第五章碳素钢与钢的热处理习题解答

第五章碳素钢与钢的热处理习题解答5-1在平衡条件下，45钢、T8钢、T12钢的硬度、强度、塑性、韧性哪个大、哪个小?变化规律是什么?原因何在?答：平衡条件下，硬度大小为：45钢<T8钢<T12钢，强度大小为：45钢<T12钢<T8钢，塑性及韧性大小为：45钢>T8钢>T12钢。变化规律为：随着碳含量的增加钢的硬度提高，塑性和韧性则下降，因为随着含量的增加组织中硬而脆的渗碳体的量也在增加；随碳含量增加，强度也会增加，但当碳含量到了0.9%后，强度则会随碳含量的增加而下降，因为碳含量超过0.9%后，钢的平衡组织中出现了脆而硬的网状二次渗碳体，导致了强度的下降。5-2为什么说碳钢中的锰和硅是有益元素?硫和磷是有害元素?答：锰的脱氧能力较好，能清除钢中的FeO，降低钢的脆性；锰还能与硫形成MnS，以减轻硫的有害作用。硅的脱氧能力比锰强，在室温下硅能溶人铁素体，提高钢的强度和硬度。硫在钢中与铁形成化合物FeS，FeS与铁则形成低熔点(985℃)的共晶体分布在奥氏体晶界上。当钢材加热到1100～1200℃进行锻压加工时，晶界上的共晶体己熔化，造成钢材在锻压加工过程中开裂，这种现象称为“热脆”。磷可全部溶于铁素体，产生强烈的固溶强化，使钢的强度、硬度增加，但塑性、韧性显著降低。这种脆化现象在低温时更为严重，故称为“冷脆”。磷在结晶时还容易偏析，从而在局部发生冷脆。5-3说明Q235A、10、45、65Mn、T8、T12A各属什么钢?分析其碳含量及性能特点，并分别举一个应用实例。答：Q235A属于碳素结构钢中的低碳钢；10钢属于优质碳素结构钢中的低碳钢；45钢属于优质碳素结构钢中的中碳钢；65Mn属于优质碳素结构钢中的高碳钢且含锰量较高；T8属于优质碳素工具钢；T12A属于高级优质碳素工具钢。Q235A的wC=0.14%~0.22%，其强度、塑性等性能在碳素结构钢中居中，工艺性能良好，故应用较为广泛，如用于制造机器中受力不大的螺栓。10钢的wC=0.07%~0.14%，其强度、硬度较低，塑性、韧性良好，用作焊接件、冲压件和锻件时的工艺性能良好，可用于制造机器中的垫圈、销钉等零件。45钢的wC=0.42%~0.50%，其力学性能在优质碳素结构钢中居中，具有良好的综合力学性能，应用广泛，如可用于制造内燃机的曲轴等零件。T8钢的wC=0.75%~0.84%，其强度、硬度和耐磨性较高，塑性、韧性较低，可用于制造承受冲击的冲头等零件。T12A钢的wC=1.15%~1.24%，其强度、硬度和耐磨性较高，塑性、韧性比T8钢低，可用于制造不受冲击的铰刀或丝锥等工具。5-4什么是热处理?它由哪几个阶段组成?热处理的目的是什么?答：1、钢的热处理是通过加热、保温和冷却来改变钢的内部组织或表面组织，从而获得所需性能的工艺方法。2、热处理由加热、保温和冷却组成。3、热处理可以充分发挥钢材的潜力，显著提高钢的力学性能，延长零件的使用寿命；还可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，为后续工序作好组织准备。5-5钢热处理加热后保温的目的是什么?答：热处理加热后保温的目的，一是为了使工件热透，组织转变完全；二是为了获得成分均匀的奥氏体，以便冷却后得到良好的组织与性能。5-6解释下列名词：过冷奥氏体、残余奥氏体、马氏体、下贝氏体、托氏体；淬透性、淬硬性、临界冷却速度、调质处理；实际晶粒度、本质晶粒度。过冷奥氏体——在A1温度以下暂时存在的、处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。残余奥氏体——过冷奥氏体在连续冷却转变为马氏体的过程中，由于奥氏体的碳含量过高使转变不能进行到底，即使过冷到Mf以下温度，仍有一定量的奥氏体存在，这部分奥氏体称为残余奥氏体。马氏体——过冷奥氏体在Ms至Mf之间的转变产物为马氏体。马氏体实质上是碳在α-Fe中过饱和固溶体。