2025年金属热处理原理及工艺习题一(参考答案)

金属热处理原理及工艺习题一(参考答案)一、名词解释1.过冷奥氏体：在临界温度（A1）以下处于不稳定状态的奥氏体，因其未发生相变而处于过冷状态，是钢在加热奥氏体化后冷却过程中可能存在的中间相。2.临界冷却速度（Vk）：钢在冷却时抑制珠光体和贝氏体转变、仅发生马氏体转变所需的最小冷却速度，是制定淬火工艺的关键参数，决定了钢的淬透性。3.球化退火：将钢加热到略高于Ac1（亚共析钢）或略低于Accm（过共析钢）的温度，长时间保温后缓慢冷却，使片状渗碳体转变为球状或粒状的工艺，目的是降低硬度、改善切削性能并为后续淬火作组织准备。4.马氏体：碳在αFe中的过饱和固溶体，由奥氏体快速冷却（大于Vk）时发生无扩散切变转变形成，具有高硬度、高脆性的特点，其形态主要有板条马氏体（低碳钢）和针状马氏体（高碳钢）。5.珠光体：铁素体与渗碳体的层片状机械混合物，由过冷奥氏体在A1~550℃温度区间等温转变形成，片层间距越小（如索氏体、屈氏体），强度和硬度越高。二、简答题1.简述奥氏体化的基本过程及其影响因素。奥氏体化是钢加热时由铁素体和渗碳体转变为奥氏体的过程，分为四个阶段：（1）奥氏体形核：优先在铁素体与渗碳体的界面处形核，因界面能量高、成分梯度大；（2）奥氏体长大：通过铁、碳原子的扩散，铁素体向奥氏体转变，渗碳体逐渐溶解；（3）残余渗碳体溶解：奥氏体形成后，未溶解的渗碳体继续向奥氏体中溶解，需延长保温时间完成；（4）奥氏体成分均匀化：由于碳原子扩散速度快于铁原子，初始奥氏体内成分不均匀，需通过长时间保温使碳及合金元素均匀分布。影响因素包括加热温度（温度越高，扩散速度越快，奥氏体化越迅速）、保温时间（时间不足则渗碳体未完全溶解、成分不均）、原始组织（片状渗碳体比球状渗碳体溶解更快，细片状比粗片状界面更多，形核率更高）、钢的成分（碳含量越高，渗碳体越多，奥氏体化时间越长；合金元素如Cr、Mo阻碍扩散，延长奥氏体化时间）。2.比较退火与正火的工艺、组织及应用的异同。工艺差异：退火是将钢加热到临界点以上（或以下，如去应力退火）后缓慢冷却（炉冷或随炉缓冷）；正火则是加热到临界点以上后在空气中冷却，冷却速度快于退火。组织差异：对于亚共析钢，退火后得到铁素体+珠光体（珠光体比例较低），正火后得到铁素体+细珠光体（珠光体比例较高，且片层更细）；对于过共析钢，退火后得到珠光体+网状二次渗碳体（若冷却过慢），正火因冷却较快抑制二次渗碳体析出，得到珠光体（或索氏体）。应用差异：退火主要用于消除内应力、降低硬度（如球化退火改善切削性能）、细化组织（完全退火）或为后续加工准备（如扩散退火均匀成分）；正火多用于提高低碳钢的硬度（避免退火后硬度太低导致切削粘刀）、消除过共析钢的网状渗碳体（为球化退火作准备），或作为中碳钢的最终热处理（代替调质处理以降低成本）。3.说明马氏体转变的主要特点及其对钢性能的影响。马氏体转变特点：（1）无扩散性：转变过程中原子不发生长程扩散，仅作集体切变，因此马氏体成分与原奥氏体相同；（2）切变共格性：马氏体与奥氏体界面为共格界面，切变导致表面浮凸效应（抛光表面出现倾动）；（3）高速性：马氏体片长大速度极快（接近声速），转变时间极短，转变量主要取决于温度（Ms~Mf），与保温时间无关；（4）可逆性：部分钢种（如奥氏体不锈钢）的马氏体在加热时可逆转变为奥氏体（热弹性马氏体）；（5）体积膨胀：马氏体比容大于奥氏体，转变时产生很大内应力（组织应力），易导致变形或开裂。对性能的影响：马氏体的高硬度（主要来自过饱和碳的固溶强化及亚结构（位错、孪晶）的强化）使钢具有高耐磨性；但因过饱和碳引起晶格严重畸变，且组织应力大，马氏体脆性极高，需通过回火降低脆性、消除应力并调整性能（如回火马氏体保留高硬度，回火索氏体获得良好强韧性匹配）。4.分析亚共析钢与过共析钢淬火加热温度的选择依据，并说明温度过高或过低的危害。亚共析钢淬火加热温度为Ac3+30~50℃。选择依据：需完全奥氏体化，确保铁素体全部转变为奥氏体，避免未溶铁素体残留（降低淬火后硬度和强度）。