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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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高而均匀的综合力学性能，特别是高的屈强比。这些元素还有显著强化铁素体的作用，当它们含量在一定范围时，还可提高铁素体的韧度。
6-5 拖拉机变速齿轮，材料为20CrMnTi钢，要求齿面硬度58～64HRC，分析说明采用什么热处理工艺才能达到这一要求？
答：可采用渗碳（900°C～930°C）后，预冷至870°C左右直接淬火，再经过150°C～200°C低温回火的热处理工艺。
分析：20CrMnTi钢是典型的渗碳合金钢，碳的平均质量分数为0.2%，齿面的硬度要求很高，所以要进行渗碳处理，预冷后淬火，再经低温回火，其齿面组织为合金渗碳体＋回火马氏体＋少量残余奥氏体。其硬度可达到58～64HRC。可以满足要求。
6-6 有一Φ10的杆类零件，受中等交变拉压载荷的作用，要求零件沿截面性能均匀一致，供选材料有：16Mn、45钢、40Cr、T12。要求（1）选择合适的材料；（2）编制简明工艺路线；（3）说明各热处理工序的主要作用；（4）指出最终组织。
答：选择40Cr；锻造——退火——粗加工——半精加工——调质——精加工； 退火的主要作用：消除锻造的内应力，降低硬度以便切削加工，细化晶粒，为后面的调质作好准备；
调质的主要作用：使零件具有较高的硬度、强度、塑性及韧度等综合的力学性能。以满足零件受中等交变拉压载荷的作用。由于40Cr的淬透性好，能满足沿截面性能均匀的要求；最终组织为回火索氏体。
6-7 为什么合金弹簧钢多用Si、Mn作为主要合金元素？为什么要采用中温回火？得到什么样的组织？其性能如何？
答：弹簧钢以Si、Mn作为主要合金元素，因为Si、Mn元素可显著提高钢的淬透性和回火稳定性，对铁素体有明显的强化作用，可提高屈强比，其力学性能明显高于碳钢，而且价格便宜。
弹簧钢经淬火＋中温回火，可得到回火托氏体，硬度为40～48HRC，其组织性能是具有高的弹性强度和疲劳强度，并有一定的塑性和韧度。如果回火温度过低，会使弹性强度、塑性和韧度不足，如果回火温度过高，会使其强度不足。
6-10 T9和9SiCr钢都属于工具钢，含碳量基本相同，它们在使用上有何不同？下列工具应分别选用它们中的哪一种？
机用丝锥，木工刨刀，钳工锯条，铰刀，钳工量具。
答：T9钢是优质碳素工具钢，容易锻造，加工性能好，硬度高，能承受一定的冲击，而且价格便宜，但淬透性低，淬火变形较大，回火抗力差；适合制造手工工具等。木工刨刀、钳工锯条可选用T9钢制造。
9SiCr钢是应用较广泛的低合金工具钢，具有较好的淬透性和回火稳定性，碳化物细小均匀，其红硬性可达250～300°C，适于制造各种薄刃刀具。机用丝锥、铰刀和钳工量具可选用9SiCr制造。
6-11 高速钢经铸造后为什么要反复锻造？锻造后在切削加工前为什么必须退火？为何W18Cr4V钢的淬火温度要高达1280°C？淬火后为什么要经三次560°C回火？
答：高速钢含有大量的合金元素，使C在γ-Fe中的最大溶解度E点显著左移，所以在高速钢的铸态组织中将出现莱氏体，属于莱氏体钢。其共晶碳化物形状是鱼骨状，粗大而质脆。这种碳化物用热处理方法不能消除，必须借助于反复锻造将其打碎，使之均匀化。以提高刀具质量和延长使用寿命。
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锻造后在切削加工前必须进行等温退火处理。其目的不仅是降低硬度，消除应力，以改善切削加工性能，而且也为以后淬火作组织准备。退火后的组织为索氏体和均匀细小的粒状的碳化物。
由于高速钢中含有大量的W、Mo、Cr、V的难溶碳化物，它们只有在1000°C以上才能并使合金元素充分溶于奥氏体中，以保证淬火、回火后获得高的红硬性，因此，高速钢的淬火加热温度要高达1280°C。
高速钢淬火后的组织为：淬火马氏体、剩余合金碳化物和大量残余奥氏体，经过一次560°C回火后，消除了淬火应力，稳定组织，减少残余奥氏体的数量；但高速钢中的残余奥氏体的量很多，其质量分数为30%左右，经过一次回火难以将其完全转变为回火马氏体，而必须在560°C回火下经三次回火才能使之绝大部分转变为马氏体。经三回火后，可得回火马氏体、细小的颗粒状碳化物和少量的残余奥低体，其硬度为62～65HRC。可达到使用要求。
第7章习题
7-1 与钢相比，铸铁化学成分有何特点？铸铁作为工程材料有何优点？
答：碳钢是指含碳量0.02%～2.11%的铁碳合金，铸铁是指大于2.11%的铁碳合金。与钢相比，铸铁中含碳及含硅量较高。比碳钢含有较多硫、磷等杂质元素。
钢中的碳是以渗碳体的形式存在，白口铸铁组织中存在着共晶莱氏体；灰口铸铁中碳以石墨形式存在。一般说来，铸铁中的碳主要以石墨形式存在时，才能被广泛地应用。
铸铁优点：其生产设备和工艺简单，价格便宜，且有良好的铸造性能，缺口敏感性小、耐磨性好、切削加工性能及减振性等好，有优良使用性能和工艺性能。但力学性能差。
7-2 说明石墨形态对铸铁性能的影响。灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁的石墨形态有何不同？
答：灰铸铁中石墨呈片状，片状石墨的强度、塑性、韧性几乎为零，存在石墨地方就相当于存在孔洞、微裂纹，它不仅破坏了基体的连续性，减少了基体受力的有效面积，而且在石墨片尖端处形成应为集中，使材料形成脆性断裂。石墨片的数量越多，尺寸越粗大，分布越不均匀，铸铁的抗拉强度和塑性就越低。由于灰铸铁的抗压强度、硬度与耐磨性主要取决于基体，石墨存在对其影响不大。故灰铸铁的抗压强度一般是抗拉强度的3-4倍。
球墨铸铁中石墨呈球状，所以对金属基体的割裂作用较小，使得基体比较连续，在拉伸时引起应力集中的现象明显下降，从而使基体强度提高。这就使球墨铸铁的抗拉强度、塑性和韧性、疲劳强度不仅高于其它铸铁，而且可以与相应组织的铸钢相比。
可锻铸铁中石墨呈团絮状。与灰铸铁相比对金属基体的割裂作用较小，可锻铸铁具有较高的力学性能，尤其是塑性与韧性有明显的提高。
7-5 何谓球墨铸铁？球墨铸铁的成分和组织有何特点？可进行何种热处理？ 答：铁水经过球化处理而使石墨大部分呈球状的铸铁称为球墨铸铁。 球墨铸铁比普通灰铸铁的含碳、硅量高，硫、磷杂质含量严格控制。与灰铸铁相比，它的碳、硅含量较高，以有利于石墨球化。球墨铸铁按基体组织可分为：铁素体球墨铸铁、铁素体-珠光体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁。由于石墨呈球状，其割裂基体的作用及应力集中现象大为减小，可以充分发挥金属基体的性能。
可进行退火、正火、调质和等温淬火等热处理。
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