材料科学基础(课后习题讲解)课件.ppt

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1、1,金属热处理原理与工艺,2,1-3 固态相变时形成新相的形状与过冷度大小有何关系？,3,1-3-1 固态相变时形成新相的形状与过冷度大小关系是（b ） （A）过冷度大时容易出现球状；（B）过冷度大时容易出现薄片状；（C）过冷度大时容易出现针状；（D）过冷度大时容易出现几何形态,1-3-2 固态相变时形成新相的形状与过冷度大小有很大的关系，一般过冷度大时新相的形态呈现出( 盘 )状；而过冷度比较小时，当新旧两相的比容差小时，新相的形态是（ 球状 ） ；当新旧两相的比容差大时，新相的形态是（ 针状 ）。,1-3-3 改错题,4,1-4 金属固态相变有哪些主要特征？那些因素构成相变阻力？那些因素构

2、成相变驱动力？,金属固态相变有哪些主要特征新相和母相间存在不同的界面（相界面特殊）新相晶核与母相间的晶体学关系（有一定的位向关系、存在惯习面） 相变阻力大（应变能的产生）母相晶体缺陷的促进作用 易出现过渡相 原子迁移率低,5,2. 那些因素构成相变阻力？界面能和应变能均是相变的阻力 应变能（由共格应变能和比容差应变能构成）3.那些因素构成相变驱动力？ 均匀形核：新旧相的体积自由能差Gv非均匀形核：Gv和Gd（缺陷消失释放能）,1-4-1 固态相变均匀形核的驱动力是（ c ）（A）界面能差； （B）应变能差；（C）新旧相的体积自由能差；（D）体系自由能差,6,2-2 奥氏体晶核在什么地方优先形核

3、？为什么？,界面两侧两相的碳含量相差很大（0.0218%和6.69%），因此在界面上碳浓度分布很不均匀，比较容易满足成分起伏；界面两侧晶体结构相差较大，原子排列不规则，原子的活动能力较强，比较容易满足结构起伏；界面上原子排列不规则，位错等晶体学缺陷密度较大，处于能量较高的状态，比较容易满足能量起伏；同时新相晶核形成时，可以使部分晶体学缺陷消失，使系统的能量进一步下降，因此在相界面处是奥氏体形核的首选位置。,在铁素体和渗碳体相界上优先形核的原因，可做如下的解释：,7,2-2-1 珠光体奥氏体化时奥氏体晶核优先形核的部位是( c ),（A）在铁素体内 ； （B）在渗碳体内；（C）在铁素体和渗碳体相

4、界上；（D）在珠光体团边界,8,2-5 为什么铁素体和渗碳体不能同时消失，而总有部分渗碳体剩余？ 按相平衡理论，从Fe-Fe3C相图可以看出，在高于AC1温度，刚刚形成的奥氏体，靠近Cem的C浓度高于共析成分较少，而靠近F处的C浓度低于共析成分较多（即ES线的斜率较大，GS线的斜率较小）。所以，在奥氏体刚刚形成时，即F全部消失时，奥氏体的平均C浓度低于共析成分，这就进一步说明，共析钢的P刚刚形成的A的平均碳含量降低，低于共析成分，必然有部分碳化物残留，只有继续加热保温，残留碳化物才能逐渐溶解。,9,2-10 为什么对奥氏体晶粒长大及控制的研究对于热处理生产具有重要的意义？,奥氏体晶粒的大小对钢

5、的力学性能有至关重要的影响，奥氏体的晶粒越细小，冷却后奥氏体的转变产物的室温组织也越小，钢的强度和韧性也越好；确定热处理的加热方式；确定热处理的加热温度和保温时间,10,3-2 试对珠光体片层间随转变温度的降低而减少做出定性的解释。,珠光体型相变为扩散型相变，是受碳、铁原子的扩散控制的。当珠光体的形成温度下降时，过冷度T增加，扩散变得较为困难，从而层片间距必然减小（以缩短原子的扩散距离），所以片层间距离S与T成反比关系。原子所需扩散的距离就要增大，这使转变发生困难；若S过小，则由于相界面面积增大，而使表面能增大，这时GV不变，GS增加，必然使相变驱动力过小，而使相变不易进行。可见，S与T必然存

