機(jī)械制造基礎(chǔ)碳素鋼與鋼的熱處理習(xí)題解答

1、第五章碳素鋼與鋼的熱處理習(xí)題解答5-1在平衡條件下，45鋼、T8鋼、T12鋼的硬度、強(qiáng)度、塑性、 韌性哪個(gè)大、哪個(gè)小？變化規(guī)律是什么？原因何在？答：平衡條件下，硬度大小為：45鋼T8鋼T12鋼，強(qiáng)度大小 為：45鋼T12鋼T8鋼,塑性及韌性大小為：45鋼丁8鋼丁12鋼。變化規(guī)律為：隨著碳含量的增加鋼的硬度提高， 塑性和韌性則下 降，因?yàn)殡S著含量的增加組織中硬而脆的滲碳體的量也在增加；隨碳含量增加，強(qiáng)度也會(huì)增加，但當(dāng)碳含量到了0.9%后，強(qiáng)度則會(huì)隨碳含量的增加而下降，因?yàn)樘己砍^(guò) 0.9%后，鋼的平衡組織中出現(xiàn) 了脆而硬的網(wǎng)狀二次滲碳體，導(dǎo)致了強(qiáng)度的下降。5-2為什么說(shuō)碳鋼中的鎰和硅是有益元素

2、？硫和磷是有害元素？答：鎰的脫氧能力較好，能清除鋼中的 FeO,降低鋼的脆性；鎰 還能與硫形成MnS,以減輕硫的有害作用。硅的脫氧能力比鎰強(qiáng)，在 室溫下硅能溶入鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。硫在鋼中與鐵形成化合物 FeS FeSW鐵則形成低熔點(diǎn)(985 C)的 共晶體分布在奧氏體晶界上。當(dāng)鋼材加熱到11001200c進(jìn)行鍛壓加工時(shí)，晶界上的共晶體己熔化，造成鋼材在鍛壓加工過(guò)程中開(kāi)裂， 這種現(xiàn)象稱為“熱脆”。磷可全部溶于鐵素體，產(chǎn)生強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化， 使鋼的強(qiáng)度、硬度增加，但塑性、韌性顯著降低。這種脆化現(xiàn)象在低 溫時(shí)更為嚴(yán)重，故稱為“冷脆”。磷在結(jié)晶時(shí)還容易偏析，從而在局部發(fā)生冷脆5-3 說(shuō)明 Q2

3、35A、10、45、65Mn、T8、T12A 各屬什么鋼 ？分 析其碳含量及性能特點(diǎn)，并分別舉一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。答：Q235A屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼中的低碳鋼；10鋼屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié) 構(gòu)鋼中的低碳鋼；45鋼屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中的中碳鋼；65Mn屬于 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中的高碳鋼且含鎰量較高；T8屬于優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼； T12A屬于高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。Q235A的wc =0.14%0.22%,其強(qiáng)度、塑性等性能在碳素結(jié)構(gòu) 鋼中居中，工藝性能良好，故應(yīng)用較為廣泛，如用于制造機(jī)器中受力 不大的螺栓。10鋼的wc =0.07%0.14%,其強(qiáng)度、硬度較低，塑性、韌性良 好，用作焊接件、沖壓件和鍛件時(shí)的工藝性能良好，可用于

4、制造機(jī)器 中的墊圈、銷釘?shù)攘慵?5鋼的wc =0.42%0.50%,其力學(xué)性能在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中居 中，具有良好的綜合力學(xué)性能，應(yīng)用廣泛，如可用于制造內(nèi)燃機(jī)的曲 軸等零件。T8鋼的wc =0.75%0.84%,其強(qiáng)度、硬度和耐磨性較高，塑性、 韌性較低，可用于制造承受沖擊的沖頭等零件。T12A鋼的wc =1.15%1.24%,其強(qiáng)度、硬度和耐磨性較高，塑 性、韌性比T8鋼低，可用于制造不受沖擊的錢刀或絲錐等工具。5-4什么是熱處理？它由哪幾個(gè)階段組成 ？熱處理的目的是什么？答：1、鋼的熱處理是通過(guò)加熱、保溫和冷卻來(lái)改變鋼的內(nèi)部組 織或表面組織，從而獲得所需性能的工藝方法。2、熱處理由加熱、保

