工程材料作业第三、四章

第三章 钢的热处理和表面改性 一 简述等温转变动力学曲线 C 曲线 的意义和应用 答 意义 反映了共析钢的奥氏体在不同温度下发生等温转变 的变化规律 应用 定性分析共析钢的奥氏体连续冷却转变的组织和产物 二 什么是贝氏体 珠光体 马氏体 其性能和组织有何特点 答 1 贝氏体 奥氏体转变过程中形成碳过饱和的铁素体和细小碳化 物的混合物 2 珠光体 铁素体和渗碳体的共析混合物 3 马氏体 奥氏体转变过程中形成碳在 Fe 中的过饱和间隙固 溶体 性能和组织 贝氏体 上贝氏体 350 550 下形成 金相显微 组织整体呈羽毛状 强度和韧性等力学性能都较差 下贝氏体 350 230 下形成 金相显微组织整体呈针状组织 具有较好 的综合力学性能 三 为什么要对钢进行热处理 答 为了使心部和表面具有不同的组织和相应的性能 而不改变 钢的成分 四 淬 火 的 目 的 是 什 么 常 用 的 淬 火 操 作 有 哪 几 种 指 出 各 种 淬 火 在 应 用 和 材 料 组 织 上 的 异 同 点 答 目的 获得马氏体组织以提高钢的强度和硬度 1 表面淬火 感应加热表面淬火 分为高频淬火 常用 200 300kHz 淬硬层深度为 0 2 2mm 适用于中小型零件 中频淬火常用 2 5 Hz 淬硬层深度为 2 8mm 适用于大中型零件 2 工频淬火 淬硬层深度为 10 15mm 适用于大型零件 3 火焰加热表面淬火 用乙炔 氧或者煤气 氧等火焰使钢件快速加 热到淬火温度 再用水或乳化液喷射冷却 淬硬深度为 2 6cm 4 高能束表面淬火 高能束快速轰击金属表面 使表面与内部有极 大的温差 在停止高能轰击时 钢件会迅速降温 形成细针马氏体 五 回火的目的是什么 常用的回火操作有哪几种 答 目的是改善钢件的组织并消除内应力 高温回火 中温回火 低温回火 六 试分析各种回火在应用和材料组织上的异同点 答 1 低温回火得到回火马氏体 主要用于处理高碳钢 高碳合 钢制作的工具 模具 滚动轴承 渗碳和表面淬火零件 2 中温回火得到回火屈氏体 主要用于各种弹簧处理 3 高温回火得到回火索氏体 广泛用于机器设备的重要零件 尤 其 是受到交变载荷的部件 如轴 连杆 螺栓 齿轮等 七 简述退火 正火 回火 淬火对组织结构影响及特点 答 一 正火 有以下目的和用途 对亚共析钢 正火用以消除铸 锻 焊件的过热粗晶组织和魏氏 组织 轧材中的带状组织 细化晶粒 并可作为淬火前的预先热处 理 对过共析钢 正火可以消除网状二次渗碳体 并使珠光体细 化 不但改善机械性能 而且有利于以后的球化退火 对低碳深冲薄钢板 正火可以消除晶界的游离渗碳体 以改善其 深冲性能 对低碳钢和低碳低合金钢 采用正火 可得到较多的细片状珠光 体组织 使硬度增高到 HB140 190 避免切削时的 粘刀 现象 改善切削加工性 对中碳钢 在既可用正火又可用退火的场合下 用正火更为经济和方便 对普通中碳结构钢 在力学性能要求不高的场合下 可用正火代 替淬火加高温回火 不仅操作简便 而且使钢材的组织和尺寸稳定 高温正火 Ac3 以上 150 200 由于高温下扩散速度较高 可以减 少铸件和锻件的成分偏析 高温正火后的粗大晶粒可通过随后第二 次较低温度的正火予以细化 对某些用于汽轮机和锅炉的低 中碳合金钢 常采用正火以获得 贝氏体组织 再经高温回火 用于 400 550 时具有良好的抗蠕变 能力 除钢件和钢材以外 正火还广泛用于球墨铸铁热处理 使其获得 珠光体基体 提高球墨铸铁的强度 二 退火 退火是将金属缓慢加热到一定温度 保持足够时间 然后以适宜速 度冷却的一种金属热处理工艺 退火的目的在于 改善或消除钢铁在铸造 锻压 轧制和焊接过程中所造成的各种 组织缺陷以及残余应力 防止工件变形 开裂 软化工件以便进行切削加工 细化晶粒 改善组织以提高工件的机械性能 为最终热处理 淬火 回火 作好组织准备 三 淬火 淬火是金属和玻璃的一种热处理工艺 把合金制品或玻璃加热到一 定温度 随即在水 油或空气中急速冷却 一般用以提高合金的硬 度和强度 作用在于 提高组织稳定性 使工件在使用过程中不再发生组织 转变 从而使工件几何尺寸和性能保持稳定 消除内应力 以便 改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸 调整钢铁的力学性能 以满足使用要求 四 回火 回火的作用在于 提高组织稳定性 使工件在使用过程中不再发 生组织转变 从而使工件几何尺寸和性能保持稳定 消除内应力 