《金属学及热处理》-郭海华 习题及解答 第6章

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6-40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