复习资料 工程材料学 金属热处理习题与答案详解

一.选择题（10分，每题1分）二.填空题（20分，每空1分）

1.奥氏体转变速度的影响因素

A形成时，T↗（或过热度△T ↗），始终有利于A的形成。

∴T↗，A形成速度↗

影响奥氏体转变速度的因素：温度的影响：T↗，I ↗，G↗，且I ↗> G↗奥氏体起始晶粒度越小。各种因素中，T的影响作用最强烈

原始组织的影响：片状P转变速度>球状P薄片较厚片转变快

碳含量的影响：C％↗，A形成速度↗

合金元素的影响：改变临界点位置，影响碳在A 中的扩散系数

合金碳化物在A中溶解难易程度的牵制，对原始组织的影响

合金钢需要更长均匀化时间

2.马氏体的转变、亚结构及影响Ms的因素

亚结构：位错

板条马氏体的亚结构主要为高密度的位错，位错形成位错网络（缠结），位错密度随含碳量增加而增大，常为(0.3～0.9) ×1012㎝/cm3。故称位错马氏体。

一般情况下残余奥氏体对钢性能的影响很小，精密的零件就不同了，残余奥氏体在常温下仍然可以继续变成马氏体，而马氏体的比容大，会引起零件的体积变大，所以Ms低一些比较好，这时残余奥氏体较少，超高精度的零件可采用低温处理，将残余奥氏体全部会谈为马氏体，以使零件尺寸稳定。

Ms点下降，说明钢的马氏体转变温度降低，钢就越容易得到马氏体组织，钢的淬火硬度就高；反之，Ms点上升，说明钢的马氏体转变温度升高，钢就不容易得到马氏体组织。

3.渗碳后的热处理

钢的渗碳：将钢件在碳的活性介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的一种表面化学热处理工艺。

目的：提高零件的表面硬度、耐磨性；高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度；心部保持良好的塑性与韧性。

渗碳后常用热处理方法：

1、直接淬火

渗碳后，预冷到一定温度，立即进行淬火冷却，这种方法适合于气体或液体渗碳，固体渗碳不适合。

2、一次淬火法

工件渗碳后随炉冷却到室温，然后再重新加热到淬火温度，经保温后淬火。

3、两次淬火法

将渗碳缓冷到室温的工件进行两次加热淬火。

注意：淬火后需要进行低温回火。

4.球化退火的意义

球化退火的作用和目的有：提高钢材的塑性和韧性、改善切削加工性能、减少淬火加热时的过热倾向和变形开裂倾向，使钢件具有足够的强度、硬度、耐磨性、抗接触疲劳性和断裂韧性。

5.粒状P与片状P的区别

二.片状珠光体的转变机理

1、领先相

（a）形核位置：Fe3C形核于奥氏体晶界或奥氏体晶内未溶Fe3C粒子。珠光体优先在奥氏体晶界上或其他晶体缺陷处形核。？

（b）晶核的形状：薄片。因表面积大，易接受扩散来的原子，且应变能小。(2) 长大

Fe3C薄片向纵向、横向长大，不断吸收周围碳原子→在Fe3C两侧或奥氏体晶界上贫碳区，形成F核→Fe3C纵向长大(横向已不可能)，F纵向长大、横向长大，于F侧的同一位向形成Fe3C，在同一位向交替形成F与Fe3C，形成一个珠光体团。

在不同位向形成另一个珠光体团→珠光体团互相接触，转变结束。

片状P的长大方式：（1）交替形核、纵向长大；（2）横向长大；（3）分枝形式长大。

6.A的稳定化概念

奥氏体由于内部结构在外界条件下发生了某种变化，使其转变为马氏体能力减低的现象，称为奥氏体的稳定化。表现为Ｍｓ点降低、A R量增多。

7.第一、二类回火脆性的特点

第一类回火脆性特征：

（1）冲击值显著降低；

（2）不可逆性:即不能通过回火冷却方法（快冷）加以改善，无论快冷或慢冷都使a K↓，只有再加热到更高温度回火，可以消除脆性，才能使a K↑。

（3）脆性断口、晶间断裂

第二类回火脆性特征：

（1）在450～650℃之间加热和缓慢冷却时将产生脆性；

（2）与钢材化学成分密切相关

（3）具有可逆性。即把已产生脆性的工件，只要重新加热到650℃并随之快冷，即可消除回火脆性；

（4）出现脆性的试样，总是沿奥氏体晶界破断。

8.金属热处理的一般过程

钢的热处理是通过钢在固态下的加热、保温和冷却，使其获得所需要的组织与性能的一种工艺方法。

9.淬火时热应力分布

淬火应力、变形及开裂

1.淬火时工件的内应力

产生原因：不同部位的温度差异及组织转变不同，

产生原因：不同部位的温度差异及组织转变不同

比热变化，当温度下降到M转变点时，发生A向M转变，将使比容增大。（1）种类

热应力：不同部位热胀(或冷缩)的不一致

组织应力：不同部位组织转变不同时性

根据内应力的存在时间特性还可分：瞬时应力和残余应力

淬火内应力是造成工件变形和开裂根本原因。

淬火内应力超过材料屈服强度----引起工件变形;

