第三版材料科学知识点整理(2)
淬火内应力形成的原因不同可分热应力与组织应力两种。工件的变形与开裂是热应力与组织应力综合的结果，但热应力与组织应力方向恰好相反，如果热处理适当，它们可部分相互抵消，可使残余应力减小，但是当残余应力超过钢的屈服强度时，工件就发生变形，残余应力超过钢的抗拉强度时，工件就产生开裂。
为减小变形或开裂，出了正确选择钢材和合理设计工件的结构外，在工艺上可采取下列措施：
1.采用合理的锻造与预先热处理;
2.采用合理的淬火工艺：正确确定加热温度与加热时间,避免奥氏体晶粒粗化。对形状复杂或导热性差的高合金钢,应缓慢加热或多次预热,以减少加热中产生的热应力。工件在加热炉中安放时,要尽量保证受热均匀,防止加热时变形;选择合适的淬火冷却介质和洋火方法(如马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火),以减少冷却中热应力和相变应力等。
3.淬火后及时回火：淬火内应力如不及时通过回火来消除,对某些形状复杂的或碳的质量分数较高的工件,在等待回火期间就会发生变形与开裂。
4.对于淬火易开裂的部分，如键槽，孔眼等用石棉堵塞。
16.表面淬火的目的是什么?常用的表面淬火方法有哪几种?比较它们的优缺点及应用范围。并说明表面淬火前应采用何种预先热处理。
答：表面淬火的目的是使表面获得马氏体组织得到强化和硬化，心部组织并不发生变化，保持高的韧性。
常用的表面淬火方法有：1.感应加热表面淬火;2.火焰加热表面淬火。
感应加热表面淬火与火焰加热淬火相比较有如下特点:1)感应加热速度极快,只要几秒到几十秒的时间就可以把工件加热至淬火温度,:而且淬火加热温度高(AC3以上80~150℃)。2)因加热时间短,奥氏体晶粒细小而均匀,淬火后可在表面层获得极细马氏体,使工件表面层较一般淬火硬度高2~3HRC,且脆性较低。3)感应加热表面淬火后,淬硬层中存在很大残余压应力,有效地提高了工件的疲劳强,且变形小,不易氧化与脱碳。4)生产率高,便于机械化、自动化,适宜于大批量生产。但感应加热设备比火焰加热淬火费用较贵,维修调整比较困难,形状复杂的线圈不易制造表面淬火前应采用退火或正火预先热处理。
17.化学成分和冷却速度对铸铁石墨化和基体组织有何影响?(p394)
答：(1)化学成分
1)碳和硅。碳和硅是强烈促进石墨化元素,铸铁中碳和硅的含量越高,就越容易充分进行石墨化。由于共晶成分的铸铁具有最佳的铸造性能。因此,将灰铸铁的碳当量均配制到4%左右。
2)锰。锰是阻止石墨化的元素,但锰与硫化合成硫化锰,减弱了硫的有害作用,结果又间接促进石墨化的作用。故铸铁中有适量的锰是必要的。
3)硫。硫是强烈阻碍石墨化的元素,它不仅强烈地促使白口化,而且还会降低铸铁的流动性和力学性能,所以硫是有害元素,必须严格控制其含量。
4)磷。磷是弱促进石墨化的元素,同时能提高铁液的流动性,但磷的含量过高会增加铸铁的脆性,使铸铁在冷却过程中易开裂,、所以也应严格控制其含量。
(2)冷却速度
铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按Fe-G相图进行，因而促进石墨化
18.W18Cr4V钢的Ac1约为820℃，若以一般工具钢Ac1+30-50℃常规方法来确定淬火加热温度，在最终热处理后能否达到高速切削刃具所要求的性能?为什么?W18Cr4V钢刀具在正常淬火后都要进行560℃三次回火，又是为什么?
答：若以一般工具钢Ac1+30-50℃常规方法来确定W18Cr4V钢淬火加热温度，在最终热处理后不能达到高速切削刃具所要求的性能。因为若按常规方法来确定淬火加热温度，则合金碳化物不易溶解，不能满足在高速切削时刀具应保持红硬性、高耐磨性的要求。为使奥氏体得到足够的合金化，必须加热到远远大于Ac1的温度，既1280℃左右。18Cr4V钢刀具在正常淬火后都要进行560℃三次回火，这是为消除残余奥氏体。
19.什么是铝合金的固溶处理和时效处理。
固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的理。时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。
20.陶瓷的典型组织由哪几部分组成?它们对陶瓷性能各起什么作用?
