二、计算题1. 试确定简单立方、体心立方和面心立方结构中原子半径和点阵参数之间的关系。
1)参阅题图11,可以发现原子在简单立方体中沿着立方体的边相接触,原子集中在立方体的各个角上,所以有
a
0=2r
2)在面心立方结构中,原子沿着立方体的面对角线相接触,面对角线的长度为
,沿着该长度有四个原子半径一面心原子的2个半径和每个角上的一个原子半径,所以有
3)在体心立方结构中,原子沿着体对角线相接触,体对角线的长度为
,中心原子为2个原子半径,体对角线上每个角原子有一个原子半径,所以有
三、简答题1. 造成渗氮件渗氮层深度过浅的原因有哪些?如何防止?
渗氮层深度过浅的原因及应对方法如下:
1)炉温控制偏低,尤其是两段渗氮的第二段温度偏低。渗氮温度越高,扩散速度越快,渗层越深。应校正测温仪表,按第二阶段工艺规范进行一次渗氮。
2)渗氮时间不足。在正常温度下渗层深度随时间延续,其渗层总深度增加。应通过抽检试棒渗层深度控制保温时间。
3)装炉不当,工件之间相距太近;工件进炉前表面不洁或耐热钢渗氮罐体触媒作用周期性的变化影响渗氮效果。预防措施是合理装炉,保持气流畅通;工件进炉前进行认真清理;以及对使用已久的渗氮罐进行定期退氮处理或使用低碳钢搪瓷炉罐。
2. 什么是白点?它是如何形成的?哪些钢是白点敏感性钢?
白点又称发裂,它是钢中的一种内裂,是不允许存在的缺陷。
白点主要发生在珠光体钢、马氏体钢、贝氏体钢的轧件中。白点形成的根本原因是由于钢中存在氢。氢在钢中的溶解度随温度下降而降低,过剩的氢析出后进入钢的缺陷处,如疏松、枝晶间隙处。这些部位的氢聚集到一定程度,在一定温度下,就会在局部形成很高的压力,压力超过钢的正断抗力时,将使钢形成裂纹(白点)。氢的存在并非白点形成的唯一原因。相变应力和热应力对白点的形成起着重要的作用。发生马氏体相变的钢,冷却时容易产生白点,就是因为马氏体相变时产生的应力很大,相变温度比较低,而马氏体塑性很差,故产生白点。
有些钢种对于白点的生成比较敏感,被称之为白点敏感性钢,例如含镍、钼成分,例如5CrNiMo、5CrMnMo,有时也会在中碳钢,例如45钢中出现。
3. 固态相变的基本规律是什么?
固态相变的基本规律有以下几点:
1)温度变化往往带来固态相变的发生。因此控制转变温度是控制固态相变的重要因素之一。
2)固态相变的基本过程是新相的形核与长大。新相的形核一般需要过冷(或过热)。新相的晶核一般在母相的晶界(或其他的缺陷如位错处)形成。
3)对于降温过程中产生新相的扩散型固态相变而言,其转变动力学的规律是转变的速率随温度的变化出现极值,在同一温度下,随时间延长转变量增加。
4. 如何用简便方法检查工件表面氧化膜的致密性?
发蓝层脱脂后,放入质量分数为3%的中性硫酸铜水溶液浸泡40~60s,表面除棱角边缘外不准有铜的痕迹。
5. 什么是氧化?什么是脱碳?简述原材料氧化、脱碳的形成原因及其危害性。
原材料的氧化与脱碳是材料在轧制过程中,在高温下与氧或二氧化碳、水蒸气、二氧化硫等氧化性气体相互作用的结果。
氧化是指钢及铁基合金的材料在加热、轧制和冷却过程中,在表面生成的氧化皮,即金属氧化物。对于冷压力加工的钢材(如冷轧、拉丝等),以及用于镀层的钢板来说,氧化皮的存在不仅会影响制品的表面质量,而且会增加工具(轧辊及模具)的磨损。在这种情况下,氧化皮就是缺陷,是不允许存在的。另外,由于轧制过程中氧化皮去除得不干净,部分氧化皮嵌入金属表面,也构成了缺陷。
脱碳是指钢及铁基合金的材料或制件的表层内的碳全部或部分失掉的现象,它是钢材表面含碳量降低的一种缺陷。例如钢锭经热轧及退火后表面有脱碳,若钢材供货时圆度过大,使加工后表面残留脱碳层,表面脱碳增加了余量,若脱碳在加工余量以外时,会使零件疲劳性能大大降低,并给热处理带来淬不硬、表面裂纹等缺陷。
6. 如何用简便方法检查工件表面氧化膜的耐磨性?
