金属热处理缺陷分析及案例.docx

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金属热处理缺陷分析及案例

<<金属热处理缺陷分析及案例>>试题

一、填空题

1、热处理缺陷产生的原因是多方面的，概括起来可分为热处理前、热处理中、热处理后三个方面的原因。

2、热处理缺陷分析方法有：

断口分析、化学分析、金相检验、力学性能试验、验证试验、综合分析。

3、断裂可分为两种类型：

脆性断裂和韧性断裂。

4、金属断裂的理论研究表明：

任何应力状态都可以用切应力和正应力表示，这两种应力对变形和断裂起着不同的作用，只有切应力才可以引起金属发生塑性变形，而正应力只影响断裂的发展过程。

5、热处理变形常用的校正方法可分为机械校正法和热处理校正法。

6、热应力是指由表层与心部的温度差引起的胀缩不均匀而产生的内应力。

7、工程上常用的表面淬火方法主要有高频感应加热淬火和火焰淬火两种。

8、热处理中质量控制的关键是控制加热质量和冷却质量。

9、过热组织晶粒粗大的主要特征是奥氏体晶粒度在3级以下。

10、真空热处理常见缺陷有表面合金元素贫化、表面不光亮和氧化色、表面增碳或增氮、粘连、淬火硬度不足、表面晶粒长大。

11、低温回火温度范围是（150－250）℃，中温回火温度范围是（350－500）℃，高温回火温度范围是（500－650）℃。

12、工件的形状愈不对称，或冷却的不均匀性愈大，淬火后的变形也愈明显。

13、马氏体片越长，撞击能量越高，显微裂纹密度会越大，撞击应力会越大，显微裂纹的数目和长度也会增加。

14、合金元素通过对淬透性的影响，从而影响到淬裂倾向，一般来说，淬透性增加，淬裂性会增加。

合金元素对MS的影响较大，一般来说，MS越低的钢，淬裂倾向越大。

15、一般来说，形状简单的工件，可采用上限加热温度，形状复杂、易淬裂的工件，则应采用下限加热温度。

16、对于低碳钢制工件，若正常加热温度淬火后内孔收缩，为了减小收缩，要降低淬火加热温度；对于中碳合金钢制的工件，若正常加热温度淬火后内孔胀大，为了减小孔腔的胀大，需降低淬火加热温度。

