金属学与热处理课后习题第十一章-参考答案

第十一章参考答案11-1试述影响材料强度的因素及提高强度的方法答：（1）影响材料强度的因素：化学成分、组织织构、加工工艺、形变温度、应变速率等。以钢为例，合金元素的加入可能产生固溶强化、沉淀强化、细晶强化，对提高钢材的强度有利。对于同一化学成分的合金而言，组织结构不同，其力学性能也不相同。为了提高其强度，可通过改变热处理工艺或加工工艺来实现。一般情况下，降低形变温度或提高应变速率，合金的强度会增大。（2）提高材料强度的途径：加工硬化/形变强化、固溶强化、第二相强化（沉淀强化和弥散强化）、细晶强化/晶界强度（较低温度）。11-2试述影响材料塑性的因素及提高塑性的方法答：（1）影响材料塑性的因素：化学成分、组织织构、加工工艺、形变温度、应变速率等。杂质元素通常对塑性不利，合金元素的加入一般对提高材料的强度有贡献，在等强温度下，只有晶界强化可以提高强度的同时，提高其韧性，使材料获得细晶组织结构可提高其塑性。一般而言，形变温度的降低或应变速率的提高对强度有利，而对提高塑性不利。（2）提高材料塑性的途径：降低材料中杂质的含量、细化晶粒、加入韧化元素、加入细化晶粒元素、提高变形温度、降低应变速率。11-4试就合金元素与碳的相互作用进行分类，指出1）哪些元素不形成碳化物？2）哪些元素为弱碳化物形成元素，性能特点如何？3）哪些元素为强碳化物形成元素，性能特点如何？4）何谓合金渗碳体，与渗碳体相比，其性能如何？答：1）非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu等。2）Mn为弱碳化物形成元素，除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，几乎都溶于铁素体和奥氏体中。3）Zr、Nb、V、Ti为强碳化物形成元素，与碳具有极强的亲和力，只要有足够的碳，就形成碳化物，仅在缺少碳的情况下，才以原子状态融入固溶体中。4）合金元素溶入渗碳体中即为合金渗碳体，它是合金元素溶入渗碳体中并置换部分铁原子而形成的碳化物，合金渗碳体比一般渗碳体稳定，硬度高，可以提高耐磨性。11-5合金元素提高淬透性的原因是什么？提高钢的淬透性有何作用？常用以提高淬透性的元素有哪些？答：（1）合金元素溶入奥氏体中增加了奥氏体的稳定性，使C曲线右移，奥氏体在较低的温度依然能够存在，因此，在较低的临界冷却速度小，奥氏体能够发生马氏体相变，提高了淬透性。（2）作用：一方面可以使工件得到均匀良好的力学性能，满足技术要求；另一方面，在淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。（3）常用的提高淬透性的合金元素：Mn、Si、Cr、Ni、B11-6合金元素提高回火稳定性的原因？提高回火稳定性的作用？常用以提高回火稳定的元素有哪些？答：（1）提高稳定性的原因：合金元素推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变、阻碍碳化物的聚集长大、提高铁素体的再结晶温度。（2）提高稳定性的作用：提高钢的回火稳定性，可以使得合金钢在相同的温度下回火时，比相同碳含量的钢具有更高的硬度和强度，或者，在保证相同强度/硬度的条件下，可在更高的温度下回火，有利于提高塑性和韧性。（3）提高回火稳定性的元素：Cr、Mn、Ni、Mo、W、V、Si.11-7试述碳和合金元素在低合金高强度结构钢中的作用，提高低合金高强度结构钢强韧性的途径是什么？答：（1）碳的作用：(a)固溶强化，提高珠光体数量。碳含量的增加可增大固溶强化和珠光体强化效果，对提高低合金高强度结构钢的强度有利。(b)碳含量的增加将降低低合金结构钢的塑性和韧性，提高韧脆转变温度，降低焊接性能。（2）合金元素的作用：(a)固溶强化：如Mn、Si、Cr、Mo等溶于基体固溶体中而引起固溶强化。(b)沉淀强化：如Ti、Nb和V等强碳化物形成元素形成的MC型碳化物所引起的强化。(c)细晶强化：如Ti、Nb和V等强碳化物形成元素形成的MC型碳化物对奥氏体晶界的钉轧作用，对Nb元素在奥氏体晶界的偏聚，均对细化低合金高强度结构钢的组织有利，产生细晶强化作用。