工程材料与热处理 第5章作业题参考答案

1.奥氏体晶粒大小与哪些因素有关？为什么说奥氏体晶粒大小直接
影响冷却后钢的组织和性能？
奥氏体晶粒大小是影响使用性能的重要指标，主要有下列因素影响奥氏体晶粒大小。

（1）加热温度和保温时间。

加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。

（2）加热速度。

加热速度越快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率和长大速度的比值增大，则奥氏体的起始晶粒越细小，但快速加热时，保温时间不能过长，否则晶粒反而更加粗大。

（3）钢的化学成分。

在一定含碳量范围内，随着奥氏体中含碳量的增加，碳在奥氏体中的扩散速度及铁的自扩散速度增大，晶粒长大倾向增加，但当含碳量超过一定限度后，碳能以未溶碳化物的形式存在，阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒长大倾向减小。

（4）钢的原始组织。

钢的原始组织越细，碳化物弥散速度越大，奥氏体的起始晶粒越细小，相同的加热条件下奥氏体晶粒越细小。

传统多晶金属材料的强度与晶粒尺寸的关系符合Hall-Petch关系，即σs=σ0+kd-1/2，其中σ0和k是细晶强化常数，σs是屈服强度，d是平均晶粒直径。

显然，晶粒尺寸与强度成反比关系，晶粒越细小，强度越高。

然而常温下金属材料的晶粒是和奥氏体晶粒度相关的，通俗地说常温下的晶粒度遗传了奥氏体晶粒度。

所以奥氏体晶粒度大小对钢冷却后的组织和性能有很大影响。

奥氏体晶粒度越细小，冷却后的组织转变产物的也越细小，其强度也越高，此外塑性，韧性也较好。

2．过冷奥氏体在不同的温度等温转变时，可得到哪些转变产物？试列表比较它们的组织和性能。

3.共析钢过冷奥氏体在不同温度的等温过程中，为什么550℃的孕育期最短，转变速度最快？
因为过冷奥氏体的稳定性同时由两个因素控制：一个是旧与新相之间的自由能差ΔG；另一个是原子的扩散系数D。

等温温度越低，过冷度越大，自由能差ΔG也越大，则加快过冷奥氏体的转变速度；但原子扩散系数却随等温温度降低而减小，从而减慢过冷奥氏体的转变速度。

高温时，自由能差ΔG起主导作用；低温时，原子扩散系数起主导作用。

处于“鼻尖”温度时，两个因素综合作用的结果，使转变孕育期最短，转变速度最大。

4.判断下列说法是否正确，为什么？
（1）钢在奥氏体化冷却，所形成的组织主要取决于钢的加热速度。

（2）低碳钢和高碳钢零件为了切削方便，可预先进行球化退火处理。

（3）过冷奥氏体的冷却速度越快，钢件冷却后的硬度越高。

（4）钢经淬火后处于硬脆状态。

（5）马氏体中的碳含量等于钢中的碳含量。

（1）错误，取决于钢的冷却速度。

（2）错误，低碳钢工件为了便于切削加工，预先进行热处理应进行正火，提高硬度。

而高碳钢工件则应进行球化退火（若网状渗碳体严重则在球化退火前增加一次正火），其目的都是为了将硬度调整到HB200左右并细化晶粒、均匀组织、消除网状渗碳体。

（3）错误，钢的硬度主要取决于含碳量。

（4）正确。

（5）错误，钢中的含碳量是否等于马氏体的含碳量，要看加热温度。

完全奥氏体化时，钢的含碳量等于奥氏体含碳量，淬火后即为马氏体含碳量。

如果是部分奥氏体化，钢的含碳量一部分溶入奥氏体，一部分是未溶碳化物，从而可以减轻马氏体因含碳量过高的脆性，也能细化晶粒，此时马氏体含碳量要低于钢的含碳量。

5.什么是Vk？其主要影响因素有哪些？
Vk是指淬火临界冷却速度。

其主要受化学成分的影响：亚共析钢随着含碳量的增加，C曲线右移，过冷奥氏体稳定性增加，则Vk减小，过共析钢中随着含碳量的增加，C曲线左移，过冷奥氏体稳定性减小，则Vk增大；合金元素中，除Co和Al以外的所有合金元素，都增大过冷奥氏体稳定性，使C曲线右移，则Vk减小。

