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。