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韧性指标主要有冲击韧性、断裂韧性。
冲击韧性——表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
工程上常用ak来表征。
(即用一次摆锤冲击弯曲试验来测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak,单位为焦耳(J)。
而用试样缺口处的截面积F去除Ak,可得到材料的冲击韧度(冲击值)指标,即ak=Ak/F,其单位为kJ/m2或J/cm2。
)
断裂韧性——指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量,工程上常用裂纹尖端应力场强度因子的临界值KIC来表征。
因此,上述两种韧性的实用意义是不同的,应用于不同的场合。
6、分析各种硬度实验方法的原理及适用性。
硬度——表示材料抵抗外物压入的能力。
工程上常用HB、HRC、HV来表征。
布氏硬度HB:
采用一定直径D(mm)的淬火钢(或硬质合金)球为压头,施加一定的载荷P(一般3000kg)压入材料表面,保持规定时间,卸除载荷,测量压痕平均直径d(mm),负荷与其压痕球面面积之比值即为布氏硬度值。
布氏硬度(HB)一般用于材料较软的时候,如有色金属、热处理之前或退火后的钢铁。
布式硬度压痕较大,测量值准确,不适用成品和薄片,一般不归于无损检测一类。
当HB>
450或者试样过小时,不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。
洛氏硬度HRC:
采用一个顶角120°
的金刚石圆锥体为压头,在一定载荷(150kg载荷)下压入被测材料表面,由压痕的深度求出材料的硬度。
以0.002毫米作为一个硬度单位。
洛氏硬度(HRC)一般用于硬度较高的材料,如淬火钢等。
适用范围HRC20-67,相当于HB225-650。
洛式硬度压痕很小,测量值有局部性,须测数点求平均值,适用成品和薄片,归于无损检测一类。
维氏硬度HV:
采用顶角为136°
的金刚石方形锥为压头,在一定载荷(120kg以内)下压入被测材料表面,用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值,即为维氏硬度值(HV)。
维氏硬度(HV)测量值准确,适用于科学研究,能够测量极薄材料和显微硬度。
第三章金属的结构
1、试解释下列名词:
2、α-Fe、Al、Cu、Zn各属何种晶体结构?
α-Fe—bcc;
Al—fcc;
Cu—fcc;
Zn—hcp。
3、画出体心立方、面心立方和密排六方晶体中原子排列最密的晶面和晶向
4、实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷?
举例说明它们对性能有哪些影响?
点缺陷——空位、置换原子、间隙原子;
线缺陷——位错(刃型、螺型);
面缺陷——晶界、亚晶界、表面。
晶体缺陷对晶体的性能有很大影响。
特别是对那些结构敏感的性能,如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等;
另外晶体缺陷还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有密切关系。
如:
晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断地产生与复合才不停地由一处向另一处运动,这就是晶体中原子的自扩散,是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等物理化学过程的基础。
面缺陷处原子的扩散能力强,因此面缺陷对固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等物理化学过程有影响。
对电阻率、磁导率等物理性能有强烈的影响。
又如:
金属的塑性变形是借助位错的运动实现的,因此金属的强度与塑性等力学性能均与位错有密切关系。
任何阻碍位错运动的因素可能提高金属的强度,晶界阻碍位错的运动引起位错的塞积,晶粒细化可以提高多晶体金属的强度。
异类合金原子(以置换原子、间隙原子存在)与位错交互作用会引起固溶强化效应;
间隙原子和位错的交互作用是形成金属屈服现象的重要原因。
5、在常温下,已知铜的原子直径为2.55×
10-10m,求铜的晶格常数。
常温下铜为fcc结构,原子直径2d=21/2a,a=3.61×
10-10m
6、什么是过冷度?
为什么金属结晶时一定要有过冷度?
