金属材料学课题讨论docWord文档下载推荐.docx

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（二）课题讨论题

1、对比分析各类机器零件用钢的成分、工艺特点、组织、性能和用途，试以40Cr、20CrMnTi、60Si2Mn、GCr15为典型代表分别阐述。

2、对比分析工具钢的成分、工艺特点、组织、性能和用途，试以T10、5CrNiMo、CrWMn、Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2为典型代表分别阐述。

3、汽车变速箱齿轮是汽车中的重要零件。

通过它来改变发动机曲轴和传动轴的速度比。

它们经常在较高的载荷下（包括冲击载荷和交变弯曲载荷）工作，磨损比较大；

在运动中，由于齿根受到突然变载的冲击力及周期性的变动弯曲载荷，会造成轮齿的断裂或疲劳破坏；

由于齿轮工作面承受比较大的压应力和摩擦力，会使齿面产生接触疲劳破坏及深层剥落。

因此，齿轮在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧度等方面要求比较高。

现有一汽车变速箱齿轮，齿面硬度要求为58-63HRC，齿心部硬度要求为33-45HRC，其余力学性能要求为：

σS≥850MPa,σ-1≥440MPa,AKV≥65J。

试从下列材料中选择制造该齿轮的钢号，写出工艺流程，制订有关的热处理工艺，并分析各热处理工艺的目的及相应的金相组织。

38CrMoAlA,20CrMnTi,20,40Cr。

4、汽车钢板弹簧（如题4图）在汽车行驶过程中承受各种应力的作用，其中以反复弯曲应力为主，绝大多数是疲劳破坏。

其性能要求为σ0.2≥1160MPa,σb≥1280MPa,δ10≥5%,ψ≥25%。

同样材料处理是否正确，其寿命相差也很大。

1）在下列材料中选择合适的钢号：

20Cr、40CrNiMo、60Si2Mn、65Mn；

2）对所选材料进行成分、组织、性能分析；

3）制定合理的热处理工艺，并作分析；

4）分析影响板弹簧寿命的主要因素。

题4图一般汽车钢板弹簧形状

5、某型号柴油机凸轮轴，要求凸轮硬度≥50HRC，心部具有良好的韧度，AKV≥40J。

原采用45钢调质，再在凸轮表面高频淬火，最后低温回火。

1）说明45钢各热处理工艺及其作用；

2）能否用20钢代替45钢?

若能用20钢制造，仍用原工艺能否满足性能要求?

为什么?

3）为满足凸轮轴性能要求，改用20钢制造后应采用什么工艺?

并分析。

6、汽车、拖拉机发动机中的连杆螺栓是发动机中承受载荷较重的零件。

装配时，按规定要拧紧，因而受到均匀拉伸应力；

工作时受到反复的交变应力；

在活塞换向时还受冲击力。

如选材和处理不当，连杆螺栓易断裂，使汽缸破坏，或过量变形而失效。

对M12的技术要求为：

最终处理后硬度28-33HRC，σb≥950MPa,σS≥800MPa,δ5≥9%,ψ≥42%，AKV≥60J。

1）查阅有关资料，分析连杆螺栓的服役条件及性能要求。

选择合适的材料；

2）确定工艺流程，制定热处理工艺，并分析；

3）能否用15MnVB钢制造，说明理由。

7、有一直径为Φ25mm的精密机床主轴。

该主轴是在滑动轴承中工作，因而轴颈表面应有较高的硬度，50-55HRC，以使其不易磨损，保证精度；

该主轴在工作时受力较复杂，所以轴的各部分沿横断面的性能应均匀一致，以保证有一定的耐疲劳性，硬度为220-255HB。

该主轴经最终热处理后的力学性能应为：

σb≥900MPa,AKV≥40J。

1）在45、40Cr、40CrNiMo、20Cr等钢中选择何种钢为好?