若温度过低（低于Ac3），铁素体未完全溶解，淬火后组织中存在软点（铁素体），硬度不足；温度过高（远高于Ac3），奥氏体晶粒粗化（形成粗大马氏体），淬火应力增大，变形开裂倾向增加，且氧化脱碳严重。过共析钢淬火加热温度为Ac1+30~50℃。选择依据：保留部分未溶渗碳体（约5%~10%），可阻碍奥氏体晶粒长大（细化晶粒），并提高淬火后钢的硬度（渗碳体本身硬度高）和耐磨性；同时避免加热至Accm以上导致奥氏体含碳量过高（残余奥氏体量增加，降低硬度）。若温度过低（低于Ac1），奥氏体未形成，无法淬火；温度过高（高于Accm），二次渗碳体全部溶解，奥氏体含碳量过高，淬火后残余奥氏体量显著增加（硬度下降），且晶粒粗化，脆性增大。三、计算题已知某45钢（亚共析钢，Ac3=780℃）试样原始组织为铁素体+珠光体，珠光体体积分数为40%，试计算：（1）该钢的含碳量；（2）若将其加热至850℃保温后油淬，得到马氏体+残余奥氏体组织，测得残余奥氏体体积分数为8%，求淬火后马氏体中的平均含碳量（假设奥氏体含碳量与原始钢含碳量相同，残余奥氏体含碳量与淬火前奥氏体含碳量一致）。（1）计算含碳量：亚共析钢中珠光体体积分数（Vp）与含碳量（wc）的关系为Vp=wc/wp×100%，其中wp为共析钢含碳量（0.77%）。已知Vp=40%，则wc=Vp×wp/100%=40%×0.77%=0.308%。（2）计算马氏体平均含碳量：设原始奥氏体含碳量为wc=0.308%（假设加热时完全奥氏体化，成分均匀）。淬火后组织为马氏体（体积分数Vm）和残余奥氏体（体积分数Va=8%），则Vm=1Va=92%。由于马氏体含碳量与奥氏体相同（无扩散转变），但实际中残余奥氏体含碳量略高于原奥氏体（因高碳奥氏体更稳定，不易转变为马氏体）。但题目假设残余奥氏体含碳量与原奥氏体一致，因此马氏体含碳量仍为0.308%。（注：若考虑实际情况，高碳奥氏体更稳定，残余奥氏体含碳量高于原奥氏体。设原奥氏体含碳量为w0，残余奥氏体含碳量为wγ，则马氏体含碳量为w0。根据杠杆定律，Va=(w0wα)/(wγwα)，但本题假设wγ=w0，故简化为马氏体含碳量=w0=0.308%。）四、综合分析题某T10钢（过共析钢，Ac1=730℃，Accm=820℃）刀具在淬火后出现硬度不足、变形超差的问题，试分析可能原因及改进措施。可能原因：（1）淬火加热温度不当：若温度过低（低于Ac1），奥氏体未形成，淬火后仍为原始组织（珠光体+渗碳体），硬度不足；若温度过高（高于Accm），二次渗碳体全部溶解，奥氏体含碳量过高（接近1.0%），淬火后残余奥氏体量显著增加（残余奥氏体硬度低），导致整体硬度下降；同时高温加热使奥氏体晶粒粗化，淬火应力增大，变形超差。（2）冷却速度不足：T10钢临界冷却速度Vk较高，若淬火介质冷却能力不足（如使用油淬而非水淬），冷却速度低于Vk，过冷奥氏体发生珠光体或贝氏体转变，提供非马氏体组织（如屈氏体+马氏体），硬度降低；冷却不均匀还会导致局部应力过大，变形加剧。（3）保温时间过长或过短：保温时间过短，奥氏体未充分形成（残余渗碳体过多），淬火后马氏体量不足，硬度低；保温时间过长，奥氏体晶粒粗化（同温度过高的影响），变形开裂倾向增加。（4）原始组织不良：若原始组织为粗大片状珠光体+网状渗碳体（未进行球化退火），加热时奥氏体形核率低，成分不均匀，淬火后组织中存在软点（未溶渗碳体周围奥氏体含碳量低，转变为低硬度马氏体）；网状渗碳体还会降低基体连续性，导致变形敏感性增加。改进措施：（1）调整加热温度：控制在Ac1+30~50℃（760~780℃），确保部分二次渗碳体未溶解（细化晶粒，减少残余奥氏体），同时奥氏体含碳量适中（约0.9%~1.0%），淬火后马氏体量多，残余奥氏体量合理（约5%~10%）。（2）选择合适淬火介质：T10钢为高碳钢，淬透性较好，可采用水油双介质淬火（先水淬至Ms附近，再油冷），既保证冷却速度大于Vk，又减少组织应力（油冷降低冷却后期速度），避免变形开裂。（3）优化保温时间：根据工件尺寸确定保温时间（一般按1~1.5min/mm计