工程材料第六章作业答案

1、第六章钢的热处理1、热处理与其他加工方法（如铸、锻、焊、切削加工等）相比较具有何种特点？钢的热处理和Fe-C合金相图有什么关系？10答：热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温盒冷却措施，以改变其组织，从而获得需要的组织结构与性能的加工方法。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。钢在加热或冷却时，形成奥氏体的温度范围一般可根据Fe-C合金相图进行近似估计。由Fe-C合金相图得知，A.A3和Acm是碳钢在极缓慢的加热或冷却时的转变温度，因此Al、A

2、3和Acm是平衡临界点，但在实际生产中，加热和冷却不是极缓慢的，因此钢不可能在临界点发生转变。实际加热时各临界点的位置分别为图中Aci、Ac3和Accm线,而世界冷却时各临界点的位置分别为Ari、Ar3和Acm。图6-1碳素钢的临界点在FmFgC相图上的位置2、试述奥氏体（A）的形成过程，并指出奥氏体（A）的合金化（碳和合金元素的溶入）及均匀化的意义。12答：若加热温度高于相变温度，钢在加热和保温阶段（保温的目的是使钢件里外加热到同一温度），将发生室温组织向奥氏体的转变，称奥氏体化。奥氏体化过程也是形核与长大过程，是依靠铁原子和碳原子的扩散来实现的，属于扩散型相变。奥氏体的形成是通过形核及长大

3、方式来实现的，其基本过程可分为四个阶段：奥氏体晶核的形成：钢加热到Ac1以上时，变得不稳定，F和FeC3的界面在成分和结构上处于最有利于转变的条件下，首先在这里形成晶核。奥氏体晶核的长大：晶核形成后，随即也建立起A-F和A-FeC3的浓度平衡，并存在一个浓度梯度。在此浓度梯度的作用下，A内发生C原子由FeC3边界向F边界的扩散,使其同FeC3和F的两边界上的平衡浓度遭破坏。为了维持浓度的平衡，渗碳体必须不断往A中溶解，且F不断转变为A。这样，A晶核便向两边长大了。剩余FeC3的溶解：在A晶核长大过程中，由于FeC3溶解提供的C原子远多于同体积F转变为A的需要，所以F比FeC3先消失，而在A全部

4、形成之后，还残存一定量的未溶FeC3o它们只能在随后的保温过程中逐渐溶入A中，直至完全消失。奥氏体的均匀化：FeC3完全溶解后，A中C浓度的分布并不均匀，原先是FeC3的地方C浓度较高，原先是F的地方C浓度较低，必须继续保温（保温目的之二），通过碳的扩散，使A成分均匀化。奥氏体合金化和均匀化意义：奥氏体化过程与碳的扩散能力有关，除钴、镍等元素外，大多数合金元素均使碳的扩散能力降低，尤其是强碳化物形成元素（如钒等）所形成的特殊碳化物，能阻碍碳的扩散。这种碳化物稳定性大，又难以分解，使奥氏体均匀化过程变得困难。因此，大多数低合金钢与合金钢为获得成分均匀的奥氏体，需提高加热温度和延长保温时间。合金元

5、素（除镒、磷外）均不同程度的阻碍奥氏体晶粒长大，尤其是强碳化物形成元素（如钛、钒、铌等）更为显著，它们形成的碳化物在高温下较稳定，且呈弥散质点分布在奥氏体晶界上，能阻碍奥氏体晶粒长大。其目的是利用各种元素和铁的相互作用规律，通过控制钢中合金元素的种类和含量获得所需的组织。因此，低合金钢与合金钢经热处理后的晶粒比相同含碳量的碳钢更细小，其性能较高。3、奥氏体（A）晶粒大小是什么因素决定的？奥氏体（A）晶粒大小对转变产物的组织和性能有何影响？10答：影响奥氏体晶粒大小的因素：加热温度与保温时间的影响，奥氏体化温度越低，保温时间越短，奥氏体晶粒越细。加热速度的影响，最高加热温度相同，加热速度越快，奥

6、氏体晶粒越细小。加热温度和保温时间相同时，钢中碳质量分数越低，奥氏体晶粒越细小。一般阻止奥氏体长大的合金元素均能生成弥散分布的稳定碳化物或氮化物，在奥氏体化过程中，阻碍奥氏体晶粒长大。而促进奥氏体晶粒长大的元素固溶在奥氏体中会减弱铁原子的结合力，加速铁原子的自扩散，从而促进奥氏体晶粒长大。原始组织的影响，原始组织细小，相界面大，奥氏体形核率大，则启始晶粒细小，但晶粒长大倾向大，即过热敏感性大。奥氏体晶粒大小对转变产物的组织和性能的影响：奥氏体晶粒细小，冷却后产物组织的晶粒也细小。细晶粒组织不仅强度、塑性比粗晶粒高，而且冲击韧性也有明显提高。4、解释下列名词24（1）奥氏体的起始晶粒度，实际晶粒