2）制定热处理工艺，并分析讨论。

8、汽车半轴（如题8图）是传递扭矩驱动车轮转动的直接驱动件。

汽车在上坡或启动时，扭矩比较大，特别是急刹车或行驰在不平坦的道路上，工作条件更为繁重。

因此，半轴主要承受冲击、弯曲疲劳和扭转应力的作用。

跃进—130型汽车属中型载重汽车，半轴的技术要求为淬火后离表面0.3R（半径）处保证能获得90%的马氏体组织。

杆部硬度为37~44HRC，盘部外圆硬度为24~34HRC。

（1）根据服役条件分析性要求；

（2）选择合适的材料，并分析；

（3）制订热处理工艺。

题8图各类汽车半轴

a）一端法兰式b）二端花键式c）比截面台阶式

9、有一中型热锤锻模，形状比较复杂，锻坯生产批量大；

在工作时承受强大的冲击力；

工作时由于金属的流动，有很大的摩擦；

整个工作过程是在较高温度下进行，整个模具温度一般能达到350-400℃；

为使模具温度不至太高，要经常用介质冷却。

常见的失效形式有型腔磨损、模腔塌陷、表面龟裂，严重时，整个模具开裂。

该模面硬度要求38-41HRC，模尾硬度要求34-39HRC。

1）选择合适的材料，并分析说明理由；

2）制订热处理工艺，并讨论；

3）对常见的失效形式进行分析讨论。

10、在45、5CrMnMo、W18Cr4V、T12等材料中选择制造手工丝锥（≤M12）的钢种；

分析手工丝锥的服役条件及性能要求；

写出其工艺流程；

制订热处理工艺并分析说明。

11、归纳总结高速钢的成分、工艺、组织和性能特点，着重分析讨论以下几个问题：

1）分析高速钢中常用合金元素Cr、W、Mo、V的作用及含量；

2）对高速钢进行锻造的目的与要求，如锻造不当，会带来什么后果；

3）热处理工艺特点（包括预热、淬火加热温度、淬火保温时间、分级淬火、回火工艺等），并说明其理由；

4）分析热处理后的最终组织，说明合金元素的分布状况；

5）分析比较W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢的优缺点。

12、冷冲压模具是目前冷作模具中使用最广泛的一种。

冷冲压模在工作时要承受强大的剪切力、压力、冲击力和摩擦力。

因此，模具表面应有很高的强度、耐磨性、疲劳强度及足够的韧度。

另外，为使产品形状尺寸准确、质量稳定，又要求整个工作表面性能均匀。

一般是因磨损而使产品形状尺寸不合格，也可能因热处理不当而失效：

如模具强度不足而被镫粗，模具脆性大导致刃口剥落，甚至开裂而过早失效。

现有硅钢片凹模，其尺寸为160×

110×

60mm。

是用来冲制0.3mm厚的硅钢片。

其技术要求：

硬度58-62HRC，高耐磨性，热处理变形要特别小。

在生产上一般选用Cr12MoV钢制造。

1）对Cr12MoV钢进行材料分析，以此说明选用该钢的理由；

2）确定合适的工艺流程，并对其中的热处理工艺进行分析说明；

3）如以Cr12、Cr6WV钢制造，试分别与Cr12MoV钢比较各自的优缺点。

13、某工厂生产精密丝杠（6级），尺寸为Φ45×

800mm。

要求热处理后变形小，尺寸稳定，表面硬度54-58HRC。

用CrWMn钢制造，其工序为：

热轧钢下料→球化退火→粗加工→淬火→低温回火→精加工→时效→精磨。

1）试分析用CrWMn钢制造的原因；

2）从服役条件、性能要求、显微组织要求等方面来分析上述工艺安排能否达到要求。

如有问题，应该如何改进。

3）能否用9Mn2V钢制造，说明理由。

