《金属学及热处理》-郭海华 习题及解答

习题1(第一章力学性能）1.塑性指标在工程上有哪些实际意义？塑性是指材料在破坏前所能产生的最大塑性变形能力。塑性好的材料可以顺利地进行锻压、轧制等加工；在超载情况下不至突然断裂而提高了工作安全性。2.提高金属材料的强度有什么实际工程意义？材料抵抗变形和破坏的能力称为强度，强度指标的具体含义是材料单位面积上所能承受力的能力。强度的提高，意味着在同样外力的情况下，材料的横截面积可以减小，最终可以节约材料，降低成本；同理，强度的提高，在相同横截面积的情况下，材料承受外力的能力提高了，可以用于要求更高、更重要的加工制造。3.金属疲劳断裂有哪些特点？防止金属疲劳断裂的方法有哪些？在交变力作用下，金属会发生疲劳断裂现象，材料抗疲劳断裂的能力称为疲劳强度。疲劳强度是指在交变力作用下，材料经无限次应力循环而不断裂的最大应力值。这个最大应力值往往低于材料的屈服强度（如很多材料是其屈服强度的0.3～0.6倍），这说明交变力比静力具有更大的破坏性；其次，疲劳断裂没有明显塑性变形的过程，突然断裂具有更大的危险性。防止措施有：合理选材，减少氧化、脱碳、裂纹、夹杂等缺陷；改善零件结构形状：减少开孔、挖槽、缺口等，尽量避免尖角和截面突变，避免引起应力集中；降低零件表面粗糙度，应尽量减少刀痕、磨痕、擦伤、腐蚀等表面加工损伤；采用各种表面强化处理如渗碳、渗氮、表面淬火、喷丸和滚压等在材料表面形成一定深度的残余压应力。4.某厂购入一批40钢，按相关标准规定其力学性能指标应为：ReL≥340MPa，Rm≥540MPa，Z≥45%。验收时，取样将其制成d0=10mm的试样做拉伸试验，测得FeL=31.4KN，Fm=47.1KN，断后直径dU=7.3mm。请计算相关力学性能，判断该批钢材是否合格。答：计算得该材料ReL=400MPa计算得该材料Rm=600MPa计算得该材料Z=46.7%可见：该批材料的ReL、Rm、Z实际值均大于材料的应达指标值，故：该批钢材合格。5.一批钢制拉杆，工作时不允许产生明显的塑性变形，最大工作应力Rmax＝350MPa。今欲选用某钢制作该拉杆。现将该钢制成d0＝10mm的标准拉抻试样进行拉抻试验，测得FeL＝21500N，Fm＝35100N，试判断该钢是否满足使用要求？为什么？计算得ReL≈274MPa可见：ReL＜Rmax或：Fmax≈27475N可见：Fmax＞FeL故：该钢不满足使用要求。下列材料或工件的硬度适宜哪种硬度测试法测量？（1）铸铁发动机壳体HBW.（2）金属表面镀层HV.（3）退火钢HRBW/HBW.（4）钳工手锤HRC.（5）大型铜锭HBW（6）钢中的金属化合物相HV.（7）硬质合金HRA.（8）高硬度铸铁HRC.7.金属常用的力学性能有：强度、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳强度，现有一冲裁弹簧垫圈钢板的小型冷作模具，请按该模具的使用情况，将其所要求的力学性能从高到低进行排序。硬度、强度、冲击韧性、疲劳抗力习题2（第2章金属的结构与结晶）常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种晶体结构？常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。体心立方晶格：α-Fe、V、Cr面心立方晶格：γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb密排六方晶格：Cr、Mg、Zn常见的晶体缺陷有哪几种？各自有何特征？点缺陷：晶体空间三维方向上的尺寸都很小的缺陷，不超过几个原子间距。如空位、间隙原子、置换原子及其复合体；线缺陷：晶体空间三维方向上有两维方向上的尺寸很小（与点缺陷相似），在另一维方向的尺寸相对很大而呈线状分布的缺陷。如：刃型位错、螺型位错；面缺陷：晶体空间三维方向上有一维方向上的尺寸很小（与点缺陷相似），另外两维方向上的尺寸相对很大的缺陷，如晶界、亚晶界、相界等；金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？（1）金属结晶是一个形核和长大的过程；这个过程需要过冷度，在T0条件下结晶处于平衡状态无法顺利进行，过冷度是结晶的推动力；纯金属结晶过程是一个恒温过程，结晶时温度保持不变，结晶结束后，温度又继续下降。（2）随着过冷度的增加，形核速率N和长大速度G都增加，并在一定过冷度下达到最大值，但随着过冷度的进一步增加，两者都减小。其次，液态金属中一些杂质、难熔微粒的存在，以及采用振动和搅拌的方法，都可促进形核，利于晶粒细化。计算密排六方晶格的致密度。答案可参见教材21页。设：晶胞原子排列为理想状态，底边长为a，原子半径为r,高为c。如左图所示，底面正六边形的对角线长度为2a，则有：，。如右图示，得出：，。密排六方晶胞内有六个原子，致密度k为：什么是过冷度？过冷度与冷却速度有何关系？过冷度的大小对金属结晶后晶粒尺寸有何影响？理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之差称为过冷度，用ΔT表示，ΔT=T0-T1。当冷却速度越大时，实际结晶温度越低，过冷度越大，结晶的推动力越大，生成的自发晶核越多，晶粒越细小；过冷度越小，晶粒越粗大。在铸造生产中，一般采用哪些措施控制晶粒大小？在生产中如何应用变质处理？铸造生产中常用加快冷却速度以增大结晶过冷度的方法，主要有：降低浇注温度、采用散热快的金属铸型、降低金属铸型的预热温度、减小铸型涂料层的厚度以及采用水冷铸型等。其次还有机械振动和搅拌、变质处理（孕育处理）措施细化晶粒。