工程材料第六章作業(yè)答案

1、第六章鋼的熱處理1、熱處理與其他加工方法（如鑄、鍛、焊、切削加工等）相比較具有何種特點？鋼的熱處理和Fe-C合金相圖有什么關系？10答：熱處理是指將鋼在固態(tài)下施以不同的加熱、保溫盒冷卻措施，以改變其組織，從而獲得需要的組織結構與性能的加工方法。金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。鋼在加熱或冷卻時，形成奧氏體的溫度范圍一般可根據(jù)Fe-C合金相圖進行近似估計。由Fe-C合金相圖得知，A.A3和Acm是碳鋼在極緩慢的加熱或冷卻時的轉變溫度，因此Al、A

2、3和Acm是平衡臨界點，但在實際生產(chǎn)中，加熱和冷卻不是極緩慢的，因此鋼不可能在臨界點發(fā)生轉變。實際加熱時各臨界點的位置分別為圖中Aci、Ac3和Accm線,而世界冷卻時各臨界點的位置分別為Ari、Ar3和Acm。圖6-1碳素鋼的臨界點在FmFgC相圖上的位置2、試述奧氏體（A）的形成過程，并指出奧氏體（A）的合金化（碳和合金元素的溶入）及均勻化的意義。12答：若加熱溫度高于相變溫度，鋼在加熱和保溫階段（保溫的目的是使鋼件里外加熱到同一溫度），將發(fā)生室溫組織向奧氏體的轉變，稱奧氏體化。奧氏體化過程也是形核與長大過程，是依靠鐵原子和碳原子的擴散來實現(xiàn)的，屬于擴散型相變。奧氏體的形成是通過形核及長大

3、方式來實現(xiàn)的，其基本過程可分為四個階段：奧氏體晶核的形成：鋼加熱到Ac1以上時，變得不穩(wěn)定，F(xiàn)和FeC3的界面在成分和結構上處于最有利于轉變的條件下，首先在這里形成晶核。奧氏體晶核的長大：晶核形成后，隨即也建立起A-F和A-FeC3的濃度平衡，并存在一個濃度梯度。在此濃度梯度的作用下，A內(nèi)發(fā)生C原子由FeC3邊界向F邊界的擴散,使其同F(xiàn)eC3和F的兩邊界上的平衡濃度遭破壞。為了維持濃度的平衡，滲碳體必須不斷往A中溶解，且F不斷轉變?yōu)锳。這樣，A晶核便向兩邊長大了。剩余FeC3的溶解：在A晶核長大過程中，由于FeC3溶解提供的C原子遠多于同體積F轉變?yōu)锳的需要，所以F比FeC3先消失，而在A全部

4、形成之后，還殘存一定量的未溶FeC3o它們只能在隨后的保溫過程中逐漸溶入A中，直至完全消失。奧氏體的均勻化：FeC3完全溶解后，A中C濃度的分布并不均勻，原先是FeC3的地方C濃度較高，原先是F的地方C濃度較低，必須繼續(xù)保溫（保溫目的之二），通過碳的擴散，使A成分均勻化。奧氏體合金化和均勻化意義：奧氏體化過程與碳的擴散能力有關，除鈷、鎳等元素外，大多數(shù)合金元素均使碳的擴散能力降低，尤其是強碳化物形成元素（如釩等）所形成的特殊碳化物，能阻礙碳的擴散。這種碳化物穩(wěn)定性大，又難以分解，使奧氏體均勻化過程變得困難。因此，大多數(shù)低合金鋼與合金鋼為獲得成分均勻的奧氏體，需提高加熱溫度和延長保溫時間。合金元

5、素（除鎰、磷外）均不同程度的阻礙奧氏體晶粒長大，尤其是強碳化物形成元素（如鈦、釩、鈮等）更為顯著，它們形成的碳化物在高溫下較穩(wěn)定，且呈彌散質點分布在奧氏體晶界上，能阻礙奧氏體晶粒長大。其目的是利用各種元素和鐵的相互作用規(guī)律，通過控制鋼中合金元素的種類和含量獲得所需的組織。因此，低合金鋼與合金鋼經(jīng)熱處理后的晶粒比相同含碳量的碳鋼更細小，其性能較高。3、奧氏體（A）晶粒大小是什么因素決定的？奧氏體（A）晶粒大小對轉變產(chǎn)物的組織和性能有何影響？10答：影響奧氏體晶粒大小的因素：加熱溫度與保溫時間的影響，奧氏體化溫度越低，保溫時間越短，奧氏體晶粒越細。加熱速度的影響，最高加熱溫度相同，加熱速度越快，奧

