材料科學(xué)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)重點

1、1. 何謂鋼的熱處理？鋼的熱處理操作有哪些基本類型？答：（1）為了改變鋼材內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，以滿足對零件的加工性能和使用性能的要求所施加的一種綜合的熱加工工藝過程。（ 2）熱處理包括普通熱處理和表面熱處理；普通熱處理里面包括退火、正火、淬火和回火， 表面熱處理包括表面淬火和化學(xué)熱處理，表面淬火包括火焰加熱表面淬火和感應(yīng)加熱表面淬火，化學(xué)熱處理包括滲碳、滲氮和碳氮共滲等。2. 為什么要對鋼件進行熱處理？答：通過熱處理可以改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，從而改善鋼的性能。熱處理可以顯著提高鋼的機械性能，延長機器零件的使用壽命。恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚳梢韵T、鍛、焊等熱加工工藝造成的各種缺陷，細化晶粒、 消除偏析、 降

2、低內(nèi)應(yīng)力，使鋼的組織和性能更加均勻。3. 珠光體類型組織有哪幾種？它們在形成條件、組織形態(tài)和性能方面有何特點？（1）三種。分別是珠光體、索氏體和屈氏體。 （ 2）珠光體是過冷奧氏體在 550以上等溫停留時發(fā)生轉(zhuǎn)變，它是由鐵素體和滲碳體組成的片層相間的組織。索氏體是在 650600溫度范圍內(nèi)形成層片較細的珠光體。屈氏體是在 600 550溫度范圍內(nèi)形成片層極細的珠光體。珠光體片間距愈小，相界面積愈大，強化作用愈大，因而強度和硬度升高，同時，由于此時滲碳體片較薄， 易隨鐵素體一起變形而不脆斷， 因此細片珠光體又具有較好的韌性和塑性。4.鋼中的雜質(zhì)元素有哪些答：鋼中除鐵與碳兩種元素外，還含有少量錳、

3、硅、硫、磷、氧、氮、氫等非特意加入的元 素，其中，錳、硅等常稱為常存元素；硫、氫等常稱為雜質(zhì)元素。5.鋼的淬透性 、淬硬性答：淬透性是指模具在淬火時獲得淬硬層深度的能力反映了鋼在淬火時能夠獲得馬氏體的能力淬硬性指模具鋼在正常淬火條件下馬氏體所能達到的最高硬度6. 馬氏體組織有哪幾種基本類型？它們在形成條件、晶體結(jié)構(gòu)、組織形態(tài)、性能有何特點？馬氏體的硬度與含碳量關(guān)系如何？（1）兩種，板條馬氏體和片狀馬氏體。（ 2）奧氏體轉(zhuǎn)變后，所產(chǎn)生的M 的形態(tài)取決于奧氏體中的含碳量，含碳量 0.6%的為板條馬氏體；含碳量在0.6 1.0%之間為板條和針狀混合的馬氏體；含碳量大于 1.0%的為針狀馬氏體。低碳馬

4、氏體的晶體結(jié)構(gòu)為體心立方。隨含碳量增加，逐漸從體心立方向體心正方轉(zhuǎn)變。含碳量較高的鋼的晶體結(jié)構(gòu)一般出現(xiàn)體心正方。低碳馬氏體強而韌，而高碳馬氏體硬而脆。 這是因為低碳馬氏體中含碳量較低， 過飽和度較小， 晶格畸變也較小，故具有良好的綜合機械性能。隨含碳量增加， 馬氏體的過飽和度增加，使塑性變形阻力增加，因而引起硬化和強化。 當(dāng)含碳量很高時， 盡管馬氏體的硬度和強度很高， 但由于過飽和度太大，引起嚴重的晶格畸變和較大的內(nèi)應(yīng)力， 致使高碳馬氏體針葉內(nèi)產(chǎn)生許多微裂紋， 因而塑性和韌性顯著降低。 （ 3）隨著含碳量的增加，鋼的硬度增加。7. 線型無定型高聚物在不同溫度下表現(xiàn)出的三種力學(xué)狀態(tài)答：玻璃太態(tài)，

