第五章 钢的热处理

一、名词解释

1.过冷：结晶只有在理论结晶温度以下才能发生，这种现象称为过冷。

2.枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内不均匀的现象叫做枝晶偏析。 3.二次相：由已有固相析出的新固相称为二次相或次生相。 4.铁素体：碳在α—Fe中的固溶体称为铁素体。 5.奥氏体：碳在γ—Fe中的固溶体称为奥氏体。

6.莱氏体：转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体。 7.珠光体：转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体。 8.变质处理：又称为孕育处理，是一种有意向液态金属中加入非自发形核物质从而细化晶粒的方法。 9.共晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变过程。

10.包晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相包着一定成分的固相，发生反应后生成另一一定成分新固相的反应。 二、填空题

1、金属的结晶过程由晶核形成和晶核长大两个基本过程组成。

2、金属结晶过程中，细化结晶晶粒的主要方法有控制过冷度、变质处理和振动、搅拌

3、当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出来的枝晶轴含有较多的高熔点 组元。

4、在实际生产中，若要进行热锻或热轧时，必须把钢加热到奥氏体相区。 5、在缓慢冷却条件下，含碳0.8%的钢比含碳1.2%的钢硬度低强度低。 三、选择题

1.铸造条件下，冷却速度越大，则（A.过冷度越大，晶粒越小） 2.金属在结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度（B.越低）

3.如果其他条件相同，下列各组铸造条件下，哪种铸锭晶粒细？（A.金属模铸造B.低温铸造A.铸成薄片A.浇注时振动）

4.同素异构体转变伴随着体积的变化，其主要原因是（致密度发生变化） 5.实际金属结晶时，可通过控制形核N和长大速度G的比值来控制晶粒大小，要获得细晶粒，应采用（A.增大N/G值）

6.二元合金在发生共晶转变时，各相组成是（D.三相共存）

7.二元合金在发生共析转变时，各相的（B.质量固定，成分发生变化） 10.产生枝晶偏析的原因是由于（D.液、固相线间距大，冷却速度也大） 11.二元合金中，铸造性能最好的是（B.共晶合金）

14.在下列方法中，可使晶粒细化的方法是（D.变质处理） 四、判断题

1。凡是液体凝固为固体的过程是结晶过程。( x )

2.评定晶粒度的方法 :在相同放大倍数的条件下，将晶粒组织图像或显微照片与标准晶粒评级图进行比较。晶粒度级别数越高，晶粒越细。（√）

3。在铁碳合金中，凡具有E点与F点之间成分的合金换冷到1148C时都将发生共晶转变。（√）

4。纯金属的实际结晶温度与其冷却速度有关。（√） 5。Pb-Sn合金结晶时析出的一次相 、二次相 和共晶 相均具有相同的晶体结构，但忽悠不同组织形态。（√）

6。杠杆定律只适用于两相区。（√）

7。铁素体是碳在 Fe中的间隙相。（√）

8。凡组织组成物都是以单相状态存在与合金中的。（x）

9。碳素钢在平衡冷却条件下所析出的奥氏体相都是包晶转变的产物。（x） 10。在铁碳合金中，只有共析钢结晶时，才发生共析转变，形成共析组织。（x） 11。过共析钢由液态缓冷至室温时析出的二次渗碳体，在组织形态与晶体结构方面均与一次渗碳体不同。（x）

12。在缓冷至室温条件下，45钢比20钢的强度和硬度都高。（√） 13。在铁碳合金中，只有过共析钢的平衡组织中才有二次渗碳体存在。（x） 14。在平衡状态下，含80%Ni的Cu-Ni合金比含60%Ni的Cu-Ni合金强度、硬度。（√） 9 为什么钢经淬火后一定要进行回火？简要说明回火过程中组织和性能的变化。 答：（1）回火减少或消除淬火内应力，防止工件变形或开裂，获得工艺所要求的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，通过适当的回火可调整硬度和韧性。稳定工件尺寸。淬火M和 A’都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使 M与 A’ 转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用回火软化既能降低硬度，又能缩短软化周期。（2）淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。随加热温度升高，淬火钢的组织发生四个阶段变化：1、马氏体的分解，析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称回火马氏体，0.2%C 时，不析出碳化物。只发生碳在位错附近的偏聚。2、残余奥氏体分解，A’ 分解

为?- 碳化物和过饱和铁素体3、?-碳化物转变为Fe3C.4.Fe3C聚集长大和铁素体多边形化(3)回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。

8 过冷奥氏体在冷却时可发生哪几种类型转变？马氏体转变的特点是什么？ 答：当冷却缓慢时（V1，炉冷），过冷奥氏体转变为珠光体；当冷却较快时（V2，空冷），过冷奥氏体转变为索氏体；采用油冷时（V4）,过冷奥氏体先有一部分转变为托氏体，剩余部分在冷却到Ms以下后转变为马氏体，当冷却速度（V5,水冷）大于Vk时，过冷奥氏体将在Ms以下直接转变为马氏体，其室温组织为M+A'。转变曲线为C曲线。