对于大型零件宜采用变质处理，即向在出炉或浇包中的液态金属加入孕育剂或变质剂（不熔微粒），以增加非自发形核的数目。简述铸件缺陷及其产生的原因。铸件组织容易出现晶粒粗大、成分不均匀、缩孔、缩松、气孔等缺陷。（1）缩孔：液体金属中最后一部分液体凝固后没有得到及时补充而留下的孔洞；缩松：细小分散的缩孔。结晶时剩余液体被树枝状晶体分隔成众多小区域，当其最后凝固得不到及时补充就形成缩松；形成原因：材料成分选择不合理，浇注温度过高或过低、砂型的刚度不够等，在液态收缩和凝固收缩过程中造成。（2）气孔：液体金属中的气体在金属液结壳之前未及时逸出形成；形成原因：原材料锈蚀、潮湿；砂型透气性低、出气冒口等工艺措施不合理等。（3）偏析：铸件化学成分和组织的不均匀现象，分为晶内偏析、区域偏析等。晶内偏析：指晶粒内各部分化学成分不均匀的现象。形成原因：由不同温度下，合金具有不同的溶解度引起，凝固温度范围越宽，晶内偏析越严重，且冷却速度越大，偏析元素在固溶体中的扩散能力越小，偏析越严重。区域偏析：指铸件由里到外或由上至下化学成分和组织不均匀现象。形成原因：由铸件各部分凝固存在先后顺序、冷却速度过快引起。习题3（第3章合金的结构与相图)1.简要说明二元合金匀晶相图的获得过程。以Cu-Ni合金为例：（1）配制一系列不同成分的Cu-Ni合金；（2）用热分析法分别测出它们的冷却曲线；（3）找出图中各冷却曲线上合金结晶的上、下临界点；（4）将合金的临界点标注在“温度—成分”坐标图中相应的成分轴上。其中横坐标数值为右下角元素质量百分比。”（5）再将意义相同的临界点连接起来。上临界点连接线为液相线，下临界点连线为固相线。2.试以Pb-Sn合金相图（图3-7）说明：共晶点和共晶转变线有什么关系？C点是共晶点，是共晶转变ECF线上的一个点，它所对应的成分是含锡量61.9%，具有该点成分的液相冷却到共晶转变线温度时，会发生共晶转变，生成（α+β）共晶体。此时，α相、β相的固溶度最大，分别是共晶转变ECF线上的两个端点E点和F点所对应的成分。而共晶转变ECF线所对应的合金成分是从含锡量19%～97.5%的合金范围。该范围的合金，当温度冷却到共晶转变线温度时，液体的成分都将沿液相线逐渐变化达到共晶点C，从而发生共晶转变。3.Pb-Sn合金相图中（图3-7），合金Ⅱ（Sn=38%）在共晶温度发生共晶转变结束时，试用杠杆定律计算共晶体所占百分比以及合金中所有α固溶体所占百分比。在共晶转变线上建立杠杆为E2C，2点为杠杆支点。Q(α+β)=E2/2C=（38-19）/（61.9-38）=79.5%Qα=1-Q(α+β)=20.5%4.如图3-12所示为A、B两组元形成的二元合金相图。请填出各相区的组织，并写出图示四种成分的合金缓冷至室温组织变化过程。L→L+α→αL→L+α→α→α+βⅡL→L+α→α+(α+β)→α+βⅡ+(α+β)L→(α+β)5.某合金相图如图3-13示，试标出1-4空白区域相的名称，指出此相图包括几种转变类型？并说明合金1的平衡结晶过程及室温下显微组织。①L+γ②γ+β③(α+β)+β+αⅡ④β+αⅡ包括：匀晶转变、共析转变。L→L+γ→γ→γ+α→α→α+βⅡ6.分析共析相图和共晶相图的区别和联系，共析体和共晶体有什么区别和联系？在共析线附近反复加热和冷却，能否获得特别细密的显微组织？共析相图与共晶相图很相似，不同之处在于共析转变是出自同一种固相的转变，而非同一液相。共析相图的上方是固相区，共晶相图的上方是液相区。共析体和共晶体都是由一种相同时转变出的两个不同相构成的，在形态上有相似之处：交错排列、紧密混合的机械混合物。由于共析转变的温度低，易获得较大过冷度，因而形核率高；同时因在固态下进行，原子扩散比较困难，因此，共析体较共晶体更加细小。在共析线附近反复加热和冷却，可以通过反复形核获得特别细密的显微组织。习题4(第4章铁碳合金）简述铁素体、奥氏体和渗碳体的概念及性能特点。（1）铁素体（F）是碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体。铁素体溶碳能力很低，室温下溶碳能力仅为C=0.0008%，固溶强化效果不明显，其性能近似于纯铁，即强度、硬度低而塑性、韧性好（Rm=180～230MPa，80HB，A≈40%，αK≈250J/cm2），适用于形变加工。铁素体在770℃以下呈铁磁性。（2）奥氏体（A）是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体。在大于727℃高温条件下才能稳定存在的组织。奥氏体溶碳能力较大，强度和硬度比铁素体高，但塑性、韧性很好（Rm≈400MPa，160～200HB，A=40～50%），钢材为高温奥氏体相时更易发生塑性变形。奥氏体呈非铁磁性。（3）渗碳体（Fe3C）是铁与碳形成的金属化合物，渗碳体熔点高（约1227℃）、硬度很高（860HV），能轻易刻划玻璃，但塑性、韧性极差（A≈0，αK≈0）。2.分析含碳量为0.45%的钢在平衡条件下从液态冷却至室温的结晶过程；并计算其室温组织中组织组成物和相组成物的含量。（1）结晶过程如下：由图4-7：含碳量0.45%的钢为亚共析钢，合金在冷却至GS线之前，已结晶出全部的奥氏体（C=0.45%）。当冷到GS线上时，开始在A晶界上析出F，并随温度的下降，F量不断增多，A量不断减少。F含碳量沿GP线变化，而剩余奥氏体碳含量则沿GS线变化。当温度至727℃时，F的成分达到P点，剩余A含量到达S点发生共析转变，形成珠光体。此时，钢的组织就由先共析铁素体和珠光体组成。共析线温度以下，铁素体将析出三次渗碳体，但其数量很少，可以忽略。故该合金的室温组织可以认为是铁素体与珠光体。（2）相和组织组成物的占比1）组织组成物的相对含量：

