《金属学及热处理》-郭海华 习题及解答 - 第7-10章

习题7（钢）1.试比较20CrMnTi与T10钢的淬透性和淬硬性.20CrMnTi比T10的含碳量更低，合金元素含量更高，因此淬透性更好，但淬硬性更低。2.试述渗碳钢的合金化作用及热处理特点.（1）合金化作用：以典型的20CrMnTi为例，合金元素含量越高，钢的淬透性越好，淬火变形愈小；其中Cr、Mn元素还可以强化铁素体，提高钢的强度；Cr、Ti能形成稳定、细小、弥散的合金碳化物，可提高零件表面渗碳层的耐磨性。（2）热处理特点：热处理是渗碳、淬火及低温回火。为了保证心部有足够韧性，采用低碳钢；淬火有直接淬火法、一次淬火法、二次淬火法，可以根据实际需求合理选择。如果要保证心部获得足够的低碳回火马氏体以获得较高的强度，要注意钢的淬透性；由于渗碳淬火表层的马氏体比容大于心部比容，使表层为压应力状态，渗碳钢还具有较高的疲劳抗力。3.为什么调质钢多为中碳钢？调质钢中主要含有哪些合金元素？它们在钢中的作用是什么？（1）调质钢具有良好的综合力学性能。基于这样的性能需求调质钢的含碳量一般为0.25%～0.5%。含碳量过低，碳化物数量不足，第二相强化作用小，强度不足；含碳量过高则韧性不足。（2）调质钢中常加入Cr、Mn、Ni等元素，以提高钢的淬透性、减小零件的淬火变形、固溶强化铁素体；加入少量Mo、V等元素能形成稳定的合金碳化物，以细化奥氏体晶粒、提高钢回火稳定性，进一步提高钢的强度、硬度和韧性。4.简述刀具对钢的性能要求；并比较碳素工具钢、低合金刃具钢、高速钢的性能特点，分析三类钢各适合于制作什么样的刀具.（1）刃具钢切削时承受着压力、弯曲力和强烈的摩擦力，因切削发热，刃部温度可达500～600℃，此外，还承受一定的冲击和震动。因此，刃具钢应具有高硬度，一般在60HRC以上；高热硬性，即在高温下保持高硬度的能力；足够的韧性，防止刀具断裂和崩刃。（2）碳素工具钢：高硬度高耐磨，热硬性低，工作温度约200℃，适合手工低速切削软材料的刀具，如锉刀、木工刀具等；低合金刃具钢：高硬度高耐磨，热硬性有所提高，工作温度约300℃，适合低速机用切削较硬材料的刀具，如低速切削铝、铜、软钢等材料的车刀、铣刀、刨刀等；高速钢：高硬度高耐磨，热硬性进一步提高，工作温度约600℃，适合高速机用切削硬材料的刀具，如各类高速铣刀、钻头等。5.(1)请说明W18Cr4V钢中各合金元素的作用是什么？(2)有人说“由于高速钢含有大量合金元素，故淬火后其硬度比其他工具钢高，正是由于硬度高才适合高速切削”这种说法是否正确，为什么?（1）W、Cr、V在淬火过程中完全溶解在马氏体中，在其后的560℃回火时，从马氏体中弥散析出大量高硬度碳化物，从而产生二次硬化现象，使钢获得高硬度（65HRC）和高热硬性（600℃）。其次，合金碳化物在淬火加热时极难溶解，具有细化晶粒改善韧性，同时提高耐磨性的作用；合金元素还有提高钢淬透性，减少淬火变形的作用。（2）说法错误，错误有2处：首先钢淬火后的硬度主要取决于钢的含碳量，基本与合金元素无关；其二：只是硬度高还不能用于高速切削，还需要钢具有好的热硬性。6.按要求填表材料类别划线部分含义最终热处理工艺典型应用08F冷冲压钢沸腾钢退火、正火仪表板、汽车驾驶室盖板

