定存在是在高温区,温度升高材料的强度、硬度下降,塑性韧性升高,有利于变形; 奥氏体为面构,塑性比其它结构好,塑性好,有利于变形;奥氏体为单相组织,单相组织的 强度低,塑性韧性好,有利于变形;变形为材料的硬化过程,变形金属高温下发生回复与再结晶, 消除加工硬化,即为动态回复再结晶,适合大变形量的变形。 八、什么是柯肯达尔效应?如何解释柯肯达尔效应? 由置换互溶原子因相对扩散速度不同而引起标记移动的不均衡扩散现象称为柯肯达尔效应。 Cu Ni 分析表明 Ni 向左侧扩散过来的原子数目大于 Cu 向右侧扩散过来的原子数目,且 Ni 的原子半径大 于 Cu 的原子半径。过剩的 Ni 的原子使左侧的点阵膨胀,而右边原子减少的地方将发生点阵收缩, 其结果必然导致界面向右侧漂移。 九、影响扩散的因素有哪些? ①温度:温度越高,扩散速度越大; 14 ② 晶体结构:体构的扩散系数大于面构的扩散系数; ③ 固溶体类型:间隙原子的扩散速度大于置换原子的扩散速度; ④ 晶体缺陷:晶体缺陷越多,原子的扩散速度越快; ⑤ 化学成分:有些元素可以加快原子的扩散速度,有些可以减慢扩散速度。 十、写出扩散第一定律的数学表达式,说出各符号的意义。 扩散第一定律表达式: J ? ?D dC dx 其中,J 为扩散流量;D 为扩散系数; dC dx 为浓度梯度。 扩散的驱动力为化学位梯度,阻力为扩散激活能 十一、写出扩散系数的数学表达式,说出各符号的意义及影响因素。 扩散系数 D 可用下式表示: D ? D0 exp ?? Q RT ? 式中,D0 为扩散,Q 为扩散激活能,R 为气体,T 为热力学温度。由式上式可以看出, 扩散系数 D 与温度呈指数关系,温度升高,扩散系数急剧增大。 十二、固态金属扩散的条件是什么? ①温度要足够高,温度越高原子热振动越激烈原子被激活而进行迁移的几率越大;②时间要足够 长,只有经过相当长的时间才能造成物质的宏观迁移;③扩散原子要固溶,扩散原子能够溶入基 体晶格形成固溶体才能进行固态扩散;④扩散要有驱动力,没有动力扩散无法进行,扩散的驱动 力为化学位梯度。 十三、为什么晶体的滑移通常在密排晶面并沿密排晶向进行? 晶体滑移的实质是位错在滑移面上运动的结果,位错运动的点阵阻力为: ? P?N ? 2G 1?? exp??? ? 2?d ?1?? ?b ? ? ? ,位错运动的点阵阻力越小,位错运动越容易,从公式中可以看出,d 值越大、b值越小,位错运动的点阵阻力越小。d为晶面间距,密排面的晶面间距最大;b为柏 氏矢量,密排方向的柏氏矢量最小。所以,晶体的滑移通常在密排晶面并沿密排晶向进行。 十四、晶界具有哪些特性? ①晶界的能量较高,具有自发长大和使界面平直化,以减少晶界总面积的趋势;②原子在晶 界上的扩散速度高于晶内,熔点较低;③相变时新相优先在晶界出形核;④晶界处易于发生杂质 或溶质原子的富集或偏聚;⑤晶界易于腐蚀和氧化;⑥常温下晶界可以位错的运动,提高材 料的强度。 十五、简述位错与塑性、强度之间的关系。 15 位错:晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。 晶体塑性变形的方式有滑移和孪晶,多数都以滑移方式进行。滑移的本质就是位错在滑移面 上的运动,大量位错滑移的结果造成了晶体的宏观塑性变形。 位错滑移的结果造成了晶体的宏观塑性变形,使材料发生,位错越容易滑移,强度越低,因 此增加位错移动的阻力,可以提高材料的强度。溶质原子造成晶格畸变还可以与位错相互作用形 成柯氏气团,都增加位错移动的摩擦阻力,使强度提高。晶界、相界可以位错的滑移,提高 材料的强度。