第九章钢的热处理原理第十章钢的热处理工艺课后题答案

第九章钢的热处理原理

第十章钢的热处理工艺

1,.金属固态相变有哪些主要特征？哪些因素构成相变阻力？

答：金属固态相变主要特点：1、不同类型相界面，具有不同界面能和应变能2、新旧相之间存在一定位向关系与惯习面 3、相变阻力大4、易于形成过渡相5、母相晶体缺陷对相变起促进作用6、原子的扩散速度对固态相变起有显著影响…..阻力：界面能和弹性应变能2、何为奥氏体晶粒度？说明奥氏体晶粒大小对钢的性能的影响。

答：奥氏体晶粒度是指奥氏体晶粒的大小。

金属的晶粒越细小,晶界区所占的比例就越大，晶界数目越多（则晶粒缺陷越多，一般位错运动到晶界处即停），在金属塑变时对位错运动的阻力越大，金属发生塑变的抗力越大，金属的强度和硬度也就越高。晶粒越细，同一体积内晶粒数越多，塑性变形时变形分散在许多晶粒内进行，变形也会均匀些，虽然多晶体变形具有不均匀性，晶体不同地方的变形程度不同，位错塞积程度不同，位错塞积越严重越容易导致材料的及早破坏，晶粒越细小的话，会使金属的变形更均匀，在材料破坏前可以进行更多的塑性变形，断裂前可以承受较大的变形，塑性韧性也越好。所以细晶粒金属不仅强度高，硬度高，而且在塑性变形过程中塑性也较好。

3..珠光体形成时钢中碳的扩散情况及片,粒状珠光体的形成过程?

4、试比较贝氏体转变、珠光体转变和马氏体转变的异同。

答：从以下几个方面论述：形成温度、相变过程及领先相、转变时的共格性、转变时的点阵切变、转变时的扩散性、转变时碳原子扩散的大约距离、合金元素的分布、等温转变的完全性、转变产物的组织、转变产物的硬度几方面论述。

试比较贝氏体转变与珠光体转变的异同点。对比项目珠光体贝氏体形成温度高温区（A1以下）中温区（Bs以下）转变过程形核长大形核长大领先相渗碳体铁素体转变共格性、浮凸效应无有共格、表面浮凸转变点阵切变无有转变时扩散Fe、C均扩散Fe不扩散、C均扩散转变合金分布通过扩散重新分布不扩散等温转变完全性可以不一定转变组织α+Fe3C α+Fe3C （上贝氏体）α+ε—Fe3C（下贝氏体）转变产物硬度低中

5..珠光体、贝氏体、马氏体的特征、性能特点是什么？

片状P体，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好；粒状P体，Fe3C颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高。第二相的数量越多，对塑性的危害越大；片状与粒状相比，片状强度高，塑性、韧性差；上贝氏体为羽毛状，亚结构为位错，韧性差；下贝氏体为黑针状或竹叶状，亚结构为位错，位错密度高于上贝氏体，综合机械性能好；低碳马氏体为板条状，亚结构为位错，具有良好的综合机械性能；高碳马氏体为片状，亚结构为孪晶，强度硬度高，塑性和韧性差。

5、简述钢中板条马氏体和片状马氏体的形貌特征和亚结构 板条马氏体和的形貌特征和亚结构 并说明它们在性能上的差异。

1、简述钢中板条马氏体片状马氏体的形貌特征和亚结构并说明它们在性能上的差异。

(10 分) 一般认为板条马氏体为位错马氏体 马氏体内部有很多位错。片状马氏体为挛晶马氏体 马氏体内部亚结构为挛晶。板条马氏体的组织特征 每个单元呈窄而细长的板条 板条体自奥氏体晶界向晶内相互平行排列成群 其中的板条束为惯习面相同的平行板条组成。板条宽度0.1 0.2 微米 长度小于10 微米 板条间有一层奥氏体膜 一个奥氏体晶粒内包含几个板条群。一个奥氏体晶粒有几个束 一个束内存在位向差时 也会形成几个块。板条群之间为大角度晶界 板条之间为小角度晶界。板条的立体形态可以是扁条状。片状马氏体的特征 马氏体片互不平行而是呈一定的夹角排列 在显微镜下观察时呈针状或竹叶状。初生者较厚较长 横贯整个奥氏体晶粒 第一片分割奥氏体晶粒 以后的马氏体片愈来愈小。 但一般不穿透晶界 次生者尺 寸较小。初生片与奥氏体晶界之间、片与片之间互相撞击 形成显微裂纹。当WC≈1.4 2.0%时除具有上述特征