下贝氏体——过冷奥氏体在350℃～Ms点温度范围内等温转变形成的贝氏体称为下贝氏体（下贝氏体呈黑色针片状形态，其中含过饱和碳的铁素体呈针片状，微细的ε碳化物(Fe2、4C)均匀而有方向地分布在针片状铁素体的内部）。托氏体——过冷奥氏体在600℃~550℃等温转变时分解为铁素体与渗碳体的片层状混合物（一种珠光体组织）。淬透性——淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。淬硬性——淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。临界冷却速度——只发生马氏体转变的最小冷却速度，称为临界冷却速度。调质处理——淬火与高温回火相结合的热处理工艺，称为“调质”。实际晶粒度——在某一具体热处理或热加工条件下，实际获得的奥氏体晶粒度。本质晶粒度——将钢加热到930±10℃，保温8h冷却后测得的晶粒度。5-7画出T8钢的过冷奥氏体等温转变曲线。为了获得以下组织，应采用什么冷却方法?并在等温转变曲线上画出冷却曲线示意图。(1)索氏体+珠光体(2)全部下贝氏体(3)托氏体+马氏体+残余奥氏体(4)托氏体+下贝氏体+马氏体+残余奥氏体(5)马氏体+残余奥氏体答：T8钢的过冷奥氏体等温转变曲线如图。(1)用速度较慢的连续冷却方式（如随炉冷却，曲线1），使开始转变点在珠光体转变区中，转变终了点在索氏体转变区中；(2)用等温转变方式，快冷至下贝氏体转变温度区，等温冷却至转变结束，再冷却到室温（曲线2）；(3)用连续冷却方式，使开始转变点在托氏体转变区，在未完全转变为托氏体时冷却到上马氏体点以下（曲线3）；(4)先进行冷却，使开始转变点在托氏体转变区，在未完全转变为托氏体时冷却到上马氏体点以上的下贝氏体转变区，进行等温冷却，在转变未完全进行时再快冷到上马氏体点以下（曲线4）；(5)用大于临界冷却速度的连续冷却方式进行冷却（曲线5）。5-8钢中碳含量对马氏体硬度有何影响?为什么?答：马氏体的硬度主要取决于马氏体中的碳含量。随着碳含量的增加，马氏体的硬度也随之增高，尤其是在碳含量较低时，强度与硬度的增高比较明显。但当钢中wc>0.6％时，硬度的增高趋于平缓。这是由于奥氏体中碳含量增加，导致淬火后的残余奥氏体量增多的缘故。5-9将T10钢、T12钢同时加热到780℃进行淬火，问：(1)淬火后各得到什么组织?(2)淬火马氏体的碳含量及硬度是否相同?为什么?(3)哪一种钢淬火后的耐磨性更好些?为什么?答:(1)T10钢和T12钢淬火后的组织均为马氏体、未溶渗碳体和残余奥氏体。(2)淬火马氏体的碳含量和硬度相近，因为T12中的残余奥氏体多一些。(3)T12钢淬火后的耐磨性更好，因为T12中的未溶渗碳体更多一些。5-10马氏体的本质是什么?其组织形态分哪两种?各自的性能特点如何?为什么高碳马氏体硬而脆?答：1、马氏体实质上是碳在α-Fe中过饱和固溶体。2、马氏体的组织形态有板条状和片状两种类型。当奥氏体中wc<0.2％的钢淬火后，马氏体的形态基本为板条状，故板条状马氏体又称为低碳马氏体。当wc>1％的钢淬火后，马氏体的形态基本为片状，故片状马氏体又称为高碳马氏体。当奥氏体中的碳含量介于二者之间时，淬火后为两种马氏体的混合组织。3、低碳的板条状马氏体不仅具有较高的强度与硬度，同时还具有良好的塑性与韧性，即具有良好的综合力学性能。而高碳的片状马氏体，由于碳的过饱和度大，晶格畸变严重，淬火内应力也较大，而且往往存在内部显微裂纹，所以呈现硬度高而脆性大的特点。5-11下面的几种说法是否正确?为什么?(1)过冷奥氏体的冷却速度越快，钢冷却后的硬度越高。(2)钢中合金元素越多，则淬火后硬度就越高。(3)本质细晶粒钢加热后的实际晶粒一定比本质粗晶粒钢的细。(4)淬火钢回火后的性能主要取决于回火时的冷却速度。(5)为了改善碳素工具钢的切削加工性，其预先热处理应采用完全退火。