所以细化晶粒、第二相弥散分布可以提高强度。 十六、论述钢的渗碳通常在奥氏体区(930~950℃)进行,而且时间较长的原因。 虽然碳原子在 α-Fe 比 γ-Fe 中扩散系数大(1分),但钢的渗碳通常在奥氏体区进行,因为可 以获得较大的渗层深度。因为:①根据, D ? D0 exp ?? ? ? Q RT ?? ? ,温度(T)越高,扩散系数(D)越 大,扩散速度越快,温度越高原子热振动越激烈,原子被激活而进行迁移的几率越大,扩散速度 越快;②温度高,奥氏体的溶碳能力大,1148℃时最大值可达 2.11%,远比铁素体(727℃,0.0218%) 大,③钢表面碳浓度高,浓度梯度大,扩散速度越快;④时间要足够长,只有经过相当长的时间 才能造成碳原子的宏观迁移; 十七、与滑移相比孪晶有什么特点? ①孪晶是一部分晶体沿孪晶面对另一部分晶体做切变,切变时原子移动的距离不是孪晶方向 原子间距的整数倍;②孪晶面两边晶体的位相不同,成镜面对称;③由于孪晶改变了晶体的取向, 因此孪经晶抛光后仍能重现;④孪晶是一种均匀的切变。 十八、影响再结晶的主要因素有哪些? ①再结晶退火温度:退火温度越高(保温时间一定时),再结晶后的晶粒越粗大;②冷变形量: 一般冷变形量越大,完成再结晶的温度越低,变形量达到一定程度后,完成再结晶的温度趋于恒 定;③原始晶粒尺寸:原始晶粒越细,再结晶晶粒也越细;④微量溶质与杂质原子,一般均起细 化晶粒的作用;⑤第二相粒子,粗大的第二相粒子有利于再结晶,弥散分布的细小的第二相粒子 不利于再结晶;⑥形变温度,形变温度越高,再结晶温度越高,晶粒粗化;⑦加热速度,加热速 度过快或过慢,都可能使再结晶温度升高。 十九、论述间隙原子、置换原子、位错、晶界对材料力学性能的影响。 间隙原子、置换原子与位错相互作用形成柯氏气团,柯氏气团增加位错移动的阻力;溶质原 子造成晶格畸变,增加位错移动的摩擦阻力,使强度提高,这就是固溶强化的机理。晶界越多, 晶粒越细,根据霍尔—配奇关系式σ s=σ 0+Kd-1/2 晶粒的平均直径 d 越小,材料的强度σ s 越高。晶粒越细小,晶粒内部和晶界附近的应变度差越小变形越均匀,因应力集中引起的开裂 16 的机会也越小,塑性越好。晶粒越细小,应力集中越小,不易产生裂纹,晶界越多,易使裂纹 扩展方向发生变化,裂纹不易,所以韧性就好。 位错密度越高,则位错运动时越易发生相互交割,形成割阶,造成位错缠结等位错运动的障碍, 给继续塑性变形造成困难,从而提高金属的强度。根据公式?σ =abGρ 1/2 ,位错密度(ρ )越 大,强化效果越显著。 二十、什么是再结晶温度?影响再结晶温度的因素有哪些? 再结晶温度:经过严重冷变形(变形度在 70%以上)的金属,在约 1 小时的保温时间内能够完 成再结晶(95%转变量)的温度。再结晶温度并不是一个物理,这是因为再结晶前后的晶格 类型不变,化学成分不变,所以再结晶不是相变。 影响再结晶温度的因素:纯度越高 T 再越低;变形度越大 T 再越低;加热速度越小 T 再越高。 二十一、塑性变形后的金属随加热温度的升高会发生的一些变化: 显微组织经过回复、再结晶、晶粒长大三个阶段由破碎的或纤维组织转变成等轴晶粒,亚晶尺寸 增大;储存能降低,内应力松弛或被消除;各种结构缺陷减少;强度、硬度降低,塑性、韧度提 高;电阻下降,应力腐蚀倾向显著减小。 二十二、什么是晶面间距?计算低指数晶面的晶面间距。 晶面间距(d):两个平行晶面之间的垂直距离。通常,低指数的晶面间距较大,而高指数晶面 间距较小。晶面间距越大,则该晶面上原子排列越密集。 对于简单立方点阵 dhkl=a·(h2+k2+l2)-1/2 fcc : d100 ? a 2 , d110 ? 