机械制造基础 习题解答（孙学强）第1-15章 金属材料的力学性能习题解答 -特种加工及数控加工

第一章金属材料的力学性能

习题解答

1-1什么是金属的力学性能？根据载荷形式的不同，力学性能

主要包括哪些指标？

答：金属在各种不同载荷作用下表现出来的特性就叫力学性能。

根据载荷形式的不同，力学性能主要包括强度、硬度、塑性和冲击韧

度等。

1-2什么是强度？什么是塑性？衡量这两种性能的指标有哪些?

各用什么符号表示？

答：金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力就是强度；

衡量强度的主要指标有弹性极限伉、抗拉强度如和屈服强度小(32)

等。

金属发生塑性变形但不破坏的能力称为塑性；衡量塑性的主要指

标有断面收缩率砂和伸长率演

1-3低碳钢做成的曲=10mm的圆形短试样经拉伸试验，得到

如下数据：Fs=21100N,Fb=34500N,l\=65mm,d\-6mmc试

求低碳钢的。s、公、为、中。

答：原始试样截面积为A°=?4=7>d02=78.5(/〃〃22),试验后截

面积为Aj=—J;=—x62=28.26(w/n2)；原始试样长度为

44

10=5d()=5x10=50(〃5)，故

以=2H00=2688(MPa)

s

A()78.5

(r=—==4395(MPa)

bb478.5

/_/65-5()

^s=^—^xlOO%=100%=30%

I。50

A,>A,

W=~xl00%=78.5-28.26xl00%=64%

Ao78.5

1-4什么是硬度？HBW、HRA.HRB、HRC各代表什么方法

测出的硬度？

答：硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是指金属抵抗局部弹

性变形、塑性变形、压痕或划痕的能力。

HBW代表用布氏硬度测定方法测出的硬度，HRA、HRB、HRC

各代表用洛氏硬度的A、B、C三种不同的标尺测定出的硬度。

1-5下列硬度要求和写法是否正确？

HBW150HRC40NHR00HRB10478HVHRA79

474HBW

答：HBW150不正确；HRC40N不正确；HR00不正确；HRB10

不正确；478HV正确；HRA79不正确；474HBW正确。

1-6什么是冲击韧度？AK和"KV各代表什么？

答：金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧度。

AK代表冲击吸收功；〃KV代表使用V形缺口试件测出的冲击

韧度值。

1-7什么是疲劳现象？什么是疲劳强度?

答：1、疲劳现象是指零件在交变载荷作用下（交变应力通常都

低于材料的屈服强度），经长时间工作发生破坏的现象。

材料在无数次交变载荷作用下而不破坏的最大应力值称为疲劳

强度。

1-8用标准试样测得的金属材料的力学性能能否直接代表材料

制成零件的力学性能？为什么？

答：用标准试样测得的金属材料的力学性能不能直接代表零件的

力学性能。因为金属材料力学的力学性能是在特定条件下测定出的指

标，零件的实际工作条件与这些条件不一定是一致的，如热处理、温

度、尺寸大小等，从而导致零件力学性能改变。

第二章金属与合金的晶体结构

习题解答

2-1什么是晶体？晶体的主要性能是什么？

答：晶体是指原子具有规则排列的物质。

晶体的主要性能有（1）具有规则的外形；（2）具有固定的熔点;

