工程材料及热处理 第5章作业题答案
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1.奥氏体晶粒大小与哪些因素有关?为什么说奥氏体晶粒大小直接
影响冷却后钢的组织和性能?
奥氏体晶粒大小是影响使用性能的重要指标,主要有下列因素影响奥氏体晶粒大小。(1)加热温度和保温时间。加热温度越高,保温时间越长,奥氏体晶粒越粗大。(2)加热速度。加热速度越快,过热度越大,奥氏体的实际形成温度越高,形核率和长大速度的比值增大,则奥氏体的起始晶粒越细小,但快速加热时,保温时间不能过长,否则晶粒反而更加粗大。(3)钢的化学成分。
在一定含碳量范围内,随着奥氏体中含碳量的增加,碳在奥氏体中的扩散速度及铁的自扩散速度增大,晶粒长大倾向增加,但当含碳量超过一定限度后,碳能以未溶碳化物的形式存在,阻碍奥氏体晶粒长大,使奥氏体晶粒长大倾向减小。(4)钢的原始组织。
钢的原始组织越细,碳化物弥散速度越大,奥氏体的起始晶粒越细小,相同的加热条件下奥氏体晶粒越细小。
传统多晶金属材料的强度与晶粒尺寸的关系符合Hall-Petch关系,即σs=σ0+kd-1/2,其中σ0和k是细晶强化常数,σs是屈服强度,d是平均晶粒直径。显然,晶粒尺寸与强度成反比关系,晶粒越细小,强度越高。然而常温下金属材料的晶粒是和奥氏体晶粒度相关的,通俗地说常温下的晶粒度遗传了奥氏体晶粒度。
所以奥氏体晶粒度大小对钢冷却后的组织和性能有很大影响。奥氏体晶粒度越细小,冷却后的组织转变产物的也越细小,其强度也越高,此外塑性,韧性也较好。
2.过冷奥氏体在不同的温度等温转变时,可得到哪些转变产物?试列表比较它们的组织和性能。
3.共析钢过冷奥氏体在不同温度的等温过程中,为什么550℃的孕育期最短,转变速度最快?
因为过冷奥氏体的稳定性同时由两个因素控制:一个是旧与新相之间的自由能差ΔG;另一个是原子的扩散系数D。等温温度越低,过冷度越大,自由能差ΔG也越大,则加快过冷奥氏体的转变速度;但原子扩散系数却随等温温度降低而减小,从而减慢过冷奥氏体的转变速度。高温时,自由能差ΔG起主导作用;低温时,原子扩散系数起主导作用。处于“鼻尖”温度时,两个因素综合作用的结果,使转变孕育期最短,转变速度最大。
4.判断下列说法是否正确,为什么?
(1)钢在奥氏体化冷却,所形成的组织主要取决于钢的加热速度。(2)低碳钢和高碳钢零件为了切削方便,可预先进行球化退火处理。(3)过冷奥氏体的冷却速度越快,钢件冷却后的硬度越高。
(4)钢经淬火后处于硬脆状态。
(5)马氏体中的碳含量等于钢中的碳含量。
(1)错误,取决于钢的冷却速度。
(2)错误,低碳钢工件为了便于切削加工,预先进行热处理应进行正火,提高硬度。而高碳钢工件则应进行球化退火(若网状渗碳体严重则在球化退火前增加一次正火),其目的都是为了将硬度调整到HB200左右并细化晶粒、均匀组织、消除网状渗碳体。(3)错误,钢的硬度主要取决于含碳量。
(4)正确。
(5)错误,钢中的含碳量是否等于马氏体的含碳量,要看加热温度。
完全奥氏体化时,钢的含碳量等于奥氏体含碳量,淬火后即为马氏体含碳量。如果是部分奥氏体化,钢的含碳量一部分溶入奥氏体,一部分是未溶碳化物,从而可以减轻马氏体因含碳量过高的脆性,也能细化晶粒,此时马氏体含碳量要低于钢的含碳量。
5.什么是Vk?其主要影响因素有哪些?
