金属材料与热处理工艺考试题答案

1 二）1、叙述汽车变速箱齿轮的工作条件及性能要求，从成分上如何保证？2、要采用哪些热 处理工艺方法来保证齿轮的加工及最终的性能要求？并说明每种方法的作用及获得的组织。 工作条件：齿根受到大的交变弯曲应力，齿面有很大的接触疲劳应力，强烈的摩擦，有时受 力比较大，频繁地受到冲击。 性能要求：高的弯曲疲劳强度，高的接触疲劳强度，足够的塑性韧性，耐磨性好。 成分：表面有渗碳层，要含有锰、铬、镍等提高淬透性元素，含有钛、钒等细化晶粒元素。 热处理工艺：锻造—正火---加工齿形----局部镀铜---渗碳---预冷--直接淬火---低温回火---喷丸 处理---研磨---装配 各种热处理作用及得到组织： 1.正火：改善锻造后变形不均匀而造成的晶粒粗大，细化晶粒，消除加工硬化，降低硬 度，改善切屑加工性能。 得到组织：铁素体+索氏体 2.局部镀铜：不需要渗碳的部位镀铜。 3.气体渗碳：920—950摄氏度 4.预冷：减少热应力，减少残余奥氏体。 5.淬火：油冷。 得到组织：表面为马氏体+碳化物；内部为低碳马氏体。 6.低温回火：180—220摄氏度 得到组织：表面为回火马氏体+碳化物+残余奥氏体 内部为低碳马氏体。 7.喷丸：表面产生残余压应力，提高表面疲劳强度。消除氧化皮。 （三）制造高速切削刀具（工作温度 600度），问：1、采用什么材料合适？为什么？2这种 材料的铸态组织如何？如何改善？3、采用哪些热处理保证加工和最终性能？作用是什么？得 到的组织是什么？ 材料：采用高速钢（例如W18Cr4V） 原因：高速钢可以保证刀具在 600多度是实际硬度依然高于 50HRC,从而具有优良的切削性和 相耐磨性。 铸态组织：鱼骨状莱氏体（Ld）、黑色组织（δ共析体等）、白亮组织（M+AR）。 改善：必须经过锻轧，锻造时采用合适的锻压比，一般 7—11之间，反复拉拔和锻粗；锻造 时先轻锤快打，后重锤锻打；锻造后要缓慢冷却;进行退火。 热处理：锻轧—退火—淬火—回火 作用：锻轧为了使碳化物成颗粒状分布； 退火为了消除锻造应力，降低硬度便于切削加工，同时也为淬火作组织准备；得到组织为： 奥氏体+碳化物。 淬火：为了获得高合金的奥氏体，提高硬度和热硬性。得到组织为贝氏体+残余奥氏体 +碳化物。 回火：进一步减少残余奥氏体的量。得到组织为回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体。 1、叙述淬透性及淬硬性和实际条件下的淬硬层深度的区别？ 答：钢的淬透性是指钢材被淬透的能力或者说钢的淬透性是指表征钢材淬火时获得马氏体能 力的特征，淬硬性钢在淬火时得到马氏体的最大硬度影响其的因素为马氏体中的碳含量，淬 硬层深度表示表面到半马氏体区的深度。 2、何为退火正火？主要的目的是什么？叙述退火和正火的选用原则？ 答：将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度保持一定时间然后缓慢冷却（随炉 冷却）已达到接近平衡状态的组织的热处理工艺称为退火。目的在于均匀化学成分，改善机 械性能及工艺性能消除或减少内应力并为零件最终热处理准备合适的内部组织。正火是将钢 材或钢件加热到 Ac3或 Accm以上适当温度保温适当时间后在空气中冷却得到珠光体类组织 的热处理工艺。目的是获得一定的硬度、细化晶粒、并获得比较均匀的组织和性能。碳的质 量分数在百分之 0.25一下的钢在并没有其他热处理工序时，可用正火提高其强度，对碳含量 为 0.25%--0.5%的钢一般采用正火，对碳含量质量分数为 0.5%--0.75%一般采用完全退火。