17、工件的热处理变形分为尺寸变化和形状畸变两种形式。

二、单项选择题

1、淬火裂纹通常分为　　　A　　四种。

A、纵向裂纹、横向裂纹、网状裂纹、剥离裂纹

B、纵向裂纹、横向裂纹、剥离裂纹、显微裂纹

C、纵向裂纹、横向裂纹、网状裂纹、表面裂纹

D、纵向裂纹、横向裂纹、剥离裂纹、应力集中裂纹

2、第一类回火脆性通常发生在淬火马氏体于　　B　回火温度区间，这类回火脆性在碳钢和合金钢中均会出现，它与回火后的冷却速度无关。

A、（200－300）℃　　　　　B、（200－400）℃　

B、（250－350）℃　　　　　D、（300－400）℃　

3、完全退火的加热温度区间是　　B　。

A、AC1＋（30－50）℃　　B、AC3＋（30－50）℃

C、ACm＋（30－50）℃　　D、（850－900）℃

4、Ⅲ类热处理炉的有效加热区炉温均匀性要求控制在　B　。

A、±5℃　　B、±10℃　　C、±15℃　　D、±20℃

5、气体渗碳层深度范围是　D　　　。

A、0.05－1.0mmB、0.2－0.8mm　

C、0.2－3.0mm　　D、0.25－3.0mm

6、对于碳含量较高的55钢制试样，组织应力成为引起变形的主导因素，试样的变形为　　C　　。

A、中部直径增大，端部直径缩小，长度缩短

B、中部直径增大、端部直径增大，长度增大

C、中部直径缩小、端部直径增大，长度增大

D、中部直径缩小、端部直径缩小，长度增大

7、Cr13型不锈钢有明显的回火脆性，称为475℃脆性，因此Cr13型不锈钢应尽量避免在　　B　　回火。

A、（400－450）℃　　　　B、（400－500）℃

C、（450－500）℃D、（450－550）℃

8、盐水在　　C　　之间，具有最大的冷却能力，约相当普通水的10倍，而在低温区则与水的冷速相当。

A、（450－550）℃　　　　B、（500－600）℃

C、（550－650）℃D、（600－700）℃

9、结构钢经淬火＋低温回火处理后，其正常的组织状态为　B　。

A、索氏体　　　　　B、回火马氏体＋少量残留奥氏体

C、回火马氏体　　　D、回火马氏体＋碳化物

10、渗碳件的淬火温度通常为　　D　　。

A、AC1＋（30－50）℃B、（780－800）℃

C、ACm＋（30－50）℃D、（800－820）℃

11、冷作模具钢的最终热处理工艺是　　A　　　。

A、淬火＋低温回火　　　B、淬火＋中温回火

C、淬火＋高温回火　　　D、淬火＋时效

三、多项选择题

1、热处理缺陷一般按缺陷性质分类，主要包括　A、B、C、D　　　　七大类。

A、热处理裂纹、变形　　　　　B、残留应力

C、组织不合格、性能不合格　　D、脆性及其他缺陷

2、热处理是使金属零件改善　A、B、C、D　，提高产品使用寿命和提高效能的重要工艺。

A、力学性能　　　　　　B、物理性能

C、化学性能　　　　　　D、工艺性能

3、钢件的横向淬火裂纹的形成倾向同以下因素有关：

A、B、C。

A、钢的成分和硬化层分布　　　B、冶金质量

C、直径和形状　　　　　　　　D、淬火加热温度

4、脱碳会明显降低钢的　A、B、D　。

A、淬火硬度　　　　　B、耐磨性

C、耐蚀性　　　　　　D、疲劳性能

5、渗碳组织缺陷主要有　A、B、D。

A、表层碳化物过多，呈大块状或网状分布

B、残留奥氏体过多和马氏体粗大

C、针状组织

D、内氧化和黑色组织

6、氢脆可分为　A、B、C、D。

A、内部氢脆　　B、环境氢脆

C、可逆氢脆　　D、不可逆氢脆

7、铝合金热处理可能产生的特殊热处理缺陷有A、B、C、D等。

A、高温氧化　　　B、包铝板铜扩散

C、起泡　　　　　D、腐蚀或合金耐蚀性能降低

8、为了防止电镀裂纹产生，可以采取以下措施　A、B、C、D。

A、尽量减少零件在酸洗、电镀溶液中的停留时间

B、尽量降低溶液的温度

C、零件在电镀前充分回火，消除存在的内应力

D、电镀后，采用低温时效来减轻氢的危害

9、残留压应力通常产生在经过　A、C等加工的表层中。

A、塑性拉伸、喷丸处理、滚压加工

B、挤压、高速切削、磨削

C、渗碳、渗氮、碳氮共渗、高频感应加热淬火处理

D、拉拔加工、电镀

10、其他热处理缺陷，主要包括　B、C、D等。

