作业解答(2)

体析出的终了线，所以GSP区的显微组织是F?A；

PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线，随温度的降低，碳在铁素体中的溶解度减少，多余的碳以Fe3C形式析出，从F中析出的Fe3C称为三次渗碳体Fe3CⅢ，由于铁素体含碳很少，析出的Fe3CⅢ很少，一般忽略，认为从727℃冷却到室温的显微组织不变；

PSK线：共析转变线，在这条线上发生共析转变AS?FP?Fe3C，产物（P）珠光体，含碳量在0.02～6.69%的铁碳合金冷却到727℃时都有共析转变发生。

4-2、什么是共析反应？什么是共晶反应？

答：共析反应：冷却到727℃时具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的

????F0.02+Fe3C6.69 铁素体和渗碳体的两相混合物。γ0.77?727共晶反应：1148℃时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏

????γ2.11+ Fe3C6.69 体和渗碳体的两相混合物。 L4.3?1148

4-3、分析C的质量分数为0.45%、1.2%、3.0%、5.0%的铁碳合金从液态缓冷至室温的平衡相变过程和室温下的平衡组织，写出转变表达式，画出显微组织示意图。

答：

1、0.45% C：合金在1~2点间按匀晶转变结晶出A，在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。冷到3点时开始析出F，3-4点A成分沿GS线变化，铁素体成分沿GP线变化，当温度到4点时，奥氏体的成分达到S点成分（含碳0.8%），便发生共析转变，形成珠光体，此时，原先析出的铁素体保持不变，称为先共析铁素体，其成分为0.02%C，所以共析转变结束后，合金的组织为先共析铁素体和珠光体，当温度继续下降时，铁素体

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的溶碳量沿PQ线变化，析出三次渗碳体，同样Fe3CⅢ量很少，可忽略。

所以含碳0.45%的亚共析钢的室温组织为：F+P L?L?A?A?A?F?P?F

2、1.2% C：合金在1~2点间按匀晶转变结晶出奥氏体，2点结晶结束，合金为单相奥氏体，冷却到3点，开始从奥氏体中析出二次渗碳体Fe3CⅡ，Fe3CⅡ沿奥氏体的晶界析出，呈网状分布，3-4点间Fe3CⅡ不断析出，奥氏体成分沿ES线变化，当温度到达4点（727℃）时，其含碳量降为0.77%，在恒温下发生共析转变，形成珠光体，此时先析出的Fe3CⅡ保持不变，称为先共析渗碳体，所以共析转变结束时的组织为先共析二次渗碳体和珠光体，忽略Fe3CⅢ。

室温组织为二次渗碳体和珠光体。

L?L?A?A?A?Fe3C?P?Fe3C

3、3.0%C: 合金在1~2点阶段结晶出A，此时液相成分按BC线变化，而奥氏体成分沿JE变化。温度降到2点时，剩余的液相成分达到共晶成分，发生共晶转变，生成高温莱氏体。在2点以下，先析出的奥氏体和高温莱氏体中的奥氏体都析出Fe3CⅡ, 随着Fe3CⅡ的析出，奥氏体的C的质量分数沿着ES线降低。当温度到达3点时（727℃），所有奥氏体都发生共析转变而成为珠光体。

室温时组织P＋Ld′。

L?L?A?A?Ld?P?Fe3C?Ld'

4、5.0%C: 合金在1~2点阶段结晶出Fe3CⅠ，此时液相成分按DC线变化，温度降到2点时，剩余的液相成分达到共晶成分，发生共晶转变，生成高温莱氏体。在2～3点阶段要从莱氏体中的A内析出Fe3CⅡ（与莱氏体中的渗碳体混在一起），继续冷却到3点时（727℃），莱低体中的奥氏体都发生共析转变而成为珠光体。

室温时组织L?L?Fe3C?Ld?Fe3C?Ld'?Fe3C

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4-4 简述C的质量分数对铁碳合金组织和性能的影响。

答：铁碳合金的室温平衡组织都是由铁素体和渗碳体组成的，其中铁素体是较软的相，渗碳体是硬而脆的相，所以，随着C的质量分数的增加，铁素体的数量减少，渗碳体的数量增加，钢的强度增加，塑性降低。亚共析钢随着C的质量分数的增加，珠光体的数量逐渐增加，因而强度、硬度上升，塑性与韧度下降。当C的质量分数为为0.77%时，钢的组织全为珠光体，此时，钢的性能也就是珠光体的性能。过共析钢除珠光体外，还有渗碳体，其性能要受到二次渗碳体的影响。若C的质量分数不超过1%时，由于二次渗碳体一般还不会连成片，当C的质量分数大于1%时，二次渗碳体数量增多，并呈网状分布，故钢具有很大的脆性，塑性很低，强度也会下降。

