金屬學(xué)與熱處理課后習(xí)題答案10

1、第十章 鋼的熱處理工藝10-1 何謂鋼的退火？退火種類(lèi)及用途如何？答：鋼的退火：退火是將鋼加熱至臨界點(diǎn)AC1以上或以下溫度，保溫一定時(shí)間以后隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。退火種類(lèi)：根據(jù)加熱溫度可以分為在臨界溫度AC1以上或以下的退火，前者包括完全退火、不完全退火、球化退火、均勻化退火，后者包括再結(jié)晶退火、去應(yīng)力退火，根據(jù)冷卻方式可以分為等溫退火和連續(xù)冷卻退火。退火用途：1、 完全退火：完全退火是將鋼加熱至AC3以上20-30，保溫足夠長(zhǎng)時(shí)間，使組織完全奧氏體化后隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。其主要應(yīng)用于亞共析鋼，其目的是細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力和加工硬化、提高塑

2、韌性、均勻鋼的化學(xué)成分和組織、改善鋼的切削加工性能，消除中碳結(jié)構(gòu)鋼中的魏氏組織、帶狀組織等缺陷。2、 不完全退火：不完全退火是將鋼加熱至AC1- AC3（亞共析鋼）或AC1-ACcm（過(guò)共析鋼）之間，保溫一定時(shí)間以后隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。對(duì)于亞共析鋼，如果鋼的原始組織分布合適，則可采用不完全退火代替完全退火達(dá)到消除內(nèi)應(yīng)力、降低硬度的目的。對(duì)于過(guò)共析鋼，不完全退火主要是為了獲得球狀珠光體組織，以消除內(nèi)應(yīng)力、降低硬度，改善切削加工性能。3、 球化退火：球化退火是使鋼中碳化物球化，獲得粒狀珠光體的熱處理工藝。主要用于共析鋼、過(guò)共析鋼和合金工具鋼。其目的是降低硬度、改善切削加

3、工性能，均勻組織、為淬火做組織準(zhǔn)備。4、 均勻化退火：又稱(chēng)擴(kuò)散退火，它是將鋼錠、鑄件或鍛軋坯加熱至略低于固相線的溫度下長(zhǎng)時(shí)間保溫，然后緩慢冷卻至室溫的熱處理工藝。其目的是消除鑄錠或鑄件在凝固過(guò)程中產(chǎn)生的枝晶偏析及區(qū)域偏析，使成分和組織均勻化。5、 再結(jié)晶退火：將冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上保持適當(dāng)時(shí)間，然后緩慢冷卻至室溫的熱處理工藝。其目的是使變形晶粒重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻容S晶粒，同時(shí)消除加工硬化和殘留內(nèi)應(yīng)力，使鋼的組織和性能恢復(fù)到冷變形前的狀態(tài)。6、 去應(yīng)力退火：在冷變形金屬加熱到再結(jié)晶溫度以下某一溫度，保溫一段時(shí)間然后緩慢冷卻至室溫的熱處理工藝。其主要目的是消除鑄件、鍛軋件、焊接件及機(jī)械加

4、工工件中的殘留內(nèi)應(yīng)力（主要是第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力），以提高尺寸穩(wěn)定性，減小工件變形和開(kāi)裂的傾向。10-2 何謂鋼的正火？目的如何？有何應(yīng)用？答：鋼的正火：正火是將鋼加熱到AC3或Accm以上適當(dāng)溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間進(jìn)行完全奧氏體化以后，以較快速度（空冷、風(fēng)冷或噴霧）冷卻，得到珠光體類(lèi)組織的熱處理工藝。正火過(guò)程的實(shí)質(zhì)是完全奧氏體化加偽共析轉(zhuǎn)變。目的：細(xì)化晶粒、均勻成分和組織、消除內(nèi)應(yīng)力、調(diào)整硬度、消除魏氏組織、帶狀組織、網(wǎng)狀碳化物等缺陷，為最終熱處理提供合適的組織狀態(tài)。應(yīng)用：1、 改善低碳鋼的切削加工性能。2、 消除中碳鋼的熱加工缺陷（魏氏組織、帶狀組織、粗大晶粒）。3、 消除過(guò)共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，便于球