Q235-A碳素结构钢屈服强度最小值一般不需热处理建筑、桥梁、汽车构件20Cr合金渗碳钢C≈0.2%渗碳+淬火+低回拖拉机齿轮、活塞销40Cr合金调质钢C≈0.4%调质+表淬+低回机床齿轮、轴；连杆、螺栓65Mn碳素弹簧钢本身含锰量较高淬火+中温回火沙发弹簧、发条T10A碳素工具钢高级优质淬火+低温回火锯条、小型冷作模具GCr15Cr≈1.5%滚动轴承钢淬火+低温回火轴承、量具9SiCrC≈0.9%低合金刃具钢淬火+低温回火丝锥、板牙、钻头、冷冲模Cr12MoVCr≈12%冷作模具钢淬火+多次高回或：淬火+低回钢板冲裁模、铜板引深模、铝材冷挤模5CrNiMoC≈0.5%热作模具钢淬火+高温回火或：淬火+中回热锻模W18Cr4Vw≈18%高速钢淬火+多次高回高速铣刀、钻头、丝锥等12Cr18Ni9C≈0.12%奥氏体不锈钢淬火+高温回火化工设备、管道、医疗器械7.工艺分析与应用.（1）直径为25mm的40CrNiMo棒料毛坯，经正火后硬度高很难切削加工，这是什么原因？设计一个最简单的热处理方法以提高其可加工性.该钢因为含有较多的合金元素，淬透性好，经正火空冷时，可以获得硬度很高的马氏体组织导致难以切削。可采用退火缓冷。（2）钳工用废的锯条（T8、T10A）烧红（600或800℃）后空冷即可变软，而机用锯条（W18Cr4V）烧红900℃后空冷却仍然相当硬，为什么？T8、T10A：经淬火+低回使用，M′热硬性约200℃投入使用；600℃：M′→S′硬度下降；800℃：M′→A→S，硬度下降。W18Cr4V：经淬火+多次高回后，M′热硬性约600℃投入使用；900℃：M′→A，碳化物未完全溶解；因淬透性好，空冷可淬火A→M；最终组织：M上分布着未溶高硬度的合金碳化物→硬度高。（3）某厂在用Cr12型钢制造冷作摸具时，采用了用原材料直接进行机械加工，热处理后送交使用的工艺，经使用后用户反映寿命一般都比较短。改进后的措施是将毛坯充分锻造，使得模具寿命明显提高，这是什么原因？Cr12型钢由于合金元素多，使Fe-Fe3C相图中的E点左移成为莱氏体钢，铸态组织中含有大量粗大的鱼骨状共晶莱氏体（以共晶碳化物为主的组织），硬度高，脆性大，如在材料中存在大颗粒、带状或网状等莱氏体，就会显著降低钢的强度、韧性，很易引起刀具崩刃和脆断。这些共晶碳化物来自于液体结晶，不能用热处理方法消除，需采用锻造，反复镦粗、拔长，以破碎碳化物，使其呈小颗粒均匀分布。（4）下列零件或构件要求材料具有哪些主要性能？应选用何种材料（写出典型材料牌号），应采用何种热处理？①大桥钢结构 Q345出厂时已正火处理②汽车齿轮20CrMnTi渗碳+淬火+低温回火③镗床镗杆38CrMoAlA调质+渗氮④汽车发动机气阀弹簧50CrVA淬火+中温回火⑤凸轮轴40Cr调质⑥收割机刀片T10A或9SiCr淬火+低温回火⑦汽轮机叶片20Cr13淬火+高温回火⑧硫酸、硝酸容器06Cr18Ni11Ti固溶处理习题8（铸铁）1．铸铁和碳钢相比，在成分、组织和性能上有什么主要区别？成分：碳钢0.02%≤C≤2.11%，铸铁含碳量更高：C＞2.11%；组织：碳钢F+Fe3C（少）铸铁：F+Fe3C（多）或：F+G、P+G、F+P+G性能：铸铁因为组织中存在更多的Fe3C，具有硬度高、耐磨性更好的特点，但其强度、塑性、韧性、疲劳抗力均比钢更低。2．C、Si、Mn、P、S元素对铸铁石墨化有什么影响？为什么三低（C、Si、Mn低）一高（S高）的铸铁易出现白口？（1）C和Si对铸铁石墨化起决定性作用，是强烈促进石墨化的元素，C、Si含量越高，石墨化越容易进行。Si对石墨化影响大约为C的三分之一。P是微弱促进石墨化的元素。但由于铸铁中含P量低，对石墨化的影响并不显著。S是强烈阻碍石墨化的元素，它促使铸铁出现白口组织。Mn是阻碍石墨化的元素，但由于Mn能部分抵消S的有害影响，可以间接起到促进石墨化的作用。（2）因此，促进石墨化的元素C、Si以及Mn含量越低，强烈阻碍石墨化的S高，石墨化越不容易进行，也就是易出现白口了。3．石墨形态是影响铸铁性能特点的主要因素，试分别比较说明不同的石墨形态对灰铸铁和球墨铸铁力学性能及热处理工艺的影响。铸铁中最常用的是灰口铸铁，其中石墨形态主要有片状（灰铁）、团絮状（可锻铸铁）、球状（球墨铸铁）等，在石墨总数量相当的情况下，铸铁的性能主要受石墨形态的影响。