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2012年专业课作业-材料科学与工程

7、何为合金渗碳体?与渗碳体相比,性能如何?

含有合金元素的渗碳体,即渗碳体内一部分铁原子被铬、钨、钼等元素所置换,形成合金渗碳体。

渗碳体分子式:Fe3C,为铁和碳形成的化合物。钢中的碳化铁(Fe3C)相。具有正交晶体结构,其晶格为复杂的正交晶格,硬度很高HBW=800,塑性、韧性几乎为零,脆性很大,延伸率接近于零。渗碳体的含碳量为ωc=6.69%,熔点1227℃。热力学稳定性不高,在一定条件下,会发生分解形成石墨。在230℃以下,具有一定的磁性。

通过加入不同合金元素形成的合金渗碳体,不仅可以保留渗碳体高硬度、高耐磨性的特点,而且还改变了渗碳体塑性、韧性差的特点,而得到抗低温冲击韧性,表面具有高强度、高耐磨性,心部还具有高强度与高韧性的不同性能与用途的合金钢。

8、双相钢的化学成分、组织和性能特点是什么?

奥氏体一铁素体双相不锈钢:奥氏体一铁素体双相不锈钢系指不锈钢中即有奥氏体又有铁素体组织的钢种,而且此两种组织要独立存在,且含量较大。一般认为,在奥氏体基体上有大于15%的铁素体或在铁素体基体上有大于15%的奥氏体,均可称为奥氏体-铁素体双相不锈钢。

奥氏体-铁素体双相不锈钢的成分在Cr-Ni当量相图的α+γ区域内,成分在18%~26%Cr、4%~7%Ni,根据用途可分别加入Mn、Cu、Mo、Ti、N等。由于不锈钢具有α+γ双相组织,其性能特点是兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特性。与铁素体不锈钢相比,α+γ双相不锈钢韧性高,脆性转变温度低,耐晶间腐蚀能力和焊接性显著提高。与奥氏体不锈钢相比,其强度水平高,屈服强度是奥氏体不锈钢的2倍,且α+γ双相不锈钢抗应力腐蚀的能力较强。α+γ双相不锈钢还存在一定的脆性倾向,这是由于在焊接区金属间化合物的α、δ、μ相的沉淀和相α’析出所引起的,因此工程上可以利用沉淀取决于时间的特性,在沉淀前进行加工和热处理,并使组织稳定。双相不锈钢通常采用1000℃~l100℃淬火韧化,可获得60%左右的铁素体及奥氏体组织,需要时再根据工作环境和加

工条件,进行适当的稳定化处理。

典型奥氏体-铁素体双相不锈钢的化学成分

2012年专业课作业-材料科学与工程

奥氏体一马氏体双相不锈钢:奥氏体一马氏体不锈钢是为满足航空航天工业需要发展的耐热、耐蚀、高强度钢,随飞行器飞行速度的提高,飞行器结构件的表面温度也迅速升高,铝合金已不能使用,需要高强度的不锈钢代替。为了达到铝合金那样的比强度水平,高强度不锈钢的抗拉强度至少要达到100MPa。设计思想是,使钢在室温时基体为奥氏体,在加工成形后,通过低温处理将奥氏体转变为马氏体,而后通过较低温度的沉淀硬化处理,使马氏体进一步强化,获得奥氏体一马氏体不锈钢。这类钢在淬火后有不稳定的奥氏体组织,它能在冷处理或塑性变形过程中发生马氏体转变。组织中奥氏体、马氏体量之比决定钢的性能,因此钢的热处理和合金元素的含量决定钢强度性能的变化。

9、比较调质钢和低碳马氏体结构钢的成分设计、热处理工艺和性能特点?

调质钢的成分设计有如下特点:(1)碳含量(质量分数)一般在0.20%~

0.50%范围,以获得高的力学综合性能,若碳含量太高,则塑性和韧性太低,而碳含量太低,强度又不足。(2)合金元素总量不是很大,一般不超过3%~7%(质量分数),属于中低合金钢范畴。(3)所含合金元素的种类较多,一般都是加入1种~3种合金元素,常加入的合金元素有Cr、Ni、Mn、Si、W、Mo、V、Ti、B及稀土等,其中Cr、Ni、Mn、Si等加入量较大,它们在改善钢的性能方面起主导作用,常称为主加元素,而Mo、V、Ti、W等常配合一定数量的主加元素加入钢中,且加入量通常较少,它们在改善钢的性能方面起辅助作用,故称为辅加元素。(4)通常对杂质元素(主要是S、P)的含量限制很严。

调质钢的热处理工艺及特点:

