第九章 钢的热处理原理 第十章 钢的热处理工艺 1,.金属固态相变有哪些主要特征?哪些因素构成相变阻力? 答: 金属固态相变主要特点:1、不同类型相界面,具有不同界面能和应变能 2、新旧相之 间存在一定位向关系与惯习面 3、相变阻力大 4、易于形成过渡相 5、母相晶体缺陷对相 变起促进作用 6、原子的扩散速度对固态相变起有显著影响…..阻力:界面能和弹性应变能 2、何为奥氏体晶粒度?说明奥氏体晶粒大小对钢的性能的影响。 答:奥氏体晶粒度是指奥氏体晶粒的大小。 金属的晶粒越细小,晶界区所占的比例就越大,晶界数目越多(则晶粒缺陷越多,一般 位错运动到晶界处即停) 在金属塑变时对位错运动的阻力越大, , 金属发生塑变的抗力越大, 金属的强度和硬度也就越高。晶粒越细,同一体积内晶粒数越多,塑性变形时变形分散在许 多晶粒内进行,变形也会均匀些,虽然多晶体变形具有不均匀性,晶体不同地方的变形程度 不同,位错塞积程度不同,位错塞积越严重越容易导致材料的及早破坏,晶粒越细小的话, 会使金属的变形更均匀, 在材料破坏前可以进行更多的塑性变形, 断裂前可以承受较大的变 形,塑性韧性也越好。所以细晶粒金属不仅强度高,硬度高,而且在塑性变形过程中塑性也 较好。 3..珠光体形成时钢中碳的扩散情况及片,粒状珠光体的形成过程? 4、试比较贝氏体转变、珠光体转变和马氏体转变的异同。 答:从以下几个方面论述:形成温度、相变过程及领先相、转变时的共格性、转变时的点 阵切变、转变时的扩散性、转变时碳原子扩散的大约距离、合金元素的分布、等温转变的完 全性、转变产物的组织、转变产物的硬度几方面论述。 试 比 较 贝 氏 体 转 变 与 珠 光 体 转 变 的 异 同 点 。 对 比 项 目 珠 光 体 贝 氏 体 形 成 温 度 高 温 区 ( A1 以 下 ) 中 温 区 ( Bs 以 下 ) 转 变 过 程 形 核 长 大 形 核 长 大 领 先 相 渗 碳 体 铁 素 体 转 变 共 格 性 、 浮 凸 效 应 无 有 共 格 、 表 面 浮 凸 转 变 点 阵 切 变 无 有 转 变 时 扩 散 Fe 、 C 均 扩 散 Fe 不 扩 散 、 C 均 扩 散 转 变 合 金 分 布 通 过 扩 散 重 新 分 布 不 扩 散 等 温 转 变 完 全 性 可 以 不 一 定 转 变 组 织 α+Fe3C α+Fe3C ( 上 贝 氏 体 ) α+ε—Fe3C ( 下 贝 氏 体 ) 转变产物硬度 低 中 5.. 珠光体、贝氏体、马氏体的特征、性能特点是什么? 片状 P 体, 片层间距越小, 强度越高, 塑性、 韧性也越好; 粒状 P 体, 3C 颗粒越细小, Fe 分布越均匀, 合金的强度越高。第二相的数量越多,对塑性的危害越大;片状与粒状相比,片状强度高,塑性、韧 性差;上贝氏体为羽毛状,亚结构为位错,韧性差;下贝氏体为黑针状或竹叶状,亚结构为位错,位 错密度高于上贝氏体,综合机械性能好;低碳马氏体为板条状,亚结构为位错,具有良好的综合机械 性能;高碳马氏体为片状,亚结构为孪晶,强度硬度高,塑性和韧性差。 5、简述钢中板条马氏体和片状马氏体的形貌特征和亚结构? 板条马氏体和 的形貌特征和 亚结构? 并说明它们在性能上的差异。 1、 简述钢中板条马氏体 片状马氏体的形貌特征和亚结构 并说明它们在性能上的差异。 (10 分) 一般认为板条马氏体为位错马氏体?马氏体内部有很多位错。片状马氏体为挛 晶马氏体?马氏体内部亚结构为挛晶。 板条马氏体的组织特征? 