组织：铁素体+珠光体，铁素体含量用QF表示，珠光体含量用QP表示，室温铁素体含碳量为0.0008%：

QF=（0.77-0.45）/(0.77-0.0008)≈41.6%QP=1-41.6%=58.4%2）相组成物的相对量铁碳合金均由铁素体+渗碳体两相组成，铁素体用QF表示，渗碳体用QFe3C表示，室温铁素体含碳量为0.0008%：

QF=（6.69-0.45）/(6.69-0.0008)≈93.3%

QFe3C=1-93.3%=6.7%

3、某钢材仓库积压了许多钢材（退火态），由于钢材混杂，钢的化学成分未知，取其中一根经金相组织分析后，其组织为P+Fe3C，P占93%，试根据铁碳相图计算此钢材含碳量大约是多少？由组织P+Fe3C，可知该钢属于过共析钢。设其含碳量为x%，根据铁碳相图及杠杠定律：QP=（6.69-x）/(6.69-0.77)=93%解得x≈1.2此钢材含碳量约为1.2%。4.简述钢的成分、室温平衡组织及力学性能之间的关系。亚共析钢平衡组织为F+P。共析钢为全部P；过共析钢为P+Fe3C。组织不同，但均由F和Fe3C两相构成。随碳含量增加,Fe3C量增加，合金硬度提高,塑性和韧性下降；当碳含量小于1%时,随碳含量增加，强度增高；当碳含量达1%后,由于Fe3C数量多并沿晶界呈网状分布，使强度将随碳含量的增加而下降。5．采用何种简便方法可将形状、大小相同的低碳钢与白口铸铁材料迅速区别开？最简单的办法就是用钢锉刀，挫磨材料表面，白口铸铁由于Fe3C高，硬度高，挫磨费力、打滑；低碳钢碳化物少，更软，有明显划痕和损伤。也可以用榔头分别敲击，声音比较清脆、悠长的是钢材，声音沉闷、短促的是铸铁。6.试应用铁碳合金状态图知识下列问题：（1）为改变钢的力学性能而进行热处理时，为何一定要加热到A1温度以上？（2）为何绑扎物体时一般用铁丝（用低碳钢制成）？而起重机起吊重物却用钢丝绳（用高碳钢制成）？（3）钳工锯高碳钢料时为何比锯低碳钢料时费力，且锯条更容易磨损？（4）为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金，而塑性成形合金常选用单相固溶体成分合金？（1）钢力学性能要发生大的变化，必须有相的改变。钢加热到A1温度以上才会引起相变。（2）根据碳钢性能变化总体趋势c↑：F↓Fe3C↑→Rm、HRC↑A、αK↓，高碳钢含碳量高，抗拉强度好，适合吊重；低碳钢含碳量低，塑性好，易于弯曲变形适合捆扎。（3）高碳钢含碳量高，碳化物数量多，硬度高、耐磨性好；低碳钢含碳量低，高碳化物少，比较软。所以锯高碳钢料时更费力，锯条更容易磨损。（4）因为共晶成分结晶温度范围窄，铸造流动性好，易于铸造成型。而单相固溶体成分的合金，塑性好，变形抗力小，易于加工成型。习题5（金属的塑性变形、再结晶与强化）1.简述金属在受到一定外力时，为何会发生滑移，其实质是什么？晶体滑移第一种途径是晶体的一部分相对于另一部分作整体滑动，称为刚性滑移。许多研究表明：刚性滑移所需外力很大，在实际金属存在很多晶体缺陷的条件下，其滑移并非刚性滑移，而是通过位错运动实现的，阻碍位错运动即可阻碍金属的塑性变形，从而使强度提高。2.何为加工硬化？产生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金属加工中有什么利弊?随着金属变形量的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象称为加工硬化（或冷变形强化）。因塑性变形时位错密度增加，位错间交互作用增强，相互缠结，对位错运动阻力增大；同时亚晶界的增多，均使强度提高。实际生产中常通过冷轧、冷拔，利用加工硬化现象以提高钢材强度。但当我们需要材料持续变形时，加工硬化现象又会使阻力持续增大，如果再继续加大外力促使材料继续变形，将会使材料彻底丧失塑性，最终导致脆断而报废。3.金属经冷塑性变形后，组织和性能会发生什么变化？（1）产生加工硬化现象；（2）产生各向异性：纤维组织和织构的形成，都会使金属性能出现各向异性；（3）影响金属物理性能和化学性能；塑性变形使金属晶格发生畸变，变形储存的能量增大了原子的活动能力，分别使电阻、耐腐蚀性等发生改变。（4）产生残余内应力：由于各部分之间受力不均导致各部分变形不均匀，从而使各部分之间产生或残存相互作用的内应力。4.在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间后再进行弯折，铅板又像最初一样柔软，这是为什么？开始对铅板进行弯折时，会首先发生加工硬化现象，材料强、硬度提高，感觉越弯越硬。由于铅的再结晶温度约-32.6℃，低于室温，因此，在室温下经塑性变形后，材料又会开始一个回复与再结晶过程。室温下对铅进行折弯属于热加工，这种热塑性变形引起的加工硬化过程和回复再结晶引起的软化过程几乎同时存在，这时的回复和再结晶是动态的。硬化效果可随着塑性变形立即产生，而软化过程需要一定的时间，所以在稍隔一段时间后，软化过程来才能将加工硬化现象完全消除，使铅板恢复最初的塑韧性。