1、复习资料 工程材料学 金属热处理习题与答案详解一.选择题（10分，每题1分）二.填空题（20分，每空1分）1.奥氏体转变速度的影响因素A形成时，T（或过热度T ），始终有利于A的形成。 T，A形成速度影响奥氏体转变速度的因素：温度的影响：T，I ，G，且I G奥氏体起始晶粒度越小。各种因素中，T的影响作用最强烈原始组织的影响：片状P转变速度球状P薄片较厚片转变快碳含量的影响：C，A形成速度合金元素的影响：改变临界点位置，影响碳在A 中的扩散系数合金碳化物在A中溶解难易程度的牵制，对原始组织的影响合金钢需要更长均匀化时间2.马氏体的转变、亚结构及影响Ms的因素亚结构：位错板条马氏体的亚结构主要为
2、高密度的位错，位错形成位错网络（缠结），位错密度随含碳量增加而增大，常为(0.30.9) 1012/cm3。故称位错马氏体。一般情况下残余奥氏体对钢性能的影响很小，精密的零件就不同了，残余奥氏体在常温下仍然可以继续变成马氏体，而马氏体的比容大，会引起零件的体积变大，所以Ms低一些比较好，这时残余奥氏体较少，超高精度的零件可采用低温处理，将残余奥氏体全部会谈为马氏体，以使零件尺寸稳定。Ms点下降，说明钢的马氏体转变温度降低，钢就越容易得到马氏体组织，钢的淬火硬度就高；反之，Ms点上升，说明钢的马氏体转变温度升高，钢就不容易得到马氏体组织。3.渗碳后的热处理钢的渗碳：将钢件在碳的活性介质中加热并保
3、温，使碳原子渗入表层的一种表面化学热处理工艺。目的：提高零件的表面硬度、耐磨性；高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度；心部保持良好的塑性与韧性。渗碳后常用热处理方法：1、直接淬火渗碳后，预冷到一定温度，立即进行淬火冷却，这种方法适合于气体或液体渗碳，固体渗碳不适合。2、一次淬火法工件渗碳后随炉冷却到室温，然后再重新加热到淬火温度，经保温后淬火。3、两次淬火法将渗碳缓冷到室温的工件进行两次加热淬火。注意：淬火后需要进行低温回火。4.球化退火的意义球化退火的作用和目的有：提高钢材的塑性和韧性、改善切削加工性能、减少淬火加热时的过热倾向和变形开裂倾向，使钢件具有足够的强度、硬度、耐磨性、抗接触疲劳性和断裂
4、韧性。5.粒状P与片状P的区别二.片状珠光体的转变机理1、领先相（a）形核位置：Fe3C形核于奥氏体晶界或奥氏体晶内未溶Fe3C粒子。珠光体优先在奥氏体晶界上或其他晶体缺陷处形核。？（b）晶核的形状：薄片。因表面积大，易接受扩散来的原子，且应变能小。 (2) 长大 Fe3C薄片向纵向、横向长大，不断吸收周围碳原子 在Fe3C两侧或奥氏体晶界上贫碳区，形成F核Fe3C纵向长大(横向已不可能)，F纵向长大、横向长大，于F侧的同一位向形成Fe3C，在同一位向交替形成F与Fe3C，形成一个珠光体团。 在不同位向形成另一个珠光体团珠光体团互相接触，转变结束。 片状P的长大方式：（1）交替形核、纵向长大；
5、 （2）横向长大；（3）分枝形式长大。6.A的稳定化概念奥氏体由于内部结构在外界条件下发生了某种变化，使其转变为马氏体能力减低的现象，称为奥氏体的稳定化。表现为点降低、AR量增多。7.第一、二类回火脆性的特点第一类回火脆性特征：（1）冲击值显著降低；（2）不可逆性:即不能通过回火冷却方法（快冷）加以改善，无论快冷或慢冷都使aK，只有再加热到更高温度回火，可以消除脆性，才能使aK。（3）脆性断口、晶间断裂第二类回火脆性特征：（1） 在450650之间加热和缓慢冷却时将产生脆性；（2）与钢材化学成分密切相关（3）具有可逆性。即把已产生脆性的工件，只要重新加热到650并随之快冷，即可消除回火脆性；（
