鋼的熱處理習題與思考題參考答案一、鋼的熱處理基本概念相關習題與答案1.什么是鋼的熱處理？鋼的熱處理是一種通過對鋼件進行加熱、保溫和冷卻等操作，以改變其組織結構，從而獲得所需性能的工藝方法。熱處理的目的在于充分發(fā)揮鋼材的潛力，提高零件的使用性能，延長其使用壽命；同時，還可以改善鋼材的加工性能，提高加工質量和生產效率。例如，通過淬火和回火處理，可以顯著提高刀具的硬度和耐磨性，使其能夠更好地切削金屬材料。2.鋼的熱處理分為哪幾類？鋼的熱處理通常分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理三大類。-整體熱處理：包括退火、正火、淬火和回火等工藝。退火是將鋼加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝，主要用于消除應力、改善組織和降低硬度，以利于切削加工。正火是將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫適當時間后在空氣中冷卻的熱處理工藝，其目的與退火相似，但正火后的強度和硬度比退火后的高。淬火是將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一定時間后迅速冷卻的熱處理工藝，能使鋼獲得高硬度和高強度，但會產生較大的內應力?；鼗鹗菍⒋慊鸷蟮匿摷訜岬降陀谂R界溫度的某一溫度范圍，保溫一定時間后冷卻的熱處理工藝，主要作用是消除淬火內應力，降低鋼的脆性，調整硬度和韌性之間的關系。-表面熱處理：包括感應加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火等。感應加熱表面淬火是利用電磁感應原理，在工件表面產生感應電流，迅速將工件表面加熱到淬火溫度，然后噴水冷卻，使表面獲得高硬度和耐磨性，而心部仍保持原來的韌性和塑性?；鹧婕訜岜砻娲慊鹗怯酶邷鼗鹧鏋闊嵩吹囊环N表面淬火法，將工件快速加熱到淬火溫度，隨后噴水冷卻，獲得所需的表層硬度和淬硬層硬度。-化學熱處理：包括滲碳、滲氮和碳氮共滲等。滲碳是將低碳鋼在富碳的介質中加熱到高溫，使活性碳原子滲入鋼表面，以獲得高碳的滲層組織。隨后經淬火和低溫回火，使表面具有高的硬度、耐磨性及疲勞抗力，心部仍保持足夠的強度和韌性。滲氮是使氮原子滲入鋼件表面，形成富氮硬化層的化學熱處理工藝。與滲碳相比，滲氮處理后的零件具有較高的硬度、耐磨性、抗咬合性和抗蝕性等，缺點是周期長、成本高、滲層薄而脆。碳氮共滲是向鋼的表面同時滲入碳和氮的過程，它比單一的滲碳或滲氮具有更高的硬度、耐磨性、抗疲勞性能和抗蝕性，且處理周期短。3.簡述過冷奧氏體、殘余奧氏體和回火馬氏體的概念。-過冷奧氏體：在臨界溫度以下處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體稱為過冷奧氏體。在熱處理過程中，當鋼加熱到奧氏體狀態(tài)后，快速冷卻到臨界溫度以下，此時奧氏體并沒有立即發(fā)生轉變，而是處于一種不穩(wěn)定的過冷狀態(tài)，這種過冷狀態(tài)的奧氏體具有較高的活性，在一定條件下會發(fā)生轉變，如轉變?yōu)橹楣怏w、貝氏體或馬氏體等。-殘余奧氏體：在淬火冷卻時，由于馬氏體轉變是在一定溫度范圍內進行的，當冷卻到室溫時，總有一部分奧氏體未能轉變?yōu)轳R氏體，這部分未轉變的奧氏體就稱為殘余奧氏體。殘余奧氏體的存在會降低鋼的硬度和耐磨性，同時還會影響零件的尺寸穩(wěn)定性。通常可以通過回火或冷處理等方法來減少殘余奧氏體的含量。-回火馬氏體：淬火馬氏體在低溫回火時，馬氏體中的過飽和碳以ε-碳化物的形式析出，這種由過飽和的α固溶體和與其共格的ε-碳化物所組成的組織稱為回火馬氏體?