作业答案金属.docx
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作业答案金属
作业1
1、钢中常存的杂质有哪些?
硫、磷对钢的性能有哪些影响?
钢中常存的杂质有:
Mn、Si、S、P、N、H、O等。
S能形成FeS,其熔点为989℃,钢件在大于1000℃的热加工温度时FeS会熔化,所以易产生热脆;
P能形成Fe3P,性质硬而脆,在冷加工时产生应力集中,易产生裂纹而形成冷脆。
P还具有严重的偏析倾向;但P可提高钢在大气中的抗腐蚀性能。
易削钢中S和P可改善钢的切削加工性能。
2、合金元素V、Cr、W、Mo、Mn、Co、Ni、Cu、Ti、Al中哪些是铁素体形成元素?
哪些是奥氏体形成元素?
哪些能在-Fe中形成无限固溶体?
哪些能在-Fe中形成无限固溶体?
铁素体形成元素:
V、Cr、W、Mo、Ti;
奥氏体形成元素:
Mn、Co、Ni、Cu;
能在-Fe中形成无限固溶体的元素:
Cr、V;
能在-Fe中形成无限固溶体的元素:
Mn、Co、Ni。
3、碳钢的分类及牌号表示方法。
碳钢的分类:
(1)按钢中碳含量可分为低碳钢(wC≤0.25%);中碳钢(0.25%<wC≤0.6%;高碳钢(wC>0.6%)。
(2)按钢的质量(品质)分为普通碳素钢,优质碳素钢,高级优质碳素钢,特级优质碳素钢。
(3)按钢的用途分为碳素结构钢,优质碳素结构钢,碳素工具钢,一般工程用铸造碳素钢。
(4)按钢冶炼时的脱氧程度分为沸腾钢,镇静钢,半镇静钢,特殊镇静钢。
碳钢的牌号表示方法:
(1)普通碳素结构钢
由代表屈服点的字母(Q)、屈服点数值、质量等级符号(A、B、C、D)及脱氧方法符号(F、b、Z、TZ)等四个部分按顺序组成。
Q195、Q275不分质量等级,脱氧方法符号在镇静钢和特殊镇静钢的牌号中可省略。
(2)优质碳素结构钢
一般用两位数字表示。
表示钢中平均碳的质量分数的万倍。
若钢中含锰量较高,须将锰元素标出。
沸腾钢在数字后面标“F”(08F、10F、15F),半镇静钢标“b”,镇静钢一般不标符号。
高级优质碳素结构钢在牌号后加符号“A”,特级碳素结构钢加符号“E”。
专用优质碳素结构钢还要在牌号的头部(或尾部)加上代表产品用途的符号.
(3)碳素工具钢
一般用标志性符号“T”加上碳的质量分数的千倍表示。
高级优质碳素工具钢在其数字后面再加上“A”字。
含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到0.6%,这时,在牌号的尾部标以Mn。
(4)一般工程用铸造碳素钢
用标志性符号“ZG”加上最低屈服点值-最低抗拉强度值表示。
4、指出下列各种钢的类别、符号、数字的含义、主要特点及用途:
Q235-AF、Q255-D、45、20G、T8、T12A
Q235-AF:
普通碳素结构钢,屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。
Q235含碳量低,有一定强度,用于农机具中的拉杆、小轴、链等。
也用于建筑钢筋、钢板、型钢等;
Q255-D:
屈服强度为255MPa的D级普通碳素结构钢;
Q255钢强度较高,塑性、韧性较好,可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。
45:
含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。
45钢经热处理(淬火+高温回火)后具有良好的综合机械性能,即具有较高的强度和较高的塑性、韧性,用于制作传动轴、发动机连杆、机床齿轮等。
20G:
含碳量为0.2%的优质碳素结构钢,锅炉专用钢。
T8:
含碳量为0.8%的碳素工具钢。
用于制造要求较高韧性、承受冲击负荷的工具,如小型冲头、凿子、锤子等。
T12A:
含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。
具有高硬度、高耐磨性,但韧性低,用于制造不受冲击的工具如量规、塞规、样板、锉刀、刮刀、精车刀。
5、在铁碳相图中,含有0.77%C的钢称为共析钢,如果在此钢中添加Mn或Cr元素,含碳量不变,那么这种Fe-C-Mn或Fe-C-Cr钢分别是亚共析钢还是过共析钢?
为什么?