6、氏體晶粒越細小。加熱溫度和保溫時間相同時，鋼中碳質量分數(shù)越低，奧氏體晶粒越細小。一般阻止奧氏體長大的合金元素均能生成彌散分布的穩(wěn)定碳化物或氮化物，在奧氏體化過程中，阻礙奧氏體晶粒長大。而促進奧氏體晶粒長大的元素固溶在奧氏體中會減弱鐵原子的結合力，加速鐵原子的自擴散，從而促進奧氏體晶粒長大。原始組織的影響，原始組織細小，相界面大，奧氏體形核率大，則啟始晶粒細小，但晶粒長大傾向大，即過熱敏感性大。奧氏體晶粒大小對轉變產(chǎn)物的組織和性能的影響：奧氏體晶粒細小，冷卻后產(chǎn)物組織的晶粒也細小。細晶粒組織不僅強度、塑性比粗晶粒高，而且沖擊韌性也有明顯提高。4、解釋下列名詞24（1）奧氏體的起始晶粒度，實際晶粒

7、度和本質晶粒度；答：奧氏體的起始晶粒度：鋼進行加熱時，當珠光體剛剛全部轉變?yōu)閵W氏體時的奧氏體晶粒度。實際晶粒度：鋼在某一具體的熱處理或熱加工條件下實際獲得的奧氏體的晶粒度。本質晶粒度：表示鋼在一定的加熱條件下奧氏體晶粒長大的傾向。（2）連續(xù)冷卻和等溫冷卻；答：連續(xù)冷卻：即將奧氏體化的鋼件以一定的冷卻速度從高溫一直冷卻至室溫，在連續(xù)冷卻過程完成組織轉變的過程。等溫冷卻：把奧氏體化后的鋼件迅速冷到臨界點以下的某一溫度，等溫保持一定的時間后在冷卻至室溫，在保溫過程中完成組織的轉變過程。C曲線（3）孕育期；答：轉變開始線與縱坐標軸的距離，550最短。（4）片間距；片狀珠光體和粒狀珠光體；索氏體；屈氏體

8、；答：片間距：珠光體的層間的距離。片狀珠光體和粒狀珠光體：鐵素體與滲碳體間的片層狀組織。索氏體：650C600C生成細片狀的珠光體組織。屈氏體：600C550C生成極細片狀的珠光體組織。（5）臨界冷卻速度VK答：得到全部馬氏體的最小冷卻速度。（6）貝氏體；上貝氏體和下貝氏體；答：貝氏體是過冷奧氏體的中溫（550TCMs）轉變產(chǎn)物，以貝氏體鐵素體為基，同時可能存在小滲碳體或匕碳化物或殘余奧氏體等相構成的整合組織。上貝氏體：過飽和的平行條狀a相和夾于a相條間的斷續(xù)條狀滲碳體的混合物。（在貝氏體轉變溫度范圍較高溫度區(qū)域（550C350C）形成上貝氏體）下貝氏體：過飽和的片狀a相和其他內(nèi)部沉淀的匕碳化

9、物的混合物。（下貝氏體在貝氏體轉變溫度范圍的較低溫度區(qū)域（350CMs）形成）（7）馬氏體：位錯馬氏體和孿晶馬氏體；隱晶馬氏體；答：馬氏體是碳在eFe中的過飽和固溶體。位錯馬氏體：即為板條馬氏體，含碳量為0.2%以下的碳鋼幾乎全部生成板條狀馬氏體，亞結構為密度高達10111012/cm2的位錯，即每個板條內(nèi)有高密度的位錯。孿晶馬氏體：即為片狀馬氏體，含碳量在1.0%以上的碳鋼幾乎全部生成雙凸透鏡狀的片狀馬氏體，其亞結構主要為微細孿晶，即每個針片內(nèi)存在大量的孿晶。隱晶馬氏體：Wc（0.2%C1.0%）介于位錯馬氏體和攣晶馬氏體之間的馬氏體，即為板條狀馬氏體和片狀馬氏體的混合組織。（8）Ms和Mf