淬火内应力超过材料断裂强度----引起工件断裂。

（2）热应力

由于工件心部和表面冷却速度不一致，其冷却收缩不同而造成的内应力。最终的淬火热应力：表面压应力、心部拉应力。

变化规律：

1）冷却速度↑，截面温度差↑→热应力↑；

2）冷却介质相同，工件加热温度↑、尺寸↑、热传导系数↓→温差↑，热应力↑。

（3）组织应力

由于工件表层和心部发生马氏体转变的不同时性而造成的内应力。

组织应力产生过程：

冷却初期，表面发生马氏体相变，表面体积膨胀，产生压应力；心部冷速慢牵制表面膨胀，产生拉应力；

冷却后期，心部发生马氏体相变，心部体积膨胀，产生压应力；表面牵制心部膨胀，产生拉应力；

最终的淬火组织应力：表面拉应力、心部压应力。

发生相变前主要内应力为热应力；

发生相变后主要内应力为组织应力，热应力为辅。

?但由于组织应力发生在塑性较低的低温阶段，因此是使零件开裂的主要原因。大小与冷却速度、钢件尺寸、导热性、A的屈服强度、含碳量、M比容和淬透性有关。

10.有物态变化的淬火介质中淬火冷却时钢件冷却过程

淬火介质的冷却作用：在冷却过程中，淬火介质是否发生物态变化

有物态变化的：水、油、水溶液

无物态变化的：熔盐、熔融金属

2）钢件冷却过程（有物态变化的淬火介质）

（1）蒸汽膜阶段

产生大量过热蒸汽，形成连续的蒸汽膜，使工件和液体分开。

冷却主要靠辐射传热，冷却速度较慢。

（2）沸腾阶段

随着T工件↓，Q放↓→蒸汽膜厚度减薄并破裂，以致使液体工件直接接触，形成大量气泡溢出液体，带走大量热量，冷却速度较快。

（3）对流阶段

当工件表面的温度降低至介质的沸点或分解温度以下时，工件的冷却主要靠介质的对流形成，随着工件与介质的温度降低，冷却速度也逐渐降低。

对无物态变化的介质，淬火冷却主要靠对流散热，在工件温度较高时辐射散热也由很大比例，也存在传导散热。其冷却能力与其本身物理性质有关外还与工件介质间的温度差有关。

11.钢的回火转变过程

1）马氏体分解，得到回火马氏体

2）残余奥氏体

3）回火托氏体

4）回火索氏体12.化学热处理的基本过程

表面化学热处理：将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入金属的表面，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。

过程分为：（1）分解：介质在一定温度下发生化学分解，产生可渗入元素的活性原子

（2）吸收：活性原子被工件表面吸收

（3）扩散;渗入工件表面层的活性原子，由表面向中心迁移的过程。

13.淬透性：是指在规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力。钢的淬透性好坏，取决于该钢的临界冷却速度，临界冷却速度越低，则钢的淬透性越好。显然，淬透性好的钢更易于整体淬透，所以更适于制造截面尺寸较大的零件。

钢材淬火时获得马氏体的能力的特性。

——和钢的过冷奥氏体的稳定性，或者临界淬火冷却速度。有关影响淬透性的因素：（1）钢的化学成分：含碳量增大，碳钢临界淬火冷却速度下降，淬透性提高。含碳量超过1.2%，相反。除Ti、Zr和Co外，所有合金元素提高淬透性。

（2）奥氏体晶粒度：A晶粒↑，淬透性↑；

（3）奥氏体化温度：T↑→A晶粒粗大；碳化物、非金属夹杂物↓，A均匀化↑→过冷奥氏体稳定性↑→淬透性↑；

（4）第二相及其分布：奥氏体中未溶的非金属夹杂物和碳化物的存在以及其大小和分布，影响过冷奥氏体的稳定性，从而影响淬透性；

14.淬火后回火组织

淬火钢回火的组织特征：不同的回火温度，淬火M的转变程度不同，回火后得到的组织也不同。生产中常按其组织特征将回火组织分为三种：回火马氏体→回火屈氏体→回火索氏体。

淬火钢回火时力学性能变化：淬火钢通过回火，发生组织转变和结构变化，上述强化逐渐减弱、消失。决定淬火钢回火后性能的主要结构因素有以下方面：低温回火（100＜250℃）时为：α相中的碳含量

中温回火（250～450℃）时为：α相中的碳含量、Fe3C分散度

高温回火（450～650℃）时为：Fe3C分散度、α相的物理状

态及成分

15.淬火的方式

单介质淬火，双介质淬火，分级淬火，等温淬火，编辑本段表面淬火

三.名词解释（20分，每题5分）

1.奥氏体稳定化：奥氏体由于内部结构在外界条件下发生了某种变化，使其转变为马氏体能力减低的现象，称为奥氏体的稳定化。表现为Ｍｓ点降低、A R量增多。

固溶热处理：将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺

2.二次淬火：有些高合金钢的A′均稳定，即使在较高温度下回火也不发生分解或不能完全分解，但在回火冷却时转变为M。

主要是回火时由于析出ε，使其C↘，合金元素含量↘，提高了M转变的Ms′，促使它在随后冷却时→M。

当淬火钢中存在残余奥氏体，在回火保温时残余奥氏体没有被分解掉，在随后的冷却过程中，由于催化（又称反稳定化）作用，它很可能发生马氏体转变，这一现象称为二次淬火。

3.二次硬化：是指某些淬火合金钢在500---650℃回火后硬度增高，在硬度—回

火温度曲线上出现峰值的现象。

4.回火脆性：淬火钢在某一温度范围回火时，冲击韧性比其在较低温度回火时反而显著下降，这种脆性现象称回火脆性。

5.调幅分解：由一种固溶体分解为结构相同而成分不同的两种固溶体。成分自动调整，分解产物α1、α2只有溶质富区和贫区，两者没有清晰的相界。

6.表面淬火：是将钢件的表面通过快速加热到临界温度以上，但热量还未来得及传到心部之前迅速冷却，这样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而心部没有发生相变，这就实现了表面淬硬而心部不变的目的。适用于中碳钢。

7.化学热处理：是指将化学元素的原子，借助高温时原子扩散的能力，把它渗入到工件的表面层去，来改变工件表面层的化学成分和结构，从而达到使钢的表面层具有特定要求的组织和性能的一种热处理工艺。