5.分析金属细化晶粒以后，不但强度高，而且塑性、韧性也好的原因。晶界原子排列紊乱，晶界有阻碍位错运动和晶体滑移的作用。晶粒愈细小，多晶体的晶界总面积愈大，其阻碍作用就愈大，则金属和合金的强度愈高；同时，晶粒愈细小，位向分布增多，滑移的机会增多，可以分批滑移，使金属塑性提高；晶粒愈细小，在突然受载时，变形可迅速分散到更多的晶粒中，使受力更均匀，吸收更多的冲击功，韧性提高。因此，细化晶粒能同时提高金属和合金的强度和塑性、韧性。6.在制造齿轮时有时采用喷丸法(将金属丸喷射到零件表面)使齿面强化，试分析强化原因。喷丸法就是将高速的金属弹丸喷射到工件表面，撞击金属，使之产生一定量的塑性变形而发生加工硬化以提高金属强度。同时表面残余压应力，还可有效提高零件的疲劳抗力。经喷丸处理后的零件其使用寿命可提高5倍以上。7.用一冷拉钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到1000℃，加热完毕再次吊装该工件时，钢丝绳发生断裂，试分析其原因。吊装用的冷拔钢丝绳是将其索氏体化后经冷拔制成，利用加工硬化效应提高其强度的（C=0.8%，强度可达3000MPa）。当放在1000℃炉中加热时，钢丝绳将奥氏体化，在随炉冷却或出炉空冷过程中，钢丝绳组织将变为珠光体类组织，其强度降为1000Mpa左右，钢丝绳抗拉强度显著降低，导致吊重时断裂。习题6(钢的热处理）1．本质细晶粒钢的奧氏体晶粒是否一定比本质粗晶粒钢的细，为什么？不一定。本质晶粒度表示A晶粒长大的倾向。本质细晶粒钢是指钢在特定的加热条件下，A晶粒不容易长大；而本质粗晶粒钢则相反。但当超过规定的温度，阻止A晶粒长大的碳化物也溶解后，本质细晶粒钢的A晶粒并不一定比本质粗晶粒钢的细。2．低碳钢板硬度低，可否用淬火方法提高其硬度？用什么办法能显著提高其硬度？低碳钢不宜用淬火方法获得高硬度，因为碳含量低，淬火后的低碳马氏体硬度不是很高；可通过冷塑性变形产生的加工硬化效应来提高硬度；还可采用渗碳+淬火+低温回火的方法，提高表面硬度。3．20钢采用表面淬火是否合适？为什么？45钢进行渗碳处理是否合适？为什么？20钢采用表面淬火不合适，20钢碳含量太低，表面淬火后硬度提高不大；45钢进行渗碳处理不合适，因为45钢的碳含量为中碳，会减慢渗碳速度，且经淬火+低温回火后，零件心部的强度有余，而韧性不足，满足不了零件表硬心韧的性能需求。4．为什么亚共析钢热处理时快速加热并适当保温可提高其屈服强度和冲击韧度？可使加热时所形成的A晶粒细小且均匀，在随后冷却转变得到的组织也细小均匀，获得细晶强化，使屈服强度和冲击韧度同时提高。5．热轧空冷的45钢，组织为什么能细化？热轧是在奥氏体区间内进行的热塑性变形，其温度高于钢的再结晶温度，热轧后随即发生再结晶，控制好终轧温度、冷速等因素即可获得晶粒细小的奥氏体；之后再经空冷（正火），使奥氏体转变为组织较为细小的索氏体(S)。6.分析图6-36的实验曲线中硬度随碳含量变化的原因。图中曲线1为亚共析钢加热到Ac3以上，过共析钢加热到Acm以上淬火后，随钢中碳含量的增加钢的硬度变化曲线；曲线2为亚共析钢加热到Ac3以上，过共析钢加热到Ac1以上淬火后，随钢中碳含量的增加钢的硬度变化曲线；曲线3表示随碳含量增加，马氏体硬度的变化曲线。3条曲线呈现的整体趋势是：马氏体硬度随碳含量增加而显著升高，但当碳含量超过0.6%时，硬度增长趋势下降。这是因为含碳量超过0.6%后，残余奥氏体量也随之增加的原因。3条曲线中亚共析钢部分加热温度都是高于Ac3以上，因此硬度曲线一致。过共析钢部分因淬火条件不同出现差异：曲线1是过共析钢高于Accm加热淬火时的情况，因碳化物大量溶入奥氏体中使Ms点下降，残余奥氏体量增多，导致淬火钢的硬度下降。曲线2是过共析钢加热温度介于Accm和Ac1之间时，因碳化物溶入奥氏体更少，Ms点温度相对更高，残余奥氏体量也更少，因此淬火钢最终硬度随碳含量的变化不大。曲线3采用完全淬火并进行冷处理，使奥氏体几乎全部转化为马氏体时所获得的最高硬度。这个硬度值在一般情况下是难以达到的。图6-36硬度随碳含量变化曲线图6-37冷却转变曲线7.分析将共析钢加热到奥氏体区后，按如图6-37所示的冷却曲线冷却，各应得到什么组织？各属于何种热处理方法？(a)——M+Ar，单液淬火；(b)——M+Ar，分级淬火；(c)——T+M+Ar，油中淬火；(d)——B下，等温淬火；(e)——S，正火；(f)——P，退火；(g)——P，等温退火。8.将T12钢加热到Ac1以上，按如图6-38所示各种方法冷却，分析其所得到的组织。(a)——M+粒状Fe3C+A残；(b)——B下+M+粒状Fe3C+A残；(c)——B下+粒状Fe3C。9.某钢的连续冷却转变曲线如图6-39所示，试指出该钢按图中(a)、(b)、(c)、(d)速度冷却后得到的室温组织。(a)——M+Ar；(b)——B+M+Ar；(c)——F+B+M+Ar；(d)——F+P。