6、在一定的定量关系。,11,3-4 为什么说珠光体转变是以扩散为基础并受扩散所控制？, + Fe3C 碳含量C% 0.77 0.0218 6.69晶格类型 面心立方 体心立方 复杂斜方,珠光体的形成过程，包含着两个同时进行的过程：一个是碳的扩散，以生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体；另一个是晶体点阵的重构，由面心立方的奥氏体转变为体心立方点阵的铁素体和复杂单斜点阵的渗碳体。,12,3-17 说明先共析铁素相不同形态及形成条件,先共析相为块状组织：长大受扩散控制，新旧相的界面是非共格界面，含碳量远离共析成分；先共析相为片状组织（魏氏组织）：先共析相与奥氏体的界面时共格或半共格界面，中低碳钢，冷却速度适

7、中；先共析相为网状组织：碳含量靠近共析成分，奥氏体晶粒粗大，冷却速度慢。,13,3-23 说明球化退火的目的，并解释常用的三种球化退火工艺。,共析钢和过共析钢球化退火得到球状珠光体组织，具有低的硬度和高的塑性以便进行切削加工。,14,3-27 说明正火的目的和应用范围。为了获得最佳的切削加工性，为什么对不同碳含量钢要选用不同的热处理工艺？,目的: 消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。应用范围: 1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬 度;消除过共析钢中的Fe3C（除网）。 2.最终热处理:用于力学性能要求不 高的普通零件。,15,4-1 试说明钢中马氏体的晶体结构，马

8、氏体的正方度取决于什么？为何出现反常正方度？,1. 马氏体的晶体结构类型有两种：体心立方结构（WC0.2%）,（a）C原子在马氏体的晶胞中可能存在的位置；（b）C原子在马氏体的晶胞中一组扁八面体间隙位置可能存在的情况；,2。马氏体正方度与含碳量呈直线关系，含碳量愈高，正方度愈大。,16,4-2 马氏体传变有哪些特点？,马氏体转变的非恒温性马氏体转变的切变共格性和表面浮凸现象马氏体转变的无扩散性 马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面 马氏体转变的可逆性,17,4-4 简述钢中马氏体结构特征、晶体学特点和力学性能,18,1、奥氏体化学成份的影响（1）碳的影响,在含碳量小于0.6%左右时Mf比Ms的

9、下降更为显著。因而扩大了马氏体的转变温度范围；当碳含量大于0.6%时， Mf 下降很缓慢，且因Mf点已降到0以下，致使这类钢在淬火冷至室温的组织中将存在较多的残余奥氏体。,（2）合金元素的影响 一般规律：钢中常见的合金元素，除Al和Co可以提高Ms外，其它合金元素均使Ms 降低。,2、奥氏体化条件对Ms的影响在完全奥氏体条件下，温度高时间长，将使Ms有所提高（约在几度到几十度范围内）,4-5 影响Ms点的主要因素有哪些？,19,3、冷却速度的影响 在一般的生产条件下，冷却速度对Ms无影响。,、形变的影响 在Md 、Ms之间对奥氏体进行塑性变形，可使Ms升高，马氏体转变提前发生。,5、应力的影响

10、 单向的拉应力和压应力都促进马氏体转变，使Ms升高。 多向压应力阻碍马氏体转变，使Ms降低。,6、磁场的影响 磁场的存在可使Ms升高，在相同温度下马氏体转变量增加，但磁场对Ms以下的转变行为无影响。,20,4-9 影响马氏体的强韧性的因素有哪些？,一、强度1、相变强2、固溶强化 3、时效强化 4、其他强化因素 ：a)、亚结构 b)、奥氏体晶粒度,二、马氏体的韧性： 马氏体的韧性也主要取决于马氏体的碳含量和亚结构,21,5-1 试述贝氏体组织分类、形貌特征及形成条件,22,5-2 试比较珠光体、贝氏体、马氏体转变主要特征,23,5-7 贝氏体的机械性能与等温温度的关系如何？试分析影响贝氏体机械性

11、能的因素,贝氏体的机械性能决定于其组织形态。等温温度对组织和性能有重要影响，一般来说，下贝氏体的强度较高，韧性也较好，而上贝氏体的强度低，韧性差。,24,（一）影响贝氏体强度的因素有：1、贝氏体铁素体条或片的粗细 如果将贝氏体条（片）的大小看作是贝氏体的晶粒，则可用Hall-Petch的关系式估算贝氏体的强度。即贝氏体铁素体的晶粒直径越细小，则其强度越高。,2、弥散碳化物质点 下贝氏体中碳化物颗粒较小，颗粒数量也较多，所以碳化物对下贝氏体强度的贡献也较大；而上贝氏体中碳化物颗粒较粗，且分布在铁素条间，分布极不均匀，所以上贝氏体的强度要比下贝氏体低得多。,3、其它因素的强化作用 对贝氏体的强化，