8.脱溶：从过饱和固溶体中析出第二相(沉淀相)、形成溶质原子聚集区以及亚稳定过渡相的过程称为脱溶或沉淀，是一种扩散型相变。

9.调质处理：将钢件淬火，随之进行高温回火，这种复合工艺称调质处理。

四.问答题（24分，每题8分）五.综合体（26分，每题13分）

1.奥氏体形成过程及其渗碳体较铁素体溶解慢的原因

答：奥氏体的形成——指钢在加热过程中，由加热前的组织转变为奥氏体的过程。

例如：珠光体加热形成奥氏体

相转变： F + Fe3C A

碳含量：0.02% 6.69% 0.77%

点阵结构: bcc 复杂斜方fcc

在普通碳钢中，奥氏体存在于共析温度（727℃）以上，最大含碳量为 2.11%（1148℃）。

奥氏体

1.组织:碳在γ-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。

2.特性:呈面心立方晶格.最高溶碳量为2.06%,在一般情况下,具有高的塑性,但强度和硬度低,HB=170-220,奥氏体组织除了在高温转变时产生以外,在常温时亦存在于不锈钢、高铬钢和高锰钢中,如奥氏体不锈钢等

奥氏体的形成过程(以共析钢为例)

加热工序的目的：得到奥氏体

P ( F + Fe3C ) →A

结构体心复杂面心

含碳量0.77 0.0218 6.69 0.77

可见:珠光体向奥氏体转变,是由成分相差悬殊、晶格截然不同的两相混合物转变成单相固溶体的过程。因此在奥氏体的形成过程必定发生晶格重构和铁、碳原子的扩散。

3.2、奥氏体形成机理

1.奥氏体的形核

2.奥氏体的长大

3. 残余碳化物的溶解

4.奥氏体的均匀化

1.奥氏体的形核

球状珠光体中：优先在F/Fe3C界面形核

片状珠光体中：优先在珠光体团的界面形核，也在F/Fe3C片层界面形核

奥氏体在F/Fe3C界面形核原因：

(1) 易获得形成A所需浓度起伏，结构起伏和能量起伏.

(2) 在相界面形核阻力小（界面能和应变能的增加减少）。

△G = -△Gv + △Gs + △Ge -△Gd

△Gv—体积自由能差，△Gs —表面能，△Ge —弹性应变能

相界面△Gs 、△Ge 较小，更易满足热力学条件△G<0.

奥氏体的长大：A的长大是通过A两侧界面向F和Fe3C推移来进行的。

长大包括了下列过程：渗碳体的溶解，α→γ的晶格改组，

C原子在A中的扩散。A长大方向分为垂直于片层和平行于片层。

A平行于片层长大速度> 垂直于片层长大速度

残余碳化物的溶解

残余碳化物: 当F完全转变为A时，仍有部分Fe3C没有转变为A，称为残余碳化物。

∵A/F界面向F推移速度> A/Fe3C界面向Fe3C推移速度

残余碳化物溶解:

由Fe3C中的C原子向A中扩散和铁原子向贫碳Fe3C扩散, Fe3C向A晶体点阵改组实现的.

奥氏体的均匀化

奥氏体的不均匀性：即使Fe3C完全溶解转变为奥氏体，碳在奥氏体中的分布仍然不均匀，表现为原Fe3C区域碳浓度高，原F区碳浓度低。

奥氏体的均匀化：随着继续加热或继续保温，以便于碳原子不断扩散，最终使奥氏体中碳浓度均匀一致。

2.马氏体高强度高硬度的本质

答：马氏体的性能

一. 马氏体的强度和硬度

钢中马氏体的主要特性是高硬度和高强度，常通过淬火得到。

（1）硬度和强度

曲线3—马氏体的硬度

曲线2—高于Ac1淬火后

钢的硬度

曲线1—高于Ac3或Accm

淬火后钢的硬度

曲线3——马氏体的硬度

采用完全淬火（完全奥氏体化）并进行冷处理，使奥氏体全部转化为马氏体，所得即为马氏体硬度和碳含量关系：随着C含量增大，硬度增加。

曲线2——高于Ac1淬火 后钢的硬度

过共析钢高于Ac 1且低于Ac cm 的淬火的硬度。对于过共析钢采用的是高于Ac 1的不完全淬火，所得马氏体中碳含量即为该温度下奥氏体的饱和C 浓度，温度不变时均相同，故随碳含量增高，硬度基本不变。

曲线1——高于Ac3或Accm 淬火后钢的硬度

即为完全奥氏体化后淬火所得的硬度曲线，当C 量低时，淬火后马氏体的硬度随碳量增加而升高；当C 量高时，M f 已在0℃以下，淬火后得到马氏体和残余奥氏体双相组织。随C 量增高，残余奥氏体量增加，由于奥氏体硬度低，硬度反而下降。

由此得出结论：

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。

(2)马氏体高强度高硬度的本质

①相变强化

马氏体相变的不均匀切变特性及界面附近的塑性变形，造成马氏体晶体内产生大量的微观缺陷（位错、孪晶、层错等）使马氏体强化，称为相变强化。 相变强化的本质与形变强化一样，请同学们思考位错、孪晶、层错如何实现强化的？

相变强化是指马氏体相变时，在晶体内造成晶格缺陷密度很高的亚结构。如板条马氏体中高密度的位错、片状马氏体中的孪晶或层错等，这些缺陷都将阻碍位错的运动，使马氏体得到强化。这些缺陷的增加，使马氏体强度提高147～186 MPa 。 ②固溶强化

马氏体中以间隙式溶入过饱和碳原子将引起强烈点阵畸变，形成以碳原子为中心应力场，并与位错发生交互作用，使碳原子钉扎位错，强化马氏体。 C ％大于0.4%时，这种作用不明显。 HRC C A r 硬度/HRC Ar(%)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 70

60 50

40

70

60

50

40

3 2 1

③马氏体时效强化

马氏体发生碳原子偏聚和析出，从而产生时效强化。

C易扩散，可在室温下由位错等缺陷处扩散产生偏聚或碳化物析出，钉扎位错，产生时效强化。

马氏体在淬火后室温停留期间、或在外力作用下，使碳原子通过扩散，发生碳原子偏聚和析出、甚至以碳化物弥散析出，发生“自回火”现象，使马氏体晶体内产生超显微不均匀，引起时效强化。

