金属材料答案万能(2)

难以运动（马氏体时效强化）。因此马氏体的硬度很高。

高碳马氏体由于碳的过饱和度大，晶格严重畸变，淬火应力大，同时存在孪晶结构和高密度显微裂纹，所以脆性大，塑性、韧性极差。

26、为什么钢件淬火后一般不直接使用。需要进行回火?

答：钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的组织和性能，必须将其加热到Acl以下的某一温度，保温一定时间进行回火处理。这是因为：第一，淬火后得到的是性能很脆的马氏体组织，并存在内应力，容易产生变形和开裂；第二，淬火马氏体和残余奥氏体都是不稳定组织，在工作中会发生分解，会导致零件尺寸的变化，而这对精密零件是不允许；第三，为了获得要求的强度、硬度、塑性和韧性，以满足零件的使用要求。

27、直径为6mm的共析钢小试样加热到相变点Al以上30℃，用图1—9所示的冷却曲线进行冷却，试分析所得到的组织，说明各属于什么热处理方法。 答：a：马氏体十残余奥氏体，单介质淬火(水冷)。 b：马氏体十残余奥氏体，分级淬火。

c：屈氏体十马氏体十残余奥氏体，单介质淬火(油冷)。

d：下贝氏体，等温淬火。 e：索氏体，正火。 f：珠光体，退火。

g：珠光体，等温退火。

28、调质处理后的40钢齿轮，经高频感应加热后的温度分布如图1-10所示。试分析高频感应加热水淬后，轮齿由表面到中心各区(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ)的组织。 答：加热到Ⅲ区的部分，加热温度丁低于相变临界点温度Ac1，不发生相变。水冷后40钢齿轮仍保持调质处理后的铁素体基体十粒状渗碳体(回火索氏体)组织，但是高于原调质处理的回火温度的部分中，粒状渗碳体变得较粗大。加热到Ⅲ区的部分组织为：回火索氏体。

加热到Ⅱ区的部分，加热温度为人A c3＞T＞Ac1“出现了部分奥氏体，所以加热时Ⅱ区部分的组织为：铁素体十奥氏体。水冷后Ⅱ区部分的组织为：铁素体+马氏体。

加热到I 区的部分，加热温度T＞Ac3，已经完全奥氏体化，所以加热时I区部分的组织为：奥氏体。

水冷后I 区部分的组织为：马氏体。

29、确定下列钢件的退火方法，并指出退火目的及退火后的组织。 ⑴ 经冷轧后的钢板，要求降低硬度；⑵ ZG35的铸造齿轮；⑶改善T12钢的切削加工性能。 答：⑴ 再结晶退火。退火目的：消除加工硬化现象，恢复钢板的韧性和塑性。再经晶退火后的组织：生成与钢板冷轧前晶格类型相同的细小、等轴晶。冷轧钢板一般为低碳钢，再结晶退火后的组织为铁素体+珠光体。

⑵ 完全退火。退火目的：通过完全重结晶，使铸造过程中生成的粗大、不均匀的组织细化，消除魏氏组织，以提高性能，同时消除内应力。退火后的组织：铁素体+珠光体。

⑶ 球化退火。退火目的：使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化，以降低硬度，改善切削加工性能，并为以后的淬火做组织准备。退火后的组织：球化体（铁素体基体+球状渗碳体）。 30、说明直径为6mm的45钢退火试样分别经下列温度加热：700℃、760℃、840℃、1100℃，保温后在水中冷却得到的室温组织。 答：加热到1100℃保温后水冷的组织：粗大马氏体； 加热到840℃保温后水冷的组织：细小马氏体； 加热到760℃保温后水冷的组织：铁素体十马氏体；