14、有一标准块规，尺寸为40×

10×

8mm。

块规用来测量和标定线性尺寸，精度要求较高。

硬度要求：

≥62HRC。

某厂选用GCr15钢制造。

1）试写出块规的加工工艺路线；

2）根据服役条件、性能要求分析选材的理由；

3）制订热处理工艺，并分析说明。

15、搓丝板是滚压外螺纹的工具。

工作时，齿部受较强的冲击力和挤压力，通常因磨损或崩齿而失效。

以前，工厂常用Cr12或Cr12MoV钢制造，成本高，并且工艺复杂。

后来成功地改用9SiCr钢制造，寿命大为提高，成本也下降了。

1）综合分析说明改用9SiCr钢制造的原因；

2）现用9SiCr钢制造M>

6的搓丝板。

请制订工艺路线和热处理工艺。

16、试总结合金钢中常用元素Si、Mn、Cr、Mo、Ni、V的各种作用，对每种作用简要阐明其原理。

17、查阅有关文献资料，选择某一种新型金属基复合材料或金属功能材料，就其成分、工艺、性能和应用或发展趋势进行交流讨论。

（三）大作业（小论文）范例

题目：

圆板牙是用来加工外螺纹的（图略），其特点是刃部比较薄且在内部，切削工作温度不高，并不要求高的红硬性，但是其螺距及内孔要求变形小，刃部不得脱C。

此外，工作时受扭矩较大。

某圆板牙的技术要求为60-63HRC。

螺孔中径尺寸要控制在规定的范围内。

1、根据圆板牙服役条件，分析其性能要求；

2、试在下列材料中选用合适的钢号：

T12、CrWMn、W18Cr4V、9SiCr、GCr15；

3、制订热处理工艺规程，并分析。

圆板牙选材及工艺制订

×

（江苏大学材料科学与工程学院×

班级）

1、圆板牙的服役条件及技术要求

作为刃具，硬度要求60-63HRC，则必须具有较高的淬透性，并保证圆板牙内部刃口部位淬硬；

螺孔中径、螺距及内孔的精度涉及到加工后螺纹的精度，因此材料在热处理过程中要保证变形很小；

由于刃口较薄且在内部，所以要求该材料组织中碳化物细小均匀，以保证在工作时刃口不崩刃、耐磨性好，寿命长；

圆板牙在工作时受扭矩较大，则须保证材料有良好的强韧性配合。

2、圆板牙选材分析

T12是碳素工具钢，含1.15-1.24%C。

这样的高C能保证淬火后有高的硬度和较多的碳化物，以满足耐磨性和淬硬性的要求。

根据圆板牙的性能要求知，T12钢不能满足热处理变形小（由于其淬透性差，需急冷而变形大）和韧度较好的要求。

因此，T12钢不符合要求。

W18Cr4V是高速钢。

最主要的特点是红硬性高，适用于在600℃工作温度下仍能保持其切削性能的高速切削场合。

该钢的碳化物比较多，并且相对来说比较粗大，均匀性也难以达到最佳状态。

对圆板牙这样薄刃的工具，刃口部位容易崩刃，并且该钢的加工工艺性比较复杂，成本高。

所以选用该钢也是不合适的。

余下的CrWMn、9SiCr、GCr15都可以作为工具钢使用。

但对于制造圆板牙这样的薄刃工具，还需要进行综合全面的分析。

这三种材料由于合金化元素的不同，各有其特点：

CrWMn：

由于Cr、W、Mn的复合加入，使其有较高的淬透性；

Cr、W、Mn都是碳化物形成元素，使钢中有较多的碳化物，淬火后硬度高，可达到64-66HRC，因此有较高的耐磨性；

W能细化碳化物，改善了韧度；

由于Mn的存在大为降低了MS点，该钢淬火后的残余奥氏体比较多，淬火变形也较小；

但该钢的碳化物多且易形成网状，如果碳化物粗大且不均匀，则制造薄刃后，刃部有崩刃的危险。