6、4）出现脆性的试样，总是沿奥氏体晶界破断。8.金属热处理的一般过程钢的热处理是通过钢在固态下的 加热 、 保温 和 冷却 ，使其获得所需要的 组织 与 性能 的一种工艺方法。9.淬火时热应力分布淬火应力、变形及开裂1. 淬火时工件的内应力产生原因：不同部位的温度差异及组织转变不同，产生原因：不同部位的温度差异及组织转变不同比热变化，当温度下降到M转变点时，发生A向M转变， 将使比容增大。（1） 种类热应力：不同部位热胀(或冷缩)的不一致组织应力：不同部位组织转变不同时性根据内应力的存在时间特性还可分：瞬时应力和残余应力淬火内应力是造成工件变形和开裂根本原因。 淬火内应力超过材料屈服强度-引起工
7、件变形; 淬火内应力超过材料断裂强度-引起工件断裂。（2）热应力由于工件心部和表面冷却速度不一致，其冷却收缩不同而造成的内应力。最终的淬火热应力：表面压应力、心部拉应力。变化规律：1）冷却速度，截面温度差热应力；2）冷却介质相同，工件加热温度、尺寸、热传导系数温差，热应力。（3） 组织应力由于工件表层和心部发生马氏体转变的不同时性而造成的内应力。组织应力产生过程： 冷却初期，表面发生马氏体相变，表面体积膨胀，产生压应力；心部冷速慢牵制表面膨胀，产生拉应力； 冷却后期，心部发生马氏体相变，心部体积膨胀，产生压应力；表面牵制心部膨胀，产生拉应力； 最终的淬火组织应力：表面拉应力、心部压应力。 发生
8、相变前主要内应力为热应力； 发生相变后主要内应力为组织应力，热应力为辅。 但由于组织应力发生在塑性较低的低温阶段，因此是使零件开裂的主要原因。大小与冷却速度、钢件尺寸、导热性、A的屈服强度、含碳量、M比容和淬透性有关。10.有物态变化的淬火介质中淬火冷却时钢件冷却过程淬火介质的冷却作用：在冷却过程中，淬火介质是否发生物态变化有物态变化的：水、油、水溶液无物态变化的：熔盐、熔融金属2） 钢件冷却过程（有物态变化的淬火介质）（1） 蒸汽膜阶段 产生大量过热蒸汽，形成连续的蒸汽膜，使工件和液体分开。 冷却主要靠辐射传热，冷却速度较慢。（2） 沸腾阶段随着T工件，Q放蒸汽膜厚度减薄并破裂，以致使液体工
9、件直接接触，形成大量气泡溢出液体，带走大量热量，冷却速度较快。（3）对流阶段当工件表面的温度降低至介质的沸点或分解温度以下时，工件的冷却主要靠介质的对流形成，随着工件与介质的温度降低，冷却速度也逐渐降低。对无物态变化的介质，淬火冷却主要靠对流散热，在工件温度较高时辐射散热也由很大比例，也存在传导散热。其冷却能力与其本身物理性质有关外还与工件介质间的温度差有关。11.钢的回火转变过程1）马氏体分解，得到回火马氏体2）残余奥氏体3）回火托氏体4）回火索氏体12.化学热处理的基本过程表面化学热处理：将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入金属的表面，以改变其化学成分、组织和性能的热处
10、理工艺。过程分为：（1）分解：介质在一定温度下发生化学分解，产生可渗入元素的活性原子（2）吸收：活性原子被工件表面吸收（3）扩散;渗入工件表面层的活性原子，由表面向中心迁移的过程。13.淬透性：是指在规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力。钢的淬透性好坏，取决于该钢的临界冷却速度，临界冷却速度越低，则钢的淬透性越好。显然，淬透性好的钢更易于整体淬透，所以更适于制造截面尺寸较大的零件。钢材淬火时获得马氏体的能力的特性。和钢的过冷奥氏体的稳定性，或者临界淬火冷却速度。有关影响淬透性的因素：（1）钢的化学成分：含碳量增大，碳钢临界淬火冷却速度下降，淬透性提高。含碳量超过1.2%，相反。除