图6-38冷却转变曲线图6-39连续冷却转变曲线10.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？正火与退火的主要区别如下：

(1)加热温度不同

正火的加热温度范围是将钢完全奥氏体化，退火加热范围是不完全奥氏体化；(2)冷却方式不同正火在空气中冷却，退火一般是缓慢冷却(随炉冷却、灰堆冷却)，时间长；（3）获得组织和性能不同退火获得珠光体，正火获得索氏体，组织更细密，强、韧性更好；（4）适合的钢不同。正火适合所有的钢，不同的钢有不同的作用；退火适合含碳量大约为0.6%及以上的钢。生产中选择正火与退火的一般原则是：C＝0.2～0.6％：低、中碳——优先采用正火C≥0.6％：高碳——球化退火C≥1％：正火+球化退火或：C＜0.5％：低、中碳——正火C＝0.5％～0.75％——完全退火C≥0.75％——球化退火C≥1％——正火＋球化退火11.确定下列钢件的退火方法，并指出退火的主要目的及退火后的组织。（1）经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度；（2）ZG350钢的铸造齿轮；（3）锻造中出现过热的60钢锻坯；（4）改善T12钢的切削加工性能。(1)再结晶退火；消除加工硬化效应，降低硬度,恢复塑性；组织：F+P。