7 20钢锅炉炉管在400℃条件下工作10年后其强度降低，以致发生爆管。试分析炉管显微组织发生了什么变化？

6 试分析高频表面淬火、渗碳、氮化等热处理工艺在选用材料（钢种）、性能、应用范围及生产费用等方面的差别。 答：（1） 高频感应加热表面淬火，频率为250-300KHz,淬硬层深度0.5-2mm.适用于中小模数的齿轮和中小尺寸的轴类零件等。设备较贵，对形状复杂零件的处理比较困难。（2）渗碳用钢：为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。 是指向钢的表面渗入碳原子的过程。渗碳目的：提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。主要用于那些对耐磨性要求高,同时承受较大冲击载荷的零件，如齿轮，活塞销及套筒等。（3）氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。氮化用钢：为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。常用钢号为38CrMoAl。氮化温度为500-570℃氮化层厚度不超过0.6-0.7mm。 氮化件表面硬度高(HV1000-2000)，耐磨性高。疲劳强度高. 由于表面存在压应力。 3 用10钢制作一要求耐磨的小轴（直径为20mm），其工艺路线为：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火→低温回火→磨加工。说明各热处理工序的目的及使用状态下的组织。

答:(1)正火:是将亚共析钢加热到Ac3+30~ 50℃，共析钢加热到Ac1+30~50℃，过共析钢加热到 Accm+30~ 50℃保温后空冷的工艺.正火的目的: 对于低、中碳钢(≤0.6C%)，目的与退火的相同。对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。普通件最

终热处理要改善切削性能, 低碳钢用正火, 中碳钢用退火或正火, 高碳钢用球化退火。正火比退火冷却速度大。正火后的组织： <0.6%C时，组织为F+S; ?0.6%C时，组织为S . (2)渗碳:渗碳目的提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。渗碳缓冷后组织：表层为P+网状Fe3CⅡ; 心部为F+P; 中间为过渡区。

(3)淬火:淬火目的是为获得马氏体组织，提高钢的性能。亚共析钢淬火组织：0.5%C时为M,0.5%C时为M+A’;亚温淬火组织为F+M，强度、硬度低, 但塑韧性好;共析钢,淬火温度为Ac1+30~50℃；淬火组织为M+A’。过共析钢:淬火组织: M+Fe3C颗粒+A’。(预备组织为P球);低温回火:在保留高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力,回火组织M回 .

一．名词解释

马氏体：碳在 ?-Fe 中的过饱和固溶体称马氏体, 用M表示。

残余奥氏体：即使冷却到Mf 点，也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，用A’ 或?’ 表示。

退火：将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺叫做退火。 正火：正火是将亚共析钢加热到Ac3+30~ 50℃，共析钢加热到Ac1+30~50℃，过共析钢加热到 Accm+30~ 50℃保温后空冷的工艺。

淬火：淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。 等温淬火：将工件在稍高于 Ms 的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。

淬透性：指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。 淬硬性：指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力。

回火：指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。

回火脆性：在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象。 调质：淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质。 二．填空题

1.共析钢加热时，其奥氏体化过程由奥氏体晶核形成、奥氏体晶核长大、残余Fe3C 溶解 、奥氏体成分均匀化等4个步骤组成。 2.填表2-4（以共析钢为例）

表2-4 转变类型 珠光体 转变产物 P S T 贝氏体 B上 转变温度∕℃ A1~650 650~600 600~550 550~350 转变机制 显微组织特征 扩散型 HRC 获得工艺 退火 粗片状，F、 5~20 Fe3C相间分布 细片状，F、 20~30 正火 Fe3C相间分布 极细片状，F、 30~40 等温处理 Fe3C相间分布 半扩散型 羽毛状，短棒 状Fe3C分布于 40~50 等温处理 过饱和F条之间 B下 350~MS 竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上 无扩散型 针状 板条状 50~60 等温淬火 马氏体* M针 M*板条 MS~Mf MS~Mf 60~65 淬火 50 淬火 *马氏体包括低碳马氏体和高碳马氏体

3.钢的淬透性越高，则其C曲线的位置越靠右，临界冷却速度越小。

4.钢的热处理工艺是由 加热 、保温 、冷却 三个阶段组成。热处理的特点是只改变工件的 组织 ，而不改变其 形状 。 5.填表2-5（碳钢） 表2-5 亚共析钢 共析钢 过共析钢 完全或球化退火温度 Ac3+30~50℃ 正火温度 Ac3+30~ 50℃ 淬火温度 Ac3+30~50℃ Ac1+30~50℃ 回火温度 低温回火：150-250℃ 中温回火：350-500℃ 高温回火：500-650℃ Ac1+ 30~50℃ Ac1+30~50℃ Ac1+ 30~50℃ Accm+30~ 50℃ Ac1+30~50℃