通常采用流砂冲击法。具体方法是在发蓝层脱脂后,以内径为10mm、长度为500mm之玻璃管,垂直悬挂于被测工件上方,工件的被检验面与玻璃管呈45°角,距离为30mm,在玻璃管上方装一漏斗,称100g粒度为0.5~1mm棱角尖锐的硅砂。砂子由漏斗经玻璃管自由落下,冲击工件的表面,等砂子流完后,轻轻将工件表面擦净,浸泡在质量分数为0.5%的中性硫酸铜水溶液中30s,然后取出用流水冲净,肉眼观察工件受流砂冲击部位应无铜迹出现。
7. 什么是超高频感应加热淬火?其特点和应用情况如何?
超高频感应加热淬火又称超高频冲击淬火或超高频脉冲淬火,是利用27.12MHz超高频率极强的集肤效应,使0.05~0.5mm厚的零件表层在极短的时间内(1~500ms)加热至上千摄氏度,其能量密度可达100~1000W/mm2,仅次于激光和电子束,加热速度为104~106℃/s,加热停止后表层主要靠自身散热迅速冷却,自身冷却速度高达106℃/s,达到淬火目的。由于表层加热和冷却极快,畸变量较小,不必回火,淬火表层与基体间看不到过渡带。超高频感应加热淬火主要用于小、薄的零件,如录音器材、照相机械、打印机、钟表、纺织钩针、安全刀等零部件,可明显提高质量,降低成本。
8. 什么是锻造比?钢材为什么要有足够的锻造比?
锻造比即锻造时变形程度的一种表示方法,通常用变形前后的截面比、长度比或高度比来表示。钢材的锻造比和锻件不同,是指钢材的横断面积与钢锭的横断面积的比值。
不论是铸锭开坯、轧(锻)成材,还是连铸连轧成材,由于钢液的结晶规律,材料内部存在三个结晶区(边缘部位细小等轴晶区、垂直于锭模壁的粗大柱状晶区、心部粗大等轴晶区)以及众多缺陷。为了克服这些缺陷的不良影响,就要有足够的锻造比,以便较彻底地打碎树枝状结晶和粗大柱状结晶,使其细化并沿主伸长方向分布;就要将铸锭中的疏松、气孔、缩孔等缺陷锻合而使组织强化细密,充分破碎偏析和夹杂物等使组织趋于均匀,使钢材性能得以改善。
在锻造过程中,在一定的范围内随着锻造比的增加,金属的力学性能显著提高,这是由于组织致密程度和晶粒细化程度提高所致。结构钢钢锭的锻造比一般为2~4,其他各类钢坯和轧材的锻造比一般为1.1~1.3。
9. 对照马氏体切变共格的特征并根据珠光体转变的机理说明珠光体转变时原子是如何移动的?
珠光体是扩散性的相变,原子运动情况与马氏体完全不同,相界面向母相推移以散乱的方式由母相转移到新相,每一个原子的移动方向是任意的,相邻原子移动超过原子间距,原子的近邻关系被破坏。
10. 简述常用的制作热处理工装夹具方法的特点。
热处理工装夹具大多采用铸造成形或焊接成形,下面分别加以介绍。
(1)铸造成形工装夹具的特点 铸造成形的工装夹具在进行浇注时一定要考虑保证铸件的完整性,如十字交叉处的排气孔的设置、内角R的设计等。
网格式工具若外周呈直线连续状,就容易引起变形与破损,这时可将外周做成非直线式,同时将内部设计成局部弯曲状态,这样就能有效地控制热应力的发生,从而减小工具的变形。
(2)焊接成形工装夹具的特点 热处理用的料筐大多是由耐热钢棒、耐热钢丝网焊接而成的,防止变形与破损的对策可参考铸造工装。如长方体网筐用一段时间后四周会往里凹陷,这样,就可事先将边缘设计成弯曲状态,以有效地减小变形。
11. 举例说明双频感应加热淬火有何特殊效果。
对于凹凸不平的工件如齿轮等,当间距较小时,任何形状的感应器都不能保持工件与感应器的施感导体之间的间隙一致。因而,间隙小的地方电流透入深度就大,间隙大的地方电流透入深度就小,难以获得均匀的硬化层。要使低凹处达到一定深度的硬化层,难免使凸出处过热;反之,低凹处得不到硬化层。双频感应加热淬火是采用两种频率交替加热,较高频率加热时,凸出处温度较高;较低频率加热时,则低凹处温度较高。这样凹凸处各点温度趋于一致,可以均匀硬化。
12. 如何对真空热处理炉进行维修、维护与保养?
