《金屬學及熱處理》-郭海華 習題及解答 第6章

習題6（鋼的熱處理）

i.本質(zhì)細晶粒鋼的奧氏體晶粒是否一定比本質(zhì)粗晶粒鋼的細，為什么？

不一定。本質(zhì)晶粒度表示A晶粒長大的傾向。本質(zhì)細晶粒鋼是指鋼在特定的加熱條

件下，A晶粒不容易長大；而本質(zhì)粗晶粒鋼則相反。但當超過規(guī)定的溫度，阻止A晶粒長

大的碳化物也溶解后，本質(zhì)細晶粒鋼的A晶粒并不一定比本質(zhì)粗晶粒鋼的細。

2.低碳鋼板硬度低，可否用淬火方法提高其硬度？用什么辦法能顯著提高其硬度？

低碳鋼不宜用淬火方法獲得高硬度，因為碳含量低，淬火后的低碳馬氏體硬度不是很

高；可通過冷塑性變形產(chǎn)生的加工硬化效應來提高硬度；還可采用滲碳+淬火+低溫回火的

方法，提高表面硬度。

3.20鋼采用表面淬火是否合適？為什么？45鋼進行滲碳處理是否合適？為什么？

20鋼采用表面淬火不合適，20鋼碳含量太低，表面淬火后硬度提高不大；45鋼進行

滲碳處理不合適，因為4E鋼的碳含量為中碳，會減慢滲碳速度，且經(jīng)淬火+低溫回火后，

零件心部的強度有余，而韌性不足，滿足不了零件表硬心韌的性能需求。

4.為什么亞共析鋼熱處理時快速加熱并適當保溫可提高其屈服強度和沖擊韌度？

可使加熱時所形成的A晶粒細小且均勻，在隨后冷卻轉(zhuǎn)變得到的組織也細小均勻，獲

得細晶強化，使屈服強度和沖擊韌度同時提高。

5.熱軋空冷的45鋼，組織為什么能細化？

熱軋是在奧氏體區(qū)間內(nèi)進行的熱塑性變形，其溫度高于鋼的再結(jié)晶溫度，熱軋后隨即

發(fā)生再結(jié)晶，控制好終軋溫度、冷速等因素即可獲得晶粒細小的奧氏體；之后再經(jīng)空冷

（正火），使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榻M織較為細小的索氏體（S）。

6.分析圖6-36的實驗曲線中硬度隨碳含量變化的原因。圖中曲線1為亞共析鋼加熱到

Ac3以上，過共析鋼加熱到Acm以上淬火后，隨鋼中碳含量的增加鋼的硬度變化曲線；曲

線2為亞共析鋼加熱到Ac3以上，過共析鋼加熱到Acl以上淬火后，隨鋼中碳含量的增加

鋼的硬度變化曲線；曲線3表示隨碳含量增加，馬氏體硬度的變化曲線。

3條曲線呈現(xiàn)的整體趨勢是：馬氏體硬度隨碳含量增加而顯著升高，但當碳含量超過0.6%

時，硬度增長趨勢下降。這是因為含碳量超過0.6%后，殘余奧氏體量也隨之增加的原因。

3條曲線中亞共析鋼部分加熱溫度都是高于Ac3以上，因此硬度曲線一致。過共析鋼部

分因淬火條件不同出現(xiàn)差異:

1

曲線1是過共析鋼高于Accm加熱淬火時的情況，因碳化物大量溶入奧氏體中使Ms

點下降，殘余奧氏體量增多，導致淬火鋼的硬度下降。

曲線2是過共析鋼加熱溫度介于Accm和Acl之間時，因碳化物溶入奧氏體更少，Ms

點溫度相對更高，殘余奧氏體量也更少，因此淬火鋼最終硬度隨碳含量的變化不大。

曲線3采用完全淬火并進行冷處理，使奧氏體幾乎全部轉(zhuǎn)化為馬氏體時所獲得的最高

硬度。這個硬度值在一般情況下是難以達到的。

圖6-36硬度隨碳含量變化曲線圖6-37冷卻轉(zhuǎn)變曲線

7.分析將共析鋼加熱到奧氏體區(qū)后，按如圖6-37所示的冷卻曲線冷卻，各應得到什么組

織？各屬于何種熱處理方法？

(a)----M+Ar,單液淬火；(b)----M+Ar,分級淬火；(c)----T+M+Ar,油中淬火；

(d)一一B下，等溫淬火；(e)一—S,正火；(f)一一P,退火；(g)一—P,等溫退火。

8.將T12鋼加熱到Aci以上，按如圖6-38所示各種方法冷卻，分析其所得到的組織。

(a)——M+粒狀Fe3C+A殘：(b)——B卜+M+粒狀Fe3C+A殘；(c)——B尸粒狀Fe3C。

9.某鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線如圖6-39所示，試指出該鋼按圖中(a)、(b)、(c)、(d)速度