6．当钢完全奥氏体化后冷却转变为马氏体时，奥氏体中的含碳量越高，则MS点越 低 ，转变后的残余奥氏体量越 高 。 7.填表2-6 表2-6 亚共析钢 完全或球化退火组织 P球 正火组织 <0.6%C时，组织为F+S; ?0.6%C时，组织为S S S 淬火组织 回火组织 ?0.5%C时为M 淬火+中温回火：T回 ?0.5%C时为M + A’ 调质：S回 M+A’ M+Fe3C+A’ 颗粒淬火+低温回火：M回 淬火+低温回火：M回 共析钢 过共析钢 P球 P球 8.在碳钢中，共析钢的临界冷却速度比亚共析钢和过共析钢的冷却速度都 低 。

9.共析钢的C曲线和冷却曲线如图2-11所示，指出图中各点的组织。

10.请将45钢和T10钢小试样经相应处理后的组织填入表2-7中。（加热时的组织请参考铁碳合金相图） 表2-7 45钢 T10钢 850℃加热后水冷 850℃加热后空冷 760℃加热后水冷 720℃加热后水冷 11.球化退火的主要目的是降低硬度，改善切削加工性、并为以后淬火作好准备，它主要适用于 共析、过共析 钢。

12.亚共析钢的淬火温度为Ac3+30~50℃，过共析钢的淬火温度为Ac1+30~50℃。 三、选择题

1.钢在淬火后获得的马氏体组织粗细主要取决于（ A ）。 A．奥氏体的起始晶粒度 B.奥氏体的实际晶粒度 C．奥氏体的本质晶粒度 D.钢的原始组织

2.除Co外，所有溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移，使钢的淬透性（ B ）。 A．降低 B。提高 C .不变 D.出现极大值 3.完全退火主要适用于（ A ）。

A．亚共析钢 B。共析钢 C .过共析钢 D.白口铸铁 4.过共析钢正火的目的是（ C ）.

A.调整硬度，便于切削加工 B。细化晶粒，为最终热处理作组织准备 C．消除网状二次渗碳体 D.消除残余内应力，防止发生变形和开裂 5.马氏体的硬度主要取决于（ C ）。

A．过冷奥氏体的冷却速度 B.过冷奥氏体的转变温度 C．马氏体的含碳量 D.马氏体的亚结构 6.钢在水玻璃中淬火是（ D ）。

A．单液淬火 B。双液淬火 C.分级淬火 D.等温淬火 7.过共析钢在球化退火前需进行（ D ）。

A.调质 B.去应力退火 C．再结晶退火 D.正火 8.生产中，常把加热到淬火温度的钳工扁铲的刃部蘸入水中急冷片刻后，出水停留一段时间，再整体投入水中。出水停留一定时间是为了使扁铲刃部（ B ）。 A.退火 B正火 C．淬火 D.回火 9.钢的渗碳温度范围是（ C ）

A.600~650℃ B.800~850℃ C．900~950℃ D.1000~1050℃

10.直径为10mm的45钢钢棒，加热到850℃投入水中，其显微组织应为（ C ）。 A.马氏体 B铁素体+马氏体 C．马氏体+残余奥氏体 D.马氏体+珠光体 11 .T12钢正常淬火组织是（ A ）。

A.马氏体+残余奥氏体 B.马氏体+颗粒状碳化物

C．马氏体+铁素体 D.马氏体+残余奥氏体+颗粒状碳化物 12.制造手锯条应采用（ B ）。

A.45钢调质 B.65Mn淬火+中温回火 C． T12钢淬火+低温回火 D.95SiCr淬火+低温回火 13.马氏体与回火马氏体（ C ）。

A.形态与组织结构都不相同 B. 形态相同，组织结构不同 C．形态不同，组织结构相同 D.形态与组织结构都相同 五、综合题

1 . 采用20号钢淬火是否合适？为什么？采用45钢进行渗碳处理是否合适？为什么？ 答：（1）不合适。因为20号钢含碳量低，淬火后马氏体含量也低，强化效果不明显。 （2）不适合。45属中碳钢，渗碳处理会降低工件心部的韧性。

2 有一个45钢制造的变速箱齿轮，其加工工序为：下料→锻造→正火→粗机加工（车）→调质→精机加工（车、插）→高频表面淬火→低温回火→磨加工。说明各热处理工序的目的及使用状态下的组织。