④亚结构强化

孪晶对M的强度硬度有附加贡献。C%相同时，孪晶M硬度>位错M

当碳含量小于0.3%时，位错强化，使强度与C含量呈直线关系；

当碳含量大于0.3%时，出现孪晶，孪晶有一附加强化机制，使硬度的增长偏离直线。

⑤晶界强化：A晶粒愈小，M愈小，强度愈高。

3.TTT图“鼻尖” 处转变速度快的原因

答：一、过冷奥氏体等温转变图(TTT/IT图）

过冷奥氏体——处于临界温度之下暂时存在的奥氏体。

（1）高温转变

?A1 ~ 550 ℃，Fe、C原子均可扩散。

?共析分解成珠光体----铁素体与渗碳体两相层片状机械混合物。

?珠光体团(或领域) ----片层方向大致相同的珠光体，在一个奥氏体晶粒

内可以形成3～5个珠光体团。

（2）中温转变

?550 ℃~ 220 ℃，C 原子可扩散，Fe原子不能扩散。

?形成贝氏体----过饱和铁素体与渗碳体的非层片状混合物。

①上贝氏体：550 ℃稍下形成，羽毛状。在平行铁素体板条间分布有不

连续的杆状渗碳体。

②下贝氏体：220 ℃稍上形成，针状。在针状铁素体内分布有细小渗碳

体。

（3）低温转变

共析成分的奥氏体冷却到A1以下时，将分解为铁素体与渗碳体的混合物，称为珠光体。

形成温度(℃) 片层间距(nm) 观察方式

珠光体P Ar1 ~ 650 150 ~ 450 OM明显分辩

索氏体S 650 ~ 600 80 ~ 150 OM（800～1500X）分辩

屈氏体T 600 ~ 550 30 ~ 80 SEM才能分辩

4.亚共析钢和过共析钢的淬火温度的区别及其原因

答：亚共析钢的亚温淬火

亚共析钢在Ac1~Ac3之间的温度加热淬火称为亚温淬火，即比正常淬火温度低的温度下淬火。其目的是提高冲击韧性值，降低冷脆转变温度及回火脆倾向性。

为了保证足够的强度，并使残余铁索体均匀细小，亚温淬火温度以选在稍低于Ac3的温度为宜。淬火的目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体并配以不同温度回火获得各种需要的性能。

亚共析碳钢淬火加热温度Ac

3

+（30～50℃），淬火后的组织为均匀而细小的马

氏体。因为如果亚共析碳钢加热温度在Ac

1～Ac

3

之间，淬火组织中除马氏体外，

还保留一部分铁素体，使钢的强度、硬度降低。但温度不能超过Ac

3

点过高，

以防奥氏体晶粒粗化，淬火后获得粗大马氏体。

过共析碳钢淬火加热温度Ac

1

+（30～50℃），淬火后的组织为均匀而细小的马

氏体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混合组织。如果加热温度超过A

ccm

，渗碳体溶解过多，奥氏体晶粒粗大，会使淬火组织中马氏体针变粗，渗碳体量减少，残余奥氏体量增多，从而降低钢的硬度和耐磨性。淬火温度过高，淬火后易得到含有显微裂纹的粗片状马氏体，使钢的脆性增加。

5.上贝氏体和下贝氏体的性能特点

答：上贝氏体

1. 形成温度范围：B转变温度区的较高温度区域，对中、高碳钢，约550-350℃。

2. 组织形态：F和θ组成的两相机械混合物，F板条状成束地自A晶界向晶内长入，θ呈粒状或短杆状分布于F板条间，光学显微镜下呈羽毛状，又称羽毛状贝氏体。

形核位置：条状BF在A的晶界处形核，亚结构为位错。

条状铁素体：碳含量接近平衡浓度;

条间碳化物：渗碳体型。

板条束：上B中的F板条厚约0.2 μm、长约10 μm。板条成“束”。一束中，板条平行，有一定惯习面。

板条束的平均尺寸被称为贝氏体的有效晶粒尺寸。

板条：束中单个板条，相邻板条被低位相差晶界或θ颗粒分隔开。板条宽度通常比相同温度下形成的珠光体铁素体片大。

板条铁素体束与板条马氏体束很相近，束内相邻铁素体板条之间的位向差很小，束与束之间则有较大的位向差。

亚单元：上贝氏体铁素体条是由许多亚单元组成的，每个亚单元大致：厚小于1μm，宽5-10 μm，长约10-50 μm。

亚结构：上贝氏体F中亚结构为较高密度位错，可形成缠结。

典型的上贝氏体组织在光镜下观察时呈羽毛状、条状或针状，

椭圆或矩形状。在电镜下观察时可以看到上贝氏体组织为一束

大致平行分布的条状铁素体和夹于条间的断续条状碳化物的混

合物。

上B中，θ分布在F板条间，为渗碳体型碳化物。

θ形态取决于A碳含量，碳含量低时，沿条间呈不连续粒状或链珠状分布，随钢中含碳量的增加，上贝氏体板条变薄，渗碳体量增多，短杆状，甚至连续分布。

铁素体形成时可产生大致平行的浮突，FB惯习面为{111}A，与A的位向关系为K-S关系。

θ惯习面为，与A之间存在Pitsch关系。

θ与A之间存在位向关系，一般认为上B中θ是从A中析出的。

上B中，除FB及θ外，还可能存在未转变的残A，尤其是钢中含有Si、Al等元素时，能抑制渗碳体析出，故残A增多。硅、铝多时，可延缓渗碳体的析出，使B板条间很少或无渗碳体析出，成为特殊B形态。

