工程材料思考题

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1、思考题1、合金钢中经常加入哪些合金元素?如何分类? 4、区别下列名词的基本概念：合金渗碳体、合金奥氏体、合金铁素体6、何谓渗碳钢?为什么渗碳钢的含碳量均为低碳?合金渗碳钢中常加入哪些合金元素?它们在钢中起什么作用? 7、何谓调质钢?为什么调质钢的含碳量均为中碳?合金调质钢中常加入哪些合金元素?它们在钢中起什么作用? 8、弹簧钢的含碳量应如何确定?合金弹簧钢中常加入哪些合金元素，最终热处理工艺如何确定? 9、滚动轴承钢的含碳量如何确定?钢中常加入的合金元素有哪些?其作用如何? 11、用9SiCr制造的圆板牙要求具有高硬度、高的耐磨性，一定的韧性，并且要求热处理变形小。试编写加工制造的简明工艺路线

2、，说明各热处理工序的作用及板牙在使用状态下的组织及大致硬度。 12、何谓热硬性(红硬性)?为什么W18Cr4V钢在回火时会出现“二次强化”现象?65钢淬火后硬度可达HRC6062，为什么不能制车刀等要求耐磨的工具? 13、W18Cr4V钢的淬火加热温度应如何确定(A c1 约为820)?若按常规方法进行淬火加热能否达到性能要求?为什么?淬火后为什么进行560的三次回火？ 14试述用CrWMn钢制造精密量具(块规)所需的热处理工艺。 15、用Crl2MoV钢制造冷作摸具时，应如何进行热处理? 16、与马氏体不锈钢相比，奥氏体不锈钢有何特点?为提高其耐蚀性可采取什么工艺? 17、常用的耐热钢有哪几

3、种?合金元素在钢中起什么作用?用途如何? 18、高压聚乙烯的结构有何特征？主要性能特点及其应用如何？ 19、低压压聚乙烯的结构有何特征？主要性能特点及其应用如何？20、何谓高聚物的老化？如何防止高聚物老化？21、陶瓷的组织是由哪些相组成的？它们对陶瓷改性有什么影响？22、根据以下各题的要求，在常用金属材料中选用合适的牌号，并回答有关问题： 20CrMnTi 45 40Cr 38CrMoAl 65Mn 60Si2Mn GCr15 9SiCr CrWMn Cr12MoV W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 2Cr13（1）某机床高速传动齿轮，要求齿面耐磨性高，硬度为5862HRC，齿心部韧性高。

4、材料应选用_；工艺路线：下料锻造热处理机加工热处理磨削。请说明其中各热处理工序的目的与相应组织：热处理_；热处理_。 （2）高速精密齿轮，工作平稳，冲击小，要求：表面很高的耐磨性，硬度超过900HV；心部良好的强韧性；热处理变形很小。材料选用_；改善切削加工性能的热处理_；改善心部性能的热处理_；切削中消除内应力的热处理_；提高表面性能的热处理_。l. 解答：冷变形，淬火+回火，表面淬火，冷变形，冷变形。 2.解答：溶质元素溶入晶格引起畸变，位错增殖，硬质点使位错运动阻力加大；区别略。 3.解答：A.正火，B.正火，C.等温淬火，D.淬火，E.淬火，图略。4.解答：(1)40Cr，正火，表面淬

5、火+低温回火； (2)38CrMoAl，退火，调质，去应力退火，氮化。 23. 某一尺寸为30mm250mm的轴用30钢制造，经高频表面淬火（水冷）和低温回火，要求摩擦部分表面硬度达5055HRC，但使用过程中摩擦部分严重磨损，试分析失效原因，并提出解决问题的方法。解答：作为表面淬火用钢，30钢的含碳量偏低，淬火后的硬度不能达到设计要求，可采用渗碳后进行淬火。部分参考答案1、合金钢中的合金元素通常分为以下几类： 碳化物形成元素：Mn, Cr, W，Mo, V, Ti, Nb ,Zr 非碳化物形成元素：Ni, Cu, Co, Si, Al。4、（ 1）奥氏体：碳在-Fe中的一种间隙固溶体。合金奥