7、度和本质晶粒度；答：奥氏体的起始晶粒度：钢进行加热时，当珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的奥氏体晶粒度。实际晶粒度：钢在某一具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体的晶粒度。本质晶粒度：表示钢在一定的加热条件下奥氏体晶粒长大的倾向。（2）连续冷却和等温冷却；答：连续冷却：即将奥氏体化的钢件以一定的冷却速度从高温一直冷却至室温，在连续冷却过程完成组织转变的过程。等温冷却：把奥氏体化后的钢件迅速冷到临界点以下的某一温度，等温保持一定的时间后在冷却至室温，在保温过程中完成组织的转变过程。C曲线（3）孕育期；答：转变开始线与纵坐标轴的距离，550最短。（4）片间距；片状珠光体和粒状珠光体；索氏体；屈氏体

8、；答：片间距：珠光体的层间的距离。片状珠光体和粒状珠光体：铁素体与渗碳体间的片层状组织。索氏体：650C600C生成细片状的珠光体组织。屈氏体：600C550C生成极细片状的珠光体组织。（5）临界冷却速度VK答：得到全部马氏体的最小冷却速度。（6）贝氏体；上贝氏体和下贝氏体；答：贝氏体是过冷奥氏体的中温（550TCMs）转变产物，以贝氏体铁素体为基，同时可能存在小渗碳体或匕碳化物或残余奥氏体等相构成的整合组织。上贝氏体：过饱和的平行条状a相和夹于a相条间的断续条状渗碳体的混合物。（在贝氏体转变温度范围较高温度区域（550C350C）形成上贝氏体）下贝氏体：过饱和的片状a相和其他内部沉淀的匕碳化

9、物的混合物。（下贝氏体在贝氏体转变温度范围的较低温度区域（350CMs）形成）（7）马氏体：位错马氏体和孪晶马氏体；隐晶马氏体；答：马氏体是碳在eFe中的过饱和固溶体。位错马氏体：即为板条马氏体，含碳量为0.2%以下的碳钢几乎全部生成板条状马氏体，亚结构为密度高达10111012/cm2的位错，即每个板条内有高密度的位错。孪晶马氏体：即为片状马氏体，含碳量在1.0%以上的碳钢几乎全部生成双凸透镜状的片状马氏体，其亚结构主要为微细孪晶，即每个针片内存在大量的孪晶。隐晶马氏体：Wc（0.2%C1.0%）介于位错马氏体和挛晶马氏体之间的马氏体，即为板条状马氏体和片状马氏体的混合组织。（8）Ms和Mf

10、,残余奥氏体答：Ms：马氏体转变开始温度。Mf：马氏体转变结束温度。残余奥氏体：淬火未能转变成马氏体而保留到室温的奥氏体。5、马氏体组织有哪几种基本形态？它们在组织和性能上各有什么特点？10答：钢中马氏体主要有片状和板状两种基本形态。板条状马氏体的含碳量为0.2%以下，每个板条内有高密度的位错。片状马氏体的含碳量在1%以上，每个针片内存在大量的孪晶。性能上片状马氏体的性能特点是硬度高而脆性大，而板条状马氏体有较高的强韧性。10、区别下列名词12调质处理和变质处理；答：调质处理：淬火+高温回火=是淬火加高温回火的双重热处理，其目的是使工件具有良好的综合机械性能。变质处理：变质处理就是向金属液体中

11、加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，达到提高材料性能的目的。淬透性与淬硬性；答：淬透性：淬透性表示钢在一定条件下淬火时获得淬硬层（马氏体层）深度。它是衡量各个不同钢种接受淬火能力的重要指标之一。主要与钢的过冷奥氏体稳定性和钢的临界冷却速度有关。淬硬性：指钢在淬火时硬化能力，用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示。主要取决于马氏体中的含碳量，碳含量越高，则钢的淬硬性越高。其他合金元素的影响比较小。再结晶与重结晶。答：再结晶：当退火温度足够高、时间足够长时，在变形金属或合金的显微组织中，产生无应变的新晶粒再结晶核心。重