实验证明,纯金属液体被冷却到熔点Tm(理论结晶温度)时保温,无论保温多长时间结晶都不会进行,只有当温度明显低于Tm时,结晶才开始。
也就是说,金属要在过冷(Undercooled)的条件下才能结晶。
理论结晶温度与实际结晶温度的差值即为过冷度。
从结晶热力学分析:
结晶驱动力为体系的自由能差ΔG≤0,结晶阻力为结晶出的新生液固界面能。
当温度T>
Tm时,ΔG>
0,液相稳定;
当温度T=Tm时,ΔG=0,液固平衡状态;
当温度T<
Tm时,ΔG<
0,
固相稳定。
因此,只有当T<
Tm时,体系才获得可以克服其结晶阻力的驱动力。
7、过冷度与冷却速度有什么关系?
它对金属结晶后的晶粒大小有什么影响?
液态金属的冷却速度越快,结晶所需的过冷度越大。
过冷度△T↑,N↑↑,G↑——N/G增大,晶粒细化。
8、列举几种实际生产中采用的细化铸造晶粒的方法。
①提高过冷度:
过冷度△T↑,N↑↑,G↑——N/G增大,晶粒细化;
②变质处理:
在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心,以细化晶粒和改善组织。
③振动,搅拌等
9、试分析比较纯金属、固溶体、共晶体三者在结晶过程和显微组织上的异同点。
结晶过程
固体显微组织
同
异
纯金属
均为形核、长大过程
平面长大;
恒温过程;
结晶出一个固相。
固溶体
树枝状长大;
变温过程;
结晶出一个固相;
两相区内(结晶温度区间内),温度一定,两相成分确定(随温度变化);
两相组成比例一定。
树枝晶
共晶体
结晶出两个固相;
结晶时三相共存,有确定的三相成分和比例。
两相相间混合的共晶体
第四章金属的塑性变形
1、解释下列名词:
(略)
2、再结晶晶粒大小和哪些因素有关。
①温度:
T↑—D↑—↑晶界迁移—晶粒长大↑;
②预变形度:
预变形度<临界变形度时,无明显影响
预变形度=临界变形度时,再结晶将出现异常粗大晶粒
预变形度>临界变形度时,预变形度↑—再结晶驱动力↑—再结晶形核率↑—晶粒尺寸↓,
当预变形度很大时,出现形变织构,再结晶将出现异常粗大晶粒。
3、未进行冷变形的金属加热时,能否发生回复和再结晶,为什么?
未进行冷变形的金属加热时,不发生回复和再结晶。
因为回复和再结晶的驱动力是金属变形储存能(晶格畸变能),未进行冷变形的金属不存在再结晶的驱动力。
4、金属塑性变形后组织和性能有哪些变化?
①晶粒形貌及结构变化——晶粒变形(拉长或压扁)形成纤维组织(组织),出现各向异性;
形变↑→位错密度↑(106→1011-12)→位错缠结→胞壁→亚晶,形成形变亚结构。
②形变织构产生——金属塑性变形到很大程度(70%)时,由于晶粒发生转动,使各晶粒的位向趋于一致,形成特殊的择优取向,即形变织构产生,出现各向异性。
加工硬化(形变硬化)——随着变形度的增加,位错大量增殖→位错相互作用→位错运动阻力加大→变形抗力↑→其强度、硬度提高,塑性、韧性下降。
形成残余内应力(第一类、第二类、第三类)
5、在热加工过程中,金属能否产生加工硬化?
试分析原因。
在热加工过程中,金属塑性变形与金属动态再结晶过程同时进行,金属不产生加工硬化。
6、为何细晶粒钢强度高,塑性、韧性也好?
晶粒小→晶界面积大→变形抗力大→强度大;
晶粒小→单位体积晶粒多→变形分散→相邻晶粒不同滑移系相互协调;
晶粒小→晶界多→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑性变形。
因此晶粒细化→强度、硬度提高,塑性、韧性提高;
细晶粒钢强度高,塑性、韧性也好。
7、与单晶体相比,多晶体塑性变形有何特点?