含有0.77%C的Fe-C-Mn或Fe-C-Cr钢为过共析钢。
因为几乎所有合金元素都使Fe-C相图中S点左移,S点左移意味着共析碳含量降低。
6、常见的碳化物形成元素有哪些?
哪些是强碳化物形成元素、中强碳化物形成元素、弱碳化物形成元素?
常见的碳化物形成元素有:
Ti、Zr、V、Nb、Cr、W、Mo、Mn、Fe;
强碳化物形成元素:
Ti、Zr、Nb、V;
中强碳化物形成元素:
Mo、W、Cr;
弱碳化物形成元素:
Mn、Fe。
作业2
1、钢在加热转变时,为什么含有强碳化物形成元素的钢奥氏体晶粒不易长大?
当强碳化物形成元素以未溶K存在时,起了机械阻止奥氏体晶粒长大的作用;当强碳化物形成元素溶解在A中时,降低了铁的自扩散系数,提高了原子间结合力,同时使界面的表面张力增大。
这些综合作用阻止了奥氏体晶粒长大。
2、什么是合金钢的回火脆性?
回火脆性产生的原因及解决方法。
钢在200~350℃之间和450~650℃之间回火时,冲击韧性不但没有升高,反而显著下降的现象,称为合金钢的回火脆性。
第一类回火脆性产生的原因:
钢在200~350℃低温回火时,Fe3C薄膜在原奥氏体晶界上或马氏体板条间形成,削弱了晶界强度;
P、S、Bi等杂质元素偏聚于晶界,也降低了晶界的结合强度,与回火后的冷却速度无关。
解决方法:
1尽可能避免在形成低温回火脆性温度范围内回火;
②可选用含有可改善脆性的合金元素Mo、Ti、V、Al等的合金钢或加入Si推迟脆化温度范围。
③生产高纯钢,降低P、S等杂质元素含量。
第二类回火脆性产生的原因:
钢在450~650℃回火后缓冷的过程中杂质元素Sb、S、As等偏聚于晶界;
或N、P、O等偏聚于晶界,形成网状或片状化合物,降低了晶界强度而产生的。
解决方法:
①尽可能避免在形成高温回火脆性温度范围内回火,如不可避免,可减少回火脆性温度下停留时间或回火后快冷,一般小件用油冷,较大件用水冷;
②但工件尺寸过大时,即使水冷也难防止脆性产生,或因工件形状复杂不允许快速冷却时,可选用含Mo、W的合金钢制造;
③提高冶金质量,尽可能降低钢中有害元素的含量。
3、就Me对F的力学性能、K形成倾向、A晶粒长大倾向、淬透性、回火稳定性和回火脆性等几个方面总结下列元素的作用:
Si、Mn、Cr、Mo、W、V、Ni。
F的力学性能
K形成倾向
A晶粒长大倾向
淬透性
回火稳定性
回火脆性
Si
↑强度,↓韧性
非K形成元素
细化
↑
提高低温回稳
推迟低温回脆,↑高温回脆
Mn
↑强度、韧性
弱K形成元素
促进
↑
提高
↑
Cr
↑强度、韧性
中强K形成元素
阻碍作用中等
↑
提高
↑
F的力学性能
K形成倾向
A晶粒长大倾向
淬透性
回火稳定性
回火脆性
Mo
↑强度,↓韧性
中强K形成元素
阻碍作用中等
↑
提高
↓↓
W
↑强度,↓韧性
中强K形成元素
阻碍作用中等
↑
提高
↓
V
↑强度,↓韧性
强K形成元素
大大阻碍
↑
提高
↓
Ni
↑强度、韧性
非K形成元素
影响不大
↑
影响不大
↑
4、根据Me在钢中的作用,从淬透性、A晶粒长大倾向、韧性、回火稳定性和回火脆性等几个方面比较下列钢号的性能:
40Cr、40CrNi、40CrMn、40CrNiMo。
(1)淬透性:
40Cr<40CrNi<40CrMn<40CrNiMo
(2)回火稳定性:
40Cr<40CrNi<40CrMn<40CrNiMo
(3)A晶粒长大倾向:
40CrNiMo<40CrNi<40Cr<40CrMn
(4)韧性:
40Cr<40CrMn<40CrNi<40CrNiMo
(5)回火脆性:
40CrNiMo<40Cr<40CrMn<40CrNi
5、为什么贝氏体型普通低合金钢多采用0.5%Mo和微量B作为基本合金化元素?