碳 2 的质量分数 0.75%--1.0%的钢用来制造弹簧的采用完全退火做预备热处理；用来制作刀具采 用球化退火；碳含量大雨 1.0%的钢一般采用球化退火做预备热处理。 简述化学热处理的一般过程，气体渗碳的工艺渗层深度，渗碳后表层含碳量用钢、热处理， 组织和应用。 答：化学热处理过程是一个比较复杂的过程，一般常把它看成有由渗剂中的反应，渗剂中的 扩散、渗剂与被渗金属表面的界面反应，被渗元素原子的扩散过程中相变等过程所构成。气 体渗碳是工件在气体介质中进行碳的渗入过程的方法可以用碳氢化合物有机液体。渗碳层的 厚度一般为 0.5--2mm、渗碳后表层含碳量为 0.85%--0.15%，用的钢是 0.1%--0.25%低碳钢和 低碳合金钢。热处理工艺是淬火加回火。最终的组织为表层：回火马氏体颗粒状碳化物和少 量的残余奥氏体，心部：淬透为马氏体加索氏体，未淬透铁素体加索氏体。适用于承受磨损 交变接触应力，或弯曲应力和冲击载荷的零件，如轴、活塞销、齿轮、凸轮轴等，以及便面 要求有很高的硬度及心部要求有很高的足够的强度和任性。 铸铁的石墨化过程及其影响因素并说明铸铁的组织和石墨化关系？ 答：一、化学因素的影响：1碳和硅是铸铁当中的最基本元素，他们都是强烈促进石墨化的 元素，不仅有助于第一阶段石墨化也能促进第二阶段石墨化。2磷的影响：磷是促进石墨化 的元素。3锰的影响：锰是一种阻止石墨化的元素。4硫的影响：硫是促进白口的元素而且会 降低铁水的流动性并使铸铁中产生气泡。二、冷却速度的影响：1化学成分选定后，改变铸 铁共晶阶段时的冷却速度，可以是灰口铸铁也可以是白口铸铁。第一阶段石墨化完全进行的 前提下，第二阶段石墨化完全进行，得到的组织为铁素体加石墨；第二阶段部分进行得到的 组织为铁素体加珠光体加石墨；第三阶段未进行得到的珠光体加石墨。第一阶段部分进行第 二阶段未进行得到的组织为莱氏体+珠光体+石墨。第一阶段未进行第二阶段未进行得到的组 织为莱氏体。 何为失效？失效的类型？简述失效的基础原因并说明选材的一般原则？ 答：失效是零部件丧失规定的功能，失效可分为变形、断裂、表面损伤。原因：1 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方面 不合理、2选材不合理 3加工不正确 4不能正确的安装使用。 6何为淬火热应力？组织应力？影响因素有哪些？简述组织应力和热应力造成的变形？ 答：工件在加热时由于不同部位的温度差异导致热涨（或冷缩）的不一致所引起的应力称为 热应力。 工件不同部位组织转变不同时性而引起的内应力称为组织应力。 影响因素：含碳量的影响：随着含碳量的增加热应力作用逐渐减弱组织应力逐渐增强。 合金元素的影响：加入合金元素热应力和组织应力增加。 工件尺寸的影响：a.在完全淬透的情况下随着工件直径的增大淬火后残余应力将 由组织应力性逐渐变成热应力性。 b.在未完全淬透的情况下所产生的应力特性是与热应力相似 的，工件直径越大淬硬层越薄，热应力特性越明显。 淬火介质和冷却方法的影响:如果在高于Ms点以上的温度区域冷却速度快而在 温度低于Ms点区域冷却速度慢则为热应力性，反之则为组织应力型。 变形规律：a.热应力引起的变形发生在钢件屈服强度较低塑性较高而在表面冷却快工件内表 面冷却快工件内外温差最大的高温区，此时瞬时热应力，表面张力心部压应力心部温度高， 屈服强度比表面低得多，易于变形因此表现为多向压应力作用下的变形。即立方体向呈球形 方向变化，即尺寸较大的一方缩小而尺寸较小的一方胀大。 