材料热处理工程师必备的热处理基础知识（3）

今天分享一下见习材料热处理工程师的考试题，这些题是作为一名合格的热处理工程师必须具备的基础知识，希望搞热处理的朋友抽空看一下，也行对大家有帮助，新入门的更要看了，当然也可以作为企业员工培训使用。

因内容较多，咱们分为4次分享。

 

61、贝氏体等温淬火

钢材或钢件加热奥氏体化，随之快冷到贝氏体转变温度区域（260~400℃）等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺。有时也称等温淬火。该工艺可用于要求变形小，韧性高的合金钢工件。

 

62、已知GCr15钢精密轴承的加工工艺路线为：下料、锻造、超细化处理、机加工、淬火、冷处理、回火、稳定化处理。简述其中超细化处理，淬火，冷处理，回火和稳定化处理等主要热处理工艺参数（加热温度和冷却方法）和采用该工艺的目的。

预备热处理：1050℃×20~30min，高温固溶后再320~340℃×2h等温再升温至735~740℃×3h炉冷至600℃出炉空冷，有利于提高淬火后获得细小针状的马氏体组织，并可提高冲击韧度，耐磨性和疲劳强度。

 

淬火：835~850℃×45~60min在保护气氛下加热，在150~170℃的10号机油中冷却5~10min后，再在30~60℃油中冷却。

 

冷处理：清洗后在-40~-70℃×1~1.5h深冷处理。

 

回火：160~200℃×3~4h回火。

 

稳定化处理：粗磨后进行140~180℃×4~12h，精磨后120~160℃×6~24h。

 

63、何谓实际晶粒度？从热处理生产实际出发，宜选用什么晶粒钢？

实际晶粒度：指在某一实际热处理加热条件下，所得到的晶粒大小。

从热处理生产角度看，为了获得细小的奥氏体晶粒，宜选用本质细晶粒钢。这样，其晶粒长大倾向小，淬火温度范围宽，生产上容易掌握。

 

64、碳氮共渗时出现的黑色组织是什么？如何避免？

黑色组织是指碳氮共渗表层中出现的黑点，黑带和黑网。

 

为了防止黑色住址的出现，渗层中氮含量不宜过高，一般超过Wn0.5%就易出现点状黑色组织，渗层中氮含量也不宜过低，否则易形成拖氏体网。因此氨的加入量要适中，氨气量过高，炉气露点降低，均会促使黑色组织的出现。

 

为了抑制拖氏体网的出现，也可以适当提高淬火加热温度火采用冷却能力较强的冷却介质。黑色组织深度小雨0.02mm时也可采用喷丸强化补救。

 

65、珠光体有哪几类？他们的形态和性能特点是什么？

珠光体的组织形态可以分为两类：片状珠光体和粒状珠光体。

 

（1）片状珠光体

是由相互交替排列的渗碳体和铁素体所组成

①片状珠光体的形成：首先在奥氏体的晶界上析出渗碳体的晶核，并呈片状向境内长大，在其两侧出现了贫碳的奥氏体，促使铁素体在奥氏体上于渗碳体的界面上形核长大，生成层片状铁素体，并使其附近的奥氏体富碳，又促使渗碳体沿奥氏体—铁素体界面形核长大。如此反复交替，最终形成片状珠光体，当珠光体的上述方式向横向发展的同时，片状铁素体前沿的奥氏体中的碳向渗碳体的前沿扩散，促使转广体也沿着纵向长大，其结果形成珠光体领域。在一个奥氏体晶粒内，可形成若干个珠光体领域。

 

②珠光体的片间距：珠光体的片间距是指珠光体中相邻两片渗碳体间的平均距离，其大小主要取决于转变温度（过冷度）。转变温度越低，片层间距就越小，珠光体组织越细，渗碳体的弥散度也就越大。

 