5、高彈態(tài)，粘連態(tài)。8. 奧氏體化的過程答：將鋼加熱至臨界點以上使形成奧氏體的金屬熱處理過程。9. 不銹鋼的成份特點答：含有大量的鉻、鎳等元素，形成氧化物保護膜并提高 基體電極電位 。含碳量越低抗腐蝕能力越強。10. 合金鋼按用途可分為三類答 : 合金結(jié)構(gòu)鋼 合金工具鋼 和特殊性能鋼 。11. 何謂球化退火？為什么過共析鋼必須采用球化退火而不采用完全退火？（1）將鋼件加熱到Ac1 以上 30 50，保溫一定時間后隨爐緩慢冷卻至600后出爐空冷。（ 2）過共析鋼組織若為層狀滲碳體和網(wǎng)狀二次滲碳體時，不僅硬度高，難以切削加工，而且增大鋼的脆性，容易產(chǎn)生淬火變形及開裂。 通過球化退火，使層狀滲碳體和網(wǎng)狀

6、滲碳體變?yōu)榍驙顫B碳體，以降低硬度，均勻組織、改善切削加工性。12. 分析 CCT 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線工藝及產(chǎn)物。 （書中 300 頁圖）答：從鋼的熱膨脹特性可知， 當(dāng)碳鋼加熱或冷卻過程中發(fā)生一級相變時， 鋼的體積將發(fā)生突變。過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、珠光體或馬氏體時，鋼的體積將膨脹；反之，鋼的體積將收縮。冷卻速度不同，相變溫度不同。13. 正火與退火的主要區(qū)別是什么？生產(chǎn)中應(yīng)如何選擇正火及退火？答：與退火的區(qū)別是加熱溫度不同，對于過共析鋼退火加熱溫度在Ac1 以上 30 50 而正火加熱溫度在 Accm以上 30 50。冷速快，組織細，強度和硬度有所提高。當(dāng)鋼件尺寸較小時，正火后組織：S ，而退火

7、后組織： P 。選擇：（ 1）從切削加工性上考慮切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及對刀具的磨損等。一般金屬的硬度在 HB170 230 范圍內(nèi)，切削性能較好。高于它過硬，難以加工，且刀具磨損快； 過低則切屑不易斷， 造成刀具發(fā)熱和磨損，加工后的零件表面粗糙度很大。對于低、中碳結(jié)構(gòu)鋼以正火作為預(yù)先熱處理比較合適，高碳結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼則以退火為宜。至于合金鋼，由于合金元素的加入，使鋼的硬度有所提高，故中碳以上的合金鋼一般都采用退火以改善切削性。（2 ）從使用性能上考慮如工件性能要求不太高，隨后不再進行淬火和回火，那么往往用正火來提高其機械性能，但若零件的形狀比較復(fù)雜，正火的冷卻速度有形成裂

8、紋的危險，應(yīng)采用退火。（3 ）從經(jīng)濟上考慮正火比退火的生產(chǎn)周期短，耗能少， 且操作簡便，故在可能的條件下，應(yīng)優(yōu)先考慮以正火代替退火。14.常用的淬火方法有哪幾種？說明它們的主要特點及其應(yīng)用范圍。答：常用的淬火方法有單液淬火法、雙液淬火法、等溫淬火法和分級淬火法。單液淬火法：這種方法操作簡單，容易實現(xiàn)機械化，自動化，如碳鋼在水中淬火， 合金鋼在油中淬火。 但其缺點是不符合理想淬火冷卻速度的要求，水淬容易產(chǎn)生變形和裂紋， 油淬容易產(chǎn)生硬度不足或硬度不均勻等現(xiàn)象。適合于小尺寸且形狀簡單的工件。雙液淬火法：采用先水冷再油冷的操作。充分利用了水在高溫區(qū)冷速快和油在低溫區(qū)冷速慢的優(yōu)點，既可以保證工件得到馬

