工程材料3,4章作业

工程材料作业

第三章

1.简述等温转变动力学曲线（C曲线）的意义和应用。

答：意义：（1）钢件热处理后的性能在很大程度上取决于冷却时A转变产物类型和形态；（2）转变温度及冷却速度不同，过冷奥氏体将按不同机理转变成不同组织（P、B、M）；（3）通过研究不同冷却条件下钢中A组织的转变规律对于正确制定热处理工艺、合理选材有重要的实际意义。

应用：

（1）等温淬火：将加热到淬火温度的零件淬入350℃至MS点之间的恒温槽中，长时间等温，可得到下贝氏体；

（2）等温退火：用于合金钢锻、铸件，以消除冷却时形成的巨大应力。操作时将零件加热到完全退火的高温区域，再冷却到A→P区域等温，使发

生P转变。

（3）形变热处理：形变热处理将合金钢加热到两条C曲线中间的A稳定区域变形，可提高缺陷密度及材料强度。

（4）定性解释连续冷却的奥氏体转变过程。

2.什么是贝氏体、珠光体和马氏体？其性能和组织有何特点？

答：珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物。

贝氏体：碳过饱和的铁素体和细小碳化物的混合物。

马氏体：碳在α-Fe中的过饱和间隙固溶体。

性能特点：

珠光体：韧性较大，珠光体团直径和片层间距越小，强度越高，塑性也大。

而亚晶粒越细，晶体点阵畸变越大，则所得珠光体强度越高。

贝氏体：韧性、强度和硬度介于珠光体和马氏体之间，下贝氏体综合性能更好，因为下贝氏体中，较小的碳化物不易形成裂纹，即使形成，其扩展也将受到大量弥散碳化物和位错的阻止。贝氏体适用于强度要求不太高又需要有一定韧性的场合。

马氏体：高强度、高硬度，其硬度在一定范围内随C含量的增加而升高。相对而言，板条型马氏体具有较好的韧性，因此板条状马氏体相对片状马氏体机械综合性能好。

组织特点：

珠光体组织形态：主要为片状珠光体，即是由一片铁素体和一片渗碳体交替堆叠而成。片层方向大致相同的区域构成“珠光体团”。一个原奥氏体晶粒内部往往有多个“珠光体团”，同一“珠光体团”内片层取向基本相同。在珠光体形成的温度区间内，过冷度越大，则珠光体片层间距越小。

贝氏体组织形态：主要分为上贝氏体和下贝氏体。

（1）上贝氏体为是渗碳体分布于条状铁素体之间，显微镜下整体形貌呈羽毛状，又称羽毛状贝氏体。

（2）下贝氏体是渗碳体以细小颗粒分布于针状铁素体的内部，显微镜下整体形貌呈针状组织。

马氏体组织形态：主要分为板条状马氏体和针状马氏体。

（1）针状马氏体：即为高碳马氏体，主要是在高碳钢和低碳合金钢中，显微形貌呈针状。

（2）板条马氏体：即为低碳马氏体，主要是在低碳钢和低碳合金钢中，显微形貌呈现板条状。

3.为什么要对钢件进行热处理？

答：通过热处理可以改变钢的组织结构，从而改善钢的性能。热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀。

4.淬火的目的是什么？常用的淬火操作有哪几种？指出各种淬火操作在应用和材料组织结构上的异同点。

答：淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。

常用的淬火操作有：单液淬火法、双介质淬火法、分级淬火法、等温淬火法。

单液淬火法：这种方法操作简单，容易实现机械化，自动化，如碳钢在水中淬火，合金钢在油中淬火。但其缺点是不符合理想淬火冷却速度的要求，水淬容易产生变形和裂纹，油淬容易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。适合于小尺寸且形状简单的工件。

双介质淬火法：采用先水冷再油冷的操作。充分利用了水在高温区冷速快和油在低温区冷速慢的优点，既可以保证工件得到马氏体组织，又可以降低工件在马氏体区的冷速，减少组织应力，从而防止工件变形或开裂。适合于尺寸较大、形状复杂的工件。

等温淬火法：它是将加热的工件放入温度稍高于M s的硝盐浴或碱浴中，保温足够长的时间使其完成B转变。等温淬火后获得B下组织。下贝氏体与回火马氏体相比，在碳量相近，硬度相当的情况下，前者比后者具有较高的塑性与韧性，适用于尺寸较小，形状复杂，要求变形小，具有高硬度和强韧性的工具，模具等。

分级淬火法：它是将加热的工件先放入温度稍高于M s的硝盐浴或碱浴中，保温2～5min，使零件内外的温度均匀后，立即取出在空气中冷却。这种方法可以减少工件内外的温差和减慢马氏体转变时的冷却速度，从而有效地减少内应力，防止产生变形和开裂。但由于硝盐浴或碱浴的冷却能力低，只能适用于零件尺寸较小，要求变形小，尺寸精度高的工件，如模具、刀具等。

