工程材料第六章作业答案

第六章 钢的热处理1、热处理与其他加工方法（如铸、锻、焊、切削加工等）相比较具有何种特点？钢的热处理和Fe-C合金相图有什么关系？10答：热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温盒冷却措施，以改变其组织，从而获得需要的组织结构与性能的加工方法。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。钢在加热或冷却时，形成奥氏体的温度范围一般可根据Fe-C合金相图进行近似估计。由Fe-C合金相图得知，A1、A3和Acm是碳钢在极缓慢的加热或冷却时的转变温度，因此A1、A3和Acm是平衡临界点，但在实际生产中，加热和冷却不是极缓慢的，因此钢不可能在临界点发生转变。实际加热时各临界点的位置分别为图中Ac1、Ac3和Accm线，而世界冷却时各临界点的位置分别为Ar1、Ar3和Arcm。2、试述奥氏体（A）的形成过程，并指出奥氏体（A）的合金化（碳和合金元素的溶入）及均匀化的意义。12答：若加热温度高于相变温度，钢在加热和保温阶段（保温的目的是使钢件里外加热到同一温度），将发生室温组织向奥氏体的转变，称奥氏体化。奥氏体化过程也是形核与长大过程，是依靠铁原子和碳原子的扩散来实现的，属于扩散型相变。奥氏体的形成是通过形核及长大方式来实现的，其基本过程可分为四个阶段：奥氏体晶核的形成：钢加热到Ac1以上时,变得不稳定，F和FeC3的界面在成分和结构上处于最有利于转变的条件下，首先在这里形成晶核。奥氏体晶核的长大：晶核形成后，随即也建立起A-F和A- FeC3的浓度平衡，并存在一个浓度梯度。在此浓度梯度的作用下，A 内发生C原子由FeC3边界向F边界的扩散，使其同FeC3和F的两边界上的平衡浓度遭破坏。为了维持浓度的平衡，渗碳体必须不断往A中溶解，且F不断转变为A。这样，A晶核便向两边长大了。剩余FeC3的溶解：在A晶核长大过程中，由于FeC3溶解提供的C原子远多于同体积F转变为A的需要，所以F比FeC3先消失，而在A全部形成之后，还残存一定量的未溶FeC3。它们只能在随后的保温过程中逐渐溶入A中，直至完全消失。奥氏体的均匀化：FeC3完全溶解后，A中C浓度的分布并不均匀，原先是FeC3的地方C浓度较高，原先是F的地方C浓度较低，必须继续保温(保温目的之二)，通过碳的扩散，使 A成分均匀化。奥氏体合金化和均匀化意义：奥氏体化过程与碳的扩散能力有关，除钴、镍等元素外，大多数合金元素均使碳的扩散能力降低，尤其是强碳化物形成元素(如钒等)所形成的特殊碳化物，能阻碍碳的扩散。这种碳化物稳定性大，又难以分解，使奥氏体均匀化过程变得困难。因此，大多数低合金钢与合金钢为获得成分均匀的奥氏体，需提高加热温度和延长保温时间。合金元素(除锰、磷外)均不同程度的阻碍奥氏体晶粒长大，尤其是强碳化物形成元素(如钛、钒、铌等)更为显著，它们形成的碳化物在高温下较稳定，且呈弥散质点分布在奥氏体晶界上，能阻碍奥氏体晶粒长大。其目的是利用各种元素和铁的相互作用规律，通过控制钢中合金元素的种类和含量获得所需的组织。因此，低合金钢与合金钢经热处理后的晶粒比相同含碳量的碳钢更细小，其性能较高。3、奥氏体（A）晶粒大小是什么因素决定的？奥氏体（A）晶粒大小对转变产物的组织和性能有何影响？10答：影响奥氏体晶粒大小的因素：加热温度与保温时间的影响，奥氏体化温度越低，保温时间越短，奥氏体晶粒越细。加热速度的影响，最高加热温度相同，加热速度越快，奥氏体晶粒越细小。加热温度和保温时间相同时，钢中碳质量分数越低，奥氏体晶粒越细小。一般阻止奥氏体长大的合金元素均能生成弥散分布的稳定碳化物或氮化物，在奥氏体化过程中，阻碍奥氏体晶粒长大。而促进奥氏体晶粒长大的元素固溶在奥氏体中会减弱铁原子的结合力，加速铁原子的自扩散，从而促进奥氏体晶粒长大。原始组织的影响，原始组织细小，相界面大，奥氏体形核率大，则启始晶粒细小，但晶粒长大倾向大，即过热敏感性大。奥氏体晶粒大小对转变产物的组织和性能的影响：奥氏体晶粒细小，冷却后产物组织的晶粒也细小。细晶粒组织不仅强度、塑性比粗晶粒高，而且冲击韧性也有明显提高。4、解释下列名词24 （1）奥氏体的起始晶粒度，实际晶粒度和本质晶粒度；答：奥氏体的起始晶粒度：钢进行加热时，当珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的奥氏体晶粒度。实际晶粒度：钢在某一具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体的晶粒度。本质晶粒度：表示钢在一定的加热条件下奥氏体晶粒长大的倾向。 （2）连续冷却和等温冷却；答：连续冷却：即将奥氏体化的钢件以一定的冷却速度从高温一直冷却至室温，在连续冷却过程完成组织转变的过程。等温冷却：把奥氏体化后的钢件迅速冷到临界点以下的某一温度，等温保持一定的时间后在冷却至室温，在保温过程中完成组织的转变过程。C曲线 （3）孕育期；答：转变开始线与纵坐标轴的距离，550最短。 （4）片间距；片状珠光体和粒状珠光体；索氏体；屈氏体；答：片间距：珠光体的层间的距离。片状珠光体和粒状珠光体：铁素体与渗碳体间的片层状组织。索氏体：650C600C生成细片状的珠光体组织。屈氏体：600C550C生成极细片状的珠光体组织。 （5）临界冷却速度VK答：得到全部马氏体的最小冷却速度。 （6）贝氏体；上贝氏体和下贝氏体；答：贝氏体是过冷奥氏体的中温（550CMs）转变产物，以贝氏体铁素体为基，同时可能存在-渗碳体或-碳化物或残余奥氏体等相构成的整合组织。上贝氏体：过饱和的平行条状相和夹于相条间的断续条状渗碳体的混合物。（在贝氏体转变温度范围较高温度区域（550C350C）形成上贝氏体）下贝氏体：过饱和的片状相和其他内部沉淀的-碳化物的混合物。（下贝氏体在贝氏体转变温度范围的较低温度区域（350CMs）形成） （7）马氏体：位错马氏体和孪晶马氏体；隐晶马氏体；答：马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体。位错马氏体：即为板条马氏体，含碳量为0.2%以下的碳钢几乎全部生成板条状马氏体，亚结构为密度高达10111012 /cm2的位错，即每个板条内有高密度的位错。孪晶马氏体：即为片状马氏体，含碳量在1.0%以上的碳钢几乎全部生成双凸透镜状的片状马氏体，其亚结构主要为微细孪晶，即每个针片内存在大量的孪晶。隐晶马氏体：Wc（0.2%C400C）渗碳体聚集长大与相的再结晶。经过回火第三阶段后，钢的组织虽然已是铁素体和颗粒状渗碳体所组成，但相（铁素体）仍保留原来M的板条状或片状，而成为多边形晶粒。表示淬火钢在回火是的变形随温度的升高，渗碳体尺寸增大，内应力减小，残余A量，M含碳量。 低温回火（150250）得到的组织是回火马氏体（针状特征），回火后组织为隐晶回火马氏体，均匀细粒状碳化物和极少量的残余奥氏体。即内应力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。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，回火后的硬度一般为HRC5864。中温回火后（350500）的组织为回火屈氏体（由马氏体在低于珠光体形成温度时分解而得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织），中温回火时，a相已发生回复，但仍然保持淬火马氏体的形态，淬火内应力基本消除。碳化物已开始聚集，细小的碳化物颗粒弥散分布在a相基体上。中温回火后组织硬度HRC 3545，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0.50.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。高温回火后（500650）的组织为回火索氏体（其为铁素体基体内分布着碳化物（包括渗碳体）球粒的复合组织，此时的铁素体已基本上无碳的过河度，碳化物也为稳定型碳化物。），其硬度HRC2535，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0.30.5%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。粒状珠光体时由铁素体和粒状碳化物组成.它由过共析钢经球化退火或马氏体在650A1温度范围内回火形成。其特征是碳化物成颗粒状分布在铁素体上。状珠光体组织的特征是在亮白色的铁素体基体上，均匀分布着白色的渗碳体颗粒，其边界呈暗黑色。硬度HB160190。15、车床主轴要求轴颈部位的硬度为HHC56-58，其余地方为HRC20-24，其加工路线为： 锻造正火机加工轴颈表面淬火低温回火磨加工。请指出： 主轴选用何种材料； 正火，表面处理，低温回火的目的和大致工艺； 轴颈表面处的组织和其余地方的组织。答：主轴应采用调质钢，比如45钢、40Cr等正火：作为预备热处理，消除锻造后工件内应力，降低工件硬度，提高韧性和切削加工性能，为后续处理做准备，主要得到索氏体。基本工艺：将亚共析钢加热到AC3以上3050C，过共析钢加热到Acm以上3050C，保温后从炉中取出再空气中冷却的热处理工艺轴颈表面淬火（表面处理）：为了提高轴颈表面处的硬度和耐磨性。基本工艺：低温回火：得到回火马氏体，并保证其淬火后的高硬度高强度不发生较大变化；消除淬火应力，稳定工件尺寸。基本工艺：将淬火钢重新加热到A1点以下的150C250C的温度，保温后，以适当的方式冷却到室温。轴颈表面组织：回火马氏体其余地方组织：回火索氏体16、钢经淬火后为什么一定要回火？答：回火是将淬火钢重新加热到临界A1点以下的某一温度，保温一定时间后，然后在空气或油中冷却到室温的一种操作。回火是紧接着淬火以后进行的，也是热处理的最后一道工序。由于钢经过淬火处理后，得到马氏体或贝氏体组织，这时候的马氏体或贝氏体组织是亚稳态组织，在一定条件下会自发转变为稳定组织，若淬火件不回火，则过一段时间后，马氏体或贝氏体组织发生转变就体现为：工件形状、尺寸发生变化。同时，淬火时、冷却速度快、工件存在较大的内应力，所以必须及时回火消除，以免变形、开裂。所以回火的目的是减少或消除内应力，通过回火减小或消除工件在淬火时产生的内应力，防止工件在使用过程中的变形和开裂； 稳定组织，回火可使钢的组织稳定，从而保证工件在使用过程中尺寸稳定；获得所需要的力学性能。通过回火可提高钢的韧性，适当调整钢的强度和硬度，使工件具有较好的综合力学性能。17、判断下列看法是否正确；12 共析钢加热为奥氏体后、冷却时所形成的组织主要取决于钢的加热温度。答：，共析钢加热为奥氏体后、冷却时所形成的组织主要取决于冷却速度。 钢的回火温度不能超过Ac1答：。 钢的实际晶粒度主要取决于钢在热处理后的冷却速度答：钢的实际晶粒度主要取决于钢的加热温度和保温时间。