5、溫和冷卻組成。3、熱處理可以充分發(fā)揮鋼材的潛力，顯著提高鋼的力學(xué)性能， 延長(zhǎng)零件的使用壽命；還可以消除鑄、鍛、焊等熱加工工藝造成的各 種缺陷，為后續(xù)工序作好組織準(zhǔn)備。5-5鋼熱處理加熱后保溫的目的是什么？答：熱處理加熱后保溫的目的，一是為了使工件熱透，組織轉(zhuǎn)變 完全；二是為了獲得成分均勻的奧氏體，以便冷卻后得到良好的組織 與性能。5-6解釋下列名詞：過(guò)冷奧氏體、殘余奧氏體、馬氏體、下貝氏體、托氏體；淬透性、 淬硬性、臨界冷卻速度、調(diào)質(zhì)處理；實(shí)際晶粒度、本質(zhì)晶粒度。過(guò)冷奧氏體一一在 Ai溫度以下暫時(shí)存在的、處于不穩(wěn)定狀態(tài)的 奧氏體稱為過(guò)冷奧氏體。殘余奧氏體一一過(guò)冷奧氏體在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的過(guò)

6、程中， 由于奧氏體的碳含量過(guò)高使轉(zhuǎn)變不能進(jìn)行到底，即使過(guò)冷到Mf以下溫度，仍有一定量的奧氏體存在，這部分奧氏體稱為殘余奧氏體。馬氏體過(guò)冷奧氏體在 Ms至Mf之間的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體。馬 氏體實(shí)質(zhì)上是碳在o-Fe中過(guò)飽和固溶體。下貝氏體 過(guò)冷奧氏體在 350CMs點(diǎn)溫度范圍內(nèi)等溫轉(zhuǎn)變形成的貝氏體稱為下貝氏體（下貝氏體呈黑色針片狀形態(tài)，其中含過(guò)飽和碳的鐵素體呈針片狀，微細(xì)的碳化物(Fa、4 C)均勻而有方向地分布在針片狀鐵素體的內(nèi)部)。托氏體一一過(guò)冷奧氏體在 600C 550 c等溫轉(zhuǎn)變時(shí)分解為鐵素 體與滲碳體的片層狀混合物(一種珠光體組織)。淬透性一一淬透性是指在規(guī)定條件下，決定鋼材淬硬深度和硬度

7、 分布的特性。淬硬性一一淬硬性是指鋼在理想條件下進(jìn)行淬火硬化所能達(dá)到 的最高硬度的能力。臨界冷卻速度一一只發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的最小冷卻速度，稱為臨界 冷卻速度。調(diào)質(zhì)處理一一淬火與高溫回火相結(jié)合的熱處理工藝，稱為“調(diào) 質(zhì)”。實(shí)際晶粒度一一在某一具體熱處理或熱加工條件下，實(shí)際獲得的奧氏體晶粒度。本質(zhì)晶粒度一一將鋼加熱到930與0C,保溫8h冷卻后測(cè)得的晶 粒度。5-7畫出T8鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線。為了獲得以下組 織，應(yīng)采用什么冷卻方法 ？并在等溫轉(zhuǎn)變曲線上畫出冷卻曲線示意 圖。(1)索氏體+珠光體(2)全部下貝氏體(3)托氏體+馬氏體+ 殘余奧氏體(4)托氏體+下貝氏體+馬氏體+殘余奧氏體(5)

