金屬學與熱處理課后習題答案10

金屬學與熱處理課后習

題答案10

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第十章 鋼的熱處理工藝

10-1 何謂鋼的退火退火種類及用途如何

答：

鋼的退火：退火是將鋼加熱至臨界點AC1以上或以下溫度，保溫一定時間以后

隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態組織的熱處理工藝。

退火種類：根據加熱溫度可以分為在臨界溫度AC1以上或以下的退火，前者包

括完全退火、不完全退火、球化退火、均勻化退火，后者包括再結晶退火、去

應力退火，根據冷卻方式可以分為等溫退火和連續冷卻退火。

退火用途：

1、 完全退火：完全退火是將鋼加熱至AC3以上20-30℃，保溫足夠長時

間，使組織完全奧氏體化后隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態組織的熱處理

工藝。其主要應用于亞共析鋼，其目的是細化晶粒、消除內應力和加工硬

化、提高塑韌性、均勻鋼的化學成分和組織、改善鋼的切削加工性能，消除

中碳結構鋼中的魏氏組織、帶狀組織等缺陷。

2、 不完全退火：不完全退火是將鋼加熱至AC1- AC3（亞共析鋼）或AC1-

ACcm（過共析鋼）之間，保溫一定時間以后隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡

狀態組織的熱處理工藝。對于亞共析鋼，如果鋼的原始組織分布合適，則可

采用不完全退火代替完全退火達到消除內應力、降低硬度的目的。對于過共

析鋼，不完全退火主要是為了獲得球狀珠光體組織，以消除內應力、降低硬

度，改善切削加工性能。

3、 球化退火：球化退火是使鋼中碳化物球化，獲得粒狀珠光體的熱處理工

藝。主要用于共析鋼、過共析鋼和合金工具鋼。其目的是降低硬度、改善切

削加工性能，均勻組織、為淬火做組織準備。

4、 均勻化退火：又稱擴散退火，它是將鋼錠、鑄件或鍛軋坯加熱至略低于

固相線的溫度下長時間保溫，然后緩慢冷卻至室溫的熱處理工藝。其目的是

消除鑄錠或鑄件在凝固過程中產生的枝晶偏析及區域偏析，使成分和組織均

勻化。

5、 再結晶退火：將冷變形后的金屬加熱到再結晶溫度以上保持適當時間，

然后緩慢冷卻至室溫的熱處理工藝。其目的是使變形晶粒重新轉變為均勻等

軸晶粒，同時消除加工硬化和殘留內應力，使鋼的組織和性能恢復到冷變形

前的狀態。

6、 去應力退火：在冷變形金屬加熱到再結晶溫度以下某一溫度，保溫一段

時間然后緩慢冷卻至室溫的熱處理工藝。其主要目的是消除鑄件、鍛軋件、

焊接件及機械加工工件中的殘留內應力（主要是第一類內應力），以提高尺

寸穩定性，減小工件變形和開裂的傾向。