5、化退火，為淬火做好組織準(zhǔn)備。4、 作為最終熱處理，提高普通結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能。10-3 在生產(chǎn)中為了提高亞共析鋼的強(qiáng)度，常用的方法是提高亞共析鋼中珠光體的含量，問(wèn)應(yīng)該采用什么熱處理工藝？答：應(yīng)該采用正火工藝。原因：亞共析鋼過(guò)冷奧氏體在冷卻過(guò)程中會(huì)析出先共析鐵素體，冷卻速度越慢，先共析鐵素體的含量越多，從而導(dǎo)致珠光體的含量變少，降低亞共析鋼的硬度和強(qiáng)度。而正火工藝的實(shí)質(zhì)就是完全奧氏體化加上偽共析轉(zhuǎn)變，可以通過(guò)增大冷卻速度降低先共析鐵素體的含量，使亞共析成分的鋼轉(zhuǎn)變成共析組織，即增加了珠光體的含量，從而可以提高亞共析鋼的強(qiáng)度和硬度。10-4 淬火的目的是什么？淬火方法有幾種？比較幾種淬火方法的優(yōu)缺點(diǎn)

6、？答：淬火的目的：獲得盡量多的馬氏體，可以顯著提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性，與各種回火工藝相配合可以使鋼在具有高強(qiáng)度高硬度的同時(shí)具有良好的塑韌性將鋼加熱至臨界點(diǎn)AC3或AC1以上一定溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間后以大于臨界冷卻速度的冷速冷卻得到馬氏體（或下貝氏體）的熱處理工藝叫做淬火。淬火方法：按冷卻方式可以分為：?jiǎn)我捍慊鸱ā㈦p液淬火法、分級(jí)淬火法、等溫淬火法優(yōu)缺點(diǎn)比較：淬火方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)單液淬火法操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛1、只適用于小尺寸且形狀簡(jiǎn)單的工件2、淬火應(yīng)力大3、不容易選擇冷卻能力和冷卻特性較合適的冷卻介質(zhì)雙液淬火法1、 降低組織應(yīng)力，減小工件變形、開(kāi)裂的傾向2、 適用于尺寸較大的工件操作不容易控制，需

7、要求豐富的經(jīng)驗(yàn)和熟練的技術(shù)分級(jí)淬火法1、降低熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，減小工件變形、開(kāi)裂的傾向2、操作相對(duì)容易控制只適用于尺寸較小的工件等溫淬火法1、 降低熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，顯著減小工件變形、開(kāi)裂傾向2、 適宜處理形狀復(fù)雜、尺寸要求精密的工件只適用于尺寸較小的工件10-5 試述亞共析鋼和過(guò)共析鋼淬火加熱溫度的選擇原則。為什么過(guò)共析鋼淬火加熱溫度不能超過(guò)Accm線？答：淬火加熱溫度選擇原則：以得到均勻細(xì)小的奧氏體晶粒為原則，以便獲得細(xì)小的馬氏體組織。亞共析鋼通常加熱至AC3以上30-50，過(guò)共析鋼加熱至AC1以上30-50.1、過(guò)共析鋼的淬火加熱溫度超過(guò)Accm線，碳化物全部溶入奧氏體中，使奧氏體的含碳

8、量增加，降低鋼的Ms和Mf點(diǎn)，淬火后殘留奧氏體量增多，會(huì)降低鋼的硬度和耐磨性2、過(guò)共析鋼淬火溫度過(guò)高，奧氏體晶粒粗化、含碳量又高，淬火后易得到有顯微裂紋的粗針狀馬氏體，降低鋼的塑韌性3、高溫淬火時(shí)淬火熱應(yīng)力大，氧化脫碳嚴(yán)重，也增大鋼件變形和開(kāi)裂的傾向。10-6 何謂鋼的淬透性、淬硬性？影響鋼的淬透性、淬硬性及淬透層深度的因素？答：淬透性：鋼的淬透性是指奧氏體化后的鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力，它反映過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，與鋼的臨界冷卻速度有關(guān)。其大小以鋼在一定條件下淬火獲得的淬透層深度和硬度分布來(lái)表示。淬硬性：鋼的淬硬性是指奧氏體化后的鋼在淬火時(shí)硬化的能力，主要取決于馬氏體中的含碳量，用淬火馬氏體