2 a, 4 d111 ? 3a 3 bcc: d100 ? a, 2 d110 ? 2a 2 二十三、什么是过冷度?为什么金属结晶一定要有过冷度? 过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。 液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。从热力学的角度上看,没有过冷度结晶就没 有趋动力。根据 Rk ? 1 ?T 可知当过冷度 ?T 为零时临界晶核半径 Rk 为无穷大,临界形核功 ( ?G ? 1 ?T 2 )也为无穷大。临界晶核半径 Rk 与临界形核功为无穷大时,无法形核,所以液态 金属不能结晶。晶体的长大也需要过冷度,所以液态金属结晶需要过冷度。 二十四、简述铸锭三个晶区的形成机理。 表面细晶区:当高温液体倒入铸模后,结晶先从模壁开始,靠近模壁一层的液体产生极大的 17 过冷,加上模壁可以作为非均质形核的基底,因此在此薄层中立即形成大量的晶核,并同时向各 个方向生长,形成表面细晶区。柱状晶区:在表面细晶区形成的同时,铸模温度迅速升高,液态 金属冷却速度减慢,结晶前沿过冷都很小,不能生成新的晶核。垂直模壁方向散热最快,因而晶 体沿相反方向生长成柱状晶。中心等轴晶区:随着柱状晶的生长,中心部位的液体实际温度分布 区域平缓,由于溶质原子的重新分配,在固液界面前沿出现成分过冷,成分过冷区的扩大,促使 新的晶核形成长大形成等轴晶。由于液体的流动使表面层细晶一部分卷入液体之中或柱状晶的枝 晶被冲刷脱落而进入前沿的液体中作为非自发生核的籽晶。 二十五、影响置换固溶体溶解度的因素有哪些? 1、原子尺寸因素:尺寸差越小溶解度越大。 2、负电性因素:在形成固溶体的情况下,溶解度随负电性差的减小而增大。 3、电子浓度因素:电子浓度越小,越易形成无限固溶体。 4、晶体结构因素:晶格类型相同溶解度较大。 二十六、退火与正火的目的是什么? 退火的目的:均匀钢的化学成分及组织;细化晶粒;调整硬度,改善钢的成形及切削加工性 能;消除内应力和加工硬化;为淬火做好组织准备。 正火的目的:改善钢的切削加工性能;细化晶粒,消除热加工缺陷;消除过共析钢的网状碳化物, 便于球化退火;提高普通结构零件的机械性能。 二十七、固溶体与金属化合物有何异同点? 相同点:都具有金属的特性; 不同点:结构不同,固溶体的结构与溶剂的相同,金属化合物的结构不同于任一组元;键合方式 不同,固溶体为金属键,金属化合物为金属键、共价键、离子键混合键;性能不同,固溶体的塑 性好、强度、硬度低,金属化合物,硬度高、熔点高、脆性大;在材料中的作用不同固溶体多为 材料的基体,金属化合物为强化相。 二十八、合金元素 Cr、Mn、Ni、强碳化物形成元素在钢中的主要作用是什么? Cr 在钢中的主要作用有:溶入基体,提高淬透性,固溶强化;形成第二相提高强度、硬度; 含量超过 13%时提高耐腐蚀性;在表面形成致密的氧化膜,提高抗氧化能力。Cr 促进第二类回火 脆性的发生。 Mn 在钢中的主要作用有:溶入基体,提高淬透性,固溶强化;形成第二相提高强度、硬度; 含量超过 13%时形成奥氏体钢,提高耐磨性;消除硫的有害作用。Mn 促进第二类回火脆性的发生, 促进奥氏体晶粒的长大。 Ni 在钢中的主要作用有:溶入基体,提高淬透性,固溶强化;扩大奥氏体区,提高钢的韧性, 18 降低冷脆转变温度。 强碳化物形成元素(Ti、Nb、Zr,V)的主要作用有:形成碳化物提高硬度、强度、耐磨性,提 高回火稳定性,细化晶粒,防止晶间腐蚀。 