；鼗瘃R氏體的硬度和強度比淬火馬氏體略有降低，但韌性有所提高，同時內應力也得到了一定程度的消除。二、鋼的加熱轉變相關習題與答案1.簡述共析鋼加熱時奧氏體的形成過程。共析鋼加熱時奧氏體的形成過程包括四個階段：-奧氏體晶核的形成：當共析鋼加熱到Ac?以上時，珠光體中的鐵素體和滲碳體的相界面處首先形成奧氏體晶核。這是因為相界面處原子排列不規(guī)則，能量較高，原子的擴散速度較快，為奧氏體晶核的形成提供了有利條件。-奧氏體晶核的長大：奧氏體晶核形成后，通過碳原子的擴散，奧氏體向鐵素體和滲碳體兩個方向長大。鐵素體向奧氏體的轉變速度比滲碳體向奧氏體的轉變速度快，這是因為鐵素體的晶格結構與奧氏體的晶格結構更為接近，原子的擴散阻力較小。-殘余滲碳體的溶解：隨著奧氏體的長大，殘余滲碳體逐漸溶解。由于滲碳體的溶解速度較慢，在奧氏體晶粒長大到一定程度后，仍會有少量殘余滲碳體存在。只有繼續(xù)加熱或保溫一段時間，殘余滲碳體才能完全溶解。-奧氏體的均勻化：殘余滲碳體完全溶解后，奧氏體中的碳濃度是不均勻的，原先是滲碳體的部位碳濃度較高，原先是鐵素體的部位碳濃度較低。通過繼續(xù)加熱和保溫，碳原子在奧氏體內充分擴散，使奧氏體的成分逐漸均勻化。2.影響奧氏體形成速度的因素有哪些？-加熱溫度：加熱溫度越高，原子的擴散速度越快，奧氏體的形成速度也越快。因為溫度升高，原子的熱運動加劇，擴散激活能降低，碳原子和鐵原子的擴散能力增強，從而加速了奧氏體晶核的形成和長大過程。-加熱速度：加熱速度越快，過熱度越大，奧氏體的形成速度越快?？焖偌訜釙r，奧氏體的形核率和長大速度都顯著提高，這是因為快速加熱使鋼在較短的時間內達到較高的溫度，原子的活性增加，同時也縮短了奧氏體形成的孕育期。-化學成分：鋼中的合金元素對奧氏體的形成速度有顯著影響。碳含量越高，奧氏體的形成速度越快，因為碳是促進奧氏體形成的元素，它可以提高碳原子的擴散速度。一些合金元素如鎳、錳等可以加速奧氏體的形成，而鉻、鉬、鎢等元素則會減慢奧氏體的形成速度，這是因為這些元素會影響碳原子的擴散和鐵原子的自擴散。-原始組織：原始組織越細，奧氏體的形成速度越快。這是因為細晶粒的原始組織具有較大的相界面面積，為奧氏體晶核的形成提供了更多的位置，同時也縮短了碳原子的擴散距離，有利于奧氏體的快速形成。三、鋼的冷卻轉變相關習題與答案1.什么是C曲線？它有什么作用？C曲線即過冷奧氏體等溫轉變曲線，是表示過冷奧氏體在不同溫度下等溫轉變時，轉變開始時間、轉變終了時間以及轉變產物與轉變溫度和時間關系的曲線。由于其形狀像字母“C”，故稱為C曲線。C曲線的作用主要有以下幾個方面：-預測過冷奧氏體的轉變產物：通過C曲線，可以知道在不同的等溫冷卻條件下，過冷奧氏體將轉變?yōu)槭裁礃拥慕M織。例如，在高溫區(qū)等溫，過冷奧氏體將轉變?yōu)橹楣怏w組織；在中溫區(qū)等溫，將轉變?yōu)樨愂象w組織；在低溫區(qū)急冷，則可能形成馬氏體組織。-制定熱處理工藝：C曲線是制定鋼的熱處理工藝的重要依據。根據C曲線，可以確定合適的冷卻速度和冷卻方式，以獲得所需的組織和性能。例如，為了獲得馬氏體組織，需要采用大于臨界冷卻速度的冷卻方式進行淬火；為了獲得珠光體或貝氏體組織，則可以采用等溫冷卻的方法。-分析熱處理缺陷：通過分析C曲線，可以解釋一些熱處理缺陷產生的原因。例如，如果冷卻速度太慢，過冷奧氏體可能在高溫區(qū)發(fā)生部分轉變，形成珠光體組織，導致淬火硬度不足；如果冷卻速度不均勻，可能會在工件內部產生不同的組織，從而引起變形和開裂等缺陷。2.簡述珠光體、貝氏體和馬氏體的組織形態(tài)和性能特點。