冷卻后得到的室溫組織。

(a)----M+Ar；(b)----B+M+Ar；(c)----F+B+M+Ar：(d)----F+P。

圖6-38冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖6-39連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

10.正火與退火的主要區(qū)另J是什么？生產(chǎn)中應如何選擇正火與退火？

正火與退火的主要區(qū)別如下：

(1)加熱溫度不同正火的加熱溫度范圍是將鋼完全奧氏體化，退火加熱范圍是不完全奧氏

體化；

(2)冷卻方式不同正火在空氣中冷卻，退火一般是緩慢冷卻(隨爐冷卻、灰堆冷卻)，時間

長；

(3)獲得組織和性能不同退火獲得珠光體，正火獲得索氏體，組織更細密，強、韌性更

好；

(4)適合的鋼不同。正火適合所有的鋼，不同的鋼有不同的作用：退火適合含碳量大約為

0.6機及以上的鋼。

牛產(chǎn)中詵擇正火與退火的一般原則是：

K'c=0.2-0.6%：低、中碳一一優(yōu)先采用正火

IVc>0.6%：高碳一一球化退火

wcel%：正火+球化退火

或：

K'c<0.5%：低、中碳----正火

M，C=0.5%?0.75%——完仝退火

卬0.75%——球化退火

卬cel%一—正火+球化退火

11.確定下列鋼件的退火方法，并指出退火的主要1=1的及退火后的組織。

(1)經(jīng)冷軋后的15鋼鋼板，要求降低硬度；

(2)ZG350鋼的鑄造齒輪;