(1)B型普通低合金钢中加入Me的作用是保证在较宽的冷却速度范围内获得以B为主的组织。
(2)0.3%以上的Mo能显著推迟P转变,但Mo不能完全抑制先共析F的析出。
(3)B元素是偏聚倾向较大的元素,微量的B能偏聚于A晶界,降低C原子在晶界上的偏聚浓度,所以B可以有效地抑制先共析F的析出,并且对B转变推迟较少。
(4)两者的综合作用可提高钢的B淬透性,获得B组织。
6.微合金化钢中微合金化元素的主要作用是什么?
(1)抑制A形变再结晶
应变诱导析出Nb、V、Ti的碳氮化物,沉淀在晶界、亚晶界和位错上起钉扎作用,有效地阻止A再结晶时晶界和位错的运动,从而抑制A形变再结晶。
Nb偏聚在A晶界,对再结晶晶界起拖曳作用。
(2)阻止加热时A晶粒长大
TiN或Nb(C,N)的弥散分布强烈地抑制高温下的晶粒长大。
(3)形成沉淀相促进沉淀强化作用
沉淀强化相主要是低温下析出的Nb(C,N)和VC。
(4)改变钢的显微组织
7.为什么普通低合金钢中基本上都含有不大于1.8%的Mn?
(1)Mn能强化F,有较强的固溶强化效应,1%Mn可使σs提高33MPa。
(2)Mn能降低A1温度,推迟A向P转变的温度范围,并减缓其转变速度,能细化P和F;降低TK,σs值每升高15MPa可使韧-脆转变温度下降50C。
(3)Mn使Fe-Fe3C相图中的S点左移,使基体中P数量增多,使强度↑。
因此普通低合金钢中常加入Mn元素。
(4)当Mn含量大于1.8%时,钢的塑韧性将有较大的下降。
因此Mn含量一般不大于1.8%。
作业3
1、什么是淬透性?
提高淬透性的Me有哪些?
2、为什么滚动轴承钢的含碳量均为高碳?
滚动轴承钢中常含有哪些合金元素?
它们在滚动轴承钢中起什么作用?
为什么钢中含铬量被限制在一定范围之内?
为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性,因此含碳量均为高碳。
滚动轴承钢中常用合金元素:
Cr、Si、Mn、V、Mo和RE等。
合金元素的作用:
Cr可提高钢的淬透性和降低过热敏感性以及提高钢的抗蚀性。
提高回火稳定性。
Si、Mn主要提高淬透性,Si还可提高钢的回火稳定性;
V能细化晶粒,可减轻Mn的过热敏感性;
Mo能提高回火稳定性;
RE可改善夹杂物形态、分布及细化晶粒。
当Cr>1.65%以后,则会使残余奥氏体增加,使钢的硬度和尺寸稳定性降低,同时还会增加K的不均匀性,降低钢的韧性。
所以一般控制Cr含量在1.65%以下。
3、20Mn2钢渗C后是否适合直接淬火,为什么?
不适合。
因为Mn使钢有过热倾向,在渗C时晶粒容易长大。
4、为什么ZGMn13型高Mn耐磨钢在淬火时能得到全部奥氏体组织,而缓冷却得到了大量的马氏体?
高锰钢在Acm以上温度加热后得到了单一奥氏体组织,奥氏体中合金度高(高C、高Mn),使钢的Ms点低于室温以下。
如快冷,K来不及从A中析出,就获得了单一奥氏体组织;
慢冷由于K可从奥氏体中大量析出,使奥氏体的合金度降低,Ms点上升,所以空冷时发生相变,得到了大量的马氏体。
5、在飞机制造厂中,常用18Cr2Ni4WA钢制造发动机变速箱齿轮。
为减少淬火后残余应力和齿轮尺寸的变化,控制心部硬度不致过高,以保证获得必需的冲击韧性,采用如下工艺:
将渗C后的齿轮加热到850℃左右,保温后淬入200~220℃的第一热浴中,保温10min左右,取出后立刻置于550~570℃的第二热浴中,保持1~2h,取出空冷到室温。
问:
此时钢表、里的组织是什么?
