金屬學(xué)與熱處理課后習(xí)題第十一章

第十一章參考答案

11-1試述影響材料強度的因素及提高強度的方法

答：（D影響材料強度的因素：化學(xué)成分、組織織構(gòu)、加工工藝、形變溫度、應(yīng)

變速率等。

以鋼為例，合金元素的加入可能產(chǎn)生固溶強化、沉淀強化、細(xì)晶強化，對提高鋼

材的強度有利。對于同一化學(xué)成分的合金而言，組織結(jié)構(gòu)不同，其力學(xué)性能也不

相同。為了提高其強度，可通過轉(zhuǎn)變熱處理工藝或加工工藝來實現(xiàn)。一般狀況下，

降低形變溫度或提高應(yīng)變速率，合金的強度會增大。

（2）提高材料強度的途徑：加工硬化/形變強化、固溶強化、其次相強化（沉淀

強化和彌散強化）、細(xì)晶強化/晶界強度（較低溫度）。

11-2試述影響材料塑性的因素及提高塑性的方法

答：（1）影響材料塑性的因素：化學(xué)成分、組織織構(gòu)、加工工藝、形變溫度、應(yīng)

變速率等。雜質(zhì)元素通常對塑性不利，合金元素的加入一般對提高材料的強度有

貢獻(xiàn)，在等強溫度下，只有晶界強化可以提高強度的同時，提高其韌性，使材料

獲得細(xì)晶組織結(jié)構(gòu)可提高其塑性。一般而言，形變溫度的降低或應(yīng)變速率的提高

對強度有利，而對提高塑性不利。

（2）提高材料塑性的途徑：降低材料中雜質(zhì)的含量、細(xì)化晶粒、加入韌化元素、

加入細(xì)化晶粒元素、提高變形溫度、降低應(yīng)變速率。

11-4試就合金元素與碳的相互作用進(jìn)行分類，指出

1）哪些元素不形成碳化物？

2）哪些元素為弱碳化物形成元素，性能特點如何？

3）哪些元素為強碳化物形成元素，性能特點如何？

4）何謂合金滲碳體，與滲碳體相比，其性能如何？

答：1）非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu等。

2)Mn為弱碳化物形成元素，除少量可溶于滲碳體中形成合金滲碳體外，幾乎

都溶于鐵素體和奧氏體中。

3)Zr、Nb、V、Ti為強碳化物形成元素，與碳具有極強的親和力，只要有足夠

的碳，就形成碳化物，僅在缺少碳的狀況下，才以原子狀態(tài)融入固溶體中。

4)合金元素溶入滲碳體中即為合金滲碳體，它是合金元素溶入滲碳體中并置換

部分鐵原子而形成的碳化物，合金滲碳體比一般滲碳體穩(wěn)定，硬度高，可以提高

耐磨性。

11-5合金元素提高淬透性的緣由是什么？提高鋼的淬透性有何作用？常用以提

高淬透性的元素有哪些？

答：(1)合金元素溶入奧氏體中增加了奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移，奧氏

體在較低的溫度依舊能夠存在，因此，在較低的臨界冷卻速度小，奧氏體能夠發(fā)

生馬氏體相變，提高了淬透性。

(2)作用：一方面可以使工件得到勻稱良好的力學(xué)性能，滿意技術(shù)要求；另一

方面，在淬火時，可選用比較緩和的冷卻介質(zhì)，以減小工件的變形與開裂傾向。

(3)常用的提高淬透性的合金元素：Mn、Si,Cr、Ni、B

11-6合金元素提高回火穩(wěn)定性的緣由？提高回火穩(wěn)定性的作用？常用以提高回

火穩(wěn)定的元素有哪些？

答：(1)提高穩(wěn)定性的緣由：合金元素推遲馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變、

阻礙碳化物的聚集長大、提高鐵素體的再結(jié)晶溫度。

(2)提高穩(wěn)定性的作用：提高鋼的回火穩(wěn)定性，可以使得合金鋼在相同的溫度

下回火時，比相同碳含量的鋼具有更高的硬度和強度，或者，在保證相同強度/

硬度的條件下，可在更高的溫度下回火，有利于提高塑性和韌性。

(3)提高回火穩(wěn)定性的元素：Cr、Mn>Ni>Mo、W、V、Si.