12、铁素体晶粒的细化强化和碳化物的弥散强化是主要的。其它如碳和合金元素的固溶强化和位错亚结构的强化，也有一定的作用。,（二）贝氏体的韧性 可以看出下贝氏体的韧性优于上贝氏体。从整体上看随贝氏体的形成温度的降低，强度的逐渐增加，韧性并不降低，反而有所增加，这是贝氏体组织力学性能变化的重要特点，也是人们对贝氏体组织感兴趣的主要原因。,25,6-2 IT图有哪些基本类型？主要受哪些因素影响？为何从不同资料中查到的同一钢种的IT图难免会有一定的差别？,26,影响奥氏体等温转变图的因素1、化学成分（1）碳含量的影响对珠光体部分：亚共析钢，随碳含量的增加C曲线右移。 过共析钢，随碳含量的增加C曲线左移。对贝氏

13、体部分：随碳含量的增加C曲线总是右移的。（2）合金元素的影响 一般规律：除Co、Al以外，常用的合金元素均增加过冷奥氏体的稳定性，推迟转变和降低转变速度，使等温转变曲线右移，延长过冷奥氏体转变开始和终了时间，对P和B转变有分离作用。Al的作用，对B转变与Co相同。,27,2、奥氏体晶粒尺寸的影响 A晶粒愈细小，等温转变的孕育期愈短，加速过冷A向P的转变，对B转变有相同的作用，但不如对P的作用大，相反A晶粒粗大将C曲线右移。3、原始组织、加热温度和保温时间的影响 在相同的加热条件下，原始组织越细，越容易得到均匀的A，使等温转变曲线右移，Ms降低。 当原始组织相同时，提高A化温度，延长保温时间，将

14、促进碳化物溶解，也会使C曲线右移。4，塑性变形的影响 无论高温和低温塑性变形，均加速过冷A的转变。 原因：未经变形的A向P转变时仅在晶界形核，而变形后，过冷A在等温转变时，可出现晶内形核。,28,从纵轴由A1开始作冷却曲线与TTT图开始线相切，该冷却曲线所代表的冷却速度VC，可用下式描述：,考虑到CCT图位于TTT图的右下方，将上式修正，即得到近似的VC：,注意：只适用于VC决定抑制P转变的临界冷却速度的情况。,6-5 何谓淬火临界速度？如何用IT图进行估计？,淬火临界速度：保证过冷奥氏体不发生分解而全部得到马氏体的最小冷却速度。,29,6-5 钢的CT曲线为何总是处于IT曲线的右下方？,钢在

15、连续转变时的转变过程是在一个温度范围内，随着冷却温度的降低原子的扩散速度减慢，转变过程相对于同温度的等温转变向下转移；相对于同温度的等温转变过冷奥氏体的转变推迟，孕育期延长.,30,7-2 淬火加热温度确定的基本原则是什么？在实际生产厂中根据某些具体情况应怎样进行调整？是举例加以说明,淬火加热温度确定应考虑钢的化学成分、工件尺寸和形状、技术要求、奥氏体的晶粒长大倾向、淬火介质和淬火方式。,对亚共析钢，一般选用淬火加热温度为Ac3+（3050)，过共析钢则为Ac1+(3050)。之所以这样确定，因为对亚共析钢来说，若加热温度低于Ac3，则加热状态为奥氏体与铁素体二相组成，淬火冷却后铁素体保存下来

16、，使得零件淬火后硬度不均匀，强度和硬度降低。比Ac3点高3050的目的是为了使工件心部在规定加热时间内保证达到Ac3点以上的温度，铁素体能完全溶解于奥氏体中，奥氏体成分比较均匀，而奥氏体晶粒又不致于粗大。对过共析钢来说，淬火加热温度在Ac1Ac3之间时，加热状态为细小奥氏体晶粒和未溶解碳化物，淬火后得到隐晶马氏体和均匀分布的球状碳物。这种组织不仅有高的强度和硬度、高的耐磨性，而且也有较好的韧性。如果淬火加热温度过高，碳化物溶解，奥氏体晶粒长大，淬火后得到片状马氏体(孪晶马氐体)，其显微裂纹增加，脆性增大，淬火开裂倾向也增大。由于碳化物的溶解，奥氏体中含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，钢的硬度

