《金属工艺学(第2版)》习题答案 第6章习题与答案

思考题

1.有一批直经为5mm的共析钢制成的销子，采用什么热处理方法可得到

下列组织：

解：

(1)珠光体：退火。

(2)托氏体+索氏体：正火。

(3)下贝氏体：等温淬火。

(4)回火索氏体：淬火+高温回火。

(5)马氏体+残余奥氏体：淬火。

2.下列钢件应采用什么退火方法，并说明退火的目的。

解：⑴亚共析钢(coc=0.35%)铸造齿轮：去应力退火；消除应力。

(2)锻造后产生过热组织(晶粒粗大)的亚共析钢(皿=0.6%)锻造毛坯：完

全退火；细化晶粒。

(3)具有片状渗碳体的钢坯(也二1.2%)：球化退火；使Fe3c球化，降低

HBS,提高切削加工性。

3.coc=1.2%的过共析钢正火的目的是什么?如何选择加热温度？

解：消除网状Fe3CH,为球化退作组织准备，提高力学性能；ACCM+30

—50℃o

4.有一批coc=0.45%的碳钢齿轮，其制造工艺为：圆钢下料一锻造一退

火f车削加工f淬火f回火一铳齿f表面淬火。说明各热处理工序的名称和

作用。

解：(1)退火：完全退火；降低HBS,提高切削加工性能，细化晶粒，均

匀组织。

(2)淬火+回火：调质；提高综合性能。

(3)齿面淬火：表面淬火；提高HRC和耐磨性。

5.某柴油机凸轮轴，要求凸轮表面有高的硬度(HRO50),而心部具有良

好的韧性(AQ40J).原来用皿=0.45%的碳钢调质，再在凸轮表面进行高频淬

火，最后低温回火。现因库存钢材用完，拟用皿=0.15%的碳钢代替。试说明：

(1)原coc=0.45%钢的各热处理工序的作用。

(2)改用(oc=0.15%钢后，仍按原热处理工序进行，能否满足性能要求。为

什么？

(3)改用coc=0.15%钢后，采用何种热处理工艺能达到所要求的性能？

解：(1)调质：提局心部综合力学性能；

高频淬火+低温回火：提高HRC、耐磨性，降低脆性，保证要求的硬度

值。

(2)不能。因为含碳量为0.15%淬不硬，表面硬度不足，耐磨性不够。

(3)渗碳+淬火+低温回火。

习题

1.何谓钢的热处理？常用热处理方法有哪些？简述热处理在机械制造中

的作用。

解：钢的热处理就是在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却，改

变其组织，从而获得所需性能的一种工艺。

常用热处理工艺种类主要有：

(1)普通热处理主要包括退火、正火、淬火和回火等。

(2)表面热处理主要包括表面淬火和化学热处理(渗碳、渗氮、碳氮共

渗、渗金属等)。

热处理在机械制造中的作用：

⑴只改变机械零件的内部组织及其性能，而不改变其外形和尺寸，是改

善钢材性能的重要措施。

⑵热处理能充分发挥钢材的性能潜力，显著提高零件使用寿命，节省金

属材料，节约能源。

⑶机械零件毛坯通过热处理可以改善其加工性能；零件通过最终热处

理，可以获得所需的使用性能。

2.指出相变点Aci、AC3、ACcm，An、Af3>A%m与A］、A3、Acm之间的

关系。

解：Ai、A3、Acm：平衡条件下的相变点。

ACHAC3、Accm：钢在实际加热时的相变点

An、An、Arcm：在冷却时的相变点。

由Fe-Fe3c状态图可知，共析钢、亚共析钢、过共析钢分别加热到Ai、

A3、Am温度以上，都可获得单相的奥氏体组织，通常把这种加热转变称为奥

氏体化。但在实际生产中，热处理的加热和冷却都不是极其缓慢的，转变温

度都将偏移理论临界点cAQ、AC3、ACcm表示钢在实际加热时的相变点,在

ArnA门、A%m表示冷却时的相变点。

3.共析钢加热时奥氏体的形成有哪几个阶段？

解：共析钢加热时奥氏体的形成其基本过程包括奥氏体晶核的形成、奥氏

体晶核的长大、残余渗碳体的溶解、奥氏体成分的均匀化四个过程。

4.什么是奥氏体的“实际晶粒度”？钢在加热时为什么希望获得较细小均

匀的奥氏体组织？

解：钢在具体的热处理或热加工的加热条件下所获得的奥氏体晶粒大小，

称为奥氏体的“实际晶粒度”。

奥氏体晶粒大小对冷却后组织和力学性能影响很大。加热时获得的奥氏体

晶粒细小，则冷却后的组织也细小，其强度较高，塑性、韧性较好；反之，

粗大的奥氏体晶粒冷却后的组织也粗大，钢的强度较低，塑性较差，特别是

韧性显著降低。所以，钢在加热时希望能获得较为细小均匀的奥氏体组织，

5.奥氏体等温转变图有何意义？说明共析纲奥氏体等温转变图中各线、

区的含义。

解：过冷奥氏体等温转变曲线反应了过冷奥氏体等温转变的温度、转变时

间与转变产物及转变量（转变开始及终了）的关系。

共析钢奥氏体等温转变图中Ai线表奥氏体与珠光体的平衡温度；左边的