11-7試述碳和合金元素在低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼中的作用，提凹凸合金高強度結(jié)

構(gòu)鋼強韌性的途徑是什么？

答：(1)碳的作用:

(a)固溶強化，提高珠光體數(shù)量。碳含量的增加可增大固溶強化和珠光體強化效果,

對提凹凸合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的強度有利。

(b)碳含量的增加將降低低合金結(jié)構(gòu)鋼的塑性和韌性，提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度，降低

焊接性能。

(2)合金元素的作用：

(a)固溶強化：如Mn、Si,Cr、Mo等溶于基體固溶體中而引起固溶強化。

(b)沉淀強化：如Ti、Nb和V等強碳化物形成元素形成的MC型碳化物所引起的

強化。

(c)細(xì)晶強化：如Ti、Nb和V等強碳化物形成元素形成的MC型碳化物對奧氏體

晶界的釘軋作用，對Nb元素在奧氏體晶界的偏聚，均對細(xì)化低合金高強度結(jié)構(gòu)

鋼的組織有利，產(chǎn)生細(xì)晶強化作用。

11-10某廠原用45MnSiV生產(chǎn)中8mm高強度鋼筋，要求

6b>145OMPaeO.2>12OOMPa,6>5%,其熱處理工藝是920C油淬,470℃回火。因該

鋼種缺貨,庫存有25MnSi鋼，請考慮是否可代用，熱處理規(guī)程該如何調(diào)整？

答：可以代用，由于25MnSi鋼為低碳馬氏體鋼，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗竽塬@得與調(diào)

質(zhì)鋼相當(dāng)?shù)木C合性能，即較高強度和韌性的組合。

工藝調(diào)整：25MnSi鋼與45MnSiV相比不含V元素，但有Mn,過熱敏感性較大，

因而要降低淬火加熱溫度與45MnSiV相比，25MnSi鋼淬透性較低，油淬應(yīng)改成

用鹽水淬火為獲得所要求的力學(xué)性能應(yīng)采納低溫回火。

11-11分析碳和合金元素在高速鋼中的作用及高速鋼熱處理工藝的特點。

答：化學(xué)成分：高碳的目的是為了和碳化物形成元素Cr、W、Mo、V等形成碳

化物，并保正得到強硬的馬氏體基體以提高鋼的硬度利耐磨性。W、Mo、V主

要是提高鋼的紅硬性，由于這些元素形成的碳化物硬度高，產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)，

因而顯著提高鋼的紅硬性、硬度和耐磨性。Cr主要是提高鋼的淬透性。其工藝

突出的特點是淬火加熱溫度特別高，回火溫度高，次數(shù)多，淬火加熱時采納預(yù)熱。

11-12比較熱作模具鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼的合金化及熱處理工藝的特點，并分析合金

元素作用的異同。

答：（1）合金調(diào)質(zhì)鋼合金化特點:在性能上滿意機械制造上不同零件的不同需要,

各種元素既有特別作用又相互作用達(dá)到改善組織性能的作用。熱作模具鋼合金化

特點:合金元素增加鋼淬透性，強化鐵素體，防止回火脆性，提高熱疲憊抗力。

（2）合金調(diào)質(zhì)鋼熱處理特點:為改善切削加工性需進(jìn)行預(yù)備熱處理之后調(diào)質(zhì)處理。

熱作模具鋼熱處理特點:鍛造后退火，以降低內(nèi)應(yīng)力。淬火+回火，獲得組織勻稱的

回火托式體索氏體。

⑶合金元素作用：Cr提高淬透性耐回火性，有回火脆性傾向；Mn提高淬透性，有

回火脆性傾向；Ni非C化物形成元素，提高基本韌性；Mo提高淬透性，回火性細(xì)