与单晶体相比,多晶体塑性变形还要受晶界和晶粒位向的影响。
晶界一方面是滑移的主要障碍;
另一方面通过晶界自身变形→协调变形→以维持相邻晶粒变形保持连续;
因此导致细晶强化。
处于不同位向的晶粒,作用在滑移面上的切应力不同,只有滑移面上的切应力大于临界切应力的晶粒能够变形;
同时变形的晶粒发生转到,导致变形的晶粒及其相邻晶粒位向的改变,达到可变形晶粒的位向条件,分批进行变形。
8、试画出体心立方、面心立方和密排六方晶体的一组滑移系,并分析其对金属塑性的影响。
滑移系数目↑,材料塑性↑;
滑移方向↑,材料塑性↑,(滑移方向的作用大于滑移面的作用)。
因此FCC和BCC的滑移系为12个,HCP为3个;
FCC的滑移方向多于BCC。
金属塑性:
Cu(FCC)>Fe(BCC)>Zn(HCP)
9、已知钨和铅的熔点分别为3380˚C和327˚C,试问钨在1100˚C加工、铅在室温加工各为何种加工?
纯金属的再结晶温度:
TR=0.4-0.35Tm(K)
钨的再结晶温度:
钨TR=0.4-0.35Tm(K)=1461-1278(K);
钨在1100˚C加工为冷加工
铅的再结晶温度:
铅TR=0.4-0.35Tm(K)=240-210(K);
铅在室温加工为冷加工
10、滑移的本质是什么?
试分析低碳钢塑性变形后及再结晶退火后性能变化的原因。
滑移的本质是滑移面上位错的运动。
低碳钢塑性变形后会出现加工硬化,即强度、硬度提高,塑性、韧性下降,是因为随着变形度的增加,位错大量增殖→位错相互作用→位错运动阻力加大→变形抗力↑;
经再结晶退火后,低碳钢加工硬化消除力学性能恢复,即强度、硬度下降,塑性、韧性提高,是因为无形变的再结晶晶粒的形成,位错密度大幅度降低→变形抗力↓;
但再结晶退火后低碳钢的强度、硬度、塑性、韧性均高于塑性变形前的低碳钢,是因为再结晶退火后形成的再结晶晶粒小于塑性变形前的晶粒,细晶强化作用造成强度、硬度、塑性、韧性的提高。
第五章铁碳合金相图及钢的热处理
2、现有两种铁-碳合金,其中一种合金的显微组织中珠光体量占75%,铁素体量占25%;
另一种合金的显微组织中珠光体量占92%,二次渗碳体量占8%。
这两种合金各属于哪一类合金?
其含碳量各为多少?
第一种合金属于亚共析钢,P%=(X-0.0218)/(0.77-0.0218)=75%,求出X=0.54,含碳量为0.54%。
第二种合金属于过共析钢,P%=(6.69-X)/(6.69-0.77)=92%,求出X=1.24,含碳量为1.24%。
3、
现有形状、尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金,它们的碳含量分别为0.2%,0.4%,1.2%,3.5%的合金。
根据你所学的知识,可有哪些方法区别它们?
测量四块合金的硬度,其硬度随含碳量增加而升高。
观察四块合金的金相,0.2%和0.4%的合金均为亚共析钢,其组织为珠光体+铁素体,珠光体的量随含碳量增加而增加;
1.2%的合金为过共析钢,其组织为珠光体+二次渗碳体;
3.5%的合金为亚共晶白口铁,其组织为珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体。
观察四块合金与砂轮磨出的火花,随着含碳量的增加,流线数量和爆花数量都急剧增多,碳含量超过0.8%以后,增多的趋势逐渐缓和。
4、根据铁碳相图解释下列现象:
1)含碳量1.0%的钢比含碳量0.5%的钢硬度高;
钢由较软的铁素体和较硬的渗碳体组成,随着含碳量的提高,钢中渗碳体的量提高,因此硬度提高。
2)在室温平衡状态下,含碳量为0.8%的钢比含碳量为1.2%的钢强度高;
钢的强度是典型的对组织敏感的性能指标,细密相间的两相组织珠光体具有较高的强度,因此提高珠光体的比例可改善钢的强度,而连续分布在原奥氏体晶界上的二次渗碳体将降低钢的强度。
0.8%的钢中珠光体的比例高于1.2%的钢,同时1.2%的钢含有更多的二次渗碳体,故0.8%的钢比1.2%的钢强度高。
3)室温下莱氏体比珠光体塑性差;
室温下莱氏体Fe3C+P,即珠光体分布渗碳体相的基底上,而渗碳体基底的脆性极大,莱氏体表现为脆性的,几乎不能塑性变形。
5、奥氏体晶粒大小受哪些因素影响?