（2）粒状珠光体

粒状珠光体的形成也是一个渗碳体和铁素体交替析出的过程，其中，渗碳体的析出是以奥氏体晶粒内的未溶碳化物火富碳区的非自发晶核，由于各项成长近似一致，最终成为在铁素体基体上均匀分布着粒状（球状）渗碳体的粒状珠光体，一般认为奥氏体化温度较低有利于形成粒状珠光体。

 

（3）珠光体的力学性能

片状珠光体的强度和硬度，随片层间距的减小而提高；粒状珠光体其强度硬度较低，塑性，韧性较好。

 

66、为了使钢在加热过程中获得细小的奥氏体晶粒度可采取哪些措施？

1）加热温度和保温时间：温度越高、保温时间越长，奥氏体晶粒长得越快、晶粒越粗大。奥氏体晶粒长大速度是随着温度的升高而呈指数关系增加；而在高温下，保温时间对晶粒长大的影响教低温要大。

 

2）加热速度：加热速度越大、过热度越大，奥氏体实际形成温度就越高，由于形核率与长大速度的比值增大。因而，可以获得小的初始晶粒。这也说明，快速加热能获得细小的奥氏体晶粒。

 

3）钢的化学成分：随着钢种碳含量的增加，但又不足以形成未溶碳化物时，奥氏体晶粒容易长大而粗化。由此，共析碳钢较过共析碳钢对过热更为敏感。

 

4）钢的原始组织：通常原始组织越细或原始组织为非平衡组织时，碳化物分解度越大，所得的奥氏体起始晶粒就越细小，但钢的晶粒长大倾向增加，过热敏感度增大。为此，原始组织极细的钢，不宜用过高的加热温度和过长的保温时间。

 

67、第一、二类回火脆性是怎样产生的？产生回火脆性后怎样消除？

第一类回火脆性（回火马氏体脆性）：碳钢在200~400°C温度范围内回火，会出现室温冲击韧度下降现象，造成脆性此即第一类回火脆性或称回火马氏体脆性。对于合金钢这类脆性发生的温度范围稍高，约在250~450度之间。

 

如果零件回火后产生第一类回火脆性则需重新加热淬火方可消除。

 

第二类回火脆性（马氏体高温回火脆性或可逆回火脆性）：某些合金钢在450~650度温度范围内回火后缓慢冷却通过上述温度范围时，会出现冲击韧度降低的现象。这类已造成的脆性钢如果再次重新加热到预订的回火温度（稍高于造成脆化的温度范围）然后快速冷至室温，脆性就会消失。为此，又称可逆回火脆性。

 

68、何谓钢的淬透性？

钢在淬火时能够获得马氏体的能力即钢被淬透的深度大小称为淬透性。钢的淬透性大小取决于钢的临界冷却速度。C曲线位置越右，则临界冷却速度越小，淬透性就越大。

 

69、影响淬透性的因素有哪些？

1）含碳量的影响：随着奥氏体含碳量增加，稳定性增加，使C曲线右移。

2）合金元素的影响：合金元素（除Co以外）都能提高钢的淬透性。 

3）奥氏体化温度和保温时间的影响：奥氏体化温度越高、保温时间越长、碳化物溶解越完全、奥氏体晶粒越粗大，境界总面积减少、形核减少，因而使C曲线右移推迟珠光体转变。总之，加热速度越快，保温时间越短，奥氏体晶粒越小，成分越不均匀，未溶第二相越多，则等温转变速度越快，使C曲线左移。

 

70、在热处理时要控制奥氏体晶粒长大，试分析影响奥氏体晶粒长大因素及控制奥氏体晶粒长大的措施。

1）加热温度和保温时间：加热温度越高保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大，加热温度是主要的。

 

2）加热速度：加热速度越快，过热度越大，使形核率和长大速度的比值增大可细化晶粒，奥氏体实际晶粒度越高。

 

3）钢的化学成分：

①碳素钢—共析钢较过共析钢易于过热；

②合金钢—钢中加入如Ti、V、Vr、Nb、W、Mo、Cr等碳、氮化物形成元素，强烈阻碍奥氏体晶界的迁移，使晶粒细化。用Al脱氧的钢晶粒细小，用Si脱氧的钢晶粒较粗。