加热到700℃保温后水冷的组织：铁素体十珠光体。

31、两个碳质量分数为1.2% 的碳钢薄试样，分别加热到780℃和900℃，保温相同时间奥氏体化后，以大于淬火临界冷却速度的速度冷却到室温。试分析：

（1） 哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大？

（2） 哪个温度加热淬火后马氏体中碳质量分数较少？ （3） 哪个温度加热淬火后残余奥氏体量较多？ （4） 哪个温度加热淬火后未溶碳化物量较多？

答：（1）加热温度高者奥氏体粗大，粗大奥氏体冷却后转变组织也粗大，因此加热到900℃的试样淬火后马氏体晶粒较粗大。

（2）将试样加热到900℃时，其组织为单相奥氏体，奥氏体中的碳质量分数为1.2%。将试样加热到780℃时，其组织为奥氏体+渗碳体，由于有渗碳体，即一部分碳存在于渗碳体中，奥氏体中的碳质量分数必然降低（奥氏体中的碳质量分数可用铁碳相图确定：约为0.95% ），因此加热到780℃时的试样淬火后马氏体中的碳质量分数较少。

（3）奥氏体中碳质量分数越高，淬火后残余奥氏体量越多，因此加热到900℃的试样淬火后残余奥氏体量较多。

（4）将试样加热到900℃时，其组织为单相奥氏体，淬火后组织为马氏体+残余奥氏体。将试样加热到780℃时，其组织为奥氏体+渗碳体，淬火后组织为马氏体+渗碳体+残余奥氏体。故加热到780℃的试样淬火后未溶碳化物量较多。

32、指出下列工件的淬火温度及回火温度，并说明回火后获得的组织。

（1）45钢小轴（要求综合性能好）；（2）60钢弹簧；（3）T12钢锉刀 答：（1）45钢小轴经调质处理，综合性能好，其淬火温度为830～840℃（水冷），回火温度为580～600℃。回火后获得的组织为回火索氏体。

（2）60钢弹簧的淬火温度为840℃（油冷）回火温度为480℃。回火后获得的组织为回火屈氏体。

（3）T12钢锉刀的淬火温度为770～780℃（水冷），回火温度为160～180℃ ，回火后获得的组织为回火马氏体+二次渗碳体+残余奥氏体。

33、两根45钢制造的轴，直径分别为l0 mm和100 mm，在水中淬火后，横截面上的组织和硬度是如何分布的?

答：45钢制造的轴，直径为10 mm时可认为基本淬透，横截面上外层为马氏体，中心为半马氏体(还有屈氏体十上贝氏体)。硬度基本均匀分布。直径为100 mm时，轴表面冷速大，

越靠近中心冷速越小。横截面上外层为马氏体，靠近外层为油淬火组织：马氏体十屈氏体十上贝氏体，中心广大区域为正火组织：索氏体。硬度不均匀，表面硬度高，越靠近中心硬度越低。

34、甲、乙两厂生产同一种零件，均选用45钢，硬度要求220～250HB，甲厂采用正火，乙厂采用调质处理，均能达到硬度要求，试分析甲、乙两厂的组织和性能差别。

答：选用45钢生产同一种零件，甲厂采用正火，其组织为铁素体+索氏体。乙厂采用调质处理，其组织为回火索氏体。索氏体为层片状组织，即片状渗碳体平行分布在铁素体基体上，回火索氏体是细小的粒状渗碳体弥散的分布在铁素体基体上。由于粒状渗碳体比片状渗碳体对于阻止断裂过程的发展有利，即两者强度、硬度相近，但是回火索氏体的韧性、塑性要好得多。所以乙厂生产的零件性能要更好。

35、试说明表面淬火、渗碳、氮化处理工艺在选用钢种、性能应用范围等方面的差别。 答：表面淬火一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、40MnB钢等。这类钢经预先热处理（正火或调质）后表面淬火，心部保持较高的综合机械性能，而表面具有较高的硬度（50HRC）和耐磨性，主要用于轴肩部位、齿轮。高碳钢也可表面淬火，主要用于受较小冲击和交变载荷的工具、量具等。灰口铸铁制造的导轨、缸体内壁等常用表面淬火提高硬度和耐磨性。

渗碳一般用于低碳钢和合金渗碳钢。渗碳使低碳钢件表面获得高碳浓度（碳质量分数约为1），经过适当热处理后，可提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部依然保持良好的塑性和韧性，因此渗碳主要用于同时受严重磨损和较大冲击的零件，如齿轮、活塞销、套筒等。