已知:
该钢的Ms=310℃,表面渗C后的Ms=80℃左右。
18Cr2Ni4WA钢渗C后在850℃左右保温后在200~220℃热浴中淬火时,心部的Ms较高,转变为低碳M,表层由于Ms点较低,仍然为过冷A组织;在550~570℃高温回火时,心部低碳M分解为回火S,表层过冷A转变为高碳M,并分布着粒状K。
因此,表层组织为高碳M+粒状K;心部组织为回火S。
作业4
1、分析比较T9和9SiCr:
(1)为什么9SiCr钢的加热温度比T9钢高?
(2)直径为Φ30~40mm的9SiCr钢在油中能淬透,相同尺
寸的T9钢能否淬透?
为什么?
(3)T9钢制造的刀具刃部受热到200~2500C,其硬度和耐磨性已迅速下降而失效;9SiCr钢制造的刀具,其刃部受热到230~2500C,硬度仍不低于60HRC,耐磨性良好,还可正常工作,为什么?
(4)为什么9SiCr钢适宜制作要求变形小、硬度较高和耐磨性较高的圆板牙等薄刃工具?
(1)Si和Cr都是封闭γ相区的元素,使Acm温度升高;Cr元素形成的合金渗碳体较稳定,淬火加热时要较高的温度才能溶解;因此9SiCr钢的加热温度比T9钢高。
(2)不能淬透。
因为9SiCr钢中的Si、Cr提高了钢的淬透性,而T9钢的淬透性较低,所以不能淬透。
(3)由于Si能有效地提高钢的低温回火稳定性,Cr也可提高钢的回火稳定性,9SiCr钢在230~2500C回火后,硬度仍然大于60HRC。
(4)9SiCr钢的淬透性较高,回火稳定性较好,K细小、均匀,使用时不容易崩刃;通过分级或等温处理后,变形较小;因此适宜制作要求变形小、硬度较高和耐磨性较高的圆板牙等薄刃工具。
3、高速钢每次回火为什么一定要冷到室温再进行下一次回火?
为什么不能用较长时间的一次回火来代替多次回火?
高速钢中合金元素的含量较高,淬火后残余A的合金度高,使Ms点大大降低。
残余A稳定性大,在回火加热过程中不分解。
在500~600℃保温时也仅从中析出合金碳化物,使残余A合金度有所降低,使Ms点升高,冷到室温时部分残余A发生M转变。
一次回火后,残余A的量减少到10%左右,但还需要进一步降低残余A的量,并且要消除回火时新产生M引起的内应力,所以高速钢一般需要在560℃左右三次回火。
3、高速钢(W18Cr4V)的A1点温度在8000C左右,为什么常用的淬火温度却高达1260~12900C?
4、高速钢中合金元素有什么作用?
作业5
1、为什么Cr12型冷作模具钢不是不锈钢,而9Cr18为不锈钢?
Cr提高耐蚀性的作用符合n/8定律。
按照n/8定律,1/8值的最低Cr含量应为11.7%质量比。
因为有一部分Cr要和C形成K,并不存在于固溶体中,所以Cr含量应提高到13%质量比,且随着C含量的增加,钢中的Cr含量也要相应地增加。
Cr12型冷作模具钢中Cr含量低于13%,不满足n/8定律所需的最低Cr含量,因此不是不锈钢。
2、说明18-8型A不锈钢产生晶界腐蚀的原因及防止办法。
晶间腐蚀产生的原因
(1)由钢中的碳引起的。
在550-800℃范围内停留,在晶界上析出连续网状的Cr23C6引起晶界周围基体产生贫碳区。
(2)σ相在晶界析出也会造成晶间腐蚀。
(3)N>0.16%,沿晶界析出Cr2N,增加晶间腐蚀倾向。
(4)在氧化性介质中,奥氏体不锈钢经固溶处理也会发生晶间腐蚀。
消除晶间腐蚀的方法
(1)在敏化温度范围长期加热,通过铬的扩散消除贫铬区。
(2)降低奥氏体不锈钢中的碳含量。
C≤0.03%,没有晶间腐蚀发生。
(3)加入强碳化物形成元素Ti和Nb,形成稳定的TiC或NbC。
(4)钢中有10-50%体积的δ铁素体,可改善奥氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向。
作业6
1、说明下列铸铁牌号的类别、符号和数字的含义、组织特点。
HT150、HT250、KTH350—10、QT450—10、QT700—2
HT150:
灰铸铁,HT表示灰铁的汉语拼音的第一个大写字母,150表示抗拉强度为150MPa,基体为F+P,石墨为片状。
HT250:
灰铸铁,HT表示灰铁的汉语拼音的第一个大写字母,250表示抗拉强度为250MPa,基体为P,石墨为片状。
KTH350—10:
黑心可锻铸铁,KTH表示可锻铸铁黑心的汉语拼音的第一个大写字母,350表示抗拉强度为350MPa,10表示伸长率为10%。
基体为F,石墨为团絮状。
QT450—10:
F球墨铸铁,QT表示球铁的汉语拼音的第一个大写字母,450表示抗拉强度为450MPa,10表示伸长率为10%。
基体为F,石墨为球状。
QT700—2:
P球墨铸铁,QT表示球铁的汉语拼音的第一个大写字母,700表示抗拉强度为700MPa,2表示伸长率为2%。
基体为P,石墨为球状。
2、C、Si、Mn、P、S对铸铁石墨化有什么影响?