CrWMn钢主要用于制造断面尺寸较大、淬火变形要求小、耐磨性要求较高的工具。

所以，如果采取有效工艺，使碳化物细小均匀，该钢是能满足要求的。

9SiCr：

Cr、Si的加入，提高了淬透性；

因为Cr、Si的作用，使钢中的碳化物细小均匀。

使用时刃口部位不易崩刃；

Si抑制低温回火时的组织转变非常有效，所以该钢的低温回火稳定性较好，热处理时的变形也很小。

其缺点是脱C敏感性比较大。

根据该钢的特点，如采取合适的工艺措施，控制其脱C现象，9SiCr钢是制造薄刃圆板牙的理想材料。

GCr15：

是典型的滚动轴承钢，也可以制造工具。

Cr的加入增加了钢的淬透性，并能形成较稳定的细小均匀的碳化物，它的冶金质量比一般钢要高。

在淬火低温回火后可获得高而均匀的硬度。

热处理变形比较小，尺寸很稳定。

但是该钢和9SiCr相比，回火稳定性比较差。

因此，对刃口要求高且在内部的圆板牙来说，GCr15不如9SiCr更适合。

综合起来，最后选择9SiCr是合适的。

3、9SiCr圆板牙的工艺规范

工艺路线：

毛坯→锻造→球化退火→机械加工→淬火→检查→回火→清洗→检查→发黑处理→检查。

9SiCr圆板牙的热处理工艺如图1。

下面进行工艺规范分析。

1）球化退火

锻造后球化退火的目的主要是降低硬度，改善切削性能，为最终热处理作组织准备。

工具钢原始组织为球状珠光体经淬-回火后的力学性能和原始组织为片状珠光体相比，在强度、硬度相同情况下，其塑韧性都要高，且对淬火温度的敏感性也相对较小。

要注意的是球化退火前的组织要求是细片状珠光体，不允许有严重的网状碳化物，否则应在球化退火前安排正火处理。

球化退火组织按照国家有关标准评级，应在2-5级范围内合格。

2）淬火工艺

等温淬火可使让应力和组织应力减至最小，并大大减少工具的变形，所以对圆板牙这类变形要求较高的工件，宜采用等温淬火工艺。

首先在600-650℃预热，以减少高温停留的时间，从而减轻圆板牙的脱C现象。

淬火加热温度的确定，除了考虑控制未溶碳化物数量外，还应考虑原材料的球化级别、工具尺寸等因素。

因为尺寸较大的工件，容易产生球化不良、碳化物不均匀等问题，所以大尺寸的圆板牙宜采用较低的淬火加热温度，如：

<

M10的圆板牙，常采用860-870℃；

>

M10的圆板牙，采用850-860℃。

在盐浴炉中加热，要注意盐浴炉的脱氧，也能减轻圆板牙的脱C倾向。

等温温度一般为180℃左右。

等温时，部分奥氏体转变为下贝氏体，从而使钢的硬度、强度和韧度得到良好的配合，并能保证工具具有良好的耐磨性。

等温温度过高，硬度、强度会急剧下降；

等温温度过低，得不到所需的下贝氏体数量。

等温温度也会影响随后空冷时形成的马氏体数量，从而对螺孔的胀缩有影响。

所以控制等温温度高低可以控制圆板牙螺孔的变形量。

同样等温停留时间对力学性能也有影响，适当的时间使钢具有最佳的强韧性。

试验表明，超过60分钟，性能就大为下降。

这是因为下贝氏体和残余奥氏体量太多的缘故。

一般采用30-45分钟比较合适。

等温淬火后的金相组织为：

马氏体+下贝氏体+残余奥氏体+碳化物。

3）回火工艺

由于Si、Cr元素的作用，提高了钢的回火稳定性，因此可在190-200℃回火。

在这温度下回火，硬度下降很少，回火后硬度仍然有60-63HRC。

经过回火后的金相组织为：

回火马氏体+下贝氏体+残余奥氏体+碳化物。

大部分淬火应力已经消除。

参考文献（应该列出，但这里省略了）