11-10某厂原用45MnSiV生产Φ8mm高强度钢筋，要求σb1450MPa,σ0.21200MPa,δ5%,其热处理工艺是920℃油淬,470℃回火。因该钢种缺货,库存有25MnSi钢,请考虑是否可代用,热处理规程该如何调整?答：可以代用，因为25MnSi钢为低碳马氏体钢，经适当的热处理后能获得与调质钢相当的综合性能，即较高强度和韧性的组合。工艺调整:25MnSi钢与45MnSiV相比不含V元素，但有Mn,过热敏感性较大，因而要降低淬火加热温度与45MnSiV相比，25MnSi钢淬透性较低，油淬应改成用盐水淬火为获得所要求的力学性能应采用低温回火。11-11分析碳和合金元素在高速钢中的作用及高速钢热处理工艺的特点。答：化学成分：高碳的目的是为了和碳化物形成元素Cr、W、Mo、V等形成碳化物，并保正得到强硬的马氏体基体以提高钢的硬度利耐磨性。W、Mo、V主要是提高钢的红硬性，因为这些元素形成的碳化物硬度高，产生二次硬化效应，因而显著提高钢的红硬性、硬度和耐磨性。Cr主要是提高钢的淬透性。其工艺突出的特点是淬火加热温度非常高，回火温度高，次数多，淬火加热时采用预热。11-12比较热作模具钢和合金调质钢的合金化及热处理工艺的特点，并分析合金元素作用的异同。答：(1)合金调质钢合金化特点:在性能上满足机械制造上不同零件的不同需要,各种元素既有特殊作用又相互作用达到改善组织性能的作用。热作模具钢合金化特点:合金元素增强钢淬透性,强化铁素体,防止回火脆性,提高热疲劳抗力。(2)合金调质钢热处理特点:为改善切削加工性需进行预备热处理之后调质处理。热作模具钢热处理特点:锻造后退火,以降低内应力。淬火+回火,获得组织均匀的回火托式体索氏体。(3)合金元素作用：Cr提高淬透性耐回火性,有回火脆性倾向；Mn提高淬透性,有回火脆性倾向；Ni非C化物形成元素,提高基本韧性；Mo提高淬透性,回火性细化晶粒；V强碳化物形成元素细化晶粒；W提高稳定性和耐磨性。11-13为什么正火状态的40CrNiMo及37SiMnCrMoV钢（直径25mm）都难于进行切削加工？请考虑最经济的改善切削加工性能的方法。答：因为40CrNiMo钢中含有Cr，Ni，Mo几种合金元素，能很好的提高钢的淬透性，使钢在正火状态下就能得到较多的马氏体，大大提高合金的硬度（40CrNiMo钢正火后硬度在400HBS以上）因而难以切削。11-14滚齿机上的螺栓，本应用45钢制造，但错用了T12钢，其退火、淬火都沿用了45钢的工艺，问此时将得到什么组织？有何性能？答：45钢的热处理工艺：完全退火（Ac3以上20-30℃）+淬火（Ac3以上30-50℃）+高温回火。T12的热处理工艺：球化退火（Ac1以上Accm以下的双相区）+淬火（Ac1以上30-50℃）+低温回火。错用T12钢，按照45钢的热处理工艺就是T12完全退火+Ac3以上30-50℃淬火T12本来是球化退火，目的是消除网状的二次渗碳体，但错用完全退火，加热温度过高，消除不了网状的二次渗碳体，对性能不利。然后进行淬火，T12本来是加热到Ac1以上30-50℃，目的是限制了奥氏体的含碳量，减少淬火组织中的残留奥氏体数量。淬火后获得均匀细小的马氏体和未溶粒状二次渗碳体组织，未溶二次渗碳体的存在有利于淬火钢的硬度及耐磨性。如果将过共析钢加热到Accm或者Ac3以上，由于奥氏体晶粒粗大，含碳量提高，使淬火后的马氏体也粗大，且残留奥氏体量增加，不仅降低钢的硬度、耐磨性和韧性，而且还会增大变形和开裂的倾向。最后进行回火，T12本来是低温回火，得到回火马氏体，但是用高温回火，最终得到回火索氏体。最终组织为回火索氏体+残留奥氏体+网状二次渗碳体11-15用9SiCr钢制成圆板牙，其工艺路线为：锻造→球化退火→机械加工→淬火→低温回火→磨平面→开槽开口。试分析：①球化退火、淬火及回火的目的；②球化退火、淬火及回火的大致工艺。答：球化退火是为了消除锻造应力，获得球状珠光体和碳化物，降低硬度以利于切削加工并为淬火做好组织准备，减少淬火时的变形与开裂；淬火及回火是为了获得回火马氏体，保证热处理后具有高硬度、高耐磨性。