每个单元呈窄而 细长的板条?板条体自奥氏体晶界向晶内相互平行排列成群?其中的板条束为惯习面 相同 的平行板条组成。 板条宽度 0.1 ? 0.2 微米?长度小于 10 微米?板条间有一层奥氏体膜? 一个奥氏体晶粒内包含几个板条群。 一个奥氏体晶粒有几个束?一个束内存在位向差时?也 会形成几个块。 板条群之间为大角度晶界?板条之间为小角度晶界。 板条的立体形态可以是 扁条状。 片状马氏体的特征? 马氏体片互不平行而是呈一定的夹角排列?在显微 镜下观察时呈针状或竹叶状。 初生者较厚较长?横贯整个奥氏体晶粒?第一片分割奥氏体晶 粒?以后的马氏体片愈来愈小。 ?但一般不穿透晶界?次生者尺 ? 寸较小。 初生片与奥氏 体晶界之间、片与片之间互相撞击?形成显微裂纹。当 WC≈1.4 ? 2.0%时除具有上述特征 外?片的中央有中脊?在两个初生片之间常见到呈“Z”字形分布的细薄片。立体形态为双 凸透镜状?断面为针状或竹叶状。故又称针状马氏体 6 试述钢中上贝氏体和下贝氏体的形貌特征和亚结构并说明它们的性能差异。 答:形貌特征:上贝氏体:在光学显微镜下观察时呈羽毛状,在扫描电镜观察为一群由奥氏 体晶界内平行长大的板条状或针状铁素体,在相邻铁素体条(针)之间夹杂着断续的短杆状 碳化物。 下贝氏体:在光学显微镜下观察时呈竹叶状,铁素体呈片状,片与片之间以一定角度相交。 (大部分呈 60 度和 120 度) 在铁素体片内部分布碳化物。 , 碳化物排列大部分与铁素体片的 长 轴 约 成 60 度 角 。 亚结构:上:位错缠结。下:缠结位错。 性能差异:下贝氏体具有高的强度和韧性,高的耐磨性,冲击韧性比上贝氏体好的多。 7. 什么是魏氏组织?简述魏氏组织的形成条件,对钢性能的影响及消除方法。 答: 魏氏组织:工业上将具有针(片)状铁素体或渗碳体加珠光体的组织称作魏氏组织, 是含碳 0.6%的碳钢或低合金钢在奥氏体晶粒体较粗和冷速较快的条件下,先共析出铁素体 呈片状或粗大羽毛状,与原奥氏体呈一定的位向关系的组织。 魏氏组织可通过细化晶粒、退火或锻造并适当控制冷却速度等方法消除。 8.. 、简述碳钢在回火转变和回火组织。 答:碳素钢淬火后在不同温度下回火时,组织将发生不同的变化。由于组织变化会带来物理 性能的变化,而不同的组织变化,物理性能的变化也不同。通常根据物理性能的变化把回火 转变分成四种类型。 第一类回火转变:M 分解为回火 M,80~250℃;低碳马氏体发生碳原子向位错附近偏 聚外,马氏体中析出碳化物,使马氏体碳含量降低;高碳马氏体发生分解,马氏体中过饱和 碳不断以 ε 碳化物形式析出,使马氏体碳含量降低。 产物:回火马氏体。 第二类回火转变:残余 A 分解为回火 M 或下 B,200~300℃;淬火后的残余奥氏体是不 稳定组织,在本阶段,残余奥氏体分解为低碳马氏体和 ε 碳化物 组织为回火马氏体。 第三类回火转变:碳化物析出与转变,250~400℃,回火 M 转变为回火 T(亚稳碳化物 转变为稳定碳化物) 250~400℃时, ; 碳素钢 M 中过饱和的 C 几乎全部析出, 将形成比 ε-FeXC 更稳定的碳化物。 在回火过程中除 ε-FeXC 外, 常见的还有两种: 一种其组成与 Mn5C2 相近, 称为 χ 碳化物,用 χ-Mn5C2 表示;另一种是渗碳体,称 θ 碳化物,用 θ-Fe3C 表示。这两种 碳化物的稳定性均高于 ε-FeXC;通常在 MS 以下回火残余 A 转变为 M,然后分解为回火 M, 而在 B 转变区回火,残余 A 转变为下 B。 