(2)去应力退火；消除铸造应力；组织：F+P。

(3)完全退火；均匀、细化组织，改善力学性能；组织：F+P。

(4)正火+球化退火；正火：消除网状渗碳体；球化退火：细化晶粒、均匀成分，并使钢中渗碳体球化，获得球（粒）状P组织，降低硬度。组织：F+Fe3C球。12.下列情况该用退火、正火或不需要？并简述原因。（1）45钢小轴轧材毛坯；（2）45钢齿轮锻件；（3）T12钢锉刀锻件。（1）不需热处理，扎材出厂时已经适当热处理，可直接进行切削加工；（2）正火：空冷获得索氏体，性能更好，效率高；也可完全退火，硬度比正火略低；（3）正火+球化退火。正火：御制Fe3CⅡ呈网状；球化退火：球化Fe3C，使材料机加工硬度至合适范围，且可提高最终韧性。13.试说明直径为10mm的45钢试样经下列温度加热、保温并在水中冷却得到的室温组织：700℃、760℃、840℃、1100℃。700℃:加热温度低，未超过A1线温度，未奥氏体化，组织未发生变化，保持原始组织；760℃：加热温度未超过A3线，部分奥氏体化，最终组织：F+M+A残；840℃：加热温度超过A3线，正常淬火加热温度范围，完全奥氏体化，组织：M+A残；

1100℃:加热温度太高，产生过热，A晶粒粗大，组织：粗大M+A残。

14.两个碳含量为1.2%的碳钢薄板试样，分别加热到780℃和900℃并保温相同时间奧氏体化后，以大于淬火临界冷却速度冷至室温。试分析:(1)哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大？(2)哪个温度加热淬火后马氏体碳含量较多？(3)哪个温度加热淬火后残余奥氏体较多？(4)哪个温度加热淬火后未溶碳化物较少？(5)哪个温度加热淬火合适？为什么？(1)加热到900℃淬火后，M晶粒粗大，因为加热温度高，A晶粒粗大；

(2)加热到900℃的淬火后M碳含量较多，因为碳在A中的溶解度随温度升高而增大；

(3)加热到900℃的淬火后残余A较多,因为加热温度高，A中溶解了大量的碳，使得Ms、Mf位置下移，室温下残余Ar增多；

(4)加热到900℃的淬火后未溶碳化物较少，因为加热温度越高，有利于原子的扩散，碳化物更能充分溶解。

(5)碳含量为1.2%的钢为过共析钢，780℃加热淬火较合适，属正常的淬火加热温度范围(Ac1以上30～50℃)，少量未溶的Fe3C可阻止A晶粒长大，淬火后的组织为细M、粒状Fe3C和少量残余Ar。这样的组织不仅可以获得高硬度，同时还有利于强度、韧性、耐磨性的提高。15.指出下列工件的淬火及回火温度，并说出回火后获得的组织：(1)45钢小轴(要求综合力学性能好)；(2)65钢弹簧；(3)T12钢锉刀。(1)淬火(830～860℃)+高温回火(500～600℃或约600℃)，回火索氏体；淬火(800～830℃)+中温回火(360～540℃或约400℃)，回火托氏体；

(3)淬火(760～780℃)+低温回火(180～200℃或约200℃)，回火马氏体。16.用T10钢制造直径较大的钻头。其工艺路线为：锻造→热处理→机加工→热处理→磨削加工。(1)写出其中热处理工序的具体名称及作用。(2)制订机械加工中钻孔所用钻头的最终热处理（即磨削加工前的热处理）的工艺规范，并指出钻头在使用状态下的组织和大致硬度。(1)锻造后的热处理工序为：正火+球化退火，正火主要作用是消除组织中网状渗碳体，随后的球化退火作用是均匀、细化组织，降低硬度，便于机加工。磨削前的热处理工序为：淬火+低温回火，淬火是为了获得M组织，提高硬度和耐磨性，低温回火是为了获得回火马氏体组织，稳定组织和尺寸，消除内应力。

(2)最终热处理:淬火(760～780℃)+低温回火(180～200℃)。

钻头在使用状态下的组织为:回火马氏体+球形碳化物+Ar，硬度大约为62HRC。17.甲、乙两厂生产同一种零件，均选用45钢，硬度要求为220～250HBW，甲厂采用正火，乙厂采用调质处理，均能达到硬度要求，试分析甲、乙两厂产品的组织和性能差别。45钢通过正火处理得到正火索氏体组织，通过调质处理获得回火索氏体组织。性能差别：尽管它们都是由F和Fe3C组成的混合物，但正火索氏体中的Fe3C呈片状，而回火索氏体中的Fe3C呈粒状；在强度、硬度相当的情况下，回火索氏体的塑性、韧度更好，但调质的费用要比正火处理的高。18.试说明表面淬火、渗碳、渗氮三种表面热处理工艺在选用钢种、性能、应用范围等方面差别。三种表面热处理最终性能目标都是“表硬心韧”，但因材料、热处理不同，在应用上也有一定差异。名称钢种热处理特点性能特点应用表面淬火中碳钢种心部正火（调质）心部强硬度相对不高受力不大的一般件表面渗碳低碳钢种心部淬火、低温回火心部强硬度相对更高表面渗碳后提高了疲劳抗力受力大的重要件表面渗氮中碳合金钢心部正火（调质）心部强硬度相对不高表面不经淬火降低了变形度渗氮层的化学稳定性高，耐腐蚀、耐高温能力提高受力不大的精密件19.两个45钢工件，一个用电炉加热（加热速度约为0.3℃/s），另一个用高频感应加热（加热速度约为400℃/s），问两者淬火温度有何不同？淬火后组织和力学性能有何差别?淬火温度主要是根据含碳量来确定的，两者都为AC3+30～50℃，使之完全奥氏体化。差别主要在于：（1）电炉加热为整体处理，淬火后整体获得M+Ar，工件整体具有高硬度特点；高频感应加热为表面处理（心部一般先进行正火或调质），淬火后表层获得M+Ar，心部组织不变，最终获得“表硬心韧”的力学性能。（2）电炉加热速度慢，奥氏体晶粒较粗大，最终马氏体组织晶粒更粗大，淬火后硬度相当，但强度、韧性更低。（3）电炉加热速度慢，零件整体温差和组织变化差异小，淬火应力更小；表面淬火内外温差和组织变化差异大，淬火后应力大。20.20钢小件经930℃、5小时渗碳后，表面碳含量增至1.0%，试分析以下处理后表层和心部的组织：（1）渗碳后慢冷；（2）渗碳后直接水淬并低温回火；（3）由渗碳温度预冷到820℃保温后水淬，再低温回火；（4）渗碳后慢冷至室温，再加热到780℃，保温后水淬，再低温回火。(1)表层组织为P+Fe3C，心部组织为F+P；