9、氏體組織，又可以降低工件在馬氏體區(qū)的冷速，減少組織應(yīng)力，從而防止工件變形或開裂。適合于尺寸較大、形狀復(fù)雜的工件。等溫淬火法：它是將加熱的工件放入溫度稍高于Ms 的硝鹽浴或堿浴中，保溫足夠長的時間使其完成B 轉(zhuǎn)變。等溫淬火后獲得B 下組織。下貝氏體與回火馬氏體相比，在碳量相近， 硬度相當(dāng)?shù)那闆r下， 前者比后者具有較高的塑性與韌性，適用于尺寸較小，形狀復(fù)雜，要求變形小，具有高硬度和強韌性的工具，模具等。15.為什么工件經(jīng)淬火后往往會產(chǎn)生變形，有的甚至開裂？減小變形及防止開裂有哪些途徑？答：淬火中變形與開裂的主要原因是由于淬火時形成內(nèi)應(yīng)為。淬火內(nèi)應(yīng)力形成的原因不同可分熱應(yīng)力與組織應(yīng)力兩種。工件在加熱

10、和 (或 )冷卻時由于不同部位存在著溫度差別而導(dǎo)致熱脹和(或 )冷縮不一致所引起的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。 熱應(yīng)力引起工件變形特點時：使平面邊為凸面，直角邊鈍角，長的方向變短，短的方向增長，一句話，使工件趨于球形。鋼中奧氏體比體積最小,奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌鞣N組織時比體積都會增大,使鋼的體積膨脹; 工件淬火時各部位馬氏體轉(zhuǎn)變-先后不一致 ,因而體積膨脹不均勻。這種由于熱處理過程中各部位冷速的差異使工件各部位相轉(zhuǎn)變的不同時性所引起的應(yīng)力,稱為相變應(yīng)力 (組織應(yīng)力 )。組織應(yīng)力引起工件變形的特點卻與此相反：使平面變?yōu)榘济?，直角變?yōu)殁g角，長的方向變長；短的方向縮短，一句話，使尖角趨向于突出。工件的變形與開裂是熱

11、應(yīng)力與組織應(yīng)力綜合的結(jié)果，但熱應(yīng)力與組織應(yīng)力方向恰好相反，如果熱處理適當(dāng)， 它們可部分相互抵消，可使殘余應(yīng)力減小，但是當(dāng)殘余應(yīng)力超過鋼的屈服強度時，工件就發(fā)生變形，殘余應(yīng)力超過鋼的抗拉強度時，工件就產(chǎn)生開裂。為減小變形或開裂， 出了正確選擇鋼材和合理設(shè)計工件的結(jié)構(gòu)外，在工藝上可采取下列措施：1.采用合理的鍛造與預(yù)先熱處理鍛造可使網(wǎng)狀、帶狀及不均勻的碳化物呈彌散均勻分布。淬火前應(yīng)進行預(yù)備熱處理(如球化退火與正火 ),不但可為淬火作好組織準備,而且還可消除工件在前面加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。2.采用合理的淬火工藝；正確確定加熱溫度與加熱時間,可避免奧氏體晶粒粗化。對形狀復(fù)雜或?qū)嵝圆畹母吆辖痄?應(yīng)緩

12、慢加熱或多次預(yù)熱,以減少加熱中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。工件在加熱爐中安放時,要盡量保證受熱均勻 ,防止加熱時變形;選擇合適的淬火冷卻介質(zhì)和洋火方法(如馬氏體分級淬火、 貝氏體等溫淬火 ),以減少冷卻中熱應(yīng)力和相變應(yīng)力等。16. 表面淬火的目的是什么？常用的表面淬火方法有哪幾種？比較它們的優(yōu)缺點及應(yīng)用范圍。并說明表面淬火前應(yīng)采用何種預(yù)先熱處理。答：表面淬火的目的是使工件表層得到強化，使它具有較高的強度，硬度，耐磨性及疲勞極限，而心部為了能承受沖擊載荷的作用，仍應(yīng)保持足夠的塑性與韌性。常用的表面淬火方法有：1.感應(yīng)加熱表面淬火； 2.火焰加熱表面淬火。感應(yīng)加熱表面淬火是把工件放入有空心銅管繞成的感應(yīng)器（線圈