b.组织应力引起变形产生在早期织应力最大时刻，此时界面温差较大，心部温度较高仍处于 奥氏体状态，塑性较好，屈服强度较低，瞬时组织应力是表面压应力心部拉应力，其变形表 现为心部在多向拉应力作用下拉长，由此导致的结果为在组织应力作用下工件尺寸较大的一 方伸长而尺寸较小的一方缩短。 7回火工艺的分类？得到的组织性能及应用？ 3 答：可分为低温回火、中温回火、高温回火，低温回火的到的组织为回火马氏体及细小的碳 化物颗粒；中温回火的组织为回火屈氏体；高温回火的组织为回火索氏体。低温回火的性能 保证一定硬度的前提下具有较好的塑性和韧性。中温回火的性能：碳化物已经开始聚集，机 体开始恢复，第二类内应力趋于消失，因而有具有较高的弹性极限又有较高的塑性和韧性。 高温回火课获得良好的综合机械性能。低温回火主要应用工具量具、精密量具和高精度配的 结构零件；中温回火后弹性高疲劳性能好；高温回火应用于发动机轴、连杆、连杆螺栓，具 有良好机械性能的零件。 8何为耐磨钢，简述高锰钢的铸态组织牌号、热处理及作用。 耐磨钢指在一定工作条件下具有较高抗磨损能力的钢，组织为珠光体、奥氏体、马氏体加碳 化物复合组织。常用的高猛铸钢为 ZGMn13型等，所进行的热处理为水韧处理。作用是防止 产生裂纹和降低性能。 简述表面淬火的原理和工艺通入的频率如何、适用于什么钢种、并说明感应淬火的特点？ 答：表面淬火时利用感应电流通过工件产生的热效应使工件表面局部加热，继之快速冷却所 得的马氏体的工艺。所用的原理为涡流和集肤效应。分为高频淬火 30-1000KHZ、中频淬火 小于 10KHZ、高频脉冲淬火约为 27MHZ。使用的钢种：0.4—0.5%的中碳结构钢、铸铁。特 点：1、得到细小的隐晶马氏体，表明硬度一般比淬火高 2-3个数量级。2、疲劳强度高、缺 口敏感性低，表面残余压应力的产生。3、耐磨性比普通淬火高 4、变形小，几乎没有氧化和 脱碳，比普通缺陷小。 何为淬火？冷却介质有哪些及应用，各种淬火方法优缺点及应用？ 答：把钢加热到临界点 Ac1或 Ac3以上，保温并随之以大于临界冷却速度，冷却以得到介稳 状态的马氏体或下贝氏体的热处理工艺。冷却介质有水及其溶液、油、水油混合液以及低熔 点熔盐，油一般用在合金钢和结构简单的碳钢，水一般用于碳钢。单液淬火法的应用主要是 简单的碳钢和合金钢焊件；中断淬火法优点减少在水中淬火的内应力，缺点对于各种工件很 那确定其在冷却介质中停留的时间，而对于同种工件，这时间也难以控制，主要用于碳钢制 的大型工件，喷射淬火法优点不会在工件表面形成蒸汽膜，这样就能保证得到比普通水中淬 火更深的淬硬层，缺点以淬火部分受未淬火部分残余热量的影响，主要用于局部淬火。分级 淬火法优点不仅减少热应力而且由于马氏体转变前，工件各部分温度以趋于均匀，因而马氏 体转变的不同时现象也减少，适用于尺寸较小的工件。等温淬火法优点热应力组织应力均较 小，故形状变形体积变形都较小，主要的目的是为了获得变形小硬度较高并兼有良好性能的 工件。 合金元素和铁碳的相互作用？ 答：碳化物分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素。碳化物形成元素有 Ti、Zr、V、Nb、 W、Mo、Cr、Mn、Fe。其中的 Ti、Zr、V、Nb为强碳化物形成元素，它们和碳有极强的化 合力，只要有足够的碳，在适当的条件下，就能形成它们自己特殊的碳化物，仅在缺少碳的 情况下，才以原子状态溶入固溶体中。