8、馬氏體+殘余奧氏體答：T8鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線如圖。(1)用速度較慢的連續(xù)冷卻方式(如隨爐冷卻，曲線1),使開(kāi)始轉(zhuǎn)變點(diǎn)在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)中，轉(zhuǎn)變終了點(diǎn)在索氏體轉(zhuǎn)變區(qū)中；(2)用等溫轉(zhuǎn)變方式，快冷至下貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，等溫冷卻至轉(zhuǎn)變結(jié)束，再冷卻到室溫(曲線 2);(3)用連續(xù)冷卻方式，使開(kāi)始轉(zhuǎn)變點(diǎn)在托氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在未完全轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w時(shí)冷卻到上馬氏體點(diǎn)以下(曲線 3);(4)先進(jìn)行冷卻，使開(kāi)始轉(zhuǎn)變點(diǎn)在托氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在未完全轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w時(shí)冷卻到上馬氏體點(diǎn)以上的下貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，進(jìn)行等溫冷卻，在轉(zhuǎn)變未完全進(jìn)行時(shí)再快冷到上馬氏體點(diǎn)以下(曲線4);5）。(5)5）。5-8鋼中碳含量對(duì)馬氏體硬度有何影響？為

9、什么？答：馬氏體的硬度主要取決于馬氏體中的碳含量。隨著碳含量的 增加，馬氏體的硬度也隨之增高，尤其是在碳含量較低時(shí)，強(qiáng)度與硬 度的增高比較明顯。但當(dāng)鋼中 Wc 0.6 %時(shí)，硬度的增高趨于平緩。 這是由于奧氏體中碳含量增加，導(dǎo)致淬火后的殘余奧氏體量增多的緣 故。5-9 將T10鋼、T12鋼同時(shí)加熱到780c進(jìn)行淬火,問(wèn)：(1)淬火后各得到什么組織？(2)淬火馬氏體的碳含量及硬度是否相同 ？為什么？(3)哪一種鋼淬火后的耐磨性更好些 ？為什么？答：(1) T10鋼和T12鋼淬火后的組織均為馬氏體、 未溶滲碳體和 殘余奧氏體。(2)淬火馬氏體的碳含量和硬度相近，因?yàn)?T12中的殘余奧氏體 多一些。

10、(3) T12鋼淬火后的耐磨性更好，因?yàn)?T12中的未溶滲碳體更多 一些。5-10馬氏體的本質(zhì)是什么 ？其組織形態(tài)分哪兩種？各自的性能 特點(diǎn)如何？為什么高碳馬氏體硬而脆？答：1、馬氏體實(shí)質(zhì)上是碳在 eFe中過(guò)飽和固溶體。2、馬氏體的組織形態(tài)有板條狀和片狀兩種類型。當(dāng)奧氏體中wC 1%的鋼淬火后，馬氏體的形態(tài)基本為片 狀，故片狀馬氏體又稱為高碳馬氏體。當(dāng)奧氏體中的碳含量介于二者之間時(shí)，淬火后為兩種馬氏體的混合組織3、低碳的板條狀馬氏體不僅具有較高的強(qiáng)度與硬度，同時(shí)還具 有良好的塑性與韌性，即具有良好的綜合力學(xué)性能。而高碳的片狀馬 氏體，由于碳的過(guò)飽和度大，晶格畸變嚴(yán)重，淬火內(nèi)應(yīng)力也較大，而 且往

11、往存在內(nèi)部顯微裂紋，所以呈現(xiàn)硬度高而脆性大的特點(diǎn)。5-11下面的幾種說(shuō)法是否正確 ？為什么？(1)過(guò)冷奧氏體的冷卻速度越快，鋼冷卻后的硬度越高。(2)鋼中合金元素越多，則淬火后硬度就越高。(3)本質(zhì)細(xì)晶粒鋼加熱后的實(shí)際晶粒一定比本質(zhì)粗晶粒鋼的細(xì)。(4)淬火鋼回火后的性能主要取決于回火時(shí)的冷卻速度。(5)為了改善碳素工具鋼的切削加工性，具預(yù)先熱處理應(yīng)采用完 全退火。(6)淬透性好的鋼，其淬硬性也一定好。答：(1)過(guò)冷奧氏體的冷卻速度越快，鋼冷卻后的硬度越高的說(shuō) 法不正確。這是因?yàn)殇摰挠捕戎饕Q于過(guò)冷奧氏體的碳含量及馬氏 體的組織形態(tài)。(2)鋼中合金元素越多，則淬火后硬度就越高的說(shuō)法不正確。淬