?随相变温度降低和含碳量增加，BF条增加并变薄，位错密度增加；条间

渗碳体数量增多、颗粒变小，弥散度增大。

?随着C含量增加，渗碳体量增多，不但分布在F之间，而且可能分布在F

板条内部。

下贝氏体

1、形成温度范围

B转变区域的低温范围形成，约在350℃以下。碳含量低时，形成温度可略高于350℃。

2、组织形态

F和θ两相混合组织。最显著的差异是F形态及碳化物的分布。

下贝氏体F的形态与M很相似，亦与A碳含量有关，随碳含量的变化而变化。碳含量低时呈板条状（类似板条M），高时呈透镜片状（类似片状M），中等时两种形态兼有。

下贝氏体在中、高碳钢中大约在Ms—350℃形成。在光镜下观

察时呈黑色针头和片状，其立体形态为透镜状；在电镜下观察时

可以看到下贝氏体铁素体片中分布着排列成行的细片状或粒状碳

化物，并以一定角度与铁素体针长轴相交，通常碳化物仅分布在

铁素体片内。

?结构：铁素体片内分布着排列成行的细片状或粒状碳化物，通常分布于铁

素体片内部。

?亚单元：下贝氏体F片与条也是由亚单元组成。亚单元沿一个平直的边形

核，并以约60°的倾斜角向另一边发展，最后终止在一定位置，形成锯齿状边缘。

?形核部位：奥氏体晶界上、奥氏体晶粒内部。

?C含量：F的碳含量高于平衡时的值。

?亚结构：下贝氏体F亚结构为位错，缠结位错密度高于B上，未发现孪

晶亚结构。

?位相：铁素体与奥氏体间的位相关系是K-S，惯习面是{111}γ，表面也会

产生浮凸。

?碳化物：ε-碳化物、θ-碳化物（渗碳体），从过饱和铁素体中析出。

下B中碳化物均匀分布在F内。极细，光镜下无法分辨，与回火M极相似的黑色针状组织，电镜下碳化物呈短杆状，与F长轴成55°-60°角的方向整齐地排列。

下B中碳化物也是θ型，但形成温度低时，最初是ε碳化物，时间延长，ε转变为θ碳化物。在含Si钢中，由于Si能阻止θ碳化物的析出，故B转变时主要析出ε碳化物。

下贝氏体F与ε碳化物间位向关系为：

由于碳化物与下贝氏体F之间存在一定位向关系，故认为碳化物是从过饱和F 中析出的。

6.3 贝氏体的力学性能

贝氏体的力学性能主要取决于其成分和组织结构

贝氏体的组织：贝氏体铁素体、碳化物、残余奥氏体、马氏体等

贝氏体的强度和硬度随相变温度降低而升高。

下贝氏体：F针细小，分布均匀，F内又有沉淀，析出大量细小、弥散的碳化物，且F内含有过饱和的C及高密度位错，强度和硬度与回火马氏体相当，并具有较高的韧性；

上贝氏体：形成温度高，F粗大，C的过饱和度低，强度和硬度较差.且碳化物颗粒粗大，呈断续条状分布在F条间，F条和碳化物分布呈明显的方向性，易产生脆断和裂纹扩展，冲击韧性较差。

碳化物的弥散度-弥散强化：碳化物的颗粒越小，数量越多，则强度越高。下贝氏体的碳化物颗粒细小，呈ε碳化物弥散分布于贝氏体铁素体条内部，所以强度较高；上贝氏体中的碳化物颗粒较大，呈不连续的短棒状分布于铁素体条片间，分布不均匀，所以强度低、脆性大。

