一、简答题1. Fe-Fe
3C相图有什么用途?有什么局限性?
铁碳合金相图有下面几个用途:
(1)选择材料。根据Fe-Fe3C相图,可以把铁碳合金分为低碳钢、中碳钢、高碳钢、铸铁等。因为成分不同,其性能也不同,从而为不同零件的选材提供了依据。
(2)判断与分析铁碳合金。若已知钢及铸铁的成分,可推断其平衡组织和主要性能;若不知成分,可根据平衡组织推断钢的牌号及铸铁的种类。
(3)制定热加工工艺。如根据液相线,确定不同成分铁碳合金的浇注温度、轧锻温度(应在奥氏体单相区),确定碳钢的退火温度、正火温度及淬火温度。
铁碳合金相图的局限性:
(1)加热速度较快时,转变温度、相区范围会偏离Fe-Fe3C相图,冷却速度较快时,所得组织在相图中找不到。因此,Fe-Fe3C相图只适用于极缓慢加热及冷却时的组织变化。
(2)Fe-Fe3C相图只反映铁碳合金可能发生的相变,不反映相变的具体过程。
(3)Fe-Fe3C相图不能确切反映合金钢的相变规律,但可以借助合金元素对Fe-Fe3C相图的影响,推断合金钢的相变规律。
2. 试述含碳量为0.77%的共析钢从奥氏体相区缓慢冷却到室温的组织转变过程。
在S点以上,为单相奥氏体。冷却到S点时,奥氏体发生共析转变,从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物,称为珠光体。转变结束后,奥氏体全部转变为珠光体,室温组织为珠光体。
3. 含碳量对钢的力学性能有什么影响?
随着钢中含碳量的增加,钢的硬度和强度增加,而塑性相应降低。当钢中含碳量大于0.9%时,钢的强度随含碳量的增加而下降。
4. 合金元素对热处理过程有什么影响?
按照合金元素与钢中碳的相互作用不同,合金元素对热处理过程的影响可分为两大类。一类是碳化物形成元素,这类元素能与碳形成化合物,如钨、钼、铬、锰、钛、钒、铌等元素;另一类是非碳化物形成元素,它们几乎不与碳形成化合物,如铝、镍、钴等。
5. 珠光体是怎样转变成奥氏体的?
以共析钢为例,其室温下的组织为珠光体,加热温度低于A1时不发生相变。加热温度达到A1后珠光体便转变为奥氏体。其转变过程包括以下四个步骤:
(1)奥氏体晶核形成。奥氏体晶核在铁素体、渗碳体界面上通过扩散形成,并通过渗碳体溶解提供碳原子使其长大。
(2)奥氏体晶核长大。奥氏体长大是通过渗碳体溶解,碳在奥氏体中扩散,奥氏体两侧界面向铁素体、渗碳体推移的方式进行。
(3)残留渗碳体溶解。在珠光体向奥氏体的转变过程中,随奥氏体晶粒长大珠光体先消失,所以在此阶段以后有残留渗碳体的溶解过程。
(4)奥氏体均匀化。渗碳体溶解终了,因为奥氏体两侧碳的浓度不均匀,通过碳的扩散使奥氏体达到均匀化。
6. 简述珠光体的形成过程。
珠光体的形成是一个形核与长大的过程。珠光体晶核往往在奥氏体晶界上或其他缺陷(如位错)密集的区域形成。因为这些区域在能量、成分和结构上均有利于珠光体的形核。珠光体形核后,便向奥氏体晶粒内长大,直至奥氏体完全消失,珠光体长大结束。
7. 等温转变图在热处理生产中有什么意义?
等温转变图反映了钢在等温冷却条件下过冷奥氏体的转变规律,所以被认为是制定钢材热处理工艺规范的基本依据之一。
依据等温转变图可确定等温淬火、等温退火的等温温度和等温时间,或确定分级淬火的停留温度和停留时间。
依据等温转变图可以确定马氏体临界冷却速度,也是选择淬火介质的主要依据,并可估计钢在不同冷却速度下的组织和性能。
依据等温转变图可以比较不同材料的淬透性,因此是选择材料的主要依据,也是制定热处理冷却工艺规范的重要依据。
依据等温转变图可以粗略地估计连续冷却转变曲线。
8. 珠光体、索氏体、屈氏体有什么相同与不同之处?
