二、计算题1. 试计算体心立方铁受热而变为面心立方铁时出现的体积变化。(在转变温度下体心立方铁的点阵参数是
,而面心立方铁的点阵参数是
)。
三、简答题1. 简述改进传统淬火介质的思路。
传统的淬火介质主要是水和油,想要改进传统淬火介质就得围绕这两种物质展开。
1)在水中加入无机盐和有机聚合物:这样可以程度不同地降低工件淬火时的低温冷却速度,因而能有效地防止工件的淬裂和变形,或者获得更高的淬火硬度和更深的淬硬层深度,从而提高工件的淬火质量。
2)在淬火油中加入添加剂:在淬火油中添加催冷剂、抗氧化剂、光亮剂等,形成高效多用新型淬火油,这样可以获得更强的冷却能力和更合理的冷却速度分布以及更长的使用寿命;或者更能保持工件表面的光亮性,更能减少工件变形和开裂,从而实现一油多用。此外改进淬火装置,使用物理的方法(搅拌、喷淋、超声波等)来强化冷却,也可以提高淬火油的冷却速度,满足淬火工艺要求。
2. 什么是钢中的非金属夹杂物?简述其危害性及改善办法。
常见的非金属夹杂物按其来源分有两类:一类是冶炼浇注过程中,钢中气体与脱氧剂及合金元素物理化学反应的产物,一般为氧化物、硫化物、硅酸盐等;另一类是炉渣及耐火材料侵蚀剥落后进入钢液中形成的产物。
金属中夹杂物破坏了金属基体的连续性,剥落后就成凹坑或裂纹,大块夹杂物还降低了材料的疲劳强度;在金属锻压和轧制过程中,夹杂物可能被延展成为长而薄的流线状,形成带状组织,使金属产生明显的各向异性,大大增加淬火裂纹产生的几率;对精密量具来说,钢中存在夹杂物会降低制品的使用寿命,夹杂严重时,造成热处理时的应力集中,淬火时易开裂,因此应根据技术要求严格控制滚动轴承钢和工具钢中的夹杂物;钢中夹杂物还会引起渗氮零件表面起泡;另外大量的非金属夹杂物会严重降低钢的力学性能和使用性能,尤其是降低钢的塑性、韧性和疲劳强度。
非金属夹杂物在钢材中的存在是不可避免的,其数量和形态只能通过提高钢的纯净度,降低非金属夹杂物的总量,以及良好的轧制或锻造加以改善。
3. 简述晶体缺陷与材料性能之间的关系。
晶体缺陷可以按照其几何维数分为四类:零维——点缺陷,一维——线缺陷,二维——面缺陷和三维——体缺陷。
1)点缺陷在三维空间各方向上的尺寸都很小,所以也称为零维缺陷。包括空位,间隙原子、置换原子和异类原子等。点缺陷的出现,使周围的原子发生靠拢或撑开,使晶格发生扭曲,造成晶格畸变。使金属材料的强度、硬度和电阻率增加。所以金属中,点缺陷越多,它的强度、硬度越高。
实际上点缺陷对金属性能的影响就是空位,间隙原子、置换原子和异类原子等缺陷所引起的晶格畸变造成的固溶强化。
2)线缺陷又称为位错。也就是说,位错是一种线型的晶体缺陷,位错线周围附近的原子偏离自己的平衡位置,造成晶格畸变。位错的存在对金属的强度有着重要的影响,增加或降低位错密度,都能有效地提高金属强度。理想晶体的强度很高,位错的存在可降低强度,当位错大量产生后,强度又提高。由于没有缺陷的晶体很难得到,所以生产中一般依靠增加位错密度来提高金属强度,但塑性随之降低。经冷加工后,位错密度能提高10倍左右,所以实际上线缺陷对金属性能的影响即加工硬化。
3)晶体的面缺陷一般是指具有二维尺寸的晶体缺陷。主要包括:晶体外表面、晶粒边界、孪晶界等。其中对金属性能影响最大的是晶界,由于晶界处原子呈不规则排列,使晶格处于畸变状态,使晶界处能量高出晶粒内部能量,因此晶界与晶粒内部有着一系列不同的特性。例如晶界在常温下对金属的塑性变形起阻碍作用,即表现出晶界有较高的强度和硬度。晶粒越细小,晶界亦越多,它对金属的塑性变形的阻碍作用越大,金属的强度、硬度亦就越高;在高温下则其强度和硬度反而较低;晶界容易被腐蚀;晶界熔点较低;晶界处原子扩散速度较快等。实际上,面缺陷对金属性能的影响就是细晶强化。
4)顾名思义,体缺陷就是原子偏离周期排列的三维缺陷。一般指材料中的空洞、夹杂物等。这种体缺陷对材料性能的影响一方面与它的几何尺寸大小有关;另一方面也与其数量、分布有关。它们往往会使金属易受腐蚀,降低力学性能,并成为热处理裂纹的起源,所以它们的存在常常是有害的。
4. 离子渗氮工艺对温度的均匀性有何要求?在实际生产中应如何操作?
