金属学与热处理课后习题第十一章-参考答案

#

第十一章参考答案

11-1试述影响材料强度的因素及提高强度的方法

答：（1）影响材料强度的因素：化学成分、组织织构、加工工艺、形变温度、应变速率等。

以钢为例，合金元素的加入可能产生固溶强化、沉淀强化、细晶强化，对提高钢材的强度有利。对于同一化学成分的合金而言，组织结构不同，其力学性能也不相同。为了提高其强度，可通过改变热处理工艺或加工工艺来实现。一般情况下，降低形变温度或提高应变速率，合金的强度会增大。

（2）提高材料强度的途径：加工硬化/形变强化、固溶强化、第二相强化（沉淀强化和弥散强化）、细晶强化/晶界强度（较低温度）。

11-2试述影响材料塑性的因素及提高塑性的方法

答：（1）影响材料塑性的因素：化学成分、组织织构、加工工艺、形变温度、应变速率等。杂质元素通常对塑性不利，合金元素的加入一般对提高材料的强度有贡献，在等强温度下，只有晶界强化可以提高强度的同时，提高其韧性，使材料获得细晶组织结构可提高其塑性。一般而言，形变温度的降低或应变速率的提高对强度有利，而对提高塑性不利。

（2）提高材料塑性的途径：降低材料中杂质的含量、细化晶粒、加入韧化元素、加入细化晶粒元素、提高变形温度、降低应变速率。

?

11-4试就合金元素与碳的相互作用进行分类，指出

1）哪些元素不形成碳化物

2）哪些元素为弱碳化物形成元素，性能特点如何

3）哪些元素为强碳化物形成元素，性能特点如何

4）何谓合金渗碳体，与渗碳体相比，其性能如何

答：1）非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu等。

2）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，几乎都溶于铁素体和奥氏体中。

3）Zr、Nb、V、Ti为强碳化物形成元素，与碳具有极强的亲和力，只要有足够的碳，就形成碳化物，仅在缺少碳的情况下，才以原子状态融入固溶体中。

》

4）合金元素溶入渗碳体中即为合金渗碳体，它是合金元素溶入渗碳体中并置换部分铁原子而形成的碳化物，合金渗碳体比一般渗碳体稳定，硬度高，可以提高耐磨性。

11-5合金元素提高淬透性的原因是什么提高钢的淬透性有何作用常用以提高淬透性的元素有哪些

答：（1）合金元素溶入奥氏体中增加了奥氏体的稳定性，使C曲线右移，奥氏体在较低的温度依然能够存在，因此，在较低的临界冷却速度小，奥氏体能够发生马氏体相变，提高了淬透性。

（2）作用：一方面可以使工件得到均匀良好的力学性能，满足技术要求；另一方面，在淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。（3）常用的提高淬透性的合金元素：Mn、Si、Cr、Ni、B

11-6合金元素提高回火稳定性的原因提高回火稳定性的作用常用以提高回火稳定的元素有哪些

答：（1）提高稳定性的原因：合金元素推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变、阻碍碳化物的聚集长大、提高铁素体的再结晶温度。

（2）提高稳定性的作用：提高钢的回火稳定性，可以使得合金钢在相同的温度下回火时，比相同碳含量的钢具有更高的硬度和强度，或者，在保证相同强度/

硬度的条件下，可在更高的温度下回火，有利于提高塑性和韧性。

\

（3）提高回火稳定性的元素：Cr、Mn、Ni、Mo、W、V、Si.

11-7试述碳和合金元素在低合金高强度结构钢中的作用，提高低合金高强度结构钢强韧性的途径是什么

答：（1）碳的作用：

(a)固溶强化，提高珠光体数量。碳含量的增加可增大固溶强化和珠光体强化效果，对提高低合金高强度结构钢的强度有利。

(b)碳含量的增加将降低低合金结构钢的塑性和韧性，提高韧脆转变温度，降低焊接性能。

（2）合金元素的作用：

(a)固溶强化：如Mn、Si、Cr、Mo等溶于基体固溶体中而引起固溶强化。

(b)沉淀强化：如Ti、Nb和V等强碳化物形成元素形成的MC型碳化物所引起的强化。

.

(c)细晶强化：如Ti、Nb和V等强碳化物形成元素形成的MC型碳化物对奥氏体晶界的钉轧作用，对Nb元素在奥氏体晶界的偏聚，均对细化低合金高强度结构钢的组织有利，产生细晶强化作用。

11-10某厂原用45MnSiV生产Φ8mm高强度钢筋，要求σb>1450MPa,σ>1200MPa,δ>5%,其热处理工艺是920℃油淬,470℃回火。因该钢种缺货,库存有25MnSi钢,请考虑是否可代用,热处理规程该如何调整