第四类回火转变:回火 T 转变为回火 S(碳化物聚集长大,α 再结晶) ,400~700 ℃。 铁素体发生回复和再结晶为等轴状、碳化物球化粗大——回火索氏体。 9、比较珠光体,索氏体,托氏体和回火珠光体,回火索氏体,回火托氏体组织性能 1.珠光体是奥氏体(奥氏体是碳溶解在 γ-Fe 中的间隙固溶体)发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体。得名自其珍珠般(pearl-like)的光泽。其形态为铁素体薄层和渗碳体 薄层交替重叠的层状复相物,也称片状珠光体。用符号 P 表示,含碳量为 ωc=0.77%。在 珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体的数量大大多于渗碳体,所以铁素体层片 要比渗碳体厚得多.在球化退火条件下,珠光体中的渗碳休也可呈粒状,这样的珠光体称为粒 状珠光体。 2.奥氏体是碳溶解在 γ 铁中形成的一种间隙固溶体,呈面心立方结构,无磁性。奥氏体是一 般钢在高温下的组织, 其存在有一定的温度和成分范围。 有些淬火钢能使部分奥氏体保留到 室温,这种奥氏体称残留奥氏体。在合金钢中除碳之外,其他合金元素也可溶于奥氏体中, 并扩大或缩小奥氏体稳定区的温度和成分范围。 例如, 加入锰和镍能将奥氏体临界转变温度 降至室温以下,使钢在室温下保持奥氏体组织,即所谓奥氏体钢。 3.托氏体是马氏体在回火时形成的,实际上是铁素体基体内分布着极其细小的碳化物(或渗 碳体)球状颗粒,在光学显微镜下高倍放大也分辨不出其内部构造,只看到其总体是一片黑 的复相组织。 11.何为第一类回火脆性和第二类回火脆性?如何消除? 答:回火脆性:在某些温度区间回火时随回火温度的升高,钢的韧性反而下降的现象,称为 回火脆性 第一类(低温)回火脆性:是指淬火钢在 250-350℃回火时出现的脆性。这种回火脆性是 不可逆的,只要在此温度范围内回火就会出现脆性,目前尚无有效消除办法。没有一个有效 的热处理方法能消除钢中这种回火脆性, 除非不在这个温度范围内回火, 也没有能够有效抑 制产生这种回火脆性的合金元素。但可以采取以下措施减轻第一类回火脆性。 ( 1 ) 降 低 钢 中 杂 质 元 素 的 含 量 ; ( 2 ) 用 Al 脱 氧 或 加 入 Nb 、 V 、 Ti 等 合 金 元 素 细 化 A 晶 粒 ; ( 3 ) 加 入 Cr 、 Si 用 等 温 Mo 、 W 等 可 以 减 轻 ; ( 4 ) 加 入 ( 5 ) 采 调 整 温 度 范 围 ( 推 向 高 温 ) ; 淬 火 代 替 淬 火 回 火 工 艺 。 第二类(高温)回火脆性:是指淬火钢在 500-650℃范围内回火后缓冷时出现的脆性。 是一种可逆性的回火脆性。 防止方法 (1)提高钢材的纯度,尽量减少杂质; (2)加入适量的 Mo、W 等有益的合金元素; (3)对尺寸小、形状简单的零件,采用回火后快冷的方法 12. 试比较共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线与连续转变曲线的异同点。TTT 与 CCT 答: 首先连续冷却转变曲线与等温转变曲线临界冷却速度不同。 其次连续冷却转变曲线位于 等温转变曲线的右下侧,且没有 C 曲线的下部分,即共析钢在连续冷却转变时,得不到贝氏 体组织。 这是因为共析钢贝氏体转变的孕育期很长, 当过冷奥氏体连续冷却通过贝氏体转变 区内尚未发生转变时就已过冷到 Ms 点而发生马氏体转变,所以不出现贝氏体转变。 