化晶粒；V強碳化物形成元素細(xì)化晶粒；W提高穩(wěn)定性和耐磨性。

11-13為什么正火狀態(tài)的40CrNiMo及37SiMnCrMoV鋼（直徑25mm）都難于

進(jìn)行切削加工？請考慮最經(jīng)濟的改善切削加工性能的方法。

答：由于40CrNiM。鋼中含有Cr,Ni,Mo幾種合金元素，能很好的提高鋼的淬

透性，使鋼在正火狀態(tài)下就能得到較多的馬氏體，大大提高合金的硬度

（40CrNiMo鋼正火后硬度在400HBs以上）因而難以切削。

11-14滾齒機上的螺栓，本應(yīng)用45鋼制造，但錯用了T12鋼，其退火、淬火都

沿用了45鋼的工藝，問此時將得到什么組織？有何性能？

答：45鋼的熱處理工藝：完全退火（Ac3以上20-30℃）+淬火（Ac3以上30-50C）

+高溫回火。

T12的熱處理工藝：球化退火（Acl以上Accm以下的雙相區(qū)）+淬火（Acl以

±30-50℃）+低溫回火。

錯用T12鋼，根據(jù)45鋼的熱處理工藝就是T12完全退火+Ac3以上3O-5OC淬火

T12原來是球化退火，目的是消退網(wǎng)狀的二次滲碳體，但錯用完全退火，加熱溫

度過高，消退不了網(wǎng)狀的二次滲碳體，對性能不利。然后進(jìn)行淬火，T12原來是

加熱到Acl以上30-50C,目的是限制了奧氏體的含碳量，削減淬火組織中的殘

留奧氏體數(shù)量。淬火后獲得勻稱細(xì)小的馬氏體和未溶粒狀二次滲碳體組織，未溶

二次滲碳體的存在有利于淬火鋼的硬度及耐磨性。假如將過共析鋼加熱到Accm

或者Ac3以上，由于奧氏體晶粒粗大，含碳量提高，使淬火后的馬氏體也粗大，

且殘留奧氏體量增加，不僅降低鋼的硬度、耐磨性和韌性，而且還會增大變形和

開裂的傾向。最終進(jìn)行回火，T12原來是低溫回火，得到回火馬氏體，但是用高

溫回火，最終得到回火索氏體。最終組織為回火索氏體+殘留奧氏體+網(wǎng)狀二次

滲碳體

11-15用9SiCr鋼制成圓板牙，其工藝路線為：鍛造一球化退火-機械加工一淬

火一低溫回火一磨平面一開槽開口。試分析：①球化退火、淬火及回火的目的;

②球化退火、淬火及回火的大致工藝。

答：球化退火是為了消退鍛造應(yīng)力，獲得球狀珠光體和碳化物，降低硬度以利于

切削加工并為淬火做好組織預(yù)備，削減淬火時的變形與開裂；淬火及回火是為了

獲得回火馬氏體，保證熱處理后具有高硬度、高耐磨性。球化退火工藝：加熱溫

度790—810℃,等溫溫度700—720℃；淬火工藝：加熱溫度850—870℃（油淬）；

回火工藝；160—180℃。

11-16大螺釘旋具要求桿部為細(xì)珠光體而頂端為回火馬氏體,只有一種外部熱源,

應(yīng)如何處理？

答：表面滲碳后淬火加低溫回火。

11-17有一批碳素鋼工件淬火后發(fā)覺硬度不夠，估量或者是表面脫碳，或者是淬

火時冷卻不好未淬上火，如何盡快推斷發(fā)生問題的緣由？

答:碳素工具鋼是Wc=0.65%7.35%的高碳鋼對碳素工具鋼進(jìn)行球化退火處理，

其目的是降低便度，便于機械加工，組織為鐵素體基體+細(xì)小勻稱的粒狀Fe3c,

然后采納淬火+低溫回火，組織為回火馬氏體+粒狀滲碳體+少量殘余奧氏體，經(jīng)

過熱處理可測工件的硬度，若硬度達(dá)標(biāo)，則緣由為澤火時冷卻不好未淬上火，若

硬度仍不夠則為表面脫碳。

11-18簡述不銹鋼的合金化原理。為什么Crl2MoV鋼不是不銹鋼，也不能通過

熱處理的方法使它變?yōu)椴讳P鋼?