12、结晶：是将晶体溶于溶剂或熔融以后，又重新从溶液或熔体中结晶的过程。重结晶可以使不纯净的物质获得纯化，或使混合在一起的盐类彼此分离。6、何谓正火和退火？为什么当含碳和含合金元素的量增加时不可用正火代替退火？答：正火：将亚共析钢加热到AC3以上3050C,过共析钢加热到Acm以上3050C，保温后从炉中取出再空气中冷却的热处理工艺。退火：将钢加热到预定温度，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却），获得接近平衡组织的热处理工艺。（完全退火：将亚共析钢加热到Ac3以上3050，保温后随炉冷却到500以下在空气中冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。球化退火：将钢加热到Ac1以上2030C,保温一段时间，然

13、后缓慢冷却到略低于Ac1的温度，并停留一段时间，使组织转变完成，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。去应力退火：退火是将钢材或各种金属机械零件加热到适当温度，保温一段时间，然后缓慢冷却，可以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。）正火适用于碳质量分数不同的碳钢和低、中合金钢，但不适用高合金钢。因为当含碳量和合金元素增加时，使C曲线游艺，增大奥氏体的稳定性，即过冷奥氏体十分稳定，空冷就可以得到马氏体组织，不能得到珠光体组织。正火和完全退火的组织中都有片状珠光体，但正火得到的伪共析组织，其片间距更小，钢的强度、硬度也更高。7、工具钢为什么要采用球化退火？答：工具钢组织多数为层状渗碳体

14、和网状二次渗碳体，不仅硬度高，而且难以切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂。通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工性。8、为了改善切削加工性能，对下列锻件应进行何种热处理？Ti04520答：正火+球化退火，球状珠光体正火，珠光体+铁素体正火，珠光体+铁素体9、试选择下列零件的淬火和回火温度；45钢作主轴T12钢作钻头答：45钢小轴（要求综合机械性能），工件的淬火温度为850c左右，回火温度为500c650c左右，其回火后获得的组织为回火索氏体，大致的硬度2535HRC。T12钢作钻头，工件的淬火温度为780c左右，回火温度为150

15、c250C,其回火后获得的组织为回火马氏体，大致的硬度60HRC。11、理想淬火冷却速度的要求是什么？水和油淬火冷却时各有何优缺点？10答：理想淬火冷却速度由共析钢过冷奥氏体等温转变曲线得知，要得到马氏体，淬火的冷却速度就必须大于临界冷却速度。但是淬火钢在整个冷却过程中并不需要都进行快速冷却。关键是在过冷奥氏体最不稳定的C曲线鼻尖附近，即在650400c的温度范围内要快速冷却。而从淬火温度到650c之间以及400c以下，特别是300200c以下并不希望快冷。因为淬火冷却中工件截面的内外温度差会引起热应力。另外，由于钢中的比容（单位质量物质的体积）不同，其中马氏体的比容最大，奥氏体的比容最小，因

16、此，马氏体的转变将使工件的体积胀大，如冷却速度较大，工件截面上的内外温度差将增大，使马氏体转变不能同时进行而造成相变应力。冷却速度越大，热应力和相变应力越大，钢在马氏体转变过程中便容易引起变形与裂纹。水淬火的优缺点：它的优点是冷却能力大，特别是在过冷奥氏体最不稳定的温度范围内，冷却速度很快，因而可以迅速地将奥氏体过滤至马氏体区域，以保证得到马氏体组织，同时使用方便、价格低廉。它的缺点是在马氏体想成的温度区间内，冷却能力仍很大，这就增大了催火箭的组织应力和热应力，易造成工件变形和开裂，这是水的一个严重缺点。故淬透性较好的合金钢不宜采用水做淬火剂，即淬火液。它适用于临界淬火速度较大的钢。油淬火的优

17、缺点：优点是当工件温度为200-300度时，冷却速度及强度较小，因而减少了工件在马氏体转变区域内的内应力。这是油冷却不易造成淬火裂纹和开裂的主要原因。它的缺点是在500-650度范围内冷却速度也较慢，为100-200度每秒。因此，油作为淬火介质只适合用于临界淬火速度较低的合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火。因此，它和水相比还存在易燃、成本高、易老化及不易清洗等缺点。12、为什么淬火钢回火后的性能，主要取决于回火温度，而不是冷却速度？回火温度为什么不可高于Ac1以上？答：将淬火后的零件加热到低于Ac1的某一温度并保温，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。决定工件回火后的组织和性能最重要的因素是“回火温