调质钢的淬火加热温度:一般在800℃~885℃,为了改善钢的韧性也采取900℃~940℃高温淬火

淬火介质:油或水

回火温度:淬火后再高温回火,回火温度一般在500℃~650℃

回火后组织:淬火获得马氏体,在高温回火后马氏体分解成索氏体,索氏体是由铁素体+弥散的粒状碳化物组成

(1)提高淬透性。调质钢常用的合金元素中,Mn、Cr、M0、B等对提高淬透性的作用较为显著,Si、Ni的作用较弱。Ti、V、Nb等强碳化物形成元素,在通常的淬火加热温度下,极少溶于奥氏体中,而大部分以碳化物、氮化物的形式存在,故不能显著提高钢的淬透性,有的甚至起反作用。(2)抑制高温回火脆性。钢中含有Cr、Ni、Mn、B等元素时会增加对高温回火脆性的敏感性,当Cr、Ni、Mn等同时存在时,更能促进回火脆性的显著增大。为了抑制高温回火脆性,除了在回火后采取快冷外,常在钢中加入适量的钼或钨,钨对抑制高温回火脆性的作用不及钼,一份钼的作用相当于三份钨的作用。通常钼的加入量为0.25%~0.40%(质量分数),而钨的加入量则为0.8%~1.2%(质量分数)。(3)细化奥氏体晶体。锰能促进奥氏体晶体的长大,钒、钛、铌等大部分则以碳或氮的化合物的形式存在,对奥氏体晶界起钉扎作用,能显著细化奥氏体晶粒。(4)提高回火稳定性。调质钢中加入碳化物形成元素(如V、Mo、W、Cr等)能显著提高回火稳定性。硅对渗碳体的析出和长大有着强烈的延迟作用,故亦能显著提高其回火稳定性。

调质钢的性能特点:调质钢淬火成马氏体,在450℃~650℃温度范围内回

火时,随着回火温度的升高,硬度、抗拉强度、屈服强度等不断降低,而伸长率、断面收缩率及冲击韧性等不断上升。尽管钢的化学成分不同,但如果淬火后成马氏体,回火到相同的硬度或抗拉强度,便得到相近的屈服强度、伸长率和断面收缩率值。如果把碳钢和合金结构钢都淬成马氏体,回火到相同的硬度或抗拉强度,它们的屈服强度与伸长率值也是相近的,但是它们的断面收缩率却有差别,当强度高时特别明显。对相同成分的钢采用不同的回火温度,以得到不同的强度,强度越高,其室温冲击韧性越低。随着冲击试验温度降低,钢转变到冷脆状态,原来不同强度钢的冲击韧性趋于一致,都非常低。某些化学成分的钢,高温回火后的冷却速度对冲击韧性有显著的影响,表现为冲击韧性的降低和韧-脆转变温度的升高,而对硬度、强度、塑性等性能没有明显的影响。高温回火脆性与加热和冷却的条件有关,且具有可逆性。一般认为,碳钢的高温回火脆性很小,难以明确测出,除非钢中锰含量较高。

低碳马氏体结构钢是指低碳钢或低碳合金钢经淬火低温回火处理,得到高强度、高韧性的低碳马氏体组织作为应用状态的钢。一般中碳(合金)结构钢的强度和韧度是互为矛盾的。为了追求高的塑性和韧性,采用调质处理,势必牺牲强度;若要保持高强度水平,采用淬火+低温回火,又显得塑性、韧性不足。但是低碳(合金)结构钢采用淬火+低温回火工艺,则可得到位错板条马氏体+板条相界残余奥氏体薄膜+板条内部自回火或低温回火析出的细小分散碳化物组织。因此,低碳马氏体的力学性能在具有高强度的同时兼有良好的韧度和塑性,其综合力学性能和中碳合金调质钢的性能相当,某些性能甚至优于调质钢,表3-9为中碳调质钢和低碳马氏体结构钢的性能比较。低碳马氏体钢不但在静载荷下具有低的缺口敏感性,而且还具有低的疲劳缺口敏感度。低碳马氏体的冷脆倾向比较小,还有良好的工艺性能,冷变形能力良好,焊接性能优良,热处理脱碳倾向小,淬火变形和开裂倾向小。所以,对于在严寒地方室外工作的机件及低温下要求有高强度和高韧度的零件,采用低碳马氏体强化是很合适的。

2012年专业课作业-材料科学与工程

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表3-9 中碳调质钢和低碳马氏体结构钢的性能比较

低碳马氏体钢的含碳量在0.15%~O.25%(质量),以保证淬火后获得板条马氏体组织。低碳马氏体的强化主要是碳的固溶强化。研究表明,钢中碳含量在0.15%~0.29%(质量)范围内变化时,随着碳含量的增加,钢的强度不断提高,而塑性和韧度则随着碳含量的增加而不断降低。