以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸 调整钢铁的力学 性能以满足使用要求 八 简述金属镀层和涂层在工艺和应用方面的共同点 答 金属镀层防腐机理主要是阴极保护 材料发生腐蚀时首先腐蚀 镀层材料 保护了材料本身 镀层一般采用可钝化的金属 表面产 生一层钝化膜 起防腐作用 有机涂层防腐机理是隔绝外界腐蚀介 质进入 二者都有保护作用 九 电镀 化学镀和复合镀在工艺和应用方面有什么异同点 答 电镀需要外加电流和阳极 化学镀是依靠金属表面发生的自催 化化学反应 电镀无法对一些形状复杂的工件进行全表面施镀 但 化学镀过以对任何形状工件施镀 高磷的化学镀镍层为非晶态 镀层表面没有任何晶体间隙 而电镀 层为典型的晶态镀层 电镀因为有外加的电流 所以镀速要比化学 镀快得我 同等厚度的镀层电镀要比化学镀提前完成 化学镀层的结合力要普遍高于电镀层 化学镀由于大部分使用食品级的添加剂 不使用诸如氰化物等有害 物质 所以化学镀比电镀要环保一些 化学镀目前市场上只有纯镍 磷合金的一种颜色 而电镀可以实现很多色彩 复合镀的过程是物理过程和化学过程的有机结合 一般认为 弥散 复合电镀时 微粒 与金属共沉积过程分为镀液中的微粒向阴极表面 附近输送 微粒吸附于被镀金属表面 金属离子在阴极表面放电沉 积形成晶格并将固体微粒埋入金属层中等几个步骤 共析出的粒 子 在沉积的金属中形成不规则分布的弥散相 在纤维强化复合镀中 卷缠的长纤维呈现有规则的排列 化学镀同样可以制备高质量的复 合镀层 十 堆焊和热喷涂在工艺和应用方面有什么异同点 答 堆焊就是用焊接的方法把填充金属熔覆在钢件基体表面 使之 获得某些特殊物化性能和尺寸 堆焊层与基体有牢固的冶金结合 对焊机有四种类型 包覆层堆焊 耐磨层堆焊 堆积层堆焊和隔离 层堆焊 堆焊技术发展初期只是单纯的恢复钢件尺寸 现在堆焊已 发展成为重要的机械制造和维修手段 赋予钢件表面以高的耐磨性 抗疲劳性 耐热性和耐蚀性等特性 堆焊的方法主要有氧 乙炔焰堆 焊 手工电弧堆焊 熔化极气体保护堆焊 埋弧堆焊 等离子弧堆 焊和电渣堆焊 热喷涂使用电弧 离子弧或燃烧火焰的高温将金属粉末或金属丝熔 融 同时利用气流使之高速雾化 并使雾化的金属熔滴喷向钢件基 体 冷凝后形成结合层 热喷涂几乎可以喷涂所有材料 如金属 陶瓷 石墨 硬质合金以 及塑料 形成的涂层具有耐磨 耐蚀 抗氧化 减摩等性能 热喷 涂施工方便 效率高 钢件的尺寸和形状不受限制 因此在各个工 业部门广泛应用于提高钢件的性能和使用寿命 修复废旧零件 第四章 钢的合金化对组织和性能的影响 1 如何解释 Si 和 Mn 强化铁素体的作用大于 Cr 和 Mo 答 Cr 和 Mo 相比 Si 和 Mn 更容易与 Fe 形成固溶体 而 Cr 和 Mo 则更容易与 C 形成渗碳体 所以 Si 和 Mn 强化铁素体的作用较大 2 就 Si 和 Mn 在合金中的作用说明合金元素的含量对钢材性能的影 响 答 根据合金元素对 Fe Fe3C 相图可知 当 Mn 含量较多时 可以在 室温下得到单相奥 氏体组织 而当 Si 含量较多时 可以在室温下得到单相铁素体组织 3 合金元素在奥氏体化和淬火的热处理中发生着什么样的作用 答 合金元素分为碳化物形成元素 非碳化物形成元素 碳化物形成元素 特别是强碳化物元素 与碳有较强的亲和力 阻 滞碳的扩散 减缓奥氏体形成 而非碳化物形成元素加快奥氏体形 成 几乎所有合金元素 除 Co 外 都会增大过冷奥氏体的稳定性 使 C 曲线右移 提高钢的淬透性 4 合金元素在钢淬火后的回火热处理中有什么样的作用 答 合金元素可以提高回火稳定性 在更高的温度回火 消除应力 使塑性和韧性更好 会出现回火脆性 5 合金中的杂质元素在热处理中是怎样影响合金性能的 答 杂质的影响 锰杂质 有脱氧剂带入 锰与硫的结合力较强 形成的 MnS 夹杂在钢中 影响钢的性能 硅杂质 有脱氧剂带入 形成 SiO2 影响钢的性能 硫杂质 铁的共生矿 难溶于铁 与铁生成 FeS 分布在奥氏体晶界 使钢材在 1000 左右热轧时产生热脆 导致钢材开裂 硫还容易使 焊缝发生热脆并使焊缝产生气孔和裂纹 磷杂质 它固溶在铁素体内显著降低合金的塑性和韧性 尤其是低 温韧性使钢的脆性增加 发生冷脆 6 合金元素与碳和铁的作用有何异同点 对合金性能的影响有何异 同点 答 合金元素可与碳形成合金渗碳体 与铁作用形成固溶体 共同点 提高钢的稳定性 硬度 不同点 前者为合金元素将铁置换出 然后与碳作用 但后者则是 直接与铁作用 降低冲击韧性 增加塑性和韧性