(6)淬透性好的钢，其淬硬性也一定好。答：(1)过冷奥氏体的冷却速度越快，钢冷却后的硬度越高的说法不正确。这是因为钢的硬度主要取决于过冷奥氏体的碳含量及马氏体的组织形态。(2)钢中合金元素越多，则淬火后硬度就越高的说法不正确。淬硬性的高低主要取决于钢中含碳量。钢中含碳量越高，淬硬性越好。(3)本质细晶粒钢加热后的实际晶粒一定比本质粗晶粒钢的细的说法不完全准确，因为本质细晶粒钢在930～950℃以下加热，晶粒长大倾向较小，因此它的实际晶粒比本质粗晶粒钢的细，但在此温度以上加热，本质细晶粒钢的实际晶粒会比本质粗晶粒钢的粗。(4)淬火钢回火后的性能主要取决于回火时的冷却速度的说法是错误的，因为回火时决定钢的组织和性能的主要因素是回火温度。(5)为了改善碳素工具钢的切削加工性，其预先热处理应采用完全退火的说法不正确，正确的做法应该采用球化退火。(6)淬透性好的钢，其淬硬性也一定好的说法是错误的，因为钢的淬硬性取决于马氏体中的碳含量，碳含量越高，淬火后硬度越高。5-12归纳高频感应加热淬火、气体渗碳、气体渗氮的工艺，就处理温度、适用钢材、热处理方法、热处理前后的表面组织、表面耐磨性和应用场合各项列成一表。答：高频感应加热表面淬火气体渗碳气体渗氮软氮化处理温度800-1000℃900-950℃500-580℃500-570℃适用钢材0.4-0.5%C的中碳钢含0.1-0.25%C的低碳钢含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢低、中碳钢热处理方法表面加热淬火再低温回火渗碳后淬火再低温回火渗氮碳氮共渗，淬火后低温回火热处理前后的表面组织前：F+P，后：极细M前：F+P，后：回火马氏体+网状Fe3CⅡ表层形成的氮化物含C、N的回火马氏体及细小的C、N化合物表面耐磨性较好较好最好良好应用场合承受扭转、弯曲等交变负荷作用的工件同时有磨损、受冲击的零件耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件小型耐磨件，模具、量具等5-13正火与退火的主要区别是什么?生产中应如何选择正火与退火?答：正火与退火的主要区别在于正火加热温度高，钢完全奥氏体化和空冷，冷却速度快。正火组织较细，其强度、硬度比退火高一些。生产中正火与退火的选用从以下三方面考虑：①从切削加工性考虑。预备热处理，低碳钢选择正火，以提高硬度，改善其切削加工性，高碳钢选择退火，正火后硬度太高；②从使用性能上考虑，亚共析钢选用正火，具有较好的力学性能。如果零件的性能要求不很高，则可用正火作为最终热处理；大型、重型零件采用正火作为最终热处理，而淬火有开裂危险；零件的形状复杂用退火为宜，正火冷却速度较快也有引起开裂的危险时；③从经济性上考虑，优先采用正火，正火生产周期短，耗能少，成本低，效率高，操作简便。5-14淬火方法有几种?各有何特点?答：淬火方法及各自的特点如下：①单介质淬火：优点：操作简单，易实现机械化、自动化。缺点：水淬变形、开裂倾向大；油淬易产生硬度不足或不均。②双介质淬火：优点：此方法利用了两种介质的优点，减少了工件的变形和开裂。缺点：操作困难，不易掌握，要求操作技术高。③马氏体分级淬火：优点：通过在Ms点附近的保温，使工件的内外温差减小到最小，有效地减小了工件淬火的内应力，降低了工件变形和开裂的倾向。缺点：盐浴或碱浴冷却能力较低。④贝氏体等温淬火：得到下贝氏体组织，硬度不如马氏体组织，但具有较高的强度、硬度、韧性、耐磨性等的良好配合；可显著地减少淬火应力和变形，避免了工件的淬火开裂。⑤冷处理：减少钢件中的残余奥氏体量，提高硬度和耐磨性，稳定尺寸。5-15同一种钢材，当调质后和正火后的硬度相同时，两者在组织和性能上是否相同?为什么?答：钢经正火后或调质后的硬度值很相近，但在组织和性能上则不相同。因为钢经调质处理后得到回火索氏体组织，其中渗碳体呈粒状，而正火得到的索氏体呈层片状。