上贝氏体的韧性大大低于下贝氏体的原因：

①上贝氏体由彼此平行的BF板条构成，好似一个晶粒；而下贝氏体的BF片彼此位向差很大，即上贝氏体的有效晶粒直径远远大于下贝氏体。

②上贝氏体碳化物分布在BF板条间，形成脆性通道。

总之，随着贝氏体形成温度的降低，强度逐渐增加，韧性并不降低，反而有所增加，使下贝氏体具有优良的综合力学性能。

（2）碳化物的形态及分布

◆上贝氏体：碳化物与铁素体的界面处易于萌生微裂纹病迅速传播。

◆下贝氏体：不易产生裂纹，一旦产生裂纹，又被大量碳化物及高密度位错

所阻止。

（4）奥氏体晶粒度

?上贝氏体：晶粒细化将有助于提高韧性。

?下贝氏体：细化奥氏体晶粒对韧性的提高不明显。

?上贝氏体的形成机理：中温范围转变，在350~550℃，组织为BF + Fe3C，

形态为羽毛状。

①BF在奥氏体晶界形核，以共格切变方式向晶粒内一侧长大，形成相互平

行的BF板条束。

②碳在F中扩散速度大于在A中扩散速度，仍然可以顺利在F中扩散，且

碳原子可越过BF/A相界面向A中扩散。

③由于转变温度降低，进入相界面附近A中的碳原子已不能向远处扩散，

尤其是铁素体板条间奥氏体中的碳原子，在这些地方将产生碳的堆积。

④随着BF的长大，铁素体板条间奥氏体中的碳含量显著升高，当超过Acm

线的延长线时，将从奥氏体中析出不连续的碳化物（Fe3C），从而形成羽毛状上贝氏体。

?可见，上贝氏体的转变速度受碳在奥氏体中的扩散所控制。

（四）下贝氏体的形成机理

?低温范围转变，< 350℃。

①BF大多在奥氏体晶粒内通过共格切变方式形成，形态为透镜片状。

②与此同时，由于温度低，BF中碳的过饱和度很大。同时，碳原子已不能

越过BF/A相界面扩散到奥氏体中去，所以就在BF内部析出细小的碳化物。

③随着BF中碳化物的析出，自由能进一步降低，以及比容降低所导致的应

变能下降，将使已形成的BF片进一步长大。同时，在其侧面成一定角度也将形成新的下贝氏体铁素体片。

④可见，下贝氏体的转变速度受碳在铁素体中的扩散所控制。

6.表面淬火和调质处理的目的

答：表面淬火：被处理工件在表面有限深度范围内加热至相变点以上，然后迅速冷却，在工件表面一定深度范围内达到淬火目的的热处理工艺。

目的：表面：一定深度的M组织

心部：仍保持着淬火前的组织状态

调质处理：淬火后的高温回火。

7.球化退火的实际应用

答：定义：将钢中的碳化物球状化，或获得‘球状珠光体’的退火工艺。

目的：降低硬度，改善切削加工性能；获得均匀组织，改善热处理工艺性能；同时为后续淬火作好组织准备，减小淬火后的开裂与变形。

用途：主要用于含碳大于0.6%的各种高碳工模具钢、轴承钢等。

关键：使A中保留大量未溶的碳化物质点，并造成A中碳浓度的不均匀分布。1）低温球化退火：

加热温度：把退火钢加热到低于Ac1点10~30?C，

保温时间：长时间保温，使碳化物由片状变成球状，即片状渗碳体球状化。几十到100小时。

冷却速度：<50?C /h，450~500?C空冷。

适用范围：高合金结构钢及过

共析钢降低硬度；改善切削加

工性。原始组织粗大者不适用。

特点：球化效果较差，过程长，

很少应用。

2）普通球化退火(一次球化退火）

定义：加热到稍高于Ac1的温度（760~780?C），适当保温后缓冷。

要求：退火前的原始组织为细片状珠光体（正火处理）。

球化机理：加热到稍高于Ac1点，使奥氏体中只有未来得及溶解的渗碳体粒子或富碳区。

特点：球化较充分，周期长。

应用：主要用于共析钢和过共析钢的预先热处理。目前生产上最常用的球化退火工艺。

3）等温球化退火

定义：将共析钢或过共析钢加热到Ac1+(20~30?C)，保温，在Ar1-(20~30?C)等温。

特点：球化较充分，容易控制，周期短，适合大件退火。

4）周期球化退火：

在A1附近反复加热和等温，但每次时间较短，然后缓冷到550?C以下出炉空冷，得球状珠光体。此种组织淬火加热时不易过热，冷却时又不易开裂。

目的：加速球化过程。

加热温度：Ac1+(10~20?C)

等温温度：Ar1-(20~30?C)

保温时间：取决于工件截面均温时间

循环周期：视球化要求等级而定

冷却速度：10~20?C/h缓冷550?C空冷

特点：球化较充分，控制较繁琐。

应用：只适用于小型工具。

对于过共析钢、工具钢等，用低于Ac1点温度的球化退火很难使碳化物球化。

球化机理：在Ac1点以上温度时，先共析网状碳化物溶断、以及珠光体中的片状渗碳体溶断，冷却到低于Ar1时，形成球状珠光体。反复加热，进一步溶断先共析渗碳体网，并加速球化。

5）影响球化退火的因素

（1）化学成分

碳对钢中碳化物球化具有重要影响，钢中含碳量越高，碳化物数量越多，在较宽的奥氏体化温度范围内加热易于球化。

?含C量：高碳钢较低碳钢容易球化

?合金元素：钢中若含有强碳化物形成元素，球化较易。

（2）原始组织的影响

球化退火前原始组织的类型、晶粒粗细以及自由铁素体、碳化物的大小、形状、数量和分布等均显著影响球化过程。

?S回易球化

?亚共析钢有块状F+P，则球化不均匀

?B、T易球化

?网状的渗碳体很难球化

?冷变形易球化

（3）加热温度和保温时间

加热温度越高，奥氏体越容易出现片状珠光体而不容易球化；延长保温时间，使奥氏体中碳浓度趋于均匀，也会使片状珠光体出现，但其影响比温度的作用弱得多。

（4）冷却速度

提高冷却速度将降低转变温度，从而使碳化物球化时的临界扩散距离减小，有助于形成片状碳化物；

冷却过慢，碳化物过于粗大。

（5）形变的影响

层状珠光体经过塑性变形可以加速球化过程。

8.淬火和回火的意义

答：淬火：把钢加热到临界点Ac1或Ac3以上，保温并随之以大于临界冷却速度(Vc)冷却，以得到介稳状的M或B下组织的热处理工艺。

目的：提高零件的硬度、强度和耐磨性；

获得良好的综合力学性能；改善钢的物理和化学性能；

必要条件：1.加热温度必须高于临界点以上，以获得奥氏体组织。

2.冷却速度必须大于临界冷却速度，而淬火得到的组织是马氏体或下贝氏体。回火：回火的目的是：

（1）降低零件脆性，消除或降低内应力；

（2）获得所要求的力学性能；

（3）稳定尺寸；

（4）改善加工性。

所谓回火是指：将淬火后的钢重新加热到Ａc1点以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。由于钢淬火后的组织主要是马氏体和少量的残余奥氏体组织，它们处于不稳定状态，会自发地向稳定组织转变，从而引起工件变形甚至开裂。所以淬火后必须马上进行回火处理，以稳定组织、消除内应力防止工件开裂、变形和获得所需要的力学性能。

1. 低温回火：

?温度：150~250℃

?主要组织：回火马氏体

?目的：保持高硬度、高强度和良好耐磨性的同时，适当提高淬火钢的韧性，并显著降低钢的淬火应力和脆性。

?适用于：高碳钢、合金工具钢制造的刃具、量具和模具等。

2. 中温回火：

?温度：350~500℃

?主要组织：回火屈氏体

?目的：获得高的弹性极限和屈服极限、较高的强度和硬度、良好的塑性和韧性，消除应力。

?适用于：含碳量为0.6~0.9%的碳素弹簧钢和含碳量为0.45~0.75%的合金弹簧钢。

3. 高温回火

?温度：500~650℃

?主要组织：回火索氏体

?调质处理=淬火+高温回火

?目的：获得良好的强韧性配合，具有优良的综合力学性能。

?适用于：中碳结构钢和低合金结构钢制造的各种受力比较复杂的重要结构件。

淬火

为了提高硬度采取的方法，主要形式是通过加热、保温、速冷。最常用的冷却介质是盐水，水和油。盐水淬火的工件，容易得到高的硬度和光洁的表面，不容易产生淬不硬的软点，但却易使工件变形严重，甚至发生开裂。而用油作淬火介质只适用于过冷奥氏体的稳定性比较大的一些合金钢或小尺寸的碳钢工件的淬火。回火