6、氏体：溶在合金元素中的奥氏体。奥氏体钢：钢的组织为奥氏体的钢。 （ 2）铁素体：碳在-Fe中的一种间隙固溶体。合金铁素体：溶在合金元素中的铁素体。铁素体钢：钢的组织为铁素体的钢。 （ 3）渗碳体即碳化三铁Fe 3 C。合金渗碳体：溶有合金元素的渗碳体，如(Fe、Cr) 3 C等。特殊碳化物：指稳定性特高的碳化物，如：WC等。 5、（ 1）除Mn、Ni等扩大相区的元素外，大多合金元素与铁相互作用能缩小相区，使A 4 下降，A 3 上升，因此使钢的淬火加热温度高于碳钢。 （ 2）钢在淬火后回火时的组织转变主要是马氏体分解、残余奥氏体的分解及碳化物形成、析出和聚集的过程，这个过程也是依靠元素之间的扩

7、散来进行的。由于合金元素扩散速度小，而又阻碍碳原子扩散，从而使马氏体的分解及碳化物的析出和聚集速度减慢，将这些转变推迟到更高的温度，导致合金钢的硬度随回火温度的升高而下降的速度比碳钢慢。这种现象称之为回火稳定性。 （ 3）从合金元素对铁碳相图的影响可知，由于合金元素均使相图中的S点和E点左移，因此使共析点和奥氏体的最大溶碳量相应地减小，出现了当含Cr量为12时，共析点地含碳量小于0.4,含碳量12时奥氏体最大含碳量小于1.5。 （ 4）由于高速钢中含有大量地合金元素，使其具有很高的淬透性，在空气中冷却即可得到马氏体组织。 6、用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。渗碳钢的含碳量一般都很低 (在0.1

8、50.25之间)，属于低碳钢，这样的碳含量保证了渗碳零件的心部具有良好的韧性和塑性。为了提高钢的心部的强度，可在钢中加入一定数量的合金元素，如Cr、Ni、Mn、Mo、W、Ti、B等。其中Cr、Mn、Ni等合金元素所起的主要作用是增加钢的淬透性，使其在淬火和低温回火后表层和心部组织得到强化。另外，少量的Mo、W、Ti等碳化物形成元素，可形成稳定的合金碳化物，起到细化晶粒的作用。微量的B(0.0010.004)能强烈地增加合金渗碳钢的淬透性。 7、调质钢一般指经过调质处理后使用的碳素结构钢和合金结构钢。调质钢的含碳量一般在 0.250.50之间，属于中碳钢。碳量过低，钢件淬火时不易淬硬，回火后达不

9、到所要求的强度。碳量过高，钢的强度、硬度虽增高，但韧性差，在使用过程中易产生脆性断裂。常用合金调质钢通常加入的合金元素有Cr、Ni、 Si、Mn、B等，主要是为了提高钢的淬透性及保证强度和韧性而加入的。 8、 弹簧钢可分为碳素弹簧钢与合金弹簧钢。碳素弹簧钢是常用的弹簧材料之一，其含碳量为 0.60.9。合金弹簧钢的含碳量低一些，约介于0.450.70之间，考虑到合金元素的强化作用，降低含碳量有利于提高钢的塑性和韧性。合金弹簧钢中所含合金元素经常有Si、Mn、Cr、V等，它们的主要作用是提高钢的淬透性和回火稳定性，强化铁素体和细化晶粒，从而有效地改善了弹簧钢的力学性能。根据弹簧的加工成型状态不同

10、，弹簧分为热成型弹簧与冷成型弹簧，热成型弹簧的最终热处理为淬火后中温回火；冷成型弹簧则是用冷拉弹簧钢丝经冷卷后成型，然后进行低温去应力退火。9、 滚动轴承钢的含碳量为 0.951.15，这样高的含碳量是为了保证滚动轴承钢具有高的硬度和耐磨性。主加元素是Cr，其作用可增加钢的淬透性，铬与碳所形成的(Fe、Cr) 3 C合金渗碳体比一般Fe 3 C渗碳体稳定，能阻碍奥氏体晶粒长大，减小钢的过热敏感性，使淬火后得到细小的组织，而增加钢的韧性。Cr还有利于提高回火稳定性。对于大型滚动轴承(如D3050mm的滚珠)，还须加入适量的Si(0.400.65)和Mn(0.901.20)，以便进一步改善淬透性，