A、高温合金热处理缺陷

B、化学热处理和表面热处理缺陷

C、真空热处理和保护热处理缺陷

D、非铁金属合金热处理缺陷

四、简答题

1、消除氢脆可采取哪些措施？

答：

1）脱氢处理；2）低温处理；3）自然时效；4）尽量在含氢量低的气氛中进行淬火加热。

2、预防淬火裂纹的方法有哪些？

答：

1）正确进行产品设计；2）合理安排工艺路线；3）确定合理的加热参数；4）选定合适的淬火方法；5）选择合适的淬火介质；6）及时回火和局部包扎。

3、影响热处理变形的因素有哪些？

答：

1）化学成分；原始组织和应力状态；3）工件几何形状；4）工艺参数；5）时效与冷处理。

4、消除应力退火的主要目的是什么？

答：

消除应力退火的主要目的是消除铸造、锻造、焊接及机械加工等工序所造成的内应力。

5、在哪些情况下会发生横向裂纹？

答：

1）较大的工件未淬透时，在工件的淬硬区与非淬硬区之间易产生横向裂纹；2）在表面淬火时硬化区和非硬化区之间易形成过渡区裂纹；3）工件有凹槽、棱角、截面突变处时常发生弧形裂纹；4）淬火工件有软点时，软点周围也存在一个过渡区，易形成弧形裂纹；5）带槽、中心孔或销孔的零件淬火时，在过渡区也形成弧形裂纹。

6、什么叫过烧？

答：

加热温度接近其固相线附近时，晶界氧化和开始部分熔化的现象，称之为过烧。

7、热处理的目的是什么？

答：

热处理的目的就是通过加热和冷却使金属和合金获得期望的微观组织，以便改变材料的加工工艺性能或提高工件的使用性能，从而延长其使用寿命。

8、工件有效厚度的计算原则是什么？

答：

薄板工件的厚度即为其有效厚度；长的圆棒料直径为其有效厚度；正方体工件的边长为其有效厚度；长方体工件的高和宽小者为其有效厚度；带锥度的圆柱形工件的有效厚度是距小端2L/3（L为工件的长度）处的直径；带有通孔的工件，其壁厚为有效厚度。

9、真空热处理时引起工件表面光亮度变化的机理是什么？

答：

引起工件表面光亮度变化的机理有两种：

1）真空炉有弱氧化气氛，引起工件表面氧化着色而损坏了光亮度；2）真空炉内真空度过高，工件表面发生元素贫化而损坏光亮度。

10、怎样抑制和防止第二类回火脆性的产生？

答：

1）提高钢水纯净度，尽量减少钢中有害杂质元素的含量；2）钢中添加Mo或W，以延缓P等杂质元素向晶界的偏聚；3）高温回火后快速冷却；4）采用两相区淬火；5）细化奥氏体晶粒；6）采用高温形变热处理；7）渗氮钢应当尽量选择对回火脆性敏感程度较低的含钼钢；8）焊接构件焊接后往往需要进行去应力退火。

五、案例分析题

1、众所周知，壁厚不均匀和有尖角的工件，淬火时易变形开裂。

但某些形状既不复杂且壁厚均匀的工件，淬火时也易开裂。

如某厂生产的6250柴油机45钢连杆螺母和喷油头紧帽等工件。

采用常规工艺，810－830℃盐浴加热，在（3%－7%）的NaOH水溶液中淬火时，就易开裂。

试对其进行分析并提出防止措施。

答：

经分析研究，引起开裂的主要原因是与工件截面尺寸是否处于该材料的易裂尺寸范围有密切关系。

据文献介绍，45钢件的易裂尺寸范围为5－11mm。

同时，钢的化学成分也影响开裂。

生产实践也证明，当45钢工件处于易裂尺寸范围5－11mm，且C、Cr、Mn等含量在规定含量的上限时，就更容易开裂。

为防止45钢工件在易裂尺寸范围淬火开裂的方法，进行了如下工艺试验。

1）淬火温度试验。

采用780±10℃的亚温淬火，淬火硬度仍保持在50HRC以上，减小了热应力，减小了开裂倾向。

2）保温时间试验。

缩短保温时间，采用0.2－0.3min/mm的加热系数，既能保证该件奥氏体化，又能减小开裂倾向。

3）淬火介质试验。

通过对比试验，采用在25%NaNO3＋20%NaNO2＋20%KNO3＋35%H2O配制的三硝水溶液中淬火，并在冷至200℃左右后，立即将工件取出空冷，及时进行回火，通过这一方法，既能防止工件开裂，又能保证淬火硬度要求。

通过以上工艺试验，可以确定采用亚温加热、缩短保温时间和采用三硝水溶液淬火，并及时进行回火等措施，对防止45钢工件在易裂尺寸范围的开裂有较好的效果。

2、GCr15轴承钢是某厂制作卸载阀的材料，多年来的生产情况表明，轴承钢零件进行正常的最终热处理（淬火＋低温回火）后，因淬火开裂而报废的废品率高达20%－30%，有时甚至达到50%。