Mn为弱碳化物形成元素，除少量可溶于渗碳体中形 成合金渗碳体外，几乎都溶解于铁素体和奥氏体中；中强碳化物形成元素为 W、Mo、Cr， 当其含量较少时，多半溶于渗碳体中，形成合金渗族体，当其含量较高时，则可能形成新的 特殊碳化物。非碳化物形成元素指合金钢中与碳的亲和力较小，在钢铁材料的组织中主要以 固溶体或中间相的形式存在，而不形成单独碳化物的合金元素。包括钴、硅、铝、铜等。 二、1、Cr12MoV：名称：高碳高铬模具钢（冷作模具钢）含碳 1.45%~1.70%，合金元素含量 Cr 11%~12.50%，Mo0.40%~0.60%，V 0.15%~0.30%， 合金元素作用：减少并细化共晶碳化物，细化晶粒，改善韧性， 热处理方法：一次硬化法和二次硬化法，一次硬化作用：细化晶粒，提高强韧性。二次硬化 作用：淬火使碳化物溶解，多次回火消除残余奥氏体提高硬度。组织残余奥氏体+马氏体+碳 化物 应用：制造大尺寸，形状复杂，承受载荷较大的模具。 4 2、60Si2Mn 名称 弹簧钢，含碳 0.6% 合金元素含量 Si0.2%Mn《1.5% 合金元素作用：Mn提高淬透性，Si提高弹性极限。 热处理方法：淬火，中温回火，热处理作用：使弹簧具有一定的冲击韧性，较高的弹性极限， 屈强比和最高的疲劳强度。 组织：回火屈氏体。应用：机动车辆，汽车拖拉机上的板弹簧，螺旋弹簧，汽缸安全弹簧及 其他高应力工作下的重要弹簧。 3、CrWMn，含碳：0.90%~1.05%，名称：低合金工具钢，合金元素含量，Si≤0.40% Mn0.80~3.10% 0.90%~1.20% ，W1.20%~1.60% 1.合金元素的作用：提高淬透性，可用油淬等缓慢方式冷却，减少变形开裂 Cr细化碳化物， 使合金渗碳体均匀分布且易于球化，Si能提高低温抗回火稳定性，提高钢的强韧度。 2.热处理方法：正火——球化退火——回火 3.热处理及作用组织：淬火以前必须经过球化退火得到粒状珠光体的原始组织以利于切削加 工并且淬火过热倾向小。退火温度以 30℃~40℃|每小时冷至 700℃，余温 4小时再炉冷到 600 ℃淬火温度为 Acm+30~50℃，淬火得到贝氏体，马氏体。使钢的强度和塑性较大提高，硬度 保持在 60HRC以上， 经 250℃回火使碳化物细小，分布均匀，使用时不容易崩刀。应用： 形状复杂，变形要求小的工件，特别是薄刃工具如丝锥，钻头，铰刀。 4、W18Cr4V名称：高速钢，含碳量：0.70%~0.90%，合金元素含量：Si 0.20%~0.40% Mn 0.10%~0.40% Cr 3.80%~4.40% Mo≤0.30%W 17.50%~19.00% V 1.00%~1.40% 合金元素作用：C是与大量碳化物的形成元素形成足够数量的碳化物，W，Mo的作用，W 是使钢获得红硬性，提高马氏体抗回火稳定性，降低热导率。Mo使其具有强韧性好，硬度 性较好，具有良好的热塑性，便于加工，脱碳性大，过热敏感性大。V提高红硬度，提高硬 度和耐磨性，细化晶粒，降低过热敏感性。Cr增加耐蚀性，增大抗氧化能力，Cr溶入是M6C 稳定性下降。Co提高红硬性，增强抗回火稳定性，提高为此硬化效果。 热处理：锻轧后退火形成粒状珠元体，淬火常有分级淬火，获得高合金奥氏体，获得高合金 马氏体，回火（高温回火）析出碳化物产生次硬化冷处理（-70——-80℃）作用是减少回火 次数。在面强化（表面化学热处理）为获得高速钢具的切削效率和耐用度。 