-珠光體：珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。根據片層間距的大小，珠光體可分為粗珠光體、細珠光體（索氏體）和極細珠光體（托氏體）。粗珠光體的片層間距較大，硬度和強度較低，但塑性和韌性較好；細珠光體的片層間距較小，硬度和強度較高，塑性和韌性適中；極細珠光體的片層間距更小，硬度和強度更高，但塑性和韌性相對較低。珠光體的形成是通過碳原子的擴散和鐵原子的晶格重構來實現(xiàn)的，屬于擴散型轉變。-貝氏體：貝氏體是過冷奧氏體在中溫區(qū)轉變形成的組織。根據組織形態(tài)的不同，貝氏體可分為上貝氏體和下貝氏體。上貝氏體是由成束的條狀鐵素體和夾在其間的斷續(xù)細小滲碳體組成，其硬度和強度較低，塑性和韌性較差，在生產中一般很少使用。下貝氏體是由針狀鐵素體和分布在其內部的細小碳化物組成，下貝氏體具有較高的硬度和強度，同時還具有良好的塑性和韌性，是一種綜合性能較好的組織，在工業(yè)生產中得到了廣泛的應用。貝氏體的形成過程既有碳原子的擴散，又有鐵原子的切變，屬于半擴散型轉變。-馬氏體：馬氏體是過冷奧氏體在低溫區(qū)快速冷卻時形成的組織。馬氏體的組織形態(tài)主要有板條馬氏體和片狀馬氏體兩種。板條馬氏體是由許多平行排列的板條組成，其亞結構主要是位錯，具有較高的強度和韌性。片狀馬氏體的形態(tài)呈針狀或片狀，其亞結構主要是孿晶，硬度很高，但脆性較大。馬氏體的形成是通過切變方式進行的，屬于非擴散型轉變。由于馬氏體中存在大量的晶格畸變和內應力，因此其硬度和強度很高，但塑性和韌性較差。通常需要通過回火處理來改善馬氏體的性能。3.什么是臨界冷卻速度？它與鋼的淬透性有什么關系？臨界冷卻速度是指過冷奧氏體在連續(xù)冷卻過程中，不發(fā)生分解而全部轉變?yōu)轳R氏體所需的最小冷卻速度。臨界冷卻速度是衡量鋼的淬透性的一個重要指標。鋼的淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的能力，即鋼被淬透的深度大小。臨界冷卻速度越小，鋼的淬透性越好。這是因為臨界冷卻速度小，意味著鋼在較慢的冷卻速度下也能全部轉變?yōu)轳R氏體，從而可以獲得更深的淬硬層。相反，臨界冷卻速度大的鋼，只有在非?？斓睦鋮s速度下才能全部轉變?yōu)轳R氏體，淬硬層較淺，淬透性較差。例如，在相同的淬火條件下，45鋼的臨界冷卻速度較大，淬透性較差，其淬硬層較淺；而40Cr鋼的臨界冷卻速度較小，淬透性較好，淬硬層較深。因此，在設計和制造零件時，需要根據零件的尺寸、形狀和性能要求，選擇合適淬透性的鋼材。四、鋼的退火與正火相關習題與答案1.簡述退火的種類及其目的。-完全退火：完全退火是將亞共析鋼加熱到Ac?以上20-30℃，保溫適當時間后緩慢冷卻的熱處理工藝。其目的是細化晶粒，均勻組織，消除內應力，降低硬度，改善切削加工性能。完全退火主要用于亞共析鋼的鑄、鍛、焊件等。-不完全退火：不完全退火是將鋼加熱到Ac?-Ac?（亞共析鋼）或Ac?-Accm（過共析鋼）之間，保溫適當時間后緩慢冷卻的熱處理工藝。對于亞共析鋼，不完全退火可以改善組織，降低硬度；對于過共析鋼，不完全退火可以消除網狀滲碳體，為球化退火做準備。-球化退火：球化退火是將過共析鋼加熱到Ac?以上20-30℃，保溫適當時間后以緩慢的速度冷卻，使?jié)B碳體球化的熱處理工藝。其目的是降低硬度，改善切削加工性能，并為后續(xù)的淬火和回火處理做好組織準備。球化退火主要用于過共析鋼的刃具、量具和冷沖模具等。-去應力退火：去應力退火是將鋼加熱到低于Ac?的某一溫度范圍（一般為500-650℃），保溫一定時間后緩慢冷卻的熱處理工藝。其目的是消除鑄件、焊件、鍛件等在加工過程中產生的內應力，防止零件變形和開裂。