5．回火的目的是什么？常用的回火操作有哪几种？

答：回火的目的是降低淬火钢的脆性，减少或消除内应力，使组织趋于稳定并获得所需要的性能。

常用的回火操作有低温回火、中温回火、高温回火。

6．试分析各种回火操作在应用和材料组织结构上的异同点。

答：低温回火得到的组织是回火马氏体。内应力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。这种回火主要应用于高碳钢或高碳合金钢制造的工、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般为HRC 58-64。

中温回火后的组织为回火屈氏体，硬度HRC35-45，具有一定的韧性和高的弹性极限及屈服极限。这种回火主要应用于含碳0.5-0.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。

高温回火后的组织为回火索氏体，其硬度HRC 25-35，具有适当的强度和足够的塑性和韧性。这种回火主要应用于含碳0.3-0.5% 的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件，如轴、连杆、螺栓等。

7.简述退火、正火、淬火和回火对组织结构影响和特点？

答：退火:调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。消除内应力，防止加工中变形。细化晶粒，为最终热处理作组织准备。

正火：亚共析钢为F+S，共析钢为S，过共析钢为S+二次渗碳体，且为不连续。使晶粒细化和碳化物分布均匀化，在于使晶粒细化和碳化物分布

均匀化。

淬火：使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、

疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要

求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物

理、化学性能。

回火：消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；稳定组织与尺寸，保证精度；

改善和提高加工性能。

8.简述金属镀层和涂层在工艺和应用方面的异同点？

答：相同点：都是常用的钢的表面处理方法，能提高金属表面的各种物性。

不同点：

镀层：可以通过电镀，化学镀以及复合镀等方法获得，即通过化学方法使金属附着于基体表面，形成保护层。应用于提高钢件表面的各种物化性

能和改善外观，赋予表面耐腐蚀性、耐磨性、装饰性以及其他特性。

涂层：形成金属涂层的方法主要有热浸镀、热喷涂、堆焊,即将金属通过物理方法涂于基体表面，形成保护层。广泛应用于提高钢件性能和使用

寿命，防止大气或其他介质对金属制品的腐蚀，提高金属材料的耐蚀

性、耐热性；其次多用于磨损件的修复，达到节约金属材料和提高耐

磨性的目的。

9.电镀、化学镀和复合镀在工艺和应用方面的有什么异同点？

答：电镀采用直流电源和相应的镀液，钢件在电镀槽中作为阴极，待镀金属为阳极，特殊情况下阳极用惰性材料制作。镀液中除了含有待镀金属离子外，还有添加剂如络合剂、导电盐。整平剂等。化学镀镀槽中不施加电流，利用镀液中的还原剂如次磷酸钠、甲醛、肼将金属离子还原沉积在钢件表面成为镀层。与电镀比较，化学镀的镀层致密均匀；并且由于没有电镀那样的电流屏蔽问题，由此可以在形状复杂的工件表面沉积出厚度均匀的镀层；但是化学镀因为镀液稳定性较差、循环使用寿命短，因此镀层成本明显高于电镀。化学镀应用比较广泛的品种主要是Ni-P以及Co、Cu。在适当的电镀或者化学镀溶液中加入经过预处理的固体微粒如SiC、BC、PTFE、石墨等，搅拌悬浮使之与金属共沉积，获得微粒弥散分布的复合镀层。常常用于耐磨层、减摩层和功能性镀层。

10.堆焊和热喷涂在工艺和应用上分别有何优缺点？

答：堆焊就是用焊接的方法把填充金属熔覆在钢件基体表面，使之获得某些特殊物化性能和尺寸，堆焊层与基体有牢固的冶金结合。对焊机书友四种类型：包覆层堆焊、耐磨层堆焊、堆积层堆焊和隔离层堆焊。堆焊技术发展初期只

是单纯的恢复钢件尺寸，现在堆焊已发展成为重要的机械制造和维修手段，赋予钢件表面以高的耐磨性、抗疲劳性、耐热性和耐蚀性等特性。堆焊的方法主要有氧-乙炔焰堆焊、手工电弧堆焊、熔化极气体保护堆焊、埋弧堆焊、等离子弧堆焊和电渣堆焊。

热喷涂使用电弧、离子弧或燃烧火焰的高温将金属粉末或金属丝熔融，同时利用气流使之高速雾化，并使雾化的金属熔滴喷向钢件基体，冷凝后形成结合层。热喷涂几乎可以喷涂所有材料，如金属、陶瓷、石墨、硬质合金以及塑料，形成的涂层具有耐磨、耐蚀、抗氧化、减摩等性能。热喷涂施工方便、效率高。钢件的尺寸和形状不受限制，因此在各个工业部门广泛应用于提高钢件的性能和使用寿命，修复废旧零件。