索氏体、屈氏体都为珠光体型组织,是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物,区别在于铁素体和渗碳体的片间距不同。珠光体中铁素体与渗碳体的片间距为0.6~0.7μm、索氏体为0.25μm、托氏体为0.1μm。并且随片间距减小,强度、硬度提高,塑性下降。因此,屈氏体具有较高的强度、较低的塑性。
9. 马氏体转变有哪些特点?
马氏体转变有下面几个特点:
(1)马氏体的形成是一个形核、长大过程,并在瞬间内进行。
(2)马氏体的转变是依靠切变方式进行的。
(3)马氏体转变是在降温过程中进行的,有转变开始温度和转变结束温度。
(4)奥氏体向马氏体转变时会发生体积膨胀。
10. 常见的马氏体形态有几种?
常见的马氏体形态主要有两种:
(1)板条马氏体。板条状马氏体有高的强度及一定的塑性与韧性,它的强度与奥氏体晶粒大小有关,晶粒越细则强度越高。板条马氏体是低碳钢、中碳钢、马氏体时效钢、不锈钢中的一种典型马氏体组织。
(2)片状马氏体。片状马氏体由于有显微裂纹存在,因此脆性较大,硬度很高。含碳量大于1%的钢淬火后可获得全部片状马氏体组织,片状马氏体常见于高碳钢中。
11. 简述下贝氏体的等温转变过程。
贝氏体组织是过冷奥氏体中等温转变时的产物,下贝氏体是在较低温度区域范围内形成的产物。因此,碳在奥氏体内部的扩散速度迅速降低,而在铁素体内的扩散仍可进行,在针片状铁素体内部沉淀出ε相碳化物。
12. 什么是去应力退火?去应力退火时有无组织变化?应用范围如何?
去应力退火又称低温退火,对于铁碳合金来说,由于退火温度低于A1温度,故在退火过程中并无组织变化,内应力主要在加热、保温过程中被消除。它主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冷挤压件和机械加工件的内应力。
13. 什么是钢的球化退火?它的优点是什么?
球化退火是将钢加热到略高于Ac1的温度,保持足够时间后随炉缓冷,使钢获得球状组织的热处理工艺。用这种方法,可以克服淬火加热时产生的过热、淬火变形与开裂现象,使工件容易切削,热处理也容易控制,改善了工件的力学性能,延长了零件的使用寿命。
14. 完全退火为什么不能用于过共析钢?
因为过共析钢加热到Accm以上后,在随后的缓冷过程中,二次渗碳体将沿奥氏体晶界析出,呈网状分布,致使钢的强度、塑性和韧性大大降低,这对钢的力学性能和以后的淬火都会带来不良影响。
15. 铸铁热处理的目的是什么?
铸铁热处理的目的是消除铸造应力,改善基体组织,增加石墨数量,提高硬度和耐磨性。
灰铸铁常用的热处理方法有去应力退火、软化退火、正火、表面淬火等。
球墨铸铁常用的热处理方法有消除内应力的低温退火、高温石墨化退火、低温石墨化退火、正火、普通淬火与回火及等温淬火等。
16. 一种理想的淬火介质应具有什么样的冷却特性?
理想的淬火介质应具有Ms点以上温度区冷却速度快,Ms点以下温度区冷却速度缓慢的冷却特性。在Ms点以上温度区快冷,工件表层处于受压状态,可有效防止淬火裂纹产生,并能抑制珠光体或贝氏体转变。在Ms点以下温度区缓冷,可使马氏体转变引起的体积膨胀缓慢进行,有利于防止因巨大的组织应力而造成的工件变形和开裂。
17. 为什么合金钢的淬透性比碳钢高?
因为合金钢中加入的合金元素大多都能溶入奥氏体,并能增加奥氏体的稳定性,从而使等温转变曲线右移,降低了临界冷却速度,所以提高了钢的淬透性。
18. 热处理应力有几种?
热处理时,工件各部位组织转变及热膨胀(或收缩)的不均匀性,是产生内应力的主要原因。根据内应力形成的原理不同,又分为热应力和组织应力两种。
(1)热应力。在加热和冷却时,由于工件的表面和心部存在着温度差,造成了热胀冷缩的不一致而产生热应力。热应力的大小与冷却速度有关,冷却速度越快,工件内外温度差就越大,热应力也就越大。
(2)组织应力。工件在加热或冷却时,由于其截面温度差而导致的组织转变先后不同所引起的应力,称为组织应力。组织应力是因为奥氏体与其转变产物的比体积不同、工件的表面和心部或工件各部分之间的组织转变时间不同而产生的。由于奥氏体比体积小,淬火冷却时必然会发生体积膨胀。
19. 淬火冷却畸变有哪两种变化?产生原因是什么?