-再結晶退火：再結晶退火是將經過冷變形的金屬加熱到再結晶溫度以上，保溫適當時間，使變形晶粒重新轉變?yōu)榫鶆虻容S晶粒的熱處理工藝。其目的是消除冷變形加工硬化，恢復金屬的塑性和韌性。2.正火與退火相比，在目的、工藝和組織性能方面有哪些區(qū)別？-目的：正火的主要目的是細化晶粒，提高鋼的強度和硬度，改善切削加工性能，也可作為一些不重要零件的最終熱處理。退火的目的較為廣泛，包括消除內應力、降低硬度、改善組織、細化晶粒等，常用于改善毛坯的加工性能和為后續(xù)熱處理做組織準備。-工藝：正火是將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫適當時間后在空氣中冷卻；退火是將鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間后緩慢冷卻，冷卻速度比正火慢。例如，正火的冷卻速度一般為0.5-10℃/s，而退火的冷卻速度通常小于0.1℃/s。-組織性能：正火后的組織比退火后的組織更細，強度和硬度也更高。對于亞共析鋼，正火后得到的是細珠光體組織，而退火后得到的是粗珠光體組織；對于過共析鋼，正火可以消除網狀滲碳體，得到細片狀珠光體，而退火后的組織可能存在網狀滲碳體。在性能方面，正火后的鋼具有較好的綜合力學性能，但塑性和韌性相對退火鋼略低。五、鋼的淬火與回火相關習題與答案1.淬火的目的是什么？淬火工藝中應注意哪些問題？淬火的目的是使鋼件獲得馬氏體或下貝氏體組織，從而提高鋼的硬度、強度和耐磨性。例如，刀具、模具等零件通過淬火可以提高其切削性能和使用壽命。淬火工藝中應注意以下問題：-加熱溫度：淬火加熱溫度應根據鋼的成分和組織來確定。如果加熱溫度過高，會導致奧氏體晶粒粗大，使鋼的脆性增加，淬火后容易產生裂紋；如果加熱溫度過低，奧氏體化不充分，淬火后會有殘余鐵素體存在，降低鋼的硬度和強度。-加熱速度：加熱速度過快，會使工件內外溫差過大，產生較大的熱應力，容易導致工件變形和開裂。特別是對于形狀復雜、尺寸較大的工件，應采用較慢的加熱速度。-保溫時間：保溫時間應適當，既要保證奧氏體成分均勻化，又要避免晶粒長大。保溫時間過長，會使奧氏體晶粒粗大，降低鋼的性能；保溫時間過短，奧氏體化不充分，也會影響淬火效果。-冷卻速度：冷卻速度是淬火工藝的關鍵因素之一。冷卻速度必須大于臨界冷卻速度，才能使過冷奧氏體全部轉變?yōu)轳R氏體，但冷卻速度過快，會產生較大的淬火內應力，導致工件變形和開裂。因此，在淬火過程中，應根據工件的材料、形狀和尺寸等因素，選擇合適的冷卻介質和冷卻方式。-工件的清洗和防銹：淬火后的工件表面會殘留冷卻介質和氧化物等雜質，應及時清洗干凈，并進行防銹處理，以防止工件生銹腐蝕。2.常用的淬火冷卻介質有哪些？各有什么特點？-水：水是一種常用的淬火冷卻介質，具有冷卻能力強、來源廣泛、價格便宜等優(yōu)點。水在650-550℃范圍內的冷卻速度較快，能夠使過冷奧氏體迅速越過C曲線的鼻部，從而獲得馬氏體組織。但水在300-200℃范圍內的冷卻速度仍然很快，容易使工件產生較大的內應力，導致變形和開裂。因此，水一般適用于形狀簡單、尺寸較小、對變形要求不高的碳鋼工件的淬火。-鹽水：在水中加入一定量的食鹽（一般為5%-10%）制成鹽水。鹽水的冷卻能力比水更強，特別是在高溫區(qū)的冷卻速度顯著提高。這是因為鹽在水中溶解后，會形成微小的晶體顆粒，這些顆粒在工件表面不斷析出和脫落，破壞了蒸汽膜，提高了冷卻速度。鹽水常用于形狀簡單、尺寸較大的碳鋼工件的淬火，但鹽水對工件有一定的腐蝕作用，淬火后應及時清洗和防銹。-油：油是一種常用的淬火冷卻介質，主要有礦物油和植物油等。