6.什么是马氏体？其组织形态和性能取决于什么因素？
马氏体是在碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

马氏体最初是在钢（中、高碳钢）中发现的：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。

其组织形态和性能取决于材料的成分和淬火速率。

7．马氏体转变有何特点？为什么说马氏体转变是一个不完全的转变？
（1）相变的无扩散性。

（2）切变共格性。

（3）新相与母相之间有一定的位向关系与惯习面。

（4）马氏体转变在一个温度范围内完成。

马氏体转变是一个不完全的转变。

由于多数钢的Mf（马氏体转变结束的温度点）在室温以下，
因此钢冷却到室温时仍有部分未转变的奥氏体存在，称之为
残余奥氏体（Ar），随碳含量的增加，Ar也随之增加。

一般
钢经过淬火后要经过深冷处理来减少Ar的量。

8.退火的主要目的是什么？生产中常用的退火方法有哪几种？
退火的主要目的是消除铸件、锻件及焊接件的工艺缺陷，改善金属材料的加工成型性能、切削加工性能、热处理工艺性能，稳
定零件的几何尺寸。

常用的退火的方法有：完全退火，球化退火，去应力退火。

9.正火与退火相比有何异同？什么条件下正火可代替退火？
正火是将工件加热到Ac3或者Ac cm以上一定的温度并保温一定时间，而后在空气中冷却得到珠光体型组织的热处理工艺，而退火是将工件加热到适当温度，保温一定时间再缓慢冷却而获得接近平衡组织的热处理工艺。

正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。

正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。

生产上退火和正火工艺的选择应根据钢种､冷､热加工工艺､零件的使用性能及经济性综合考虑。

含碳量Wc<0.25% 的低碳钢,通常采用正火代替退火。

因为较快的泠却速度可以防止低碳钢沿晶界析出游离三次渗碳体，从而提高冲压件的冷变形性能；用正火可以提高钢的硬度，改善低碳钢的切削加工性能，在没有其它热处理工序时，用正火可以细化晶粒,提高低碳钢的强度。

含碳量Wc=0.25～0.50% 的中碳钢也可用正火代替退火,虽然接近上限碳量的中碳钢正火后硬度偏高，但尚能进行切削加工，而且正火成本低，生产率高。

含碳量Wc=0.50～0.75% 的钢,因含碳量较高,正火后的硬度显著高于退火的情况，难以进行切削加工，故一般采用完全退火，降低硬度,改善切削加工性。

含碳量Wc>0.75%以上的高碳钢或工具钢一般均采用球化退火作为预备热处理,如有网状二次渗碳体存在,则应先进行正火消除之。

10.为什么过共析钢锻件采用球化退火而不用完全退火？
因为过共析钢采用完全退火，完全奥氏体化，加热温度高，晶粒容易粗大，得到组织为珠光体和网状二次渗碳体，硬度较大，不便于切削加工。

球化退火，不完全奥氏体化，存在渗碳体，晶粒不易长大，得到组织为珠光体和粒状二次渗碳体，硬度较低，机械加工性能好。

11.为什么说淬火回火处理是钢铁材料最经济和最有效的强化手段？
钢件的淬火与回火是热处理工艺中最重要的、应用最广泛的工序。

作为各种机器零件以及工、模具的最终热处理，淬火回火决定着钢件的最终性能。

淬火能够显著提高钢件的硬度与强度。

为了消除淬火钢件的残余应力，得到不同强度、硬度、塑性、韧性配合的综合性能，则要以合适的回火处理相结合。

在实际应用中淬火与回火是联系在一起不可分割的两种热处理工艺。

12.将两个同尺寸的T12钢试样，分别加热到780℃和860℃，并保温
相同时间，然后以大于vk的同一冷却速度至室温，试问：
（1）哪个试样中马氏体的wc较高？
（2）哪个试样中残余奥氏体量较多？
（3）哪个试样中未溶碳化物较多？
（4）哪个淬火加热温度较合适？为什么？
（1）860℃，处于完全奥氏体化区，奥氏体的含碳量即为马氏体的含碳量。