12、硬性的高低主要取決于鋼中含碳量 。鋼中含碳量越高，淬硬性越好。(3)本質(zhì)細(xì)晶粒鋼加熱后的實(shí)際晶粒一定比本質(zhì)粗晶粒鋼的細(xì)的 說(shuō)法不完全準(zhǔn)確，因?yàn)楸举|(zhì)細(xì)晶粒鋼在930950 c以下加熱，晶粒長(zhǎng)大傾向較小，因此它的實(shí)際晶粒比本質(zhì)粗晶粒鋼的細(xì)，但在此溫度以上加熱，本質(zhì)細(xì)晶粒鋼的實(shí)際晶粒會(huì)比本質(zhì)粗晶粒鋼的粗。(4)淬火鋼回火后的性能主要取決于回火時(shí)的冷卻速度的說(shuō)法 是錯(cuò)誤的，因?yàn)榛鼗饡r(shí)決定鋼的組織和性能的主要因素是回火溫度。(5)為了改善碳素工具鋼的切削加工性，具預(yù)先熱處理應(yīng)采用完 全退火的說(shuō)法不正確，正確的做法應(yīng)該采用球化退火。(6)淬透性好的鋼，其淬硬性也一定好的說(shuō)法是錯(cuò)誤的，因?yàn)殇?的淬硬性取決于

13、馬氏體中的碳含量，碳含量越高，淬火后硬度越高。5-12歸納高頻感應(yīng)加熱淬火、氣體滲碳、氣體滲氮的工藝，就 處理溫度、適用鋼材、熱處理方法、熱處理前后的表面組織、表面耐 磨性和應(yīng)用場(chǎng)合各項(xiàng)列成一表。高頻感應(yīng)加熱 表面淬火氣體滲碳?xì)怏w滲氮軟氮化處理溫度800-1000 C|900-950C500-580 C500-570C適用鋼材0.4-0.5%C 的 中碳鋼含 0.1-0.25%C的低碳鋼含 Cr、Mo、 Al、Ti、V 的 中碳鋼低、中碳鋼熱處理方法表面加熱淬火 再低溫回火滲碳后淬火再 低溫回火滲氮碳氮共滲，淬 火后低溫回火熱處理前后的 表面組織前：F+P,后：極細(xì)M前：F+P,后： 回火馬氏

14、體+ 網(wǎng)狀Fe3Cn表層形成的氮 化物含C、N的回 火馬氏體及細(xì) 小的C、N化 合物表面耐磨性較好較好最好良好應(yīng)用場(chǎng)合承受扭轉(zhuǎn)、彎 曲等父父負(fù)荷 作用的工件同時(shí)有磨損、 受沖擊的零件耐磨性、精度 要求高的零件 及耐熱、耐磨 及耐蝕件小型耐磨件， 模具、量具等5-13正火與退火的主要區(qū)別是什么？生產(chǎn)中應(yīng)如何選擇正火與退火？答：正火與退火的主要區(qū)別在于正火加熱溫度高， 鋼完全奧氏體 化和空冷，冷卻速度快。正火組織較細(xì)，其強(qiáng)度、硬度比退火高一些。生產(chǎn)中正火與退火的選用從以下三方面考慮：從切削加工性考慮。預(yù)備熱處理，低碳鋼選擇正火，以提高硬度，改善其切削加工性，高碳鋼選擇退火，正火后硬度太高；從使用性