灰铸铁的石墨呈片状，它引起的应力集中程度最大，球墨铸铁中石墨呈球状，应力集中程度最小，对基体的割裂作用也最小（相同体积的条件下，球形的表面积最小）。因此，球铁比灰铸铁具有更高的强度和韧性。可锻铸铁介于二者之间。热处理仅能改变铸铁基体组织，不能改变石墨形态，因此它对灰铸铁力学性能的改善是有限的，灰铸铁常用的热处理有退火、自然时效、表面热处理。由于球墨铸铁石墨对基体影响大为减少，通过热处理可使基体组织充分发挥作用，球铁拥有与钢相似的多种热处理，有退火、正火、调质、等温淬火等，可以获得不同性能满足不同的应用需求。4．在灰铸铁石墨化过程中，若第一、第二阶段完全石墨化，第三阶段石墨化完全进行、部分进行、没有进行时，分别获得什么组织的铸铁？当第三阶段石墨化完全进行时：铁素体十石墨；部分进行时：铁素体+珠光体+石墨没有进行时：珠光体+石墨。5．球墨铸铁的性能特点及用途是什么？球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨，球状石墨对基体的割裂作用和应力集中作用更小，与片状石墨和团絮状石墨相比，球墨铸铁的力学性能最好，基体强度的利用率高达70%～90%，球墨铸铁可与相应基体组织的铸钢相媲美，对于承受静载荷的零件，用球墨铸铁代替铸钢，特别利于形状复杂零件的成型。与可锻铸铁相比，还具有生产周期短、不受铸件尺寸限制等特点。球墨铸铁中的石墨球愈小、愈分散，球墨铸铁的强度、塑性、与韧性愈好。球墨铸铁还具有其他的优良性能，如铸造性能、减摩性、切削加工性等。球墨铸铁能通过各种热处理改变其性能。主要用于各种曲轴、凸轮轴、连接轴、连杆、齿轮、离合器片、液压缸体等零部件。6．和钢相比，球墨铸铁的热处理有什么异同？钢的组织本质上是以铁素体为基体，混合渗碳体或其他碳化物构成，这些碳化物都是从奥氏体中首先析出之后形成的，组织中没有从液体直接结晶形成的碳化物，所以热处理即可改变基体，也可改变其中碳化物的形态和分布。球墨铸铁是灰口铸铁中的一种，它的组织本质上是钢的基体+球状石墨，而灰口铸铁是第一阶段、第二阶段均石墨化的铸铁，其中第二阶段从奥氏体中析出的石墨相对较少，因此，直接从液体中形成的石墨（一阶段）更多，这些石墨的形态、分布是不能通过热处理改变的。因此，球铁的热处理主要是改变基体的热处理。7．HT200、HT350、KTH300-06、QT400、QT600各是什么铸铁？各具有什么样的基体和石墨形态？说明它们的力学性能特点及用途。HT200是灰铸铁，基体为珠光体，粗大的片状石墨。其抗拉强度不低于200MPa，用于承受大载荷和较重要的零件，如气缸体、齿轮、齿轮箱、机座、飞轮、缸套、活塞、联轴器、轴承座等。HT350为孕育灰铸铁，基体为珠光体，细小的片状石墨。其抗拉强度不低于350MPa，用于承受高载荷的重要零件，如重要设备床身、机座、受力较大的齿轮、凸轮、高压油缸、滑阀壳体等。KTH300-06为黑心可锻铸铁，基体为铁素体，团絮状石墨。其抗拉强度不低于300MPa，伸长率不低于6%，用于弯头、三通管件，中低压阀门等。QT400为球墨铸铁，基体为铁素体，球状石墨。其抗拉强度不低于400MPa，用于承受冲击、振动的零件，如汽车、拖拉机的轮毂、驱动桥壳、拨叉，压缩机高低压气缸，电机外壳，齿轮箱、机器底座、电动机架等。QT600为球墨铸铁，基体为珠光体+铁素体，球状石墨。其抗拉强度不低于600MPa，用于承受大载荷、受力复杂的零件，如汽车、拖拉机的曲轴、连杆、凸轮轴，部分磨床、铣床的主轴，小型水轮机主轴等。习题9（有色金属及硬质合金）填空题（1）根据铝合金的成分、组织和工艺特点，可以将其分为变形铝合金与铸造铝合金两大类。（2）将铝合金进行固溶处理以获得过饱和固溶体，通过时效过程获得细小弥散分布的第二相，使母相产生晶格畸变，阻碍位错运动，引起强度和硬度显著增高。