 

4）原始组织：原始组织越细或为非平衡组织时，钢的晶粒度长大倾向增大，晶粒易于粗化。

 

71、铸铁通常分为几大类？分别指出这些铸铁中碳的存在形式以及它们对铸铁性能的影响？

1）灰铸铁：具有高的抗压强度、优良的耐磨性和消振性，低的缺口敏感。

 

2）球墨铸铁：既有灰铸铁有点，又具有中碳钢的抗拉强度、弯曲疲劳强度及良好的塑形与韧性。

 

3）可锻铸铁：石墨呈团絮状，对基体的切割作用小，故强度、塑性及韧性均比灰铸铁高，尤其是珠光体可锻铸铁可与铸钢媲美，但不能锻造。

 

4）蠕墨铸铁：蠕墨铸铁其抗拉强度、塑性、疲劳强度等均优于灰铸铁，而接近铁素体基体的球铁合金铸铁。此外，它的热导性、铸造性、可切削加工性均优于球铁，与灰铸铁相近。

 

72、举例并简要说明提高模具寿命可采用哪些有效的热处理工艺方法，请举例说明五种以上。

1）5CrMnMo钢热锻模复合渗处理工艺：利用C、N共渗在850-900℃高温淬火，再经高温500℃回火后，在保持钢的耐热性、耐磨性及一定硬度前提下，再进行540℃×4h气体氮碳共渗。

 

2）5CrNiMo钢热锻模强韧化和表面复合渗工艺：950℃淬油，预淬至180-260℃后280℃等温，450℃回火。

 

3）45Cr2NiMoVSi钢锤锻模强韧化热处理工艺：模具500℃入炉，650℃×2.5h，850℃×2h预热，970℃×5.5h加热，预冷至780℃油冷至200℃出油空冷；290℃×4h预热，635℃×10h回火；640℃×8h第二次回火。

 

4）5Cr2NiMoVSi钢压力机模块和锤锻模镶块的强韧化热处理工艺：加热1150-1200℃，始锻1150℃，终锻850℃，锻后堆冷。

 

5）3Cr2W8V钢压铸模气体氮碳共渗处理：经气体氮碳共渗处理，580℃×4.5h，50%甲醇加50%氨，油冷。

 

73、已知GCr15钢精密轴承的加工工艺路线为：下料—锻造—超细化处理—机加工—淬火—冷处理—稳定化处理。简述其中超细化处理，淬火，冷处理，回火和稳定化处理等主要热处理工艺参数（加热温度和冷却方法）和采用该工艺的目的。 

1）超细化热处理工艺：1050℃×20～30min高温加热，250～350℃×2h盐槽等温，690～720℃×3h随炉冷至500℃出炉空冷。

 

2）淬火：835～850℃×45～60min在保护气氛下加热，150～170℃的油中冷却5～10min，再在30—60℃油中冷却。

 

3）冷处理：清洗后在-40—-70℃×1～1.5h深冷处理。

 

4）稳定化热处理：粗磨后进行140～180℃×4～12h；精磨后120～160℃×6～24h。

 

74、为什么加工机床齿轮的材料通常选用45钢等，而汽车齿轮的材料为20CrMnTi等。请分别制定其加工工艺路线及采用热处理工艺的目的。

（1）机床齿轮工作平稳无强烈冲击，负荷不大，转速中等，对齿轮心部强度和韧性的要求不高，一般选用40或45钢制造。汽车、拖拉机齿轮的工作条件比机床齿轮恶劣，受力较大，超载与启动、制动和变速时受冲击频繁，对耐磨性、弯曲疲劳强度、接触疲劳强度、心部强度和韧性等性能的要求均比较高，用中碳钢或中碳低合金经高频感应加热表面淬火已不能保证使用性能。

 