答:(1).由晶相,玻璃相,气相组成(2).1、晶相：主要组成相由离子键或共价键结合而成，决定陶瓷的高熔点、高耐热性、高化学稳定性、高绝缘性、高脆性等性能。
2、玻璃相：非晶态固体，将晶相粘结在一起，降低烧结温度，抑制晶相晶粒长大和填充气孔。
3、气相：气孔(5%-10%)。对性能的不利影响：增加脆性、降低强度、电击穿强度降低，绝缘性能降低。对性能的有利影响：提高吸振性，使陶瓷密度减小。
21.试述石墨形态对铸铁性能的影响。
答：灰铸铁中石墨呈片状，片状石墨的强度、塑性、韧性几乎为零,存在石墨地方就相当于存在孔洞、微裂纹,它不仅破坏了基体的连续性,减少了基体受力有效面积,而且在石墨片尖端处形成应为集中,使材料形成脆性断裂。石墨片的数量越多,尺寸越粗大,分布越不均匀,铸铁的抗拉强度和塑性就越低。由于灰铸铁的抗压强度、硬度与耐磨性主要取决于基体,石墨存在对其影响不大。球墨铸铁中石墨呈球状，所以对金属基体的割裂作用较小,使得基体比较连续,在拉伸时引起应力集中的现象明显下降,从而使基体强度利用率从灰铸铁的30%~50%提高到70%~90%,这就使球墨铸铁的抗拉强度、塑性和韧性、疲劳强度不仅高于其它铸铁,而且可以与相应组织的铸钢相比。蠕墨铸铁中石墨呈团絮状。与灰铸铁相比对金属基体的割裂作用较小，蠕墨铸铁具有较高的力学性能,尤其是塑性与韧性有明显的提高。
22.复合材料的增强机制是什么?并说明界面的作用。
1.粒子增强型复合材料增强机制
①弥散强化复合材料，其粒子直径0.1~0.01μm、体积分数约1%~15%，增强强度。
②颗粒增强复合材料，粒子直径为1~50μm、体积分数大于20%，改善耐磨性或提高综合力学性能。
2、纤维增强复合材料的增强机制
纤维增强复合材料中，纤维是材料主要承载组分，其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。界面使基体和增强相相容。界面应互相配合，协同工作。
23.现有下列零件及可供选择的材料,给各零件选择合适的材料,并选择合适的最终热处理方法(或使用状态).零件名称:自行车架,连杆螺栓,车厢板簧,滑动轴承,变速齿轮,机床床身,柴油机曲轴.可选材料:60Si2Mn,ZQSn6-6-3,QT600-2,T12A,40Cr,HT200,16Mn,20CrMnTi.
答：自行车架：16Mn焊接连杆螺栓：40Cr最终热处理方法：调质;车厢板簧：60Si2Mn最终热处理方法：淬火+中温回火;滑动轴承：ZQSn6-6-3使用状态：铸造;变速齿轮：20CrMnTi最终热处理方法：渗碳后淬火、低温回火;机床床身：HT200最终热处理方法：去应力退火;柴油机曲轴：QT600-2最终热处理方法：等温淬火。
24.拟用T10制造形状简单的车刀，工艺路线为：锻造—热处理—机加工—热处理—磨加工
(1)试写出各热处理工序的名称并指出各热处理工序的作用;
答:(1)球化退火，作用：利于切削加工。得到球状珠光体，均匀组织，细化晶粒，为后面淬火处理作组织准备。淬火+低温回火，作用：使零件获得较高的硬度、耐磨性和韧性，消除淬火内应力，稳定组织和尺寸。
(2)指出最终热处理后的显微组织及大致硬度;
答：显微组织：M回+Cm，大致硬度：60HRC.
(3)制定最终热处理工艺规定(温度、冷却介质)
答：工艺规范：760°C水淬+200°C回火
25.有一传动轴(最大直径φ20mm)受中等交变拉压载荷作用要求沿截面性能均匀一致,
(1)选择合适的材料,(2)编制简明工艺路线,(3)说明各热处理工艺的
主要作用(4)指出最终组织.可供选择材料:16Mn,20CrMnTi,45,40Cr,40CrNiMo,T12
(1)答：选用20CrMnTi
(2)答：简明工艺路线：备料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火、低温回火→机械加工。
(3)答：热处理工艺的主要作用如下：正火：主要为了消除毛坯的锻造应力，降低硬度以改善切削加工性，同时也均匀组织，细化晶粒，为以后的热处理做组织准备。渗碳：为了保证传动轴表层的含碳量及渗碳层深度的要求。淬火+低温回火：提高表面的硬度和耐磨性，而心部具有足够的韧性，其中低温回火的作用是消除淬火应力及减少脆性。
26.某型号柴油机的凸轮轴，要求凸轮表面有高的硬度(HRC>50)，而心部具有良好的韧性(Ak>40J)，原采用45钢调质处理再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温回火，现因工厂库存的45钢已用完，只剩15钢，拟用15钢代替。试说明：
(1)原45钢各热处理工序的作用：
答：正火处理可细化组织，调整硬度，改善切削加工性;调质处理可获得高的综合机械性能和疲劳强度;局部表面淬火及低温回火可获得局部高硬度和耐磨性。
(2)改用15钢后，应按原热处理工序进行能否满足性能要求?为什么?
答：不能。改用15钢后按原热处理工序会造成心部较软，表面硬，会造成表面脱落
(3)改用15钢后，为达到所要求的性能，在心部强度足够的前提下采用何种热处理工艺?
答：渗碳。
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