答：可以代用，因为25MnSi钢为低碳马氏体钢，经适当的热处理后能获得与调质钢相当的综合性能，即较高强度和韧性的组合。

工艺调整:25MnSi钢与45MnSiV相比不含V元素，但有Mn,过热敏感性较大，因

而要降低淬火加热温度与45MnSiV相比，25MnSi钢淬透性较低，油淬应改成用盐水淬火为获得所要求的力学性能应采用低温回火。

11-11分析碳和合金元素在高速钢中的作用及高速钢热处理工艺的特点。

答：化学成分：高碳的目的是为了和碳化物形成元素Cr、W、Mo、V等形成碳化物，并保正得到强硬的马氏体基体以提高钢的硬度利耐磨性。W、Mo、V主要是提高钢的红硬性，因为这些元素形成的碳化物硬度高，产生二次硬化效应，因而显著提高钢的红硬性、硬度和耐磨性。Cr主要是提高钢的淬透性。其工艺突出的特点是淬火加热温度非常高，回火温度高，次数多，淬火加热时采用预热。11-12比较热作模具钢和合金调质钢的合金化及热处理工艺的特点，并分析合金元素作用的异同。

答：(1)合金调质钢合金化特点:在性能上满足机械制造上不同零件的不同需要,各种元素既有特殊作用又相互作用达到改善组织性能的作用。热作模具钢合金化特点:合金元素增强钢淬透性,强化铁素体,防止回火脆性,提高热疲劳抗力。

·

(2)合金调质钢热处理特点:为改善切削加工性需进行预备热处理之后调质处理。热作模具钢热处理特点:锻造后退火,以降低内应力。淬火+回火,获得组织均匀的回火托式体索氏体。

(3)合金元素作用：Cr提高淬透性耐回火性,有回火脆性倾向；Mn提高淬透性,有回火脆性倾向；Ni非C化物形成元素,提高基本韧性；Mo提高淬透性,回火性细化晶粒；V强碳化物形成元素细化晶粒；W提高稳定性和耐磨性。

11-13为什么正火状态的40CrNiMo及37SiMnCrMoV钢（直径25mm）都难于进行切削加工请考虑最经济的改善切削加工性能的方法。

答：因为40CrNiMo钢中含有Cr，Ni，Mo几种合金元素，能很好的提高钢的淬透性，使钢在正火状态下就能得到较多的马氏体，大大提高合金的硬度（40CrNiMo 钢正火后硬度在400HBS以上）因而难以切削。

11-14滚齿机上的螺栓，本应用45钢制造，但错用了T12钢，其退火、淬火都

沿用了45钢的工艺，问此时将得到什么组织有何性能

答：45钢的热处理工艺：完全退火（Ac3以上20-30℃）+淬火（Ac3以上30-50℃）+高温回火。

T12的热处理工艺：球化退火（Ac1以上Accm以下的双相区）+淬火（Ac1以上30-50℃）+低温回火。

错用T12钢，按照45钢的热处理工艺就是T12完全退火+Ac3以上30-50℃淬火T12本来是球化退火，目的是消除网状的二次渗碳体，但错用完全退火，加热温度过高，消除不了网状的二次渗碳体，对性能不利。然后进行淬火，T12本来是加热到Ac1以上30-50℃，目的是限制了奥氏体的含碳量，减少淬火组织中的残留奥氏体数量。淬火后获得均匀细小的马氏体和未溶粒状二次渗碳体组织，未溶二次渗碳体的存在有利于淬火钢的硬度及耐磨性。如果将过共析钢加热到Accm 或者Ac3以上，由于奥氏体晶粒粗大，含碳量提高，使淬火后的马氏体也粗大，且残留奥氏体量增加，不仅降低钢的硬度、耐磨性和韧性，而且还会增大变形和开裂的倾向。最后进行回火，T12本来是低温回火，得到回火马氏体，但是用高温回火，最终得到回火索氏体。最终组织为回火索氏体+残留奥氏体+网状二次渗碳体

`

11-15用9SiCr钢制成圆板牙，其工艺路线为：锻造→球化退火→机械加工→淬火→低温回火→磨平面→开槽开口。试分析：①球化退火、淬火及回火的目的；

②球化退火、淬火及回火的大致工艺。

答：球化退火是为了消除锻造应力，获得球状珠光体和碳化物，降低硬度以利于切削加工并为淬火做好组织准备，减少淬火时的变形与开裂；淬火及回火是为了获得回火马氏体，保证热处理后具有高硬度、高耐磨性。球化退火工艺：加热温度790—810℃，等温温度700—720℃；淬火工艺：加热温度850—870℃(油淬)；回火工艺；160—180℃。

11-16大螺钉旋具要求杆部为细珠光体而顶端为回火马氏体，只有一种外部热源，应如何处理

答：表面渗碳后淬火加低温回火。

11-17有一批碳素钢工件淬火后发现硬度不够，估计或者是表面脱碳，或者是淬火时冷却不好未淬上火，如何尽快判断发生问题的原因

答：碳素工具钢是Wc=% ~%的高碳钢对碳素工具钢进行球化退火处理，其目的是降低便度，便于机械加工，组织为铁素体基体+细小均匀的粒状Fe

3

C ，然后采用淬火+低温回火，组织为回火马氏体+粒状渗碳体+少量残余奥氏体，经过热处理可测工件的硬度，若硬度达标，则原因为泽火时冷却不好未淬上火，若硬度仍不够则为表面脱碳。