（2）860℃，奥氏体的含碳量越高，Ms和Mf就越低，残余奥氏体就越多。

（3）780℃，因为780℃处于不完全奥氏体化区，还有许多未溶碳化物。

（4）780℃，处于部分奥氏体化区，加热组织为奥氏体+未溶碳化物（阻碍晶粒长大），晶粒细小。

同时控制了奥氏体含碳量，
也就控制了马氏体含碳量，降低了马氏体脆性。

淬火组织：
马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体，保证了强度、硬度。

13．一根直径为6mm的45钢棒料，经860℃淬火、160℃低温回火后，硬度为55HRC，然后从一端加热，使钢棒上各点达到图5-1所示的温度。

试问：
（1）此时各点的组织是什么？
（2）从图示温度缓冷至室温后各点的组织是什么？
（3）从图示温度水冷至室温后各点的组织是什么？
（1）150℃点：低于160℃，组织不变，回火马氏体
550℃点：高于160℃，低于A1线，相当于高温回火，组织：回火索氏体。

750℃点：高于A1线，相当于重新加热，部分奥氏体化，组织：奥氏体+铁素体。

840℃点：高于A3线，完全奥氏体化，组织：奥氏体。

950℃点：高于A3线，完全奥氏体化，组织：粗大奥氏体。

（2）150℃点：低于160℃，缓冷到室温后，组织不变，回火马氏体550℃点：高于160℃，低于A1线，相当于高温回火，缓冷到
室温后，组织：回火索氏体。

750℃点：高于A1线，相当于重新加热，部分奥氏体化，缓冷到室温后，组织：珠光体+铁素体。

840℃点：高于A3线，完全奥氏体化，组织：奥氏体。

缓冷到室温后，组织：珠光体+铁素体。

950℃点：高于A3线，完全奥氏体化，组织：粗大奥氏体。

缓冷到室温后，组织：珠光体+铁素体。

（3）150℃点：低于160℃，水冷到室温后，组织不变，回火马氏体。

550℃点：高于160℃，低于A1线，相当于高温回火，水冷到室温后，组织：回火索氏体。

750℃点：高于A1线，相当于重新加热，部分奥氏体化，水冷到室温后，组织：马氏体+铁素体。

840℃点：高于A3线，完全奥氏体化，组织：奥氏体。

水冷到室温后，组织：马氏体
950℃点：高于A3线，完全奥氏体化，组织：粗大奥氏体。

水冷到室温后，组织：粗大马氏体。

14.现有20钢和40钢制造的齿轮各一个，为了提高轮齿齿面的硬度
和耐磨性，宜采用何种热处理工艺？热处理后的组织和性能有何不同？
20#钢：渗碳淬火，采用淬火加低温回火的工艺。