（3）超硬铝合金具有良好的热塑性，但疲劳性能较差，耐热性和耐蚀性也不高。（4）铸造铝硅合金ZAlSi12的组织为粗大针状的硅晶体，通过变质处理细化组织，可显著提高合金强度和塑性。（5）铍青铜能通过固溶处理和人工时效进行强化，以获得高的弹性极限、疲劳抗力和耐蚀性、耐磨性及耐低温特性。（6）在镁合金中加入合金元素提高合金的强度、耐蚀性（或耐热性）等性能；通过固溶处理+时效处理的热处理强化提高强度。（7）钛在882℃时会进行α-Ti向β-Ti的转变，晶格类型从密排六方晶格转变为体心立方晶格。（8）α+β型钛合金兼具α型钛合金和β型钛合金的优点，强度高，塑性好，具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性，其中应用最为广泛的是TC4。（9）变形铝合金按能否热处理强化可以分为可热处理铝合金和不可热处理铝合金。（10）铜合金按成形方法分类变形铜合金和铸造铜合金。（11）常见轴承合金根据主要成分可分为锡基轴承合金、铅基轴承合金和铝基轴承合金。2.简答题（1）何种铝合金宜采用时效强化？何种铝合金宜采用变形强化？硬铝合金及超硬铝合金采用时效强化，防锈铝合金采用变形强化。（2）变形铝合金包括哪几类？航空发动机活塞、飞机大梁、飞机蒙皮应选用哪种铝合金？我国传统变形铝合金的分类方法是依据其性能特点来分的，分为四类，即防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。航空发动机活塞：锻造铝合金飞机大梁：超硬铝合金飞机蒙皮：硬铝合金（3）脱溶是一些合金时效强化过程中出现的现象，试说明脱溶过程的析出相转变过程步骤，并说明合金的性能的变化。时效脱溶简称时效。固溶体自高温急冷到固态溶解度曲线以下，由于冷却速度快，第二相（如铝合金β相）来不及析出，形成了过饱和固溶体，然后在较低的温度下这种不稳定的过饱和固溶体将逐渐向稳定状态转变，随着时间变化发生脱溶分解。随时效温度和固溶体合金成分的不同，时效脱溶过程中会析出各种弥散分布的亚稳定沉淀相（如铝合金θʹʹ相），这种亚稳定沉淀相与母相共格或局部共格，使母相产生晶格畸变，阻碍位错运动，引起强度和硬度显著增高，但塑性、韧性则降低。时效脱溶是一种金属的强化方法，也称时效强化或沉淀硬化。（4）下列零件分别应选择哪种铜合金：弹壳、钟表齿轮、高级精密弹簧、发动机轴承？弹壳：普通黄铜H68钟表齿轮：特殊黄铜HAl59-3-2高级精密弹簧：铝青铜QAl7、铍青铜QBe2发动机轴承：特殊黄铜HPb59-1、铍青铜QBe2习题10（机械零件选材及工艺路线分析）1．以你在金工实习中用过的几种零件或工具为例，简要说明它们的选材方法。榔头：T7\T8冲击力大含碳量相对最低；锯条：T10冲击力相对更小含碳量相对更高一些；锉刀：T12\T13冲击力相对进一步减小，含碳量相对最高。2．有一根45钢制造的轴，使用过程中出现磨损，表面组织为M回+T，硬度约45HRC，心部组织为F+S，硬度约20HRC，其制造工艺为：锻造→正火→机械加工→高频表面淬火（油冷）→低温回火→机械精加工试分析其磨损原因，提出改进办法。磨损主要是表面硬度不够，45钢经淬火和低温回火后硬度可达55HRC左右。究其原因是表面组织中除了M回外还有一部分T，这是淬火冷速不够造成的。在油冷状态下，由于45钢是碳素钢，淬透性不高，冷却时只有最外层冷速大于材料临界冷速Vk获得了马氏体（经低温回火为M回），表层其余组织为T。改进办法是调节好高频淬火频率控制好加热深度，然后采用水冷。如果还不能满足使用要求，还可以换成渗碳钢，将表层最终硬度提高到60HRC左右。3.某结构复杂的热作模具，其硬度要求为50～55HRC，试选用合适的材料，