11、提高钢的强度和弹性极限而不降低韧性。 11、下料球化退化机械加工淬火 +低温回火磨平面抛槽开口 球化退火：降低硬度，便于机械加工，并为最终热处理做好组织上的准备。 淬火 +低温回火：保证最终使用性能（高的硬度和良好的韧性），减小变形（分级淬火），降低残余内应力。最终组织为：下贝氏体碳化物。硬度大于60HRC。12、热硬性（红硬性）是指外部受热升温时工具钢仍能维持高硬度（大于 60 HRC）的功能。W18Cr4V出现二次硬化的原因是在550570温度范围内钨及钒的碳化物（WC,VC）呈细小分散状从马氏体中沉淀析出，产生了弥散硬化作用。同时，在此温度范围内，一部分碳及合金元素从残余奥氏体中析出，从

12、而降低了残余奥氏体中碳及合金元素含量，提高了马氏体转变温度。当随后回火冷却时，就会有部分残余奥氏体转变为马氏体，使钢的硬度得到提高。由于以上原因，在回火时便出现了硬度回升的“二次硬化”现象。 而 65钢虽然淬火后硬度可达6062HRC但由于其热硬性差，钢中没有提高耐磨性的碳化物，因此不能制造所要求耐磨的车刀。 13、 高的热硬性主要取决于马氏体中合金元素的含量，即加热时溶于奥氏体中合金元素的量，由于对高速钢热硬性影响最大的两个元素 W及V,在奥氏体中的溶解度只有在1000以上时才有明显的增加，在12701280 时奥氏体中约含有78的钨，4的铬，1的钒。温度再高，奥氏体晶粒就会迅速长大变粗，淬

13、火状态残余奥氏体也会迅速增多，从而降低高速钢性能。这就是淬火温度定在1280的原因。选择三次回火是因为因为W18Cr4V钢在淬火状态约有2025的残余奥氏体，仅靠一次回火是难以消除的。因为淬火钢中的残余奥氏体是在随后的回火冷却过程中才能向马氏体转变。 回火次数愈多，提供冷却的机会就愈多，就越有利于残余奥氏体向马氏体转变，减少残余奥氏体量(残余奥氏体一次回火后约剩1 5，二次回火后约剩35，第三次回火后约剩下2)。而且，后一次回火还可以消除前一次回火由于残余奥氏体转变为马氏体所产生的内应力。14、热处理工艺为：球化退火（降低硬度，便于切削加工，为最终热处理做组织准备） 淬火：其目的是为了保证块规

14、具有高的硬度（6265HRC），耐磨性何和长期的尺寸稳定性。 冷处理后的低温回火：是为了减小应力，并使冷处理后的过高硬度（66 HRC左右）降低至所要求的硬度（6265HRC） 时效处理原则：是为了消除新生的磨削应力，使量具残余应力保持在最小程度。 15、Cr12MoV钢类似于高速钢，也需要反复的锻打，把大块的碳化物击碎，锻造后也要进行球化退火，以便降低硬度，便于奥氏体加工。经机械加工后进行淬火，回火处理。必须指出，如果对Cr12MoV钢还要求有良好的热硬性时，一般可将淬火温度适当提高至11151130，但会因组织粗化而使钢的强度和韧性有所将低。淬火后，由于组织中存在大量残余奥氏体（80%）而

15、使硬度仅为4250HRC，但在510520回火时会出现二次硬化现象，是使钢的硬度回升至6061HRC。 16、 奥氏体不锈钢中加入了扩大相区降低 Ms点的合金元素（如Ni），使钢室温下具有单相奥氏体组织。钢中加Ti是为了消除钢的晶间腐蚀倾向。为提高其耐腐蚀性常用的热处理工艺有固溶处理，稳定性处理及除应力处理。17、耐热钢包括抗氧化钢和热强钢。 提高钢的氧化性，钢中通常加入足够的Cr, Si, Al和稀土等元素。使钢在高温下与氧接触时，表面能生成致密的高熔点的氧化膜，它严密的覆盖在钢的表面，可以保护免于高温气体的继续腐蚀。抗氧化钢多用来制造炉用零件和热交换器。加强钢中常加入铬，镍，钼，钨，钒，锰