10-2 何謂鋼的正火目的如何有何應用

答：

鋼的正火：正火是將鋼加熱到AC3或Accm以上適當溫度，保溫適當時間進行

完全奧氏體化以后，以較快速度（空冷、風冷或噴霧）冷卻，得到珠光體類組

織的熱處理工藝。正火過程的實質是完全奧氏體化加偽共析轉變。

目的：細化晶粒、均勻成分和組織、消除內應力、調整硬度、消除魏氏組織、

帶狀組織、網狀碳化物等缺陷，為最終熱處理提供合適的組織狀態。

應用：

1、 改善低碳鋼的切削加工性能。

2、 消除中碳鋼的熱加工缺陷（魏氏組織、帶狀組織、粗大晶粒）。

3、 消除過共析鋼的網狀碳化物，便于球化退火，為淬火做好組織準備。

4、 作為最終熱處理，提高普通結構件的力學性能。

10-3 在生產中為了提高亞共析鋼的強度，常用的方法是提高亞共析鋼中珠光體

的含量，問應該采用什么熱處理工藝

答：

應該采用正火工藝。

原因：亞共析鋼過冷奧氏體在冷卻過程中會析出先共析鐵素體，冷卻速度越

慢，先共析鐵素體的含量越多，從而導致珠光體的含量變少，降低亞共析鋼的

硬度和強度。而正火工藝的實質就是完全奧氏體化加上偽共析轉變，可以通過

增大冷卻速度降低先共析鐵素體的含量，使亞共析成分的鋼轉變成共析組織，

即增加了珠光體的含量，從而可以提高亞共析鋼的強度和硬度。

10-4 淬火的目的是什么淬火方法有幾種比較幾種淬火方法的優缺點

答：

淬火的目的：獲得盡量多的馬氏體，可以顯著提高鋼的強度、硬度、耐磨性，

與各種回火工藝相配合可以使鋼在具有高強度高硬度的同時具有良好的塑韌性

將鋼加熱至臨界點AC3或AC1以上一定溫度，保溫適當時間后以大于臨界冷卻

速度的冷速冷卻得到馬氏體（或下貝氏體）的熱處理工藝叫做淬火。

淬火方法：按冷卻方式可以分為：單液淬火法、雙液淬火法、分級淬火法、等

溫淬火法

優缺點比較：

淬火方法優點缺點

1、只適用于小尺寸且形狀簡單的工件

2、淬火應力大

單液淬火法操作簡單、應用廣泛

1、

雙液淬火法傾向操作不容易控制，需要求豐富的經驗和熟練的技術

降低組織應力，減

小工件變形、開裂的

2、

適用于尺寸較大的

工件

1、降低熱應力和組織應

力，減小工件變形、開裂

的傾向2、操作相對容易

控制

1、

降低熱應力和組織

應力，顯著減小工件

變形、開裂傾向

2、

適宜處理形狀復

雜、尺寸要求精密的

工件

3、不容易選擇冷卻能力和冷卻特性較合適的冷卻

介質

分級淬火法只適用于尺寸較小的工件

等溫淬火法只適用于尺寸較小的工件

10-5 試述亞共析鋼和過共析鋼淬火加熱溫度的選擇原則。為什么過共析鋼淬火

加熱溫度不能超過Accm線

答：

淬火加熱溫度選擇原則：以得到均勻細小的奧氏體晶粒為原則，以便獲得細小

的馬氏體組織。亞共析鋼通常加熱至AC3以上30-50℃，過共析鋼加熱至AC1

以上30-50℃.

