（10分）有Q235AF、65、20CrMnTi、60Si2Mn、T12等钢材，请选择一种钢材制作汽车变速箱齿轮（高速重载受冲击），并设计热处理工序，说明各热处理工序的作用并画出工艺曲线，指出使用状态组织。答：材料选择：20CrMnTi热处理工序：正火→ （机加工）→ 渗碳 → 淬火 + 低温回火[1]热处理工序的作用：1)正火：消除锻造应力、调整硬度便于加工；2)渗碳：提高表面含碳量，以便强化表面；3)淬火+低温回火：提高表面硬度和耐磨性，并使心部具有较好的韧性。热处理工艺曲线：空 缓冷 冷 水冷使用状态组织：表面——（高碳）回火M+K+Ar心部——（低碳）回火M 或 回火M+F（淬不透时）根据Fe—Fe3C亚稳平衡相图回答问题：1）T12钢在平衡结晶过程中冷却到共析温度发生共析反应时，A、F、Fe3C的碳含量分别为：________，________，________。2）A1、A3和Acm线的位置分别是：________，________，________。3） S为________点，其反应式为：。C为________点，其反应式为：。

一、汽车变速箱齿轮选材及热处理分析

1. 材料选择依据

汽车变速箱齿轮需满足高速重载、受冲击的工况，要求：

• 表面高硬度、高耐磨性（抵抗摩擦磨损）；
• 心部高韧性、高强度（承受冲击和扭矩）。
  备选材料中：
• Q235AF：低碳钢，强度、硬度低，无法满足重载；
• 65、T12：高碳钢，整体硬度高但韧性差，易断裂；
• 60Si2Mn：弹簧钢，淬透性好但表面硬度不足；
• 20CrMnTi：低碳合金钢（含Cr、Mn、Ti合金元素），淬透性高，经渗碳后表面含碳量升高，可实现“表面硬、心部韧”的匹配，是齿轮常用材料。

2. 热处理工序及作用

工艺路线：正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火

• 正火：锻造后钢中存在应力和粗大组织，正火（加热至Ac3以上30~50℃，空冷）可细化晶粒、消除应力，调整硬度（20~30HRC）便于机加工。
• 渗碳：将齿轮放入渗碳介质（如煤油）中加热至900~950℃，使表面碳含量升至0.8~1.0%，为后续淬火提供高碳表面，强化表层。
• 淬火+低温回火：
  • 淬火：加热至Ac3以上（850~900℃），油冷或水冷，使表面高碳奥氏体快速冷却形成马氏体（M），心部低碳奥氏体冷却形成马氏体或马氏体+铁素体（F），保证心部韧性；
  • 低温回火（150~200℃）：消除淬火应力，稳定组织，表面得到回火马氏体（M回）+少量碳化物（K）+残余奥氏体（Ar），硬度58~62HRC；心部得到低碳回火马氏体（或M回+F），硬度30~45HRC，韧性良好。

3. 使用状态组织

• 表面：高碳区经淬火+回火后，组织为回火马氏体+碳化物+残余奥氏体（M回+K+Ar），硬度高、耐磨性好；
• 心部：低碳区淬透时为低碳回火马氏体，淬不透时为回火马氏体+铁素体（M回+F），强度和韧性匹配。

二、Fe-Fe₃C亚稳平衡相图问题解答

1. T12钢共析反应时的碳含量

T12钢含碳量1.2%，冷却至共析温度（727℃）时，奥氏体（A）发生共析反应：A→F+Fe₃C。

• 奥氏体（A）：共析点S的碳含量固定为0.77%；
• 铁素体（F）：室温下碳溶解度极低，约0.02%（实际共析反应中F含碳≈0.0218%）；
• 渗碳体（Fe₃C）：含碳量固定为6.69%。

2. A₁、A₃、Acm线的位置

• A₁线（PSK线）：共析转变温度线（727℃），所有含碳量≥0.02%的钢均在此温度发生共析反应；
• A₃线（GS线）：亚共析钢中奥氏体开始析出铁素体的温度线，随含碳量增加从912℃降至727℃；
• Acm线（ES线）：过共析钢中奥氏体开始析出二次渗碳体的温度线，随含碳量增加从727℃升至1148℃。

3. S点与C点的反应

• S点（共析点）：反应式为 $\gamma_{0.77} \rightleftharpoons \alpha_{0.0218} + \text{Fe}_3\text{C}$（奥氏体→铁素体+渗碳体）；
• C点（共晶点）：反应式为 $\gamma_{4.3} \rightleftharpoons \alpha_{0.0218} + \text{Fe}_3\text{C}$（奥氏体→莱氏体，即珠光体+渗碳体）。