一条C形曲线为转变开始线；右边一条C形曲线为转变终了线；M,和M「线

表示奥氏体向马氏体转变的开始温度和终止温度。在A线上部为奥氏体检定

区；转变开始线左边是过冷奥氏体区；转变开始线和转变终了线之间为过冷

奥氏体和转变产物的混合区；转变终了线右边为转变产物区。

6.共析钢过冷奥氏体在各等温区间转变产物的组织形态和性能有什么不

同?为什么？

解：（1）高温等温转变（珠光体转变）高温等温转变的温度范围在Ai〜

5500c之间。由于转变温度较高，原子具有较强的扩散能力，其转变为扩散

型转变，转变产物为铁素体薄层与渗碳体薄层交替重叠的层状组织，即珠光

体组织。

（2）中温等温转变（贝氏体转变）中温等温转变的温度范围在55（）°C~M,

之间。过冷奥氏体转变为贝氏体的过程，也是由晶核形成和晶核长大来完成

的。由于转变温度较低，原子扩散能力逐渐减弱，转变产物为由含碳过饱和

的铁素体和弥散分布的渗碳体组成的混合物，称为贝氏体组织。

7.奥氏体连续冷却时的临界冷却速度表示什么意义？

解：意义：它与C曲线鼻尖部相切。表示了使过冷奥氏体在连续冷却过

程中不发生转变，而直接转变为马氏体组织的最小冷却速度，即钢在淬火时

为抑制非马氏体转变所需的最小冷却速度，

8.什么是马氏体？钢经奥氏体化后，在什么条件下可获得马氏体组织？

解：碳在a-Fe中过饱和的固溶体称为马氏体，用符号“M”表示。

获得马氏体组织的条件：冷却速度快，过冷度极大，转变速度极快，Fe、

C原子已无法进行扩散，只是依靠铁原子进行短距离移动来完成品格改组。

9.马氏体转变有什么特点?板条马氏体和片状马氏体的组织形态、碳的质

量分数及性能有何不司？

解：特点：

⑴马氏体转变是非扩散型的转变；

⑵转变是在一个温度范围内连续冷却过程中进行的。

板条马氏体和片状马氏体的组织形态、碳的质量分数及性能有何不同：

马氏体是碳在a-Fe中的过饱和固溶体，马氏体晶格畸变则随碳过饱和度

的增加而增加。由于碳的过饱和固溶，玛氏体内晶格严重畸变，导致强烈的

固溶强化。因此，马氏体具有高的硬度和强度，这是马氏体的主要性能特点。

马氏体的硬度主要取决于碳的质量分数，马氏体中碳的质量分数越高，则硬

度越高。但钢的塑性、韧性则很差，特别是粗大的马氏体，脆性很大。

根据组织形态的不同，马氏体通常可分为片状（针状）马氏体（高碳马氏体）

和板条马氏体（低碳马氏体）两种。若g>1.0%时，形成片状（针状）马氏体。片

状（针状）马氏体，由互成一定角度的针状晶体组成，其单个晶体的立体形态呈

双凸透镜状，因每个马氏体针的厚度与径向尺寸相比很小，所以粗略地说是

片状。因在金相磨面上观察到的通常都是与马氏体片成一定角度的截面，呈

针状，故亦称为针状马氏体C这种马氏体主要产生于高碳钢的淬火组织中，

硬度较高，但塑性和韧性较差，脆性较大。若妣<0.2%时，形成低碳板条马

氏体。低碳板条马氏体具有较高的硬度、较高强度与较好塑性和韧性相配合

的综合力学性能。

10.何谓退火？完全退火的目的是什么？为什么不宜用于过共析钢？去应

力退火时钢中有无相的变化？为什么？

解：完全退火的目的：降低钢的硬度，细化晶粒，充分消除内应力，便

于随后的加工。

对于过共析钢件，因加热到ACcm以上完全奥氏体化后，在随后的缓冷过

程中，二次渗碳体会以网状形式沿奥氏体晶界析出，使钢件的强度和韧性显

著下降，并为以后的切削加工、淬火加热等带来不利影响。

去应力退火主要是为了去除由于塑性变形加工、焊接等而造成的以及铸

件内存在的残余应力而进行的退火。通常将钢件加热到500-650°C,保温后,

随炉缓冷至300~200℃,再出炉空冷。由于加热温度低于A”故钢不发生相

变。

11.何谓正火？正火的目的是什么？

解：正火是将钢件加热到AC3或Ac.以上30〜50℃,保温适当的时间

后，在空气中冷却的热处理工艺。

正火的主要目的是：细化晶粒、调整硬度；消除碳化物网，为后续加工

及球化退火、淬火等做好组织准备。

12.退火与正火有何异同？如何选择？

解：正火与退火相比，所得室温组织同属珠光体，但正火的冷却速度比

退火要快，过冷度较大。因此，正火后的组织比退火组织要细小些，钢件的

强度、硬度比退火高一些。同时正火与退火相比具有操作简便，生产周期近,

生产效率较高，成本低等特点。

退火与正火同属钢的预备热处理，在操作过程中如装炉、加热速度、保

温时间都基本相同，只是冷却方式不同，在生产实际中有时两者可以相互代

替。究竟如何选择退火与正火，一般可从以下几点考虑：

(1)从切削加工性考虑：钢件适宜的切削加T硬度为170〜230HRS.

因此，低碳钢、低碳合金钢应选正火作为预备热处理，中碳钢也可选用正火;