为什么三低(C、Si、Mn低)一高(S高)的铸铁易出现白口?
C、Si都是强烈促进石墨化的元素,且随C、Si含量增加,能减少白口倾向,易形成石墨。
但C、Si过多,形成的G较粗大,金属基体中F含量增加,会降低铸铁的强度性能。
P是促进石墨化的元素,但作用不如C强烈。
Mn是阻碍石墨化的元素,主要阻碍石墨化的第二阶段,如果含Mn量过多,则会阻碍石墨化的第一阶段,增加Fe3C析出的可能性。
S促进白口铸铁的元素,而且降低铁水的流动性,恶化铸造性能,增加铸件缩松缺陷。
因此,S是一个有害元素,其含量应控制在0.15%以下。
C、Si是强烈促进石墨化的元素,且随C、Si含量增加,能减少白口倾向,易形成石墨。
Mn虽然是阻碍石墨化的元素,但Mn能与S结合生成MnS,削弱S的有害作用,而S促进白口铸铁的元素。
C、Si含量低不利于石墨化,Mn含量低不能抵消S的有害作用。
故三低(C、Si、Mn低)一高(S高)的铸铁易出现白口。
3、铸铁中的碳有几种存在形式?
铸铁中的金属基体有哪几种?
铸铁中的石墨形态有几种?
铸铁中的C主要有如下三种分布形式:
①溶于铁晶格的间隙中,形成间隙固溶体,如F、A;
②与Fe生成化合物,如Fe3C;
2以游离的石墨形式析出。
铸铁中的金属基体有F、F+P、P三种。
铸铁中的石墨形态有片状、球状、蠕虫状和团絮状四种。
4、灰口铸铁件薄壁处,常出现高硬度层,机加工困难,请说明产生的原因。
薄壁处的冷却速度快,有利于形成Fe3C白口组织,Fe3C为硬脆相,因此机加工困难。
作业7
1、铸造铝合金(如Al-Si合金)为何要进行变质处理?
铸造铝合金的成分处于共晶点附近,Al-Si合金的共晶组织中硅晶体呈粗针状或片状,过共晶合金中还有少量呈块状的初生硅,这种共晶组织塑性较低,需要细化组织,一般采用变质处理来改变共晶硅的形态。
2、以Al-Cu合金为例,说明时效硬化的基本过程及影响时效硬化过程的因素。
铝合金时效时,随温度的不同和时间的延长,新相的形成和析出经历以下几个阶段,从而使硬度发生变化:
1)形成铜原子富集区:
为G.P.区,导致点阵畸变,因而硬度提高。
2)形成Cu原子富集区有序化:
Cu原子有序化,形成θ'',它与基体仍然完全共格,产生的畸变比G.P.更大,并且随θ''的长大,共格畸变区进一步扩大,对位错的阻碍也进一步增加,因此图中硬度进一步上升。
3)形成过渡θ〃相:
过渡相θ〃成分接近CuAl2,由完全共格变成部分共格,共格畸变开始减弱,因此图中硬度开始下降。
4)形成稳定θ相:
过渡相θ〃完全从基体中脱溶,形成稳定的θ相成分为CuAl2,共格畸变作用完全消失,故图中硬度进一步下降。
3、不同铝合金可通过哪些途径达到强化目的?
铸造铝硅合金可通过变质处理达到强化的目的。
能热处理强化的变形铝合金可利用时效强化(固溶处理后时效处理)达到强化目的。