16、等元素，用以提高钢的高温强度。汽轮机、燃气轮机的转子和叶片，锅炉过热器，高温工作的螺栓和弹簧，内燃机排气阀等用钢都是热强钢。 18 、（ 1 ）、 20CrMnTi ： 渗碳钢。用于承受较强烈的冲击作用和受磨损的条件下进行工作的零件。 0 2 的碳含量保证了渗碳零件的心部具有良好的韧性和塑性， Cr、Mn、Ti等合金元素所起的主要作用是增加钢的淬透性，提高钢的心部的强度。另外，少量的Ti可形成稳定的合金碳化物，起到细化晶粒、抑制钢件在渗碳时发生过热的作用。渗碳钢的主要热处理工序一般是在渗碳之后再进行淬火和低温回火。处理后零件的心部为具有足够强度和韧性的低碳马氏体组织，表层为硬而耐磨的回火马氏体

17、和一定量的细小碳化物组织。 （ 2 ）、 40MnVB ： 调质钢。这类钢在多种负荷下工作，受力情况比较复杂的重要零件，要求具有高强度与良好的塑性及韧性的配合，即具有良好的综合机械性能。 0 4 的含碳量保证 调质钢零件获得良好的综合机械性能；合金元素的加入，主要是为了提高钢的淬透性及保证强度和韧性而加入的。调质钢经过调质热处理后得到回火索氏体组织。调质钢零件，通常除了要求有良好的综合机械性能外，往往还要求表面有良好的耐磨性。为此，经过调质热处理的零件往往还要进行感应加热表面淬火。如果对表面耐磨性能的要求极高，则需要选用专门的调质钢进行专门的化学热处理。 （ 3）、 60Si2Mn ：弹簧钢。

18、用于通过弹性变形储存能量，从而传递力和机械运动或缓和机械振动与冲击，如汽车、火车上的各种板簧和螺旋弹簧、仪表弹簧等，要求必须具有高的弹性极限。 0.6的含碳量为了保证弹簧的强度要求；合金元素的主要作用是提高钢的淬透性和回火稳定性，强化铁素体和细化晶粒，从而有效地改善了弹簧钢的力学性能。淬火后中温回火，得到回火屈氏体组织。 （ 4）、9Mn2V（5）、Crl2MoV：冷作模具钢。用来制造在冷态下使金属变形的模具钢种。为了保证模具经过热处理后获得高硬度和高耐磨性，冷作模具钢含有比较高的碳量。加入的合金元素，其作用主要是为了提高钢的淬透性，耐磨性及减少变形等。热处理采用淬火+低温回火的热处理工艺。

19、（ 6）、5CrNiMo：热作模具钢。用来制造在受热状态下对金属进行变形加工的模具用钢。碳： 0.50C，保证一定的强度、硬度和耐磨性；铬：主要是提高淬透性，并能提高回火稳定性，形成的合金碳化物还能提高耐磨性，并使钢具有热硬性；镍：镍与铬共同作用能显著提高淬透性，镍固溶于铁素体中，在强化铁素体的同时还增加钢的韧性。锰：在提高淬透性方面不亚于镍，但Mn固溶于铁素体中，在强化铁素体的同时使钢的韧性有所降低。钼：其主要作用是防止产生第二类回火脆性。另外钼也有细化晶粒，增加淬透性，提高回火稳定性等作用。热处理采用淬火+低温回火的热处理工艺。 （ 7）、1Crl3：马氏体型不锈钢。用于要求韧性较高与受冲

20、击载荷下的耐腐蚀的结构钢零件。铬：能在阳极区表面上形成一层富Cr的氧化物保护膜，这层氧化膜会阻碍阳极区域的电化学反应，并能增加钢的电极电位而使其电化学腐蚀过程减缓，从而使含铬不锈钢获得一定的耐蚀性。热处理采用淬火高温回火，得到回火索氏体组织。 （ 8）、1Cr18Ni9Ti：奥氏体型不锈钢。含碳量很低，属于超低碳范围，这是因为含碳量增高对耐蚀性是不利的。合金元素铬主要产生钝化膜，阻碍阳极电化学腐蚀反应，增加钢的耐蚀性；含约9Ni主要作用是扩大区并降低Ms点(降低至室温以下)。使钢在室温时具有单相奥氏体组织。热处理：固溶处理，让所有碳化物全部溶于奥氏体，然后水淬快速冷却，不让奥氏体在冷却过程中有碳化物析出或发生相变，在室温下获得单相的奥氏体组织，提高耐蚀性。 （ 9）、ZGMnl3：高锰耐磨钢。用于制造有强烈摩擦或撞击时的抗磨损的工件。Mn:C比值不小于10。为了使高锰钢全部获得奥氏体组织须进行“水韧处理”。