同炉处理的工件,渗氮表面的温度与工艺要求温度之差应控制在±15℃内,当温度均匀性超过该数值时,可采用调整气压,改用分解氨及氨氢混合气,或调整分解率等方法,如果仍达不到要求,则应停炉,调整装炉方式或加辅助阴极或辅助阳极。
5. 感应加热表面淬火时,如何防止圆柱齿轮的变形?
圆柱齿轮的变形主要是内孔胀缩和齿形变化。防止方法是,在能满足淬硬层要求的前提下,采用较大的比功率和缩短加热时间,选择适当的冷却方式和用缓冷介质冷却,合理的设计使齿轮壁厚均匀和形状对称,齿轮内孔端面加盖,以防内孔过早冷却,合理设计与安排工艺路线。
6. 简述铬在不锈钢中的耐蚀作用。
铬是决定不锈钢耐蚀性的主要元素,名能使不锈钢在氧化介质中产生钝化现象,即在表面形成一层约10nm的膜;另外铬还是提高铁的电极电位最有效的合金元素。但铁基固溶体的电极电位不是随着含铬量的提高而均匀增加,而是遵循n/8定律突变式增加。对不锈钢而言,w(Cr)不能低于12.5%。因为当w(Cr)超过12.5%时,纯铁即可成为单一奥氏体组织。所以为保证耐蚀性能,实际应用的不锈钢其平均w(Cr)为13%以上。
7. 马氏体为什么具有高硬度?
马氏体的高硬度主要取决于其中的含碳量和组织结构。
1)碳的固溶强化:马氏体中过饱和的碳引起晶格的严重畸变,从而导致强烈的固溶强化。固溶的碳越多,强化作用越大。
2)亚结构硬化:马氏体中的高密度位错、细小孪晶等都会阻碍塑性变形,从而造成硬化。
3)弥散硬化:马氏体在淬火过程中、室温停留期间及外力作用下,会发生碳原子沿晶界缺陷处偏聚或碳化物的弥散析出,从而产生弥散硬化。
8. 马氏体的转变特征的无扩散性是否指在相变过程中所有原子不发生迁移?
马氏体转变的无扩散性并不是指原子不发生迁移,而是指在马氏体转变过程中原子的迁移是按切变的方式进行,这种切变方式的原子迁移与珠光体转变中的原子迁移完全不同。
9. 试简要说明回复与再结晶的主要区别。
回复使残留内应力减少或消除,晶粒保持原来的形状和大小。再结晶阶段则有新的尺寸更小的等轴晶粒形成。
10. 如何用简便方法检查工件表面氧化膜的耐蚀性?
发蓝层脱脂后,放入体积分数为0.17%的硫酸水溶液中浸泡20~40s,表面颜色保持不变且无锈迹。
11. 如何选择热处理工装夹具的材料?常用的材料中加入了哪些合金元素?
铸造工装夹具用材碳的质量分数通常在0.3%~0.5%,轧制工装夹具用材碳的质量分数在0.08%以下。另外还可使用耐热铸钢,其高温强化机理是在高温下析出碳化物,使其具有优良的高温强度。但是,时效后析出的碳化物通常会使韧性降低,脆性也会有所增加。
热处理工装夹具用材中常加入的合金元素有铬和镍,金属元素铬能有效提高抗氧化性,当铬的质量分数达到20%以上时,就具有优良的抗氧化性。金属元素镍能有效地稳定奥氏体组织,同时,随着含镍量的增加,材料的线胀系数也会逐渐减小。
12. 根据贝氏体的转变规律,为了得到下贝氏体,应从哪几方面进行控制?
控制母相(奥氏体)中化学成分,要保证含碳量达到中碳或高碳水平,同时要控制转变温度较低。
13. 碳氮共渗层中出现黑色组织的原因是什么?如何预防和补救?