（3）具有各向异性。

2-2解释下列名词：晶格、晶胞、晶格常数、晶粒、晶界、合

金、组兀、相、合金系。

子排列。

答：金属晶格有体心立方晶格（如题2.4图1所示）、面心立方

晶格（如题2-4图2所示）、密排六方晶格（题2-4图3所示）。

2-5实际金属有哪些晶体缺陷？这些缺陷对性能有何影响？

答：实际金属的晶体缺陷有空位和间隙原子（点缺陷）、位错（线

缺陷）、晶界和亚晶界（面缺陷）。

晶体缺陷引起晶格畸变，在晶体的强度、硬度、塑性和扩散及其

他结构问题中起主要作用。

2-6什么是固溶体？绘图说明固溶体的种类。

答：合金在由液态结晶为固态时，组元间会互相溶解，形成一种

在某一组元晶格中包含有其它组元的新相，这种新相称为固溶体。

固溶体分为间隙固溶体（题2-6图1）和置换固溶体（题2-6图

2）两种基本类型。

2-7什么是固溶强化？

答：由于溶质原子溶入溶剂晶格后引起晶格畸变，使其塑性变形

的抗力增大，因而使得合金的强度、硬度升高，这种现象称为固溶强

化。

2-8金属化合物的主要性能和特点是什么？以Fe3c为例说明

之。

答：金属化合物的熔点较高，性能硬而脆。当合金中出现金属化

合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧

性。Fe3c熔点为1837℃,硬度为900〜1000HV均比纯铁高,但韧性

却很差。

第三章金属与合金的结晶

习题解答

3-1解释下列名词

结晶过冷现象过冷度变质处理晶核同素异构转变

枝晶偏析共晶转变

答：结晶一一是液态金属凝固为固态的过程。

过冷现象一一是指实际结晶温度总是低于理论结晶温度的现象。

过冷度一一理论结晶温度与实际结晶温度的差值。

变质处理一一在液态金属结晶前加入变质剂，以增加可形核率或

降低长大速率，从而细化晶粒的方法。

晶核一一最先形成的、作为结晶核心的微小晶体称为晶核。

同素异构转变一一金属在固态下随温度的改变，由一种晶格类型

转变为另一种晶格类型的变化过程。

枝晶偏析一一在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象，叫枝晶偏

析。

共晶转变一一一定成分的液相同时结晶出两种不同固相的转变

过程。

3-2晶粒大小对金属的力学性能有何影响？生产中有哪些细化

晶粒的方法？

答：在常温下，细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、

塑性和韧性。

生产中细化晶粒的方法有：增加过冷度、变质处理、附加振动和

降低浇注速度。

3-3如果其它条件相同，试比较下列铸造条件下，铸件晶粒的

大小：

(1)金属型铸造与砂型铸造；

(2)高温浇注与低温浇注；

(3)浇注时采用振动与不采用振动；

(4)厚大铸件的表面部分与中心部分。

答：(1)金属型铸造晶粒较细小；(2)高温浇注晶粒较细小；(3)

浇注时采用振动晶粒较细小；(4)厚大铸件表面晶粒较细小。

3-4试分析比较纯金属、共晶体、固溶体三者在结晶过程和显

微组织上的异同之处。

答：

不同点纯金属共晶体固溶体

固定的结晶温固定的结晶温结晶在一定温

结晶过程

度度度范围内进行

单一成分的单为两相均匀的两组元的单相

显微组织

相组织组织组织

3-5金属的同素异构转变与液态金属结晶有何异同之处?

答：金属同素异构转变和结晶过程都有固定的温度、有结晶潜热

释放、都有形核、长大过程；但同素异构转变是固相间的转变而结晶

是由液相向固相转变：同素异构转变过冷度更大，会产生更大的内应

力。

3-6根据Pb-Sn相图，分析wsn=40%和wsn=80%的两种

Pb-Sn合金的结晶过程及室温下的组织。

答：40%的Pb-Sn合金的结晶过程如下：

题3-6图中的合金I为wsn=40%的Pb-Sn合金。当合金在1点

温度以上时为液相，缓慢冷却到1点温度时，开始从液相中结晶出a

固溶体。温度在1~2点之间，随温度的不断降低，a固溶体的量不

断增多，其成分不断沿AM线变化；剩余液相的量不断减少，其成分

不断沿AE线变化。温度降到2点时，剩余液相的成分达到共晶点成

分，在共晶温度(183℃)下发生共晶转变，同时结晶出a+|3共晶体,

直到液相全部消失为止，此时，合金的组织由先结晶出来的a固溶体

(称为先共晶相或初晶)和共晶体a+0组成。继续冷却到2点温度以

下时，a、p的溶解度分别沿MF、NG线变化，故分别要从a和B中

析出加和an两种次生相，即L一L+a—（a+p）共晶+a-（a+0）共晶+a+[3n。

合金I的室温组织为初晶a、次生加和共晶体a+|3,即（a+[3）

共晶+a+Pn。

5

00

4

3O/O9

OO

咽2

00

100

0

Pb102030405060708090Sn

WSn(%)