<3)鍛造中出現(xiàn)過熱的C。鋼鍛坯：

(4)改善T12鋼的切削加工性能。

(1)再結(jié)晶退火；消除加工便化效應，降低硬度，恢復塑性；組織：F+P。

(2)去應力退火；消除鑄造應力；組織：F+P。

(3)完全退火；均勻、細化組織，改善力學性能；組織：F+P。

(4)正火+球化退火；正火：消除網(wǎng)狀滲碳體；球化退火：細化晶粒、均勻成分，并使鋼中

滲碳體球化，獲得球(粒)狀「組織，降低硬度。組織：卜+Fe3c球。

3

12.下列情況該用退火、正火或不需要？并簡述原因。

(1)45鋼小軸軋材毛坯；(2)45鋼齒輪鍛件；(3)T12鋼鋰刀鍛件。

(1)不需熱處理，扎材出廠時已經(jīng)適當熱處理，可直接進行切削加工；

(2)正火：空冷獲得索氏體，性能更好，效率高；也可完全退火，硬度比正火略低：

(3)正火+球化退火。正火：御制Fe3cH呈網(wǎng)狀；球化退火：球化Fe3C,使材料機加工硬

度至合適范圍，且可提高最終韌性。

13.試說明直徑為10mm的45鋼試樣經(jīng)下列溫度加熱、保溫并在水中冷卻得到的室溫組

織：700℃、760℃、840℃、1100C。

700℃:加熱溫度低，未超過A1線溫度，未奧氏體化，組織未發(fā)生變化，保持原始組織；

760℃：加熱溫度未超過A3線，部分奧氏體化，最終組織：F+M+A殘，

840℃：加熱溫度超過A3線，正常淬火加熱溫度范圍，完全奧氏體化，組織：M+A殘：

1100℃:加熱溫度太高，產(chǎn)牛過熱，A晶粒知大，組織：粕大M+A殘。

14.兩個碳含量為1.2%的碳鋼薄板試樣，分別加熱到780C和900C并保溫相同時間奧氏

體化后，以大于淬火臨界冷卻速度冷至室溫。試分析：

(1)哪個溫度加熱淬火后馬氏體晶粒較粗大？

(2)哪個溫度加熱淬火后馬氏體碳含量較多？

(3)哪個溫度加熱淬火后殘余奧氏體較多？

(4)哪個溫度加熱淬火后未溶碳化物較少？

(5)哪個溫度加熱淬火合適？為什么？

(1)加熱到900C淬火后，M晶粒粗大，因為加熱溫度高，A晶粒粗大；

(2)加熱到900C的淬火后M碳含量較多，因為碳在A中的溶解度隨溫度升高而增大；

(3)加熱到900C的淬火后殘余A較多，因為加熱溫度高，A中溶解了大量的碳，使得Ms、

位置下移，室溫下殘余Ar增多；

(4)加熱到900℃的淬火后未溶碳化物較少，因為加熱溫度越高，有利丁原了的擴散，碳化

物更能充分溶解。

(5)碳含量為1.2%的鋼為過共析鋼，780c加熱淬火較合適，屬正常的淬火加熱溫度范圍

(Aci以上30?50C),少量未溶的Fe3c可阻止A晶粒長大，淬火后的組織為細M、粒狀

Fe3c和少量殘余Ar。這樣的組織不僅可以獲得高硬度，同時還有利于強度、韌性、耐磨性

的提高。

15.指出下列_￡件的淬火及回火溫度，并說出回火后獲得的組織：

4

(1)45鋼小軸(要求綜合力學性能好);

(2)65鋼彈簧;

(3)T12鋼鏗刀。

(1)淬火(830?860'C)+高溫回火(500?600'C或約600℃),回火索氏體；

(2)淬火(800?830℃)+中溫回火(360?540℃或約400℃),回火托氏體;