15、能上考慮，亞共析鋼選用正火，具有較好的力學(xué)性能。如果零件的性能要求不很高，則可用正火作為最終熱處理；大型、重 型零件采用正火作為最終熱處理， 而淬火有開(kāi)裂危險(xiǎn)；零件的形狀復(fù)雜用退火為宜，正火冷卻速度較快也有引起開(kāi)裂的危險(xiǎn)時(shí)；從經(jīng)濟(jì)性上考慮，優(yōu)先采用正火，正火生產(chǎn)周期短，耗能少，成本低，效率高，操作簡(jiǎn)便。5-14淬火方法有幾種？各有何特點(diǎn)？答：淬火方法及各自的特點(diǎn)如下：?jiǎn)谓橘|(zhì)淬火：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化。缺點(diǎn): 水淬變形、開(kāi)裂傾向大；油淬易產(chǎn)生硬度不足或不均。雙介質(zhì)淬火：優(yōu)點(diǎn)：此方法利用了兩種介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，減少了工 件的變形和開(kāi)裂。缺點(diǎn)：操作困難，不易掌握，要求操作技術(shù)高。馬氏體分級(jí)

16、淬火：優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)在 Ms點(diǎn)附近的保溫，使工件的 內(nèi)外溫差減小到最小，有效地減小了工件淬火的內(nèi)應(yīng)力，降低了工件 變形和開(kāi)裂的傾向。缺點(diǎn)：鹽浴或堿浴冷卻能力較低。貝氏體等溫淬火：得到下貝氏體組織，硬度不如馬氏體組織，但具有較高的強(qiáng)度、硬 度、韌性、耐磨性等的良好配合；可顯著地減少淬火應(yīng)力和變形，避免了工件的淬火開(kāi)裂。冷處理：減少鋼件中的殘余奧氏體量，提高硬度和耐磨性，穩(wěn) 定尺寸。5-15同一種鋼材，當(dāng)調(diào)質(zhì)后和正火后的硬度相同時(shí)，兩者在組 織和性能上是否相同？為什么？答：鋼經(jīng)正火后或調(diào)質(zhì)后的硬度值很相近， 但在組織和性能上則 不相同。因?yàn)殇摻?jīng)調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體組織，其中滲碳體呈粒狀，而正火得到

17、的索氏體呈層片狀。因此，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的鋼不僅其 強(qiáng)度較高，塑性、韌性也顯著超過(guò)正火狀態(tài)。5-16確定下列工件的熱處理方法：(1)用60鋼絲熱成形的彈簧。(2)用45鋼制造的軸，心部要求有良好的綜合力學(xué)性能，軸頸 處要求硬而耐磨。(3)用T12鋼制造的鋰刀，要求硬度為 6065HRC。(4)鍛造過(guò)熱的60鋼鍛坯，要求細(xì)化晶粒。答：各種工件的熱處理方法分別為：(1)淬火+中溫回火。(2)調(diào)質(zhì)+感應(yīng)加熱淬火(軸頸處)。(3)淬火+低溫回火。(4)完全退火(或等溫退火)。5-17 45鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，硬度為240HBW,若再進(jìn)行180 c回火，能否使其硬度提高？為什么？又45鋼經(jīng)淬火、低溫回火后，若再

18、進(jìn)行560c回火，能否使其硬度降低 ？為什么？答：1、45鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，若再進(jìn)行180c回火，不能使其硬 度提高。因?yàn)檎{(diào)質(zhì)處理得到的組織為回火索氏體，若再進(jìn)行 180c回 火，不會(huì)改變回火索氏體的組織形態(tài)。2、45鋼經(jīng)淬火、低溫回火后，若再進(jìn)行 560c回火，將會(huì)使其 硬度降低。因?yàn)楦邷鼗鼗饘⑹沟蜏鼗鼗鸬玫降幕鼗瘃R氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)?為回火索氏體組織，因而使其硬度降低。5-18現(xiàn)有一批螺釘，原定由35鋼制成，要求其頭部熱處理后 硬度為3540HRC。現(xiàn)材料中混入了 T10鋼和10鋼。問(wèn)由T10鋼和 10鋼制成的螺釘，若仍按35鋼進(jìn)行熱處理（淬火、回火）時(shí)，能否 達(dá)到要求？為什么？答：均不能達(dá)到要

