工程材料第四章习题答案.docx
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工程材料第四章习题答案
工程材料作业(4)答案
1.解释下列现象:
(1)在相同含碳量下,除了含Ni和Mn的合金钢外,大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高。
奥氏体形成分为形核、长大、残余渗碳体溶解,奥氏体均匀化4阶段。
多数合金元素减缓A形成,Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳亲和力大,形成的合金元素的碳化物稳定、难溶解,会显著减慢碳及合金元素的扩散速度。
但为了充分发挥合金元素的作用,又必须使其更多的溶入奥氏体中,合金钢往往需要比含碳量相同的碳钢加热到更高的温度,保温更长时间。
Co、Ni等部分非碳化物形成元素,因增大碳的扩散速度,使奥氏体的形成速度加快。
而Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度的影响不大。
阻碍晶粒长大,合金钢需要更高的加热温度,更长的保温时间,才能保证奥氏体均匀化。
(加热温度升高了,但一般不会引起晶粒粗大:
大多数合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。
碳化物形成元素的作用最明显,因其形成的碳化物高温下稳定性高,很难完全溶入奥氏体,未溶的细小碳化物颗粒,分布在奥氏体晶界上,有效的阻止晶粒长大,起到细化晶粒的作用。
所以,合金钢虽然热处理加热温度高,但一般不用担心晶粒粗大。
强烈阻碍晶粒长大的元素:
V、Ti、Nb、Zr;中等阻碍的:
W、Mo、Cr;影响不大的:
Si、Ni、Cu;促进晶粒长大的:
Mn、P、B)
(2)在相同含碳量下,含碳化物形成元素的合金钢比碳钢具有较高的回火稳定性。
回火过程一般分为:
马氏体分解、残余奥氏体转变、碳化物类型转变和碳化物长大。
合金元素在回火过程中,推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变(即在较高温度才出现分解和转变),提高铁素体的再结晶温度,使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度。
因此,提高了钢对回火软化的抗力,即提高了钢的回火稳定性。
使得合金钢在相同温度下回火时,比同样质量分数的碳钢具有更高的硬度和强度(对工具钢,耐热钢更重要),或在保证相同强度的条件下,可在更高的温度下回火,而韧性更好(对结构钢更重要。
)
(3)为何含C大于0.4%,含Cr大于12%的Cr钢属于过共析钢,含碳1.5%,含Cr12%的钢属于莱氏体钢。
在合金元素的作用下,使得铁碳相图的S点(即﹤﹤0.77%)和E点(即﹤﹤2.11%)因此,C大于0.4%,含Cr大于12%的Cr钢属于过共析钢,含碳1.5%,含Cr12%的钢属于莱氏体钢。
(4)高速钢在热轧或锻造后,经空冷获得马氏体组织。
高速钢由于合金元素含量高,使得C曲线右移很多,即过冷奥氏体区很大,淬火临界冷却速度大为降低,因此采取空冷即可获得马氏体组织。
高速钢俗称“风钢”(锋钢)
2.何谓合金渗碳钢?
为何渗碳钢的含碳量都较低?
合金渗碳钢常用的合金元素有哪些及其主要作用?
为何渗碳后要进行淬火和低温回火?
经过渗碳热处理后使用的低碳合金结构钢。
含碳量低是为了保证零件心部有足够的塑性和韧性。
渗碳钢常用的合金元素是:
Cr,Ni,Mn,B,主要目的是提高淬透性。
还加入少量Ti,V,V,Mo等强碳化物形成元素,形成稳定碳化物,提高耐磨性,并阻碍晶粒长大。
渗碳仅是改变了低碳钢表面的成分即表面为高碳钢,若退火仍然是平衡组织,没有强化效果。
只有经过淬火+低温回火后,才能实现表面的强化,而保持心部的塑韧性。
3.何谓合金调质钢?
为何调质钢的含碳量中碳?
调质钢常用的合金元素有哪些及其主要作用?