17、和耐磨性降低。高于Ac1点3050的目的和亚共析钢类似，是为了保证工件内各部分温度均高于Ac1。,31,在规定条件下，钢在淬火时获得马氏体组织深度的能力。一般规定从表面到50%非马氏体深度的距离作为淬硬层深度。,1. 钢的淬透性,钢在理想条件下淬火成马氏体后所达到的最高硬度。,2. 钢的淬硬性,3. 钢的淬透性与淬硬性两个概念的区别。,钢的淬透性主要取决于钢的属性。钢的淬硬性主要取决于M中的含碳量。,7-5 钢的淬透性、淬硬层深度及淬硬性的含义及影响因素如何？确定淬透性的末端淬火法的基本原理如何？怎样用淬透性曲线确定钢的临界淬透直径？,32,（一） 钢的化学成分,1.含碳量,亚共析钢 C%，C

18、曲线右移Vk淬透性；,过共析钢C%， C曲线左移Vk淬透性；,共析钢的Vk最小，淬透性最好。,除Co外，其余合金元素均使C曲线右移，降低Vk，淬透性 。,影响淬透性的因素,（二）奥氏体化条件的影响,T，则A晶粒 、过冷A稳定性 淬透性,2. 合金元素,33,淬透性末端淬火法的测定,淬透性表示方法：,d测试点至水冷端的距离(mm）,HRC测试点处的硬度值,J表示末端淬透性,例：,即表示：距水冷端5mm处试样硬度值为42HRC,即表示：距水冷端10mm处试样硬度值为30 35HRC,34,7-10 高速钢（高碳高合金工具钢）有时采用分级淬火，即工件从分级浴槽中取出后常常置于空气冲冷却，但如果工件处

19、于100200时便用水清洗，将会发生什么问题？为什么？,高速钢（高碳高合金工具钢）又叫空淬钢，在空气中冷却也会得到马氏体，这是因为C线非常靠右；从分级浴槽中取出后常常置于空气冲冷却可以使工件热应力与组织应力得到释放，减少工件的变形开裂；但如果工件处于100200时便用水清洗，由于Ms点较低，有可能发生马氏体转变，是工件的组织应力增大而使工件发生变形开裂。,35,8-9 试分析硬度在回火过程中的变化特点,回火过程中随温度升高硬度降低，这是因为马氏体中的碳随回火温度的升高不断降低；在低温回火时硬度略有升高，这是因为马氏体中析出了共格碳化物回火温度升高碳化物粗化球化，铁素体回复再结晶，硬度进一步下降

20、。,36,9-10 为什么弹簧钢淬火后要中温回火？,马氏体 高温回火后弹性极限低是因为调制后钢的强度低；而马氏体在低温回火后由于内应力没有得到充分的消除，故弹性极限比较低；而马氏体在中温回火区间出现较高的弹性极限，因此弹簧钢一般在300400回火。,37,8-14简述马氏体脆性的特征及其产生的机理,1、温度范围内 200350之间，也称为低温回火脆性。2、特征（1）具有不可逆性；（2）与回火后的冷却速度无关；（3）断口为沿晶脆性断口。,38,产生的原因（1）残余A转变理论 最初认为第一类回火脆性产生的原因是由于残余A转变所致。根据第一类回火脆性出现的温度范围正好与碳钢回火时残余A转变的温度范围

21、相对应。但有些钢第一类回火脆性与残余A转变并不完全对应，故残余A转变理论，不能解释各种钢的第一类回火脆性。,（2）碳化物析出理论 钢回火时，-FeXC转变为-Fe5C2或-Fe3C的温度与产生第一类回火脆性的温度相近，而新形成的碳化物呈薄片状，且沿板条M的板条间、板条束的边界或片状M的孪晶带或晶界上析出，从而使材料的脆性增加。回火温度如进一步提高，薄片状碳化物将聚集长大和球化，将导致脆性降低，冲击韧性升高。（3）杂质偏聚理论 也有人认为，S、P、Sb（锑）、As（砷）等杂质元素在回火时向晶界、亚晶界上偏聚，降低了晶界的断裂强度，引起了第一类回火脆性。,39,8-20 如何抑制回火脆性？,（1）