外 片的中央有中脊 在两个初生片之间常见到呈“Z”字形分布的细薄片。立体形态为双凸透镜状 断面为针状或竹叶状。故又称针状马氏体

6试述钢中上贝氏体和下贝氏体的形貌特征和亚结构并说明它们的性能差异。答：形貌特征：上贝氏体：在光学显微镜下观察时呈羽毛状，在扫描电镜观察为一群由奥氏体晶界内平行长大的板条状或针状铁素体，在相邻铁素体条（针）之间夹杂着断续的短杆状碳化物。

下贝氏体：在光学显微镜下观察时呈竹叶状，铁素体呈片状，片与片之间以一定角度相交。（大部分呈60度和120度），在铁素体片内部分布碳化物。碳化物排列大部分与铁素体片的长轴约成60度角。亚结构：上：位错缠结。下：缠结位错。

性能差异：下贝氏体具有高的强度和韧性，高的耐磨性，冲击韧性比上贝氏体好的多。

7.什么是魏氏组织？简述魏氏组织的形成条件，对钢性能的影响及消除方法。

答：魏氏组织：工业上将具有针（片）状铁素体或渗碳体加珠光体的组织称作魏氏组织，是含碳0.6%的碳钢或低合金钢在奥氏体晶粒体较粗和冷速较快的条件下，先共析出铁素体呈片状或粗大羽毛状，与原奥氏体呈一定的位向关系的组织。

魏氏组织可通过细化晶粒、退火或锻造并适当控制冷却速度等方法消除。

8..、简述碳钢在回火转变和回火组织。

答：碳素钢淬火后在不同温度下回火时，组织将发生不同的变化。由于组织变化会带来物理性能的变化，而不同的组织变化，物理性能的变化也不同。通常根据物理性能的变化把回火转变分成四种类型。

第一类回火转变：M分解为回火M，80~250℃；低碳马氏体发生碳原子向位错附近偏聚外，马氏体中析出碳化物，使马氏体碳含量降低；高碳马氏体发生分解，马氏体中过饱和碳不断以ε碳化物形式析出，使马氏体碳含量降低。

产物：回火马氏体。

第二类回火转变：残余A分解为回火M或下B，200~300℃；淬火后的残余奥氏体是不稳定组织，在本阶段，残余奥氏体分解为低碳马氏体和ε碳化物

组织为回火马氏体。

第三类回火转变：碳化物析出与转变，250~400℃，回火M转变为回火T（亚稳碳化物转变为稳定碳化物）；250~400℃时，碳素钢M中过饱和的C几乎全部析出，将形成比ε-FeXC 更稳定的碳化物。在回火过程中除ε-FeXC外，常见的还有两种：一种其组成与Mn5C2相近，称为χ碳化物，用χ-Mn5C2表示；另一种是渗碳体，称θ碳化物，用θ-Fe3C表示。这两种碳化物的稳定性均高于ε-FeXC；通常在MS以下回火残余A转变为M，然后分解为回火M，而在B转变区回火，残余A转变为下B。

第四类回火转变：回火T转变为回火S（碳化物聚集长大，α再结晶），400~700 ℃。铁素体发生回复和再结晶为等轴状、碳化物球化粗大——回火索氏体。

9、比较珠光体,索氏体,托氏体和回火珠光体,回火索氏体,回火托氏体组织性能

1.珠光体是奥氏体(奥氏体是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体)发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。得名自其珍珠般（pearl-like）的光泽。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。用符号P表示，含碳量为ωc＝0.77％。在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体的数量大大多于渗碳体,所以铁素体层片要比渗碳体厚得多.在球化退火条件下,珠光体中的渗碳休也可呈粒状,这样的珠光体称为粒状珠光体。

2.奥氏体是碳溶解在γ铁中形成的一种间隙固溶体，呈面心立方结构，无磁性。奥氏体是一般钢在高温下的组织，其存在有一定的温度和成分范围。有些淬火钢能使部分奥氏体保留到室温，这种奥氏体称残留奥氏体。在合金钢中除碳之外，其他合金元素也可溶于奥氏体中，并扩大或缩小奥氏体稳定区的温度和成分范围。例如，加入锰和镍能将奥氏体临界转变温度降至室温以下，使钢在室温下保持奥氏体组织，即所谓奥氏体钢。

3.托氏体是马氏体在回火时形成的，实际上是铁素体基体内分布着极其细小的碳化物(或渗碳体)球状颗粒，在光学显微镜下高倍放大也分辨不出其内部构造，只看到其总体是一片黑的复相组织。