淬火变形包括尺寸畸变和形状畸变两种。尺寸畸变是指工件淬火后伸长、缩短、变粗和变细等与原来工件呈相似形的变化;形状畸变是指工件淬火后翘曲、弯曲、扭曲等与原来工件呈非相似形的变化。
尺寸畸变主要是钢在淬火时奥氏体转变成马氏体,体积胀大,回火时淬火马氏体析出碳化物体积缩小而导致的。
形状畸变是加热和冷却过程中产生的热应力和组织应力所引起的。加热速度越快,形状越复杂,各部分温差越大,工件的热应力也越大。同样冷却速度越快,形状越复杂,组织转变也越不均匀,组织应力也就越大。热应力和组织应力外加机加工的残余应力都会引起工件的形状畸变。
20. 什么是氧化脱碳?预防氧化脱碳有哪些方法?
当工件在空气中加热时,钢中的铁原子、合金元素与炉气中的氧化性介质(氧气、二氧化碳和水蒸气等)发生化学反应,生成氧化物,如2Fe+O2→2FeO,即工件被氧化,表面生成氧化皮。发生氧化的同时,炉气中氧化性介质与钢中的碳发生化学反应,使工件表面的碳减少,如2C+O2→2CO,这种现象称为脱碳。
预防氧化脱碳的方法有:
(1)采用可控气氛加热炉或真空热处理。
(2)在盐浴炉中加热。
(3)在空气炉中加热时,工件表面涂保护涂料、把工件埋入碳箱或撒铸铁屑保护。
21. 什么是过热、过烧?发生过热、过烧如何补救?
加热温度过高,或在高温下保温时间过长引起奥氏体晶粒粗化,淬火后得到粗针状马氏体组织,这种现象叫作过热。如果加热温度太高,使奥氏体晶界出现熔化和氧化的现象称为过烧。
工件一旦出现过烧,会使晶粒粗大,晶界熔化,性能降低,是一种无法挽回的缺陷,工件只得报废。工件过热后,可以进行返修。
22. 简述常见的淬火裂纹形式及其形成原因。
常见的淬火裂纹有纵向裂纹、横向裂纹、网状裂纹、应力集中裂纹和淬火过热裂纹等。导致淬火裂纹的主要原因如下:
(1)热处理工艺不当,如过热、脱碳、冷却过快、淬火后未及时回火等。
(2)原材料有问题,如有大块或连续分布的非金属夹杂、碳化物偏析、白点、气孔及锻造折叠等。
(3)零件结构设计不合理或选材不当,如壁厚相差悬殊、有尖角凹凸及形状复杂零件采用低淬透性钢等。
23. 简述回火工艺的分类、目的、组织与应用。
常用回火工艺有以下三种:
(1)低温回火(<250℃)。淬火后在150~250℃之间进行的低温回火,获得以回火马氏体为主的组织,主要目的是得到高的强度、硬度、耐磨性及一定韧性。适用于中、高碳钢制造的各类工模具、机械零件,以及渗碳淬火后的工件。
(2)中温回火(250~500℃)。淬火后在250~500℃之间进行的中温回火,获得回火屈氏体组织。主要用于弹簧钢,目的是使淬火钢中的内应力大大减少,从而使弹簧钢的弹性极限显著提高,同时又具有足够的强度、塑性、韧性。
(3)高温回火(500~700℃)。淬火后用高于500℃的高温回火,获得回火索氏体组织。主要用于中碳结构钢零件,使钢的强度、塑性、韧性达到恰当的配合,具有良好的综合力学性能。用于高碳高合金钢,回火温度为500~600℃,以使钢中发生二次硬化作用。
24. 简述淬火钢回火时的组织转变过程。
淬火钢在回火过程中的组织转变可分为四个阶段:
(1)回火马氏体的形成。这一阶段发生在80~200℃温度范围内,马氏体发生分解,得到回火马氏体。
(2)残留奥氏体分解。200~300℃温度范围内残留奥氏体转变为下贝氏体。
(3)应力消除。300℃以上时,组织转变引起的内应力基本消除。
(4)碳化物质点聚集长大。400℃以上温度时,细小的渗碳体质点将聚集长大为渗碳体颗粒。
25. 如何确定淬火钢的回火温度?
淬火钢应根据工件的力学性能要求来确定回火温度。在生产中,一般是按工件的硬度要求来确定回火温度的。