11、Ti、Zr和Co外，所有合金元素提高淬透性。（2）奥氏体晶粒度 ：A晶粒，淬透性；（3）奥氏体化温度 ： TA晶粒粗大；碳化物、非金属夹杂物，A均匀化过冷奥氏体稳定性淬透性；（4）第二相及其分布 ：奥氏体中未溶的非金属夹杂物和碳化物的存在以及其大小和分布，影响过冷奥氏体的稳定性，从而影响淬透性；14.淬火后回火组织淬火钢回火的组织特征：不同的回火温度，淬火M的转变程度不同，回火后得到的组织也不同。生产中常按其组织特征将回火组织分为三种：回火马氏体回火屈氏体回火索氏体。淬火钢回火时力学性能变化：淬火钢通过回火，发生组织转变和结构变化，上述强化逐渐减弱、消失。决定淬火钢回火后性能的主要结构因素有以
12、下方面：低温回火（100250）时为：相中的碳含量中温回火（250450）时为：相中的碳含量、Fe3C分散度高温回火（450650）时为：Fe3C分散度、相的物理状态及成分15.淬火的方式单介质淬火，双介质淬火，分级淬火，等温淬火，编辑本段表面淬火三.名词解释（20分，每题5分）1.奥氏体稳定化：奥氏体由于内部结构在外界条件下发生了某种变化，使其转变为马氏体能力减低的现象，称为奥氏体的稳定化。表现为点降低、AR量增多。固溶热处理：将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺2.二次淬火：有些高合金钢的A均稳定，即使在较高温度下回火也不
13、发生分解或不能完全分解，但在回火冷却时转变为M。主要是回火时由于析出，使其C，合金元素含量，提高了M转变的Ms，促使它在随后冷却时M。当淬火钢中存在残余奥氏体，在回火保温时残余奥氏体没有被分解掉，在随后的冷却过程中，由于催化（又称反稳定化）作用，它很可能发生马氏体转变，这一现象称为二次淬火。3.二次硬化：是指某些淬火合金钢在500- 650回火后硬度增高，在硬度回火温度曲线上出现峰值的现象。4.回火脆性：淬火钢在某一温度范围回火时，冲击韧性比其在较低温度回火时反而显著下降，这种脆性现象称回火脆性。5.调幅分解：由一种固溶体分解为结构相同而成分不同的两种固溶体。成分自动调整，分解产物1 、2只有
14、溶质富区和贫区，两者没有清晰的相界。6.表面淬火：是将钢件的表面通过快速加热到临界温度以上，但热量还未来得及传到心部之前迅速冷却，这样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而心部没有发生相变，这就实现了表面淬硬而心部不变的目的。适用于中碳钢。7.化学热处理：是指将化学元素的原子，借助高温时原子扩散的能力，把它渗入到工件的表面层去，来改变工件表面层的化学成分和结构，从而达到使钢的表面层具有特定要求的组织和性能的一种热处理工艺。8.脱溶：从过饱和固溶体中析出第二相(沉淀相)、形成溶质原子聚集区以及亚稳定过渡相的过程称为脱溶或沉淀，是一种扩散型相变。 9.调质处理：将钢件淬火，随之进行高温回火，这种复合工
15、艺称调质处理。四.问答题（24分，每题8分）五.综合体（26分，每题13分）1.奥氏体形成过程及其渗碳体较铁素体溶解慢的原因答：奥氏体的形成指钢在加热过程中，由加热前的组织转变为奥氏体的过程。 例如：珠光体加热形成奥氏体 相转变： F + Fe3C A 碳含量： 0.02% 6.69% 0.77% 点阵结构: bcc 复杂斜方 fcc在普通碳钢中，奥氏体存在于共析温度（727）以上，最大含碳量为2.11%（1148）。 奥氏体1.组织: 碳在-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。2.特性:呈面心立方晶格.最高溶碳量为2.06%,在一般情况下,具有高的塑性,但强度和硬度低,HB=170-22