在未经腐蚀或轻微腐蚀的碳氮共渗金相试样中,有时可在离表层不同深度处看到一些分散的黑点、黑带或黑网,它们统称为黑色组织。黑色组织具有多种形态,为托氏体、贝氏体及其晶界氧化物。目前对黑色组织的形成认识尚不一致,但当共渗介质中氨气量过多、共渗层表面氮的质量分数大于0.5%或共渗时间过长时,易出现黑色组织。碳氮共渗层中出现的黑色组织,将使材料的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度及耐磨性下降。黑色组织的预防和补救方法如下:
1)快装炉,防止共渗初期的氧化。
2)严格控制共渗初期的氨气通入量。
3)整个共渗过程中控制氨气的通入量,使氮的质量分数最好控制在0.5%以内。
4)共渗后适当提高淬火温度以及采用较强冷却能力的淬火介质,以抑制托氏体组织的出现。
5)黑色组织较浅时,如深度小于0.002mm,可采取喷丸强化的方法使其减小而予以补救。
14. 分析铝合金热处理的过烧缺陷并指出应对方法。
过烧铝合金热处理的主要缺陷,当过烧严重时,工件翘曲且表面可见结瘤和气泡。其产生原因及应对方法如下:
1)铸造合金中形成低熔点共晶体的杂质含量多,应严格控制炉料;变形合金由于畸变量少,共晶体集中,应降低加热温度。
2)铸造合金加热速度太快,低熔点共晶体尚没扩散、消失而发生熔化。可采用随炉以200~250℃/h速度缓慢加热或采用分阶段升温的办法。
3)炉温控制仪表失灵。应经常检查仪表,并装报警装置。
4)炉内温度分布不均匀,实际温度超过工艺规范。应定期检查炉内温度分布情况,按工艺规范严格控制炉温。
另外,轻微起泡也可用打磨或其他机械加工方法消除。
15. 在实际生产中,如何控制感应加热温度?
感应加热的温度控制,目前尚无可靠的方法可循。在单件或小批量生产中,一般用目测法控温。这种控温方式的准确性依赖于操作者的经验。在批量生产中,常采用控制加热时间的办法控制加热温度。连续加热时,加热温度可通过工件移动速度进行控制。
16. 珠光体团也对其性能有一定的影响。请根据珠光体的转变规律分析如何能够细化珠光体团(提示:根据珠光体的形核位置并结合奥氏体的组织进行思考)?
因为珠光体在奥氏体的晶界形核,所以如果奥氏体的晶粒细化则形核率高,且珠光体的团也不易长大。
17. 将钢奥氏体化后快冷到室温(如水冷)可以得到马氏体。根据马氏体转变的不完全性可以知道必有一部分残留的奥氏体存在,可否根据马氏体转变的基本规律提出进一部减少残留奥氏体的方法?
利用马氏体降温形成特性,采用连续冷却方式,淬火后立即进行深冷处理,即对奥氏体进行快速冷却得到马氏体后,立即将材料放入冰箱中继续冷却。使残留奥氏体最大限度地转变成马氏体。
18. 机器零件的生产一般需要哪两个基本过程?
一般需要先生产出毛坯,再将毛坯切削加工成零件这两个过程。
19. 奥氏体状态的高锰钢为什么十分耐磨?
由于高锰钢中含锰量特别高,锰又是扩大γ相区、增加奥氏体稳定性的元素,所以高锰钢在室温下为奥氏体组织。实践证明,高锰钢随着变形量的增加,硬度急剧上升,耐磨性也显著提高。这是因为高锰钢在受到剧烈冲击和强大压力而变形时,不仅奥氏体发生加工硬化,而且伴有马氏体相变发生,零件表面的硬化效果异常显著,硬度可达52~56HRC。
20. 试述在热处理过程中减小工件畸变的方法有哪些?
1)选择合理的装炉方式:对于细长工件应该垂直放立或吊挂,不可平放,尤其不能悬空支撑平放或斜放。对于形状复杂的工件,可以设计淬火夹具随工件进炉,减小工件的自重影响。
2)合理的选择加热温度和保温时间:在保证淬硬的前提下,一般应尽量选择低一些的淬火温度和保温时间,减小工件的热应力和相变应力。
3)合理的进行加热:对于形状复杂、要求严格的工件,尤其是高合金钢,如果加热速度过快,温度不均匀,引起的热应力必然会使工件产生变形。因此,尽可能做到加热均匀,减少加热时的热应力。对于大截面、高合金钢、形状复杂、变形要求高的工件,一般都应经过预热,或控制加热速度。
4)选择合理的冷却方式和冷却介质:工件淬火冷却时,应该根据不同的情况,选择不同的冷却速度和冷却方式。对于细长件、薄片件,可以采用预冷的方式减小变形。对于形状复杂的工件可以采用分级淬火或等温淬火,既可以减小工件的变形,也可以减小工件开裂的倾向。
在保证工件工艺要求的前提下,尽可能选择冷却能力缓和的淬火介质。可以油淬的,就不要用水淬。
5)进行正确的淬火操作:正确的淬火操作是减小淬火变形的有效方法。对于长轴类工件要垂直入水,上下移动。厚薄不均的工件,要使厚的部位先淬入。薄片件要侧向淬入。薄壁的圆环工件要轴向垂直淬入。工件的薄刃或尖角处可以先预冷再淬入。总之,要尽量使工件各处的冷却速度均匀一致。