(3)淬火(760?780℃)+低溫回火(180?200℃或約200℃),回火馬氏體。

16.用門0鋼制造直徑較大的鉆頭。其工藝路線為：鍛造一熱處理一機加工一熱處理一磨

削加工。

(1)寫出其中熱處理工序的具體名稱及作用。

(2)制訂機械加工中鉆孔所用鉆頭的最終熱處理(即磨削加工前的熱處理)的工藝規(guī)范，

并指出鉆頭在使用狀態(tài)下的組織和大致硬度。

(1)鍛造后的熱處理工序為：正火+球化退火，正火主要作用是消除組織中網(wǎng)狀滲碳體，隨

后的球化退火作用是均勻、細化組織，降低硬度，便于機加工。磨削前的熱處理工序為：

淬火+低溫歸I火，淬火是為了獲得M組織，提高硬度和耐磨性，低溫【可火是為了獲得I可火馬

氏體組織，穩(wěn)定組織和尺寸，消除內(nèi)應力。

(2)最終熱處理:淬火(760?780C)+低溫回火(180?200C)。

鉆頭在使用狀態(tài)下的組織為：回火馬氏體+球形碳化物+Ar,硬度大約為62HRC。

17.甲、乙兩廠生產(chǎn)同一種零件，均選用45鋼，硬度要求為220?250HBW,甲廠采用正

火，乙廠采用調(diào)質(zhì)處理，均能達到硬度要求，試分析甲'乙兩廠產(chǎn)品的組織和性能差別。

45鋼通過正火處理得到正火索氏體組織，通過調(diào)質(zhì)處理獲得回火索氏體組織。

性能差別：盡管它們都是由F和Fe3c組成的混合物，但正火索氏體中的Fe3c呈片

狀，而回火索氏體中的Fe3c呈粒狀；在強度、硬度相當?shù)那闆r下，回火索氏體的塑性、韌

度更好，但調(diào)質(zhì)的費用要比正火處理的高。

18.試說明表面淬火、滲喋、滲氮三種表面熱處理工藝在選用鋼種、性能、應用范圍等方

面差別。

三種表面熱處理最終性能目標都是“表硬心韌”，但因材料、熱處理不同，在應用上也有

一定差異。

名稱鋼種熱處理特點性能特點應用

表面淬火中碳鋼種心部正火(調(diào)質(zhì))心部強硬度相對不高受力不大的一般件

5

表面滲碳低碳鋼種心部淬火、低溫回火心部強硬度相對更高受力大的重要件

表面滲碳后提高了疲勞抗力

表面滲氮中碳合金鋼心部正火(調(diào)質(zhì))心部強硬度相對不高受力不大的精密件

表面不經(jīng)淬火降低了變形度

滲氮層的化學穩(wěn)定性高，耐腐

蝕、耐高溫能力提高

19.兩個45鋼工件，一個用電爐加熱(加熱速度約為0.3℃/s),另一個用高頻感應加熱

(加熱速度約為400C/S；,問兩者淬火溫度有何不同？淬火后組織和力學性能有何差別？

淬火溫度主要是根據(jù)含碳量來確定的，兩者都為AC3+30?50℃,使之完全奧氏體

化。差別主要在于：

(1)電爐加熱為整體處理，淬火后整體獲得M+Ar,工件整體具有高硬度特點：高頻感應

加熱為表面處理(心部一般先進行正火或調(diào)質(zhì))，淬火后表層獲得M+Ar,心部組織不變，

最終獲得“表硬心韌”的力學性能。

(2)電爐加熱速度慢，奧氏體晶粒較粗大，最終馬氏體組織晶粒更粗大，淬火后硬度相

當，但強度、韌性更低。

(3)電爐加熱速度慢，零件整體溫差和組織變化差異小，淬火應力更?。槐砻娲慊饍?nèi)外溫

差和組織變化差異大，淬火后應力大。

20.20鋼小件經(jīng)930C、5小時滲碳后，表面碳含量增至1.0樂試分析以下處理后表層和

心部的組織：

(1)滲碳后慢冷；

(2)滲碳后直接水淬并低溫回火；

(3)由滲碳溫度預冷到E20C保溫后水淬，再低溫回火；

(4)滲碳后慢冷至室溫，再加熱到780C,保溫后水淬，再低溫回火。

(1)表層組織為P+Fe3C,心部組織為F+P；

(2)表層組織為粗大回火馬氏體+Ar,心部組織為粗大低碳回火馬氏體+Ar；

(3)表層組織為高碳回火馬氏體+Ar,心部組織為低碳回火馬氏體+F+Ar：

(4)表層組織為高碳回火馬氏體+Fe3C+Ar,心部組織為低碳回火馬氏體+F+Ar。

相對而言⑷工件表層耐磨性、心部的韌性更好且淬火內(nèi)應力小，工件不易變形開裂。

6

21.調(diào)質(zhì)處理后的4()鋼齒輪，經(jīng)高頻加熱后的溫度分布如圖6-4()所示，試分析高頻水淬

后，輪齒由表面到中心各區(qū)(I,II,HI)的組織變化。

I----M+Ar；

II----M+Ar+F；

III——回火索氏體。

22.將一退火狀態(tài)的共析鋼零件

(010X100)整體加熱至800℃后，

將其A段浸入水中冷卻，B段空冷，

冷卻后零件的硬度如圖示(圖6-

41)o試判斷各點的顯微組織，并用

C曲線分析其形成原因。

23.若僅將題21中零件A段加熱至800C,B段不加熱(溫度低于A1),然后整體置于水

中冷卻。試問冷卻后零件各部位的組織和性能如何？寫出其大致硬度值并簡要分析原因。

A段：M+Ar66HRC高硬度、高耐磨性：

B段：原有組織P15?20HRC強硬度不高，塑韌性較好(良好綜合性能)

24.分析下列說法在什么情況下正確？在什么情況下不上確？

(1)鋼奧氏體化后，冷得愈快鋼的硬度愈高；

(2)淬火鋼硬而脆：

(3)鋼中含碳或含合金元素愈多，其淬火硬度愈高。

(1)

7

I)含碳量相同時：

V^Vk：正確

V>Vk：均獲M,此時硬度相等。不正確

2)含碳量不同時：鋼的硬度還與Wc相關(guān)

如：淬透性好的鋼可慢速獲得M,此時硬度取決于Wc

再如：卬c=0.2%鋼的正火硬度VWc=L2%鋼的退火便度

故：不正確

(2)高碳曲正確

低碳比不正確

(3)對合金鋼：不正確

對碳素鋼：Wc<0.6%正確

Wc20.6%M硬度穩(wěn)定在66HRC,不正確

25.下列零件的材料、熱處理或性能要求是否合理？為什么？

(1)某零件要求56?60ERC,用15或20鋼制造經(jīng)淬火來達到;

(2)采