球化退火工艺：加热温度790—810℃，等温温度700—720℃；淬火工艺：加热温度850—870℃(油淬)；回火工艺；160—180℃。11-16大螺钉旋具要求杆部为细珠光体而顶端为回火马氏体，只有一种外部热源，应如何处理?答：表面渗碳后淬火加低温回火。11-17有一批碳素钢工件淬火后发现硬度不够，估计或者是表面脱碳，或者是淬火时冷却不好未淬上火，如何尽快判断发生问题的原因？答：碳素工具钢是Wc=0.65%~1.35%的高碳钢对碳素工具钢进行球化退火处理，其目的是降低便度，便于机械加工，组织为铁素体基体+细小均匀的粒状Fe3C，然后采用淬火+低温回火，组织为回火马氏体+粒状渗碳体+少量残余奥氏体，经过热处理可测工件的硬度，若硬度达标，则原因为泽火时冷却不好未淬上火，若硬度仍不够则为表面脱碳。11-18简述不锈钢的合金化原理。为什么Cr12MoV钢不是不锈钢，也不能通过热处理的方法使它变为不锈钢？答:不锈钢的合金化原理：提高钢耐蚀性的方法很多，如表面涂一层耐蚀金属、涂敷非金属层、电化学保护和改变腐蚀环境介质等。但是利用合金化方法，提高材料本身的耐蚀性是最有效的防止腐蚀破坏的措施之一，其方法如下:（1）加入合金元素，提高钢基体的电极电位，从而提高钢的抗电化学腐蚀能力。一般铜中加入Cr、Ni,Si多元素均能提高其电极电位。由于Ni较缺，Si的大量加入会使钢变脆，因此，只有Cr才是显著提高钢基体电极电位常用的元素。Cr能提高钢的电极电位，但不是呈线性关系。实验证明钢的电极电位随合金元素的增加，存在着一个量变到质变的关系，遵循1/8规律。当Cr含量达到一定值时即1/8原子(1/8,2/8、3....)时，电极电位将有一个突变。因此，几乎所有的不锈钢中，Cr含量均在12.%(原子)以上，即11.7%(质量)以上。(2)加入合金元素使铜的表面形成一层稳定的、完整的与钢的基体结合牢固的纯化膜。从而提高钢的耐化学腐蚀能力。如在钢中加入Cr，Si，A1等合金元素，使钢的表层形成致密的Cr2O,SiO2,Al2O3等氧化膜，就可提高钢的耐蚀性。(3)加入合金元素使钢在常温时能以单相状态存在，减少微电池数目从而提高钢的耐蚀性。如加入足够数量的Cr或Cr-Ni,使钢在室温下获得单相铁素体或单相奥氏体。(4)加入Mo、Cu等元素，提高抗腐蚀的能力。(5)加入Ti,Nb等元素，消除Cr的晶间偏析，从而减轻晶间腐蚀倾向。(6)加入Mn、N等元素，代替部分Ni获得单相奥氏体组织，同时能大大提高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性Cr12MoV钢为什么不是不锈钢：从金相学角度分析，因为不锈钢含有铬而使表面形成很薄的铬膜，这个膜隔离开与钢内侵入的氧气起耐腐蚀的作用。为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性，钢必须含有12%以上的铬。Cr12MoV虽然Cr的含量也达到了12%，但是Cr12MoV的含碳量要比不锈钢的含碳量要高的多，含碳量达到了1.45%～1.70%，不锈钢的耐蚀性随含碳量的增加而降低，因此，大多数不锈钢的含碳量均较低，最大不超过1.2%，有些钢的ωc（含碳量）甚至低于0.03%（如00Cr12）。所以，Cr12MoV不是不锈钢。冷作模具钢，钢的淬透性、淬火回火的硬度、耐磨性、强度均比Cr12高。形状复杂、工作条件繁重下的各种冷冲模具和工具，如冲孔凹模、切边模、滚边模、钢板深拉伸模、圆锯、标准工具和量规、螺纹滚模等。11-20分析合金元素对提高钢的热强性和抗氧化性方面的特殊作用，比较高温和常温结构钢的合金化方向。答：①Cr：提高钢抗氧化性的主要元素，Cr能形成附着性很强的致密而稳定的氧化物Cr2O3，提高钢的抗氧化性。②Al：是提高钢抗氧化性的主要元素，含铝的耐热钢在其表面上能形成一层保护性良好的Al2O3膜，它的抗氧化性能优于Cr2O3膜。③Si：是提高抗氧化性的辅助元素，效果比Al还要有效。高温下，在含硅的耐热钢表面上形成一层保护性好、致密的SiO2膜。钢中含硅量达1