18、度”。而冷却速度主要影响的是淬火时组织的性能。两者是不同的概念。Ac1是钢的临界转变温度，即珠光体开始分解并逐渐转变为奥氏体的温度。回火是淬火后一道必要的加热保温工序，回火温度是低于临界温度的。如果回火温度高度Ac1以上，将会使淬火组织逐渐转变为奥氏体，即保留钢种的马氏体，而不转变为奥氏体，使组织硬度下降。13、为了减少淬火冷却过程的变形和开裂，应采取哪些措施？答：采用合理的锻造与预先热处理锻造可使网状、带状及不均匀的碳化物呈弥散均匀分布。淬火前应进行预备热处理（如球化退火与正火），不但可为淬火作好组织准备，而且还可消除工件在前面加工过程中产生的内应力。采用合理的淬火工艺：正确确定加热温度与加

19、热时间，可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。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。对于淬火易开裂的部分，如键槽、孔眼等用石棉堵塞。14、淬火钢在回火时发生哪些转变？试比较回火马氏体，回火屈氏体，回火索氏体，粒状珠光体的形成温度及组织特点。答：回火第一阶段（200。）C马氏体分解，当回火温

20、度达100C以上时，马氏体便开始分解，M中过饱和的碳原子以碳化物形式析出，碳的析出降低了M中碳的过饱和度，它的正方度c/a也随之减小，在这一阶段温度较低，马氏体中仅析出一部分过饱和的碳原子，它仍是碳在a-Fe中的过饱和固溶体，在回火的第一阶段中钢的硬度并不降低，但由于碳化物的析出，晶格畸变降低，淬火内应力有所减小。回火第二阶段（200300C）残余A的转变。残余A于200C分解，至300C基本结束，残余A分解成下贝氏体，在回火第二阶段中，残余A转变为下贝氏体的同时，M还在继续分解，M的继续分解会使钢的硬度降低，但由于较弱的残余A转变成较应的下贝氏体，因此钢的硬度并没有明显降低，但淬火内应力进一

21、步减小。回火第三阶段（300400。C）碳化物的转变。在回火第三阶段，碳原子从过饱和a固溶体中继续析出，同时碳化物也逐渐变为与a固溶体不再有晶格联系的渗碳体（Fe3C）,a固溶体中含碳量几乎已将到平衡含碳量，正方度c/a接近于1,经过第三阶段以后，钢的组织是由铁素体和颗粒状渗碳体所组成，钢的硬度降低，淬火应力到此基本消除。回火第四阶段（400。C）渗碳体聚集长大与a相的再结晶。经过回火第三阶段后，钢的组织虽然已是铁素体和颗粒状渗碳体所组成，但a相（铁素体）仍保留原来M的板条状或片状，而成为多边形晶粒。表示淬火钢在回火是的变形随温度的升高，渗碳体尺寸增大T,内应力减小，残余A量T,M含碳量卜低温

22、回火（150c250C）得到的组织是回火马氏体（针状特征），回火后组织为隐晶回火马氏体，均匀细粒状碳化物和极少量的残余奥氏体。即内应力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。这种回火主要应用于高碳钢或高碳合金钢制造的工、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般为HRC5864。中温回火后（350c500C）的组织为回火屈氏体（由马氏体在低于珠光体形成温度时分解而得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织），中温回火时，a相已发生回复，但仍然保持淬火马氏体的形态，淬火内应力基本消除。碳化物已开始聚集，细小的碳化物颗粒弥散分布在a相基体上。中温回火后组织硬度HRC3545,具有

23、一定的韧性和高的弹性极限及屈服极限。这种回火主要应用于含碳0.50.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。高温回火后（500C650C）的组织为回火索氏体（其为铁素体基体内分布着碳化物（包括渗碳体）球粒的复合组织，此时的铁素体已基本上无碳的过河度，碳化物也为稳定型碳化物。），其硬度HRC2535,具有适当的强度和足够的塑性和韧性。这种回火主要应用于含碳0.30.5%的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件，如轴、连杆、螺栓等。粒状珠光体时由铁素体和粒状碳化物组成.它由过共析钢经球化退火或马氏体在650cA1温度范围内回火形成。其特征是碳化物成颗粒状分布在铁素体上。状珠光体组织的特征是在亮白色的铁素体基体上，均匀分布着白色的渗碳体颗粒，其边界呈暗黑色。硬度HB160190。15、车床主轴要求轴颈部位的硬度为HHC56-58，其余地方为HRC20-24，其加工路线为：锻造-正火一机加工一轴颈表面淬火-低温回火一磨加工。请指出：主轴选用何种材料；正火，表面处理，低温回火的目的和大致工艺；轴颈表面处的组织和其余地方的组织。答：主轴应采用调质钢，比如45钢、40Cr等正火：作为预备热处理，消除锻造后工件内应