而00.5%的非合金钢、中碳以上的合金钢应选用退火作为预备热处理。

(2)从零件形状考虑：对于形状复杂的零件或大型铸件，正火有可能因

内应力太大而引起开裂，则应选用退火。

(3)从经济性考虑：因正火比退火的操作简便，生产周期短，成本低，

在能满足使用要求的情况下，应尽量选用正火，以降低生产成本。

13.何谓淬火？其目的是什么？

解：淬火是将钢件加热到相变点AC3或Aci以上某一温度，保温一定时间，

然后以适当速度冷却，获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。

淬火的主要目的是为了得到马氏体(或下贝氏体)组织，然后与适当的回火

相配合，使工件获得所需的使用性能。

14.淬火加热温度如何选择？选择的主要根据是什么？

解：选择：碳钢适宜的淬火加热温度为：亚共析钢Ac3+(30〜50℃)；共

析钢和过共析钢Acr(30〜50℃)o

依据：亚共析钢加热到AC3+(3O〜50℃),可获得全部细小均匀的奥氏体

晶粒，淬火为均匀细小的马氏体组织。若加热温度在Aci〜AC3之间，则组织

中尚有未转变完的铁素体，淬火后得到的组织为铁素体和马氏体，由于铁素

体的存在，使钢的硬度降低。若加热温度超过Ac3+(30〜50℃),则奥氏体晶

粒粗大，淬火后得到粗片状马氏体，钢的性能变差。

过共析钢加热至Aci+(3()〜5()°C),此时组织为奥氏体和小粒状渗碳体，

淬火后得到的组织为马氏体和细粒状渗碳体及少量残余奥氏体。因细粒状渗

碳体可以提高淬火钢的硬度和耐磨性，故淬火后的硬度很高。过共析钢若加

热至A&m以上，渗微体将全部溶解，提高了奥氏体中碳的质量分数，使马氏

体开始转变温度(Ms)下降，淬火后残余奥氏体量漕多，钢的硬度和耐磨性下降。

同时，由于加热温度高，奥氏体晶粒粗大，淬火得到粗片状马氏体，脆性增

大。

15.常用的淬火介质的哪些？各有何特点？

解：淬火冷却介质是指T件进行淬火冷却时所使用的介质0生产卜最常

用的淬火介质有水、水溶液、油、硝盐浴、碱浴、空气等。

水在650〜550℃范围内具有较强的冷却能力。但水在300〜200C之间

仍有较强的冷却能力，此温度范围正好是非合金钢的马氏体转变温度，冷却

速度快，容易引起淬火钢件的变形和开裂。若在水中加入适量的NaCl或

NaOH,可大大提高水在650〜550℃间的冷却能力，而在300〜200℃间的

冷却能力变化不大。

各种矿物油在30()〜20()°C范围内具有较恭的冷却能力，使钢件在淬火时

不易变形和开裂，但在650〜550℃范围冷却能力不够大，只适用于过冷奥氏

体较稳定的合金钢淬火。

硝盐浴和碱浴的冷却能力介于水、油之间，主要供等温淬火和分级淬火

用。

16.淬火方法分哪几类？各有何特点？

解：(1)单介质淬火

单介质淬火是将加热好的工件直接放入一种淬火介质中冷却。

特点：操作简单，易实现机械化和自动化，但水淬容易产生变形与开裂,

油淬容易产生硬度不足或硬度不均匀现象，主要适用于截面尺寸无突变，形

状简单的工件。一般非合金钢采用水作淬火介质，合金钢采用油作淬火介质。

(2)双介质淬火(双液淬火)

双介质淬火是将钢奥氏体化后，先浸入一种冷却能力强的介质中冷却，

在钢还未达到该淬火介质温度之前即取出，立即转入另一种冷却能力较弱的

介质中冷却的方法。

特点：既能保证钢件淬硬得到高硬度，又能减小变形和开裂倾向。但钢

件在第一种介质中的停留时间很难正确掌握，要求较高的操作技术。主要用

于形状不太复杂的高碳钢和较大尺寸的合金钢工件。

（3）分级淬火

分级淬火是将钢件奥氏体化，随之浸入温度稍高或稍低于Ms的盐浴或碱

浴中，保持适当时间，待钢件内外层温度都达到介质温度后取出空冷，以获

得马氏体组织的淬火T艺.