(2)表层组织为粗大回火马氏体+Ar，心部组织为粗大低碳回火马氏体+Ar；(3)表层组织为高碳回火马氏体+Ar，心部组织为低碳回火马氏体+F+Ar；(4)表层组织为高碳回火马氏体+Fe3C+Ar，心部组织为低碳回火马氏体+F+Ar。相对而言(4)工件表层耐磨性、心部的韧性更好且淬火内应力小，工件不易变形开裂。

21.调质处理后的40钢齿轮，经高频加热后的温度分布如图6-40所示，试分析高频水淬后，轮齿由表面到中心各区（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）的组织变化。图图6-4040钢齿轮经调质再高频淬火加热后的温度分布示意图Ⅰ——M+Ar；Ⅱ——M+Ar+F；Ⅲ——回火索氏体。22.将一退火状态的共析钢零件（Ø10×100）整体加热至800℃后，将其A段浸入水中冷却，B段空冷，冷却后零件的硬度如图示（图6-41）。试判断各点的显微组织，并用C曲线分析其形成原因。图图6-41各点硬度值23.若仅将题21中零件A段加热至800℃，B段不加热（温度低于A1），然后整体置于水中冷却。试问冷却后零件各部位的组织和性能如何？写出其大致硬度值并简要分析原因。A段：M+Ar66HRC高硬度、高耐磨性；B段：原有组织P15～20HRC强硬度不高，塑韧性较好（良好综合性能）24.分析下列说法在什么情况下正确？在什么情况下不正确？（1）钢奥氏体化后，冷得愈快钢的硬度愈高；（2）淬火钢硬而脆；（3）钢中含碳或含合金元素愈多，其淬火硬度愈高。（1）1）含碳量相同时：V≤Vk：正确V＞Vk：均获M,此时硬度相等。不正确2）含碳量不同时：钢的硬度还与C相关如：淬透性好的钢可慢速获得M，此时硬度取决于Wc再如：C=0.2%钢的正火硬度＜C=1.2%钢的退火硬度故：不正确（2）高碳M：正确低碳M:不正确（3）对合金钢：不正确对碳素钢：C＜0.6%正确C≥0.6%M硬度稳定在66HRC，不正确25.下列零件的材料、热处理或性能要求是否合理？为什么？（1）某零件要求56～60HRC，用15或20钢制造经淬火来达到；（2）采用工具钢（如T8A、T10A）制作的刀具，要求淬硬至67～70HRC；（1）不合理：材料选择不合理，含碳量太低，达不到硬度要求；（2）不合理：淬硬要求不合理，钢淬火后最高硬度可达66HRC26.将调质后的45钢（250HBS）再进行200℃回火，其硬度有何变化？将淬火低温回火后的45钢（58HRC）再进行600℃回火，其硬度有何变化？简述理由。调质后再200℃低温回火，组织不会改变；低温回火再高温回火，组织会从M′转为S′，硬度降低到20HRC左右。因调质得到S′,其稳定性高于M′。在A1温度下，稳定组织不会向不稳定组织转变，但不稳定组织会向更加稳定的组织转变。27.根据下列性能要求，零件所用材料和热处理是否正确？应作何修正？（1）某零件要求表面60～64HRC，心部强韧性高（35～40HRC），用45钢制造经表面淬火低温回火来达到；（2）某零件要求表面54～58HRC，心部综合性能好（23～27HRC），用T8钢制造经渗碳淬火低温回火来达到；（3）某零件要求表面950～1000HV，心部具有较好的强韧性（28～32HRC），用20钢制造经渗碳淬火低温回火来达到。（1）不合理，20钢，渗碳+淬火+低温回火；（2）不合理，45钢，调质或正火+表面淬火+低温回火；（3）不合理，38CrMoA，调质或正火+表面渗氮习题7（钢）1.试比较20CrMnTi与T10钢的淬透性和淬硬性.20CrMnTi比T10的含碳量更低，合金元素含量更高，因此淬透性更好，但淬硬性更低。2.试述渗碳钢的合金化作用及热处理特点.（1）合金化作用：以典型的20CrMnTi为例，合金元素含量越高，钢的淬透性越好，淬火变形愈小；其中Cr、Mn元素还可以强化铁素体，提高钢的强度；Cr、Ti能形成稳定、细小、弥散的合金碳化物，可提高零件表面渗碳层的耐磨性。（2）热处理特点：热处理是渗碳、淬火及低温回火。为了保证心部有足够韧性，采用低碳钢；淬火有直接淬火法、一次淬火法、二次淬火法，可以根据实际需求合理选择。如果要保证心部获得足够的低碳回火马氏体以获得较高的强度，要注意钢的淬透性；由于渗碳淬火表层的马氏体比容大于心部比容，使表层为压应力状态，渗碳钢还具有较高的疲劳抗力。3.为什么调质钢多为中碳钢？调质钢中主要含有哪些合金元素？它们在钢中的作用是什么？（1）调质钢具有良好的综合力学性能。基于这样的性能需求调质钢的含碳量一般为0.25%～0.5%。含碳量过低，碳化物数量不足，第二相强化作用小，强度不足；含碳量过高则韧性不足。（2）调质钢中常加入Cr、Mn、Ni等元素，以提高钢的淬透性、减小零件的淬火变形、固溶强化铁素体；加入少量Mo、V等元素能形成稳定的合金碳化物，以细化奥氏体晶粒、提高钢回火稳定性，进一步提高钢的强度、硬度和韧性。4.简述刀具对钢的性能要求；并比较碳素工具钢、低合金刃具钢、高速钢的性能特点，分析三类钢各适合于制作什么样的刀具.（1）刃具钢切削时承受着压力、弯曲力和强烈的摩擦力，因切削发热，刃部温度可达500～600℃，此外，还承受一定的冲击和震动。因此，刃具钢应具有高硬度，一般在60HRC以上；高热硬性，即在高温下保持高硬度的能力；足够的韧性，防止刀具断裂和崩刃。（2）碳素工具钢：高硬度高耐磨，热硬性低，工作温度约200℃，适合手工低速切削软材料的刀具，如锉刀、木工刀具等；低合金刃具钢：高硬度高耐磨，热硬性有所提高，工作温度约300℃，适合低速机用切削较硬材料的刀具，如低速切削铝、铜、软钢等材料的车刀、铣刀、刨刀等；高速钢：高硬度高耐磨，热硬性进一步提高，工作温度约600℃，适合高速机用切削硬材料的刀具，如各类高速铣刀、钻头等。5.(1)请说明W18Cr4V钢中各合金元素的作用是什么？(2)有人说“由于高速钢含有大量合金元素，故淬火后其硬度比其他工具钢高，正是由于硬度高才适合高速切削”这种说法是否正确，为什么?（1）W、Cr、V在淬火过程中完全溶解在马氏体中，在其后的560℃回火时，从马氏体中弥散析出大量高硬度碳化物，从而产生二次硬化现象，使钢获得高硬度（65HRC）和高热硬性（600℃）。其次，合金碳化物在淬火加热时极难溶解，具有细化晶粒改善韧性，同时提高耐磨性的作用；合金元素还有提高钢淬透性，减少淬火变形的作用。（2）说法错误，错误有2处：首先钢淬火后的硬度主要取决于钢的含碳量，基本与合金元素无关；其二：只是硬度高还不能用于高速切削，还需要钢具有好的热硬性。6.按要求填表材料类别划线部分含义最终热处理工艺典型应用08F冷冲压钢沸腾钢退火、正火仪表板、汽车驾驶室盖板