1、過共析鋼的淬火加熱溫度超過Accm線，碳化物全部溶入奧氏體中，使奧氏

體的含碳量增加，降低鋼的Ms和Mf點，淬火后殘留奧氏體量增多，會降低鋼

的硬度和耐磨性

2、過共析鋼淬火溫度過高，奧氏體晶粒粗化、含碳量又高，淬火后易得到有顯

微裂紋的粗針狀馬氏體，降低鋼的塑韌性

3、高溫淬火時淬火熱應力大，氧化脫碳嚴重，也增大鋼件變形和開裂的傾向。

10-6 何謂鋼的淬透性、淬硬性影響鋼的淬透性、淬硬性及淬透層深度的因素

答：

淬透性：鋼的淬透性是指奧氏體化后的鋼在淬火時獲得馬氏體的能力，它反映

過冷奧氏體的穩定性，與鋼的臨界冷卻速度有關。其大小以鋼在一定條件下淬

火獲得的淬透層深度和硬度分布來表示。

淬硬性：鋼的淬硬性是指奧氏體化后的鋼在淬火時硬化的能力，主要取決于馬

氏體中的含碳量，用淬火馬氏體可能達到的最高硬度來表示。

淬透層深度：淬透層深度是指鋼在具體條件下淬火時測定的半馬氏體區至工件

表面的深度。它與鋼的淬透性、工件形狀尺寸、淬火介質的冷卻能力有關。

10-7 有一圓柱形工件，直徑35mm，要求油淬后心部硬度大于45HRC，能否采

用40Cr鋼

答：解答此題需用到40Cr的淬透性曲線圖（端淬曲線圖）

根據手冊可以查到40Cr端淬曲線圖，直徑35mm圓柱工件在油淬后的心部硬度

范圍為34-50HRC（鋼的淬透性受化學成分、晶粒度、冶煉情況等因素素影響，

一條淬透性曲線實際上是一條淬透性帶），也就是是說心部硬度有可能大于

45HRC，也有可能小于45HRC，所以不建議使用40Cr鋼。

10-8 有一40Cr鋼圓柱形工件，直徑50mm，求油淬后其橫截面的硬度分布

答：解答此題需用到40Cr的淬透性曲線圖（端淬曲線圖）

根據手冊可以查到40Cr端淬曲線圖，查圖可得：

油淬后中心硬度范圍：

油淬后距中心3/4R硬度范圍： HRC

油淬后表面硬度范圍：45-57HRC

10-9 何謂調質處理回火索氏體比正火索氏體的力學性能為何較優越

答：

調質處理：習慣上將淬火加高溫回火稱為調質處理，其目的是為了獲得既有較

高的強度、硬度，又有良好的塑性及沖擊韌性的綜合力學性能。

性能比較：

在相同硬度條件下，回火索氏體和正火索氏體抗拉強度相近，但回火索氏體的

屈服強度、塑性、韌性等性能都優于正火索氏體。

這是因為，回火索氏體是由淬火馬氏體分解而得到，其組織為鐵素體加顆粒狀

碳化物。而正火索氏體是由過冷奧氏體直接分解而來，其組織為鐵素體加片狀

碳化物。正火索氏體受力時，位錯的運動被限制在鐵素體內，當位錯運動至片

狀碳化物界面時形成很大的平面位錯塞積群，使基體產生很大的應力集中，易

使碳化物脆斷或形成微裂紋。而粒狀碳化物對鐵素體的變形阻礙作用大大減

弱，塑性和韌性得到提高，當粒狀碳化物均勻地分布在塑性基體上是，由于位

錯和第二相粒子的交互作用產生彌散強化或沉淀強化，提高鋼的塑性變形抗

力，從而提高強度。

因此相比較正火索氏體，回火索氏體具有更好的強度、塑性、韌性等性能。

10-10 為了減少淬火冷卻過程中的變形和開裂，應當采取什么措施

答：

變形和開裂原因：由于冷卻過程中工件內外溫度的不均勻性以及相變的不同時

性造成工件中產生的內應力，淬火內應力分為熱應力和組織應力兩種。當淬火

應力超過材料的屈服強度時，就會產生塑性變形，當淬火應力超過材料的斷裂

強度時，工件則發生開裂。

應采取的措施（工藝角度）：

1、 控制淬火加熱溫度不宜過高：加熱溫度高，奧氏體晶粒粗化，淬火后得

到粗大的馬氏體，應力和脆性均顯著增大。而且高溫加熱，氧化脫碳嚴重，

也增大鋼件變形和開裂傾向。

2、 選擇適當的冷卻方法：降低馬氏體轉變時的冷卻速度，可以降低馬氏體

的轉變速度，減少淬火應力，降低工件變形和開裂的傾向。

3、 選擇合適的淬火冷卻介質：具有理想冷卻特性（珠光體轉變點以上冷速

較慢，快速通過C曲線鼻尖，在Ms點以下緩慢冷卻）的冷卻介質可以在獲

得馬氏體組織前提下減少淬火應力，降低工件變形和開裂的傾向。

10-11 現有一批45鋼普通車床傳動齒輪，其工藝路線為鍛造-熱處理-機械加工-