经过调质处理(淬火+高温回火)后使用的中碳合金结构钢。
选择中碳是为了保证零件心部(整体)的综合机械性能良好。
常用合金元素是Cr、Mn、Ni、Si等,提高钢的淬透性,同时强化铁素体,提高基体强度。
4.指出下列合金钢的类别,用途,含碳量和合金元素的作用,热处理特点:
20CrMnTi40MnB,60Si2Mn,9SiCr,GCr15,W18Cr4V,Cr12MoV,5CrMnMo
牌号
名称:
合金渗碳钢
成分:
(1)含碳量:
0.2%,低碳;
(2)合金元素及作用:
Cr,Mn:
提高淬透性Ti:
细化晶粒(渗碳
温度高920℃)
热处理特点:
正火→渗碳+淬火+低温回火
热处理组织及硬度:
心部表面
T,M回,F少回火M+合金渗碳体+A’少
HRC25HRC60
ak﹥700kJ/m2
用途举例:
汽车变速齿轮、凸轮轴,活塞销等
20CrMnTi
40MnB
名称:
合金调质钢
成分:
(1)含碳量:
0.4%,中碳;
(2)合金元素及作用:
Cr,Mn:
提高淬透性
热处理特点:
完全退火→整体调质(淬火(油)+高温回火)→
(局部或表面)高频加热表面淬火+低温回火(若要求表面耐磨)
热处理组织及硬度:
调质:
S回HRC25
表面淬火+低回:
M回HRC58
用途举例:
齿轮、轴类,连杆,螺栓等。
60Si2Mn
名称:
合金弹簧钢,专用结构钢,制造弹簧和其他弹性零件。
成分:
(1)含碳量:
0.6%,中高碳(高于调质钢);
(2)合金元素及作用:
Si,Mn:
提高淬透性,也提高屈强比。
热处理特点:
完全退火→淬火+中温回火→喷丸强化
热处理组织及硬度:
T回HRC40
用途举例:
汽车板簧、床垫弹簧
热成型弹簧:
如汽车板簧
扁钢下料→加热压弯成型→淬火→中温回火→喷丸强化
冷成型弹簧:
螺旋弹簧
冷拉钢丝(淬火中温回火钢丝)→冷卷成型→去应力退火→成品
9SiCr
名称:
低合金工具钢
成分:
(1)含碳量:
0.9%,高碳。
(2)合金元素及作用:
Cr、Mn、Si,W、V:
提高淬透性和回火稳定性。
提高硬度,耐磨性。
防止晶粒粗大。
热处理特点:
球化退火→淬火(油)+低温回火
热处理组织及硬度:
M回+粒状碳化物+A’HRC60-65
用途举例:
丝锥、板牙、量规。
GCr15
名称:
滚动轴承钢
成分:
(1)含碳量:
0.95-1.05%,高碳,保证高硬度和耐磨性。
(2)合金元素及作用:
Cr:
1.30-1.65%,提高淬透性;形成合金渗碳体,提高耐磨性,提高疲劳强度。
热处理特点:
球化退火→淬火(油)+低温回火
热处理组织及硬度:
M回+粒状碳化物+A’HRC60
用途举例:
滚珠、滚柱、滚针等;冷冲压模具,量具,丝杠等。
W18Cr4V
名称:
高速钢
成分:
(1)含碳量:
0.7-1.5%,高碳,保证与合金元素形成足够数量的碳化物,同时保证有一定数量溶入奥氏体,保证马氏体硬度。
(2)合金元素及作用:
Cr、V:
提高淬透性,W、Mo:
保证红硬性。
V:
提高耐磨性,细化晶粒。
热处理特点:
多次锻造→等温退火→淬火(两次预热,分级淬火,油冷)+低温回火(560℃三次,每次1小时)
热处理组织及硬度:
淬火组织:
M+粒状碳化物+A’(大量20—25%)HRC﹥63
回火组织:
M回+粒状碳化物+A’(少量1-2%)HRC63-66
用途举例:
丝锥、板牙、量规。
Cr12MoV
名称:
冷作模具钢
成分:
(1)含碳量:
﹥1.0%,高碳,保证高硬度和高耐磨性。
(2)合金元素及作用:
Cr、V、W、Mo形成难溶碳化物,提高耐磨性,尤其是Cr,Cr12含Cr达到12%,提高耐磨性同时还显著提高钢的淬透性。
热处理特点:
一次硬化法:
950-1000℃淬火→150-180℃回火HRC61-64
二次硬化法:
1100-11500℃淬火→510-520℃三次回火HRC60-62(红硬性高400-450℃、耐磨,但韧性差)
热处理组织及硬度:
M回+粒状碳化物+A’(少量1-2%)
用途举例:
冷冲模、压印模、拉延模
5CrMnMo
名称:
热作模具钢
成分:
(1)含碳量:
0.5%,中碳,保证高强度、高韧性、较高硬度(HRC35-52)和较高热疲劳抗力。
(2)合金元素及作用:
Cr、Mn等。
Cr提高钢的淬透性。
Mo产生二次硬化,同时防止高温回火脆性。
热处理特点:
退火→淬火高温回火(550℃)(与调质钢相似)
热处理组织及硬度:
S回HRC39-47
用途举例:
小型热锻模、热镦模
5、庞国星教材P110:
4-1:
见教材,不提供答案。
6、高速钢铸造后为什么反复锻造?