11.何为第一类回火脆性和第二类回火脆性?如何消除？

答：回火脆性：在某些温度区间回火时随回火温度的升高，钢的韧性反而下降的现象，称为回火脆性

第一类（低温）回火脆性:是指淬火钢在250-350℃回火时出现的脆性。这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。没有一个有效的热处理方法能消除钢中这种回火脆性，除非不在这个温度范围内回火，也没有能够有效抑制产生这种回火脆性的合金元素。但可以采取以下措施减轻第一类回火脆性。

（1）降低钢中杂质元素的含量；（2）用Al脱氧或加入Nb、V、Ti等合金元素细化A晶粒；（3）加入Mo、W等可以减轻；（4）加入Cr、Si调整温度范围（推向高温）；（5）采用等温淬火代替淬火回火工艺。

第二类（高温）回火脆性：是指淬火钢在500-650℃范围内回火后缓冷时出现的脆性。是一种可逆性的回火脆性。防止方法

（1）提高钢材的纯度，尽量减少杂质；

（2）加入适量的Mo、W等有益的合金元素；

（3）对尺寸小、形状简单的零件，采用回火后快冷的方法

12.试比较共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线与连续转变曲线的异同点。TTT与CCT

答：首先连续冷却转变曲线与等温转变曲线临界冷却速度不同。其次连续冷却转变曲线位于等温转变曲线的右下侧，且没有C曲线的下部分，即共析钢在连续冷却转变时，得不到贝氏体组织。这是因为共析钢贝氏体转变的孕育期很长，当过冷奥氏体连续冷却通过贝氏体转变区内尚未发生转变时就已过冷到Ms点而发生马氏体转变，所以不出现贝氏体转变。

13、怎样获得粒状珠光体？

答：1）片状珠光体低温退火；

2）在奥氏体+渗碳体两相区加热，或加热转变不充分，将这样的过冷奥氏体缓冷而得到粒状珠光体；

3）马氏体或贝氏体组织的高温回火。

15、有一共析钢试样，其显微组织为粒状珠光体。同通过何种热处理工序可分别得到细片状珠光体、粗片状珠光体和比原始组织明显细小的粒状珠光体？

通过球化退火可以得到粒状珠光体，至于其他的珠光体可以通过等温处理来得到，而其片层间距可以通过控制等温温度来得到，比如细片状珠光体等温温度可以控制在600度粗片状的可以控制在650-700.

16、为了提高过共析钢的强韧性，希望淬火时控制马氏体使其具有较低的含碳量，并希望有部分板条马氏体。试问如何进行热处理才能达到上述目的？

过共析钢是不可能得到板条马氏体的，智能得到针状或隐晶马氏体，为了控制其强韧性必须得到隐晶马氏体，不能出现大量针状马氏体。

17、如何把含碳0.8%的碳钢的球化组织转变为 1 细片状珠光体 2 粗片状珠光体 3 比原来组织更细的球化组织

1.等温退火 温度较高

2.等温退火 温度较低

3.球化退火

18.如何将Wc=0.4%的退火碳钢处理成 1 在大块游离铁素体和铁素体基体上分布着细球状碳化物 2 铁素体基体上均匀分布着细球状碳化物。

1.球化退火

2.调质球化。

19、如果在800℃下按照一般的奥氏体化的时间加热，那么就会造成奥氏体晶粒粗大，再次淬火的时候，会因为奥氏体晶粒粗大，内应力过大，造成工件的开裂。一般应该先退火，再重新淬火。

第十章

1、简述退火的目的和种类。用途?

答：目的：消除铸造、锻压、焊接的缺陷；为机械加工提供好的组织状态；最终热处理的

预先热处理。

1）低温退火目的：消除铸、锻、焊及切削加工过程内应力。

2）扩散退火目的：改善和消除在冶金过程中形成成分不均匀性

3）球化退火主要对高碳工具钢、模具钢和轴承钢等进行，目的是改善碳化物分布，并使碳化物球化为细小圆形颗粒分布在马氏体基体，提高塑性和韧性，改善切削加工性能和减少最终热处理的变形和开裂。

2、什么是正火？目的如何？有何应用？

答：将铁碳合金加热到临界点以上适当温度并保持一定的时间，然后在空气中冷却的工艺叫正火。钢的正火目的是消除网状碳化物、改善切削性能；使铸、锻件过热晶粒细化；消除内应力。/…/正火、退火工艺选用的原则是什么？

含0．25％C以下的钢，在没有其它热处理工序时，可用正火来提高强度。对渗碳钢，用正火消除锻造缺陷及提高切削加工性能。对含碳0．25～0．50％的钢，一般采用正火。对含碳0．50～0．75％的钢，一般采用完全退火。含碳0．75～1．0％的钢，用来制造弹簧时采用完全退火作预备热处理，用来制造刀具时则采用球化退火。含碳大于1．0％的钢用于制造工具，均采用球化退火作预备热处理。