题3-6图

题3-6图中的合金II为wsn=80%的Pb-Sn合金。vvsn=8（）%的

Pb-Sn合金的结晶过程及组织与w=40%的Pb-Sn合金的结晶过程

相类似，所不同的是先结晶出来的固相是B固溶体，结晶后的显微组

织为初晶次生an和共晶体a+B组成，即（a+B）共晶+P+aii。

第四草铁碳合金

习题解答

4-1什么叫铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体？试从碳

含量、相组成、晶体结构等方面分析其特点。

答：列表进行分析和比较。

相组成碳含量特点晶体结构

铁素体C在a-Fe中的固溶体0-0.0218%单相固溶体体心立方

奥氏体C在y-Fe中的固溶体0-2.11%单相固溶体面心立方

渗碳体C与Fe形成的金属化合6.69%单相金属化合物复杂品格

物

珠光体奥氏体发生共晶转变生成0.77%两相混合物

的铁素体与渗碳体片层混

合物

莱氏体高温莱氏体：4.3%两相混合物

(A+Fe3cli十FesC)

低温莱氏体：

(P十Fe3cH十Fe3C)

4-2什么是共晶转变、共析转变？

答：共晶转变是在一定温度下一定成分的液相同时析出两种不同

固相的转变过程。

共析转变是在一定温度下一定成分的固相同时析出两种不同固

相的转变过程。

4-3说明一次渗碳体和二次渗碳体的区别是什么？

答：一次渗碳体是直接从液相中析出的渗碳体，呈板条状；二次

渗碳体是从奥氏体中析出的，呈网状。

4-4根据Fe-Fe3c相图分析帆=0.45%和加=1%的碳素钢从

液态缓冷至室温的组织转变过程及室温组织。

答：().45%碳素钢组织转变过程为：

液相一奥氏体+液相―奥氏体—奥氏体+铁素体-珠光体+铁素

体(室温组织)。

仅=1%碳素钢组织转变过程为:

液相一奥氏体+液相一奥氏体—奥氏体+渗碳体―珠光体+渗碳

体(室温组织)。

4-5根据Fe—Fe3c相图，分析下列现象：

(1)wc=1.2%的钢比卬c=0.45%的钢硬度高。

(2)wc=1.2%的钢比伙=0.8%的钢强度低。

(3)低温莱氏体硬度高，脆性大。

(4)碳钢进行热锻、热轧时，都要加热到奥氏体区。

答：(1)叫=1.2%的钢比帆=0.45%的钢的相成分中有更多的

渗碳体，因此提高了钢的硬度。

(2)vvc=1.2%的钢中有网状的二次渗碳体和珠光体，仅二0.8%的

钢中有大量的珠光体，脆而硬的网状的渗碳体将珠光体组织阻断，导

致钢的强度下降。

(3)低温莱氏体中有大量的渗碳体，因而其硬度高，脆性大。

(4)碳钢加热到奥氏体区，使相成分成为单相奥氏体，奥氏体有

较好的塑性和韧性使其有更好的压力加工性能。

4-6仓库内存放的两种同规格钢材，其碳含量分别为：似

=0.45%、wc=0.8%,因管理不当混合在一起，试提出两种以上方法

加以鉴别。

答：可能通过拉伸实验、弯曲实验和硬度测定来鉴别，皿=0.8%

有更大的强度及硬度。

(如果有经验，亦可通过摩擦火花进行鉴别。)

4.7根据Fe—Fe3c相图，说明下列现象产生的原因。

(1)低温莱氏体(Ld*)比珠光体(P)塑性差。

(2)加热到11()0℃,9=0.4%的钢能进行锻造，叫=4%的铸铁不

能锻造。

(3)钳工锯高碳成分(仅＞0.77%)的钢材比锯低碳成分(皿＜0.2%)

的钢料费力，锯条容易磨损。

(4)钢适宜于锻压加工成形，而铸铁适宜于铸造成形。

(5)钢钾钉一般用低碳钢制成。

答：(1)低温莱氏体(Ld)比珠光体(P)塑性差是因为低温莱氏

体中有大量的渗碳体，其性能接近单相渗碳体因而其塑性比珠光体

差。

(2)加热到1100℃时丁法=0.4%的钢为单相奥氏体有较好的塑性

和较低的强度能进行锻造；取=4%的铸铁高温组织中性能硬而脆的渗

碳体量很多，故不能锻造。

(3)高碳成分(生＞().77%)的钢材中渗碳体的含量比低碳成分(9

W().2%)的钢更高，有更高的硬性和强度。

(4)钢中含塑性好而强度低的铁素体的量多适宜锻压，而铸铁成

分接近共晶成分熔点较低，适宜于铸造成形。

(5)钢钾钉在工作时需要进行塑性变形，而低碳钢有较好的塑性

同时有一定的强度。

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：为钢＜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为什么说碳钢中的镒和硅是有益元素？硫和磷是有害元