因此，经调质处理后的钢不仅其强度较高，塑性、韧性也显著超过正火状态。5-16确定下列工件的热处理方法：(1)用60钢丝热成形的弹簧。(2)用45钢制造的轴，心部要求有良好的综合力学性能，轴颈处要求硬而耐磨。(3)用T12钢制造的锉刀，要求硬度为60～65HRC。(4)锻造过热的60钢锻坯，要求细化晶粒。答：各种工件的热处理方法分别为：（1）淬火+中温回火。（2）调质+感应加热淬火（轴颈处）。（3）淬火+低温回火。（4）完全退火（或等温退火）。5-1745钢经调质处理后，硬度为240HBW，若再进行180℃回火，能否使其硬度提高?为什么?又45钢经淬火、低温回火后，若再进行560℃回火，能否使其硬度降低?为什么?答：1、45钢经调质处理后，若再进行180℃回火，不能使其硬度提高。因为调质处理得到的组织为回火索氏体，若再进行180℃回火，不会改变回火索氏体的组织形态。2、45钢经淬火、低温回火后，若再进行560℃回火，将会使其硬度降低。因为高温回火将使低温回火得到的回火马氏体组织转变为为回火索氏体组织，因而使其硬度降低。5-18现有一批螺钉，原定由35钢制成，要求其头部热处理后硬度为35～40HRC。现材料中混入了T10钢和10钢。问由T10钢和10钢制成的螺钉，若仍按35钢进行热处理(淬火、回火)时，能否达到要求?为什么?答：均不能达到要求。10钢按35钢进行热处理，淬火加热时由于温度低不能完全奥氏体化，淬火再回火后组织中有铁素体则太软。T10钢按35钢进行热处理，淬火加热时温度过高，原有的渗碳体溶入奥氏体太多，且奥氏体晶粒粗化，使钢的脆性增加。5-19化学热处理包括哪几个基本过程?常用的化学热处理方法有哪几种?各适用哪些钢材?答：1、化学热处理按渗入元素的不同可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。不论哪一种化学热处理，都是通过以下三个基本过程完成的：①分解。介质在一定温度下发生分解，产生渗入元素的活性原子，如[C]、[N]等。②吸收。活性原子被工件表面吸收，也就是活性原子由钢的表面进入铁的晶格而形成固溶体或形成化合物。③扩散。被工件吸收的活性原子由表面向内部扩散，形成一定厚度的扩散层(即渗层)。2、常用的化学热处理方法及适用钢材有：（1）渗碳。根据渗碳介质的不同，渗碳方法可分为固体渗碳、气体渗碳、液体渗碳三种。其中应用最广的是气体渗碳法。渗碳适用于低碳钢或低碳合金钢。（2）渗氮。又分为气体渗氮和离子渗氮两种。为保证渗氮零件的质量，渗氮适用于钢材中含与氮亲和力大的Al、Cr、Mo、Ti、V等合金元素的中碳合金钢，如38CrMoAlA、35CrAlA、38CrMo等。（3）气体碳氮共渗。气体碳氮共渗可分为中温气体碳氮共渗和低温气体氮碳共渗两类。中温气体碳氮共渗适用的钢种大多为中、低碳的碳钢或合金钢；低温气体氮碳共渗适用的钢种大多为高、中碳的碳钢或合金钢。但由于渗层太薄，仅有0.01~0.02mm，渗层硬度较低(约为54～59HRC)，故不宜用于重载条件下工作的零件。5-20拟用T12钢制造锉刀，其工艺路线为：锻造——热处理——机加工——热处理——柄部热处理，试说明各热处理工序的名称、作用，并指出热处理后的大致硬度和显微组织。答：1、锻造后采用球化退火的热处理工序，其作用是降低硬度，便于切削加工。此时的硬度为207HBW，获得的组织为：在铁素体基体上均匀分布着球状(粒状)渗碳体，称为球状珠光体组织。2、机加工后的热处理工序为：淬火+低温回火，其作用是保持淬火后的高硬度和高耐磨性，降低淬火冷却应力和脆性，提高塑性和韧性。此时的硬度为58～64HRC，显微组织为回火马氏体。3、柄部采用去应力退火的热处理工序，其作用是降低柄部的内应力。去应力退火过程不发生组织转变。5-21有一凸轮轴，要求表面有高的硬度(>50HRC)，心部具有良好的韧性；原用45钢制造，经调质处理后，高频淬火、低温回火可满足要求。现因工厂库存的45钢已用完，拟改用