22、提高钢材的纯度，尽量减少杂质；（2）加入适量的Mo、W等有益的合金元素；（3）对尺寸小、形状简单的零件，采用回火后快冷的方法；（4）采用亚温淬火（A1A3）： 细化晶粒，减少偏聚。加热后为A+F（F为细条状），杂质会在F中富集，且F溶解杂质元素的能力较大，可抑制杂质元素向A晶界偏聚。,40,8-21 简述低温、中温、高温回火在生产中的应用,（1）低温回火：淬火钢件在250以下回火一般得到回火马氏体组织,即由c较低的马氏体与极细的碳化物(Fe2.4C)组成的组织。目的是在保持淬火高硬度的前提下，适当提高钢的韧性和减小淬火内应力。常用于各种工具及高硬度零件。 （2）中温回火：淬火钢件在250500

23、之间回火一般得到回火托氏体组织，即针状特征的铁素体与细小粒状渗碳体的混合物。目的是获得高的强度、弹性和较高的韧性。主要用于弹性零件、锻模和要求淬硬的扳手、销钉和螺钉等工件。（3）高温回火：淬火钢件在高于500回火（常用500650），得到回火索氏体组织，即等轴晶粒（或部分针状）的铁素体与较粗粒状渗碳体的混合物，具有良好的综合力学性能。主要用于各种重要结构件，也可作为某些精密零件如丝杠、量具和模具等的预备热处理，调质：钢件淬火及高温回火的复合热处理工艺。,41,8-24 已知H13钢在600回火1h的硬度为HRC49,根据图求出（1）（该钢在600 回火5h和10h后的硬度为多少？（2）回火5h

24、和10h后的硬度仍为HRC49，应分别在什么温度回火？,（1）5h时， HRC4710h时， HRC45,（2）5h时， 57010h时， 550,42,9-1 简述钢的气体渗碳原理,渗碳介质分解,碳原子的吸收,活性碳原子从工件表层向内部的扩散,43,9-3 如何选择钢渗碳后的热处理方法,44,渗碳件常用的淬火方法,9-3 如何选择钢渗碳后的热处理方法,45,在预冷过程中渗碳层析出一些二次渗碳体，在随后的冷却过程中减少了渗碳层的残余奥氏体的数量；预冷再淬火是为了减少工间的变形开裂；淬火后进行低温回火；适用于载荷小、耐磨性要求较低的工件。广泛用于制造承受高速、中载并却扛冲击和耐磨损的零件，如汽车

25、、拖拉机变速箱齿轮、离合器轴和车辆的伞齿轮和主轴等。,870,（1）预冷直接淬火法,46,（2）一次淬火法,淬火温度选择：应兼顾表面和心部的要求，通常： 心部性能要求较高时：TH Ac3， 以心部性能 表面性能要求较高时：TH Ac1， 以表面性能 一般在820850之间，大于Ac1，接近Ac3,略低于Accm，可以满足两方面的需求；,应用：仅适用于本质细晶粒钢，如合金钢和不重要的碳钢，碳钢的淬火温度比合金钢可适当低一些。,渗碳后缓冷，重新加热淬火及低温回火。,目的：,防止Fe3C的过量析出细化晶粒防止变形,47,目的： 第一次淬火TH Ac3，细化心部组织其性能 第二次淬火TH Ac1，细化

26、表层组织其性能故可获得表面具有高硬度、耐磨性和疲劳强度，心部具有良好的强韧性和塑性。,应用： 仅适用于本质粗晶粒钢和使用性能要求很高的工件。这种方法工艺较复杂，因加热次数多，工件易氧化、脱碳和变形，成本高等缺点，故目前该工艺已很少采用。,（3）二次淬火,48,渗碳件渗碳后淬火及低温回火后的组织：,淬透时:未淬透时:,M回K少A,M回A,低碳M回,M回K少A,M回A,低碳M回F或有少量T、S,9-4 钢经过渗碳并处理后，其机械性能将发生怎样的变化？为什么？,使钢件表层获得高的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部仍保持一定的强度和较高的韧性。,49,9-6 氮化钢在成份上有何特点？氮化后钢在性能上有何特点？,氮化钢在成份特点：（1）中碳；（2）氮化物形成元素作为合金化元素氮化后钢在性能上的特点： 钢铁件表面具有高的硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性及热硬性,50,9-6 钢氮化工艺参数应如何选择？,渗氮温度：500600 渗层厚度：0.400.60mm,