二十九、论述钢材在热处理过程中出现脆化现象的主要原因及解决方法。 答:①过共析钢奥氏体化后冷却速度较慢出现网状二次渗碳体时,使钢的脆性增加,脆性的网状 二次渗碳体在空间上把塑性相分割开,使其变形能力无从发挥。解决方法,重新加热正火,增加 冷却速度,脆性相的析出。②淬火马氏体在低温回火时会出现第一类回火脆性,高温回火时 有第二类回火脆性,第一类回火脆性不可避免,第二类回火脆性,可重新加热到原来的回火温度, 然后快冷恢复韧性。③工件等温淬火时出现上贝氏体时韧性降低,重新奥氏体化后降低等温温度 得到下贝氏体可以解解。④奥氏体化温度过高,晶粒粗大韧性降低。如:过共析钢淬火温度偏高, 晶粒粗大,获得粗大的片状马氏体时,韧性降低;奥氏体晶粒粗大,出现魏氏组织时脆性增加。 通过细化晶粒可以解决。 三十、20CrMnTi 、40CrNiMo、60Si2Mn、T12 属于哪类钢?含碳量为多少?钢中合金元素的主 要作用是什么?淬火加热温度范围是多少?常采用的热处理工艺是什么?最终的组织是什么?性 能如何? 20CrMnTi 为渗碳钢,含碳量为 0.2%,最终热处理工艺是淬火加低温回火,得到回火马氏体, 表面为高碳马氏体(渗碳后),强度、硬度高,耐磨性好;心部低碳马氏体(淬透)强韧性好。 Mn 与 Cr 提高淬透性,强化基体,Ti 奥氏体晶粒长大,细化晶粒。 40CrNiMo 为调质钢,含碳量为 0.4%,最终热处理工艺是淬火加高温回火,得到回火索氏体, 具有良好的综合机械性能,Cr、Ni 提高淬透性,强化基体,Ni 提高钢的韧性,Mo 细化晶粒,抑 制第二类回火脆性。 60Si2Mn 为弹簧钢,含碳量为 0.6%,最终热处理工艺是淬火加中温回火,得到回火托氏体(或 回火屈氏体),具有很高的弹性极限,Si、Mn 提高淬透性,强化基体,Si 提高回火稳定性。 T12 钢为碳素工具钢钢,含碳量为 1.2%,最终热处理工艺是淬火加低温回火,得到回火马氏 体+粒状 Fe3C+奥氏体(γ),强度硬度高、耐磨性高,塑性、韧性差。 三十一、计算体心立与面心立方方结构滑移面的原子密度及滑移方向上的线 体心立方结构的滑移面为{110},面密度 ? ? 4 ? 2 ? 2 ? 1.4 a ? 2a 2a2 a2 a2 滑移方向为<111>,线? 1?3 面心立方结构的滑移面为{111},面密度 ? ? 6 2 ? 3 a2 2 4 ? 2.3 3a 2 a 2 滑移方向为<110>,线a a 三十二、比较下贝氏体与高碳马氏体的主要不同点 ①显微组织特征不同,下贝氏体为黑针状或竹叶状,高碳马氏体为片状;②亚结构不同,下 贝氏体亚结构为位错,高碳马氏体的亚结构为孪晶;③性能特点不同,下贝氏体具有良好的综合 机械性能,高碳马氏体强度硬度高,塑性和韧性差;④相变特点不同,下贝氏体为半扩散型相变, 高碳马氏体非扩散型相变。⑤下贝氏体为复相组织,高碳马氏体为单相组织。 三十三、过共析钢淬火加热温度为什么不超过 Accm? 过共析钢淬火加热温度为 AC1+30~50℃。加热温度超过 Accm 时,温度高,容易发生氧化、 脱碳;奥氏体晶粒容易粗大,淬火后马氏体粗大,产生显微裂纹,强度下降;渗碳体全部溶解, 失去耐磨相,奥氏体中的含碳量高,淬火后奥氏体量多,硬度降低、强度降低。 三十四、亚共析钢正火与退火相比哪个硬度高?为什么? 正火后硬度高。正火与退火相比,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。 三十五、用 T12 钢(锻后缓冷)做一切削工具,工艺过程为:正火→球化退火→机加工成形→淬 火→低温回火。各热处理工艺的目的是什么?得到什么组织?