13、）內(nèi)，當(dāng)線圈通入交變電流后，立即產(chǎn)生交變磁場，在工件內(nèi)形成“渦流 ”，表層迅速被加熱到淬火溫度時而心部仍接近室溫，在立即噴水冷卻后，就達到表面淬火的目的?；鹧婕訜岜砻娲慊鹗且愿邷鼗鹧鏋闊嵩吹囊环N表面淬火法。將工件快速加熱到淬火溫度，在隨后噴水冷卻后，獲得所需的表層硬度和淬硬層硬度。感應(yīng)加熱表面淬火與火焰加熱淬火相比較有如下特點 : 1) 感應(yīng)加熱速度極快,只要幾秒到幾十秒的時間就可以把工件加熱至淬火溫度,:而且淬火加熱溫度高 (AC3 以上 80150 )。 2)因加熱時間短 ,奧氏體晶粒細小而均勻,淬火后可在表面層獲得極細馬氏體 ,使工件表面層較一般淬火硬度高23HRC, 且脆性較低。 3）

14、感應(yīng)加熱表面淬火后,淬硬層中存在很大殘余壓應(yīng)力,有效地提高了工件的疲勞強,且變形小 ,不易氧化與脫碳。4)生產(chǎn)率高 ,便于機械化、自動化 ,適宜于大批量生產(chǎn)。但感應(yīng)加熱設(shè)備比火焰加熱淬火費用較貴,維修調(diào)整比較困難 ,形狀復(fù)雜的線圈不易制造表面淬火前應(yīng)采用退火或正火預(yù)先熱處理。17. 化學(xué)成分和冷卻速度對鑄鐵石墨化和基體組織有何影響？答： (1) 化學(xué)成分1) 碳和硅。碳和硅是強烈促進石墨化元素 , 鑄鐵中碳和硅的含量越高 , 就越容易充分進行石墨化。由于共晶成分的鑄鐵具有最佳的鑄造性能。因此, 將灰鑄鐵的碳當(dāng)量均配制到4%左右。2) 錳。錳是阻止石墨化的元素 , 但錳與硫化合成硫化錳 , 減弱

15、了硫的有害作用 , 結(jié)果又間接促進石墨化的作用。故鑄鐵中有適量的錳是必要的。3) 硫。硫是強烈阻礙石墨化的元素 , 它不僅強烈地促使白口化 , 而且還會降低鑄鐵的流動性和力學(xué)性能 , 所以硫是有害元素 , 必須嚴格控制其含量。4) 磷。磷是弱促進石墨化的元素 , 同時能提高鐵液的流動性 , 但磷的含量過高會增加鑄鐵的脆性 , 使鑄鐵在冷卻過程中易開裂 , 、所以也應(yīng)嚴格控制其含量。(2) 冷卻速度生產(chǎn)實踐證明 , 在同一成分的鑄鐵件中 , 其表面和薄壁部分易出現(xiàn)白口組織 , 而內(nèi)部和厚壁處則容易進行石墨化。 由此可見 , 冷卻速度對石墨化的影響很大。 冷卻速度越慢 , 原子擴散時間充分 , 也

16、就越有利于石墨化的進行。冷卻速度主要決定于澆注溫度、鑄件壁厚和鑄型材料。18. W18Cr4V鋼的 Ac1 約為 820，若以一般工具鋼 Ac1+30-50常規(guī)方法來確定淬火加熱溫度， 在最終熱處理后能否達到高速切削刃具所要求的性能？為什么？W18Cr4V鋼刀具在正常淬火后都要進行560三次回火，又是為什么？答：若以一般工具鋼Ac1+30-50 常規(guī)方法來確定W18Cr4V鋼淬火加熱溫度，在最 終熱處理后不能達到高速切削刃具所要求的性能。因為若按常規(guī)方法來確定淬火加熱溫度，則合金碳化物不易溶解，不能滿足在高速切削時刀具應(yīng)保持紅硬性、高耐磨性的要求。為使奧氏體得到足夠的合金化，必須加熱到遠遠大于

17、 Ac1 的溫度，既 1280 左右。 18Cr4V 鋼刀具在正 常淬火后都要進行 560 三次回火，這是為消除殘余奧氏體。19. 什么是鋁合金的固溶處理和時效處理。所謂固溶處理， 是指將合金加熱到高溫奧氏體區(qū)保溫，使過剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。 固溶處理的主要目的是改善鋼或合金的塑性和韌性，為沉淀硬化處理作好準備等。20. 陶瓷的典型組織由哪幾部分組成？它們對陶瓷性能各起什么作用？答 :(1). 由晶相 ,玻璃相 ,氣相組成(2). 晶相 :陶瓷的力學(xué) ,物理 ,化學(xué)性能主要取決于主晶相,陶瓷中的晶相主要有硅酸鹽, 氧化物和非氧化?. 玻璃相 :其主要

