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、B 11-6 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 σb>1450MPa,σ0.2>1200MPa,δ>5%,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%~2% 时,就有较明显的抗氧化效果。④Mo、W:是提高低合金耐热钢热强性能的重 要元素,Mo 溶入基体起固溶强化作用,能提高钢的再结晶温度,也能析出稳定 相,从而提高热强性。W 的作用于 Mo 相似。⑤Ti、Nb、V:是强碳化物形成元 素,能形成稳定的碳化物,提高钢的松弛稳定性,也提高热强性。当钢中有 Mo、 Cr 等元素时,能促进这些元素进入固溶体,提高高温强度。⑥Ni:是奥氏体形 成元素,获得奥氏体组织。 11-21 有些量县在保存和使用过程中, 尺寸为何发生变化?可采用什么措施使量 具的尺寸长期稳定? 答: 变化原因:量具钢淬火组织中残余的奥氏体是亚稳相,在使用中有向马氏 体转变的自发倾向,相变过程中产生的晶格膨胀会产生应力并引起尺寸和形状的 变化。 措施: (1)下限温度淬火及冷处理。目的是减少 A’。 (2)长时间低温时效,以消除内应力,降低马氏体的正方度