19、求。10鋼按35鋼進(jìn)行熱處理，淬火加熱時(shí)由 于溫度低不能完全奧氏體化，淬火再回火后組織中有鐵素體則太軟。 T10鋼按35鋼進(jìn)行熱處理，淬火加熱時(shí)溫度過(guò)高，原有的滲碳體溶 入奧氏體太多，且?jiàn)W氏體晶粒粗化，使鋼的脆性增加。5-19化學(xué)熱處理包括哪幾個(gè)基本過(guò)程 ？常用的化學(xué)熱處理方 法有哪幾種？各適用哪些鋼材？答：1、化學(xué)熱處理按滲入元素的不同可分為滲碳、滲氮、碳氮共 滲、滲硼、滲金屬等。不論哪一種化學(xué)熱處理，都是通過(guò)以下三個(gè)基 本過(guò)程完成的：分解。介質(zhì)在一定溫度下發(fā)生分解，產(chǎn)生滲入元 素的活性原子，如C、N等。吸收。活性原子被工件表面吸收， 也就是活性原子由鋼的表面進(jìn)入鐵的晶格而形成固溶體或形成化

20、合物。擴(kuò)散。被工件吸收的活性原子由表面向內(nèi)部擴(kuò)散，形成一定 厚度的擴(kuò)散層(即滲層)。2、常用的化學(xué)熱處理方法及適用鋼材有：(1)滲碳。根據(jù)滲碳介質(zhì)的不同，滲碳方法可分為固體滲碳、氣 體滲碳、液體滲碳三種。其中應(yīng)用最廣的是氣體滲碳法。滲碳適用于 低碳鋼或低碳合金鋼。(2)滲氮。又分為氣體滲氮和離子滲氮兩種。 為保證滲氮零件的 質(zhì)量，滲氮適用于鋼材中含與氮親和力大的 Al、Cr、Mo、Ti、V等 合金元素的中碳合金鋼，如 38CrMoAlA、35CrAlA、38CrMo等。(3)氣體碳氮共滲。氣體碳氮共滲可分為中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體氮碳共滲兩類。中溫氣體碳氮共滲適用的鋼種大多為中、 低碳 的碳

21、鋼或合金鋼；低溫氣體氮碳共滲適用的鋼種大多為高、 中碳的碳 鋼或合金鋼。但由于滲層太薄，僅有0.010.02mm,滲層硬度較低(約 為5459HRC),故不宜用于重載條件下工作的零件。5-20擬用T12鋼制造鋰刀，具工藝路線為：鍛造 一一熱處理 機(jī)加工一一熱處理一一柄部熱處理，試說(shuō)明各熱處理工序的名 稱、作用，并指出熱處理后的大致硬度和顯微組織。答：1、鍛造后采用球化退火的熱處理工序， 其作用是降低硬度， 便于切削加工。此時(shí)的硬度為207HBW,獲得的組織為：在鐵素體基 體上均勻分布著球狀(粒狀)滲碳體，稱為球狀珠光體組織。2、機(jī)加工后的熱處理工序?yàn)椋捍慊?低溫回火，其作用是保持淬火后的高硬度和高耐磨性，降低淬火冷卻應(yīng)力和脆性，提高塑性和韌 性。此時(shí)的硬度為5864HRC,顯微組織為回火馬氏體。3、柄部采用去應(yīng)力退火的熱處理工序，其作用是降低柄部的內(nèi) 應(yīng)力。去應(yīng)力退火過(guò)程不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。5-21有一凸輪軸，要求表面有高的硬度 (50HRC),心部具有 良好的韌性；原用45鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，高頻淬火、低溫回火 可滿足要求?，F(xiàn)因工廠庫(kù)存的45鋼已用完，擬