素？

答：镒的脱氧能力较好，能清除钢中的FeO,降低钢的脆性；镒

还能与硫形成MnS,以减轻硫的有害作用。硅的脱氧能力比钵强，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°C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“热脂”。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、1()、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镒量较高；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钢的叱=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钢的此=0.75%~().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钢的收=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钱刀或丝锥等工具。

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。

过冷奥氏体一一在/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。

残余奥氏体一一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Mr之间的转变产物为马氏体。马

氏体实质上是碳在a-Fe中过饱和固溶体。

下贝氏体一一过冷奥氏体在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8碳化物（Fez、4C）均匀而有方向地

分布在针片状铁素体的内部）。

托氏体一一过冷奥氏体在6()()℃〜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)。

淬透性一一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。

淬便性一一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。

临界冷却速度一一只发生马氏体转变的最小冷却速度，称为临界

冷却速度。

调质处理一一淬火与高温回火相结合的热处理工艺，称为“调

质”。

实际晶粒度一一在某一具体热处理或然加工条件下，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%1/A-度।O

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休点以下(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。但当钢中附＞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7800c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:(l)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a-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。当奥氏体中卬

c＜0.2%的钢淬火后，马氏体的形态基木为板条状，故板条状马氏体

又称为低碳马氏体。当做＞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)为了改善搂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，因为木质细晶粒钢在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)为了改善段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:

高频感应加热气体渗碳气体渗氮软氮化

表面淬火

处理温度800-1000℃900-950℃500-580C500-570℃

适用钢材0.4-0.5%C的含0.1-0.25%C含Cr、Mo、低、中碳钢

中碳钢的低碳钢Al、Ti、V的

中碳钢

热处理方法表面加热淬火渗碳后淬火再渗氮碳氮共渗，淬

再低温回火低温回火火后低温回火

热处理前后的前：F+P,后:前：F+P,后：表层形成的氮含C、N的回

表面组织极细M回火马氏体+化物火马氏体及细

网状Fe3cH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、弯同时有磨损、耐磨性、精度小型耐磨件，

曲等交变负荷受冲击的零件要求高的零件模具、量具等

作用的工件及耐热、耐磨

及耐蚀件

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小很高，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钢制造的键刀，要求硬度为60〜65HRCO

(4)锻造过热的60钢锻坏，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56()℃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18()℃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1()钢。问由TH)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>38CrM。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钢制造铿刀，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15钢代替，试问：