（2）机床齿轮加工工艺路线：下料—锻造—正火—调质—半精加工—高频感应加热表面淬火+低温回火—精磨—成品。正火可使组织均匀化，消除锻造应力，调整硬度改善切削加工性。调质处理可使齿轮具有较高的综合力学性能，提高齿心强度和韧性使齿轮能承受较大弯曲应力和冲击载荷，并减小淬火变形；高频感应加热表面淬火可提高齿轮表面硬度和耐磨性，提高齿面接触疲劳；低温回火是在不降低表面硬度的情况下消除淬火应力。防止产生磨削裂纹和提高齿轮抗冲击能力。

 

（3）汽车齿轮的加工工艺路线：下料—锻造—正火—机加工—渗碳、淬火+低温回火—喷丸—磨加工—成品。正火处理可使组织均匀，调整硬度改善切削加工性；渗碳是提高齿面碳的质量分数（0.8%-1.05%）；淬火可提高齿面硬度并获得一定淬硬层深度（2.8-1.3mm），提高齿面耐磨性和接触疲劳强度；低温回火的作用是消除淬火应力，防止磨削裂纹，提高冲击抗力；喷丸处理可以提高齿面硬度约1—3HRC，增加表面残余压应力，从而提高接触疲劳强度。

 

75、回火脆性的类型及解决办法。

回火脆性：淬火钢在回火时，随着回火温度的升高，在某一回火温度范围内使钢的冲击韧性明显下降，脆性明显增大的现象。分第一类和第二类。

 

第一类：淬火钢在250~400℃回火出现的不可逆回火脆；第二类：450~650℃可逆。

 

办法：第一类产生不可消除，可以加入si，使脆性转变温度升高到300以上，然后在250回火；第二类：在脆性温度短时间回火，快冷不产生，慢冷产生。重新加热在脆性温度短时间回火，快冷可消除。

 

76、冷作模具钢的微细化热处理目的？Cr12MoV钢的循环超细化处理工艺？

目的：微细化热处理包括钢种基体组织的细化和碳化物的细化。组织细化可提高钢的强韧性，碳化物细化有利于增强强韧性和耐磨性。

 

工艺：1150℃加热淬火+650℃回火+1000℃加热油淬+650℃回火+1030℃加热油淬170℃等温30min空冷+170℃回火。

 

77、淬火态钢中常见马氏体有几种？亚结构？性能特点？形成条件？

板条和片状。板条亚结构为位错，性能：强度、硬度高，塑性、韧性好；形成条件低碳钢、200℃以上温度.片状中高碳200℃以下，亚结构为孪晶，性能：硬度高，脆性大。

 

78、铸锭中的主要缺陷有哪些？

1）缩孔、缩松气孔及夹杂物等

2）偏析：宏观偏析（正常偏析、反偏析、比重偏析）；显微偏析

 

79、制造铸造铝合金的固溶处理工艺应遵循哪些原则？

1）淬火温度：一般比最大溶解度温度略低一些。

2）淬火加热：为防止铸件过热与变形，最好采用350℃以下的低温入炉，然后随炉缓慢加热到淬火温度。

3）保温时间：保温时间较长，一般为3~20h。

4）冷却方式：一般在热水中冷却。

 

80、试说明不同铝合金强化的手段？对ZL104汽油机采用哪种热处理提高强度？

形变铝合金强化：冷变形强化（加工硬化）、热处理强化（固溶+时效强化）、铸造铝合金强化：变质处理（细化组织），固溶+时效。

 

ZL104铝合金采用（535±5）℃×3h固溶处理，（175±5）℃×9h。该工艺是建立在砂型浇铸的基础上，时效时间较长。采用钠变质和金属型低压浇铸，ZL104铝合金175℃×5h时效时，在基体中形成GP区，强化作业显著。

 

81、为控制金属结晶时的晶粒大小，工业生产中通常采用什么方法来细化晶粒？

1）增加环境冷却能力。

2）化学变质法。

3）增加液体流动。

 