渗碳淬火后表面硬度可达HRC56－62，齿面接触强度高，耐磨性好，芯部也有较高的韧性。

表面组织是高碳回火马氏体，心部组织是铁素体和
珠光体。

40#钢：表面淬火加低温回火，淬火后表面硬度可达HRC45－50，齿面接触强度高，耐磨性好，芯部较软，有较高的韧性。

表面组织是回火马氏体，心部组织组织是铁素体和珠光体。

15．什么是钢的淬透性和淬硬性?它们对于钢材的使用各有何意义?
淬透性是指钢件淬火时获得马氏体的能力，淬透性与C曲线的位置有关，主要取决于合金元素的含量与种类。

而淬硬性是指钢在正常淬火条件下，以超过V K的速度冷却所形成的马氏体组织所能达到的最高硬度，淬硬性与含碳量有关，含碳量越高，得到的马氏体的硬度越高。

淬透性对钢件热处理后的力学性能有很大影响。

若钢件被淬透，经回火后整个截面上的性能均匀一致;若淬透性差，钢件未被淬透，经回火后钢件表里性能不一，心部强度和韧性均较低。

因此，钢的淬透性是一项重要的热处理工艺性能，对于合理选用钢材和正确制定热处理工艺具有重要意义。

淬硬性主要代表钢的淬火后能达到的最高硬度，淬硬性越大则淬火后的最高硬度越大。

16．回火的目的是什么?为什么淬火工件务必要及时回火?
回火的目的：
①、减少内应力和降低脆性，淬火件存在着很大的应力和脆性，
如没有及时回火往往会产生变形甚至开裂。

②、调整工件的机械性能，工件淬火后，硬度高，脆性大，为了
满足各种工件不同的性能要求，可以通过回火来调整，硬度，强度，塑性和韧性。

③、稳定工件尺寸。

通过回火可使金相组织趋于稳定，以保证在
以后的使用过程中不再发生变形。

④、改善某些合金钢的切削性能。

淬火件存在着很大的应力和脆性，如没有及时回火往往会产生变形甚至开裂。

工件淬火后，硬度高，脆性大，为了满足各种工件不同的性能要求，可以通过回火来调整，硬度，强度，塑性和韧性。

17．为什么生产中对刃具、冷作模具、量具、滚动轴承等热处理常采用淬火+低温回火，对弹性零件则采用淬火+中温回火，而对轴、连杆等零件却采用淬火+高温回火?
低温回火组织为回火马氏体，基本上保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，淬火内应力有所降低，所以生产中对刃具、冷作模具、量具、滚动轴承等热处理常采用淬火+低温回火。

中温回火后组织为回火屈氏体。

具有高的屈强比，高的弹性极限和一定的韧性，淬火内应力基本消除，中温回火常用于弹性零件。

高温回火后组织为回火索氏体，具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。

高温回火广泛用于汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构零件的热处理，如连杆、齿轮、轴类、高强
度螺栓等。

18．在硬度相同的条件下，为什么经调质处理的工件比正火后的工件具有较好的力学性能?
因为正火得到的索氏体中的渗碳体是片状的，而调质处理得到的索氏体中的渗碳体是粒状的，粒状渗碳体阻止断裂过程的发展比片状渗碳体有利，塑性韧性好。

因此，回火索氏体比索氏体组织综合力学性能好。

19．用T12钢制造的丝锥，其成品硬度要求为＞60HRC，加工工艺过程为：轧制—→热处理1—→机加工—→热处理2—→机加工。

（1）写出各热处理工序的名称及作用：
（2）制订最终热处理的工艺规范(加热温度、冷却介质)。

（1）热处理1：
正火：细化晶粒，去除锻造应力，为下步热处理做组织准备。

珠光体+渗碳体（一般呈网状分布）。

球化退火：降低正火硬度、改善切削加工性能，消除网状渗碳体，为后续淬火作组织准备。

球状渗碳体+珠光体。

热处理2：淬火：提高硬度和耐磨性，满足使用所需。

马氏体+残余奥氏体。

低温回火：减少淬火应力，稳定尺寸，还有减少残余奥氏体量、进一步提高硬度和耐磨性的作用。

回火马氏体+碳化物。

（2）第二次热处理工艺规范：
淬火加热温度780℃，保温时间30分钟，用水或盐水为淬
火介质。

回火温度为200℃，保温30分钟到1小时。

20．什么是表面淬火?为什么机床主轴、齿轮等中碳钢零件常采用感应加热表面淬火?
将工件的表层迅速加热到淬火温度进行淬火的工艺方法称为表面淬火。

工件经表面淬火后，表层得到马氏体组织，具有高的硬度和耐磨性，而心部仍为淬火前的组织，具有足够的强度和韧性。

与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火加热速度快，加热时间短；淬火质量好，淬火后晶粒细小，表面硬度比普通淬火高，淬硬层深度易于控制；劳动条件好，生产率高，适宜大批量生产。

