第五章碳素鋼與鋼的熱處理習題解答

第五章碳素鋼與鋼的熱處理習題解答5-1在平衡條件下，45鋼、T8鋼、T12鋼的硬度、強度、塑性、韌性哪個大、哪個小?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，強度大小為：45鋼<T12鋼<T8鋼，塑性及韌性大小為：45鋼>T8鋼>T12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，因為隨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，強度也會增加，但當碳含量到了0.9%后，強度則會隨碳含量的增加而下降，因為碳含量超過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，導致了強度的下降。5-2為什么說碳鋼中的錳和硅是有益元素?硫和磷是有害元素?答：錳的脫氧能力較好，能清除鋼中的FeO，降低鋼的脆性；錳還能與硫形成MnS，以減輕硫的有害作用。硅的脫氧能力比錳強，在室溫下硅能溶人鐵素體，提高鋼的強度和硬度。硫在鋼中與鐵形成化合物FeS，F(xiàn)eS與鐵則形成低熔點(985℃)的共晶體分布在奧氏體晶界上。當鋼材加熱到1100～1200℃進行鍛壓加工時，晶界上的共晶體己熔化，造成鋼材在鍛壓加工過程中開裂，這種現(xiàn)象稱為“熱脆”。磷可全部溶于鐵素體，產(chǎn)生強烈的固溶強化，使鋼的強度、硬度增加，但塑性、韌性顯著降低。這種脆化現(xiàn)象在低溫時更為嚴重，故稱為“冷脆”。磷在結(jié)晶時還容易偏析，從而在局部發(fā)生冷脆。5-3說明Q235A、10、45、65Mn、T8、T12A各屬什么鋼?分析其碳含量及性能特點，并分別舉一個應(yīng)用實例。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)鋼中的高碳鋼且含錳量較高；T8屬于優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼；T12A屬于高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。Q235A的wC=0.14%~0.22%，其強度、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，如用于制造機器中受力不大的螺栓。10鋼的wC=0.07%~0.14%，其強度、硬度較低，塑性、韌性良好，用作焊接件、沖壓件和鍛件時的工藝性能良好，可用于制造機器中的墊圈、銷釘?shù)攘慵?5鋼的wC=0.42%~0.50%，其力學性能在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中居中，具有良好的綜合力學性能，應(yīng)用廣泛，如可用于制造內(nèi)燃機的曲軸等零件。T8鋼的wC=0.75%~0.84%，其強度、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鉸刀或絲錐等工具。5-4什么是熱處理?它由哪幾個階段組成?熱處理的目的是什么?答：1、鋼的熱處理是通過加熱、保溫和冷卻來改變鋼的內(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，顯著提高鋼的力學性能，延長零件的使用壽命；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；實際晶粒度、本質(zhì)晶粒度。過冷奧氏體——在A1溫度以下暫時存在的、處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體稱為過冷奧氏體。殘余奧氏體——過冷奧氏體在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的過程中，由于奧氏體的碳含量過高使轉(zhuǎn)變不能進行到底，即使過冷到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。馬氏體實質(zhì)上是碳在α-Fe中過飽和固溶體。下貝氏體——過冷奧氏體在350℃～Ms點溫度范圍內(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)，其中含過飽和碳的鐵素體呈針片狀，微細的ε碳化物(Fe2、4C)均勻而有方向地分布在針片狀鐵素體的內(nèi)部）。托氏體——過冷奧氏體在600℃~550℃等溫轉(zhuǎn)變時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——淬透性是指在規(guī)定條件下，決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性。淬硬性——淬硬性是指鋼在理想條件下進行淬火硬化所能達到的最高硬度的能力。臨界冷卻速度——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——淬火與高溫回火相結(jié)合的熱處理工藝，稱為“調(diào)質(zhì)”。實際晶粒度——在某一具體熱處理或熱加工條件下，實際獲得的奧氏體晶粒度。本質(zhì)晶粒度——將鋼加熱到930±10℃，保溫8h冷卻后測得的晶粒度。5-7畫出T8鋼的過冷奧氏體等溫轉(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)馬氏體+殘余奧氏體答：T8鋼的過冷奧氏體等溫轉(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），使開始轉(zhuǎn)變點在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)中，轉(zhuǎn)變終了點在索氏體轉(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，使開始轉(zhuǎn)變點在托氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在未完全轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w時冷卻到上馬氏體點以下（曲線3）；(4)先進行冷卻，使開始轉(zhuǎn)變點在托氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在未完全轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w時冷卻到上馬氏體點以上的下貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，進行等溫冷卻，在轉(zhuǎn)變未完全進行時再快冷到上馬氏體點以下（曲線4）；(5)用大于臨界冷卻速度的連續(xù)冷卻方式進行冷卻（曲線5）。5-8鋼中碳含量對馬氏體硬度有何影響?為什么?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，強度與硬度的增高比較明顯。但當鋼中wc>0.6％時，硬度的增高趨于平緩。這是由于奧氏體中碳含量增加，導致淬火后的殘余奧氏體量增多的緣故。5-9將T10鋼、T12鋼同時加熱到780℃進行淬火，問：(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，因為T12中的殘余奧氏體多一些。(3)T12鋼淬火后的耐磨性更好，因為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?各自的性能特點如何?為什么高碳馬氏體硬而脆?答：1、馬氏體實質(zhì)上是碳在α-Fe中過飽和固溶體。2、馬氏體的組織形態(tài)有板條狀和片狀兩種類型。當奧氏體中wc<0.2％的鋼淬火后，馬氏體的形態(tài)基本為板條狀，故板條狀馬氏體又稱為低碳馬氏體。當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。