3、生产中为了提高亚共析钢的强度，常用方法是提高亚共析钢中珠光体的含量，应采用什么热处理工艺？

对于亚共析钢，常用的热处理方法就是淬火之后进行回火，在500度以上回火可以得到索氏体＋铁素体组织，这是强度和塑韧性配合比较好的一种组织，这种工艺常称为调质处理。如果牺牲一下塑性，提高强度，那么回火温度可以降低。

4、淬火的目的是什么？常用的淬火方法有哪几种？说明它们的主要特点及其应用范围。答：淬火的目的是为了获得马氏体或贝氏体组织。提高钢的机械性能。

常用的淬火方法有单液淬火法、双液淬火法、等温淬火法和分级淬火法。

单液淬火法：这种方法操作简单，容易实现机械化，自动化，如碳钢在水中淬火，合金钢在油中淬火。但其缺点是不符合理想淬火冷却速度的要求，水淬容

易产生变形和裂纹，油淬容易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。适合

于小尺寸且形状简单的工件。

双液淬火法：采用先水冷再油冷的操作。充分利用了水在高温区冷速快和油在低温区冷速慢的优点，既可以保证工件得到马氏体组织，又可以降低工件在马

氏体区的冷速，减少组织应力，从而防止工件变形或开裂。适合于尺寸

较大、形状复杂的工件。

等温淬火法：它是将加热的工件放入温度稍高于M

的硝盐浴或碱浴中，保温足够长的

s

组织。下贝氏体与回火马氏体时间使其完成B转变。等温淬火后获得B

下

相比，在碳量相近，硬度相当的情况下，前者比后者具有较高的塑性与

韧性，适用于尺寸较小，形状复杂，要求变形小，具有高硬度和强韧性

的工具，模具等。

的硝盐浴或碱浴中，保温2～5min，分级淬火法：它是将加热的工件先放入温度稍高于M

s

使零件内外的温度均匀后，立即取出在空气中冷却。这种方法可以减少工

件内外的温差和减慢马氏体转变时的冷却速度，从而有效地减少内应力，

防止产生变形和开裂。但由于硝盐浴或碱浴的冷却能力低，只能适用于零

件尺寸较小，要求变形小，尺寸精度高的工件，如模具、刀具等。

5、试述亚共析钢和过共析钢淬火加热温度的选择原则。为什么过共析钢淬火加热温度不能超过Accm线？答：为了防止奥氏体晶粒粗化，一般淬火温度不宜太高，只允许超出临界点30-50℃,亚共析刚Ac3+30～50°C；过共析钢Ac1+30～50°C 若加热到Accm线以上，会带来一些不良后果：（1）由于渗碳体全部融入奥氏体，使淬火后钢的耐磨性降低（2）Ac1～Accm之间，存在未溶二次渗碳体，反而阻碍奥氏体晶粒长大，能够细化晶粒，从而使形成显微裂纹的倾向减小，（3）由于奥氏体中碳含量显著增高，使Ms点降低，淬火后残余奥氏体量增多，从而降低钢的硬度（4）加热温度高，使钢的氧化.脱碳加剧，也使淬火和开裂倾向增大，同时也缩短炉子的使用寿命。

6、淬透性与淬硬层深度两者有何联系和区别？影响钢淬透性的因素有哪些？影响钢制零件淬硬层深度的因素有哪些？

答：淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层的能力。不同的钢在同样的条件下淬硬层深不同，说明不同的钢淬透性不同，淬硬层较深的钢淬透性较好。淬硬性：是指钢以大于临界冷却速度冷却时，获得的马氏体组织所能达到的最高硬度。钢的淬硬性主要决定于马氏体的含碳量，即取决于淬火前奥氏体的含碳量。

影响淬透性的因素：1 化学成分,,C曲线距纵坐标愈远，淬火的临界冷却速度愈小，则钢的淬透性愈好。对于碳钢，钢中含碳量愈接近共析成分，其C曲线愈靠右，临界冷却速度愈小，则淬透性愈好，即亚共析钢的淬透性随含碳量增加而增大，过共析钢的淬透性随含碳量增加而减小。除Co和Al（＞2.5%）以外的大多数合金元素都使C曲线右移，使钢的淬透性增加，因此合金钢的淬透性比碳钢好。②奥氏体化温度,,,温度愈高，晶粒愈粗，未溶第二相愈少，淬透性愈好。

什么是钢的淬透性、淬硬性？影响钢的淬透性、淬硬性及淬透层深度的因素是什么？答：淬透性——钢在淬火时能够获得马氏体的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。淬硬性是在正常淬火条件下,钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力影响淬透性的因素决定因素:临界冷却速度即化学成分及奥氏体化的条件;钢的淬硬性影响因素: 取决于马氏体的含碳量。工件的淬透深度----取决于钢材淬透性, 还与冷却介质、工件尺寸等外部因素有关

7、圆柱形工件40CR钢，可以用，淬火后中温回火。

9…何谓调质处理?