特点：操作比双液淬火易于控制，能减少热应力和变形，防止开裂。分

级淬火主要用于形状复杂、尺寸要求精确的小型非合金钢件和合金钢工模具。

（4）等温淬火

等温淬火是将工件奥氏体化后，放入温度稍高于Ms的盐浴或碱浴中，保

温足够长的时间使其完成贝氏体转变，获得下贝氏体组织，然后再取出空冷

的淬火工艺。

特点：工件强度高、韧性和塑性好，应力和变形很小，能防止开裂。但

生产周期长，生产率较低。主要用于形状复杂，且硬度与韧性都要求较高的

小型工件，如各种模具、成形刃具等的淬火。

17.淬透性和淬硬性两者有何区别？其主要影响因素各是什么？

解：钢的淬透性是指在规定条件下，决定钢淬硬深度和硬度分布的特性。

淬硬性是指钢在理想条件下，进行淬火硬化所能达到最高硬度的能力。

钢的淬透性主要取决于过冷奥氏体的稳定性，稳定性越好，淬火临界冷

却速度越低，则钢的淬透性越好。主要影响因素为钢的化学成分和奥氏体化

温度及保温时间。

钢的淬硬性主要取决于钢在淬火加热时固溶于奥氏体中碳的质量分数，奥

氏体中碳的质量分数越高，则淬火获得马氏体组织后的硬度越高，钢的淬硬

性越好，而钢中合金元素对其淬硬性的影响不大。

18.工件淬火后为什么会产生变形和开裂？在热处理工艺方面有哪些减少

或防止变形与开裂的措施？

解：工件淬火后产生变形和开裂由淬火应力引起的，在淬火时很难避免。

在热处理工艺方面减少或防止变形与开裂的措施主要是回火。

19.什么叫回火？回火的目的是什么？

解：钢件经淬火后虽然具有高的硬度和强度，但脆性大，并存在有较大

的淬火应力，一般情况下必须经过适当的回火后才能使用。

回火的目的是：稳定组织，使工件形状、尺寸稳定；减小或消除淬火内

应力，降低脆性，获得工件所要求的力学性能。

20.按回火温度不同.问火分哪几种？说明各种回火后的组织、性能及应

用。

解：按回火温度范围不同，钢的回火可分为低温回火、中温回火及高温

回火三种。

回火温度为150〜250°C,低温回火后的组织为回火马氏体。其目的是降

低淬火内应力，减少脆性，保持淬火后的高硬度和高耐磨性。主要用于处理

各种刃具、量具、冷作模具、滚动轴承、渗碳件和表面淬火件，回火后的硬

度一般为58〜64HRCo

回火温度为250〜500℃,中温回火后的组织为回火托氏体。其目的是获

得良好弹性和较高的屈服强度，并保持一定的冲击韧性。主要用于要求高弹

性和足够韧性的工件，如各种弹簧、热锻模具等，回火后的硬度一般为35~45

HRCo

回火温度为5()0~650°C,高温回火的组织为回火索氏体。其目的是获得

较高强度与足够的塑性和韧性，即良好的综合力学性能。在热处理生产中通

常将淬火加高温1回火的复合热处理工艺称为调质处理，简称调质。高温回火

一般用于要求具有较好综合力学性能的各种连接和传动结构件，如曲轴、连

杆、螺栓、齿轮、轴等，回火后的硬度一般为25〜35HRC。

21.什么是回火脆性？回火脆性有哪几种？在热处理工艺方面如何防止？