13、怎样获得粒状珠光体? 答:1)片状珠光体低温退火; 2)在奥氏体+渗碳体两相区加热,或加热转变不充分,将这样的过冷奥氏体缓冷而得到粒状 珠光体; 3)马氏体或贝氏体组织的高温回火。 15、有一共析钢试样,其显微组织为粒状珠光体。同通过何种热处理工序可分别得到细片状 珠光体、粗片状珠光体和比原始组织明显细小的粒状珠光体? 通过球化退火可以得到粒状珠光体,至于其他的珠光体 可以通过等温处理来得到,而其片 层间距可以通过控制等温温度来得到,比如细片状珠光体等温温度可以控制在 600 度 粗 片状的可以控制在 650-700. 16、为了提高过共析钢的强韧性, 希望淬火时控制马氏体使其具有较低的含碳量, 并希望有 部分板条马氏体。试问如何进行热处理才能达到上述目的? 过共析钢是不可能得到板条马氏体的,智能得到针状或隐晶马氏体,为了控制其强韧性 必 须得到隐晶马氏体,不能出现大量针状马氏体。 17、如何把含碳 0.8%的碳钢的球化组织转变为? 1 ?细片状珠光体? 2 ?粗片状珠光体? 3 ?比原来组织更细的球化组织? 1.等温退火?温度较高? 2.等温退火?温度较低? 3.球化退火 18. 如何将 Wc=0.4%的退火碳钢处理成?? 1 ?在大块游离铁素体和铁素体基体上分布着细 球状碳化物?? 2 ?铁素体基体上均匀分布着细球状碳化物。 1.球化退火 2.调质球化。 19、如果在800℃ 下按照一般的奥氏体化的时间加热,那么就会造成奥氏体晶粒粗大,再次淬 火的时候,会因为奥氏体晶粒粗大,内应力过大,造成工件的开裂。一般应该先退火,再重 新淬火。 第十章 1、简述退火的目的和种类。用途? 答:目的:消除铸造、锻压、焊接的缺陷; 为机械加工提供好的组织状态; 最终热处理的 预先热处理。 1)低温退火 目的:消除铸、锻、焊及切削加工过程内应力。 2)扩散退火 目的:改善和消除在冶金过程中形成成分不均匀性 3)球化退火 主要对高碳工具钢、模具钢和轴承钢等进行,目的是改善碳化物分布,并使碳 化物球化为细小圆形颗粒分布在马氏体基体, 提高塑性和韧性, 改善切削加工性能和减少最 终热处理的变形和开裂。 2、 什么是正火?目的如何?有何应用? 答: 将铁碳合金加热到临界点以上适当温度并保持一定的时间, 然后在空气中冷却的工艺叫 正火。钢的正火目的是消除网状碳化物、改善切削性能;使铸、锻件过热晶粒细化;消除内 应力。/…/正火、退火工艺选用的原则是什么? 含 0.25%C 以下的钢,在没有其它热处理工序时,可用正火来提高强度。对渗碳钢,用正 火消除锻造缺陷及提高切削加工性能。对含碳 0.25~0.50%的钢,一般采用正火。对含 碳 0.50~0.75%的钢,一般采用完全退火。含碳 0.75~1.0%的钢,用来制造弹簧时 采用完全退火作预备热处理,用来制造刀具时则采用球化退火。含碳大于 1.0%的钢用于 制造工具,均采用球化退火作预备热处理。 3、生产中为了提高亚共析钢的强度,常用方法是提高亚共析钢中珠光体的含量,应采用什 么热处理工艺? 对于亚共析钢, 常用的热处理方法就是淬火之后进行回火, 500 度以上回火可以得到索氏 在 体+铁素体组织,这是强度和塑韧性配合比较好的一种组织,这种工艺常称为调质处理。 如果牺牲一下塑性,提高强度,那么回火温度可以降低。 4、淬火的目的是什么?常用的淬火方法有哪几种?说明它们的主要特点及其应用范围。 答:淬火的目的是为了获得马氏体或贝氏体组织。