10、,殘余奧氏體答：Ms：馬氏體轉變開始溫度。Mf：馬氏體轉變結束溫度。殘余奧氏體：淬火未能轉變成馬氏體而保留到室溫的奧氏體。5、馬氏體組織有哪幾種基本形態(tài)？它們在組織和性能上各有什么特點？10答：鋼中馬氏體主要有片狀和板狀兩種基本形態(tài)。板條狀馬氏體的含碳量為0.2%以下，每個板條內(nèi)有高密度的位錯。片狀馬氏體的含碳量在1%以上，每個針片內(nèi)存在大量的孿晶。性能上片狀馬氏體的性能特點是硬度高而脆性大，而板條狀馬氏體有較高的強韌性。10、區(qū)別下列名詞12調質處理和變質處理；答：調質處理：淬火+高溫回火=是淬火加高溫回火的雙重熱處理，其目的是使工件具有良好的綜合機械性能。變質處理：變質處理就是向金屬液體中

11、加入一些細小的形核劑（又稱為孕育劑或變質劑），使它在金屬液中形成大量分散的人工制造的非自發(fā)晶核，從而獲得細小的鑄造晶粒，達到提高材料性能的目的。淬透性與淬硬性；答：淬透性：淬透性表示鋼在一定條件下淬火時獲得淬硬層（馬氏體層）深度。它是衡量各個不同鋼種接受淬火能力的重要指標之一。主要與鋼的過冷奧氏體穩(wěn)定性和鋼的臨界冷卻速度有關。淬硬性：指鋼在淬火時硬化能力，用淬成馬氏體可能得到的最高硬度表示。主要取決于馬氏體中的含碳量，碳含量越高，則鋼的淬硬性越高。其他合金元素的影響比較小。再結晶與重結晶。答：再結晶：當退火溫度足夠高、時間足夠長時，在變形金屬或合金的顯微組織中，產(chǎn)生無應變的新晶粒再結晶核心。重

12、結晶：是將晶體溶于溶劑或熔融以后，又重新從溶液或熔體中結晶的過程。重結晶可以使不純凈的物質獲得純化，或使混合在一起的鹽類彼此分離。6、何謂正火和退火？為什么當含碳和含合金元素的量增加時不可用正火代替退火？答：正火：將亞共析鋼加熱到AC3以上3050C,過共析鋼加熱到Acm以上3050C，保溫后從爐中取出再空氣中冷卻的熱處理工藝。退火：將鋼加熱到預定溫度，保溫一定時間后緩慢冷卻（隨爐冷卻），獲得接近平衡組織的熱處理工藝。（完全退火：將亞共析鋼加熱到Ac3以上3050，保溫后隨爐冷卻到500以下在空氣中冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。球化退火：將鋼加熱到Ac1以上2030C,保溫一段時間，然

13、后緩慢冷卻到略低于Ac1的溫度，并停留一段時間，使組織轉變完成，得到在鐵素體基體上均勻分布的球狀或顆粒狀碳化物的組織。去應力退火：退火是將鋼材或各種金屬機械零件加熱到適當溫度，保溫一段時間，然后緩慢冷卻，可以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。）正火適用于碳質量分數(shù)不同的碳鋼和低、中合金鋼，但不適用高合金鋼。因為當含碳量和合金元素增加時，使C曲線游藝，增大奧氏體的穩(wěn)定性，即過冷奧氏體十分穩(wěn)定，空冷就可以得到馬氏體組織，不能得到珠光體組織。正火和完全退火的組織中都有片狀珠光體，但正火得到的偽共析組織，其片間距更小，鋼的強度、硬度也更高。7、工具鋼為什么要采用球化退火？答：工具鋼組織多數(shù)為層狀滲碳體

14、和網(wǎng)狀二次滲碳體，不僅硬度高，而且難以切削加工，而且增大鋼的脆性，容易產(chǎn)生淬火變形及開裂。通過球化退火，使層狀滲碳體和網(wǎng)狀滲碳體變?yōu)榍驙顫B碳體，以降低硬度，均勻組織、改善切削加工性。8、為了改善切削加工性能，對下列鍛件應進行何種熱處理？Ti04520答：正火+球化退火，球狀珠光體正火，珠光體+鐵素體正火，珠光體+鐵素體9、試選擇下列零件的淬火和回火溫度；45鋼作主軸T12鋼作鉆頭答：45鋼小軸（要求綜合機械性能），工件的淬火溫度為850c左右，回火溫度為500c650c左右，其回火后獲得的組織為回火索氏體，大致的硬度2535HRC。T12鋼作鉆頭，工件的淬火溫度為780c左右，回火溫度為150