第5章习题

5-1 简述共析钢加热时奥氏体形成的几个阶段，并说明亚共析钢，过共析钢奥氏体形成的主要特点。

答：共析钢加热时有四个阶段：

奥氏体形核：在铁碳体相界面处形核； 奥氏体长大：由于铁和碳原子的扩散作用，奥氏体向铁素体和渗碳体两个方向长大。 残余渗碳体溶解：铁素体首先消失，残余渗碳体随着加热和保温时间的延长，不断地溶入奥氏体。

奥氏体成分均匀化：刚形成的奥氏体的碳浓度是不均匀的，在继续加热和保温过程中，通过C原子的扩散，能使奥氏体中的含碳量趋于均匀。

亚共析钢和过共析钢的形成的主要特点：

钢加热到Ac1以上时，钢中的珠光体转变为奥氏体（其过程与共析钢相同），亚共析钢加热到Ac3以上时，过共析钢加热到Accm以上时，亚共析钢中的铁素体，过共析钢中的渗碳体，才会溶入奥氏体。

5-2 以共析钢为例，说明将其奥氏体化后立即随炉冷却，空气中冷却、油中冷却和水中冷却，各得到什么组织？力学性能有何差异？

答：

1、随炉冷却：奥氏体A发生珠光体P转变，性能：170～220HBS； 2、空气中冷却：奥氏体A发生索氏体S转变，其性能：25～35HRC；

3、油中冷却：奥氏体A发生托氏体T＋马氏体M＋残余奥氏体A′，其性能：45～55HRC；

4、水中冷却：奥氏体A发生马氏体M＋残余奥氏体A′′转变，其性能：55～65HRC。

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5-3 将一组共析钢试样奥氏体化后，分别投入690°C、650°C、450°C、300°C的恒温槽中并长时间保温后冷却，各得到什么组织？

答：将共析钢投入到不同温度的恒温槽中长时间保温冷却， 690°C：得到珠光体P；650°C：得到索氏体S；450°C：得到上贝氏体B上； 300°C：得到下贝氏体B下。

5-4 试说明过共析钢采用哪种退火工艺？为什么？ 答：采用球化退火，因为球化退火后获得的组织为铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体，即球状珠光体组织。

球化退火主要用于共析钢、过共析钢和各种高碳钢工具钢、模具钢轴承钢等，目的是使热加工后的网状二次渗碳体球化，改善切削加工性能，为淬火作准备。

如果不用球化退火，而采用其它退火，如完全退火，会得到片状珠光体＋网状渗碳体，使钢的韧度大为降低。所以过共析钢必须采用球化退火。

5-5 45钢经调质后硬度为240HBS，若再进行200°C回火，是否可使其硬度提高？为什么？若45钢经淬火＋低温回火后其硬度为57HRC，若再进行560°C回火，是否可使其硬度降低？为什么？

答：45钢经调质即淬火＋高温回火（560°C回火），得到的是回火索氏体组织，其硬度为240HBS左右，若再进行200°C回火，其组织不会发生改变，所以其硬度不会提高。

45钢经淬火＋低温回火后，得到的组织为回火马氏体组织，可使其硬度为57HRC；若再进行560°C回火，回火马氏体会转变为回火索氏体组织，所以可使其硬度降低。

5-6 有两个过共析钢试样，分别加热到780°C和880°C，并保温相同时间，使之达到平衡状态，然后以大于临界冷却速度的冷却至室温。试问：

（1）哪种加热温度的马氏体晶粒较粗大？

（2）哪种加热温度的马氏体的C的质量分数较高？ （3）哪种加热温度的残余奥氏体较多？ （4）哪种加热温度的未溶渗碳体较少？ （5）试分析哪种温度淬火最合适？为什么？ 答：（1）880°C加热温度的马氏体晶粒较粗大。 （2）880°C加热温度的马氏体的C的质量分数较高。 （3）880°C加热温度的残余奥氏体较多。 （4）880°C加热温度的未溶渗碳体较少 （5）780°C加热温度淬火最合适。因为过共析钢在淬火之前，要进行球化退火，使钢中的渗碳体呈球状或粒状，加热至780°C时，钢中珠光体转变为奥氏体，而球状的渗碳体不会溶入奥氏体，保持其球状；淬火后（以大于临界冷却速度的冷却至室温），奥氏体转变为马氏体＋残余奥氏体＋球状的渗碳体。达到淬火目的。