16、0,奥氏体组织除了在高温转变时产生以外,在常温时亦存在于不锈钢、高铬钢和高锰钢中,如奥氏体不锈钢等奥氏体的形成过程(以共析钢为例)加热工序的目的：得到奥氏体 P ( F + Fe3C ) A结构 体心 复杂 面心含碳量 0.77 0.0218 6.69 0.77可见:珠光体向奥氏体转变,是由成分相差悬殊、晶格截然不同的两相混合物转变成单相固溶体的过程。因此在奥氏体的形成过程必定发生晶格重构和铁、碳原子的扩散。 3.2、奥氏体形成机理1.奥氏体的形核2.奥氏体的长大3. 残余碳化物的溶解4.奥氏体的均匀化1.奥氏体的形核球状珠光体中：优先在F/Fe3C界面形核片状珠光体中：优先在珠光体团的界面形
17、核，也在F/Fe3C片层界面形核 奥氏体在F/Fe3C界面形核原因：(1) 易获得形成A所需浓度起伏，结构起伏和能量起伏.(2) 在相界面形核阻力小（界面能和应变能的增加减少）。 G = -Gv + Gs + Ge -Gd Gv体积自由能差， Gs 表面能， Ge 弹性应变能 相界面Gs 、Ge 较小，更易满足热力学条件G 垂直于片层长大速度残余碳化物的溶解 残余碳化物: 当F完全转变为A时，仍有部分Fe3C没有转变为A，称为残余碳化物。 A/F界面向F推移速度 A/Fe3C界面向Fe3C推移速度 残余碳化物溶解: 由Fe3C中的C原子向A中扩散和铁原子向贫碳Fe3C扩散, Fe3C向A晶体点
18、阵改组实现的.奥氏体的均匀化奥氏体的不均匀性：即使Fe3C完全溶解转变为奥氏体，碳在奥氏体中的分布仍然不均匀，表现为原Fe3C区域碳浓度高，原F区碳浓度低。奥氏体的均匀化：随着继续加热或继续保温，以便于碳原子不断扩散，最终使奥氏体中碳浓度均匀一致。2.马氏体高强度高硬度的本质 答：马氏体的性能 一. 马氏体的强度和硬度 钢中马氏体的主要特性是高硬度和高强度，常通过淬火得到。（1） 硬度和强度 曲线3马氏体的硬度曲线2高于Ac1淬火后钢的硬度曲线1高于Ac3或Accm淬火后钢的硬度曲线3马氏体的硬度 采用完全淬火（完全奥氏体化）并进行冷处理，使奥氏体全部转化为马氏体，所得即为马氏体硬度和碳含量关
19、系：随着C含量增大，硬度增加。 HRCC%Ar硬度/HRCAr(%)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.47060504030201070605040302010321曲线2高于Ac1淬火 后钢的硬度 过共析钢高于Ac1且低于Accm的淬火的硬度。对于过共析钢采用的是高于Ac1的不完全淬火，所得马氏体中碳含量即为该温度下奥氏体的饱和C浓度，温度不变时均相同，故随碳含量增高，硬度基本不变。 曲线1高于Ac3或Accm 淬火后钢的硬度 即为完全奥氏体化后淬火所得的硬度曲线，当C量低时，淬火后马氏体的硬度随碳量增加而升高；当C量高时，Mf已在0以下，淬火后得到马氏体和残余奥氏体双
20、相组织。随C量增高，残余奥氏体量增加，由于奥氏体硬度低，硬度反而下降。 由此得出结论： 马氏体硬度随碳含量增加而显著升高，但当碳含量超过0.6%时，硬度增长趋势下降。 (2)马氏体高强度高硬度的本质 相变强化 马氏体相变的不均匀切变特性及界面附近的塑性变形，造成马氏体晶体内产生大量的微观缺陷（位错、孪晶、层错等）使马氏体强化，称为相变强化。 相变强化的本质与形变强化一样，请同学们思考位错、孪晶、层错如何实现强化的？相变强化是指马氏体相变时，在晶体内造成晶格缺陷密度很高的亚结构。如板条马氏体中高密度的位错、片状马氏体中的孪晶或层错等，这些缺陷都将阻碍位错的运动，使马氏体得到强化。这些缺陷的增加，