第四章

1.如何解释Si和Mn强化铁素体的作用大于Cr和Mo？

答：因为Si为非碳化元素，Mn为弱碳化物形成元素，两者主要溶于铁素体之中，而Cr和Mo为中等碳化物形成元素，只能部分溶于铁素体之中。

2.就Si和Mn在合金中的作用说明合金元素的含量对钢材性能的影响。

答：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15—0.30%的硅。

如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0—1.2%的硅，强度可提高15—20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1—4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。优点：(1)提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低。(2) 硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比,这是一般弹簧钢。 (3)耐腐蚀性。硅的质量分数为 15%- 20%的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层 SiO2 薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。缺点：使钢的焊接性能恶化。

在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30—0.50%。

在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”。较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn 钢比A3屈服点高40%。含锰11—14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。优点：（1）锰提高钢的淬透性。（2）锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。（3）锰对钢的高温瞬时强度有所提高。缺点：（1）含锰较高时，有较明显的回火脆性现象。（2）锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感，在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服。（3）当锰的质量分数超过1%时，会使钢的焊接性能变坏。（4）锰会使钢的耐锈蚀性能降低。

3.合金元素在奥氏体化和淬火的热处理中发生着什么样的作用？

答：①阻碍奥氏体的晶粒长大：几乎所有的合金元素（除锰以外）都能减缓钢的、奥氏体化过程、阻止奥氏体晶粒的长大，尤其是碳化物形成元素钛、钒、钼、钨、铌、锆等。在元素周期表中，这些元素都位于铁的左侧，越远离铁，越易形成比铁的碳化物更稳定的碳化物，如TiC、VC、MoC等，这些碳化物在加热时很难溶解，能强烈地阻碍奥氏体晶粒的长大。因此，合金钢在淬火时，应相应地提高加热温度或延长保温时间，才能保证奥氏体化过程的充分进

行，并且与相应的碳钢相比，在同样加热条件下，合金钢的组织较细，机械性能更高。

②提高淬透性：大多数合金元素（除钴以外）当它们溶解于奥氏体中以后，

都能提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线位置右移，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬透性。

4合金元素在钢淬火后的回火处理中有什么作用?

答：（1）提高钢的回火稳定性

合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的析出与聚集。当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温度高。如果同温度回火，合金钢硬度比碳钢高。

（2）阻止碳化物析出及聚集长大

含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时残余奥氏体转变为回火马氏体,使硬度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化。

5、合金中的杂质元素在热处理中是怎样影响合金性能的？

答：（1）锰杂质的影响

锰杂质一般是随着炼钢脱氧剂带入，锰与硫的结合力较强，生成的MnS夹杂在钢中，影响钢的性能。

（2）硅杂质的影响

硅杂质一般是随着炼钢脱氧剂带入，硅与氧的结合力较强，生成的SiO2夹杂在钢中，影响钢的性能。

（3）硫杂质的影响

硫与铁常常是共生矿，钢铁中的硫是炼钢中没有能够除尽的杂质，硫难溶于铁，生成的FeS分布在奥氏体晶界，使钢材在1000℃左右热轧时产生热脆，导致开裂。硫与其它杂质形成的夹杂物常导致钢材开裂。硫还容易使焊缝热脆，并使焊缝产生气孔和裂纹。但是，在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。

（4）磷杂质的影响

磷是炼钢难以除尽的杂质，它固溶在铁素体中，显著降低钢的塑性和韧性，尤其是低温韧性，使钢材脆性增加，称为冷脆。磷使钢产生偏析影响焊接性能。

6、合金元素与碳和铁的作用有何异同点、对合金性能的影响有何异同点？

答：不同点是：

与碳的作用分为两种：非碳化物形成元素：Si、Ni、Cu、Al、Co等，它

们在钢中不能与碳形成化合物，主要固溶于铁素体之中；碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe，它们部分固溶于铁素体中，部分与

碳化合成为碳化物。

与铁的作用：几乎所有合金元素都可以与铁作用形成合金铁素体（如Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W等）或合金奥氏体（如C、N、Cu、Mn、Ni、Co等）。

除了C、N、B与铁形成间隙固溶体外，其它合金元素均与铁形成置换固溶体。

相同点是：

都是溶于铁或碳中形成固溶体或者金属间化合物在不同程度上提高固溶体的强度和硬度，降低冲击韧性等提高合金的性能。

性能影响上：

不同点：

碳钢性能上有很多不足，特别是淬透性低，强度和屈强比低，回火稳定性差，在抗高压耐腐蚀，耐高、低温和耐磨方面较差。合金钢是强化铁素体，细化晶粒，提高淬透性、回火抗力和耐蚀性。防止高温回火脆性和改善加工性能。相同点：都是起到改善铁的使用和加工性能。以满足生产使用要求。