9、可能達(dá)到的最高硬度來(lái)表示。淬透層深度：淬透層深度是指鋼在具體條件下淬火時(shí)測(cè)定的半馬氏體區(qū)至工件表面的深度。它與鋼的淬透性、工件形狀尺寸、淬火介質(zhì)的冷卻能力有關(guān)。10-7 有一圓柱形工件，直徑35mm，要求油淬后心部硬度大于45HRC，能否采用40Cr鋼？答：解答此題需用到40Cr的淬透性曲線圖（端淬曲線圖）根據(jù)手冊(cè)可以查到40Cr端淬曲線圖，直徑35mm圓柱工件在油淬后的心部硬度范圍為34-50HRC（鋼的淬透性受化學(xué)成分、晶粒度、冶煉情況等因素素影響，一條淬透性曲線實(shí)際上是一條淬透性帶），也就是是說(shuō)心部硬度有可能大于45HRC，也有可能小于45HRC，所以不建議使用40Cr鋼。10-8 有一

10、40Cr鋼圓柱形工件，直徑50mm，求油淬后其橫截面的硬度分布？答：解答此題需用到40Cr的淬透性曲線圖（端淬曲線圖）根據(jù)手冊(cè)可以查到40Cr端淬曲線圖，查圖可得：油淬后中心硬度范圍：28-43.5HRC油淬后距中心3/4R硬度范圍：33.5-50 HRC油淬后表面硬度范圍：45-57HRC10-9 何謂調(diào)質(zhì)處理？回火索氏體比正火索氏體的力學(xué)性能為何較優(yōu)越？答：調(diào)質(zhì)處理：習(xí)慣上將淬火加高溫回火稱(chēng)為調(diào)質(zhì)處理，其目的是為了獲得既有較高的強(qiáng)度、硬度，又有良好的塑性及沖擊韌性的綜合力學(xué)性能。性能比較：在相同硬度條件下，回火索氏體和正火索氏體抗拉強(qiáng)度相近，但回火索氏體的屈服強(qiáng)度、塑性、韌性等性能都優(yōu)于正

11、火索氏體。這是因?yàn)椋鼗鹚魇象w是由淬火馬氏體分解而得到，其組織為鐵素體加顆粒狀碳化物。而正火索氏體是由過(guò)冷奧氏體直接分解而來(lái)，其組織為鐵素體加片狀碳化物。正火索氏體受力時(shí)，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)被限制在鐵素體內(nèi)，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)至片狀碳化物界面時(shí)形成很大的平面位錯(cuò)塞積群，使基體產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，易使碳化物脆斷或形成微裂紋。而粒狀碳化物對(duì)鐵素體的變形阻礙作用大大減弱，塑性和韌性得到提高，當(dāng)粒狀碳化物均勻地分布在塑性基體上是，由于位錯(cuò)和第二相粒子的交互作用產(chǎn)生彌散強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化，提高鋼的塑性變形抗力，從而提高強(qiáng)度。因此相比較正火索氏體，回火索氏體具有更好的強(qiáng)度、塑性、韌性等性能。10-10 為了減少淬火冷卻過(guò)程中

12、的變形和開(kāi)裂，應(yīng)當(dāng)采取什么措施？答：變形和開(kāi)裂原因：由于冷卻過(guò)程中工件內(nèi)外溫度的不均勻性以及相變的不同時(shí)性造成工件中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，淬火內(nèi)應(yīng)力分為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力兩種。當(dāng)淬火應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)淬火應(yīng)力超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，工件則發(fā)生開(kāi)裂。應(yīng)采取的措施（工藝角度）：1、 控制淬火加熱溫度不宜過(guò)高：加熱溫度高，奧氏體晶粒粗化，淬火后得到粗大的馬氏體，應(yīng)力和脆性均顯著增大。而且高溫加熱，氧化脫碳嚴(yán)重，也增大鋼件變形和開(kāi)裂傾向。2、 選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s方法：降低馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度，可以降低馬氏體的轉(zhuǎn)變速度，減少淬火應(yīng)力，降低工件變形和開(kāi)裂的傾向。3、 選擇合適的淬火冷卻介質(zhì)：