1)真空热处理炉的停炉以后,应保持炉内不低于6.65×104Pa的真空度。
2)真空热处理炉的外表面应经常进行擦拭,以保持清洁干净。在炉子的内部,当发现有灰尘或油污时,应使用沾有酒精或汽油的绸布进行擦拭,并使其保持干燥。
3)维修操作应在停电情况下进行,对于炉体上的密封结构、真空系统的零部件,在拆装以后,应用酒精或汽油来清洗干净、经过干燥后,最后涂上真空油脂再组装上。
4)若需要在带电情况下进行维修,则必须保证操作人员、维修人员和设备的绝对安全。
5)对于真空热处理炉的机械传动件,应定期按照有关要求进行加油或换油。当出现传动件卡位、限位不准及控制失灵等现象时,应立即予以排除,不得强行操作,以免损坏机件。
13. 为什么通过减小晶粒来提高强度不会降低塑性?
塑性变形靠位错的滑移来实现。如果位错的滑移受钉札,塑性会降低。晶粒越小,一个晶粒内位错的滑移虽受晶界阻挡越明显,但随着应力的增加,邻近的晶粒的滑移系能够继续开动,故强度增加,塑性并不降低。
14. 生产金属毛坯最常用的方法有哪些?
大多数机器中,由铸造和锻造方法生产的毛坯零件约占整个机器重量的90%以上。所以铸造、锻造是机器制造工业中最常用的毛坯生产方法。
15. 根据铸造生产的特点,为什么可以将铸造称为液态成形?
铸造是将金属熔化成液体,浇注到铸型中,待其冷却凝固后获得铸件(毛坯)的。因此,铸造也可以称为液态成形。
16. 为什么大型或巨型锻件只能用自由锻造的方法生产?
由于固态金属的变形需要非常大的压力,模型锻造受锻造设备的限制,目前只能锻造出不超过150kg的锻件,而自由锻造可以实现局部变形,所以,大型或巨型锻件只能采用自由锻造的方法生产。
17. 耐热钢中的主要合金元素有哪些?它们在钢中各起什么作用?
主要的合金元素有铬、硅、铝及钨、钼、钒等。前三种元素的作用,是使钢的表面在高温下与介质中的氧结合成致密的高铬氧化膜,它覆盖在整个金属表面,从而阻止了钢表面的继续氧化。铬及后三种元素均提高钢的再结晶温度,从而也提高了钢的热强性。
18. 钢板在常温下冲压成零件后,其力学性能有何变化?
钢板冲压属于冷变形,会产生加工硬化,与冲压前相比强度、硬度增高,塑性下降。
19. 如何用最简便的方法有效地检测淬火工件的裂纹?
淬火后的工件有时会产生肉眼难以观察到的裂纹,此时可采用下面的经验方法加以检验。
1)叩击法:用锤子或铁块轻轻地叩击工件,如工件发出清晰的金属声音,其声音衰减缓慢且尾音悠长,则说明工件未产生裂纹。如工件发出重浊的声音,则说明工件上存在裂纹。较薄或细长的小型工件,应将其吊挂,然后再行敲击,以便能进行准确地判断。操作者应多在实践中多加演练,积累相当经验后才能做出准确的判断。
2)渗透法:将经淬火后的工件浸入煤油中进行仔细清洗,然后将工件取出并用干净的棉纱擦拭工件的表面,待工件表面晾干后用白粉笔末涂在工件表面上,经一段时间后如在白色部位上有油渗出,即在裂纹处有浸润的条纹显现出来,说明工件上有裂纹存在。
20. 钢的锻造属于热加工,锻件没有加工硬化,简述锻件的力学性能和原钢材有何差异?为什么?
锻件虽然没有加工硬化,但是经过塑性变形,钢的内部组织致密、缺陷减少、晶粒细化,所以,锻件具有较高的力学性能。