(1)改用15钢后，若仍按原热处理方法进行处理，能否达到性

能要求？为什么？

(2)若用原热处理方法不能达到性能要求，应采用哪些热处理方

法才能达到性能要求？

答：(1)改用15钢后，若仍按原热处理方法进行处理，不能达

到性能要求。因为15钢含碳量过低，高频淬火后硬度不能达到要求。

(2)应采用渗碳淬火+低温回火的热处理方法即可达到性能要

求。

5-22根据下列零件的性能要求及技术条件选择热处理工艺方

法：

(1)用45钢制作的某机床主轴，其轴颈部分和轴承接触要求耐

磨，52〜56HRC,硬化层深1mm。

(2)用45钢制作的直径为18mm的传动轴，要求有良好的综合

力学性能，22-25HRC,回火索氏体组织。

(3)用20CrMnTi制作的汽车传动齿轮，要求表面高硬度、高耐

磨性、58-63HRC,硬化层深0.8mm。

(4)用65Mn制作的直径为5mm的弹簧，要求高弹性，38〜

40HRC,回火托氏体。

答：(1)采用调质+高频淬火+低温回火的热处理工艺方法。

(2)采用调质处理的热处理工艺方法。

(3)采用渗碳淬火+低温回火的热处理工艺方法。

(4)采用淬火+中温回火的热处理工艺方法。

5-23某一用45钢制造的零件，其加工路线如下：备料+锻造一

一正火一一机械粗加工一一调质一一机械精加工+高频感应加热淬火

加低温回火一一磨削。请说明各热处理工序的目的及处理后的组织。

答：正火的目的是降低钢的硬度，便于加工，其组织为细片状珠

光体+铁素体(层片状索氏体)；调质的目的是使材料具有良好的综合

力学性能，其组织为回火索氏体；高频感应加热淬火加低温回火的目

的是提高耐磨部位的硬度、降低淬火应力和脆性，提高塑性和韧性，

其组织为回火马氏体。

第六章合金钢及其热处理

习题解答

6-1什么是合金元素?按其与碳的作用如何分类？

答：1、为了改善钢的组织和性能，在碳钢的基础上，有目的地

加入一些元素而制成的钢，加入的元素称为合金元素。常用的合金元

素有锦、铭、银、硅、铝、铝、帆、钛、结、钻、银、铜、铝、硼、

稀土(RE)等。

2、合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小，可分为碳化物形成

元素和非碳化物形成元素两大类。

常见的非碳化物形成元素有：银、钻、铜、硅、铝、氮、硼等。

它们不与碳形成碳化物而固溶于铁的品格中，或形成其它化合物，如

氮可在钢中与铁或其它元素形成氮化物。

常见的碳化物形成元素有：铁、铳、珞、铝、铝、钮、银、错、

钛等（按照与碳亲和力由弱到强排列）。通常帆、银、倍、钛为强碳

化物形成元素；锌为弱碳化物形成元素；格、钥、鸨为中强碳化物形

成元素。钢中形成的合金碳化物主要有合金渗碳体和特殊碳化物两

类。

6-2合金元素在钢中的基本作用有哪些？

答：合金元素在钢中的基本作用有,：强化铁素体、形成合金碳化

物、阻碍奥氏体晶粒长大、提高钢的淬透性和提高淬火钢的回火稳定

性。

6-3低合金结构钢的性能有哪些特点?主要用途有哪些？

答：低合金结构钢的性能特点是：①具有高的屈服强度与良好的

塑性和韧性；②良好的焊接性；③较好的耐蚀性。低合金结构钢一般

在热轧空冷状态下使用，被广泛用于制造桥梁、船舶、车辆、建筑、

锅炉、高压容器、输油输气管道等。

6-4合金结构钢按其用途和热处理特点可分为哪儿种？试说明

它们的碳含量范围及主要用途。

答：合金结构钢是指用于制造各种机械零件和工程结构的钢。主

要包括低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动

轴承钢等。

1、低合金结构钢的成分特点是低碳(Wc<0.20%),一般在热轧空

冷或正火状态下使用，用于制造桥梁、船舶、车辆、建筑、锅炉、高

压容器、输油输气管道等。

2、合金渗碳钢的平均wc一般在0.1%〜0.25%之间，以保证渗

碳件心部有足够高的塑性与韧性。合金渗碳钢的热处理，一般是渗碳

后直接淬火和低温回火。合金渗碳钢主要用于制造表面承受强烈摩擦

和磨损，同时承受动载荷特别是冲击载荷的机器零件，如汽车、飞机

的齿轮，内燃机的凸轮等。

3、合金调质钢的平均wc一般在0.25%〜0.50%之间。合金调质

钢的最终热处理一般为淬火后高温回火(即调质处理)，组织为回火

索氏体，具有高的综合力学性能。若零件表层要求有很高的耐磨性，

可在调质后再进行表面淬火或化学热处理等。它主要用于制造承受多

种载荷、受力复杂的零件，如机床主轴、连杆、汽车半轴、重要的螺

栓和齿轮等。

4、合金弹簧钢的平均曲一般在0.45%〜0.70%之间，以保证高

的弹性极限与疲劳强度。弹簧钢根据弹簧尺寸和成形方法的不同，其

热处理方法也不同。

(1)热成形弹簧。当弹簧丝直径或钢板厚度大于10〜15mm时;