a.加热工艺:
加热温度↑,保温时间↑,→晶粒长大↑
b.钢的成分——合金化:
C%:
奥氏体中C%↑→晶粒长大↑;
但碳化物%↑→晶粒长大↓
碳化物形成元素:
细化晶粒→本质细晶钢
Mn、P促进长大
6、研究奥氏体晶粒大小有何意义?
将含碳量分别为0.2%和0.6%的碳钢加热到860℃,保温相同时间,使奥氏体均匀化,问哪一种钢奥氏体晶粒易粗大?
为什么?
晶粒大小对材料的性能有很大影响,细小的晶粒可改善材料的强度、韧性和塑性,细晶强化是钢强韧化的重要手段。
0.2%和0.6%的碳钢加热到860℃,均为完全奥氏体化,其奥氏体中的含碳量分别为0.2%和0.6%,由于奥氏体中C%↑→晶粒长大↑,故含碳量为0.6%的碳钢奥氏体晶粒易粗大。
7、述P、S、T、B上、B下、M的形态特征
P、S、T——铁素体和渗碳体相间分布呈层片状,片层间距P>S>T;
B上——碳化物分布在过饱和碳的铁素体片间呈羽毛状;
B下——碳化物分布在针状的过饱和碳的铁素体片上;
M——低碳M呈板条状,高碳M呈针状(竹叶状)
8、试比较S和S’、M和M’在形成条件、金相形态与性能上的主要区别。
形成条件
金相形态
性能特点
S
正火
铁素体和渗碳体相间分布呈细层片状
S’的强度、硬度、韧性、塑性均高于S
S’
淬火+高温回火
细小弥散的渗碳体粒分布在铁素体基体(等轴晶)上
M
淬火
低碳M呈板条状,高碳M呈针状(竹叶状)
M’保持了M的高硬度,同时降低了M的脆性及残余应力。
M’
淬火+低温回火
亚稳定的ε-Fe2.4C碳化物分布于过饱和的α’(板条或针状)上
9、分级淬火与等温淬火的主要区别是什么?
举例说明它们的应用。
分级淬火——将加热的工件先放入温度稍高于马氏体转变温度点的盐浴和碱浴中,保温2-5分钟,待其表面与心部的温度均匀后,立即取出在空气中冷却,使之发生马氏体转变。
该法可有效减少内应力,防止变形和开裂。
等温淬火——将加热的工件放入温度稍高于Ms点的硝盐浴或碱浴中,保温足够长的时间使其完成贝氏体转变,获得下贝氏体组织。
此法适用于尺寸较小,形状复杂,要求变形小,处理后具有高硬度和强韧性的塑性和韧性。
其主要区别在于前者以获得马氏体为目的,后者以获得下贝氏体为目的;
因此后者再硝盐浴或碱浴中保温时间较长。
10、说明淬火钢回火的必要性和可能性。
必要性——淬火组织的问题:
a.消除淬火应力,降低脆性
b.稳定工件尺寸,由于M,残余A不稳定
c.获得要求的强度、硬度、塑性、韧性。
可能性——淬火组织不稳定,回火可引起组织转变,改善上述淬火组织的问题
a.马氏体分解(200℃以下):
析出亚稳定ε-Fe2.4C碳化物,形成回火马氏体M’(过饱和α十亚稳定ε碳化物),降低晶格畸变,下降淬火应力。
b.残余A分解(200-300℃):
A→M’(或A→B下),形成回火马氏体M’
其中:
高碳回火马氏体——强度、硬度高、耐磨性优异,塑性、韧性差;
低碳回火马氏体——高的强度与韧性,硬度、耐磨性也较好
c.回火屈氏体T’形成(250-400℃):
ε→Fe3C;
α→F(维持M’外形),形成回火屈氏体T’(F+Fe3C),T’屈服强度与弹性极限高。
d.碳化物的聚集长大,铁素体的回复与再结晶(>
400℃),形成回火索氏体S’(等轴晶F+Fe3C粒),S’综合机械性能好
11、为什么钢淬火后回火是钢最有效的强化手段?