答:不銹鋼的合金化原理：提高鋼耐蝕性的方法許多，如表面涂一層耐蝕金屬、

涂敷非金屬層、電化學(xué)愛護和轉(zhuǎn)變腐蝕環(huán)境介質(zhì)等。但是采用合金化方法，提高

材料本身的耐蝕性是最有效的防止腐蝕破壞的措施之一，其方法如下：

(1)加入合金元素，提高鋼基體的電極電位，從而提高鋼的抗電化學(xué)腐蝕力量。

一般銅中加入Cr、Ni,Si多元素均能提高其電極電位。由于Ni較缺，Si的大量

加入會使鋼變脆，因此，只有Cr才是顯著提高鋼基體電極電位常用的元素。Cr

能提高鋼的電極電位，但不是呈線性關(guān)系。試驗證明鋼的電極電位隨合金元素的

增加，存在著一個量變到質(zhì)變的關(guān)系，遵循1/8規(guī)律。當(dāng)Cr含量達(dá)到肯定值時

即1/8原子(1/8,2/8、3....)時，電極電位將有一個突變。因此，幾乎全部的不銹

鋼中，Cr含量均在12.%(原子)以上，即11.7%(質(zhì)量似上。

(2)加入合金元素使銅的表面形成一層穩(wěn)定的、完整的與鋼的基體結(jié)合堅固的純

化膜。從而提高鋼的耐化學(xué)腐蝕力量。如在鋼中加入Cr,Si,Al等合金元素，

使鋼的表層形成致密的Cr2O,SiO2,AbO3等氧化膜，就可提高鋼的耐蝕性。

(3)加入合金元素使鋼在常溫時能以單相狀態(tài)存在，削減微電池數(shù)目從而提高鋼

的耐蝕性。如加入足夠數(shù)量的Cr或Cr-Ni,使鋼在室溫下獲得單相鐵素體或單相

奧氏體。

(4)加入Mo、Cu等元素，提高抗腐蝕的力量。

(5)加入Ti,Nb等元素，消退Cr的晶間偏析，從而減輕晶間腐蝕傾向。

(6)加入Mn、N等元素，代替部分Ni獲得單相奧氏體組織，同時能大大提高格

不銹鋼在有機酸中的耐蝕性

Crl2MoV鋼為什么不是不銹鋼：

從金相學(xué)角度分析，由于不銹鋼含有格而使表面形成很薄的格膜，這個膜隔離開

與鋼內(nèi)侵入的氧氣起耐腐蝕的作用。為了保持不銹鋼所固有的耐腐蝕性，鋼必需

含有12%以上的銘。Crl2MoV雖然Cr的含量也達(dá)到了12%,但是Crl2MoV的

含碳量要比不銹鋼的含碳量要高的多，含碳量達(dá)到了1.45%?1.70%,不銹鋼的

耐蝕性隨含碳量的增加而降低，因此，大多數(shù)不銹鋼的含碳量均較低，最大不超

過1.2%,有些鋼的toe（含碳量）甚至低于0.03%（如00Crl2）。所以，Crl2MoV

不是不銹鋼。冷作模具鋼，鋼的淬透性、淬火回火的硬度、耐磨性、強度均比

Crl2高。外形簡單、工作條件繁重下的各種冷沖模具和工具，如沖孔凹模、切

邊模、滾邊模、鋼板深拉伸模、圓鋸、標(biāo)準(zhǔn)工具和量規(guī)、螺紋滾模等。

11-20分析合金元素對提高鋼的熱強性和抗氧化性方面的特別作用，比較高溫柔

常溫結(jié)構(gòu)鋼的合金化方向。

答：①Cr：提高鋼抗氧化性的主要元素，Cr能形成附著性很強的致密而穩(wěn)定的

氧化物CnCh,提