1．降低脆性，消除或减少内应力，钢件淬火后存在很大内应力和脆性，如不及时回火往往会使钢件发生变形甚至开裂。

2．获得工件所要求的机械性能，工件经淬火后硬度高而脆性大，为了满足各种工件的不同性能的要求，可以通过适当回火的配合来调整硬度，减小脆性，得到所需要的韧性，塑性。

3．稳定工件尺寸

4．对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火（或正火）后常采用高温回火，使钢中碳化物适当聚集，将硬度降低，以利切削加工。

9.钢在非平衡加热时的相变特点

答：（1）在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度的增加而提高

（2）奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增大

快速加热时，钢种、原始组织对奥氏体成分的均匀性有很大影响。对热传导系数小，碳化物粗大且溶解困难的高合金钢采用快速加热是有困难的。

（3）提高加热速度可显著细化奥氏体晶粒

①过热度大→奥氏体晶核不仅在铁素体一碳化物相界面上形成，而且也可能在铁素体的亚晶界上形成，因此使奥氏体的成核率增大；

②加热时间极短→奥氏体晶粒来不及长大；

（4）快速加热对过冷奥氏体的转变及马氏体回火有明显影响

快速加热使奥氏体成分不均匀及晶粒细化，降低了过冷奥氏体的稳定性，使c-曲线左移。对于亚共析钢，相当于原F区出现低碳M，原P区出现高碳M。

二、表面淬火的组织与性能

（一）表面淬火的金相组织与钢种；淬火前的原始组织；淬火加热时沿截面温度的分布

有关

1. 原始组织为退火状态的共析钢

自表面向心部：M区(包括残余奥氏体)、M十P区和P区。

2. 原始组织为正火状态的45钢

在淬火烈度很大的淬火介质中冷却：从表面到中心：M、M+F、M+F+P、P+F 3. 原始组织为调质状态的45钢

?由于S回为粒状渗碳化均匀分布在铁素体基体上的均匀组织，因此表面淬火后不会出现碳浓度大体积不均匀性所造成的淬火组织的不均匀。

?当淬火加热温度高于原调质回火温度而低于临界点时，将发生进一步回火现象，硬度降低。

（二）表面淬火后的性能

1 表面硬度：快速加热，激冷淬火后的工件表面硬度比普通加热淬火高。

影响因素：奥氏体成分不均匀性、奥氏体晶粒及亚结构细化

2 耐磨性：比普通淬火的高

影响因素：奥氏体晶粒细化

?奥氏体成分的不均匀

?表面硬度较高

?表面压应力状态

一、填空题

1．热处理根据目的和工序位置不同可分为预备热处理和最终热处理。

2．热处理工艺过程由加热、保温和冷却三个阶段组成。

3．珠光体根据层片的厚薄可细分为珠光体、索氏体和屈氏体。4．珠光体转变是典型的扩散型相变，其转变温度越低，组织越细，强度、硬度越高。

5．贝氏体分上贝氏体和下贝氏体两种。

6．感应加热表面淬火，按电流频率的不同，可分为高频感应加热淬火、中频感应加热淬火和工频感应加热淬火三种。而且感应加热电流频率越高，淬硬层越薄。

7．钢的回火脆性分为第一类回火脆性和第二类回火脆性，采用回火后快冷不易发生的是第二类回火脆性。

8．化学热处理是有分解、吸收和扩散三个基本过程组成。

9．根据渗碳时介质的物理状态不同，渗碳方法可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种。

10．除Co外，其它的合金元素溶入奥氏体中均使C曲线向右移动，即使钢的临界冷却速度变小，淬透性提高。

11．淬火钢在回火时的组织转变大致包括马氏体的分解，残余奥氏体的分解，碳化物的转变，碳化物的集聚长大和a相的再结晶等四个阶段。

12．碳钢马氏体形态主要有板条和片状两种，其中以板条强韧性较好。

13、当钢中发生奥氏体向马氏体转变时，原奥氏体中碳含量越高，则Ms点越低，转变后的残余奥氏体量就越多

二、选择题

1．过冷奥氏体是C温度下存在，尚未转变的奥氏体。

A．Ms B．M f C．A1

2．过共析钢的淬火加热温度应该选择在A，亚共析钢则应该选择在C。

A．Ac1+30~50C B．Ac cm以上C．Ac3+30~50C

3．调质处理就是C。

A．淬火＋低温回火B．淬火＋中温回火C．淬火＋高温回火

4．化学热处理与其他热处理方法的基本区别是C。

A．加热温度B．组织变化C．改变表面化学成分

5．渗氮零件在渗氮后应采取（A ）工艺。

A.淬火+低温回火

B.淬火+中温回火

C.淬火+高温回火

D.不需热处理6．马氏体的硬度主要取决于马氏体的（C ）

A.组织形态

B.合金成分

C.含碳量

7．直径为10mm的40钢其整体淬火温度大约为（B ）

A．750℃ B.850℃ C.920℃

8．钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒大小称为B（）

A.起始晶粒度

B.实际晶粒度

C.理论晶粒度

D.本质晶粒度

9．钢渗碳的温度通常是（D ）。

A.600~650℃

B.700~750℃

C.800~850℃

D.900~950℃

10．贝氏体转变属于（C ）。

A扩散型相变 B.无扩散型相变 C.半扩散型相变 D.其它

11．T12钢消除网状渗碳体应采用（A ），改善切削加工性应采用（B ）。

A. 正火

B. 球化退火

C. 去应力退火

D. 完全退火

12．20钢锻件改善切削加工性应采用（D ）。

A.完全退火

B. 球化退火

C. 去应力退火

D. 正火

三、判断题

1．淬火后的钢，随回火温度的增高，其强度和硬度也增高。（X ）

2．本质细晶钢是指在任何加热条件下均不会粗化的钢。（ X ）

3．钢中碳的质量分数越高，其淬火加热温度越高。（X ）

4．高碳钢中用正火代替退火，以改善其可加工性。（X ）

5．过冷奥氏体发生马氏体转变时，若将温度降到M f点以下则可全部转变。（X ）6．45钢在水和油中冷却时，其相应临界淬透直径D0水和D0油的关系是D0水

油