机床主轴、齿轮等中碳钢零件要求表面具有高的硬度和耐磨性，而心部具有足够的强度和韧性，因此常采用感应加热表面淬火。

21．什么是化学热处理?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?
化学热处理是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其表层，以改变表面化学成分、组织和性能的热处理工艺。

化学热处理包括：分解、吸收和扩散三个基本过程。

常用的化学热处理方法有：渗碳、渗氮、碳氮共渗以及渗金属
等。

22．渗碳的目的是什么?为什么渗碳零件均采用低碳钢或低碳合金钢钢制造?
渗碳的目的是提高工件表面的硬度、耐磨性及疲劳强度，并使
其心部保持良好的塑性和韧性。

低碳钢能满足心部韧性，但表面硬度低，不耐磨；高碳钢，热
处理后表面硬度高，耐磨，但心部韧性太差，低碳钢渗碳淬火
后能很好的满足要求。

23．为什么钢经渗碳后还需进行淬火+低温回火处理?
因为钢渗碳后缓慢冷却的平衡组织为表面为过共析组织
P+Fe3C II,心部则为原始的亚共析组织F+P。

渗碳后淬火+低温回火的组织：
表层：M回+点状碳化物+少量A’，硬度为 HRC 58-60
心部：低碳回火马氏体+F+S，硬度为HRC 30-50
因此，工件经渗碳淬火及低温回火后表面具有高的硬度和耐磨
性，而心部具有良好的韧性。

24．经调质处理后，45钢的硬度为240HBS，若再进行200℃的回火，能否使其硬度升高？为什么？经淬火、低温回火后，45钢的硬
度为57HRC，若再进行560℃的回火，能否使其硬度降低？为什么？
45钢调质后的硬度为240HBS，若再进行200℃回火，不能提高硬度。

因为，回火温度越高，硬度下降越多，而调质工艺就是
淬火+高温回火，碳化物已经析出，铁素体回复，硬度已经下降了，不能再升高。

560℃是高温回火。

该钢经淬火和低温回火后硬度57HRC，若再进行高温回火，硬度可以降低。

因为，回火温度越高，硬度下降越多。

该钢经低温回火，组织是回火马氏体，碳化物还未析
出，存在过饱和，因此，可继续提高回火温度，使得硬度降低。

这也是为何经低温回火处理的碳素工具钢，不能使用很高的切
削速度的原因。

高速切削，摩擦生热，切削温度高于回火温度
后，就相当于继续回火。

25．常用碳氮共渗的方法有哪几种?其主要目的和应用范围如何?
碳氮共渗有气体碳氮共渗和液体碳氮共渗两种，目前常用的是气体碳氮共渗。

气体碳氮共渗与渗碳基本相似，常用渗剂为煤
油+氮气等，加热温度为820-860℃。

与渗碳相比，碳氮共渗加热温度低，零件变形小，生产周期短，渗层具有较高的硬度、
耐磨性和疲劳强度，常用于汽车变速箱齿轮和轴类零件。

26.固态相变有什么样的特点？
（1）相变的阻力大。

（2）新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系。

（3）母相晶体缺陷对相变起促进作用。

（4）易于出现过渡相。

27.简述奥氏体的形成过程。

奥氏体的转变形成过程包括形核、长大、剩余渗碳体溶解及奥氏体成分均匀化四个过程。

28.影响奥氏体等温形成的因素有哪些？
温度、碳含量、原始组织、合金元素
29.什么是奥氏体的本质晶粒度、起始晶粒度和实际晶粒度？晶粒大
小对钢的性能是怎样影响的？
本质晶粒度指根据标准试验方法，在（930±10）℃的温度下保持足够长的时间（一般是3-8h）后测定的晶粒大小，表示钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性。