①淬火形成M:
固溶强化:
过饱和C和Me,
位错强化:
高密度位错
细晶强化:
极细小、不同取向的马氏体束
②回火
第二相强化:
析出细小碳化物粒子
基本保持了淬火态的细小晶粒、高密度位错及一定的固溶强化作用。
12、确定下列钢件的退火方法及退火后的组织
1)经冷轧后的15钢钢板。
要求降低硬度
2)ZG35的铸造齿轮
3)改善T12钢的切削加工性能
1)再结晶退火,退火后的组织——F+P
2)完全退火,退火后的组织——F+P
3)球化退火,退火后的组织——球状渗碳体分布于铁素体基体上
13、指出下列工件的回火温度,并说明回火后的组织
1)45钢轴
2)60钢弹簧
3)T12钢锉刀
1)560~600℃,回火后的组织——S’
2)350-500℃,回火后的组织——T’
3)150-250℃,回火后的组织——M’
14、试说明表面淬火、渗碳、氮化处理在适用钢种、性能、应用等方面的差别。
适用钢种
应用
表面淬火——通过快速加热,使刚件表面很快到淬火的温度,在热量来不及穿到工件心部就立即冷却,实现局部淬火。
中碳钢、合金调质钢
获得高硬度,高耐磨性的表面,而心部仍然保持的良好韧性。
机床主轴,齿轮,发动机的曲轴等
渗碳处理——使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层,再经过淬火和低温回火,使工件的表面层具有高硬度和耐磨性,而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。
低碳钢、合金渗碳钢
更高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。
飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。
氮化处理——指在一定温度(一般在AC1)以下,使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。
氮化温度低、变形小。
优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温。
钻头、螺丝攻、挤压模、压铸模、鍜压机用鍜造模、螺杆、连杆、曲轴、吸气及排气活门及齿轮凸轮等
15、什么是钢的回火脆性?
如何避免?
回火脆性是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象。
回火脆性可分为第一类回火脆性(250~400℃)和第二类回火脆性(450~650℃)。
第一类回火脆性与碳化物片沿M晶界析出有关,具有不可逆性,与回火后的冷却速度无关。
因此只能避免在此温度回火。
第二类回火脆性与P等元素在原A晶界偏聚有关,具有可逆性,与回火后的冷却速度有关,回火保温后,缓冷出现,快冷不出现,出现脆化后可重新加热后快冷消除。
因此可提高钢材的纯度(↓P等杂质元素含量);
加入适量的Mo、W等有益的合金元素;
采用回火后快冷的方法。
16、为什么过共析钢的淬火温度不选择在ACCM以上?
如过共析钢的淬火温度选择在ACCM以上,
(1)淬火温度过高→A粗大→M粗大,从而→
力学性能↓,→
淬火应力↑→变形,开裂↑;
(2)A中C%↑→M中C%↑→残余A↑→M脆性↑、HRC↓、耐磨性↓。
因此过共析钢的淬火温度不选择在ACCM以上。
第六章钢铁材料
2、试分析金属的主要强化机制。
(1)固溶强化:
溶质原子→晶格畸度→与位错相互作用→阻碍位错运动→强化。
(2)细晶强化:
晶界→阻碍位错运动→强化
(3)位错强化:
位错→增殖并相互作用→阻碍位错运动→强化
(4)第二相强化:
第二相粒子→阻碍位错运动→强化
3、合金元素对奥氏体相区有什么影响?