15、c250C,其回火后獲得的組織為回火馬氏體，大致的硬度60HRC。11、理想淬火冷卻速度的要求是什么？水和油淬火冷卻時各有何優(yōu)缺點？10答：理想淬火冷卻速度由共析鋼過冷奧氏體等溫轉變曲線得知，要得到馬氏體，淬火的冷卻速度就必須大于臨界冷卻速度。但是淬火鋼在整個冷卻過程中并不需要都進行快速冷卻。關鍵是在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的C曲線鼻尖附近，即在650400c的溫度范圍內(nèi)要快速冷卻。而從淬火溫度到650c之間以及400c以下，特別是300200c以下并不希望快冷。因為淬火冷卻中工件截面的內(nèi)外溫度差會引起熱應力。另外，由于鋼中的比容（單位質量物質的體積）不同，其中馬氏體的比容最大，奧氏體的比容最小，因

16、此，馬氏體的轉變將使工件的體積脹大，如冷卻速度較大，工件截面上的內(nèi)外溫度差將增大，使馬氏體轉變不能同時進行而造成相變應力。冷卻速度越大，熱應力和相變應力越大，鋼在馬氏體轉變過程中便容易引起變形與裂紋。水淬火的優(yōu)缺點：它的優(yōu)點是冷卻能力大，特別是在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)，冷卻速度很快，因而可以迅速地將奧氏體過濾至馬氏體區(qū)域，以保證得到馬氏體組織，同時使用方便、價格低廉。它的缺點是在馬氏體想成的溫度區(qū)間內(nèi)，冷卻能力仍很大，這就增大了催火箭的組織應力和熱應力，易造成工件變形和開裂，這是水的一個嚴重缺點。故淬透性較好的合金鋼不宜采用水做淬火劑，即淬火液。它適用于臨界淬火速度較大的鋼。油淬火的優(yōu)

17、缺點：優(yōu)點是當工件溫度為200-300度時，冷卻速度及強度較小，因而減少了工件在馬氏體轉變區(qū)域內(nèi)的內(nèi)應力。這是油冷卻不易造成淬火裂紋和開裂的主要原因。它的缺點是在500-650度范圍內(nèi)冷卻速度也較慢，為100-200度每秒。因此，油作為淬火介質只適合用于臨界淬火速度較低的合金鋼或小尺寸碳鋼工件的淬火。因此，它和水相比還存在易燃、成本高、易老化及不易清洗等缺點。12、為什么淬火鋼回火后的性能，主要取決于回火溫度，而不是冷卻速度？回火溫度為什么不可高于Ac1以上？答：將淬火后的零件加熱到低于Ac1的某一溫度并保溫，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。決定工件回火后的組織和性能最重要的因素是“回火溫

18、度”。而冷卻速度主要影響的是淬火時組織的性能。兩者是不同的概念。Ac1是鋼的臨界轉變溫度，即珠光體開始分解并逐漸轉變?yōu)閵W氏體的溫度?；鼗鹗谴慊鸷笠坏辣匾募訜岜毓ば颍鼗饻囟仁堑陀谂R界溫度的。如果回火溫度高度Ac1以上，將會使淬火組織逐漸轉變?yōu)閵W氏體，即保留鋼種的馬氏體，而不轉變?yōu)閵W氏體，使組織硬度下降。13、為了減少淬火冷卻過程的變形和開裂，應采取哪些措施？答：采用合理的鍛造與預先熱處理鍛造可使網(wǎng)狀、帶狀及不均勻的碳化物呈彌散均勻分布。淬火前應進行預備熱處理（如球化退火與正火），不但可為淬火作好組織準備，而且還可消除工件在前面加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應力。采用合理的淬火工藝：正確確定加熱溫度與加

19、熱時間，可避免奧氏體晶粒粗化。對形狀復雜或導熱性差的高合金鋼，應緩慢加熱或多次預熱，以減少加熱中產(chǎn)生的熱應力。工件在加熱爐中安放時，要盡量保證受熱均勻，防止加熱時變形；選擇合適的淬火冷卻介質和洋火方法（如馬氏體分級淬火、貝氏體等溫淬火），以減少冷卻中熱應力和相變應力等。淬火后及時回火淬火內(nèi)應力如不及時通過回火來消除，對某些形狀復雜的或碳的質量分數(shù)較高的工件，在等待回火期間就會發(fā)生變形與開裂。對于淬火易開裂的部分，如鍵槽、孔眼等用石棉堵塞。14、淬火鋼在回火時發(fā)生哪些轉變？試比較回火馬氏體，回火屈氏體，回火索氏體，粒狀珠光體的形成溫度及組織特點。答：回火第一階段（200。）C馬氏體分解，當回火溫