7．感应加热表面淬火工件表面硬度比一般淬火高，并可提高疲劳强度。（√）8．为使表面获得高硬度和耐磨性，钢渗氮后还需进行淬火加低温回火处理。（X ）

9．分级淬火方法只适合较小尺寸工件的淬火。（√）

10．含铬锰的合金钢在低温区回火时若出现脆性增大现象可采用回火后快冷来消除。（X ）

11．奥氏体的实际晶粒度一般比起始晶粒度大。（√）

12．同一钢材在相同加热条件下总是水淬比油淬的淬透性好。（√）

13．硬度相同时，回火屈氏体和回火索氏体比屈氏体和索氏体具有较高的强度、塑性和韧性。（√）

四、简答题

1．简述共析钢过冷奥氏体在A1~M f温度之间不同温度等温时的转变产物及性能。2．今有经退火后的45号钢，在700C、760C、840C加

热，保温一段时间后水冷，所得到的组织各是什么？

3．共析碳钢加热到奥氏体后，以各种速度连续冷却，能否

得到贝氏体组织，采取什么办法才能获得贝氏体组织？

4．马氏体转变有哪些特点？

5．钢的淬透性是指什么？分析“某钢件加热条件相同时，

小件的淬透性比大件的好”这句话正确与否。

6．某碳钢的冷却曲线如图所示，试分析按图中1～5冷却方

式冷却后的转变产物以及ⅰ和ⅱ时的组织。

五、综合题

1．将ф5mm的T8钢加热到760℃并保温足够的时间，问采用什么热处理方法可以得到下列组织：珠光体，索氏体，下贝氏体，屈氏体+马氏体，马氏体+少量残余奥氏体。

2．某型号柴油机的凸轮轴,要求凸轮表面有高的硬度（HRC>50），而心部具有良好的韧性(A k>40J)，原采用45钢调质处理再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温回火，现因工厂库存的45钢已用完,只剩15钢，拟用15钢代替.试说明：

(1)原45钢各热处理工序的作用；

(2)改用15钢后，应按原热处理工序进行能否满足性能要求，为什么？

(3)改用15钢后，为达到所要求的性能，在心部强度足够的前提下采用何种热处理工艺？

3．确定下列钢件的退火方法：

（1）经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度；（再结晶退火）

（2）ZG270－500钢的铸造齿轮；（去应力退火）

（3）铸造过热的60钢锻坯；（完全退火）

（4）改善T12钢的切削加工性能；（球化退火）

（5）20钢焊接后。（去应力退火）

10.有两个含碳量为1.2%的碳钢薄试样，分别加热到780℃和860℃并保温相同时间，使之达到平衡状态，然后以大于V

K

的冷却速度至室温。试问：

（1）哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大？

答;因为860℃加热温度高，加热时形成的奥氏体晶粒粗大，冷却后得到的马氏体晶粒较粗大。

（2）哪个温度加热淬火后马氏体含碳量较多？

答；因为加热温度860℃已经超过了A

ccm

，此时碳化物全部溶于奥氏体中，奥氏体中含碳量增加，而奥氏体向马氏体转变是非扩散型转变，所以冷却后马氏体含碳量较多。

（3）哪个温度加热淬火后残余奥氏体较多？

答：因为加热温度860℃已经超过了A

ccm

，此时碳化物全部溶于奥氏体中，使奥

氏体中含碳量增加，降低钢的M

s 和M

f

点，淬火后残余奥氏体增多。

（4）哪个温度加热淬火后未溶碳化物较少？

答：因为加热温度860℃已经超过了A

ccm

，此时碳化物全部溶于奥氏体中，因此加热淬火后未溶碳化物较少

（5）你认为哪个温度加热淬火后合适？为什么？

答：780℃加热淬火后合适。因为含碳量为 1.2%的碳钢属于过共析钢，过共析

碳钢淬火加热温度Ac

1

+（30～50℃），而780℃在这个温度范围内，这时淬火后的组织为均匀而细小的马氏体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混合组织，使钢具有高的强度、硬度和耐磨性，而且也具有较好的韧性。

11.何谓球化退火？为什么过共析钢必须采用球化退火而不采用完全退火？答：

（1）将钢件加热到Ac

1

以上30～50℃，保温一定时间后随炉缓慢冷却至600℃后出炉空冷。

（2）过共析钢组织若为层状渗碳体和网状二次渗碳体时，不仅硬度高，难以切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂。通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工性。

12.将￠5mm的T8(共析钢)钢加热至760℃并保温足够时间，问采用什么样的冷却工艺可得到如下组织：珠光体，索氏体，屈氏体，上贝氏体，下贝氏体，屈氏

体+马氏体，马氏体+少量残余奥氏体；在C曲线上描出工艺曲线示意图。

答：(1)珠光体：冷却至线~550℃范围内等温停留一段时间，再冷却下来得到珠光体组织。

索氏体：冷却至650～600℃温度范围内等温停留一段时间，再冷却下来得到索光体组织。

屈氏体：冷却至600～550℃温度范围内等温停留一段时间，再冷却下来得到屈氏体组织。

上贝氏体：冷却至600～350℃温度范围内等温停留一段时间，再冷却下来得到上贝氏体组织。

下贝氏体：冷却至350℃～Ms温度范围内等温停留一段时间，再冷却下来得到下贝氏体组织。

屈氏体+马氏体：以大于获得马氏体组织的最小冷却速度并小于获得珠光

体组织的最大冷却速度连续冷却，获得屈氏体+马氏体。

马氏体+少量残余奥氏体：以大于获得马氏体组织的最小冷却速度冷却获

得马氏体+少量残余奥氏体。

(2)

13．退火的主要目的是什么？生产上常用的退火操作有哪几种？指出退火操作的应用范围。

答：（1）均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，并消除内应力和加工硬化，改善钢的切削加工性能并为随后的淬火作好组织准备。

（2）生产上常用的退火操作有完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火