Q235-A碳素结构钢屈服强度最小值一般不需热处理建筑、桥梁、汽车构件20Cr合金渗碳钢C≈0.2%渗碳+淬火+低回拖拉机齿轮、活塞销40Cr合金调质钢C≈0.4%调质+表淬+低回机床齿轮、轴；连杆、螺栓65Mn碳素弹簧钢本身含锰量较高淬火+中温回火沙发弹簧、发条T10A碳素工具钢高级优质淬火+低温回火锯条、小型冷作模具GCr15Cr≈1.5%滚动轴承钢淬火+低温回火轴承、量具9SiCrC≈0.9%低合金刃具钢淬火+低温回火丝锥、板牙、钻头、冷冲模Cr12MoVCr≈12%冷作模具钢淬火+多次高回或：淬火+低回钢板冲裁模、铜板引深模、铝材冷挤模5CrNiMoC≈0.5%热作模具钢淬火+高温回火或：淬火+中回热锻模W18Cr4Vw≈18%高速钢淬火+多次高回高速铣刀、钻头、丝锥等12Cr18Ni9C≈0.12%奥氏体不锈钢淬火+高温回火化工设备、管道、医疗器械7.工艺分析与应用.（1）直径为25mm的40CrNiMo棒料毛坯，经正火后硬度高很难切削加工，这是什么原因？设计一个最简单的热处理方法以提高其可加工性.该钢因为含有较多的合金元素，淬透性好，经正火空冷时，可以获得硬度很高的马氏体组织导致难以切削。可采用退火缓冷。（2）钳工用废的锯条（T8、T10A）烧红（600或800℃）后空冷即可变软，而机用锯条（W18Cr4V）烧红900℃后空冷却仍然相当硬，为什么？T8、T10A：经淬火+低回使用，M′热硬性约200℃投入使用；600℃：M′→S′硬度下降；800℃：M′→A→S，硬度下降。W18Cr4V：经淬火+多次高回后，M′热硬性约600℃投入使用；900℃：M′→A，碳化物未完全溶解；因淬透性好，空冷可淬火A→M；最终组织：M上分布着未溶高硬度的合金碳化物→硬度高。（3）某厂在用Cr12型钢制造冷作摸具时，采用了用原材料直接进行机械加工，热处理后送交使用的工艺，经使用后用户反映寿命一般都比较短。改进后的措施是将毛坯充分锻造，使得模具寿命明显提高，这是什么原因？Cr12型钢由于合金元素多，使Fe-Fe3C相图中的E点左移成为莱氏体钢，铸态组织中含有大量粗大的鱼骨状共晶莱氏体（以共晶碳化物为主的组织），硬度高，脆性大，如在材料中存在大颗粒、带状或网状等莱氏体，就会显著降低钢的强度、韧性，很易引起刀具崩刃和脆断。这些共晶碳化物来自于液体结晶，不能用热处理方法消除，需采用锻造，反复镦粗、拔长，以破碎碳化物，使其呈小颗粒均匀分布。（4）下列零件或构件要求材料具有哪些主要性能？应选用何种材料（写出典型材料牌号），应采用何种热处理？①大桥钢结构 Q345出厂时已正火处理②汽车齿轮20CrMnTi渗碳+淬火+低温回火③镗床镗杆38CrMoAlA调质+渗氮④汽车发动机气阀弹簧50CrVA淬火+中温回火⑤凸轮轴40Cr调质⑥收割机刀片T10A或9SiCr淬火+低温回火⑦汽轮机叶片20Cr13淬火+高温回火⑧硫酸、硝酸容器06Cr18Ni11Ti固溶处理习题8（铸铁）1．铸铁和碳钢相比，在成分、组织和性能上有什么主要区别？成分：碳钢0.02%≤C≤2.11%，铸铁含碳量更高：C＞2.11%；组织：碳钢F+Fe3C（少）铸铁：F+Fe3C（多）或：F+G、P+G、F+P+G性能：铸铁因为组织中存在更多的Fe3C，具有硬度高、耐磨性更好的特点，但其强度、塑性、韧性、疲劳抗力均比钢更低。2．C、Si、Mn、P、S元素对铸铁石墨化有什么影响？为什么三低（C、Si、Mn低）一高（S高）的铸铁易出现白口？（1）C和Si对铸铁石墨化起决定性作用，是强烈促进石墨化的元素，C、Si含量越高，石墨化越容易进行。Si对石墨化影响大约为C的三分之一。P是微弱促进石墨化的元素。但由于铸铁中含P量低，对石墨化的影响并不显著。S是强烈阻碍石墨化的元素，它促使铸铁出现白口组织。Mn是阻碍石墨化的元素，但由于Mn能部分抵消S的有害影响，可以间接起到促进石墨化的作用。（2）因此，促进石墨化的元素C、Si以及Mn含量越低，强烈阻碍石墨化的S高，石墨化越不容易进行，也就是易出现白口了。3．石墨形态是影响铸铁性能特点的主要因素，试分别比较说明不同的石墨形态对灰铸铁和球墨铸铁力学性能及热处理工艺的影响。铸铁中最常用的是灰口铸铁，其中石墨形态主要有片状（灰铁）、团絮状（可锻铸铁）、球状（球墨铸铁）等，在石墨总数量相当的情况下，铸铁的性能主要受石墨形态的影响。灰铸铁的石墨呈片状，它引起的应力集中程度最大，球墨铸铁中石墨呈球状，应力集中程度最小，对基体的割裂作用也最小（相同体积的条件下，球形的表面积最小）。因此，球铁比灰铸铁具有更高的强度和韧性。可锻铸铁介于二者之间。热处理仅能改变铸铁基体组织，不能改变石墨形态，因此它对灰铸铁力学性能的改善是有限的，灰铸铁常用的热处理有退火、自然时效、表面热处理。由于球墨铸铁石墨对基体影响大为减少，通过热处理可使基体组织充分发挥作用，球铁拥有与钢相似的多种热处理，有退火、正火、调质、等温淬火等，可以获得不同性能满足不同的应用需求。4．在灰铸铁石墨化过程中，若第一、第二阶段完全石墨化，第三阶段石墨化完全进行、部分进行、没有进行时，分别获得什么组织的铸铁？当第三阶段石墨化完全进行时：铁素体十石墨；部分进行时：铁素体+珠光体+石墨没有进行时：珠光体+石墨。5．球墨铸铁的性能特点及用途是什么？球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨，球状石墨对基体的割裂作用和应力集中作用更小，与片状石墨和团絮状石墨相比，球墨铸铁的力学性能最好，基体强度的利用率高达70%～90%，球墨铸铁可与相应基体组织的铸钢相媲美，对于承受静载荷的零件，用球墨铸铁代替铸钢，特别利于形状复杂零件的成型。与可锻铸铁相比，还具有生产周期短、不受铸件尺寸限制等特点。球墨铸铁中的石墨球愈小、愈分散，球墨铸铁的强度、塑性、与韧性愈好。球墨铸铁还具有其他的优良性能，如铸造性能、减摩性、切削加工性等。球墨铸铁能通过各种热处理改变其性能。主要用于各种曲轴、凸轮轴、连接轴、连杆、齿轮、离合器片、液压缸体等零部件。6．和钢相比，球墨铸铁的热处理有什么异同？钢的组织本质上是以铁素体为基体，混合渗碳体或其他碳化物构成，这些碳化物都是从奥氏体中首先析出之后形成的，组织中没有从液体直接结晶形成的碳化物，所以热处理即可改变基体，也可改变其中碳化物的形态和分布。球墨铸铁是灰口铸铁中的一种，它的组织本质上是钢的基体+球状石墨，而灰口铸铁是第一阶段、第二阶段均石墨化的铸铁，其中第二阶段从奥氏体中析出的石墨相对较少，因此，直接从液体中形成的石墨（一阶段）更多，这些石墨的形态、分布是不能通过热处理改变的。因此，球铁的热处理主要是改变基体的热处理。7．HT200、HT350、KTH300-06、QT400、QT600各是什么铸铁？各具有什么样的基体和石墨形态？说明它们的力学性能特点及用途。HT200是灰铸铁，基体为珠光体，粗大的片状石墨。其抗拉强度不低于200MPa，用于承受大载荷和较重要的零件，如气缸体、齿轮、齿轮箱、机座、飞轮、缸套、活塞、联轴器、轴承座等。HT350为孕育灰铸铁，基体为珠光体，细小的片状石墨。其抗拉强度不低于350MPa，用于承受高载荷的重要零件，如重要设备床身、机座、受力较大的齿轮、凸轮、高压油缸、滑阀壳体等。KTH300-06为黑心可锻铸铁，基体为铁素体，团絮状石墨。其抗拉强度不低于300MPa，伸长率不低于6%，用于弯头、三通管件，中低压阀门等。QT400为球墨铸铁，基体为铁素体，球状石墨。其抗拉强度不低于400MPa，用于承受冲击、振动的零件，如汽车、拖拉机的轮毂、驱动桥壳、拨叉，压缩机高低压气缸，电机外壳，齿轮箱、机器底座、电动机架等。QT600为球墨铸铁，基体为珠光体+铁素体，球状石墨。其抗拉强度不低于600MPa，用于承受大载荷、受力复杂的零件，如汽车、拖拉机的曲轴、连杆、凸轮轴，部分磨床、铣床的主轴，小型水轮机主轴等。习题9（有色金属及硬质合金）填空题（1）根据铝合金的成分、组织和工艺特点，可以将其分为变形铝合金与铸造铝合金两大类。（2）将铝合金进行固溶处理以获得过饱和固溶体，通过时效过程获得细小弥散分布的第二相，使母相产生晶格畸变，阻碍位错运动，引起强度和硬度显著增高。（3）超硬铝合金具有良好的热塑性，但疲劳性能较差，耐热性和耐蚀性也不高。（4）铸造铝硅合金ZAlSi12的组织为粗大针状的硅晶体，通过变质处理细化组织，可显著提高合金强度和塑性。（5）铍青铜能通过固溶处理和人工时效进行强化，以获得高的弹性极限、疲劳抗力和耐蚀性、耐磨性及耐低温特性。（6）在镁合金中加入合金元素提高合金的强度、耐蚀性（或耐热性）等性能；通过固溶处理+时效处理的热处理强化提高强度。（7）钛在882℃时会进行α-Ti向