工程材料与热处理第5章作业题参考答案.doc

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转变产物组织性能珠光体珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上转变温度越低，层间距越小珠光体的力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好贝氏体上贝氏体组织形态呈羽毛状，在光学显微镜下，铁素体呈暗黑色，渗碳体呈亮白色下贝氏体组织形态呈黑色针状上贝氏体强度较低，塑性和韧性较差下贝氏体强度较高，塑性和韧性也较好，具有良好的综合力学性能马氏体板条状马氏体由一束束平行的长条状晶体组成，其单个晶体的立体形态为板条状针片状马氏体由互成一定角度的针状晶体组成板条状马氏体具有较高硬度、较高强度与较好塑性和韧性相配合的良好的综合力学性能针片状马氏体具有比板条状马氏体更高的硬度，但脆性较大，塑性和韧性较差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Accm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VK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。