氮化钢中一般含有Al、Cr、Mo、W、V等合金元素，使生成的氮化物稳定，并在钢中均匀分布，提高钢表面的硬度，在也不降低，常用的氮化钢有35CrAlA、38CrMoAlA、38CrWVAlA等。碳钢及铸铁也可用氮化提高表面的硬度。氮化的目的在于更大地提高零件的表面硬度和耐磨性，提高疲劳强度和抗蚀性。由于氮化工艺复杂，时间长，成本高，一般只用于耐磨性和精度都要求较高的零件，或要求抗热、抗蚀的耐磨件，如发动机汽缸、排气阀、精密丝杠、镗床主轴汽轮机阀门、阀杆等。

36、试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理。

答：金属材料的强度(主要指屈服强度)反映金属材料对塑性变形的抗力。金属材料塑性变形本质上大多数情况下是由材料内部位错运动引起的。凡是阻碍位错运动的因素都使金属材料强化。

固溶强化原理：固溶体随着溶质原子的溶人晶格发生畸变，品格畸变增大了位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。

加工硬化原理：金属发生塑性变形时，位错密度增加，位错间的交互作用增强，相互缠结，造成位错运动阻力的增大，引起塑性变形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎细化，晶界增多。由于晶界上原子排列不很规则，阻碍位错的运动，使变形抗力增大，从而使强度得以提高。金属发生塑性变形，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化，也叫形变强化。

弥散强化原理：许多金属材料的组织由基体(常为固溶体)和第二相组成，第二相一般为金属化合物。当第二相以细小质点的形态均匀、弥散分布在合金中时，一方面由于第二相和基体之间的界面(相界)增加，造成相界周围基体品格畸变，使位错运动受阻，增加了滑移

抗力，从而强度得到提高。另一方面第二相质点本身就是位错运动的障碍物，位错移动时不能直接越过第二相质点。在外力作用下，位错可以环绕第二相质点发生弯曲，位错移过后，在第二相质点周围留下位错环。这增加了位错运动的阻力，也使滑移抗力增加。以上2个原因使金属材料得以强化。第二相以细小质点的形态均匀、弥散分布在合金中使合金显著强化的现象称为弥散强化。

37、合金元素提高钢的回火稳定性的原因何在？

答：合金元素在回火过程中推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变（即在较高温度才开始分解和转变）;提高铁元素的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度，因此提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。

38、什么是钢的回火脆性?如何避免?

答：钢在回火过程中出现的冲击韧性降低的现象标为回火脆性。回火后快冷(通常用油冷)，抑制杂质元素在晶界偏聚，可防止其发生。钢中加入适当Mo或W[ω(Mo)＝0.5％，ω(W)＝1％]，因强烈阻碍和延迟杂质元素等往晶界的扩散偏聚，也可基本上消除这类脆性。

39、为什么说得到马氏体随后回火处理是钢的最经济而又最有效的强韧化方法？

答：淬火形成马氏体时，马氏体中的位错密度增高，而屈服强度是与位错密度成正比的。马氏体形成时，被分割成许多较小的取向不同的区域（马氏体束），产生相当于晶粒细化的作用，马氏体中的合金元素也有固溶强化作用，马氏体是过饱和固溶体，回火分析出碳化物，使间隙固溶强化效应大大减小，但使韧性大大改善，同时析出的碳化物粒子能造成强烈的第二相强化。所以，获得马氏体并对其回火是钢的最经济和最有效的综合强化方法。

40、为什么碳质量分数为0.4%，铬质量分数为12%的铬钢属于过共析钢，而碳质量分数为1.0%、铬质量分数为12%的钢属于莱氏体钢？

答：因加入12%铬，使共析点S和E点碳质量分数降低，即S点和E点左移，使合金钢的平衡组织发生变化（不能完全用Fe-Fe3C来分析），碳质量分数为0.4%、铬质量分数为12%的铬钢出现了二次碳化物，因而属于过共析钢；而碳质量分数为1.0%、铬质量分数为12%的钢已具有莱氏体钢。

43、用T10钢制造形状简单的车刀，其工艺路线为： 锻造一热处理一机加丁一热处理一磨加工。

①写出其中热处理工序的名称及作用。②制定最终热处理(磨加工前的热处理)的工艺规范，并指出车刀在使用状态下的显微组织和大致硬度。

答：① 锻造一正火一球化退火一机加工一淬火、低温回火一磨加工。

正火：得到S+二次渗碳体、细化组织，消除网状二次渗碳体，为球化退火做准备。

球化退火：使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化，得到球状珠光体。改善机加工性能，同时为淬火做组织准备。