起始晶粒度指临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚接触时的晶粒大小。

实际晶粒度指在某一具体热处理加热条件下所得到的晶粒尺寸。

钢在一定加热条件下获得的奥氏体晶粒称为奥氏体的实际晶粒，它的大小对于冷却转变后（热处理后）钢的性能有明显的影响。

奥氏体晶粒细小，冷却后产物组织的晶粒也细小。

细晶粒组织不仅强度、塑性比粗晶粒高，而且冲击韧性也有明显提高。

因此，钢在加热时，为了得到细小而均匀的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时间。

30.影响奥氏体等温转变冷却曲线的因素有哪些？
（1）成分的影响，包括碳含量和合金元素的影响。

（2）奥氏体状态的影响。

（3）应力和塑性变形的影响。

31.简述钢中珠光体的组织形态。

钢中常见的珠光体有片状珠光体和粒状珠光体两种。

片状珠光体：F和Fe3C层片相间的机械混合组织。

粒状珠光体：Fe3C以粒状分布于F基体上形成的混合组织。

采用球化处理工艺可以得到粒状珠光体组织。

Fe3C的量由钢的C%决定；Fe3C的尺寸、形状由球化工艺决定。

32.粒状珠光体获得的途径有哪些？
粒状珠光体获得的途径主要有二：其一，过冷奥氏体转变为片状珠光体之后继续等温保持或者随后缓慢冷却，使片状渗碳体转变为粒状渗碳体，这个过程比较漫长，因而在实际的工业生产中不常应用；其二，控制奥氏体化的温度与时间，或者采取其他的工
艺措施，使过冷奥氏体中存在分布均匀的细小的未溶碳化物质点，以此作为珠光体转变时的渗碳体核心，最终获得分布均匀、尺寸一致的粒状渗碳体，这就是球化退火工艺。

33.比较钢中贝氏体的形貌、亚结构和性能。

上贝氏体形貌为粒状的、链珠状的或者短杆状的渗碳体分布于铁素体板条之间，并且沿着铁素体板条的长轴方向排列成行，从整体来看呈羽毛状。

下贝氏体其中铁素体为简单的片状或者透镜状，各铁素体片之间存在一定的交角，而颗粒状或者细片状的碳化物分布在铁素体片的内部，在放大倍数不是很高的光学显微镜下表现为典型的针状。

上贝氏体和下贝氏体铁素体中的亚结构均为位错，不存在孪晶亚结构。

贝氏体具有较高的强度和硬度，由于下贝氏体铁素体中碳含量过饱和程度比较大，且其中碳化物主要分布于铁素体内部，而不是板条之间，因此下贝氏体硬度与强度要高于上贝氏体。

34.简述钢中马氏体的组织形态、亚结构和性能。

马氏体的组织形态为板条状马氏体和片状马氏体。

板条状马氏体的亚结构为位错，片状马氏体的亚结构为细小相变孪晶。

马氏体机械性能的显著特点是高强度和高硬度。

35.简述马氏体转变的特点。

（1）相变的无扩散性。

（2）切变共格性。

（3）具有一定的位向关系与惯习面。

（4）马氏体转变在一个温度范围内完成。

（5）马氏体的可逆转变与形状记忆效应。

36.比较过冷奥氏体等温转变冷却曲线和连续冷却曲线的异同点。

在连续冷却条件下，钢的过冷奥氏体转变是在一个等温范围内发生的，这样的连续冷却转变实际上可以看作是一系列温度相差很小的、等温保持时间很短的等温转变过程所组成，这样的连续冷却转变产物也可以看作是不同温度下等温转变产物的混合物。

若将过冷奥氏体等温转变图与过冷奥氏体连续冷却转变图画在同一个温度-时间坐标图中，可以发现过冷奥氏体连续冷却转变图的位置在其等温转变图的右下方。

这说明在连续冷却条件下过冷奥氏体要在比较低的温度下经过较长的孕育期才开始转变。

37.什么是钢的退火？试述退火的种类和用途。

钢的退火是将组织偏离平衡状态的合金加热到适当的温度，保温以后缓慢冷却而获得接近平衡组织的热处理工艺。

（1）扩散退火：主要用于消除铸件或锻坯在凝固过程中产生的枝晶偏析或者区域偏析。

（2）完全退火：主要用于碳的质量分数在0.25%-0.60%之间的中。