答：正火：降低工件硬度，改善切削性能。

调质：提高钢的性能。

高频表面淬火：提高齿轮表面的硬度，而保持心部的韧性。 低温回火：在保留高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力。 3 用10钢制作一要求耐磨的小轴（直径为20mm），其工艺路线为：下料→锻造→正火→机

加工→渗碳→淬火→低温回火→磨加工。说明各热处理工序的目的及使用状态下的组织。

答:(1)正火:是将亚共析钢加热到Ac3+30~ 50℃，共析钢加热到Ac1+30~50℃，过共析钢加热到 Accm+30~ 50℃保温后空冷的工艺.正火的目的: 对于低、中碳钢(≤0.6C%)，目的与退火的相同。对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。普通件最终热处理要改善切削性能, 低碳钢用正火, 中碳钢用退火或正火, 高碳钢用球化退火。正火比退火冷却速度大。正火后的组织： <0.6%C时，组织为F+S; ?0.6%C时，组织为S . (2)渗碳:渗碳目的提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。渗碳缓冷后组织：表层为P+网状Fe3CⅡ; 心部为F+P; 中间为过渡区。

(3)淬火:淬火目的是为获得马氏体组织，提高钢的性能。亚共析钢淬火组织：0.5%C时为M,0.5%C时为M+A’;亚温淬火组织为F+M，强度、硬度低, 但塑韧性好;共析钢,淬火温度为Ac1+30~50℃；淬火组织为M+A’。过共析钢:淬火组织: M+Fe3C颗粒+A’。(预备组织为P

球);低温回火:在保留高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力,回火组织M回 .

4 两把碳含量为1.2％、直径为10mm的碳钢车刀，分别加热到780℃和900℃，并保温足够时间，再快速（大于临界冷却速度）冷却至室温，试分析： （1） 哪个温度加热淬火后马氏体组织粗大？780℃ （2） 哪个温度加热淬火后马氏体碳含量高？900℃ （3） 哪个温度加热淬火后残余奥氏体量多？900℃ （4） 哪个温度加热淬火后末溶碳化物多？900℃ （5） 你认为哪个温度加热淬火合适？为什么？780℃

5..在表2-9填入所列工件的淬火和回火温度范围，并说明经淬火和回火后所获得的显微组织。 工件 45钢小轴（要求综合力学性能好） 60钢弹簧 T12钢锉刀 淬火温度 830~850℃ 820℃ 780~800℃ 回火温度 500~600℃ 380~420℃ 160~180℃ 显微组织 回火索氏体 回火托氏体 回火马氏体 6 试分析高频表面淬火、渗碳、氮化等热处理工艺在选用材料（钢种）、性能、应用范围

及生产费用等方面的差别。 答：（1） 高频感应加热表面淬火，频率为250-300KHz,淬硬层深度0.5-2mm.适用于中小模数的齿轮和中小尺寸的轴类零件等。设备较贵，对形状复杂零件的处理比较困难。（2）渗碳用钢：为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。 是指向钢的表面渗入碳原子的过程。渗碳目的：提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。主要用于那些对耐磨性要求高,同时承受较大冲击载荷的零件，如齿轮，活塞销及套筒等。（3）氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。氮化用钢：为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。常用钢号为38CrMoAl。氮化温度为500-570℃氮化层厚度不超过0.6-0.7mm。 氮化件表面硬度高(HV1000-2000)，耐磨性高。疲劳强度高. 由于表面存在压应力。

8 过冷奥氏体在冷却时可发生哪几种类型转变？马氏体转变的特点是什么？ 答：当冷却缓慢时（V1，炉冷），过冷奥氏体转变为珠光体；当冷却较快时（V2，空冷），过冷奥氏体转变为索氏体；采用油冷时（V4）,过冷奥氏体先有一部分转变为托氏体，剩余部分在冷却到Ms以下后转变为马氏体，当冷却速度（V5,水冷）大于Vk时，过冷奥氏体将在Ms以下直接转变为马氏体，其室温组织为M+A'。转变曲线为C曲线。

9 为什么钢经淬火后一定要进行回火？简要说明回火过程中组织和性能的变化。 答：（1）回火减少或消除淬火内应力，防止工件变形或开裂，获得工艺所要求的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，通过适当的回火可调整硬度和韧性。稳定工件尺寸。淬火M和 A’都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使 M与 A’ 转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用回火软化既能降低硬度，又能缩短软化周期。（2）淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。随加热温度升高，淬火钢的组织发生四个阶段变化：1、马氏体的分解，析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称回火马氏体，0.2%C 时，不析出碳化物。只发生碳在位错附近的偏聚。2、残余奥氏体分解，A’ 分解

为?- 碳化物和过饱和铁素体3、?-碳化物转变为Fe3C.4.Fe3C聚集长大和铁素体多边形化(3)回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。

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