解：淬火钢的韧性并不总是随回火温度的升高而提高的，在某些温度区

间回火或从回火温度缓冷通过该温度区间时，出现脆化的现象，称为“回火

脆性”。回火脆性有低温(250〜350℃)回火脆性和高温(500〜650℃)回火脆性

两种。

低温回火脆性：淬火钢在250〜350c回火时所产生的回火脆性，也称为

第一类回火脆性。几乎所有淬火后形成马氏体的钢在此温度回火，都程度不

同地产生这种脆性。这与在这一温度范闱沿马氏体的晶界析出碳化物的薄片

有关，第一类回火脆性一旦产生就无法消除，故又称不可逆回火脆性，目前

尚无有效办法完全消除这类回火脆性，所以一般不在250〜350°C温度范围同

火C

高温回火脆性：淬火钢在500〜650C范围内回火后出现的脆性，乂称为

第二类回火脆性。这类回火脆性主要发生在含辂、银、硅、锦等合金钢，在

500~650°C长时间保温或以缓慢速度冷却时，便发生明显脆化现象，但回火

后快速冷却，脆化现象便消失或受到抑制，所以这类回火脆性也叫可逆回火

脆性。高温回火脆性产生的原因，一般认为与镭、锡、磷等杂质元素在原奥

氏体晶界上偏聚有关。铭、银、硅、锦等会促进这种偏聚，而且本身也易在

晶界上偏聚，因而增加了这类回火脆性的倾向。若钢中含有少量的铝、铝等

合金元素，可抑制高温回火脆性的出现。

22.甲、乙两厂同时生产一批45钢零件，硬度要求220〜250HBS。甲厂

采用调质，乙厂采用正火，均可达到硬度要求。试比较甲、乙两厂产品在组

织和性能方面的差异，

解：甲厂：组织为回火索氏体。性能：较高强度与足够的塑性和韧性，即

良好的综合力学性能，

乙厂：组织为索氏体。强度、硬度一般，塑性和韧性较好。

23.说明感应加热淬火的特点及其应用。

解：特点：感应淬火因加热速度极快，表层硬度比普通淬火的高2〜3

HRC,且有较好的耐磨性和较低的脆性；加热时间短，基本无氧化、脱碳，

变形小；淬硬层深度容易控制；能耗低，生产效率高，易实现机械化和自动

化，适宜大批量生产。但感应加热设备投资大，维修调试较困难，对于形状

复杂工件的感应器不易制作。

应用：感应淬火多用于中碳钢和中碳低合金钢制造的中小型工件的成批生

24.说明火焰淬火的特点及其应用。

解：特点：火焰淬火的操作简便，不需要特殊设备，成本低；淬硬层深

度一般为2〜6mm。但因火焰温度高，若操作不当工件表面容易过热或加热

不匀，造成硬度不均匀，淬火质量难以控制，易产生变形与裂纹。

应用：适用于大型、小型、单件或小批量工件的表面淬火，如大模数齿

轮、小孔、顶尖、凿子等.

25.什么是表面淬火？为什么能淬硬表面层，而心部组织不变？它和淬火

时没有淬透有什么不司？

解：仅对工件表层进行淬火的工艺称为表面淬火。表面淬火仅对表层进行

淬火，使工件表层获得马氏体组织，具有高硬度、高耐磨性，内部仍保持淬

火前的组织，具有足够的强度和韧性。没淬透是因为钢件中心部分冷却速度

低于临界冷却速度，则心部将获得非马氏体组织。

26.什么叫钢的化学热处理？化学热处理包括哪儿个基本过程？常用的化

学热处理方