當奧氏體中的碳含量介于二者之間時，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度與硬度，同時還具有良好的塑性與韌性，即具有良好的綜合力學性能。而高碳的片狀馬氏體，由于碳的過飽和度大，晶格畸變嚴重，淬火內(nèi)應(yīng)力也較大，而且往往存在內(nèi)部顯微裂紋，所以呈現(xiàn)硬度高而脆性大的特點。5-11下面的幾種說法是否正確?為什么?(1)過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)細晶粒鋼加熱后的實際晶粒一定比本質(zhì)粗晶粒鋼的細。(4)淬火鋼回火后的性能主要取決于回火時的冷卻速度。(5)為了改善碳素工具鋼的切削加工性，其預(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)過冷奧氏體的冷卻速度越快，鋼冷卻后的硬度越高的說法不正確。這是因為鋼的硬度主要取決于過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法不正確。淬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)細晶粒鋼加熱后的實際晶粒一定比本質(zhì)粗晶粒鋼的細的說法不完全準確，因為本質(zhì)細晶粒鋼在930～950℃以下加熱，晶粒長大傾向較小，因此它的實際晶粒比本質(zhì)粗晶粒鋼的細，但在此溫度以上加熱，本質(zhì)細晶粒鋼的實際晶粒會比本質(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的冷卻速度的說法是錯誤的，因為回火時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，其預(yù)先熱處理應(yīng)采用完全退火的說法不正確，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法是錯誤的，因為鋼的淬硬性取決于馬氏體中的碳含量，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)用場合各項列成一表。答：高頻感應(yīng)加熱表面淬火氣體滲碳氣體滲氮軟氮化處理溫度800-1000℃900-950℃500-580℃500-570℃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M前：F+P，后：回火馬氏體+網(wǎng)狀Fe3CⅡ表層形成的氮化物含C、N的回火馬氏體及細小的C、N化合物表面耐磨性較好較好最好良好應(yīng)用場合承受扭轉(zhuǎn)、彎曲等交變負荷作用的工件同時有磨損、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，其強度、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：①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；②從使用性能上考慮，亞共析鋼選用正火，具有較好的力學性能。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，而淬火有開裂危險；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裂的危險時；③從經(jīng)濟性上考慮，優(yōu)先采用正火，正火生產(chǎn)周期短，耗能少，成本低，效率高，操作簡便。5-14淬火方法有幾種?各有何特點?答：淬火方法及各自的特點如下：①單介質(zhì)淬火：優(yōu)點：操作簡單，易實現(xiàn)機械化、自動化。缺點：水淬變形、開裂傾向大；油淬易產(chǎn)生硬度不足或不均。②雙介質(zhì)淬火：優(yōu)點：此方法利用了兩種介質(zhì)的優(yōu)點，減少了工件的變形和開裂。缺點：操作困難，不易掌握，要求操作技術(shù)高。③馬氏體分級淬火：優(yōu)點：通過在Ms點附近的保溫，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裂的傾向。缺點：鹽浴或堿浴冷卻能力較低。④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裂。⑤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，當調(diào)質(zhì)后和正火后的硬度相同時，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。因為鋼經(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度較高，塑性、韌性也顯著超過正火狀態(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性能，軸頸處要求硬而耐磨。(3)用T12鋼制造的銼刀，要求硬度為60～65HRC。(4)鍛造過熱的60鋼鍛坯，要求細化晶粒。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）。5-1745鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，硬度為240HBW，若再進行180℃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，若再進行560℃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，若再進行180℃回火，不能使其硬度提高。因為調(diào)質(zhì)處理得到的組織為回火索氏體，若再進行180℃回火，不會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，若再進行560℃回火，將會使其硬度降低。因為高溫回火將使低溫回火得到的回火馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)闉榛鼗鹚魇象w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35～40HRC。現(xiàn)材料中混入了T10鋼和10鋼。問由T10鋼和10鋼制成的螺釘，若仍按35鋼進行熱處理(淬火、回火)時，能否達到要求?為什么?答：均不能達到要求。10鋼按35鋼進行熱處理，淬火加熱時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鋼進行熱處理，淬火加熱時溫度過高，原有的滲碳體溶入奧氏體太多，且奧氏體晶粒粗化，使鋼的脆性增加。5-19化學熱處理包括哪幾個基本過程?常用的化學熱處理方法有哪幾種?各適用哪些鋼材?答：1、化學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。不論哪一種化學熱處理，都是通過以下三個基本過程完成的：①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。②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入鐵的晶格而形成固溶體或形成化合物。③擴散。被工件吸收的活性原子由表面向內(nèi)部擴散，形成一定厚度的擴散層(即滲層)。2、常用的化學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0.01~0.02mm，滲層硬度較低(約為54～59HRC)，故不宜用于重載條件下工作的零件。5-20擬用T12鋼制造銼刀，其工藝路線為：鍛造——熱處理——機加工——熱處理——柄部熱處理，試說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、機加工后的熱處理工序為：淬火+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。此時的硬度為58～64HRC，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)因工廠庫存的45鋼已用完，擬改用