油在650-550℃范圍內的冷卻速度比水慢，在300-200℃范圍內的冷卻速度也較慢，因此可以減少工件的變形和開裂傾向。但油的冷卻能力相對較弱，對于一些淬透性較低的碳鋼，可能無法獲得足夠的硬度和淬硬層深度。油適用于合金鋼和形狀復雜、對變形要求較高的碳鋼工件的淬火。-分級淬火和等溫淬火介質：分級淬火和等溫淬火通常采用鹽浴或堿浴作為冷卻介質。鹽浴和堿浴具有良好的熱穩(wěn)定性和流動性，能夠使工件在淬火過程中均勻冷卻。分級淬火是將工件加熱淬火后，先在稍高于Ms點的鹽浴或堿浴中停留一段時間，使工件內外溫度均勻后再空冷，這樣可以減少淬火內應力，降低工件的變形和開裂傾向。等溫淬火是將工件加熱淬火后，在貝氏體轉變溫度范圍內的鹽浴或堿浴中保溫一定時間，使過冷奧氏體轉變?yōu)橄仑愂象w組織，然后空冷。等溫淬火可以獲得良好的綜合力學性能，常用于形狀復雜、要求較高的零件。3.簡述回火的目的和種類?；鼗鸬哪康闹饕幸韵聨c：-消除淬火內應力：淬火過程中，由于冷卻速度較快，工件內部會產生較大的內應力。內應力的存在會使工件在使用過程中發(fā)生變形和開裂，降低工件的使用壽命?；鼗鹂梢允箖葢Φ玫剿沙诤拖岣吖ぜ某叽绶€(wěn)定性和可靠性。-降低脆性：淬火后的鋼硬度和強度很高，但脆性較大。通過回火處理，可以使馬氏體中的碳化物析出，降低晶格畸變，從而降低鋼的脆性，提高塑性和韌性。-調整硬度和韌性：通過選擇不同的回火溫度，可以調整鋼的硬度和韌性之間的關系，以滿足不同零件的使用要求。回火的種類主要有以下三種：-低溫回火：回火溫度一般為150-250℃。低溫回火后得到回火馬氏體組織，其硬度和強度較高，韌性有所改善，主要用于各種刃具、量具、冷沖模具和滾動軸承等零件，以保持高硬度和耐磨性。-中溫回火：回火溫度一般為350-500℃。中溫回火后得到回火托氏體組織，具有較高的彈性極限和屈服強度，同時具有一定的韌性，主要用于各種彈簧和彈性零件。-高溫回火：回火溫度一般為500-650℃。高溫回火后得到回火索氏體組織，具有良好的綜合力學性能，即強度、塑性和韌性都較好。通常將淬火加高溫回火的熱處理工藝稱為調質處理，廣泛應用于各種重要的結構零件，如軸類、連桿、螺栓等。六、鋼的表面熱處理與化學熱處理相關習題與答案1.感應加熱表面淬火的原理和特點是什么？感應加熱表面淬火的原理是利用電磁感應原理，當交變電流通過感應器時，會在感應器周圍產生交變磁場。將工件放入感應器內，工件表面就會產生感應電流，由于集膚效應，感應電流主要集中在工件表面，使工件表面迅速被加熱到淬火溫度，而心部仍接近室溫。此時，立即噴水冷卻，使表面獲得馬氏體組織，從而提高表面硬度和耐磨性。感應加熱表面淬火的特點如下：-加熱速度快：由于感應電流的集膚效應和渦流效應，工件表面能在極短的時間內被加熱到淬火溫度，加熱速度可達100-1000℃/s。這樣可以使奧氏體晶粒來不及長大，淬火后獲得細小的馬氏體組織，提高表面硬度和強度。-淬火質量好：感應加熱表面淬火后，表面硬度比普通淬火高2-3HRC，而且淬硬層硬度分布均勻，具有較高的耐磨性和疲勞抗力。同時，由于加熱時間短，工件的氧化和脫碳現(xiàn)象較輕，變形也較小。-生產效率高：感應加熱表面淬火可以實現(xiàn)自動化生產，操作簡單，生產周期短，適合大批量生產。-淬硬層深度可控：通過調整感應器的形狀、尺寸和交變電流的頻率等參數(shù)，可以控制淬硬層的深度和形狀，滿足不同零件的使用要求。2.滲碳的目的和工藝過程是什么？滲碳的目的是使低碳鋼表面獲得高碳的滲層組織，隨后經淬火和低溫回火，使表面具有高的硬度、耐磨性及疲勞抗力，而心部仍保持足夠的強度和韌性。常用于承受重載、摩擦和沖擊的零件，如齒輪、軸類等。滲碳的工藝過程主要包括以下幾個步驟：-滲碳前的準備：對工件進行清洗和脫脂處理，去除表面的油