一般采用热成形。其热处理是在成形后进行淬火和中温回火，获得回

火托氏体组织，具有高的弹性极限与疲劳强度，硬度为40〜45HRC。

(2)冷成形弹簧。对于直径小于8〜10mm的弹簧，一般采用冷

拔钢丝冷卷而成。若弹簧钢丝是退火状态的，则冷卷成形后还需淬火

和中温回火；若弹簧钢丝是铅浴索氏体化状态或油淬回火状态，则在

冷卷成形后不需再进行淬火和回火处理，只需进行一次200〜300c

的去应力退火，以消除内应力，并使弹簧定形。

重要弹簧经热处理后，一般还要进行喷丸处理，使表血强化，并

在表面产生残余压应力，以提高弹簧的疲劳强度和寿命。

60Si2Mn钢是应用最广的合金弹簧钢，被广泛用于制造汽车、拖

拉机上的板簧、螺旋弹簧以及安全阀用弹簧等。

弹簧钢也可进行淬火及低温回火处理，用以制造高强度的耐磨

件，如弹簧夹头、机床主轴等。

5、滚动轴承钢是用来制造滚动轴承的滚动体（滚针、、滚柱、滚

珠）、内外套圈的专用钢。

滚动轴承钢是高碳铭钢，其平均仅为0.95%〜1.15%,以保证

轴承钢具有高的强度、硬度和形成足够的碳化物以提高耐磨性。

滚动轴承钢的热处理主要为球化退火、淬火和低温回火，硬度为61〜

65HRCo

对于精密轴承零件，为了保证尺寸的稳定性，可在淬火后进行一

次冷处理，以减少残余奥氏体的量，然后低温回火、磨削加工，最后

再进行一次人工时效处理，消除磨削产生的内应力，进一步稳定尺寸。

6-5试比较碳素工具钢、低合金刃具钢和高速钢的热硬性，并

说明高速钢热硬性高的主要原因。

答：碳素工具钢在温度高于200c时热硬性变差；低合金刃具钢

热硬性在300c以下；用高速钢热硬性可达600℃。

高速钢热硬性高的主要原因是高速钢的含碳量较高，M在

0.75%〜1.60%的范围内，并含有大量的碳化物形成元素鸨、铝、铭、

帆等。高的碳含量是为了在淬火后获得高碳马氏体，并保证形成足够

的碳化物，从而保证其高硬度、高的耐磨性和良好的热硬性；铝和铝

的作用相似（质量分数为1%的铝相当于质量分数为2%的铝），都能

提高钢的热硬性。含有大量鸨或相的马氏体具有很高的回火稳定性，

在500〜600℃的回火温度下，因析出微细的特殊碳化物（W2C、MO2Q

而产生二次硬化，使钢具有高的热硬性，同时还提高钢的耐磨性。

6-6高速钢经铸造后为什么要反复锻造？为什么选择高的淬火

温度和三次560℃回火的最终热处理工艺?这种热处理是否为调质处

理？

答：因为高速钢铸态组织中含有大量的鱼骨状碳化物，降低了高

速钢的力学性能，特别是韧性，而且用热处理方法不能根本改变碳化

物的分布状态，因此，只能用反复锻造的方法将碳化物打碎，并使其

尽可能均匀分布。锻造比最好大于10,锻后必须缓冷，以免开裂。

高速钢的淬火加热温度很高（1200〜1300C）的目的是为了使碳化

物尽可能多地溶人奥氏体，从而提高淬透性、回火稳定性和热硬性。

高速钢淬火后应立即回火，一般在550〜570℃回火三次。在此温度

范围内回火时，鸨、铝、机的碳化物从马氏体和残余奥氏体中析出，

呈弥散分布，使钢的硬度明显上升；进行多次回火，其目的是为了逐

步减少残余奥氏体的量和消除内应力。

这种热处理不是调质。

6-7用Crl2钢制造的冷冲模，其最终热处理方法有几种?各适

用于什么条件下工作的模具？

答：Crl2型钢的最终热处理有两种方法。一种是低温淬火和低

温回火法（也叫一次硬化法）。这种方法可使模具获得高硬度和高耐

磨性，淬火变形小。一般承受较大载荷和形状复杂的模具采用此法处

理。另一种热处理方法是高温淬火和高温（510〜520℃）多次回火法

（也叫二次硬化法）。这种方法能使模具获得高的热硬性和耐磨性，但