18、作用是將分散的晶相粘結(jié)在一起,抑制晶粒長大及填充氣孔使陶瓷致 密等 氣相 :它常以孤立狀態(tài)分布在玻璃相中 ,或以細小氣孔存在于晶界或晶內(nèi) .氣孔使組織致密性下降 ,產(chǎn)生應(yīng)力集中 ,導(dǎo)致力學(xué)性能降低 ,脆性增加 ,并使介電損耗增大,抗電擊穿強度下降.因此 ,應(yīng)力求降低氣孔的大小和數(shù)量,并使氣孔均勻分布.若要求陶瓷材料密度小 ,絕緣性好時,則希望有一定量氣相存在.21. 試述石墨形態(tài)對鑄鐵性能的影響。答：灰鑄鐵中石墨呈片狀，片狀石墨的強度、塑性、韌性幾乎為零,存在石墨地方就相當(dāng)于存在孔洞、 微裂紋 ,它不僅破壞了基體的連續(xù)性,減少了基體受力有效面積 ,而且在石墨片尖端處形成應(yīng)為集中,使材料形成脆性

19、斷裂。 石墨片的數(shù)量越多,尺寸越粗大 ,分布越不均勻 ,鑄鐵的抗拉強度和塑性就越低。由于灰鑄鐵的抗壓強度、硬度與耐磨性主要取決于基體 ,石墨存在對其影響不大。故灰鑄鐵的抗壓強度一般是抗拉強度的3-4 倍。 球墨鑄鐵中石墨呈球狀，所以對金屬基體的割裂作用較小,使得基體比較連續(xù) ,在拉伸時引起應(yīng)力集中的現(xiàn)象明顯下降 ,從而使基體強度利用率從灰鑄鐵的30%50% 提高到 70%90%, 這就使球墨鑄鐵的抗拉強度、塑性和韌性、疲勞強度不僅高于其它鑄鐵,而且可以與相應(yīng)組織的鑄鋼相比。 可鍛鑄鐵中石墨呈團絮狀。與灰鑄鐵相比對金屬基體的割裂作用較小,可鍛鑄鐵具有較高的力學(xué)性能 ,尤其是塑性與韌性有明顯的提高

20、。22. 復(fù)合材料的增強機制是什么？并說明界面的作用。23. 現(xiàn)有下列零件及可供選擇的材料 ,給各零件選擇合適的材料 ,并選擇合適的最終熱處理方法 (或使用狀態(tài) ). 零件名稱 :自行車架 ,連桿螺栓 , 車廂板簧 , 滑動軸承 , 變速齒輪 ,機床床身 , 柴油機曲軸 . 可選材料 :60Si2Mn,ZQSn6-6-3,QT600-2, T12A, 40Cr, HT200, 16Mn,20CrMnTi.答：自行車架：16Mn焊接連桿螺栓：40Cr最終熱處理方法：調(diào)質(zhì)；車廂板簧：60Si2Mn最終熱處理方法： 淬火 +中溫回火； 滑動軸承： ZQSn6-6-3 最終熱處理方法：滲碳后淬火、低溫

21、回火； 機床床身：使用狀態(tài)： 鑄造； 變速齒輪： 20CrMnTiHT200最終熱處理方法：去應(yīng)力退火；柴油機曲軸：QT600-2最終熱處理方法：等溫淬火。24.擬用 T10 制造形狀簡單的車刀，工藝路線為：鍛造熱處理機加工熱處理磨加工（1） 試寫出各熱處理工序的名稱并指出各熱處理工序的作用；答:(1)球化退火，作用：利于切削加工。得到球狀珠光體，均勻組織，細化晶粒，為后面淬火處理作組織準備。淬火+低溫回火，作用：使零件獲得較高的硬度、耐磨性和韌性，消除淬火內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織和尺寸。（2） 指出最終熱處理后的顯微組織及大致硬度；答：顯微 組織 ： M 回+ C m ， 大致 硬度 ：6 0 H R C .（3） 制定最終熱處理工藝規(guī)定（溫度、冷卻介質(zhì)）答：工藝規(guī)范：760°C水淬+200C&