21、使马氏体强度提高147186 MPa。 固溶强化 马氏体中以间隙式溶入过饱和碳原子将引起强烈点阵畸变，形成以碳原子为中心应力场，并与位错发生交互作用，使碳原子钉扎位错，强化马氏体。 C大于0.4%时，这种作用不明显。 马氏体时效强化 马氏体发生碳原子偏聚和析出，从而产生时效强化。 C易扩散，可在室温下由位错等缺陷处扩散产生偏聚或碳化物析出，钉扎位错，产生时效强化。 马氏体在淬火后室温停留期间、或在外力作用下，使碳原子通过扩散，发生碳原子偏聚和析出、甚至以碳化物弥散析出，发生“自回火”现象，使马氏体晶体内产生超显微不均匀，引起时效强化。亚结构强化孪晶对M的强度硬度有附加贡献。C%相同时，孪晶M硬
22、度位错M当碳含量小于0.3%时，位错强化，使强度与C含量呈直线关系；当碳含量大于0.3%时，出现孪晶，孪晶有一附加强化机制，使硬度的增长偏离直线。晶界强化：A晶粒愈小，M愈小，强度愈高。3.TTT图 “鼻尖” 处转变速度快的原因答：一、过冷奥氏体等温转变图(TTT/IT图） 过冷奥氏体处于临界温度之下暂时存在的奥氏体。（1）高温转变 A1 550 ，Fe、C原子均可扩散。 共析分解成珠光体 - 铁素体与渗碳体两相层片状机械混合物。 珠光体团(或领域) - 片层方向大致相同的珠光体，在一个奥氏体晶粒内可以形成35个珠光体团。（2）中温转变 550 220 ，C 原子可扩散，Fe原子不能扩散。 形
23、成贝氏体-过饱和铁素体与渗碳体的非层片状 混合物。1 上贝氏体：550 稍下形成，羽毛状。在平行铁素体板条间分布有不连续的杆状渗碳体。2 下贝氏体：220 稍上形成，针状。在针状铁素体内分布有细小渗碳体。（3）低温转变共析成分的奥氏体冷却到A1以下时，将分解为铁素体与渗碳体的混合物，称为珠光体。 形成温度() 片层间距 (nm) 观察方式珠光体 P Ar1 650 150 450 OM明显分辩索氏体 S 650 600 80 150 OM（8001500X）分辩屈氏体 T 600 550 30 80 SEM才能分辩4.亚共析钢和过共析钢的淬火温度的区别及其原因答：亚共析钢的亚温淬火亚共析钢在A
24、c1Ac3之间的温度加热淬火称为亚温淬火，即比正常淬火温度低的温度下淬火。其目的是提高冲击韧性值，降低冷脆转变温度及回火脆倾向性。 为了保证足够的强度，并使残余铁索体均匀细小，亚温淬火温度以选在稍低于Ac3的温度为宜。淬火的目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体并配以不同温度回火获得各种需要的性能。 亚共析碳钢淬火加热温度Ac3+（3050），淬火后的组织为均匀而细小的马氏体。因为如果亚共析碳钢加热温度在Ac1Ac3之间，淬火组织中除马氏体外，还保留一部分铁素体，使钢的强度、硬度降低。但温度不能超过Ac3点过高，以防奥氏体晶粒粗化，淬火后获得粗大马氏体。 过共析碳钢淬火加热温度Ac1+（3
25、050），淬火后的组织为均匀而细小的马氏体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混合组织。如果加热温度超过Accm，渗碳体溶解过多，奥氏体晶粒粗大，会使淬火组织中马氏体针变粗，渗碳体量减少，残余奥氏体量增多，从而降低钢的硬度和耐磨性。淬火温度过高，淬火后易得到含有显微裂纹的粗片状马氏体，使钢的脆性增加。5.上贝氏体和下贝氏体的性能特点 答：上贝氏体1. 形成温度范围：B转变温度区的较高温度区域，对中、高碳钢，约550-350。2. 组织形态：F和组成的两相机械混合物，F板条状成束地自A晶界向晶内长入，呈粒状或短杆状分布于F板条间，光学显微镜下呈羽毛状，又称羽毛状贝氏体。形核位置：条状BF在A的晶界处形核