82、为改善切削加工性能，15Cr，20Cr2Ni4，40Cr，5CrMnMo，GCr15，W18Cr4V钢应进行何种热处理？

15Cr：正火；

20Cr2Ni4：正火+回火；

40Cr：调质；

5CrMnMo：退火；

GCr15：球化退火；

W18Cr4V：球化退火。

 

83、试分析比较在正常淬火条件下20、45、40Cr、T8、65等钢的淬透性和淬硬性高低。

淬透性由高到低：40Cr、T8、65、45、20；

淬硬性由高到低：T8、65、45、40Cr、20。

 

84、能否用W18Cr4V钢制造冷冲模，为什么？

可以用来做模具，但一般用在要求高强度高耐磨性少冲击的模具中，但由于它的韧性较差，材质特性脆，价格贵，所以不建议用作冷冲模。

 

85、45钢经调质处理后要求硬度为217HB～255HB，但热处理后发现硬度偏高，问能否依靠减慢回火时的冷却速度使其硬度降低？若热处理后硬度偏低，能否靠降低回火时的温度，使其硬度提高？说明其原因。

1）不可以，需要调整回火温度；

2）不可以，需要重新淬火后降低回火温度。

 

86、中型拖拉机发动机曲轴要求具有较高的强度及较好的韧性，曲轴轴颈要求耐磨性好（50HRC~55 HRC）。（1）选择材料并写出钢号；（2）制定加工制造的简明工艺路线；（3）说明使用状态下曲轴的组织和曲轴轴颈表面的组织。

合金渗碳钢：20CrMnMo、20CrMnTi、20MnVB

工艺路线：下料-锻造-正火-机械加工-渗碳、淬火+低温回火-喷丸-磨加工-成品

心部组织：细片状珠光体；表面组织：回火马氏体

 

87、使用硝盐浴炉时，需要注意哪些安全措施？

必须注意防爆等安全措施。在硝盐浴炉中，任何局部温度超过595℃时，都可能着火或爆炸，使用温度应严格控制在550℃以下。硝盐混合物是氧化型的，不应与容易被氧化的材料混合。不应使用微细的碳化材料作硝盐的覆盖物，也必须避免渗碳炉出料端所聚集的贪黑对硝盐浴炉的污染。在处理镁合金轻金属时，盐浴最高温度有一定规定。

 

88、在制定热处理工艺时以下几种形状的工件，如何计算加热的有效厚度。

1）圆棒形状：以直径计算；

2）扁平工件：以厚度计算；

3）实心圆锥体：按大端的1/3高度处的直径计算；

4）阶梯轴或截面突变的工件：按较大直径或较大截面计算。

 

89、制定铸造铝合金的固溶处理工艺应遵循哪些原则？

（1）淬火温度的选择：淬火温度一般比最大溶解度温度略低一些，以免过烧或产生裂纹。

 

（2）淬火加热方式：为了防止铸件过热与变形，通常在空气循环炉内进行，为防止变形，最好采用350度以下低温入炉，然后随炉缓慢加热到淬火温度。

 

（3）保温时间：铸铝合金晶粒粗大，过剩相的溶解困难，保温时间要长。一般为3-20h，保温时间与工件的厚度关系不大。

 

（4）冷却方式：因铸件形状复杂，内部缺陷较多，强度与塑性降低，冷速过快将会使铸件产生严重变形，因此淬火后应在热水中冷却。

 

90、什么是马氏体相变塑性现象？何谓“TRIR”钢及它的性能特点是什么？

金属及合金在相变过程中，塑性增加，往往低于母相屈服极限的条件下，即发生了塑性变形，称之为相变塑性。

 

利用马氏体相变塑性设计出几种Ma高于室温而Ms低于室温的钢，他们在常温下形变时，会诱发形成M，M转变反过来又诱发塑性提高，这种钢兼有很高的强度和塑形，故称为相变诱发塑性（TRIR）钢。