为了提高钢的淬透性和改善其它性能,常加入一些Cr、Mo、Si、Mn、V等合金元素。在适量的范围内,锰、铬、钼、镍都能改善钢的韧性,并降低韧脆转变温度FATFso,而镍的作用尤为显著。加入少量钒细化了奥氏体晶粒,改善了钢的韧性。Cr、Mo、si、Mn、V元素能有效提高钢的回火稳定性。因为低碳马氏体钢的马氏体相变点M。比较高,在淬火时容易产生自回火现象,所以加入的合金元素最好能适当降低M。点,但也不能过分降低以避免增加淬裂倾向。总的来说,低碳马氏体钢的合金化方向是在保证淬透性的前提下,加入具有高的低温回火抗力和适当降低M。点的元素。

低碳马氏体钢的工艺特点是需要高温加热、较长时间的保温,为保证淬透性,常以高速冷却。但是零件的断面尺寸增大,心部有可能淬不透,马氏体数量减少,其综合力学性能将降低。所以应根据零件的尺寸大小来选择相应淬透性的钢。

10、分析碳和合金元素在高速钢中的作用以及高速钢的热处理特点?

碳和合金元素在高速钢中的作用:碳能够增加高速钢淬火和低温回火后硬度,并且具有较好的综合力学性能。碳含量的高低对钢的性能起决定性影响,碳含量越高,钢的耐磨性越好,而韧性越差。铬提高过冷奥氏体稳定性,因而增加了淬透性。同时铬阻止渗碳体型碳化物的聚集、长大,提高了马氏体的分解温度,从而提高了钢的回火抗力。Si是促进高碳钢石墨化倾向的元素,故Si不单独加入而需和其它元素一起使用。硅在钢中不生成碳化物,而只溶于固溶体中,能显著

提高过冷奥氏体稳定性,因而有效提高钢的淬透性,同时硅由于能阻碍马氏体第二阶段分解和渗碳体聚集,故可以增加回火稳定性。W、Mo、V等元素生成稳定碳化物,这些碳化物具有高的硬度,淬火时不易溶解,可阻止奥氏体晶粒长大,增加淬火后钢的硬度和耐磨性。Mn元素能提高钢的淬透性,增加残留奥氏体量,减少应力的变形,但含锰工具钢加热时晶粒容易长大。

高速钢的热处理特点:(1)退火。高速钢锻造后,必须进行退火。W18Cr4V 钢退火温度为860℃~880℃。在该温度保温2h一3h,缓慢冷却至500℃,然后出炉空冷。退火时保温时间不宜过长,这样奥氏体中溶入的合金元素不多,易于转变成软组织,高速钢也可采用等温退火,即在860℃~880℃保温后,迅速冷却到720℃~750℃,保温4h~6h,然后缓冷至500℃,出炉空冷。(2)高速钢的淬火。高速钢中合金元素含量高、导热性差,因此淬火加热时一般采用在800℃~850℃预热。对大型或形状复杂的刀具,采用二次预热,第一次在500℃~600℃,第二次在800℃~850℃。为防止脱碳氧化,高速钢在高温盐炉中加热。高速钢的淬透性大,加热后即使在空气中冷却也可以获得很高硬度,但高速钢通常采用油中淬火或在580℃~600℃保温的一次分级淬火,工具厂中几乎80%的刀具采用一次分级淬火。(3)高速钢的回火。高速钢的淬火组织为马氏体+碳化物+残留奥氏体。为了消除淬火应力,减少残留奥氏体量,产生二次硬化,高速钢一般在560℃进行三次回火。

11、奥氏体不锈钢的主要优缺点是什么?

奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢类,其产量和使用量约占不锈钢产量及用量的70%。奥氏体不锈钢除了具有高的耐腐蚀性能以外,还具有良好的焊接性能和冷加工变形性能,常温及低温下很高的塑性与韧性,不具有磁性等,这些都是铁素体钢与马氏体钢所没有的宝贵性能。

但是奥氏体不锈钢易产生晶间腐蚀,这是由于在敏化温度时晶界析出铬的碳化物,致使晶界贫铬,故有晶间腐蚀倾向。其防止措施是在钢中加入强碳化物形成元素(Ti、Nb),降低钢的含碳量,进行固溶处理和稳定化处理。

12、钢铁材料在常温及高温下,其力学性能有何不同?

钢铁材料在高温下其力学性能显著降低,其抗氧化性能、抗蠕变和抗破断性能,承受周期性的疲劳应力的能力,高温强度和组织稳定性能、耐热性能都会有很大程度的降低。