26、，亚结构为位错。条状铁素体：碳含量接近平衡浓度;条间碳化物：渗碳体型。板条束 ：上B中的F板条厚约0.2 m、长约10 m。板条成“束”。一束中，板条平行，有一定惯习面。板条束的平均尺寸被称为贝氏体的有效晶粒尺寸。板条：束中单个板条，相邻板条被低位相差晶界或颗粒分隔开。板条宽度通常比相同温度下形成的珠光体铁素体片大。板条铁素体束与板条马氏体束很相近，束内相邻铁素体板条之间的位向差很小，束与束之间则有较大的位向差。亚单元：上贝氏体铁素体条是由许多亚单元组成的，每个亚单元大致：厚小于1m，宽5-10 m，长约10-50 m。亚结构：上贝氏体F中亚结构为较高密度位错，可形成缠结。 典型的上贝氏体组织
27、在光镜下观察时呈羽毛状、条状或针状，椭圆或矩形状。在电镜下观察时可以看到上贝氏体组织为一束大致平行分布的条状铁素体和夹于条间的断续条状碳化物的混合物。上B中，分布在F板条间，为渗碳体型碳化物。 形态取决于A碳含量，碳含量低时，沿条间呈不连续粒状或链珠状分布，随钢中含碳量的增加，上贝氏体板条变薄，渗碳体量增多，短杆状，甚至连续分布。 铁素体形成时可产生大致平行的浮突， FB惯习面为111A，与A的位向关系为K-S关系。 惯习面为 ，与A之间存在Pitsch关系。与A之间存在位向关系，一般认为上B中是从A中析出的。 上B中，除FB及外，还可能存在未转变的残A，尤其是钢中含有Si、Al等元素时，能抑
28、制渗碳体析出，故残A增多。硅、铝多时，可延缓渗碳体的析出，使B板条间很少或无渗碳体析出，成为特殊B形态。 随相变温度降低和含碳量增加，BF条增加并变薄，位错密度增加；条间渗碳体数量增多、颗粒变小，弥散度增大。 随着C含量增加，渗碳体量增多，不但分布在F之间，而且可能分布在F板条内部。下贝氏体1、形成温度范围 B转变区域的低温范围形成，约在350以下。碳含量低时，形成温度可略高于350。2、组织形态 F和两相混合组织。最显著的差异是F形态及碳化物的分布。 下贝氏体F的形态与M很相似，亦与A碳含量有关，随碳含量的变化而变化。 碳含量低时呈板条状（类似板条M），高时呈透镜片状（类似片状M），中等时两
29、种形态兼有。 下贝氏体在中、高碳钢中大约在Ms350形成。在光镜下观察时呈黑色针头和片状，其立体形态为透镜状；在电镜下观察时可以看到下贝氏体铁素体片中分布着排列成行的细片状或粒状碳化物，并以一定角度与铁素体针长轴相交，通常碳化物仅分布在铁素体片内。 结构：铁素体片内分布着排列成行的细片状或粒状碳化物，通常分布于铁素体片内部。 亚单元：下贝氏体F片与条也是由亚单元组成。亚单元沿一个平直的边形核，并以约60的倾斜角向另一边发展，最后终止在一定位置，形成锯齿状边缘。 形核部位：奥氏体晶界上、奥氏体晶粒内部。 C含量：F的碳含量高于平衡时的值。 亚结构：下贝氏体F亚结构为位错，缠结位错密度高于B上，未
30、发现孪晶亚结构。 位相：铁素体与奥氏体间的位相关系是K-S，惯习面是111，表面也会产生浮凸。 碳化物：-碳化物、-碳化物（渗碳体），从过饱和铁素体中析出。 下B中碳化物均匀分布在F内。极细，光镜下无法分辨，与回火M极相似的黑色针状组织，电镜下碳化物呈短杆状，与F长轴成55-60角的方向整齐地排列。下B中碳化物也是型，但形成温度低时，最初是碳化物，时间延长，转变为碳化物。在含Si钢中，由于Si能阻止碳化物的析出，故B转变时主要析出碳化物。下贝氏体F与碳化物间位向关系为：由于碳化物与下贝氏体F之间存在一定位向关系，故认为碳化物是从过饱和F中析出的。6.3 贝氏体的力学性能贝氏体的力学性能主要取决于其成分和组织结构贝氏体的组织：贝氏