应用：刀具 5、20CrMnTi : 渗碳钢 20CrMnTi碳 铬 锰 钛的平均含量分别为 0.20% 1.00～1.30 % 0.80～1.10% 0.04～0.10 % 铬、锰的作用是提高钢的淬透性，获得大量的板条马氏体 钛 的作用是细化晶粒 热处理工艺：锻造—正火---加工齿形----局部镀铜---渗碳---预冷--直接淬火---低温回火--- 喷丸处理---研磨---装配 各种热处理作用及得到组织： 正火：改善锻造后变形不均匀而造成的晶粒粗大，细化晶粒，消除加工硬化，降低硬度， 改善切屑加工性能。 得到组织：铁素体+索氏体 局部镀铜：不需要渗碳的部位镀铜。 气体渗碳：920—950摄氏度 预冷：减少热应力，减少残余奥氏体。 淬火：油冷。 得到组织：表面为马氏体+碳化物；内部为低碳马氏体。 低温回火：180—220摄氏度 得到组织：表面为回火马氏体+碳化物+残余奥氏体 内部为低碳马氏体。 喷丸：表面产生残余压应力，提高表面疲劳强度。消除氧化皮。 应用：汽车的齿轮。 GCr15为滚动轴承钢，含碳量 1.0%，含铬量为 1.5%，铬能提高钢的淬透性和力学性能，又 可以形成合金渗透体，还能提高回火的稳定性。 热处理方法为锻----球化退火----机械加工----淬火、回火-----磨加工。退火的目的是获得球状 5 珠光体组织增加钢的耐磨性和稳定性。淬火可以得到奥氏体马氏体及粒状碳化物，可得到硬 度高、弯曲强度和韧度；回火得到回火马氏体+弥散分布的碳化物增加组织的稳定性和减小应 力。 应用制造壁厚小于等于 12mm，外径小于等于 250mm的各种轴承套圈制造尺寸范围比较宽的 滚动体，如钢球滚针和各种滚子，也可以制造模具量具及其他要求耐磨高解除疲劳强的零件。 7、40Cr碳的质量分数 0.25%--0.45%Cr的作用：提高钢的淬透性的同时还提高回火稳定性， 但有回火脆性倾向。热处理：淬火+回火，淬火的作用：硬化得到马氏体；回火的作用：减少 消除淬火应力提高韧性和塑性得到组织为回火索氏体。主要制造：连杆螺栓、柴油机连杆。 40CrNiMo高淬透性钢。C%：0.37--0.44，Cr：0.60--0.90，Si：0.17--0.37，Mo：0.15--0.25. Cr：提高淬透性，提高回火稳定性，但有回火脆性；Ni：提高钢基体硬度。Ni--Cr复合加入， 提高淬火作用更大。Mo：提高淬透性，提高回火稳定性，细化晶粒。又能有效地消除或大为 减少回火脆性倾向；热处理：淬火+回火。淬火：硬化、得到马氏体。回火：减少消除淬火应 力，提高韧性和塑性，得到回火索氏体。应用：高强零件，如航空发动机轴、轴类，齿类。 紧固件。 8、5CrNiMo热作模具钢。含碳量 0.5-0.6%，Cr0.5-0.8、Ni1.40-1.80、Mo0.15-0.30；含碳保证 一定硬度和冲击韧度。Cr元素能增加钢的淬透性，提高回火稳定性，改善钢的韧度。Ni能显 著提高冲击韧性和 Cr共同作用大大提高钢的淬透性，Mo能有效细化晶粒，减少热倾向削弱 钢的回火脆性，提高回火稳定性。热处理工艺为：预热--加热保温--预冷--淬火--回火，预热 和预冷的目的是使其温度均匀化，淬火后得到马氏体提高钢的强度和韧度。回火后得到马氏 体和复相贝氏体，目的显著提高材料冲击韧性，提高强度。 5CrMnMo 热作模具钢 C% 0.5~0.6% Mn%=1.2-1.6 Cr=0.60-0.90 Mo=0.15-0.30 Cr: 提高淬透性，提高回火稳定性，改变钢的冲击韧度 Mn：显著提高冲击韧度，和 Cr提高钢的淬透性， Mo:削弱回火脆性 热处理：淬火加回火 淬火：获得马氏体提高硬度 回火：消除应力，稳定组织和尺寸 得到的组织是回火马氏体 用于制作高强度高耐磨性的各种中小类型的锻模