它们怎样改变E、S点和A1、A3线的位置?
扩大γ相区元素(奥氏体稳定化元素):
A4↑,A3↓(Mn,Ni,Co作用最强,使α相消失,相扩大至室温;
Co,C,N,Cu作用次之。
缩小γ相区元素(F稳定化元素):
A3↑,A4↓(Cr,Mo,W,V,Ti,Al,Si作用强,可使γ相区完全封闭;
B,Nb,Zr作用次之。
几乎所有合金元素使S、E点大大左移。
4、合金元素对钢的等温转变“C”曲线有哪些影响?
又是如何影响淬透性的?
①“C”曲线位置:
除Co以外的合金元素均使“C”曲线右移,因此提高淬透性。
②“C”曲线形状:
碳化物形成元素(Mn,Cr,Mo,W,V,Nb,Zr,Ti)使“C”曲线上下分离成两个C形
③M转变临界温度:
除Co、Al以外的合金元素均使M转变临界温度下降。
5、合金元素对钢的回火转变温度有哪些影响?
(1)提高回火稳定性:
V、Si、Mo、W、Ni、Mn、Co;
(2)产生二次硬化:
沉淀硬化:
V、Mo、W、Cr(Ni、Co协同);
(3)影响回火脆性:
(第二类回火脆性——450-600oC高温,与P有关):
增大第二类回火脆性:
Mn、Cr、Ni,消除第二类回火脆性:
Mo(0.5%)、W(1%)
6、为何要向不锈钢中加入大量的Cr和Ni?
加入Cr:
↑电极电位——含量>12.5%电极电位跃升(如马氏体不锈钢);
形成单相F——Cr量>12.7%→单相F(如铁素体不锈钢);
加入Ni:
形成单相A(如奥氏体不锈钢)
7、手工锯条、普通螺钉、机床主轴分别用何种碳钢制造?
手工锯条——T12;
普通螺钉——Q235;
机床主轴——45
8、试述渗碳钢和调质钢的合金化和热处理特点
合金化特点
热处理特点
渗碳钢
①低C:
0.1%~0.25%
②加入提高淬透性元素:
Cr,Ni,Mn,B
③加入Mo、W、V、Nb、Ti等阻碍A晶粒长大和形成k(碳化物)提高耐磨性
④Ni增加渗层塑、韧性
正火——渗碳——淬火——低温回火
调质钢
①中C:
0.25%~0.50%,以0.4左右为主
②主:
加入提高淬透性元素Cr,Ni,Mn,Si,B
③辅:
加入Mo,W消除回火脆性
正火——淬火——高温回火(——表面淬火)
10、简述高速钢的热处理和性能特点,并说明合金元素的作用。
高速钢的性能特点:
①高硬度:
HRC>60;
②高耐磨性;
③高热硬性;
④足够塑性和韧性。
靠加入的合金元素的作用来保证:
①高C:
0.7%~1.5%→↑M硬度,形成高硬度的碳化物;
②加入Cr(4%)提高淬透性→保证获得M;
③加入W,Mo,形成二次硬化→保证高的热硬性;
加入V形成高硬度的碳化物→提高耐磨性。
如W系——W18Cr4V热硬性突出;
W-Mo系——W6Mo5Cr4V2热塑性、韧性突出。
高速钢的热处理特点:
锻造(莱氏体碎化)——球化退火——(预热)淬火(1220-1280oC)——回火(550-570oC,三次)
由于合金元素的作用使S、E点大大左移,高速钢中有莱氏体组织,因此通过锻造使莱氏体碎化,降低脆性。
由于合金元素含量多,热应力大,采用预热;
加热至1220-1280oC高温使合金元素充分溶解于奥氏体中,以利于回火时提高回火稳定性和形成二次硬化。