调质处理：淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回火是指在

500-650℃之间进行回火。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。]\\两者金相组织不一样。正火索氏体是细片状珠光体；回火索氏体是粒状渗碳体分布在铁素体基体上。回火索氏体的塑性、韧性和和冲击值比正火索氏体好。

10、减少淬火冷却中的变形和开裂：

零件在淬火时,由于内外温差及组织转变的不等时性,使淬火后的零件残存有内应力,这种应力在淬火过程的某一瞬间,超过钢的屈服强度时,即产生变形,若超过钢的断裂强度时,则产生开裂。因此,零件在淬火过程中,从加热到冷却,应尽量减少内应力,以便减少变形和开裂。11…45钢普通车床传动齿轮，其工艺路线为锻造---热处理---机械加工----高频淬火—回火。试问锻后应进行何种热处理，为什么？

答：进行正火处理，45钢属中碳钢，正火后其硬度接近于最佳切削加工的硬度。

12、刚渗碳热处理后空冷，由表面到心部的组织。

渗碳后由表及里的含碳量依次为：高、较高或中、低。空冷就是正火，空冷后表面浅层相对于渗碳层有一定脱碳现象，所以空冷后的组织依次为：渗碳体或铁素体+珠光体、渗碳体+珠光体、珠光体、铁素体（较少）+珠光体（较多）、铁素体（较多）+珠光体（较少）。淬火和（低温）回火后的组织与加热温度关，按正常淬回火温度（心部完成奥氏体化、低温回火）：回火马氏体+铁素体（脱碳严重时）、高碳回火马氏体+残余奥氏体（少量）、高碳回火马氏体、中碳回火马氏体、低碳回火马氏体、低碳回火马氏体+铁素体、铁素体+回火贝氏体或珠光体（视淬火介质的冷却能力而定）。

13…设有一种490柴油机连杆螺栓，直径12mm,长77mm，材料为40Cr钢，调质处理。要求淬火后心部硬度大于HRC45，调质处理后心部为HRC22~33，试制定调质处理工艺。

答：淬火后心部硬度大于45，即完全淬透，可采有在825~860℃油冷，淬火后低温回火，可得板条状M，可满足调质后心部硬度要求。

14…写出20Cr2Ni4A钢重载渗碳齿轮的冷，热加工工序安排，并说明热处理工序所起的作用。答：（1）渗碳件的加工路线一般为：下料一锻造一正火一机械粗加工、半精加工一局部渗碳时，不渗碳部位镀铜(或留防渗余量)一渗碳一淬火、低温回火一磨削（2）热处理作用: 对20Cr2Ni4A等高合金渗碳钢制零件，在渗碳后保留有大量残余奥氏体，为了渗碳层表面硬度，在一次淬火加热钱应进行高温回火。回火温度的选择应最有利于残余奥氏体的转变为原则，对20Cr2Ni4A钢采用640～680℃、6～8小时的回火，使残余奥氏体发生分解，碳化物充分析出和聚集。高温回火后，在稍高于Ac1的温度（780～800℃）加热淬火。由于淬火加热温度低，碳化物不能全部溶于奥氏体中，因此残余奥氏体量较少，提高了渗层强度和韧性。

15.说明45钢试样（Φ10mm）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℃。

答：700℃：因为它没有达到相变温度，因此没有发生相变，组织为铁素体和珠光体。760℃：它的加热温度在Ac1～Ac3之间，因此组织为铁素体、马氏体和少量残余奥氏体。840℃：它的加热温度在Ac3以上，加热时全部转变为奥氏体，冷却后的组织为马氏体和少量残余奥氏体。

1100℃：因它的加热温度过高，加热时奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗片状马氏体和少量残余奥氏体。

16、T10钢经过何种热处理能获得下述组织

（1）球化退火过热，未溶的碳化物少了，缓冷或者等温的时候会析出粗片状珠光体（2）锻造后正火，控制冷速，能得到细片状珠光体（3）正常球化退火，控制好加热温度和缓冷速度，能得到细球状珠光体（4）球化退火保温时间延长或者缓冷冷速降低，会得到长大的粗球状珠光体