11-18简述不锈钢的合金化原理。为什么Cr12MoV钢不是不锈钢，也不能通过热处理的方法使它变为不锈钢

答:不锈钢的合金化原理：提高钢耐蚀性的方法很多，如表面涂一层耐蚀金属、涂敷非金属层、电化学保护和改变腐蚀环境介质等。但是利用合金化方法，提高材料本身的耐蚀性是最有效的防止腐蚀破坏的措施之一，其方法如下:

~

（1）加入合金元素，提高钢基体的电极电位，从而提高钢的抗电化学腐蚀能力。一般铜中加入 Cr、Ni, Si多元素均能提高其电极电位。由于Ni较缺，Si的大量加入会使钢变脆，因此，只有Cr才是显著提高钢基体电极电位常用的元素。Cr能提高钢的电极电位，但不是呈线性关系。实验证明钢的电极电位随合金元素的增加，存在着一个量变到质变的关系，遵循1/8规律。当Cr含量达到一定值时即1/8原子 (1/8, 2/8、3....)时，电极电位将有一个突变。因此，几乎所有的不锈钢中，Cr含量均在12.% (原子)以上，即% (质量)以上。

(2)加入合金元素使铜的表面形成一层稳定的、完整的与钢的基体结合牢固的纯化膜。从而提高钢的耐化学腐蚀能力。如在钢中加入Cr，Si，A1等合金元素，

使钢的表层形成致密的Cr

2O,SiO

2

,Al

2

O

3

等氧化膜，就可提高钢的耐蚀性。

(3)加入合金元素使钢在常温时能以单相状态存在，减少微电池数目从而提高钢的耐蚀性。如加入足够数量的Cr或Cr-Ni,使钢在室温下获得单相铁素体或单相

奥氏体。

(4)加入Mo、Cu等元素，提高抗腐蚀的能力。

(5)加入Ti,Nb等元素，消除Cr的晶间偏析，从而减轻晶间腐蚀倾向。

(6)加入Mn、N等元素，代替部分Ni获得单相奥氏体组织，同时能大大提高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性

Cr12MoV钢为什么不是不锈钢：

从金相学角度分析，因为不锈钢含有铬而使表面形成很薄的铬膜，这个膜隔离开与钢内侵入的氧气起耐腐蚀的作用。为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性，钢必须含有12%以上的铬。Cr12MoV虽然Cr的含量也达到了12%，但是Cr12MoV的含碳量要比不锈钢的含碳量要高的多，含碳量达到了%～%，不锈钢的耐蚀性随含碳量的增加而降低，因此，大多数不锈钢的含碳量均较低，最大不超过%，有些钢的ωc（含碳量）甚至低于%（如00Cr12）。所以，Cr12MoV不是不锈钢。冷作模具钢，钢的淬透性、淬火回火的硬度、耐磨性、强度均比Cr12高。形状复杂、工作条件繁重下的各种冷冲模具和工具，如冲孔凹模、切边模、滚边模、钢板深拉伸模、圆锯、标准工具和量规、螺纹滚模等。

11-20分析合金元素对提高钢的热强性和抗氧化性方面的特殊作用，比较高温和常温结构钢的合金化方向。

答：①Cr：提高钢抗氧化性的主要元素，Cr能形成附着性很强的致密而稳定的

氧化物Cr

2O

3

，提高钢的抗氧化性。②Al：是提高钢抗氧化性的主要元素，含铝

的耐热钢在其表面上能形成一层保护性良好的Al

2O

3

膜，它的抗氧化性能优于

Cr

2O

3

膜。③Si：是提高抗氧化性的辅助元素，效果比Al还要有效。高温下，在

含硅的耐热钢表面上形成一层保护性好、致密的SiO

2

膜。钢中含硅量达1％～2％时，就有较明显的抗氧化效果。④Mo、W：是提高低合金耐热钢热强性能的重要元素，Mo溶入基体起固溶强化作用，能提高钢的再结晶温度，也能析出稳定相，从而提高热强性。W的作用于Mo相似。⑤Ti、Nb、V：是强碳化物形成元素，能形成稳定的碳化物，提高钢的松弛稳定性，也提高热强性。当钢中有Mo、Cr等元素时，能促进这些元素进入固溶体，提高高温强度。⑥Ni：是奥氏体形成元素，

获得奥氏体组织。

11-21有些量县在保存和使用过程中，尺寸为何发生变化可采用什么措施使量具的尺寸长期稳定

答：变化原因：量具钢淬火组织中残余的奥氏体是亚稳相，在使用中有向马氏体转变的自发倾向，相变过程中产生的晶格膨胀会产生应力并引起尺寸和形状的变化。

措施：(1)下限温度淬火及冷处理。目的是减少A’。

(2)长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体的正方度