Vk是指淬火临界冷却速度。其主要受化学成分的影响:亚共析钢随着含碳量的增加,C曲线右移,过冷奥氏体稳定性增加,则Vk减小,过共析钢中随着含碳量的增加,C曲线左移,过冷奥氏体稳定性减小,则Vk增大;合金元素中,除Co和Al以外的所有合金元素,都增大过冷奥氏体稳定性,使C曲线右移,则Vk减小。
6.什么是马氏体?其组织形态和性能取决于什么因素?
马氏体是在碳在α-Fe中的过饱和固溶体。马氏体最初是在钢(中、高碳钢)中发现的:将钢加热到一定温度(形成奥氏体)后经迅速冷却(淬火),得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。其组织形态和性能取决于材料的成分和淬火速率。
7.马氏体转变有何特点?为什么说马氏体转变是一个不完全的转变?
(1)相变的无扩散性。
(2)切变共格性。
(3)新相与母相之间有一定的位向关系与惯习面。
(4)马氏体转变在一个温度范围内完成。
马氏体转变是一个不完全的转变。
由于多数钢的Mf(马氏体转变结束的温度点)在室温以下,
因此钢冷却到室温时仍有部分未转变的奥氏体存在,称之为
残余奥氏体(Ar),随碳含量的增加,Ar也随之增加。一般
钢经过淬火后要经过深冷处理来减少Ar的量。
8.退火的主要目的是什么?生产中常用的退火方法有哪几种?
退火的主要目的是消除铸件、锻件及焊接件的工艺缺陷,改善金属材料的加工成型性能、切削加工性能、热处理工艺性能,稳
定零件的几何尺寸。
常用的退火的方法有:完全退火,球化退火,去应力退火。
9.正火与退火相比有何异同?什么条件下正火可代替退火?
正火是将工件加热到Ac3或者Ac cm以上一定的温度并保温一定时间,而后在空气中冷却得到珠光体型组织的热处理工艺,而退火是将工件加热到适当温度,保温一定时间再缓慢冷却而获得接近平衡组织的热处理工艺。正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快,因而正火组织要比退火组织更细一些,其机械性能也有所提高。
正火炉外冷却不占用设备,生产率较高,因此生产中尽可能采用正火来代替退火。
生产上退火和正火工艺的选择应根据钢种、冷、热加工工艺、零件的使用性能及经济性综合考虑。
含碳量Wc<0.25% 的低碳钢,通常采用正火代替退火。因为较快的泠却速度可以防止低碳钢沿晶界析出游离三次渗碳体,从而提高冲压件的冷变形性能;用正火可以提高钢的硬度,改善低碳钢的切削加工性能,在没有其它热处理工序时,用正火可以细化晶粒,提高低碳钢的强度。
含碳量Wc=0.25~0.50% 的中碳钢也可用正火代替退火,虽然接近上限碳量的中碳钢正火后硬度偏高,但尚能进行切削加工,而且正火成本低,生产率高。
含碳量Wc=0.50~0.75% 的钢,因含碳量较高,正火后的硬度显著高于退火的情况,难以进行切削加工,故一般采用完全退火,降低硬度,改善切削加工性。
含碳量Wc>0.75%以上的高碳钢或工具钢一般均采用球化退火作为预备热处理,如有网状二次渗碳体存在,则应先进行正火消除之。
10.为什么过共析钢锻件采用球化退火而不用完全退火?
因为过共析钢采用完全退火,完全奥氏体化,加热温度高,晶粒容易粗大,得到组织为珠光体和网状二次渗碳体,硬度较大,不便于切削加工。球化退火,不完全奥氏体化,存在渗碳体,晶粒不易长大,得到组织为珠光体和粒状二次渗碳体,硬度较低,机械加工性能好。