各种组织具有什么性能。 ① 正火:消除网状的二次渗碳体,同时改善锻造组织、消除锻造应力,得到片状的珠光体,片状 的珠光体硬度较高,塑性韧性较差。 ② 球化退火:将片状的珠光体变成粒状珠光体,降低硬度,便于机械加工;组织为粒状珠光体, 这种组织塑性韧性较好,强度硬度较低。 ③ 淬火:提高硬度、强度和耐磨性;组织为马氏体+粒状碳化物+奥氏体;这种组织具有高 强度高硬度,塑性韧性差。 ④ 低温回火:减少或消除淬火应力,提高塑形和韧性;组织为回火马氏体+粒状碳化物+奥 氏体。回火组织有一定的塑性韧性,强度、硬度高,耐磨性高。 三十六、什么是淬火?目的是什么?具体工艺有哪些?简述淬火加热温度的确定原则。 把钢加热到临界点(Ac1 或 Ac3)以上保温并随之以大于临界冷却速度(Vc)冷却,以得到介稳 状态的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺方法称为淬火。 淬火目的:提高工具、渗碳零件和其它高强度耐磨机器零件等的硬度、强度和耐磨性;结构 钢通过淬火和回火之后获得良好的综合机械性能;此外,还有很少数的一部分工件是为了改善钢 20 的物理和化学性能。如提高磁钢的磁性,不锈钢淬火以消除第二相,从而改善其耐蚀性等。 具体工艺有:单液淬火法;中断淬火法(双淬火介质淬火法);喷射淬火法;分级淬火法;等温 淬火法。 淬火加热温度,主要根据钢的相变点来确定。对亚共析钢,一般选用淬火加热温度为 Ac3+ (30~50℃),过共析钢则为 Ac1+(30~50℃) ,合金钢一般比碳钢加热温度高。确定淬火加热温度 时,尚应考虑工件的形状、尺寸、原始组织、加热速度、冷却介质和冷却方式等因素。在工件尺 寸大、加热速度快的情况下,淬火温度可选得高一些。另外,加热速度快,起始晶粒细,也允许 采用较高加热温度。 三十七、某车床主轴(45 钢)加工线为: 下料→锻造→正火→机械加工→淬火(淬透)→高温回火→花键高频表面淬火→低温回火 →半精磨→人工时效→精磨。正火、淬火、高温回火、人工时效的目的是什么?花键高频表面淬 火、低温回火的目的是什么?表面和心部的组织是什么? 正火处理是为了得到合适的硬度,以便切削加工,同时改善锻造组织,消除锻造应力。淬 火是为了得到高强度的马氏体组织,高温回火是为了得到回火索氏体,淬火+高温回火称为调质, 目的是为使主轴得到良好的综合力学性能。人工时效主要是为了消除粗磨削加工时产生的应 力。花键部分用高频淬火后低温回火是为了得到回火马氏体,增加耐磨性。表面为回火马氏体, 心部为回火索氏体组织。 三十八、什么是退火?目的是什么?具体工艺有哪些?正火、退火工艺 选用的原则是什么? 将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度,保持一定时间,然后缓慢冷却以达到 接衡状态组织的热处理工艺称为退火。 退火的目的在于均匀化学成分、改善机械性能及工艺性能、消除或减少内应力,并为零件最 终热处理准备合适的内部组织。 具体工艺有:扩散退火、完全退火、不完全退火、球化退火、再结晶退火和消除应力退火。 三十九、正火、退火工艺选用的原则是什么? 含 0.25%C 以下的钢,在没有其它热处理工序时,可用正火来提高强度。对渗碳钢,用正火消 除锻造缺陷及提高切削加工性能。对含碳 0.25~0.50%的钢,一般采用正火。对含碳 0.50~0.75% 的钢,一般采用完全退火。含碳 0.75~1.0%的钢,用来制造弹簧时采用完全退火作预备热处 理,用来制造刀具时则采用球化退火。含碳大于 1.0%的钢用于制造工具,均采用球化退火作预 备热处理。 