韧性较差。一般承受强烈摩擦，在400〜4500c条件下工作的模具适

用此法。

Crl2型钢用于制造冷冲模冲头、冷切剪刀、钻套、量规、冶金

粉模、拉丝模、车刀、较刀等。

CNL2MoV用于制造截面较大，形状复杂，工作条件繁重的模具,

如圆锯、搓丝板、切边模、滚边模、标准工具与量规等

6-8说明下列钢号的类别、用途及最终热处理方法：

Q345、ZGMnl3、40Cr、20CrMnTi、60Si2Mn、9CrSi、GCrl5、

W6Mo5Cr4V2、Crl2MoV、lCrl3、0Crl9Ni9>0Crl3Al、SCrMnMOo

答：列表回答如下：

牌号类别用途最终热处

理

Q345低合金高强大型钢构、桥梁、船舶、锅炉、压力热轧空冷

度结构钢容器、重型机械、电站设备等或正火

ZGMnl3高镒耐磨钢车辆履带、破碎机颗板、球磨机衬板、水韧处理

挖掘机铲斗、铁道道岔等

40Cr合金调质钢重要的调质件，如，轴类、压杆螺栓、调质处理

汽车转向节、齿轮等

20CrMnTi合金渗碳钢承受调整、中载或重载、摩擦的重要渗碳+淬火

渗碳件，如，齿轮、凸轮等+低温回火

60Si2Mn合金弹簧钢减振弹簧、螺旋弹簧等淬火+中温

回火

9CrSi合金工具钢耐磨性高、切削不剧烈的刀具，如，淬火+低温

板牙、丝锥、钻头等回火

GCrl5滚动轴承钢滚动轴承的内、外圈及滚动体、量块淬火+低温

等回火

W6M05Cr4V2高速钢要求耐磨性、韧性有较好配合的高速淬火十多次

切削刀具，如，丝锥、钻头、滚刀、回火

拉刀等。

Crl2MoV冷作模具钢用于制造冷冲模、挤压模等淬火+低温

回火

lCr13马氏体不锈用于要求塑韧性较高的耐蚀件，如汽淬火+回火

钢轮机叶片、水压机阀、螺栓、螺母等

0Cr19Ni9奥氏体不锈食品设备、一般化工设备等固溶处理

钢

0Crl3Al铁素体耐热工作温度低于900C,受力不大的炉退火+空冷

钢用构件，如，退火炉罩等或缓冷

5CrMnMo热作模具钢中型锤锻模淬火+高温

回火

6-9对量具钢有何要求?量具通常采用何种最终热处理工艺？

答：1、量具钢的性能要求有：高硬度和耐磨性、高的尺寸稳定

性、足够的韧性。

2、采用碳素工具钢时，最终热处理为淬火+低温回火；采用渗碳

钢时，最终热处理为渗碳+淬火+低温回火；采用中碳钢时，最终热处

理为高频感应淬火；采用合金工具钢或滚动轴承钢时，最终热处理为

淬火+低温回火。

3、对于精度要求高的量具，为保证尺寸稳定性，常在淬火后进

行一次冷处理，在低温回火后还应进行一次稳定化处理(100〜

150℃、24〜36h),以进一步稳定组织和尺寸，并消除淬火内应力。

6-10奥氏体不锈钢和耐磨钢的淬火目的与一般合金钢的淬火

目的有何不同？

答：奥氏体不锈钢和耐磨钢的淬火目的是为了获得单相奥氏体，而一般合金

钢淬火的目的是为了获得马氏体。

6-11高铸钢的耐磨机理与一般淬火工具钢的耐磨机理有何不

同?它们的应用场合有何不同？

答：高镭钢受强烈冲击或强大挤压时，表面因塑性变形而产生强烈加工硬化,

获得高的耐磨性，心部保持原来的高韧状态。旧表面磨损后新露出的表面又在力

的作用下形成新的耐磨层。高钵钢主要用于制造车辆履带、破碎机颗板、球磨机

衬板、挖掘机铲斗、铁路道岔、防弹钢板等有强烈冲击或强大挤压力作用下的耐

磨件。

一般淬火工具钢通过淬火+低温回火整体得到硬而耐磨的马氏

体。工具钢通常用于制造刀具、刃具、模具等。

6-12解释下列现象：

⑴在相同含碳量的情况下，大多数合金钢的热处理加热温度都

比碳钢高，保温时间长；

(2)高速钢需经高温淬火和多次回火;