高速钢切削加工前又为什么进行低温奥氏体化退火?
该钢淬火加热温度为什么高达1280℃?
淬火后为何三次回火?
高速钢560℃回火是否属于调质处理?
为什么?
(1)高速钢铸造后为什么反复锻造:
高速钢是莱氏体钢,铸造组织成分不均匀,偏析严重,存在大量的粗大碳化物,将降低钢的韧性。
碳化物不能采用热处理工艺消除,只能采用反复锻造将其打碎,使之均匀分布。
高速钢切削加工前又为什么进行低温奥氏体化退火:
即球化退火,降低硬度,便于切削加工。
该钢淬火加热温度为什么高达1280℃:
保证合金元素(W、Cr)溶入奥氏体,形成合金奥氏体,才能保证形成合金马氏体,并在回火时,析出合金碳化物,获得二次硬化的效果。
淬火后为何三次回火:
因为残余奥氏体的量较大(30%),需要多次回火才能消除(5%以下)。
同时,为了消除较大的残余应力。
高速钢560℃回火是否属于调质处理:
不是调质。
由于存在二次硬化,高速钢的红硬性好,在560℃回火仍能保持高硬度。
7、试比较分析T9碳素工具钢与9SiCr合金工具钢:
(1)为什么9SiCr钢热处理温度比T9高?
为了保证合金元素溶入奥氏体,形成合金奥氏体,最终形成合金马氏体,在回火时析出合金碳化物,以提高红硬性。
(2)直径为Φ30—40mm的9SiCr钢在油中冷却能淬透,相同尺寸的T9在油中能否淬透?
相同尺寸的T9在油中不能淬透。
因为,合金元素的加入,提高了钢的淬透性。
(3)为什么T9制造的刀具刃部受热至200——250℃其硬度和耐磨性迅速下降,以至于失效,而9SiCr钢刀具刃部在230——250℃条件下工作,硬度仍不低于HRC60,且耐磨性能良好,尚可维持正常工作?
T9属于碳素工具钢,其红硬性较差,不适合于在200℃以上工作。
而9SiCr属于低合金工具钢,合金元素提高了淬透性,并形成合金马氏体,在回火时析出合金碳化物,以提高红硬性。
(4)为什么9SiCr钢比较适合制造要求变形小的、硬度较高的(HRC60-63)、耐磨性能良好的圆板牙等薄刃刀具?
9SiCr钢制圆板牙如何进行热处理?
试对其热处理工艺进行分析。
淬透性好,在冷速较缓的油中即可淬透。
因此可以制造较复杂的,要求变形小的工具如圆板牙等。
9SiCr钢制圆板牙如何进行热处理:
锻造——正火+球化退火——机加工——淬火+低温回火——精加工
正火+球化退火:
彻底消除网状渗碳体,达到切削加工要求的硬度
淬火:
实现马氏体强化。
组织:
M+A’+未溶Cm,HRC60以上
低温回火:
保持高硬度,改善塑韧性。
组织:
M回+未溶Cm+A’(少量),HRC60
8、为下列工件选择合适的材料和热处理方法:
工件:
发动机连杆螺栓、发动机排气门弹簧、镗床镗杆、自行车车架、车辆缓冲弹簧、车床未座顶尖、机用大钻头、螺丝刀、车床丝杠螺母、高速粗车铸铁的车刀、普通机床地脚螺栓
材料:
38CrMoAlA、40Cr、45、Q235、50CrVA、T7、T10、Q295、W18Cr4V、60Si2Mn
发动机连杆螺栓:
40Cr完全退火,调质
发动机排气门弹簧:
50CrVA(要求耐热),完全退火,淬火+中温回火
车辆缓冲弹簧:
60Si2Mn,完全退火,淬火+中温回火
镗床镗杆:
38CrMoAlA(高级轴类零件),完全退火,渗氮(或碳氮共渗)+淬火+低温回火
自行车车架:
Q235,成型+焊接,不用热处理
车床未座顶尖:
45,完全退火,调质
机用大钻头:
T7(考虑冲击力),球化退火,淬火+低温回火
螺丝刀:
T10,球化退火,淬火+低温回火
车床丝杠螺母:
铜合金
高速粗车铸铁的车刀:
W18Cr4V,球化退火,淬火+低温回火
普通机床地脚螺栓:
Q295,不用热处理
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