试对其进行分析并提出防止措施。

答：

轴承钢经正常的工艺规范进行锻压后，得到的是细片状珠光体，硬度较高，难以加工，故需进行球化退火处理，获得均匀细粒状的珠光体，以改善切削加工性和减少最终热处理时的变形、开裂倾向。

以前轴承钢的球化处理，一直采用等温球化退火工艺，球化组织为点状球光体＋细粒状状珠光体。

GCr15钢零件（卸载阀）的最终热处理工艺为：

淬火温度（840±10）℃，保温6－8min，淬油；（220±10）℃×1－1.5h回火。

根据多年的废品情况分析，确认球化质量不理想是GCr15钢零件淬火易裂的根本原因。

针对这种情况，通过探索球化退火新工艺，经多次试验，最后确定用循环球化退火工艺（770±10）℃×1h炉冷至（720±10）℃×1h升温至（770±10）℃×1h炉冷至（720±10）℃×1h升温至（770±10）℃×1h炉冷至（720±10）℃×1h炉冷至550℃，出炉空冷。

球化组织为球状珠光体＋极少量片状珠光体，最终热处理淬火裂纹基本消除。

3、65Mn弹簧片是薄平板件，技术要求为硬度25－30HRC，平面度≤0.05mm。

原来采用盐浴加热油淬及定形工艺处理该工件，在生产中发现定形后的工件存在翘曲现象。

试对其进行分析并提出防止措施。

答：

弹簧片的热处理工艺包括：

淬火、去应力回火及定形回火三部分。

淬火应力是引起工件变形的主要因素。

去应力回火是为了减少淬火应力，消除脆性；定形回火是保证零件最终尺寸的关键工序。

1）淬火工艺试验。

由油淬改用160℃硝盐分级淬火后，外形变形较小。

2）去应力回火工艺试验。

由200℃×2h改为400℃×2h去应力回火后，再用500℃×2h进行定形回火，定形后的工件内应力大为减小，工件平整无翘曲。

3）定形工艺试验。

由采用M10螺栓穿过工件4孔螺纹拧紧改用销紧夹具，在100吨液压机上压紧，然后进行定形时，工件外形平整。

综上所述，淬火变形过大、回火内应力消除不充分及定形夹具不当，是导致65Mn弹簧片热处理变形的主要原因，通过以上试验进行改进后，能预防其变形。

4、T10A钢模具原工艺路线为：

下料→锻造→粗加工→热处理→磨削→线切割→装配。

其热处理工艺为：

（800±10）℃加热，油中淬火，（180－200）℃回火，硬度为58－62HRC。

开裂现象大部分发生在线切割过程中，也有在线切割后开裂的，开裂的部位不固定。

多数裂纹产生在线切割附近，裂纹较直，裂纹两侧无氧化脱碳现象。

试对其进行分析并提出防止措施。

答：

通过金相观察发现，线切割模具表层约有50um厚的白层，即熔化凝固淬火层，从金相组织上可以看出，在白亮重熔区有颇多细小裂纹，自表面向内延伸。

再用X射线残留应力仪进行残留应力测定，线切削模具表面的残留应力为620Mpa，测定工件淬火＋低温回火后的残留应力为380Mpa左右。

因此可以断定，T10A钢模具线切削过程开裂是模具淬火＋低温回火残留应力和线切削加工应力叠加的结果。

1）将淬火＋低温回火后的模具用高频振动来消除残留应力，可使残留应力降到20－50Mpa。

2）把淬火的模具在-130℃冷处理后，立即返回到约50－60℃的热水中，吹入蒸气，再进行回火处理，可使残留应力控制在40Mpa以下。

通过采取以上措施，只要线切削过程中不因工艺等问题产生较大的残留应力，T10A钢模具线切削中，就不会产生开裂现象。