13、具有理想冷卻特性（珠光體轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上冷速較慢，快速通過(guò)C曲線鼻尖，在Ms點(diǎn)以下緩慢冷卻）的冷卻介質(zhì)可以在獲得馬氏體組織前提下減少淬火應(yīng)力，降低工件變形和開(kāi)裂的傾向。10-11 現(xiàn)有一批45鋼普通車(chē)床傳動(dòng)齒輪，其工藝路線為鍛造-熱處理-機(jī)械加工-高頻感應(yīng)加熱淬火-回火。試問(wèn)鍛后應(yīng)進(jìn)行何種熱處理？為什么？答：鍛后熱處理：完全退火或不完全退火原因：中碳結(jié)構(gòu)鋼鑄件、鍛軋件中，可能存在魏氏組織、帶狀組織、晶粒粗大等缺陷，粗大的魏氏組織顯著降低鋼的塑性和韌性，帶狀組織使鋼的性能具有方向性。完全退火可以細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，消除魏氏組織和帶狀組織缺陷。如果其鍛造工藝正常，原始組織分布合適，只是珠光體片間距小、

14、硬度偏高、內(nèi)應(yīng)力較大，則可以用不完全退火代替完全退火。10-12 有一直徑10mm的20鋼制工件，經(jīng)滲碳熱處理后空冷，隨后進(jìn)行正常的淬火、回火處理，試分析滲碳空冷后及淬火、回火后，由表面到心部的組織。答：表層組織：高碳細(xì)針狀回火馬氏體及少量殘余奧氏體心部組織：先共析鐵素體和珠光體10-13 設(shè)有一種490柴油機(jī)連桿，直徑12mm，長(zhǎng)77mm，材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理。要求淬火后心部硬度大于45HRC，調(diào)質(zhì)處理后心部硬度為22-33HRC。試制定熱處理工藝。答：解答此題需要40Cr臨界相變點(diǎn)AC3和淬透性曲線（通過(guò)查手冊(cè)：AC3=782）熱處理工藝：奧氏體化溫度=AC3+（30-50），取820

15、保溫時(shí)間=KD=15min，K=1.5mm/min根據(jù)40Cr的淬透性曲線可以得出，直徑12mm的40Cr鋼油淬后的心部硬度最低為47 HRC。查手冊(cè)可以發(fā)現(xiàn)40Cr在650回火，其硬度為25-30HRC，符合心部硬度要求。回火時(shí)間= KD=24min，K=2mm/min，為防止產(chǎn)生回火脆性回火后冷卻可采用空冷或水冷。熱處理工藝為：將連桿加熱至820保溫15min，油淬至室溫，再加熱至650保溫24min，空冷至室溫。10-14 寫(xiě)出20Cr2Ni4A鋼重載滲碳齒輪的冷、熱加工工序安排，并說(shuō)明熱處理所起的作用。答：冷、熱加工工序安排：冶煉-鑄造-擴(kuò)散退火-鍛造-完全退火-粗加工-滲碳-（淬火+

16、回火）-精加工熱處理所起作用：擴(kuò)散退火：消除凝固過(guò)程的枝晶偏析和區(qū)域偏析，均勻化學(xué)成分和組織。完全退火：細(xì)化晶粒、均勻鋼的化學(xué)成分和組織、消除內(nèi)應(yīng)力和加工硬化、消除魏氏組織和帶狀組織等缺陷、改善鋼的切削加工性能。滲碳：使活性碳原子滲入齒輪表面，獲得一定深度高碳滲層（一般碳含量：0.85-1.05%，滲層深度：0.5-2mm）淬火-回火：使齒輪表面獲得高碳細(xì)針狀回火馬氏體組織+少量殘留奧氏體，具有高硬度、良好的耐磨性以及接觸疲勞強(qiáng)度；使心部獲得低碳板條回火馬氏體+少量鐵素體組織，具有較高的強(qiáng)度和良好的塑韌性。10-15 指出直徑10mm的45鋼（退火狀態(tài)），經(jīng)下列溫度加熱并水冷所獲得的組織：70

17、0、760、840。答：解答此題需找到45鋼的臨界相變點(diǎn)AC1和AC3（可查手冊(cè)得知：AC1=724，AC3=780）700：將45鋼加熱至700未發(fā)生珠光體組織向奧氏體轉(zhuǎn)變，因此水冷時(shí)無(wú)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，所以水冷后的組織仍為退火狀態(tài)的組織：珠光體+塊狀鐵素體760：760介于AC1和AC3之間，在此溫度加熱保溫，珠光體組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，但保留一部分先共析鐵素體和未熔的滲碳體顆粒，水冷時(shí)發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，所以水冷后的組織為：馬氏體+塊狀鐵素體+粒狀碳化物840：在此溫度下保溫，鐵素體+珠光體組織將全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，水冷后的組織為馬氏體+殘留奧氏體10-16 T10鋼經(jīng)過(guò)何種熱處理能獲