四十、说出低碳钢(15、20)、中碳钢(40、45)、共析钢(T8)获得良好综合力学性能的最终 热处理工艺及组织。 低碳钢:淬火加低温回火,组织为回火马氏体。中碳钢:淬火加高温回火,组织为回火索氏体。 共析钢:等温淬火,组织为下贝氏体。 四十一、比较回火索氏体与索氏体的主要异同点。 21 相同点:都是铁素体与渗碳体的机械的机械混合物。 不同点:①渗碳体的形态不同,回火索氏体的渗碳体的形态为颗粒状,索氏体的渗碳体的形 态为片状;②来源不同,回火索氏体是淬火马氏体分解的到的,索氏体是奥氏体直接分解得到的; ③性能特点不同,回火索氏体具有良好的综合机械性能,索氏体的抗拉强度高;韧性比回火索氏 体低。 四十二 、珠光体、贝氏体、马氏体的特征、性能特点是什么? 片状 P 体,片层间距越小,强度越高,塑性、韧性也越好;粒状 P 体,Fe3C 颗粒越细小, 分布越均匀,合金的强度越高。第二相的数量越多,对塑性的危害越大;片状与粒状相比,片状 强度高,塑性、韧性差;上贝氏体为羽毛状,亚结构为位错,韧性差;下贝氏体为黑针状或竹叶 状,亚结构为位错,位错密度高于上贝氏体,综合机械性能好;低碳马氏体为板条状,亚结构为 位错,具有良好的综合机械性能;高碳马氏体为片状,亚结构为孪晶,强度硬度高,塑性和韧性 差。 四十三、W18Cr4V 是什么钢?主要性能特点是什么?合金元素在钢中的主要作用是什么?为什么 此钢淬火加热的奥氏体化温度(1280±5℃)非常高?回火工艺是什么?最终组织是什么? W18Cr4V 是高速钢,主要性能特点是具有很高的红硬性,高硬度、高耐磨性和高的淬透性。 合金元素在钢中的主要作用是:①提高淬透性。②形成高硬度碳化物,在回火时弥散析出,产生 二次硬化效应,显著提高钢的红硬性、硬度和耐磨性。③Cr 能提高钢的抗氧化、脱碳和抗腐蚀能 力。 目的是让钢中的碳化物形成元素 W、Cr、V 更多地溶解到奥氏体中,充分发挥碳和合金元素 的作用,淬火后获得高碳、高合金的马氏体,回火时以合金碳化物形式析出,从而高速钢获 得高的淬透性、淬硬性和红硬性。退火状态下这些合金元素大部分存在于合金碳化物中,而这些 合金碳化物的稳定性很高,需要加热到很高的温度,才能使其向奥氏体中大量溶解。 回火工艺是:560℃三次回火,每次 1 小时。 22 金属学与热处理原理试题 2004-2005 学年第一学期 第一部分金属学 一、解释下列名词并说明其性能特点(本大题共 2 小题,每小题 3 分,总计 6 分) 1、渗碳体 2、铁素体 二、问答题(本大题共 5 小题,总计 40 分) ? 写出 Fe-Fe3C 相图析和共晶转变式,并说明含碳量及温度。(8 分) ? 写出 Fick 第一定律和第二定律的表达式,并说明应用范围、区别及联系。(8 分) ? 图示并说明什么是热过冷。(4 分) ? 何谓加工硬化?产生原因是什么?有何利弊?(12 分) ? 无论置换固溶体还是间隙固溶体都会引起强度升高,试分析其原因。(8 分) 三、计算题(本大题共 2 小题,每小题 5 分,总计 10 分) 1、计算莱氏体中 Fe3C 的相对含量。 2、已知 Cu 的熔点为 1083℃,试估算其再结晶温度。(δ ≈0.35) 四、实验题(本大题共 2 小题,每小题 3 分,总计 6 分) 1、试画出含碳量为 0.45%的铁碳合金金相显微组织示意图; 2、试分析含碳量分别为 0.20%、0.45%、0.65%的铁碳合金在组织和力学性能上有何不同? 第二部分热处理原理(38 分) 一、名词解释(本大题共 3 小题,每小题 2 分,总计 6 分) 1、热处理 2、马氏体 3、实际晶粒度 二、填空题(本大题共 16 个空,每空 1 分,总计 16 分) 1、马氏体的基本形态有和,此外还有、和。