淬火：得到马氏体十粒状渗碳体十残余奥氏体。提高硬度，提高车刀的耐磨性。 低温回火：得到回火马氏体十粒状渗碳体十残余奥氏体，降低淬火应力，提高工件韧性，同时保证淬火后的高硬度和高耐磨性。

② 淬火：加热温度760℃，保温后水冷

低温回火：加热温度150—250℃，保温后(＜2h)炉冷或空冷。

成品组织：回火马氏体十碳化物十残余奥氏体； 硬度：58—64HRC

第三章

1、说出Q235A、15、45、65、T8、T12等钢的钢类、碳的质量分数，各举出一个应用实例。

答：如表1-1所示

Q235A 15 45 65 T8 T12 钢 类 碳素结构钢 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢 碳素工具钢 碳素工具钢 碳质量分数 0.14%～0.22% 约0.15% 0.42%～0.50% 0.62%～0.70% 0.75%～0.84% 1.15%～1.24% 应用实例 钢筋、钢板、钢管等 冲压件及焊接件，经热处理后可制造轴、销等零件 齿轮、轴类、套筒等零件 弹簧 冲头、凿子、锤子等工具 锉刀、刮刀等刃具和量规、样套等量具

2、为什么低合金高强钢用锰作为主要的合金元素?

答：我国的低合金结构钢基本上不用贵重的Ni、Cr等元素，而以资源丰富的Mn为主要元素。锰除了产生较强的固溶强化效果外，因它大大降低奥氏体分解温度，细化了铁素体晶粒，并使珠光体片变细，消除了晶界上的粗大片状碳化物，提高了钢的强度和韧性，所以低合金高强钢用锰作为主要的合金元素。

3、试述渗碳钢和调质钢的合金化及热处理特点。

答：渗碳钢的合金化特点是加入提高淬透性的合金元素如Cr、Ni、Mn等，以提高热处理后心部的强度和韧性；加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素如Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。并增加渗碳层的硬度，提高耐磨性。热处理特点是渗碳后直接淬火，再低温回火，得到的表面渗碳层组织由合金渗碳体与回火马氏体及少量残余奥氏体组成，心部多数情况为屈氏体、回火马氏体和少量铁素体。调质钢的合金化特点是加入提高淬透性的合金元素如Cr、Mn、Ni、Si、B等，并可提高钢的强度，加入防止第二类回火脆性的元素如Mo、W；热处理特点是淬火(油淬)后高温回火，得到的组织是回火索氏体。

4、有两种高强螺栓，一种直径为10mm，另一种直径30mm，都要求有较高的中和机械性能：σb≥800MPa，αk≥600KJ/m2。试问应选择什么材料及热处理工艺？

答：为满足机械性能要求，应考虑材料的淬透性能。对于直径为30mm的螺栓，选择40Cr，该钢有较好的渗透性。热处理工艺为850℃油淬，520℃回火；对于直径位为10mm的螺栓，选择45钢代替40Cr，可节约Cr且达到基本要求，热处理工艺为840℃水淬，600℃回火。

5、为什么合金弹簧钢以硅为重要的合金元素?为什么要进行中温回火?

答：硅元素的主要作用在于提高合金的淬透性，同时提高屈强比。进行中温回火的目的在于获得回火屈氏体组织，具有很高的屈服强度，弹性极限高，并有一定的塑性和韧性。

6、轴承钢为什么要用铬钢？为什么对非金属夹杂限制特别严格？

答：铬能提高淬透性，形成合金渗碳体（Fe, Cr）3C呈细密、均匀分布，提高钢的耐磨性，特别是疲劳强度，因此轴承钢以铬作为基本合金元素。轴承钢中非金属夹杂物和碳化物的不均匀性对钢的性能，尤其是对接触疲劳强度影响很大，因为夹杂物往往是接触疲劳破坏的发源点，因此，轴承钢对非金属夹杂物限制特别严格。

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