如果加热到880°C，保温后淬火，会使过共析钢中的球状渗碳体溶入奥氏体中，使奥氏体中碳的质量分数较大，淬火后，马氏体的正方度加大，内应力增大，使钢的变形也开裂的倾向加大。另方面，由于球状渗碳体的消失或减少，会使钢的耐磨性下降。

5-7 现有低碳钢齿轮和中碳钢齿轮各一只，为了使齿轮表面具有高的硬度和耐磨性，应该选择何种热处理方法？并比较热处理后它们在组织和性能上的差别。

答：低碳钢齿轮选择热处理方法：锻造→正火→粗机械加工→半精加工→渗碳→空冷→淬火→低温回火→精加工。

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热处理后的组织：表面由于渗碳后其含碳量高，淬火＋低温回火后组织为回火马氏体，其性能具有较高的硬度和耐磨性，而心部由于正火，具有良好的塑性及韧度。

中碳钢齿轮可采用：锻造→退火→粗加工→半精加工→调质→精机械加工→齿部表面淬火→低温回火→精磨齿部。

热处理的组织：由于进行调质处理，其心部具有综合的力学性能，齿部由于进行表面淬火及低温回火，故表面具高的硬度和耐磨性。

两者相比较，两种方法都能满足齿轮的要求。

低碳钢齿轮的热处理方法比中碳钢齿轮的热处理方法，可获得更高的表面的硬度，耐磨性；疲劳强度也较高些，但热处理工艺较中碳齿轮的热处理时间较长，成本较高。

第6章习题

6-2 钢中的长存的杂质元素有哪些？它们对钢的性能有何影响？

答：钢中长存的杂质元素有：Mn、Si、S、P、N2、H2、O2。

1、锰的影响：锰能脱氧，去除FeO，改善钢的品质，降低钢的脆性。能去硫，形成MnS，改善钢的热加工性能。大部分锰溶入铁素体，固溶强化铁素体，提高钢的强度和硬度。锰在碳钢中含量一般小于0.8%，对碳钢性能的影响不显著，适当提高到0.9%～1.2%时，可起到一定强化作用。

2、硅的影响：硅的脱能力比锰强，能清除FeO等有害杂物对钢的不良影响。硅还能溶入铁素体，提高钢的强度和硬度。但它会降低钢的塑性和韧性，因此，钢的含量通常小于0.40%。

3、硫的影响：S不溶于Fe，而以FeS的形式存在。FeS与Fe形成低熔点（985°C）的共晶体（FeS＋Fe），且分布在晶界上，当钢材在1000～1200°C进行热加工时，共晶体熔化，使钢变脆，即热脆。一般讲，S是有害杂质元素。

4、磷的影响：磷全部溶于铁素体，从而提高了钢的强度和硬度。但在室温下使钢的塑性急剧下降，脆性增加，特别是低温时更为严重，称为冷脆。必须严格控制钢中含磷量。

5、氮、氢、氧的影响：严重影响钢的性能，降低钢材质量。

N会使钢变脆；H能使钢的塑性急剧下降；O降低钢的疲劳强度。

6-3 合金钢与碳钢相比，具有哪些特点？ 答：具有特点：

1、淬透性比碳钢高，可用于制造大截面，形状复杂的零件；

2、具有高的高温强度和红硬性，高的硬度、耐磨性。可制造各种刀具和模具。 3、能获得比碳钢更良好的综合性能，而且其稳定性也好，可制造各种重要的结构。 4、具有碳钢不达到的各种特殊的性能，如高温硬度和强度、抗氧化性、耐腐蚀性、特殊电、磁性能等。

6-4 何谓调质钢？为什么调质钢属于中碳钢？合金钢调质钢中常有哪些合金元素？它们在调质钢中起什么作用？

答：调质钢是经调质处理后，获得回火索氏体，具有强度和韧度良好配合的综合力学性能的结构钢。有碳素调质钢和合金调质钢（在碳素调质钢中加入合金元素）两种。

调质钢的C的质量分数介于0.27%～0.50%之间，属于中碳钢，如果含碳量过低不易淬硬，回火后强度不足；含碳量过高则韧度不足；两者均不能达到强度与韧度良好配合的综合力学性能。

合金调质钢中常有Cr、Ni、Mn、Si等。

合金元素的主要作用是提高钢的淬透性。全部淬透的零件，在高温回火后，可获得

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