通常低碳钢所形成的马氏体为,高碳钢所形成的马氏体为. 2、按回火温度不同,通常将回火分为、和; 回火温度分别是、和;其回火组织分别为、和。 23 三、何谓奥氏体?简述奥氏体的转变的形成过程及影响奥氏体晶粒长大的因素。(本大题 6 分) 四、问答题:(本大题共 2 小题,每小题 5 分,总计 10 分) 将共析钢加热至 780℃,经保温后,请回答: 1、若以图示的 V1、V2、V3、V4、V5 和 V6 的速度进行冷却,各得到什么组织? 2、如将 V1 冷却后的钢重新加热至 530℃,经保温后冷却又将得到什么组织?力学性能有何变化? 答案 第一部分 金 属 学 (62 分) 一、 1.Fe3C 为复杂晶体结构的间隙化合物,其硬度高,脆性大,塑性几乎等于零,硬脆相,是钢中主要强化相。 2. α -Fe 中溶入溶质元素而构成的固溶体,铁素体仍保持 α -Fe 的体心立方晶格,由于间隙小,溶碳极少,力学性 能与纯铁相同,强度、硬度不高,具有良好的塑性,770 oC 以下为铁磁性。 二、 1.A0.77 (F0.0218+Fe3C)共析 L4.3 (A2.11+Fe3C)共晶; 2. 稳态 非稳态 24 第一扩散定律是第二扩散定律的特例。 3. Δ T=T0 - T1 过冷是由液固界面前沿实际温度分布与平衡凝固温度之差,称热过冷。 4. 冷加工变形后,金属材料强度、硬度升高而塑性下降的现象叫加工硬化。是由于塑变中产生了大量位错等晶体缺 陷,相互交互作用,使位错运动阻力增大,变形抗力增加,加工硬化是强化金属材料重要方法,尤其是热处理不能 强化材料更重要,使材料在加工中成为可能。但同时变形抗力增加,进一步变形必消耗动力,塑性大幅下降,会导 致开裂,有时为继续变形必加中间再结晶退火,增加生产成本。 5. 一是溶质原子的溶入使晶格畸变,阻碍滑移面上位错运动。 二是位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作用,形成“柯氏气团”对位错起钉扎作用。 三、计算题 1. 2.T 再=δ Tm=0.35 (1083+273)=474.6K,即 201.6 oC 四、实验题 1、0.45%的铁碳合金金相显微组织示意图; 2、随含碳量↑,F↓,Fe3C↑。塑性、韧性下降,强度硬度↑ 第二部分热处理原理(38 分) 一、名词解释(本大题共 3 小题,每小题 2 分,总计 6 分) 25 1、热处理:将钢在固态下进行加热、保温,冷却,以改变其组织而得到所需性能的工艺方法。 2、马氏体:C 在 α -Fe 中的过饱和固溶体。 3、实际晶粒度:在某一加热条件下(实际热处理)所得到的实际奥氏体晶粒大小。 二、填空题(本大题共 16 个空,每空 1 分,总计 16 分) 1、板条状、片状,此外还有蝶状、薄片状和 ε 马氏体。板条状,片状. 2、低温、中温、高温;150~250℃,350~500℃,500~650℃;回火 M,回火 T,回火 S 。 三、 奥氏体:C 溶解在 γ -Fe 中的固溶体。 形成过程:奥氏体生核、长大、渗碳体溶解、奥氏体均匀化。 影响因素:加热温度、保温时间,加热速度,含碳量,合金元素,冶炼方法,原始组织等。 四、 1、V1:M+A 、V2:T+M、V3:S+T+M+A 、V4:S+T、V5:S,V6:S。 2、S 回火,硬度有所下降,塑性、韧性等上升,综合力学性能提高。 26



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