(3)在砂轮上磨各种钢制刀具时，需经常用水冷却；

(4)用ZGMnl3钢制造的零件，只有在强烈冲击或挤压条件下才

耐磨。

答：(1)合金元素的加入使碳化物比较稳定，不易分解溶入奥氏体，为了得

到更均匀的奥氏体，就要提高加热温度和保温时间；

⑵高速钢的淬火加热温度很高(1200〜1300°C)的目的是为了使

碳化物尽可能多地溶人奥氏体，从而提高淬透性、回火稳定性和热硬

性。在550〜570℃回火，使鸨、铝、机的碳化物从马氏体和残余奥

氏体中析出，呈弥散分布，使钢的硬度明显上升；进行多次回火，其

目的是为了逐步减少残余奥氏体的量和消除内应力。

(3)若砂轮磨刀具产生的温度过高，会使刀具回火，故需用水冷却；

(4)用ZGMnl3钢制造的零件，受强烈冲击或强大挤压时，表面因塑性变形

面产生强烈加工硬化，才能获得高的耐磨性。

9CrSi合金工具钢耐磨性高、切削不剧烈的刀具，如，淬火+低温

板牙、丝锥、钻头等回火

GCrl5滚动轴承钢滚动轴承的内、外圈及滚动体、量块淬火+低温

等回火

W6M05Cr4V2高速钢要求耐磨性、韧性有较好配合的高速淬火+多次

切削刀具，如，丝锥、钻头、滚刀、回火

拉刀等。

Crl2MoV冷作模具钢用于制造冷冲模、挤压模等淬火+低温

回火

lCr13马氏体不锈用于要求塑韧性较高的耐蚀件，如汽淬火+回火

钢轮机叶片、水压机阀、螺栓、螺母等

0Crl9Ni9奥氏体不锈食品设备、一般化工设备等固溶处理

钢

0Crl3Al铁素体耐热工作温度低于900C,受力不大的炉退火+空冷

钢用构件，如，退火炉罩等或缓冷

5CrMnMo热作模具钢中型锤锻模淬火+高温

回火

6-9对量具钢有何要求？量具通常采用何种最终热处理工艺？

答：量具钢的性能要求有：高硬度和耐磨性、高的尺寸稳定性、足够的韧性。采

用的热处理方法为下限温度淬火及冷处理。

6-10奥氏体不锈钢和耐磨钢的淬火目的与一般合金钢的淬火目的有何不同？

答：奥氏体不锈钢和耐磨钢的淬火目的是为了获得单相奥氏体，而一般合金钢淬

火的目的是为了获得马氏体。

6-11高钵钢的耐磨机理与一般淬火工具钢的耐磨机理有何不同？它们的应用

场合有何不同？

答：高锦件受强烈冲击或强大挤压时，表面因塑性变形而产生强烈加工硬化，获

得高的耐磨性，心部保持原来的高韧状态。旧表面磨损后新露出的表面又在力的

作用下形成新的耐磨层。应用于有强烈冲击或强大挤压力作用下的耐磨件。

6-12解释下列现象：

(1)在相同含碳量的情况下，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高，

保温时间长；

(2)高速钢需经高温淬火和多次回火；

(3)在砂轮上磨各种钢制刀具时，需经常用水冷却；

(4)用ZGMM3钢制造的零件，只有在强烈冲击或挤压条件下才耐磨。

答：(1)合金元素的加入使碳化物奥氏体转变温度，为了得到更均匀的奥氏体，

就要提高加热温度和保温时间；

(2)淬火温度高(>120(TC),是为了获得高合金元素含量的马氏体。560c三

次回火使合金逐步析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化，并且使A'转变

为M,每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。

(3)砂轮磨刀具产生的热量，会使刀具回火，需用水冷却；

(4)用ZGMnl3钢高铸件受强烈冲击或强大挤压时，表面因塑性变形面产生

强烈加工硬化，获得高的耐磨性，心部保持原来的高韧状态。旧表面磨损后新露

出的表面又在力的作用下形成新的耐磨层。

第七章铸铁及其热处理

习题解答

7-1铸造生