20、度達100C以上時，馬氏體便開始分解，M中過飽和的碳原子以碳化物形式析出，碳的析出降低了M中碳的過飽和度，它的正方度c/a也隨之減小，在這一階段溫度較低，馬氏體中僅析出一部分過飽和的碳原子，它仍是碳在a-Fe中的過飽和固溶體，在回火的第一階段中鋼的硬度并不降低，但由于碳化物的析出，晶格畸變降低，淬火內(nèi)應力有所減小。回火第二階段（200300C）殘余A的轉變。殘余A于200C分解，至300C基本結束，殘余A分解成下貝氏體，在回火第二階段中，殘余A轉變?yōu)橄仑愂象w的同時，M還在繼續(xù)分解，M的繼續(xù)分解會使鋼的硬度降低，但由于較弱的殘余A轉變成較應的下貝氏體，因此鋼的硬度并沒有明顯降低，但淬火內(nèi)應力進一

21、步減小?；鼗鸬谌A段（300400。C）碳化物的轉變。在回火第三階段，碳原子從過飽和a固溶體中繼續(xù)析出，同時碳化物也逐漸變?yōu)榕ca固溶體不再有晶格聯(lián)系的滲碳體（Fe3C）,a固溶體中含碳量幾乎已將到平衡含碳量，正方度c/a接近于1,經(jīng)過第三階段以后，鋼的組織是由鐵素體和顆粒狀滲碳體所組成，鋼的硬度降低，淬火應力到此基本消除?；鼗鸬谒碾A段（400。C）滲碳體聚集長大與a相的再結晶。經(jīng)過回火第三階段后，鋼的組織雖然已是鐵素體和顆粒狀滲碳體所組成，但a相（鐵素體）仍保留原來M的板條狀或片狀，而成為多邊形晶粒。表示淬火鋼在回火是的變形隨溫度的升高，滲碳體尺寸增大T,內(nèi)應力減小，殘余A量T,M含碳量卜低溫

22、回火（150c250C）得到的組織是回火馬氏體（針狀特征），回火后組織為隱晶回火馬氏體，均勻細粒狀碳化物和極少量的殘余奧氏體。即內(nèi)應力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。這種回火主要應用于高碳鋼或高碳合金鋼制造的工、模具、滾動軸承及滲碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般為HRC5864。中溫回火后（350c500C）的組織為回火屈氏體（由馬氏體在低于珠光體形成溫度時分解而得到鐵素體基體與大量彌散分布的細粒狀滲碳體的混合組織），中溫回火時，a相已發(fā)生回復，但仍然保持淬火馬氏體的形態(tài)，淬火內(nèi)應力基本消除。碳化物已開始聚集，細小的碳化物顆粒彌散分布在a相基體上。中溫回火后組織硬度HRC3545,具有

23、一定的韌性和高的彈性極限及屈服極限。這種回火主要應用于含碳0.50.7%的碳鋼和合金鋼制造的各類彈簧。高溫回火后（500C650C）的組織為回火索氏體（其為鐵素體基體內(nèi)分布著碳化物（包括滲碳體）球粒的復合組織，此時的鐵素體已基本上無碳的過河度，碳化物也為穩(wěn)定型碳化物。），其硬度HRC2535,具有適當?shù)膹姸群妥銐虻乃苄院晚g性。這種回火主要應用于含碳0.30.5%的碳鋼和合金鋼制造的各類連接和傳動的結構零件，如軸、連桿、螺栓等。粒狀珠光體時由鐵素體和粒狀碳化物組成.它由過共析鋼經(jīng)球化退火或馬氏體在650cA1溫度范圍內(nèi)回火形成。其特征是碳化物成顆粒狀分布在鐵素體上。狀珠光體組織的特征是在亮白色的鐵素體基體上，均勻分布著白色的滲碳體顆粒，其邊界呈暗黑色。硬度HB160190。15、車床主軸要求軸頸部位的硬度為HHC56-58，其余地方為HRC20-24，其加工路線為：鍛造-正火一機加工一軸頸表面淬火-低溫回火一磨加工。請指出：主軸選用何種材料；正火，表面處理，低溫回火的目的和大致工藝；軸頸表面處的組織和其余地方的組織。答：主軸應采用調質鋼，比如45鋼、40Cr等正火：作為預備熱處理，消除鍛造后工件內(nèi)應