高頻感應加熱淬火-回火。試問鍛后應進行何種熱處理為什么

答：

鍛后熱處理：完全退火或不完全退火

原因：中碳結構鋼鑄件、鍛軋件中，可能存在魏氏組織、帶狀組織、晶粒粗大

等缺陷，粗大的魏氏組織顯著降低鋼的塑性和韌性，帶狀組織使鋼的性能具有

方向性。完全退火可以細化晶粒，消除內應力，消除魏氏組織和帶狀組織缺

陷。如果其鍛造工藝正常，原始組織分布合適，只是珠光體片間距小、硬度偏

高、內應力較大，則可以用不完全退火代替完全退火。

10-12 有一直徑10mm的20鋼制工件，經滲碳熱處理后空冷，隨后進行正常的

淬火、回火處理，試分析滲碳空冷后及淬火、回火后，由表面到心部的組

織。

答：

表層組織：高碳細針狀回火馬氏體及少量殘余奧氏體

心部組織：先共析鐵素體和珠光體

10-13 設有一種490柴油機連桿，直徑12mm，長77mm，材料為40Cr，調質處

理。要求淬火后心部硬度大于45HRC，調質處理后心部硬度為22-

33HRC。試制定熱處理工藝。

答：解答此題需要40Cr臨界相變點AC3和淬透性曲線（通過查手冊：

AC3=782℃）

熱處理工藝：

奧氏體化溫度=AC3+（30-50℃），取820℃

保溫時間=KD=15min，K=min

根據40Cr的淬透性曲線可以得出，直徑12mm的40Cr鋼油淬后的心部硬度最

低為47 HRC。

查手冊可以發現40Cr在650℃回火，其硬度為25-30HRC，符合心部硬度要求。

回火時間= KD=24min，K=2mm/min，為防止產生回火脆性回火后冷卻可采用空

冷或水冷。

熱處理工藝為：將連桿加熱至820℃保溫15min，油淬至室溫，再加熱至650℃

保溫24min，空冷至室溫。

10-14 寫出20Cr2Ni4A鋼重載滲碳齒輪的冷、熱加工工序安排，并說明熱處理所

起的作用。

答：

冷、熱加工工序安排：冶煉-鑄造-擴散退火-鍛造-完全退火-粗加工-滲碳-（淬火

+回火）-精加工

熱處理所起作用：

擴散退火：消除凝固過程的枝晶偏析和區域偏析，均勻化學成分和組織。

完全退火：細化晶粒、均勻鋼的化學成分和組織、消除內應力和加工硬化、消

除魏氏組織和帶狀組織等缺陷、改善鋼的切削加工性能。

滲碳：使活性碳原子滲入齒輪表面，獲得一定深度高碳滲層（一般碳含量：，

滲層深度：）

淬火-回火：使齒輪表面獲得高碳細針狀回火馬氏體組織+少量殘留奧氏體，具

有高硬度、良好的耐磨性以及接觸疲勞強度；使心部獲得低碳板條回火馬氏體+

少量鐵素體組織，具有較高的強度和良好的塑韌性。

10-15 指出直徑10mm的45鋼（退火狀態），經下列溫度加熱并水冷所獲得的

組織：700℃、760℃、840℃。

答：解答此題需找到45鋼的臨界相變點AC1和AC3（可查手冊得知：

AC1=724℃，AC3=780℃）

700℃：將45鋼加熱至700℃未發生珠光體組織向奧氏體轉變，因此水冷時無

奧氏體向馬氏體轉變，所以水冷后的組織仍為退火狀態的組織：珠光體+塊狀鐵

素體

760℃：760℃介于AC1和AC3之間，在此溫度加熱保溫，珠光體組織轉變為奧

氏體，但保留一部分先共析鐵素體和未熔的滲碳體顆粒，水冷時發生奧氏體向

馬氏體的轉變，所以水冷后的組織為：馬氏體+塊狀鐵素體+粒狀碳化物

840℃：在此溫度下保溫，鐵素體+珠光體組織將全部轉變為奧氏體，水冷后的

組織為馬氏體+殘留奧氏體

10-16 T10鋼經過何種熱處理能獲得下述組織：

1）粗片狀珠光體+少量球狀滲碳體

2）細片狀珠光體

3）細球狀珠光體

4）粗球狀珠光體

答：

熱處理工藝（待論證）：

1）粗片狀珠光體+少量球狀滲碳體：亞溫加熱+等溫退火

2）細片狀珠光體：正火處理

3）細球狀珠光體：淬火+中溫回火或循環球化退火工藝

4）粗球狀珠光體：淬火+高溫回火或球化退火工藝

10-17 一零件的金相組織是：在黑色的馬氏體基體上分布有少量的珠光體組織，

問此零件原來是如何熱處理的

答：

熱處理工藝（待論證）：

淬火+低溫回火，淬火得到馬氏體基體+殘留奧氏體，經低溫回火后馬氏體變成

黑色針狀回火馬氏體，殘留奧氏體轉變為珠光體。